Software Systembiologie – Modelle für biologische Prozesse

Um die Funktion lebender Systeme in ihrer Komplexität zu verstehen, setzen Wissenschaftler zunehmend auf Methoden der Modellierung und Computersimulation. Die Systembiologie kombiniert als interdisziplinärer Forschungszweig Konzepte aus Biologie, Informatik und Systemwissenschaften. Im Kompetenzzentrum Systembiologie treibt Bayer Technology Services die Entwicklung und Anwendung von Softwarelösungen und Dienstleistungen für ein besseres Verständnis biologischer Systeme voran.

Anbieter zum Thema

Shimadzu Deutschland GmbH

Axel Semrau GmbH /Trajan Scientific and Medical

SIM Scientific Instruments Manufacturer GmbH

Bayer AG

LaborPraxis: Herr Dr. Lippert, Systembiologie ist ein verhältnismäßig neuer Begriff. Was verstehen Sie genau darunter?

Lippert: Im Kompetenzzentrum Systembiologie befassen wir uns mit der Entwicklung und Anwendung von mathematischen computerbasierten Verfahren, mit deren Hilfe biologische Systeme aller Art besser verstanden werden können. Unsere Projekte reichen dabei von der Optimierung biotechnologischer Prozesse zur Herstellung therapeutischer Proteine bis zur Vorhersage der optimalen Dosis eines Medikamentes auf der Grundlage von detaillierten Informationen über den Patienten. Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt in der effizienten Integration und Verwertung existierenden Wissens und vorhandener Daten zur Unterstützung von Entscheidungen vor allem im Umfeld pharmazeutischer R&D-Projekte. Mit unseren Methoden prüfen wir die Konsistenz von Informationspaketen und helfen Projektteams bei der Priorisierung und Auswertung von experimentellen Programmen. Unsere Softwareprodukte und Dienstleistungen bieten wir sowohl den anderen Bayer-Tochtergesellschaften als auch Kunden außerhalb des Bayer-Konzerns an.

LaborPraxis: Wie ist diese Service-Einrichtung entstanden und welche Ziele verfolgt sie?

Lippert: Die Bayer Technology Services GmbH (BTS) ist im Rahmen der Neuorganisation des Bayer-Konzerns entstanden und beschäftigt weltweit knapp 2200 Mitarbeiter. Wir bieten ganzheitliche Lösungen entlang des Lebenszyklus von chemisch-pharmazeutischen Anlagen an – von der Entwicklung über Planung und Bau bis hin zur Optimierung bestehender Prozesse und Betriebe. Neben den klassischen Prozessthemen haben sich Technologie-getriebene Arbeitsgebiete im Umfeld der Lebenswissenschaften etabliert. Zu diesen gehören neben der Systembiologie z.B. die Assay-, Fermentations- und Nanotechnologie. BTS hat den Anspruch, in allen diesen Feldern maßgeschneiderte Produkte und Dienstleistungen anzubieten.

LaborPraxis: Welche Produkte und Dienstleistungen bieten Sie Ihren Kunden genau?

Lippert: Mit unseren Softwareprodukten PK-Sim und MoBi bieten wir eine Plattform für die Modellierung biologischer Prozesse von der intrazellulären Kommunikation bis zur Ganzkörper-Kinetik im Menschen an. Wir unterstützen unsere Partner mit Trainingsprogrammen und Beratungsprojekten bei der Etablierung mechanistischer Modellierung, und wir übernehmen – gerade bei kleineren Pharma- oder Biotechnolo-gieunternehmen – die komplette Durchführung von Modellierungsprojekten. Unser Service reicht dann von der Unterstützung bei der Definition der Projektziele über die wissenschaftliche Recherche und Modellierung bis hin zur Erstellung von schriftlichen Berichten für Behördeneinreichungen.

LaborPraxis: Was ist PK-Sim?

Lippert: PK-Sim ist eine Softwarelösung für die Physiologie-basierte Pharmakokinetik-Modellierung. In den Datenbanken von PK-Sim sind Informationen über die Anatomie (z.B. die Organvolumina und -zusammensetzungen) und Physiologie (z.B. die Blutflüsse oder die Dynamik des Magen-Darm-Traktes) des Menschen und der Tiermodelle Maus, Ratte, Hund und Affe hinterlegt; diese werden verwendet, um detaillierte Modelle der Aufnahme und Verteilung von Wirkstoffen im Körper der jeweiligen Spezies zu generieren. Mit Vorhersagemodellen, die wir zusammen mit Kollegen in anderen Bayer-Teilkonzernen entwickelt haben, ist PK-Sim in der Lage, seine Modelle an die physiko-chemischen Eigenschaften eines Wirkstoffes anzupassen. Ein so angepasstes PK-Sim-Modell ist eine detaillierte Repräsentation aller relevanten biophysikalischen Prozesse, die den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen des verabreichten Stoffes im Plasma und in den unterschiedlichsten Geweben bestimmen. Es stellt damit ein mächtiges Werkzeug zur Analyse, Interpretation und Vorhersage von experimentellen Daten dar. In den vergangenen Jahren haben wir viel Zeit in die Sammlung und Einbindung von weiteren Informationen über z.B. die interindividuelle Variabilität oder die Ontogenie der Metabolisierungsprozesse investiert. Daher erlaubt PK-Sim heute neben der Vorhersage der Variabilität von Pharmakokinetik in Populationen, die durch Rasse, Geschlecht, Alter, Körpermaße charakterisiert werden können, z.B. auch die Extrapolation von in Erwachsenen erhobenen Daten auf Kinder bis hin zu Neugeborenen. Neben Tests mit großen Validierungsdatensätzen ist PK-Sim durch Dutzende von Anwendungsprojekten nicht nur in unserer Gruppe, sondern auch bei unseren Partnern validiert worden.

LaborPraxis: Welche Art von Projekten haben Sie mit Ihrer Simulationssoftware PK-Sim bearbeitet und welche Ergebnisse erzielt?

Lippert: PK-Sim hat seinen Ursprung in Anwendungen in der medizinischen Chemie, bei denen die Optimierung der physiko-chemischen Eigenschaften eines Wirkstoffkandidaten im Vordergrund stand. Im Laufe der Zeit ist es uns jedoch gelungen, immer mehr Anwendungen in der klinischen Entwicklung zu erschließen, und der Bereich der frühen klinischen Entwicklung stellt heute unseren wichtigsten Markt dar. Als Beispiele seien die Untersuchung von Wirkstoff-Interaktionen und die Analyse von Pharmakogenomik-Daten genannt. Ein regelrecht boomender Bereich ist die Planung von pädiatrischen Studien, die durch die neuen Regelungen der EMEA und der FDA stark gefördert werden. Mit unserem Verfahren der Extrapolation von Erwachsenendaten bieten wir eine einzigartige Möglichkeit, Dosisentscheidungen bei Erstanwendungen in Kindern auf eine rationale Basis zu stellen, und immer mehr Pharmaunternehmen machen von unserem Angebot in diesem ethisch sehr heiklen Gebiet Gebrauch. Konsequenterweise haben wir inzwischen auch Kooperationen mit dem Children’s Hospital of Philadelphia und mehreren deutschen Kliniken aufgebaut, in denen wir versuchen werden, Verfahren zu entwickeln, die uns gleichermaßen dabei helfen, die Dosierung für einzelne Patienten zu optimieren.

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