Pressemitteilung Nr. 51

/ 11. Oktober 2021 /

Berlin

Virchow 2.0: Von der Intervention zur Prävention

„Virchow 2.0“, einziger Berliner Finalist der zweiten Wettbewerbsrunde der Clusters4Future-Initiatitive des BMBF, geht in die Konzeptionsphase. Bei einem Kick-Off-Meeting am 27. September 2021 gaben Teilnehmer*innen aus Wissenschaft, Klinik und Wirtschaft einen Vorgeschmack auf die Cluster-Strategie, an der sie arbeiten.

Die Kluft zwischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendungen zu überbrücken und zellbasierte Medizin in die Klinik zu bringen – das ist das Ziel des Forschungsnetzwerks „Virchow 2.0 –Innovationscluster für zellbasierte Medizin in Berlin-Brandenburg“. Am 1. Oktober fällt der offizielle Startschuss für die Konzeptionsphase der Initiative, die zu den 15 Finalisten der zweiten Wettbewerbsrunde der Zukunftscluster-Initiative (Clusters4Future) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gehört und der einzige Finalist aus Berlin ist. Kernpartner von „Virchow 2.0“ sind das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC), die Charité – Universitätsmedizin Berlin, das Berlin Institute of Health in der Charité (BIH), das Zuse-Institut Berlin (ZIB) und das Berlin Institute for the Foundations of Learning and Data (BIFOLD), ein Berliner Forschungsnetzwerk, das Anwendungen für Big Data und maschinelles Lernen entwickelt.

Wir verfügen jetzt, 160 Jahre nach Virchow, über Technologien, mit denen wir eine zellbasierte Medizin schaffen können.

Nikolaus Rajewsky Direktor des Berliner Instituts für Medizinische Systembiologie (BIMSB) des MDC

„Virchow 2.0“ steht für Tradition und Zukunftsvision des Clusters: In den 1850-er Jahren entwickelte Rudolf Virchow die Zellularpathologie, die besagt, dass Krankheiten auf Störungen der Körperzellen und ihrer Funktionen beruhen. Diesen seinerzeit revolutionären Ansatz haben Wissenschaftler*innen konsequent weiterentwickelt: „Wir verfügen jetzt, 160 Jahre nach Virchow, über Technologien, mit denen wir eine zellbasierte Medizin schaffen können“, erläutert Professor Nikolaus Rajewsky. Der Direktor des Berliner Instituts für Medizinische Systembiologie (BIMSB) des MDC koordiniert die Initiative; Co-Sprecherin ist Professorin Angelika Eggert, Direktorin der Klinik für Pädiatrie mit Schwerpunkt Onkologie und Hämatologie der Charité – Universitätsmedizin Berlin. „Zu diesen Technologien zählen bahnbrechende Einzelzell- und Bildgebungsmethoden, die wir mit künstlicher Intelligenz und personalisierten Krankheitsmodellen wie Organoiden kombinieren“, führt Rajewsky aus.

„Rudolf Virchow hätte seine wahre Freude“

„Im Grunde genommen bringen uns diese Methoden ‚back to the roots‘“, sagt Professor Frederick Klauschen, Leiter der Arbeitsgruppe Systempathologie am Institut für Pathologie der Charité – Universitätsmedizin Berlin, Direktor des Pathologischen Instituts der Ludwig-Maximilians-Universität München, Mitglied des Berliner KI-Zentrums BIFOLD und Mit-Koordinator des Forschungsverbundes MSTARS. Das Konsortium hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Massenspektrometrie für die Patientenversorgung weiterzuentwickeln und mit ihrer Hilfe den Ursachen für Therapieresistenzen auf den Grund zu gehen. „Molekulare Untersuchungen an fragmentiertem Gewebe sind eher ein Notbehelf, da uns bislang die Werkzeuge fehlten, um einzelne Zellen zu untersuchen. Ich frage mich, was Virchow dazu gesagt hätte – bei Pathologien ging es immer um einzelne Zellen.“

