Mit Mathematik schweren Verlauf der Lungenentzündung erkennen und therapieren

Professor Dr. Markus Löffler (Universität Leipzig) und Prof. Dr. Norbert Suttorp (Charité Berlin) erforschen mit ihren Partnern den Verlauf der Lungenentzündung (Pneumonie) von der Infektion bis hin zur Heilung. Im Fokus stehen insbesondere die schweren Verläufe der Pneumonie, bei denen es zu einem Verlust der schützenden Barriere zwischen Lungenbläschen und Blutgefäßen kommt, die normalerweise das Eindringen von Erregern verhindert. Dabei kann sich die Infektion über die Lunge hinaus im Körper ausbreiten und zu einer Blutvergiftung, auch Sepsis genannt, führen. Das Immunsystem reagiert hierbei mit körperweiten Abwehrmaßnahmen, die zum Versagen der Lunge und anderer lebenswichtiger Organe führen können. Patienten mit einer sehr leichten Pneumonie sind nicht gefährdet. Bei Patienten mit einer mittelschweren Erkrankung kann die Lungenentzündung in einigen Fällen auch zur Sepsis führen – was man bisher jedoch nicht vorhersehen kann.

Ziel der Forscher ist es, Patienten mit einem hohen Risiko für eine Barrierestörung möglichst früh zu erkennen, damit rechtzeitig eingegriffen werden kann und so eine Sepsis verhindert wird. Mit Mitteln der Systemmedizin sollen neue Marker aus klinischen und molekularen Daten gefunden, sowie ein besseres Verständnis der Krankheitsmechanismen erreicht werden. Daten und Materialien von Pneumonie-Patienten, die in Biobanken liegen, sind hierfür die Basis ebenso wie Mausmodelle, an denen biologische Mechanismen genauer untersucht werden können.

Die Wissenschaftler entwickelten spezifische mathematische Ansätze, mit deren Hilfe diverse biologische Zusammenhänge in der Pneumonie aufgedeckt wurden. Dabei wurden neue Marker zur Vorhersage des Krankheitsverlaufs entdeckt, die wiederum Hinweise auf neue Ansatzpunkte für die Therapie geben. In präklinischen Studien wurden bereits einige dieser neuen Therapien erprobt. Auf Basis der Ergebnisse entwickelten sie mathematische Modelle, welche die Wirkung dieser Ansätze im Zusammenspiel mit bekannten Therapien beschreiben und so deren Einsatz optimieren. Anhand dieser Modelle arbeiten die Forscher daran, den Anfang einer Lungenentzündung zu simulieren. Um die damit verbundenen komplexen Vorgänge zu erfassen, haben sie in einem Hackathon Computerspiele entwickelt, in denen spielerisch verschiedene Szenarien der Pneumonie durchlaufen werden. So können Computerspiele dem wissenschaftlichen Fortschritt nutzen.

Die Forscher wissen bereits jetzt, dass eine Vorhersage des Krankheitsverlaufs ca. 24 Stunden vor der Verschlechterung der Gesundheit möglich ist. Ist dies erkannt, müssen die Vitalfunktionen von Patienten engmaschig überwacht werden. „In Zukunft sollen bei Patienten, die mit Verdacht auf Lungenentzündung in die Notaufnahme kommen, einfache Tests an einer Blut- oder Urinprobe durchgeführt werden, die Auskunft darüber geben, ob ein Patient engmaschig überwacht werden muss oder nicht“, erklärt Professor Löffler den klinischen Nutzen seiner Forschung.

Spotlight aus dem Konsortium CAPSyS - Systemmedizin der ambulant erworbenen Pneumonie, aus der Broschüre "Systemmedizin - Von Big Data zur personalisierten Medizin".