Vergiftete Zellen automatisiert erkennen

MorphoTox-Mitarbeiterin Dr. Kathrin Groeneveld bei Zelluntersuchungen am Lichtblattmikroskop. Foto: Heiko Hellmann/UKJ

Auf der Suche nach neuen Medikamenten werden jährlich Zehntausende von Substanzen gefunden, die wegen einer speziellen biochemischen Eigenschaft als neuer Arzneiwirkstoff in Frage kommen – und fast alle erweisen sich als ungeeignet. Nur etwa jeder tausendste Kandidat erreicht die klinische Studienphase.

Neben wirkspezifischen Tests sind es vor allem Giftigkeitsuntersuchungen, die die Stoffe scheitern lassen. Dabei wird zunächst ermittelt, ob Wirkstoffkandidaten gesunde Zellen in der Zellkultur schädigen.

„Diese zellbasierten Toxizitätstests erfassen vor allem biochemische Wirkungen erst kurz vor dem Zelltod“, so Prof. Dr. Ralf Mrowka vom Universitätsklinikum Jena, „wir wissen aber, dass sich toxische Reaktionen vorher in einer veränderten Zellgestalt äußern. Diese morphologischen Veränderungen wollen wir frühzeitig optisch detektieren.“

Damit beschreibt der Sprecher des Thüringer Innovationszentrums für Medizintechnik-Lösungen (ThIMEDOP) das Ziel einer jetzt gestarteten Forschungskooperation von Universitätsklinikum Jena, TU Ilmenau und Leibniz-IPHT.

Dafür können die Beteiligten nicht nur auf modernste mikroskopische und spektroskopische Analysetechnik im Innovationszentrum zurückgreifen, sie setzen auch die in ihren Forschungsfeldern jeweils modernsten Methoden ein, wie die Gen-Editierung CRISPR/Cas9 und maschinelles Lernen.

Im zweieinhalbjährigen Forschungsplan ist die Biologin Dr. Kathrin Groeneveld für zellbiologischen Experimente mit Nieren- und Leberzellen verantwortlich: „In einem früheren Projekt konnten wir Signalwege identifizieren, über die eine Vielzahl der Reaktionen auf giftige Substanzen vermittelt werden. Diese Gene versehen wir mit optischen Markern, und nutzen diese Zellen zunächst, um die Toxizität unserer Testsubstanzen zu charakterisieren.“

Trainingsdaten für maschinelles Lernen

Vermessen wird dann die Reaktion der unmarkierten Zelllinien auf definierte Giftdosen. Die Partner an der TU Ilmenau nutzen dafür sogenannte Fluoreszenzlebensdauermessungen. „Um die Bilddaten aus diesen Untersuchungen besser in die Plattform zu integrieren zu können, wollen wir die Messmethodik und die anschließende Bildberechnung robuster und schneller machen“, beschreibt Prof. Dr. Jens Haueisen vom Institut für Biomedizinische Technik und Informatik einen Projektteil.

Die Wissenschaftler am IPHT untersuchen die veränderte Gestalt der vergifteten Zellen mittels spektroskopischer Bildgebungsverfahren, wie z.B. der multimodalen Bildgebung. Die Analyse der gewonnenen Bilddaten ist der zweite große Projektteil.

„Neben einer verlässlichen Korrektur von Messartefakten besteht die Herausforderung in der Zusammenführung der Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungsverfahren“, so PD Dr. Thomas Bocklitz, Leiter der Abteilung Photonic Data Science am IPHT. Die entsprechend bearbeiteten Messdaten sollen als Trainingsdaten für Algorithmen des maschinellen Lernens dienen, auf denen die entstehende Auswerteplattform basiert.

Mögliche Anwendungen der Plattform sind nicht nur die Toxizitätstest von Wirkstoffkandidaten, bei denen die frühzeitige Erkennung giftiger Zellreaktionen hilft, kostspielige Tier- oder Patientenstudien einzusparen. Denkbar wäre der Einsatz auch zum Nachweis gewollter giftiger Reaktionen, zum Beispiel beim Test neuer Chemotherapeutika.

Analysen an Zelllinien, die aus Patientenproben gewonnen werden, könnten zudem als individualisierte Toxizitätstests zu personalisierten Therapieentscheidungen beitragen. Ralf Mrowka: „Die MorphoTox-Plattform soll allen Nutzern im Innovationszentrum für künftige Forschungsvorhaben zur Verfügung stehen.“

Den für die nächsten zweieinhalb Jahre geplanten Aufbau der Auswerteplattform fördert die Thüringer Aufbaubank mit über 600 000 Euro.

Prof. Dr. Ralf Mrowka
Universitätsklinikum Jena, Innovationszentrum ThIMEDOP
E-Mail: <Ralf Mrowka@med.uni-jena.de>
Tel.: 03641-9396600

http://www.uniklinikum-jena.de/thimedop/

Träger des Thüringer Innovationszentrums für Medizintechnik-Lösungen ThIMEDOP – Diagnose, Therapie, Optimierung durch optische Lösungen – sind das Universitätsklinikum Jena, die TU Ilmenau und das Leibniz-Institut für Photonische Technologien Jena. Das Zentrum vereint technologische Stärken in Optik und Photonik mit der Sepsisforschung und der Alternsforschung durch die Entwicklung von Lösungen zur Früherkennung, Diagnose, Therapie und Rehabilitation.

Media Contact

Dr. Uta von der Gönna idw - Informationsdienst Wissenschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Effizientes Ventil für Elektronenspins

Forscher der Universität Basel haben zusammen mit Kolleginnen aus Pisa ein neues Konzept entwickelt, das den Eigendrehimpuls (Spin) von Elektronen verwendet, um elektrischen Strom zu schalten. Neben der Grundlagenforschung könnten…

24.000 Kilometer in der Sekunde: Bislang schnellster Stern von Kölner Physikern entdeckt

Erforschung von Hochgeschwindigkeitssternen durch Teleskop in Südamerika / Kölscher „4711“-Stern braucht nur 7,6 Jahre um Schwarzes Loch zu umkreisen Dr. Florian Peißker und Professor Dr. Andreas Eckart vom I. Physikalischen…

Blick in einen G1-Tiegel während der Herstellung einer Sprühbeschichtung am Fraunhofer IISB. Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB

Auf den Spuren schädlicher Metalle

Hohe Materialperformance mit multikristallinen Siliziumblöcken Fraunhofer IISB, AlzChem AG und Wacker Chemie AG haben das BMWi-Verbundprojekt SYNERGIE abgeschlossen. Das SYNERGIE-Konsortium untersuchte, wie metallische Verunreinigungen in multikristallinen Siliziumblöcken entstehen. Spezies, Quellen…