Portrait

Grenzgänger der Wissenschaft

Prof. Dr. Michael Meyer-Hermann leitet die Abteilung System-Immunologie am Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology (BRICS), dem Forschungszentrum für Systembiologie des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung und der Technischen Universität Braunschweig. Bild: anna.laclaque

In den theoretischen Disziplinen vermisste Michael Meyer-Hermann den Bezug zu den "echten" Problemen der Menschheit. Nun verbindet der Braunschweiger Querdenker Physik, Biologie und Mathematik, um die medizinische Forschung voranzutreiben.

Wenn man mit Michael Meyer-Hermann spricht, fällt ein Begriff besonders oft: Dynamik. Die Entwicklung biologischer Systeme, der Verlauf einer Krankheit, die Interaktion von Erregern mit dem Immunsystem – das alles sind dynamische Prozesse. Sie stehen im Mittelpunkt der Forschungsarbeit des Braunschweiger Wissenschaftlers. Auch er selbst wirkt alles andere als statisch: In Jeans und Lederjacke jettet der drahtige Physiker von Konferenz zu Konferenz und zurück ins Labor. Oder auch mal tief in kanadische Wälder, wo der Handyempfang schlecht ist und er bis auf ein paar Strumpfbandnattern niemanden trifft.

Mathematische Modelle ergänzen medizinische Momentaufnahmen

"In der Medizin basieren viele Datenanalysen auf einzelnen Schnappschüssen der Zustände von Patienten", erklärt Meyer-Hermann. Ärzte können aus diesen Schnappschüssen Erkenntnisse über den aktuellen Stand einer Erkrankung gewinnen. Dafür nutzen sie unter anderem Methoden der künstlichen Intelligenz (KI), wie beispielsweise maschinelles Lernen. In welche Richtung eine Krankheit sich weiter entwickeln wird, ist auf Basis einzelner Messwerte allerdings schwer zu erfassen. Nehmen wir das Beispiel eines Botenstoffes, den Zellen bei Entzündungen ausschütten. Eine erhöhte Konzentration dieses Stoffes im Blut zeigt eine Entzündung an. Ob diese aber gerade erst entsteht oder schon abklingt, kann der Arzt allein an diesem Wert nicht erkennen.

Michael Meyer-Hermann und seine Mitarbeiter entwerfen deshalb mathematische Modelle, die dynamische Vorgänge im Körper des Menschen vorhersagen können. Mathematik betrachtet er als Handwerkszeug für die Erforschung von Naturphänomenen. Und mit Zahlen und Formeln kennt er sich aus. "Meine quantitative Ausbildung aus der Promotion in Theoretischer Physik im Gebiet der Quantenfeldtheorie habe ich in die Biologie getragen", erzählt der Physiker. In der Theoretischen Physik vermisste er den Bezug zu "echten" Problemen der Menschheit. Den fand er in der Biologie, insbesondere der medizinischen Forschung. Meyer-Hermann denkt gerne in Systemen, erforscht zum Beispiel das Immun- und das Nervensystem des Menschen und deren Interaktionen.

Heute leitet er die Abteilung System-Immunologie am Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology (BRICS), dem Forschungszentrum für Systembiologie des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung und der Technischen Universität Braunschweig. Biologe ist er zwar nicht, aber: "Immer öfter stelle ich mich inzwischen als Immunologe vor", so der Wissenschaftler mit der Doppelrolle. Disziplinübergreifend zu arbeiten und zu denken ist für ihn ganz natürlich. Neben Physik und Mathematik hat Michael Meyer-Hermann sich in seinem Philosophiestudium mit der Theorie der Ästhetik und mit dem Phänomen der Intuition befasst. "Der Einfluss dieser Faktoren auf die Wissenschaft", meint er, "wird wahrscheinlich unterschätzt." Intuition, Ästhetik und Experimente begleiten den Physiker-Immunologen auch außerhalb seiner Forschung. Er unterstützt seine Frau, die Künstlerin anna.laclaque, bei der Entwicklung experimenteller Kunstprojekte und Performances durch Photographie und Elektromusik. Gemeinsam versuchen sie, die Grenzen künstlerischer Disziplinen zu sprengen. In Braunschweig findet das Paar nicht zuletzt durch die renommierte Hochschule für Bildende Kunst eine lebendige Szene für experimentelle Kunst. "Gerade mit Familie hat die Stadt die richtige Größe", findet Meyer-Hermann. "Braunschweig ist klein genug, um es Kindern zu erlauben sich selbstständig frei zu bewegen, und groß genug, um auch als Erwachsener kulturell etwas geboten zu bekommen", erklärt der Sohn eines Klavierprofessors und einer Pianistin.

