Berlin - Ein Forschungsgebiet gewinnt zunehmend an Bedeutung: die Systembiologie. Sie ist der Versuch, das Leben zu berechnen und seine Entwicklung mithilfe mathematischer Formeln fortzuschreiben. Nikolaus Rajewsky, Leiter des Berliner Instituts für medizinische Systembiologie, definiert sie so: „Das Vermessen und Berechnen des Lebens an einem bestimmten Moment und um diesen Moment herum: Exakt das ist Systembiologie.“

Die raschen Erfolge dieses Bereichs verdanken sich mehreren Trends: Computer werden immer leistungsstärker. Programmiertechniken wie die Künstliche Intelligenz (KI) werden ausgefeilter. Die moderne Biologie gewinnt in faszinierendem Tempo neue Erkenntnisse. Und auch beim Sammeln von Daten aus dem menschlichen Körper und der Psyche gibt es atemberaubende Fortschritte.

Bisher verfolgten Biologie und Medizin eher „reduktionistische Ansätze“, sagt Ernst Hafen, ehemaliger Präsident der ETH Zürich und Genetiker am dortigen Institut für molekulare Systembiologie. Die Medizin sei deshalb zu sehr auf einzelne Beschwerden und Symptome fixiert. Dabei habe das „überhaupt nichts mit Biologie zu tun“. Dank des technischen Fortschritts werde die herkömmliche Biologie ihren krankheitsfixierten Weg hinter sich lassen und sich zwangsläufig zur modernen Systembiologie weiterentwickeln, glauben ihre Protagonisten.

Künftig werden wir digitale Zwillinge haben

Schon heute funktioniert das recht gut, allerdings nur auf der Ebene der Zelle und „bei der Beschreibung des Ist-Zustands“, sagt Hafen. In Zukunft werde man die Beziehungen der zahllosen bestimmenden Bestandteile eines Lebens zueinander „und über die Zeit hinweg“ aber viel besser messen und verstehen. Deshalb sehe schon in zehn Jahren „die Welt ganz anders aus – und vor allem auch die Medizin“. Nicht nur wegen der neuen technischen Möglichkeiten, sich selbst via Gesundheits-App und Fitnesstracker mit relevantem Wissen zu versorgen. Sie läuten das Ende der paternalistischen Medizin, der „Halbgötter in Weiß“ ein. Doch nicht nur das.

„Die neue Technik wird uns die Persönlichkeit in der Medizin zurückschenken“, sagt Systembiologe Hafen, „der Arzt wird wieder den Patienten anschauen und nicht mehr den Computer.“ Für den technischen Teil dieser Gesundheitsbegleitung wird die Systembiologie sorgen, die Ärzte können sich endlich wieder dem Menschen zuwenden. Das wäre die vielfach geforderte Rückkehr zur sprechenden Medizin.

Ernst Hafen kann sich beispielsweise Algorithmen vorstellen, die wir mit unseren Daten speisen, und die uns eines Tages in Form von Gesundheits-Navigatoren oder als sogenannte digitale Zwillinge bei einfachen Gesundheitsentscheidungen unterstützen: „Ein digitaler Zwilling ist etwas, mit dem ich wirklich simulieren kann, was passieren wird. Wie sich zum Beispiel mein Körper verändert, wenn ich die Magnesiumkonzentration in eine bestimmte Richtung verändere. Ist das dann gut, oder ist es schlecht für mich?“

Gerade erst hat der Mathematiker und Systemmediziner Reinhard Laubenbacher von der University of Florida, USA, mit Kollegen in einem Perspektiv-Artikel für das Fachblatt Science vorgeschlagen, solche digitalen Zwillinge in Zukunft auch im Kampf gegen Virus-Infektionen wie Covid-19 einzusetzen. Man müsse dazu so viele individuelle Daten wie möglich aus dem Körper der Patienten sammeln, damit Computer füttern und verschiedene Modelle über den Krankheitsverlauf durchrechnen. Mithilfe der digitalen Zwillinge ließen sich dann mögliche Zukunftsszenarien in Echtzeit und vollständig individualisiert entwerfen. 

