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2. August 2018

Bevor Alzheimer krank macht (Big Data Serie - Teil3)

Der Lausanner Neurologe Prof. Bogdan Draganski kann die Alzheimer-Krankheit nachweisen, bevor die ersten Symptome auftreten. Der Einbezug grosser Mengen von Gehirndaten soll neue Therapieansätze bei Demenz möglich machen.

Das Wartezimmer ist der erste Raum links beim Eingang. Ein halbes Dutzend betagter Menschen sitzt dort auf Stühlen und wartet auf den Arzt. Es sind Menschen mit einer Demenz, teilweise schon stark fortgeschritten. Wir befinden uns im Leenaards Gedächtniszentrum der Waadtländer Universitätsklinik (CHUV) in Lausanne. Das Gedächtniszentrum ist ein Kompetenzzentrum für Demenzerkrankungen. Im gleichen Gebäude hat der Waadtländer Alzheimer-Verband seine Büros.

Bodgan Draganski hat sein Büro im 5. Stock. Der 46-jährige Assistenzprofessor leitet das Labor für Hirnbildgebung (LREN) im Departement für klinische Neurowissenschaften des CHUV. Er kommt gerade von der Ultraschalluntersuchung eines Patienten mit gestörter Blutversorgung des Gehirns. „Auf dem Papier mache ich 80% Forschung und 20% Klinik, doch die Arbeit mit Patientinnen und Patienten nimmt tatsächlich einen grösseren Anteil ein“, sagt der gebürtige Bulgare in einwandfreiem Deutsch. „Der Umgang mit dementen Menschen erfordert viel Respekt. Man muss die Menschen in geeigneter Weise aufklären, wenn man sie, wie ich es tue, in die Forschung einbeziehen will. Das aber lohnt sich, denn der klinische Alltag ist eine wichtige Inspirationsquelle für meine Arbeit als Forscher.“

Drei Jahre vor den ersten Symptomen

Ein Schwerpunkt des ausgebildeten Humanmediziners ist die Früherkennung. Bislang wird eine Demenzerkrankung in der Regel erst diagnostiziert, wenn der Patient, seine Angehörigen oder der Arzt Gedächtnisverlust oder andere Krankheitssymptome wahrnehmen. In dem Moment ist die Krankheit indes schon weit fortgeschritten, wie Draganski betont: „Bei der Parkinson-Erkrankung sind laut Schätzungen bereits 70% der Nervenzellen abgestorben, wenn sich die ersten Symptome zeigen. Ähnlich sieht es bei Alzheimer aus. Diese dürfte mit ein Grund sein, dass es so schwierig ist, für diese Erkrankungen wirksame Behandlungen zu finden.“ Wissenschaftler vermuten, dass sich die Alzheimer-Erkrankung schon zehn, fünfzehn Jahre oder sogar noch länger entwickelt hat, bevor sie sich durch Symptome bemerkbar macht.

Heute ist es möglich, eine Alzheimer-Erkrankung vorherzusagen. Dies gelingt mithilfe der Magnetresonanztomographie (MRT), einer Untersuchungsmethode, bei der das Gehirn einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, mit dessen Hilfe strukturelle Veränderungen im Gehirn sichtbar gemacht werden können. Auf Grundlage von MRT-Daten lässt sich die Krankheit schon drei Jahre vor den ersten Symptomen mit grosser Wahrscheinlichkeit prognostizieren. Bogdan Draganski hat zu dieser Diagnosemöglichkeit mit seinen Forschungsresultaten aus den Jahren 2015/16 massgeblich beigetragen. Allerdings gibt sich der Lausanner Wissenschaftler mit diesem Ergebnis nicht zufrieden: „Um diesen Erfolg aus der Forschung im klinischen Alltag nutzen zu können, müssen die Voraussagen zuverlässiger werden, und wir sollten sie auch schon früher, nämlich fünf, zehn oder fünfzehn Jahre vor den ersten Symptomen machen können.“

Ein Gehirn aus Voxeln

Um krankhafte Veränderungen der Nervenzellen im Gehirn festzustellen, werden bis anhin üblicherweise Gewebeproben entnommen und im Labor untersucht. Dieses Verfahren liefert aussagekräftige Befunde, ist aber mit einem Eingriff in den Körper des Patienten verbunden und dürfte bei Menschen ohne Krankheitsanzeichen kaum durchgeführt werden. Wissenschaftler wie Bogdan Draganski setzen daher grosse Hoffnungen in die nichtinvasive Methode des MRT zur Früherkennung von neurodegenerativen Erkrankungen. Bereits 2008 war es dem Lausanner Wissenschaftler gemeinsam mit Forscherkollegen gelungen, verschiedene Demenzformen einzig anhand der Auswertung vom MRT-Bildern von Gesunden zu unterschieden. Der springende Punkt hier war der Fakt, dass die Diagnose bei den Patienten und Gesunden nach deren Tod mittels pathologischer Untersuchung, was als Goldstandard gilt, bestätigt wurde. 

