Virtueller Patient: Simulation in der Medizin

Virtueller Patient

Computersimulation bestimmt geeignetes Krebsmedikament

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Prof. Hans Lehrach ist Genetiker und emeritierter Direktor des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik, Berlin. 2008 gründete er mit zwei Mitstreitern die Alacris Theranostics GmbH, die Genomanalysen zu Therapiezwecken anbietet Bild: MPI für molekulare Genetik
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Digitaler Zwilling in der Industrie, umfangreiche Software für die Wettervorhersage: In vielen Bereichen hat die Simulation ihren Nutzen bewiesen. Was sie in der Medizin leisten könnte, erläutert der Genetiker Prof. Hans Lehrach. Am virtuellen Patienten werden bisher Erfolgschancen von Krebsmedikamenten getestet.

Dr. Birgit Oppermann

birgit.oppermann@konradin.de

Herr Professor Lehrach, was ist gemeint, wenn in Zusammenhang mit der individualisierten Medizin vom virtuellen Patienten die Rede ist?

Man kann vieles am Rechner simulieren, um unerwünschte Effekte zu vermeiden. In fast allen Bereichen, von der Automobilindustrie bis zur Wettervorhersage, wird das schon gemacht – nur in der Medizin und speziell bei der Auswahl von Medikamenten gibt es das bisher nicht, obwohl die Technik in komplexen Situation hilfreich sein kann. Hier setzt die Idee des virtuellen Patienten an: Damit lässt sich simulieren, wie ein individueller Körper auf Medikamente oder eine Kombination von Wirkstoffen reagiert. Können sie etwas bewirken? Helfen sie gar nicht, und es verstreicht Zeit, in der sich eine Krankheit wie Krebs entscheidend weiterentwickeln kann, so dass weitere Therapieoptionen entfallen? Oder verursacht die Behandlung besonders schwere Nebenwirkungen? All das könnte man am Computer, ohne Risiko für den Patienten, simulieren und so die Behandlung erheblich verbessern.

Welche Möglichkeiten bieten sich für die Therapie, wenn es ein virtuelles Abbild des Patienten gibt?

In einer Studie aus den USA wurde gezeigt, dass die zehn am häufigsten verschriebenen Medikamente nur bei 4 bis 25 Prozent der Patienten die gewünschte Wirkung zeigen. Bei der Krebstherapie liegen die Werte typischerweise bei 25 Prozent. Auch wenn die virtuellen Patientenmodelle noch am Anfang der Entwicklung stehen und wir bisher keine hundertprozentigen Vorhersagen über die Wirkung von Medikamenten erreichen können: Eine Verbesserung des Ist-Zustandes bei der Behandlung könnten wir schon jetzt erzielen, indem die Medikation besser an das Individuum, an den jeweiligen Patienten, angepasst wird.

Seit wann wird daran gearbeitet, und wie weit ist sind die Medizin und die Technik damit schon gekommen?

Die Arbeiten begannen etwa um die Jahrtausendwende im Umfeld des Human Genome Projects. Mit den Fortschritten in der Sequenzierungstechnik können wir heute Daten zur Erbsubstanz von Individuen bekommen, die eine Vorhersage im virtuellen Modell erst ermöglichen. Dass das Verfahren Potenzial hat und nützlich ist, zeigt sich schon an den wenigen Fällen, in denen es bisher eingesetzt wurde. Ohne die Simulation wäre vermutlich niemand darauf gekommen, ein Rheumamedikament zur Behandlung von Metastasen bei einem Augenmelanom einzusetzen – aber genau das hat bei einen Patienten sehr gut gewirkt. Ob und wie schnell es mit der Simulation im medizinischen Umfeld vorangeht, hängt nun stark von den Fördermitteln für entsprechende Forschung ab. Mit der Solarenergie und der Elektromobilität sind wir nur deshalb auf dem heutigen Stand, weil die Entwicklungen als gesellschaftlich relevant eingestuft und von staatlicher Seite massiv finanziell unterstützt wurden. Ähnliches würde ich mir für die Arbeiten zum virtuellen Patienten wünschen, denn hier geht es darum, Leben zu retten.

Virtueller Patient zeigt vorab, wie das Krebsmedikament wirken wird

Welche Informationen werden heute zusammengeführt, wenn ein virtueller Patient entsteht?

Wir arbeiten bisher vor allem an der Behandlung von Tumoren. Dafür wird das Erbmaterial im Tumor selbst sequenziert. Wir erfassen auch im Detail, was von den genetischen Informationen in den Zellen aktiv ist. Und wir untersuchen die DNA in den gesunden Zellen des Patienten. Diese Daten fließen zusammen in ein Modell, das Wechselwirkungen mit bestimmten Medikamenten oder Wirkstoffkombinationen simuliert. Dahinter stecken Differenzialgleichungen, für die eine große Zahl an Parametern eine Rolle spielen.

