Aber wie kann BioVariance dieses hohe Tempo erreichen? Und wie funktioniert eigentlich die PCR-Diagnostik? Diese und weitere Informationen zum Workflow im BioVariance Labor erhaltet Ihr im Folgenden.

qPCR-Verfahren im BioVariance Labor

Die Abkürzung „qPCR“ steht für „quantitative Polymerasekettenreaktion“ (engl.: quantitative polymerase chain reaction). SARS-CoV-2 zählt zu den sogenannten RNA-Viren, das heißt das Genom besteht aus RNA und nicht aus DNA wie bei Tieren oder Menschen. Anhand des Genoms kann ein Organismus zweifelsfrei identifiziert werden, was sich die PCR zunutze macht. Vor der eigentlichen PCR wird daher aus der Probe, die sowohl RNA in Form von potenziellen Viren als auch DNA in Form von menschlichen Zellen der Rachenschleimhaut enthält, die RNA isoliert und gereinigt. Diese RNA wird anschließend mithilfe des Enzyms Reverse Transkriptase in DNA umgewandelt, da in der PCR nur DNA eingesetzt werden kann.

Danach beginnt die eigentliche PCR: Mithilfe des Enzyms Polymerase werden gezielt charakteristische Abschnitte der enthaltenen DNA vermehrt. Dieser Prozess nennt sich „Amplifikation“. Im Labor der BioVariance trifft dies auf insgesamt 3 Zielsequenzen zu. 2 davon sind Abschnitte von Genen, die in SARS-CoV-2 zu finden sind: das RdRP-Gen und das E-Gen. Das RdRP-Gen kommt spezifisch nur in SARS-CoV-2-Viren vor, das E-Gen hingegen tritt allgemein in der Untergattung der Sarbecoviren auf, wozu auch SARS-CoV-2 gehört. Der Nachweis des RdRP-Gens alleine wäre ausreichend, um die Probe als positiv zu identifizieren. BioVariance setzt jedoch bei der Erstellung eines positiven Befunds den Nachweis beider Virus-Gene voraus, um falsch-positive Ergebnisse zu verhindern. Die dritte Zielsequenz, das RNase-P-Gen, ist ein menschliches Gen und bei jedem Menschen gleichermaßen vorhanden. Es dient der laborinternen Kontrolle, um zu prüfen, ob ausreichend Probenmaterial im Abstrich vorhanden ist, und um somit falsch-negative Ergebnisse zu verhindern.

Auswertung des qPCR-Ergebnisses

Doch wie kann man erkennen, ob eine Amplifikation der Ziel-Sequenzen stattfindet? Während der PCR, die unter Verwendung eines speziellen PCR-Cyclers durchgeführt wird (siehe Abb. 1), werden in die vermehrten DNA-Sequenzen Fluoreszenz-Markierungen eingebracht. Für jede Zielsequenz wird dabei ein anderer Fluoreszenzfarbstoff verwendet. Je mehr DNA die Polymerase produziert, desto stärker ist die Fluoreszenz der Probe in der Echtzeitmessung. Damit ein eindeutiges Testergebnis erstellt werden kann – egal ob positiv oder negativ -, muss in jedem Fall ein ausreichendes Fluoreszenzsignal des menschlichen RNase P-Gens vorliegen. Tritt zusätzlich auch die Fluoreszenz der beiden Virus-Gene auf, ist der Test positiv. Als Maß für die Menge des vorhandenen Zielgens dient dabei der sogenannte Ct-Wert. Er beschreibt die Anzahl der DNA-Vermehrungsschritte, die nötig sind, um das Fluoreszenzsignal eindeutig vom Hintergrundrauschen differenzieren und ein verlässliches Messsignal erzeugen zu können. Je niedriger der Ct-Wert, desto größer ist die Menge des in der Probe vorliegenden Zielgens und damit an Viruspartikeln. Umgekehrt zeigt ein hoher Ct-Wert eine geringe Menge an Virusbestandteilen an. Während der PCR steigt das Fluoreszenzsignal, bis es nach etwa einer Stunde ein Maximum erreicht und abflacht, da die zugegebenen Komponenten zur DNA-Vervielfältigung aufgebraucht wurden. So kommt der typische sigmoidale Kurvenverlauf der Fluoreszenz zustande (siehe Abb. 2).

Doch auch das beste Verfahren ist bestimmten Limitierungen unterworfen. Bei etwa 1 % der Proben kommt es vor, dass das PCR-Ergebnis nicht eindeutig ist, weil beispielsweise nur wenig Probenmaterial vorhanden ist oder das Fluoreszenzsignal der Virus-Gene grenzwertig niedrig ist. In diesen Fällen wird das PCR-Verfahren für diese Probe wiederholt, um ein eindeutiges Ergebnis zu erhalten.

Identifizierung von Virus-Varianten

Das BioVariance Labor unterzieht zudem alle positiven Proben einer sogenannten Varianten-PCR-Analyse zur Identifizierung der jeweiligen SARS-CoV-2-Variante. Zielsequenzen sind dabei mehrere SARS-CoV-2-spezifische Genabschnitte, auf denen die bisher bekannten Mutationen liegen. Diese Analysen zeigten in den letzten Wochen, dass im Landkreis Tirschenreuth das ursprüngliche Virus, der sogenannte Wildtyp, weitestgehend von der erstmals in Großbritannien nachgewiesenen Virus-Variante B.1.1.7, heute auch „Alpha“ genannt, abgelöst wurde. Zusätzlich zur Varianten-PCR werden positive Proben auch zur weiteren Analyse an ein Partnerlabor von BioVariance verschickt, damit auch neue bisher unbekannte Virus-Varianten identifiziert werden können.

Screening der Schulen mittels gepoolter Gurgelproben

Seit Mai 2021 führt das BioVariance Labor zudem das Pooling-Verfahren durch, welches zunächst im Rahmen einer Studie nur die Schulen des Landkreises Tirschenreuth einbezieht. Die Schülerinnen und Schüler müssen dazu keinen Nasen- oder Rachenabstrich vornehmen lassen, sondern lediglich zuhause mit einer kleinen Menge Leitungswasser gurgeln. In der Schule werden diese Gurgel-Proben dann klassenweise „gepoolt“, also in einem gemeinsamen Becher vereint (siehe Abb. 3). Pro Klasse wird somit nur eine PCR-Analyse durchgeführt. Nur wenn ein Pool-Ergebnis positiv ist, werden die Gurgel-Proben der Schülerinnen und Schüler der betroffenen Klasse auch einzeln per PCR getestet. Dieser Prozess ermöglicht eine enorme Einsparung an Laborressourcen bei gleichbleibender Qualität der Ergebnisse.

Qualitätssicherung im BioVariance Labor

Um die Qualität und die Sicherheit der PCR-Analysen zu gewährleisten, stellt sich BioVariance regelmäßig externen Evaluationen. Bei diesen Ringversuchen erhält das Labor mehrere unbekannte Proben von einer zentralen Stelle. Nur wenn all diese Proben korrekt als positiv oder negativ identifiziert werden, besteht das Labor die Prüfung und erhält ein Zertifikat. Im Mai 2021 hat BioVariance die externe Evaluation der European Society for External Quality Assessment (ESfEQA) erneut erfolgreich bestanden.

Außerdem werden die Proben im BioVariance Labor unter sterilen Bedingungen und nach strengen hygienischen Vorgaben bearbeitet, um eine Kontamination des Arbeitsplatzes und eine mögliche Ansteckung der Mitarbeiter zu verhindern (siehe Abb. 4).

Schnelligkeit der PCR-Diagnostik im BioVariance Labor

In der Regel dauert es in Deutschland 24-48 Stunden, bis eine getestete Person ihr Ergebnis erhält. Im BioVariance Labor können die Ergebnisse dagegen in unter 3 Stunden ab dem Zeitpunkt der Probenanlieferung im Labor produziert werden. In 99 % der Fälle erhalten die Testpersonen ihr Ergebnis also noch am selben Tag. Um dieses hohe Tempo zu erreichen setzt BioVariance auf 2 Komponenten: Zum einen verwendet BioVariance für die RNA-Extraktion und die anschließende PCR ein optimiertes Verfahren mit hoher Effizienz, Präzision und Sicherheit. Zum anderen entwickelten die IT-Spezialisten von BioVariance eine eigene Software namens TubeLab zur digitalen Überwachung der Laborprozesse, was die Probenverarbeitung deutlich beschleunigte und vereinfachte. Durch die transparente Nachverfolgung und Dokumentation mit TubeLab erfüllt das Labor höchste Qualitätsansprüche. Übrigens wird schon seit April 2020 auch im Partnerlabor, welches die weitere Sequenzierung der positiven SARS-CoV-2-Proben durchführt, TubeLab zur Überwachung der PCR-Analysen eingesetzt.

Auch personell hat BioVariance aufgestockt und das Labor-Team um 2 technische Laborbeschäftigte sowie 2 studentische Aushilfen aus dem naturwissenschaftlichen Bereich erweitert.

