Predictive - Prädiktiv (vorausschauend)

Molecular diagnostics (Molekularbiologisch gestützt Diagnose)

 

Die Analyse von medizinischen Patientenproben zum (semi-) qualitativen Nachweis von dezidierten Molekülen wird als molekulare Diagnostik bezeichnet. Die Analyse genetischer DNA zum Nachweis von krankheitsrelevanten genetischen Aberrationen (einschließlich der Veranlagung für eventuell ausbrechende Krankheiten) nimmt hier einen breiten Raum ein. Darüberhinaus werden aber auch RNA-Moleküle, Proteine und bestimmte Metaboliten (Stoffwechselmoleküle) verfolgt, um ein besseres Gesamtbild des Gesundheitszustandes einzelner Patienten zu bekommen. Ein Sonderfall sind Tests für bestimmte Moleküle, Biomarker genannt, die ganz speziell für die Therapieentscheidung mit einem bestimmten Medikament wichtig sind. Dieser Spezialfall wird als “Companion diagnostic” bezeichnet und im nächsten Beitrag dieses Blogs gesondert  erläutert. 

 

Molekulare Diagnostik ist an sich nichts wirklich Neues. Medizinische Labors analysieren Blut und Gewebeproben schon seit langem hinsichtlich bestimmter Moleküle. Der neue Aspekt besteht in der Einbeziehung genetischer Information und darauf basierenden sehr spezifischen Biomarkern, die über das bisher übliche Spektrum deutlich hinaus gehen. In diesem Zusammenhang kommen die DNA-Analyse und auch viele neue Biomarker zum Tragen. 

 

Jedes Mitglied einer westlichen Gesellschaft hat schon oft Blutproben abgegeben, die von einem Arzt oder meist einer qualifizierten Helferin abgenommen wurden, oft in mehreren Röhrchen, je nach den Test Anforderungen. Das daraus erstellte Blutbild umfasst üblicherweise eine Zählung der gängigsten Blutzellen, drei Enzyme zur Beurteilung des Zustandes der Leber, und eine Reihe von Metaboliten, z.B. den Blutzuckerspiegel, die Menge an Triglyzeriden und erforderlichenfalls die Menge bestimmter Vitamine (zumeist B und D-Vitamine), um Mangelerscheinungen erkennen zu können. Diese letzet Gruppe besteht zwar bereits aus allesamt definierten Einzelmoleküle, hat aber keinen direkten Bezug zu genetischen Daten, was ein Kennzeichen der molekularen Diagnostik in der personalisierten Medizin ist. 

 

Diese Entwicklung läßt sich recht gut am Beispiel von allergischen Erkrankungen verdeutlichen. Allergien sind ein sehr weit verbreitetes Problem unserer modernen Gesellschaft, teilweise bedingt durch fehlende Desensibilisierung im Kindesalter. Übertrieben Hygienevorstellungen der Eltern und das städtische Leben mit wenig Natur-Kontakt halten die normalerweise vorhandenen und auch notwendigen Dreckspuren von den Kindern fern und verhindern so die frühe Toleranzbildung im Immunsystem. Hygiene ist notwendig und gut, aber zu viel des Guten kehrt den Effekt eben auch hier ins Gegenteil um und kann zu späteren Allergieproblemen führen. Das heißt aber keineswegs, dass alle Allergien nur durch übertriebene Reinlichkeit verursacht würden. In vielen Fällen liegen dem auch handfeste genetische Veränderungen zugrunde. Der bekannte Heuschnupfen ist ein enger Verwandter des Asthma und hat oft einen erblichen Hintergrund. Auch die weit verbreitete Tierhaar-Allergie, die sich oft speziell gegen Katzenhaare richtet, basiert auf einer genetischen Veranlagung. Dabei sind die Haare gar nicht das wirkliche Problem, die Allergie richtet sich gegen ein Speichelprotein der Katzen. Die sprichwörtliche Katzenwäsche sorgt aber dafür, dass sich dieses Protein auf jedem einzelnen Härchen des Stubentigers findet und die Allergie auslösen kann. Katzen, denen dieses Protein fehlt, erzeugen auch keine “Katzenhaar-Allergie”. 

 

Der häufigste Allergietest ist der sogenannte “Prick-Test” bei dem der Arzt einen Reihe von Allergenen zumeist auf einem Unterarm aufbringt und mit einem kleinen Ritzer (prick) das Immunsystem mit dem Allergen in direkten Kontakt bringt, was die intakte Haut verhindern würde. Dabei handelt es sich aber streng genommen nicht wirklich um eine molekulare Analyse, da der Arzt die Rötung und Schwellung der betroffenen Hautstellen als Indiz für das Vorliegen einer entsprechenden Allergie nutzt. Es gibt aber durchaus molekulare Marker, die bei Allergien bestimmt werden: Histamine sind kleine körpereigenen Moleküle, die die sichtbaren Allergie-Reaktionen auslösen, Leukotriene sind Botenstoffe des Immunsystems, und die Menge des Eosinophilen kationischen Proteins (ECP) korreliert mit der Heftigkeit eines Asthma-Anfalls. Asthma it auch einen allergische Erkrankung und hat oft einen starken genetischen Hintergrund. Lang and Blake (2013) identifizierten nicht weniger als 15 genetischen Orte (Gene), die mit dem Auftreten von Asthma korreliert sind. Darüberhinaus fanden sie noch eine (teilweise überlappende) List mit weiteren 10 Genen, die ganz speziell mit dem Asthma in früher Kindheit zusammenhängen. Die Pharmakogenetik von Asthma wurde von sechs weiteren Genen beeinflußt,  die alle mit Leukotirenen zu tun haben. 

 

Allergien basieren alle auf Fehlreaktionen des Immunsystems, allerdings in der harmlosen Variante. Wenn das Immunsystem wirklich außer Rand und Band gerät entwickeln sich - oft tödliche - autoimmun-Erkrankungen wie z.B. Multiple Sklerose (MS). Aus diesem Grund sind speziell Immunmarker von großer Bedeutung. Medikamente, die auf immunologischen Wirkstoffen beruhen, werden vermehrt zur Behandlung von Krebserkrankungen eingesetzt. Krebs ist allerdings hinsichtlich von Biomardern und der zugrunde liegenden genetischen Komplexität deutlich einfacher als autoimmun-Erkrankungen. Letztere betreffen ein weitaus breiteres Spektrum an vernetzten Immunzellen als Krebs-Erkrankungen (Willis and Lord, 2015).

 

Die molekulare Analyse von Immun-Markern hat in den letzten zehn Jahren drastisch zugenommen. Neben genetischen Markern, z.B. SNPs (Einzelnukleotid-Veränderungen in der DNA), gewinnen auch eigenetische Marker (Veränderungen am Chromatin ohne DNA-Veränderungen), RNA-Expression, und eine Vielzahl klar definierter Proteine (z.B. Zytokine) ebenso wie metabolische Marker an Bedeutung für die klinische Labor-Analyse. Der Einsatz reicht von der Gruppierung von Patienten nach gemeinsamen Merkmalen, bis hin zur individuellen Einzelanalyse, speziell im Falle von  vorgesehenen Immuntherapien. 

 

Es gibt eine ganze Reihe von Tests, die sich mit der Aufklärung des genetischen Hintergrunds von Krankheiten oder Veranlagungen zu Krankheiten auseinandersetzen. Ein bekannter Marker zur Erkennung einer akuten Erkrankung ist das Prostata-spezifische Antigen (PSA), das routinemäßig in der älteren männlichen Bevölkerung als Anzeiger für potentielle Prostata-Karzinome kontrolliert wird (statistisch wird jeder siebte Mann einmal im Leben ein Prostata-Karzinom bekommen).

 

Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet sind Tumor-Marker, die zur Entdeckung bzw. Therapiekontrolle bei vielen Krebserkrankungen herangezogen werden.  Das National Cancer Institute NCI (USA) definiert  Tumor Marker in etwa so:

 

Tumor Marker sind Substanzen, die von Krebs oder ausgelöst durch eine Krebserkrankung - auch von normalen Körperzellen als Antwort auf eine Krebserkrankung oder auch eine gutartige (kein Krebs) Wucherung erzeugt werden. Die meisten Biomarker werden sowohl von Tumorzellen als auch von ganz normalen Zellen produziert. Im Falle einer Krebserkrankung werden sie aber in deutlich verstärktem Umfang erzeugt. 

 

In dieser Definition wird ein allgemeines Problem der molekularen Diagnostik erkennbar: es handelt sich meist um ein quantitatives Phänomen, nur sehr wenige Tumor-Marker werden ausschließlich von Tumorzellen produziert. 

 

 

Abbildung 7: Tumor Marker

 

Die NCI Definition geht aber noch weiter: diese Substanzen sind im Blut, Urine, Stuhl, Tumor Geweben und anderen Geweben oder Körperflüssigkeiten von einigen Krebspatienten zu finden. Die meisten Tumor-Marker gehören zu den Proteinen, aber in jüngster Zeit werden auch Expressions-Profile von RNA und DNA-Marker als Tumor-Marker verwendet. Viele verschiedene Tumor Marker wurden identifiziert und werden klinisch angewendet. Einige sind spezifisch für eine Krebsart, andere sind mit zwei oder mehr Tumor-Arten korreliert. Es gibt aber keinerlei “universelle” Tumor-Marker, die in jedem Tumor-Typ zu finden wären. 

 

Tumor-Marker haben auch ihre Grenzen. Manchmal steigen die Spiegel auch an, ohne dass eine Tumor-Erkrankung vorliegt. Auch das Gegenteil kommt vor: Tumore, die keine Erhöhung der einschlägigen Tumor-Marker verursachen. Es git auch immer noch Krebsarten für die bislang keine Tumor-Marker identifiziert werden konnten. 

 

Das NCI hat eine Liste veröffentlicht, in der 35 derzeit in Gebrauch befindliche Tumor-Marker aufgelistet sind. 3 davon sind Gen-Profile mit bis zu 70 Genen. Es gibt noch viele mehr, die Liste bleibt nach oben offen, da ständig neue Tumor-Marker entdeckt und in die klinische Praxis eingeführt werden. Daran wird das prinzipielle Problem der gesamten Krebsforschung und Behandlung deutlich: Jeder einzelne Tumor ist einzigartig und trotz einiger gemeinsamer Eigenschaften sind doch keine zwei Tumore wirklich gleich. 

 

Wo führt das alles hin? Die Tendenz geht eindeutig dahin, immer mehr Proteine und Gene zur Charakterisierung von Tumoren heranzuziehen und sich nicht mehr auf einzelne Biomarker zu verlassen. Biologie ist ein hochvernetztes System, das sich leider nicht so vereinfachen lässt, dass man es mit einigen wenigen Kennzeichen beschreiben könnte. Wie schon früher in diesem Blog festgestellt, benötigt man eine größere Zahl am Parametern, um ein klares Bild des tatsächlichen Gesundheitszustandes zu bekommen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um eine Allergie handelt, oder eine Infektion, oder Krebs. Es ist immer das gesamte System (der menschliche Körper) mehr oder weniger involviert.

 

Literaturhinweise

 

26    Lang, J. E. & Blake, K. V. Role of biomarkers in understanding and treating children with asthma: towards

        personalized care. Pharmgenomics Pers Med 6, 73-84, doi:10.2147/PGPM.S30626 (2013).

27    Willis, J. C. & Lord, G. M. Immune biomarkers: the promises and pitfalls of personalized medicine. Nat Rev

        Immunol 15, 323-329, doi:10.1038/nri3820 (2015).

 

Was kommt als nächstes?

 

Nächste Woche werde ich das Prinzip der Companion Diagnostik an einem der bekanntesten Beispiele erläutern: Herceptin, das erfolgreich gegen Brustkrebs eingesetzt wird und mit einem entsprechenden Test gekoppelt ist.

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