Technologie zur Unterstützung einer gesunden Zukunft für Neugeborene
Entwicklung einer neuen Technik zur Früherkennung erblicher Stoffwechselstörungen
Shimadzu engagiert sich in vielfältiger Forschung und Entwicklung mit dem Ziel, die Gesundheit der Menschen zu fördern und in Zusammenarbeit mit Partnern ein sichereres Leben zu unterstützen. Dieser Artikel stellt eine technologische Weiterentwicklung im Neugeborenen-Screening auf erbliche Stoffwechselerkrankungen vor.
- Was sind erbliche Stoffwechselstörungen?
- Analyse von Blutproben zur Erkennung versteckter erblicher Stoffwechselstörungen mittels Tandem-Massenspektrometrie
- Die langjährige Herausforderung – Falsch-Positive
- Eliminierung von Fehlalarmen in einem einzigen Schritt
- Erreichen des SDG „Gute Gesundheit und Wohlergehen“
- Mitteilung des Verantwortlichen für die Entwicklung des Neugeborenen-Screeningverfahrens
Was sind erbliche Stoffwechselstörungen?
Erbliche Stoffwechselstörungen sind genetische Erkrankungen, die durch angeborene Enzymdefekte verursacht werden. Säuglinge mit solchen Störungen zeigen möglicherweise bei der Geburt keine Symptome, aber unbehandelt können sie symptomatisch werden und später schwere Gesundheitsprobleme, neurologische Beeinträchtigungen oder sogar den Tod erleiden.
Solche Symptome lassen sich durch geeignete Behandlungen wie Ernährungsumstellung oder Medikamente verhindern. Die Früherkennung und Intervention bei diesen Patienten durch Neugeborenen-Screening trägt dazu bei, eine gesunde Zukunft für die Babys zu sichern.
Analyse von Blutproben zur Erkennung versteckter erblicher Stoffwechselstörungen mittels Tandem-Massenspektrometrie
Eine der Screening-Methoden zum Nachweis solcher Stoffwechselstörungen ist die Tandem-Massenspektrometrie. Massenspektrometer sind Systeme, die eine Zielsubstanz ionisieren, die spezifischen Substanzen identifizieren und anschließend deren Mengen in extrem kleinen Proben wie beispielsweise getrocknetem Blut auf Filterpapier bestimmen.
Diese Art der Analyse wird mit einer extrem geringen Blutmenge durchgeführt, die Neugeborenen innerhalb der ersten Lebenswoche entnommen wird. Dabei werden spezifische, auf Krankheiten hinweisende Ionen von Stoffwechselprodukten in der Probe gesucht. Die Daten können dann auf das Vorliegen einer möglichen Stoffwechselstörung hinweisen. Das Neugeborenen-Screening mittels Tandem-Massenspektrometrie wurde in den 1990er-Jahren in den USA entwickelt und erfreut sich seit etwa dem Jahr 2000 in Europa, den USA und Asien zunehmender Beliebtheit.
Shimadzu hat in Zusammenarbeit mit Seiji Yamaguchi, Gastprofessor an der Abteilung für Pädiatrie der Medizinischen Fakultät der Universität Shimane, ein schnelleres und einfacheres Screening-Verfahren auf Basis der Tandem-Massenspektrometrie entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht in Verbindung mit Tandem-Massenspektrometern das gleichzeitige Screening auf 20 oder mehr potenzielle Krankheiten. In Japan werden nahezu 100 % der Neugeborenen mittels Tandem-Massenspektrometrie untersucht.
Verwendung eines Massenspektrometers zur Messung von Markern im Blut
Die langjährige Herausforderung – Falsch-Positive
Falsch-positive Ergebnisse bei der Diagnose einer Isovalerianazidämie stellen seit langem eine Herausforderung dar, die mit der zunehmenden Verwendung von Screening-Tests einhergeht.
Eine frühzeitige und genaue Diagnose der Isovalerianazidämie ist wichtig, da die Krankheit im frühen Säuglingsalter zu Erbrechen, Bewusstseinsstörungen und neurologischen Beeinträchtigungen führt.
Eine Isovalerianazidämie wird durch die Messung des Isovalerylcarnitin-Spiegels (i-C5) im Blut nachgewiesen. Die Einnahme von Antibiotika durch die Mutter oder das Kind erhöht jedoch den Spiegel von Pivaloylcarnitin (p-C5) im Blut, welches die gleiche Masse wie i-C5 aufweist. Die Tandem-Massenspektrometrie hat Schwierigkeiten, Substanzen gleicher Masse zu unterscheiden, was zu falsch-positiven Ergebnissen für eine Isovalerianazidämie bei gesunden Säuglingen führen kann, da p-C5 fälschlicherweise nachgewiesen wird.
Aus diesem Grund erfordert ein positives Ergebnis weitere Untersuchungen, was für das Baby körperlich und für die Familie psychisch belastend ist. Die Entwicklung von Methoden zur Vermeidung falsch positiver Ergebnisse ist daher sowohl für die Babys als auch für ihre Familien von entscheidender Bedeutung.
