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Krebsmarker

Validierung neuer Protein-Biomarker im Kampf gegen Prostatakrebs

Prostatakrebs zählt zu den am häufigsten diagnostizierten Krebsarten bei Männern und ist bei diesen nach Lungen- und Darmkrebs die dritthäufigste Todesursache. Im Jahr 2008 wurde weltweit bei circa 900.000 Männern Prostatakrebs diagnostiziert, und 258.000 erlagen dieser Erkrankung. Dabei waren rund 30% der Betroffenen älter als 50 Jahre. 

Für eine erfolgreiche Behandlung von Prostatakrebs sollte die Erkrankung in einem möglichst frühen Stadium detektiert werden. Daher bemühen sich Forscher mit großer Anstrengung, bereits existierende Diagnosemöglichkeiten qualitativ zu verbessern und neue prognostische oder diagnostische Biomarker zu entdecken sowie zu validieren.

Heute gängige Untersuchungsmethoden zum Nachweis des Prostatakarzinoms beinhalten die Bestimmung des PSA-Wertes im Patientenblut und eine Tastuntersuchung der Prostata. Der PSA-Wert bezieht sich dabei auf das sogenannte prostataspezifische Antigen – ein Protein, welches bei Prostatakrebs, aber auch bei Entzündungen oder einer Vergrößerung der Prostata vermehrt im Blut gemessen werden kann. Liefern sowohl die Tastuntersuchung als auch ein erhöhter PSA-Wert Hinweise für einen Verdacht auf Prostatakrebs, wird oft ein invasiver Eingriff – eine Biopsie –durchgeführt. Allerdings birgt der PSA-Test den großen Nachteil einer sehr hohen Rate an falsch-positiven Prostatakrebs-Diagnosen (bis zu 75%), was häufig eine unnötige Biopsie mit Nebenwirkungen wie Blutungen und Inkontinenz zur Folge hat. Bis heute wurde zudem kein optimaler PSA-Schwellenwert definiert. Eine Senkung dieses Wertes birgt die Gefahr, dass insignifikanter Krebs behandelt wird, welcher im natürlichen Lebensverlauf nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit lebensbedrohlich würde. Überbehandlung ist somit eines der größten Risiken bei der Prostatakrebs-Diagnose1, 2. Aus diesem Grund ist die Suche und Validierung von weiteren Markern, welche die Spezifität der Prostatakrebs-Diagnose verbessern und eine Aussage über die Aggressivität ermöglichen, unabdingbar. Mit Hilfe der quantitativen Massenspektrometrie konnten wir nun neue, sehr spezifische Biomarker im Serum von Prostatakrebspatienten ermitteln. 

Quantitative Massenspektrometrie  als Biomarker-Screening-Strategie 

Molekulare und genetische Biomarker spielen eine entscheidende Rolle in der klinischen Onkologie. Sie erlauben Prognosen darüber, ob eine Person Krebs entwickeln wird, oder geben Hinweise auf das jeweils vorliegende Krebsstadium. Zudem helfen diagnostische Biomarker dem Mediziner bei der Entscheidung über Behandlungsoptionen und bei der Identifizierung von Subpopulationen, die auf eine bestimmte Therapie ansprechen3, 4

Eine der größten Herausforderungen ist dabei das Auffinden von Biomarkern im Blut oder anderen Körperflüssigkeiten mittels nicht-invasiver Detektionsmethoden, um eine patientenspezifische medizinische Vorsorge und Behandlung für Krebserkrankungen anbieten zu können. Um neue prognostische und diagnostische Proteinbiomarker im Serum von Krebspatienten zu identifizieren, nutzen Wissenschaftler das mittlerweile enorme Wissen über genetische Veränderungen (Mutationen), die oft Veränderungen in Signalwegen zur Folge haben, welche die Entstehung von Krebs begünstigen. 

Mittels Proteomanalysen, die auf quantitativer Massenspektrometrie basieren, konnte kürzlich gezeigt werden, dass Prostatakrebs-spezifische Mutationen zu einem gesteigerten Vorkommen von Proteinbiomarken im Serum führen5. Eine Inaktivierung des PTEN (Phosphatase und Tensin-Homolog)-Gens führt dabei zu einem veränderten Phosphatidylinositol-3-Kinase- (PI3K)-Signalweg6, welcher eine veränderte Produktion von Oberflächenproteinen und sekretorischen Proteinen des Prostatagewebes nach sich zieht7. Mit Hilfe eines Mausmodells, das durch den Verlust des Tumorsuppressor-Gens PTEN im Prostataepithelium charakterisiert ist, konnten unter Anwendung massenspektrometrischer Screening-Strategien8 Proteine mit unterschiedlichen Expressionsmustern in gesundem und krankem Gewebe von Mäusen identifiziert werden6. Diese in der Maus identifizierten potentiellen Biomarkerkandidaten wurden anschließend im Serum von 77 Patienten mit lokalem Prostatakrebs sowie einer Kontrollgruppe (66 Personen mit einer gutartigen Prostatavergrößerung) gemessen. Eine Untersuchung des Prostatagewebes von Prostatakrebspatienten ergab, dass PTEN-Defekte in mehr als 70% aller Fälle eine Rolle spielen. Somit konnte auch die Relevanz des Mausmodells bestätigt werden.

