Unterstützung für Ärzte zur schnelleren Behandlung von Krankenhauspatienten
Rasche Entwicklung der Massenspektrometrie von der Forschung zur praktischen Anwendung in medizinischen Diagnoselabors
University Clinical Hospital in Opole
Bis vor Kurzem fand die Massenspektrometrie (MS) vorwiegend in hochspezialisierten Forschungs- und Universitätslaboren Anwendung. Heutzutage wird sie jedoch zunehmend eingesetzt, um in der medizinischen Diagnostik Zeit zu sparen und die Präzision zu erhöhen – zum Wohle von Patienten und ihren Ärzten.
Die Massenspektrometrie bietet den zusätzlichen Vorteil, dass nicht nur Grundsubstanzen, sondern auch deren Metaboliten untersucht werden können. Sie kommt zunehmend bei der klinischen Identifizierung von Mikroorganismen und bei der Gewebebildgebung in der Onkologie zum Einsatz. Aufgrund ihrer extrem hohen Messempfindlichkeit und präzisen Selektivität und Auflösung ist sie mittlerweile die Technik der Wahl bei der Routineanalyse von Blut, Urin, physiologischen Flüssigkeiten, Speichel und sogar Haaren. Secrets of Science sprach kürzlich mit einem Experten für medizinische Diagnostik über die Vorteile der MS für seine tägliche Arbeit.
Für die Wissenschaft braucht es Wissenschaftler – am Universitätsklinikum im polnischen Opole (Uniwersytecki Szpital Kliniczny – USK) gibt es davon viele. Einige von ihnen sind Spezialisten für medizinische Labordiagnostik, die in der entsprechenden Abteilung arbeiten, darunter: Ewa Gawrylak-Dryja, M.Sc., Leiterin der Abteilung, Maria Przystajko, M.Sc., und Tomasz Czerner, M.Sc., derzeit spezialisiert auf labormedizinische Toxikologie. Wir haben Tomasz Czerner gebeten, uns ein wenig über das Labor zu erzählen:
Shimadzu: Guten Morgen. Was können Sie uns über das Universitätsklinikum erzählen?
Tomasz Czerner: Guten Morgen! Das Universitätsklinikum (USK) ist ein unabhängiges öffentliches Gesundheitszentrum. Aufgabe des USK ist es, Gesundheitsleistungen zu erbringen, für eine bessere Gesundheit einzutreten, Lehre und Forschung zu betreiben sowie fortschrittliche moderne medizinische Diagnostik zu entwickeln und einzusetzen. Es ist ein großes Krankenhaus mit mehreren Fachabteilungen, das rund um die Uhr geöffnet ist. Wir betreiben das einzige Traumazentrum in der Provinz Oppeln sowie das regionale Zentrum für extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO, eine Art künstliche Lebenserhaltung). Wir bieten unseren Patienten ein breites Spektrum an Behandlungen im Rahmen einer Vereinbarung mit dem polnischen Nationalen Gesundheitsfonds. So behandeln wir jedes Jahr etwa 250.000 Patienten!
Labordiagnostik des USK: Maria Przystajko, Tomasz Czerner
Shimadzu: Das ist eine Menge! Können Sie uns mehr über die Fachbereiche des USK erzählen?
Tomasz Czerner: Das Krankenhaus deckt die meisten medizinischen Fachbereiche ab und arbeitet mit einer Reihe nationaler und internationaler Organisationen zusammen, die sich für die Förderung der Gesundheitsversorgung in bestimmten Bereichen einsetzen. Unser Zentrum für pädiatrische Diabetes beispielsweise gehört zur International Society for Pediatric and Adolescent Diabetes (ISPAD) sowie zur SWEET-Initiative (einem internationalen Netzwerk für pädiatrische Diabeteszentren zur Verringerung von Benachteiligungen beim Zugang zu und der Qualität von pädiatrischer Diabetesversorgung) im Rahmen seiner Forschung zu Diabetes bei Kindern, Jugendlichen und jungen Erwachsenen. Unser Allergiezentrum wiederum ist Teil des internationalen Netzwerks GA²LEN (Global Allergy and Asthma European Network) Urticaria Centers of Reference and Excellence (UCARE).
