Aunque relativamente nuevos, los gemelos digitales son entornos industriales virtuales, entornos urbanos y escenarios estratégicos de toma de decisiones, pero también pueden virtualizar sistemas y dinámicas biológicas, incluso en cuanto a comprender las enfermedades y el tratamiento.
En el Boston Children’s Hospital, los cirujanos emplean gemelos digitales de corazones y otros órganos para analizar problemas médicos y cirugías planificadas. Los médicos no solo pueden ver, por ejemplo, el corazón en sí, sino que también pueden comprender el impacto de la cirugía en el flujo de sangre y oxígeno o la presión sobre las válvulas.
La representación tridimensional del órgano permite a los médicos rotar la visualización para obtener una comprensión precisa del diseño para la próxima operación. En el futuro, los sensores adjuntos al paciente podrían crear virtualización en tiempo real de las condiciones cardíacas en el gemelo digital.
Ellen Kuhl, profesora de ingeniería en la Universidad de Stanford, explica las ventajas. “Cuando tienes este modelo, puedes personalizar con ciertas características, cierta anatomía”, dice ella. “Entonces puedes probar cosas. En la cirugía cardíaca, no puede probar 20 cosas diferentes. Solo tienes un tiro “.
Mientras tanto, los investigadores singapurenses han desarrollado un gemelo digital que replica los flujos metabólicos para predecir la enfermedad renal crónica en la diabetes mellitus tipo 2.
Los investigadores señalan que en las últimas cuatro décadas, el número de pacientes con diabetes se ha duplicado. De hecho, la ciudad-estado de Singapur presenta uno de los porcentajes más altos de pacientes con insuficiencia renal debido a la diabetes a nivel mundial. El análisis gemelo digital permite a los investigadores investigar los cambios a largo plazo en los procesos metabólicos, lo que permite a los médicos predecir la aparición de enfermedad renal crónica en los próximos tres años.
Otras iniciativas adoptan un enfoque de investigación fundamental al tratar de comprender cómo pueden comportarse los patógenos. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. Ha inaugurado el programa Simulating Microbial Systems (SMS), que está buscando predecir el comportamiento de las bacterias a través de simulaciones computacionales. En particular, “SMS busca flujos de trabajo interdisciplinarios, integrales e integrados para generar parámetros desconocidos a partir de nuevos datos para informar modelos computacionales que pueden predecir E. coli. “
Aumento del rendimiento fisiológico
Los gemelos digitales de la fisiología humana no solo pueden servir para desarrollar una mejor comprensión de las enfermedades, sino que también pueden encontrar el uso para mejorar el rendimiento en los deportes.
Investigadores de Ecole Polytechnique e Institut Universitaire de France han desarrollado un gemelo digital para atletas en los deportes de carrera. El gemelo tiene en cuenta las características fisiológicas. Las simulaciones “fueron validadas por comparación con el rendimiento del campo, las observaciones experimentales y los datos de la literatura”, dicen. “Las simulaciones de tiempos de registro y las pruebas totales de tres minutos fueron consistentes con los datos experimentales”.
Tales investigaciones ya afectan las competiciones deportivas. Los nadadores olímpicos en los Juegos Olímpicos de París 2024 recibieron apoyo de sus propios gemelos digitales. Desde 2015, los investigadores de la Universidad de Emory y la Universidad de Virginia han recopilado datos de nadadores a través de unidades de medición inercial en los tobillos, la espalda y las muñecas para capturar la aceleración, la fuerza y la orientación de los cuerpos de los atletas.
Los sensores avanzados miden la fuerza que crean las manos de los nadadores y la dirección que enfrenta la fuerza. Utilizan estas transmisiones de números para crear el gemelo digital de un atleta, lo que captura sus movimientos hasta el milisegundo. Ahora han reunido una base de datos masiva de gemelos digitales de más de 100 de los mejores nadadores estadounidenses, lo que permite a los entrenadores recomendar acciones para mejorar la técnica de los atletas.
