Inleiding: revolutie
Volgens velen staan we aan de vooravond van een revolutie in de gezondheidszorg. Technologie en gezondheidsonderzoek gaan al sinds jaar en dag hand in hand, maar nu technologie kleiner, goedkoper en krachtiger wordt, komt slimme gezondheidszorg steeds dichterbij.
We zijn nog niet zover dat chronische ziekten met een pilletje kunnen worden genezen of dat we een operatierobot in huis hebben die weefsel kan repareren en ledematen kan herstellen. Ook vrijwillige upgrades die ons geheugen of onze zintuigen tot bovenmenselijke prestaties verheffen, zijn nog geen gemeengoed. Maar hoe lang zal het nog duren totdat dergelijke medicijnen en dit soort ingrepen wel tot de alledaagse mogelijkheden behoren?
Als we de deskundigen mogen geloven, zijn veel van de scenario's die we vooral kennen uit de sciencefictionindustrie al op korte termijn mogelijk. Wat is nu echt de stand van zaken in de industrie waarin medische en technologische innovatie hand in hand gaan? Tijd om eens in de wereld van de medische innovatie te duiken.
/i/2000559453.jpeg?f=imagenormal)
Geschiedenis: het menselijk genoom
Laten we beginnen met een stukje geschiedenis, om te laten zien dat we sinds de dageraad van de moderne geneeskunde al flink wat vooruitgang hebben geboekt. In de tweehonderd jaar sinds de wat arbitraire geboorte van de moderne geneeskunde zijn tal van disciplines ontwikkeld, met een steeds beter begrip van ziektes en verwondingen. Pas sinds de komst van het informatietijdperk zien we een belangrijke verschuiving van het behandelen van zieken naar meer preventieve geneeskunde. Dat gebeurt nog op beperkte schaal, maar daarin komt snel verandering. Computers worden immers steeds breder inzetbaar en vooral goedkoper.
/i/2000559457.jpeg?f=imagenormal)
Een voorbeeldje: medio jaren tachtig van de vorige eeuw werd het plan opgevat het volledige menselijk genoom in kaart te brengen. Dit Human Genome Project ging in 1990 echt van start en men hoopte in vijftien jaar het dna boven tafel te hebben. Omdat de techniek zich sneller ontwikkelde dan gedacht, werd echter in 2003 al bekendgemaakt dat het project afgerond was.
Inmiddels is het mogelijk om veel sneller het genoom van een patiënt te 'sequencen'. Dat kost nog enkele duizenden euro's en duurt ongeveer een maand. Vergeleken met het HGP, met een budget van vele miljoenen en een looptijd van jaren, zijn de kosten en benodigde tijd exponentieel gedaald. Sommige bedrijven bieden aan een genoom in twee weken in kaart te brengen, maar die benodigde tijd daalt gestaag naar een week of minder.
/i/2000559460.jpeg?f=imagenormal)
Pas het begin: persoonlijke geneesmiddelen
Het sequencen van een patiëntgenoom kost nu nog een fors bedrag en een redelijke periode. Binnen afzienbare tijd moeten die twee variabelen echter worden teruggebracht tot honderden euro's en enkele dagen, en op termijn worden zelfs tientjes en uren verwacht. Maar wat heeft de consument aan dergelijke diensten?
We schrijven inderdaad consument en niet patiënt, omdat de consument met het laagdrempelig in kaart brengen van het genoom veel actiever met zijn gezondheid bezig kan zijn. Weten voor welke ziektes je eventueel vatbaar bent, kan aanleiding zijn je eetgewoontes en gedragspatronen aan te passen. Preventieve geneeskunde kan, zeker in een tijdperk van vergrijzing, enorme besparingen in de gezondheidszorg opleveren.

Voor patiënten zijn de voordelen nog veel directer en duidelijker. Veel behandelmethodes voor allerhande ziektes en aandoeningen zijn, overdreven gesteld, als het schieten met een kanon op een mug. Wanneer echter bijvoorbeeld de kankercellen van een patiënt zijn gesequenced, kan een zeer specifieke behandelmethode gekozen worden, die specifiek voor die patiënt werkt. De behandeling kan dan veel effectiever, gerichter en met minder bijwerkingen plaatsvinden.
Datastromen
Die snelle en goedkope dna-analyses staan of vallen met technologie. Niet alleen kan automatisering gebruikt worden om het uitvoeren van tests te versnellen, maar vooral bij de verwerking komt high performance computing, kortweg hpc tot zijn recht.
