Die Mathematikerin Gudrun Schappacher-Tilp hat ein Simulationsmodell für die Medikation bei einer Erkrankung der Nebenschilddrüse erstellt. Mit ihrer Forschungsarbeit dazu hat sie kürzlich das Doktoratsstudium der medizinischen Wissenschaft abgeschlossen.
Ursula Scholz
In der mathematischen Modellierung interessiert uns nicht, was ein Ding ist, sondern vielmehr, was es tut“, erklärt Gudrun Schappacher-Tilp. „Ob eine T-Zelle ein Virus attackiert oder ein Schneeleopard einen Schneehasen: beides funktioniert für uns nach demselben Prinzip von Jäger und Beute.“ In ihrer aktuellen Forschungsarbeit, mit der sie als Mathematikerin kürzlich ein Doktoratsstudium der medizinischen Wissenschaft abgeschlossen hat, widmet sich Schappacher-Tilp weder Viren noch Schneeleoparden, sondern der bestmöglichen Medikation der Nebenschilddrüse bei Dialysepatienten. Denn die nötige medikamentöse Eindämmung der Überproduktion an Parathormon zur Regelung des Kalzium- und Phosphathaushalts verursacht bei vielen Nierenpatienten Nebenwirkungen, die in weiterer Folge ihre Einnahmedisziplin untergraben. Aufgrund der Erkenntnisse im virtuellen Modell von Schappacher-Tilp konnte die Medikamentengabe auf dreimal wöchentlich reduziert und somit die Compliance gesteigert werden. „Unsere Berechnungen haben gezeigt, dass eine seltenere, aber kontrollierte Arzneimittelgabe gleich wirksam ist wie die bisherige Verschreibungspraxis.“ Wenn sie zum optimalen Zeitpunkt erfolgt. Dieser wurde im Simulationsmodell ermittelt, ohne dabei die Gesundheit von Patienten zu riskieren. Am Modell wurde außerdem herausgefunden, dass die Aufnahme des Medikamentes direkt zum Essen am besten wirkt. „Da ist die Leber mit anderem beschäftigt und kann nicht so viel Wirkstoff herausfiltern.“
Durch Zufall zur Medizin
Dass die ehemalige Herta-Firnberg-Projektleiterin für Mathematische Modellierung biologischer Prozesse und nunmehr Lehrende an der Grazer Karl-Franzens-Universität zur Medizin gekommen ist, verdankt sie dem Zufall, der ihren Mann beruflich nach Kanada geführt hat. Denn Schappacher-Tilp wollte – nachdem ihr der Vater (selbst Mathematik-Professor) mit 17 Jahren ein Buch über Analysis geschenkt hat – einfach nur Mathematik studieren.
Nach zehn Jahren in der Privatwirtschaft, in der sie ihr systematisches und analytisches Denken in eher Mathematik-fernen Bereichen einbringen konnte, brach sie mit ihrem Mann nach Calgary auf, wohin den Sportwissenschafter ein Schrödinger-Stipendium geführt hat. Untätigkeit lag Schappacher-Tilp fern, also fragte sie schon vorab am dortigen universitären Mathematik-Institut an, ob es Arbeit gäbe. Sie hatte das Glück, an der University of Calgary eine Postdoc-Stelle zu erhalten, die je zur Hälfte von der Mathematik und von der Physiologie bezahlt wurde. Dort arbeitete sie mit Walter Herzog, einem Professor für Biomechanik zusammen, der seine Forschung der Muskelfunktion widmet. Schappacher-Tilp modellierte für ihn Vorgänge bei Muskelkontraktionen und trat damit unversehens in die Welt der Medizin ein, die sie ab nun so fasziniert.
Vom Muskel zum Hormon
„Mit 18 war ein Medizinstudium überhaupt kein Thema. Da gab es keine Alternative zur Mathematik“, erzählt Schappacher-Tilp. „Aber je mehr ich mit Ärzten zusammenarbeite, desto spannender erscheint mir die Medizin und es tut mir fast leid, nicht Medizin studiert zu haben.“ Über ihre Arbeit zur Muskelkontraktion – diese läuft auch von Österreich weiter – lernte sie schließlich Univ. Prof. Peter Kotanko, Facharzt für Innere Medizin am New Yorker Renal Research Institute, kennen, ihren heutigen Forschungspartner in puncto Parathormon-Regulation. Neben ihrem über Drittmittel finanzierten Projekt zur Nebenschilddrüse widmet sie sich in ihrem Berufsalltag auch noch als Lehrende der Mathematik und unterrichtet vor allem angehende Biologen.