Bis unsere digitalen Ebenbilder allerdings komplexere systemische Zusammenhänge der Gesundheit simulieren werden, muss die Grundlagenforschung erst noch viele neue Erkenntnisse sammeln. Der Berliner Nikolaus Rajewsky versucht deshalb mit den Mitarbeitern seines neuen, im Jahr 2019 eröffneten Instituts das Leben auf der kleinsten Ebene zu ergründen. Die Berliner betreiben sogenannte Einzelzellbiologie. Sie erforschen isolierte Körperzellen, lesen deren DNA-Code, erfassen die Genaktivität, die Proteine, die die Zellen gerade erzeugen, und sie analysieren, wie sich all das durch Einflüsse von außen mit der Zeit verändert.

In Mini-Organen wird das Leben simuliert

Außerdem versuchen Rajewsky und Co. mithilfe von Algorithmen, aber auch durch das Züchten künstlicher Mini-Organe, sogenannter Organoide, das Leben schon heute ein Stück weit aus den Zellen heraus neu zusammenzusetzen. Denn erst wenn die Systembiologie die Beziehungen zwischen Zellen und Organen sowie die Prozesse in den Zellen grundsätzlich verstanden habe, könne sie digitale Zwillinge so programmieren, dass diese sinnvolle Prognosen lieferten, sagt Rajewsky. Eines seiner wichtigsten Werkzeuge sei die Künstliche Intelligenz und dabei vor allem eine Rechenmethode, die Deep Learning genannt wird. Ohne moderne und immer schneller arbeitende Rechenzentren komme die Systembiologie nicht voran. Die Zeiten, in denen es genügte, das Leben mit vergleichsweise einfachen Differenzialgleichungen auszurechnen, seien weitgehend vorbei: „Wir sind gerade dabei, die Gesetze hinter dem Differenzial zu verstehen.“

Jorge Miguel Faustino Martins/Gouti Lab/MDC
Einem Team von Zellbiologen am Max-Delbrück-Zentrum in Berlin gelang die Züchtung eines neuromuskulären Organoids, eines Mini-Organs, das zur Forschung genutzt wird. Es besteht aus Nervengewebe (violett) und Muskeln (grün).

„Präzisionsgesundheit und -medizin erreichen derzeit eine neue Ära“, schreiben die Autoren um den US-amerikanischen Genetiker Michael Snyder in einer viel beachteten Studie aus dem Jahr 2019. Über acht Jahre hinweg hatten die Mediziner aus Kalifornien eine Gruppe von 109 Menschen mit einem erhöhten Risiko für Typ-2-Diabetes regelmäßig untersucht. Viermal jährlich erfassten sie den Lebensstil und die Verfassung der Probanden. Zudem wendeten sie die neuesten biomedizinischen Analyse-Techniken an. Die Testpersonen trugen tragbare Sensoren, die deren Herzfrequenz, Aktivität und Schlafverhalten überwachten. Sie gaben regelmäßig Blut-, Stuhl- und Urinproben ab, machten Belastungstests und wurden am Herzen untersucht. Auch die gängigen Früherkennungstests für Krankheiten absolvierten sie immer wieder.

Dabei wurden die Proben mit sogenannten Omik-Techniken untersucht. Es wurde also erfasst, welche Genvarianten vorlagen (Genomik), welche Gene besonders aktiv waren (Transkriptomik), wie das Immunsystem arbeitete (Immunomik), welche Proteine die Gewebe erzeugten (Proteomik), wie die Zusammensetzung der Mikroben im Darm war (Mikrobiomik) und in welchem Zustand sich der Stoffwechsel der Menschen befand (Metabolomik). Gleichzeitig setzten sie Computerprogramme zur Auswertung der Daten ein. In dieser und anderen Studien geht es nicht mehr allein um die Bekämpfung von Krankheit, sondern um die Unterstützung der Gesundheit. Sie zeigen, wie eine systembiologische Gesundheitsbegleitung aussehen könnte.

Körperreaktionen sind hoch individuell

Dass hier schon eine Menge möglich ist, zeigt eine Studie von Forschern um Eran Segal vom Weizmann Institute of Science in Rehovot in Israel. 800 Personen trugen eine Woche lang Messgeräte, die ununterbrochen den Blutzuckerspiegel erfassten. Die Forscher werteten schließlich die individuelle Reaktion des menschlichen Stoffwechsels auf 46.998 Mahlzeiten und Snacks aus. Die erste Überraschung: Die Reaktion war hochindividuell. Jeder Mensch spricht auf jede Art von Speise oder Getränk anders an. „Universelle Ernährungsempfehlungen haben womöglich einen begrenzten Nutzen“, schreibt das Team.

