Megatrends
Die digitale Transformation ist ohne Frage einer der bedeutendsten revolutionären Trends in der Geschichte der Menschheit, vergleichbar mit der Erfindung des ersten Rades, Gutenbergs Druckerpresse oder dem Internet. Wir sind jetzt in der Lage, unzählige Informationen und Daten systematisch zu digitalisieren, die bis vor kurzem noch in metallenen Aktenschränken aufbewahrt und eingeschlossen werden mussten.
Im Bereich der Medizin verändert die digitale Revolution die Forschung, die Methoden, die Verfahren und die Behandlungsmöglichkeiten, ja fast alles, was Wissenschaftler und Kliniker heute tun. Und eine der tiefgreifendsten Veränderungen betrifft die Untersuchung und klinische Anwendung des menschlichen Metaboloms. Mit Hilfe der digitalen Technologie verfügt die Medizin jetzt über die grundlegenden Werkzeuge, um buchstäblich einen vollständigen "Atlas" der menschlichen Stoffwechselgesundheit zu erstellen und zu quantifizieren. Damit können Kliniker schwierige Diagnosen so einfach machen wie das Surfen im Internet.
Die letzten drei Jahrzehnte wurden von der Revolution in der Genomik und der IT/Datenwissenschaft dominiert: Die Genomik ermöglichte ein besseres Verständnis der Biologie und legte den Grundstein für die Präzisionsmedizin; die IT/Datenwissenschaft ermöglichte massive Analysen mit fortschrittlichen Algorithmen (z. B. maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz) und neue, schnell skalierende, cloudbasierte Geschäftsmodelle, die für jedermann überall zugänglich sind (z. B. Software-as-a-Service, SaaS). In dem Maße, wie sich diese technologische Konvergenz von Biologie und Data Science ausweitet, entstehen neue und sehr leistungsfähige Tools für das Gesundheitswesen.
Insbesondere ein Bereich hat sich als sehr vielversprechend erwiesen: nämlich die Nutzung des Metaboloms in der Frühdiagnostik - idealerweise vor dem Ausbruch einer Krankheit - und damit personalisierte Behandlungsoptionen auf der Grundlage individueller Patientenmerkmale (z. B. genetisches Profil, Phänotyp, Lebensstil). Zusammengenommen bieten diese neuen Entwicklungen das Versprechen, die Wirksamkeit der Behandlung und die Lebensqualität der Patienten drastisch zu verbessern und gleichzeitig die Kostenbelastung der Gesellschaften im Gesundheitswesen zu senken.
Die Wissenschaft des Metaboloms
Während sich die Genomik als leistungsfähiges Instrument erwiesen hat, um Erkenntnisse über die biologischen Fähigkeiten und genetischen Risikofaktoren (z.B. bei Krebs) zu gewinnen, bietet die Untersuchung des Metaboloms die Möglichkeit, unmittelbarere Einblicke in die Physiologie und Pathologie einer Person zu gewinnen. Es werden derzeit neue, mit dem Stoffwechsel verbundene Instrumente entwickelt, die die Genomik ergänzen und Klinikern helfen, zusätzliche und tiefere Einblicke zu gewinnen, die noch näher an den tatsächlichen physiologischen Zustand einer Person heranreichen.
Die menschliche Sammlung von Metaboliten liefert viele dieser Hinweise auf den Gesundheitszustand einer Person. Metaboliten sind die chemischen Produkte des Stoffwechsels, die für alles benötigt werden, von der Bewegung über das Denken bis hin zum Wachstum. Sie sind notwendig, um die Myriaden von chemischen Reaktionen in Gang zu setzen, die in Lebewesen ablaufen, zum Beispiel um Nahrung in Energie umzuwandeln. Die Gesamtheit der in einer biologischen Probe gefundenen Metaboliten ist das Metabolom.
Die zirkulierenden Stoffwechselprodukte versorgen die Körperorgane kontinuierlich mit wichtigen Nährstoffen und Bausteinen. Wenn diese zirkulierenden Spiegel nicht aufrechterhalten werden, kann dies zu Krankheiten führen.
Die Metabolomik ist die Analyse der einzigartigen biochemischen Fingerabdrücke biologischer Prozesse [1] und steht in direktem Zusammenhang mit der Funktionalität des Organismus und liefert daher den genauesten Hinweis auf den Zustand eines Organismus: gesund oder krank. Die klinische Metabolomik für die personalisierte Medizin ist wahrscheinlich der vielversprechendste Anwendungsbereich [2]. Krankheiten wirken sich deutlich auf den Stoffwechsel aus und verursachen spezifische Veränderungen in den Stoffwechselbeziehungen, d.h. in der Menge der Metaboliten (Abbildung 1).
