Etablierung räumlich-zeitlicher multiskalen und multispezies Gewebsmodelle der Leber durch Analyse experimenteller Bilddaten für die Systemmedizin

• Antragsteller: Dr. Stefan Höhme
• Fachliche Zuordnung: Gastroenterologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268668078

Das beantragte Projekt versteht sich als Teil des Versuchs, die integrierte physiologische Funktion des menschlichen Körpers in Bezug auf seine Struktur und der Funktion von Geweben, Zellen und Proteinen zu verstehen. Dabei werden zwei Hauptziele verfolgt: (1) Automatisierung und Standardisierung der Erstellung einzelzellbasierter räumlich-zeitlicher Multiskalenmodelle von Geweben direkt aus experimentellen Bilddaten (2) Anwendung dieser Gewebsmodelle um zu beleuchten, welche Mechanismen der Regeneration der Leber nach teilweiser Leberentfernung in verschiedenen Spezies zugrunde liegen mit dem Ziel, Leberversagen im Menschen besser zu verstehen Die manuelle Konstruktion von prädiktiven Modellen, in denen Struktur und Dynamik von Geweben direkt aus experimentellen Daten extrahiert werden, ist immer noch sehr schwierig. Deshalb hat die automatisierte Erzeugung von Gewebsmodellen das Potential diese Modelle einer ganz neuen Gruppe von Anwendern in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu erschließen. Die zukünftige breite Anwendung von Gewebsmodellen in der Wissenschaft und insbesondere für die Therapie von Patienten wird nur dann möglich sein, wenn diese Modelle weitgehend automatisch erzeugt werden können. Auf diesem Weg wird auch die Standardisierung von Modellen, beispielsweise durch umfassende Modellbeschreibungssprachen, eine große Rolle spielen. Nur durch eindeutige Modellbeschreibungen und damit der Gewährleistung der Reproduzierbarkeit der Modelle wird deren fortwährende Verbesserung auf der Basis von Vorarbeiten gelingen können. Die räumlich-zeitlichen Modelle, welche in diesem Vorhaben etabliert werden sollen, setzen diesen Ansatz beispielhaft um. Überdies werden die entwickelten Konzepte und Techniken auch in anderen Bereichen der Systembiologie und Systemmedizin vielfältig anwendbar sein. Wir werden die entwickelten Modelle der Leberregenration nach partieller Hepatektomie verwenden um die Frage zu untersuchen, wieso es bei manchen Patienten trotz der faszinierenden Fähigkeit der Leber zur Regeneration nach ihrer teilweisen Entfernung zu häufig tödlichem Leberversagen kommt. Ein Verständnis der Prozesse die zu diesem Leberversagen führen, ist von großer klinischer Bedeutung um zum Beispiel Lebertransplantationen oder die Behandlung von Leberkrebs zu verbessern. Dies kann für individuelle Patienten beispielsweise durch eine bessere Beurteilung des Risikos einer Leberresektionsoperation durch entsprechende Modellsimulationen erreicht werden. Die entwickelten Modelle werden die Gen- , Molekül-, Zell- und Organskala umfassen und damit Gewebsstrukturen und -dynamiken in gesunder und vorgeschädigter Leber auf allen relevanten Skalen repräsentieren können. Zudem werden wir eine neuartige Behandlungsmethode auf der Basis mesenchymaler Stammzellen studieren und modellieren, die - wie vorläufige Ergebnisse hoffen lassen - das Potential haben wird, ein deutlicher Fortschritt bei der Patientenversorgung zu sein.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen