Liquid Biopsy bei Krebserkrankungen

Möglichkeiten und Grenzen der Tumor-Verlaufskontrolle

  • Abb. 1: Ursprung und Bandbreite von Analyten in Liquid Biopsies. Durch Apoptose, Nekrose und Sekretion werden Tumorbestandteile in Körperflüssigkeiten (z. B. das Blut) freigesetzt.Abb. 1: Ursprung und Bandbreite von Analyten in Liquid Biopsies. Durch Apoptose, Nekrose und Sekretion werden Tumorbestandteile in Körperflüssigkeiten (z. B. das Blut) freigesetzt.
  • Abb. 1: Ursprung und Bandbreite von Analyten in Liquid Biopsies. Durch Apoptose, Nekrose und Sekretion werden Tumorbestandteile in Körperflüssigkeiten (z. B. das Blut) freigesetzt.
  • Abb. 2:  Abundanz von miRNAs im Blut während der Therapie zweier Patienten (a, b). X-Achse: Zeitpunkte der Abnahme der Plasmaproben.  Y-Achse: Normalisiertes Expressionsniveau der miRNA im Blutplasma.
  • Abb. 2:  Abundanz von miRNAs im Blut während der Therapie zweier Patienten (a, b). X-Achse: Zeitpunkte der Abnahme der Plasmaproben.  Y-Achse: Normalisiertes Expressionsniveau der miRNA im Blutplasma.

Unter Liquid Biopsy (Flüssige Biopsie) versteht man eine relativ neue Methode zur Diagnose und Überwachung von Tumorerkrankungen. Da Tumorzellen Moleküle in Körperflüssigkeiten abgeben, kann man durch Messung dieser spezifischen Tumorbestandteile im Blut Aussagen über den Krankheitsverlauf, wie z. B. das Ansprechen auf die Therapie oder die Tumorprogression, treffen. Einige Tumoren lassen sich so inzwischen gut kontrollieren. Wie jede neue Technologie hat Liquid Biopsy aber auch Limitationen.

Einleitung
Diagnose und Verlaufskontrolle von Krebserkrankungen werden in der klinischen Routine mit Hilfe von Tumorgewebe (Biopsie) oder bildgebenden Methoden (z. B. CT oder MRT) durchgeführt. Der Analyse von morphologischen und molekularen Parametern in Gewebeproben kommt eine hohe Bedeutung zu. Allerdings ist die Entnahme von Biopsien eine invasive Prozedur, die v.a. bei Krebspatienten oftmals mit Risiken verbunden oder sogar unmöglich ist. Zudem bilden einzelne Gewebebiopsien häufig nicht die gesamte molekulare Heterogenität eines Tumors ab. Die Bildgebung läßt u.a. Aussagen über die Größenveränderung von Tumoren während der Therapie zu, erfordert jedoch spezielle Geräte und ist kostenintensiv, sodass regelmäßige und engmaschige Untersuchungen nicht möglich sind.
Eine relativ wenig invasive Methode, die regelmäßig und kosteneffektiv durchgeführt werden kann, ist die Liquid Biopsy (Flüssige Biopsie). Hierbei macht man sich die Tatsache zunutze, dass Tumormaterial durch verschiedene Prozesse, wie zum Beispiel programmierten Zelltod (Apoptose) oder Nekrose, in das Blut gelangt. Viele Jahre lang wurde – mit geringem Erfolg – versucht, die Menge an freier DNA im Blutplasma mit dem Verlauf der Tumorerkrankung zu korrelieren. Erst in der jüngeren Vergangenheit unterscheidet man zirkulierende Tumorzellen (CTCs), Exosomen, freie Tumor-DNA (cfDNA) oder Tumor-RNA (Abb. 1) und ist wegen der fortschreitenden Verbesserung der analytischen Methoden in der Lage, diese Bestandteile genauer zu charakterisieren und zu quantifizieren [1]. So weist cfDNA Tumor-spezifische Veränderungen, wie z. B. DNA-Mutationen, auf. Durch den Nachweis dieser Mutationen im Blut ist es möglich, Aussagen über den Ursprungstumor zu treffen.

Messung von DNA- und Mikro-RNA im Blut
Die Messung der Zahl Tumor-spezifischer DNA-Mutationen im Blutplasma kann Hinweise auf eine bevorstehende Resistenzbildung gegenüber einem Medikament bzw.