Auf ihre medizinischen Themen stößt sie eher zufällig durch Anfragen von Forschern: „Im Idealfall gibt es Daten und jemanden, der sie anwenden möchte.“ Hätte sie die freie Wahl, würde Schappacher-Tilp gerne auch einmal Modelle im Bereich des Metabolismus erstellen. Sie mag es, komplexe dynamische Vorgänge abzubilden und dabei auch immer wieder an ihre Grenzen zu stoßen.
Unter Berücksichtigung des gesamten vorhandenen Wissens über die Reaktion der Nebenschilddrüse auf sinkende Nierenfunktion hat Schappacher-Tilp ihr mathematisches Modell für dieses Organ erstellt – in seiner gesunden wie pathologischen Funktion. Trotzdem musste sie dieses immer wieder adaptieren. „Es ist ganz normal, im Laufe der Arbeit die Hypothese zu verändern. Wir haben anfangs gemerkt, dass in unserer Überlegung noch etwas fehlt, das Phosphat aus dem System nimmt, und so hat sich das Modell schließlich von der Nebenschilddrüse ausgehend auf alle Organe ausgeweitet, die am Kalzium-Phosphat-Haushalt beteiligt sind.“
Tagelang gedanklich über etwas zu brüten, das sich lösen lässt oder auch nicht, gehört für Schappacher-Tilp zum Selbstverständnis als Mathematikerin. „Man kann auch zwei Jahre an einem Beweis arbeiten und er geht nicht auf. Dann ist man eben kurz frustriert.“ Obwohl sie sich selbst keine Geduld attestiert, scheint ihr diese in der Denkarbeit in großem Maß zur Verfügung zu stehen. „Aber ich beneide meinen Mann, zu dessen Forschung Experimente gehören. Da kann man immer etwas darüber veröffentlichen, egal welches Ergebnis die Experimente gebracht haben.“ Eher als Geduld würde sich Schappacher-Tilp Neugier zuschreiben und einen unerschütterlichen Fokus auf die Problemlösung. „Ich kann mich schon richtig in etwas verbeißen.“ Im Umgang mit ihren beiden Töchtern hingegen kultiviert sie andere Facetten ihrer Persönlichkeit: „Da tanzen wir beim Palatschinken machen …“
Neben dem Pokémon spielen mit den Kindern bringt sie auch die Musik zur Ruhe: Schappacher-Tilp hat zwölf Jahre lang am Konservatorium Klavierunterricht genommen und taucht auch jetzt noch gerne in die Welt der schwarz-weißen Tasten ein. „Ich kenne keinen Mathematiker, der nicht auch ein Instrument spielt.“ Disziplin brauche es für beides: sowohl für Fingerübungen als auch für vielschichtige Denkprozesse.
Modell erspart Krankheit
Worin sich Mathematiker möglicherweise von Ärzten unterscheiden, ist das Gefühl für Größenordnungen. Die erste, von Schappacher-Tilp als „kleine“ Publikation titulierte Arbeit zur Verbesserung der Begleitmedikation bei Nierenerkrankten, die sie im Jahr 2019 in den USA auf einem Nephrologenkongress präsentiert hat, umfasst die Daten von 10.000 Patienten. Für heuer peilt sie mit ihrem Forschungspartner eine „größere“ Publikation an. Noch immer feilt sie an der Feinmodellierung des Phosphats im Knochenhaushalt. Denn an der optimal kontrollierten Steuerung des Parathormon-Spiegels hängt neben der Knochenstabilität auch die zu vermeidende vaskuläre Kalzifizierung. So hilft ihr mathematisches Modell dabei, Menschen mit einer Niereninsuffizienz zusätzliche Knochen- und Herzkreislauf-Erkrankungen zu ersparen.
Ersparnis im monetären Sinn verspricht das medizinische Modell von Schappacher-Tilp für die Gesundheitsbranche: Mit Simulationen von Organfunktionen und virtuellen Versuchsreihen für Medikamente lassen sich teure klinische Studien verkleinern und deutlich treffsicherer machen.
© Österreichische Ärztezeitung Nr. 10 / 25.05.2021