/i/2000559465.jpeg?f=imagenormal)
Bij het analyseren van een compleet genoom of zelfs een stukje ervan komen enorme hoeveelheden data beschikbaar. Alleen al het opslaan daarvan vergt flinke computers, laat staan het benutten van die data. Supercomputers of meer en meer compacte varianten moeten de beschikbare gegevens verwerken en visualiseren. Ze moeten verder deskundigen toegang tot die data geven en hen er nuttige informatie uit laten destilleren. Met terabytes aan gegevens is dat een pittige opgave, die dankzij voortschrijdende techniek steeds makkelijker wordt. Zo wil IBM zijn Watson-techniek inzetten om die data automatisch te analyseren.
Medicijnontwikkeling
Supercomputers bewijzen hun diensten niet alleen bij het verwerken van genetische informatie. Ook bij de ontwikkeling van geneesmiddelen spelen ze een steeds grotere rol. Waar vroeger door middel van trial-and-error een geneesmiddel of andere werkzame stof ontwikkeld en getest moest worden, kunnen supercomputers nu veel stappen uit handen nemen.
Bijna iedereen kent wel distributed computing-initiatieven als Folding@Home, waarbij de complexe driedimensionale structuur van eiwitten door computers berekend wordt. Dergelijke berekeningen worden ook door supercomputers gedaan om medicijnen te ontwikkelen en hun werking op complexe moleculen te simuleren.
Het bespaart enorm veel geld en vooral tijd als kandidaat-medicijnen betrouwbaar getest kunnen worden. De ontwikkeltijd van medicijnen kost, mede dankzij langdurige klinische tests, vele jaren. Als ze pas in de laatste fase niet goed of veilig genoeg blijken te zijn, gaan al die jaren verloren. Realistische simulaties kunnen veelbelovende kandidaten sneller boven water krijgen en zo grotere slagingskansen creëren.
Weefsels in chips
Die simulaties hoeven niet beperkt te blijven tot eiwitten en medicijnen. Ook complete weefsels kunnen in steeds meer detail worden gesimuleerd, waarmee ze een aantrekkelijk onderzoekmodel worden. Veel hypotheses kunnen zo in silicium, in supercomputers, getest worden zonder dat er een petrischaaltje aan te pas hoeft te komen.

In het verlengde daarvan worden ook steeds grotere en complexere simulaties van hersenen gemaakt. Dat heeft niet alleen nut om inzicht te krijgen in de werking van de hersenen, maar ook voor ziektebeelden als Alzheimer is dat nuttig. Naarmate computers en de bijbehorende software krachtiger worden, worden de simulaties en de daaruit afgeleide resultaten steeds accurater. Diverse initiatieven, waaronder IBM Research, het Blue Brain-project en het Human Brain Project tonen dat aan.
Slimme chips
Halfgeleidertechnologie kan voor meer dan rekenkracht worden ingezet. Zo is het mogelijk om met lithografische technieken speciale chips te maken, die transistors combineren met mems-technologie. Daarmee zouden goedkope wegwerpanalysemiddelen beschikbaar komen.
/i/2000559474.png?f=imagenormal)
Met dergelijke laagdrempelige meetinstrumenten kan veel meer gezondheidsdata verzameld worden dan via traditionele methodes. Patiënten en consumenten kunnen dan gewoon thuis meetgegevens verzamelen en die automatisch naar hun behandelend arts laten sturen. Dat scheelt personeel, infrastructuur en dure apparatuur. Dat maakt dergelijke technieken ook voor ontwikkelingslanden interessant.
Een voorbeeld van die combinatie van lithografische en mems-technieken is een analyseapparaat dat bloed kan testen. Het prototype kan cellen in bloed niet alleen tellen, maar ook analyseren. Het systeem kan zo onderscheid maken tussen gezonde rode en witte bloedlichamen, en bijvoorbeeld kankercellen die circuleren. Op die manier zouden mogelijke uitzaaiingen in een vroeg stadium gedetecteerd kunnen worden, terwijl conventionele geneeskunde dat veelal te laat waarneemt.
/i/2000559473.png?f=imagenormal)
Chips en computers kunnen ook buiten het lichaam worden ingezet, maar dan als besturing voor complexe robots. Nu al worden speciale, op afstand bestuurbare robots ingezet om delicate chirurgische procedures uit te voeren. Daarmee kunnen onder meer ongewenste bewegingen van de chirurg worden weggefilterd en zeer fijne bewegingen worden gemaakt die met de hand onmogelijk zijn. Bovendien kunnen zeer kundige chirurgen dankzij dergelijke robots op grote afstand een operatie uitvoeren. Zo kunnen ze meer operaties uitvoeren dan mogelijk zou zijn als ze naar diverse locaties moesten afreizen.
Op termijn zouden dergelijke robots een steeds grotere mate van autonomie kunnen krijgen, waarbij ze van de chirurgen de fijne kneepjes leren en deze zelfstandig reproduceren. Gecombineerd met 3d-printtechnieken zouden zo langdurige reparaties aan grote verwondingen uitgevoerd kunnen worden.
