Berlin-Brandenburger Forschungsplattform BB3R

Computer-basierte Methoden: Simulation komplexer biologischer Anpassungsprozesse / In-silico-Wirkstoffanalyse und Toxikologie Vorhersagen

Developing blood vessels

Developing blood vessels
Bildquelle: V. Djonov

Am Institut für Physiologie der Charité sind in der AG Preissner bioinformatische Methoden (z.B. logistische Regression, maschinelles Lernen, zelluläre Fingerprints) etabliert, die eine Analyse des toxischen Potentials neuer Substanzen ermöglichen. Darüber hinaus sind die Arbeitsgruppen auf dem Gebiet der Simulation biologischer Systeme durch grundlegende Arbeiten zur vaskulären Regulation (A. Pries) sowie durch die Forschung zu Expertensystemen (R. Preissner) ausgewiesen. Im Juli 2016 wurde das Teilprojekt von der AG Volkamer mit Fokus auf in silico Toxikologie Vorhersagen verstärkt.

Eine Basis für die Weiterentwicklung von in silico Methoden bilden die mittels automatisiertem Textmining geschaffenen umfangreichen Datenbanken zum Medikamenten-Stoffwechsel (SuperCYP), zur Toxizität in vivo und in vitro (SuperToxic) bzw. zu Wirkstoff-Zielmolekül Interaktionen (SuperTarget). Die ursprüngliche Grundannahme der Pharmakologie "ein Wirkstoff – ein Zielmolekül" ist überholt. Für die Vernetzung von Stoffwechsel- und Toxizitätsdatenbanken und zur Analyse, Darstellung und Vorhersage komplexer multi-pharmakologischer Beziehungen steht das Programm ´Promiscuous´ zur Verfügung, welches in der AG Preissner entwickelt wurde. Zudem eröffnet die Einrichtung von BB3R einen Zugang zu Daten/Referenzsubstanzen des National Cancer Institute der USA. Die damit sehr breite Datenbasis soll für eine Steigerung der Prädiktivität der bioinformatischen Analyse von pharmakologischen und toxikologischen Effekten genutzt werden (R. Preissner). Die AG Volkamer verstärkt mit der Entwicklung neuer struktur-basierten Methoden die Vision, die Toxikologie in eine prädiktive Wissenschaft zu transformieren und somit Tierversuche zu verringern. Der Fokus liegt hierbei besonders in der computergestützten Vorhersage von Off-Target-Effekten, sowie der Identifizierung bisher unbekannter ‚Toxicophore‘ und toxischer Targets (Targets, die mit Nebenwirkungen assoziiert sind) unter Einbeziehung der Ligand- als auch der Proteinstrukturen.

Zum Verständnis von mittel- und langfristigen Medikamentenwirkungen sind neue, sogenannte Multi-Skalen-Simulationstechniken erforderlich, die es erlauben,Tierversuche gezielter einzusetzen werden. Diesem Ziel entsprechend soll erstmals -exemplarisch für ein Organsystem - die kontinuierliche Adaptation von Blutgefäßen an ihre hämodynamische und metabolische Umgebung mathematisch modelliert werden, um zukünftig eine Analyse bzw. Vorhersage komplexer biologischer Anpassungsphänomene (wie z.B. [Anti-]Angiogenese) treffen zu können. Das gewählte Beispiel, die Funktion der Blutgefäße, ist von besonderer Relevanz für die Aufnahme, Wirkung und Verträglichkeit zahlreicher Pharmaka aber auch von Giften. Auch für die Entwicklung artifizieller Organsysteme ist das Verständniss der vaskulären Adaptation zentral. Die Modellierung ergänzt zusätzlich die Aussagefähigkeit von In-vitro-Daten, die stets unter Reduktion von Randparametern erhoben werden. Das Forschungsvorhaben (A. Pries) steht in enger Beziehung zum ´Virtual Physiological Human´ der EU (http://www.vph-noe.eu/).

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