Liquid Biopsy

Hier finden Sie Informationen zum Forschungsschwerpunkt Liquid Biopsy.

Sie befinden sich hier:

Was ist eine "Liquid Biopsy"?

Die medizinische Forschung ist stets bestrebt neue, effizientere, sensitivere und möglichst wenig-invasive Diagnostikverfahren zu etablieren. Die konventionelle, gewebe-basierte Biopsie ist nach wie vor der „goldene Standard“ in der Tumordiagnostik. Jedoch sind dies immer invasive, operative Eingriffe, welche sehr risikobehaftet sind und auch eine serielle Probenentnahme ist nicht möglich. Dies macht eine genaue Charakterisierung des Tumors sehr schwierig, aber auch eine permanente Überwachung sowohl des Therapieansprechens als auch der Progression ist damit nicht machbar.

Die „Liquid Biopsy“ ist eine neue, revolutionäre Methodik und stellt eine gute Alternative zur konventionellen Biopsie dar. Hierzu werden Körperflüssigkeiten wie beispielsweise Blut, Urin oder Liquor entnommen und auf Tumormarker analysiert. Die „Liquid Biopsy“ ist minimal-invasiv, wenig risikobehaftet und erlaubt daher eine serielle Probenentnahme, was die Überwachung der Therapie und Progression ermöglicht. Insbesondere die Detektion eines Tumors oder Metastase bevor diese in der konventionellen Bildgebung nachweisbar ist, wäre durch eine Liquid Biopsy realistisch. All diese Eigenschaften machen die „Liquid Biopsy“ zu einem sehr kraftvollen Werkzeug der „personalisierten Onkologie“.[1, 2]

Die Verbesserung des diagnostischen Wertes der blut-basierten Liquid Biopsy bei Kopf-Hals-Karzinomen stellt einen unserer Forschungsschwerpunkte dar. Mögliche Tumor-Biomarker im Blut sind tumor-abgeleitete Exosomen, miRNA, zellfreie, zirkulierende Tumor-DNA (ctDNA) und zirkulierende Tumorzellen (CTC). Wir nutzen die „Liquid Biopsy“ für Biomarkeranalysen im Rahmen von klinischen Studien und sind insbesondere an der Evaluierung des prädiktiven und prognostischen Wertes von zirkulierender, zellfreier Tumor-DNA (ctDNA) und zirkulierenden Tumorzellen (CTCs) interessiert. Weiterführende Informationen finden Sie den nachfolgenden Texten. 

Literatur:
1. Arneth, B., Update on the types and usage of liquid biopsies in the clinical setting: a systematic review. BMC Cancer, 2018. 18(1): p. 527.
2. Nonaka, T. and D.T.W. Wong, Liquid Biopsy in Head and Neck Cancer: Promises and Challenges. J Dent Res, 2018. 97(6): p. 701-708.

Was ist zirkulierende zellfreie Tumor-DNA?

Bei zellfreier zirkulierender DNA (cfDNA) handelt es sich um nicht eingeschlossene DNA-Moleküle, welche durch Apoptose, Nekrose, Sekretion von normalen Zellen oder Tumorzellen in den Blutkreislauf gelangen. Die zellfreie, zirkulierende DNA wird im Blutsystem durch enzymatische Verdauungsprozesse, beispielsweise durch Makrophagen, in Fragmente mit einer typischen Länge von ca. 180 Basenpaaren zersetzt. Die Konzentration der zellfreien, zirkulierenden DNA aus Tumorzellen (ctDNA) im Blut variiert stark und ist u.a. von der Tumorentität, Tumorgröße, Stadium und Therapieansprechen des Tumors abhängig.

Der Nachweis von ctDNA im Blut eröffnet neue Perspektiven in der Tumordiagnostik und Früherkennung. Aus der hohen Sensitivität der bereits bestehenden Analysemethoden ergibt sich das Potential den Therapieverlauf, das Ansprechen auf Therapien und die Prognose von Patienten zu untersuchen. Zukünftig können diese Methoden zu einer individualisierten Tumortherapie beitragen und ein Nicht-Ansprechen auf die Therapie rechtzeitig erkennen lassen.

Zurzeit laufen zwei Projekte in unserem Labor, die sich mit der molekularbiologischen Analyse von ctDNA, welche aus Patientenblutproben isoliert wurde, befassen. Dabei ist die Kernfrage, ob eine Konkordanz zwischen Peripherie (Blut) und Tumorgewebe hinsichtlich der Mutationslast und des Mutationsprofils nachweisbar ist.

