Wegmarken künftiger Medizin

Genomik und Proteomik heißen die Eltern, Biomarker die vielversprechenden Kinder der heutigen biomedizinischen Grundlagenforschung. Immer sicherer stehen sie auf ihren molekularen Beinen und läuten eine neue Ära für die Prävention, Diagnostik und Therapie von Krankheiten ein.
Weltweit suchen Legionen von Wissenschaftlern nach neuen Diagnostika und Therapieverfahren gegen die großen Volkskrankheiten: Krebs, kardiovaskuläre, neurodegenerative und andere komplexe Krankheiten. Doch trotz der stetigen Flut von Erkenntnissen sind Voraussagen, die auf Daten aus in-vitro-Versuchen und Tier-Modellen basieren, nur eingeschränkt auf den Menschen übertragbar. Und was in der experimentellen Forschung funktioniert, lässt sich in der klinischen Praxis noch lange nicht anwenden. Dreh- und Angelpunkt wirklicher Durchbrüche sind daher Indikatoren, die harte Daten über die Effekte auf den menschlichen Organismus liefern, – die Biomarker.

Was ist ein Biomarker?
Wird ein Mensch krank, spiegelt sich das gewöhnlich in seinem Metabolismus wider: Manche Stoffe werden aufgrund der Krankheitsprozesse in geringerem oder höherem Maße, andere zusätzlich gebildet. Alles, was sich da in einen ursächlichen Zusammenhang mit einer Krankheit bringen läßt, nennt man Biomarker. Dazu gehören mit Messgeräten (Blutdruck, EKG) beziehungsweise bildgebenden Verfahren (CT, Ultraschall u. a.) direkt am Patienten gewonnenen Daten. Von zunehmender Bedeutung sind jene Biomarker, die auf messbaren biochemischen oder molekularen Größen basieren, die aus Gewebeproben, Blut und Urin des Patienten bestimmt werden. Beispiele sind der Hämoglobin A1c-Test, mit dem bei Diabetikern festgestellt wird, ob der Blutzucker richtig eingestellt ist oder der PSA-Biomarker, bei dem das prostataspezifische Antigen Hinweise auf einen Prostatatumor geben kann.

Tests auf der Basis von molekularen Biomarkern bedeuten für die Patienten häufig, dass die Untersuchungen nicht nur zuverlässigere Ergebnisse liefern, sondern auch schonender verlaufen.
Egal, welche Ursache dem Auftreten einer Leberfibrose vorausgegangen ist, die Diagnosefindung ist eine unangenehme Sache. Der genaue Status des verhärteten Lebergewebes wird nach derzeit gültigem Standard mit einer Leberbiopsie festgestellt. Dabei zieht der Arzt mit einer Hohlnadel kleine Gewebestücke aus der Leber. Das ist nicht nur schmerzhaft, sondern auch eine relativ ungenaue Methode.

In Kürze steht nun mit dem ELF-Test eine Alternative zur Verfügung. Der Enhanced Liver Fibrosis-Test misst gleich drei Biomarker in einer Blutprobe. Ein Vergleich der drei Markerwerte gegeneinander ergibt den ELF-Score, der mit dem Grad der Leberfibrose korreliert. Der Test durchläuft gerade klinische Studien in USA und Europa. Er wird in Kombination mit bildgebenden Verfahren geprüft und für den Einsatz im Advia Centaur Immunoassay-System von Siemens weiterentwickelt. Die effektivste Diagnostik erkennt die Krankheit, bevor sie gefährlich wird. Der BNP-Test ist ein solches Instrument der Früherkennung. Bei ihm wird das Hormon B-Typ Natriuretische Peptid (BNP), das bei Herzleistungsschwäche auftritt, als Biomarker für kardiovaskuläre Erkrankungen eingesetzt.

