DE102007036570A1

DE102007036570A1 - Screeningtest zur Erkennung von Prostataerkrankungen sowie Vorrichtung und Diagnosesubstanz zur Durchführung des Tests

Info

Publication number: DE102007036570A1
Application number: DE102007036570A
Authority: DE
Inventors: Jens Fehre; Ralf Dr. Nanke; Martin Dr. Stetter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-02-19
Also published as: US8386012B2; US20110230752A1; WO2009019196A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Screeningtest zur Erkennung einer Prostataerkrankung sowie eine Vorrichtung und eine Diagnosesubstanz. Bei dem Screeningtest wird der Prostata über die Blutbahn eine Diagnosesubstanz zugeführt, die wenigstens einen mit wenigstens einem ferromagnetischen Partikel verbundenen Biomarker enthält, der an von einem bestimmten pathologischen Prostatagewebe ausgebildeten Molekül, einem Zielmolekül, spezifisch bindet. Mit Hilfe eines Magnetsensors wird eine Messung durchgeführt, um eine gegebenenfalls stattfindende Anreicherung von Partikeln in der Prostata zu detektieren. Die Vorrichtung zur Durchführung des Screeningtests umfasst eine wenigstens einen Magnetsensor enthaltende Rektalsonde. Die Diagnosesubstanz enthält wenigstens einen mit wenigstens einem ferromagnetischen Partikel verbundenen Biomarker, der an von einem bestimmten pathologischen Prostatagewebe ausgebildeten Molekül, einem Zielmolekül, spezifisch bindet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Screeningtest zur Erkennung von Prostataerkrankungen, sowie eine Vorrichtung und eine Diagnosesubstanz zur Durchführung des Tests. Viele komplexe Erkrankungen sind meist nur dann mit guten Heilungschancen therapierbar, wenn sie frühzeitig erkannt werden. Die Früherkennung scheitert jedoch oft an dem Mangel an Tests, die mit geringem Zeit- und Kostenaufwand durchführbar sind und die die getesteten Personen nicht oder nur wenig belasten und dementsprechend eine hohe Akzeptanz in der Bevölkerung haben. Das Standardverfahren zur Diagnostik von Prostatakrebs umfasst z. B. die Konzentrationsmessung des prostataspezifischen Antigens (PSA) und die rektale Tastuntersuchung sowie bei konkretem Verdacht die Durchführung von Biopsien mit anschließender Gewebeuntersuchung. Abgesehen davon, dass Biopsien oft nicht zu eindeutigen Ergebnissen führen, sind sie für den Patienten belastend. Neben diesen Standardverfahren kommen die kontrastverstärkte Ultraschalluntersuchung (gegebenenfalls zur Führung von Biopsien), die molekular zielorientiert kontrastverstärkte Ultraschalluntersuchung, optische Bildgebungsverfahren zur Erkennung intrinsischer Signale wie der Wasserkonzentration und die Magnetresonanztomographie unter Verwendung molekular zielgeführter MRT-Kontrastmittel in Frage. Diese Verfahren eignen sich jedoch – schon allein wegen ihres apparatetechnischen Aufwands – nicht für breit angelegte Massenuntersuchungen bzw. Screeningtests, die insbesondere auch vom niedergelassenen Arzt durchgeführt werden können.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung einen Screeningtest zur Erkennung von Prostataerkrankungen anzugeben, der mit geringem Apparate- und Kostenaufwand durchführbar ist. Weitere Aufgaben sind die Bereitstellung einer Vorrichtung und einer Diagnosesubstanz für ein solches Verfahren.
