Systemmedizin am DZNE

Blick auf das große Ganze

Die Systemmedizin begreift Erkrankungen als komplexe Geschehnisse und betrachtet sie in ihrer Gesamtheit. Dazu werden Methoden der Biologie, Biotechnologie, Medizin, Datenwissenschaften und mathematischen Modellierung zusammengeführt. Dies ermöglicht den Blick auf das große Ganze und der Frage nachzugehen, wie Krankheitsmechanismen miteinander zusammenhängen. Am DZNE kommen dabei neueste Untersuchungsmethoden der labororientierten Forschung und der Medizin zum Einsatz. Überdies profitiert dieser Forschungsbereich von Entwicklungen der Computer-Technologie und im Bereich der künstlichen Intelligenz.

Die Systemmedizin am DZNE zielt darauf ab, ganzheitliche Ansätze zu entwickeln, um neue Erkenntnisse über Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) zu gewinnen. Dafür werden Daten aus sogenannten Hochdurchsatzverfahren genutzt und mit Erkenntnissen aus klinischen und bevölkerungsbezogenen Studien  sowie der Grundlagenforschung kombiniert. Das erfordert starke Teamarbeit zwischen vielen Disziplinen, zu denen nicht nur die Lebens- und Medizinwissenschaften gehören, sondern auch die Computer- und Datenwissenschaften. 

Zusätzlich zur Forschung über neurodegenerative Erkrankungen will die Systemmedizin am DZNE komplementäre, hauptsächlich datengetriebene, Methoden bereitstellen. Diese werden eine ganzheitlichere Sicht auf die komplexen molekularen Mechanismen ermöglichen, die bei neurodegenerativen Erkrankungen, aber auch bei anderen chronischen Erkrankungen in unserer alternden Bevölkerung, eine Rolle spielen.

Darüber hinaus unterstützt die Systemmedizin die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien. Dies geschieht durch innovative Anwendungen in der Arzneimittelforschung oder bei der Neuverwendung von Medikamenten.

Derzeit umfasst dieser Forschungsbereich am DZNE folgende Schwerpunkte:

Biotechnologie und Biomedizin

Die Zelle ist der biologische Baustein eines Organismus. Das Verständnis ihrer molekularen Mechanismen trägt zum Verständnis des Lebens bei, aber auch zum Verständnis der Entstehung und des Fortschreitens von Krankheiten. Im letzten Jahrzehnt sind Technologien zur umfassenden Messung molekularer Eigenschaften von Tausenden von Zellen Wirklichkeit geworden. Wir nennen diesen Ansatz das „molekulare Mikroskop“: eine Sammlung von Verfahren, die eine Beurteilung von Dutzenden bis Tausenden von Zellparametern in Tausenden von Einzelzellen gleichzeitig ermöglicht.

Der Bereich Biotechnologie und Biomedizin in der Systemmedizin wird daher solche Spitzentechnologien entwickeln, etablieren und den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des DZNE zur Verfügung stellen. Dazu gehören sogenannte Einzelzell-OMICs-Verfahren und andere Hochdurchsatz-Einzelzelltechnologien wie die Mehrfarben-Durchflusszytometrie.

Präzisionsmedizin

In Zukunft könnte die Medizin auf Daten zurückgreifen, die zur Beschreibung der bei Krankheiten beobachteten molekularen Veränderungen generiert werden. Die Absicht dahinter ist, präzise Entscheidungen auf der Grundlage ausreichend großer Datenmengen zu treffen, die von jedem Betroffenen individuell erfasst werden. Dies würde es ermöglichen, die herkömmliche „Einheitsbehandlung“ zu überwinden und die umfassenden molekularen Daten und andere Informationen zu nutzen, um Medikamente und Behandlungen für Untergruppen von Patientinnen und Patienten zu entwickeln. Neue Entwicklungen in den Computerwissenschaften einschließlich künstlicher Intelligenz und maschinellen Lernens sind wichtige Instrumente, um dies zu erreichen. Wir wollen diese Werkzeuge nutzen, um krankheitsassoziierte Muster zu identifizieren, die von molekularen, auf Einzelzellebene definierten Merkmalen abgeleitet sind.

Mit anderen Worten: Unsere Forschung ist darauf angelegt, anhand von Informationen aus Tausenden von Einzelzellen und in Kombination mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen neue Ansätze zu entwickeln, um Erkrankungen für jeden Betroffenen individuell zu definieren – und somit den Weg für maßgeschneiderte Therapien zu ebnen.

Informations- und Datenwissenschaft

Der Umgang mit großen Datenmengen („Big Data“) ist ein wesentlicher Aspekt unserer Arbeit. In diesem Zusammenhang entwickeln wir rechnerische Grundlagen für die Präzisionsmedizin. Dafür nutzen wir in erster Linie künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen sowie statistische Methoden. Aber das Spektrum unserer Aktivitäten reicht weiter: Das DZNE investiert ebenso in Entwicklungen im Bereich revolutionärer Computerarchitekturen wie „Memory-Driven-Computing“ und in neuartige KI-Methoden wie „Swarm Learning“.

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