Erfolg der Tirschenreuther Strategie

Mit der Unterstützung des Landratsamtes und des Gesundheitsamtes konnten die bürokratischen Hürden zur Errichtung und Anbindung des Diagnostik-Labors in Waldsassen zum 26.02.2021 innerhalb kürzester Zeit gemeistert werden. Denn für eine schnellstmögliche Testung der Proben sind kurze Wege zwischen Teststation und Labor unabdinglich. Im Optimalfall befinden sich beide Stationen im selben Haus, so wie in Waldsassen. Dank des BRK konnte außerdem ein Testangebot an insgesamt 4 festen und weiteren mobilen Teststationen aufgestellt werden.

Seit der Inbetriebnahme des BioVariance Labors sind dort bereits mehr als 40.000 Rachenabstriche aus dem Landkreis Tirschenreuth per PCR analysiert worden. Mithilfe der hocheffizienten PCR-Diagnostik konnten positive Fälle dabei innerhalb weniger Stunden identifiziert und unter Quarantäne gestellt werden, was sich in den letzten Wochen äußerst positiv auf die Inzidenz vor Ort auswirkte. Zur Zeit der Laboreröffnung im Februar lag die 7-Tages-Inzidenz im Landkreis Tirschenreuth noch bei über 350 positiven Fällen pro 100.000 Einwohner. 15 Wochen später zeigt die Region nun als erster Landkreis in Bayern eine 7-Tages-Inzidenz von 0. Dank der effektiven Zusammenarbeit von Landratsamt, Gesundheitsamt, BRK und Labor sowie des beständigen Durchhaltevermögens der Bevölkerung konnten Neuansteckungen stark reduziert und die hohe Inzidenz im Landkreis Tirschenreuth schließlich bezwungen werden.

Zukünftige Ausrichtung des Labors

Neben der Diagnostik von Infektionskrankheiten will BioVariance die Anwendungsmöglichkeiten des firmeneigenen Labors ausweiten und zukünftig auch die Diagnostik von Krebserkrankungen im Portfolio führen. Die Personalisierung von Krebstherapien soll mithilfe der Sequenzierung von Tumoren und der von BioVariance entwickelten Software OncoVariant weiter vorangetrieben werden. Dieser zukunftsweisende Schritt ermöglicht die Auswahl einer bestmöglichen und individuell zugeschnittenen Therapie für Krebspatienten, um die größtmögliche Wirksamkeit zu erreichen. Zudem plant BioVariance sich die Vorteile der Massenspektrometrie zunutze zu machen, welche beispielsweise die Messung von Stoffwechselprodukten erlaubt.

Ansprechpartner:
Kerstin Hammer

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Grundsätzlich dürfen nur Arzneimittel herausgegeben werden, die von entsprechenden Arzneimittelbehörden auf ihre Sicherheit, Wirksamkeit und Qualität geprüft und für die entsprechenden Indikationen zugelassen wurden. Der Begriff „Off-Label-Use“ bezieht sich allgemein auf den Gebrauch von Arzneimitteln außerhalb der vorgesehenen Anwendung. ^[1] Die insoweit relevanten Aspekte der Zulassung sind das Anwendungsgebiet und die Darreichungsform, aber auch Anwendungsmodalitäten wie Dosierung, Einnahmezeitpunkt und Behandlungsdauer. Off-Label-Use ist grundsätzlich nicht verboten, bedarf jedoch besonderer Sorgfalts- und Aufklärungspflichten. Allgemeine Risiken wie beispielweise eine verminderte Wirksamkeit oder Nebenwirkungen sind hier oft schwerer absehbar als beim bestimmungsgemäßen Gebrauch, weil aussagekräftige Studienergebnisse zur Wirksamkeit und Therapiesicherheit fehlen. ^[1,2] Bei Neugeborenen liegt der Off-Label-Gebrauch bei über 90 %, bei Kindern sind es teilweise bis zu 50 % der Patienten, und bei den Erwachsenen treffen unzulässige Medikationen immerhin noch in etwa 25 % Fälle zu. ^[3,4] Die Gründe für eine nicht-regelkonforme Anwendung sind vielfältig. Die Kostenübernahme eines nicht zugelassenen Medikaments durch die gesetzliche Krankenkasse ist nur unter strengen Kriterien möglich: ^[1]

• Schwerwiegende oder lebensbedrohliche Erkrankung
• Begründete Aussicht, dass mit dem betreffenden Präparat ein Behandlungserfolg erzielt werden kann
• Fehlende andere Therapiemöglichkeiten

Off-Label-Use in der Pädiatrie

Gerade in der Pädiatrie ist der Off-Label-Einsatz verbreitet, da klinische Studien zur Anwendung von Arzneimitteln an jungen Patienten oft fehlen. Kinder und Jugendliche unterscheiden sich in Körpergröße und -funktionen altersabhängig voneinander und von Erwachsenen, weshalb die Verschreibung von Medikamenten, die eigentlich nur für Erwachsene getestet und zugelassen sind, das Risiko einer Über- oder Unterdosierung oder unerwarteter Nebenwirkungen birgt. ^[2,5] Da kranke Kinder aber dennoch auf eine ausreichende Behandlung angewiesen sind, müssen sich die behandelnden Ärzte trotz fehlender Studiendaten in diesem gesetzlichen Graubereich bewegen. Bei der klinischen Forschung mit Kindern sind beispielsweise besondere ethische und rechtliche Aspekte zu beachten. Für die Teilnahme an einer klinischen Studie ist die Einwilligung der Patienten (bei Kindern entwicklungsabhängig ab 8 Jahren) und der gesetzlichen Vertreter notwendig. Im Gegensatz zu klinischen Studien an Erwachsenen darf dabei keine finanzielle Entschädigung für die Studienteilnahme angeboten werden. Bei seltenen Krankheiten werden einzelne Indikationen zudem nie einen vollen Zulassungsstatus erreichen, da die Anzahl der Patienten vor allem in der jeweiligen Altersgruppe zu klein ist, um überhaupt klinische Studien durchführen zu können. ^[5] Um die Versorgungslage von Kindern und Jugendlichen in Hinblick auf zugelassene Arzneimittel zu verbessern erließ die EU schließlich im Jahr 2007 die Verordnung (EC) Nr. 1901/2006 mit dem Ziel, die Anzahl zugelassener Arzneimittel mit pädiatrischer Indikation für Patienten im Alter von 0–17 Jahren zu erhalten und zu erweitern. ^[6] Im Zuge dessen wurde der Pädiatrie-Ausschuss der Europäischen Arzneimittel-Agentur (EMA) etabliert, dessen Hauptaufgabe die Validierung pädiatrischer Prüfkonzepte von Arzneimittelherstellern ist. Seit der Implementierung der Verordnung wurden pädiatrische Studien verstärkt durchgeführt, wodurch etwa 100 neue Indikationen autorisiert und über 270 neue Medikamente für die Therapie von Kindern zugelassen wurden (siehe Abb. 1). ^[2,7]  

  Besonders viele Off-Label-Verschreibungen wurden im Jahr 2016 bei Patienten zwischen dem 1. und 13. Lebensjahr verzeichnet, wobei die höchsten Zahlen in der Altersgruppe von 6-13 Jahren vermerkt wurden. Dies betraf vor allem die Dosierung der Medikamente, die Wahl der entsprechenden Medikation in Bezug auf die Krankheit des Patienten sowie die festgelegte Dauer der Behandlung (siehe Abb. 2). ^[8]  

Fortschritt durch Digitalisierung

Aufgrund der Problematik des oftmals nötigen Off-Label-Einsatzes in der Pädiatrie wurden bereits in verschiedenen europäischen Ländern Projekte zur Entwicklung von Online-Datenbanken verwirklicht, die die Ärzte bei der Behandlung ihrer jungen Patienten unterstützen sollen. Dazu gehören das „Kinderformularium“ aus den Niederlanden, das „British National Formulary for Children“ aus England, das „Kispiportal“ aus der Schweiz und die „Drugbase“ aus Deutschland. ^[9,10,11,12]

• Das „Kinderformularium“ ist eine öffentlich zugängliche Datenbank und stellt primär ein Nachschlagewerk für Apotheker und Fachärzte der Kinder- und Jugendmedizin dar. Aktuell können 730 Arzneimittel mit Informationen zu Dosierungen, Darreichungsformen, Nebenwirkungen, Kontraindikationen und entsprechende Referenzen nachgeschlagen werden. ^[9]
• Das „British National Formulary for Children“, welches vom Royal College of Paediatrics and Child Health (RCPCH) in Kooperation mit der Neonatal and Paediatric Pharmacists Group (NPPG) gestaltet wird, richtet sich an Gesundheitsexperten und bietet Informationen rund um die Verschreibung und Versorgung von Arzneimitteln für Kinder und Jugendliche an. Es umfasst mittlerweile mehr als 900 Arzneimittel und über 200 Behandlungsoptionen. ^[10]
• Das „Kispiportal“ ist eine Datenbank des Universitäts-Kinderspitals Zürich. Nach Eingabe von Patientendaten werden Informationen zur korrekten Dosierung eines bestimmten Arzneimittels automatisch ermittelt. ^[11]
• Die „Drugbase“ umfasst diverse Nachschlagewerke im Bereich der Medizin und Pharmazie wie beispielsweise die Rote Liste, Arzneimittelprofile oder pädiatrische Dosistabellen, die alle von der Wissenschaftlichen Verlagsgesellschaft Stuttgart angeboten werden. ^[12]

