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Theranostik: Neue Behandlungsmöglichkeiten in der Medizin

Theranostische Systeme
Wie die Theranostik die Medizin verändert

Implantate oder Medikamente sollen nicht nur bei der Diagnose von Krankheiten helfen, sondern diese auch therapieren können. Dies ermöglicht der Medizin individuellere Behandlungsformen und den Patienten oftmals eine schnellere Genesung. An immer kleineren und funktionaleren Systemen wird geforscht.

Susanne Schwab
susanne.schwab@konradin.de

Allein in Europa leiden etwa 46 Millionen Menschen an Tinnitus. Die Ursache ist häufig nicht klar erkennbar. Die Betroffenen nehmen Töne oder Geräusche wahr, denen keine real vorhandene Klangquelle zugeordnet werden kann. „Bis zu 90 verschiedene Symptome sind bei Tinnitus möglich. Manche Betroffene hören die Töne im Kopf, bei anderen dagegen ist der Ton räumlich gebunden“, erklärt Prof. Dr. Peter Husar, der das Fachgebiet Biosignalverarbeitung an der TU Ilmenau leitet. Er ist auch einer der Initiatoren des Forschungsprojekts „Theranostik und Therapie von Tinnitus mittels räumlichen Hörens“. Theratin, so die Abkürzung des Projektnamens, könnte künftig die Situation vieler Betroffener verbessern: Entwickelt wird ein Kopfhörer mit Raumklang, der eine engere Verknüpfung von Tinnitus-Diagnose und -Therapie – idealerweise in Echtzeit – ermöglicht.

Inhaltsverzeichnis
Räumliche Klangwiedergabe unterstützt die Tinnitus-Therapie
Fraunhofer-Institute forschen gemeinsam an Theranostik
Theranostisches Implantat überwacht die Vital-Parameter
Hüftgelenkprothese kontrolliert und reguliert Einwachsverhalten
Theranostik in der Krebsbehandlung erfolgreich im Einsatz
Nuklearmedizin unterstützt bei der Tumorbehandlung
Bayern gründet gemeinsames Zentrum für Krebsforschung
Metalle für therapeutische und diagnostische Anwendungen
Biomolekül mit theranostischen Eigenschaften
BZKF-Leuchtturm Theranostics
Theranostik: Ein Baustein für die Zukunft der Medizintechnik

Die neue Technologie mit dem theranostischen Ansatz verspricht gleich mehrere Vorteile – für den Therapeuten wie für den Betroffenen: Die Messung der elektrischen Aktivität des Gehirns der Betroffenen mit Hilfe von EEG-Sensoren im Spezialkopfhörer und die automatische Analyse der Hirnsignale unterstützen die Diagnostik. So kann der Therapeut den Tinnitus objektiv einschätzen, was wiederum eine personalisierte Behandlung ermöglicht.

Räumliche Klangwiedergabe unterstützt die Tinnitus-Therapie

Für den Betroffenen ist das Hören mit dem Kopfhörer eine Erleichterung: Durch das umfassende Hörerlebnis nimmt er die virtuellen Klangquellen nicht mehr in seinem Kopf, sondern im Raum wahr. „Diese räumliche Klangwiedergabe unterstützt die Tinnitus-Therapie maßgeblich“, sagt Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Geschäftsführer der Brandenburg Labs GmbH. Diese leitet das Projekt, das der Freistaat Thüringen fördert. Als weitere Partner sind die Fachgebiete Biosignalverarbeitung sowie Elektronische Medientechnik der TU Ilmenau beteiligt. Unterauftragnehmerin ist eine Ilmenauer Musiktherapeutin.

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Mit Theranostik den Tinnitus bekämpfen: Akustik-Forschung der TU Ilmenau an einem Kunstkopf
Bild: TU Ilmenau/Michael Reichel

Aktuell sind Prof. Husar und sein Team dabei, diagnostische Methoden zu testen und Reizantworten des Gehirns zu finden. „Wir versuchen, die primären Symptome des Tinnitus im EEG, also die Gehirnströme, zu messen“, so der gelernte Medizintechniker. „Bei rund 90 Symptomen oder Ursachen können wir natürlich nicht alle finden, aber wir können diagnostizieren, was in den neuronalen Bahnen im auditorischen System elektrisch messbar ist. Dazu bauen wir beispielsweise gezielt falsche akustische Töne in ein Musikstück ein und messen die kognitiven Reaktionen beziehungsweise bei Tinnitus-Betroffenen die Nicht-Reaktion.“

