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Comprehensive Biomarker Center GmbH – Biomarker der neuen Generation

Die Biomarker-Forschung hat ihren Schwerpunkt von Proteinen auf Nukleinsäuren verlagert. Dabei stehen die Expressionsmuster von microRNAs im Vordergrund. Das Heidelberger Biotech-Unternehmen Comprehensive Biomarker Center GmbH (früher febit) verfügt über modernste Technologien und Know-how, um mit Partnern aus Forschung und Industrie die Entwicklung neuer Nukleinsäure-Biomarker für komplexe Krankheiten voranzutreiben.

Dieses Unternehmen ist in der hier beschriebenen Form nicht mehr am Markt aktiv.

Für die European Medicines Agency EMA, die europäische Arzneimittelbehörde, besteht kein Zweifel, dass die Entwicklung neuer Therapeutika zukünftig immer stärker von diagnostischen und prognostischen Biomarkern bestimmt und angetrieben wird. Im August dieses Jahres hatte die EMA ein „reflection paper“ mit ihren vorläufigen Vorstellungen  über den Healthcare-Markt des 21. Jahrhunderts an die europäischen Arzneimittelfirmen verschickt und um Stellungnahme bis Ende November 2011 gebeten. Obwohl alle großen Pharmafirmen die Bedeutung von Biomarkern betonen, reagieren manche doch eher zurückhaltend, wenn es um ein strategisches Umdenken ihrer Entwicklungskonzepte für neue Medikamente geht – aus Furcht, der Ersatz des vertrauten und lange Zeit so lukrativen Blockbuster-Modells zugunsten des neuen „Nichebuster“-Modells könnte die Gewinnmargen drastisch reduzieren. Dem halten die Neuerer entgegen, dass der wissenschaftliche Fortschritt hin zu einer Biomarker-getriebenen Medikamentenentwicklung nicht nur das Wohl der Patienten in den Vordergrund stellt, sondern durchaus auch wirtschaftliche Früchte trägt.

Next Generation Sequencing © Am.Soc.Microbiol.

Nukleinsäure-Sequenzierungen der nächsten Generation

Die Schwerpunkte der Biomarker-Forschung im akademischen Bereich haben sich in den letzten Jahren von den Proteinen auf Analysen des Genoms und der Genexpression verlagert. Das wurde durch die technologischen Fortschritte in der Geschwindigkeit der Nukleinsäure-Sequenzierungen und die Verringerung ihrer Kosten mit den sogenannten „Next generation sequencing“-Technologien (NGS) ermöglicht. Trotz dieser Vorteile sind die großen in der Diagnostik führenden Unternehmen diesem Trend bisher nur zögerlich gefolgt. Das liegt vor allem daran, dass sie schon riesige Summen in die Entwicklung von Protein-Biomarkern investiert haben. Es wird auch argumentiert, dass Proteine die für die Ausprägung des Phänotyps wichtigsten Moleküle darstellen und sich krankheitsbedingte Veränderungen daher in ihnen genauer widerspiegeln als auf der Ebene der Gene. Dieses Argument hat allerdings mit den Verbesserungen der Genexpressionsanalytik und der RNA-Sequenzierung zur Transkriptomanalyse an Überzeugungskraft verloren.

Schema einer microRNA © UCSD

Während zur Identifizierung von Krebs-Biomarkern im großen Umfang auch DNA-Analytik eingesetzt wird - wie sich beispielsweise beim Internationalen Krebsgenomprojekt zeigt -, steht  für die meisten Krankheiten heute die RNA-Analytik im Brennpunkt der Biomarker-Forschung. Ein besonders heißes Feld sind die erst vor zehn Jahren entdeckten microRNAs, die man inzwischen als Regulationselemente für messengerRNA (mRNA) erkannt hat. Es vergeht keine Woche, in der nicht neue Anwendungspotenziale für die Diagnostik von Krankheiten mithilfe dieser kleinen nicht-kodierenden RNA-Moleküle beschrieben werden.