Technologie
Lifespin entwickelt eine hochskalierbare, proprietäre Technologieplattform zur Erfassung und Digitalisierung individueller Metabolome: Hunderte von Metabolitverbindungen und -konzentrationen können aus einer einzigen menschlichen Blutprobe mit Hilfe einer kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR) identifiziert werden [3].
Die proprietäre Plattformlösung von Lifespin kann eine Reihe von Patientenproben wie Blut (Plasma oder Serum), Urin, Speichel oder Liquor ohne Probenvorbereitung verwenden und in ein NMR-Teströhrchen geben (Abbildung 2).
Die Lifespin™Profiler Software ermöglicht dann den Nachweis von etwa 1400 verschiedenen Metaboliten. Sie ermöglicht die Verarbeitung von NMR-Metadaten in einer einzigartigen Weise, um einen großen dynamischen Konzentrationsbereich zu erfassen. Ein wichtiger Aspekt des Lifespin™Profiler-Algorithmus ist, dass er den intrinsischen, individuellen Messfehler für jeden einzelnen Metaboliten eliminiert. Dies ermöglicht eine quantitative Vergleichbarkeit von Metaboliten in verschiedenen Stoffwechselzuständen und damit eine sehr präzise Erfassung des Stoffwechsels einer Person. Die Massenspektrometrie kann dieses Maß an quantitativer, digitaler Erfassung ("Schnappschuss") von Meta-Bolomen nicht leisten. Daher ist die NMR mit der Profiler-Technologie von Lifespin der einzige Ansatz (unseres Wissens), der eine umfassende Digitalisierung quantitativer Stoffwechselinformationen ermöglicht.
Mit dieser firmeneigenen Methode haben wir die Grundlage für die menschliche Gesundheit mit digitalen Stoffwechselprofilen von derzeit mehr als 140.000 gesunden Personen standardisiert, was die Analyse von mehr als 1 Milliarde Datenpunkten zu Stoffwechselbeziehungen ermöglicht. Hochentwickelte Data-Science-Algorithmen suchen kontinuierlich nach krankheitsspezifischen Signaturen in den Stoffwechseldaten. Unsere Datenbank wächst ständig, sowohl im Hinblick auf Patientenproben, die verschiedene Krankheitsbereiche repräsentieren, als auch auf geschlechts- und altersspezifische Veränderungen (Abbildung 3).
Wir können krankheitsbedingte Abweichungen erkennen und sie als krankheitsspezifische metabolische Signaturen lesen. Digitale Stoffwechselprofile werden die Früherkennung von Gesundheitszuständen, die Einstufung von Krankheiten, die Überwachung des Behandlungserfolgs und die personalisierte Medizin ermöglichen.
Unsere Plattformtechnologie hat das Potenzial, technisch alle Krankheiten anzugehen, die mit dem Stoffwechsel verbunden sind. Derzeit laufen Kooperationen und klinische Studien in den Bereichen Onkologie (einschließlich der Diagnose von Brust-, Rektum- und Bauchspeicheldrüsenkrebs und der Erstellung von Tumorprofilen), neurologische Erkrankungen wie Multiple Sklerose und Parkinson sowie entzündliche Erkrankungen wie Arthritis. Wir sind dabei, krankheitsspezifische Stoffwechselsignaturen zu identifizieren, die für die Frühdiagnostik genutzt werden können. Wir haben zum Beispiel vielversprechende metabolische Fingerabdrücke identifiziert, die für verschiedene Krebsarten spezifisch sind. Ein allgemeines Krebs-Screening-Tool und ein organspezifischer Multiplex-Krebsdiagnosetest, der als SaaS-Produkt zugänglich ist, sind ein sehr konkretes Beispiel für unser sich entwickelndes Produktportfolio.
Ein weiterer fortschrittlicher Fall ist unsere Früherkennung des Beginns von Multipler Sklerose (MS). MS ist eine Krankheit, die sehr schwer zu diagnostizieren ist, da es in der herkömmlichen In-vitro-Diagnostik (IVD) keinen spezifischen Biomarker gibt. Der derzeitige Standard für die Diagnose von MS ist eine langwierige und kostspielige Reihe verschiedener Tests. In Ermangelung herkömmlicher IVD-Lösungen entwickeln wir unseren eigenen proprietären Algorithmus für die Diagnose von MS auf der Grundlage einzigartiger Metaboliten-Signaturen und rechnen in den nächsten 9-12 Monaten mit einem frühen Einsatz bei ausgewählten Laborpartnern.
