20.02.2018

Medizin braucht Photonik 4.0

Optische Verfahren haben in der modernen Medizin eine Schlüsselrolle. Damit Ärzte die Vielfalt der Verfahren optimal nutzen können, sind Ansätze der Photonik 4.0 gefragt.

„Biophotonik ist eine Schlüsseltechnologie für die gastroenterologische Diagnostik“, stellte Maximilian Waldner, Professor am Universitätsklinikum Erlangen, kürzlich beim Berliner Forum „PHOTONIK 4.0 – Optische Gesundheitstechnologien“ klar. Experten aus Medizin und Photonik waren der Einladung des Deutschen Industrieverbands SPECTARIS gefolgt, um die Chancen zunehmend vernetzter, optischer Gesundheitstechnologien auszuloten.

Die Gastroenterologie nutzt seit Jahrzehnten Endoskope, um Entzündungen und Tumorerkrankungen in Speiseröhre, Magen und Darm zu identifizieren. Doch laut Waldner gibt es hierbei einige Probleme. So falle es in konventionellen Endoskopien schwer, krankhafte Gewebeveränderungen von harmlosen zu unterscheiden. Exakte Diagnosen sind erst nach Gewebeproben möglich, die oft Komplikationen verursachen und Zeit kosten. Oft vergehen Tage, bis der Laborbefund vorliegt: Quälendes Warten für Patienten und verlorene Zeit im Kampf gegen Krankheiten wie Darmkrebs.

Verbesserte Diagnoseverfahren

Jährlich erkranken in Deutschland 70.000 Menschen am kolorektalen Karzinom. Jahr für Jahr sterben 30.000 Patienten daran. Der tödliche Verlauf wäre laut Waldner in vielen Fällen abwendbar, wenn die Mutationen früher erkannt und im Zuge von Endoskopien entfernt würden. Doch zeigen Studien, dass Tumorvorstufen oft durchs Raster fallen. In Screening-Endoskopien bleibt statistisch jedes dreizehnte kolorektale Karzinom unentdeckt. Wünschenswert wären daher Diagnosesysteme, die Ärzte gezielter unterstützen. „Etwa Red-flag-Technologien, die bei Endoskopie klar signalisieren, wo der Arzt genauer hinschauen muss“, so Waldner. Ansätze wie die High-Definition- oder die Chromo-Endoskopie, bei der Farbstoffe für klare Kontraste auf Schleimhäuten sorgen, sowie Verfahren, die auf optische Filter und digitale Datenaufbereitung setzen, hätten bisher aber keine durchschlagenden Erfolge gebracht.

Hoffnungen ruhen auf Technologien, die das Sichtfeld der Diagnostiker erweitern und die Orientierung im faltigen Darm erleichtern. Etwa das Third Eye Retroscope von Avantis Medical Systems, die Full Spectrum Endoscopy vom US-Unternehmen Boston Scientific oder die molekulare Endoskopie, bei der Marker in Form von Antikörpern oder Peptiden zum Einsatz kommen. Diese machen mutiertes Tumorgewebe über den Umweg der Fluoreszenz sichtbar. Die Qualität der Diagnosen steht und fällt bei dieser Methode allerdings mit der Qualität der Marker.

Hightech für in-vivo-Histologie

Ziel der Entwicklung müsste eine „in-vivo-Histologie“ sein, anhand derer untersuchende Ärzte sofort entscheiden können, ob sie Gewebe entfernen müssen. Ein Ansatz dafür ist die konfokale Laser-Endomikroskopie. Ein ins Endoskop integriertes konfokales Miniatur-Mikroskop erlaubt es, im Körper hochaufgelöste mikroskopische Bilder zu erzeugen. Laser leuchten das Gewebe dafür aus. „Laterale Auflösungen von unter 1 Mikrometer und bis zu 150 Mikrometer Eindringtiefe helfen uns, gesunde und krankhaft veränderte Schleimhautstrukturen zu unterscheiden“, so Waldner. Allerdings ist die Methode aufwändig, weil vorab Farbstoff appliziert werden muss; zudem fehlt es an zugelassenen Farbstoffen. Ein Ausweg ist die Multiphotonenmikroskopie, die Gewebestrukturen mithilfe nicht-linearer optischer Effekte sichtbar macht - ohne Farbstoffen. Doch sind entsprechende Endoskope noch nicht marktreif.

Verfahrensvielfalt erfordert automatisierte Auswertung

Wie der Erlanger Gastroenterologe haben diverse Mediziner das SPECTARIS-Forum genutzt, um heutige Möglichkeiten und Grenzen der biophotonischen Diagnostik aufzuzeigen. Klar ist, dass die Vielfalt der Verfahren stark zunehmen wird. Mit der optischen Kohärenz-Tomographie, der Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), der Raman-Spektroskopie, dem Raman Imaging sowie der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS) sind diverse neue Methoden auf dem Weg in den Markt. Selbst opto-akutische Verfahren zur nicht-invasiven Diagnostik rücken in den Bereich des Machbaren.

Diese Vielfalt ist zugleich Segen und Fluch. Prävention könnte in Zukunft ein völlig neues Niveau erreichen, wenn es gelingt, multimodale Ansätze in die Praxis einzuführen: Patienten könnten in einer Untersuchung unterschiedlichste optische Diagnoseverfahren durchlaufen. Im Fall auffälliger Befunde könnte verändertes Gewebe sofort entnommen werden, bevor sich Metastasen bilden. Die Bilddaten gesunder Patienten könnten als Referenzdaten für jede weitere Diagnose dienen. Diese Vision setzt voraus, dass Mediziner mehr Hilfe bei der Bildauswertung erhalten. Automatisierte Diagnostik wäre machbar, wenn es gelingt, lernende Systeme an großen Mengen realer Patientendaten zu trainieren. Sie könnten lernen, Gewebe systematisch auf minimale Veränderungen hin abzuscannen und diese in Abgleich mit Krankheitsverläufen früherer Patienten zu bewerten. Das Berliner Forum hat allerdings gezeigt, dass dies kaum realisierbar ist. Denn die dafür nötigen Bilddaten aus der klinischen Praxis gibt es nicht – und aus Datenschutzgründen darf eine solche Datenbank bisher auch nicht angelegt werden. Die automatisierte Photonik-4.0-Diagnostik wird andere Wege finden müssen, Software auf die Unterscheidung kranker und gesunder Gewebe hin zu trainieren.

 
 
 
 
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Das war die LASER World of PHOTONICS

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