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6. September 2018

Die Ursachen von Asthma (Big Data Serie - Teil 8)

Um neue medizinische Erkenntnisse zu gewinnen, setzt die Wissenschaft heute vermehrt auf die Auswertung grosser Datenmengen. Solche Big-Data-Verfahren eröffnen Chancen und haben zugleich ihre Grenzen, sagt der Basler Asthma-Forscher Prof. Urs Frey.

Asthma ist eine chronische Entzündung der Atemwege. Äussere Einflüsse wie Virusinfektionen, Pollen oder Schadstoffe wirken als Auslöser für Husten oder eine Einengung der Atemwege, die eine pfeifende Atmung und Atemnot nach sich zieht. Asthma tritt episodisch auf. Die Krankheit kann nach zwei, drei Jahren wieder vergehen, oder eine chronische Form annehmen. In den Industriestaaten nahm Asthma in den drei Jahrzehnten zwischen 1980 und 2010 stark zu. Je nach Land leiden heute 8% bis 30% der Kinder an asthmaähnlichen Symptomen, in der Schweiz sind es acht bis zehn Prozent. Die meisten der kleinen Patientinnen und Patienten werden vom Kinder- oder Hausarzt behandelt. Kommen diese bei der Behandlung nicht mehr weiter oder erleidet ein Kind einen schweren Anfall, erfolgt eine Einweisung ins Spital. Allein im Universitätskinderspital beider Basel (UKBB) werden pro Jahr 1000 bis 1500 Kinder mit Atemwegsproblemen – darunter Asthma – behandelt.

„Oft sind das Kinder, die Virusinfekte haben und asthmaähnliche Symptome entwickeln und bei denen sich dann die Frage stellt, ob sich aus diesen Beschwerden ein chronisches Asthma entwickelt“, sagt Prof. Dr. Urs Frey, ärztlicher Direktor des UKBB. „Es gibt Kinder mit sehr hohem Leidensdruck, die immer wieder Symptome haben. In diesen Fällen leiten wir umgehend eine Therapie ein, damit die Kinder beschwerdefrei sind, was in den allermeisten Fällen gelingt. Wir entscheiden in jedem Einzelfall neu, denn wir setzen auf möglichst minimale Therapien, um die oft noch sehr kleinen Patienten schonend zu behandeln. Idealerweise hilft eine vorbeugende Therapie, damit die Kinder beschwerdefrei sind und ein normales Leben führen können.“

Suche nach Einflussfaktoren

Als Arzt behandelt Urs Frey Kinder mit Asthma. Als Wissenschaftler erforscht er die Ursachen der Atemwegserkrankung. Ausschlaggebend für die Entwicklung von Asthma sind nach heutigem Wissensstand sehr viele Einflussfaktoren in der frühen Kindheit, das heisst vor der Geburt, während der Geburt und im ersten Lebensjahr eines Kindes. Bei Kindern, die ein familiäres bzw. genetisches Risiko in sich tragen, führen Umweltfaktoren wie Luftverschmutzung, ungünstige Ernährung, übertriebene Hygiene oder akute Virusinfektionen zum Ausbruch der Atemwegserkrankung. Die krankmachenden Umweltfaktoren zu bestimmen und deren jeweiligen Einfluss zu gewichten, das ist das Hauptforschungsgebiet von Urs Frey.

Um aussagekräftige Erkenntnisse zu gewinnen, sind die Daten vieler gesunder und kranker Personen erforderlich. Denn der Einfluss eines einzelnen Faktors ist mitunter schwach und kann nur durch Einbezug vieler Testpersonen nachgewiesen werden. Schweizer Spitäler sind an verschiedenen nationalen und internationalen Asthma-Studien beteiligt, die jeweils eine bestimmte Gruppe kranker und auch gesunder Personen ('Kohorte') mit einbeziehen. Eine dieser Untersuchungen ist die BILD-Studie (kurz für: 'Basel Bern Infant Lung Development Cohort') von UKBB und Berner Inselspital/Universität Bern (Prof. Dr. med. Philipp Latzin und Prof. Dr. med. Claudia Kuehni). Die vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützte Studie untersucht insbesondere den Einfluss der Luftverschmutzung auf die Entstehung von Säuglingsasthma. Sie wurde 1999 in Bern gestartet und umfasst unterdessen über 900 Kinder und Jugendliche im Alter von bis zu 13 Jahren. Die Teilnehmer werden schon vor der Geburt in die Studie aufgenommen, zu einem Zeitpunkt also, wo noch nicht feststeht, ob sie einmal an Asthma leiden werden. Bei allen Kindern wird eine Vielzahl von Daten und Messwerten erfasst, z.B. Entzündungswerte im Nabelschnurblut, Luftschadstoffe im Wohnumfeld und Ernährungsweise inkl. Stillen. Im ersten Lebensjahr werden die Eltern wöchentlich per Telefon nach allfälligen Krankheitssymptomen befragt.