Mit diesen umfangreichen und sofort abrufbaren Datengrundlagen sollen nun auch für die Jüngsten unserer Gesellschaft bei zukünftigen Therapien nicht nur Nebenwirkungen vermieden und Therapiekosten gesenkt werden, sondern auch eine möglichst kurze Behandlungsdauer und damit auch ein schnellerer Weg zurück in ein gesundes Leben ermöglicht werden.   Ansprechpartner:  Kerstin Hammer Quellen

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Regelmäßig stattfindende Krankenhaus-Untersuchungen verdeutlichen eine zunehmend bedrohliche Situation: die Ausbreitung resistenter Keime, gegen die eine Vielzahl von Antibiotika nicht mehr wirkt. Krankheiten, die ursprünglich leicht zu behandeln waren, sind inzwischen aufgrund der Evolution und weltweiten Verbreitung Antibiotika-resistenter Bakterien wieder tödlich. Und stellen damit Ärzte, Forscher, Politiker sowie die breite Öffentlichkeit vor große Schwierigkeiten in der medizinischen Versorgung. ^[1] Millionen von Bakterien besiedeln den Körper auf natürliche Weise und tragen zur Aufrechterhaltung unseres Immunsystems bei. Pathogene Keime hingegen können dem Köper schaden und zu schweren Krankheitssymptomen führen, vor allem wenn die Bandbreite der zur Verfügung stehenden Antibiotika gering ist. Denn während des raschen Vermehrungszyklus der Bakterien können Mutationen auftreten, die das Bakterium dazu befähigen, die Wirkung eines bestimmten Medikaments abzuschwächen. Diese Widerstandsfähigkeit wird weitervererbt und führt innerhalb von kurzer Zeit zu einer wahren Flut an resistenten Varianten. Grundsätzlich sind diese Erreger nicht gefährlicher als andere, aber im Fall einer Infektion ist diese dann aufgrund der gebildeten Resistenzen weitaus schwerer behandelbar. Eine unsachgemäße Anwendung von Antibiotika begünstigt die Entstehung multiresistenter Keime. Dies umfasst eine zu geringe Dosierung, zu häufige Einnahme oder zu kurze Anwendungsdauer. ^[1,2]

Aktuelle Zahlen

In Europa infizierten sich im Jahr 2015 knapp 700.000 Menschen mit multiresistenten Bakterien, 33.000 Infizierte starben an den Folgen (Abb. 1). Italien wies mit 200.000 Neuinfizierten mit Abstand die höchste Rate an Infektionen mit resistenten Erregern auf, gefolgt von Frankreich mit ca. 125.000. In Skandinavien, Estland und den Niederlanden war die Zahl hingegen sehr gering. Deutschland liegt mit 55.000 Neuinfizierten im unteren Mittelfeld. Besonders stark betroffen waren Kinder unter einem Jahr. ^[2] Weltweit forderten die Infektionen ca. 700.000 Todesopfer. ^[3]  

Die gefürchtetsten Pathogene

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) veröffentlichte 2017 eine Liste resistenter Keime mit hoher Dringlichkeitsstufe, um die Erforschung und Entwicklung neuer effektiver Medikamente zu unterstützen. Ausschlaggebende Kriterien der Priorisierung waren z.B. die jeweilige Mortalitätsrate, die gegenwärtige Belastung für das Gesundheitswesen, eine Prognose der zukünftigen Resistenzentwicklung sowie Präventionsmöglichkeiten im Klinik- und öffentlichen Bereich. [4] Angeführt wird diese Liste von Keimen mit Resistenz gegen Antibiotika aus der Gruppe der Carbapeneme, da diese Mittel bisher noch als Reserveantibiotika zur Verfügung standen, im Falle einer Resistenz gegen andere Antibiotika. Durch den Wegfall dieser Therapiemöglichkeit verringert sich demnach die Chance einer erfolgreichen antibiotischen Behandlung um ein Vielfaches. ^[1] Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und verschiedene Enterobacteriaceae (z.B. Escherichia coli) zählen zu dieser Kategorie und können bei geschwächtem Immunsystem zu schwerer Lungenentzündung, Wundinfektion oder Blutvergiftung führen. Nachfolgend sind weitere bekannte Keime wie beispielsweise Staphylcoccus aureus (MRSA), Helicobacter pylori und Streptococcus pneumoniae mit etwas niedrigerer Priorisierung gelistet. ^[4]

Fortschritt durch Forschung

Neuartige Therapien, um Infektionen durch multiresistente Krankheitserreger zu behandeln oder vorzubeugen, werden heutzutage händeringend gesucht. Das EU-weite Projekt COMBACTE-MAGNET, das Anfang 2015 mit einem Budget von 170 Mio. € gestartet wurde, soll hier Abhilfe schaffen. Ziel des Projekts ist es, für besonders anfällige Menschen, beispielsweise immungeschwächte Patienten auf der Intensivstation, durch Förderung wissenschaftlicher Kooperationen neue antibakterielle Behandlungsmethoden zu entwickeln und wirksame Biomarker zu identifizieren. An dem Projekt sind mehr als 30 führende Kliniken in 10 europäischen Ländern sowie Experten der Pharma-Riesen AstraZeneca, AiCuris, GSK, Basilea Pharmaceutica und Sanofi beteiligt. Koordinator des Projekts ist Schweden. ^[5]

Perspektiven

Multiresistente Bakterien vermindern sowohl die Überlebensrate bei schweren Infektionen als auch die Erfolgsaussichten von Operationen, Transplantationen und Krebsbehandlungen. Die Herausforderung, angemessenen Zugang zu Antibiotika zu gewährleisten, aber gleichzeitig eine falsche Nutzung von Antibiotika zu verhindern, ist einzigartig im globalen Gesundheitswesen und erfordert dringend neue Ansätze im Bereich der Gesundheitsversorgung, der Finanzierung und der Forschung. ^[6] Neue kommerzielle Modelle müssen entwickelt werden, um die Industrie zu neuen Investitionen in die Antibiotikaentwicklung zu bewegen und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass neue Antibiotika nachhaltig eingesetzt werden. ^[3]   Ansprechpartner: Kerstin Hammer Quellen

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Der heutige Beitrag beantwortet die Fragen was seltene Krankheiten im Allgemeinen sind, in welchen medizinischen Fachgebieten sie auftreten, wieviel Menschen davon betroffen sind und die Anzahl der Medikamente, die mittlerweile verfügbar sind.

Definition und Kennzeichen

Diese Sammelbezeichnung steht für viele verschiedene Erkrankungen, die sich kein einheitliches Krankheitsbild teilen.^1,2 Gemeinsam ist diesen Multisystemerkrankungen, dass sie chronisch, progressiv, degenerativ und lebensbedrohlich sind.² Die Lebensqualität wird meist eingeschränkt und es gibt keine wirksame Heilung.²

In Europa gilt eine Krankheit als selten, wenn nicht mehr als 5 von 10.000 Patienten daran leiden.¹ Durch die mangelnde Aufklärung der Ursache und des Verlaufs der Erkrankungen erhalten 40% aller Patienten eine Fehldiagnose und somit keine wirksame Therapie.³ Durchschnittlich dauert es fünf Jahre, bis eine korrekte Diagnose gestellt wird.³

Weltweit sind rund 8.000 seltene Krankheiten bekannt.³ Durch fortschreitende Erkenntnisse in der menschlichen Genetik steigt die Anzahl neuer seltener Krankheiten jedoch jährlich.^4,5

Ursachen

Bei 8 von 10 seltenen Krankheiten ist ein Gendefekt der Hauptauslöser oder zumindest ein Mitauslöser.^1,5,6 Durch die genetischen Anomalien wird hierbei eine ganze Kaskade von Beschwerden ausgelöst, wodurch sich der Ursprung nur schwer feststellen lässt.³ Mittlerweile liegen jedoch eindeutige Zuordnungsmerkmale für 6.084 seltene Erkrankungen vor, die mit rund 4.000 Genen in Verbindung gebracht werden (Stand 2016).⁵ Seltene Krankheiten können ebenso durch Infektionen oder Umwelteinflüsse entstehen, oft ist es auch ein Zusammenspiel von mehreren Faktoren.⁶

Medizinische Gebiete

Seltene Krankheiten treten unter anderem in folgenden medizinischen Fachgebieten auf:

• Krebs: Akute lymphatische Leukämie,⁴ Nierenzellkrebs,⁷ Leberzellkrebs,⁷ Nebennierenrindenkarzinom⁷
• Herz-Kreislauf-Erkrankungen: Lungenhochdruck¹
• Stoffwechselerkrankungen: Mukoviszidose, Phenylketonurie, Morbus Fabry⁴
• Neurologische Erkrankungen: Kinderdemenz¹, Narkolepsie⁷
• Infektionskrankheiten: Tuberkulose⁴
• Autoimmunerkrankungen: Lupus, Sjörgen-Syndrom

Ausgewählte Beispiele für seltene Krankheiten

Ein Beispiel für eine seltene Krankheit mit 185.000 Betroffenen in Europa ist die Narkolepsie mit Kataplexie bei Erwachsenen.⁷ Darunter wird eine lebenslang andauernde neurologische Erkrankung verstanden, bei der der Schlaf-Wach-Rhythmus gestört ist.⁸ Aus diesem Grund wird sie auch als Schlafkrankheit bezeichnet.⁸ Eines der Symptome ist Katalepsie, bei der die Patienten unter kurzen Episoden von Muskelversagen leiden, zum Beispiel einem Erschlaffen der Gesichtsmuskeln oder einem vollständigen Zusammensacken des ganzen Körperes.⁹ Im Unterschied zur Epilepsie sind hier die Betroffenen bei vollem Bewusstsein.⁹ Die Ursache ist hierfür ein Zusammenspiel aus genetischen Veranlagungen und Umwelteinflüssen.¹⁰ Neueste Studien deckten auf, dass bei Narkolepsie-Patienten ein Mangel des Botenstoffes Hypcretin vorliegt.¹⁰ Dieser gibt Signale unterhalb der Nervenzellen weiter und ist bei der Regulation von Schlaf- und Wachphasen beteiligt.¹⁰ Es wird vermutet, dass durch eine Fehlregulation der Immunantwort die Zellen zerstört werden, die den Neurotransmitter produzieren.¹⁰ Narkolepsie tritt bei 4 von 10.000 Menschen auf.¹¹

Ein weiteres Beispiel ist die Akromegalie,⁷ auch Riesenwuchs genannt,¹² bei der sich das äußere Erscheinungsbild, der Stoffwechsel und die inneren Organe verändern.¹³ Auslöser dafür ist ein in der Hirnanhangdrüse (Hypophyse) sitzender Tumor, der eine Überproduktion von Wachstumshormonen verursacht.^12,13 Durch die Stimulation von IGF-1 in der Leber wird das Wachstum von Knorpel, Knochen, Muskeln und Bindegewebe gefördert.¹³ Dies führt unter anderem zu einer Vergrößerung von Händen, Füßen und Zunge sowie zu einer Vergröberung der Gesichtszüge.¹³

Epidemiologie

Weltweit sind 410 Millionen Menschen von seltenen Krankheiten betroffen.⁶ Davon leben allein in Europa 30 Millionen Menschen,^5,6 was 6-7% der europäischen Bevölkerung entspricht.⁴ Mindestens die Hälfte aller Betroffenen sind Kinder,^1,2,5 wovon 30% bereits vor dem 5.Lebensjahr sterben.²

Vorkommen von seltenen und häufigen Krankheiten im Vergleich¹

Medikamente für seltene Krankheiten

Lange Zeit wurde auf dem Gebiet der seltenen Krankheiten nicht geforscht, weswegen sie auch als verwaiste Krankheiten (Orphan Diseases) bezeichnet werden, die Medikamente zur Behandlung entsprechend als Orphan Drugs.¹

Herausforderungen bei der Entwicklung

Um wirksame Medikamente gegen bestimmte Krankheiten entwickeln zu können, ist es notwendig, alle damit verbundenen molekularen Krankheitsprozesse genau zu verstehen.¹ Ein Kennzeichen seltener Erkrankungen ist jedoch ein Mangel an Kenntnissen über deren Entstehung und Verlauf.¹ Somit ist auf diesem Feld vorrangig Grundlagenforschung notwendig, um darauf aufbauend geeignete Medikamente finden und herstellen zu können.¹ Weiterhin ist eine Wirkstofferprobung in klinischen Studien schwierig, da aufgrund der Seltenheit der Erkrankung oft nicht genügend Patienten für die Studie gefunden werden können. ¹ Zusätzlich erschwert wird dieser Prozess dadurch, dass viele Menschen wegen mangelnder Kenntnisse der behandelnden Ärzte nicht wissen, dass sie an dieser speziellen Erkrankung leiden.¹

Status

Damit ein Medikament den Orphan Drug Status erlangt, muss die jeweilige Krankheit folgende Kennzeichen aufweisen:¹

• Die Krankheit muss selten sein¹
• Die Krankheit muss schwer sein, das heißt lebensbedrohlich oder zu chronischer Invalidität oder Behinderung führend.¹
• Das Medikament muss einen Zusatznutzen aufweisen.¹

Die Arzneimittelbehörde der EU (European Medicines Agency – EMA) entscheidet über die Vergabe des Status.¹

Verordnung

Die Entwicklung von Medikamenten für seltene Erkrankungen ist wirtschaftlich riskant, da hier eine aufwändige Forschung, geringe Erfolgschancen und ein geringes Umsatzpotential aufeinandertreffen.¹ Eine Verordnung, die 2000 in der EU eingeführt wurde und bereits seit 1983 in den USA gilt, soll dies verbessern.¹ Die Orphan Drug Verordnung schützt ein zugelassenes Medikament für zehn Jahre vor Generika. Nachahmerpräparate, die sich in Zusammensetzung und Wirkungsweise nicht vom ursprünglichen Medikament unterscheiden werden demnach nicht für den Markt zugelassen, da ihre Wirkung keine Verbesserung gegenüber dem Ursprungspräparat aufweist.¹

Fortschritte

Es werden bereits erhebliche Fortschritte auf diesem Gebiet verzeichnet. Ein Beispiel hierfür ist die Stoffwechselerkrankung Mukoviszidose. Hier hat sich das prognostizierte durschnittliche Überlebensalter eines Neugeborenen, durch den Einsatz von sogenannten CFTR-Modulatoren, von einem Jahr auf 50 Jahre erhöht.¹⁴

Aktueller Stand

In der Europäischen Union sind 158 Wirkstoffe für 131 seltene Krankheiten zugelassen (Stand 2019), wobei manche Wirkstoffe unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten finden.^3,4 Den größten Anteil macht hierbei die Krebsbehandlung aus, gefolgt von Medikamenten für Stoffwechselerkrankungen.⁴

Fast die Hälfte dieser Medikamente wurde auch für Kinder zugelassen:¹

In Deutschland sind 23 Medikamente für jene seltenen Krankheiten zugelassen, von denen national höchstens 1.000 Patienten betroffen sind.³ Insgesamt 93 Orphan Drugs wurden 2017 im ambulanten Bereich verschrieben,⁴ was etwa 3,7% der Gesamtausgaben für Medikamente seitens der gesetzlichen Krankenkassen ausmacht.^1,3,4

Der Anteil der Orphan Drugs beträgt ca.33% der Medikamente mit neuem Wirkstoff, die zwischen 2014 und 2017 in Deutschland auf den Markt kamen, wobei diese Zahl im letzten Jahr aufgrund zunehmender Fokussierung der Forschung auf seltene Defekte sprunghaft anstieg.^1,4

Somit hat sich auf diesem Feld in den letzten Jahren viel getan. Ein wichtiger Punkt war hierfür die Entschlüsselung des humanen Genoms 2003 im Rahmen des Human Genome Projects.⁴ Aktuell befinden sich 1.900 Wirkstoffe gegen seltene Krankheiten in der klinischen Entwicklung.³

Dass aber dennoch viel Bedarf an der Erforschung seltener Krankheiten besteht, zeigt der nächste Blogartikel.

Ansprechpartner:

Kristina Schraml (kristina.schraml@biovariance.com)

Quellen

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Auch wenn der Europäische Tag der Epilepsie schon ein paar Tage her ist, ist die Aufklärung über diese neurologische Krankheit wichtig. Deswegen thematisiert dieser Blogbeitrag die Definition, die Entstehung, Folgen und Ursachen von Epilepsie, verschiedene Formen von epileptischen Anfällen und erste Fortschritte in der personalisierten Behandlung.

