Next Level in der Tumordiagnostik

Fraunhofer-Forschende haben eine hocheffektive Methode zur Früherkennung von Bauchspeicheldrüsenkrebs entwickelt. Der Ansatz könnte die Präzisionsmedizin nach vorne katapultieren.

Federn, Rapskerne, Lignin: In der Installation »Circular« im Foyer des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hängen – fixiert zwischen Glasplatten – unterschiedliche Materialien von der Decke. In einem sind jedoch lediglich vier schmale Reihen voll schwarzer Strichlein und Pünktchen zu sehen. »Ein Überbleibsel aus meiner Doktorarbeit«, erklärt der promovierte Biologe Kai Sohn – Fragmente der menschlichen DNA, sichtbar gemachte genetische Information. Die Sequenzierung nur eines menschlichen Genoms kostete vor zwei Jahrzehnten 100 Millionen Dollar, heute ist derlei dank neuester Technologien bereits ab 100 Dollar machbar. Und inzwischen hat die Wissenschaft auch verstanden, welche Optionen der tiefe Blick ins Genom tatsächlich bereithält: Damit lässt sich Leben retten!

Eine diagnostische Herausforderung sind vor allem Tumorerkrankungen, die auf Veränderungen nicht nur eines Chromosoms, sondern ganzer Chromosomenkomplexe beruhen. Ein solcher Endgegner ist der Bauchspeicheldrüsenkrebs: Mit einer Überlebensrate von weniger als zehn Prozent innerhalb der ersten fünf Jahre nach Diagnosestellung gilt das Pankreaskarzinom als die gefährlichste Krebserkrankung. Diese Tumorart wächst besonders schnell und breitet sich früh in Nachbarorgane im Bauchraum aus.

Die Sterblichkeitsrate ist aber auch so hoch, weil ein Bauchspeicheldrüsentumor unbemerkt heranwächst: Symptome wie Bauchschmerzen, Gewichtsverlust oder Verdauungsprobleme treten erst im Spätstadium auf. »Es gibt bislang keine Vorsorgeuntersuchung oder Instrumente zur Frühdiagnose eines Pankreaskarzinoms«, fasst Kai Sohn die Lage zusammen. »Bislang kann es erst ­diagnostiziert werden, wenn es zu spät ist. Und genau deshalb haben wir uns diese Krankheit ausgesucht für unsere Forschung.«

In Kooperation mit Prof. Georg Weber vom Uniklinikum Erlangen und dem Unternehmen Genedata hat ein Fraunhofer-Forschungsteam um Kai Sohn ein innovatives Verfahren entwickelt, mit dem sich Bauchspeicheldrüsenkrebs extrem früh erkennen lässt – und das, ohne den Menschen dafür aufschneiden zu müssen. Benötigt wird lediglich eine Blutprobe.

Klug gewickelt – aber mit Sollbruchstelle

In seinem Büro legt Kai Sohn ein weißes Kunststoff-Modell auf den Tisch, das aus einer DNA-Doppelhelix besteht, die sich sorgfältig um ein schwammartiges Gebilde im Inneren windet. »In unseren Zellen liegt die DNA bestmöglich komprimiert vor in einer solchen Verpackungseinheit – dem Nukleosom«, erklärt der Forscher. »Der Kern des Nukleosoms besteht aus Histonproteinen, um die sich der DNA-Strang wickelt. Auf diese Weise entsteht eine maximal kompakte Struktur.« Die einzelnen Nukleosom-Einheiten wiederum sind durch sogenannte »Linker-DNA« miteinander verbunden – den »Sollbruchstücken« des Komplexes.

