Predictive - Prädiktiv (vorausschauend)

Molecular diagnostics (Molekularbiologisch gestützt Diagnose)

 

Quantitative personalisierte Medizin kann Veränderungen in vielen Messwerten klinisch relevanter Parameter erfassen, und zwar nicht nur bei akuten Erkrankungen, sondern bereits weitaus früher. Derartige Messungen erfordern aber zwingend die Verfügbarkeit entsprechender Proben, um die entsprechenden Analysen durchführen zu können. Die folgenden Proben sind in der Reihenfolge ihrer Verfügbarkeit von einfach bis schwierig gelistet:  

 

Sechs verschiedene Körperflüssigkeiten bzw Gewebeproben werden in erster Linen verwendet:

  1. Haarwurzeln
  2. Speichel
  3. Urin/Stuhlproben
  4. Blut
  5. Rückenmarksflüssigkeit
  6. Gewebe-Biopsie Proben

 

Speichelproben sind ein gängiges Verfahren,um z.B. geeignete Knochenmarkspender für Leukämie-Patienten zu finden. Auch in der Kriminalistik werden Speichenproben genommen, um potentielle Täter zu identifizieren. Für diesen Zweck werden auch Haarwurzeln verwendet, wobei der Schaft des Haares zusätzlich noch als Langzeitspeicher für viele Substanzen dient, die von Körper in der Vergangenheit aufgenommen wurden, z.B. kann mancher Drogenkonsum so noch Monate nach Einnahme nachgewiesen werden. Jeder von uns musste vermutlich diverse Male bereits Urinproben beim Arzt abgeben. Besonders professionelle Athleten können ein Lied davon singen, da sie mit schöner Regelmäßigkeit Urinproben bei Dopingkontrollen abgeben müssen. 

 

Alle drei bisher erwähnten Körperproben sind leicht zu erhalten und erfordern kein invasives Vorgehen (d.h. mit Verletzungen der Haut). Der Nachteil dabei ist, dass sich in diesen Proben (mit Ausnahme der Haarwurzeln) normalerweise nur Substanzen nachweisen lassen, die der Körper ausscheidet. Damit entgehen natürlich viele Zustände der Entdeckung. Dafür werden Analysen der wohl am häufigsten verwendeten Körperflüssigkeit eingesetzt, Blutproben. Das ist zwar ein leicht invasives Verfahren (außer bei offenen Blutungen muss man ja doch zur Spritze greifen, um Blut zu erhalten) aber die minimale Eingriff wird normalerweise recht gut toleriert (wenn auch nicht besonders geschätzt). Die Vorteile überwiegen das aber bei weitem: Blut is ein Fenster zum gesamten Organismus, wie bereits früher in diesem Blog festgestellt wurde. Eine ganze Reihen von Veränderungen einschließlich der Präsenz von Tumoren im Körper kann man über Blutproben finden, weshalb sie manchmal auch als “flüssige Biopsien”bezeichnet werden.

 

Um an Rückenmarksflüssigkeit zu kommen, muss der Arzt einen erheblich größeren Aufwand betrieben als bei Blutproben. Und das in gefährlicher Nähe zu den empfindlichen Nervensträngen des Rückenmarks. So etwas macht man natürlich nur aus gutem Grund auf der Basis entsprechender Hinweise in anderen Voruntersuchungen. Da Gehirn und Rückenmark aber durch die Bluthirn-Schranke vom normalen Blutkreislauf getrennt sind, ist es nicht möglich auf andere Weise an vielen Substanzen zu kommen, die für den Nachweis und die Behandlung von Hirn/Rückenmarkserkrankungen wichtig sind. 

