MulticellML
Standardisierung des Austauschs von multizellulären Modellen in der Systemmedizin
Der Verbund „MulticellML“ ist Teil des „Vernetzungsfonds Systemmedizin“. Mit diesem sollen die interdisziplinären Interaktionen zwischen den fünf Modulen des Forschungs- und Förderkonzepts „e:Med – Maßnahmen zur Etablierung der Systemmedizin“ verstärkt werden.
Ein erklärtes Ziel der Systemmedizin ist, die komplexen Prozesse und Strukturen in Zellverbänden, also in Geweben und Organen, besser zu verstehen. Es ist bereits möglich, diese multizellulären Prozesse und Strukturen mathematisch zu modellieren und räumlich aufgelöste Simulationen des Verhaltens der verschiedenen Elemente durchzuführen. Innerhalb des Forschungs- und Förderkonzepts „e:Med – Maßnahmen zur Etablierung der Systemmedizin“ wurden bereits verschiedene multizelluläre Computermodelle und die dazugehörige Simulationssoftware entwickelt. Diese Computermodelle konnten bislang nicht zwischen den Projektgruppen ausgetauscht werden. Austausch, Reproduktion und Archivierung dieser Modelle scheiterten bislang an einem fehlenden Standard für die deklarative Beschreibung der Modelle und der in ihnen verwendeten Elemente.
Ausschnitt aus einer deklarativen xml-Beschreibung eines multizellulären Modells.
© Lutz Brusch
In diesem Verbundprojekt arbeiten drei e:Med-Partner zusammen, die bislang unabhängig voneinander Modelle und Software für medizinische Fragestellungen in Leber-, Brust- und Nierengewebe entwickelt haben. Gemeinsam entwickeln sie eine deklarative Beschreibungssprache für multizelluläre Modelle (multicell markup language = MulticellML) und schaffen eine Infrastruktur für den Austausch der Modelle. Es wird zudem ein sogenannter Hackathon (eine kooperative Software- und HardwareEntwicklungsveranstaltung) organisiert und ein Kurs angeboten, in dem die Verwendung von MulticellML in bestehenden e:Med Projekten gelehrt wird. Dies fördert unmittelbar die Vernetzung und trägt zur Übertragbarkeit der Modelle auf verschiedenste systemmedizinische Forschungsbereiche bei.
Teilprojekte
TP1 Entwicklung eines Standards und einer MulticellML Schnittstelle zu Morpheus
Dr. Lutz Brusch - Technische Universität Dresden, Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen (ZIH)
Das Verständnis multizellulärer Prozesse in Geweben und Organen kann mit Hilfe räumlich aufgelöster Modellierung und Simulation verbessert werden. Zahlreiche Projekte im Bereich der Systemmedizin arbeiten daher an multizellulären Computermodellen und dazugehöriger Simulationssoftware. Austausch, Reproduktion und Archivierung multizellulärer Modelle scheitern aber bislang an einem fehlenden Standard für die deklarative Beschreibung dieser Modellklasse. Das Projekt MulticellML hat die Etablierung einer Infrastruktur für den Austausch multizellulärer Modelle zwischen e:Med-Projekten zum Ziel, unter Nutzung der in e:Med bereits verfügbaren Datenmanagementsoftware FAIRDOMhub/SEEK und einer in diesem Projekt zu entwickelnden deklarativen Beschreibungssprache für multizelluläre Modelle.
TP2 Entwicklung eines Standards und einer Archivierung von multizellulären Modellen
PD. Dr. Wolfgang Müller - HITS gGmbH - Abt. Scientific Databases and Visualization (SDBV)
Ziel des Vorhabens ist, eine Infrastruktur für den Austausch multizellulärer Modelle unter Nutzung von FAIRDOMhub/SEEK und einer in diesem Projekt zu entwickelnden Modellbeschreibungssprache MulticellML zu etablieren. Dieses Teilprojekt wird den formalen Definitionsprozess des neuen MulticellML-Standardformats koordinieren, ausgehend von der bereits aufgebauten Expertise zur Standardisierung von Modellierungsformaten in der Systembiologie und Systemmedizin. Dabei steht insbesondere die Kompatibilität, Komplementarität und Interoperabilität des MulticellML-Standards zu bestehenden Modellierungsstandards von Standardisierungsinitiativen (COMBINE) und zu relevanten Normen von Normungsorganisationen (z. B. ISO/TC 276 Biotechnology) im Fokus des Teilprojekts. Darüber hinaus soll, basierend auf der von uns maßgeblich mitentwickelten Online-Plattform SEEK, eine Anbindung des MulticellML-Standards an Datenmanagementsysteme für die Systemmedizin und Systembiologie geschaffen und die entsprechende Anpassung der Systeme geleistet werden.
