EMPA St. Gallen, 28.05.2026 – Künstliche Intelligenz (KI) kann Leben retten. Zumindest bis heute Mäuseleben. Jimeng Wu, Forscherin an der Schweizer Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA, hat mit ihrem Team ein KI-gestütztes Computermodell einer Labor-Maus entwickelt. Das Modell kann mithilfe von maschinellem Lernen voraussagen, wie sich verschiedene Nanomaterialien im Organismus der Maus verteilen. Die virtuelle KI-Maus wird künftig nicht nur als Entscheidungshilfe bei der Medikamentenentwicklung dienen, sondern auch die Anzahl an Tierversuchen reduzieren. Die ganz grosse Hoffnung natürlich ist, dass in Zukunft ein digitales Modell des Menschen direkte Versuche zulässt.
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Herausforderung: Blut-Hirn-Schranke mit Nanopartikeln überwinden
Die Blut-Hirn-Schranke, ist ein sehr selektiver Filter zum Schutz der wichtigsten Organe wie dem Hirn, der nur ausgewählte Stoffe passieren lässt. Die meisten Medikamente gehören nicht dazu. Für die Medizin ist es deshalb eine grosse Herausforderung, eine wirksame Therapie gegen Tumore zu finden. In den letzten Jahren hat die medizinische Forschung eine vielversprechende Unterstützerin gefunden: die Nanotechnologie. Materialien im Nanobereich können, bildlich gesprochen, die Rolle von Postboten übernehmen, die Wirkstoffe an die gewünschte Adresse ausliefern. Da Nanopartikel unvorstellbar klein sind – ungefähr 500-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars – schaffen es einige, die Schutzbarrieren des Körpers zu passieren, ohne diese zu verletzen und dann den chemotherapeutischen Wirkstoffe in das betreffende Organ transportieren, wo diese dann den Tumor bekämpfen können.
Allerdings müssen die Nanopartikel je nach Aufgabe, die sie erfüllen sollen, ganz bestimmte Eigenschaften aufweisen: Je nach Form, Materialzusammensetzung und Grösse verteilen sie sich unterschiedlich im Körper und reichern sich in anderen Organen an, was unerwünscht ist. Es gilt deshalb, herauszufinden, welche Partikel ihre Aufgabe bestmöglich ausführen und dabei möglichst keinen Schaden anrichten. Bisher haben Forschende Tiermodelle, meist Mäuse, verwendet, um diesen Fragen nachzugehen: Sie verabreichten Mäusen verschiedene Nanomaterialien und untersuchten anschliessend, wie sich diese im Mausekörper verteilten und welche Nebenwirkungen sie hatten. Diese Tierstudien sind jedoch nicht nur aufwändig, langwierig und teuer, sondern auch aus ethischer Sicht problematisch. Nicht umsonst verlangt das Schweizer Tierschutzgesetz, die Anzahl der verwendeten Tierversuche auf das notwendige Minimum zu beschränken.
KI-Maus mit entscheidendem Vorteil
Die Empa-Forscherin Jimeng Wu, Doktorandin in den Abteilungen «Nanomaterials in Health» und «Technology and Society», hat deshalb eine virtuelle Maus entwickelt, an der sich diese Tests mithilfe von KI viel zeitsparender durchführen lassen. Für dieses sogenannte physiologisch basierte pharmakokinetische Modell (PBPK-Modell) hat Wu 18 Mausstudien als Grundlage genommen, also Daten von Versuchen verschiedener Forschungsteams an «echten» Mäusen. Ergänzend hat sie ein statistisches Verfahren, die Bayesianische Analyse mit Markov chain Monte Carlo-Simulationen, in ihr Modell integriert.
Das Ergebnis ist eine virtuelle Maus, der man – ebenfalls virtuelle – Nanopartikel verabreichen kann. Daraufhin berechnet das Modell deren Verteilung im Mäusekörper aufgrund ihrer Eigenschaften wie Grösse, Beschichtung und Oberflächenladung. Gegenüber einem traditionellen PBPK-Modell, das jeweils nur für eine einzige Substanz kalibriert ist, hat Wus KI-Maus einen entscheidenden Vorteil: «Das Modell kann seine Parameter an die messbaren Eigenschaften des jeweiligen Nanopartikels anpassen», erklärt Jimeng Wu. Diese Fähigkeit verdankt das Tool dem «multivariaten linearen Regressionsmodell», einem Ansatz des maschinellen Lernens.
Beitrag zu «Safe and Sustainable by Design»
«Dieses KI-gestützte Screening-Instrument erlaubt es Forschenden, virtuell zu testen, welche Art von Nanopartikeln sich am besten für eine bestimmte Aufgabe eignen, bevor sie diese Partikel überhaupt herstellen», führt Jimeng Wu weiter aus. Das spare nicht nur Zeit, sondern auch Kosten, weil es eine Entscheidungshilfe bietet, bevor eine kostspielige klinische Studie gestartet wird. «Damit leistet das Modell einen Beitrag zum Konzept von «Safe and Sustainable by Design» (SSbD), ergänzt Peter Wick, der Jimeng Wu zusammen mit seinem Kollegen Bernd Nowack in ihrem Doktorat begleitet. Denn die virtuelle Maus erhöhe die Sicherheit neuer Materialien oder Therapien schon vor deren Entwicklung.
„Das Ziel ist, ganz auf Tierversuche verzichten zu können“
Allerdings gibt der Empa-Forscher zu bedenken, dass der Datensatz, mit dem das Modell bis jetzt trainiert wurde, noch sehr klein ist: Bis jetzt seien nur 18 «Peer-Reviewed Papers» auffindbar gewesen, deren Datenqualität genügte. «In vielen Studien werden die Eigenschaften der verwendeten Nanopartikel nicht ausreichend beschrieben», merkt er an. Es gilt nun, die virtuelle Maus mit zusätzlichen Studiendaten zu füttern und zu verifizieren, um die Zuverlässigkeit der Vorhersagen weiter zu erhöhen. «Unser Fernziel besteht darin, den Prozess der Entwicklung von nanomedizinischen Materialien bis zur Anwendung als Medikament an der Patientin oder dem Patienten zu verkürzen und dabei möglichst auf Tierversuche verzichten zu können», betont er.
Das Modell für die menschliche Forschung nutzbar machen
Jimeng Wus zukünftige Forschungsarbeit wird sich zudem einer sogenannten «Brückenstrategie» widmen, um das Prinzip ihres in silico-Modells auf die menschliche Forschung zu übertragen. Dafür plant sie, die Prinzipien der virtuellen Maus in ein menschliches PBPK-Modell einzubetten. Im Gegensatz zu ihrer simulierten Maus, die lediglich die Verteilung von Nanopartikeln in Leber, Nieren, Lunge und Milz berechnet, könnte ein menschliches in silico-Modell auch zur Untersuchung sensibler Zielorgane eingesetzt werden – zum Beispiel, um zu erforschen, in welchem Ausmass bestimmte Nanopartikel die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Nanopartikel könnten dem betreffenden Organ in der Rolle von «Postboten» ein Päckchen mit einer gezielten Dosis Chemotherapie überbringen.
