Faszination Technik Virtuelle Maus als Alternative zu Tierversuchen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Wie eine virtuelle KI-Maus für weniger Tierversuche sorgen soll. 

Künstliche Intelligenz (KI) kann Leben retten – zumindest Mäuseleben. Empa-Forschende haben ein KI-gestütztes Computermodell einer Labormaus entwickelt, das mithilfe von maschinellem Lernen voraussagen kann, wie sich verschiedene Nanomaterialien im Organismus der Maus verteilen. Entwickelt nach dem Safe-and-Sustainable-by-Design-Prinzip kann das Modell künftig nicht nur als Entscheidungshilfe bei der Medikamentenentwicklung dienen, sondern auch die Anzahl an Tierversuchen reduzieren. 

Nanotechnologie liefert Wirkstoffe gezielt aus

Wenn es ein Tumor geschafft hat, sich im Gehirn eines Lebewesens einzunisten, hat er es – aus Sicht des Tumors – besonders geschickt gemacht. Er hat sich nämlich hinter einer der mächtigsten Barrieren versteckt, mit denen der Körper seine wichtigsten Organe schützt: der Blut-Hirn-Schranke, einem sehr selektiven Filter, der nur ausgewählte Stoffe passieren lässt. Die meisten Medikamente gehören nicht dazu. Für die Medizin ist es deshalb eine große Herausforderung, eine wirksame Chemotherapie gegen Hirntumore zu finden.
In den letzten Jahren hat die medizinische Forschung eine vielversprechende Unterstützerin gefunden: die Nanotechnologie. Materialien im Nanobereich können, bildlich gesprochen, die Rolle von Postboten übernehmen, die Wirkstoffe an die gewünschte Adresse ausliefern. Da Nanopartikel unvorstellbar klein sind – ungefähr 500-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars – schaffen es einige, die Schutzbarrieren des Körpers zu passieren, ohne diese zu verletzen. Um beim Beispiel des Hirntumors zu bleiben: Nanopartikel könnten also chemotherapeutische Wirkstoffe über die Blut-Hirn-Schranke ins Gehirn transportieren, wo diese dann den Hirntumor bekämpfen können.

Virtuelle Maus erhält virtuelle Nanopartikel

Allerdings müssen die Nanopartikel je nach Aufgabe, die sie erfüllen sollen, ganz bestimmte Eigenschaften aufweisen: Je nach Form, Materialzusammensetzung und Größe verteilen sie sich unterschiedlich im Körper und reichern sich in anderen Organen an. Es gilt deshalb, herauszufinden, welche Partikel ihre Aufgabe bestmöglich ausführen und dabei möglichst keinen Schaden anrichten. Bisher haben Forschende Tiermodelle, meist Mäuse, verwendet, um diesen Fragen nachzugehen: Sie verabreichten Mäusen verschiedene Nanomaterialien und untersuchten anschließend, wie sich diese im Mäusekörper verteilten und welche Nebenwirkungen sie hatten. Diese Tierstudien sind jedoch nicht nur aufwändig, langwierig und teuer, sondern auch aus ethischer Sicht problematisch. 
Die Empa-Forscherin Jimeng Wu, Doktorandin in den Abteilungen Nanomaterials in Health und Technology and Society, hat deshalb eine virtuelle Maus entwickelt, an der sich diese Tests mithilfe von KI viel zeitsparender durchführen lassen. Für dieses sogenannte physiologisch basierte pharmakokinetische Modell (PBPK-Modell) hat Wu 18 Mausstudien als Grundlage genommen, also Daten von Versuchen verschiedener Forschungsteams an echten Mäusen. Ergänzend hat sie ein statistisches Verfahren, die Bayesianische Analyse mit Markov-chain-Monte-Carlo-Simulationen, in ihr Modell integriert. Das Ergebnis ist eine virtuelle Maus, der man – ebenfalls virtuelle – Nanopartikel verabreichen kann.

KI-Maus passt sich an 

Daraufhin berechnet das Modell deren Verteilung im Mäusekörper aufgrund ihrer Eigenschaften wie Größe, Beschichtung und Oberflächenladung. Gegenüber einem traditionellen PBPK-Modell, das jeweils nur für eine einzige Substanz kalibriert ist, hat Wus KI-Maus einen entscheidenden Vorteil: „Das Modell kann seine Parameter an die messbaren Eigenschaften des jeweiligen Nanopartikels anpassen“, erklärt Jimeng Wu. Diese Fähigkeit verdankt das Tool dem multivariaten linearen Regressionsmodell, einem Ansatz des maschinellen Lernens.

Dieses KI-gestützte Screening-Instrument erlaubt es Forschenden, virtuell zu testen, welche Art von Nanopartikeln sich am besten für eine bestimmte Aufgabe eignen, bevor sie diese Partikel überhaupt herstellen. Das spart Zeit und Kosten, weil es eine Entscheidungshilfe bietet, bevor eine kostspielige klinische Studie gestartet wird.

Safe and Sustainable by Design

Warum sich sichere und nachhaltige Innovationen auszahlen