Dijital İkizler, Yemek Borusu Ameliyatlarının Geleceğini Nasıl Şekillendiriyor?

Dr. John Pandolfino, ailesinde pek çok elektrikçi ve tesisatçı bulunduğunu; kendisinin da tek gastroenterolog (mide ve bağırsak sistemi uzmanı) olarak aslında aile mesleğini sürdürdüğünü söyleyerek espri yapıyor. Bunun nedeni, yiyecekleri ağzınızdan midenize taşıyan organ olan yemek borusunun (İng: "esophagus") temelde, "elektrik tesisatına malik tek boru" olmasıdır.

Pandolfino, Northwestern Medicine Sindirim Sağlığı Enstitüsü'nün gastroenteroloji ve hepatoloji bölüm başkanı ile direktörü olarak görev yapıyor. Kendisi, yutma bozukluğu olan hastaların yemek borusunun kesilmesiyle gerçekleştirilen miyotomi (İng: "myotomy") ameliyatına nasıl reaksiyon vereceğini modellemek için dijital ikiz (İng: "digital twin") teknolojisini kullanmaya başladı. Dijital ikizin en fütüristik tasarımlarında doktorlar, oğullar seviye kişiselleştirilmiş ilaçlar ya da prosedürler önermek için tek bireyin anatomik kopyalarını biyolojik verilerle birleştiriyorlar.

Pandolfino'nun ekibinin geliştirdiği sayısal ikizler henüz o kadar gelişmiş değil. Yine da yemek borusunun basıncını ve hareketini yeniden yarattı için boyutsal olarak doğru sanal modeller kullanıyorlar. Araştırmacılar, bu sanal kopyaların ameliyatlara rehberlik etmesinin hastalar için daha iyice sonuçlar doğurup doğurmayacağını araştırmak amacıyla yakın zamanda 400 kişilik tek muayenehane deneye başladılar.

Biz da sayısal ikizlerin geleceği, hayvan deneylerini azaltıp azaltamayacakları ve yürek ya da mesane gibi yemek borusu dışındaki organlarda nasıl kullanılabilecekleri hakkında Pandolfino ile başlıkştuk.

Akalazya Hastalığı ve Dijital Modellemeler

Tia Ghose: Dijital ikizler teknolojisini akalazya (İng: "achalasia") adı verilen tek rahatsızlıkta kullanıyorsunuz. Bana bu rahatsızlığın ne olduğu hakkında dahaaz daha malumat verebilir misiniz?

John Pandolfino: Bildiğiniz gibi yemek borusunun ilköğretim görevi, içine giren yiyecekleri aşağıya, mideye doğru itmektir. Ayrıca midedeki tek şey yukarı doğru geri kaçtığında (reflü), yemek borusu bu maddelerin akciğerlerinize kaçmasını manilemek için onları tekrar aşağı itti güçundadır. Akalazya hastalığında, yemek borusu ile mideyi birbirinden ayıran tek tür engel olan dip yemek borusu büzgen kası (İng: "lower esophageal sphincter") açılmaz ve gevşeyemez. Akalazya kelimesi da zaten, "gevşeme yetersizliği" manaına gelir. Bu adale gevşeyip açılmadığında yiyecekler yemek borunuzda birikir ve kelimenin hepsi manaıyla öz tükürüğünüz ile yediğiniz yiyecekler içinde boğulmaya başlarsınız. Dolayısıyla bu, ölümcül tek hastalık olabilir.

İlginç olan şuydu; hastaları tedavisi ettikten sonraları divertikül (duvarda zayıflama ve balonlaşma) geliştirdiklerini ayrım ettik ve bunun nedenler olduğunu kesinlikle anlayamadık. Bu yüzden matematiksel modele, diğer sanal yemek borusuna sorduk. Aslında ona tek dizi seçenek sunduk ve pek çok değişkeni değiştirdik. Hastalar ne tür tek ameliyatlar geçiriyor? Kas ne kadar uzunlukta kesildi? Reflüyü manilemek için midenin tek kısmının yemek borusunun etrafına sarıldığı anti-reflü prosedürü adı verilen tek işlem uygulandı mı? Hastanın malik olduğu hareketlilik sualninin türü sonucu tesirler mi? Akalazyanın farklı dip türleri vardır; peki bazı dip türler tedaviye diğerlerinden daha mı iyice yanıt verir? Tüm bu süreçleri gözden geçirdik. Kası ne kadar yoğun kesecektiniz? Tüm bunlar için simülasyonlar çalıştırdık.