Wearables
Chips zijn uiteraard niet beperkt tot meetapparatuur die dient als vervanging voor grote medische apparaten. Meetinstrumenten die continu op het lichaam gedragen kunnen worden zijn sterk in opmars en dat is nog maar het begin van die revolutie. De meest toegankelijke toepassing daarvan wordt gevormd door de fitnesstrackers die nu nog vooral door sporters gedragen worden. Smartwatches zijn eveneens langzaam in opkomst, maar worden nog geplaagd door kinderziektes als korte accuduur.
/i/2000559475.png?f=imagenormal)
Dergelijke gadgets verzamelen continu data over onze activiteiten, zoals hoeveel stappen we per dag zetten. Ook onze hartslag, ademhalingsfrequentie en andere aan activiteiten gerelateerde informatie kan verzameld worden, maar veel van die verzamelde data is nog rudimentair en niet altijd even betrouwbaar. Nu hoeft dergelijke data niet altijd honderd procent accuraat te zijn, maar diverse merken trackers willen onderling nog al eens sterk afwijken.
De kwaliteit van de verzamelde data wordt echter steeds beter, enerzijds door verbeteringen in algoritmes en meetapparatuur, anderzijds door de plaats waar en de frequentie waarmee dergelijke apparaten gedragen kunnen worden. Het is logisch dat een kleiner apparaat makkelijker de hele dag gedragen wordt, omdat het niet in de weg zit. Als ook de accu het lang genoeg uithoudt om 'vergeten' te kunnen worden, kan een tracker langer gedragen worden en meer veelzijdige data verzamelen.
/i/1389938974.jpeg?f=imagenormal)
Implantaten die data lezen, zijn nog maar de eerste en vrij ruwe stap. Binnen afzienbare tijd moet het mogelijk worden om meer interactieve elektronica in onze lichamen in te bouwen. Zo kan aan een operatievrije contactlens worden gedacht, die met behulp van kleine leds informatie aan de drager voorschotelt. Experimenten met lenzen die bloedsuikerwaarden meten en die aan diabetici presenteren, worden al uitgevoerd. Vooralsnog zijn dergelijke lenzen niet in staat om ingewikkelde informatie te tonen en kunnen ze nog niet als een klein display dienen, maar in de toekomst komt daar wellicht verandering in, als daaraan dan nog behoefte is. Wel is inmiddels ook in Nederland een draadloos systeem
verkrijgbaar dat continu bloedsuikerwaarden meet door middel van een patch op de huid.
Protheses
Een andere vorm van implantaten zijn protheses. Die kunnen biologisch of elektromechanisch van oorsprong zijn. Biologische implantaten hebben vooral een rol binnen de reconstructieve chirurgie, waarbij bijvoorbeeld een oor, neus of ander lichaamsdeel cosmetisch hersteld moet worden. Waar vroeger lichaamsvreemde stoffen werden gebruikt, is het tegenwoordig steeds beter mogelijk lichaamseigen producten te gebruiken. Zo kan met een 3d-printer bijvoorbeeld een tijdelijke draagstructuur of scaffold gemaakt worden, waarop cellen kunnen groeien om een oor te maken. Een van de eerste en bekendste voorbeelden hiervan, zonder 3d-printer, waren muizen van het MIT met menselijke oren op hun rug.
Inmiddels kunnen met een 3d-printer steeds meer weefsels laagje voor laagje geprint worden en de scaffold-techniek wordt steeds breder inzetbaar. Tegenwoordig kunnen reconstructies van botstructuren gemaakt worden en ligt zelfs het printen van organen in het verschiet. Voor dat laatste geldt echter, zoals altijd bij medische toepassingen, dat de 'time to market' door rigoreus testen lang zal zijn.
Bij elektromechanische protheses komt techniek ook uitgebreid aan bod. Met een haak, zoals de beroemde piratenkapitein had, nemen we al lang geen genoegen meer. Steeds vaker krijgen protheses geavanceerde elektronica aan boord, die een hand meer en meer natuurgetrouw moet maken. De fijnmechanische techniek die voor de bewegingen nodig is, vormt maar een deel van de toepassing. Het aansturen wordt eveneens steeds geavanceerder en maakt meer dan ooit bionische mensen van ons.
/i/1399797900.jpeg?f=imagenormal)
Waar vroeger schakelaars nodig waren, wordt de besturing nu overgenomen door steeds kleinere spieren die nog in een ledemaat aanwezig zijn. Met elektrodes wordt elektrische activiteit in die spieren opgevangen en vertaald in bewegingen. De heilige graal daarbij is natuurlijk het direct aansturen van een kunstarm of -hand met de hersenen, zonder tussenkomst van spieren, maar door direct het signaal van motorische zenuwen op te pikken en die naar de hand te sturen. Nog een stapje verder gaat het implanteren van dergelijke elektroden in de hersenen. In het ideale geval kunnen de protheses ook feedback geven, zodat de patiënt objecten kan voelen en ze precies kan manipuleren.
