Forscher erkunden Funktion der DNA auf der Suche nach Alzheimer-Heilmittel

Jedes Jahr erkranken in Deutschland 300.000 Menschen an Demenz. Die Diagnosestellung dauert jedoch im Durchschnitt etwa 14 Monate, bei Menschen unter 65 Jahren sogar 4 Jahre. (Noch) können Patienten nicht mit Heilung rechnen, es gibt nur Medikamente, die die Symptome verlangsamen. Auf dem Brightlands Health Campus in Maastricht wird nach Wegen gesucht, die Diagnose zu beschleunigen und mehr Einblick in den Krankheitsverlauf zu erhalten. Das ultimative Ziel: ein Medikament zu finden und den Weg der Forschung auf andere Krankheiten zu übertragen.

Aber was ist dafür nötig? Jos Kleinjans ist Toxikologe an der Maastricht University und eng mit der Brightlands E-Infrastruktur für Neurohealth (BReIN) verbunden, da das Institut den Verlauf der Alzheimer-Krankheit untersuchen soll. „Wir wissen, dass etwa zehn Prozent der Patienten eine erbliche Form haben. Hier ist ein Gen für die Krankheit verantwortlich. Aber was ist mit den anderen 90 Prozent? Wissenschaftler glauben, dass Schwermetalle, bestimmte Pestizide und Fette die Entwicklung von Alzheimer beeinflussen. Wir suchen nach Informationen in molekularen Prozessen, die die Krankheit beeinflussen. Mit diesen Informationen können wir versuchen, bessere Medikamente zu entwickeln”, sagt Kleinjans.

[learn_more caption=”Lees hier meer over BReIN”]Für das Projekt mit einer Laufzeit von 7 Jahren sind mehr als 30 Millionen Euro vorgesehen. Davon stammen 10 Millionen aus der Provinz Limburg, 10 Millionen von der Universität und dem Akademischen Krankenhaus. Die restlichen 10 Millionen Euro kommen aus regulären Forschungsmitteln, zum Beispiel von der Europäischen Union. Neben dem Aufbau einer guten Dateninfrastruktur und einem besseren Verständnis von Alzheimer durch Forschung, sollen mindestens fünf Spin-Offs aus BReIN hervorgehen. Kleinjans: „Es ist möglich, dass die Forschung zeigt, dass Schwermetalle, die Menschen aufnehmen, den Verlauf von Alzheimer beeinflussen. Dann kann es für Unternehmen auf dem Campus in Venlo, wo sie an gesunder Nahrung arbeiten, interessant sein, Lebensmittel zu genauer zu betrachten, die den Körper von Metallen reinigen. Es gibt bestimmte Arten von Kohle, die Metall aus dem Boden filtern, derselbe Prozess kann sich auch im Körper abspielen. Oder wir finden einen neuen Weg der Diagnostik, der auch kommerziell interessant sein kann. “[/ Learn_more]

Bündelung von Forschungsdaten

Um diese Informationen zu erhalten, haben Forscher des BReIN-Instituts zunächst eine gute Dateninfrastruktur aufgebaut. Bestehende Plattformen sind in dieser Infrastruktur miteinander verbunden. Zum Beispiel die Daten von Scannexus, die Hirnforschung mit MRI durchführen, und Daten von M4I, einem Forschungsinstitut der Universität Maastricht, an dem Forscher zelluläre Prozesse auf molekularer Ebene untersuchen. „Darüber hinaus errichten wir eine neue Plattform für Genomdaten mit Daten zu Struktur und Funktion der DNA”, sagt Kleinjans. Durch die Kombination dieser verschiedenen Daten erhoffen sich die Forscher einen besseren Einblick in die Entwicklung der Alzheimer-Krankheit im Gehirn. Kleinjans: „Dazu verwenden wir Gehirnproben verstorbener Patienten, Blutproben in verschiedenen Krankheitsstadien und kultivierte Stammzellmodelle mit den gleichen Eigenschaften wie bei Alzheimer-Patienten. Dafür arbeiten wir mit MERLN, einem Forschungsinstitut für Regenerative Medizin, hier an der Universität zusammen. Alle diese Quellen liefern eine Vielzahl von Informationen aus verschiedenen Bereichen. Für diese Forschung ist es wichtig, dass wir außerhalb dieser Mauern arbeiten und Forscher mit Klinikern ins Gespräch kommen, da Informationen über den Lebensstil von Patienten auch wichtig sein können. Diese Bündelung von Daten ist wichtig, damit man sich ein vollständigeres Bild machen kann.”

Alles in allem kommen da eine unglaubliche Menge an Forschungsdaten zusammen, und um daraus etwas Nützliches ableiten zu können, ist viel Rechenleistung erforderlich. Kleinjans: „Diese Rechenkraft steht in den Niederlanden nicht zur Verfügung. Dafür haben wir eine direkte Verbindung zu einem der beiden Supercomputer in Jülich in Deutschland. Diese Systeme stehen auf der Liste der 500 leistungsfähigsten Computer der Welt auf den Positionen 26 und 44. Wir möchten die Daten und den Datenverkehr selbst verwalten, wir werden dies nicht in einer Google-Cloud belassen, in Gott weiß was damit passieren kann. Wir haben in enger Zusammenarbeit mit dem Brightlands Smart Services Campus in Heerlen eigene Server und IT-Systeme eingerichtet. Sie helfen uns auch beim Aufbau von Backup-Systemen, zum Beispiel für den Fall, dass hier in Maastricht einb Blitz einachlägt.“

