18.06.2020

Muskeln im Modell

Virtuelles Testlabor untersucht das biophysikalische Zusammenspiel von Muskeln oder Organen.

Computergestützte Modelle können in der Medizin dazu beitragen, Krankheiten genauer zu diagnostizieren und individueller zu behandeln. Dieses Potential wird jedoch noch wenig genutzt, weil Zellen oder Gewebe wie Muskeln oder Organe bisher überwiegend isoliert betrachtet werden. Ein neues, aus der Universität Stuttgart heraus mitinitiiertes DFG-Schwerpunkt­programm will die Modelle nun koppeln, um die komplexen Wechsel­wirkungen zwischen den Strukturen und Skalen sowie deren Funktionen besser verstehen und vorhersagen zu können.
 

Abb.: Die Visualisierung zeigt das Zusammen­spiel von Bizeps und Trizeps im...
Abb.: Die Visualisierung zeigt das Zusammen­spiel von Bizeps und Trizeps im Oberarm. (Bild: U. Stuttgart)

Um zum Beispiel zu verstehen, wie im Zusammenspiel von Bizeps und Trizeps eine heterogene Verteilung von Kräfte entsteht und wirkt, sind kontinuums­mechanische Struktur­modelle erforderlich. Will man die biophysikalischen Zusammenhänge allerdings wirklichkeits­nah abbilden, müssen diese um chemo-elektro-mechanische Skelett­muskel­modelle erweitert werden. Durch diese Koppelung entstehen mehrskalige neuromechanische funktionale Modelle. Diese sind bisher jedoch stark vereinfacht und lassen beispielsweise Feedback­mechanismen des Skelett­muskel­systems außen vor. 

Ähnliche Probleme gibt es bei der Modellierung von Stoffwechsel­prozessen in der Leber, wo Modelle der chemischen, biologischen und fluid­dynamischen Effekte auf verschiedenen Zeit- und Größen­skalen gekoppelt werden müssen, oder bei Modellen zum Verständnis der komplexen Abläufe im Gehirn. Um solche Zusammenhänge zu verstehen, sind ein systematischer Ansatz sowie innovative, gekoppelte Computermodelle erforderlich, die alle Skalen der biologischen Systeme, vom Molekül bis zum kompletten Organsystem oder Organismus, integrieren. Dies erfordert Kompetenzen aus den Bereichen Medizin, Ingenieur­wissenschaften, Numerischer Mathematik und Informatik.

Vor diesem Hintergrund schafft das DFG-Schwerpunkt­programm (SPP) mit dem Titel „Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer in silico-Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen“ einen inter­disziplinären Verbund, der sich auf die Erforschung neuer methodischer Ansätze zur Kopplung mehrerer computer­gestützer Modelle fokussiert und deren physiologische Funktionen in dreidimensionaler Betrachtung berücksichtigt. Initiiert wurde das SPP durch die Professoren Oliver Röhrle (Institut für Mechanik – Bauwesen) und Tim Ricken (Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrt­konstruktionen) der Universität Stuttgart, die es auch koordinieren. Mit beteiligt sind Wissenschaftler der Universitäts­medizin Rostock (Rainer Bader), der Universität Erlangen-Nürnberg (Silvia Budday) sowie der Universität zu Köln (Axel Klawonn).

Ihr Ziel ist es, die vorhandenen methodischen Grundlagen als Schlüssel­qualifikationen weiter­zuentwickeln und damit die Entwicklung robuster biomechanischer Modelle zu ermöglichen. Das Projekt reicht zwar nicht bis in die Phase klinischer Studien, will aber eine Plattform schaffen für die Qualifizierung biomechanischer Simulations­modelle für den späteren Einsatz in der klinischen Praxis. 

U. Stuttgart / DE
 

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