Amerikanische Forscher am Krebszentrum der Universität Michigan entdeckten kürzlich mit dem Sarkosin einen neuen Biomarker für die Diagnose von Prostatakrebs. Mit ihm besteht die Hoffnung, dass auch langsam wachsende oder aggressive, Metastasen bildende Prostatatumoren entdeckt werden können. Die Arbeitsgruppe um Arul Chinnaiyan wiesen Sarkosin in 79 Prozent der Urin-Proben mit gestreutem Prostatakrebs nach. Bei tumorfreien Patienten wurde der Marker nicht gefunden. „Für einen Einsatz in der Routinediagnostik ist es aber sicher noch zu früh”, betont Prof. Axel Semjonow, Experte auf dem Gebiet der Prostatakrebs-Marker. Biomarker dienen aber nicht nur dazu, eine bestehende Erkrankung zu diagnostizieren. Mit ihnen lässt sich auch das individuelle Risiko einer Erkrankung abschätzen, ihr Schweregrad charakterisieren, der Effekt oder die Sicherheit einer Therapie beschreiben sowie bestimmen, welche Patientengruppen von einer Therapie profitieren. Das ist besonders bei Krankheiten wichtig, bei denen die therapeutischen Verfahren mit schweren Geschützen operieren.

Krebsmarker für individuelle Therapie
Die Biologie der Krebszellen und der Tumorentstehung ist weitaus differenzierter, als man es lange wahrhaben wollte. Daher lautet das neue Stichwort „maßgeschneiderte Therapien”. Biomarker, die einen definierten Fingerabdruck des Tumors liefern, werden dabei den Weg von der „Bausch- und Bogentherapie” hin „zur personalisierten Krebsmedizin ebnen”. (Oncotyrol-Sprecher Günther Gastl). Wenn man beispielsweise durch entsprechende Gentests vorher weiß, wem eine bestimmte Chemotherapie überhaupt nützt, erspart man dem Patienten unsinnige Belastungen und dem Gesundheitssystem unnötige Kosten.

Eine zentrale Rolle bei der raschen Vermehrung der Krebszellen spielen Wachstumsfaktoren. Diese docken nach dem Schlüssel-Schloß-Prinzip an passende Rezeptoren an und lösen dadurch die Signale für ungehemmtes Wachstum aus. Ein solcher Rezeptor ist HER-2, der bei 25 Prozent aller Patientinnen mit metastasierendem Mammakarzinom auf der Oberfläche der Tumorzellen gebildet wird. Ein Teil dieses Rezeptors löst sich als HER-2/neu von der Oberfläche der Tumorzellen ab und lässt sich im Blut quantitativ bestimmen. Der HER-2/neu-Spiegel ist damit als wichtiger Indikator für den Verlauf, das Rückfallrisiko und den Behandlungserfolg von Brustkrebserkrankungen etabliert.

Bei den heute gängigen Untersuchungsmethoden werden beim Tumor-Screening Zellpopulationen, nicht jedoch Einzelzellen analysiert. Angesichts der großen genetischen Heterogenität von Krebszell-Populationen ist die Analyse der Einzelzellen unabdingbar, da sich die Marker gegebenenfalls nur in Einzelzellen finden und später in der Diagnostik und Therapie auf Einzelzellniveau analysiert werden muss.

Um dem Problem der zirkulierenden Krebszellen auf den Leib zu rücken, bietet die Firma OLRE (Olympus Life Science Research) ein Kombi-System an, das spezielle Mikroskopie-Objektträger mit der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) integriert. Innerhalb dieser Plattform werden die Objekte – einzelne Krebszellen – zunächst unter dem Mikroskop optisch begutachtet, um sie dann direkt – ohne weiteres Handling – einer PCR zuzuführen. Der Hersteller bietet den von der Olympus-Tochter Advalytix entwickelten AmpliGrid, einen chemisch strukturierten Objektträger an, der kompatibel mit jedem Mikroskop ist, sowie den AmpliSpeed Thermal Cycler für die PCR an.

Biologie plus Technik
Die ständige Flut neuer Biomarker induziert Innovationen auf Seiten der medizintechnischen Gerätehersteller, die geeignete Systeme beisteuern, auf denen die Tests laufen können. Da ist von Genchip-Scannern bis zur Mikrofluidik, von Analyzern bis Fluoreszenz-Mikroskopen alles dabei.

