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Um den virtuellen Zwilling des Patienten im Computer entstehen zu lassen, benötigen die derzeit 56 am ITFoM-Projekt beteiligten Forschungsgruppen aber noch weit mehr als nur die individuellen DNA-Sequenzen. Denn um das Verhalten der Zelle möglichst realitätsnah im Computer nachzustellen, brauchen sie auch Informationen über die Gesamtheit der von den Genen codierten Eiweiße – das sogenannte Proteom – und Stoffwechselprodukte – das Metabolom – einer Zelle.

Kompliziert wird die Analyse des Proteoms, Metaboloms und der Gesamtheit der abgelesenen Gene – des Transkriptoms – dadurch, dass sich deren Zusammensetzung abhängig von den Umweltbedingungen ständig ändert. Der Weiterentwicklung bereits existierender Analysetechniken, mit denen diese Variationen quantitativ erfasst werden können, ist deshalb ein eigener Forschungsschwerpunkt innerhalb des Projektes gewidmet. "Wir brauchen nicht nur einige molekularbiologische Daten", beschreibt Lehrach die Herausforderung. "Wir wollen ein integriertes anatomisches und molekulares Modell des Patienten."

Dass dies nicht im Alleingang von einzelnen Forschungsgruppen zu stemmen ist, zeigt sich schon darin, dass die Analytikspezialisten sich bei der Zulieferung der Patientenmaterialien aus den Kliniken eng mit den behandelnden Medizinern abstimmen müssen. Gewebe, DNA, Proteine und Stoffwechselprodukte müssen hier in immer gleicher Weise entnommen werden, damit das Computermodell der Patienten valide, tatsächlich vergleichbare Ergebnisse liefert – zum Beispiel über die Auswirkungen einer Medikamentenverabreichung. Um dies zu erreichen, sind Spitzenforschergruppen wie jene des österreichischen Experten Kurt Zatloukal von der Medizinischen Universität Graz in das Projekt eingebunden. Sie beschäftigen sich bereits seit Jahren im Rahmen von EU-Projekten mit der Aufstellung europaweiter Standards bei der Behandlung von Patientenproben und der geschützten Speicherung von Patientendaten.

Auch die zu speichernden und datenschutzkonform zu verarbeitenden Datenmengen stellen die am ITFoM-Projekt beteiligten IT-Firmen und Bioinformatik-Spezialisten vor große Herausforderungen. Derzeit verdoppelt sich die Menge dieser Daten alle neun Monate, die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit dagegen nur alle 18 Monate. Experten schätzen den Speicherbedarf innerhalb des ITFoM-Projektes auf das 1000- bis 100000-fache aller derzeit weltweit gespeicherten Inhalte. Gefragt sind also unter anderem selbstlernende Algorithmen, mit denen die Modelle so trainiert werden können, dass sie die Situation im Patienten möglichst realitätsnah abbilden. Die größte Aufgabe kommt jedoch den Systembiologen wie Lehrach und Westerhoff zu, die alle Informationen in ihren Modellen zusammenführen.

Trotz der großen Herausforderungen sind die Wissenschaftler optimistisch, dass ihr Ansatz funktioniert und schnell in die medizinische Praxis umgesetzt werden kann. Auch einen Zeitplan gibt es bereits: In den ersten fünf Jahren sollen, ähnlich wie beim ModCel-Modell, das deutsche Fördermittelgeber zweimal als "zu innovativ" ablehnten, zunächst allgemeine Prototyp-Modelle des Menschen entste-hen. Parallel dazu wollen die im ITFoM-Projekt engagierten Firmen IBM (Systemarchitektur), Intel (Neue Prozessorarchitekturen), Microsoft (Systembiologie-Software), Amazon (Multi-Petabyte-Datenspeicherung und -verarbeitung), Oracle (Datenbankentwicklung), Xerox (Maschinenlernen) und Siemens (Bioinformatik) Werkzeuge entwickeln, mit denen diese Modelle individualisiert werden können. Bis 2014 wollen die Forscher dann für die geschaffene Infrastruktur bei den Entscheidungsträgern werben, um die modellbasierte, individualisierte Medizin in das Gesundheitssystem integrieren zu können.

Davon profitieren in erster Linie die Patienten, deren Heilungschancen durch präzise auf ihren Stoffwechsel zugeschnittene Behandlungskonzepte stark steigen dürften. Die Modelle nützen auch den Kostenträgern des Gesundheitssystems, deren Aufwendungen signifikant sinken. Nicht zuletzt würde der virtuelle Zwilling aber auch die Arbeit der Ärzte erleichtern. Denn allzu oft stehen auch die engagiertesten Mediziner der stetig anschwellenden Informationsflut hilflos gegenüber. "Pro Stunde erscheinen weltweit etwa 30 Publikationen über Krebs", sagt Hans Westerhoff, Professor für Systembiologie und Leiter des Forschungsschwerpunkts Datenintegration im ITFoM-Projekt. Auch er sieht klare Vorteile des virtuellen Zwillings gegenüber den heutigen, nicht auf den einzelnen Patienten abgestimmten Behandlungsleitlinien. "Wenn wir die Ärzte dazu bringen, zuerst einmal die von ihnen vorgeschlagene Therapie an einem virtuellen Zwilling des Patienten auszuprobieren, und der fällt tot um, dann haben wir sozusagen eine zweite Chance gewonnen. Je mehr Ärzte wir von diesem Vorgehen überzeugen können, desto besser für die Patienten." (bsc)