Aus febit wird CBC

Das Heidelberger Biotechnologie-Unternehmen febit, ein Spezialist für die Analyse und Synthese von Nukleinsäuren, hatte früh auf das große medizinische Anwendungspotenzial der Biomarker-Forschung auf der Ebene der Nukleinsäuren gesetzt. Von febit ging die Initiative zur Bildung eines „Biomarker Discovery Center“ in Heidelberg aus, das zuletzt eine große, deutschlandweite Studie koordiniert hatte, in der gezeigt wurde, dass microRNA-Profile aus Blutproben von Patienten zur frühen Diagnostik von Krebs und anderen Krankheiten dienen können (BIOPRO-Artikel Krebsdiagnostik durch microRNAs im Blut).

Microarray für Genexpressionsanalyse © TU München

Auch beteiligte sich febit am BioRN Biomarker Center, einem der großen Verbundprojekte des BioRN Clusters, in dem Forschungsgruppen aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammengeführt werden, um molekulare Biomarker für die Entwicklung neuer Diagnostika zu charakterisieren. Im Sommer 2010 wurde im Zuge einer grundlegenden Restrukturierung der Schwerpunkt des operativen Geschäfts von febit auf die Entdeckung und Validierung von microRNA-Biomarkern aus dem Blut in Zusammenarbeit mit Partnern aus der klinischen Forschung sowie der Diagnostik- und Pharma-Industrie gelegt. Als Konsequenz der strategischen Neuorientierung wurde das Unternehmen jetzt in „Comprehensive Biomarker Center GmbH" (CBC) umbenannt.

Das Comprehensive Biomarker Center (CBC)

Nach dem gegenwärtigen Stand der Forschung geht es nicht um bestimmte microRNA-Moleküle, die für Krankheiten charakteristisch sind, sondern um Profile, das heißt unterschiedliche Muster in der Zusammensetzung und den Mengenverhältnissen vieler verschiedener microRNAs. Ein besonderer Vorteil der Methodik für die klinische Praxis liegt darin, dass microRNAs sehr stabile Moleküle sind. Die bei Krankheiten veränderten Expressionsprofile (Signaturen) bleiben sowohl in Formalin-fixierten, Paraffin-eingebetteten Gewebeproben als auch extrazellulär in den meisten Körperflüssigkeiten und Sekreten (Blut, Plasma, Serum, Urin, Speichel, Pleural- und Amnionflüssigkeit) erhalten. In zahlreichen Arbeiten der letzten Jahre wird das große Potenzial beschrieben, das microRNA-Analysen von nichtinvasiv gewonnenen Patientenproben (beispielsweise peripheres Blut oder Blutzellen) für die Diagnose von Krebskrankheiten sowie bestimmten Autoimmun- und Entzündungskrankheiten haben. CBC war, neben der schon erwähnten großen Multicenter-Studie an verschiedenen Tumoren, unter anderem auch an Studien zur microRNA-Diagnostik von Multipler Sklerose und akutem Myokardinfarkt beteiligt.

CBC bietet seine breite Expertise in der Erstellung und bioinformatischen Analyse von microRNA-Signaturen in pathologisch veränderten Situationen den Kooperationspartnern aus Klinik und Industrie für deren Biomarker-Studien an. Das Unternehmen kann auf einen Fundus von mehr als 4.000 für microRNA-Profiling aufgearbeitete Proben von Körperflüssigkeiten von Patienten zurückgreifen. Das Krankheitsspektrum umfasst zahlreiche Krebs-, Entzündungs- und Infektionskrankheiten sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Das primäre Genprodukt besteht aus kodierenden (Exons) und nicht-kodierenden (Introns) RNA-Sequenzen. Durch Splicing werden die Exons zur reifen mRNA zusammengefügt © Wellcome Trust