Unsere Methoden übertragen die Assay-Entwicklung in die digitale Welt und machen die Entwicklung diagnostischer Produkte so einfach wie das Programmieren neuer Apps für ein Smartphone: Lifespin benötigt keine chemischen Reagenzien für die Entwicklung von z.B. IVD-Tests. Da es sich bei dem Produkt um eine IVD-as-Software handelt, ist keine Kühlkettenlogistik erforderlich, um die Assays zu den Kunden zu transportieren. Die NMR-Messung kann überall durchgeführt werden, das Auslesen, Testen und die Übermittlung der Testergebnisse erfolgen vollständig digital und werden cloudbasiert sein. Das NMR-Gerät funktioniert "nur" als ein intelligentes Spektroskop, das mit unserer Software ausgestattet ist.
Vorteile für Patienten und Anbieter
Die Lösungen von Lifespin und andere Fortschritte bei der Untersuchung und Kommerzialisierung des Metaboloms können sowohl für Patienten als auch für gesunde Menschen von Nutzen sein. Bei Lifespin bewerten wir Stoffwechselprofile, die dynamische Netzwerke sind, um die menschliche Gesundheit zu verstehen. Unsere Plattform wird eine frühzeitige Krankheitsdiagnose sowie die Überwachung von Krankheitsschüben und das Staging von Krankheiten ermöglichen. Erkenntnisse zur Verbesserung der Behandlung durch Überwachung des Ansprechens auf Medikamente und der Nebenwirkungen werden die individuelle Dosierung von Medikamenten verbessern. Gesunde Menschen werden in die Lage versetzt, ihren Gesundheitszustand zu beurteilen und Erkenntnisse über ihre Gesundheit zu gewinnen, um ihren Lebensstil und ihr Wohlbefinden zu verbessern.
In einem realen Szenario würde die Patentprobe (z.B. Blutplasma) direkt - ohne jegliche Probenvorbereitung - mittels NMR gemessen werden. Innerhalb weniger Minuten wird das Metabolom des Patienten digitalisiert und mit dem Lifespin™Profiler verarbeitet, um den allgemeinen Gesundheitszustand der Person zu beurteilen. Pathologische Metaboliten-Signaturen lösen die Diagnosefunktionalität (IVD-as-Software) des Profilers aus. Wir entwickeln derzeit einen Prototyp, der in einem ersten Schritt ein allgemeines Krebs-Screening und in einem zweiten Schritt die Diagnose der organspezifischen Krebsart (z.B. Brust, Rektum, Bauchspeicheldrüse) ermöglicht. In Zukunft wird der Lifespin™Profiler auch zur Bewertung des Tumorwachstums und des Ansprechens auf die Behandlung eingesetzt werden. Diese Funktion ist besonders wichtig für die Bestimmung von Tumorphänotypen. Ein weiteres Beispiel aus der Praxis wäre die Längsschnittüberwachung von Personen mit hohem Risiko für Stoffwechselkrankheiten. Eine regelmäßige Überwachung z.B. von Entzündungssignaturen würde eine Verschlechterung der Bedingungen verhindern und helfen, die richtigen Gegenmaßnahmen (z.B. eine Ernährungsumstellung) zu bestimmen. Letztendlich könnte unser Tool auch dazu verwendet werden, dem Einzelnen Ratschläge zu erteilen, z. B. im Zusammenhang mit gesundem Altern, indem es Längsschnittinformationen über den Stoffwechsel liefert, was der direkteste Weg ist, etwas über das tatsächliche Wohlbefinden und den Gesundheitszustand zu erfahren.
Ausblick
Lifespin setzt die systematische Digitalisierung des menschlichen Metaboloms mit dem Ziel fort, einen umfassenden metabolischen Gesundheitsatlas zu erstellen. Unsere Vision ist es, Informationen über den persönlichen Gesundheitszustand auf Knopfdruck verfügbar zu machen, um sie für die Gesundheitsvorsorge und die direkte Gesundheitsversorgung gesunder Menschen sowie für die Diagnostik und Behandlungsüberwachung von Patienten und Anbietern zu nutzen.
Abb. 1: Metabolische Profile sind dynamische Netzwerke, die wir nutzen, um die menschliche Gesundheit zu verstehen.
Abb. 2: Der Stoffwechselzustand einer Person wird quantitativ mit NMR gemessen und mit Lifespin™ eigenen fortschrittlichen Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) und des tiefen Lernens zur Bestimmung des Gesundheitszustands und zur Diagnose von Krankheiten verarbeitet und die Ergebnisse werden über die Cloud bereitgestellt.
Abb. 3: Wir haben das gesunde Metabolom, das sich mit dem Alter verschiebt, für beide Geschlechter standardisiert. Dies dient als einzigartige Referenz, um die Metabolome von kranken Patienten damit zu vergleichen. Studie durchgeführt bei Lifespin 2020-2021.