-
Verfahren
zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels für die Durchführung einer
bildgebenden Untersuchung bei einem Patienten und Verwendungen des
im ausgewählten
Kontrastmittel enthaltenen Liganden
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswahl eines geeigneten
Kontrastmittels für die
Durchführung
einer bildgebenden Untersuchung bei einem Patienten, sowie die Verwendung
eines im ausgewählten
Kontrastmittel enthaltenen Liganden als pharmazeutischen Wirkstoff
zur Behandlung des Patienten, als Träger für einen pharmazeutischen Wirkstoff,
als Ligand eines weiteren Kontrastmittels und als „in vitro" Diagnostik Reagenz.
-
Die
konventionelle bildgebende Diagnostik, wie z. B. die Röntgen-Computertomographie
(CT) die Magnetresonanztomographie (MRT), die Positronenemissionstomographie
(PET), die Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) oder auch
die optische Bildgebung wie NIRF (Near Infra Red Fluorescence) liefert
anatomische oder funktionell-physiologische Informationen des Körpers. Dabei
werden oft Kontrastmittel verwendet, die aufgrund von physiologischen
Parametern wie Durchblutung oder Gewebedichte pathologische Gewebe sichtbar
machen. Beim PET werden z. B. als Kontrastmittel (KM) Biomoleküle verwendet,
bei denen ein stabiles Isotop durch einen Positronenemitter wie z.
B. 11C, 13N oder 15O ersetzt ist. Dadurch kann das metabolische
Verhalten der markierten Biomoleküle verfolgt werden. Bei der
MRT werden para- oder ferromagnetische Substanzen wie z. B. cheliertes
Gd oder Eisenoxyd-Nanopartikel
als Kontrastmittel verwendet, die zur Funktionalisierung an weitere
Moleküle
angelagert sein können.
Diese Kontrastmittel werden z.B. in bestimmten, unter Umständen pathologisch
veränderten
Geweben angereichert und führen
dort zu Kontrastveränderungen
im Bild.
-
Heute
zugelassene Kontrastmittel sind jedoch wenig spezifisch. Eine Anreicherung
des MRT-Kontrastmittels Gd-DOTA im Gehirn kann z.B. durch einen
Tumor, einen Schlaganfall, eine MS-Läsion oder jegliche andere pathologische
Veränderung
hervorgerufen werden, welche die Blut-Hirn-Schranke betrifft.
-
Neuere
so genannte Molecular Imaging (MI) Kontrastmittel ermöglichen
eine sehr viel spezifischere Charakterisierung von pathologischen
Geweben durch die oben genannten bildgebenden Verfahren (siehe A.
Hengerer, T. Mertelmeier, Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen,
Germany: „Molecular
Biology for Medical Imaging" electromedica
69 (2001) no. 1,)
-
Molecular
Imaging integriert molekularbiologische Methoden wie z.B. Antigen-Antikörper Wechselwirkungen
oder Peptid-Rezeptor
Anbindung und bildgebende Technologien. Hierdurch wird eine nicht-invasive
Charakterisierung biologischer Prozesse auf zellulärer oder
molekularer Ebene möglich. Molecular
Imaging ist also die in-vivo Visualisierung fehlerhafter Stoffwechselvorgänge durch
biologische Reagenzien (Molecular Imaging Kontrastmittel), welche
im Organismus an molekulare Krankheitsmarker oder Zielstrukturen
anbinden und diese somit selektiv markieren. Ergänzend zur konventionellen Bildgebung
liefert das Molecular Imaging komplementäre Information über die
Position und – im
Idealfall – die Menge
molekularer Zielstrukturen im lebenden Organismus, ohne die Notwendigkeit
einer Biopsie.
-
Da
sich pathologische Prozesse zunächst auf
molekularer Ebene manifestieren, bevor es zu (makro-) anatomischen
oder funktionellen Ausprägungen
der Erkrankung kommt, ermöglicht
das Molecular Imaging eine Diagnose in früheren Stadien einer Erkrankung.