Shimadzu: Wie beeindruckend! Was können Sie uns über Ihren konkreten Aufgabenbereich sagen, die Bereiche Diagnostik und Labor?
Tomasz Czerner: Unsere Abteilung für Labordiagnostik betreibt eines der größten Labore in Polen! Natürlich wenden wir bei unserer Arbeit alle gängigen Analysetechniken an. Vor einigen Jahren wurde uns jedoch klar, dass wir modernere Separationsverfahren wie Gaschromatographie (GC) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) in Kombination mit Tandem-Massenspektrometrie (MS) einführen müssen.
Labordiagnostik des USK: Maria Przystajko, Tomasz Czerner
Shimadzu: Warum war das so?
Tomasz Czerner: Natürlich funktionierten die konventionellen Techniken besser als die, die sie ersetzt haben. Aber sie waren immer noch nicht präzise genug. Manchmal führten sie zu Kreuzreaktionen und einer Vielzahl falsch positiver oder negativer Ergebnisse. Aufgrund dieser Nachteile suchte man im gesamten medizinischen Sektor nach neuen Lösungen, die bessere Ergebnisse liefern. Die Massenspektrometrie erwies sich als eine solche Lösung.
Shimadzu: Aber gibt es die MS nicht schon eine ganze Weile? Warum hat es so lange gedauert?
Tomasz Czerner: Das ist eine gute Frage! Ja, Techniken wie GC-MS und LC-MS sind nicht völlig neu und werden in der Forschung bereits umfassend eingesetzt. Aber erst vor Kurzem erkannten klinische Labore, wie nützlich diese Techniken im Rahmen von Routineuntersuchungen sein können. Die LC-MS verbessert beispielsweise die Empfindlichkeit diagnostischer Tests, die Früherkennung von Krankheiten und die Überwachung der therapeutischen Wirkung von Medikamenten.
Shimadzu: Das klingt wichtig.
Tomasz Czerner: In einem Krankenhaus ist es sogar sehr wichtig! Außerdem können Labore wie unseres dadurch Kosten senken und Ärzten und Patienten dringend benötigte Testergebnisse schneller zur Verfügung stellen.
Shimadzu: Das klingt nach einer Win-win-Situation für alle! Methoden sind also wichtig, oder?
Tomasz Czerner: Das sind sie in der Tat. Wie die meisten Wissenschaftler legen wir bei unserer Arbeit und Forschung großen Wert auf höchste Qualität und Sicherheit und wollen die besten verfügbaren Mittel einsetzen. Wir stellen konsequent sicher, dass unsere Verfahren den neuesten Anforderungen entsprechen.
Sogenannte Verbrauchsmaterialien sind in dieser Hinsicht hilfreich. Deshalb verwenden wir bei den meisten Tests vorgefertigte Kits mit IVD-Zertifikaten, vorzugsweise IVDR. Wir nutzen Lösungen verschiedener Hersteller von Reagenzien und Kits, darunter Chromsystems und RECIPE. Zum Beispiel entsprechen alle mit CE-IVD gekennzeichneten RECIPE-Produkte der IVD-Richtlinie 98/78/EG (IVDD), die kürzlich durch die IVD-Verordnung EU 2017/746 (IVDR, Verordnung über In-vitro-Diagnostika) außer Kraft gesetzt wurde. Die Anwendungshinweise und gebrauchsfertigen Methodenpakete von Shimadzu sind uns ebenfalls eine große Hilfe, in den meisten Fällen verwenden wir jedoch gebrauchsfertige LC-MS/MS-Komplettkits, etwa für Antibiotika in Plasma, Steroide in Serum, Vitamin B1, B2 in Vollblut, Vitamin B6 in Plasma, freie Metanephrine in Plasma, Immunsuppressiva in Vollblut usw. Wir versuchen generell, auf die aktuellen Bedürfnisse unserer Patienten einzugehen und arbeiten eng mit unseren Ärzten zusammen, um deren Bedürfnisse zu ermitteln.