Durch die auf objektiven Messgrößen basierende Diagnostik kann der Kopfhörer anschließend genau auf den Tinnitus-Betroffenen eingestellt werden. Die Therapie findet dann entweder vor Ort in der Praxis der Musiktherapeutin oder auch individuell zuhause statt. „Die Rehabilitation lässt sich dadurch deutlich verkürzen“, so Prof. Brandenburg. Das theranostische Konzept war die Grundidee von Theratin. „Bis jetzt konnten bereits Teile des Kopfhörers verifiziert werden, die Forschungen werden noch bis Mitte 2023 laufen. Anschließend ist die Produktentwicklung geplant.“

Fraunhofer-Institute forschen gemeinsam an Theranostik

Theranostische Systeme, theranostische Implantate, aber auch theranostische Medikamente sind in den letzten Jahren mehr in den Blickpunkt von Medizin und Forschung gerückt. Der Wunschgedanke: Therapie und Diagnostik sinnvoll zu verbinden – Theranostik eben.

Dabei ist die Idee gar nicht so neu: „Eigentlich ist auch der Herzschrittmacher ein theranostisches Implantat. Und der erste wurde bereits vor über 60 Jahren implantiert“, erinnert Dr. Mario Baum, der beim Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS im Geschäftsbereich Systeme und Applikationen im Themenfeld Smart Health tätig ist. Auch die Fraunhofer-Institute forschen an komplexen implantierbaren medizinischen Produkten, die diagnostische und therapeutische Eigenschaften in einem System vereinen. Denn die Theranostik ist eines der Trendthemen in der Medizintechnik, die, laut Dr. Baum, durch Miniaturisierung und Digitalisierung der Sensorik eine patientenindividuelle Therapie ermöglicht.

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Dr. Mario Baum arbeitet am Fraunhofer ENAS im Geschäftsbereich Systeme und Applikationen im Themenfeld Smart Health. Er war an der Entwicklung des Implantats zur Blutdrucküberwachung beteiligt
(Bild: Fraunhofer ENAS)

In der Theranostik, dem Kunstwort aus Therapie und Diagnostik, sind seiner Ansicht nach Maßnahmen vereint, die ein Diagnostizieren bestimmter Krankheiten oder Zustände erlauben und die gleichzeitige Therapie ermöglichen. „Die Anforderungen an solche theranostischen Implantate der nächsten Generation sind enorm“, sagt Dr. Baum: „Hohe Komplexität bei geringer Baugröße und geringem Gewicht, immer kleinere Elektronik und Sensorik, stabile Funktionsweise im Körper in einem feuchten und warmen Milieu, umgeben von ständigem Zellwachstum, Langlebigkeit, Verträglichkeit und Energieversorgung sind nur einige davon. Die Möglichkeiten dafür bieten Mikro- und Nanosysteme.“

Theranostisches Implantat überwacht die Vital-Parameter

Im Fraunhofer-Leitprojekt Theranostische Implantate haben sich zwölf Fraunhofer-Institute zusammengeschlossen, um Systeme zu entwickeln, die Patientenparameter erfassen und Verbesserungsmaßnahmen einleiten. In einem gemeinsamen Projekt von Fraunhofer ENAS und dem Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) wurde, unter der Leitung von Michael Görtz, ein Implantat entwickelt, das den Blutdruck überwacht. „Dabei ist die Theranostik so zu verstehen, dass wir diagnostizieren, ob und wie sich dieser Vitalparameter beispielsweise bei Patienten mit Herzinsuffizienz verändert, um bei Bedarf sofort mit Medikamenten eingreifen und den Patienten stabilisieren zu können“, so Baum. Entwickelt wurde ein Implantat, das mit Sensoren den Blutdruck dauerhaft misst und die erfassten Werte durch eine drahtlose Schnittstelle aus dem Körper heraus übertragen kann.

