Aktuelle Forschungsfelder und Anwendungsbereiche der

Aktuelle Forschungsfelder und Anwendungsbereiche der Biophotonik Jürgen Popp Ins$tut für Physikalische Chemie, Friedrich-­‐Schiller-­‐Universität Jena Ins$tut für Photonische Technologien, Jena Inhalt Biophotonik: Chancen und Herausforderungen Aktuelle Themenfelder der Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Iden$fika$on von Pathogen Nachweis von Resistenzen Iden$fika$on von Plaque Quan$fizierung von T-­‐Helferzellen -­‐ Alere Pima™ Ausblick Inhalt Biophotonik: Chancen und Herausforderungen Aktuelle Themenfelder der Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Iden$fika$on von Pathogen Nachweis von Resistenzen Iden$fika$on von Plaque Quan$fizierung von T-­‐Helferzellen -­‐ Alere Pima™ Ausblick Herausforderungen des 21. Jahrhunderts Demografische Entwicklung in Europa 15-­‐ bis 65-­‐Jährige 2005 317 Mio 2050 261 Mio Datenbasis: Rainer Muenz, The World Bank SP Discussion Paper No 0703, March 2007. 65-­‐Jährige und älter 2005 79 Mio 2050 133 Mio Herausforderungen des 21. Jahrhunderts Verbreitung von Krankheiten in Deutschland „Die alternde Gesellscha0 führt zu einem Ans7eg spezifischer o0 chronischer Krankheiten und steigert Bedarf an Früherkennung.“ +125%
Neuerkrankungen pro Jahr ATKearney, Biophotonik-­‐Marktstudie 1.600.000
+27%
+75%
+110%
610.000
710000
461000
Altersbedingte Makuladegenera$on 548.000
588.000
Krebs 313000
Herzinfarkt 290000
Demenz Quelle: F. Beske, A. Katalinic et al, „Morbiditätsprognose 2050. Ausgewählte Krankheiten für Deutschland, Brandenburg und Schleswig-­‐Holstein“, Kiel 2009 2007 2050 (Prognose) Herausforderungen des 21. Jahrhunderts InfekBonen – weltweit häufigste Todesursache §  Wachsende Mobilität verstärkt diesen Trend (Grand Challenge*: „pandemics preven7on“) §  Zunahme An$bio$ka-­‐resistenter Stämme (Krankenhaus-­‐Keime) §  Bioterrorismus , z.B. Anthrax-­‐Agacken §  Lebensmigelsicherheit, z.B. mikrobielle Kontamina$onen * Lund Deklara$on
Herausforderungen des 21. Jahrhunderts §  Nachhal$ge Gesundheitsversorgung* §  Erhaltung und Förderung der Gesundheit in allen Altersschichten** §  Früherkennung und Präven$on anstelle von bloßer Behandlung fortgeschrigener Krankheiten Biophotonik: Schlüsseltechnologie für die Gesundheitsversorgung von morgen. * Lund Deklara$on; ** Demografiestrategie des Bundes „Moderne Diagnos7k und Therapien unterliegen einem starken Kostendruck und müssen effizient eingesetzt werden “ ATKearney, Biophotonik-­‐Marktstudie Die Vision: Licht für die Gesundheit §  Krankheiten in ihren Ursachen verstehen §  Krankheiten verhindern oder möglichst frühzei$g erkennen §  Krankheiten nebenwirkungsfrei mit maßgeschneiderter Therapie bekämpfen (Personalisierte Medizin) §  Krankheiten vermeiden (Präven$on) Warum gerade Licht? §  Licht misst berührungslos, d.h. Licht ermöglicht eine Darstellung der Vorgänge innerhalb lebender Zellen. §  Licht misst schneller, d.h. komplexe und zeitaufwändige Aunereitungsprozesse bis eine zuverlässige Diagnose möglich ist, enoallen bzw. werden drama$sch verkürzt. §  Licht misst genauer, d.h. op$sche Verfahren ermöglichen den für die Lebenswissenschapen notwendigen ultrasensi$ven Nachweis. Anwendungsfelder in der Biophotonik Pharmazeu$sche Regenera$ve Medizin Wirkstoffentwicklung Verbessertes Umwelt-­‐
monitoring und Prozess-­‐ kontrolle Medizinische Dia-­‐ gnos$k / Therapie Lebenswissen-­‐
schapen Lebensmigel, Umwelt Aurlärung der Lebens-­‐
prozesse auf zellulärer Ebene Krebsdiagnos$k Besseres Verständnis von Hautkrankheiten Point-­‐of-­‐care Diagnos$k Minimalinvasive Chirurgie, personalisierte Therapien Marktvolumen und Marktpotenziale Biophotonik: bedeutender Anteil am Gesamtmarkt für OpBsche Technologien 85,5
Geschätzter Jahresumsatz Photonik-­‐Weltmarkt 2020: 675 Mrd. Euro (ohne Augenop$k) Quellen: PhotonikBranchenreport; BCC Research; TransparencyMarket Research; OptechConsul$ng; Expert Interviews; A.T. Kearney Geschätzter Jahresumsatz Biophotonik-­‐Weltmarkt 2020: 85,5 Mrd. Euro (inkl. Op$sche In-­‐vitro-­‐Diagnos$k) Marktvolumen und Marktpotenziale Biophotonik-­‐MarktsegmenBerung (2020, global) Sons$ge
Mikroskopie
Medizinische Laser
Endoskopie
8,9$Mrd.$€
6,2$Mrd.$€
5,0$Mrd.$€
9,5$Mrd.$€
55,9$Mrd.$€
Op$sche In-­‐vitro-­‐Diagnos$k
