Bau von biotechnologischen Instrumenten für eine bessere Gehirngesundheit
Epilepsie ist eine schwere chronische Gehirnerkrankung, die durch wiederkehrende Anfälle gekennzeichnet ist. Sie zählt zu den häufigsten schweren neurologischen Erkrankungen und betrifft weltweit etwa 60 Millionen Menschen. „Es gibt nach wie vor einen dringenden und ungedeckten Bedarf für die Behandlung solcher neurologischer Erkrankungen“, erklärt die Koordinatorin des Projekts PRIME(öffnet in neuem Fenster), Deirdre Kilbane vom Walton Institute(öffnet in neuem Fenster) an der South East Technological University(öffnet in neuem Fenster) (SETU) in Irland.
Autonome implantierbare lebende Zellsysteme
Im Rahmen des Projekts PRIME wurde versucht, diese Herausforderung durch eine bahnbrechende neue Technik anzugehen. Das Projekt, an dem sieben erfahrene internationale Partner aus verschiedenen Bereichen wie synthetische Biologie, Informatik, Kommunikationstechnik und Nanomedizin beteiligt waren, hatte zum Ziel, ein autonomes implantierbares lebendes Zellsystem zu entwickeln, das epileptische Anfälle unterdrücken kann. Die Idee ist, dass solche Zellen ins Gehirn implantiert werden, um von dort epileptische Anfälle vorhersagen und therapeutische Moleküle in Echtzeit freisetzen zu können. Ein Schwerpunkt des Projekts war die Modellierung und Simulation der molekularen Kommunikationswege, die bei der Entstehung eines epileptischen Anfalls beteiligt sind. Federführend war das Walton Institut der SETU. Die Universität Aarhus konzentrierte sich auf die Regulierung der Genexpression und die Entstehung von epileptischen Anfällen, während das Royal College of Surgeons in Irland sich mit dem molekularen Design, der Implementierung und der funktionellen Validierung von künstlich hergestellten Nervenzellen befasste. An der Universität von Ferrara untersuchten Wissenschaftler die Entwicklung von Säugetierzellen mithilfe molekularer Rechenfunktionen. Der Projektpartner Universität Tampere stellte sein Fachwissen in den Bereichen Mikrofabrikation, Membrantechnologie und Verkapselung der Bioinformatik-Zellen zur Verfügung. Im Bereich der Low-Input-RNS-Sequenzierung und der bioinformatischen Analyse brachte der Projektpartner omiics sein Fachwissen ein, während EPOS-IASIS Einblicke in die Bereiche Nanofertigung, Nanomaterialien, Nanomedizin und Gentechnologien gewährte.
Künstliche Intelligenz für die Optimierung von Reaktion und Leistung
Durch diese disziplinübergreifende Zusammenarbeit gelang es, bedeutende Fortschritte zu erzielen, wobei die Simulation molekularer Kommunikation, die Zelltechnik und die Entwicklung implantierbarer Geräte zu den wichtigsten Entwicklungen gehörten. Ein Prototyp eines Design-Tools für die Entwicklung von Zellen stützt sich auf künstliche Intelligenz und integriert Simulationen der molekularen Kommunikation, die biophysikalische und statistische Mechanik-Modelle nutzen. „Große experimentelle Datensätze, die in jeder Entwicklungsphase zur Verfügung gestellt wurden, ermöglichten es uns, die Reaktion und Leistung mithilfe von künstlicher Intelligenz genau vorherzusagen und zu optimieren“, so Kilbane. Die Partner haben erfolgreich ARPE-19-Säugetierzellen mit molekularen Rechenfunktionen entwickelt, die in der Lage sind, für Anfälle typische Signale (tsRNAs) zu erkennen und die Freisetzung eines therapeutischen Moleküls (GDNF) auszulösen. Die Projektarbeit führte zu einem Dutzend Veröffentlichungen, jüngst zu einem Papier(öffnet in neuem Fenster), in dem einige der Arbeiten zur Entwicklung molekularer Kommunikations-Ausbreitungsmodelle und implantierbarer Biosensorikgeräte beschrieben werden.
Diagnose und Überwachung neurologischer Erkrankungen
Die Partner des PRIME-Konsortiums sammeln weiterhin Ergebnisse und führen Analysen durch. Die nächsten Schritte umfassen In-vivo-Tests, die sicherstellen sollen, dass das Team seine Hauptziele erreichen kann. „Dies war ein innovatives Projekt, bei dem die Partner eng zusammengearbeitet haben“, sagt Kilbane. „Wir freuen uns darauf, unsere laufende Arbeit in den letzten Monaten von PRIME fortzusetzen.“ Insgesamt stellt das Projekt einen bedeutenden Meilenstein dar, was die Verbesserung des Lebens von Menschen betrifft, die mit Epilepsie und anderen chronischen neurologischen Krankheiten leben. In der Tat könnte das Konzept der Implantation programmierbarer synthetischer Zellen, die elektronische Schaltkreise nachahmen, auf die Behandlung anderer neurologischer Erkrankungen ausgedehnt werden. „Die von PRIME eingeführten Innovationen besitzen das Potenzial, die Diagnose und Überwachung neurologischer Erkrankungen durch den effizienten Nachweis von Biomarkern zu revolutionieren“, fügt Kilbane hinzu. „Wir haben einen großen Schritt gemacht – in Richtung der Entwicklung biotechnologischer Werkzeuge für eine bessere Gehirngesundheit.“
