Projektstart: Mathematische Onkologie in Heidelberg

9.12.2021

Ein interdisziplinäres Forschungsteam aus Heidelberg entwickelt künftig mathematische Modellierungen, die dabei helfen sollen, die Tumorentstehung bei erblichem Darmkrebs zu entschlüsseln. Am Forschungsprojekt sind Mathematiker/-innen und Mediziner/-innen des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS), der Universität Heidelberg, des Universitätsklinikums Heidelberg sowie des Deutschen Krebsforschungszentrums beteiligt. Gefördert wird das Projekt durch die Klaus Tschira Stiftung. Ziel des Kooperationsprojekts ist es, Tumorinitiation, -evolution und -immunologie mittels mathematischer Modellierung zu verstehen und dadurch Ansätze zu finden, um erbliche Krebserkrankungen in Zukunft möglicherweise verhindern zu können.

Darmkrebs ist eine der häufigsten Krebsarten weltweit, die sich in den letzten Jahren auch zunehmend in jüngeren Generationen bemerkbar gemacht hat. Der Großteil der Darmtumoren bei jungen Menschen ist erblich bedingt, wobei das Lynch-Syndrom das häufigste erbliche Darmkrebs-Syndrom ist. Menschen, die das Lynch-Syndrom in der Erbanlage tragen, haben ein erhöhtes Risiko für Darmkrebs, aber auch für bösartige Tumoren in anderen Organen. Dementsprechend ist die Entwicklung von effektiven Präventionsmaßnahmen ein klinisch hochrelevantes Thema.

Krebsentstehung ist ein komplexer Prozess, der durch zahlreiche Faktoren beeinflusst werden kann. Hinzu kommt die Tatsache, dass Untersuchungen meistens an den schon entwickelten Tumoren durchgeführt werden, die aber nur eine späte Momentaufnahme des gesamten Entwicklungsprozesses darstellen. Auf die einzelnen Schritte in diesem Entwicklungsprozess und deren Reihenfolge können bislang nur wenige Rückschlüsse gezogen werden.

Dabei spielen gerade diese ersten Schritte der Tumorentwicklung eine entscheidende Rolle, insbesondere wenn es sich um Präventionsansätze für Tumorerkrankungen handelt. Da eine Live-Beobachtung der Tumorentstehung nicht möglich ist, fokussieren sich die Forscher/-innen auf eine mathematische Modellierung. „Durch mathematische Modelle können wir verschiedene zeitliche Verläufe der Tumorentstehung betrachten und vergleichen. Der Abgleich mit medizinischen Daten erlaubt es uns, die wahrscheinlichsten Szenarien auszuwählen und näher zu untersuchen“, erläutert Vincent Heuveline, Leiter des Engineering Mathematics and Computing Lab (EMCL) am Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) und Leiter der Data Mining and Uncertainty Quantification (DMQ) Gruppe am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS).

Für diesen Ansatz stellen erbliche Tumorerkrankungen, insbesondere das Lynch-Syndrom, ein ideales Modell dar, da hier die ersten genetischen Schritte der Tumorentstehung exakt bekannt sind und erste Modelle für die möglichen Tumorentwicklungswege bereits existieren.

Zentral für das Projekt auf biomedizinischer Seite sind genetische und molekulare Analysen von Tumoren und ihren Vorstufen, welche die Basis für die medizinischen Daten und somit die mathematische Modellierung darstellen. Bestimmte Mutationen spielen bei der Entstehung dieser Tumoren eine entscheidende Rolle, auch im Hinblick auf Präventionsmaßnahmen. Im Rahmen des Projekts sollen daher hochauflösende Mutationsprofile von Tumoren erstellt werden, die im Rahmen des Lynch-Syndroms auftreten. „Die Förderung der Klaus Tschira Stiftung macht es uns möglich, innovative Methoden zu verwenden, welche spezifisch auf die Mutationsspektren von Lynch-Syndrom-Tumoren zugeschnitten sind“, betont Aysel Ahadova, Tumorbiologin in der Abteilung für Angewandte Tumorbiologie (ATB) am Universitätsklinikum Heidelberg.

Entscheidend bei diesen Forschungsarbeiten ist nach Angaben der Wissenschaftler/-innen der enge interdisziplinäre Austausch zwischen Mathematik und Medizin, wofür der Standort Heidelberg eine optimale Möglichkeit bietet. „Die beiden Einrichtungen liegen räumlich so nahe beieinander, dass wir uns jederzeit auch kurzfristig persönlich zu spannenden Diskussionen treffen können. Wir erhalten dadurch einen noch besseren, lebendigen Einblick in die Arbeiten von Tumorbiolog/-innen zwischen Labor und Datenauswertung“, sagt Valentin Schmid, Doktorand in der Forschungsgruppe von Vincent Heuveline. Durch das Entwickeln einer gemeinsamen Sprache zwischen Medizin und Mathematik können medizinische Hypothesen in mathematische Gleichungen übersetzt werden. „Diese Übersetzungsarbeit ist der Kern unserer interdisziplinären Zusammenarbeit. Wie können wir medizinische Vermutungen mit klinischen und molekularen Daten so kombinieren, dass am Ende ein mathematisches Modell daraus entsteht, mit dessen Hilfe wir offene Fragen zur Krebsentstehung beantworten können?“, so Saskia Haupt, ebenfalls Doktorandin in der Forschungsgruppe von Vincent Heuveline.

Durch die Auswertung der mathematischen Modelle und durch numerische Simulationen sollen medizinische Hypothesen überprüft, neue medizinische Erkenntnisse gewonnen und weitere Hypothesen formuliert werden, welche dann erneut mit Hilfe mathematischer Modelle untersucht werden können. „Wir erhoffen uns von den Ergebnissen dieser Forschung entscheidende Informationen, um die Entstehung von Tumoren beim Lynch-Syndrom in Zukunft besser verhindern zu können“, betont Matthias Kloor, Leiter der Arbeitsgruppe „Immune Biology of MSI Cancer“ in der ATB. „Generell möchten wir durch die enge Zusammenarbeit mit dem EMCL innovative Konzepte für die Krebsprävention entwickeln, die klinisch von großem Nutzen sein können“, ergänzt Magnus von Knebel Doeberitz, Ärztlicher Direktor der ATB.

Das Heidelberger Projekt mit dem Titel „Mathematics in Oncology“ ist eine Pilot-Initiative zur Stärkung der interdisziplinären translationalen Forschung. Um geeignete Modelle zu entwickeln und die dafür notwendigen medizinischen Daten aufzuarbeiten, erhalten Vincent Heuveline, Universität Heidelberg und HITS, Matthias Kloor und Magnus von Knebel Doeberitz, Universitätsklinikum Heidelberg und Deutsches Krebsforschungszentrum, eine Förderung der Klaus Tschira Stiftung. Durch die dreijährige Förderung ermöglicht die Klaus Tschira Stiftung den Wissenschaftlern, neue Schwerpunkte in ihrer Forschung in der mathematischen Onkologie zu setzen. Die Klaus Tschira Stiftung unterstützt damit ein interdisziplinäres Projekt, das neue Synergien zwischen Mathematik und Medizin ermöglicht und das innovative Forschungsprofil des Wissenschaftsstandorts Heidelberg stärkt.

Über das HITS

Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitgründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als private, gemeinnützige Forschungseinrichtung ins Leben gerufen. Das HITS betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Dabei werden große, komplexe Datenmengen verarbeitet, strukturiert und analysiert und computergestützte Methoden und Software entwickelt. Die Forschungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Die HITS Stiftung, eine Tochter der Klaus Tschira Stiftung, stellt die Grundfinanzierung der HITS gGmbH auf Dauer sicher. Die Mittel dafür erhält sie von der Klaus Tschira Stiftung. Gesellschafter des HITS sind neben der HITS Stiftung die Universität Heidelberg und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das HITS arbeitet außerdem mit weiteren Universitäten und Forschungsinstituten sowie mit industriellen Partnern zusammen. Die wichtigsten externen Mittelgeber sind das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Europäische Union.

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