Auf dem Weg zur virtuellen Zelle

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Der Gedanke an sich ist nicht neu: die britischen Neurophysiologen und Nobelpreisträger Alan L. Hodgkin und Andrew F. Huxley gelten als Begründer der Systembiologie. Mit ihrem mathematischen Modell einer Nervenzelle legten sie bereits 1952 den Grundstein für die Simulation von Lebensprozessen. Der eigentliche Entwicklungsschub kam jedoch erst um die Jahrtausendwende: Hochdurchsatztechnologien erzeugten zwar eine ungeheure Datenflut, über einzelne Zellbestandteile und -Funktionen (Genom, Proteom, Transkriptom, Metabolom usw.), aber der sinnvolle Gesamtzusammenhang fehlte. „In diesem Sinn liefert die Systembiologie die Syntax der Sprache der Biologie“, so Dr. René Imhof, Direktor der Pharmaforschung bei Roche. Jahrzehntelang haben Biochemiker und Molekularbiologen versucht Leben zu verstehen, indem sie die Zelle in ihre Bausteine zerlegten und diese untersuchten (Bottom-up-Ansatz). Da das Leben jedoch offenbar mehr ist, als nur die Summe seiner Bestandteile, geht die Systembiologie nun den umgekehrten Ansatz und versucht, Lebensprozesse als Ganzes zu beschreiben. Die Potenziale dieses Ansatzes sind vielfältig.

Potenziale für die Pharmaforschung

Vor allem die Pharmaindustrie hofft so auf Zeitgewinn: Systemansätze sollen gezieltere Experimente ermöglichen und auf diese Weise Wirkstofffindung, Medikamentenentwicklung sowie Zulassungsprozesse deutlich beschleunigen. „Ein pharmazeutisches Unternehmen investiert im Rahmen der Wirkstoffentwicklung und Zulassung Hunderte von Millionen Euro auf der Grundlage von Einschätzungen und Annahmen, die mithilfe von experimentellen Daten gewonnen wurden. In solch einem Prozess möchte man ungern Theorien aufsitzen, die in sich inkonsistent sind oder im Widerspruch zu bereits gesammelten Informationen stehen“, erklärt Dr. Jörg Lippert, Leiter des Kompetenzzentrums Systembiologie bei Bayer Technology Services (BTS). Einen weiteren Aspekt nennt Dr. Thomas Hartsch, Projektverantwortlicher für Systembiologie bei Genedata in Basel: „Knapp 90 Prozent der Verbindungen, die in der pharmazeutischen Entwicklung mal bearbeitet wurden, kommen nicht auf den Markt, da sie zum Teil in späten Phasen der Entwicklung scheitern. Diese Wirkstoffe mithilfe modellbasierter Ansätze noch einmal neu zu untersuchen und zu optimieren, könnte vielversprechend sein.“ Auch ethisch problematische Bereiche wie die Dosisfindung in Kindern sind über Modellansätze zugänglich. Bei Bayer Technology Services gehört dies mittlerweile zu den Schwerpunkthemen. Die 15-köpfige Systembiologie-Gruppe des Leverkusener Unternehmens ist den Kinderschuhen bereits entwachsen. Im Sinne einer Servicegesellschaft bearbeitet sie nicht nur eigene Projekte, sondern bietet Simulationssoftware und Dienstleistungen für systembiologische Fragestellungen an. Auf diese Weise finanziert sich die Gruppe vollständig selbst. Die Simulationssoftware PK-Sim für die Physiologie-basierte Pharmakokinetik-Modellierung hat sich mittlerweile viele Anwendungen in der klinischen und frühen klinischen Entwicklung erschlossen. Die Modelle integrieren alle relevanten biophysikalischen Prozesse, die den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen eines verabreichten Wirkstoffes im Plasma und in unterschiedlichen Geweben bestimmen. Damit eignet sich die Software beispielsweise zur Vorhersage von Pharmakokinetik und damit zur Dosisfindung in Erwachsenen und Kindern, zur Studie von Arzneimittelinteraktionen oder auch zur Analyse von Pharmakogenomik-Daten.

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