Creación de pacientes virtuales y poblaciones de pacientes
Los proyectos más ambiciosos han dirigido la creación de gemelos digitales de todo el cuerpo humano. La Comisión Europea ha creado un marco para promover el desarrollo de gemelos digitales de humanos. La iniciativa europea de gemelos humanos virtuales está intentando crear representaciones de la salud humana y los estados de enfermedades. El objetivo de la iniciativa es avanzar en los tratamientos y la atención personalizados.
Los gemelos digitales médicos (MDT) tienen el potencial de cambiar sustancialmente la forma en que los médicos y los hospitales investigarán enfermedades, identificarán afecciones, seleccionarán medicamentos y prepararán tratamientos y operaciones. Utilizan modelos computacionales que pueden personalizarse a un paciente individual y se pueden recalibrar dinámicamente para reflejar los cambios con el tiempo. Dichos gemelos encuentran uso en la investigación y la comprensión de la tuberculosis, como lo que impulsa diferentes resultados de infección, informando el desarrollo y los enfoques para el tratamiento y la prevención.
Otra área es el estudio de los patógenos virales respiratorios. Numerosos factores virales y del huésped, además de complicaciones de otros patógenos y enfermedades subyacentes, pueden provocar heterogeneidad en la gravedad de la infección, pero se desconoce su contribución o las de otros mecanismos ocultos. Los pacientes con neumonía en unidades de cuidados intensivos es otra preocupación, y los investigadores están tratando de construir un gemelo digital de neumonía para pacientes con UCI que sirve como una herramienta de apoyo a la decisión para el médico.
Un papel en el desarrollo farmacéutico
La industria farmacéutica está marcada por altos costos de desarrollo, un alto grado de incertidumbre si un medicamento alcanza los mercados, modelos animales que a menudo no representan respuestas humanas y la heterogeneidad de una población de pacientes que puede crear variabilidad. Los gemelos digitales pueden impulsar la selección de candidatos prometedores de desarrollo de fármacos.
La compañía farmacéutica Orion Corporation está empleando a los gemelos digitales de Aitia para usar sus datos clínicos e identificar posibles candidatos para dirigirse a enfermedades del cáncer. Aitia ha desarrollado gemelos digitales de Géminis como representaciones computacionales de la enfermedad que capturan interacciones genéticas y moleculares que impulsan causalmente los resultados clínicos y fisiológicos.
Ya en 2023, Altis Labs encabezaba una coalición para crear un gemelo digital para ensayos clínicos. La compañía de imágenes médicas está trabajando con compañías farmacéuticas Astrazeneca y Bayer, entre otros, para acelerar el desarrollo de tratamientos contra el cáncer y reducir la tasa de fracaso.
Mientras tanto, la compañía farmacéutica y de atención médica Sanofi está trabajando y con poblaciones de pacientes virtuales. Los gemelos digitales de los pacientes tienen en cuenta la biología de la enfermedad, la farmacología y el conocimiento de fisiopatología para generar un marco digital.
La compañía dice que, si bien los pacientes reales siguen siendo esenciales en los estudios en etapa tardía, los pacientes virtuales le permiten evaluar a sus nuevos candidatos a los medicamentos antes de trasladarlos a la clínica y en diferentes fases tempranas durante el desarrollo, acelerando la evaluación de la seguridad y eficacia de los candidatos a los medicamentos.
La compañía señala que la I + D farmacéutica enfrenta una tasa de fracaso del 90% de los nuevos candidatos a los medicamentos durante el desarrollo clínico. Además, el reclutamiento de pacientes puede ser desafiante y intensivo en el tiempo. Otro beneficio es la generación de grandes cantidades de datos que se pueden estudiar.