James Heath vom California Institute of Technology (Caltech) und Leroy Hood vom dortigen Institut für Systembiologie haben zusammen einen neuen Mikrofluidik-Chip entwickelt. Der Chip benötigt nur einen Blutstropfen von zehn bis fünfzehn Millilitern Volumen. Er liefert die diagnostische Werte binnen zehn Minuten, auf die Labortechniker bei bisherigen Testsystemen mehrere Stunden warten mussten. Das Mikrofluidik-System arbeitet mit etwas externem Druck, mit dem der Blutstropfen in einen mikroskopischen Kanal gesogen wird. Dieser verzweigt sich in mehrere kleinere Kanäle, die die Blutzellen herausfiltern und nur noch das proteinreiche Blutserum durchlassen. Um an die in Form von Proteinen im Serum enthaltenen Biomarker heranzukommen, verfügen die engeren Kanäle über bestimmte „Fänger-Strukturen”, mit denen die interessierenden Moleküle aus dem Serum gefischt werden. Dabei wirken DNA-Sequenzen, die an Antikörper gebunden sind, und rot fluoreszierdende Proteine zusammen. Aus den „Protein-Barcodes” können dann mit Hilfe eines Fluoreszenz-Mikroskops oder eines Genchip-Scanners ausgelesen werden.

Zusätzlich zu dem schon existierenden CA125-Biomarker für Eierstockkrebs hat jetzt das Unternehmen Fujirebio Diagnostics den HE4-Biomarker als zusätzlichen Indikator erarbeitet. Die Kombination beider Biomarker-Tests, so haben jüngste klinische Studien erwiesen, bietet eine höhere Empfindlichkeit und Spezifität für die Risikostratifizierung von Frauen mit erhöhtem Eierstockkrebsrisiko. Roche Diagnostics wird, gemäß einem vor kurzen geschlossenen Abkommen, dazu einen Assay-Kit für automatische Immunoassay-Analyzer entwickeln.

Metaebene DNA-Methylierung
Welch wichtige Funktion die DNA-Methylierung für die Genomstabilität und damit bei der Ätiologie vieler Krankheiten hat, wurde in den letzten Jahren immer besser verstanden. Auf der übergeordneten Ebene der Epigenetik findet die Regulation der Expression aller übrigen Gene statt. Insbesondere Krebs beruht häufig auf der Inaktivierung von Tumorsuppressorgenen (TSG), die auf eine Methylierung am TSG-Promotor zurückgeht. Um neue DNA-Methylierungs-Biomarker zu entdecken, werden zur Gewinnung von Methylierungsmustern die Regulator-Sequenzen der DNA systematisch analysiert.
Ein Spezialist für die Entwicklung von Früherkennungstests, die auf krebsspezifischen DNA-Methylierungsmustern beruhen, ist die Firma Epigenomics in Berlin. Im Fokus stehen Tests für Darm-, Prostata- und Lungenkrebs auf Basis der Quantifizierung der DNA-Methylierung. Dabei werden unmethylierte Proben des gleichen Gens als interne Referenz genutzt.

Gerade erst hat Epigenomics eine positive Entscheidung für einen diagnostischen Labortest für Lungenkrebs getroffen. Die klinische Evaluationsphase dazu wurde erfolgreich abgeschlossen. Die Tests führten Prof. John Field an der Universität Liverpool/UK und den Professoren Christian Witt und Bernd Schmidt an der Berliner Charité durch. Die Wissenschaftler konnten an mehr als vierhundert Verdachtspatienten zeigen, dass der Lungenkrebs-Biomarker die Erkrankten korrekt identifiziert. Vor allem, wenn die derzeitige diagnostische Aufbereitung von Probenmaterial aus Bronchoskopien kein eindeutiges Ergebnis liefert, soll der DNA-Methylierungs-Biomarker von Epigenomics eingesetzt werden. – Dr. Helmut Bruckner -