Weniger Tierversuche dank virtueller Maus: KI-unterstütztes in silico-Tiermodell

Künstliche Intelligenz (KI) kann Leben retten. Zumindest Mäuseleben. Empa-Forschende haben ein KI-gestütztes Computermodell einer Labormaus entwickelt, das mithilfe von maschinellem Lernen voraussagen kann, wie sich verschiedene Nanomaterialien im Organismus der Maus verteilen.

Ganz nach dem „Safe and Sustainable by Design“-Prinzip kann das Modell künftig nicht nur als Entscheidungshilfe bei der Medikamentenentwicklung dienen, sondern auch die Anzahl an Tierversuchen reduzieren.

In den letzten Jahren hat die medizinische Forschung eine vielversprechende Unterstützerin gefunden: die Nanotechnologie. Materialien im Nanobereich können, bildlich gesprochen, die Rolle von Postboten übernehmen, die Wirkstoffe an die gewünschte Adresse ausliefern. Nanopartikel sind unvorstellbar klein – ungefähr 500-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Daher schaffen es einige, die Schutzbarrieren des Körpers zu passieren, ohne diese zu verletzen. So könnten die Nanopartikel zum Beispiel chemotherapeutische Wirkstoffe über die Blut-Hirn-Schranke ins Gehirn transportieren, um Hirntumore zu bekämpfen.

Suche nach dem passenden Nanomaterial

Allerdings müssen die Nanopartikel je nach Aufgabe, die sie erfüllen sollen, ganz bestimmte Eigenschaften aufweisen. Je nach Form, Materialzusammensetzung und Größe verteilen sie sich unterschiedlich im Körper und reichern sich in anderen Organen an. Es gilt deshalb, herauszufinden, welche Partikel ihre Aufgabe bestmöglich ausführen und dabei möglichst keinen Schaden anrichten.

Bisher haben Forschende Tiermodelle, meist Mäuse, verwendet, um diesen Fragen nachzugehen. Sie verabreichten Mäusen verschiedene Nanomaterialien und untersuchten anschließend, wie sich diese im Mauskörper verteilten und welche Nebenwirkungen sie hatten. Diese Tierstudien sind jedoch nicht nur aufwändig, langwierig und teuer, sondern auch aus ethischer Sicht problematisch. Nicht umsonst verlangt das Schweizer Tierschutzgesetz, die Anzahl der verwendeten Tierversuche auf das notwendige Minimum zu beschränken.

KI-Maus mit entscheidendem Vorteil

Die Empa-Forscherin Jimeng Wu, Doktorandin in den Abteilungen „Nanomaterials in Health“ und „Technology and Society“, hat deshalb eine virtuelle Maus entwickelt. An dieser lassen sich diese Tests mithilfe von KI viel zeitsparender durchführen. Für dieses sogenannte physiologisch basierte pharmakokinetische Modell (PBPK-Modell) hat Wu 18 experimentelle Studien an Mäusen als Grundlage genommen. Ergänzend hat sie ein statistisches Verfahren, die Bayesianische Analyse mit Markov chain Monte Carlo-Simulationen, in ihr Modell integriert.

Das Ergebnis ist eine virtuelle Maus, der man – ebenfalls virtuelle – Nanopartikel verabreichen kann. Daraufhin berechnet das Modell deren Verteilung im Mauskörper aufgrund ihrer Eigenschaften wie Größe, Beschichtung und Oberflächenladung. Gegenüber einem traditionellen PBPK-Modell, das jeweils nur für eine einzige Substanz kalibriert ist, hat Wus KI-Maus einen entscheidenden Vorteil: „Das Modell kann seine Parameter an die messbaren Eigenschaften des jeweiligen Nanopartikels anpassen“, erklärt sie. Diese Fähigkeit verdankt das Tool dem „multivariaten linearen Regressionsmodell“, einem Ansatz des maschinellen Lernens.

Beitrag zu „Safe and Sustainable by Design“

„Dieses KI-gestützte Screening-Instrument erlaubt es Forschenden, virtuell zu testen, welche Art von Nanopartikeln sich am besten für eine bestimmte Aufgabe eignen, bevor sie diese Partikel überhaupt herstellen“, führt Jimeng Wu weiter aus. Das spare nicht nur Zeit, sondern auch Kosten, weil es eine Entscheidungshilfe bietet, bevor eine kostspielige klinische Studie gestartet wird.

„Damit leistet das Modell einen Beitrag zum Konzept von „Safe and Sustainable by Design“ (SSbD), ergänzt Peter Wick. Er begleitet Jimeng Wu zusammen mit seinem Kollegen Bernd Nowack in ihrem Doktorat. Denn die virtuelle Maus erhöhe die Sicherheit neuer Materialien oder Therapien schon vor deren Entwicklung. Allerdings gibt der Empa-Forscher zu bedenken, dass der Datensatz, mit dem das Modell bis jetzt trainiert wurde, noch sehr klein ist. Bis jetzt seien nur 18 „Peer-Reviewed Papers“ auffindbar gewesen, deren Datenqualität genügte.

„In vielen Studien werden die Eigenschaften der verwendeten Nanopartikel nicht ausreichend beschrieben“, merkt er an. Es gilt nun, die virtuelle Maus mit zusätzlichen Studiendaten zu füttern und zu verifizieren, um die Zuverlässigkeit der Vorhersagen weiter zu erhöhen. „Unser Fernziel besteht darin, den Prozess der Entwicklung von nanomedizinischen Materialien bis zur Anwendung als Medikament an der Patientin oder dem Patienten zu verkürzen und dabei möglichst auf Tierversuche verzichten zu können“, betont er.

Das Modell für die menschliche Forschung nutzbar machen

Jimeng Wus zukünftige Forschungsarbeit wird sich zudem einer sogenannten „Brückenstrategie“ widmen, um das Prinzip ihres in silico-Modells auf die menschliche Forschung zu übertragen. Dafür plant sie, die Prinzipien der virtuellen Maus in ein menschliches PBPK-Modell einzubetten. Im Gegensatz zu ihrer simulierten Maus, die lediglich die Verteilung von Nanopartikeln in Leber, Nieren, Lunge und Milz berechnet, könnte ein menschliches in silico-Modell auch zur Untersuchung sensibler Zielorgane eingesetzt werden. Zum Beispiel, um zu erforschen, in welchem Ausmaß bestimmte Nanopartikel die Blut-Hirn-Schranke überwinden können.

Technology Briefing: Safe and Sustainable by Design (SSbD)

Am 25. Juni findet das Technology Briefing zu „Safe and Sustainable by Design“ (SSbD) an der Empa in Dübendorf statt. Forschende der Empa und Industriepartner geben praxisnahe Einblicke und zeigen anhand konkreter Beispiele, welche Chancen SSbD für sichere und zukunftsfähige Innovationen bietet. Die Veranstaltung wird von der Empa-Akademie organisiert und die Teilnahme ist kostenlos. Hier geht es zur Anmeldung.