Mikro- und Makromodelle zusammengebracht >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Strömungsprozesse in Blutgefäßen

Das Magnetresonanzbild eines menschlichen Gehirns oder die Zeichnung einer Lunge würde man am Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung des Instituts für Wasserbau nicht unbedingt vermuten. Lehrstuhlinhaber Prof. Rainer Helmig hat dafür jedoch eine durchaus verständliche Erklärung parat: Strömungs- und Transportprozesse in porösen Medien sind ein Forschungsschwerpunkt seines Teams. Und zu den porösen Medien zählen eben auch Teile des „biologischen Systems Mensch“.

Schon vor fünf Jahren baten Mediziner die Stuttgarter Wissenschaftler, die Ausbreitung von Medikamenten gegen Hirntumore zu modellieren, die direkt in die betroffene Gehirnregion injiziert werden. Im Rahmen des Projekts „Coupling of Micro and Macro Models for Complex Flow and Transport Processes in Biological Tissue“ steht nun die Lunge des Menschen im Zentrum ihres Interesses. Das Ziel: Die Ausbreitung eines in die Blutbahn applizierten Medikaments gegen Lungentumore und dessen Kontakt mit den Tumorzellen möglichst genau – bis auf Zellniveauebene – zu simulieren. Dazu werden die Wissenschaftler den Weg des Medikaments im Blutstrom bis in die Kapillaren, die kleinsten Bluttransportgefäße, durch deren Wand ein steter Stoffaustausch mit dem umgebenden Gewebe stattfindet, mittels mathematischer Methoden beschreiben. Untersucht werden auch die Vorgänge beim Transport durch die Kapillarenwand, beim Überwinden der Zellzwischenräume und schließlich beim Eintritt in eine Tumor- oder normale Gewebezelle.
Aus physikalischer Sicht hoch komplexe Vorgänge wechseln sich auf diesem Weg ab mit wesentlich einfacheren Prozessen. Während Erstere, wie etwa der Transport durch die Kapillar- und Zellwände, eine sehr feinskalige Betrachtung erfordern, erlauben Letztere, zu denen beispielsweise die Strömungs- und Transportprozesse in den Zellzwischenräumen zählen, eine gröbere Beobachtungsskala. Diese unterschiedlichen Betrachtungsweisen zu kombinieren und die im Makro- und Mikromaßstab gewonnenen Daten so zusammenzufassen, dass daraus eine Simulation mit der erforderlichen Genauigkeit entsteht, ist die Herausforderung, vor der Rainer Helmig und sein Team jetzt stehen.

Patientenspezifische Tumortherapie als Vision

Man könnte nun einwenden, das Problem ließe sich umgehen, indem man einfach alles genau beschreibt. Dies scheitert jedoch an dem enormen Datenaufwand und der dafür erforderlichen Rechenleistung. Ohne die Kombination von exakter und gröberer Beschreibung der unterschiedlich komplexen und relevanten Vorgänge bleiben daher nur zwei Möglichkeiten: Sich auf eine exakte Beschreibung auf kleinstem Raum beschränken oder in einem größeren Gebiet auch größere Ungenauigkeiten in Kauf nehmen. Um die Ausbreitung eines Krebsmedikamentes in der Lunge bis auf die Vorgänge beim Transport durch die Zellwand so genau wie möglich abzubilden, sind beide Ansätze unzureichend. Die Vision, so betont Helmig, reiche weit über die Zeit des SimTech-Projekts hinaus. Tatsächlich geht es um nicht weniger als eine patientenspezifische Tumor-Therapie: Diese würde von der Organ- bis hin zur Zellebene anhand der persönlichen Kennzahlen des Patienten errechnet, simuliert und schließlich angewendet.  Julia Alber

Von Grob nach Fein: Übergänge von makro- zu mikroskalischer Betrachtung am Beispiel eines Lungentumors.             (Grafiken: Adam/Reuss)

KONTAKT
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Prof. Rainer Helmig
Institut für Wasserbau
Tel. 0711/685-64741
e-mail: helmig@simtech.uni-stuttgart.de
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