Entwicklung neuer Biomarker in der klinischen Prüfung

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Biomarker sind charakteristische biologische Merkmale, die objektiv gemessen werden können. Medizinisch betrachtet, können sie auf einen normalen biologischen oder einen krankhaften Prozess im Körper hinweisen. Als medizinische Biomarker können Zellen, Gene, Genprodukte oder bestimmte Moleküle wie Enzyme oder Hormone, aber auch komplexe Organfunktionen oder charakteristische Veränderungen biologischer Strukturen dienen.

Für die Entwicklung neuer Medikamente kann die Analyse von Biomarkern sehr nützlich sein. Mit ihrer Hilfe kann beispielsweise das toxische Potenzial und auch die Wirksamkeit eines Medikaments bewertet werden. Durch die Messung von Biomarkern wird auch versucht, den Verlauf einer Erkrankung oder den zugrunde liegenden pathologischen Mechanismus zu beschreiben oder das Resultat einer medikamentösen Intervention vorherzusagen. Eine große Herausforderung ist es, Biomarker mit der erforderlichen Voraussagekraft bzw. der Bewertungsgenauigkeit zu entwickeln.

Die Wissenschaftler der Abteilung »Analytik und Entwicklung von Biomarkern« am Fraunhofer ITEM stellen sich dieser Herausforderung. Sie entwickeln und analysieren in enger Kooperation mit den klinischen Partnern im CRC Hannover neue Biomarker. Neben dem Zugriff auf eine große Biobank von Gewebe- und Blutproben werden Proben von Patienten im Rahmen von klinischen Studien gewonnen. Diese Proben können von klinischen Provokationsmodellen nach inhalativer entzündlicher Provokation mit Lipopolysacchariden, Ozon, ultrafeinen Partikeln oder Allergenen und gegebenenfalls aus klinischen Medikamentenstudien stammen.

Außerdem werden gut charakterisierte Proben von Patienten herangezogen, die an Lungenerkrankungen wie COPD, Asthma, Lungenfibrose oder allergischen Erkrankungen wie Rhinitis leiden. Je nach Fragestellung werden die Proben aus peripherem Blut, induziertem Sputum, bronchoalveolärer Lavage (BAL) oder der Ausatemluft gewonnen und für die Messung der jeweiligen Biomarker aufbereitet. Neben einer speziellen Probenaufbereitung werden auch die Reinheit und die Stabilität des Probenmaterials und damit dessen Qualität geprüft.

Messungen auf Proteinebene mittels ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay)

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Am Fraunhofer ITEM sind Messungen auf Proteinebene mittels ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) in Multiplexsystemen (Mesoscale Discoveries, MSD) zur Untersuchung der Konzentration von Zytokinen oder Chemokinen in der jeweiligen biologischen Flüssigkeit möglich. Die Prüfung zellulärer Funktionen oder der Oberflächenmarkerexpression von Zellen aus der BAL, Sputum oder dem peripheren Blut mittels Durchfluss- und chipbasierter Zytometrie stellt eine gute Möglichkeit dar, sehr detailliert zelluläre Interaktionen oder Funktionalitäten von Subpopulationen sowohl direkt als auch nach Zellkultur zu beschreiben. Die Zusammensetzung der gewonnenen Zellen erlaubt wichtige Rückschlüsse auf die klinische Situation des Patienten oder auf die zugrunde liegenden Pathomechanismen. Bei allen Arbeiten werden die Qualitätskriterien entsprechend den GCLP-Richtlinien eingehalten und kontrolliert – dies garantiert die Korrektheit der durchgeführten Messungen.

Biomarker im Sputum von Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD)

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Die Messung von Zytokinen und Chemokinen zur Beschreibung von inflammatorischen Zuständen und der Krankheitsprognose wird häufig angewandt, um den Einfluss von therapeutischen Behandlungen in der Klinik zu bewerten. Eine wesentliche Voraussetzung für die Nutzung von Biomarkern in klinischen Studien ist, dass die Messungen korrekt und reproduzierbar im jeweiligen Probenmaterial sind.

Am Fraunhofer ITEM wurde bei Personen mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung die Validität der Messung einer großen Anzahl von Biomarkern in Proben aus der Lunge – wie BAL, Biopsien oder induziertem Sputum und Serum – untersucht. Mithilfe der großen Zahl von Messungen zur Variabilität und Reproduzierbarkeit konnte bewertet werden, welche Biomarker in welchem Probenmaterial (Matrix) geeignet sind.

Publikationen

  1. Inter- and intrasubject variability of the inflammatory response to segmental endotoxin challenge in healthy volunteers.
    Holz O, Tan L, Schaumann F, Müller M, Scholl D, Hidi R, McLeod A, Krug N, Hohlfeld JM. Pulm Pharmacol Ther. 2015 Dec; 35: 50-9. doi: 10.1016/j.pupt.2015.10.011. Epub 2015 Nov 10. PubMed PMID: 26545873.
  2.  Repeatability of and relationship between potential COPD biomarkers in bronchoalveolar lavage, bronchial biopsies, serum, and induced sputum.
    Röpcke S, Holz O, Lauer G, Müller M, Rittinghausen S, Ernst P, Lahu G, Elmlinger M, Krug N, Hohlfeld JM. PLoS One. 2012; 7(10): e46207. doi: 10.1371/journal.pone.0046207. Epub 2012 Oct 4. PubMed PMID: 23056262; PubMed Central PMCID: PMC3464239.
  3. Impact of endobronchial allergen provocation on macrophage phenotype in asthmatics.
    Winkler C, Witte L, Moraw N, Faulenbach C, Müller M, Holz O, Schaumann F, Hohlfeld JM. BMC Immunol. 2014 Mar 10; 15: 12. doi: 10.1186/1471-2172-15-12. PubMed PMID: 24612750; PubMed Central PMCID: PMC4007705.