Das menschliche Herz originalgetreu im PC: Das ist das Ziel des 3D modellierten „Living Heart“ , das als anschauliches Modell dienen soll. Mit ihm soll simuliert werden, wie das Herz auf Faktoren wie Krankheiten, Medikamente oder medizinische Eingriffe reagiert.
Gut 15 Jahre kann es dauern, bis ein neu entwickeltes Medikament grünes Licht für den Verkauf bekommt – und auch dann bleibt die Gefahr von Nebenwirkungen wie Herz-Rhythmusstörungen. Virtuelle Modelle sollen helfen, solche Risiken möglichst frühzeitig abzuschätzen und zu bannen. So entsteht beim „Living Heart Project“ ein Modell des menschlichen Herzens und seiner Funktionen. Es soll erlauben, Medikamente und medizinische Verfahren virtuell zu testen und zu planen, um Risiken zu mindern und Tierversuche zu reduzieren. Gemeinsam mit renommierten internationalen Wissenschaftlern arbeitet Prof. Philipp Kügler vom Institut für Angewandte Mathematik und Statistik der Universität Hohenheim daran, mit Hilfe von Computersimulationen die Auswirkung von Medikamenten auf die Herzaktivität schnell und zuverlässig zu testen.
Stammzellen für realitätsgetreue Simulationen
Die Idee, mit virtuellen Modelle von Organen zu arbeiten, treibt Wissenschaftler aus aller Welt seit längerem um. Die Modelle sollen es ermöglichen, medizintechnische Geräte, operative Eingriffe oder Medikamente ohne Risiko und Materialverbrauch, dafür aber in beliebiger Variation zu testen. Im „Living Heart Project“ bringen Wissenschaftler aus aller Welt ihre bisherigen Ergebnisse zusammen, um gemeinsam ein solches Computermodell des menschlichen Herzens zu entwickeln und beständig zu verbessern.
Modell eines Herzmuskels
Die Daten dafür stammen unter anderem von Herzmuskelzellen aus humanen Stammzellen, die gezielt gezüchtet werden, um damit verschiedene Wirkstoffe zu testen. Diese extra gezüchteten Herzmuskelzellen werden über den Elektroden eines Chips aufgetragen. Dieser zeichnet die Ausbreitung der elektrischen Signale der Zellen auf, die zur Kontraktion des Herzmuskels führen – er misst also den Rhythmus des Herzschlags. Wird ein Wirkstoff auf die Zellen gegeben, erfasst der Chip, wie diese darauf reagieren und ob es zu Herz-Rhythmusstörungen kommt.
Die Messwerte zur elektrischen Signalübertragung der Zellen lassen sich in Differentialgleichungen abbilden. Diese Gleichungen überprüft Prof. Kügler dann mithilfe einer so genannten Bifurkationsanalyse. Wenn die Modellgleichung für eine Herzmuskelzelle zu einem anderen Ergebnis als in der Realität kommt, überprüft Prof. Kügler, an welchem Punkt der Gleichung die Abweichung entstanden ist und korrigiert entsprechend. „Dieser Ansatz bringt das mathematische Modell in Einklang mit den real erhobenen Daten, um es immer genauer zu machen. Wir müssen zuerst auf der Ebene jeder einzelnen Zelle Vertrauen in das Modell haben. Dann können wir die Eigenschaften der Einzelteile auf das gesamte Organ übertragen.“
Mathematik als Chance für die Medizin
Wenn das gelingt, könnte das Modell Medikamententests schneller, sicherer und günstiger machen. Bereits bei der Entwicklung der Wirkstoffe könnten Pharmaunternehmen ein Medikament am Computer hinsichtlich möglicher Nebenwirkungen auf das menschliche Herz testen – bevor es an menschlichen Probanden getestet wird. Das würde bedeuten, dass weniger klinische Studien mit menschlichen Probanden durchgeführt werden müssen.
Langfristig sollen Modelle wie das „Living Heart“ sogar noch viel mehr können: Mathematische Methoden sollen es ermöglichen, aus unterschiedlichsten Daten eines Patienten – vom Genom bis zum Körperscan – ein Modell seines Herzens zu erzeugen, um damit die für ihn bestmögliche Therapie zu berechnen, inklusive Operationsplanung oder Optimierung medizintechnischer Geräte wie Herzschrittmacher.
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