Inline-Prozesse für den Interventionsraum

Laborautomatisierung und Medizintechnik just-in-time

Die Diagnose: Verdacht auf Krebs. Ein Schock für den Patienten. Nun heißt es warten oder zusätzliche Untersuchungen, bis alle erforderlichen Untersuchungsergebnisse vorliegen. Die während der Operation entnommenen Proben in ihren sorgfältig gekennzeichneten Probengefäßen werden zum Zentrallabor oder in die Pathologie der Klinik gebracht. Molekularbiologische, zellbiologische und histologische Untersuchungen werden in den nächsten Tagen folgen. Während dieser täglichen Routine gerät häufig in den Hintergrund, dass die Ergebnisse der Untersuchungen für den Patienten ein Zeichen der Genesung oder der Beginn eines langen Leidensweges sein können. In beiden Fällen ist die Wartezeit in dieser Ungewissheit extrem belastend. Wiederholte Klinikbesuche sind nötig und bedeuten dabei sowohl einen zusätzlichen Aufwand für den Patienten als auch gesteigerte Kosten für das Gesundheitssystem.

Neue Mittel und Wegedurch Inline-Prozesse
Eine Methode zur Verkürzung der Wartezeiten sind Inline-Prozesse. Bei Inline-Prozessen werden zeitlich und räumlich getrennte und in der Regel sequenzielle Prozesse zu einem verkürzten, lokalen und in der Regel parallelisierten Prozess integriert. Im oben angeführten Beispiel besteht das Ziel von Inline-Prozessen in einem einmaligen Untersuchungsvorgang für den Patienten und einer vollständigen Diagnose beim Verlassen des Untersuchungsraums. Es gibt organisatorische, technische oder medizinische Ansätze für Inline-Prozesse. Aus heutiger Sicht scheint die Beschleunigung und innere Verknüpfung von organisatorischen Abläufen durchführbar und bietet trotz aller Optimierung der Abläufe in den Kliniken noch große Potenziale. Die Durchführung von Analysen just in time während des Aufenthalts des Patienten im Interventionsraum erscheint dagegen heute noch als Science Fiction. Andererseits sind die (bio-)technischen Möglichkeiten für Inline-Prozesse noch nicht ausgeschöpft und bieten zudem noch ein großes Potenzial für die klinische Patientenversorgung.

Noch mehr Nutzen: Inline-Prozesse für die personalisierte Medizin
Es gibt erste Anzeichen dafür, dass derart synchronisierte Prozesse auch konkrete Vorteile für die Ergebnisse der Diagnose und Therapie liefern können und beispielsweise für neue methodische Ansätze wie in der personalisierten Medizin eine wachsende Rolle spielen werden.

Hierbei erfolgt die schonende und wirkungsvolle Behandlung durch den Einsatz speziell auf den Patienten angepasster diagnostischer und therapeutischer Methoden. Die personalisierte Medizin fokussiert dabei insbesondere auf molekulare Interventionsmethoden, die möglichst vollständig an die individuelle Physis des Patienten angepasst sind. Ein Beispiel: An die Stelle von standardmäßig eingesetzten Chemotherapeutika-Kombinationen, die viele bekannten Varianten der Tumorzellen eines Organs bekämpft, tritt ein reduzierter Cocktail, der nur die tatsächlich vorhandenen Tumorzellen unter Berücksichtigung der individuellen Randbedingungen angreift. Die Verabreichung von unwirksamen Therapeutika kann vermieden werden, so dass zahlreiche unnötige Nebenwirkungen für den Patienten und als weiterer Vorteil auch hohe Kosten für das Gesundheitssystem umgangen werden können. Die Voraussetzung für eine solche personalisierte Behandlung ist sowohl die genaue Analyse des individuellen Gewebes als auch die Möglichkeit, Therapeutika abgestimmt auf die analysierte Erkrankung herzustellen und zu applizieren.

Eine Analyse erfolgt heute oft durch eine Probenentnahme oder die Untersuchung von Tumormakern im Labor. Vielfach reicht die Qualität der Blut- oder Gewebeanalyse jedoch für eine umfassende und sichere Diagnose, unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren, für eine optimale Therapie des Patienten nach modernen Qualitätsmaßstäben nicht mehr aus. Eine Verbesserung der Analyse wird von der Entwicklung personalisierter Methoden zur Markierung von Tumorzellen erwartet, die direkt im Interventionsraum auf Basis der Analyse von Gewebeproben produziert werden. Für die Inline-Analyse spricht nicht nur die Verfügbarkeit geeigneter Proben, sondern auch die vielfach geäußerte Annahme, dass In-Vivo-Messungen bzw. Messungen mit frischen Proben wesentlich genauere Ergebnisse liefern könnten. Noch wichtiger erscheint die Bedeutung multimodaler Ansätze für die Qualität des Untersuchungsergebnisses. Hierbei werden neben den Ergebnissen der Gewebe oder Blutuntersuchung weitere Inline-Messdaten, z. B. aus der Bildgebung, Spektroskopie oder anderen Verfahren, zu einem nun wesentlich genaueren und, personalisiertem Gesamtbild der Erkrankung zusammengeführt. Solche multiplen, sich beeinflussenden Messkonzepte lassen sich mit überschaubarem Aufwand nur durch hochintegrierte Inline-Prozesse im Interventionsraum realisieren. Schließlich bilden Inline-Prozesse die Voraussetzung für geregelte diagnostische und therapeutische Prozesse im Interventionsraum (Closed-loop-Prozesse). Eine geregelte Diagnose und Therapie, beispielsweise in Form einer in Echtzeit kontrollierten und dynamisch angepassten Medikation bei gleichzeitiger Überwachung der Wirkung, schont den Patienten bei gleichzeitig verbessertem Behandlungsergebnis.

