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Living Heart Project Virtuelles Herz könnte Tests von Medizingeräten und Medikamenten vereinfachen

Autor / Redakteur: / Kathrin Schäfer

Beim Living Heart Project entsteht ein Modell des menschlichen Herzens und seiner Funktionen. Es soll erlauben, Medikamente und medizinische Verfahren virtuell zu testen und zu planen.

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Universität Hohenheim
Kann man ein so komplexes menschliches Organ wie das Herz am Computer originalgetreu abbilden? Die französische Firma Dassault Systèmes meint: Ja.
Kann man ein so komplexes menschliches Organ wie das Herz am Computer originalgetreu abbilden? Die französische Firma Dassault Systèmes meint: Ja.
(Bild: Dassault Systèmes)
  • Humane Stammzellen für realitätsgetreue Simulationen
  • Ein Chip erfasst, wie Herzmuskelzellen reagieren
  • Tierversuche überflüssig machen
  • Modelle und Simulationen verkürzen Testprozesse

Virtuelle Modelle von Organen: Diese Idee treibt Wissenschaftler aus aller Welt seit längerem um. Sie 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.

Humane Stammzellen für realitätsgetreue Simulationen

Zusammen mit internationalen Wissenschaftlern arbeitet Prof. Dr. Philipp Kügler vom Institut für Angewandte Mathematik und Statistik der Universität Hohenheim nun daran, mit Hilfe von Computersimulationen die Auswirkung von Medikamenten auf die Herzaktivität schnell und zuverlässig zu testen. Die Daten dafür stammen unter anderem von Herzmuskelzellen aus humanen Stammzellen, die gezielt gezüchtet werden, um damit verschiedene Wirkstoffe zu testen. Mit deren Hilfe kann die Interaktion zwischen pharmazeutischem Wirkstoff und menschlichen Zellen erstmals umfassend untersucht werden. „Noch unterscheiden sich die künstlich gezüchteten Herzmuskelzellen von ihren natürlichen Vorbildern. Die Lücke wird jedoch kleiner und kleiner“, ist Kügler zuversichtlich.

Zu dieser Annäherung trägt er mit seiner Forschung bei. Der Mathematiker überprüft auf der Ebene einzelner Zellen ebenso wie kleinerer Zellverbünde, ob die bisher entwickelten Gleichungen zur Abbildung des Verhaltens künstlicher Herzzellen der Realität entsprechen, und passt sie entsprechend an.

Ein Chip erfasst, wie Herzmuskelzellen reagieren

Um das Verhalten von Herzmuskelzellen im Modell abzubilden, werden künstliche Herzmuskelzellen im Labor nachgezüchtet und 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 Kügler dann mithilfe einer sogenannten Bifurkationsanalyse. Wenn die Modellgleichung für eine Herzmuskelzelle zu einem anderen Ergebnis als in der Realität kommt, überprüft 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.“

Wenn die Ergebnisse aus seinem Modell für einzelne Zellen und Zellverbünde durch Experimente bestätigt sind, will Kügler sie im Living Heart Project von der Zellebene auf das gesamte Herz übertragen. „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.“

Wenn das gelingt, könnte es 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.

Tierversuche in naher Zukunft überflüssig machen

Auch als Alternative zu Tierversuchen könnte das Modell zum Einsatz kommen: „Die Kombination aus humaner Stammzelltechnologie und Computersimulation des menschlichen Herzens weckt dabei insbesondere auch die Hoffnung, Tierversuche in naher Zukunft überflüssig zu machen“, hofft Kügler. Das wäre auch deshalb ein Vorteil, weil tierische Zellen zum Teil anders reagierten als menschliche. Bis dahin ist es allerdings noch ein Stück Weg. Und auch wenn das Modell zum Einsatz kommt, wird es Tierversuche nicht völlig ersetzen können.

Modelle und Simulationen können Testprozesse verkürzen

„Simulationen können einen realen Test nicht ersetzen. Aber sie können die Risiken mindern und den Testprozess verkürzen“, betont Kügler. Rechnerbasierte Simulationen würden in vielen Industriebereichen seit geraumer Zeit eingesetzt, um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen. So werde zum Beispiel ein neues Flugzeugmodell am Computer umfangreichen Belastungstests unterzogen, ehe der auf dieser Basis optimierte Prototyp ein erstes Mal in die Luft steigt. „Auch in der Medizin wird die Mathematik eine immer größere Rolle spielen“, ist sich der Forscher sicher. So könnten etwa mit Hilfe des im Living Heart Project entwickelten Herzmodells künftig auch Operationen oder medizintechnische Geräte wie Herzschrittmacher zunächst am Computer geplant und optimiert werden.

3D-Modelle könnten auch in der Lehre zum Einsatz kommen oder Medizinern erlauben, sich in einer Art virtuellen Begehung auf schwierige Operationen vorzubereiten. 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.

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