Shimadzu: RECIPE arbeitet, soweit ich weiß, eng mit Shimadzu zusammen.
Tomasz Czerner: Ja, das ist, glaube ich, richtig.
Shimadzu: Das ist alles sehr interessant. Können Sie mir ein aktuelles Beispiel für die Arbeit Ihres Labors nennen?
Tomasz Czerner: Sicher. Einige unserer Ärzte fragten uns, ob es möglich sei, Statine in menschlichem Blutplasma zu bestimmen. Statine sind Lipidsenker.
Shimadzu: Erzählen Sie mir mehr. Sind das natürliche oder synthetische Medikamente? Und woher stammen sie?
Tomasz Czerner: Wenn ich mich richtig erinnere, begann das Ganze mit Mevastatin. Das war der erste Stoff mit cholesterin- und LDL-senkenden Eigenschaften, der 1973 von dem japanischen Biochemiker Akira Endō aus dem Pilz Penicillium citrinum isoliert wurde. 1979 ließ Endō das erste Statin patentieren, Monacolin K, das aus dem Schimmelpilz Monascus ruber gewonnen wird. Später ergaben Studien, dass Monacolin K und Mevinolin ein und dieselbe Verbindung sind: Ihr heutiger Name lautet Lovastatin.
Shimadzu: Ist der Wirkmechanismus von Statinen bekannt?
Tomasz Czerner: Ja. Dazu gibt es eine Menge Literatur. Ihr Wirkmechanismus beruht auf der kompetitiven Hemmung des Enzyms 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-Coenzym-A-Reduktase, einem geschwindigkeitsbestimmenden Enzym im Biosyntheseweg der Cholesterinproduktion in der Leber. Statine senken also den Gesamtcholesterinspiegel, den LDL-Anteil und die Triglyceride und bewirken einen leichten Anstieg des HDL-Anteils. Dabei wird die Cholesterinproduktion durch Hemmung der Aktivität des für die Produktion in den Leberzellen verantwortlichen Enzyms eingeschränkt. Außerdem verhindern Statine das Aufbrechen von atherosklerotischen Plaques, reduzieren Entzündungen der Gefäßwände, verbessern die Endothelfunktion, erleichtern die Auflösung von Blutgerinnseln und wirken antithrombotisch. Kurz gesagt eignen sich diese Medikamente zur Vorbeugung von koronaren Herzkrankheiten sowie zur Hemmung ihrer Entwicklung und zur Reduzierung von Komplikationen im Zusammenhang mit Atherosklerose, wie Herzinfarkt oder Schlaganfall. Statine verhindern auch das Wiederauftreten dieser Komplikationen.
Shimadzu: Das klingt gut. Aber bergen Statine denn auch Risiken?
Tomasz Czerner: Nicht unbedingt, aber wir sollten ihre Wirkung im Körper genau beobachten. Einige Statine kommen auch in der Natur vor, etwa im essbaren Austernpilz und in fermentiertem rotem Reis. Derzeit werden natürliche und synthetische Statine zur Behandlung übermäßig hoher Cholesterinwerte eingesetzt. Hier seien einige natürliche Statine genannt. Zu dieser Gruppe gehören Lovastatin, Pravastatin und Simvastatin. Zu den synthetischen Statinen zählen Atrovastatin, Fluvastatin und Rosuvastatin.
Shimadzu: Müssen Patienten bei der Einnahme von Statinen etwas Besonderes beachten?
Tomasz Czerner: Auf jeden Fall. Während der Einnahme von Statinen ist eine cholesterinarme Ernährung wichtig. Außerdem dürfen Statine nicht an Patienten verabreicht werden, die allergisch darauf reagieren, oder an Kinder unter 8 Jahren, schwangere oder stillende Frauen oder an Patienten mit aktiver oder chronischer Leberinsuffizienz. Die Entscheidung über die Verabreichung dieses Medikaments muss immer von einem Arzt getroffen werden.