"Systembiologie bedeutet für mich, Wissen und Daten in dynamische mathematische Modelle zu integrieren, damit diese eine starke Vorhersagekraft bekommen."

Den Verlauf einer Erkrankung vorherzusagen ist von zentraler Bedeutung, um für jeden Patienten die optimale, individuell angepasste Therapie auszuwählen. Und auf die kommt es an, nicht nur um Menschen mit chronischen Erkrankungen wie rheumatoider Arthritis zu helfen, sondern auch, um hochinfektiösen Erregern wie dem Ebolavirus entgegenzutreten. Methoden des maschinellen Lernens können Modelle hervorbringen, anhand derer sich Krankheitsverläufe vorhersagen lassen. "Sie schöpfen ihre Vorhersagekraft allerdings allein aus den Patientendaten",  gibt Meyer-Hermann zu bedenken. In seine mathematischen Modelle dagegen fließen auch wissenschaftliche Erkenntnisse und medizinische Erfahrung ein. "Dabei basieren unsere Modelle auf strikten erkenntnistheoretischen Prinzipien",  betont er – wieder hört man den theoretischen Physiker heraus.

Big Data und die Sprache der Mathematik

Mit den modernen Technologien zur Sequenzierung und Identifizierung von DNA, RNA und Proteinen sind die "Omiks"-Disziplinen groß geworden. Sie betrachten die Gesamtheit aller Elemente einer bestimmten Kategorie in einem System, zum Beispiel das Genom als Gesamtheit aller Gene. Die Genomik erforscht also die Gene, Proteomik beschäftigt sich mit den Proteinen, Transkriptomik mit den Transkripten (den kurzlebigen Abschriften der Gene, die als Bauplan für Proteine dienen). Inzwischen hat sich eine Reihe weiterer Omik-Ansätze etabliert. In diesen Forschungsdisziplinen fallen riesige Datenmengen an, man spricht von Big Data.

Auch Michael Meyer-Hermann arbeitet mit Big Data, um seine Modelle zu entwickeln. Dabei steht Big in seinem Fall häufig nicht für die schiere Menge. "In allen Projekten, die ich bearbeitet habe, hatten wir eigentlich zu wenig Daten", sagt er. Gerade medizinische Untersuchungsergebnisse in der erforderlichen Qualität sind nämlich ein rares Gut für die Systembiologen. Häufig stammen die Daten, mit denen sie arbeiten müssen, aus unterschiedlichen Quellen. Big steht dann eher für die große Heterogenität des Ausgangsmaterials. Meyer-Hermann erinnert sich an sein erstes Big Data Projekt. "Es ging um die Bildung von Antikörper-produzierenden Zellen und wir hatten Daten auf allen erdenklichen Ebenen: Mutationen im Genom, Transkriptom und Proteom der Immunzellen, die Interaktionen mit anderen Zellen, Zellmotilität und vieles mehr." Der studierte Physiker, Mathematiker und Philosoph nutzte die Sprache der Mathematik, um elegante Brücken zwischen den Erkenntnissen aus diversen Disziplinen zu bauen. "Heute verfügen wir über eine Simulation, die mit all diesen Daten validiert wurde und weltweit für die Erforschung der Antikörperproduktion eingesetzt wird." Meyer-Hermann nutzt sie auch in dem internationalen Projekt, das er derzeit koordiniert. Mediziner, Biologen, Biophysiker und Theoretische Physiker aus aller Welt, gefördert vom Human Frontier Science Program (HFSP), erforschen gemeinsam den Informationsfluss in der Entwicklung neuer Antikörper. "Auch hier geht es darum, mithilfe unserer Modelle ein kohärentes Bild des Gesamtsystems zu entwerfen." So baut der Braunschweiger Querdenker Brücken nicht nur zwischen Disziplinen sondern auch zwischen Forschern verschiedener Kontinente.