„Rudolf Virchow hätte heute seine wahre Freude“, ist Nikolaus Rajewsky überzeugt. Denn: „Wir werden in der Lage sein, anhand der ersten zellulären Veränderungen Krankheiten zu diagnostizieren, den möglichen Verlauf einer Erkrankung vorauszusagen und die molekularen Netzwerke von der entstehenden Krankheit zurück auf den Weg eines gesunden Gleichgewichts zu lenken. So können wir neue Ansatzpunkte für Wirkstoffe oder zelluläre Therapien finden.“

Allumfassender Wandel von Forschung und Klinik

Die Forschung, die von den Kernpartnern der Initiative geleistet wird, zeigt schon heute, wie die zellbasierte Medizin von morgen aussehen kann. „Zellbasierte Medizin bedeutet nicht nur, Zellprodukte für die Behandlung von Patienten herzustellen, sondern heißt auch, dass wir Zelltypen identifizieren können, die eine bestimmte Krankheit verursachen oderein gesundes Gleichgewicht herbeiführen können. Wenn wir verstehen, warum sie sich in die eine oder in die andere Richtung differenzieren, könnten wir auch herausfinden, wie wir sie ausschalten oder aber ihre Anzahl erhöhen können“, sagt Professorin Birgit Sawitzki. Sie erforscht mit ihrem Team am BIH die molekularen Mechanismen, die der Aktivierung und Inhibierung von Immunzellen zugrunde liegen. Ihr Fokus liegt dabei auf T-Zellen, die körperfremde Strukturen wie Viren oder Bakterien erkennen und bekämpfen. Gleichzeitig kurbeln sie die Bildung von B-Zellen an, die wiederum Antikörper gegen die Eindringlinge produzieren. Um die Zellen zu analysieren, kombiniert Birgit Sawitzki die Einzelzell-RNA-Sequenzierung mit Multiparameter-Durchflusszytometrie und Massenspektrometrie. Auf diese Weise hat sie entdeckt, dass sich im Lungengewebe von COVID-19-Patient*innen bestimmte T-Zellen ansammeln, die Moleküle freisetzen, die die Lungenzellen schädigen. Damit haben die Wissenschaftler*innen zum einen Biomarker gefunden, mit dessen Hilfe sehr zuverlässig vorausgesagt werden kann, wie schwer eine COVID-19-Erkrankung verlaufen wird. Zum anderen wollen sie herausfinden, wie sie den Signalweg unterbinden können, der den Ausschlag dafür gibt, dass sich diese gewebeschädigenden T-Zellen bilden.

Prof. Dr. Heyo K. Kroemer, Vorstandsvorsitzender der Charité

© Felix Petermann, MDC

Auch Dr. Annette Künkele von der Charité forscht an T-Zellen. Zusammen mit ihrem Team an der Klinik für Pädiatrie mit Schwerpunkt Onkologie und Hämatologie arbeitet die Wissenschaftlerin an neuen Immuntherapien gegen das Neuroblastom, eine Krebserkrankung des Nervensystems, die hauptsächlich Kleinkinder bis sechs Jahre betrifft. Dafür setzt sie auf die CAR-T-Zell-Therapie. Dabei werden den Patient*innen T-Zellen entnommen und im Labor mit einem Chimären Antigenrezeptor (CAR) ausgestattet. Derart bewaffnet, werden die T-Zellen in den Körper zurückgegeben, wo sie in der Lage sind, Krebszellen zu finden und zu vernichten. In der Behandlung von Leukämien werden mit der CAR-T-Zelltherapie bereits große Erfolge erzielt. Solide Tumore wie das Neuroblastom allerdings können sich besser vor T-Zell-Angriffen schützen. „Wir wollen diese Verteidigungsmechanismen, die aktuell eine Heilung verhindern, aufdecken und ausschalten“, sagt Annette Künkele. In ihrer Arbeitsgruppe untersucht sie mit nationalen und internationalen Kooperationspartner*innen verschiedene CAR-Konstrukte und wie Tumorzellen, deren Umgebung und die Blutgefäße den Erfolg einer CAR-T-Zelltherapie beeinflussen.

