Verbesserte Proteinmarker für schnellere und eindeutigere Diagnosen

Unspezifische neurologische Symptome wie Taubheitsgefühl, Sehstörungen oder Müdigkeit können die Diagnosestellung erheblich erschweren. Trotz moderner bildgebender Verfahren fehlen für viele neurologische Erkrankungen verlässliche molekulare Biomarker, was zu verzögerten oder ungenauen Diagnosen führen kann.

Professor Bernhard Hemmer, Leiter der Abteilung für Neurologie am Universitätsklinikum der TUM, erläutert: „Die Diagnose neurologischer Erkrankungen wie Multiple Sklerose basiert auf einer Kombination aus bildgebenden Verfahren mittels Magnetresonanztomographie (MRT) und der Analyse des Liquor. Während das MRT entzündliche Veränderungen im Gehirn und Rückenmark aufzeigt, deutet der Liqour auf chronische Immunaktivität im Nervensystem hin. In den meisten Fällen ermöglicht diese Kombination eine zuverlässige Diagnose. In Einzelfällen kann die Differenzierung jedoch schwierig sein. Dies kann zu langwierigen und weniger zuverlässigen Diagnosen führen und ist mit unsicheren und verzögerten Behandlungsentscheidungen verbunden. Aus diesem Grund benötigen wir neue Biomarker, um die verschiedenen Erkrankungen besser diagnostizieren zu können. Neben diagnostischen Herausforderungen bleibt die Vorhersage des Krankheitsverlaufs, insbesondere der Zunahme von Beeinträchtigungen, zur Steuerung einer optimalen Behandlung ein wichtiges ungelöstes Problem bei MS.“

Proteomik im Liquor: Tausende Proteine parallel analysiert

Um neue Biomarker zu identifizieren, arbeiteten die Neurologen Bernhard Hemmer und Christiane Gasperi, beide MS-Experten an der TUM, mit Professor Matthias Mann zusammen, Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie und international führender Proteomikforscher.

Matthias Mann erklärt: „Wir entwickeln in unserem Labor gemeinsam mit Kollegen seit Jahrzehnten die Technologie zur Messung von Proteinen mithilfe der Massenspektrometrie. Jetzt können wir Proteine in Körperflüssigkeiten zuverlässig und genau messen. Lange Zeit konnten Forschende jedoch nur wenige Proben untersuchen und nur die Proteine messen, die in hohen Konzentrationen in einer Körperflüssigkeit vorhanden sind. Diese Proteine erwiesen sich oft nicht als die besten Marker für Krankheiten. Deshalb haben wir die neuesten Fortschritte in der Massenspektrometrie-Hardware, -Software und -Probenvorbereitung kombiniert und den Arbeitsablauf an die Untersuchung von Liquor angepasst.“

In der Studie wurden Liquorproben von mehr als 5000 Patienten mit unterschiedlichen neurologischen Erkrankungen untersucht. Jakob Bader, Erstautor der Studie und Postdoktorand in der Proteomikforschung, erläutert: „Die Proteomik ist eine wissenschaftliche Disziplin, die darauf abzielt, biologische Systeme durch die Messung aller Proteine zu charakterisieren. Für unsere Studie war es entscheidend, möglichst viele Proteine zu messen, um relevante Krankheitsmarker zu identifizieren und in den Analysen nachzuweisen. Ein großer Vorteil dieses proteomischen Ansatzes ist, dass die Identität der Marker nicht im Voraus bekannt sein muss – dadurch können langwierige, einzelne Kandidaten-Tests entfallen und die Forschung deutlich beschleunigt werden.“

Eine große Zahl an Patientenproben war erforderlich, um zufällige interindividuelle Unterschiede nicht mit krankheitsspezifischen Markern zu verwechseln. Zudem lässt sich die Spezifität eines Markers nur durch die parallele Analyse vieler relevanter Vergleichserkrankungen zuverlässig beurteilen. „Ein entscheidender Meilenstein war die gleichzeitige Analyse tausender Proteine und die Untersuchung tausender Patienten mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen.“ ergänzt Jakob Bader.

Systematischer Vergleich unterschiedlicher neurologischer Erkrankungen

Die 5000 untersuchten Liquorproben stammten von Patienten mit einem breiten Spektrum neurologischer Erkrankungen, darunter Schlaganfall, Hirntumoren, Infektionen sowie Autoimmunerkrankungen wie Multiple Sklerose. Zusätzlich wurden Kontrollproben von Patienten analysiert, die aufgrund schwerer Kopfschmerzen eine Liquoruntersuchung erhalten hatten, bei denen jedoch keine neurologische Erkrankung diagnostiziert wurde.

Der systematische Vergleich dieser Gruppen zeigte sowohl gemeinsame als auch krankheitsspezifische Veränderungen der Proteinwerte im Vergleich zu den Kontrollen. Allerdings weist eine erhöhte Proteinkonzentration aus diagnostischer Sicht nur selten eindeutig auf eine bestimmte Erkrankung hin. Die Studie verdeutlichte zudem, dass nicht krankheitsspezifische Faktoren wie Alter, Geschlecht und insbesondere die Durchlässigkeit der Blut-Liquor-Schranke die Zusammensetzung des Liquors stark beeinflussen und damit die Identifikation spezifischer Marker erschweren.

Neue Biomarker für schwer diagnostizierbare MS-Formen

Um das Potenzial der Proteomanalyse gezielt zu demonstrieren, konzentrierte sich das Forschungsteam auf die Identifikation diagnostischer Marker für MS. Rund 10 Prozent der MS-Patienten weisen keine oligoklonalen Antikörperbanden im Liquor auf, die als klassischer MS-Marker gelten und nicht im Blut vorkommen.

