Die Studie beschreibt fünf bahnbrechende Fortschritte in der biomedizinischen Technik

IEEE, die weltweit größte technische Berufsorganisation, die sich der Weiterentwicklung von Technologie für die Menschheit widmet, und die IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (IEEE EMBS) haben heute ein detailliertes Positionspapier zum Bereich der biomedizinischen Technik mit dem Titel „Grand Challenges at the Interface of Engineering“ veröffentlicht und Medizin.“

Das Papier, veröffentlicht in der IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology (IEEE OJEMB), wurde von einem Konsortium aus 50 Forschern von 34 Universitäten auf der ganzen Welt verfasst und legte den Grundstein für eine konzertierte weltweite Anstrengung zur Erzielung technologischer und medizinischer Durchbrüche.

„Was wir hier erreicht haben, wird als Fahrplan für bahnbrechende Forschung dienen, um die Medizinlandschaft im kommenden Jahrzehnt zu verändern“, sagte Dr. Michael Miller, leitender Autor des Artikels und Professor und Direktor der Abteilung für Biomedizintechnik an der Johns University Hopkins-Universität. „Die Ergebnisse der Task Force, die bedeutende Forschungs- und Ausbildungsmöglichkeiten bieten, werden in den kommenden Jahrzehnten in der Technik und Medizin Anklang finden.“

Das Positionspapier war das Ergebnis eines zweitägigen Workshops, der von IEEE EMBS und dem Department of Biomedical Engineering der Johns Hopkins University sowie dem Department of Bioengineering der University of California San Diego organisiert wurde. Im Verlauf des Workshops identifizierten die Forscher fünf primäre medizinische Herausforderungen, die noch angegangen werden müssen, die jedoch durch ihre Lösung mit fortschrittlichen biomedizinischen Technikansätzen die menschliche Gesundheit erheblich verbessern können.

Einer der Teilnehmer des Workshops war Paolo Bonato, Ph.D., Direktor des Motion Analysis Laboratory bei Spaulding Rehabilitation, Mitglied von Mass General Brigham und außerordentlicher Professor für Physikalische Medizin und Rehabilitation an der Harvard Medical School.

„Dieses Manuskript ist ein einzigartiger Beitrag von 50 wichtigen Akteuren auf dem Gebiet der biomedizinischen Technik, der Bereiche zukünftiger technischer Entwicklungen hervorhebt, die voraussichtlich fortschrittliche Präzisionsmedizininterventionen ermöglichen werden“, sagte Bonato.

„Die Zukunft der Medizin wird voraussichtlich stark von Fortschritten in Biologie und Technologie abhängen, und wir können dieses Ziel erreichen, indem wir eine beispiellose Menge hochwertiger Daten sammeln, die als Grundlage für digitale Zwillingsmodelle dienen und so patientenspezifische Therapiepläne entwickeln.“ sogar die Entstehung von Krankheiten vorhersagen und verhindern.“

„Dieses Papier stellt einen wichtigen Meilenstein in der Weiterentwicklung der biomedizinischen Technik dar, der nur durch enge Zusammenarbeit und nicht durch die Arbeit vieler isolierter Einzelpersonen erreicht werden konnte“, fügte Konsortiumsmitglied Dr. Metin Akay, Gründungsvorsitzender der Abteilung für biomedizinische Technik an der Universität hinzu University of Houston und Botschafter der IEEE EMBS.

„Wir engagieren uns gemeinsam dafür, patientenzentrierte Technologien sowie die Wirksamkeit und Zugänglichkeit der Gesundheitsversorgung voranzutreiben – was über akademische Einrichtungen hinausgeht – und die Qualität der Gesundheitsversorgung zu verbessern, Kosten zu senken und das Leben weltweit zu verbessern.“

Durch die Konzentration auf diese fünf medizinischen Herausforderungen, vor denen die biomedizinische Technik steht, hat das Konsortium einen Fahrplan für zukünftige Forschung und Finanzierung erstellt:

Eine Brücke zwischen Präzisionstechnik und Präzisionsmedizin für personalisierte Physiologie-Avatare

In einem zunehmend digitalen Zeitalter verfügen wir über Technologien, die riesige Mengen an Daten über Patienten sammeln, die Ärzte ergänzen oder aus denen sie ziehen können. Die Nutzung dieser Daten zur Entwicklung genauer Modelle der Physiologie, sogenannte „Avatare“, die multimodale Messungen und Komorbiditäten, Begleitmedikationen, potenzielle Risiken und Kosten berücksichtigen, kann individuelle Patientendaten mit hyperpersonalisierter Pflege, Diagnose und Risikovorhersage verbinden und Behandlung.