Definition

Die lateinische Bezeichnung Epilepsia wird mit Fallsucht, umgangssprachlich auch mit Krampfleiden, übersetzt.¹ Es handelt sich hierbei um eine neurologische Erkrankung, die mit einer Fehlfunktion des Gehirns einhergeht.¹ Epilepsie ist keine einzelne Krankheit, sondern die Folge einer Vielzahl von Erkrankungen, deren gemeinsames Merkmal die erhöhte Neigung zu epileptischen Anfällen ist.^2,3 Bei derartigen Anfällen ist die Kommunikation zwischen den Nervenzellen gestört, was zu einer vorrübergehenden synchronen Entladung größerer Nervenzellen führt.⁴ Die Diagnose Epilepsie wird gestellt, wenn Anfälle ohne ersichtlichen Auslöser mehrfach auftreten.¹

Nervenzellen

Nervenzellen (Neuronen) sind Bestandteil des Nervensystems. Je nach Lage im Körper wird zwischen dem zentralen Nervensystem, welches die Nervenbahnen in Gehirn und Rückenmark umfasst, und dem peripheren Nervensystem unterschieden.⁵ Der menschliche Körper enthält mehrere Milliarden Neuronen, allein unser Gehirn umfasst 100 Milliarden Nervenzellen.^5,6 Diese sind durch elektrische und chemische Signale miteinander verbunden.⁶ Sie bestehen aus einem Zellkörper und verschiedenen Fortsätzen.⁵ Die Dendriten wirken als Antennen, durch die der Zellkörper die Signale empfängtund der längere Fortsatz, das Axon, leitet diese Signale weiter.⁵

Entstehung und Folgen

Bei einem epileptischen Anfall ist dieses Zusammenspiel vorübergehend gestört und das Gehirn ist übermäßig aktiv.⁶ Nervenzellgruppen der Hirnrinde senden plötzlich gleichzeitig und hochsynchron Signale und zwingen anderen Zellen ihren Rhythmus auf.² Somit sind, je nach Form des Anfalls, nur ein einzelner oder auch mehrere Teile des Gehirns für eine gewisse Zeit übermäßig aktiv.¹ Darauf folgt die Nachphase, in der die Zellen sich nicht mehr krankhaft entladen, aber noch Auffälligkeiten zeigen.¹

Die Folgen der Krankheit unterscheiden sich in ihrem Schweregrad, je nachdem

• wo die Nervenzellen im Gehirn liegen²
• wieviel Nervenzellen beteiligt sind²
• welche Körperfunktionen diese steuern²

Ein einzelner Krampfanfall ist per se nicht gefährlich.² In seltenen Fällen kommt es jedoch zu einem Herz-Kreislaufversagen, auch SUDEP (sudden unexpected death of epilepsy patients) genannt.²

Ursachen

Die Ursache für einen Anfall ist in bestimmten Fällen direkt auf einen konkreten Auslöser zurückzuführen, zum Beispiel auf genetische Veränderungen, einen Schlaganfall oder einen Gehirntumor.² Oft ist der genaue Grund für den Krankheitsverlauf jedoch nicht ersichtlich.¹

• Kryptogene Epilepsie: Es lässt sich keine konkrete Ursache finden, obwohl krankhafte Veränderungen im Gehirn vorliegen.¹
• Idiopathische Epilepsie: Es gibt keine Hinweise auf krankhafte Veränderung im Gehirn.¹

• Genetische Epilepsie: Es liegen genetisch bedingte Veränderungen vor, zum Beispiel an Bindungsstellen (Rezeptoren) für Nervenbotenstoffe.¹
• Symptomatische/strukturelle/metabolische Epilepsie: Strukturelle Veränderungen sind im Gehirn nachweisbar, zum Beispiel angeborene Fehlbildungen, bei der Geburt entstandene Gehirnschäden, Folgen eines Schlaganfalls, Entzündungen oder Stoffwechselstörungen (Diabetes).¹

Klassifizierung

Epileptische Anfälle unterscheiden sich in der Schwere ihrer Ausprägung und können nur wenige Sekunden mit leichten Muskelzuckungen bis hin zu mehreren Minuten mit Krämpfen und Bewusstseinspausen umfassen.² Generell lassen sich die Anfälle in drei Kategorien einteilen:

Fokale Anfälle beginnen immer an einer bestimmten Stelle im Gehirn, zum Beispiel um eine Verletzung (Hirnnarbe) herum.⁷ In der Regel nehmen Patienten zu Beginn eine sogenannte Aura wahr, bei der ungewöhnliche Sinneseindrücke wie Sehstörungen, Konzentrationsstörungen oder Schwindel entstehen.⁷ Die komplex-fokalen Form geht zusätzlich mit einem Bewusstseinsverlust einher.⁷

Generalisierte Anfälle breiten sich von Anfang an im ganzen Gehirn aus und es kommt zu vorübergehenden Bewusstseinsstörungen.⁷ Hier lässt sich die Ursache selten ausfindig machen.

• Bei Absencen verlieren die Betroffenen für wenige Sekunden das Bewusstsein. Diese treten hauptsächlich bei Kindern und Jugendlichen auf.⁷
• Bei myoklonischen Anfällen beginnen bestimmte Muskelgruppen, zum Bespiel an der Hand, am Arm oder am Rumpf, an zu zucken. Derartige Anfälle dauert nur wenige Sekunden und ein Bewusstseinsverlust tritt bei dieser Form nicht auf.⁷
• Klonische Anfälle dauern bis zu mehreren Minuten, in denen sich die Muskelgruppen am Rumpf rhythmisch zusammenziehen.⁷
• Bei tonischen Anfällen krampft sich die Muskulatur ohne Zucken zusammen, die Betroffenen verlieren hierbei oft das Bewusstsein. Die Dauer beträgt nur wenige Sekunden.⁷
• Der große Krampfanfall, auch tonisch-klonischer Anfall oder Grand mal genannt, beginnt mit einer Aura, gefolgt von einem Bewusstseinsverlust. Der ganze Körper verkrampft, zusätzlich treten auch rhythmische Zuckungen an Armen, Beinen und Kopf auf. Schaumiger Speichel tritt aus dem Mund und die Haut verfärbt sich blau aufgrund von Sauerstoffmangel. Die Dauer beträgt hier mehrere Minuten.⁷
• Bei atonischen Anfällen verlieren bestimmte Teile der Muskulatur ihre Spannung und erschlaffen.⁷

Epidemiologie

In Deutschland leben zwischen 500.000 und 600.000 Menschen, die sich aufgrund von Epilepsie in haus- oder fachärztlicher Behandlung befinden, was etwa 0,6% der nationalen Bevölkerung entspricht.^3,8 Weltweit gibt es fast 50 Millionen Menschen, die an Epilepsie leiden.⁹ Industrieländer, wie zum Beispiel Deutschland verzeichnen jährlich 40-70 Neuerkrankungen pro 100.000 Einwohner.^1,3

Die neurologische Erkrankung tritt in jedem Alter auf,² das Risiko ist in den ersten fünf Lebensjahren mit einem Anteil von zwei Drittel aller Epilepsie-Fälle jedoch besonders hoch.³ Bei Kindern zählt es zu den häufigsten Erkrankungen des zentralen Nervensystems.¹ Nach dem 20. Lebensjahr sinkt dieses Risiko, während es ab dem 60. Lebensjahr wieder ansteigt.^3,10 Altersepilepsie ist die dritthäufigste Erkrankung des Gehirns bei älteren Menschen.¹⁰

Mit dem Lebenszeitrisiko wird die Wahrscheinlichkeit bezeichnet, im Laufe seines Lebens an Epilepsie zu erkranken beziehungsweiße einen epileptischen Anfall zu durchleben. Bis zum 80. Lebensjahr beträgt dieser bei Epilepsie 3%, für einen epileptischen Anfall 10%.² Fachleute schätzen, dass 5-10% aller Menschen mindestens einmal in ihrem Leben einen epileptischen Anfall erleiden.^3,6

Auch bei bestimmten Vorerkrankungen steigt dieses Risiko. 15% aller Schlaganfallbetroffenen erleiden danach einen epileptischen Anfall, 10% davon entwickeln eine Epilepsie.³ 

Behandlung

Betroffene, deren Epilepsie genetisch bedingt ist, haben eine gleich hohe Lebenserwartung wie gesunde Menschen.⁶ Die Anfälle verursachen keine bleibenden Hirnschäden, aber es können andere Krankheiten wie zum Beispiel Depressionen begünstigt werden.⁶ Nicht häufig, dafür aber lebensgefährlich ist der sogenannte Status epilepticus.² Hierbei kommt es zu Anfällen von längerer Dauer bei denen das Gehirn großen Schaden nimmt.²

Bei Betroffenen, die unter fokalen Anfällen leiden, ist es möglich, eine Operation durchzuführen.¹ Bei der sogenannten Epilepsiechirurgie werden einzelne anfallsauslösende Teile des Gehirns entfernt, vor allem wenn der Ursprung im Schläfenlappen (Temporallappen) liegt.¹

Antiepileptika hemmen die übermäßige Aktivität von Nervenzellen und senken das Risiko für einen Krampfanfall.¹ Diese wirken jedoch nur symptomatisch und können die Krankheit nicht heilen.¹ Derzeit befinden sich fast 20 Antiepileptika auf dem Markt,⁹ weitere 36 befinden sich in der Entwicklung.¹¹