Sanofi ha empleado pacientes virtuales de asma para investigar la eficacia de un nuevo compuesto. Los pacientes virtuales representaron todos los tipos y proteínas de células relevantes que se asocian con el asma. El mercado de medicamentos relacionados es competitivo y existen muchas alternativas. Por lo tanto, Sanofi quería centrarse solo en las soluciones más prometedoras y relevantes para el mercado.
Acelerar la identificación de compuestos que no son adecuados para la introducción del mercado pueden reducir los costos, y permite a los investigadores centrarse rápidamente en los candidatos que muestran resultados iniciales prometedores. El uso de gemelos digitales para identificar, evaluar y evaluar compuestos, materiales y proteínas, por ejemplo, permite un enfoque fallido.
Es probable que los gemelos digitales también tengan un impacto creciente en la investigación médica y el tratamiento del paciente. Una mejor comprensión de las funciones corporales y el funcionamiento de las enfermedades permite a los investigadores crear simulaciones por computadora que representan con precisión problemas del mundo real.
La inteligencia artificial es capaz de analizar una cantidad cada vez más grande de datos recopilados con tecnologías de sensores cada vez más potentes. Además, la medicina personalizada se está propagando y los enfoques individualizados de los medicamentos y el tratamiento están apartando lentamente los procedimientos de talla única.
Mejora de la agricultura
Finalmente, los gemelos digitales pueden replicar sistemas ecológicos completos para ayudar a comprender y mejorar la agricultura y la acuicultura. Steven Kim en la Universidad Estatal de California, Monterey Bay y Seong Heo en la Universidad Nacional de Kongju estudiaron la posibilidad de crear gemelos digitales agrícolas para mandarines. Dicen que la visualización y el análisis de datos demuestran el uso potencial de gemelos digitales agrícolas en el futuro, señalando usos futuros.
“Este concepto extiende las prácticas de gestión actuales basadas en decisiones basadas en datos, y ofrece una idea del futuro de la agricultura individualizada al permitir un tratamiento personalizado para plantas, similar a la medicina personalizada para los humanos”, agregan.
Investigadores de la Universidad Estatal de Iowa, la Universidad de Nebraska-Lincoln (UNL) y la Universidad de Purdue colaborarán para desarrollar un gemelo virtual de un campo de maíz para investigar el rendimiento agrícola en diferentes circunstancias. Combinados, las instituciones académicas recibieron subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de unos $ 3 millones.
James Schnable, profesor asociado de agronomía y horticultura en la UNL, explica el propósito del proyecto de investigación. “Una vez que construimos estos gemelos digitales, podemos usar la computación de alto rendimiento para simular y explorar cómo se comportarían los campos enteros de maíz con diferentes propiedades, cuán resistentes son el viento y cuán eficientemente usan agua y luz de captura, por ejemplo, sin tener que cultivar el campo de maíz ”, dice.
Los gemelos digitales también encuentran el uso para desarrollar una comprensión de cómo restaurar los entornos ecológicos sostenibles. El esquema DIGI4ECO, el monitoreo ecológico 4D de gemelo digital de la restauración en áreas empapeladas con pesca, está investigando enfoques para abordar los desafíos del cambio climático y regular las actividades humanas que afectan los entornos ecológicos.
Como parte del proyecto, las redes de plataformas robóticas “recopilan datos para construir gemelos digitales para ampliar nuestra comprensión de los cambios 4D de los ecosistemas marinos”. Los esfuerzos tienen la intención de crear una representación virtual del océano y su dinámica bioecológica. El proyecto permitirá a los investigadores analizar los datos históricos y actuales para comprender los cambios en el entorno oceánico a corto y largo plazo.
Martin Schwirn es el autor de “pequeños datos, grandes interrupciones: cómo detectar señales de cambio y gestionar la incertidumbre” (ISBN: 9781632651921). También es asesor principal de la previsión estratégica en Business Finlandia, ayudando a las nuevas empresas y los titulares a encontrar su posición en el mercado de mañana.