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AI menschlicher Körper
Concept Photo Studio - stock.ado |© Nathalie Pothier

Eine Reise in die Geheimnisse unserer Zellen

Was ist der Human Cell Atlas (HCA) und welche wichtige Rolle haben Forschende von Helmholtz Munich in diesem weltweiten Projekt?

Was ist der Human Cell Atlas (HCA) und welche wichtige Rolle haben Forschende von Helmholtz Munich in diesem weltweiten Projekt?

Wir Menschen sind neugierig. Wir streben danach alles zu erforschen. Wir reisen bis ins Weltall und in die Tiefen des Ozeans. Nichtsdestotrotz gibt es viele spannenden Entdeckungen, die in uns selbst warten – in unserem eigenen Körper.

Menschen und alle anderen lebenden Organismen auf diesem Planeten bestehen aus den gleichen Bausteinen – den Zellen. Zellen sind atemberaubend vielfältig. Und das ist auch gut so, denn nur so sind Zellen in der Lage, unzählige verschiede Anforderungen zu erfüllen.

Man stelle sich vor, wie unterschiedlich Zellen sein müssen, die für die Stabilität unserer Knochen sorgen, im Vergleich zu Zellen, welche die Atmung in unseren Lungen ermöglichen. Doch nicht alle Unterschiede sind so offensichtlich. Manche Zelltypen unterscheiden sich nur minimal voneinander. Genau dieser winzige Unterschied ist oft ausschlaggebend für die richtige Funktionsweise einzelner Organe. Der menschliche Körper hat im Durschnitt 37,2 Billionen Zellen.

Expert:innen aus diversen Bereichen und aus der ganzen Welt arbeiten gemeinsam daran, all diese Geheimnisse in unseren Zellen zu erforschen. Das Ziel: Sie wollen eine Karte unseres Körpers, den Human Cell Atlas (HCA) erstellen. Die Forschenden analysieren dabei jede einzelne Zelle des Körpers in Bezug auf den Zelltyp, die Zusammensetzung, die Funktion und die Position. Ein vollständiger Zellatlas wird unser Verständnis von Biologie revolutionieren.

Jeder Zelltyp bekommt eine eigne „ID card“, eine Art Ausweis, der alle spezifischen Informationen und eine umfassende Charakterisierung enthält. Die genaue Position jeder Zelle wird auf einer Karte unseres Körpers präzise dargestellt und ermöglicht so detailreiche Einblicke in unsere Organe und Gewebe. Der Zellatlas wird dadurch unser Verständnis der Biologie von Zellen verändern und noch nie dagewesen Erkenntnisse über die Zusammenhänge und Verbindungen zwischen einzelnen Zellen offenbaren.

„Ein Atlas oder eine Karte hilft uns, uns im Alltag zurecht zu finden. Gleichermaßen streben wir mit dem Human Cell Atlas Projekt danach, ein Model des menschlichen Organismus in der Form einer Zellkarte zu erstellen.“

„Ich war von Anfang an von den Möglichkeiten dieses großangelegten Projekts begeistert und habe daher im Lung Biological Network des HCA mitgearbeitet.“

Gewebe und Organe unter der Lupe: ein Meilenstein für die medizinische Forschung

Ein vollständiger Zellatlas wird unsere Gewebe und Organe in beispiellosem Detail darstellen. Noch nie zuvor wurden so viele verschiedene Datensätze von so vielen Individuen in einem einzelnen Projekt zusammengefasst. Mit dieser Vielfalt an Daten wird der Zellatlas die Menschen als Ganzes beschreiben und auf der ganzen Welt von Nutzen sein.

Für ein Großprojekt in diesem Ausmaß ist eine globale Kooperation unerlässlich. Der Human Cell Atlas wurde 2016 ins Leben gerufen und zurzeit hat das Projekt 3000 Beteiligte aus 97 Ländern. Die ersten Erfolge sind auch bereits zu verzeichnen: Einige Einzelatlanten von Organen wurden bereits veröffentlicht.

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Credit: Broad Institute of MIT and Harvard

Neuste Technologien und KI machen den Human Cell Atlas möglich

Spitzentechnologien und die Hilfe von künstlicher Intelligenz (KI) machen es möglich, die zelluläre Diversität aufzudecken. Der immense Fortschritt im Bereich der Zelltechnologien in den letzten zehn Jahren ist hier ausschlaggebend.

