DR. Hayder Amin und Dr. Caghan Kizil vom DZNE-Standort Dresden will die Entwicklung von Medikamenten gegen Hirnerkrankungen durch fortschrittliche Technologie beschleunigen. Dazu generieren sie eine innovative Technologieplattform namens „i3D-Markers“, die auf hochdichten Mikroelektroden-Arrays und 3-dimensionalen Netzwerken menschlicher Neuronen basiert. Auf dieses Setup werden die zu testenden Verbindungen getropft und mittels künstlicher Intelligenz die Reaktion der Neuronen bestimmt. Mit dieser Plattform wollen die DZNE-Wissenschaftler die Auswahl robuster Wirkstoffkandidaten für klinische Studien optimieren und helfen, Sackgassen in der Entwicklungspipeline zu vermeiden. Die Validierung dieses Ansatzes wird mit 820.000 Euro aus dem „Helmholtz-Validierungsfonds“ gefördert. Das DZNE stellt zusätzliche Finanzierungen bereit, wodurch sich das Gesamtbudget auf rund 1,2 Millionen Euro beläuft. Ziel der Forscher ist es, diese neue Technologie zu kommerzialisieren und industrietauglich zu machen.
Die Arzneimittelentwicklung ist teuer und von Rückschlägen geprägt. „In den letzten Jahren sind die meisten neuen Medikamente gegen Hirnerkrankungen in Studien am Menschen gescheitert. Ein Grund dafür ist die ineffiziente In-vitro-Testung neurologischer Erkrankungen – insbesondere in der frühen Phase der Medikamentenentwicklung vor Beginn klinischer Studien“, so Dr. . Caghan Kizil, ein Neurowissenschaftler, konzentrierte sich auf die Generierung experimenteller Modelle und neue Erkenntnisse über die Alzheimer-Krankheit. Sein Dresdner Kollege Dr. Hayder Amin, kommentierte: „Die bestehende Methodik ist ein grundlegender Fehler. Das menschliche Gehirn ist enorm komplex und kann mit den aktuellen Methoden im Labor nicht angemessen modelliert werden. Sie sind zu reduktionistisch, um die wahre Wirkung eines Medikaments auf neuronale Netzwerke zu verstehen Insbesondere zweidimensionale Zellkulturen und konventionelle Datenerfassungsmethoden erfassen nicht die komplizierten elektrophysiologischen und zellulären Eigenschaften des Gehirns.“ Amin, der über enormes Fachwissen in experimentellen Neurowissenschaften, Neurotechnologie und der Entwicklung von Computerwerkzeugen zur Untersuchung der neuronalen Dynamik verfügt, fügte hinzu: „Dies erzeugt einen entscheidenden Bedarf an Werkzeugen, die die Entwicklung neuer Medikamente besser unterstützen.“
Eine Fusion von Technologien
Die Dresdner Forscher haben innovative Ideen, um dieses Problem anzugehen. „i3D-Markers“, ihre neue Technologieplattform, könnte eine kritische Frage in der Medikamentenentwicklung beantworten: „Wie würde ein bestimmter Medikamentenkandidat menschliche Gehirnnetzwerke beeinflussen: gut oder schlecht?“. Die Erfahrung zeigt, dass diese Frage vor klinischen Studien am Menschen schwer zu beantworten ist. „Tatsächlich scheitern viele Medikamentenkandidaten, die in Labor- oder Tierstudien medizinisches Potenzial zeigen, in klinischen Studien an unerwünschten Wirkungen auf das menschliche Gehirn“, sagte Amin. Die Wissenschaftler des DZNE sind optimistisch, dass i3D-Marker etwas bewirken können. „Unser Ziel ist es zu validieren, dass unsere Technologie besser als aktuelle Methoden vorhersagen kann, ob ein experimenteller Wirkstoff die beabsichtigte Wirkung beim Menschen hat. Hoffentlich wird dies dazu beitragen, den Weg zu neuen Medikamenten zu beschleunigen und Sackgassen in der Medikamentenentwicklung zu vermeiden. Prävention und Entwicklungskosten.“ “, sagte Kizil.
