Intelligente Biomarker zur Ermöglichung der Medikamentenentwicklung für Hirnerkrankungen
Dr. Heydar Amin und Dr. Kagan Kiesel vom DZNE-Standort Dresden wollen mit modernster Technologie die Medikamentenentwicklung gegen Hirnerkrankungen beschleunigen. Zu diesem Zweck generieren sie eine innovative Technologieplattform namens i3D Tags, die auf hochdichten Mikroelektroden-Arrays und 3D-Netzwerken menschlicher Neuronen basiert. In diese Umgebung werden die zu testenden Verbindungen destilliert und mithilfe künstlicher Intelligenz die Reaktion von Neuronen bestimmt. Mit dieser Plattform wollen DZNE-Wissenschaftler die Auswahl robuster Medikamentenkandidaten für klinische Studien verbessern und helfen, Sackgassen in der Entwicklungspipeline zu vermeiden. Die Validierung dieses Ansatzes wird mit 820.000 € aus dem Helmholtz-Validierungsfonds gefördert. Zusätzliche Mittel werden vom DZNE bereitgestellt, so dass das Gesamtbudget rund 1,2 Millionen Euro beträgt. Ziel der Forscher ist es, diese neue Technologie zu kommerzialisieren und für den industrieweiten Einsatz vorzubereiten.
Die Arzneimittelentwicklung ist teuer und von Rückschlägen geprägt. „In den letzten Jahren sind die meisten neuen Medikamente gegen Hirnerkrankungen in Humanstudien gescheitert. Ein Grund dafür ist die Ineffizienz von Labortests für neurodegenerative Erkrankungen – insbesondere in der frühen Phase der Medikamentenentwicklung vor Beginn klinischer Studien“, sagt Dr. Kagan Kizil . . , einem Neurowissenschaftler, der sich auf die Entwicklung experimenteller Modelle und ein neues Verständnis der Alzheimer-Krankheit konzentriert. Sein Dresdner Kollege Dr. Haider Amin stellte fest: „Die derzeitige Methodik weist einen grundlegenden Mangel auf. Das menschliche Gehirn ist zu komplex, um mit den aktuellen Methoden im Labor angemessen modelliert zu werden. Es ist zu reduzierend, um die wahre Wirkung von a Medikament in neuronalen Netzen.“ Insbesondere 2D-Zellkulturen und konventionelle Datenerfassungsmethoden erfassen nicht die komplexen elektrophysiologischen und zellulären Eigenschaften des Gehirns.“ Amin, der über umfassende Erfahrung in experimentellen Neurowissenschaften und Neurotechnologie auf mehreren Ebenen und in der Entwicklung von Computerwerkzeugen zur Erforschung der Neurodynamik verfügt, fügte hinzu: „Dies erzeugt einen entscheidenden Bedarf an Werkzeugen, die die Entwicklung neuer Medikamente besser unterstützen.“
Technologieintegration
Dresdner Forscher haben innovative Ideen, um dieses Problem anzugehen. i3D-Markers, ihre neue Technologieplattform, könnte eine kritische Frage in der Medikamentenentwicklung beantworten: „Wie wirkt sich ein bestimmter Medikamentenkandidat auf menschliche Gehirnnetzwerke aus: 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 ein medizinisches Potenzial zeigen, aufgrund von unerwünschten Wirkungen auf das menschliche Gehirn in klinischen Studien“, sagte Amin. DZNE-Wissenschaftler sind optimistisch, dass i3D-Tags einen Unterschied machen können. „Unser Ziel ist es zu verifizieren, dass unsere Technologie besser als aktuelle Methoden vorhersagen kann, ob ein experimenteller Wirkstoff die beabsichtigte Wirkung beim Menschen hat. Wir hoffen, dass dies dazu beiträgt, den Weg zu neuen Medikamenten zu beschleunigen, Blockaden in der Medikamentenentwicklung zu vermeiden und die Entwicklung zu reduzieren.“ Kosten“, sagte Kizel.
