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Jan van den Boogaart und Oliver Hayden (Niederlande/Österreich)

Finalisten für den Europäischen Erfinderpreis 2017

Jan van den Boogaart and Oliver Hayden (The Netherlands/Austria)

Kategorie: Industrie

Sektor: Medizinische Diagnostik

Unternehmen: Siemens Healthineers

Patentnummer: EP2635695

Erfindung: Blutschnelltest für Malaria

Malaria ist eine der zehn tödlichsten Krankheiten unserer Zeit. Aber sie wird nur in zehn Prozent aller Fälle erkannt. Mit der Entwicklung eines automatisierten, computerbasierten Bluttests für Malaria setzen der niederländische Hämatologe Jan van den Boogaart und der österreichische Biochemiker Oliver Hayden neue Maßstäbe. Im Zusammenspiel von Medizin und Informationstechnik erkennt der Test, der auf einem Computeralgorithmus basiert, Infektionen mit nie dagewesener Zuverlässigkeit.

van-den-boogaart-side-visualVor dieser Erfindung gab es in der modernen Medizin noch keinen automatisierten Bluttest, der die tropische Infektionskrankheit Malaria, an der alle zwölf Sekunden ein Mensch stirbt, zuverlässig erkennen konnte. Jan van den Boogaart und Oliver Hayden setzten erstmalig auf einen datenbasierten Ansatz - und fanden damit den Schlüssel zum Erfolg. Anstatt das Blut auf Malariaerreger zu untersuchen, setzten sie die Informationstechnologie ein, um die schädlichen Auswirkungen der Krankheit zu erkennen, die durch wichtige Blutwerte wie beispielsweise eine verminderte Thrombozytenzahl angezeigt werden.

Die Idee dazu kam van den Boogaart durch ein Gespräch, das er 2008 mit einem Kollegen aus Südafrika führte. Dieser hatte in den Hämogrammen - dem Blutbild - mehrerer Malariapatienten ähnliche Veränderungen beobachtet. Einzeln betrachtet reichte keiner dieser Faktoren aus, um eine Diagnose stellen zu können, aber eine Kombination von 30 Parametern führte zu einem "Datenfingerabdruck" der Malaria, mit dessen Hilfe die Krankheit mit einer Sicherheit von 97 Prozent diagnostiziert werden kann.

Hayden steuerte die entscheidende statistische Auswertung bei, und so meldeten die Erfinder 2011 ein europäisches Patent an. Sie nahmen Kontakt mit einem Siemens-Forschungsteam in Wien auf, das im Bereich Biosensoren arbeitete, und entwickelten einen malariaspezifischen Algorithmus für das Bluttestsystem des Unternehmens. Aktuell sind van den Boogaart und Hayden dabei, ihre Methode des "Datenfingerabdrucks" in Blutproben auch auf andere Erkrankungen wie beispielsweise Leukämie auszudehnen.

Gesellschaftlicher Nutzen

Die Möglichkeit, große Patientengruppen schnell und zuverlässig in automatisierten Verfahren auf Malaria testen zu können, könnte im Kampf gegen die tödliche Krankheit eine Wende herbeiführen. Etwa 3,2 Milliarden Menschen sind von Malaria bedroht. 2015 waren mehr als 200 Millionen von der Krankheit betroffen; etwa 430 000 starben daran (WHO). Kürzlich durchgeführte Studien kamen zu dem Ergebnis, dass man mit einem zuverlässigen Malariatest jedes Jahr 100 000 Todesfälle und über 400 Millionen Falschbehandlungen allein in Afrika verhindern könnte.

Auch für Patienten aus westlichen Ländern, die sich auf Reisen eine Malariainfektion zuziehen, könnte der neue Test zu besseren Behandlungsergebnissen führen. Derzeit wird bei diesen Patienten in mehr als 59 Prozent aller Fälle zunächst eine Fehldiagnose gestellt, und so vergehen fast acht Tage, bevor die Ärzte die richtige Behandlung einleiten. Dadurch erhöht sich das Risiko von Komplikationen und auch die Sterblichkeitsrate.