Bei der MRT-Analyse wird das Gehirn in Kuben von je einem Kubikmillimeter Grösse aufgelöst. Diese dreidimensionalen Einheiten werden als 'Voxel' bezeichnet, in Anlehnung an die 'Pixel' eines zweidimensionalen Bildes. Ein menschliches Gehirn wird durch mehrere Hunderttausend Voxel beschrieben; der relativ kleine Hypocampus allein schon durch 1000 Voxel. Die Aussagekraft des Bildgebungsverfahrens wurde seit 2008 stark verbessert, wie Draganski ausführt: „Damals konnten wir lediglich Aussagen über das Volumen der Gehirnsubstanz an einer bestimmten Stelle machen. Heute bestimmen wir mit MRT Gewebeeigenschaften, beispielsweise, wie viel Eisen oder Myelin in einem Voxel vorhanden ist, oder die Dichte der Nervenfasern. Da die Dichte der Nervenfasern bei einer neurodegenerativen Krankheit wie Alzheimer abnimmt, liefern uns die Voxel-Werte Aussagen über das Fortschreiten der Krankheit.“ So trägt die MRT-Analyse in wachsendem Mass zum Verständnis biologischer Vorgänge im Gehirn gesunder und kranker Personen bei.

Mit Big Data pathogene Einflüsse finden

Die CHUV-Forscher wollen im Gehirn mit MRT medizinisch relevante Muster erkennen, und sie wollen wissen, wie diese Muster entstanden sind. Eine Rolle spielen herbei genetische Faktoren, aber auch der Ausbildungsweg oder das Konsumverhalten (z.B. Rauchen, Alkoholkonsum). Ein Wissenschaftler, der hier aussagekräftige Resultate finden will, braucht starke MRT-Geräte (mit aktuell sieben Tesla starken Magnetfeldern), er muss zur Datenauswertung Methoden der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens einsetzen, und er braucht eine sehr grosse Zahl von Gehirndaten. „Wenn wir über Daten von einigen Hundert oder einigen Tausend Personen verfügen, kommen wir noch nicht weit“, sagt Draganski, „besser sind 50'000 oder 100'000 Personen. Nur so haben wir eine Chance herauszufinden, welche krankmachenden (pathogenen) Einflüsse das Risiko einer Erkrankung an Alzheimer oder einer anderen neurodegenerativen Erkrankung senken.“

Ein Anfang ist gemacht: Bisher sind in der Forschungsdatenbank des CHUV die Datensätze von 4000 Personen abgelegt. Draganski's Forschung ist Teil des Human Brain Projects, eines grossen europaweiten Forschungsvorhabens, das zu einem besseren Verständnis des Gehirns beitragen soll und zu diesem Zweck den Datenaustausch in der Forschercommunity verbessern will. Aus der MRT-Bildgebung werden auch neue Behandlungsansätze hervorgehen, ist der Lausanner Neurologieprofessor überzeugt: „Wenn es uns gelingt, aus der Gesamtheit aller Demenzpatienten Subgruppen herauszufiltern, die dasselbe Muster von Gehirnveränderungen oder von Vorerkrankungen oder von klinischen Symptomen haben, dann dürfte das der pharmazeutischen Forschung einen Kick für die Entwicklung neuer Demenzmedikamente verleihen“, sagt Draganski.

Präzisere Diagnosen

Begriffe wie 'Demenz' oder 'Alzheimer' werden vielleicht bald der Vergangenheit angehören. Dank moderner Bildgebung dürften nämlich immer differenziertere Krankheitsbilder und Diagnosen möglich werden, die dann mit neuen, präziseren Begriffen bezeichnet werden, sagt Bogdan Draganski: „Wir wissen heute schon, dass Subgruppen von Demenzpatienten auf pharmazeutische Wirkstoffe gut ansprechen. Je besser wir die Subgruppen beschreiben können, desto grösser die Wahrscheinlichkeit für erfolgreiche Demenzbehandlungen.“

Die Serie "Medizinischer Fortschritt dank Big Data" stellt am Beispiel von ausgewählten Krankheiten exemplarisch dar, wie Einbezug und Verarbeitung grosser Datenmengen vertiefte medizinische Erkenntnisse ermöglichen und damit verbesserten Behandlungen den Weg bereiten. Die Serie erscheint in lockerer Folge. Hier Teil 3.

Lausanner Forscher können den Ausbruch einer #Demenz voraussagen, noch bevor Symptome auftreten. http://bit.ly/2MaZ9tn #iph
Prof. Bogdan Draganski, Neurologe am Waadtländer Universitätsspital CHUV in Lausanne, zeigt die 3D-Drucke eines gesunden Gehirns (links) sowie eines Gehirns, das infolge einer Alzheimer-Erkrankung krankhaft verformt ist.
Prof. Bogdan Draganski, Neurologe am Waadtländer Universitätsspital CHUV in Lausanne, zeigt die 3D-Drucke eines gesunden Gehirns (links) sowie eines Gehirns, das infolge einer Alzheimer-Erkrankung krankhaft verformt ist.
 

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