Die Entwicklung von Medikamenten gegen Hirnerkrankungen vorantreiben

Mithilfe einer neuen Technologieplattform – genannt i3D-Markers – wollen Dr. Hayder Amin und Dr. Caghan Kizil vom DZNE-Standort Dresden die Entwicklung von Medikamenten gegen Hirnerkrankungen beschleunigen.

Die Entwicklung von Medikamenten ist kostspielig und von Rückschlägen gekennzeichnet. „In den letzten Jahren sind die meisten neuen Wirkstoffe gegen Hirnerkrankungen in Studien am Menschen gescheitert. Ein Grund dafür sind die ineffizienten In-vitro-Tests für neurologische Erkrankungen – vor allem während der frühen Phase der Medikamentenentwicklung, also vor Beginn klinischer Studien“, sagt Alzheimer-Forscher Dr. Caghan Kizil, der sich mit der Entwicklung experimenteller Krankheitsmodelle befasst.

Sein Dresdner Kollege, Dr. Hayder Amin, meint: „Die bestehende Methodik hat ein grundsätzliches Manko. Das menschliche Gehirn ist enorm komplex und kann von den derzeit im Labor verwendeten Methoden nicht angemessen modelliert werden. Diese sind zu vereinfachend, um den wahren Effekt eines Wirkstoffes auf neuronale Netzwerke erkennen zu können. Insbesondere zweidimensionale Zellkulturen und herkömmliche Methoden der Datenerhebung können die komplizierten elektrophysiologischen und zellulären Eigenschaften des Gehirns nicht erfassen.“ Amin, der über Expertise in der Neurowissenschaft, Neurotechnologie und der Untersuchung der Dynamik von Nervenzellen mittels computergestützter Verfahren verfügt, ergänzt: „Es gibt daher einen dringenden Bedarf an Werkzeugen, die die Entwicklung neuer Medikamente besser unterstützen.“

Verschmelzung von Technologien

Die Dresdner Forscher gehen dieses Problem mit neuen Ideen an. Ihre Technologieplattform „i3D-Markers“ könnte eine entscheidende Frage im Zuge der Entwicklung von Medikamenten beantworten: „Wie würde sich ein bestimmter Arzneistoff-Kandidat auf die Netzwerke des menschlichen Gehirns auswirken: gut oder schlecht?“.

Die Erfahrung zeigt, dass diese Frage vor klinischen Studien am Menschen schwer zu beantworten ist. „Tatsächlich scheitern viele Wirkstoffkandidaten, die im Labor oder Tierversuch medizinisches Potenzial zeigen, in klinischen Studien aufgrund unerwünschter Wirkungen auf das menschliche Gehirn“, erklärt Amin. Die DZNE-Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass i3D-Markers neue Impulse geben kann.

Neuronale Zellkulturen auf Mikrochip

Das Konzept der Dresdner Forscher verschmilzt Neuroelektronik mit einer innovativen Zellkulturmethode. „i3D-Markers nutzt neuronale Zellkulturen, die mit einem Mikrochip gekoppelt sind. Das heißt, wir züchten Nervenzellen auf elektronischen Bauteilen, die dicht angeordnete Mikroelektroden beinhalten. Dabei bilden die Nervenzellen ein dreidimensionales Geflecht, wie es im Gehirn vorkommt. Dieser Aufbau ermöglicht es uns, die elektrische Aktivität von Tausenden von Nervenzellen gleichzeitig mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen“, erklärt Amin. „Diese Anordnung von vielen winzig kleinen Sensoren gibt uns Einblicke in die Dynamik dieses sehr komplexen Netzwerks aus menschlichen Nervenzellen. Wir werden High-Content-Daten in noch nie dagewesener Detailtiefe und Einzelzellauflösung erhalten.“

Ein zu testender Wirkstoff wird in definierter Konzentration auf die Nervenzellen getropft. „Dann beginnt man mit der Aufzeichnung elektrophysiologischer Daten, die von unserem Array von Sensoren erfasst werden“, sagt Kizil.

Intelligente Algorithmen der Vorhersage

Obwohl das Netzwerk aus mehr als hunderttausend Nervenzellen bestehen wird, würde diese Zellkultur einschließlich des Mikrochips auf eine Fläche passen, die zehnmal kleiner ist als eine Zwei-Eurocent-Münze. Die Informationen über die neuronale Aktivität werden allerdings komplex sein, da sie von Tausenden von Mikrokontaktsensoren stammen. Für die Analyse werden die Wissenschaftler daher Methoden der künstlichen Intelligenz einsetzen. Solche Algorithmen identifizieren und extrahieren Muster aus komplexen, mehrdimensionalen Daten. „Durch künstliche Intelligenz und spezielle mathematische Ansätze wollen wir sogenannte funktionelle Biomarker entwickeln, die auf der Aktivität des neuronalen Netzwerks beruhen. Diese Biomarker werden uns mitteilen, ob es dem Netzwerk gut geht oder nicht und ob ein bestimmter Wirkstoff diesen Zustand beeinflusst. Das wird uns helfen, vielversprechende Wirkstoffe zu identifizieren“, sagt Amin.