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Die Liquid Biopsy ermöglicht u.a. die molekulare Heterogenität von Tumoren zu bestimmen, die Tumordynamik zu verfolgen und etwaige Resistenzmechanismen frühzeitig zu erkennen.
 
Onkologie 18. Mai 2015

Tropfen Blut zur Tumor-Diagnostik

Zirkulierende zellfreie Tumor-DNA: Möglichkeiten und Grenzen einer Therapiesteuerung.

Bereits seit 1948 ist die Existenz von im Blut zirkulierender zellfreier DNA (cfDNA) bekannt. Allerdings dauerte es Jahrzehnte, bis ihr klinischer Nutzen als potenzieller Biomarker in der Onkologie erkannt wurde. Die sogenannte „Liquid Biopsy“ ist ein vielversprechendes Konzept, um wiederholt genetische Follow-Up-Daten von Tumorpatienten zu erheben. Mit den dadurch gewonnenen Informationen kann die Therapie angepasst werden.

Durch die Einführung von sogenannten zielgerichteten Therapien konnte bei metastasierten Tumorpatienten in den letzten Jahren die Ansprechrate, das Überleben und die Zeitspanne bis zum Versagen der Therapie verbessert werden. Um optimale Behandlungsstrategien zu entwickeln, die auf den einzelnen Patienten abgestimmt sind, müssen allerdings die molekularen Veränderungen von Tumoren bestimmt werden. Mögliche Therapieziele werden derzeit anhand von Gewebsbiopsien, die eine belastende und schmerzhafte Untersuchung für Patienten darstellen können und nur eine Momentaufnahme des Tumors zum Zeitpunkt der Biopsie liefern, identifiziert. In fortgeschrittenen Stadien werden Metastasen selten biopsiert, weshalb Therapieentscheidungen oft ohne das Wissen, welche Veränderungen in der Metastase präsent sind, getroffen werden müssen.

Tumorgenome verändern sich kontinuierlich

Die wohl größte Herausforderung für die Verabreichung von zielgerichteter Therapie stellt allerdings die Tumorheterogenität dar. Biopsien sind nicht immer repräsentativ für die Gesamtheit der im Tumor vorhandenen Veränderungen. Dadurch können Veränderungen, die zum Auftreten primärer Resistenzen führen könnten, übersehen werden. Da sich Tumorgenome kontinuierlich verändern, kann es im Laufe der Progression bzw. unter dem selektiven Druck der Therapien zur Akkumulation von neuen genetischen Veränderungen kommen. Diese können dann unerkannt bleiben, wenn sich das Erbgut des Tumors nicht wiederholt und in regelmäßigen Abständen analysiert wird. Diese im Laufe der Progression erworbenen Veränderungen können einerseits zu Resistenzen führen, andererseits können sie aber auch neue Therapieziele darstellen.

Ein vielversprechendes Konzept, um wiederholt genetische Follow-Up-Daten von Tumorpatienten zu erheben, ist die Analyse von zirkulierender zellfreier DNA (cfDNA), die sogenannte „Liquid Biopsy“. Obwohl das Vorhandensein der cfDNA bereits 1948 beschrieben wurde, dauerte es mehrere Jahrzehnte bis ihr klinischer Nutzen als potenzieller Biomarker in der Onkologie erkannt wurde. Tumore entlassen zellfreie DNA (ctDNA, circulating tumor DNA) in die Zirkulation, die genetische Veränderungen des Tumors, dessen unterschiedlichen Klone und etwaiger Metastasen reflektieren.

Mit Hilfe einer Liquid Biopsy ist es möglich, die molekulare Heterogenität von Tumoren zu bestimmen, die Tumordynamik und somit die genetische Evolution von Tumoren zu verfolgen, Therapieziele zu identifizieren und etwaige Resistenzmechanismen frühzeitig zu erkennen. Mittlerweile wurde die klinische Relevanz von ctDNA als prognostischer bzw. prädiktiver Biomarker in zahlreichen Studien belegt.

Identifikation der Tumorevolution

Wir konnten beispielsweise zeigen, dass es möglich ist Resistenzmechanismen, wie beispielsweise fokale Amplifikationen der Gene KRAS oder ERBB2, in Patienten mit metastasierten kolorektalen Karzinomen unter Anti-EGFR Therapie, frühzeitig zu erkennen, bevor die Progression klinisch offensichtlich wurde. Auch in einer Reihe von Prostatakrebspatienten konnten wir Androgenrezeptor-Gen (AR) Amplifikationen als Ursache einer Kastrationsresistenz nicht-invasiv nachweisen. In einem weiteren Patienten mit kolorektalem Krebs konnten wir eine FLT3 Amplifikation nachweisen, die erst im Laufe der Progression entstanden ist und im Primärtumor nicht vorhanden war. FLT3 kodiert für eine Rezeptortyrosinkinase und stellt ein therapierbares Ziel dar, für das Inhibitoren zur Behandlung von Leukämie zugelassen sind.