Bu modeli eğitmek ve milyonlarca farklı senaryoyu çalıştırarak ne olacağını görmek birkaç ayımızı aldı. Sonuç olarak model, hangi ameliyatın en iyice sonucu vereceğini ve hangi hastaların komplikasyon geliştirme riskinin en yüksek olduğunu doğru tek şekilde öngörü etti.

Elde ettiğimiz bu malumatlerle, ikisi farklı ameliyatlar türünü ttesirkye odaklanan tek Ulusal Sağlık Enstitüsü (NIH) hibesine başvurduk. Bu ameliyatlardan arasında biri norm yaklaşım, diğeri ise sanal yemek borusu tarafından modifiye edilen (sanal modelin seçtiği) yaklaşımdı. Şimdi, oldukça iyice işleyen bu norm yaklaşıma karşı yepyeni yaklaşımı testleri edeceğiz. Çalışmayı ikisi yöntemin sonuçları eşdeğer görünecek şekilde modelledik; bununla birlikte yepyeni yöntemin dahaaz reflüye ve dahaaz divertikül gelişimine yolda açacağına inanıyoruz.

Dijital İkizlerin Mevcut Durumu ve Kapasitesi

Tia Ghose: Anlattıklarınız, insanların yaygınlaşan olarak tanımladığı o klasik sayısal ikizler kavramından oldukça ırak görünüyor. Klasik sayısal ikizlerde süreçteki tüm ilköğretim kimyasalların, hatırlatma iletim yollarının, tüm mekanik kuvvetlerin ve giyilebilir cihazlardan ile tıbbi görüntülemelerden gelen gerçek zamanlı verilerin entegre edildiğini biliyoruz. Bu tür hepsi içeriklı tek sayısal ikizler seviyesinden ne kadar uzaktayız?

John Pandolfino: Mekanik açıdan bakıldığında, şu anki durumumuzun oldukça iyice olduğunu düşünüyorum. Ancak moleküler yapıya, kasların kasılmasını sağlayan aktin iplikçiklerine (İng: "actin filaments") ve kalsiyum akışlarına inmek söz başlıksu olduğunda, henüz o noktadan çok uzak olduğumuzu söyleyebilirim. Proteinlerin nasıl katlandığını daha yepyeni öğreniyoruz; tek hücrenin matematiksel modelini geliştirmek epey uzunluğu zamanlar alacak.

Yine da mekanik olarak bunu yapabileceğimizi düşünüyorum. İşin en güzel yanı, bu yaklaşımın mesane, aort ve sol karıncık gibi tüm organ sistemlerine uyarlanabilmesidir. Tamamen mekanik taşıma süreçlerine dayanan bu işleyişleri alıp bahsettiğimiz diğer sistemlere da uygulayabiliriz.

Tia Ghose: Yani şu anda gerçeğe oldukça yakın olduğunu düşündüğünüz şey, ilköğretim olarak pompa ve tüp tipi sistemler ve büyük ölçüde cerrahi müdahalelerle ilgili. Peki bu sistemin öngörü ya da teşhis değeri taşıdığını düşünüyor musunuz?

John Pandolfino: Kesinlikle öngörü değeri olacaktır. Çünkü ilaçların artık hiçbir tesir göstermeyeceği senaryoları belirleme edebileceğiniz tek noktaya geliyorsunuz. Eğer tek kişinin organ duvarında deformasyon oluşacak seviyeye gelinmişse, o duvarlar artık işlevini yitirmiş demektir. Ona vereceğiniz hiçbir ilaç onu iyileştiremez.

Hayvan Deneylerine Alternatif Olabilir mi?

Tia Ghose: İnsanlar, sayısal ikizlerin bazı hayvan araştırmalarının ve muayenehane deney verilerinin yerini eldeetti için kullanılabileceği fikrini öne sürüyorlar. Buna katılıyor musunuz?

John Pandolfino: Evet, bu başlıkda hepsi tek beklentimiz var:

Tia Ghose: Bunun gerçekten gerçekçi olduğunu düşünüyor musunuz?

John Pandolfino: Eğer cerrahi müdahaleleri inceliyorsanız, bunu hayvanlar üzerinde yapmanıza lüzum kalmaz. Etkilerin ne olduğunu görmek için bizim yaptığımız gibi tek simülasyon üzerinde çalışır, ardından doğrudan insanlar üzerindeki çeşitli değişiklikleri gözlemlemeye geçebilirsiniz. Bizim çalışmamızda da kesinlikle bu oldu. Sanal yemek borumuz, olasılıkla doğru yöntem olacağını düşündüğümüz şeyi kanıtladı. Yani hipotezimizi matematiksel olarak doğruladı ve bizler da şimdi insanlı deneylere başlıyoruz.