Wie genau stimmt ein virtuelles Abbild heute schon mit dem physischen Vorbild überein?

Noch kennen und nutzen wir nur eine Handvoll der Parameter, die vielleicht relevant wären. Je mehr wir einsetzen und je besser wir definieren können, wie sich der gesunde Zustand eines individuellen Patienten im Modell widerspiegeln würde, desto besser werden unsere Vorhersagen darüber, welches Medikament dem Tumor am meisten schadet und den Patienten möglichst schont. Manche Wirkstoffe müssen im Körper erst aktiviert werden, was nicht bei jedem passiert, weil ein Enzym fehlt. Bei manchen Menschen werden bestimmte Wirkstoffe besonders schnell abgebaut, was ein wichtiger Hinweis für die Dosierung ist. Diese Dinge lassen sich oft anhand der genetischen Informationen ableiten. Wobei für eine Simulation zum Thema Herzerkrankungen natürlich ein anderer Parametersatz und andere Zusammenhänge zu betrachten sind als bei einem Krebspatienten. Das Modell berücksichtigt also immer nur einen Ausschnitt aus den Eigenschaften des Menschen. Die äußerlichen Merkmale spielen da übrigens gar keine Rolle, auch wenn der Begriff ‚virtueller‘ Patient manchmal diese Assoziation weckt.

Welche weiteren Daten würden Sie sich wünschen, um das Gesamtbild zu verfeinern?

Wir würden gern mehr Details einfließen lassen, zum Beispiel im Hinblick auf die aktiven Genombereiche des Patienten, auf die Besonderheiten einzelner Zellen im Tumor oder auch was den Immunstatus des Patienten angeht.

Virtueller Patient: Bisher zahlt der Patient die Simulation selbst

Wie aufwendig und wie teuer ist es, für einen Patienten die erforderlichen Daten zu erheben und zu analysieren?

Eine solche Analyse ist zugegebenermaßen mit Aufwand verbunden und bisher auch ‚teuer‘ – allerdings geben Menschen für ein modernes Auto weit mehr Geld aus. Die meisten Kosten verursachen die Sequenzierungsarbeiten. Diese Kosten würden allerdings erheblich sinken, wenn das Sequenzieren zu einer häufig nachgefragten Standardprozedur werden würde.

Wie häufig wurde diese Analysemöglichkeit schon genutzt und von wem?

Es gibt in Deutschland eine niedrige zweistellige Anzahl von Krebspatienten, die diesen Weg probiert haben. Sie haben die Kosten selbst übernommen, um dem behandelnden Arzt mehr Informationen darüber zu geben, mit welchem Medikament sich die größten Erfolgschancen ergeben. Eine Behandlung mit einem molekular zielgerichteten Medikament kann in bestimmten Fällen Patienten eine Chemotherapie ersparen. Es gab allerdings auch Fälle, in denen wir mit den bisher ausgewerteten Daten keine hinreichend sichere Empfehlung geben konnten.

Was bedeutet das für die Medikamentenentwicklung und klinische Studien?

Mit der Simulation könnten wir langfristig Hinweise darauf geben, wie ein Wirkstoff verändert werden müsste, um seine Aufgabe optimal zu erfüllen – eventuell sogar spezifisch für ein Individuum. Das könnte wirtschaftlich effizienter sein als das heutige System, in dem alle aussichtsreich scheinenden Wirkstoffkandidaten in langwierigen und sehr kostspieligen klinischen Studien getestet werden. Das lässt sich sogar noch weiterdenken: Mit den Daten einer Vielzahl von Patienten lassen sich die wahrscheinlichen Flops unter den Wirkstoffen per Simulation aussortieren, schneller und günstiger und mit weniger Risiken für Probanden, an denen diese sonst getestet würden.

Auch bei Medizinprodukten könnte ein virtueller Patient vorab Erkenntnisse liefern

Lässt sich die Simulation am virtuellen Patienten auch auf die Anwendung von Medizinprodukten an bestimmten Individuen übertragen?

Im Prinzip kann man jede Art von Therapie simulieren, bevor sie angewendet wird – also ließe sich auch modellieren, was ein Herzschrittmacher einem bestimmten Patienten bringt. Dafür müsste man die Wechselwirkungen zwischen den Nerven im Herzen und den Impulsen des Gerätes betrachten. Solche Ansätze sollte man in großen, weiterführenden Forschungsprojekten unbedingt berücksichtigen.

Im Maschinenbau ist der digitale Zwilling ein heiß diskutiertes Thema. Wie sehr ähnelt das der Idee des virtuellen Patienten?