Eliminierung von Fehlalarmen in einem einzigen Schritt
Die Analyse mittels Tandem-Massenspektrometrie zerlegt eine ionisierte Substanz und misst die Massen ihrer Abbauprodukte. Diese Forschungskooperation hat gezeigt, dass sich Isovalerylcarnitin (aus der Isovalerianazidämie) und Pivaloylcarnitin (aus Antibiotika) in ihrer Abbaubarkeit unterscheiden. Dieser Unterschied ermöglicht es, die beiden Verbindungen anhand des Verhältnisses der abgebauten Ionen zu differenzieren und so falsch-positive Ergebnisse zu vermeiden (Patent angemeldet). Das neue Verfahren erfordert lediglich eine zusätzliche Ionenmessung im Vergleich zum bisherigen Screening-Verfahren. Es lässt sich problemlos auch in Krankenhäusern und Testeinrichtungen implementieren, die bereits Screenings durchführen, und führt zu keiner Verlängerung der Screening-Zeiten.
Die Massenspektrometer von Shimadzu werden neben dem Neugeborenenscreening in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Diese auf Ionenverhältnissen basierende Technik wurde ursprünglich zur Untersuchung von Pestizidrückständen in Lebensmitteln verwendet. Ihre Anwendung im Neugeborenenscreening führte zur Entdeckung einer neuen Methode zur Vermeidung falsch positiver Ergebnisse.
Tandem-Massenspektrometer, das im Neugeborenen-Screening eingesetzt wird
Erreichen des SDG „Gute Gesundheit und Wohlergehen“
Dieses neue Verfahren wird derzeit in Krankenhäusern und Screening-Einrichtungen in ganz Japan eingeführt und bietet zuverlässigere Screening-Tests. Obwohl in Japan fast 100 % der Neugeborenen ein Neugeborenen-Screening erhalten, gibt es weltweit noch viele Regionen mit geringer Abdeckung oder in denen die Tests noch nicht eingeführt wurden. Shimadzu wird sich weiterhin für genauere Screening-Verfahren einsetzen – nicht nur in Japan, sondern weltweit. Diese Arbeit trägt zur Erreichung des Ziels für nachhaltige Entwicklung (SDG) 3 „Gesundheit und Wohlergehen“ bei.
Die Entwicklung von Behandlungsmethoden hat in den letzten Jahren zur Entdeckung weiterer Krankheiten geführt, die nun für Screening-Verfahren in Frage kommen. Wir beabsichtigen, weiterhin zur Entwicklung von Technologien für die Erforschung verschiedener Krankheiten beizutragen.
Beitrag zur Erreichung der Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs)
Mitteilung des Verantwortlichen für die Entwicklung des Neugeborenen-Screeningverfahrens
Takanari Hattori von der MS Business Unit, Life Science Business Department, Analytical & Measuring Instruments Division bei Shimadzu unterstützt die Forschung und Entwicklung im Bereich Neugeborenen-Screening. Er sprach über die Technologie von Shimadzu und die Zusammenarbeit mit Partnern.
Die hier vorgestellte Technik, die auf dem Ionenverhältniswert basiert, ist in der Massenspektrometrie nicht neu, und ihre Nützlichkeit im Neugeborenenscreening hätten wir allein nie entdeckt. Erst durch unsere Zusammenarbeit mit der Universität Shimane erfuhren wir von dem Problem falsch positiver Ergebnisse und kamen auf die Idee, diesen Ansatz anzuwenden. Dabei wurde uns die Bedeutung gemeinsamer Forschung und Entwicklung mit Experten verschiedener Fachrichtungen bewusst. Die Isovalerianazidämie, eine organische Azidämie, wurde weltweit erstmals von einem japanischen Forscher und seinen Kollegen beschrieben. Wir hoffen, dass diese neuen, aussagekräftigen Methoden, die ihren Ursprung in Japan haben, in naher Zukunft weltweit breite Anwendung finden werden.
Die gemeinsame Studie wurde von (von links) Miki Matsui (klinische Mitarbeiterin), Dr. med. Hironori Kobayashi und Tsubasa Ohguni (klinische Laborantin) der Universität Shimane sowie von Takanari Hattori (Geschäftsbereich MS) und Tetsuo Iida (Kompetenzzentrum für Lösungen) von Shimadzu durchgeführt.
- Alle in diesem Artikel beschriebenen Geräte sind ausschließlich für Forschungszwecke bestimmt und nicht für diagnostische Verfahren geeignet. Shimadzu ist ein Anbieter von Analysegeräten. In bestimmten Regionen, darunter den USA, unterliegen Shimadzu-Produkte möglicherweise den Bestimmungen, dass sie nur für Forschungszwecke zugelassen sind. Bei Fragen zur zulässigen Verwendung eines Shimadzu-Geräts wenden Sie sich bitte an Ihre regionale Niederlassung.
Referenzen
| Webseite | ： | Japanische Gesellschaft für Neugeborenen-Screening (jsms.gr.jp) |
| Buch | ： | „Measuring Molecules: From Cancer Screening to Space Exploration* von Toshihiro Fujii, 2022, Bungeishunju. * Die englische Übersetzung dient nur als Referenz.“分子をはかる がん検診から宇宙探査まで“ (Originaltitel auf Japanisch) |
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