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Dienstag, 23. Januar 2018

Medizintechnik

Blutflussmessungen im virtuellen Organ

Von Silvia von der Weiden | 28. August 2015 | Ausgabe 35

Nicht jedes Medikament wirkt bei jedem Patienten gleich gut. Computermodelle aber können jetzt den Erfolg einer Behandlung prognostizieren. Dazu simulieren sie den Stoffaustausch in lebenswichtigen Organen. Und sie lassen sich sogar an individuelle Patientenmerkmale anpassen.

Virtuelle Organe BU
Foto: Fraunhofer Mevis

Kontrastmittelinjektion: Die Simulation zeigt, wie sich das Mittel nach 0,2 s (o.), 2 s (m.) und 10 s (u.) in verschiedenen Bereichen der Leber anreichert und allmählich wieder abbaut.

Keine Wirkung ohne Nebenwirkung. Die Erfahrung haben schon viele Patienten gemacht. Dahinter steht, dass jeder Mensch Wirkstoffe anders verarbeitet. Verschreibt der Arzt ein Mittel, muss er die Therapie auch an Geschlecht, Alter oder Körpergewicht anpassen. Aber auch an den Stoffwechsel des Patienten, denn der bestimmt mit, ob und wie die Behandlung wirkt.

Maßgeschneiderte Medikamente im Eilverfahren

So sorgt beispielsweise bei jedem Dritten eine genetische Variante eines Enzyms dafür, dass Arzneien in der Leber nur sehr langsam abgebaut werden. Das kann zu fatalen Überdosierungen führen. Anders ergeht es Menschen mit dem gleichen Medikament, die zur Gruppe der „schnellen Stoffwechsler“ zählen. Betroffen sind 2 % der Bevölkerung. Bei ihnen wird der Wirkstoff in der Leber viel schneller abgebaut. Sie brauchen also eine höhere Dosis des Wirkstoffs.

Eine solche Anpassung von Behandlungskonzepten verspricht die personalisierte Medizin. Dazu bedarf es neuartiger Medikamente, die gezielt auf individuelle Besonderheiten von Patientengruppen zugeschnitten sind. Der Ansatz erfordert in hohem Maße den Einsatz leistungsfähiger Prognoseinstrumente.

Seit langem träumen Pharmaforscher davon, den gesamten Organismus des Menschen zu modellieren, um die Wirkung neuer Medikamente vorhersagen zu können. Angesichts der enormen Komplexität dieser Aufgabe konzentriert man sich zunächst auf einzelne Organe – allen voran die Leber, Wirkungsort und Hauptumschlagplatz für Arzneimittel.

„Virtuelle Leber“ nennt sich ein Netzwerk, in dem 70 Forschungsgruppen in ganz Deutschland an einer technologischen Mammutaufgabe arbeiten: Computermodelle über alle unterschiedlichen Organisations- und Funktionsebenen der Leber hinweg in eine sogenannte Multiskalenmodellierung zu integrieren, um diese Arbeit dann auf klinisch relevante Anwendungen zu übertragen.

Dabei sind die Forscher nun einen wichtigen Schritt vorangekommen. „Unser Verfahren kann simulieren, was im Inneren der Leber tatsächlich passiert. Das gilt insbesondere für Lebergewebe, in dem manche Bereiche geschädigt sind“, erklärt Projektleiter Tobias Preusser vom Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin Mevis in Bremen.

Gemeinsam mit Partnern am Uniklinikum Aachen und von Bayer Technology Services haben die Bremer Forscher ein Computermodell entwickelt, um Blutströme und wichtige Stoffwechselreaktionen in der Leber detailliert nachverfolgen zu können. „So lässt sich sehr gut simulieren, was passiert, wenn ein Wirkstoff mit dem Blut in die Leber kommt und dort verstoffwechselt wird, sowohl in einer gesunden als auch in einer verfetteten oder geschädigten Leber“, sagt Preusser.

Noch handelt es sich um ein hochauflösendes 3-D-Modell der Leber einer Maus. Damit konnte der Rechenaufwand in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Anhand von 3-D-Aufnahmen aus dem Computertomografen rekonstruierten die Forscher die präzise Struktur des fein verästelten Gefäßsystems und unterteilten die Leber in 50 000 virtuelle Würfelchen. Jedes fasst das Verhalten mehrerer Tausend Leberzellen zusammen.

Für die Simulation wird der Blutfluss in jedem Würfel virtuell nachgebildet, ebenso der Austausch von Substanzen zwischen Blut und Zellen mitsamt bestimmter Stoffwechselreaktionen. Schließlich kombiniert die Software die Ergebnisse zu einer vollständigen Simulation.

Wie aber lässt sich gewährleisten, dass das Computermodell die komplexen Prozesse in der Leber auch realitätsgetreu nachbildet? „Um das sicherzustellen, sind Versuche an echten Organen nötig, bei denen man einen Wirkstoff injiziert und genau nachschaut, was mit ihm passiert. Der Vergleich mit dem Experiment verrät uns dann, wie dicht wir mit unserer Simulation an der Wirklichkeit dran sind“, sagt Mevis-Mathematiker Ole Schwen.

Von personalisierten Computermodellen könnten auch Arztpraxen und Kliniken profitieren. Beispielsweise um Therapien für Risikopatienten zu optimieren. Ein Ansatz, den Siemens auf das Herz übertragen will. So ließe sich etwa klären, ob ein Herzschrittmacher im Einzelfall hilfreich wäre. Ausgehend von einem virtuellen menschlichen Durchschnittsherzen entwickelt das Unternehmen Softwareinstrumente, mit denen sich die individuellen Merkmale eines Patienten ins Computermodell integrieren lassen.

Personalisierte Herzmodelle mit patientenspezifischer Anatomie wie etwa den Aortenklappen sind bereits im klinischen Einsatz. Basis dafür sind hochauflösende 3-D-Bilder, die mittels CT erstellt werden. Solche individualisierten Modelle unterstützen Chirurgen, wenn beispielsweise bei einem Patienten eine künstliche Aortenklappe eingesetzt wird.

Künftig soll im Rahmen neuer gesetzlicher Vorgaben für Medizinprodukte auch die Wirkung von Herzschrittmachern vorab geprüft werden. Denn bei etwa einem Drittel aller Behandelten bringt das Gerät keine Besserung. Für die Prüfung werden neben anatomischen Merkmalen auch die Kontraktionsbewegung des Herzens und die elektrische Aktivität entlang der Muskelfasern in das Herzmodell integriert. Die Daten dafür stammen aus EKG- und Magnetresonanzuntersuchungen. Im personalisierten Herzmodell werden dann virtuell Elektroden angebracht und elektrische Impulse aktiviert, und so die Wirkung des Schrittmachers sichtbar gemacht.SILVIA VON DER WEIDEN

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