Selbstverständlich ist es notwendig, für eine gesicherte Diagnose weitere Merkmale heranzuziehen. Bei vielen Krankheiten sind genetisch bedingte Faktoren im Spiel; sie beeinflussen Krankheitsverlauf und Therapieerfolg. Genomische Biomarker können dazu wertvolle Informationen liefern. Bei Patienten mit systemischen Entzündungskrankheiten wie Multipler Sklerose hat man beispielsweise in Körperflüssigkeiten genetische und epigenetische Veränderungen in der DNA gefunden, die für die Krankheit selbst oder das Krankheitsstadium charakteristisch erscheinen. Mit seinen großen Erfahrungen in der Nukleinsäure-Analytik, insbesondere in Sequenzierungen der nächsten Generation (NGS), kann CBC seinen Kunden sowohl Analysen der DNA-Methylierungen als auch Sequenzierungen des Exoms anbieten. Das Exom ist jener Bereich des menschlichen Genoms, der für Proteine und andere funktionelle Produkte kodiert; er macht nur einen kleinen Bruchteil des gesamten menschlichen Genoms aus, ist aber für die allermeisten genetisch bedingten Krankheiten verantwortlich.

Einen vielversprechenden Ansatz stellt auch die Analyse des Transkriptoms dar, der RNA aller transkribierten Gene. Da das Transkriptom vom physiologischen oder pathologischen Zustand der Zellen abhängt, könnte beispielsweise das mRNA-Muster geeignete Biomarker von Krankheitszuständen liefern. So hat man schon bei rheumatoider Arthritis und chronischen Darmentzündungen krankheitsassoziierte Veränderungen im mRNA-Gehalt der mononukleären Zellen des peripheren Blutes (Lymphozyten und Monozyten) nachgewiesen, die bei den Darmkrankheiten Colitis ulcerosa und Morbus Crohn für eine molekulare Klassifikation genutzt werden konnten. Für Biomarker-Studien auf Transkriptom-Ebene bietet CBC eine breit gefächerte Palette von Dienstleistungen an – vom Nachweis einzelner RNA-Moleküle  über kodierende und nicht-kodierende Sequenzen, Splicing- und Mutationsanalysen bis hin zu einer genauen Quantifizierung des gesamten Transkriptoms. 

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Genexpression ist der Begriff für die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Lymphozyten sind eine Klasse der weißen Blutkörperchen, die in B- und T-Lymphozyten unterteilt werden und bei der Immunantwort des Körpers unterschiedliche Funktionen übernehmen (z. B. produzieren B-Lymphozyten Antikörper).
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Der Phänotyp beinhaltet alle sichtbaren Eigenschaften eines Organismus. Er wird vom Genotyp (der genetischen Ausstattung) und der Umwelt bestimmt.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Biomarker sind messbare Produkte von Organismen (z.B. Proteine, Stoffwechselprodukte oder Hormone), die als Indikatoren beispielsweise für Umweltbelastungen oder Krankheiten herangezogen werden.
  • Validierung oder Validation ist der Prozess der Prüfung einer These oder eines Lösungsansatzes in Bezug auf das zu lösende Problem.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Die Pathologie ist ein Teilgebiet der Medizin, das sich mit der Erforschung und Lehre von den Ursachen, der Entstehung, der Verlaufform und der Auswirkungen von krankhaften Symptomen sowie von Missbildungen beschäftigt.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
  • Methylierung ist die Einführung von Methylgruppen in organische Verbindungen.
  • Als Spleißen wird der Vorgang bezeichnet, bei dem aus einem primären RNA-Transkript durch Herausschneiden der Introns und Zusammenfügen der Exons das fertige RNA-Produkt gebildet wird. Dieser Schritt ist Teil der Proteinbiosynthese.
  • Messenger-RNA (Abk.: mRNA) ist eine Ribonukleinsäure, die eine Kopie eines kurzen DNA-Stücks darstellt und als Vorlage für die Synthese eines spezifischen Proteins dient.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
  • Ein Exom ist die Gesamtheit aller kodierenden Bereiche der DNA in einem Organismus.
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
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