Den Körper simulieren

Gekoppelte Probleme in der Biomechanik und Systembiologie

Wir wollen ein prototypisches Modell des menschlichen Körpers erstellen. Mit Hilfe von Methoden aus Systembiologie und Biomechanik können wir medizinische Probleme lösen.

Verschiedene Modelle des menschlichen Körpers.

Den Körper verstehen

Seit über 2000 Jahren ist der Mensch auf der Suche nach einem besseren Verständnis seines eigenen Körpers. Die Simulationstechnologie bietet heute neue Möglichkeiten. Sie kommt unter anderem dort zum Einsatz, wo aus ethischen Gründen nicht am lebenden Menschen geforscht werden kann. An unserer großen Vision, ein prototypisches Modell des menschlichen Körpers zu erstellen um solchen Problemen zu begegnen, arbeiten wir in Projektnetzwerk 4.

Werkzeugkasten für das Menschmodell

Wir entwickeln neue konzeptionelle Methoden und ausgeklügelte Rechenmodelle für ein solches Menschmodell. Erarbeitete Teilmodelle werden in eine Art Werkzeugkasten integriert, sodass wir sie später miteinander verbinden können. Solche mathematischen Teilmodelle erstrecken sich über kleine Einheiten im biomolekularen Bereich bis hin zu größerskaligen mechanischen Bereichen des Menschmodells. Wir koppeln methodische Ansätze aus der diskreten Biomechanik, aus der Kontinuumsbiomechanik, der Systembiologie und biochemischen Molekulardynamik.

Entstehung und Behandlung von Tumoren

Die Systembiologie ist ein relativ junges Forschungsfeld und vereint Biologie, Systemtheorie und Simulationstechnologien. Den menschlichen Körper fassen wir als komplexes biologisches System auf, dessen Eigenschaften und Reaktionen auf äußere Umwelteinflüsse durch die Interaktion komplexer Systeme auf verschiedenen Skalen reguliert werden. Das charakteristische Verhalten des Systems „Mensch“ wird dabei als eine Folge der Struktur sowie der Dynamik innerhalb der Netzwerke verstanden.

Die Systembiologie nutzt unter anderem sogenannte in silio Experimente – sprich modellbasierte Simulationen am Computer. Sie sind nicht nur wesentlich günstiger und schneller durchführbar als Experimente im Labor, sondern liefern auch gut reproduzierbare Ergebnisse. Die Analyse und Simulation solcher Modelle trägt in der Biotechnologie dazu bei, Therapeutika zu verbessern. In der Medizin kann so die Entwicklung und Optimierung molekularer Krebstherapien modellbasiert unterstützt werden.

Um besser zu verstehen, wie Tumore entstehen und sich ausbreiten, untersuchen wir Prozesse auf verschiedenen Skalen. Diese reichen von fehlgesteuerten Regulationsmechanismen in einzelnen Tumorzellen bis hin zum Wachstum und zur Ausbreitung von Hirntumoren. Diese skalenübergreifende Sichtweise zeichnet das PN 4 aus. Dazu tragen sowohl Systembiologinnen und -biologen als auch Expertinnen und Experten aus der (Bio)mechanik bei.

Der menschliche Bewegungsapparat

Belastungen im Körper können durch biomechanische Simulationen sichtbar gemacht werden. Der Griff zur Kaffeetasse zum Beispiel scheint trivial zu sein, dahinter verbirgt sich jedoch eine choreografische Meisterleistung. Dies gilt für jede zielgerichtete Bewegung im Raum, die eine Orts-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsveränderung unter der Einwirkung von Kräften zur Folge hat. Schon bei den minimalsten Bewegungen des Körpers spielen physikalische und biochemische Eigenschaften und Vorgänge in Zellen eine Rolle.

In PN 4 erforschen wir einzelne solcher Vorgänge isoliert. Möglichst präzise sollen zum Beispiel die Mechanismen simuliert werden, die daran beteiligt sind, wenn bei der menschlichen Bewegung ein Muskel angesteuert wird. Dabei betrachten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler biochemische Prozesse

  • auf zellulärer Ebene,
  • mechanische Eigenschaften eines einzelnen Muskels
  • und das Zusammenspiel mehrerer Muskeln im System.

Krankhafte Elemente sollen so identifiziert werden, um Schmerzen zu lindern und idealerweise Krankheiten zu heilen. Nutzbar gemacht werden können systembiologische und biomechanische Erkenntnisse also vor allem in der Medizin – zum Beispiel soll die medikamentöse Behandlung von Patienten durch Modelle verbessert werden. Mit Hilfe eines Menschmodells ist auch die Entwicklung neuer chirurgischer Verfahren denkbar, wie etwa die Injektion von Knochenzement in den Rückenwirbel, um so die mechanische Funktionalität der Wirbelsäule wieder herzustellen. Neben der Erstellung präziserer Menschmodelle für Crashtest Simulationen ist auch die Implementierung von Applikationen und Werkzeugen für den Gebrauch biomechanischer Avatare möglich.

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4-1
SimWalk - Simulationsrahmen und Testumgebung für den digitalen menschlichen Gang
Projektleitung: JP Dr. Syn Schmitt
Mitarbeiterin: Maria Hammer
Institut für Sport- und Bewegungswissenschaft

4-2
Modellierung von Muskelatrophie und Wachstum in Skelettmuskeln
Projektleitung: Prof. Oliver Röhrle, Ph. D.
Mitarbeiterin: Ekin Altan
Institut für Mechanik (Bauwesen)

4-3
Regulationsmechanismen des Proteins DLC-1 und seine Rolle bei Tumorzellmigration
Projektleitung: Prof. Dr. Nicole Radde, Prof. Dr. Monilola Olayioye
Mitarbeiter: Antje Jensch
Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik, Institut für Zellbiologie und Immunologie

4-4
TRAIL-Resistenz in einem 3D-Tumormodell
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Frank Allgöwer
Mitarbeiter: Simon Niederländer
Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik

4-5
TRAIL-Resistenz in einem 3D-Tumormodell
Projektleitung: Prof. Dr. Peter Scheurich
Mitarbeiter: Daniela Stöhr
Institut für Zellbiologie und Immunologie

4-6
Entwicklung eines vaskulären, in Gewebe eingebetteten Graphenmodells zur Simulation der Strömungs- und Transportprozese in Blutgefäßen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig, Apl. Prof. Dr. Bernd Flemisch
Mitarbeiter: Dr. Tobias Koeppl, Timo Koch
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung

4-7
Tumorwachstum und Atrophie von Lungenkrebsmetastasen im Gehirn

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ehlers, Dr.-Ing. Arndt Wagner
Mitarbeiter: Patrick Schröder
Institut für Mechanik (Bauwesen)

  • Mathematik
  • Mechanik
  • Ingenieurwissenschaften
  • Biologie

Koordinatoren PN 4

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Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.

Wolfgang Ehlers

Sprecher, Geschäftsführender Direktor, Koordinator Projektnetzwerk 4, Koordinator Research Area B

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Prof. Dr. rer. nat.

Nicole Radde

Koordinatorin Projektnetzwerk 4

Dieses Bild zeigt Röhrle
Prof. PhD

Oliver Röhrle

Professur für Continuum Biomechanics and Mechanobiology, Koordinator Projektnetzwerk 4