Dr. John Pandolfino, ailesinde pek çok elektrikçi ve tesisatçı bulunduğunu; kendisinin de bir 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 sahip bir 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 tepki vereceğini modellemek için dijital ikiz (İng: "digital twin") teknolojisini kullanmaya başladı. Dijital ikizin en fütüristik tasarımlarında doktorlar, son derece kişiselleştirilmiş ilaçlar veya prosedürler önermek için bir bireyin anatomik kopyalarını biyolojik verilerle birleştiriyorlar. Pandolfino'nun ekibinin geliştirdiği dijital ikizler henüz o kadar gelişmiş değil. Yine de yemek borusunun basıncını ve hareketini yeniden yaratmak için boyutsal olarak doğru sanal modeller kullanıyorlar. Araştırmacılar, bu sanal kopyaların ameliyatlara rehberlik etmesinin hastalar için daha iyi sonuçlar doğurup doğurmayacağını araştırmak amacıyla yakın zamanda 400 kişilik bir klinik deneye başladılar.

Biz de dijital ikizlerin geleceği, hayvan deneylerini azaltıp azaltamayacakları ve kalp veya mesane gibi yemek borusu dışındaki organlarda nasıl kullanılabilecekleri hakkında Pandolfino ile konuştuk.

Akalazya Hastalığı ve Dijital Modellemeler
Tia Ghose: Dijital ikiz teknolojisini akalazya (İng: "achalasia") adı verilen bir rahatsızlıkta kullanıyorsunuz. Bana bu rahatsızlığın ne olduğu hakkında biraz daha bilgi verebilir misiniz?
John Pandolfino: Bildiğiniz gibi yemek borusunun temel görevi, içine giren yiyecekleri aşağıya, mideye doğru itmektir. Ayrıca midedeki bir şey yukarı doğru geri kaçtığında (reflü), yemek borusu bu maddelerin akciğerlerinize kaçmasını engellemek için onları tekrar aşağı itmek zorundadır. Akalazya hastalığında, yemek borusu ile mideyi birbirinden ayıran bir tür bariyer olan alt yemek borusu büzgen kası (İng: "lower esophageal sphincter") açılmaz ve gevşeyemez. Akalazya kelimesi de zaten, "gevşeme yetersizliği" anlamına gelir. Bu kas gevşeyip açılmadığında yiyecekler yemek borunuzda birikir ve kelimenin tam anlamıyla kendi tükürüğünüz ile yediğiniz yiyecekler içinde boğulmaya başlarsınız. Dolayısıyla bu, ölümcül bir hastalık olabilir.

İlginç olan şuydu; hastaları tedavi ettikten sonra divertikül (duvarda zayıflama ve balonlaşma) geliştirdiklerini fark ettik ve bunun neden olduğunu tam olarak anlayamadık. Bu yüzden matematiksel modele, yani sanal yemek borusuna sorduk. Aslında ona bir dizi seçenek sunduk ve pek çok değişkeni değiştirdik. Hastalar ne tür bir ameliyat geçiriyor? Kas ne kadar uzunlukta kesildi? Reflüyü engellemek için midenin bir kısmının yemek borusunun etrafına sarıldığı anti-reflü prosedürü adı verilen bir işlem uygulandı mı? Hastanın sahip olduğu hareketlilik probleminin türü sonucu etkiler mi? Akalazyanın farklı alt türleri vardır; peki bazı alt türler tedaviye diğerlerinden daha mı iyi yanıt verir? Tüm bu süreçleri gözden geçirdik. Kası ne kadar derin kesecektiniz? Tüm bunlar için simülasyonlar çalıştırdık.