Die gedankliche Basis ist die Gleiche, daher würde sich ein intensiverer Erfahrungsaustausch sicher lohnen. Die Automobilindustrie ist über die ‚Anatomie‘ ihrer Fahrzeuge bestens informiert und kann daher eine Menge nützlicher Informationen aus den Simulationen ableiten. Ich gehe davon aus, dass wir in der Medizin auf lange Sicht auch dahin kommen werden, dass es für jeden Menschen ein Modell gibt, mit dem zum Beispiel der Apotheker kurz prüfen könnte, ob die von verschiedenen Ärzten verschriebenen Medikamente in dieser Kombination für den Patienten gut und wirksam sind. Damit solche Anwendungen funktionieren, muss das Modell natürlich aktuell sein – und immer wieder aktualisiert werden. Dieses Szenario ist wegen der Kosten allerdings nur sinnvoll, wenn die Analysen in großer Zahl ausgeführt und daher günstiger werden.

Was würde es für den Datenschutz bedeuten, wenn es zu jedem von uns ein digitales Ich gäbe?

Datenschutz ist etwas für Gesunde. Aus meiner Sicht ist es wichtiger, die Behandlungsmöglichkeiten zu optimieren – daher sollten die Vorschriften nicht zu restriktiv sein. Ohne Regeln wird es allerdings auch nicht gehen. Unser Konzept wäre, dass das Individuum die Kontrolle über die eigenen Daten hat und entscheidet, wer was davon wann bekommt: der Arzt im Krankheitsfall, vielleicht der Fitnesstrainer, falls die Person das für richtig erachtet. Den unerwünschten – und somit verbotenen – Zugriff auf die Daten müssen Gesetze verhindern, die zum Beispiel Hackerangriffe unter empfindlich hohe Strafen stellen. So hoch, dass auch große Unternehmen, die sich vom illegalen Zugriff Vorteile versprechen könnten, diese Idee nicht in die Tat umsetzen.

Was haben Sie am virtuellen Patienten Hans Lehrach über sich erfahren?

Mein Genom habe ich tatsächlich selbst sequenziert und ausgewertet. Dabei sind mir einige Dinge aufgefallen, die ich bei meiner Lebens- und Verhaltensplanung berücksichtige. Mehr Sport zu treiben, weniger zu essen und nicht zu rauchen sind natürlich allgemein bekannte Aspekte für ein gesundes Leben. Aber die Argumente wirken überzeugender, wenn man anhand des Genoms sieht, welche Effekte das für den eigenen Körper haben kann.

Wann ist Ihrer Ansicht nach die Zeit reif für den virtuellen Patienten für alle?

Wir haben heute ein Gesundheitssystem, das beweisbar in absehbarer Zeit unfinanzierbar sein wird. Daher wäre es angebracht, die Dinge sofort in Frage zu stellen und nach besseren Alternativen zu suchen. Wir geben heute in Europa 4,5 Milliarden Euro pro Tag für das Gesundheitssystem aus. Ein Drittel bis die Hälfte davon ließe sich durch eine stärker personalisierte Medizin vermeiden. Auf was sollten wir da noch warten?


Weitere Informationen

Über das Unternehmen Alacris Theranostics:

www.alacris.de

Über das Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik in Berlin:

www.molgen.mpg.de


Genomanalyse in Berlin

Die Arbeiten zum virtuellen Patienten begannen am Berliner Max-Planck-Institut um die Jahrtausendwende, zu der Zeit, als das Human Genome Project startete. Die Berliner Forscher analysieren in ihren Projekten das Genom des Menschen und anderer Organismen. Sie wollen biologische Prozesse besser verstehen und Mechanismen beleuchten, die mit menschlichen Krankheiten im Zusammenhang stehen. Erkenntnisse zur Krankheitsentwicklung auf molekularer Basis können helfen, neue krankheitsrelevante Therapien zu entwickeln.

Das Institut ist in viele große Forschungsprojekte eingebunden, darunter das Nationale Genomforschungsnetz (NGFN) sowie mehrere EU-Projekte und DFG-Sonderforschungsbereiche.

Im Jahr 2008 gründeten die Wissenschaftler Hans Lehrach, George Church und Marie-Laure Yaspo die Alacris Theranostics GmbH. Das Unternehmen nutzt unter anderem die Methoden der DNA-Sequenzierung und -Analyse, um Medikamente für eine personalisierte Behandlung von Tumoren ausfindig zu machen.

Moderne Sequenzierungstechnologie liefert die Daten, um die individuelle Situation eines Patienten überhaupt modellieren zu können
(Bild: Fotolia.com/vchalup)

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