Zeitung Heute : Virtuelle Modellkörper

Wie arbeiten 20 Milliarden Zellen zusammen? Computersimulationen helfen bei der Anwort

Roland Knauer
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Knochenvorläuferzellen auf einer strukturierten Oberfläche. Wissenschaftler verschiedenster Disziplinen simulieren auf ihren...

„Niemand wird einen Steinhaufen als bewohnbares Haus ansehen. Genauso wenig ist eine Suppe aus Zellen ein Körperorgan oder ein Organismus.“ Mit solchen Vergleichen deckt Professor Olaf Wolkenhauer vom Lehrstuhl für Systembiologie und Bioinformatik der Rostocker Universität ein wichtiges Problem vieler Biologen und Mediziner auf: Sie kennen zwar die Vorgänge in einer Zelle oder einem Organ oft genau. Wie aber 20 oder 30 Milliarden Zellen kooperieren und einen funktionierenden Dickdarm bilden, wissen sie damit noch lange nicht.

Auch wer die Signale einer Ampel und die Botschaft von Verkehrsschildern versteht, weiß schließlich noch nicht, wo die Verkehrsschilder stehen sollen und wie die vielen Ampeln geschalten werden müssen, um den Verkehr in der ganzen Stadt fließen zu lassen. Das Gehirn des Menschen ist für solche komplexen Systeme nämlich nicht eingerichtet. „Wir überblicken Systeme mit einigen Komponenten gut, die über lineare Beziehungen zusammen hängen“, erklärt Olaf Wolkenhauer. Genau das aber ist der Dickdarm eines Menschen mit seinen 20 Milliarden Zellen und noch viel mehr Signalen eben nicht. Obendrein sind viele Beziehungen in einem solchen Organ nicht linear. Doppelt so viele Signale bedeuten zum Beispiel nicht, dass die Verdauung doppelt so schnell geht. Auch auf der Straße verdoppeln zwei grüne Ampeln an der Stelle einer einzigen ja den Verkehrsfluss nicht zwangsläufig.

Diesen Engpass der geistigen Kapazitäten eines jeden Menschen können Computer überwinden. Und so simulieren inzwischen Biologen, Mathematiker, Informatiker, Biochemiker, Ingenieure, Biophysiker, Mediziner und viele weitere Spezialisten auf ihren Rechnern die Vorgänge im Körpergewebe und die komplizierten Kaskaden verschiedener Signale, um zum Beispiel zu verstehen, wie im Dickdarm Krebs entstehen kann. Allerdings könnte man diese Frage auch anders formulieren: Wieso entsteht eigentlich so selten Krebs? Schließlich besteht der Dickdarm nicht nur aus 20 oder 30 Milliarden Zellen, die auf die Verdauung spezialisiert sind. Jede dieser Dickdarmzellen aber ist bereits nach einer Woche im Wortsinn am Ende und wird von einer Kette von Signalen zum Zelltod gebracht. Um den Dickdarm einmal in der Woche rundzuerneuern, produziert der Organismus jede Sekunde weit mehr als 30 000 neue Dickdarmzellen.

Der Vergleich mit den Verkehrsampeln und deren immer wieder vorkommenden Ausfällen in einer Großstadt zeigt, dass hier wie dort jede Menge Fehler passieren müssen. Fehler in den Kaskaden der Signale in einem Organismus aber können unter Umständen Krebs bedeuten, wissen Mediziner und Biologen schon lange. Versteht Olaf Wolkenhauer mit Computerprogrammen aber eines Tages, wie ein Tumor im Dickdarm entsteht, kann er auch simulieren, wie Medikamente diesen Krebs beeinflussen.

Ein ähnliches Ziel verfolgt Professor Ursula van Rienen vom Institut für Allgemeine Elektrotechnik, wenn sie Implantate und ihre Wechselwirkung mit dem Organismus untersucht. Bei Operationen am Hüftgelenk entdecken Chirurgen und Orthopäden immer wieder, dass Knochenpartien der Hüfte stark geschädigt sind, die nicht durch ein Implantat ersetzt werden sollen oder können. Längst wissen Ärzte auch, wie sie die beschädigte Knochensubstanz um das Implantat zum Wachsen bringen: Elektrische Felder regen die Knochenzellen zur Vermehrung an. „Das elektrische Feld täuscht dem Knochen im Prinzip eine Bewegung vor“, erklärt Ursula van Rienen, die gleichzeitig Prorektorin für Forschung der Universität Rostock ist. Und Bewegung lässt Knochengewebe sich regenerieren, ist aber bei frisch operierten Patienten oft nicht so einfach möglich.

Man könnte also das künstliche Hüftgelenk mit Elektroden versehen und den Patienten nach der Operation in eine spezielle Spule legen. Deren Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld, das die Knochen zum Wachsen anregt. Wo aber müssen die Elektroden angebracht und welche Feldstärke soll erzeugt werden? Vor der Anwendung in der Klinik sollten solche Fragen auf jeden Fall in einer Computersimulation beantwortet werden, die dann zeigt, wie der Knochen auf diese Behandlung reagiert. Computermodelle werden in Zukunft zum Handwerkszeug eines Arztes gehören wie das Stethoskop.

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