Ein weiteres Problem der Antiepileptika ist, dass nur bei zwei Drittel aller Patienten die verordneten Medikamente wirken und diese ohne weitere Anfälle leben können.⁸ 3 von 10 Betroffene erleiden weiterhin epileptische Anfälle oder erfahren Nebenwirkungen.^6,8 In solchen Fällen hilft eine Genanalyse, mit der sich die Wirksamkeit der zur Auswahl stehenden Medikamenten vorhersagen lässt.⁸

Fortschritte

Personalisierte Medizin

Studien zeigen, dass Patienten mit besonderer erblicher Veranlagung des Immunsystems nach Einnahme von Oxacarbazepin und Carbamazepin ein erhöhtes Risiko für schwere und seltene Hautreaktion haben.¹² Es handelt sich hierbei um ein Gen des HLA-Systems.¹³ Träger dieser Gen-Variante sind vor allem Han-Chinesen, Thailänder, Japaner und andere asiatische Bevölkerungsgruppen, aber auch zu 5% Europäer.¹² Seit 2013/14 wird ein genetischer Test vor Verschreibung des Antiepileptikums empfohlen, um diese Nebenwirkungen auszuschließen.¹³

Neue Epilepsie-Gene

Die ILAE (International League Against Epilepsy) führte eine Analyse genetischer Daten von mehr als 15.000 Epilepsiepatienten und fast 30.000 nicht-betroffenen Personen durch.¹⁴ Dadurch wurden 21 Risiko-Gene mit verschiedenen Funktionen entdeckt, die an der Entstehung der neurologischen Krankheit beteiligt sind.¹⁴ Einer der betroffenen Vorgänge ist beispielsweiße die Aktivität von Ionenkanälen, die Signale im Nervensystem weiterleiten.¹⁴ Hierbei wird durch Mutation eines Risiko-Gens die Funktionalität der beteiligten Proteine erheblich eingeschränkt, was die Signalweiterleitung verändert.

Diese Erkenntnisse können in Hinblick auf die personalisierte Medizin genutzt werden, um Therapien gegen Epilepsie zielgerichteter zu gestalten.

Ansprechpartner:

Kristina Schraml (kristina.schraml@biovariance.com)

Quellen

Der Beitrag Epilepsie – das Chaos im Kopf erschien zuerst auf BioVariance - data-driven diagnostics.

Autosomal-rezessive Vererbung

Diploide Organismen haben von jedem Gen zwei Kopien – eins von der Mutter und eins vom Vater. Ein homozygotes Erbgut liegt vor, wenn beide Kopien (Allele) identisch sind, ein heterozygotes, wenn sie sich unterscheiden. Dabei setzt sich immer eine Variante durch, die den Phänotypen bestimmt. Dieses Allel ist dominant gegenüber dem anderen. Dieses liegt rezessiv vor und tritt nicht in Erscheinung. Bei Krankheiten, die autosomal-rezessiv vererbt werden, liegt die genetische Ursache auf einen der 22 Autosomen. Die Eltern tragen das veränderte Merkmal, das jedoch nicht zum Vorschein kommt. Sie sind somit gesund. Ein Kind erkrankt an Mukoviszidose, wenn es jeweils von beiden Elternteilen das veränderte Allel vererbt bekommt. Dies geschieht mit einer Wahrscheinlichkeit von 25%.  Kinder, die jeweils ein wildtypisches und ein krankes Allel vererbt bekommen, sind gesund, aber wie ihre Eltern, Merkmalsträger. Sie leiden zwar nicht an der Krankheit, können diese aber an die nachfolgende Generation weitergeben.

Ionenkanäle

1938 hat eine amerikanische Kinderärztin die Krankheit erstmals beschrieben, knapp 50 Jahre danach wurde das das dafür verantwortliche Gen entdeckt:¹ CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) besteht aus etwa 6.500 Basenpaare und befindet sich auf den langen Arm des Chromosom 7.²   Es enthält die Bauanleitung für einen Kanal in der Zellmembran, über den Ionen in und aus der Zelle gelangen.³ Solche Kanäle, auch Ionenkanäle genannt, sind röhrenförmig angeordnete Proteinkomplexe, die in der Membran eingelagert und selektiv für bestimmte Ionen sind.⁴ Das Gen CFTR codiert einen Chloridkanal, der hauptsächlich in Epithelien von Darm, Bauchspeicheldrüse, Schweißdrüse und Luftwegen vorkommt. Das 1.440 Aminosäuren lange Transmembranprotein besteht aus einer regulatorischen Untereinheit mit mehreren Phosphorylierungsstellen und zwei Nukleotid-bindenden Domänen, die ATP zu ADP hydrolysieren.³ Die Hauptaufgabe von CFTR ist die Regulation des Salz- und Wasserhaushaltes menschlicher Zellen.³

Mutationen im CFTR-Gen

Die Ursache der Stoffwechselerkrankung Mukoviszidose liegt bei den CFTR-Proteinen. Dadurch wird der Ionen-Transport blockiert und es herrscht ein Ungleichgewicht im Salz- und Wasserhaushalt der Zellen. Diese sind nicht mehr in der Lage mittels Osmose Wasser in die umliegenden Gewebe zu ziehen, was zur Folge hat, dass sich in Lunge, Nasennebenhöhlen, Bauchspeicheldrüse, Darm, Gallenwege sowie Keimdrüsen Schleimsekrete mit zu hohem Salzgehalt bilden. Durch den osmotischen Wasserentzug ist der Wassergehalt in den entsprechenden Sekreten zu niedrig – diese werden zähflüssig und führen in den betroffenen Organen zu Funktionsstörungen.² Bisher sind knapp 2000 Mutationen bekannt, die sich in sechs Klassen unterteilen lassen:^5,6  Mutationen der Klasse I betreffen ca. 10% aller Patienten. Diese entstehen durch eine defekte mRNS, sodass das entsprechende Protein nicht gebildet wird. Bei Menschen mit Mutationen der Klasse II wird zwar die RNS transkribiert, jedoch führt eine Mutation zu einem fehlerhaften Protein, welches daraufhin enzymatisch abgebaut wird. Die häufigste vorkommende Mutation in Deutschland, die bei 70% der Patienten auftritt, ist eine Deletion von drei Basenpaaren. Die entsprechende Aminosäure wird nicht gebildet, was zu einem funktionslosen Protein führt. Bei Mutationen der Klasse III liegt eine Regulationsstörung vor, sodass der Kanal nicht geöffnet wird. Im Gegensatz zur Klasse IV, bei der eine verminderte Leitfähigkeit vorliegt, was zur Folge hat, dass die Ionen die Fähigkeit verlieren, den Kanal zu passieren. Folgen von Klasse V und VI Mutationen sind zu wenige Kanäle oder instabile, die vor Erreichen der Zellmembran bereits abgebaut werden.^5,6

Erkrankungen

Mukoviszidose ist durch die Vielzahl der unterschiedlichen Mutationen eine Multisystemerkrankung. Da der zähe Schleim vor allem die kleinen Äste der Bronchien und die Ausführungsgänge der inneren Organe verstopft, sind Atmung und Verdauung besonders stark betroffen.² In den Bronchien ist der Ionenkanal vor allem dafür zuständig, durch Abgabe der Chlorid-Ionen den Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche zu erhalten. In diesem bewegen sich kleine Zilien (Flimmerhärchen), die Schmutzpartikel oder Bakterien aus der Lunge befördern. Ist dieser Prozess durch die vermehrte Schleimbildung gestört, können sich Bakterien leichter ansiedeln und Infektionen verursachen.⁷ Die Erkrankung der Atemwege ist auch die häufigste Todesursache bei Mukoviszidose-Patienten.¹ Die Bauchspeicheldrüse gibt bei gesunden Menschen Verdauungsenzyme in den Zwölffingerdarm ab. Dort spalten diese Eiweiße, Kohlenhydrate und Fette der Nahrung. Bei Patienten mit Mukoviszidose staut sich dies als zähflüssiges Sekret an. Dies führt zu Entzündungen, der Pankreas verhärtet und vernarbt sich (Fibrose). Die Konsequenzen sind Unterernährung und Wachstumsstörungen.² Diese Patienten haben auch ein erhöhtes Risiko an Diabetes zu erkranken (Diabetes Typ III: cystic fibrosis related diabetes, CFRD).⁸ Eine weitere Folge ist die Unfruchtbarkeit. 98% der Männer bilden zwar befruchtungsfähige Spermien, diese können aufgrund des Schleims den Samenleiter nicht passieren. Frauen sind ebenfalls nur bedingt fruchtbar, da der Schleim in dem Eileiter die Spermien nicht durchdringen lässt.^2,8 Allen gemeinsam ist die abnehmende Lungenfunktion, sodass oftmals eine Transplantation der letzte Ausweg ist.¹

