Teamplayer für die Medizin der Zukunft

Maier-Hein ist eine echte Teamplayerin – nicht nur auf dem Basketballfeld. Sie entwickelt mit ihren Mitarbeitern computergestützte Assistenzsysteme für Ärzte. Das sind beispielsweise Technologien, die Chirurgen dabei helfen, die Operation eines Tumors besser zu planen und durchzuführen. Ziel ist es stets, das kranke Gewebe möglichst vollständig zu entfernen und gleichzeitig gesunde Organe, Blutgefäße oder Nerven zu schonen. Die Wissenschaftler arbeiten an der Schnittstelle zwischen Informatik, Medizin und Medizintechnik. „Das funktioniert nur, wenn wir mit Kollegen aus verschiedenen Fachrichtungen gut zusammenarbeiten“, sagt Maier-Hein.

In ihrer beruflichen Mannschaft ist sie mittlerweile eher der Coach. „Eigene Projekte bearbeite ich kaum noch, das bringt die Position als Gruppenleiterin mit sich.“ Unter ihren „Feldspielern“ befinden sich fünf Doktoranden und zwei weitere Wissenschaftler, dazu kommen wechselnde Bachelor- und Masterstudenten sowie studentische Hilfskräfte. Da sind Physiker dabei, Medizininformatiker und Mediziner. „Aber ich habe auch eine Designerin eingestellt“, sagt Maier-Hein und genießt den kleinen Überraschungsmoment. „Caroline Feldmann studiert in Schwäbisch Gmünd Strategische Gestaltung und entwickelt für uns beispielsweise leicht verständliche Icons.“ Die sollen es später den Ärzten im Klinikalltag erleichtern, die Geräte zu bedienen.

Anwenderfreundlichkeit ist für computergestützte Medizinsysteme ein wichtiges Thema. „Als Informatikerin musste ich erstmal lernen, dass es nicht nur um Präzision geht, sondern auch darum, das Ganze gut in die Arbeitsabläufe in der Klinik einzubinden“, sagt die Wissenschaftlerin. Während ihrer Doktorarbeit bei Prof. Hans-Peter Meinzer am DKFZ in der Abteilung Medizinische und Biologische Informatik hatte sie in Kooperation mit Medizinern vom Universitätsklinikum Heidelberg ein System entwickelt, das Ärzte dabei unterstützen sollte, Metastasen, die gefährlichen Absiedlungen von Tumoren, mit einer sogenannten Thermonadel zu zerstören: Der Arzt sticht die Nadel direkt in das kranke Gewebe und „verbrennt“ es.

Der Erfolg der Methode hängt von der Zielgenauigkeit ab. Um diese zu erhöhen, hatte Maier-Hein ein computergesteuertes Zielsystem entwickelt, das exakt berechnet, wo und in welchem Winkel der Arzt die Nadel einstechen muss. Die Technologie ist genial und preisgekrönt – die exakteste ihrer Art. Trotzdem kam sie nie zum Einsatz. „Der technische Aufwand und die Kosten sind zu hoch“, sagt Maier-Hein nüchtern. Daher hat sie mit ihren Mitarbeitern eine weitaus einfachere Variante entwickelt.

Die Tüftelarbeit dafür fiel dem Medizininformatiker Alfred Franz zu, der seine Chefin bereits bei deren Doktorarbeit unterstützte – damals noch als Hiwi. Franz führt sein System an einem künstlichen Bauch aus Kunststoff vor. In dessen geleeartigem Inneren befinden sich schwarz gefärbte Blasen, die Metastasen und wichtige Organstrukturen symbolisieren. Über die künstliche Bauchdecke führt der Wissenschaftler einen Ultraschallkopf, den er mit einem elektromagnetischen Feldgenerator kombiniert hat. Dank Ultraschall kann er ins Innere des „Bauchs“ blicken: Die schwarzen Blasen zeichnen sich als dunkel schattierte Kreise auf dem angeschlossenen Monitor ab. Der Computer berechnet, wie sie räumlich zueinander angeordnet sind. Jetzt nimmt der Medizininformatiker eine lange Nadel – das kann eine Biopsie- oder eine Thermonadel sein – und sticht sie durch die Bauchdecke. Dank der elektromagnetischen Einheit ist auch sie auf dem Monitor zu sehen. Der Computer verbindet die Bildinformationen beider Systeme und Franz führt die Nadel sicher ins Ziel.

Das Ganze wirkt verblüffend einfach. Und genau das ist der große Vorteil daran. „Wir sind stolz darauf, dass es bereits in der Klinik zum Einsatz kommt“, erklärt Franz. Ein Arzt aus Frankfurt wurde auf die Arbeit der Heidelberger aufmerksam – und wendet sie nun an, um Tumorherde in der Schilddrüse zu zerstören.