auf das Fortschreiten der Erkrankung geben. Dabei konzentriert sich die Forschung vor allem auf die Detektion von Therapie-relevanten Mutationen, wie etwa im Gen des Epidermalen-Wachstumsfaktor-Rezeptors (EGFR). Tumoren mit aktivierenden Mutationen in EGFR können mit zielgerichteten Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKIs) behandelt werden, wodurch das Überleben der Patienten verlängert werden kann. So wurden in Plasmaproben von Lungenkrebspatienten EGFR Mutationen mittels digitaler PCR im zeitlichen Verlauf beobachtet [2]. Die Anzahl der Kopien korrelierte hier mit der Tumorlast der Patienten. Im Falle eines direkten Ansprechens des Tumors auf die TKI-Therapie wurde ein zunächst starker Anstieg der EGFR Mutationen, gefolgt von einem raschen Abfall bis an die Grenze der Nachweisbarkeit, gefunden. Steigende Zahlen mutierter DNA Fragmente oder das Auftreten von EGFR Resistenzmutationen (T790M) im Verlauf der Behandlung ließen sich mit der Tumorprogression korrelieren. Ebenfalls konnten erhöhte Levels von EGFR-mutierter cfDNA bereits zwei Monate vor dem Auftreten klinischer Symptome nachgewiesen werden [2].
Neben Mutationen können auch mikro-RNAs (miRNAs) als diagnostische Marker zur Tumorüberwachung dienen. miRNAs sind kurze, nichtkodierende RNA-Moleküle, die eine Rolle bei der post-transkriptionellen Genregulation spielen. Tumoren weisen charakteristische Veränderungen der intrazellulären miRNA Expression auf [3], was zu ihrer fehlgesteuerten Genregulation beiträgt. Da miRNAs sehr stabil gegenüber externen Einflüssen (z. B. enzymatischem Abbau, Temperatur, pH- Wert) sind, eignen sie sich hervorragend zur Bestimmung in Körperflüssigkeiten. So ist etwa das Auftreten von miRNA-375 und miRNA-141 im Serum von Patienten mit Prostatakrebs mit der Prognose des Tumorverlaufs assoziiert [4].
Ob im Plasma zirkulierende miRNAs sich auch für eine Verlaufskontrolle von Tumoren eignen untersuchen wir derzeit in einer Kooperation zwischen dem DKFZ und der Universität Freiburg an einer Kohorte von Lungenkrebspatienten. Hierzu wurden miRNAs ausgewählt, deren Beteiligung an Bronchialkarzinomen bereits bekannt ist. Aus seriell entnommenen Plasmaproben der Patienten wird die RNA isoliert und mit Hilfe der quantitativen PCR quantifiziert. Zeitliche Veränderungen der miRNA Mengen werden mit dem klinischen Verlauf verglichen, um Rückschlüsse auf den Krankheitsverlauf zu ziehen. Analog zur cfDNA könnte eine abfallende Abundanz nach Therapiestart, gefolgt von niedrigen miRNA Mengen im Plasma, auf ein gutes Therapieansprechen des Patienten und eine stabile Tumorerkrankung hinweisen (Abb. 2a). Ein Anstieg der miRNA Werte hingegen könnte die Entstehung eines Rezidivs anzeigen (Abb. 2b). Noch ist der diagnostische Wert dieser miRNAs nicht gesichert. Die kontinuierliche Überwachung von Tumorpatienten mit einem wenig invasivem Verfahren anhand von stabilen molekularen Markern ist jedoch eine attraktive Perspektive für eine engmaschige und kostengünstige Routinediagnostik.

Ausblick
Die Liquid Biopsy Analyse ermöglicht eine wenig invasive, zeitnahe Überwachung von Krebserkrankungen und eine frühzeitige Erkennung des Therapieversagens. In manchen Fällen könnte die Liquid Biopsy der Gewebebiopsie überlegen sein, da die Tumorbestandteile im Blut die gesamte Heterogenität von Primärtumor und Metastase besser abbilden. Jedoch sind diese Vorteile bislang nur bei wenigen Krebsarten wirklich nachgewiesen, und Liquid Biopsy wird für die Mehrzahl der Tumoren noch nicht genutzt. Die Gründe hierfür sind vielfältig: Bei vielen Tumoren ist nur unzureichendes oder gar kein Tumormaterial im Blut nachweisbar. Auch die sehr hohe Sensitivität moderner Analyseverfahren reicht für eine zuverlässige Diagnose oft noch nicht aus. Die Mechanismen der Freisetzung sind nicht vollständig verstanden, und die zeitliche Variation der Mengen an Tumorbestandteilen ist groß. Dennoch ist mit zunehmender Forschung eine breitere klinische Anwendung von Liquid Biopsy zum Monitoring von Tumorerkrankungen insbesondere im Bereich gezielter Therapien (Precision Medicine) zu erwarten.

Autoren
Sabrina Müller1, Nikolas von Bubnoff2, Steffen Dietz1, Holger Sültmann1

Zugehörigkeiten
1 DKFZ Heidelberg, AG Krebsgenomforschung, Heidelberg
2 Universität Freiburg, Klinik für Innere Medizin, Hämatologie, Onkologie und Stammzelltransplantation, Freiburg

Kontakt

Prof. Dr. Holger Sültmann (AG-Leiter)
Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ)
AG Krebsgenomforschung
Heidelberg, Deutschland
h.sueltmann@dkfz.de
www.dkfz.de/de/krebsgenomforschung/

Referenzen

[1] Wan, J.C. et al.: Nature reviews. Cancer 17, 223-238 (2017)
[2] Riediger, A. L., Dietz, S. et al.: Scientific reports 6, 33505 (2016)
[3] Lu, J. et al.: Nature, 435, 834-838 (2005)
[4] Brase, J.C. et al.: Int J Cancer 128, 608-616 (2011)

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