Diese Aufgaben werden mit einem Screeningtest nach Anspruch 1, einer Vorrichtung nach Anspruch 13 bzw. einer Diagnosesubstanz nach Anspruch 16 gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Screeningtest wird der Prostata beispielsweise durch orale oder intravenöse Verabreichung über die Blutbahn eine Diagnosesubstanz zugeführt, die wenigstens einen mit einem wenigstens einem ferromagnetischen Partikel verbundenen Biomarker enthält. Unter Biomarkern sind allgemein Moleküle oder molekulare Strukturen zu verstehen, die spezifisch und selektiv an bestimmte, als Indikatoren für eine spezielle Gewebeerkrankung wirkende Zielmoleküle, im vorliegenden Fall an von einem bestimmten pathologischen Prostatagewebe ausgebildeten Zielmolekül binden. Die ferromagnetischen Partikel bzw. eine Anreicherung dieser Partikel wird mit Hilfe eines Magnetsensors gemessen bzw. detektiert. Zunächst erfordert ein solches Verfahren keinen invasiven Eingriff wie eine Biopsie, der zum einen für den Patienten sehr unangenehm ist und der zum anderen vom niedergelassenen Arzt in der Regel nicht durchgeführt wird. Der Test ist, sieht man einmal von einem Nadelstich bei einer intravenösen Verabreichung der Diagnosesubstanz ab, praktisch völlig schmerzlos, dauert nur eine relativ kurze Zeitdauer und bedarf keiner besonderen Vorbereitungen, so dass er nahezu spontan durchgeführt werden kann. Mit dem Test können gezielt ganz bestimmte Prostataerkrankungen diagnostiziert und im Sinne einer Differenzialdiagnose von anderen Prostataerkrankungen unterschieden werden, insbesondere wenn die Diagnosesubstanz mehrere, sich jeweils spezifisch in bestimmten pa thologischen Geweben der Prostata anreichernde Biomarker enthält.
So einfach wie der Screeningtest ist auch eine dazu geeignete Vorrichtung. Diese umfasst gemäß Anspruch 13 eine Rektalsonde, die wenigstens einen Magnetsensor enthält. Durch die praktisch schmerzfrei in den Enddarm einführbare Sonde kann der Magnetsensor in ummittelbarer Nähe zur Prostata positioniert werden, wodurch auch noch Partikel mit einem relativ schwachen oder beim Durchdringen von Gewebe abgeschwächten Magnetfeld zuverlässig detektierbar sind.
Die eingangs genannte Aufgabe bezüglich der Bereitstellung einer geeigneten Diagnosesubstanz wird nach Anspruch 16 durch eine solche gelöst, die wenigstens einen mit wenigstens einem ferromagnetischen Partikel verbundenen Biomarker enthält, der an einem von einem bestimmten pathologischen Prostatagewebe ausgebildeten Molekül, einem Zielmolekül, spezifisch bindet.
In den Unteransprüchen sind jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben, die in der folgenden auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert werden. Es zeigen:
1–2 schematisierte Darstellungen, die das Prinzip eines Screeningtest veranschaulichen,
3–4 Diagramme, welche den jeweils mit einem Magnetsensor detektierten Verlauf der Anreicherung von Biomarkern in einem Gewebe zeigen,
5 eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Screeningtests.