-
In
manchen Applikationen sind die MI Kontrastmittel jedoch so spezifisch,
dass nicht jeder Patient mit dem selben Kontrastmittel bildgebend
untersucht werden kann, auch wenn eine „gleiche" Erstdiagnose/Diagnoseverdacht vorliegt.
Viele heute zu einem Krankheitsbild gruppierte Erkrankungen (z.
B. Tumore bestimmter Organe) subsumieren in Wirklichkeit diverse
molekulare Erkrankungen mit anatomisch ähnlicher Ausprägung. Da
die zugrunde liegenden pathologischen Mechanismen jedoch unterschiedlich
sind, können
auch unterschiedliche Zielstrukturen (targets) für die Bildgebung vorliegen.
-
Unter „Zielstruktur" wird hier eine molekulare Struktur
im Gewebe verstanden, mit der das Kontrastmittel mithilfe einer
bestimmten in ihm enthaltenen molekularen Struktur, dem „Liganden", wechselwirkt.
-
Um
die Möglichkeiten
der spezifischen Molecular Imaging-Kontrastmittel auszuschöpfen, müsste jeder
Patient also dem gleichen bildgebenden Verfahren mehrmals mit jeweils
unterschiedlichem Kontrastmittel unterzogen werden. Wird nur ein
Kontrastmittel mit einem bestimmten Liganden ausgewählt, der
an bestimmte molekulare Krankheitsmarken anbindet, ist bei falscher
Auswahl des Kontrastmittels keine Diagnose möglich.
-
Die
Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, durch ein Verfahren
zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels die Verwendung derartiger MI-Kontrastmittel
für die
Diagnostik zu erleichtern. Ferner hat sie sich die Aufgabe gestellt,
die Möglichkeiten
des Molecular Imaging für
die Therapieplanung und Therapiekontrolle besser nutzbar zu machen.
-
Diese
Aufgaben löst
sie mit dem Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels
für die Durchführung einer
bildgebenden Untersuchung bei einem Patienten gemäß Anspruch
1.
-
Das
Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – dem Patienten
wird eine Gewebeprobe entnommen;
- – die
Gewebeprobe wird in mehrere Einzelproben aufgeteilt;
- – jeder
Einzelprobe wird ein an eine bestimmte Zielstruktur im Gewebe bindendes
Kontrastmittel beigegeben;
- – die
Einzelproben werden mit einem Untersuchungsverfahren untersucht,
um die Eignung der verschiedenen Kontrastmittel für die bildgebende Untersuchung
des Patienten zu ermitteln.
-
Dieser
Auswahlprozess ist vollständig
automatisierbar in ein „turn-key" System. Das optimale Kontrastmittel
für einen
bestimmten Patienten kann beispielsweise in der Radiologie aus einem
Pool von Reagenzien ausgewählt
werden. Dies ermöglicht eine
hochspezifische Visualisierung, Lokalisierung und möglicherweise
Quantifizierung von biochemischen Funktionen und deren Entgleisungen
im Körper.
Dies ist für
viele individualisierte Therapien unumgänglich. Das so ermittelte Kontrastmittel
kann für die
bildgebende Untersuchung des Patienten verwendet werden.
-
Vorteilhafterweise
unterscheiden sich die verschiedenen Kontrastmittel nicht in dem
den eigentlichen Bildkontrast erzeugenden Teil, sondern in einem
daran gebundenen Liganden, der sich an eine bestimmte Zielstruktur
im Gewebe anlagert. Die Erfindung ist auch auf die Verwendung des
so ermittelten Liganden als Träger
für einen
pharmazeutischen Wirkstoff zur Behandlung des Patienten gerichtet. Dadurch
wird ein äußerst effizientes „Drug Targeting" ermöglicht,
und die verabreichte Dosis kann durch das Bildgebungsverfahren genau
bestimmt werden.