Weitere Beispiele aus der Forschung

3D-Landkarten der Genaktivität

Zusammen mit Dr. Nikos Karaiskos aus seiner Arbeitsgruppe am BIMSB ist es Nikolaus Rajewsky gelungen, eine Art räumliche Landkarte der Genexpression für einzelne Zellen in verschiedenen Gewebetypen zu erstellen. Anhand von Daten aus Einzelzell-Sequenzierungen haben sie ein mathematisches Modell entwickelt, mit dessen Hilfe sich das räumliche Muster der Genexpression für das gesamte Erbgut errechnen lässt. Damit können sie genau verfolgen, ob ein bestimmtes Gen in den Zellen aktiv ist oder nicht. „Die dreidimensionale Vermessung der Genexpression ist eine der treibenden Kräfte innerhalb der Einzelzellbiologie“, ist Nikolaus Rajewsky überzeugt. „Denn um zu verstehen, was während einer Erkrankung in den Zellen geschieht, müssen wir nicht nur die Aktivität des Genoms in einzelnen Zellen entschlüsseln, sondern sie vor allem auch räumlich innerhalb eines Organs verfolgen können.“ So können genaue Diagnosen gestellt und die beste Therapie gefunden werden.

Neue Generation von Organoiden beschleunigt Medikamentenentwicklung

Organoide sind Miniatur-Organe in der Petrischale. Sie werden aus menschlichen Zellen gezüchtet und geben die Gewebearchitektur, zelluläre Vielfalt und genetische Signatur eines echten Organs wieder. So können sie als patientenspezifische Krankheitsmodelle dienen, die offenbaren, wie Zellen interagieren und auf Substanzen reagieren. Bislang waren Organoide allerdings meist nicht skalierbar und nur schwer reproduzierbar, die Forschung mit ihnen entsprechend aufwändig und limitiert. Dr. Jakob Metzger, der am BIMSB des MDC die Arbeitsgruppe „Quantitative Stammzellbiologie“ leitet, arbeitet mit seinem Team an neuronalen Organoiden geschaffen, die in 96-Well-Platten wachsen und so für Medikamenten-Screenings genutzt werden können. „Indem wir reproduzierbare Organoide mit Hochdurchsatzverfahren kombinieren, generieren wir Daten, die für maschinelles Lernen genutzt werden können“, sagt Jakob Metzger. Daraus erwachsen große Chancen für die Entwicklung medikamentöser Therapien – ein bislang sehr langwieriger Prozess, für den immer nur sehr wenige Kandidaten in Frage kommen.

Organs-on-a-chip bilden Vorgänge im menschlichen Organismus ab

Professorin Sarah Hedtrich erforscht am BIH atopische Erkrankungen. Dazu gehören neben Asthma, Neurodermitis und allergischem Schnupfen mit Bindehautentzündung auch Heuschnupfen und Hausstaubmilbenallergie. Um die Mechanismen dieser Erkrankungen zu verstehen, züchtet sie dreidimensionale humane Hautmodelle aus Zellen von Patient*innen oder gesunden Spender*innen. Dieses so genannte Tissue Engineering verwendet die Wissenschaftlerin auch, um Modelle des Bronchialepithels zu entwickeln. „Unser Ziel ist es, ein ,Organ on a chip‘ bereitzustellen, mit blutgefäßähnlichen Strukturen, in denen mit Pumpen anschließend sogar der Blutdruck nachgestellt werden kann. Denn solche Modelle bilden die Vorgänge im menschlichen Organismus sehr gut ab.“ Sarah Hedtrich ist davon überzeugt, dass das nicht nur für die Erkrankungen der Haut und des Lungenepithels gilt. „Viele Arzneimittelentwicklungen scheitern daran, dass man eben nicht einfach von Ergebnissen, die man an Mäusen oder Ratten gewonnen hat, auf den Menschen schließen kann. Die Nutzung von komplexen Humanmodellen kann dabei helfen, die Translation zu verbessern, und wäre daher nicht nur für den Tierschutz ein großer Gewinn.“