Trotz seiner Größe von nur 3 mm x 15 mm kann das Implantat nicht nur den Blutdruck, sondern auch Temperatur und Lage des Patienten messen und hat eine Selbsttestfunktion. „Wichtig für die Theranostik ist“, so Dr. Baum, „wenn ich auf der einen Seite messen kann, muss ich auf der anderen Seite auch eine Aktion auslösen können. Dafür wird ein Aktor benötigt. Eine Behandlungsaktion besteht beispielsweise aus der Abgabe eines Medikaments oder der Auslösung einer bestimmten Bewegung durch das Implantat oder den Sensor.“

Hüftgelenkprothese kontrolliert und reguliert Einwachsverhalten

In einem Teilprojekt des Leitprojekts entstand eine smarte Hüftgelenkprothese. Christian Rotsch vom Fraunhofer IWU und sein Team entwickelten gemeinsam mit den Partnerinstituten IKTS, IPMS, IGB und IPT ein Implantat, das mit Sensoren und Aktoren ausgestattet ist. Diese ermöglichen, das Einwachsverhalten der Prothese und ihren Sitz im Knochen berührungslos und ohne invasiven Eingriff laufend zu überwachen.

Lockert sich die Prothese, kann sie durch Aktivierung ihren Querschnitt erhöhen, bis sie wieder einen festen Sitz erreicht. Die dafür entwickelten Sensoren und Aktoren lassen sich auch in andere Implantat-Systeme integrieren und eignen sich zur Überwachung der Implantat-Knochen-Schnittstelle sowie zum Condition Monitoring komplexer Bauteile.

Auch intelligente Pflaster, die beispielsweise durch elektrische Impulse die Wundheilung unterstützen oder durch einen farblich kodierten Bereich anzeigen, ob ein Wechsel des Pflasters erforderlich ist, sind Ergebnisse der Forschungen am Fraunhofer ENAS. Zusätzlich lassen sich die Pflaster mit Sensoren ausstatten, die über einen Keimeintritt in die Wunde informieren. „Diese neuen Pflaster können außerdem über ein Medikamentendepot verfügen, das kontinuierlich beispielsweise ein Antibiotikum im Wundbereich absorbiert, um damit die individuelle Heilung zu beschleunigen“, so Dr. Baum. Das Projekt wird aktuell mit einem Unternehmen umgesetzt.

Pflaster setzt bei Wundinfektion Medikamente frei 

Theranostik in der Krebsbehandlung erfolgreich im Einsatz

In der Krebsdiagnostik und der -therapie profitieren Mediziner und Patienten bereits von der Theranostik. Die bayerischen Universitäten und Universitätskliniken entwickeln beispielsweise erfolgreich neue bildgebenden Verfahren und theranostische Radiopharmaka. Damit können nicht nur Tumorerkrankungen früh sichtbar gemacht, sondern auch die molekularen Eigenschaften von Krebs dargestellt werden, um Therapien besser individuell planen zu können.

Prof. Dr. Wolfgang Weber ist Direktor der Klinik für Nuklearmedizin des Klinikums rechts der Isar der TUM München. Er hat sich auf das Gebiet der molekularen Bildgebung und der gezielten Radionuklidtherapie spezialisiert. Im Mittelpunkt seiner Forschung stehen die kombinierte Bildgebung und Therapie von Krebs. In der Patientenversorgung gehört für ihn die Theranostik zur täglichen Arbeit. „Mit einem diagnostischen Radiopharmakon lassen sich Tumore und deren Metastasen nicht nur präzise lokalisieren und bildgebend darstellen. Der Patient kann auch mit einem chemisch ähnlichen therapeutischen Radiopharmakon therapiert werden“, erklärt Prof. Weber.

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Prof. Dr. Wolfgang Weber ist Direktor der Klinik für Nuklearmedizin am Klinikum rechts der Isar der TUM München. In seiner Arbeit setzt er theranostische Radiopharmaka ein
(Bild: TUM München)

Bindet man an die Tumorzellen ein radioaktives Isotop in winzig kleinen Mengen, wird bei dessen Zerfall lokal so viel Energie freigesetzt, dass diese von außen gemessen werden kann. Die Messgeräte dafür sind so genannte Gamma-Kameras und PET-Scanner. „Diese Geräte sind seit Jahrzehnten bekannt, aber sie sind heute viel empfindlicher als früher“, sagt Prof. Weber. „Für die Diagnostik nutzen wir jetzt die hohe Empfindlichkeit der Geräte. Wir können dadurch gezielt Moleküle, die bestimmte Gewebe bilden, im Körper eines Menschen sichtbar machen.“ Ein typisches Beispiel sind Enzyme und Rezeptoren, die im Gehirn oder in Tumorgeweben gebildet werden.

