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ERC-Story – Ein "intelligentes" Skalpell im Kampf gegen Krebs, Kriminalität und Verunreinigungen

Krebs ist eines der schwierigsten medizinischen Probleme unserer Zeit. Allein im Vereinigten Königreich gibt es 300.000 neue Fälle pro Jahr – sodass jährlich beinahe zwei Millionen chirurgische Eingriffe nötig werden. Dank der Finanzmittel des ERC konnte Dr. Zoltán Takáts vom Imperial College London ein "intelligentes" Skalpell entwickeln, welches das Gewebe, durch das es schneidet, "riechen" kann. Das könnte die Krebsbehandlung und auch die Analyse von Lebensmitteln und Wirkstoffen sowie die Erforschung des menschlichen Mikrobioms revolutionieren.
ERC-Story – Ein "intelligentes" Skalpell im Kampf gegen Krebs, Kriminalität und Verunreinigungen
Das Instrument, das die Forscher das "iKnife" nennen, analysiert in einem Massenspektrometer den "Rauch", der entsteht, wenn mit einem Skalpell, das mit kurzwelligem elektrischen Strom betrieben wird, Gewebe durchgeschnitten wird. Die Chirurgen erhalten in Echtzeit die notwendigen Informationen darüber, ob sie durch gesundes oder Krebsgewebe schneiden.

Dr. Takáts' Projekt mit dem Namen "DESI - JEDI imaging" hat in der Fachzeitschrift Science of Translational Medicine in einem Artikel über den erfolgreichen Test der Technologie berichtet, der in der Presse große Aufmerksamkeit erregte. Im Rahmen der Studie richtete das Projekt eine Datenbank mit Signaturen für verschiedene Krebsarten ein – einschließlich Gehirn-, Brust-, Lungen- und Darmkrebs – indem die Wissenschaftler Gewebeproben von mehr als 300 Patienten nahmen. Das iKnife wurde dann in 80 chirurgischen Operationen eingesetzt und in jedem Fall stimmten seine Echtzeit-Ergebnisse mit den herkömmlichen Gewebeanalysen überein, die nach der Operation durchgeführt werden.

"Wir hatten nicht erwartet, mit dem Projekt so weit voranzukommen, als wir 2007 den ursprünglichen Vorschlag einreichten", sagt Dr. Takáts. "Aber in den sechs Wochen, seit unserer Artikel veröffentlicht wurde, haben wir unsere klinischen Versuche abgeschlossen und gezeigt, dass die Technologie einsatzbereit ist – daher stehen wir kurz vor dem Beginn klinischer Studien im Hinblick auf die Zulassung."

Eine bahnbrechende Leistung

Massenspektrometer messen das Verhältnis der Masse zur Ladung ionisierter (geladenen) Teilchen, indem sie sie durch elektrische oder magnetische Felder leiten. Die Wissenschaftler analysieren damit die chemische Zusammensetzung und Struktur der Proben.

Der große Durchbruch kam für Dr. Takáts, als er erkannte, dass neue Operationsverfahren – wie Ultraschall-, Laser- oder Elektrochirurgie – geladene Teilchen des Gewebes produzierten, die sich hervorragend zur Einspeisung in ein Massenspektrometer eignen. Sein erstes einfaches Experiment – mit Schweineleber und handelsüblichen chirurgischen Instrumenten – funktionierte problemlos und die Ergebnisse waren viel besser als erwartet.

"Sofort begannen wir damit, über die Anwendungsmöglichkeiten für dieses fantastische Werkzeug nachzudenken. Wir suchten nach Problemen, bei denen ein bildgebendes Massenspektrometer deutliche Veränderungen herbeiführen könnte."

Derzeit nimmt ein Chirurg eine Gewebeprobe und lässt sie in einem histopathologischen Labor analysieren. Es wird eine sogenannte "Biopsie" durchgeführt, wodurch es mindestens 40 Minuten dauert, bevor feststeht, ob die Operation fortgesetzt wird. Nun aber werden die Partikel mithilfe einer Absaugpumpe von der Operationsstelle zum Massenspektrometer "gesogen" und iKnife gibt dem Chirurgen ein sofortiges Feedback, damit neben dem Tumor- oder entzündeten nicht unnötig gesundes Gewebe entfernt wird. Da mehr Gewebe intakt bleibt, können der Heilungsprozess und die Lebensqualität des Patienten verbessert werden.

Aus dem Forschungsstadium in die chirurgische Praxis

"Wir gehen jetzt zu offiziellen klinischen Studien über", sagt Dr. Takáts. "Wir erwarten, dass im nächsten Jahr mit Studien in der Gehirnchirurgie begonnen werden kann."

Das war eine Herausforderung, da alle drei Komponenten beim Design des Instruments fertiggestellt sein müssen, bevor die klinischen Studien beginnen – das Elektroskalpell, die Datenbank für die Identifizierung und Diagnose sowie das an den OP-Saal angepasste Massenspektrometer – weil das Design nach der Zulassung nicht mehr geändert werden kann.

"Die Proof-of-Concept-Förderung (PoC) durch den ERC war hierfür von zentraler Bedeutung", sagt Dr. Takáts. "Durch das Starting Grant hatten wir die Möglichkeit, die Forschungsgruppe aufzubauen und zu forschen, aber wir brauchten die PoC-Förderung dringend, um regulatorische Fragen und den Umgang mit geistigem Eigentum zu klären und ein Unternehmen zu gründen, über welches das Instrument auf den Markt gebracht werden kann."

Das iKnife wurde für die Elektrochirurgie entwickelt, da dieses Verfahren von den Krebsspezialisten bevorzugt wird, aber es lässt sich auch in der Hydro- und Laserchirurgie einsetzen. Zu den neuen Anwendungsgebieten für das Instrument könnte auch eine Analyse der Schleimhäute und der Atemwege sowie des Urogenital- oder Magen-Darm-Systems gehören.

Sein Nutzen für die Gewebe- und Stoffanalyse hat dazu geführt, dass das Team Kontakt zur Lebensmittelindustrie und Verbrechensbekämpfungsbehörden aufgenommen hat. Es könnte auch ein leistungsfähiges neues Instrument für Biologen sein, mit dem sich die Erstellung von Datenbanken der mikrobiellen Population in unserem Körper beschleunigen ließe.

"Die Millionen von Bakterien, die in – und auf – uns leben, können eventuell mit Krebs und Krankheiten, wie Diabetes, in Zusammenhang stehen", sagt Dr. Takáts. "Wenn wir sie identifizieren könnten, wären Fortschritte bei Diagnose und Behandlung möglich. Wir haben jetzt ein einzigartiges Werkzeug, um die feinen Details dieser Wechselwirkungen zu untersuchen – um neue Ansätze und Therapien zu entwickeln."

- Quelle: Dr. Zoltán Takáts
- Projektkoordinator: Imperial College, London, United Kingdom
- Projekttitel: Development of mass spectrometric techniques for 3D imaging
- Projektakronym: DESI – JEDI imaging
- http:// (DESI – JEDI imaging Projektwebsite)
- RP7 Finanzierungsprogramm (ERC-Aufforderung): Starting Grant 2008 und Proof-of-Concept Grant 2012
- Finanzierung durch die EK: 1 750 000 EUR
- Projektdauer: 5 Jahre

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