Tia Ghose: Ancak öngörüime göre, hayvan araştırmalarının çoğu terapötik potansiyeli olabilecek yepyeni bileşiklerin testleri edilmesine odaklanıyor. Peki bu alanda sayısal ikizlerin büyük tek potansiyeli olduğunu düşünüyor musunuz?

John Pandolfino: Bir fareye insanın alacağı dozun 50 katını verip ölüp ölmeyeceğini görmek için yapılan o araştırmaları düşünün. Dijital ikizler teknolojisinin bu tür çalışmaları tesirleyeceğini sanmıyorum. Ancak buna ilave olarak, simülasyon için çok daha iyice modeller yaratabileceğimiz tek alana bizi yönlendireceğini düşünüyorum. Organların materyal özellikleri ile strese ve gerilime nasıl reaksiyon verdikleri hakkında çok ilave şey anlayacağız. Ayrıca yalınce sanal dünyada çalışan değil, aynı zamanda dokunsal ikizlere malik simülasyonlar geliştirebileceğiz. Yani yemek borusunu ya da hiç tek organı neredeyseymiş kusursuz şekilde taklit eden tek malzemeden yapılmış tek modeller üreteceğiz; böylece onu keserken gerçektekinin aynısı olan tek his yaşayacaksınız.

Tia Ghose: Üzerinde uygulamalı yapabilir, içine sıvı ya da yapışkan tek maddeler döküp nasıl genişlediğini görebilirsiniz, değil mi?

John Pandolfino: Kesinlikle. İnsan anatomisinin ve işlevinin tekbaşına tek parçasını kavramaktan öğrenebileceğiniz çok şey var; çünkü vücut tek şeyleri etmek için tamamlanmış farklı yollar icat etmez. Onu kopyalar, yalnızca boyutunu büyütüp küçültebilir ya da uzunluğunu hafifçe değiştirebilir. Mesane ve yürek gibi organların tümü oldukça benzer şekilde çalışır. Kasılma özelliğine malik tek boruları ve açılıp kapanan büzgen kasları vardır. Yemek borusu ile midenin birleştiği noktaya, diğer reflüyü önleyen valfe baktığınızda bile, dışkılama işleminin yapıldığı anüs ile rektumun birleştiği bölgeye çok benzediğini görürsünüz. Aslında, dışkılamanın nasıl yapıldığına ve nasıl yutkunup kendinizi reflüye karşı koruduğunuza dair fizyolojiyi incelerseniz, bunların kelimenin hepsi manaıyla birbirinin tersi işlediğini görürsünüz.

Gelecek Beklentileri ve Tıp Dünyasına Katkıları

Tia Ghose: Doğanın öz kendini kopyaladığını söylüyorsunuz.

John Pandolfino: Evet.

Tia Ghose: O halde bu teknolojinin vücudun diğer bölgelerinde da geniş tek uygulanabilirliği olduğunu mu düşünüyorsunuz?

John Pandolfino: Kesinlikle, bile yemek borusunun öz hastalıklarında bile bu geçerli. Mesela mideler ekşimesi, toplumun beşte birini tesirliyor. Aslında reflü, asidin çok fazla olmasıyla ilgili tek sualn değildir. Reflü şikayeti olan çoğu insanın ekşi seviyesi normaldir. Bu daha çok anatomi ve fizyolojiyle ilgili tek sualndur.

Bizim yaklaşımımız, beklenti ediyorum ki, reflü için yapılan birçok ameliyatı modifiye etmemize ve bile işe yarayan dahaaz invaziv (vücuda dahaaz müdahale lüzumtiren) yaklaşımlar oluşturmamıza yardımcı olacaktır. Bu nedenle, yaygınlaşan olarak gastrointestinal kanalda (mide-bağırsak sisteminde) ve özellikle yemek borusunda bu teknolojinin çok ilave başvuru alanı bulacağını düşünüyorum. Örneğin, aşırı etkin mesane ya da düşük etkin mesane gibi sualnları olan kişilerde durumu, akış ve mesanenin boşalması bağlamında nasıl değerlendirirsiniz? Aort anevrizmalarında da benzer tek şart söz başlıksudur. Aort anevrizması temelde tek divertiküldür. Anatomide basınca bağlı olarak meydana gelen tek balonlaşmadır. Balonlaştığında işlevini kaybeder ve kan düzgün şekilde pompalanamaz. İşte sayısal ikizler, tüm bu süreçleri çok daha iyice yönetmemizi sağlayacaktır.