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Zellforscher aus dem Saarland wollen Krankheiten mit neuer Technik besiegen

Medizin : So funktioniert die Medizin der Zukunft

Die sogenannte Einzelzellbiologie soll die Behandlung vieler Krankheiten revolutionieren. Forscher der Saar-Uni sind bei der Entwicklung dabei.

Wenn Captain Kirk im Raumschiff Enterprise den Transponder betritt, um sich nach dem Befehl „Energie“ auf die Oberfläche eines fremden Planeten beamen zu lassen, geschieht grob gesagt Folgendes: Die 40 Billionen Körperzellen, aus denen Captain Kirk besteht, werden vom Transponder digitalisiert. Diese Daten werden ans Ziel übertragen, wo sie wieder in Zellen zurückverwandelt werden, aus denen wiederum Captain Kirk zusammengesetzt wird. Das klingt toll, ist aber natürlich blanke Science-Fiction und physikalisch unmöglich. Die Vorstellung allerdings, die Zellen eines Organismus komplett oder teilweise digitalisieren zu können, ist wissenschaftlich durchaus reizvoll. Denn wenn es möglich wäre, ein solches Abbild inklusive aller in den Zellen aktiven Gene zu gewinnen, ließe sich ein digitales Modell eines Organismus erzeugen. Aus mehreren solcher biologischer Schnappschüsse würde ein Film, der die Entwicklung aller Prozesse des Lebens auf zellulärer Ebene zeigt. Der Wissenschaft wäre ein famoses Werkzeug an die Hand gegeben, um den menschlichen Körper besser verstehen, Krankheiten früh erkennen und besser behandeln zu können.

Zugegeben: Auch dies ist noch Science-Fiction, doch die Idee liegt mittlerweile nicht mehr außerhalb des Vorstellungsvermögens seriöser Wissenschaftler. „Einzelzellbiologie“ heißt die neue Forschungsrichtung von Molekularbiologie und Medizin, die mit massiver Unterstützung der Informatik Verfahren entwickeln will, um Krankheiten auf Zellebene zu studieren. Die Saar-Universität ist bei dieser Entwicklung dabei.

„Noch vor fünf Jahren hätte sich niemand vorstellen können, dass so etwas möglich ist“, erklärt der Saarbrücker Genetik-Professor Jörn Walter. Doch der rasante technische Fortschritt bei den Hochdurchsatztechnologien der Biologie, bei Verfahren des Maschinellen Lernens und der Künstlichen Intelligenz in der Informatik und nicht zuletzt deren rapider Preisverfall werden es schon bald möglich machen, das komplexe Zusammenspiel der Zellen zumindest in einzelnen Organen detailliert aufzuzeichnen und am Computer zu simulieren, erklärt der Wissenschaftler der Saar-Uni.

Der Begriff Einzelzellbiologie kann dabei allerdings verwirren. Denn bei dieser Technologie geht es keineswegs nur um einige wenige Zellen. Bei dem auch „Single-Cell-RNA-Sequencing“ genannten Verfahren werden Millionen Zellen analysiert – und zwar auf einen Schlag. Die Biologen wollen sie aus lebendem Gewebe isolieren, untersuchen, markieren und sie dann für weitere Untersuchungen wieder zusammenfügen. Aus den bei diesem Bio-Puzzle gewonnenen Daten lassen sich digitale Modelle entwickeln, mit denen Organe am Computer simuliert werden können. Bei anderen Untersuchungstechniken geht es um sogenannte Organoide, aus Stammzellen gezüchtete Mini-Organe, in denen Entwicklung und Verlauf von Krankheiten beobachtet werden können. Dazu werden spezielle Marker ins Erbgut eingefügt – jede Zelle trägt danach gewissermaßen ein Nummernschild. So lässt sich ihr Weg im Körper, ihr Werden und Vergehen präzise verfolgen. Mit anderen Worten: Die Einzelzellbiologie erlaubt es, im Körper elementaren Prozessen des Lebens zuzuschauen – und sie kann sie im Computer simulieren. „Die Möglichkeiten sind riesig“, sagt Jörn Walter.

