Ziel ist die präklinische Diagnose von Krebs und Demenz anhand weniger Tropfen Blut.
Nobelpreisgekrönte Technologie revolutioniert die Bemühungen zur Früherkennung
Japan, wo etwa ein Drittel der Bevölkerung 65 Jahre oder älter ist, weist eine der weltweit höchsten Raten an Bevölkerungsalterung auf. Weltweit ist heute ein Zehntel der Bevölkerung 65 Jahre oder älter, und dieser Anteil wird sich voraussichtlich in 40 Jahren verdoppeln. Während die durchschnittliche Lebenserwartung steigt, stellt die Kluft zwischen durchschnittlicher und gesunder Lebenserwartung eine große gesellschaftliche Herausforderung dar. Damit Menschen ihr Leben lang gesund und selbstständig bleiben können, ist es wichtig, dass selbst geringfügige Anzeichen von Krankheiten nicht übersehen, sondern im präklinischen Stadium erkannt und behandelt werden. Shimadzus Ziel ist es, Krankheitssymptome im präklinischen Stadium mit nur wenigen Tropfen Blut zu erkennen. Um dieses Ziel zu erreichen, engagiert sich das Unternehmen aktiv in der Forschung und Entwicklung von Technologien und Geräten. Wenn medizinische Tests von Patienten besser vertragen werden, sind mehr Menschen bereit, sich untersuchen zu lassen, was zu einer Früherkennung von Krankheiten führt.
Die Proteinanalysetechnologie von Shimadzu hat die Früherkennung von Krankheiten revolutioniert. Proteine sind nicht nur wichtige Strukturelemente in der Biologie, sondern auch essenziell für Hormone, Stoffwechselenzyme, Immunstoffe und die normale Körperfunktion. Veränderungen in Proteinstrukturen können zu Anomalien und damit zu einer Vielzahl von Krankheiten führen. Die Analyse von Proteinen im Körper erleichtert daher die Krankheitsdiagnose. Die zerstörungsfreie Analyse von Makromolekülen erwies sich jedoch als äußerst schwierig und stellte lange Zeit ein Hindernis für den Fortschritt dar. Dieses Hindernis wurde in den 1970er Jahren überwunden, als das Forschungsteam von Shimadzu mit der Massenspektrometrie (MS) begann und schließlich die Methode der weichen Laserdesorption/Ionisation zur zerstörungsfreien Messung der Proteinmasse entwickelte. Diese Errungenschaft fand weltweite Anerkennung, und Koichi Tanaka, ein Mitglied des Forschungsteams, erhielt 2002 den Nobelpreis für Chemie. Seitdem haben zahlreiche Forscher auf dieser Forschung aufgebaut und sie für die Diagnose zahlreicher Krankheiten und die Entwicklung vieler Arzneimittel angewendet. Es hat sich auch bei der Entdeckung von Biomarkern (Indikatoren für Krankheit und Behandlungseffektivität) als nützlich erwiesen, die eine frühzeitige Krebsdiagnose ermöglichen.
Entwicklung einer Analysemethode zur Messung der Wahrscheinlichkeit einer Alzheimer-Erkrankung
Wie auch in der Massenspektrometerforschung investierte Shimadzu viele Jahre in die Entwicklung eines PET-Systems zur Bildgebung von Zellfunktionen. Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts verbreitete sich der Einsatz von Ganzkörper-PET-Systemen zur Krebsdiagnostik. 2014 entwickelte Shimadzu ein spezialisiertes PET-System mit erweiterten Funktionen zur Früherkennung von Brustkrebs. Darüber hinaus entwickelte Shimadzu 2020 ein neues PET-System, das auch Kopfuntersuchungen zur Früherkennung von Demenz ermöglicht.
Obwohl PET-Systeme heute weit verbreitet zur Krebsvorsorge eingesetzt werden, entwickelte Shimadzu sie ursprünglich für die Kopfbildgebung. Das Unternehmen kooperierte mit Forschungseinrichtungen, um Geräte zur Diagnose zerebrovaskulärer Erkrankungen, einschließlich Demenz, zu entwickeln. Mit der Zulassung und dem breiten Einsatz von Medikamenten zur Krebsvorsorge wurden PET-Systeme jedoch auch für diesen Zweck häufig verwendet.
