Krankheitsbilder

Pandemie
Netzwerk-Medizin
Künstliche Intelligenz

Mit dem Aufkommen der Corona-Pandemie widmete sich das BarabásiLab der Frage, welche der vorhandenen und zugelassenen Medikamente gegen COVID-19 wirksam sein könnten. Das SARS-CoV-2-Virus befällt Zellen, indem es ausgewählte menschliche Proteine angreift. Medikamente, die den Zugang des Virus zu diesen Proteinen blockieren, können verhindern, dass das Virus in Zellen eindringt und den menschlichen Organismus infiziert. Gemeinsam mit Harvard-Mitarbeiter:innen entwickelte das BarabásiLab ab März 2020 Werkzeuge, die auf künstlicher Intelligenz und Netzwerk-Medizin basieren, um unter den 6000 existierenden Medikamenten diejenigen zu identifizieren, die eine Wirksamkeit gegen das Virus zeigen könnten. Diese Medikamente wurden später von Wissenschaftler:innen der Boston University experimentell getestet.

Die Visualisierungen zu »Drugging COVID« [COVID-Medikamentierung] fassen den Prozess der Recherche zusammen. Sie zeigen die 3D-Darstellung der getesteten Medikamente zusammen mit der Region des subzellulären Netzwerks, die vom Virus und dem jeweiligen Medikament attackiert wird. Jedes einzelne Medikament wird zusammen mit den Informationen dargestellt, die Ärzt:innen und Patient:innen zur Verfügung stehen. Jeder Glaswürfel entspricht einem anderen Medikament, das sich als wirksam gegen das Virus erwiesen hat. Ihre lasergravierten Teilnetze stellen die Region des menschlichen Protein-Interaktionsnetzwerks dar, die von den Algorithmen zur Vorhersage der Wirksamkeit des entsprechenden Medikaments verwendet wird. Mittels einer interaktiven Videoinstallation können die Gesamtheit und die immense Anzahl der unterschiedlichen getesteten Medikamente sowie ihre Wirkweisen nachvollzogen und erkundet werden. Sie veranschaulicht den enormen Forschungsraum, dem sich Mediziner:innen bei der Suche nach effektiven Heilmitteln gegenübersehen, und zeigt, wie die Netzwerkwissenschaft diese Suche unterstützen kann.

Humangenomprojekt
20-jähriges Jubiläum
»Nature«
Wissenschaftlicher Einfluss
»The Book of Life«

Das BarabásiLab wurde eingeladen, das Cover der »Nature«-Ausgabe zu gestalten, die den zwanzigsten Jahrestag des Humangenomprojekts (HGP), oft auch »The Book of Life« [Das Buch des Lebens] genannt, feierte. Das im Februar 2021 veröffentlichte Cover und der dazugehörige Artikel zeichnen die Geschichte des HGP nach, ein internationales Forschungsprojekt, dessen Hauptprodukt, die Kartierung des menschlichen Genoms, im Jahr 2001 veröffentlicht wurde. Das BarabásiLab wertete alle wissenschaftlichen Publikationen zwischen 1900 und 2020 aus, die sich mit einzelnen Genen beschäftigten. Das Titelbild zeigt das menschliche Genom, das heißt die gesamte Erbinformation einer Zelle, anhand von 25 Ringen. Jeder Ring steht für ein menschliches Chromosom. Insgesamt 19.775 Eisberge unterschiedlicher Größe auf diesen Ringen entsprechen einzelnen Genen. Die Größe oberhalb der imaginären Wasserlinie jedes Eisbergs misst das wissenschaftliche Interesse an diesem Gen vor dem HGP, die Unterwassertiefe das nach der Enthüllung des menschlichen Genoms. Die Breite der Basis jedes Eisbergs erfasst die Anzahl der mit dem Gen verbundenen Krankheiten. Neben der Eisberg-Metapher entwickelte das BarabásiLab weitere Darstellungen derselben Daten. Eine zeigt eine imaginäre Gen-Stadt. Eine weitere stellt das Genom so dar, wie es im Zellkern vorliegt: zerknüllt. Die Visualisierung des BarabásiLabs verdeutlicht den immensen Einfluss des HGP auf die Genforschung, die das Studium der genetischen Wurzeln menschlicher Krankheiten ermöglicht und die Suche nach wirksamen Medikamenten vorantreibt. Sie zeigt auch, dass viele verschiedene Arten der Visualisierung zur Darstellung desselben Datensatzes möglich sind.

Protein-Interaktionen
Lungenkrankheiten

Das menschliche Interaktom, das alle molekularen Interaktionen innerhalb einer menschlichen Zelle erfasst, ist ein Netzwerk aus 13.000 menschlichen Proteinen, die durch 141.000 Protein-Interaktionen verbunden sind. Da eine solch große Anzahl von Knoten und Verknüpfungen nicht in einer einzigen Darstellung visualisiert werden kann, zeigen die Videos des BarabásiLabs immer nur einen kleinen Bruchteil aller Verbindungen.

Die Hervorhebung der Gene, die an Asthma (violett) und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) (gelb) beteiligt sind, illustriert, wie Proteine, die an der gleichen Krankheit beteiligt sind, sich in der gleichen Netzwerk-Nachbarschaft häufen und oft miteinander verbunden sind.

Die Visualisierung des Videos »Interactome 2« [Interaktom 2] zeigt die Entdeckung des Asthma-Krankheitsmoduls und verdeutlicht, wie der vom BarabásiLab entwickelte Netzwerk-Medizin-Algorithmus Asthma innerhalb des Interaktoms lokalisiert. Es ist schwierig, die Variationen und winzigen molekularen Unterschiede zwischen an Asthma Leidenden zu erkennen. Und doch gibt es auf molekularer Ebene in ihren Netzwerken individuelle, einzigartige Veränderungen, die alle zum gleichen Ergebnis führen: nämlich, dass diese Menschen nicht mehr normal atmen können.