Pictures of the Future Frühjahr 2005
Personalisierung – Molekulare Bildgebung
Winzige Sonden
Um das Jahr 2020 könnten Menschheitsgeißeln wie Krebs und Herzerkrankungen so gut behandelbar sein, dass sie keine tödliche Bedrohung mehr sind. Genetische Testverfahren und die Molekular-Diagnostik, die von Siemens und weltweit führenden Labors wie dem Zentrum für Molekulare Bildgebung in Boston entwickelt werden, sind ein wichtiger Schritt in diese Richtung.
Moleküle gegen den Krebs: Dank einer Kombination von Magnetresonanz-Geräten (oben, mit Test-Ratten) mit speziellen Nanopartikeln (links) könnte es bald möglich sein, einzelne Krebszellen irgendwo im Körper zu entdecken. Zudem entwickeln Forscher Fluoreszenz-Moleküle, die Krebszellen leuchten lassen (rechts daneben), um sie unschädlich machen zu können. Mit quicklab, dem Labor auf dem Chip (ganz rechts) kann man frühzeitig feststellen, ob jemand ein genetisches Krebsrisiko hat
Nur ein kleiner Stich – mehr wird die Gesundheitsvorsorge in absehbarer Zukunft von uns nicht verlangen. Die Arzthelferin beim Hausarzt wird den Tropfen Blut auf eine Karte auftragen, die in ein Analysegerät von der Größe eines kleinen Notebooks gesteckt wird. In Minutenschnelle kann der Arzt dann ablesen, ob sein Patient eine Prädisposition für Brust- oder Blasenkrebs, Arteriosklerose oder Alzheimer besitzt, oder ob eine derartige Erkrankung sogar schon begonnen hat.
Diese Karte, die Siemens unter dem Namen quicklab entwickelt, enthält ein ganzes Labor auf einem Chip (Biosensoren in Pictures of the Future, Herbst 2004). quicklab extrahiert aus dem Blutstropfen automatisch die Erbsubstanz, vergleicht sie mit einer Reihe synthetischer Biomoleküle und erkennt Anomalien. Mit derartigen Untersuchungen könnte quicklab der Vorreiter für eine Reihe neuer medizinischer Verfahren werden, die den Patienten mit seinen individuellen Merkmalen in den Mittelpunkt einer ganzheitlichen Behandlung stellen.
Die quicklab-Technologie ist preiswerter, schneller und einfacher zu handhaben als heutige Gewebe- und Bluttests im Labor. Dies prädestiniert quicklab für ScreeningVerfahren, wenn erste Anzeichen von Erkrankungen gefunden und zugleich überflüssige Untersuchungen vermieden werden sollen: So liefern 43 % aller gängigen Tests für Prostata-, Eierstock-, Darm- und Lungenkrebs mindestens ein falsch positives Ergebnis. Dadurch entstehen nach Angaben der US-amerikanischen Vereinigung für Krebsforschung pro getestetem Patienten mehr als 1 000 US-$ an Zusatzkosten. Mit quicklab könnten die Ressourcen besser auf die Menschen konzentriert werden, die tatsächlich behandelt werden müssen.
Bis 2020 könnten viele Krankheiten, darunter auch die größten Killer – Krebs und Herzerkrankungen –, wesentlich früher diagnostiziert und behandelt werden. Ein Beispiel: Angenommen, in 15 Jahren findet ein quicklab-Test im Blut eines Patienten Proteine, die auf Prostatakrebs hinweisen. Wenn der Patient in der Vergangenheit regelmäßig untersucht worden ist, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass dieser Test das früheste Stadium der Krebsentwicklung entdeckt hat. Wie würde es weitergehen? Die Antwort nimmt im Zentrum für molekulare Bildgebung in Boston (CMIR, siehe Kasten) Gestalt an. Dort arbeiten Forscher unter Leitung von Prof. Ralph Weissleder an Verfahren zur Erkennung und Vernichtung von Krebs- und anderen Zelltypen. Damit lassen sich solche Zellen Jahre früher als mit heutigen Technologien entdecken.
Siemens und CMIR: ein perfektes Team
Siemens und das Center for Molecular Imaging Research (CMIR) in Boston ergänzen sich perfekt: Im CMIR arbeiten Forscher und Ärzte verschiedenster Disziplinen daran, molekulare Methoden in klinische Anwendungen zu überführen. Es ist Teil des Massachusetts General Hospital, eines der modernsten Krankenhäuser der Welt, und Teil von Harvard, einer der weltbesten Universitäten. Prof. Ralph Weissleder, Leiter des CMIR, ist einer der Pioniere für molekulare Bildgebung. "Siemens wiederum", sagt Weissleder, "ist mit seiner Kompetenz im Bereich der Bildgebung und seinem Engagement für zukunftsweisende Gesundheitstechnologien ein idealer Partner für uns."
Andocken an Krebszellen. Weissleders Team hat biologisch abbaubare Moleküle entwickelt. Diese nanometerkleinen Partikel passen genau zu Rezeptoren der Krebszellen – wie ein Schlüssel ins Schloss. Jede Zelle, an der sie sich anlagern, ist damit per Definition eine Krebszelle. Außerdem sind die Moleküle so konstruiert, dass sie auf Bildern von Hochfeld-Magnetresonanz-Geräten der nächsten Generation, wie sie Siemens entwickelt, sichtbar werden. Diese molekulare Bildgebung ist bereits weit fortgeschritten, sagt Weissleder: "15 klinische Studien laufen aktuell hier am Massachusetts General Hospital, um die Wirksamkeit solcher Nanomaterialien zu bestimmen." Wie stark sich Siemens in der molekularen Bildgebung engagiert, zeigt auch die im März 2005 angekündigte Übernahme der Firma CTI Molecular Imaging in Knoxville, Tennessee (USA), für etwa 1 Mrd. US-$.