Shimadzu: Soweit ich weiß, wenden Sie in Ihrem Labor eine neue Methode zur Statinbestimmung an. Wie kam es dazu?
Tomasz Czerner: Kurz gesagt: Wir hatten ein Problem und brauchten eine Lösung. Wie gesagt, unsere Ärzte – viele Ärzte – baten uns zunehmend um Tests zur Bestimmung von Statinen in Plasmaproben. Mit unseren herkömmlichen Analysegeräten waren solche Bestimmungen nicht möglich, sodass uns die Arbeit allmählich über den Kopf wuchs. In unserer Verzweiflung sprachen wir mit unseren Partnern bei SHIM-POL, dem exklusiven Vertreter von Shimadzu in Polen. Sie schickten einen Experten vorbei, der uns einen Tag lang begleitete und Fragen stellte. Einige Tage darauf unterbreitete SHIM-POL einige Vorschläge, wie wir die Herausforderungen, vor denen wir standen, bewältigen könnten. Ich besprach diese Anregungen mit meinen Kollegen, und was wir sahen, gefiel uns …
Shimadzu: Was gefiel Ihnen?
Tomasz Czerner: Uns wurde klar, dass die einzig wirklich sinnvolle Technik für solch schwierige Analysen die Massenspektrometrie ist. Wie es der Zufall wollte, hatten wir die Antwort schon seit Jahren direkt vor unserer Nase! Genauer gesagt haben wir unseren Ultrahochleistungs-Flüssigkeitschromatographen Nexera X2 verwendet, der mit einem LCMS-8050 Massenspektrometer mit UFMS-Technologie gekoppelt ist. Durch die Kombination der Funktionen dieser Instrumente konnten wir eine hohe Auflösung und Selektivität und vor allem eine hohe Empfindlichkeit bei der Erkennung und vollständigen Quantifizierung mehrerer Statine in Plasmaproben unserer Patienten erreichen. Dadurch wurde der Diagnose- und Behandlungsprozess unserer Patienten erheblich optimiert.
Shimadzu: Wie viele Statine konnten Sie mit Ihrer neuen Lösung bestimmen? Haben Sie auch deren Metaboliten bestimmt?
Tomasz Czerner: Zusammen mit den Experten von SHIM-POL konnten wir vier Statine im Plasma und deren Metaboliten bestimmen. Die Analyse dauerte nicht einmal 10 Minuten! Anschließend verbrachten wir mehrere Tage mit der Optimierung. Das war nicht immer einfach, aber am Ende waren wir mit dem Ergebnis mehr als zufrieden. Wir überlegen sogar, ob wir die Analysezeit noch weiter verkürzen können. Denn sowohl für unsere Patienten als auch für unsere Ärzte ist Zeit sehr wertvoll!
Shimadzu: Verwenden Sie auch gebrauchsfertige IVDR-Kits, um bei der Statinbestimmung noch mehr Zeit zu sparen?
Tomasz Czerner: Leider nein. Es gibt einfach noch nicht viele geeignete Kits auf dem Markt. Aber da Not erfinderisch macht, haben wir uns entschlossen, selbst gründliche Literaturrecherchen anzustellen, um unsere eigene Analysemethode zu optimieren und zu validieren.
Shimadzu: Ich hätte nichts anderes erwartet! Verraten Sie mir: Welche Ziele haben Sie sich für die kommenden Jahre gesetzt?
Tomasz Czerner: Das wird sich zeigen. Unser Team entwickelt sich dynamisch weiter und wir hoffen, das Profil unserer Forschung deutlich ausbauen zu können. Wir beschäftigen uns beispielsweise intensiv mit der Bestimmung von Antiepileptika im Serum und Steroiden im Plasma. Außerdem wollen wir natürlich unser Wissen über die MS vertiefen, um weitere Methoden mit dieser fortschrittlichen Technik zu implementieren.