Epidemiologie

Mukoviszidose ist eine seltene Krankheit mit einer Prävalenz von 1/3.300 – 1/4.800 Neugeborenen in Deutschland. Dennoch ist es die zweithäufigste hereditäre Stoffwechselerkrankung der europäischen Bevölkerung (nach Hämochromatose). In Deutschland sind aktuell 8.000 Menschen davon betroffen, mit ca. 200 Neuerkrankungen pro Jahr (Stand 2017).⁵ Zwischen 2012 und 2016 starben 423 Menschen aufgrund von Mukoviszidose,⁹ im Jahr 2017 waren es 48 Todesfälle.¹⁰ Die Heterozygoten-Frequenz, also der Anteil aller Menschen, die ein krankes Allel tragen, beträgt in Europa 4% (1:25).⁵

Aktuelle Therapien

Auch wenn die Erkrankung noch nicht heilbar ist, ist die Lebenserwartung in den letzten Jahren gestiegen.⁹ Wurden Kinder damals nicht mal ein Jahr alt,¹ liegt das prognostizierte mediane Überlebensalter eines Neugeborenen mittlerweile bei 50 Jahren.¹⁰ Aktuell sind mehr als 50% der Patienten in Deutschland älter als 18 Jahre.⁵ Das liegt unter anderem daran, dass es für etwa ein Drittel der Betroffenen mutationsspezifische Therapien gibt.¹ Durch Genanalysen wird hier die genaue Ursache der Krankheit festgestellt. Seit 2012 stehen sogenannte CFTR-Modulatoren zur Verfügung, die ein defektes oder fehlendes Protein verbessern oder wiederherstellen.¹ Die europäische Kommission hat 2012 den Wirkstoff Ivacaftor zugelassen, der die Auswirkungen des Gendefekts mildert.¹¹ Der CFTR-Potentiator kommt für ca. 1500 Patienten in Europa in Frage, die eine Mutation der Klasse III aufweisen.¹² Hier befindet sich das Protein zwar in der Zellmembran, der Kanal öffnet sich jedoch nicht. Ivacaftor stellt diese Funktion wieder her und der Transport von Chlorid-Ionen durch den Kanal wird erhöht. Grundlage für die Zulassung in Europa waren Ergebnisse einer Phase III Studie, bei sich die Lungenfunktion der Patienten signifikant verbesserte.¹² Lumacaftor ist ein Wirkstoff aus der Gruppe der CFTR-Korrektoren und wird bei Mutationen der Klasse II zusammen mit Ivacaftor eingesetzt. Das fehlgefaltete Protein wird vor dem intrazellulären, enzymatischen Abbau geschützt und in der Zellmembran eingebaut. Dieses Jahr wurde ein weiterer Wirkstoff, Tezacaftor, zugelassen, der ähnlich wie Lumcaftor wirkt und ebenfalls in Kombination mit Ivacaftor eingesetzt wird.¹³ Studien zeigten, dass sich der Verlauf der Krankheit günstig beeinflusste, indem sich zum Beispiel die Lungenfunktion verbesserte.^14,15 Ein weiterer Aspekt ist die Durchführung von sogenannten Neugeborenen-Screenings. Vor zwei Jahren wurden bundesweit Untersuchungen von Neugeborenen auf Mukoviszidose eingeführt, die kostenlos und freiwillig sind. In Bayern wurden im Zeitraum September 2016 – August 2018 insgesamt 250.000 Kinder untersucht. Bei 45 wurde die angeborene Erkrankung diagnostiziert.¹⁶ Dies ist wichtig, um mit einer frühzeitigen Therapie zu beginnen.

Ausblick

Auch wenn die Stoffwechselkrankheit aktuell noch nicht heilbar ist, stehen die Chancen durch CRISPR/Cas relativ gut. Dadurch lässt sich das krankhafte Gen ausschneiden und durch ein neues ersetzen, bzw. die vorliegende Mutation reparieren.¹ Ein kürzlich neu entdeckter Zelltyp könnte ebenfalls einen Ansatz für zukünftige Therapien darstellen: Forscher haben diesen in der Atemschleimhaut entdeckt und Ionozyt genannt. Dieser scheint Hauptproduzent der CFTR-Proteine zu sein und kontrolliert durch das Gen FOX1 die Expression der Chloridkanäle.^17,18 Somit könnte eine Stimulierung für die Neubildung der Ionozyten zu einer erfolgreichen Therapie verhelfen.^19,20 Mit diesen Behandlungsoptionen wird erneut ein Fortschritt in Richtung Präzisionsmedizin geleistet. Insgesamt sind bereits 62 Wirkstoffe für die personalisierte Therapie zugelassen.²¹   Ansprechpartner: Kristina Schraml (kristina.schraml@biovariance.com) Quellen

Der Beitrag Mukoviszidose erschien zuerst auf BioVariance - data-driven diagnostics.

Die DNS

Im Black-Friday-Beitrag ging es schon grob um Chromosomen und DNS. Kurz zur Erinnerung: Die DNS ist ein langes, kettenförmiges Polymer, das aus einzelnen Bausteinen, den Nukleotiden besteht. Ein Nukleotid setzt sich zusammen aus einem Phosphat, einem Zucker und aus einer von den vier Basen (Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T)). Watson & Crick entschlüsselten 1953 die Struktur:¹ sie stellten fest, dass die DNS eine Doppelhelix bildet. Zwei solcher kettenförmigen Polymere, auch Einzelstränge genannt, lagern sich in entgegengesetzter Richtung zusammen, was sich komplementär nennt. Das Rückgrat bildet hierbei das Phosphat und der Zucker, während sich die Basen über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander paaren und zwar immer die Base Adenin mit Thymin, und Cytosin mit Guanin.

CRISPR/Cas – Definition

Um nun zu CRISPR zu kommen: CRISPR steht für clustered regularly interspaced short palindromic repeats, auf Deutsch also gruppierte, kurze, palindromische Wiederholungen mit regelmäßigen Abständen. Ein Palindrom ist in diesem Fall eine Sequenz, bei der die Basen auf dem einen DNS-Strang die gleiche Reihenfolge aufweisen, wie die auf dem komplementären Strang – nur in entgegen gesetzter Richtung. Sie weisen also gegenläufig die gleiche Sequenz auf. Auch wenn solchen Sequenzen ein Promotor vorangeschaltet ist, der dafür zuständig ist, dass die DNS zuerst in RNS (= Ribonukleinsäure) transkribiert und dann in Proteine translatiert wird, ergeben diese jedoch kein funktionstüchtiges Protein. Lange Zeit wurde der Sinn dahinter nicht verstanden.

CRISPR/Cas – Geschichte

Bereits 1987 entdeckte Yoshizumi Ishino in dem Bakterienstamm Escherichia coli K12 die Existenz sich wiederholender DNS-Abschnitte. Er identifizierte gleiche Sequenzen aus jeweils 29 Nukleotiden, die von variablen Regionen aus 32 Nukleotiden unterbrochen wurden.² 1993 wurde ein ähnliches Motiv in der DNS von Mycobacterium tuberculosis entdeckt, einem der Überträger der Tuberkulose.³ 2002 wurden ähnliche Strukturen im Genom vieler Prokaryonten, zu denen Bakterien und Archaeen zählen, beobachtet und der Begriff CRISPR geprägt. Zusätzlich wurde eine Gruppe von Genen entdeckt, die in allen untersuchten Organismen nahe der CRISPR-Sequenz liegen und wurden daher als CRISPR-associated genes (Cas-Gene) bezeichnet.⁴ 2005 wurde heraus gefunden, dass die Sequenzen, die zwischen den Palindrom-Sequenzen liegen und als Spacer (Platzhalter) bezeichnet werden, mit der DNS von Viren identisch ist.^5,6,7 Schätzungen zufolge gibt es ca. 4-6×10³⁰ Prokaryonten auf der Erde und etwa zehnmal so viele Viren. Da diese, wie im letzten Beitrag bereits erwähnt, zum Überleben auf Wirtszellen angewiesen sind, vernichten sie alle zwei Tage ca. die Hälfte von ihnen. Es wurde somit die Hypothese aufgestellt, dass CRISPR-Bakterien und -Archaeen gegen diese Fremd-DNS der Viren verteidigt und somit als Immunsystem fungiert.^5,6,7 2007 wurde diese Behauptung durch Barrangov und Kollegen bestätigt, die gezeigt haben, dass Bakterien, die mit Phagen (Gruppen von Viren) infiziert wurden, Teile deren DNS als Spacer zwischen die CRISPR-Bereiche integriert haben und somit eine Immunität gegenüber diesen Erregern aufgebaut haben: künstlich eingefügte Spacer, die die Sequenz von Viren enthielten, haben die Bakterien gegenüber der Fremd-DNS resistent gemacht. Das Experiment funktionierte auch umgekehrt – die Bakterien verloren diese erworbene Resistenz wieder, wenn die Sequenzen deletiert wurden.⁸ Somit wurde gezeigt, dass Prokaryonten ein adaptives Immunsystem besitzen, mit dem sie sich DNS-Sequenzen von Erregern merken, ähnlich beim Menschen durch Antikörper, und bei erneuter Infektion deren DNS zerschneiden können. Im Detail funktioniert der Mechanismus wohl so: bei einer Infektion wird die DNS der Viren in kleine Fragmente aufgespalten und in die CRISPR-Abschnitte eingefügt. Bei einem erneuten Befall werden diese Abschnitte in RNS umgeschrieben – deswegen auch der vorangeschaltete Promotor – und die virale DNS überprüft. Stimmt diese mit der „gespeicherten“ überein, wird sie durch DNS-schneidende Proteine, den Cas-Proteinen, zerstückelt und dadurch zerstört.⁹

