CancerSim: Krebszellensimulation für Einsteiger

2. Oktober 2020

Für die Erforschung des Wachstums von Krebstumoren leisten Computersimulationen wichtige Beiträge. Am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön wurde jetzt eine Software entwickelt, die es auch Einsteigern ermöglicht, sich mit dem komplexen Thema auseinanderzusetzen.

Der Verlauf von Krebserkrankungen ist sehr schwer vorherzusagen. Das hängt unter anderem damit zusammen, dass ein Tumor in sich eine enorme genetische Vielfalt und eine hohe Mutationsrate aufweist. Damit ist er in der Lage, sich sehr schnell an seine Umwelt anzupassen und z.B. auf eine Krebstherapie sehr schnell zu reagieren. Da sich das Tumorwachstum nicht gut beobachten lässt, sind Computersimulationen von essentieller Bedeutung, um die evolutionäre Entwicklung von Tumoren zu erforschen.

Eine Tumor-Matrix in 2-D-Darstellung, die farbigen Zellen zeigen die auftretenden Mutationen.

Software zur Krebssimulation ist allerdings häufig sehr komplex und der Einstieg ist aufwändig. „Wir wollten ein Software-Paket, das zugänglich und einfach zu bedienen ist und dennoch die wesentlichen biologischen Prozesse des Krebswachstums abdeckt, um Studenten und Neueinsteigern einen Einstieg in die mathematische Onkologie zu ermöglichen“, berichtet Carsten Fortmann-Grote, der am Max-Planck-Institut in Plön für „Scientific Computing“ zuständig ist. Das Projekt selbst basiert auf der Arbeit von Luka Opasic, der für seine Dissertation eine Software entwickelt hat, mit deren Hilfe er die Zielgenauigkeit von Tumor-Zellproben verbessern möchte. Die Forscher haben sie in der Folge an Qualitätsstandards der Open Source Community angepasst und sie dann als „CancerSim“ in einem Repositorium öffentlich zugänglich gemacht.

Offene Software wird in Zukunft weiter entwickelt

Das Programm verfügt über eine Reihe von Parametern, die für ein Simulationsprojekt verändert werden können, wie z.B. die Anzahl von Generationen, die durchlaufen werden sollen, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Mutationen oder die Punkte des Tumors, von denen Proben genommen werden. Automatisch wird geprüft, ob die eingegebenen Daten in einem sinnvollen Zusammenhang stehen, was gerade für Einsteiger in das Thema wertvoll ist. Ganz bewusst wurden die Variablen begrenzt gehalten und konzentrieren sich auf das zwei-dimensionale Wachstum von Tumoren.  Auf einer abstrakten Ebene kann jedoch trotzdem jeder Tumor damit simuliert werden.

Nach Ablauf einer Simulation wird ein Datensatz exportiert, der die Angaben zur Entwicklung der Zellen und die Häufigkeit der Mutationen beinhaltet.

Für die Zukunft ist beispielsweise geplant, die Auswirkungen von Chemotherapien in das Simulationsmodell aufzunehmen. Auch darüber hinaus soll die offene, also frei zugängliche und veränderbare Software laufend weiter entwickelt werden.

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