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23. Dezember 2005

Zuschauen, wie sich die Hautzellen erneuern

Dr. Niels Grabe schrieb dazu das weltweit erste Computerprogramm

Bioinformatiker sind gemeinhin nüchterne Zeitgenossen. Wenn Dr. Niels Grabe, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Medizininformatik am Universitäts-Klinikum, die Zellerneuerung in der Haut also mit einem Vogelschwarm vergleicht, muss das gute Gründe haben. "Zellen verhalten sich kollektiv, genau wie Vögel in einem Schwarm. Wir wissen heute, dass Krebszellen 'diszipliniert' werden können, wenn sie von gesundem Gewebe umgeben sind, genau wie Vögel oder Fische sich in einem Schwarm nach einem bestimmten Muster verhalten", erklärt Grabe.

Dr. Niels Grabe von der Abteilung für Medizinische Informatik des Universitätsklinikums hat das weltweit erste Computermodell der menschlichen Haut entwickelt.
Dr. Niels Grabe von der Abteilung für Medizinische Informatik des Universitätsklinikums hat das weltweit erste Computermodell der menschlichen Haut entwickelt. Es simuliert, wie sich Hautzellen erneuern und bietet so auch die Möglichkeit, neue Therapieansätze zu entwickeln.
Foto: Stefan Kresin

Zusammen mit dem Hamburger Dermatologen Professor Karsten Neuber vom Universitätsklinikum Eppendorf hat Grabe das weltweit erste Computermodell der menschlichen Haut entwickelt. Die beiden Wissenschaftler fütterten den Computer mit Daten zur Entstehung und Erneuerung der Epidermis; dieser äußere Teil der Haut besteht aus mehreren Schichten. Viele verschiedene Zellarten sind daran beteiligt und für jede hat Grabe ein eigenes Programm geschrieben. Das läuft im Computer selbstständig ab und lässt so auf dem Bildschirm ein zweidimensionales Bild entstehen.

Es ist faszinierend zu beobachten, wie sich die Zellen der verschiedenen Hautschichten – auf dem Bild unterschiedlich gefärbt- teilen, verändern, an die Oberfläche der Haut wandern und sich dann auflösen. Gleichzeitig zeigen kleine Graphiken, wie sich der Stoffwechsel in der Zelle dabei verändert. "Bis sich alle Zellen komplett erneuert haben, vergehen zwischen 672 und 1080 Stunden", so Grabe. Ohne dies vorher explizit berechnet zu haben, ergibt das Computermodell eine gut passende Zeitspanne zwischen 500 und 750 Stunden, so dass die Forscher auf dem Computer auch Vorgänge beobachten können, die für unser Auge unsichtbar in der Haut passieren.

Grabe und Neuber haben im Oktober 2004 ihr interdisziplinäres Projekt gemeinsam in Hamburg begonnen, bevor Grabe im August 2005 nach Heidelberg wechselte. Beide sind fasziniert von der Systembiologie, einem neuen Trend, der Computer- und Labortechnologie vereint. "Die Zelle allein bringt' s nicht", formuliert Grabe. Molekularbiologen hätten zwar in den letzten Jahren die Struktur der einzelnen Zelle immer genauer erforscht, "aber wir müssen den ganzen Komplex betrachten und deshalb ganze Gewebeverbände simulieren". Genau das geschieht im Computerprogramm, das weltweit erstmals den Faktor Zeit einfügt und die Bilder zum Laufen bringt.

Der Bioinformatiker simuliert in seinem Programm auch Experimente. "Wenn man beispielsweise die Haut mit Lösungsmitteln abreibt oder ein Pflaster abzieht, wird die oberste Barriere der Haut entfernt und dadurch die Kalzium-Verteilung innerhalb der Haut gestört. "Wir können diese molekularen Funktionsabläufe innerhalb der Haut simulieren", erläutert der Wissenschaftler und zeigt auf dem Bildschirm. Dort ist deutlich zu erkennen, wie sich im Modell die oberste Zellschicht auflöst; gleichzeitig sinkt die Kalzium-Kurve auf der eingeblendeten Graphik ab. Die Forscher erhoffen sich von dem Computermodell insbesondere neue Perspektiven bei der Behandlung schwerer Hautkrankheiten wie Schuppenflechte oder Krebs. Bei Schuppenflechte ist neben dem Immunsystem wesentlich die Zellteilung gestört, bei Hautkrebs ist neben der Zellteilung die Zellreifung beeinträchtigt; beides potentielle Anwendungsgebiete des Modells. Ebenso können andere Zellarten wie Immunzellen eingegeben werden. Wird auch die Kosmetikindustrie von Grabes Erkenntnissen profitieren? Wenn man weiß, wie sich die Haut erneuert, müsste es doch möglich sein, endlich das ultimative Mittel gegen Falten, Pickel und Sommersprossen zu finden?

Der Wissenschaftler lacht und warnt vor voreiligen Spekulationen: "Natürlich regt das die Phantasie an, aber Haut ist ein sehr komplexes System, und es werden noch Jahre vergehen, bis unsere Forschung für die Pharma- und Kosmetikindustrie anwendungsreif ist." Ein Ziel für die nächsten Jahre sei es, experimentelle Forschungen der Molekularbiologen mit der Computersimulation weiter zu vernetzen; interessierte Fachkollegen jedenfalls gibt es genug.

Ingeborg Salomon



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Irene Thewalt
Pressestelle der Universität Heidelberg
Tel. 06221 542311, Fax 542317
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