Zentrale Rolle der Luftschadstoffe

Mit der BILD-Studie kann die Krankheitsentwicklung bei Kindern über Jahre hinweg verfolgt werden. Eines der Hauptergebnisse, das mit der Studie erstmals wissenschaftlich belegt wurde: Kinder, deren Mütter während der Schwangerschaft starker Luftverschmutzung ausgesetzt waren, haben ein erhöhtes Risiko, nach der Geburt an Einschränkungen der Lungenfunktion zu leiden. Auch wurden bei diesen Kindern mehr Atemwegs-Symptome (Husten, Atemnot oder pfeifende Atmung) im ersten Lebensjahr und eine Veränderung der Immunzellen und Entzündungsmarker im Nabelschnurblut beobachtet. Aus anderen Studien weiss man zudem: Haben Kinder erblich bedingt ein erhöhtes Risiko für Atemwegserkrankungen, führt die Exposition von Luftschadstoffen zu einer Verschärfung der Symptome. Die Forschung hat aber auch eine gute Nachricht parat: Nachdem in der Schweiz in den letzten 15 Jahren die Luftschadstoffe markant reduziert werden konnten, ist heute der zunehmende Trend von Atemwegserkrankungen bei Kindern weniger zu beobachten.

In Untersuchungen wie der BILD-Studie kommen durch Befragungen und Messungen sehr viele Daten zusammen. Diese Datenfülle allein ist es aber nicht, was eine moderne Big-Data-Studie ausmacht, wie Urs Frey erläutert: „Die BILD-Studie beruht auf einer Kohorte, deren Daten mit Blick auf eine mögliche Krankheitsentwicklung systematisch, präzise und vorausschauend (prospektiv) erfasst werden. Bei einer typischen Big-Data-Analyse werden hingegen Daten verwendet, die in Arztpraxen und Spitälern bei medizinischen Untersuchungen anfallen, die nicht immer im Zusammenhang mit Asthma stehen, nicht vorausschauend erhoben wurden und mitunter auch Fehler enthalten.“ Weil diese Daten aber in grossen Mengen vorliegen – in der Regel aus mehreren Zehntausend Untersuchungen – erkennen Wissenschaftler mit modernen Big-Data-Analysen Gesetzmässigkeiten, die beim Verständnis von Krankheiten wie Asthma helfen. Mit Big-Data-Studien versucht man zum Beispiel Untergruppen von Patienten zu identifizieren, die auf ein Medikament mehr oder weniger gut ansprechen, oder beispielsweise Untergruppen von Patienten zu finden, die schwerer krank sind und mehr vertiefte Diagnostik und Betreuung brauchen.

Wahl der richtigen Therapie

Die Ergebnisse von Kohorten- und Big-Data-Studien haben je ihren eigenen Wert und ergänzen sich. Ihre Ergebnisse erlauben Voraussagen über den Krankheitsverlauf bei Asthma, zeigen also, welche Risikofaktoren dazu führen, dass Kinder nicht nur vorübergehend, sondern langfristig an Asthma leiden. „Die bisherigen Resultate der BILD-Studie helfen uns, zu einem frühen Zeitpunkt jene Kinder zu identifizieren, die von einer frühen Behandlung profitieren“, sagt Urs Frey. Die Ergebnisse helfen zudem bei der Wahl der Therapie. Der behandelnde Arzt kann zum Beispiel entscheiden, ob er ein entzündungshemmendes Medikament wie Cortison einsetzt oder bewusst darauf verzichtet. Darüber begünstigen die Studienergebnisse die Entwicklung neuer Asthmamedikamente. „Wenn man dank dieser Untersuchungen die Risikofaktoren von Asthma kennt, hilft das insbesondere bei der Suche nach vorbeugenden Medikamenten“, so Frey.

Die BILD-Studie wird im nächsten Jahr 20 Jahre alt. Sie soll dann noch weitere fünf bis zehn Jahre fortgeführt werden. Damit können die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verfolgen, wie sich das im Kindesalter beobachtete Asthma später in der Jugend und im Erwachsenenalter weiterentwickelt. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher denn auch untersuchen, ob die Luftschadstoffbelastung, die so entscheidend ist für die Asthma-Entstehung in der frühen Kindheit, Langzeitauswirkungen bis ins Schul- und Erwachsenenalter hat.

Die Serie "Medizinischer Fortschritt dank Big Data" hat am Beispiel von ausgewählten Krankheiten exemplarisch dargestellt, wie Einbezug und Verarbeitung grosser Datenmengen vertiefte medizinische Erkenntnisse ermöglichen und damit verbesserten Behandlungen den Weg bereiten. Mit diesem Artikel endet die Serie.

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Prof. Frey
Prof. Dr. med. Urs Frey (rechts im Bild) ist ärztlicher Direktor des Universitätskinderspitals beider Basel und einer der führenden Asthmaforscher der Schweiz
 

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