Shimadzu: Stoßen Sie bei der Erreichung Ihrer Ziele auf Hindernisse?
Tomasz Czerner: Nur darauf, dass wir täglich eine Menge Arbeit zu bewältigen haben! Aber auch dafür haben wir eine Lösung. Wir möchten unser Labor um ein weiteres HPLC-Gerät erweitern, um unsere Kapazität zu erhöhen – einige unserer vorhandenen Geräte sind einfach zu langsam!
Shimadzu: What did you like?
Tomasz Czerner: We realized that the only truly sensible technique for such difficult analyses is mass spectrometry. As luck would have it, we had had the answer for years, sitting right under our noses! Specifically, we used our ultra-high performance liquid chromatograph Nexera X2, coupled to an LCMS-8050 mass spectrometer with UFMS technology. Using the combined talents of these instruments, we were able to achieve high resolution and selectivity and, above all, high sensitivity in detecting and fully quantifying several statins in plasma samples from our patients. This significantly streamlined the process of diagnosis and treatment of our patients.
Shimadzu: With your new solution, how many statins were you able to test for? Did you also determine their metabolites?
Tomasz Czerner: Together with the experts from SHIM-POL, we were able to determine four statins in plasma and their metabolites. The analysis took less than 10 minutes! We then spent several days on optimization. That was not always easy, but in the end we were more than fully satisfied with the outcome. And we are even discussing how we can shorten the analysis time even further. Because for both our patients and our doctors, time is very valuable!
Shimadzu: Möchten Sie uns noch ein paar abschließende Worte mit auf den Weg geben?
Tomasz Czerner: Ich möchte nur noch einmal betonen, dass sich die Massenspektrometrie in der klinischen Medizin rasant weiterentwickelt und eine schnellere (d. h. präzisere) Detektion sowie eine hervorragende Identifizierung von Verbindungen in sehr kurzer Zeit ermöglicht. Insgesamt bedeutet dies, dass wir schneller und gründlicher arbeiten können, sodass Ärzte bessere Entscheidungen treffen und unseren Patienten raschere Behandlungsmethoden anbieten können. Die Zukunftsvision ist, dass wir mithilfe von Shimadzu anhand einer Probe mit nur einem Tropfen Blut schnell Hunderte klinische Marker für Krankheiten identifizieren können!
Shimadzu: Vielen Dank, dass Sie sich Zeit genommen haben und uns an Ihren Erfahrungen an vorderster Front des Gesundheitswesens haben teilhaben lassen.
Tomasz Czerner: Es war mir ein Vergnügen!
Der weite Weg der Innovation
Oft stellen wir uns Innovation als ein einmaliges Ereignis vor: Plötzlich wird etwas Neues, Besseres oder Schnelleres geschaffen, und darauf kommt es an. In Wirklichkeit ist Innovation jedoch nur der Anfang. Sie muss umgesetzt werden, denn erst dadurch werden ihre Vorteile voll und ganz verstanden. Oft gehen die potenziellen Anwendungen einer Innovation weit über die ursprüngliche Begründung oder den Zweck ihrer Konzeption hinaus.
Im Fall der Massenspektrometrie – die bereits weltweit in Forschungslaboren zum Einsatz kommt – zeigt sich die beeindruckende Fähigkeit von Menschen wie den engagierten Mitarbeitern der Abteilung für Labordiagnostik des USK, das Potenzial dieses innovativen Instruments anzupassen, zu nutzen und weiter zu erforschen. Dass dies im direkten Dienst der Patienten und Ärzte geschieht, inspiriert. Shimadzu ist stolz darauf, mit der Bereitstellung von Geräten und Fachwissen einen Beitrag zu dieser wichtigen Arbeit zu leisten, sodass die Mitarbeiter ihren Forscherdrang ausleben können, wohin er sie auch führen mag.