Wissenschaftler:innen sind jetzt in der Lage, einzelne, individuelle Zellen genaustens zu untersuchen. Dies ermöglicht nicht nur Organe als Ganzes zu analysieren, sondern die unterschiedlichen einzelnen Zellen individuell zu erforschen. Die daraus gewonnen Erkenntnisse können als Grundlage für die Gesundheitsforschung eingesetzt werden, um neuste Behandlungsmöglichkeiten und Medikamente, sowie Diagnostikverfahren zu entwickeln. Die Vielfalt der Zellen im menschlichen Körper ist umfangreicher als bisher angenommen, und gleichzeitig erfassen wir kontinuierlich zunehmende Datenmengen, die verarbeitet werden müssen.

„KI ist der Durchbruch. Mit künstlicher Intelligenz können wir nun die zellulären Merkmale zwischen vielen verschiedenen Personen vergleichen. Die Datenmenge geht dabei weit über das hinaus, was in einer einzelnen Studie zeit- und kosteneffizient möglich wäre.“

   

Die aktuelle Flut an Daten kann nur mit Hilfe von KI-gestützten Computerprogrammen und maschinellem Lernen verarbeitet und zielführend genutzt werden. Hier kommt die Expertise von Helmholtz Munich ins Spiel. An unserem Forschungszentrum werden die notwendigen Methoden für die Datenintegration und Auswertung sowie die zugehörigen Messgrößen entwickelt. Entscheidend bei diesen computerbasierten Techniken ist, dass echte biologische Unterschiede zwischen Individuen erkannt werden. Um dies zu gewährleisten, müssen die Methoden sogenannte Batch Effekte überwinden können. Das sind alle Unterschiede in Daten zwischen Proben, die durch die Probenentnahme oder die Laborgegebenheiten entstehen. Forschende von Helmholtz Munich haben dazu bereits bestehende Methoden weiterentwickelt, sodass diese nun speziell angepasst auf bestimmte Gewebe oder Organ sind.

Welchen Beitragt leistet Helmholtz Munich zum Human Cell Atlas Projekt?

Fokus Lunge: Helmholz Munich entwickelte den ersten Einzelzell-Atlas der menschlichen Lunge

 

Wissenschaftler:innen von Helmholtz Munich sind besonders bei einem Organ im Human Cell Atlas Projekt involviert: der Lunge. Auf Grund der Größe des Organs und der Häufigkeit an Lungenkrankheiten ist die Lunge eines der Fokusprojekte des HCAs. Bereits im Jahr 2017, starteten die beiden Forscher Fabian Theis und Herbert Schiller vom Computational und Environmental Health Center bei Helmholtz Munich mit Einzelzellanalysen. Mit Hilfe ihrer Teams und durch weltweite Kollaboration konnte sechs Jahre später im Jahr 2023 der Human Lung Cell Atlas (HLCA) vorgestellt werden. Es ist der erste ganzheitliche Atlas eines großen Organs im Rahmen des HCAs und damit ein Meilenstein des Projekts.

Mit Daten von mehr als 400 Individuen, wurden in Rahmen des HLCAs 61 verschiedene Zelltypen in der Lunge beschrieben. Dabei wurden einige bisher noch nicht bekannte seltene Zelltypen identifiziert. Darüber hinaus wurden Genaktivitätsvariationen in Zusammenhang mit der Lokalisation der Zellen in der Lunge gebracht. Für die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft offen zugänglich ermöglicht der HLCA die Integration von weiteren Daten. So wird der Atlas kontinuierlich erweitert und noch umfangreicher. Ein Beispiel für eine Erweiterung sind die aktuellen Arbeiten von Herbert Schiller und seinem Team. Die Forschenden analysieren die Proteinzusammensetzung der Zellen in verschiedenen Regionen von Lungen mit chronischen Krankheiten. Das Team verwendet auch Schnitte menschlichen Lungengewebes für Einzelzell-Messungen um die Reaktionen verschiedener Zellen auf experimentelle Störungen oder der Behandlung mit Medikamenten zu erforschen (mehr hier). Letztlich wird dieses gewonnene Wissen helfen zu verstehen, wie Krankheiten Gewebe beeinflussen und die Entwicklung neuer Behandlungsansätze ermöglichen.

