Saúde, “Quantum Metabolic Avatar”: chega o gêmeo digital do metabolismo

Pela primeira vez, um avatar metabólico humano foi criado usando algoritmos quânticos para estudar todas as possíveis reações bioquímicas e metabólicas em nossos corpos. Isso permite o desenvolvimento de avatares personalizados para pacientes com diversas doenças, de diabetes a obesidade, nos quais se pode testar terapias para escolher a melhor. Essencialmente, estamos diante de um "gêmeo digital" que aprende, se adapta e simula o funcionamento de nossos corpos quando comemos, nos movimentamos ou mudamos nosso estilo de vida. Denominado "Avatar Metabólico Quântico", ele foi desenvolvido pela equipe do Professor Giuseppe Maulucci , Professor Associado de Física para Ciências da Vida, Meio Ambiente e Patrimônio Cultural e Diretor do Laboratório de Inteligência Metabólica do Departamento de Neurociências da Universidade Católica de Roma. Este é o resultado de um estudo publicado na Expert Systems with Applications, em colaboração com colegas da UOC Physics for Life Sciences da Fondazione Policlinico Universitario A. Gemelli IRCCS, dirigido pelo Professor Marco De Spirito , Professor Titular de Física para Ciências da Vida, Meio Ambiente e Patrimônio Cultural na Universidade Católica, que explica: "A computação quântica atualmente tem muito poucas aplicações práticas no mundo real e ainda menos no campo da medicina. Este projeto representa um dos primeiros exemplos concretos do uso da computação quântica em dados fisiológicos reais, com potenciais implicações diretas para a saúde das pessoas. É um marco que marca não apenas um avanço científico, mas também um passo em direção à medicina personalizada, preditiva e inteligente." O grupo inclui jovens pesquisadores da Universidade Católica e da Fondazione Policlinico Universitario A. Gemelli IRCCS Cassandra Serantoni, Michele Maria De Giulio, Alessia Riente e parceiros industriais envolvidos no desenvolvimento de tecnologias para saúde digital ( Stefano Capezzone, Rosita Esposito, Fastal SrL e Chirale SrL).

O Avatar Metabólico Quântico é um modelo inteligente, alimentado por dados reais de pessoas reais, mas o que o torna especial é que ele não se baseia na inteligência artificial clássica, explica Maulucci. Nós o fizemos funcionar nos trilhos da mecânica quântica, usando computadores quânticos, agora disponíveis por meio de conexões em nuvem. Imagine ter um "supercérebro" que não pensa linearmente, mas pode explorar muitos cenários simultaneamente, como se estivesse observando todos os caminhos possíveis que o metabolismo poderia tomar em um único olhar", acrescenta. "Em nosso Avatar Metabólico, inserimos informações diárias: a dieta de uma pessoa, o quanto ela se movimenta, como seu peso muda. E o sistema tenta prever para onde seu corpo está indo com uma semana de antecedência. É como um navegador metabólico: em vez de dizer a rota de carro, ele diz para onde seu metabolismo irá se você continuar naquela estrada. E a beleza é que esse sistema pode aprender até mesmo com pequenas quantidades de dados, mesmo que os dados sejam "sujos", incompletos e irregulares, assim como na vida real. Enquanto algoritmos clássicos precisam de dados abundantes e organizados para entregar bons resultados (como um trem em trilhos perfeitos), algoritmos quânticos se comportam mais como um veículo off-road, capaz de avançar até mesmo em terrenos acidentados." difíceis e ver rotas alternativas."