Een van de grote mijlpalen voor implantaten is het herstellen van zintuigen. Gehoorapparaten zijn natuurlijk al jaren beschikbaar, maar desondanks een knap staaltje techniek. Voor patiënten met een beschadigd binnenoor zijn er inmiddels ook implantaten beschikbaar die direct gehoorzenuwen kunnen stimuleren. Dergelijke cochleaire implantaten zijn echter nog prijzig en afhankelijk van voorwaarden, zoals de aanwezigheid van functionerende gehoorzenuwen. Een volgende stap kan bestaan uit het direct koppelen met het hersengebied dat voor het gehoor verantwoordelijk is.
/i/1371733737.jpeg?f=imagenormal)
Ook ons zicht kan onder bepaalde omstandigheden hersteld worden. Bij functionerende ogen was laseren al een tamelijk hightech-optie, maar inmiddels kunnen we steeds verdergaan. Het is al op beperkte schaal mogelijk een kunstmatig signaal aan het netvlies voor te schotelen, maar dan is het, net als bij het oor, nodig dat de optische zenuw intact is. Een directe interface met de visuele cortex, het deel van de hersenen dat voor zicht zorgt, zou zichtherstel voor patiënten zonder intacte optische zenuw mogelijk maken.
Er zijn diverse oorzaken waardoor het nog maar zeer beperkt mogelijk is om hersengebieden direct te stimuleren. Ten eerste zijn hersenen gewoon ingewikkeld en is het lastig om de juiste prikkels op de juiste plek te geven om de gewenste effecten uit te lokken. Wat dat betreft is het aansturen van bijvoorbeeld protheses met de motorische cortex iets makkelijker. Anderzijds zijn elektrodes in de hersenen vreemde objecten en het lichaam bestrijdt die als zodanig. Na verloop van tijd worden ze ingekapseld, vormt zich littekenweefsel en verliezen ze hun functie. Daardoor is ook vrijwillige implantatie van elektrodes voor 'upgrades' nog niet haalbaar.
Toekomst: mensen met upgrades?
Vooralsnog zijn vrijwel alle hightech medische gadgets alleen bedoeld voor patiënten. Langzaamaan zien we echter een verschuiving van zorg voor patiënten naar preventieve zorg. Zo is het inmiddels mogelijk een mri-scan uit te laten voeren zonder medische indicatie. Onder meer Google heeft zich ten doel gesteld, met project Google X, om ziektes in beeld te brengen en uiteindelijk met het bedrijf Calico de dood te overwinnen. Het nieuwste initiatief van Google gaat wat verder dan de mri-scan; het wil met magnetisch geladen nanodeeltjes cellen met onder meer kanker opsporen.
Met actieve monitoring van onze gezondheid, nu in toenemende mate door slimme gadgets en wearables, maar in de toekomst met geavanceerdere methodes, moet onze gezondheid steeds beter en onze levensverwachting langer worden. Onderzoekers zijn al volop bezig de volgende generatie sensors te maken, die niet op, maar in ons lichaam werken. Op den duur moet dat leiden tot moleculaire sensors die in grote aantallen door ons lichaam zwerven, op zoek naar afwijkingen in onze cellen en dna. Dergelijke nanobots moeten niet alleen signaleren, maar ook schade kunnen repareren.
/i/2000559486.jpeg?f=imagenormal)
Op korte termijn zijn fysieke upgrades misschien iets beter haalbaar. Nu al worden exoskeletten ontwikkeld en op beperkte schaal ingezet. Dat zal alleen maar toenemen, met militaire toepassingen in het kielzog van de medische inzet voor onder meer dwarslaesie-patiënten. Wanneer echter particulieren dergelijke hulpmiddelen zullen gebruiken, is koffiedik kijken. Het zal waarschijnlijk eerder zijn dan vrijwillige upgrades, die chirurgische ingrepen vergen. Een verbeterde hand of arm om je meer kracht te geven laat dus nog wel even op zich wachten.
Vaststaat dat er een langzame verschuiving plaatsvindt van een medische doctrine waarin patiënten worden behandeld, naar een systeem waarbij we onze gezondheid actief in de gaten houden. Op termijn moeten we daardoor langer én gezonder leven. Vooralsnog houden we ons met patiënten bezig, maar naarmate de techniek vordert, wordt het onvermijdelijk dat ook gezonde mensen voor upgrades kiezen. Wie wil immers geen extra kracht om de zwaarste objecten te tillen, superzicht om in infrarood te zien of een directe link met internet dankzij biocomputers in je hoofd?