Erklärbare künstliche Intelligenz

Ob es sich bei einem verdächtigen Knoten um Krebs handelt oder nicht, klärt in der Regel ein*e Patholog*in. Es gibt in Deutschland 1.200 Patholog*innen und jährlich 500.000 Krebsneuerkrankungen. Digitale Assistenzsysteme können dabei helfen, Fehler zu vermeiden. „Der Mensch ist schlechter im Schätzen, wenn es etwa darum geht zu beurteilen, wie viel Prozent eines Gewebes Tumor ist oder auf welchem Anteil der Tumorzellen sich ein bestimmter, therapeutisch relevanter Rezeptor befindet. Der ‚digitale Kollege‘ ist sowohl schneller als auch präziser beim Zählen“, sagt Professor Frederick Klauschen. Sein Team aus der Arbeitsgruppe Systempathologie am Institut für Pathologie der Charité hat zusammen mit Kolleg*innen von der TU Berlin ein digitales Bildanalyse-System entwickelt, das mit künstlicher Intelligenz mikroskopische Aufnahmen beurteilen kann. Darüber hinaus zeigt das System, wie die KI zu ihrer Entscheidung gekommen ist. Dafür erzeugt die Software „Heatmaps“, die präzise zeigen, welche Zellen oder Bildbereiche für den Algorithmus entscheidend waren. So können die Pathologen anschließend beurteilen, ob die Analyse der KI nachvollziehbar ist. Auch in der Forschung ergeben sich durch die Technologie ganz neue Möglichkeiten. Wird die KI beispielsweise mit positiven und negativen Verläufen einer bestimmten Therapie trainiert, ermöglichen die „Heatmaps“ den Patholog*innen, neue Biomarker zu entdecken, die den Therapieerfolg vorhersagen könnten. Diese „Explainable AI“ oder „erklärbare künstliche Intelligenz“ wird im ausgegründeten Start-up Aignostics weiterentwickelt.

Kroemer: Wir heben Prävention auf neues Level

„Die Bedeutung dieses neuen, aufstrebenden Wissenschaftszweiges für die Medizin ist immens“, sagt Professorin Angelika Eggert. Sie stellt bei „Virchow 2.0“ die Verbindung zwischen Grundlagenforschung und Klinik sicher. „Mithilfe von Einzelzellmethoden können wir Angriffspunkte für Medikamente sehr präzise definieren. Personalisierte Krankheitsmodelle ermöglichen zielgenaue Medikamententestungen. Zudem können wir vorab prüfen, welche Behandlung am wirksamsten ist.“

Auch der Vorstandsvorsitzende der Charité, Professor Heyo Kroemer, ist vom Potenzial der zellbasierten Medizin überzeugt: „Medizin ist heutzutage hauptsächlich therapeutische Intervention. Mithilfe der neuen Technologien werden wir verhindern können, dass Krankheiten überhaupt auftreten. Damit heben wir Prävention auf ein völlig neues Level.“

Den Markt im Blick haben

Die beteiligten Expert*innen aus Systembiologie, Medizin, Biotechnologie, Physik und Informatik/Künstliche Intelligenz (KI) wollen gemeinsam mit lokalen und überregionalen Industriepartnern nicht nur ein biomedizinisches KI-Ökosystem schaffen. Um Forschungsergebnissen den Weg in die klinische Anwendung zu ebnen, soll gleichzeitig ein positives Ausgründungsklima und eine Unterstützungsplattform für etablierte Firmen entstehen.

Virchow 2.0 bietet uns die Möglichkeit, diese verschiedenen Akteure miteinander zu vernetzen und Krankheiten mithilfe von Einzelzellmethoden aus einem völlig neuen Blickwinkel zu betrachten.

Ashley Sanders Leiterin der AG "Genominstabilität und somatischer Mosaizismus"

„Wir fangen dabei nicht bei Null an“, betont Thomas Gazlig, Direktor von Charité BIH Innovation, dem gemeinsamen Technologietransfer von BIH und Charité, der zukünftige Unternehmensgründer*innen unterstützt. Sowohl am MDC als auch am BIH und der Charité gibt es Technologietransferstellen, die daran mitwirken, Forschungsergebnisse zu verwerten und möglichst rasch in die Anwendung zu überführen. Sie bieten Coachings und Mentoringprogramme, helfen bei der Beantragung von Fördermitteln und der Suche nach Entwicklungs- und Verwertungspartnern. Solide Wissenschaft sei das Fundament von „Virchow 2.0“: „Es ist unsere Aufgabe, disruptive Innovationen zu finden und zu fördern. Aber um echte ‚Gamechanger‘ zu werden, müssen wir den Markt im Blick behalten“, sagt Thomas Gazlig.