Se um algoritmo clássico é como um trem correndo em um único trilho, explorando apenas uma solução possível por vez, um algoritmo quântico é como um trem mágico capaz de viajar simultaneamente em todos os trilhos, explorando todas as soluções possíveis para um problema em paralelo. Isso é possível graças a duas propriedades extraordinárias da física quântica: superposição e emaranhamento, explica o professor. Um qubit, a unidade básica de informação em um computador quântico (o equivalente quântico de um bit), não está simplesmente ligado ou desligado, 0 ou 1, como nos computadores tradicionais. Um qubit pode estar em uma combinação dos dois estados ao mesmo tempo: isso é superposição. É como se em um teste você pudesse escolher todas as respostas simultaneamente, esperando que a realidade ou a medição revelassem a correta. E então, quando vários qubits estão profundamente interconectados, mesmo se você os separar fisicamente, seu comportamento permanece vinculado. É como se dois instrumentos musicais, mesmo em salas diferentes, tocassem em perfeita harmonia sem precisar se comunicar: se um muda de nota, o outro imediatamente segue o exemplo. Esse fenômeno, chamado emaranhamento, permite que algoritmos quânticos capturem relações complexas entre dados que os modelos clássicos nem conseguem imaginar. Em seu trabalho, os especialistas partiram de dados fisiológicos reais: por exemplo, os alimentos que uma pessoa comeu, seu gasto energético, como seu peso mudou nos últimos sete dias. Esses dados são transformados em uma "forma quântica" : codificados em diferentes probabilidades dentro de um estado quântico. Essa informação é então "metabolizada" por computadores quânticos, e o resultado é um "vetor quântico", "ou seja, um conjunto de probabilidades que nos diz em que direção o metabolismo dessa pessoa está se movendo. Por exemplo, pode nos dizer quanto ela pesará em uma semana, ou se está em uma fase em que seu corpo tende a armazenar ou queimar energia, ou se sua massa corporal magra aumentará, ou se sua microbiota mudará", explicam. "É uma previsão inteligente, construída sobre uma dinâmica temporal que não se limita a repetir o passado, mas o interpreta para gerar futuros possíveis, todos avaliados em paralelo. Na prática, permite-nos visualizar múltiplos caminhos ao mesmo tempo e escolher aquele que melhor representa a realidade biológica de cada pessoa ."

A ambição é que cada pessoa tenha seu próprio avatar metabólico , um modelo que a represente de forma dinâmica e única. Esse gêmeo digital poderia nos ajudar a responder a perguntas complexas como: "Por que essa pessoa engorda facilmente mesmo comendo pouco? Por que outra pessoa está tendo dificuldades para perder peso apesar de fazer dieta? Qual medicamento seria mais adequado ao seu metabolismo? Qual dieta poderia protegê-la de doenças futuras?" "Nesse sentido, nosso avatar se torna um aliado da medicina de precisão. Não mais tratamentos padrão, mas estratégias sob medida, como um terno sob medida para o corpo e a biologia de cada indivíduo. Também poderíamos usar esses modelos para testar digitalmente os efeitos de novos medicamentos ou suplementos in silico, antes mesmo de serem administrados a um paciente. Não para substituir os ensaios clínicos, mas para torná-los mais rápidos, mais direcionados e mais seguros." "Já testamos nosso avatar em dados reais, coletados de pessoas monitoradas diariamente com balanças inteligentes, dispositivos vestíveis e aplicativos. Em quase todos os casos, o modelo quântico superou o modelo clássico em precisão, especialmente quando os dados eram esparsos ou com ruído. Este é um sinal muito forte: esses sistemas podem realmente funcionar em ambientes clínicos reais, onde os dados nunca são perfeitos", explica Maulucci. Os próximos passos são empolgantes. "Queremos estender o avatar a outros processos metabólicos, como o comportamento da glicose, dos lipídios ou da microbiota intestinal. Além disso, queremos construir uma versão generalizada que também possa funcionar em novas pessoas, mesmo que não tenhamos dados históricos detalhados. O objetivo é torná-lo pronto para uso prático, como uma ferramenta de suporte para médicos e pacientes", acrescenta. O Avatar Metabólico Quântico é um dos primeiros exemplos de computação quântica sendo usada em dados fisiológicos reais relacionados à saúde diária de pessoas comuns. Comparada à inteligência artificial clássica, que já está presente em enfermarias hospitalares hoje, a inteligência artificial quântica ainda precisa de tempo para se disseminar. Mas esse tempo já começou e não é um futuro distante: já está em andamento.