PET-System
Die Alzheimer-Krankheit ist die häufigste Form der Demenz. Bei Alzheimer-Patienten werden abnorme Ablagerungen des Proteins Amyloid-beta beobachtet, die vermutlich eng mit dem Krankheitsgeschehen zusammenhängen. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist die präziseste Methode, um das Ausmaß der Amyloid-beta-Ablagerung im Gehirn zu bestimmen. Daher wurde der Einsatz von PET-Systemen zur Diagnose der Alzheimer-Krankheit bereits frühzeitig in Betracht gezogen.
Diese Untersuchung wurde jedoch von medizinischen Einrichtungen nicht flächendeckend angeboten. Bildgebende Verfahren waren zeitaufwendig und teuer. Aus diesem Grund entbrannte weltweit ein intensiver Wettstreit unter Forschern um die Entwicklung einer einfachen Testmethode – beispielsweise eines Bluttests – zur Bestimmung der Amyloid-Beta-Ablagerung.
Dann löste Shimadzu erneut eine Revolution aus. Das FIRST-Programm (Förderprogramm für weltweit führende innovative Forschung und Entwicklung in Wissenschaft und Technologie) des japanischen Kabinetts hat zum Ziel, Spitzenforschung in einem breiten Spektrum von Bereichen zu fördern – von der Grundlagenforschung bis zur Produktentwicklung. Im Rahmen seiner Teilnahme an diesem Programm entwickelte Shimadzu eine bahnbrechende Methode zur Detektion von Amyloid-Beta aus nur wenigen Tropfen Blut mittels Massenspektrometrie – eine zuvor als unmöglich geltende Leistung. Darüber hinaus wandte Shimadzu diese Methode in gemeinsamen Forschungsprojekten in Japan und im Ausland an und stellte fest, dass das im Blut nachgewiesene Amyloid-Beta ein valider Biomarker zur Abschätzung der im Gehirn akkumulierten Menge ist. Forschungsarbeiten zu dieser Analysetechnologie erschienen 2014 in den Proceedings of the Japan Academy Series B, einer renommierten internationalen Fachzeitschrift, sowie 2018 in Nature und wirkten weltweit anregend auf Demenzforscher. Bis dahin hatte die Forschung zur Erkennung von Amyloid-Beta-Ablagerungen mittels Bluttests nur geringe Fortschritte gemacht, doch Shimadzus Leistung ebnete den Weg zu vielen weiteren nützlichen Erkenntnissen.
Amyloid-Beta-Nachweis mittels Massenspektrometer
Die Behandlung der Alzheimer-Krankheit mit neuen Therapeutika hat sich parallel zur Demenzforschung weiterentwickelt. Nach der staatlichen Zulassung in den USA erhalten einige dieser Wirkstoffe nun auch in Japan die Zulassung. Klinische Arzneimittelstudien erfordern Probanden mit nachgewiesenem Amyloid-beta-Gehalt. Der Nachweis dieses Zustands erfordert den Einsatz von PET-Geräten oder, falls eine PET-Bildgebung nicht möglich ist, die Analyse von Liquorproben. PET-Geräte sind daher für die Entwicklung von Therapeutika unverzichtbar. Die Leitlinien zur Demenzbehandlung befinden sich derzeit im Wandel, und die Beiträge, die von der Massenspektrometrie zur klinischen Bestimmung des Amyloid-beta-Gehalts in wenigen Tropfen Blut erwartet werden können, stehen noch am Anfang. Die Detektion im präklinischen Stadium ermöglicht nicht nur die Verzögerung des kognitiven Abbaus durch die Verabreichung von Therapeutika. Die Messung ihrer Wirksamkeit fördert auch die Entwicklung noch wirksamerer Wirkstoffe, und Shimadzu-Geräte spielen bei solchen Wirksamkeitstests eine führende Rolle.
Derzeit gibt es keine Behandlung, die die Funktion nicht funktionierender Neuronen im Gehirn wiederherstellen kann. Normale kognitive Fähigkeiten sind entscheidend für die Wahrung der Würde des Einzelnen. Geht diese verloren, erfordert die Pflege der Betroffenen einen enormen Aufwand an Zeit und Geld, und der gesellschaftliche Verlust ist beträchtlich. Kann die Möglichkeit einer Demenz frühzeitig erkannt und ihr Fortschreiten verzögert werden, lässt sich die gesunde Lebenserwartung verlängern. Shimadzu hat sich zum Ziel gesetzt, Technologien zu entwickeln, die die Zukunft der medizinischen Behandlung positiv beeinflussen.