 

Zu guter letzt bilden Gewebeproben (Biopsien), die entweder per Nadel oder bei Operationen entnommen werden, die ultimate Grundlage, um Veränderungen direkt im betroffenen Gewebe nachweisen zu können. Das reicht von histologischen Veränderungen, die im Mikroskop sichtbar werden, über den Nachweis von Tumoren bis hin zu Veränderungen in der DNA und RNA-Expression in den analysierten Geweben. Aber derart detaillierte und im wahrsten Sinne des Wortes tiefgreifende Ergebnisse haben natürlich auch ihren Preis: Schon Nadelbiopsien sind deutliche Eingriffe, von größeren Operationen ganz zu schweigen. 

 

Abbildung 6: Molekulare Diagnose

Die Grundlagen der Analysentechniken in der molekularen Diagnostik

 

Genetik / DNA-Sequenz

 

Wenn es um Erbkrankheiten oder erbliche Veranlagungen (Prädispositionen) zu Erkrankungen geht (beispielsweise Huntington, auch als “Veitstanz bekannt), so können derartige Risiken aus der DNA-Sequenz des Patienten erkannt werden. Da sich die DNA eines Menschen im Lauf des Lebens prinzipiell nicht verändert, kann das bereits bei Neugeborenen im Rahmen der ersten Frühuntersuchungen geschehen, was auch gängige Praxis ist. Dabei wir eine zuvor festgelegte Auswahl an genetischen Risiken getestet, die später zu Komplikationen führen können. Das erfolgt heute vorwiegend mittels sogenannter Microarrays, das sind kleine Glasplättchen, auf denen Proben für die entsprechenden Veränderungen aufgebracht sind, und die bei Vorhandensein ihrer (krankmachenden) Gegenstücke im Genom des Babies oder Patienten, dies durch eine Lichtreaktion anzeigen. Die direkte Sequenzierung der DNA ist zwar schon möglich, aber noch nicht in der Routine eigegangen, wird aber wohl aller Voraussicht nach die Methode der Wahl in Zukunft sein. Ein entscheidender Vorteil einer Direktsequenzierung besteht darin, dass nicht nur eine paar zuvor ausgewählte Veränderungen betrachtet werden, sondern alle im Genom vorhandenen Unterschiede erkannt werden. Der Nachteil dabei ist, dass wir (noch) nicht über die Möglichkeit verfügen, alle beobachteten Veränderungen auch sinnvoll hinsichtlich ihres krankheitsrelevanten Potentials zu beurteilen. Damit könnten wichtige Veränderungen einfach in der Vielzahl anderer Unterschiede untergehen, wir sehen den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr. Zudem ist es keinesfalls kalr, was denn als normaler Standard für die Analyse herangezogen werden soll, da es keine zwei Menschen gibt, deren DNA wirklich identisch wäre (nicht mal bei eineiigen Zwillingen ist das der Fall). 

 

Insgesamt hat aber die DNA Analyse den Vorteil, dass man sie eben nur einmal im Leben durchführen muss. Jede krankheitsrelevante Abweichung wird bis zum Ende des Lebens vorhanden sein.

 

Leider gibt es dazu eine sehr wichtige, noch dazu negative, Ausnahme: Wir sammeln alle im Lauf des Lebens zusätzliche Veränderungen in der DNA einzelner Zellen, ausgelöst durch Umwelteinflüsse, kosmische Strahlungen, UV-Licht etc. Das betrifft zumeist nur einzelne Zellen, die man als somatisch bezeichnet, um sie von den Keimbahnzellen zu unterschieden. Nur Keimbahnzellen geben die Veränderungen an die nächste Generation weiter. Entsprechende Verbänderungen in somatischen Zellen können diese aber in hemmungslos wachsende Tumorzellen verwandeln, die entweder gutartige Tumore erzeugen (benigne, die irgendwann doch von selbst zum Stillstand kommen), oder bösartige Tumore (maligne) verursachen, die landläufig als Krebs bezeichnet werden. In vielen Fällen von speziell maligner Tumorbildung lassen sich die DNA Veränderungen über im Blutkreislauf zirkulierende Tumorzellen aus Blutproben nachweisen. Manchmal kann das der Fall sein, bevor ein klinisch manifester Tumor entstanden ist. 