Wie lassen sich erste Zeichen einer Krankheit erkennen? Beseitigt eine Chemotherapie den Krebs wirklich komplett – oder bleibt ein resistenter Rest? Wie unterscheidet sich der Stoffwechsel einer Zelle im Alter von dem ihrer Jugend? Wie entwickelt sich ein Herzinfarkt? Wie unterscheiden sich Neuronen im Gehirn – wie funktioniert das Gedächtnis auf zellulärer Ebene? Welche Kombination von Immunzellen schützt vor Krankheiten? Wie reagieren Zellen auf Medikamente? Die Liste der Fragen, die beantwortet werden könnten, scheint endlos. Ein wichtiges Thema sei auch die personalisierte Medizin mit ihren maßgeschneiderten Behandlungskonzepten. „Doch auch die Risiken dieser Technologie dürfen wir nicht ausblenden. Da bahnt sich eine Revolution an – mit allen Problemen, die damit verbunden sind.“ Die Wissenschaft müsse darüber nachdenken, wie diese Technik, die einen Menschen nun wahrhaft gläsern macht, unter Kontrolle gehalten werden könne.

Zum Durchbruch des Jahres hat das Wissenschaftsmagazin Science das Single-Cell-Sequencing im vergangenen Jahr erklärt – doch damit ist auch ein globaler Wettbewerb ausgerufen. In den USA wolle der „Human Cell Atlas“ mit massiver finanzieller Unterstützung des Facebook-Gründers Mark Zuckerberg eine komplette Übersicht der menschlichen Zellen erstellen, erklärt Jörn Walter. Das geschehe sicherlich auch aus Eigennutz, denn für diese neue Forschungsdisziplin müsse die Informatik neuartige KI-Verfahren entwickeln, die natürlich auch für andere Zwecke genutzt werden können. „Wir brauchen zum Beispiel neue Methoden für die Auswertung riesiger Datenmengen.“ Schon bei einem Schnappschuss der biologischen Aktivität eines einzigen Organs fielen mehrere Terabyte Daten an – das entspricht dem Speichervermögen einer kompletten Festplatte. Für die Entwicklung dieser Technik fehle Biologen das IT-Fachwissen und Informatikern die Expertise der Biologen. „Wer werden neue Studiengänge brauchen, wenn wir dieses Thema intensiv bearbeiten wollen.“

Um die Einzelzellbiologie kümmern sich in Deutschland zwei wissenschaftliche Initiativen. Der Saarbrücker Genetik-Professor ist bei beiden dabei. Jörn Walter ist ins LifeTime-Projekt des Berliner Max-Dellbrück-Zentrums eingebunden, das bei der EU in einem deutsch-französischen Konsortium einen Antrag auf ein sogenanntes Flagship-Projekt durchsetzen möchte. Flagship-Projekte sind die größtmöglichen EU-Forschungsvorhaben und können mit mehreren hundert Millionen Euro gefördert werden. Sie bündeln Aktivitäten Dutzender Labors mehrerer Länder. In Deutschland verfolgt das Projekt SCOG („Single Cell Omics Germany“), zu dessen Gründern der Saarbrücker Genetiker gehört, auf nationaler Ebene ähnliche Ziele. „In zwei Jahren werden wir wissen, was möglich ist.“

Die Fragestellungen, denen die neue Wissenschaftsdisziplin nachgeht, gehören in die Kategorie Grundlagenforschung. Doch wo wäre die Grundlagenforschung dichter an der Anwendung als bei medizinischen Fragen? Jörn Walter erwartet, dass die Einzelzellbiologie bei „der personenbezogenen Medikamententestung und der Krebsdiagnostik sehr schnell zu Anwendungen führen wird“. In der Pharmaforschung bestünden gute Chancen, dass die Entwicklung neuer Medikamente deutlich beschleunigt werde. „Fast 20 Jahre dauert es heute, um aus einem neuen Wirkstoff ein Medikament zu machen.“ Diese Zeitspanne könne sich fast halbieren lassen. Ganz am Ende der Entwicklung stehe schließlich der Ganzkörperscanner, der die Körperzellen eines Menschen komplett digitalisiert – und dann auf aktuelle und mögliche künftige Gesundheitsprobleme schließen kann. Wobei das jetzt natürlich wieder ein kleiner Ausflug in die Science-Fiction war – allerdings keiner der undenkbaren Art.