Bei der Durchführung eines Screeningtests wird der Prostata 1 (siehe 1 und 2) eine Diagnosesubtanz über die Blutbahn, also über Blutgefäße 2 zugeführt, wobei diese beispielsweise intravenös verabreicht wird. Wie bereits erwähnt, enthält die Diagnosesubstanz wenigstens einen Biomarker 3, an den wenigstens ein ferromagnetisches Partikel 4 gebunden ist. Wenn hier von „einem" Biomarker gesprochen wird, so ist darunter selbstverständlich nicht ein in Einzahl vorliegender Biomarker, sondern eine Vielzahl eines bestimmten Typs eines Biomarkers zu verstehen. Der an ein gewebespezifisches Zielmolekül oder an eine gewebespezifische Struktur (im Folgenden wird vereinfachend nur von Molekülen gesprochen) bindende Teil des Biomarkers 3 ist von einem Molekül oder einer molekularen Struktur, etwa einem für den Menschen unschädlichen Virus, gebildet. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung solcher Biomarker 3, die an Zielmoleküle binden, welche sich in der Wand 14 der Blutgefäße 2, genauer in deren innerster Schicht, dem vaskulären Endothel ausbilden, da diese in Kontakt mit dem Blutstrom stehen, so dass mit diesem transportierte Biomarker direkt an die Zielmoleküle anbinden können, ohne erst Gewebeschichten durchdringen zu müssen. Als Zielmoleküle kommen besonders solche in Frage, die für verschiedene Stadien des Prostatakrebses 5 typisch sind. Für das Stadium der so genannten high grade prostatitic intraepithelial neoplasia (hgPIN), einem Prostatakrebs-Vorstadium, kann ein solches Indikator- bzw. Zielmolekül aus der Familie der Zelladhäsionsmoleküle stammen, wobei hier insbesondere das Molekül CEACAM-1 (carzinoembryonic antigen-related cell-adhesionmolecule) in Frage kommt. Ein Prostatatumor im späteren, schon malignen Stadium, in dem sich bereits Blutgefäße entwickeln, bildet in deren Wand 14 Moleküle aus, die als Blutgefäß-Wachstumsfaktoren bezeichnet werden. Hier ist vor allen Dingen VEGF oder Alpha(v)-beta(3)-Integrin zu nennen. In den genannten Fällen enthält die über die Blutbahn zugeführte Diagnosesubstanz Biomarker 3, die aus Molekülen oder Molekülstrukturen gebildet sind, die spezifisch und selektiv an die genannten oder auch an andere Zielmoleküle binden. Im Fall von CEACAM-1 können dies beispielsweise CEACAM-1-Antikörper sein. Diese binden an CEACAM-1-Moleküle im am Endothel von Blutgefäßen, die dem Prostatakrebs-Vorstadium benachbart sind. Als Biomarker sind auch so genannte Aptamere, also kur ze, stabile und selektiv bindende RNA-Ketten einsetzbar. Die Biomarker können auch Anticaline sein. Hierbei handelt es sich um leicht herzustellende Polypeptidketten aus ca. 180 Aminosäuren. Die Anticaline weisen ähnlich spezifische Bindungseigenschaften wie Antikörper auf, sind aber leichter herzustellen als diese. Wie bereits oben erwähnt, kommen auch Viren zum Einsatz, beispielsweise der M13-Phage. Diese Phagen oder auch andere Phagen lassen sich durch gezielte biologische Evolution so züchten, dass sich ihre Proteinhülle bzw. einzelne Proteinbestandteile davon so verändern, dass sie an ganz bestimmte Zielmoleküle 6, beispielsweise an CEACAM-1 oder VEGF spezifisch binden.
Die Biomarker sind, wie bereits erwähnt, im Wesentlichen von einem Molekül oder einer molekularen Struktur, im folgenden mit Koppelmolekül 7 bezeichnet, gebildet, wobei an dieses ein ferromagnetisches Partikel 4 gebunden ist. Natürlich ist es auch denkbar, dass, sofern es die Größe des Zielmoleküls erlaubt, daran mehrere Partikel 4 gebunden sind. Umgekehrt ist es genauso gut denkbar, dass mit einem ferromagnetischen Partikel mehrere Zielmoleküle verbunden sind. Die ferromagnetischen Partikel bestehen aus oder enthalten beispielsweise Eisenoxid.