Unterstützung der Entwicklung neuer, gut verträglicher Krebsbehandlungsmethoden
Viele Krebsarten gelten heute als heilbar, wenn sie frühzeitig erkannt werden. Dennoch ist die Krebsbehandlung oft körperlich sehr belastend. Fortschritte in der Medizin und Medizintechnik haben den Grad dieser Belastung, einschließlich der Belastung durch Nebenwirkungen, verringert, aber die für die Genesung notwendige Anstrengung erfordert nach wie vor erhebliche mentale und physische Stärke seitens der Patienten.
Als Reaktion darauf wurde die Photoimmuntherapie entwickelt, um Krebszellen gezielt anzugreifen und die Belastung durch die Behandlung zu verringern. Dabei wird den Patienten ein Medikament injiziert, das selektiv an Krebszellen bindet. Anschließend werden die Zellen mit Nahinfrarotlicht bestrahlt. Die Photoreaktion des Medikaments zerstört die Krebszellen, während gesunde Zellen unversehrt bleiben. Dadurch wird die Belastung für Zellen und innere Organe reduziert. Zudem wurde festgestellt, dass diese Behandlung die körpereigenen Immunzellen aktiviert und sich somit für die praktische Anwendung in der Therapie eignet.
Die Photoimmuntherapie wurde von Prof. Hisataka Kobayashi entwickelt, der zuvor als Kliniker in der Radiologie der Universität Kyoto tätig war, bevor er zum National Cancer Institute (NCI) in den USA wechselte, wo er als leitender Wissenschaftler mit unbefristeter Stelle arbeitet. Die Photoimmuntherapie weckt große Erwartungen als fünfte Behandlungsoption bei Krebs, neben Operation, Chemotherapie, Strahlentherapie und Immuntherapie. In Japan wird die Photoimmuntherapie bereits klinisch zur Behandlung von fortgeschrittenem Kopf-Hals-Krebs eingesetzt.
Shimadzu führt gemeinsam mit dem NCI, japanischen Universitätskliniken, dem Nationalen Krebszentrum Japan und weiteren Partnern klinische Studien durch. Wir nutzen Nahinfrarot-Kamerasysteme und Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie, um die Diagnose und die Medikamentenakkumulation vor der Behandlung, den Therapieverlauf sowie die Behandlungseffektivität und die Immunantwort für die Prognoseerstellung zu beurteilen.
Derzeit laufen zahlreiche klinische Studien und Untersuchungen, um das Spektrum der für die Photoimmuntherapie geeigneten Krebsarten und -lokalisationen zu erweitern und die Behandlungsansätze zu optimieren. Dieser Fortschritt wird voraussichtlich die Bewältigung vieler Herausforderungen erfordern. Shimadzu wird dies durch den Einsatz seiner Geräte und Technologien erreichen, die Entwicklung sicherer, zuverlässiger und wirksamer Behandlungsmethoden unterstützen und deren breite Anwendung in der klinischen Praxis fördern. Wir hoffen, dass durch die Entwicklung neuer, gut verträglicher Therapien alle Krebspatienten der Behandlung mit Zuversicht begegnen können.
Shimadzu betreibt gemeinsame Forschung und Entwicklung mit führenden Institutionen und Forschern in Japan und im Ausland. Zukünftig werden wir durch fortschrittliche Gesundheitsversorgung, die medizinische Behandlung mit Analysetechnologien integriert, neue Werte schaffen. Um die gesunde Lebensspanne zu verlängern, werden wir Technologien entwickeln, die die vier Phasen der medizinischen Behandlung – präklinische Diagnostik, klinische Diagnostik, Therapie und Prognostik – unterstützen, während wir in das Zeitalter der 100-jährigen Lebensspanne eintreten. Wir werden auch weiterhin Herausforderungen annehmen und den Fortschritt der Medizintechnik maßgeblich fördern.
Das Forschungs- und Entwicklungszentrum für Gesundheitswesen ist unsere Forschungsbasis im Bereich der fortschrittlichen Gesundheitsversorgung.