 

Aber in den meisten Fällen kommt es nicht zu dieser Frühwarnung, da die flächendeckende Kontrolle an sich gesunder Personen derzeit weder logistisch noch finanziell zu stemmen ist.  Dadurch werden im Regelfall Patienten eben erst diagnostiziert, wenn sie bereits Patienten geworden sind, also klinische Symptome aufgetreten sind. In diesen Fällen kann personalisierte molekulare Diagnostik dazu beitragen, die für die jeweiligen Patienten-Gruppen oder sogar individuelle optimalen Therapiemöglichkeiten zu finden. 

 

RNA-Expression Tests

 

Besonders in Biopsie-Material lässt sich die genom-weite Expression von fast allen mRNAs (die für Proteine kodieren) entweder über Mircorarrays oder direkte RNA-Sequenzierung durch Next Generation Sequencing (NGS) bestimmen. NGS ist eine bahnbrechende neue Technologie, welche die Sequenzierungskosten von ganzen Genomen in den drei bis vierstelligen Bereich reduziert hat und damit in einen Bereich, der für diagnostische Anwendungen machbar erscheint. Die zeitliche Verfolgung von RNA-Veränderungen in dieser nie zuvor gekannten Auflösung erlaubt ungeahnte diagnostische Anwendungen, die weit über das hinausgehen, was mithilfe der viel gröberen genetischen Test möglich ist. Zudem erhält man ein echt genaues Bild der aktuellen Vorgänge zum Zeitpunkt der Proben-Entnahme.

 

Protein Test 

 

Der Nachweis bestimmter Einweiße (Proteine) ist eine Routine-Anwendung in fast jeder Arztpraxis. Ein spezielles Protein, CRP genannt, dient beispielsweise als Schnelltest für das Vorliegen einer bakteriellen Infektion. Heute kann man allerdings weitaus mehr verschiedene Proteine in detaillierteren Testverfahren nachweisen, als nur die üblichen Schnelltests. So ist es möglich, eine ganze Batterie von Markern auf Proteinebene zu analysieren, die Hinweise auf Entzündungen, den Immunstatus, oder eine Reihe anderer Zustände geben, wenn man sie an Stellen oder in Mengen findet, die da einfach nicht hingehören. Zum Beispiel ist der Nachweis von erheblichen Protein-Mengen im Urin (Proteinurea) ein deutlicher Hinweis auf Nierenversagen, da eine gesunde Niere niemals diese Mengen an Proteinen durchlassen würde. 

 

Metabolische Tests

 

Auch diese Testverfahren sind schon sehr lange im Gebrauch, allerdings hat die moderne molekulare Diagnostik auch hier Unmengen neuer Metabolite zugänglich gemacht,  die nun in entsprechenden Proben nachgewiesen werden können. Allgemein bekannt ist hier wohl der tägliche Routine-Test der Diabetiker, die anhand eines aus dem Finger entnommenen Blutstropfens den Blutzuckerwert kontrollieren. Viele andere Metaboliten können dazu herangezogen werden, um unvorhergesehene, zu schnelle, oder zu langsame Metabolisierung von Wirkstoffen aus Medikamenten zu erkennen, was Folgen für die Anwendung und Dosierung bestimmter Medikamente hat. Krankheiten wie Phenylketonurea, oder das metabolisches Syndrom können anhand bestimmter Metabolite erkannt werden, im letzteren Fall durch zu hohe Triglyzerid-Spiegel im Blut. Normalerweise kommen Metaboliten-Tests bei Blut- und Urinproben zur Anwendung können aber auch für die Feindiagnose von Biospien herangezogen werden. 

 

Was kommt als nächstes

 

Nächste Woche möchte ich mich mit einigen konkreten Beispielen molekularer diagnostischer Tests befassen, um sowohl deren Potential als auch die Grenzen derAnwendbarkeit mehr im Detail zu beleuchten. 

info@m4.de