Zur Durchführung eines Screeningtests wird eine Diagnosesubstanz verabreicht. Die in der Diagnosesubstanz enthaltenen Biomarker 3 werden dem Zielort, also einem Prostatakrebs 5 zugeführt, wobei es im Krebsgewebe oder im Falle eines Krebsvorstadiums im unmittelbar benachbarten gesunden Gewebe zur Anreicherung von Biomarkern 3 bzw. ferromagnetischen Partikeln am Endothel der entsprechenden Blutgefäße 2 kommt. Eine derartige Anreicherung wird vorzugsweise mit Hilfe einer in den Enddarm 8 eingeführten Rektalsonde 9 detektiert. In 2 ist die Enddarmwand 10 des Enddarms 8 angedeutet. In der Rektalsonde 9 ist wenigstens ein Magnetsensor 11 angeordnet, mit dem die Anwesenheit ferromagnetischer Partikel 4 detektierbar ist. Mit dem Magnetsensor 11 wird beispielsweise die magnetische Suszeptibilität χ_m, also das Verhältnis des Be trages der Magnetisierung M (= J/μ) zu dem Betrag der magnetischen Feldstärke H bestimmt. Die jeweilige Art des verwendeten Manetsensors 11 bzw. Magnetometertyps ist prinzipiell frei wählbar, sofern eine Anreicherung von ferromagnetischen Partikeln 4 mit ausreichender Sensitivität möglich ist. So können beispielsweise Magnetsensoren verwendet werden, die den Hall-Effekt oder den magnetoresistiven Effekt ausnutzen. In der Rektalsonde 9, die aus praktischen Gründen im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet ist, können auch mehrere (nicht gezeigt) Magnetsensoren 11 vorhanden sein, wobei diese jeweils einem anderen Winkelbereich der Sonden-Umfangsfläche zugeordnet sind. Beispielsweise sind zwei benachbarte Magnetsensoren um einen Winkel von 90° gegeneinander verdreht. Durch das Vorhandensein mehrerer Magnetfeldsensoren 11 wird die Anwendung der Rektalsonde 9 vereinfacht, da dann auf eine besondere Drehstellung der Sonde nicht geachtet werden muss.
In 3 und 4 ist der typische Verlauf einer Messung, beispielsweise der Messung der magnetischen Suszeptibilität χ_m gezeigt. Die Messung des Absolutwertes der Suszeptibilität oder auch einer anderen, mit dem Magnetfeld der Partikel 4 korrelierten Messgröße ist für die Diagnostik nicht uneingeschränkt aussagekräftig. Dies liegt darin begründet, dass der absolute Messwert von mehreren, schwer kontrollierbaren Gegebenheiten abhängt. Zum einen liegen von den Patienten unabhängige Magnetfelder vor, z. B. das Erdmagnetfeld oder von anderen Geräten hervorgerufene Magnetfelder, deren Stärke nicht genau bekannt ist. Zum anderen hängt der Absolutwert von der Menge der verabreichten Biomarker 3 sowie deren Verbreitung (Pharmakokinetik) im Körper des Patienten ab. Diese Verbreitung ist aber von Patient zu Patient verschieden. Schließlich hängt der Absolutwert auch von der relativen Position der Sonde zur Prostata ab, was sowohl von der Anatomie des Patienten als auch von der Handhabung der Sonde durch den Arzt beeinflusst wird. Um zumindest die Störmagnetfelder der Umgebung auszuschließen, wird die Messung bereits begonnen, bevor die Diagnosesubstanz bzw. die darin enthaltenden Biomarker 3 die Prostata erreicht haben (h1 in 3). Wenn dies der Fall ist, steigt der gemessene Wert an, d. h. es ist ein Peak erkennbar (h2 in 3 und 4). Dieser Anstieg ist aber noch nicht aussagekräftig, da auch bei einem gesunden Patienten, bei dem keine Ankopplung von Biomarkern 3 an Zielmoleküle 6 erfolgt, zunächst eine Konzentrationserhöhung in der Prostata zu verzeichnen ist. Die Biomarker werden aber wieder abtransportiert und verteilen sich im ganzen Körper bis sie schließlich ausgeschieden werden. Beim gesunden Patienten stellt sich dann ein Betrag h3 ein, der im Wesentlichen dem Betrag h1 der anfänglichen Messung entspricht. Bei Vorhandensein eines Prostatakrebses kommt es zunächst ebenfalls zu einem Anstieg um einen Betrag h2, ähnlich wie bei einem gesunden Patienten (3). Beim erkrankten Patienten wird nun nach dem Abklingen der Suszeptibilitätskurve ein Betrag h3 gemessen, der wegen der Anreicherung von Biomarkern 3 höher ist als der anfänglich gemessene Wert h1. Die Erhöhung bzw. die Differenz Δ1 ergibt sich aus der Differenz von h3 und h1. Sowohl der Differenzbetrag Δ1 als auch der Differenzbetrag Δ2(h2 – h1) werden gleichermaßen durch die oben aufgezählten, Störfaktoren beeinflusst. Prinzipiell ist bereits Δ1 aussagekräftig. Dieser Wert ist aber sehr rauschanfällig; er hängt z. B. stark von der Menge injizierten Biomarkers ab. Bildet man den Quotienten aus Δ1 und Δ2, so erhält man eine verlässliche Kennzahl für den relativen Anteil gebundener ferromagnetischer Partikel 4. Dieser Anteil ist nun proportional zur Anzahl der endothelialen Zielmoleküle und kann, z. B. durch Schwellenbildung, zur Erkennung von Prostatakrebs und bei Verwendung entsprechender Biomarker 3 auch anderer Krankheiten herangezogen werden.