Die zweite Überraschung: Die Israelis sammelten neben den Blutzuckerwerten auch noch Angaben zum Ernährungsverhalten, der körperlichen Aktivität, der allgemeinen Verfassung sowie dem Mikrobiom der Testpersonen. Mit all diesen Daten fütterten sie eine KI. Diese fand verborgene Muster in den großen, diffusen Datenmengen und spuckte einen Algorithmus aus, der erstaunlich gut abschätzen konnte, wie die Probanden auf eine bestimmte Art der Ernährung reagieren würden. Verließen sich die Probanden wie früher nur auf die Angaben zu Kalorien oder Kohlenhydraten auf der Lebensmittelpackung, war die Vorhersagekraft für den späteren Blutzuckeranstieg nur etwa halb so gut wie bei dem neuen Algorithmus.

Zur Bestätigung des Modells zeigte das Forscherteam, dass der neue Algorithmus bei hundert weiteren Testpersonen, deren Biologie, Lebensstil und Ernährung dem Team unbekannt waren, genauso gut rechnete. Und schließlich belegten Segal und Kollegen auch noch, dass Menschen, die sich nach den Vorgaben des Computers ernährten, genauso deutlich von den Empfehlungen profitierten wie eine Vergleichsgruppe, die ihre Ratschläge von menschlichen Ernährungsberatern erhielt. Die Blutzuckerschwankungen verringerten sich um das Zweieinhalbfache. Dabei wusste niemand, wer die Ratschläge des Computers und wer jene eines Menschen erhielt. Zu guter Letzt veränderte sich sogar die Zusammensetzung der Darmflora der Testpersonen in eine gewünschte Richtung.

Eine weitere Erfolgsgeschichte der Systembiologie ist die sogenannte AIR Louisville Studie. In der Stadt im US-amerikanischen Bundesstaat Kentucky besitzen 1147 Testpersonen, die an Asthma oder der Lungenkrankheit COPD leiden, einen speziellen Notfallspray-Inhalator. Dieses Gerät misst per GPS-Empfänger seine Position und sendet, sobald es wegen einer Atemnot-Attacke benutzt wurde, Angaben über die Uhrzeit und den Ort an einen Großrechner.

Dank der so ermittelten 1,2 Millionen Datenpunkte konnten Systembiologen kalkulieren, wann und wo das Asthma-Risiko in Louisville am höchsten ist und welche äußeren Faktoren dazu beitragen. Daraus leiteten sie verschiedene Maßnahmen ab, um die Umwelt der Menschen für deren Gesundheit zu verändern. So sperrten sie einzelne Durchgangsstraßen für den Lkw-Verkehr und pflanzten zahlreiche neue Bäume, damit sich die Luftqualität verbesserte. Das überzeugende Resultat: Die Inhalatoren kamen 78 Prozent seltener zum Einsatz, und die Patienten erlebten fast doppelt so viele Tage ohne Asthma-Symptome wie früher.

Über Gesundheitsdaten selbst bestimmen

Trotz derart positiver Ergebnisse bleibt die berechtigte Skepsis vieler Menschen vor dem Datenhunger der Systembiologie. Was geschieht mit der steigenden Zahl von irgendwo im riesigen Internet oder auf unbekannten Datenservern gespeicherten Gesundheitsdaten? Zu leicht könnten die sensiblen Informationen missbraucht werden. Außerdem lassen sich wohl viele ungern vom Computer vorschreiben, was sie tun oder lassen sollen. Damit die Systembiologie wirklich eine Erfolgsgeschichte werden kann, sollte die Gesellschaft damit beginnen, solche Fragen zu diskutieren und nach Lösungen zu suchen.

Erste positive Ansätze existieren bereits, wie etwa die Schweizer Genossenschaft Midata. Die Nonprofit-Organisation betreibt seit 2015 eine möglichst sichere Datenplattform und verwaltet die Gesundheitsinformationen treuhänderisch für ihre Datenspender. Die Nutzer stellen dieser Plattform ihre Gesundheitsdaten zur Verfügung und haben immer das letzte Wort, was mit den Informationen geschehen soll. Eines Tages sollen die Datenspender sogar mitentscheiden dürfen, welche Fragestellungen die Wissenschaft mithilfe ihrer Informationen beantwortet.

Vom Autor Peter Spork erschien jüngst das Buch „Die Vermessung des Lebens. Wie wir mit Systembiologie erstmals unseren Körper ganzheitlich begreifen – und Krankheiten verhindern, bevor sie entstehen“. DVA München, 328 Seiten, 24 Euro.