Das Konzept der Dresdner Forscher kombiniert Neuroelektronik mit einem innovativen Zellkulturverfahren. „i3D-Markers verwendet neuronale Kulturen, die auf einem Mikrochip befestigt sind. Wir züchten Neuronen auf hochdichten Mikroelektroden-basierten Chips, um eine neuronale 3D-Konfiguration wie im Gehirn zu bilden. Dieser Aufbau ermöglicht es uns, die elektrische Aktivität von Tausenden von Neuronen gleichzeitig mit hohe raumzeitliche Auflösung“, erklärte Amin. „Diese große Anordnung winzig kleiner Sensoren gibt uns Einblick in die Dynamik dieses hochkomplexen menschlichen neuronalen Netzwerks. Wir werden qualitativ hochwertige Daten in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit und Einzelzellauflösung erhalten.“
Ein zu testendes Medikament wird in einer bestimmten Konzentration auf die Neuronen getropft. „Dann beginnen Sie mit der Aufzeichnung elektrophysiologischer Daten, die von unseren Sensoren gesammelt werden“, sagte Kizil.
Intelligente Vorhersagealgorithmen
Obwohl das Netzwerk mehr als hunderttausend Neuronen umfassen wird, würde diese Zellkultur einschließlich des Mikrochips in eine Fläche passen, die zehnmal kleiner ist als eine 2-Cent-Münze. Die Informationen über die neuronale Aktivität werden jedoch komplex sein, da sie von Tausenden von Mikrokontaktsensoren dargestellt werden. Zur Analyse werden die Wissenschaftler also Methoden der Künstlichen Intelligenz einsetzen. Solche Algorithmen identifizieren und extrahieren Muster aus komplexen mehrdimensionalen Daten. „Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz und speziellen mathematischen Ansätzen wollen wir auf Basis der neuronalen Netzwerkaktivität sogenannte funktionelle Biomarker entwickeln. Diese Biomarker werden uns sagen, ob es dem Netzwerk gut geht oder nicht und ob ein bestimmtes Medikament diesen Zustand beeinflusst helfen uns, vielversprechende Verbindungen zu identifizieren“, sagte Amin.
Streben nach einem Start-up
Die DZNE-Wissenschaftler fangen nicht bei Null an: Sie haben einen Proof-of-Concept aus früheren Studien, der zeigt, dass die verschiedenen in diesem Projekt enthaltenen Technologien tatsächlich erfolgreich zusammengeführt werden können. Darauf aufbauend zielt der nun laufende Validierungsprozess darauf ab, eine Technologieplattform zu entwickeln, die schließlich kommerzialisiert werden kann. Dabei werden ein wissenschaftlicher Beirat sowie eine Reihe von Doktoranden beteiligt sein. Darüber hinaus werden Industriepartner aus der Mikrotechnologie und der Arzneimittelherstellung Sachleistungen erbringen. „Unser Ziel ist es, innerhalb der nächsten zwei Jahre einen voll funktionsfähigen Prototypen zu bauen und zu testen“, sagte Amin. „Wenn die Technologie für den Routineeinsatz bereit ist, würden wir zunächst externe Kunden intern betreuen. Das können Forschungseinrichtungen und Pharmaunternehmen sein. Langfristig wollen wir ein Start-up-Unternehmen gründen.“
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Über das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen, DZNE
(Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen)
Das DZNE ist ein Forschungszentrum, das sich mit allen Aspekten neurodegenerativer Erkrankungen (wie Morbus Alzheimer, Parkinson und Amyotrophe Lateralsklerose) beschäftigt, um neue Ansätze für Prävention, Behandlung und Gesundheitsversorgung zu entwickeln. Es besteht aus zehn Standorten in ganz Deutschland und arbeitet eng mit Universitäten, Lehrkrankenhäusern und anderen Forschungseinrichtungen auf nationaler und internationaler Ebene zusammen. Das DZNE wird öffentlich gefördert und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Webseite: http://www.
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