Wirtschaftlicher Nutzen

Die Verfügbarkeit einer Methode, große Patientengruppen schnell und zuverlässig auf Malaria zu testen, könnte dazu beitragen, den Teufelskreis von Armut und Malaria zu durchbrechen, der weite Teile Afrikas und der tropischen Regionen Asiens seit Jahrhunderten fest im Griff hat. Während die Krankheit in Nordamerika und Europa ausgemerzt werden konnte und hier seit Mitte der 1950er-Jahren verschwunden ist, wütet sie in den Malaria-"Hotspots" ungehemmt weiter. In Afrika - wo nahezu 86 Prozent aller Infektionen stattfinden - wird der von Malaria verursachte wirtschaftliche Schaden derzeit auf rund 11 Mrd. EUR jährlich geschätzt.

Experten des Marktforschungsunternehmens Grand View Research bezifferten den Markt für Malariadiagnostik 2015 auf 535 Mio. EUR. Sie gehen davon aus, dass er bis 2022 auf einen Wert von insgesamt 728 Mio. EUR anwächst. Dabei wird der größte Marktanteil (58 Prozent) nach wie vor auf Afrika entfallen.

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    Jan van den Boogaart (links) und Oliver Hayden

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    Jan van den Boogaart (links) und Oliver Hayden im Labor

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    Jan van den Boogaart (links) und Oliver Hayden

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    Oliver Hayden (links) und Jan van den Boogaart

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    Oliver Hayden und Jan van den Boogaart mit dem ADVIA 2120i Hämatologie-System von Siemens


Funktionsweise

Bisher konnte Malaria nur mittels einer zeitaufwendigen mikroskopischen Untersuchung festgestellt werden, mit der ein Labortechniker etwa eine Stunde lang beschäftigt ist, oder mittels eines Reaktionstests zum Nachweis von Malariaerregern, der ähnlich wie ein Schwangerschaftstest funktioniert, aber keine zuverlässigen Ergebnisse liefert.

Der Schlüssel zu der Erfindung war ein statistisches Verfahren, das als "lineare Diskriminanzanalyse" (LDA) bezeichnet wird. Van den Boogaart und Hayden berechneten mithilfe von Statistiksoftware die Durchschnittswerte bestimmter Blutparameter bei gesunden Menschen und bei Malariapatienten.

Diese Daten bildeten die Grundlage für die Festlegung einer Kombination aus 30 Parametern, die eine Malariainfektion anzeigen, darunter beispielsweise die Dichte der roten Blutkörperchen oder der Wert des Blutfarbstoffs Hämoglobin. Außerdem wurde aus diesen Daten die prozentuale Abweichung von den Werten gesunder Menschen ermittelt, die erforderlich ist, damit der Test "malariapositiv" signalisiert.

Die Erfinder entwickelten einen Algorithmus, um den "Datenfingerabdruck" der Malaria in das Hämatologiesystem ADVIA 2120i einzubinden. Dieses Gerät zur automatisierten Blutanalyse, das in etwa die Ausmaße einer Waschmaschine hat, wird in der klinischen Praxis bereits vielfach eingesetzt (mehr als 3 000 Stück weltweit). Es kann stündlich 120 Blutproben verarbeiten und davon Hämogramme mit 300 bis 500 Parametern erstellen. Das System erkennt Malaria mit nahezu hundertprozentiger Sicherheit in einer Blutprobe, selbst wenn diese nur wenige Krankheitserreger enthält.