„Der derzeitige Human Lung Cell Atlas hat bereits einen großen Einfluss auf die Grundlagen- und angewandte Forschung von Lungenkrankheiten. Der Atlas bietet eine umfassendere Datenquelle von zellulären Informationen und Verknüpfungen. Mehr als jede einzelne Studie zuvor.“

Prof. Herbert Schiller

Eine Revolution für die Behandlung von Krankheiten

Bereits jetzt schon haben die Erkenntnisse aus dem HCA einen großen Einfluss auf die klinische Praxis. Der HCA revolutioniert unser Verständnis von Krankheiten. Die identifizierten krankheitsbedingten Zelltypen und veränderten Zellstadien geben Auskunft über Mechanismen und Diagnosen von Krankheiten. Zugleich ist das Wissen grundlegend für die Entwicklung regenerativer und präzisions-medizinischer Ansätze.

Der Vergleich von gesunden und erkrankten Zellen liefert wichtige Hinweise, um Diagnosekriterien festzulegen, kann aber gleichzeitig auch dazu beitragen, Zielstrukturen für eine Behandlung zu bestimmen. Auch präventiv können die Ergebnisse aus dem HCA genutzt werden: Mit ihnen kann in Zukunft die Entstehung von Krankheiten rechtzeitig erkannt und vermieden werden.

Für die weitreichenden medizinischen Erfolge des HCAs ist besonders die COVID-19 Pandemie ein gutes Bespiel. Während der Pandemie wurden Millionen von Zellen analysiert. So konnten Forscher:innen den Prozess der Virusinfizierung und die virale Antwort im Körper genaustens verstehen. Schlussendlich führten die Analysen zu Einblicken in den Krankheitsverlauf und lieferten wertvolle Erkenntnisse über die Eintrittspunkte der Viren.

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Credit: Human Cell Atlas

Auch der von Helmholtz Munich kürzlich erstelle Human Lung Cell Atlas wird in den kommenden Jahren die Grundlagenforschung von Lungenkrankheiten verändern. Zum ersten Mal bietet der HLCA eine Referenz für Zelleigenschaften und -funktionen in der Lunge. Bereits jetzt führt der Atlas zu einem besseren Verständnis von Lungengesundheit. Forschende sind nun in der Lage Lungenkrankheiten mit gesunden Lungen zu vergleichen.

In der Zukunft wird der Atlas zu einem umfassenden Verständnis von Krankheitsentstehungen führen. Zudem bietet der Atlas eine Grundlage für die Entwicklung von Frühdiagnoseverfahren und um zu erforschen, warum Menschen mit ähnlichen Krankheiten unterschiedliche Verläufe erleben.

Aktuell wird an einer Erweiterung des Referenzatlas mit sogenannten Spatial Methods gearbeitet. Hierbei werden die Zellen in einen räumlichen Kontext eingeordnet, wodurch man besser die Zellkommunikation in einer bestimmten Umgebung eines Gewebes analysieren kann. Schlussendlich wird durch diese Bemühungen nicht nur unser Krankheitsverständnis erweitert, sondern schließlich auch die Entwicklung von Medikamenten vorangetrieben.

Mehr zur Forschung rund um den Human Cell Atlas bei Helmholtz Munich

Mehr Information zum Human Cell Atlas.

Die Pressemitteilung zum Launch des HCA im Oktober 2016. (in englisch) 

Mehr zur Human Lung Cell Atlas Publikation: Sikkema et al. (2023): An integrated cell atlas of the lung in health and disease. Nature Medicine. DOI:10.1038/s41591-023-02327-2

Mehr zu den Forschenden bei Helmholtz Munich 

Prof. Dr. Dr. Fabian Theis, Direktor des Computational Health Centers und Direktor des Instituts for Computational Biology bei Helmholtz Munich.

Prof. Dr. Herbert Schiller, stellvertretender Direktor und Gruppenleiter am Institut of Lung Health and Immunity am Environmental Health Center bei Helmholtz Munich

Dr. Malte Lücken, Principal Investigator am Computational Health Center und am Environmental Health Center bei Helmholtz Munich