Ein ähnliches Beispiel kommt von einer Patientin, die mit einem Her2-negativen Brusttumor diagnostiziert wurde. In einer Plasmaprobe fünf Jahre nach der Erstdiagnose konnten wir eine fokale HER2-Amplifikation identifizieren, die in einer zweiten Probe bestätigt wurde. Aufgrund dieser Daten wurde die Immunhistochemie des Primärtumors, sowie einer zwei Jahre später aufgetretenen Lymphknotenmetastase wiederholt, wobei diese Tumorproben wieder als Her2-negativ klassifiziert wurden. In einer neu entstandenen Lebermetastase konnte allerdings eine Her2-Überexpression beobachtet werden, was ausschlaggebend für einen Therapiewechsel zu Trastuzumab war. Die Patientin sprach gut auf die Therapie an, was durch eine Regression der Lebermetastaste und Reduktion der zirkulierenden Tumor DNA in der Zirkulation reflektiert wurde.

Therapeutisch reagieren

Anhand der Analyse von zirkulierender DNA entnommen von Patienten mit metastasierten Brust- und Prostatatumoren konnten wir zeigen, dass sich das Erbgut von Tumoren kontinuierlich verändern kann und dass sich Tumoren auf die Gegebenheiten von Therapien sehr rasch einstellen können. Diese Resultate unterstreichen die Notwendigkeit, diese Veränderungen frühzeitig zu erfassen und kontinuierlich zu überwachen, um so rasch wie möglich auf etwaige Resistenzmechanismen reagieren zu können, ohne den Patienten mit wiederholten Biopsien zu belasten.

Derzeitige Limitationen

Trotz des unumstrittenen Nutzens der Liquid Biopsy wird sie bisher noch nicht in der klinischen Praxis eingesetzt. Für eine tatsächliche Umsetzung der Liquid Biopsy in der Routine ist es unabdingbar, die Sensitivität und Genauigkeit bzw. den prädiktiven und prognostischen Wert der ctDNA in großen prospektiven Studien zu evaluieren und Standards für die prä-analytische Prozessierung der Proben und Untersuchungsmethoden der ctDNA zu etablieren.

Des Weiteren ist die Biologie der Freisetzung der DNA noch nicht geklärt. Obwohl man glaubt, dass der Großteil der DNA von apoptotischen Zellen stammt, ist die Kinetik der Freisetzung noch unklar. Es gibt Studien, die darauf hinweisen, dass die Freisetzung mit der Tumorlast korreliert. Daten unserer Gruppe weisen eher darauf hin, dass die Freisetzung der DNA nicht kontinuierlich erfolgt, sondern eher mit der Proliferationsrate der Tumoren zusammenhängen könnte. Der Anteil der Tumor-spezifischen DNA kann prinzipiell stark variieren. Bei einigen Tumorpatienten findet man 50 bis 90 Prozent Tumor-DNA im Plasma, bei anderen weniger als ein Prozent. Vor allem bei früheren Stadien ist der Anteil der ctDNA-Fragmente häufig unterrepräsentiert und wird durch die Anwesenheit von DNA aus normalen Zellen verdünnt (cfDNA). Es kommt auch vor, dass – sowohl bei Patienten in frühen Stadien als auch bei bereits metastasierten Patienten – keine Tumor-spezifische DNA mit den Standardmethoden in der Zirkulation nachgewiesen werden kann, und daher bedarf es hochauflösender Methoden zur Detektion der Tumor-spezifischen Veränderungen.

Eine weitere Limitation der ctDNA ist die Tatsache, dass man die Herkunft der genetischen Veränderungen nicht zurückverfolgen kann. Auch wenn man davon ausgeht, dass die DNA das Tumorgenom umfassend repräsentiert, gibt es bisher erst wenige Studien, die die Veränderungen mit jenen der vorhandenen Tumoren bzw. Metastasen verglichen haben. Es ist noch unklar, ob die ctDNA alle Subklone von unterschiedlichen Tumorherden widerspiegelt oder nur den am schnellsten proliferierenden Klon reflektiert. Das heißt, es bleibt zu evaluieren, ob die Aberrationen, die in der Zirkulation nachgewiesen werden, auch die klinisch relevanten Veränderungen widerspiegeln. Dazu müssten häufiger Metastasen feingeweblich untersucht werden, um auf die tatsächliche Herkunft der ctDNA rückzuschließen. Auch die Freisetzung der ctDNA unter Therapie ist noch wenig erforscht.

Ausblick für die Zukunft

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass sich die Analyse der ctDNA als Liquid Biopsy zu einer wertvollen Ergänzung der herkömmlichen Gewebsbiopsie entwickeln könnte. Langfristig gesehen könnte die Notwendigkeit von wiederholten Gewebsbiopsien gänzlich umgangen werden, sofern die oben genannten Problematiken gelöst werden können. Da die Probenentnahme für ctDNA Analysen minimal-invasiv ist, stellt sie eine wesentlich geringere Belastung für die Patienten dar als eine Gewebsbiopsie. Blut kann wiederholt zu jedem Zeitpunkt vor, während und nach einer Therapie abgenommen werden, womit ein Überwachen der Tumorevolution in Echtzeit gewährleistet wäre.

Prof. PD Dr. Ellen Heitzer ist am Institut für Humangenetik an der MedUni Graz tätig.

Der Originalartikel „Zirkulierende zellfreie Tumor-DNA“ ist erschienen im „wmw-Skriptum“ 4/2014,

© Springer Verlag.

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Ellen Heitzer, Ärzte Woche 21/2015

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