Erste kleine Schritte zum Inline-Prozess
Die Fraunhofer Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB mit ihrem Standort ander Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg befasst sich seit ihrer Gründung Mitte 2011 u.a. mit der Entwicklung von produktionstechnischen Lösungen und Closed-loop-Systemen für den Interventionsraum und das klinische Umfeld. In enger Zusammenarbeit mit den verschiedenen Fachdisziplinen am Universitätsklinikum Mannheim, allen voran den Ärzten, Chemikern und Biotechnologen, wurden ebenso die Chancen für automatisierte Lösungen im klinischen Umfeld wie auch die Dimension der Fragestellung deutlich. Die bisherigen klinischen Abläufe erforderten keine Lösungen für ein (Bioprozess-)Labor mit unmittelbarem Anschluss an den Interventionsraum, so dass auch keine Erfahrungen mit den Potenzialen einersolchen räumlichen und technischen Infrastruktur existieren. Erste Projekte zeigen jedoch die Potenziale von Inline-Konzepten auf: Bereits sehr nahe an der Realisierung befindet sich die aktuelle Entwicklung eines Produktionssystems für multimodal (CT/MRT) sichtbare Embolisationspartikel, das in den Interventionsraum integriert werden soll. Die Embolisation der Tumorversorgenden Gefäße, z. B. bei humanem hepatozellulärem Karzinom oder beim Uterusmyom, führt zur Unterbrechung der Nährstoffzufuhr des Tumors. Mit dem neuentwickelten Herstellungsverfahren können die Embolisatpartikel so modifiziert werden, dass sie wahlweise unter CT und /oder MRT sichtbar sind. Die Produktion dieser Embolisatpartikel bietet auch hier einige Vorteile. Auf Knopfdruck kann der Arzt die benötigte Menge und Partikelgröße zwischen 50 μm und 1000 μm herstellen. Der Aufwand für eine Lagerung der Partikel entfällt.

Inline-Prozess als Themain der Forschung
Die ersten Schritte zu einer molekulare Analytik und darauf basierend einer personalisierten Medizin werden zurzeit in Mannheim im Projekt M2O-LIE - Mannheim Molecular Intervention Environment gemacht, ein durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördertes Forschungscampus-Projekt mit einer wachsenden Zahl von Partnern aus Industrie und Forschung (z. Zt. Siemens, KUKA Laboratories, Carl Zeiss Meditec, dem Institut für Klinische Radiologie und Nuklearmedizin und der Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie, Universitätsklinikum Mannheim, dem EMB-Lab, Medizintechnik der Hochschule Mannheim und Fraunhofer PAMB). Die große Anzahl von Partnern bereits zu Projektbeginn lässt die vielschichtigen fachlichen Anforderungen einer solchen Entwicklung schon jetzt erkennen. Im Fokus des Forschungscampus M²OLIE werden durchgängige Methoden und (Bio-)Technologien für die Behandlung von oligometastasierten Patienten erarbeitet. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung aller benötigten klinischen, technischen und organisatorischen Methoden, um den bisherigen Versorgungsaufwand von mehreren Wochen auf einen Vormittag zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden die Abläufe im Interventionsraum durch die Möglichkeiten der bereits erwähnten Inline-Probenuntersuchung und auf den Ergebnissen der Diagnose basierenden Herstellung von radiochemischen Therapeutika erweitert. Die Rolle der Laborautomatisierung reicht von der Probenaufbereitung bis zur Herstellung der Therapeutika, wobei die Wirtschaftlichkeit einer solchen Behandlung erst noch durch die begleitenden Studien der Universität Mannheim nachgewiesen werden muss. Bereits heute wird ein Interventionsraum geplant, der die unmittelbare Einbindung eines Labors mit entsprechend neuer Generation an laborautomatisierungstechnischen Lösungen vorsieht. Mit einer Projektlaufzeit von 15 Jahren und der Verfügbarkeit interdisziplinärer Kompetenzen am Standort Mannheim wurde mit Hilfe des BMBF die Möglichkeit geschaffen, diese komplexe Thematik zu erarbeiten.

Quo Vadis?
Inline-Prozesse im klinischen Alltag sind noch sehr selten. Eine Probenuntersuchung in wenigen Minuten mit einem zuverlässigen Ergebnis und die Herstellung bzw. personalisierte Anpassung eines Therapeutikums in kurzer Zeit und in unmittelbarer Nähe des Interventionsraums gilt heute noch als Zukunftsmusik. Die Bewertung jedoch, ob eine derartige just in time-Versorgung mit personalisierten Diagnostika und Therapeutika ein Science Fiction Szenario oder ein unentdecktes, gelobtes Land darstellt, werden erst praktische Erfahrungen in den Projekten zeigen. In jedem Fall wird die Komplexität und Vielschichtigkeit dieser neuen Lösungen, und damit der Realisierungsaufwand und das technische Entwicklungsrisiko, massiv zunehmen. Es bleibt jedoch die Erwartung, durch technische Inline-Lösungen nicht nur eine kosteneffiziente, sondern auch besonders schonende ganzheitliche Behandlung des Patienten zu ermöglichen.

Kontakt
Dr. Jan Stallkamp
Dipl.-Biol. Caroline Siegert
Fraunhofer Projektgruppe für Automatisierung
in der Medizin und Biotechnologie PAMB
Klinikum Mannheim
Tel.: 0711/970-1308
Fax: 0711/970-1005
jan.stallkamp@ipa.fraunhofer.de
http://www.ipa.fraunhofer.de

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart
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Telefon: +49 711 970-00
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