Das Konzept der Dresdner Forscher kombiniert Neuroelektronik mit einer innovativen Methode der Zellkultur. „i3D-Markers verwendet Neuronenkulturen, die auf einem Mikrochip befestigt sind. Wir züchten Neuronen auf Chips mit hoher Dichte, die auf Mikroelektroden angewiesen sind, um eine dreidimensionale Neurogenese wie im Gehirn zu bilden. Dieser Aufbau ermöglicht es uns, die elektrische Aktivität von Tausenden von Neuronen gleichzeitig zu verfolgen.“ .Präzision hoch raumzeitlich“, erklärte Amin. „Diese große Anordnung sehr kleiner Sensoren gibt uns Einblick in die Dynamik dieses hochkomplexen menschlichen neuronalen Netzes. Wir werden hochinhaltige Daten mit beispielloser Detailgenauigkeit und Einzelzellauflösung haben.“
Das zu testende Medikament wird in einer bestimmten Konzentration in die Nervenzellen eingeträufelt. „Dann beginnt es mit der Aufzeichnung elektrophysiologischer Daten, die von unseren Sensoren gesammelt werden“, sagte Kizel.
intelligente Vorhersagealgorithmen algorithm
Obwohl das Netzwerk aus mehr als hunderttausend Neuronen bestehen wird, passt diese Zellkultur inklusive Mikrochip in einen Raum, der zehnmal kleiner ist als eine 2-Euro-Münze. Die Informationen über die Neuronenaktivität werden jedoch komplex sein, da sie von Tausenden winziger Kontaktsensoren bereitgestellt werden. Daher werden Wissenschaftler für die Analyse Methoden der Künstlichen Intelligenz verwenden. Diese Algorithmen identifizieren und extrahieren Muster aus komplexen, mehrdimensionalen Daten. „Mit künstlicher Intelligenz und speziellen mathematischen Methoden wollen wir auf Basis der Aktivität des neuronalen Netzes sogenannte funktionelle Biomarker entwickeln, die uns sagen, ob das Netz gut funktioniert oder nicht und ob ein bestimmtes Medikament diesen Zustand beeinflusst. Das wird uns bei der Identifizierung vielversprechender Verbindungen helfen“, sagte Amin.
Ziel des Starts
Die DZNE-Wissenschaftler fangen nicht bei Null an: Sie haben den Proof of Concept aus früheren Studien, der belegen, dass die verschiedenen Technologien dieses Projekts tatsächlich erfolgreich kombiniert werden können. Auf dieser Grundlage zielt der nun stattfindende Validierungsprozess darauf ab, eine technologische Plattform zu entwickeln, die schließlich kommerzialisiert werden kann. Ein wissenschaftlicher Beirat sowie mehrere Doktoranden werden daran beteiligt sein. Darüber hinaus werden Industriepartner aus den Bereichen Mikrotechnik und pharmazeutische Herstellung Sachleistungen erbringen. „Wir wollen innerhalb der nächsten zwei Jahre einen voll funktionsfähigen Prototyp bauen und testen“, sagte Amin. „Wenn die Technologie für den Routineeinsatz bereit ist, werden wir zunächst externe Kunden intern betreuen. Das können Forschungseinrichtungen und Pharmaunternehmen sein. Langfristig streben wir die Gründung eines Startups an.“
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Über das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE)
(Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen)
Das DZNE ist ein Forschungszentrum, das alle Aspekte neurodegenerativer Erkrankungen (wie Alzheimer, Parkinson und Amyotrophe Lateralsklerose) behandelt, um neue Ansätze für Prävention, Behandlung und Gesundheitsversorgung zu entwickeln. Es besteht aus zehn Standorten in ganz Deutschland und kooperiert eng mit Universitäten, Universitätskliniken und anderen Forschungseinrichtungen auf nationaler und internationaler Ebene. Das DZNE wird öffentlich gefördert und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Webseite: http: // www.
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