Maier-Hein und ihre Mitarbeiter sind davon überzeugt, dass sie die besonderen physikalischen Eigenschaften von Tumoren für weitere neue Therapieformen nutzen können. Im Tumor ist der Stoffwechsel gegenüber gesundem Gewebe meist verändert und dadurch auch der Sauerstoffgehalt in den Blutgefäßen des Tumors. Sauerstoffreiches Blut ist heller als sauerstoffärmeres. Doch während dieser Unterschied beim dunklen Blut der Venen und dem hellem aus Arterien offensichtlich ist, lassen sich die Nuancen zwischen Gefäßen des Tumors und des Normalgewebes mit bloßem Auge nicht unbedingt ausmachen. Das gelingt jedoch mit speziellen Kamerasystemen – selbst im Körperinneren. Das lässt sich möglicherweise nutzen, um Frühstadien von Darmkrebs zu erkennen: Im erkrankten Gewebe ändert sich die Durchblutung und damit auch geringfügig die Farbe.

Der Doktorand Sebastian Wirkert widmet sich diesem Phänomen im Rahmen des Starting Grant Projektes „COMBIOSCOPY“, das der Europäische Forschungsrat ERC fördert. Früher entwickelte Wirkert Radarsensorik-Systeme in der Automobilindustrie. Zur Tumorforschung kam der 31-Jährige, weil ihn die medizinische Anwendung reizte.

Der Informatiker führt in eine Dunkelkammer, in der sein Versuchsaufbau steht: Ein Spezialkamerasystem verbunden mit einem Laparoskop, einem Instrument, mit dem Ärzte bei Bauchspiegelungen auf die inneren Organe schauen können. „Die Apparatur habe ich Justin Iszatt zu verdanken, einem genialen Robotik-Studenten, der hier seine Bachelorarbeit gemacht hat“, sagt Wirkert. Da ist sie wieder, die Vielseitigkeit und die gegenseitige Wertschätzung, die sich Maier-Hein von ihrem Team wünscht.

Wirkert knipst das Licht aus und hält seine Hand vor die Apparatur, auf die er vorher ein rotes „R“, ein grünes „G“ und ein blaues „B“ gemalt hat. Zunächst erkennt man auf dem Monitor nicht viel. Doch dann nutzt der Forscher unterschiedliche Filter, und plötzlich tauchen einzelne Buchstaben auf – mal das „R“, mal das „G“ und dann wieder das „B“. Der Grund: Die Farben reflektieren oder absorbieren, also „verschlucken“ Licht unterschiedlicher Wellenlängen auf verschiedene Art und Weise. Dieses Prinzip nutzt Wirkert, um die feinen Nuancen zwischen „sauerstoffreicher“ und „sauerstoffärmer“ auszumachen.

„Wir haben aber noch ganz andere Visionen“, verrät Lena Maier-Hein. Gemeinsam mit einem weiteren Doktoranden sowie Kooperationspartnern des Heidelberger Uniklinikums und des Karlsruher Instituts für Technologie tüftelt sie derzeit an einem System, das die Krebsmedizin revolutionieren soll. „In allen medizinischen Bereichen gibt es Leitlinien, die festlegen, wie bestimmte Erkrankungen behandelt werden“, erklärt der Medizininformatiker Keno März – auch er war bereits als Hiwi und später als Masterstudent im Team. Bei Krebs ist die Sache allerdings kompliziert, oft variieren sogar Tumoren in ein und demselben Organ sehr. „Daher braucht man für die Behandlung oft so genannte Tumorboards, in denen verschiedene Fachleute ihre Erfahrung und ihr Know-how einbringen, um dann gemeinsam zu entscheiden, wie ein Patient behandelt wird“, sagt März.

Was aber wäre, wenn man ein Computersystem entwickelt, das Wissen und Erfahrung aller Ärzte bündelt, das wissenschaftliche Literatur ebenso speichert wie komplizierte Sonderfälle und das medizinische Daten über Krebspatienten und Therapieverläufe verfügbar macht? „Dann werden einzelne Patienten plötzlich vergleichbar, weil es irgendwo schon mal Fälle gab, in denen etwas ähnlich lief – etwa das schlechte Ansprechen auf bestimmte Medikamente oder eine besonders schwierige Position des Tumors“, sagt März. Und das hilft Ärzten, bessere Therapieentscheidungen zu treffen. „Unsere Vision ist, dass das System das Ärzteteam bei jeder Behandlungsentscheidung begleitet und unterstützt – sogar noch im OP, wo man oft sehr schnell handeln muss, etwa wenn ein Tumor größer ist als erwartet.“

„Ich war mir nicht sicher, wie das bei den internationalen Kollegen ankommen würde, als Keno das Projekt zum ersten Mal bei einem Kongress vorstellte“, verrät Maier-Hein. Doch die Idee schlug ein wie eine Bombe und März bekam den Preis für den besten Vortrag verliehen. Namhafte Industriepartner wollen mit den Heidelberger Forschern kooperieren. Das beflügelt das Team, das den Grundstein für die Therapieplanung der Zukunft bereits gelegt hat.

Text. Stefanie Reinberger