in silico Medizin

Die Digitalisierung erweitert die Grenzen der Medizin und der Medizintechnik

Computermodellierung und -simulation (CM&S) oder In-Silico-Technologien kombinieren computergestützte Werkzeuge mit der Biologie, um komplexe Analysen von biowissenschaftlichen Anwendungen auf intuitive, genaue und reproduzierbare Weise durchzuführen.

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Ein In-silico-Modell in der Medizin umfasst die Modellierung, Simulation und Visualisierung eines medizinischen Problems. Die Modellierung stellt die Elemente eines biologischen Systems dar, die Simulation versucht auf realistische Weise zu zeigen, wie sich dieses System im Laufe der Zeit unter dem Einfluss bestimmter Stimuli entwickelt. Die Visualisierung stellt Vorhersagen in grafischer Form dar.

Schlüsseltechnologie für die Zukunft der Medizin

in vivo – in vitro – in silico

In Zukunft wird der Einsatz ethisch schwieriger Tier- und Humanversuche auf die Ebene der virtuellen Versuchsanordnung, einschließlich virtueller Patienten, verlagert werden. Dies wird die Möglichkeit bieten, Produktentwicklungen frühzeitig und sicher zu testen und anzupassen. Eine beschleunigte Zulassung von Medizinprodukten und eine effiziente Marktbeobachtung bereits auf dem Markt befindlicher Produkte werden so möglich und auch zeitlich planbar. Mit in silico werden in Zukunft noch bessere Diagnosen und Therapien möglich sein. Der Einsatz von Simulationen im Vorfeld von Operationen und die Abbildung physikalischer Prozesse im digitalen Patienten ermöglichen patientenindividuelle und damit effizientere Behandlungen.

Vorteile der In-silico-Medizin

Die In-silico-Medizin verbessert Diagnosen und Therapien

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In silico beschreibt den Wandel in der Medizin und wird als nächste Evolutionsstufe gesehen: von in vivo, also Experimente im menschlichen Körper, zu in vitro, im Reagenzglas, kommt nun in silico – Versuche, die im Silicium, also am Computer, durchgeführt werden.

Das Aufkommen der in-silico-Medizin ist Resultat des Fortschritts der medizinischen Informatik in den letzten zwanzig Jahren. Wissenschaftler definieren „in silico“ als die Modellierung, Simulation und Visualisierung von biologischen und medizinischen Prozessen am Computer.

Die Digitalisierung erweitert die Grenzen der Medizin und der Medizintechnik. Computermodellierung und -simulation (CM&S) oder In-silico-Technologien verbinden Computerwerkzeuge mit der Biologie, um komplexe Analysen von biowissenschaftlichen Anwendungen intuitiv, präzise und reproduzierbar durchzuführen.

Ein in silico Modell in der Medizin beinhaltet eine Modellierung, Simulation und Visualisierung einer medizinischen Fragestellung. Modellierung bildet die Elemente eines biologischen Systems ab, Simulation versucht auf realistische Weise zu zeigen, wie sich dieses System im Laufe der Zeit unter dem Einfluss gegebener Reize entwickelt. Visualisierung präsentiert Prognosen in grafischer Form.

Mit diesem neuen Verfahren können experimentelle Manipulationen vorgenommen werden, die in realen Experimenten mit in vivo und in vitro Studien nicht durchführbar oder unmöglich sind, ohne dass die experimentelle Kontrolle verloren geht: in silico ist also die perfekte Ergänzung zu in-vivo- und in-vitro-Studien.

Die in-silico-Revolution wird die Innovation in der Medizin und Pharmazeutik vorantreiben und Lösungen hervorbringen, die uns allen ermöglichen, zu vertretbaren Kosten länger und besser zu leben.

Damit nimmt in silico eine sehr große Bedeutung für die personalisierte Medizin der Zukunft ein.

Mit in silico Medizin ist es möglich, echte Menschen in Studien durch Computersimulationen mit digitalen Patienten zu ersetzen und vorherzusagen, wie reale Personen auf eine Therapie reagieren werden. Diese medizinischen Simulationen machen die klinische Forschung, Diagnosen und Therapien sicherer, schneller und effizienter, da sich schon in einem sehr frühen Stadium erste Bewertungen der Sicherheit und Wirksamkeit durchführen lassen, für die sonst Menschen und Tiere nötig sind.

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für in silico Modelle:

  1. In der Pharmaindustrie werden in silico Modellierungen verwendet, um zu berechnen, wie die im Labor- und Tierversuch ermittelte Pharmakologie und Pharmakokinetik eines Präparats beim Menschen wirken könnte. Dazu werden komplexe Computersimulationen der Physiologie von Menschen und Tieren eingesetzt, um Aussagen darüber zu treffen, wie eine Substanz beim Menschen wirkt, noch ehe erste Daten von Tests an Menschen vorliegen. Mit Hilfe von in silico Modellen können somit ganze Populationen virtuell auf Arzneimittel oder verschiedene Krankheiten ohne Risiko getestet und die Wirksamkeit von Arzneimitteln gezielt verbessert werden.
  2. In silico Modelle können z. B. auch zur digitalen Verifizierung von Implantaten oder Prothesen verwendet werden (Beispiel docq VIT). Durch das virtuelle Aufbringen physiologischer oder standardisierter Belastungen auf eine patientenindividuelle Situation kann die Leistungsfähigkeit und Sicherheit eines Implantats schnell und effizient anhand objektiver Kriterien geprüft werden, bevor es dem Patienten eingesetzt wird. Der Patient bekommt somit ein auf seine Anatomie perfekt abgestimmtes Implantat. Neben den Ärzten und Implantat Herstellern profitiert damit auch der Patient von erhöhter Qualität und Sicherheit.
  3. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von in silico Modellen zur OP-Planung. Hier erfolgt mit medizinischer Software eine simulationsbasierte Optimierung der Operation, um das bestmögliche Ergebnisse für den Patienten zu erzielen und gleichzeitig Risiken zu minimieren (Beispiel Simq RPE).

Die Adaption der in silico Medizin nimmt weiter Fahrt auf. Computergestützte Modellierung und Simulation (CM&S) wurde von der FDA als Priorität eingestuft. Die FDA fördert den Einsatz von klinischen in-silico-Prüfungen unter Verwendung von Computermodellierung und -simulation (CM&S), bei denen ein Produkt an einer Kohorte virtueller Patienten getestet wird, was klinische Prüfungen ersetzen oder ergänzen kann.

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