-
Darüber hinaus
kann der ermittelte Ligand gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung auch selbst als pharmazeutischer Wirkstoff
verwendet werden. Beispiele für
Liganden, die selbst als Therapeutikum dienen können, sind Antikörper, Peptide oder
Nukeinsäuren,
die z.B. im Rahmen einer Antisense-Therapie genutzt werden.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird der ermittelte Ligand als Ligand
eines weiteren Kontrastmittels für
die bildgebende Untersuchung des Patienten mit einem anderen bildgebenden
Verfahren verwendet. Beispielsweise wird das MRT-Kontrastteilchen
wie z. B. ein Eisenoxyd-Nanopartikel durch einen Fluoreszenzfarbstoff
substituiert, der mit optischen Bildgebungsverfahren nachweisbar ist.
Optische Untersuchungen sind attraktiv, da die Methode für den Patienten
nicht belastend und relativ kostgünstig ist. Wenn die zu untersuchende
Region begrenzt ist, da der Krankheitsherd bereits lokalisiert ist,
können
günstige
Detektoren mit einem kleinen Field of View (FoV) verwendet werden.
Für das
vorgeschaltete Auswahlverfahren eignen sich hingegen Ganzkörper-Bildgebungsverfahren
wie PET, SPECT oder MRT aufgrund der Möglichkeiten der dreidimensionalen
Bildgebung besonders gut. Die MRT zeichnet sich durch eine hohe
Bildauflösung
aus, während PET
und SPECT vorzugsweise dann verwendet werden, wenn hohe Sensitivität erforderlich
ist.
-
Gemäß einem
noch weiteren Aspekt wird der Ligand des ausgewählten Kontrastmittels als „in-vitro" Diagnostik-Reagenz
bei einer Folgeuntersuchung des Patienten zur Therapiekontrolle
verwendet.
-
Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
-
1:
Ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
2:
Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
3:
Ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte bei der Anwendung des ausgewählten Kontrastmittels
und Liganden gemäß dem Ausführungsbeispiel.
-
Zunächst wird
dem Patienten in Schritt 2 eine Gewebeprobe, wie z. B.
eine Blut- oder Biopsieprobe, entnommen. Bevorzugt wird eine Gewebeprobe verwendet,
die im Rahmen einer Screening-Untersuchung oder bei „in-vitro" diagnostischen Voruntersuchungen
bereits angefallen ist.
-
Die
Probe wird dann in einem parallelisierten Ansatz (High Throughput
Screening, HTS) analysiert, wobei möglichst viele Gewebeproben
gleichzeitig untersucht werden. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung werden hierfür
einzelne Gewebeproben in die Mulden eines Microtiter-Plates eingefüllt, wie
in der Veröffentlichung „High Throughput Magnetic
Resonance Imaging for Evaluating Targeted Nanoparticle Probes", D. Hoegemann et
al., Bioconjugate Chem. 2002, 13, 116-121 beschrieben. Dort ist
das Kontrastmittel ein magnetisch markierter Nanopartikel, an den
verschiedene Peptide angebunden bzw. konjugiert sind. Der Offenbarungsgehalt dieses
Artikels wird hiermit in diese Anmeldung aufgenommen.
-
Im
Schritt 6 des Verfahrens werden die verschiedenen Kontrastmittel
den Einzelproben beigefügt.
Die Kontrastmittel enthalten jeweils einen kontrastgebenden Teil,
wie z. B. ein Eisenoxydpartikel, der im verwendeten Bildgebungsverfahren
Kontrast erzeugt, sowie einen bestimmten Liganden, der an bestimmte
Zielstrukturen (Target) im Gewebe bindet. Als Ligand wird ein Pool
von Reagenzien verwendet, der z. B. aus einer Peptide Library erhalten
wird.
-
In
anderen Ausführungsformen
der Erfindung wird der Ligand ausgewählt aus: Peptid Libraries,
Nukleinsäure
Libraries (einschl. Antisense Libraries), Phagen Libraries, Adenovirus
Libraries oder Libraries aus derivativen Viren oder Retroviren,
synthetischen Libraries (z. B. Dentrimer Libraries) oder Microbubble
basierte Libraries (z.B. Liposome Libraries). Die Zielstruktur in
der Gewebeprobe ist z. B. ein Antigen, ein Enzym oder eine Nukleinsäure.