Der nächste Schritt für das Beispiel der Prostataerkrankung ist also klar: Die molekularen Marker werden dem Patienten injiziert, und dann wird über eine Ganzkörper-Magnetresonanz-Tomographie (MRT) festgestellt, ob der Krebs schon irgendwo winzige Metastasen hinterlassen hat. "Diese Kombination aus Nanopartikeln und MRT wird ein bedeutender Schritt für die Gesundheitsvorsorge sein", sagt Weissleder. "Damit kann jeder Risikopatient individuell beurteilt werden." Da der fiktive Prostata-Patient frühzeitig untersucht wurde, dürfte der Krebs auch auf die Prostata begrenzt geblieben sein.
Ein Problem gibt es aber noch: Für den Chirurgen sehen potenzielle Krebszellen genauso aus wie normale Zellen. Zwar könnten die mit Hilfe der Nanopartikel und des MRT gelieferten Bilder während der Operation verwendet werden – etwa über Augmented Reality –, doch einfacher wäre es, wenn die Krebszellen selbst leuchteten. Daher arbeiten Weissleder und Siemens Medical Solutions (Med) gemeinsam an der Entwicklung neuer Geräte und Technologien, die so genannte Nano-Marker nutzen. Diese Marker fluoreszieren im nahen Infrarot-Bereich, wenn sie an Krebszellen angedockt haben. Die Forscher des CMIR haben Proteine identifiziert, die spezifisch für Krebszellen sind, und sie entwickelten Substanzen, die sich an deren Oberflächen anlagern. Bei der Injektion ist die Fluoreszenz der Marker-Moleküle zunächst unterdrückt: Zwei Moleküle sind so eng aneinander gekoppelt, dass sie ihre Fluoreszenz gegenseitig löschen. Nur spezielle Enzyme von Krebszellen können die Peptidbrücke aufbrechen, die die Marker-Moleküle zusammenhält. Das Resultat: Treffen die Marker auf Krebszellen, beginnen sie zu leuchten.
Bei der Prostataoperation würden also solche Marker injiziert. Daraufhin würden die Krebszellen fluoreszieren, was die Ärzte mit einer Kamera sehen könnten. "So könnten die Chirurgen Krebszellen entfernen, noch bevor diese dem Patienten schaden", erklärt Dr. Christian P. Schultz, Leiter der molekularen Bildgebung bei Siemens Med.
Skalpell für Zellen. Bei der Operation selbst würde eine Kombination aus Mikro-Endoskopie und Erhitzen der Zellen mit elektromagnetischen Wellen oder Abtöten durch Kälteeinwirkung eingesetzt. Eine Mikro-Endoskopie, die Glasfasern und Konfokal-Mikroskope nutzt, um fluoreszierende Moleküle zu entdecken, gibt es bereits – doch die Kombination der genannten Verfahren muss noch entwickelt werden. Außerdem müssen die Infrarot-Strukturen – also die Krebszellen – im 3D-Bild mit dem normalen sichtbaren Bild des Endoskops räumlich überlagert werden, damit der Chirurg zwischen gesundem und verändertem Gewebe unterscheiden kann.
Daher arbeitet Siemens mit Weissleders Team daran, Katheter-basierte Geräte zur Bildgebung wie auch Handgeräte zu entwickeln, die sowohl im sichtbaren als auch im nahen Infrarot funktionieren. "Beide Technologien zusammen eröffnen erst die Möglichkeit, einzelne Krebszellen zu sehen und zu entfernen", sagt Weissleder – "was ein gewaltiger Fortschritt für die Medizin wäre", fügt Schultz hinzu.
Gen- und Protein-Screenings, eine bessere Früherkennung, Ganzkörper-MRT, eine exakte Identifizierung gefährlicher Zellen, sowie präzise Operationsmethoden, bei denen nur Zellen entfernt werden, die tatsächlich eine Bedrohung darstellen – diese Vision wollen Siemens und das CMIR Wirklichkeit werden lassen. Bis auf wenige Ausnahmen sind die Einzelteile dieses komplexen Technologiepuzzles derzeit in Entwicklung, manche sogar schon kurz vor oder bereits im Stadium der klinischen Tests.
Kombiniertes Fachwissen. "Was wir nicht vergessen dürfen, ist, dass dabei Informationstechnologien und Software eine zentrale Rolle spielen", sagt Dr. Mohammad Naraghi, Leiter der Geschäftsentwicklung bei Siemens Med. "Eine ganzheitliche, integrierte Gesundheitsversorgung, die von Tests auf bestimmte Veranlagungen bis zur personalisierten Behandlung reicht, hängt nicht zuletzt davon ab, wie schnell IT-Lösungen entwickelt werden können, die unser Verständnis der Krankheiten und ihrer Behandlung verbessern."
Das CMIR und Siemens arbeiten daher auch an einer neuen Software-Plattform: das MI-Portal, das als umfassende Informationsdrehscheibe dienen und zudem das Fachwissen aus Genomik und Proteomik integrieren soll. Schultz meint dazu: "Es geht darum, alle Daten aus den uns zur Verfügung stehenden diagnostischen und therapeutischen Werkzeugen zu nutzen – und mit quicklab und der molekularen Bildgebung werden das eine Menge sein –, und daraus dann neues Wissen zu schaffen und in die klinische Praxis zu übersetzen. Das ist die Herausforderung, der wir uns stellen müssen."
Arthur F. Pease