Mathematisches Modell identifiziert Unterschiede zwischen einzelnen Zellen

Computational Biology

Moderne Methoden erlauben heutzutage detaillierte Analysen einzelner Zellen. Dabei zeigt sich immer öfter: Augenscheinlich gleiche Zellen können sehr unterschiedlich auf denselben Reiz reagieren. Ein Team des Helmholtz Zentrums München, der Technischen Universität München (TUM) und der Uniklinik Köln hat nun in ‚Cell Systems‘ ein mathematisches Modell vorgestellt, das solche Unterschiede analysiert und deren Ursache identifiziert.

„Einzelzelldaten haben in den letzten Jahren unser Verständnis vieler biologischer Prozesse revolutioniert“, erklärt Dr. Jan Hasenauer, Leiter der Nachwuchsgruppe Data-driven Computational Modelling am Helmholtz Zentrum München und Junior Fellow an der TUM. „Allerdings erleben wir in unseren Analysen, dass die Zellen ähnlich wie wir Menschen sehr individuell auf ihre Umwelt reagieren.“

Um die Ursache dafür zu ergründen, haben er und sein Team einen neuen mathematischen Analyseansatz entwickelt. Jan Hasenauer beschreibt den Grundgedanken so: „Galileo Galilei sagte einst: Messe, was messbar ist, und mache messbar, was nicht gemessen werden kann. In diesem Sinne verwenden wir Mathematik um Informationen über biologische Systeme zu erhalten, die bisher kaum experimentell zugänglich sind.“

„Anders als aktuelle Methoden, die sich meist lediglich auf einen einzigen Datensatz stützen, nutzen wir bei unserem Ansatz existierendes Vorwissen über zelluläre Signalwege und kombinieren dies mit flexiblen statistischen Modellen sowie mit einer Vielzahl von Messdaten“, erklärt Carolin Loos, die gemeinsam mit Katharina Möller Erstautorin der aktuellen Arbeit ist.

Praxistest mit schmerzsensiblen Nervenzellen

Um die Methode zu testen, untersuchten Forscher um Prof. Dr. Tim Hucho von der Uniklinik Köln sogenannte nozizeptive Neurone, also Nervenzellen, die schmerzhafte Reize wahrnehmen. Konkret studierten sie, ob sich die schmerzsensitivierende Wirkung des Botenstoffs NGF (nerve growth factor) durch Unterschiede der Zellumgebung, der sogenannten Matrix, verändert.*

„Denn NGF aktiviert nur einen Teil der Nervenzellen“, erklärt Tim Hucho. „Beobachtet man eine verstärkte Reaktion von Zellen auf NGF, so könnte dies einerseits daran liegen, dass mehr NGF-responsive Zellen an der Matrix anhaften. Andererseits könnten jedoch auch einfach die Signalübertragung in einzelnen Zellen verstärkt worden sein.“ Berechnungen mit dem mathematischen Modell aus München hatten ergeben, dass die Matrix die Signalstärke des Botenstoffs NGF in einzelnen Zellen verstärkt. Diesen Mechanismus konnten die Kölner Wissenschaftler tatsächlich im Labor bestätigen.

Künftig, so hoffen die Autoren, könnten die Ergebnisse dazu beitragen, die Rolle von Gewebeveränderungen bei unterschiedlichsten schmerzhaften Erkrankungen besser zu verstehen. „Darüber hinaus möchten wir versuchen, weitere schwer zugängliche zelluläre Mechanismen messbar zu machen“, so Studienleiter Hasenauer. „Vielleicht könnten so neue schmerzlindernde Ansätze entdeckt werden.“ Zudem planen er und sein Team die Anwendung der Methode auf komplexe Einzelzelldatensätze im Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten.

Weitere Informationen

* Bei den unterschiedlichen Umgebungen handelte es sich um die extrazelluläre Matrix, die entweder aus Kollagen I oder aus Poly-D-Lysin (PDL) bestand.

Original-Publikation:
Loos, C. et al. (2018): A hierarchical, data-driven approach to modeling single-cell populations predicts latent causes of cell-to-cell variability. Cell Systems, DOI: 10.1016/j.cels.2018.04.008

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören.

Das Institut für Computational Biology (ICB) führt datenbasierte Analysen biologischer Systeme durch. Durch die Entwicklung und Anwendung bioinformatischer Methoden werden Modelle zur Beschreibung molekularer Prozesse in biologischen Systemen erarbeitet. Ziel ist es, innovative Konzepte bereitzustellen, um das Verständnis und die Behandlung von Volkskrankheiten zu verbessern.

Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 500 Professorinnen und Professoren, rund 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 40.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands. http://www.tum.de