-
Die
Einzelproben werden in Schritt 8 mit den verschiedenen
Kontrastmitteln inkubiert, um eine Bindung des Liganden an die Zielstruktur
zu erreichen, falls die Probe die jeweilige Zielstruktur enthält.
-
Gegebenenfalls
werden die Gewebeproben nach Ablauf der Inkubationszeit gespült, um nicht
gebundenes Kontrastmittel zu entfernen. Dies geschieht beispielsweise
durch Waschen der Zellen mit Salzlösung. Bevorzugt werden jedoch
Assays verwendet, die kein Abwaschen des Kontrastmittels erfordern.
-
Daraufhin
werden die mit den verschiedenen Kontrastmitteln versetzten Einzelproben
vorzugsweise gemeinsam mit einem Bildgebungsverfahren, wie z.B.
PET, SPECT, MRT oder NIRF untersucht, um die Eignung der verschiedenen
Kontrastmittel für
die bildgebende Untersuchung des Patienten zu ermitteln (Schritt 12).
Idealerweise kann aus dem aufgenommenen Bild auf die Konzentration
des Kontrastmittels in der jeweiligen Einzelprobe und somit die Bindungsaffinität des jeweiligen
Kontrastmittel-Liganden an die Zielstruktur geschlossen werden.
Die Bildgebung selbst kann im Falle der MRT gemäß dem im oben genannten Artikel
aus Bioconjugate Chem. beschriebenen Verfahren durchgeführt werden.
Dabei wurden mehrere Microtiter-Plates gleichzeitig untersucht,
so dass bei einer Untersuchungszeit von etwa 50 Minuten bis zu 1920
Einzelproben analysiert werden konnten. Durch Variation der Echozeit
wurde ein Maß für die T2-Relaxationszeit
ermittelt und dadurch die Konzentration des Kontrastmittels in den
einzelnen Mulden des Plates abgeschätzt. Im Falle eines optischen
Bildgebungsverfahrens wird zweckmäßigerweise nur ein Microtiter-Plate
gleichzeitig untersucht.
-
Neben
den für
die „in
vivo" Diagnostik
entwickelten Bildgebungsverfahren können zum Nachweis der Bindung,
d.h. zur Identifizierung der Liganden, die mit der Patientenprobe
reagieren, auch üblicherweise
in der „in
vitro" Diagnostik
angewendete Assays verwendet werden. Hierfür kommen z.B. Fluoreszenz-
und Biolumineszenz-Untersuchungen oder sonstige enzymatische Tests
in Frage. Vorzugsweise werden homogene Assays eingesetzt, welche
keine aufwendige Probenaufbereitung voraussetzen und somit einfach
zu automatisieren sind.
-
Die
so ermittelten Daten erlauben die Auswahl eines Kontrastmittels
mit einem geeigneten Liganden, welcher eine optimale Affinität für die Zielstrukturen
der Gewebeprobe aufweist (Schritt 16). Das bei der späteren Untersuchung
zu applizierende Kontrastmittel wird so aus einem Pool verschiedener Kontrastmittel
ausgewählt,
um sicher zu stellen, dass es an die Patientenprobe anbindet und
zur Verifizierung der Labordiagnostik oder zu Lokalisation des Krankheitsherds
geeignet ist. In einem darauf folgenden in 1 nicht
dargestellten Schritt wird dem Patienten das ausgewählte Kontrastmittel
verabreicht und der Patient mit dem jeweiligen Bildgebungsverfahren
untersucht. Die so gewonnenen Bildgebungsdaten können zur Therapieplanung verwendet
werden.
-
Das
oben beschriebene Verfahren ist auf andere Weise in 2 dargestellt.
Dem Patienten 18 wird hier die Gewebeprobe 20 entnommen,
die daraufhin mit den Kontrastmittelteilchen 22a, 22b gemischt
und einem High Throughput Screening „in-vitro" Bildgebungsverfahren unterzogen wird.
