Auf dem Weg zur virtuellen Zelle

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Seit Anfang diesen Jahres kooperiert Bayer Technology Services mit dem renommierten US-amerikanischen Children’s Hospital of Philadelphia (CHOP). Ziel ist es, die kleinen Patienten punktgenauer zu behandeln. Dazu wird die Software PK-Sim mit der Patientendatenbank der Klinik verknüpft, in der alle notwendigen Patienteninformationen und die gesamte Dosierungshistorie abgespeichert sind. Anhand pharmakokinetischer und pharmakodynamischer Modellierungen und Simulationen erhält der Arzt eine Prognose über die Arzneimittelkonzentration im Blutplasma des Patienten. Das ermöglicht fundierte und auf das jeweilige Kind abgestimmte Dosierungen. Auch im Rahmen der BMBF-Initiative Quantpro kommen die Software-Tools von BTS zum Einsatz. Das Projekt „Quantpro – Quantitative Analyse zur Beschreibung dynamischer Prozesse in lebenden Systemen“ will die Vorhersage von Medikamentenwirkungen sowie die Individualisierung von Arzneimitteltherapien verbessern. Dabei wird BTS den aktiven Transport von Medikamenten in der Leber modellieren.

Das Projekt ist eine von zahlreichen Initiativen, die in Deutschland und Europa in den letzten Jahren aufgelegt wurden, um vorhandene systembiologische Forschungskapazitäten thematisch zu fokussieren und zu vernetzen (Tabelle 1). Allein im Rahmen des 2001 ins Leben gerufenen Förderschwerpunktes „Systeme des Lebens – Systembiologie“ hat das BMBF 50 Millionen Euro für die systembiologische Forschung bereitgestellt. Mittelpunkt der ersten Förderrunde war das erwähnte Kompetenznetzwerk Hepatosys. Weitere transnationale Initiativen wie Sysmo oder Biosim vernetzen Kompetenzen für die System-biologie von Mikroorganismen oder bei der Wirkstoffentwicklung. „Innerhalb Europas ist Deutschland mit seiner systembiologischen Forschung nicht schlecht bestellt“, konstatiert Prof. Ursula Kummer von der Universität Heidelberg. „Zusammen mit Großbritannien und den Niederlanden gehören wir hier zur Spitze.“

Softwareentwickler sind gefordert

Beim Heidelberger Forschungsinstitut EML Research hat die vor kurzem an die Heidelberger Universität berufene Professorin mit Sycamore oder Copasi Softwarelösungen zur Modellierung biologischer Systeme entwickelt. Damit die erstellten Modelle beispielsweise auch untereinander austauschbar sind, erfüllen sie internationale Standards. „Darüber hinaus sollte die Software – im Gegensatz zu vielen akademischen Lösungen – auch Wissenschaftlern zugänglich sein, die keine IT-Experten sind“, so Kummer. Nur so könne sie standardmäßig im Labor eingesetzt werden. Je spezieller die systembiologische Fragestellung, desto schwerer ist diese Anforderung häufig zu erfüllen. In der Vergangenheit wurden viele Softwarelösungen von Universitäten und für sehr spezifische Anwendungen entwickelt. Dies wird problematisch, wenn im Rahmen von Netzwerken und Konsortien, Wissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen von verschiedenen Standorten aus an den erhobenen Daten arbeiten müssen. Da dies die Standardisierung sowohl der eingesetzten als auch der generierten Daten erfordert, arbeiten derzeit viele Softwareentwickler an Lösungen, die diese Standardisierung unterstützen. „Ein zentrales Datenmanagement mit einer starken Integration und Vernetzung der Daten ist sehr wichtig“, beschreibt es Hartsch. „Es nützt nichts, wenn man zwei Drittel der Zeit, in der man an einem Projekt arbeitet, mit dem Reformatieren für verschiedene Softwareanwendungen verbringt. Die neuesten Ergebnisse müssen zentral gespeichert und allen Experten zugänglich sein.“ Die Plattformen Phylosopher und Expressionist von Genedata ermöglichen die Verknüpfung und Integration der publizierten, öffentlich verfügbaren Daten und Datenbanken mit den proprietären, experimentellen Daten der Wissenschaftler.

Die Daten sind entscheidend

Nicht nur die Vernetzung der Wissenschaftler, sondern insbesondere auch die Simulation und Modellierung benötigt quantitative, kinetische, das heißt zeitaufgelöste Daten, die auf standardisierte Art und Weise erzeugt wurden. Diese Standardisierung schließt scheinbar triviale Faktoren wie verwendete Stämme, Medien, Instrumente oder Versuchsbedingungen ein und ist vor allem für in vivo-Experimente oft schwer zu erzielen. Um ein verlässliches Modell eines biologischen Systems zu generieren, braucht man aber genau solche Daten. Was ihre Verfügbarkeit angeht, gehen die Meinungen auseinander. Während sich Pharmaforschungschef Imhof (Roche) und Systembiologe Lippert (BTS) einig sind, dass die Datenlage auf zellulärer Ebene häufig noch ungenügend ist, betont Lippert gleichzeitig, dass existierende Informationen nicht zielstrebig genutzt werden. „Nicht selten führen wir gerade mit experimentellen Partnern Diskussionen über die Frage, ob die von ihnen im Rahmen von Standardarbeitspaketen im Forschungsworkflow gewonnenen Daten Relevanz für die pharmakologische oder medizinische Fragestellung haben und ob wir sie für unsere Modelle verwenden sollten“, erläutert Lippert. Beide Wissenschaftler sind sich einig, dass die Knackpunkte vor allem bei der Entwicklung von Krankheitsmodellen liegen. „Auf der Grundlage von Modellen, Krankheiten vorherzusagen oder den Einfluss neuer Behandlungsmöglichkeiten zu simulieren, ist bislang erst sehr begrenzt möglich“, so Imhof.

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