Literatur:
Chaudhuri, A.A., et al., Predicting Radiotherapy Responses and Treatment Outcomes Through Analysis of Circulating Tumor DNA. Seminars in radiation oncology, 2015. 25(4): p. 305-312.

Projekte cfDNA und deren Ziele

1. Etablierung einer ddPCR-basierten Methode um eine Cyclin D1 Amplifikation in cfDNA, welche aus Plasma von Patientenproben isoliert wurde, nachzuweisen

Bei etwa einem Drittel aller Kopf-Hals-Karzinomen liegt eine Amplifikation eines Chromosomenabschnitts 11q13 vor, auf welchem u.a. das CCND1 Gen lokalisiert ist, welches für Cyclin D1 codiert.[2] Die Amplifikation von Cyclin D1 induziert in der Zelle eine verstärkte Proliferation, also Zellteilung, so dass es zum aggressiven Tumorwachstum kommt. Außerdem wird diese Veränderung mit einem starken Metastasierungspotential assoziiert und korreliert folglich mit einer schlechten Prognose.

In unserem Labor soll eine ddPCR etabliert werden, um diese CCND1 Amplifikation in patienten-abgeleiteter ctDNA nachzuweisen. Nach der Etablierung anhand von Spikingversuchen mit humanen Zelllinien in Gesundblutproben, soll die Methodik an Patientenproben durchgeführt werden. Dazu wurden bereits Blutproben von Patienten mit Kopf-Hals-Karzinom, zu verschiedenen Therapiezeitpunkten, im Rahmen von klinischen Studien gesammelt und die cfDNA aus dessen Plasma isoliert. Mittels dieser Proben soll die diagnostische Genauigkeit der etablierten Methode evaluiert werden.  

Projektziele:

  • Etablierung einer ddPCR zum Nachweis einer CCDN1 Amplifikation in cfDNA, isoliert aus Plasmaproben
  • Evaluieren inwiefern die Detektion der CCND1 Amplifikation zur Vorhersage des Therapieansprechen genutzt werden kann

 

2. Vergleichsanalyse der Mutationslast in cfDNA und dem korrelierenden Tumorgewebe im Rahmen der CeFCID Studie

In einem früheren Projekt wurde in unserem Labor ein 327-Genpanel etabliert, welches zur Analyse des Mutationsprofils als auch der Mutationslast bei Kopf-Hals-Karzinomen verwendet wurde. Das Panel umfasst sowohl Gene, welche häufig in Kopf-Hals-Karzinomen verändert sind, als auch Gene, welche in vielen soliden Tumoren Mutationen aufweisen, sogenannte „Driver mutations“.

Im Rahmen der CeFCID Studie wurde die Therapieeffizienz von EXTREME alleine und in Kombination mit Docetaxel evaluiert. In unserem Projekt, sollen cfDNA aus den Plasmaproben und DNA aus den korrelierenden FFPE Tumormaterial isoliert werden. Beides wird anschließend mit dem 327-Genpanel in Kollaboration mit der BIH Core Facility Genomics sequenziert (Dr. Tomasz Zemojtel).

Projektziel:

  • Bestimmen einer möglichen Konkordanz zwischen Mutationsprofil/Mutationslast von Tumor und cfDNA aus Plasma

 

Was sind zirkulierende Tumorzellen?

Zirkulierende Tumorzellen (CTC) sind maligne, von einem soliden Tumor abstammende Zellen, welche im Blutsystem zirkulieren. Dies geschieht indem sie einen vorteilhaften Phänotyp annehmen, welcher es ihnen erlaubt sich abzulösen und ins Blutsystem überzutreten. Dabei wird lediglich eine kleine Subpopulation der CTCs in der Zirkulation überleben und Fernmetastasen oder Lokalrezidive ausbilden.[1] Folglich ist die Analyse von CTCs, als blutbasierter Biomarker, in den letzten Jahren in den Interessenfokus von Forschern und Mediziner gerückt. In vielen klinischen Studien wurde der prognostische Wert von CTCs bereits evaluiert. Die Zählung von CTCs kann dazu verwendet werden, um Progression und Therapieansprechen zu beobachten. Eine hohe Anzahl von CTCs wird mit einer schlechten Prognose assoziiert.

Die Anzahl an detektierbaren CTCs ist abhängig von der Tumorentität, dem Krankheitsstadium als auch von den Markern und Detektionsmethoden, welche zur Analyse verwendet werden. Daher wurden in den letzten Jahren große Anstrengungen unternommen, um die Effizienz der CTC-Detektionsgeräte zu verbessern. Dennoch ist es nach wie vor eine große Herausforderung CTCs, welche in einer sehr geringen Anzahl vorkommen, im Hintergrund von Millionen Blutzellen zu messen.