Die Rektalsonde 9 kann sämtliche für eine Messung erforderliche Bauteile, beispielsweise eine Stromversorgung, einen Messverstärker, eine Ausleseeinheit und dergleichen enthalten. Hier ist beispielsweise das Magnetometer FLC100 zu nennen, dass von Stefan Mayer Instruments erhältlich ist. Es eignet sich besonders gut für die Messung schwacher Magnetfelder unter 1 mT. Die Abmessungen dieses Magnetometers sind so, dass es sich zur Einführung in den Enddarm eignet. Un praktisch bei derartigen Geräten ist beispielsweise die Notwendigkeit der gründlichen Reinigung und Desinfizierung vor einer Wiederverwendung bei einem anderen Patienten. Hier schafft eine Ausgestaltung Abhilfe, bei der die Rektalsonde 9a als billiges Wegwerfteil ausgestaltet ist. Sie umfasst im Wesentlichen nur ein Gehäuse, etwa aus kostengünstigem Kunststoff, und wenigstens einen darin angeordneten Magnetfeldsensor 11. Weiterhin ist an der Rektalsonde 9a eine Schnittstelle 12 vorhanden, mit der der Magnetfeldsensor 11 mit einem Messgerät verbindbar ist, das beim behandelnden Arzt verbleibt und mit dem Körper des Patienten nicht in Berührung kommt. Dieses Gerät enthält die für die Messung erforderlichen hochwertigen und damit teuren Bauteile wie Verstärker, Auslöseelektronik und dergleichen. Die Verbindung zwischen dem Messgerät 13 und der Sonde kann durch ein elektrisches Kabel 15 oder durch eine drahtlose Verbindung erfolgen.

Claims

Screeningtest zur Erkennung einer Prostataerkrankung, bei dem – der Prostata (1) über die Blutbahn eine Diagnosesubstanz zugeführt wird, die wenigstens einen mit wenigstens einem ferromagnetischen Partikel (4) verbundenen Biomarker (3) enthält, der an von einem bestimmten pathologischen Prostatagewebe ausgebildeten Molekül, einem Zielmolekül (6), spezifisch bindet, und – mit Hilfe eines Magnetsensors (11) eine Messung durchgeführt wird, um eine gegebenenfalls stattfindende Anreicherung von Partikeln (4) in der Prostata (1) zu detektieren.
Screeningtest nach Anspruch 1, bei dem ein Biomarker verwendet wird, der an ein Molekül bindet, das in dem Endothel eines Blutgefäßes des pathologischen Gewebes oder dem Endothel eines diesem benachbarten Blutgefäßes vorhanden ist.
Screeningtest nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Biomarker eingesetzt wird, der an ein in einem Frühstadium des Prostatakarzinoms ausgebildetes Molekül bindet.
Screeningtests nach Anspruch 3, bei dem ein Biomarker eingesetzt wird, der an CEACAM-1 bindet.
