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Sciomics: Antikörper-Microarrays und ihre vielfältigen Anwendungen

Die Sciomics GmbH ist ein junges auf Protein-Microarrays spezialisiertes Biotechnologie-Unternehmen in Heidelberg. Mit komplexen, hochdichten Antikörper-Microarrays, besonders gegen krebsrelevante Proteine, bietet Sciomics Serviceleistungen für die medizinische Forschung, Diagnostik und Industrie - wie das Screening nach Biomarkern, die Verifizierung von Biomarker-Kandidaten, die Analyse und Lokalisierung von Wirkstoff-Targets und ihren Signalwegen sowie die Charakterisierung von Antikörpern. Zusätzlich produziert und vertreibt Sciomics auf spezifische Fragestellungen der Kunden zugeschnittene Microarrays.

Ein Sciomics Antikörper-Microarray. © Sciomics GmbH

Während man DNA- und RNA-Microarrays als Hochdurchsatz-Technologien für Genomanalysen und Genexpressionsstudien schon seit langem routinemäßig verwendet, werden Affinitäts-Microarrays auf Proteinbasis, vor allem Antikörper-Microarrays, für Proteomanalysen erst seit einigen Jahren in größerem Umfang eingesetzt. Die technischen Herausforderungen sind im Vergleich zu Nukleinsäure-Arrays erheblich: Nicht nur müssen Proteine in ihrer Vielfältigkeit mit all ihren Modifikationen nachgewiesen werden, auch die Struktur der Proteinmoleküle und ihre biophysikalischen und biochemischen Eigenschaften unterscheiden sich enorm. Die Konzentrationen einzelner Proteine unterscheiden sich um Größenordnungen und ändern sich ständig, so wie sich auch das gesamte Proteom der Zellen fortwährend dynamisch verändert.

In den letzten zehn Jahren sind Antikörper-Microarrays immer besser an diese Herausforderungen angepasst und in ihrer Handhabung und Zuverlässigkeit optimiert worden. So sind sie heute ein effizientes Hochdurchsatz-Instrument für Proteomanalysen und ihre Anwendungen - wie die Suche nach klinisch relevanten Biomarkern für Krebskrankheiten - geworden sind.

Hoch parallel - robust - reproduzierbar - kostengünstig

Die 2013 als eine privat finanzierte Ausgründung des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) in Heidelberg gegründete Sciomics GmbH produziert und verwendet derartige Microarrays für Proteomanalysen auf höchstem technischen Niveau für Forschung und klinische Anwendung. Die beiden Unternehmensgründer, Dr. Jörg Hoheisel und Dr. Christoph Schröder, haben sich durch zahlreiche wichtige Publikationen über Antikörper-Microarrays und ihre Verwendung zur Identifikation von Biomarkern für die Diagnose und Prognose von Krebserkrankungen international einen Namen gemacht. Hoheisel, Leiter der Abteilung für Funktionelle Genomanalyse am DKFZ, ist seit über zwanzig Jahren maßgeblich an den Entwicklungen der Microarray-Technologie beteiligt und einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Antikörper-Microarrays weltweit. Er bleibt als Berater dem Unternehmen eng verbunden. Schröder ist Geschäftsführer der Sciomics GmbH. Er hat über zehn Jahre entscheidend zur Entwicklung von Antikörper-Arrays beigetragen und diese in verschiedenen biomedizinischen Studien erfolgreich eingesetzt.

Dr. Christoph Schröder (links) und Dr. Jörg Hoheisel, die Gründer der Sciomics GmbH. © Sciomics GmbH

Sciomics hat mit seinen Microarrays eine robuste, leicht handhabbare Technologie entwickelt, die gegenüber anderen Proteom-Analysetechniken zahlreiche Vorzüge aufweist. Die Microarrays ermöglichen hochparallele Analysen verschiedener Parameter an vielen Molekülen und gleichzeitig in winzigen Volumina. Dadurch sind die Tests kostengünstig, und ihre Empfindlichkeit ist in etwa vergleichbar mit der eines ELISA, der Routinetechnik zur Analyse einzelner Proteine. In Spezialanwendungen kann die Sensitivität bis zu einem Einzelmolekülnachweis gesteigert werden. Die Reproduzierbarkeit von Arraymessungen ist mit einem Variationskoeffizienten (CV) von weniger als 15 Prozent für alle Messpunkte eines Arrays sehr gut. Das Entfernen (depletion) von übermäßig häufigen Proteinen in den Proben oder ihre Fraktionierung vor der Array-Analyse ist nicht notwendig, wie Hoheisel, Schröder und ihre Mitarbeiter gezeigt haben. Dies vermeidet zeit- und arbeitsintensive Arbeitsschritte, erhöht die Reproduzierbarkeit und macht derartige Array-Analysen in einem hohen Durchsatz auf einer Vielzahl von Proben möglich.

Verschiedene Mircoarray-Technologien für unterschiedliche Applikationen

Drei verschiedene Plattformen der Microarray-Technologie werden von Sciomics angeboten. An erster Stelle stehen „Antikörper-Microarrays“, auf denen die Antikörper immobilisiert sind und die an sie bindenden Proteine nachgewiesen werden. Ihr Anwendungsbereich umfasst unter anderem das Screening nach Biomarkern und die hochparallele Verifizierung von Biomarker-Kandidaten, die Charakterisierung von Antikörpern sowie die Analyse von Zielmolekülen (Targets) und den mit ihnen assoziierten Elementen, bis hin zu kompletten Signalwegen.