Für die Analyse von CTCs verwenden wir in unserem Labor das AMNIS ImageStream®X, ein bildgebendes Durchflusszytometer. Das AMNIS erlaubt eine quantitative und qualitative Analyse von isolierten CTCs. Wir nutzen dieses Gerät zur Expressionsanalyse von PD-1/PD-L1, sogenannte Immune Checkpoint Moleküle, auf der Oberfläche von CTCs. Diese werden häufig von Tumorzellen exprimiert, um einer Immunantwort von natürlichen Killerzellen (NK) und T-Zellen zu entgehen.[2] Heutzutage kommen u.a. Antikörper-basierte Therapeutika zum Einsatz, welche spezifisch gegen PD-1 oder dessen Liganden PD-L1/PD-L2 gerichtet sind und somit die Tumor-vermittelte Blockierung des Immunsystems unterbinden. Die Expression von PD-L1 im Tumorgewebe hat bereits einen nachgewiesenen prädiktiven Wert, allerdings ist dieser für PD-L1 exprimierende CTCs noch nicht validiert.

Literatur:
1. Dasgupta, A., A.R. Lim, and C.M. Ghajar, Circulating and disseminated tumor cells: harbingers or initiators of metastasis? Molecular oncology, 2017. 11(1): p. 40-61.
2. Nicolazzo, C., et al., Monitoring PD-L1 positive circulating tumor cells in non-small cell lung cancer patients treated with the PD-1 inhibitor Nivolumab. Sci Rep, 2016. 6: p. 31726.

 

Projekte CTCs und deren Ziele

1. Evaluation des prädiktiven Wertes von PD-L1 expriminierenden zirkulierenden Tumorzellen (CTCs)

Um den prädiktiven Wert von PD-L1 positiven CTCs zu bestimmen, findet unser CTC-Analyseansatz Anwendung in verschiedenen klinischen Studien, welche die Wirksamkeit von Immuncheckpointinhibitoren bei lokal fortgeschrittenem Kopf-Hals-Karzinomen untersuchen. Von Patienten mit lokal-fortgeschrittenem Kopf-Hals-Karzinom,  werden Blutproben vor Therapie (T0) und unter Therapie (T1) entnommen und analysiert. Dazu zählen wir die absolute Menge an CTCs in 7,5ml Blut und analysieren deren PD-L1/PD-L2 Expressionsstatus. Anschließend werden diese Daten mit dem klinischen Verlauf der Patienten korreliert.

Projektziele:

  • Untersuchung von Blutproben auf CTCs und deren Immuncheckpoint Status von Patienten, welche Immun-Checkpoint Inhibitoren erhalten.
  • Evaluation des prädiktiven Wertes von PD-L1 exprimierenden CTCs als Früherkennungsmarker für das Therapieansprechen
  • den prognostischen Wert von PD-L1 exprimierenden CTCs in HNSCC
  • Vergleich der Detektion von Immuncheckpoint Markern auf CTCs mit der Detektion in Gewebeschnitten

 

2. Etablierung eines CTC Scores

Ein weiteres CTC-basiertes Projekt in unserem Labor befasst sich mit der Etablierung eines „digital CTC Scores“. Dazu wird die „digital droplet PCR“, welche eine hoch-sensitive, molekular-biologische Methodik ist, genutzt. Damit sollen CTCs auf Basis von tumor-spezifischen Transkripten in Blutproben von HNSCC Patienten nachgewiesen werden. In einem vorherigen Projekt in unserem Labor wurde eine CTC Detektionsmethodik basierend auf EGFR Transkripten etabliert. Die diagnostische Aussagekraft des „digital CTC Score“ wird mit der EGFR-basierten Methodik verglichen.

Projektziel:

  • neue Nachweismethode von CTCs in Blutproben von Patienten mit Kopf-Hals-Karzinomen

allgemeine Projektziele

  • Etablierung einer Methode für die Isolation von ctDNA aus Plasmaproben
  • Quantifizierung der extrahierte ctDNA
  • Vergleichende Analysen des Mutationsspektrums des Primärtumors und der ctDNA
  • Etablierung von verschiedenen Anreicherungsmethoden für CTCs aus Blutproben
  • Untersuchung von Stammzelleigenschaften und dem Metastasierungspotential der CTCs
  • Therapieansprechen oder Therapieresistenz frühzeitig bestimmen

Weiterführende Literatur


Ansprechpartner

Oliver Beyer
Oliver Beyer

Studentischer Mitarbeiter