„Berlin-Brandenburg hat dafür eine Menge Potenzial“, sagt auch Dr. Ashley Sanders, die mit ihrer MDC-Arbeitsgruppe „Genominstabilität und somatischer Mosaizismus“ einer Forschungskooperation des BIH, der Charité und des MDC angehört, die die Einzelzelltechnologien vorantreiben will. Denn in der Region gebe es eine deutschlandweit einzigartige Konstellation von Akteuren aus der Grundlagenforschung, Klinik und anwendungsorientierter Forschung und Entwicklung, die in den benötigten Technologie-, Datenwissenschafts- und Medizinfeldern weltweit führend sind. „Virchow 2.0 bietet uns die Möglichkeit, diese verschiedenen Akteure miteinander zu vernetzen und Krankheiten mithilfe von Einzelzellmethoden aus einem völlig neuen Blickwinkel zu betrachten“, sagt Ashley Sanders. Dr. Kai Uwe Bindseil, Abteilungsleiter Gesundheitswirtschaft, Industrie, Infrastruktur bei der Berlin Partner für Wirtschaft und Technologie GmbH, bewertet „Virchow 2.0“ aus Perspektive der lokalen Wirtschaft so: „Die Region Berlin-Brandenburg hat alles, was ein erfolgreiches Cluster braucht: wissenschaftliche Exzellenz, den ausgeprägten Willen zur Zusammenarbeit, internationale Reputation und politische Unterstützung. Erfolgreiche Start-ups wie T-knife, Ada Health und Care Syntax haben in den vergangenen Monaten insgesamt Venture-Kapital in Höhe von 300 Millionen Euro eingeworben – Beleg dafür, dass die Region auch für Investoren sehr attraktiv ist.“

Der „Clusters4Future“-Wettbewerb

Unter dem Dach der Hightech-Strategie 2025 will das BMBF mit dem themenoffenen Wettbewerb „Clusters4Future“ den Wissens- und Technologietransfer stärken. Akteure aus Hochschulen, Forschungsinstituten, Unternehmen und gesellschaftlichen Einrichtungen einer Region sollen optimal zusammenwirken. Die Bundesregierung plant, in den kommenden zehn Jahren insgesamt bis zu 450 Millionen Euro für die Zukunftscluster bereitzustellen.

Für die zweite Runde des Wettbewerbs konnten sich Wissenschaftler*innen mit ihren Vorschlägen aus allen Fachrichtungen wie zum Beispiel Robotik, Energie oder eben Biomedizin für regionale Innovationsnetzwerke – den Zukunftsclustern – bewerben. Eine unabhängige Expertenjury hat die besten 15 der 117 Clusterideen für eine Konzeptionsphase empfohlen. Das BMBF fördert diese sechsmonatige Phase mit bis zu 250.000 Euro.

miniature chips — Die einzelnen aus dem Gewebe isolierten Zellen werden zur Analyse in miniaturisierte Chips geschleust.

© Felix Petermann, MDC

In der Konzeptionsphase, die mit dem Treffen in Berlin begonnen hat, erarbeiten die Beteiligten die Clusterstrategie inklusive der verschiedenen Forschungs- und Entwicklungsprojekte sowie innovationsunterstützender Aktivitäten für die erste Umsetzungsphase. Das Interesse an einer Mitarbeit im Cluster seitens Wissenschaft und Wirtschaft ist groß: Allein beim Kick-Off stellten 25 Forscher*innen und Innovator*innen ihre Projektideen vor, mit denen sie dazu beitragen wollen, die Zukunftspläne einer zellbasierten Medizin wahr werden zu lassen. Etwa 20 Unternehmen unterstützen die Initiative bereits. „Auch mit Patientenorganisationen wollen wir zusammenarbeiten“, unterstreicht Angelika Eggert, „denn niemand kennt die Bedürfnisse von Betroffenen besser als sie selbst.“

Mitte 2022 werden nach dem Votum einer unabhängigen Expertenjury bis zu sieben Zukunftscluster ausgewählt. Diese können bis zu neun Jahre lang ihre Konzepte realisieren. Pro Cluster und Jahr sind bis zu fünf Millionen Euro vorgesehen.

Text: Jana Ehrhardt-Joswig