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Zentrum für Technomathematik

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Modellierungsseminar-Beispiel: Modellierung und Detektion von Peaks in LC/MS-Daten

Bearbeiter: Kilian Hachmann, Mathias Linden
Kooperationspartner: F. Hoffmann-LaRoche AG, Basel (Schweiz)
Betreuer ZeTeM: Prof. Dr. Kristian Bredies, Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Maaß
Laufzeit: 2006/2007

Die Firma F. Hoffmann-La Roche AG (Basel, Schweiz), mit der im Modellierungsseminar 2006/2007 die Technomathematikstudenten Mathias Linden und Kilian Hachmann zusammengearbeitet haben, ist eines der weltweit führenden forschenden Pharmaunternehmen, das sich als zentrale Aufgabe die Entwicklung neuer Arzneimittel für schwerwiegende medizinische Probleme gesetzt hat. Bei der Entwicklung neuer Medikamente ist es unumgänglich, ihre Wirkung auf einen Organismus zu analysieren. Dazu wird unter anderem untersucht, wie sich Blutproben nach der Zugabe der Medikamente verändern, ob bestimmte Substanzen abgebaut werden oder dazukommen. Zu diesem Zweck werden Blutproben mit dem Wirkstoff versetzt und zu verschiedenen Zeitpunkten auf ihre Inhaltsstoffe untersucht. Die dabei erhaltenen Informationen werden nun miteinander verglichen, um mögliche Veränderungen in der Zusammensetzung zu beobachten.

Ein für die Analyse verwendetes Verfahren ist LC/MS, also eine Kombination der Flüssigkeitschromatographie (liquid chromatography, LC) und der Massenspektrometrie (mass spectrometry, MS). Mit Hilfe der LC kann ein Stoffgemisch in seine einzelnen Inhaltsstoffe auf-gespalten werden, indem sich deren unterschiedliche Verweildauer (Retentionszeit) innerhalb einer Trennsäule zunutze gemacht wird. Das zeitlich getrennte Gemisch wird nun wiederum zur genaueren Untersuchung in ein Massenspektrometer injiziert, wo die verschiedenen Moleküle anhand ihres Verhältnisses zwischen Masse und Ladung getrennt und danach quantitativ bestimmt werden. In den auf diese Weise entstandenen zweidimensionalen Daten, dem sogenannten Spektrum, werden einzelne Inhaltsstoffe als Peaks dargestellt, also als eine Erhöhung mit signifikanter Form. Die Position der Peaks im Spektrum erlaubt Rückschlüsse auf die stoffliche Zusammensetzung, ihre Höhe (Intensität) beschreibt die jeweilige Menge.

Während eines zweimonatigen Firmenpraktikums am Hauptsitz von Hoffmann-LaRoche in Basel haben die beiden Studenten zunächst eigene Messreihen aufgenommen, um einen Einblick in die prozessbedingten Besonderheiten der Daten zu erhalten. Das Ziel ihrer Arbeit war dann die Herstellung eines Softwarewerkzeugs zur semi-automatischen Auswertung von LC/MS-Daten. Um ausschließlich die Position und Höhe der Peaks aus den Spektren zu extrahieren, mussten diese zunächst aufbereitet werden, da sie technisch bedingte Störungen wie Rauschen beinhalteten. Zu diesem Zweck wurden Algorithmen der mathematischen Bildverarbeitung eingesetzt. Es entstand ein Softwarepaket mit verschiedenen Algorithmen, welche auf die jeweiligen Rauschcharakteristiken individuell angepasst werden und die Störsignale soweit verringern konnten, dass danach eine Liste der enthaltenen Peaks erstellt werden konnte.

Die Kooperation mit Hoffmann-LaRoche wurde auch nach Ende des Modellierungsseminars fortgesetzt, die Studenten erweiterten beispielsweise ihr Softwarepaket in Bezug auf Funktionalität und Bedienbarkeit.

Modsem - Roche links     Modsem - Roche rechts
Ein Beispiel aus dem von Kilian Hachmann und Mathias Linden entwickelten Softwarepaket: LC/MS-Spektrum mit Störsignalen (links) und nach der Bereinigung (rechts).