Fortschrittliche Technologien wie tragbare Sensoren und digitale Zwillinge können die Grundlage für eine Lösung dieser Herausforderung bilden.

Das Streben nach bedarfsgerechter Gewebe- und Organtechnik für die menschliche Gesundheit

Das Tissue Engineering tritt in eine entscheidende Phase ein, in der die Entwicklung von Geweben und Organen nach Bedarf, entweder als dauerhafte oder temporäre Implantate, Realität wird.

Um das Wachstum dieser Modalität voranzutreiben, sind wichtige Fortschritte in der Stammzellentechnik und -herstellung – zusammen mit Hilfstechnologien wie der Genbearbeitung – erforderlich. Andere Formen von Stammzellwerkzeugen, wie etwa die Organ-on-a-Chip-Technologie, können bald aus patienteneigenen Zellen gebaut werden, personalisierte Vorhersagen treffen und als „Avatare“ dienen.

Revolutionierung der Neurowissenschaften durch den Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) zur Entwicklung fortschrittlicher Gehirn-Schnittstellensysteme

Mithilfe von KI haben wir die Möglichkeit, die verschiedenen Zustände des Gehirns anhand alltäglicher Situationen und realer Funktionen zu analysieren, um pathologische Gehirnfunktionen nichtinvasiv zu lokalisieren. Die Entwicklung einer Technologie, die dies ermöglicht, ist eine monumentale Aufgabe, die jedoch zunehmend möglich ist. Gehirnprothesen, die Funktionen ergänzen, ersetzen oder erweitern, können die durch neurologische Erkrankungen verursachte Krankheitslast lindern.

Darüber hinaus kann die KI-Modellierung der Anatomie, Physiologie und des Verhaltens des Gehirns zusammen mit der Synthese neuronaler Organoide die Komplexität des Gehirns entschlüsseln und uns dem Verständnis und der Behandlung dieser Krankheiten näher bringen.

Entwicklung des Immunsystems für Gesundheit und Wohlbefinden

Mit einem besseren Verständnis der grundlegenden Wissenschaft, die das Immunsystem steuert, können wir das Immunsystem strategisch nutzen, um menschliche Zellen als therapeutische und medizinisch unschätzbare Technologien umzugestalten.

Die Anwendung der Immuntherapie in der Krebsbehandlung liefert den Beweis für die Integration technischer Prinzipien mit Innovationen in den Bereichen Impfstoffe, Genom-, Epigenom- und Protein-Engineering sowie Fortschritte in der Nanomedizintechnologie, der funktionellen Genomik und der synthetischen Transkriptionskontrolle.

Entwerfen und Engineering von Genomen für die Umnutzung von Organismen und genomische Störungen>

Trotz der rasanten Fortschritte in der Genomik in den letzten Jahrzehnten gibt es immer noch Hindernisse bei unserer Fähigkeit, genomische DNA zu manipulieren. Das Verständnis der Konstruktionsprinzipien des menschlichen Genoms und seiner Aktivität kann uns dabei helfen, Lösungen für viele verschiedene Krankheiten zu entwickeln, bei denen es darum geht, neue Funktionen in menschliche Zellen einzubauen, das Epigenom und Transkriptom effektiv zu nutzen und neue zellbasierte Therapeutika zu entwickeln.

Darüber hinaus gibt es noch große Hürden bei den Methoden zur Genabgabe für die In-vivo-Gentechnik, wobei wir die biomedizinische Technik als einen Teil der Lösung dieses Problems sehen.

„Diese großen Herausforderungen bieten einzigartige Möglichkeiten, die die Praxis des Ingenieurwesens und der Medizin verändern können“, bemerkte Dr. Shankar Subramaniam, Hauptautor der Task Force und angesehener Professor des Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering an der University of California San Diego ehemaliger Präsident von IEEE EMBS.

„Innovationen in Form von Sensoren und Geräten mit mehreren Maßstäben, der Schaffung humanoider Avatare und der Entwicklung außergewöhnlich realistischer, von KI gesteuerter Vorhersagemodelle können unseren Lebensstil und unsere Reaktion auf Pathologien radikal verändern. Institutionen können die Ausbildung in Biomedizin und Technik revolutionieren, indem sie das ausbilden „Wir haben die größten Köpfe dazu gebracht, sich für das wichtigste Problem aller Zeiten zu engagieren – die menschliche Gesundheit.“