Was passiert, wenn der Wirkstoff eines Medikaments mit dem Blutstrom in die Leber kommt? Wie reagiert das Organ, wenn Teile geschädigt sind und das Medikament nicht richtig verstoffwechselt werden kann? Fragen wie diese lassen sich mit einer neuen Computersimulation künftig detaillierter als zuvor beantworten.
 

50.000 Würfelchen statt Blackbox

Im Körper erfüllt die Leber mehrere Aufgaben: Sie reinigt das Blut von Schadstoffen, produziert lebenswichtige Eiweiße,speichert lebenswichtige Vitamine und spielt u.a. beim Stoffwechsel zahlreicher Medikamente eine zentrale Rolle. Beim Menschen fließen pro Stunde rund 90 Liter Blut durch das Organ. Um möglichst genau simulieren zu können, wie dieses Blut durch die Leber strömt und wie sich die in ihm enthaltenen Wirkstoffe verhalten, hatten die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Bildgestützte Medizin MEVIS in Bremen im Computertomographen ein hochaufgelöstes 3D-Bild einer Mäuseleber aufgenommen.
 
Auf der Basis der Bilddaten rekonstruierten sie zunächst die präzise Struktur des fein verästelten Gefäßsystems in der Leber. Dann unterteilten sie die Leber erstmalig virtuell in rund 50.000 Würfelchen.. Bislang wurde das Organ bei derartigen Simulationen zu seiner Arbeitsweise wie eine einzige Einheit eine sogenannte „Blackbox“ behandelt.
 
„Zwar besteht eine Mäuseleber aus vielen Millionen Zellen“, erläutert MEVIS-Forscher Ole Schwen. „Doch um die Rechenzeit in einem vertretbaren Rahmen zu halten, fassen wir in jedem der Würfelchen das Verhalten von mehreren tausend Zellen zusammen.“ Um das Resultat dennoch so realistisch wie möglich zu machen, greifen die Experten außerdem auf Daten aus der biomedizinischen Forschung zurück, die das Stoffwechselverhalten von Leberzellen beschreiben.
 

Auch eine Fettleber lässt sich simulieren

Das Ergebnis der Simulation: Blutströme und Stoffwechselreaktionen lassen sich detailliert am Bildschirm verfolgen. So lässt sich am Monitor beispielsweise beobachten, wie schnell sich ein Kontrastmittel in den verschiedenen Bereichen der Leber anreichert und wie seine Konzentration allmählich wieder abklingt. Auch die Stoffwechselreaktionen von Medikamenten lassen sich simulieren – sowohl für gesunde Lebern als auch für Organe, die verfettet sind oder anderweitig z.B. durch Vergiftung geschädigt wurden.
 
„Die bislang verwendeten Computermodelle betrachten die Leber nur als Ganzes“, sagt Projektleiter Tobias Preusser. „Unser Verfahren kann erstmals simulieren, was im Inneren des Organs tatsächlich passiert.“
 
Da die Forscher überzeugt sind, die Simulation auch für eine menschliche Leber durchführen zu können, könnte das Modell künftig möglicherweise auch helfen, für jeden Patienten individuell abschätzen, ob ein bestimmtes Lebermedikament bei ihm anschlagen dürfte oder nicht.
 
Quelle: Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS, März 2014; PLoS Comput Biol 10(3): e1003499.