Elde ettiğimiz bu bilgilerle, iki farklı ameliyat türünü incelemeye odaklanan bir Ulusal Sağlık Enstitüsü (NIH) hibesine başvurduk. Bu ameliyatlardan biri standart yaklaşım, diğeri ise sanal yemek borusu tarafından modifiye edilen (sanal modelin seçtiği) yaklaşımdı. Şimdi, oldukça iyi işleyen bu standart yaklaşıma karşı yeni yaklaşımı test edeceğiz. Çalışmayı iki yöntemin sonuçları eşdeğer görünecek şekilde modelledik; ancak yeni yöntemin daha az reflüye ve daha az divertikül gelişimine yol açacağına inanıyoruz.

Dijital İkizlerin Mevcut Durumu ve Kapasitesi
Tia Ghose: Anlattıklarınız, insanların genel olarak tanımladığı o klasik dijital ikiz kavramından oldukça uzak görünüyor. Klasik dijital ikizlerde süreçteki tüm temel kimyasalların, sinyal iletim yollarının, tüm mekanik kuvvetlerin ve giyilebilir cihazlardan ile tıbbi görüntülemelerden gelen gerçek zamanlı verilerin entegre edildiğini biliyoruz. Bu tür tam kapsamlı bir dijital ikiz seviyesinden ne kadar uzaktayız?
John Pandolfino: Mekanik açıdan bakıldığında, şu anki durumumuzun oldukça iyi olduğunu düşünüyorum. Ancak moleküler yapıya, kasların kasılmasını sağlayan aktin iplikçiklerine (İng: "actin filaments") ve kalsiyum akışlarına inmek söz konusu olduğunda, henüz o noktadan çok uzakta olduğumuzu söyleyebilirim. Proteinlerin nasıl katlandığını daha yeni öğreniyoruz; bir hücrenin matematiksel modelini geliştirmek epey uzun zaman alacak.

Yine de 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 de uygulayabiliriz.

Tia Ghose: Yani şu anda gerçeğe oldukça yakın olduğunu düşündüğünüz şey, temel olarak pompa ve boru tipi sistemler ve büyük ölçüde cerrahi müdahalelerle ilgili. Peki bu sistemin öngörü veya teşhis değeri taşıdığını düşünüyor musunuz?
John Pandolfino: Kesinlikle öngörü değeri olacaktır. Çünkü ilaçların artık hiçbir etki göstermeyeceği senaryoları tespit edebileceğiniz bir noktaya geliyorsunuz. Eğer bir kişinin organ duvarında deformasyon oluşacak seviyeye gelinmişse, o duvar artık işlevini yitirmiş demektir. Ona vereceğiniz hiçbir ilaç onu iyileştiremez.

Hayvan Deneylerine Alternatif Olabilir mi?
Tia Ghose: İnsanlar, dijital ikizlerin bazı hayvan araştırmalarının ve klinik deney verilerinin yerini almak için kullanılabileceği fikrini öne sürüyorlar. Buna katılıyor musunuz?
John Pandolfino: Evet, bu konuda kesin bir beklentimiz var: Bu teknolojinin yapacağı şey, bizi cerrahi işlemler için hayvanları kullanmaktan kurtarması olacaktır.

Tia Ghose: Bunun gerçekten gerçekçi olduğunu düşünüyor musunuz?
John Pandolfino: Eğer cerrahi müdahaleleri inceliyorsanız, bunu hayvanlar üzerinde yapmanıza gerek kalmaz. Etkilerin ne olduğunu görmek için bizim yaptığımız gibi bir simülasyon üzerinde çalışır, ardından doğrudan insanlar üzerindeki çeşitli değişiklikleri gözlemlemeye geçebilirsiniz. Bizim çalışmamızda da tam olarak bu oldu. Sanal yemek borumuz, muhtemelen doğru yöntem olacağını düşündüğümüz şeyi kanıtladı. Yani hipotezimizi matematiksel olarak doğruladı ve biz de şimdi insanlı deneylere başlıyoruz.