Neue prognostische und diagnostische Biomarker

Der Datensatz an gemessenen Proteinen im menschlichen Blut konnte nun genutzt werden, um geeignete Biomarkerkandidaten zu selektieren und somit Vorhersagemodelle aufzubauen, welche beispielsweise eine Unterscheidung zwischen einem normalen oder anomalen PTEN-Status erlauben. Mit Hilfe von histologischen Gewebeuntersuchungen konnten die biologischen Eigenschaften des Tumors und seine Bösartigkeit genauer bestimmt werden. Dadurch konnte bei einem PTEN-Gendefekt festgestellt werden, dass der Verlust des PTEN-Gens im Prostatagewebe mit einer beschleunigten Prostatakrebs-Progression und -Aggressivität einhergeht9. Es besteht demnach eine kausale Verbindung zwischen der Bewertung der Aggressivität eines Tumorgewebes und der Funktionalität des PTEN-Gens.

In diesem Kontext konnten mittels bioinformatischer Methoden eine Handvoll Proteinbiomarker im Serum von Prostatakrebspatienten aufgefunden werden, welche die beschriebene Korrelation zwischen PTEN-Verlust und Krebsprogression verdeutlichten und sich somit für die nicht-invasive Abklärung von Prostatakrebsstadien eignen. 

Unter den ermittelten krebsspezifischen Biomarkerkandidaten konnten neben den prognostischen Biomarkern auch vier Proteine im Blutserum identifiziert werden, die eine zuverlässige Prostatakrebsdiagnose ermöglichen, wenn sie mit dem PSA-Test kombiniert werden. Mit Hilfe von bioinformatischen Filtern wurden folgende vier Proteine identifiziert: Hypoxia up-regulated protein 1 (HYOU1), Asporin (ASPN), Cathepsin D (CTSD) und Olfactomedin-4 (OLFM4). Dabei decken die vier Proteine zwei Drittel der biologischen Hauptmerkmale in der Krebsentwicklung ab10. CTSD ist zum Beispiel involviert in die Tumorinvasion und Metastasierung, OLFM4 verhindert den Zelltod, ASPN hilft einer Zelle, Wachstumssuppressoren zu entgehen, und HYOU1 induziert die Angiogenese (Abb. 1).

Das Messen dieser vier Proteinmarker in Kombination mit dem PSA-Test lieferte bei ersten Messungen bereits eine sehr hohe Spezifität von 79%, das heißt, in fast 80% der Fälle traf eine positive Vorhersage auch wirklich zu. Verglichen mit der PSA-Messung allein, die im gemessenen Kollektiv eine Spezifität von 45% aufwies, bedeutet dieser Wert eine Steigerung von rund 43% (Tab. 1). Dieses Ergebnis konnte in einer weiteren unabhängigen Messung für 37 Probanden (14 Personen mit lokalem Prostatakrebs; 23 mit gutartiger Prostatavergrößerung) bestätigt werden. Ein auf dem PSA-Wert und dem Messen der vier Proteine basierender Test ist somit eine ideale nicht-invasive Methode, um die Anzahl an falsch-positiven Prostatakrebs-Diagnosen und somit unnötigen Biopsien zu verringern. Zudem bieten diese neuen diagnostischen Biomarker die Möglichkeit mit hoher Präzision, Stabilität und Reproduzierbarkeit Prostatakrebs detektieren zu können.

Prospektive Validierungsstudien 

Eine momentane Limitierung der Anwendbarkeit und Aussagekraft des beschriebenen Diagnostik-Tests ist die Anzahl der analysierten humanen Proben und die ausschließlich retro-spektiv durchgeführten Messungen. Daher soll zukünftig die Aussagekraft des auf der Messung des PSA-Wertes und der vier Proteinbiomarker basierenden Diagnostik-Tests in einer größeren Patientenstudie prospektiv getestet werden. 

Da Messungen, die auf der Technik von Massenspektrometern beruhen, nur bedingt für das Screenen einer großen Anzahl von Patientenseren geeignet sind, sollen die Proteinmessungen mit einer einfacheren Methode, dem sogenannten ELISA-Test, durchgeführt werden. Das schweizerische Start-Up Unternehmen ProteoMediX AG ist mit der Entwicklung eines solchen Tests beschäftigt und hofft, möglichst bald ein entsprechendes Produkt auf den Markt zu bringen. Bewahrheitet sich die Aussagekraft des neuen Diagnostik-Tests in den geplanten klinischen Studien, können unzähligen Männern unnötige Gewebeentnahmen und damit verbundene Komplikationen erspart werden sowie Unsicherheit und Angst, die mit einem erhöhten PSA-Wert einhergehen. Ferner kann dieser Test auch zu einer bedeutenden Senkung der Gesundheitskosten beitragen, da die Zahl falsch-positiver Diagnosen verringert wird.

Literatur

[1] Schröder, F.H., et al., ERSPC Investigators, N Engl J Med 360 (2009), 1320-1328

[2] Andriole, G.L., et al., PLCO Project Team, N Engl J Med 360 (2009), 1310-1319

[3] Tainsky, M.A. Biochim Biophys Acta (1796), 176-193

[4] Ludwig, J.A., Weinstein, J.N., Nat Rev Cancer 5 (2005), 845-856

[5] Cima, I., Schiess, R., et al., Proc Natl Acad Sci USA 108 (2011), 3342-3347

[6] Maehama, T., Dixon, J.E., J Biol Chem 273 (1998), 13375-13378

[7] Mehrian-Shai, R., et al., Proc Natl Acad Sci USA 104 (2007), 5563-5568

[8] Schiess, R., Wollscheid, B., Aebersold, R., Mol Oncol 3 (2009), 33-44

[9] McMenamin, M.E., et al., Cancer Res 59 (1999), 4291-4296

[10] Hanahan, D., Weinberg, R.A., Cell 144 (2011), 646-674

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Heft 1/2012

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