Prozessmodellierung bringt Erkenntnisgewinn und klinischen Fortschritt

In einem anderen Projekt programmierten Meyer-Hermann und seine Kollegen ein Modell, mit dem sie berechneten, zu welcher Tageszeit ein entzündungshemmendes Medikament am besten verabreicht wird, um die optimale Wirkung zu erzielen. Ihr Ergebnis warf die gängige Cortisol-Therapie für rheumatoide Arthritispatienten über den Haufen und veränderte die klinische Praxis. "Es war ein großartiges Erlebnis, als mein Nachbar, der an rheumatoider Arthritis leidet, mir erzählte: Michael, deine Forschung hat Wirkung. Mein Arzt war auf einer Fortbildung und hat mir gesagt, ich solle die Pille jetzt abends nehmen." Wenn also nicht nur das Modell stimmt, sondern auch die Patienten direkt profitieren, fühlt sich Meyer-Hermann in seinem Wechsel in die medizinische Forschung bestätigt.

Besonders spannend findet er, wenn die Vorhersagen aus seinen Modellen einmal nicht mit der Wirklichkeit übereinstimmen. "Dann hat man etwas falsch gemacht und kann diesen Fehler lokalisieren", erklärt er. Das kann zu einem echten Umbruch in einer Forschungsdisziplin führen. "Denn die Daten lügen nicht", weiß Meyer-Hermann. Also müssen die Experten, deren Wissen in das Modell eingeflossen ist, ihre Thesen überprüfen – und häufig neu formulieren. Auf diese Weise tragen die mathematischen Modelle der Systembiologen nicht nur dazu bei, Diagnose und Therapie von Patienten in der klinischen Praxis zu optimieren. Gleichzeitig bringen sie einen greifbaren Erkenntnisgewinn für die Wissenschaft.

Am neu gegründeten Centre for Individualised Infection Medicine (CIIM) in Hannover arbeitet Meyer-Hermann nun auch daran, Methoden aus der künstlichen Intelligenz mit dynamischen Modellen zu verbinden. "Beide Methoden haben Stärken und Schwächen. In vielen Bereichen der Analyse von Patientendaten im dynamischen Kontext von Infektionserkrankungen könnte man mit kombinierten Methoden, die die Stärken beider Methoden vereinen, einen großen Mehrwert für die Entwicklung der individualisierten Medizin erzielen", erklärt er.

Die interdisziplinäre Arbeit mit Forschern aus aller Welt am BRICS, im HFSP und am CIIM hält Michael Meyer-Hermann auf Trab. Und auch privat ist er viel auf Achse. "Mit meiner Frau reise ich sehr viel. Wir sind immer auf der Jagd nach vergessenen Orten in den Metropolen der Welt, die sich für eine Kunst-Performance eignen." Oft bringen sie von ihren Besuchen Material für neue Werke mit. "Wir machen Aufnahmen von einer eigenen Kunstaktion in den Straßen oder auf Gebäuden und Brücken der Stadt" erzählt Meyer-Hermann. Zurück in Braunschweig können sie diese multimedialen Eindrücke dann weiterverarbeiten. "Zu ruhig ist es uns im Leben eigentlich selten gewesen."

12.10.2018 , Ulrike Schneeweiß
Leserkommentare, diskutieren Sie mit (0)
Keine Kommentare gefunden!
Kommentar hinzufügen

Ihr Kommentar wird nach dem Absenden durch unsere Redaktion geprüft und dann freigegeben, wir bitten um etwas Geduld. Bitte beachten Sie auch unsere Kommentarregeln.

Your comment will be checked by our editors after sending and then released, we ask you for a little patience.

Druck-Version