In der Zeichnung ist schematisch dargestellt, wie die biologisch
aktiven Liganden der Kontrastmittelteilchen 22a, 22b an
die Gewebeprobe 20 anlagern. Das am besten bindende Kontrastmittel
wird dann ausgewählt,
und der Patient in Schritt 26 z.B. in dem schematisch dargestellten
MR-Tomographen untersucht. Dabei wird das im vorherigen Schritt
ausgewählte Kontrastmittel
verwendet.
-
Die
vorteilhaften Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind hiermit
jedoch noch nicht ausgeschöpft.
Ein Beispiel für
weitere Verfahrensschritte ist in 3 dargestellt.
-
Nach
der bildgebenden Untersuchung des Patienten mit dem ausgewählten Kontrastmittel
kann gegebenenfalls eine Therapie 28 wie z. B. eine Strahlentherapie
oder eine Antisense- Gentherapie
durchgeführt
werden. In bestimmten Fällen
kann der Ligand des ausgewählten
Kontrastmittels hierbei als Trägermolekül für Therapeutika
zum Einsatz kommen, oder direkt selbst als Therapeutikum wirken.
In diesem Fall müssen
therapeutische Dosen verwendet werden. Eine Dosisbestimmung kann
anhand der vorgeschalteten Bildgebung erfolgen. Dadurch wird eine
patientenspezifische Applizierung und genau planbare Dosierung des
therapeutischen Wirkstoffes ermöglicht.
-
Zur
Therapiekontrolle 29 kann der in Schritt 16 ermittelte
Ligand wieder als Kontrastmittel verwendet werden.
-
Ferner
kann das Kontrastmittel auch durch Austausch des kontrastgebenden
Teilchens modifiziert werden, um zur Diagnostik in anderen bildgebenden
Verfahren eingesetzt zu werden (Schritt 34). Beispielsweise
wird das MRT-Kontrastteilchen durch einen Fluoreszenzfarbstoff substituiert,
mit dem NIRF-Untersuchungen
durchgeführt
werden.
-
Möglich ist
auch eine Mehrfachmarkierung, d.h. ein Kontrastmittelteilchen enthält mehrere
kontrastgebende Teile für
verschiedene Bildgebungsverfahren, z.B. sowohl eine MR- als auch
eine Nuklearmedizinmarkierung, oder sowohl eine MR- als auch eine
Fluoreszenzmarkierung. Alternativ können als kontrastgebende Teile
auch Elemente verwendet werden, die wie z.B. die Lanthanide gleichzeitig MR-aktiv
sind und fluoreszieren. Dies erlaubt, den Patienten mit mehreren
Bildgebungsverfahren zu untersuchen.
-
Es
kann auch der Fall auftreten, dass bei der Ermittlung der KM-Bindung
in Schritt 14 mehrere Liganden eine gute Bindungsaffinität an die
Gewebeprobe des Patienten aufweisen, z.B. indem sie an verschieden
Zielstrukturen anbinden. In diesem Fall können für die Bildgebung (Schritt 26)
oder die Therapie (Schritt 28) des Patienten Kontrastmittel
gebildet werden, die mehrere Liganden enthalten. Hierfür können mehrere
Ligan den auf eine Trägersubstanz wie
z.B. ein Liposom oder ein Eisenoxydpartikel aufgebracht werden.
-
Begleitend
oder alternativ kann der Ligand auch zur Folgeuntersuchung als „in-vitro" Diagnostik-Reagenz
eingesetzt werden, um weitere in Schritt 30 entnommene
Patientenproben zu untersuchen (Schritt 32). Die Proben
sind bevorzugt einfach zu entnehmende Blut-, Urin-, oder Stuhlproben,
sofern die Zielstruktur in diesen Gewebeproben nachweisbar ist.
-
Die
hier beschriebene Prozedur kann auch zur „in-vitro" Differenzial-Diagnostik verwendet werden.