TP3 Standardentwicklung und Entwicklung einer MulticellML-Schnittstelle zum Simulator M3
Dr. Haralampos Hatzikirou - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung GmbH
Das gesamte MulticellML-Projekt vereint das Know-how in verschiedenen Modellformalismen für die mediale Darstellung von Zellform- und Zell-Zell-Interaktionen; das zelluläre Potts-Modell im Teilprojekt 1 und das subzelluläre Elementmodell im Teilprojekt 3. Beide Gruppen arbeiten unabhängig voneinander auf verwandten biologischen Fragestellungen von Gewebswaagen in Leber und Krebs, aber in verschiedenen e:Med-Projekten und mit zwei verschiedenen Simulationsgerüsten, M3 und Morpheus. Zusammen mit der Standardisierungskompetenz im Teilprojekt 2 repräsentiert dieses Triple die kritische Masse für die Etablierung des neuen Standards MulticellML und die Überwindung der technologischen Hürden für die Zusammenarbeit in e:Med. Speziell entwickelt das Teilprojekt 3 gemeinsam den Standard mit dem Teilprojekt 1, unterstützt den Hackathon und den Kurs, implementiert MulticellML in M3 (milestone 3.1) mit testgesteuerter Softwareentwicklung und validiert den MulticellML-basierten Modellaustausch über SEEK (del. 3.2).
Publications
Alfonso, J. C. L., L. A. Papaxenopoulou, P. Mascheroni, M. Meyer-Hermann, and H. Hatzikirou (2020). "On the Immunological Consequences of Conventionally Fractionated Radiotherapy." iScience 23(3): 100897. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258900422030081X.
Barua, A., S. Syga, P. Mascheroni, N. Kavallaris, M. Meyer-Hermann, A. Deutsch, and H. Hatzikirou (2020). "Entropy-driven cell decision-making predicts ‘fluid-to-solid’ transition in multicellular systems." New J Phys 22(12): 123034. doi.org/10.1088/1367-2630/abcb2e.
Deutsch, A., J. M. Nava-Sedeno, S. Syga, and H. Hatzikirou (2021). "BIO-LGCA: A cellular automaton modelling class for analysing collective cell migration." PLoS Comput Biol 17(6): e1009066. www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/34129639.
Mascheroni, P., J. C. Lopez Alfonso, M. Kalli, T. Stylianopoulos, M. Meyer-Hermann, and H. Hatzikirou (2019). "On the Impact of Chemo-Mechanically Induced Phenotypic Transitions in Gliomas." Cancers (Basel) 11(5). www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31137643.
Papaxenopoulou, L. A., G. Zhao, S. Khailaie, K. Katsoulis-Dimitriou, I. Schmitz, E. Medina, H. Hatzikirou, and M. Meyer-Hermann (2022). "In silico predicted therapy against chronic Staphylococcus aureus infection leads to bacterial clearance in vivo." iScience: 105522. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105522.
Sego, T. J., J. O. Aponte-Serrano, J. F. Gianlupi, S. R. Heaps, K. Breithaupt, L. Brusch, J. Crawshaw, J. M. Osborne, E. M. Quardokus, R. K. Plemper, and J. A. Glazier (2020). "A modular framework for multiscale, multicellular, spatiotemporal modeling of acute primary viral infection and immune response in epithelial tissues and its application to drug therapy timing and effectiveness." PLoS Comput Biol 16(12): e1008451. doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008451.
Vu, H. T., S. Mansour, M. Kucken, C. Blasse, C. Basquin, J. Azimzadeh, E. W. Myers, L. Brusch, and J. C. Rink (2019). "Dynamic Polarization of the Multiciliated Planarian Epidermis between Body Plan Landmarks." Dev Cell 51(4): 526-542 e526. www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31743666.