Impfungen zählen zu den effektivsten Maßnahmen um Ansteckungen und Erkrankungen zu vermeiden. Nicht zuletzt während der Covid-19-Pandemie hat die Impfstoff-Forschung erneut große Fortschritte gemacht, etwa durch die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen, die während der Pandemie erstmals zum Einsatz kamen. Dennoch gibt es weiterhin zahlreiche Infektionserkrankungen, für die keine wirksamen Impfstoffe zur Verfügung stehen. Deshalb wird weiter nach neuen Möglichkeiten in der Impfstoff-Entwicklung gesucht. Ein vielversprechender Ansatz sind sogenannte Epitopimpfstoffe. Diese werden aus kurzen immunologisch relevanten Proteinfragmenten, den Epitopen, hergestellt, die sehr gezielt eine Immunantwort auslösen. Im Vergleich zu herkömmlichen Impfstoffen, die den gesamten Krankheitserreger oder große Teile der Erregerproteine verwenden, bieten Epitopimpfstoffe das Potenzial, eine schnellere und maßgeschneiderte Impfstoffentwicklung zu ermöglichen. Vor allem in der Krebsforschung könnten sie in der Zukunft eine Rolle spielen.
Allerdings birgt die Herstellung von Epitopimpfstoffen auch eine Herausforderung. Da das menschliche Immunsystem individuell sehr verschieden ist, reagiert nicht jeder Körper auf die gleichen Epitope. Bei der Entwicklung muss daher darauf geachtet werden, dass Epitopimpfstoffe mit einem möglichst großen Teil der Bevölkerung, bei der sie zum Einsatz kommen sollen, kompatibel sind und eine Immunantwort auslösen.
Wie diese Herausforderung auf digitalem Wege gelöst werden kann, war die zentrale Fragestellung von Sara Schultes Masterarbeit. Die Bioinformatikerin hat begonnen, ein Software-Tool namens HOGVAX zu entwickeln. HOGVAX berechnet epitopbasierte Impfstoffe, die für eine breite Bevölkerungsgruppe geeignet sind. Dazu soll die Software Epitope auswählen, die von den individuellen Immunsystemen einer Bevölkerungsgruppe erkannt werden. Die grundlegende Annahme hierbei ist, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Impfstoff auch sehr seltene Immuntypen abdeckt höher wird, wenn mehr Epitope im Impfstoff enthalten sind. Allerdings haben Epitopimpfstoffe nur eine geringe Kapazität. Daher nutzt HOGVAX Überlappungen zwischen den Epitopsequenzen aus, um diese zu komprimieren. Dadurch können weit mehr Epitope ausgewählt werden im Vergleich zu Verfahren, bei denen die Epitope direkt aneinandergehängt werden. Um überlappende Sequenzen effizient zu modellieren, nutzen Sara Schulte und die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Gunnar Klau (Institut für Informatik, Lehrstuhlinhaber Algorithmische Bioinformatik), der sie angehört, eine Datenstruktur namens Hierarchischer Overlap Graph (HOG). HOGVAX nutzt dann einen kombinatorischen Algorithmus, um eine Impfstoffsequenz mittels des HOGs zu berechnen, die die Bevölkerungsabdeckung maximiert.
Auf ihrer Masterarbeit basiert auch die Publikation in der renommierten Fachzeitschrift Cell Systems, die die Grundlage für Schultes Auszeichnung mit dem diesjährigen MTZ®award bildet und die unter anderem unter Beteiligung von Prof. Klau und Prof. Dr. Alexander Dilthey (Institut für Medizinische Mikrobiologie und Krankenhaushygiene) entstand. Die Verleihung des Awards fand im Rahmen der Fakultätsratssitzung am 6. November statt. Die Auszeichnung mit dem MTZ®award ist für Schulte eine wichtige Bestätigung ihrer Forschung und bestärkt sie in ihrem Vorhaben, den Ansatz von HOGVAX unter anderem im Rahmen eines Forschungsaufenthalts in den USA weiter zu verfolgen. „Ich freue mich sehr über diese Auszeichnung und bin dankbar für die Anerkennung. Sie zeigt mir, dass unsere Arbeit mit HOGVAX erst am Anfang steht. Jetzt gilt es, internationale Kooperationen zu stärken und den nächsten Schritt zu gehen – die Ergebnisse in realen Laborexperimenten zu prüfen“ so Schulte.
Der MTZ®award wurde bereits 2008 von der MTZstiftung und der Medizinischen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ins Leben gerufen. Ziel ist es, den internationalen Diskurs und die persönliche Fortbildung von Nachwuchsforschenden zu fördern. Er wird als Anerkennung für eine zur Publikation angenommene herausragende Arbeit an junge Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler auf dem Gebiet der medizinisch orientierten Zell- und/oder Genforschung vergeben. Bei der feierlichen Verleihung waren auch die Stifter Monika und Thomas Zimmermann anwesend.
In diesem Jahr fand die Verleihung zum zehnten Mal statt. Zu diesem besonderen Anlass hat Frau Ministerin Ina Brandes MdL, Ministerin für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen, die Schirmherrschaft für die diesjährige Verleihung übernommen. In ihrem schriftlichen Grußwort betonte sie die Bedeutung von fächerübergreifender Zusammenarbeit in der Forschung: “Die Verbindung von Informatik und Medizin gewinnt in der wissenschaftlichen Forschung zunehmend an Bedeutung. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit an dieser Schnittstelle ermöglicht die Entwicklung neuer Diagnose- und Behandlungsmethoden im Kampf gegen die großen Volkskrankheiten unserer Zeit und trägt so dazu bei, unser Leben konkret zu verbessern.” Dass der MTZ®award junge Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler auszeichnet und ihnen so den Weg bereitet, würdigte sie besonders.
Mit der diesjährigen Preisträgerin geht die Auszeichnung in das neu gegründete Zentrum für Digitale Medizin.
Sara Schulte hat 2016 das Studium der Informatik an der HHU begonnen. 2022 schloss sie dieses mit dem Master of Science ab. Seitdem ist sie als Doktorandin am Lehrstuhl für Algorithmische Bioinformatik der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät und als Vorstandsmitglied des Zentrums für Digitale Medizin tätig. Für ihre Masterarbeit und die Entwicklung von HOGVAX wurde sie bereits 2023 mit dem Best Paper Award und Best Student Paper Award der International Conference on Research in Computational and Molecular Biology (RECOMB) ausgezeichnet.