Tia Ghose: Ancak tahminime göre, hayvan araştırmalarının çoğu terapötik potansiyeli olabilecek yeni bileşiklerin test edilmesine odaklanıyor. Peki bu alanda dijital ikizlerin büyük bir potansiyeli olduğunu düşünüyor musunuz?
John Pandolfino: Bir fareye insanın alacağı dozun 50 katını verip ölüp ölmeyeceğini görmek için yapılan o araştırmaları düşünün. Dijital ikiz teknolojisinin bu tür çalışmaları etkileyeceğini sanmıyorum. Ancak buna ek olarak, simülasyon için çok daha iyi modeller yaratabileceğimiz bir alana bizi yönlendireceğini düşünüyorum. Organların materyal özellikleri ile strese ve gerilime nasıl tepki verdikleri hakkında çok daha fazla şey anlayacağız. Ayrıca sadece sanal dünyada çalışan değil, aynı zamanda dokunsal ikizlere sahip simülasyonlar geliştirebileceğiz. Yani yemek borusunu veya herhangi bir organı neredeyse kusursuz şekilde taklit eden bir malzemeden yapılmış bir model üreteceğiz; böylece onu keserken gerçektekinin aynısı olan bir his yaşayacaksınız.

Tia Ghose: Üzerinde pratik yapabilir, içine sıvı veya yapışkan bir madde döküp nasıl genişlediğini görebilirsiniz, değil mi?
John Pandolfino: Kesinlikle. İnsan anatomisinin ve işlevinin tek bir parçasını anlamaktan öğrenebileceğiniz çok şey var; çünkü vücut bir şeyleri yapmak için tamamen farklı yollar icat etmez. Onu kopyalar, yalnızca boyutunu büyütüp küçültebilir veya uzunluğunu hafifçe değiştirebilir. Mesane ve kalp gibi organların tümü oldukça benzer şekilde çalışır. Kasılma özelliğine sahip bir boruları ve açılıp kapanan büzgen kasları vardır. Yemek borusu ile midenin birleştiği noktaya, yani 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 tam anlamıyla birbirinin tersi işlediğini görürsünüz.

Gelecek Beklentileri ve Tıp Dünyasına Katkıları
Tia Ghose: Doğanın kendi kendini kopyaladığını söylüyorsunuz.
John Pandolfino: Evet.
Tia Ghose: O halde bu teknolojinin vücudun diğer bölgelerinde de geniş bir uygulanabilirliği olduğunu mu düşünüyorsunuz?
John Pandolfino: Kesinlikle, hatta yemek borusunun kendi hastalıklarında bile bu geçerli. Mesela mide ekşimesi, toplumun beşte birini etkiliyor. Aslında reflü, asidin çok fazla olmasıyla ilgili bir sorun değildir. Reflü şikayeti olan çoğu insanın asit seviyesi normaldir. Bu daha çok anatomi ve fizyolojiyle ilgili bir sorundur. Bizim yaklaşımımız, umut ediyorum ki, reflü için yapılan birçok ameliyatı modifiye etmemize ve hatta işe yarayan daha az invaziv (vücuda daha az müdahale gerektiren) yaklaşımlar oluşturmamıza yardımcı olacaktır. Bu nedenle, genel olarak gastrointestinal kanalda (mide-bağırsak sisteminde) ve özellikle yemek borusunda bu teknolojinin çok daha fazla uygulama alanı bulacağını düşünüyorum. Örneğin, aşırı aktif mesane veya düşük aktif mesane gibi sorunları olan kişilerde durumu, akış ve mesanenin boşalması bağlamında nasıl değerlendirirsiniz? Aort anevrizmalarında da benzer bir durum söz konusudur. Aort anevrizması temelde bir divertiküldür. Anatomide basınca bağlı olarak meydana gelen bir balonlaşmadır. Balonlaştığında işlevini kaybeder ve kan düzgün şekilde pompalanamaz. İşte dijital ikizler, tüm bu süreçleri çok daha iyi yönetmemizi sağlayacaktır.