Die Erfinder

Van den Boogaart absolvierte seine Ausbildung an der höheren berufsbildenden Schule (HBO) in Eindhoven, wo er 1980 seinen Bachelor in Mikrobiologie und ein Jahr später einen weiteren Bachelor in klinischer Chemie erwarb. Seine berufliche Laufbahn startete er im Schullabor der HBO Eindhoven, bevor er 1981 als Labortechniker zu Bayer wechselte. Der Bereich bei Bayer, in dem er arbeitete, wurde später Teil von Siemens Healthineers.

Seit über 35 Jahren hat sich van den Boogaart ganz der Forschung im Bereich der Hämatologie und der Entwicklung von Bluttests verschrieben. In drei weltweit angemeldeten Patenten ist er als Erfinder genannt. Als DX-Produktmanager bei Siemens Healthineers in Den Haag ist er momentan dabei, das Verfahren des "Datenfingerabdrucks" für automatisierte Bluttests zum Nachweis der Sichelzellenanämie und der akuten Promyelozytenleukämie (APL) zu perfektionieren.

Hayden forschte als Postdoktorand auf dem Gebiet der Nanotechnologie an der Universität Harvard, nachdem er 1999 in Wien in Biochemie promoviert hatte. 2011 erwarb er zusätzlich einen Abschluss als Master of Business Administration an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Derzeit ist Hayden bei Siemens Healthineers in Erlangen als Leiter "In-Vitro Diagnostics & Bioscience" tätig. Er hat mehr als 80 Artikel veröffentlicht und ist in etwa 100 Patentfamilien als Erfinder oder Miterfinder genannt. Seine Forschung wurde 2002 mit dem "Young Investigator Award" der Gesellschaft Österreichischer Chemiker ausgezeichnet, 2016 erhielt er den AMA-Innovationspreis und 2013 den Siemens NTF Preis für medizinische Bildgebungspatente. Außerdem wurden ihm der EUREKA-Lillehammer-Preis (2006) sowie der "Best of Biotech Award" für das Start-up-Unternehmen Polymimetics (2000) verliehen. Ab Juni 2017 ist Hayden Inhaber des Heinz-Nixdorf-Lehrstuhls für Biomedizinische Elektronik in der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität München.

Wussten Sie das?

Die Geschichte der Malaria war lange Zeit eines der größten Rätsel der Medizin. 240 v. Chr. führte Hippokrates, der berühmte Arzt der griechischen Antike, die Krankheit auf das Trinken des Wassers aus stehenden Gewässern in Sumpfgebieten zurück, aber die eigentliche Ursache blieb im Dunkeln. Schon der Name "Malaria" basiert auf einer falschen Annahme, nämlich, dass die Krankheit durch schlechte Luft (italienisch "mala aria") aus sumpfigen Gegenden hervorgerufen wird.

Der wahre Auslöser der todbringenden Malaria war tatsächlich in den Sümpfen zu finden, wie der französische Militärarzt Alphonse Laveran zeigen konnte, als er 1880 in Algerien stationiert war. Laveran machte einen Parasiten, ein Protozoon der Gattung Plasmodium, das über Stechmücken verbreitet wird, als Schuldigen aus. Dank dieser Entdeckung konnte der unter französischer Federführung vorangetriebene Bau des Panamakanals schließlich doch noch realisiert werden. 20 Jahre lang war dieses Vorhaben aufgrund von Malariaausbrüchen immer wieder gescheitert. 1907 erhielt Laveran für seine Entdeckung den Nobelpreis.

Die Behandlung der Malaria wurde im Laufe der Jahre sehr viel besser. In diesem Zusammenhang ist auch ein wirksames, auf der traditionellen chinesischen Medizin basierendes Medikament zu nennen, das von Professor Yiqing Zhou, Gewinner des Europäischen Erfinderpreises 2009 in der Kategorie "Außereuropäische Staaten", entwickelt wurde. Die Diagnose von Malaria hingegen blieb noch lange ein Ratespiel, zumindest bis es Hayden und van den Boogaart mit ihrer Erfindung gelang, Malaria mit annähernd hundertprozentiger Sicherheit zu erkennen.

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