Smart NeuroScreen: IMC Krems startet KI-gestütztes Forschungsprojekt zur digitalen Analyse neuronaler Netzwerke

Neurodegenerative Erkrankungen als wachsende globale Belastung

Neurodegenerative Erkrankungen zählen weltweit zu den häufigsten Ursachen für krankheitsbedingte Behinderungen und stellen eine enorme medizinische, gesellschaftliche und wirtschaftliche Herausforderung dar. Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson, frontotemporale Demenz oder ALS führen zum fortschreitenden Verlust von Nervenzellen und zum Zusammenbruch neuronaler Netzwerke.
Da Nervenzellen nur begrenzt regenerationsfähig sind, resultieren daraus dauerhafte Einschränkungen kognitiver, motorischer und sensorischer Funktionen. Trotz intensiver Forschung gibt es bislang keine heilenden Therapien – der Bedarf an neuen Wirkstoffen ist entsprechend hoch.

KI trifft Zellbiologie: Digitale Analyse neuronaler Netzwerke

Smart NeuroScreen entwickelt eine automatisierte High-Content-Plattform im 96-Well-Format auf Basis von aus Stammzellen (hiPSCs) abgeleiteten menschlichen Nervenzellen. Damit lassen sich neuronale Entwicklungs- und Krankheitsprozesse realitätsnah im Labor abbilden. „Wir schaffen ein System, das neuronale Prozesse nicht nur sichtbar, sondern erstmals in großer Skalierung quantitativ vergleichbar macht“, so Projektleiter und Forschungsprofessor Christoph Wiesner.

„Für unsere Untersuchungen nutzen wir eine innovative Methode namens „Molecular Painting“. Dabei werden Nervenzellen auf genetischer Ebene so markiert, dass sie unter dem Mikroskop in verschiedenen Farben sichtbar werden. Die gesamte Zelle – inklusive ihrer Fortsätze, der Dendriten und Axone – leuchtet grün. Die Kontaktstellen, an denen Signale empfangen werden (postsynaptische Bereiche), erscheinen blau und die Bereiche, die Signale weitergeben (präsynaptische Strukturen), werden rot dargestellt.
„Das Besondere daran ist, dass diese farbliche Markierung erst aktiv wird, wenn sich die Zellen tatsächlich zu Neuronen entwickeln. Dadurch können wir gezielt reife Nervenzellen untersuchen. Vereinfacht gesagt entsteht so eine Art ‚Landkarte‘ der Nervenzellen, auf der zentrale Strukturen klar erkennbar sind. „Veränderungen – etwa durch den Einfluss von Wirkstoffen – lassen sich dadurch präzise beobachten und mithilfe moderner Bildanalyse automatisiert auswerten“, so Wiesner.
Automatisierte Mikroskopie und KI-gestützte Bildanalyse erfassen Wachstum, Vernetzung und Funktion neuronaler Zellen in Echtzeit. Dadurch können große Wirkstoffbibliotheken parallel getestet werden – effizient, reproduzierbar und deutlich schneller als bisherige Verfahren.

Digitale Phänotypisierung als Schlüsseltechnologie

Im Zentrum des Projekts steht die digitale Phänotypisierung neuronaler Zellen: Morphologische und funktionelle Eigenschaften werden algorithmisch erfasst und in datenbasierte Modelle überführt. Die Forschungsprofessur „Cellomics/High-Content Screening“ am IMC Krems entwickelt hierfür zellbasierte Testsysteme, die komplexe biologische Prozesse realitätsnah abbilden und in der Wirkstoffentwicklung, Toxizitätsprüfung und Neurobiologie eingesetzt werden.
Ziel ist die Identifikation relevanter Zielstrukturen und Biomarker sowie die umfassende Analyse neuronaler Signalwege. So entsteht ein datengetriebener Ansatz, der biologische Mechanismen präziser zugänglich macht.

Kooperation für die Medizin der Zukunft

Smart NeuroScreen entsteht in enger Zusammenarbeit zwischen dem IMC Krems und der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (KL), unter Beteiligung von Prof. Dr. Gerald Obermaier (KL). Untersucht wird insbesondere, wie potenzielle Wirkstoffe die Ausbildung von Dendriten und Axonen sowie die Bildung funktioneller neuronaler Netzwerke beeinflussen. Die Ergebnisse fließen direkt in die Weiterentwicklung der Plattform ein.

Ein Schritt zu präziserer und nachhaltiger Neuroforschung

Mit Smart NeuroScreen baut das IMC Krems seine Expertise in der KI-gestützten Zellforschung und digitalen Neurobiologie weiter aus. Das Projekt verbindet Zellbiologie, Bildgebung und Datenanalyse zu einem integrierten Ansatz für die Wirkstoffforschung. „Unser Ziel ist es, die Lücke zwischen präklinischer Forschung und klinischer Anwendung spürbar zu verkleinern und so die Entwicklung neuer Therapien für neurodegenerative Erkrankungen zu beschleunigen“, betont Wiesner.

„Mit Smart NeuroScreen stärken wir gezielt unseren Forschungsfokus. Das Projekt zeigt exemplarisch, wie innovative Technologien helfen können, komplexe medizinische Fragestellungen präziser zu analysieren und die Entwicklung neuer Therapien für neurodegenerative Erkrankungen deutlich zu beschleunigen“, betont Geschäftsführer Udo Brändle.