Große Dateien

Um einen Eindruck zu vermitteln, wie groß diese Dateien sind: Scannexus erfasst pro Tag etwa 1 TB MRI-Daten, und bei den genomischen Daten geht es auch nicht um kleine Dateien. Man kann ein Genom mit einem großen Handbuch vergleichen, in dem beschrieben wird, wie Gene aufgebaut sind. Dieses Handbuch ist jedoch nicht sofort lesbar, da alle funktionellen Gene auch viele unklare Informationen enthalten, die nicht verwendet werden können. All das muss zuerst in die richtige Reihenfolge gebracht werden. Eine lästige Pflicht, wenn man weiß, dass das menschliche Genom etwa 3 Milliarden Zeichen lang ist. Das ist gut 1 Million A4-Seiten. Ein einzelner Sequenzierungslauf (Entschlüsselung des Codes) hat schnell mal 350 GB Daten.

„Wenn man das alles manuell entschlüsseln muss, verzweifelt man, das ist unmöglich. Dafür braucht man viel Rechenleistung, das Sequenzieren ist eine Sache. Man muss diese Serien nämlich sozusagen wieder zusammensetzen, um sie zu einem Ganzen zu machen und die Funktionen von Genen zu bestimmen. Wir verfügen nicht über ausreichend Rechenleistung, um diese Daten mit den vorhandenen Plattformen zu kombinieren, die auch sehr große Dateien verwenden. Wir werden sie also aus Deutschland holen”, sagt Kleinjans. Verschiedene Unternehmen auf dem Campus in Heerlen suchen auch nach Möglichkeiten, diese Rechenleistung optimal zu nutzen. Kleinjans erklärt: „Natürlich kann man einer Person nicht zwanzig Jahre lang Schwermetalle zuführen und dann den Schädel aufspalten, um zu sehen, ob das die Alzheimer-Krankheit verursacht hat. Aber dank all der Daten, die wir bald zusammenführen werden, ist das nicht notwendig. Wir werden gemeinsam mit Unternehmen auf dem Campus Modelle entwickeln, die beispielsweise etwas über den Einfluss von Aluminium auf das Gehirn in Bezug auf Alzheimer aussagen. Die Unternehmen dort haben Möglichkeiten, Antworten aus Daten zu erhalten. Man könnte es auch AI nennen.”

Den Kurs vertiefen

Kleinjans hat mit dem Aufkommen von Genomdaten, fortschrittlichen Analysemethoden und mehr Rechenleistung einige Veränderungen auf seinem Fachgebiet erlebt. „Der Kurs wurde buchstäblich vertieft, weil wir tiefer in die Zellen hineinschauen können”, sagt Kleinjans. Aber woher weiß man, ob ein solches maschinelles Lernmodell korrekt ist? Kleinjans: „Hier geht es um Black Boxes, bei denen Wissenschaftler nicht mehr verfolgen können, was ein System denkt. Das ist nichgt schlimm, solange sie wissen, dass das Ergebnis zuverlässig ist. Daher müssen experimentelle Modelle immer in der Praxis getestet werden, beispielsweise mit einer Kontrolldatenbank, deren Ergebnis bekannt ist.”

Der Professor in Maastricht erkennt zwar die Vorteile einer besseren Technologie, trotzdem sollten wir nicht glauben, dass sie alle Probleme lösen wird: “Wir sollten nicht naiv sein und alles versuchen, weil es möglich ist”, nennt Kleinjans den Fall eines chinesischen Wissenschaftlers als beispiel, der einen Embryo durch Genverarbeitung verändert hat. „Angenommen, wir finden heraus, welcher molekulare Prozess Alzheimer beeinflusst und können dies über die Genverarbeitung anpassen. Woher weiß man mit Sicherheit, dass diese Intervention nur diesen Bereich betrifft? Das ist sehr schwer festzustellen. Das wird in den kommenden Jahren zweifellos Gegenstand der Debatte bleiben, weil es technisch möglich ist.”

Zukunft

Nach dem Aufbau der Dateninfrastruktur soll BReIn prüfen, wie diese Infrastruktur auch kommerziell genutzt werden kann. „Für Züchter, die ihr Gemüse verbessern möchten, sind DNA-Informationen sehr nützlich. Wir könnten dies als Dienstleistung anbieten. Alle Analysemethoden, die aus der Forschung stammen, können auch kommerziell interessant sein”, sagt Kleinjans. Mit der Etablierung der genomischen Datenplattform werden die Forscher auch die umfassendere DNA-Analyse stärker nutzen. Kleinjans: „Hier arbeiten wir bereits mit den Universitäten von Lüttich und Luxemburg zusammen. Wir wollen für die Zukunft gerüstet sein, weil das enorme Möglichkeiten mit sich bringt. Es wäre natürlich fantastisch, wenn wir in den genomischen Daten Informationen finden würden, die es ermöglichen, Alzheimer mit einem einfachen Bluttest zu diagnostizieren. Das wird aber eine Weile dauern. Wir wollen zuerst besser verstehen, welche Umweltfaktoren Alzheimer beeinflussen, und dann nach einer besseren Medizin suchen. Wir hoffen auch, genomische Informationen zu finden, die die Diagnose vereinfachen. Wenn sich diese Forschungsmethode als erfolgreich erweist, können wir dies auf andere Krankheiten übertragen. Krebs zum Beispiel. Das kann das Gesundheitswesen erheblich verändern.”