Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Virtueller Blutfluss

19.03.2014

Ein neues Computerverfahren kann realitätsnah simulieren, wie Medikamente in der Leber wirken

Was passiert, wenn ein Wirkstoff mit dem Blutstrom in die Leber kommt und mit dem Organ reagiert? Und was, wenn Teile der Leber geschädigt sind und das Medikament nicht richtig verstoffwechseln können?

Fragen wie diese lassen sich mit einer neuen Computersimulation detaillierter als zuvor beantworten. Fachleute des Fraunhofer-Instituts für Bildgestützte Medizin MEVIS in Bremen waren maßgeblich an der Entwicklung eines Programms beteiligt, das Blutströme und Stoffwechselprozesse in der Leber realitätsnah simuliert. Ihre Ergebnisse stellen die Experten jetzt im Fachmagazin „PLOS Computational Biology“ vor. 

Im Körper erfüllt die Leber mehrere Aufgaben: Sie reinigt das Blut von Schadstoffen, produziert lebenswichtige Eiweiße und speichert Vitamine. Beim Menschen fließen pro Stunde rund 90 Liter Blut durch das Organ. Um im Detail simulieren zu können, wie dieses Blut durch die Leber strömt und wie die in ihm enthaltenen Wirkstoffe reagieren, gehen die Forscher von einem hochaufgelösten 3D-Bild des Organs aus. Für die Veröffentlichung in „PLOS Computational Biology“ verwendeten die Experten das Bild einer Mäuseleber, aufgenommen mit einem Computertomographen.

Auf der Basis der Bilddaten rekonstruieren sie zunächst die präzise Struktur des fein verästelten Gefäßsystems. Dann wird die Leber in rund 50.000 virtuelle Würfelchen unterteilt – im Gegensatz zum bisherigen Vorgehen bei Simulationen in pharmakokinetischen Untersuchungen, in denen das Organ als eine einzige „Blackbox“ abgehandelt wird. „Zwar besteht eine Mäuseleber aus vielen Millionen Zellen“, erläutert MEVIS-Forscher Ole Schwen.

„Doch um die Rechenzeit in einem vertretbaren Rahmen zu halten, fassen wir in jedem der Würfelchen das Verhalten von mehreren tausend Zellen zusammen.“ Damit das Resultat realistisch gerät, greifen die Experten auf eine reichhaltige Datenbasis aus der biomedizinischen Forschung zurück, die das Stoffwechselverhalten von Leberzellen beschreibt.

Das Ergebnis der Simulation: Blutströme und Stoffwechselreaktionen lassen sich detailliert am Bildschirm verfolgen. Beispielsweise kann ein virtuelles Kontrastmittel gespritzt werden. Anschließend lässt sich am Monitor beobachten, wie schnell sich das Mittel in den verschiedenen Bereichen der Leber anreichert und wie anschließend seine Konzentration allmählich abklingt. Doch das Verfahren, das im Rahmen des „Virtual Liver Networks“ gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Experimentelle Molekulare Bildgebung des Universitätsklinikums Aachen und Bayer Technology Services aus Leverkusen entwickelt wird, vermag noch mehr.

So lässt sich nachbilden, dass bestimmte Bereiche der Leber verfettet sind – mittlerweile eine Volkskrankheit. Startet jetzt die Simulation, lässt sich beobachten, dass die verfetteten Leberregionen das lipophile Kontrastmittel effektiver aufnehmen als das gesunde Gewebe. Auch die Stoffwechselreaktionen anderer Medikamente lassen sich simulieren – sowohl für gesunde Lebern als auch für Organe, die verfettet sind oder etwa durch eine Paracetamol-Überdosierung geschädigt wurden.

„Die bislang verwendeten Computermodelle betrachten die Leber nur als Ganzes“, sagt Projektleiter Tobias Preusser. „Unser Verfahren kann erstmals simulieren, was im Inneren des Organs tatsächlich passiert.“ Damit hat sie das Potenzial, zu einem nützlichen Forschungswerkzeug der Pharmaunternehmen zu werden. Wie etwa wirkt ein neues Medikament bei Patienten, deren Leber zum Teil verfettet oder anders geschädigt ist?