Screeningtest nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Biomarker eingesetzt wird, der an ein im Stadium der Angiogenese ausgebildetes Molekül bindet.
Screeningtest nach Anspruch 5, bei dem ein an VEGF bindender Biomarker verwendet wird.
Screeningtest nach Anspruch 5, bei dem ein Biomarker eingesetzt wird, der an Alpha(v)-beta(3)-Integrin bindet.
Screeningtest nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Biomarker aus der Gruppe Antikörper, Aptamere und Anticaline verwendet wird.
Screeningtest nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Biomarker ein Virus verwendet wird.
Screeningtest nach Anspruch 9, bei dem der Phage M13 verwendet wird.
Screeningtest nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit dem Magnetsensor ein erster Messwert (h1) ermittelt wird, bevor die Diagnosesubstanz die Prostata über die Blutbahn erreicht hat.
Screeningtest nach Anspruch 11, bei dem ein zweiter Messwert (h3) ermittelt wird, nachdem ein durch das Eintreffen der Diagnosesubstanz in der Prostata bedingter Messwertpeak auf einen im Wesentlichen konstanten Wert abgeklungen ist, und die Differenz (Δ1 = h1 – h2) aus dem ersten und dem zweiten Messwert gebildet wird.
Screeningtest nach Anspruch 12, bei dem die Höhe des Messwertpeaks als dritter Messwert (h3) ermittelt, die Differenz (Δ2) aus dem dritten (h3) und dem ersten Messwert (h1) gebildet, und als Kennzahl für den relativen Anteil in der Prostata gebundener Biomarker bzw. ferromagnetischer Partikel der Quotient aus den genannten Differenzen (Δ1, Δ2) errechnet wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Screeningtest nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine wenigstens einen Magnetsensor (11) enthaltende Rektalsonde (9) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Rektalsonde (9a) als Wegwerfteil ausgestaltet ist und eine Schnittstelle (12) aufweist, über die sie mit einem Messgerät (13) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei dem in der Rektalsonde (9) mehrere Magnetsensoren (11) so angeordnet sind, dass sie jeweils unterschiedlichen Winkelbereichen der Sonden-Umfangsfläche zugeordnet sind.
Diagnosesubstanz zur Anwendung in einem Screeningtest zur Erkennung einer Prostataerkrankung, die wenigstens einen mit wenigstens einem ferromagnetischen Partikel (4) verbundenen Biomarker (3) enthält, der an von einem bestimmten pathologischen Prostatagewebe ausgebildeten Molekül, einem Zielmolekül (6), spezifisch bindet.
Diagnosesubstanz nach Anspruch 17, mit einem Biomarker, der an ein Molekül bindet, das in dem Endothel eines Blutgefäßes des pathologischen Gewebes oder eines diesem benachbarten Blutgefäßes vorhanden ist.
Diagnosesubstanz nach Anspruch 17 oder 18, mit einem Biomarker, der an ein in einem Frühstadium des Prostatakarzinoms ausgebildetes Molekül bindet.
Diagnosesubstanz nach Anspruch 19, bei dem ein Biomarker eingesetzt wird, der an CEACAM-1 bindet.
Diagnosesubstanz nach Anspruch 17 oder 18, mit einem Biomarker, der an ein im Stadium der Angiogenese ausgebildetes Molekül bindet.
Diagnosesubstanz nach Anspruch 21, mit einem an VEGF bindenden Biomarker verwendet wird.
Diagnosesubstanz nach Anspruch 21, mit einem Biomarker, der an Alpha(v)-beta(3)-Integrin bindet.
Diagnosesubstanz nach einem der Ansprüche 17 bis 23, mit wenigstens einem Biomarker aus der Gruppe Antikörper, Aptamere und Anticaline.
Diagnosesubstanz nach einem der Ansprüche 17 bis 24, die als Biomarker einen Virus enthält.
Diagnosesubstanz nach Anspruch 25, die den Phagen M13 enthält.