§  Etablierte Märkte: gut entwickelt, moderates Wachstum, z.B. Mikroskopie §  Junge Märkte: wenig entwickelt, starkes Wachstum, z.B. Biochips, Point-­‐of-­‐Care-­‐Diagnos$k Quelle: BCC Research; Transparency Market Research; Optech Consul$ng; Expert Interviews; A.T. Kearney Typische Schwächen der Biophotonik-­‐F&E §  Weiterentwicklung von Erkenntnissen der Grundlagenforschung zu konkretem Produkt zu schwach ausgeprägt – fehlende Förderung §  Experimentelle Forschergruppen in Kliniken werden reduziert §  Zusammenarbeit von Ärzten und Entwicklern zu schwach ausgeprägt §  Markteinführung neuer Technologien zu langsam §  Klärung von Erstagungsfragen mit GKKs schwierig §  Fragmen$erter Markt §  Fehlendes Risikokapital Quelle: A.T. Kearney, Biophotonik-­‐Marktstudie F&E in der Biophotonik Medizin (viele verschiedene Disziplinen) Bio-­‐ photonik Naturwissenscha]en Biologie Physik Chemie Ingenieurswissenscha]en Op$sche und medizinische Ingeneurwissenschapen Interdisziplinärer Forschungsansatz §  Intensivier Austausch zwischen Physikern, Chemikern und Ärzten §  Enge Zusammenarbeit innerhalb der Geräteentwickler und zwischen Geräte-­‐ und Sopwareentwicklern §  Enge Zusammenarbeit zwischen Akademia und Industrie Interdisziplinäre Aus-­‐ und Weiterbildung §  B/M-­‐Kurse für Biophotonics §  Graduiertenschulen §  Entwicklung eines Programms für die Weiterbildung in der Industrie Öffentlichkeitsarbeit Biophotonik: Chancen und Herausforderungen Aktuelle Themenfelder der Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Iden$fika$on von Pathogen Nachweis von Resistenzen Iden$fika$on von Plaque Quan$fizierung von T-­‐Helferzellen -­‐ Alere Pima™ Ausblick Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Systeme für die schnelle Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk von InfekBonserregern in Lu] und Wasser Nachweis von Infek$onserregern in (Körper-­‐) Flüssigkeiten
Kulturunabhängiger Nachweis von Par$keln in komplexen Matrices Detek$on von Par$keln in der Lup von Reinräumen
Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Nachweis von InfekBonserregern im Urin Sterile Filtra$on Inokula$on/ Inkuba$on Wasch-­‐ / Zentrifuga$ons-­‐ Schrige Antrocknen auf Ni-­‐Folie Detek$on Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Evaluierung der Urin Proben von PaBenten 100
90
80
accuracy [%]
Abundance
70
threshold 60
50
E. coli
K. pneumoniae
P. aeruginosa
P. mirabilis
E. faecalis
E. faecium
S. epidermidis
S. haemolyticus
40
30
20
10
0
EC1
EC 2
EC3
EC4
EC5
EC6
Sample
EC7
EF1
EF2
EF3
Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Vision – Spektroskopische Charakterisierung der AnBbioBka-­‐Resistenz der Bakterien Urinprobe Sammlung der Bakterien via Mikrofluidik Spektroskopische Charakterisierung der Anfälligkeit Therapeu$sche Entscheidung Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Spektroskopische Charakterisierung der Antibiotika-Resistenz der Bakterien 90 % Sensi$vität & 90 % Spezifität Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Identifikation von Plaque
Koronale Aterie mit Plaquebildung Plaquebildung (Phase III) Art und chemische Zusammensetzung des Plaque ist nicht diagnos$zierbar. OCT IVUS (intra vascular ultra sound) Ross R, N Engl J Med 340 (1999), Falk et al., Circula$on 92 (1995) Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Raman Intensity Identifikation von Plaque
EM Vision Fasersonde (11 collec$on fibers, 1 excita$on, 1 mm diameter) Wavenumbers cm-­‐1 Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk Identifikation von Plaque
Vor-­‐Ort-­‐AnalyBk / Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk QuanBfizierung von T-­‐Helferzellen -­‐ Alere Pima™ §  Ermöglicht die Quan$fizierung der absoluten Anzahl von T-­‐
Helferzellen bei AIDS §  Überwachung der an$retroviralen Therapie §  Dezentral einsetzbares,
kompaktes und robustes
Analysesystem
Inhalt Biophotonik: Chancen und Herausforderungen Der BMBF-­‐Forschungsschwerpunkt Biophotonik Aktuelle Themenfelder Mikroskopie für die Lebenswissenschapen Medizinische in-­‐vivo-­‐Bildgebung Vor-­‐Ort-­‐Analy$k / Point-­‐of-­‐Care-­‐Diagnos$k Ausblick Ausblick Point-­‐of-­‐Care-­‐DiagnosBk ist starker Wachstumsmarkt Quelle: Experteninterviews; BCC Research; A.T. Kearney Ausblick „Ramanspektroskopie gehört zu den „Breakthrough-­‐
Technologien“ – mit dem gewonnenen Spektrum kann eine Vielzahl von Parametern analysiert werden“ ATKearney, Biophotonik-Marktstudie
Spectroscopic Setup (IPHT) „Biophotonik ‚made in Germany‘ ist weltweit mit an der Spitze, u.a. aufgrund eines intakten Wertschöpfungsnetzwerkes“ ATKearney, Biophotonik-Marktstudie
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