Bei der zweiten Plattform, die von Sciomics als „Protein-Microarrays“ bezeichnet wird, werden Proteine immobilisiert und daran bindende Autoantikörper oder andere Proteine detektiert. Diese Arrays werden vor allem für den Nachweis von Autoantikörpern und von Interaktionen zwischen Proteinen sowie für die Beurteilung von Antikörper-Spezifitäten eingesetzt. Die dritte Plattform sind „Peptid-Microarrays“, bei denen Peptide auf der Oberfläche immobilisiert werden und Antikörper oder andere Proteine mit ihnen interagieren. Damit können beispielsweise Epitop-Kartierungen im Rahmen von Antikörper-Charakterisierungen oder eine Untersuchung von Protein-Peptid-Wechselwirkungen durchgeführt werden.

Service und Produkte

Schematische Darstellung eines Microarrays in Form eines IgG-Antikörpers. © Sciomics GmbH

Der von Sciomics seinen Kunden (Diagnostik-Unternehmen, Pharmaindustrie, Universitätskliniken und Forschungszentren) gebotene Service umfasst das Screening nach Biomarkern, das Lokalisieren der Targets eines Wirkstoffes bzw. der Signal- und Stoffwechselwege, in die er eingreift. Ebenfalls können die Auswirkungen analysiert werden, die etwa das Knock-in oder Knock-out von Genen im Versuchstier oder in einem Zellkultur-Versuch hat. Sciomics hat dafür einen „Discovery Array“ entwickelt, auf dem über tausend Antikörper immobilisiert sind, die gegen mehr als 900 krebsrelevante Proteine gerichtet sind. Zusätzlich werden kleinere spezifische Antikörper-Arrays hergestellt, die gegen Differenzierungsantigene der Zellmembranen (CD-Antigene) sowie gegen Zytokine und Chemokine gerichtet sind. In Zukunft sollen diese Arrays auch in Form von Kits produziert und vertrieben werden, ebenso wie auf spezifische Fragestellungen der Kunden zugeschnittene Microarrays. Als einen weiteren Service bietet Sciomics das Prüfen der Spezifität von Antikörpern mithilfe von Protein-Microarrays an, auf denen 10.000 bis 20.000 rekombinante humane Proteine immobilisiert sind.

Alle Serviceleistungen und Produkte unterliegen strengen Qualitätsmanagementkriterien; die Zertifizierung nach ISO9001 ist noch für 2014 vorgesehen.

Biomarker-Signaturen für Diagnose, Prognose und Prädiktion

Mit seiner Array-Technologie zum Biomarker-Screening setzt Sciomics an einem für moderne Gesundheitsvorsorge und Krankenbehandlung zentralen Punkt an, denn verlässliche Biomarker sind unverzichtbar für die Bekämpfung von Krebskrankheiten, aber auch von Autoimmunkrankheiten wie Multipler Sklerose. Die Biomarker können der Diagnose, Prognose oder Prädiktion von Krankheiten dienen. Letztere unterscheiden sich dadurch, dass ein prädiktiver Biomarker Informationen über die mögliche Wirkung des therapeutischen Eingriffs liefert, während ein prognostischer Biomarker über die Krankheit des Patienten und ihren Verlauf, unabhängig von der Therapie, informiert.

In den letzten Jahren hat das Forschungsteam von Hoheisel und Schröder am DKFZ mit Microarrays aus krebsrelevanten Antikörpern eine Reihe von Biomarker-Signaturen identifiziert, zum Patent angemeldet und publiziert, die für die Diagnose, Prognose und Prädiktion von Krebskrankheiten wichtig sein können. Die Untersuchungen umfassen die veränderte Plasmaproteinzusammensetzung bei Patienten mit verschiedenen B-Zell-Lymphomen, darunter CLL (Chronische Lymphatische Leukämie, die in der westlichen Welt am häufigsten vorkommende Leukämieform) sowie krebsassoziierte Proteine beim Pankreas-Karzinom, einer der tödlichsten - bisher nur schwer und meist zu spät diagnostizierbaren - Krebserkrankungen überhaupt.

In ihrer neuesten Studie (2014) verwendeten die Wissenschaftler einen Antikörper-Microarray zur Vorhersage von Rezidiven bei Blasenkrebs. Bei etwa 60 Prozent der Patienten kommt es nach der chirurgischen Entfernung des Tumors innerhalb von fünf Jahren zu einem Rückfall. In Ermangelung verlässlicher Indikatoren werden bisher häufige Kontrolluntersuchungen durch Zytologie und Zystoskopie (Blasenspiegelung) empfohlen, die teuer und für den Patienten sehr belastend sind. Mithilfe des Antikörper-Microarrays wurden Variationen der Proteinzusammensetzung und 255 Proteine nachgewiesen, die bei Patienten mit und ohne Rezidiv unterschiedliche Häufigkeiten aufweisen und auf eine deutlich unterschiedliche Tumorbiologie in den beiden Gruppen hinweisen. Darüber hinaus wurde ein Proteinmuster bestehend aus 20 Proteinen identifiziert, welches mit einer Spezifität von 100 Prozent und einer Sensitivität von 80 Prozent einen vielversprechenden Kandidaten als prädiktive Biomarker-Signatur zum Auftreten von Rezidiven beim Blasenkrebs darstellt.

Für die Weiterentwicklung solcher Biomarker-Signaturen und ihre Translation zu klinisch einsetzbaren Diagnostika sucht Sciomics Partnerschaften mit Investoren und der Diagnostik- und Pharmaindustrie.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/sciomics-antikoerper-microarrays-und-ihre-vielfaeltigen-anwendungen/