Wirkstoffforschung und künstliche Intelligenz

Forscherin­nen auf der ganzen Welt treibt die Suche nach neuen Antibi­oti­ka oder Viro­sta­ti­ka um, die mul­tire­sistente Erreger in Schach hal­ten oder neue Erreger bekämpfen. Sieht ein Wirk­stoff vielver­sprechend aus, muss er vor der Zulas­sung für Men­schen und Tiere nicht nur sprich­wörtlich auf Herz und Nieren getestet wer­den – der Prozess startet bere­its im Reagen­z­glas. Die Forschung am leben­den Organ­is­mus wird aber zu einem späteren Zeit­punkt unumgänglich, um das Auftreten uner­wün­schter Neben­wirkun­gen im Men­schen zu vermeiden.

Im Pro­jekt Image­Tox bün­deln das Helmholtz-Insti­tut für Phar­mazeutis­che Forschung Saar­land (HIPS) und das CISPA Helmholtz-Zen­trum für Infor­ma­tion­ssicher­heit ihre Exper­tise auf den Gebi­eten Wirk­stoff­forschung und kün­stliche Intel­li­genz (KI). Mit mod­ern­sten Meth­o­d­en des maschinellen Ler­nens wollen die bei­den Saar­brück­er Ein­rich­tun­gen die Erforschung von Wirkungsweisen neuer Medika­mente effizien­ter machen. Das Pro­jekt ist eine Ini­tia­tive im Rah­men des Helmholtz Med­ical Secu­ri­ty, Pri­va­cy, and AI Research Cen­ter (HMSP), das zur Lösung drän­gen­der medi­zinis­ch­er Her­aus­forderun­gen führende Expert:innen aus den Bere­ichen IT-Sicher­heit, Daten­schutz und KI sowie Medi­zin zusam­men­bringt. Image­Tox wird mit 200.000 Euro von Helmholtz Imag­ing gefördert, ein­er Ini­tia­tive zur Förderung der bildgeben­den Forschung.

Zum Gamechang­er in der Wirk­stoff- und Tox­iz­ität­stes­tung kön­nten Zebrafis­chlar­ven wer­den. “Das Beson­dere an den Lar­ven ist, dass sie schon in den ersten 120 Stun­den nach der Befruch­tung ein Organ­sys­tem mit Nieren und Leber aus­bilden. Ob ein Wirk­stoff vom Organ­is­mus abge­baut wer­den kann oder tox­is­che Neben­wirkun­gen zeigt, kann an ihnen daher viel bess­er getestet wer­den als an ein­fachen Zel­lkul­tur­mod­ellen”, sagt Dr. Jen­nifer Her­rmann, Team­lei­t­erin Biolo­gie am HIPS. Das HIPS ist ein Stan­dort des Helmholtz-Zen­trums für Infek­tions­forschung in Zusam­me­nar­beit mit der Uni­ver­sität des Saarlandes.

Durch ihre gute Ver­gle­ich­barkeit mit höher entwick­el­ten Spezies kön­nen die Unter­suchun­gen an Lar­ven Tierver­suche in der frühen präk­lin­is­chen Entwick­lung von Medika­menten zum Teil erset­zen. Am HIPS wer­den die Lar­ven bere­its in kleinem Umfang erfol­gre­ich in der Wirk­stoff­forschung einge­set­zt. Dafür wurde das Zebrafisch-Team des Insti­tuts im Som­mer vom saar­ländis­chen Umwelt­min­is­teri­um mit dem Forschung­spreis „Alter­na­tiv­en zu Tierver­suchen“ ausgezeichnet.

Das Prob­lem: Bish­er ist das Ver­fahren nur für eine begren­zte Anzahl an Tests ein­set­zbar. Denn noch muss jede Larve zwei Mal am Tag von den Forschen­den unter dem Mikroskop unter­sucht wer­den. Durch die Behand­lung mit Wirk­stof­fkan­di­dat­en auftre­tende Verän­derun­gen in der Entwick­lung der Lar­ven sind mit dem bloßen Auge oft nur schw­er zu erken­nen. Kommt es zu krankhaften Verän­derun­gen oder Ein­flüssen auf die Entwick­lung der Lar­ven, lässt sich auf­grund der rapi­den Entwick­lung der Lar­ven kaum nachvol­lziehen, wann genau diese einge­treten sind. Das Ver­fahren ist zudem sehr zeitaufwändig und daher noch nicht in größerem Umfang einsetzbar.

Gemein­sam wollen HIPS und CISPA das ändern. “Wir wer­den Meth­o­d­en des maschinellen Ler­nens entwick­eln, die bild­basiert schon zu einem sehr frühen Zeit­punkt die Entwick­lung der Lar­ven nach ein­er Tes­tung vorher­sagen und Anom­alien erken­nen kön­nen. Somit kön­nen viele Ver­such­srei­hen vorzeit­ig been­det wer­den, was Zeit und Geld spart. Außer­dem kön­nen wir damit einen hohen Grad der Automa­tisierung der Exper­i­mente erre­ichen. Wir ver­muten zudem, dass solche Algo­rith­men sog­ar die men­schlichen Fähigkeit­en, Mikroskopie-Dat­en zu analysieren und zu inter­pretieren, über­schre­it­en kön­nen”, erk­lärt CIS­PA-Fac­ul­ty Prof. Dr. Mario Fritz.

Gelingt es den Forschen­den, das biol­o­gis­che Mod­ell­sys­tem des HIPS mit den mod­er­nen Ansätzen des maschinellen Ler­nens des CISPA zusam­men­zubrin­gen, kön­nte also schon in einem sehr frühen Sta­di­um der Entwick­lung neuer Medika­mente deren Sicher­heit effizient geprüft wer­den. Die gewonnenen Erken­nt­nisse sollen im Rah­men des Pro­jek­tes auch auf kom­plexere Entwick­lungsstörun­gen, wie zum Beispiel die Erken­nung von Herz­schla­grat­en und Arry­th­mien, aus­geweit­et wer­den und so eine umfassende toxikol­o­gis­che Bew­er­tung von Wirk­stof­fkan­di­dat­en ermöglichen.