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Donnerstag, 12. Oktober 2017, Ausgabe Nr. 41

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Medizintechnik

Virtuelles Herz

Von Silvia von der Weiden | 18. Mai 2017 | Ausgabe 20

Mit Simulationen der Vorgänge im menschlichen Körper wollen Forscher gefährliche Nebenwirkungen von Medikamenten ausschalten.

BU Organersatz
Foto: Dassault Systèmes

Das virtuelle Herz als dreidimensionales Modell für die Forschung.

Mit einem lebensechten Computermodell des menschlichen Herzens könnten Wirkstoffe ohne Risiko, in beliebiger Variation und abgestimmt auf individuelle Besonderheiten getestet werden. Ein solches virtuelles Organ würde zudem die Medikamentenentwicklung schneller und sicherer machen. Grund für ein internationales Forscherteam, im „Living Heart Project“ zusammenzuarbeiten.

 Das Living Heart Project

Im Schnitt dauern Laborentwicklung, Tierversuche und klinische Studie für neue Arzneimittel 15 Jahre. Das kostet. Denn nicht selten stecken Hersteller mehrere Hundert Mio. € in die Entwicklung. Dabei schafft es gerade mal einer von 50 Wirkstoffkandidaten tatsächlich in die Apotheke. Die meisten Mittel scheitern, weil sich erst im Körper komplexe Nebenwirkungen offenbaren.

Diese Missstände wollen die Forscher jetzt abstellen. Zum Team gehört auch Philipp Kügler. Der Mathematikprofessor testet am Institut für Angewandte Mathematik und Statistik der Uni Hohenheim mit Computersimulationen, wie Medikamente auf die Herzaktivität wirken. Der Forscher weiß, dass nach einer Medikamenteneinnahme relativ häufig Herzrhythmusstörungen auftreten.

Die Daten für Küglers Computermodell stammen von Herzmuskelzellen, die aus Stammzellen heranwachsen. So steht patientenspezifisches Zellmaterial praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Die Medizinforscher können daran die Effekte verschiedener Substanzen untersuchen. Allerdings bilden die gezüchteten Herzmuskelzellen noch nicht alle Eigenschaften ihres natürlichen Vorbilds authentisch ab. „Diese Lücke aber wird kleiner und kleiner“, meint Kügler.

Um das Verhalten von Herzmuskelzellen im Modell zu erforschen, werden sie über den Elektroden eines Chips aufgetragen. Dieser zeichnet die Ausbreitung der elektrischen Signale der Zellen auf, die den Herzmuskel kontrahieren lassen. Das Ergebnis ist der Rhythmus des Herzschlags. Wird nun ein Wirkstoff auf die Zellen gegeben, erfasst der Chip auch deren Reaktion, beispielsweise Herz-Rhythmusstörungen.

Die Messwerte zur elektrischen Signalübertragung müssen nun in die Sprache der Mathematik übersetzt und mittels mathematischer Werkzeuge analysiert werden. Danach ist eine schrittweise Korrektur der Modellgleichungen möglich. „Dieser Ansatz bringt das mathematische Modell in Einklang mit den real erhobenen Daten. So können wir es dann genauer machen“, erklärt Kügler.

Als nächstes stehen Praxistests an. Der Forscher hofft, dass sich die Ergebnisse aus dem Modell für einzelne Zellen und Zellverbände im Experiment bestätigen. Besteht das Modell die Probe, will Kügler sie im Living Heart Project von der Zellebene auf das gesamte Herz übertragen. Aber: „Wir müssen zuerst auf der Ebene der einzelnen Zelle Vertrauen ins Modell bekommen. Dann können wir die Eigenschaften der Einzelteile auf das gesamte Organ übertragen.“ Wenn das gelingt, könnten Pharmaunternehmen Wirkstoffe am Computer auf mögliche Nebenwirkungen aufs menschliche Herz testen.

Was leistungsfähige Computermodelle im Einzelfall zu leisten vermögen, haben Berliner Forscher kürzlich mit der Entdeckung eines neuartigen Wirkprinzips für Schmerzmittel gezeigt. Sie entwickelten an Nervenrezeptoren ansetzende Schmerzmittel so, dass Nebenwirkungen wie Benommenheit und Sucht kaum mehr auftreten.

Das Team aus Medizinern der Berliner Charité und Computerspezialisten vom Zuse-Institut hatten dazu morphinähnliche Moleküle und deren Wechselwirkungen mit Opioidrezeptoren analysiert. Am Rechner wurden Wirkstoffvarianten an die Gegebenheiten im Nervensystem solange angepasst, bis die Simulation eine optimale Lösung lieferte. Diese hat sich im Tierversuch bereits bewährt. Nun hoffen die Forscher, dass die Pharmaindustrie den Ansatz für die Entwicklung schonenderer Schmerzmittel übernimmt.

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