Christiane Gasperi erklärt: „Bei etwa 10 Prozent der MS-Patienten ist die Diagnose der Krankheit besonders schwierig, da ihnen der typische MS-Marker, die sogenannten oligoklonalen Antikörperbanden, fehlen, die spezifisch für die Liquorproben sind und nicht im Blut vorkommen.“

Sie betont zudem die klinische Relevanz einer frühzeitigen Diagnosesicherung: „Für unsere Patienten ist jedoch eine schnelle und eindeutige Diagnose der Krankheit enorm wichtig. Die derzeitigen Therapien können MS zwar nicht heilen, aber sie können das Fortschreiten der Krankheit verlangsamen und die langfristige Beeinträchtigung verringern. Daher ist es entscheidend, frühzeitig mit der Behandlung zu beginnen. Gleichzeitig können diese Therapien erhebliche Nebenwirkungen haben, sodass Behandlungsentscheidungen ein hohes Maß an diagnostischer Zuverlässigkeit erfordern. Wenn diese Diagnosesicherheit noch nicht erreicht ist, wird die Therapie oft verzögert. Daher profitieren MS-Patienten wirklich von einer frühzeitigen Therapie, die von einer klaren und frühzeitigen Diagnose abhängt.“

Für die Identifikation verbesserter Marker setzten die Forschenden eine weiter optimierte proteomische Methode ein und analysierten etwa 2000 Proteine in Proben von MS-Patientinnen und -Patienten sowie von Personen mit anderen entzündlichen Erkrankungen des Zentralnervensystems, die der MS klinisch ähneln. Dabei identifizierten sie ein Panel aus 22 Proteinen, das MS deutlich präziser von ähnlichen entzündlichen ZNS-Erkrankungen unterscheidet als bisher etablierte Liquorparameter.

Christiane Gasperi kommentiert: „Es ist besonders ermutigend, dass wir eine Kombination von Markerproteinen gefunden haben, die bei der Diagnose dieser besonders schwer zu identifizierenden Form von MS helfen.“

Proteom liefert Hinweise auf den Krankheitsverlauf

Neben der Diagnostik adressierte die Studie eine weitere zentrale Herausforderung: die Prognose des Krankheitsverlaufs. Während einige Patienten über viele Jahre relativ stabil bleiben, entwickeln andere rasch zunehmende Beeinträchtigungen oder wechseln von einem schubförmigen in einen progressiven Verlauf mit kontinuierlicher Verschlechterung.

Die Analyse von Hunderten von MS-Proben zeigte, dass das Proteom im Liquor zum Zeitpunkt der Diagnose mit dem späteren Grad der Beeinträchtigung korreliert. Zudem spiegelten bestimmte Proteinmuster ein erhöhtes Risiko für den Übergang von einem schubförmigen zu einem progressiven Verlauf sowie eine verkürzte Zeit bis zu diesem Übergang wider.

Bernhard Hemmer erklärt: „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass wichtige Aspekte der zukünftigen Beeinträchtigung und des Krankheitsverlaufs von Anfang an im Proteom widergespiegelt werden. Dies zeigt, dass die für einen prognostischen Test erforderlichen biologischen Informationen bereits bei der Diagnose vorliegen.“

Er fasst zusammen: „Für die Diagnose konnten wir ein spezifisches Proteinpanel definieren und validieren, das die Abgrenzung von MS zu anderen Erkrankungen in schwierigen Fällen verbessert. Zudem haben wir festgestellt, dass das gesamte Proteinmuster im Liquor zum Zeitpunkt der Diagnose mit dem Krankheitsverlauf in den folgenden Jahren zusammenhängt. Diese Erkenntnisse bringen uns insgesamt einer präziseren Diagnose und einer individuelleren Behandlungsstrategie schon zu Krankheitsbeginn näher.“

Perspektiven für weitere neurologische Erkrankungen

Matthias Mann sieht in dem etablierten methodischen Ansatz weitreichende Perspektiven: „Proteine steuern fast alle biologischen Prozesse im Körper und sind seit langem die wichtigste Gruppe diagnostischer Marker. Dennoch stehen wir hier wahrscheinlich erst am Anfang. Mit der hier etablierten Methodik können wir nun das Proteom im Liquor vieler Patienten mit einer bisher unerreichten Anzahl von Proteinen analysieren. Dieser technologische Fortschritt verändert die Art und Weise, wie wir nach Biomarkern suchen sollten. Umfassende Proteomanalysen großer Patientengruppen versprechen den effizientesten Weg zu neuen und besseren Biomarkern. Über die Multiple Sklerose hinaus eröffnet dieser Ansatz Perspektiven für viele andere Erkrankungen des ZNS – von Alzheimer und Parkinson bis hin zu Hirntumoren und anderen neurologischen Erkrankungen.“

Originalpublikation:
Bader, J. M., Geyer, P. E., Müller, J. B., Strauss, M. T., Koch, M., Leypoldt, F., Koertvelyessy, P., Bittner, D., Schipke, C. G., Incesoy, E. I., Peters, O., Deigendesch, N., Simons, M., Jensen, M. K., Zetterberg, H., & Mann, M. (2020). Proteome profiling in cerebrospinal fluid reveals novel biomarkers of Alzheimer’s disease. Molecular Systems Biology, 16(6), e9356. DOI:10.15252/msb.20199356

Quelle: Max-Planck-Institut für Biochemie