Fragen wie diese könnten sich künftig mit dem neuen Simulationsverfahren klären lassen. Manch ein Tierversuch könnte damit womöglich überflüssig werden. Denkbar ist auch, dass sich die Technik in fernerer Zukunft in der klinischen Praxis einsetzen lässt. Hier ließe sich zum Beispiel für jeden Patienten individuell abschätzen, ob ein bestimmtes Lebermedikament bei ihm anschlagen dürfte oder nicht.

Zuvor aber wollen die MEVIS-Experten ihre Software noch weiterentwickeln. Die aktuelle Veröffentlichung im Journal „PLOS Computational Biology“ basiert auf dem CT-Scan einer Mäuseleber. „Prinzipiell ist es kein Problem, die Simulation auch für eine menschliche Leber durchzuführen“, sagt Ole Schwen. „Außerdem vergleichen wir unsere Simulationen derzeit mit den Ergebnissen von Experimenten, um in Erfahrung zu bringen, ob das neue Verfahren auch quantitativ die richtigen Resultate bringt.“

Veröffentlichung
Schwen LO, Krauss M, Niederalt C, Gremse F, Kiessling F, et al. (2014) Spatio-Temporal Simulation of First Pass Drug Perfusion in the Liver. PLoS Comput Biol 10(3): e1003499.
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003499

Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS
Eingebunden in ein weltweites Netzwerk aus klinischen und akademischen Partnern entwickelt Fraunhofer MEVIS praxistaugliche Softwaresysteme für die bildgestützte Früherkennung, Diagnose und Therapie. Im Mittelpunkt stehen Krebsleiden sowie Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems, des Gehirns, der Brust, der Leber und der Lunge. Das Ziel ist, Krankheiten früher und sicherer zu erkennen, Behandlungen individuell auf den Patienten zuzuschneiden und Therapieerfolge messbar zu machen. Außerdem entwickelt das Institut im Auftrag von Industriepartnern Softwaresysteme, mit denen sich bildbasierte Studien zur Wirksamkeit von Medikamenten und Kontrastmitteln auswerten lassen. Um seine Ziele zu erreichen, arbeitet Fraunhofer MEVIS eng mit Medizintechnik- und Pharmaunternehmen zusammen und verfolgt dabei die gesamte Innovationskette von der angewandten Forschung bis hin zum zertifizierten Medizinprodukt. http://www.mevis.fraunhofer.de

Das Netzwerk „Virtual Liver“
Im Netzwerk „Virtual Liver“ arbeiten 70 Arbeitsgruppen an 41 Kliniken und Forschungseinrichtungen daran, die Funktion der Leber besser zu verstehen. Ziel des interdisziplinären Projekts ist ein Computermodell, das die Leber sowie die in ihr ablaufenden Vorgänge realitätsgetreu nachbildet. Dabei werden erstmals alle relevanten Größenskalen zusammengeführt – von den Molekülen über die Zellen, das komplette Organ bis hin zum gesamten Körper. Das Modell wird durch Laborexperimente und klinische Daten validiert. Es soll fundierte Vorhersagen erlauben und damit als Basis für die Entwicklung neuer Therapie- und Diagnoseverfahren dienen. Das BMBF fördert das „Virtual Liver“-Netzwerk mit 43 Millionen Euro über einen Zeitraum von fünf Jahren, Projektstart war April 2010. Fraunhofer MEVIS erhält eine jährliche Förderung von 380.000 €.
http://www.virtual-liver.de

Weitere Informationen:

http://www.mevis.fraunhofer.de/aktuelles/pressemitteilung/article/virtueller-blu...

Bianka Hofmann | Fraunhofer-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Filterschutz fürs Gehirn: Weniger Schlaganfälle bei Herzklappenersatz-OP
17.08.2017 | Universitätsklinikum Ulm

nachricht Cochlea-Implantat: Viele Formen funktionieren
10.08.2017 | Medizinische Hochschule Hannover

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Latest News

Climate change: In their old age, trees still accumulate large quantities of carbon

17.08.2017 | Earth Sciences

Modern genetic sequencing tools give clearer picture of how corals are related

17.08.2017 | Life Sciences

Superconductivity research reveals potential new state of matter

17.08.2017 | Materials Sciences