Nuklearmedizin unterstützt bei der Tumorbehandlung

Wird eine andere Strahlung verwendet, die nicht durch den Körper hindurchgeht, sondern lokal absorbiert wird, kann diese Strahlung das Gewebe, das sie aufnimmt, ganz erheblich schädigen. „Dies ist der therapeutische Ansatz, den wir nutzen“, sagt Prof. Weber. Und auch hier ist ein Vorteil, dass nur wenig Radioaktivität benötigt wird, um durch die gezielte Bestrahlung und den radioaktiven Verfall die Krebszellen zu zerstören. „In der Nuklearmedizin verwenden wir dafür Stoffe, die im Gewebe eine Reichweite von einem Millimeter haben und damit sehr präzise Gewebe abtöten“, so Prof. Weber. Im Vergleich zur Chemotherapie, bei der ein Chemotherapeutikum im gesamten Körper verteilt wird, ist diese Therapie durch die zielgerichtete Bindung an die Tumorzellen relativ nebenwirkungsarm.

Schilddrüsenerkrankungen werden seit Jahrzehnten nuklearmedizinisch nach dem Prinzip der Theranostik behandelt. In den vergangenen zehn Jahren hat sich das Spektrum rapide erweitert: Mittlerweile gibt es auch vielversprechende Therapieansätze bei neuro-endokrinen Tumoren, also hormonbildenden Tumoren des Nervensystems, hämatologischen Erkrankungen, wie Leukämie, Lebermetastasen und Leberzellkrebs, aber auch für Prostatakrebs. Weitere theranostische Methoden mit potenziellen therapeutischen Möglichkeiten sind unter anderem für Bauchspeicheldrüsenkrebs und das Mammakarzinom in der Entwicklung.

Bayern gründet gemeinsames Zentrum für Krebsforschung

Um die Diagnostik und Behandlungsmöglichkeiten für viele Krebsarten weiter zu verbessern, haben sich die sechs bayerischen Universitätskliniken in Augsburg, Erlangen, den zwei Standorten in München, Regensburg und Würzburg sowie die zugehörigen Comprehensive Cancer Center (CCC) zum Bayerischen Zentrum für Krebsforschung (BZKF) zusammengeschlossen. Im Leuchtturmprojekt Bildgebung/Theranostik soll die Zusammenarbeit in der bayrischen Krebsforschung künftig gebündelt werden.

EinverständniserklärungsNr:__1949ab,_1950ab,
Isabelle_Daubit,_Nils_Metzler-Nolte

Die_Bilder_dürfen_nur_im_Kontext_der_Ruhr-Universität_Bochum_(RUB)_unter_Angabe_des_Copyrights_©_RUB,_Marquard_verwendet_werden,_zum_Beispiel_für_Webseiten_der_RUB_sowie_für
Tumore finden und dabei gleich angreifen: Isabelle Daubit und Prof. Dr. Nils Metzler-Nolte haben in internationaler Kooperation erfolgreich daran gearbeitet
(Bild: RUB, Marquard)

Auch an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben Forscher an einem theranostischen Konzept für die Krebsbekämpfung gearbeitet. Prof. Dr. Nils Metzler-Nolte, Inhaber des Lehrstuhl für Anorganische Chemie an der Fakultät für Chemie und Biochemie, untersucht mit seinem Team Metallverbindungen für biomedizinische Anwendungen, insbesondere als Wirkstoffe gegen Krebs. Seine Erkenntnis: „Die Kombination aus Biomolekül und einem Metallkomplex kann Krebszellen gezielt suchen, binden, markieren und schädigen.“

Metalle für therapeutische und diagnostische Anwendungen

Mit den therapeutischen Eigenschaften der Metalle beschäftigt sich der Chemiker bereits seit rund zehn Jahren an der RUB. „Das ist unser Kerngeschäft. Dagegen ist der Bereich Diagnostik, also die Bildgebung, für uns noch relativ neu. Daran arbeiten wir seit drei, vier Jahren. Und Metalle verwenden wir deshalb, weil sie besonders gute optische Eigenschaften besitzen und sich in der Mikroskopie leicht detektieren lassen. Eine wichtige Eigenschaft für die Theranostik.“

Ein solches so genanntes Theranostikum, das Tumorzellen durch die Bestrahlung mit sichtbarem Licht erkennbar macht, hat ein deutsch-spanisches Forscherteam hergestellt und seine Wirksamkeit gegen Lungenkrebszellen belegt. Einen Teil der Arbeiten führte Andres Luengo aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. M. Concepción Gimeno der Uni Zaragoza in Spanien während eines Forschungsaufenthalts in der Gruppe von Prof. Metzler-Nolte an der RUB durch.