An genau diesen Schwachstellen können Nukleosom-Komplexe auseinanderbrechen. Etwa beim natürlichen Zellzerfall, aber auch bei der Entstehung von Tumoren oder durch Entzündungsreaktionen im Körper. Im Blut jedes Menschen existieren derlei Bruchstücke, auch zirkulierende freie DNA (cfDNA) genannt. »Nach diesen DNA-Fragmenten fahnden wir im Plasma«, erklärt Sohn. Oder genauer gesagt: danach, ob sich Methylgruppen an den DNA-Rest geheftet haben. Denn Tumor-DNA unterscheidet sich von gesunder DNA durch unterschiedliche biochemische Signaturen. Und nicht nur das: »Abhängig davon, wo die Methylierung stattgefunden hat, wissen wir, ob dieses Nukleosom aus einer Immunzelle stammt, aus dem Darm, der Leber oder eben aus der Bauchspeicheldrüse.«

Für solche Detailuntersuchungen steht im Tiefgeschoss des Fraunhofer IGB ein kantiges Gerät von der Größe eines Tischdruckers, dessen Bauchbinde sanft rosa leuchtet und dem jemand zwei fröhliche Wackelaugen aufgeklebt hat. Der Job des Illumina NextSeq2000 ist die sogenannte Hochdurchsatzsequenzierung, auch Next-Generation Sequencing (NGS) genannt – jene Technologie, die es der Forschung inzwischen erlaubt, Genome in hoher Geschwindigkeit zu analysieren. Sohn: »Wir können heute 30 Millionen DNA-Fragmente über Nacht sequenzieren, also die genaue Abfolge der Nukleotide bestimmen und nach Methylierungsmustern fahnden.«

Die Biomarker, die von den Forschenden der Abteilung In-vitro-Diagnostik am Fraunhofer IGB gefunden wurden, ermöglichen nicht nur eine Unterscheidung zwischen gesunden und Tumorpatienten, sondern auch die sehr genaue Differenzierung etwa zwischen Bauchspeicheldrüsenentzündung und einem bösartigen Pankreastumor – zwei Erkrankungen, die ein nahezu identisches Symptombild aufweisen. Mithilfe von KI-basierten Algorithmen konnten die Forschenden sogar an einigen Beispielfällen zeigen, dass ihr Diagnostikverfahren auch Vorstadien des Pan­kreaskarzinoms klassifizieren kann. Kai Sohn stimmt das optimistisch: »Ich bin überzeugt davon, dass diese Technologie ein echter Game-Changer ist in der Bekämpfung von Bauchspeicheldrüsenkrebs.«

Als nächste Stufe stehen nun weitere klinische Tests sowie der Technologietransfer in die Krankenhausroutine an. Hier, betont Sohn, habe Fraunhofer einen besonderen Vorteil: »Durch die enge Zusammenarbeit mit den künftigen Produzenten und Anwendern entwickeln wir Technologien, die von Beginn an die Bedürfnisse der Nutzer einbeziehen.«

Die Genom-Analyse als Schlüssel zur individuellen Medizin

Am Fraunhofer IGB wird die NGS auch eingesetzt, um neue Biomarker für die Diagnostik von weiteren Tumorerkrankungen, aber auch für bestimmte Infektionskrankheiten zu finden. Die am Fraunhofer IGB entwickelte Diagnostik-Plattform DISQVER – inzwischen von der Fraunhofer-Ausgründung Noscendo betrieben – ist beispielsweise in der Lage, mehr als 16 000 Mikroben (Bakterien, DNA-Viren, Pilze und Parasiten) innerhalb von 24 Stunden zu identifizieren und so die Therapieentscheidung schnellst- und bestmöglich zu unterstützen. Auch hier ist lediglich eine Blutprobe des Patienten oder der Patientin nötig.

Die rasche, effektive und kostengünstige Analyse von Genomen mit biochemischen und bioinformatischen Methoden wie der NGS, so Sohn, sind der Schlüssel zur patientenindividuellen Medizin – und haben das Potenzial, einen Paradigmenwechsel einzuläuten: weg von der diagnostischen und hin zur Präventivmedizin. Noch stehe man am Anfang der Entwicklung, doch die Fortschritte allein innerhalb weniger Jahre seien bereits enorm. »Wir verstehen jetzt langsam, welche Informationsfülle ›Fragmentomics‹, also die Analyse von DNA-Bruchstücken, bereithält«, erklärt der Forscher. »Mein Traum ist, dass wir eines Tages bereits die Krankheiten von morgen und übermorgen frühzeitig erkennen können – und das allein durch die Analyse winziger DNA-Fragmente.«