„Die Aufgabe meiner Gruppe war, Metallverbindungen zu finden, die Krebszellen töten können. Wir verwenden dafür Peptide, also ganz kleine organische Moleküle, die einen Rezeptor auf der Oberfläche von Zellen binden können, und kombinieren diese mit einer giftigen Goldverbindung“, so der Chemiker.

Theranostik kann die personalisierte Medizin verbessern

Biomolekül mit theranostischen Eigenschaften

Die Spanier nutzten an der RUB die Erfahrung der Arbeitsgruppe Bioanorganische Chemie auf dem Gebiet der Herstellung kleiner Biomoleküle und toxisch auf Krebszellen wirkender Metallbausteine. Kombiniert wurde ein Biomolekül namens Enkephalin, das an Opioidrezeptoren andocken kann, die in einigen Krebsarten vermehrt vorkommen, mit einem leuchtenden und einem toxischen Metallbaustein. So gelang es, ein Molekül herzustellen, das die Eigenschaften moderner Theranostika besitzt, aber nicht mit Radioaktivität, sondern durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht nachgewiesen werden kann.

Das Projekt ist inzwischen erfolgreich abgeschlossen. Prof. Metzler-Nolte und sein Team arbeiten aktuell aber weiter daran, die Diagnostik zu verbessern. Für ihn ist die Theranostik eine wichtige Voraussetzung für die künftige Entwicklung der personalisierten Krebsmedizin: „In der bisherigen Therapie lässt sich eine Vorhersage treffen, was für einen Patienten das Beste ist. In der Theranostik kann ich künftig die Therapie, die ich einsetze, durch die Diagnostik begleiten. Das ist ein großer Fortschritt, denn ich kann sofort sehen, ob eine Therapie dort wirkt, wo sie soll, und so, wie ich es will. Meine Vision ist es, den Patienten mit einer Art Baukasten individuell versorgen zu können.“


Weitere Informationen

Zum Projekt Theratin:
brandenburg-labs.com/theratin

Zur Arbeit am Fraunhofer ENAS:
www.enas.fraunhofer.de

Zum Theranostik am BZKF:
www.bzkf.de

Zur Forschung an der RUB:
www.chemie.rub.de/ac1


Theranostik des multiplen Myeloms mit Liganden des Chemokinrezeptors CXCR4. Die systematische klinische Entwicklung dieser Liganden soll im Rahmen des Leuchtturms unterstützt werden
(Bild: BZKF)

BZKF-Leuchtturm Theranostics

Dank neuer Diagnostik und Behandlungsmöglichkeiten sind die Überlebenschancen der Betroffenen bei vielen Krebsarten deutlich gestiegen. Die bayerischen Universitäten und Universitätskliniken entwickeln bereits sehr erfolgreich neue bildgebenden Verfahren und theranostische Radiopharmaka. Der Leuchtturm Bildgebung/Theranostics soll die klinische Testung dieser Innovationen beschleunigen. In der ersten Phase der Förderung des Leuchtturms werden die Voraussetzungen für die systematische klinische Testung dieser Innovationen geschaffen werden. Dafür wird eine Stelle eingerichtet, die alle BZKF-Standorte beim Prozess der Genehmigung von klinischen Studien sowie bei der Herstellungserlaubnis unterstützt. Ein Projekt ist eine klinischen Studie zur Diagnostik und Therapie von multiplen Myelomen, die von der DKH gefördert wird. Außerdem soll im Rahmen des Leuchtturms ein Radiopharmaka-Netzwerk zur Versorgung von BZKF-Standorten mit diagnostischen sowie therapeutischen Radiopharmaka für klinische Studien aufgebaut werden.


Theranostik: Ein Baustein für die Zukunft der Medizintechnik

Zukunft der Medizintechnik: Es gibt einiges zu verbessern

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