Genome-Editing

Dieses Erkennen und Schneiden einer Sequenz wird schon länger beim sogenannten Genome-Editing genutzt. Genome-Editing ist ein präzises Instrument, mit dem die DNS gezielt verändern wird. Gene können damit in eine bereits vorhandene Sequenz eingefügt, entfernt oder komplett ausgetauscht werden. Auch einzelne Nukleotide können somit geändert werden. Eine neue Ära in der Molekularbiologie stellte die Entdeckung von Restriktionsenzymen in den 1970er Jahren dar: diese Enzyme erkennen charakteristische Sequenzen und schneiden diese.¹⁰ Das Problem hierbei ist, dass sich der Zielort schwer vorhersagen lässt, da die Erkennungssequenz meist nur wenige Basenpaare lang ist und somit vermehrt im Genom vorkommt. Mit CRISPR/Cas werden solche ungewollten Effekte weitgehend verhindert. Zusätzlich ist dieses Verfahren zuverlässig, schnell und kostengünstig. Das Funktionsprinzip beruht auch wie bei andere Genome-Editing Methoden auf folgenden drei Schritten: Es muss zuerst die Stelle im Genom gefunden werden, die gezielt verändert werden soll. Es wird eine „Sonde“ bzw. ein Vektor konstruiert, der die gewünschte Zielsequenz, auch als gRNS (guideRNS) bezeichnet, und die Sequenz für die molekular Schere – dem Protein Cas9 – enthält. Am Zielort angekommen, schneidet Cas9 den DNS-Doppelstrang genau an der gewünschten Sequenz. Zum Schluss kommt das zelleigene Reparatursystem ins Spiel und fügt die durchtrennten DNS-Stränge wieder zusammen.¹¹ Hier hat die Zelle zwei Möglichkeiten: Nicht-homologe Endverknüpfung (Non-homologous end joining NHEJ) oder homologe Rekombination (Homology directed repair, HDR). Bei NHEJ entstehen zufällige Insertionen, bzw. Deletionen durch einzelne Nukleotide, die zu einer Gen-Inaktivierung führen, da der Leserahmen (ORF; der Bereich, der für ein potentielles Protein codiert) dadurch verschoben wird. Bei HDR wird ein Template (Vorlage) hinzugefügt, um der Zelle genau vorzugeben, welche neue Sequenzen eingebaut werden sollen.

Gentherapie

Bisher wurden schon Patienten mit defekten Genen durch eine klassischen Gentherapie behandelt. Hierbei wurden sie mit einem Virus behandelt, der das neue funktionsfähige Gen trägt und in die betroffenen Zellen einbaut. Doch auch hier ist das Problem, dass es sich nicht vorhersagen lässt, wo genau im Genom das entsprechende Gen eingebaut wird.¹² Mit CRISPR wird dieser Umstand umgangen und der Zielort genau vorherbestimmt.  

CRISPR/Cas in der HIV-Therapie

Es wurden schon erste Erfolge in der Behandlung mittels CRISPR/Cas verzeichnet, beispielsweise in der HIV-Therapie. Eine Infektion mit dem HI-Virus ist mittels retrovirale Therapie (ART) weitgehend unter Kontrolle gebracht, eine komplette Heilung gibt es jedoch noch nicht. Versuche haben gezeigt, dass CRISPR/Cas effektiv HI-Viren bekämpft. Mithilfe der molekularen Schere hat das Team um Kamel Khalili und Won-Bin Young sowohl in Mäusen, als auch in menschlichen Immunzellen, die auf „humanisierte“ Mäuse übertrugen wurden, das virale Erbgut aus mehr als 95% der infizierten Zellen entfernt.¹³ Eine Aussicht auf eine Anwendung direkt am Menschen ist jedoch noch nicht in Sicht. Denn auch diese Methode ist nicht ohne Risiken. Zum einen werden nur 95% entfernt, der Rest reicht, um die Krankheit erneut ausbrechen zu lassen. Zum anderen wird für den Transport der CRISPR-DNS ein Virus verwendet, der im Körper eine Immunantwort auslöst und somit nur einmal eingesetzt werden kann. Außerdem stehen die Transportviren in Verdacht, Tumore auszulösen.¹⁴ Eine weitere Arbeitsgruppe hat dieses Jahr mittels CRISPR/Cas die regulatorischen Gene von HIV zerstört, sodass dieser nicht weiter in der Lage war, sich in den infizierten Zellen zu vermehren. Dafür haben sie einen Vektor konstruiert, der sowohl Cas9 als auch eine von sechs verschiedenen gRNSs codiert. Diese Vektoren wurden in Zellen transfiziert, die die regulatorischen Proteine des Virus (Tat und Rev) exprimieren. Dadurch wurde eine signifikante Erniedrigung in der Expression und Funktion der Proteine verzeichnet, ohne dass dies das Überleben der Zellen beeinträchtigt hat.¹⁵ Durch diese beiden Veröffentlichungen zeigt sich, dass es durch CRISPR eine Heilung für HIV-infizierte Menschen geben könnte. Eine Nachricht, die viele Menschen geschockt hat, kam letzten Monat aus China. Ein Wissenschaftler behauptet, dass die zwei ersten, durch CRISPR/Cas veränderten Babys zur Welt gekommen sind. He Jiankui hat eine Frau mit Embryonen befruchtet, bei denen als Zygote mittels CRISPR/Cas das Gen CCR5 zerstört wurde. Dieses codiert ein Rezeptorprotein, an welches sich der HI-Virus bei Infektion anheftet und somit essentiell für diesen ist. Ziel dieser Arbeit war nicht, dass die Übertragung des Virus durch die Eltern verhindert wird, sondern vielmehr, dass die Kinder nicht das gleiche Schicksal erleiden müssen wie ihre Eltern und somit gegen den Virus resistent sind.¹⁶ Kritik kam hierbei von allen Seiten. Ein wohl wichtiges Argument ist, dass es auch einige HIV-Stämme gibt, die für die Infektion ein anderes Rezeptorprotein (CXCR4) verwenden.¹⁶ Zudem kommt der ethische Aspekt. In Deutschland, USA und vielen anderen Ländern sich derartige Manipulationen verboten.¹⁷ Die durch Genome-Editing versursachte Veränderungen werden auch an nachfolgende Generationen weitergegeben, somit sind die Risiken, die damit einher gehen, bisher kaum abzuschätzen.¹⁷ Deshalb bleibt der Einsatz dieser „Wunderwaffe“ nach wie vor mit großer Vorsicht zu genießen.   Ansprechpartner: Kristina Schraml (kristina.schraml@biovariance.com) Quellen

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HIV-Infektion und AIDS

Ausgelöst wird AIDS (acquired immunodeficiency syndrom) durch den humanen Immundefizienz Virus (HIV, human immunodeficiency virus), der zur Familie der Retroviren gehört. Viren können sich nur in fremden Zellen, sogenannten Wirtszellen vermehren und sind somit auf diese angewiesen. Unser Immunsystem ist dafür zuständig, Krankheitserreger wie Pilze, Bakterien oder Viren zu bekämpfen und abgestorbene oder kranke Zellen zu zerstören. Ist ein Mensch nun mit dem HI-Virus infiziert, wird das Immunsystem geschädigt, da der Virus vor allem Immunzellen, sogenannte Helferzellen angreift: Deren eigenes Genmaterial wird in das Erbgut der Wirtszelle eingebaut, der Virus verschmelzt dadurch mit der Wirtszelle und tötet diese ab. Die Helferzellen, die zu den weißen Blutkörperchen, Leukozyten, gehören, steuern eigentlich weitere Zellen in der Immunantwort, können bei einer Infektion diese Funktion jedoch nicht mehr ausüben. Somit wird das Immunsystem immer weiter geschwächt. Übertragen wird der Virus über frische Wunden und Schleimhäute durch den Kontakt mit Körperflüssigkeiten wie Blut, Sperma, Vaginalsekret sowie Muttermilch. Kurze Zeit nach der Ansteckung vermehrt sich der Virus rasant, gleichzeitig nimmt die Anzahl der Helferzellen ab, da diese befallen und dadurch zerstört werden.¹ Nach dieser akuten Phase folgt die chronische Phase, in der das Gleichgewicht relativ konstant ist. Bei einer unbehandelten Infektion führt dies, jedoch nicht in jedem Fall, nach einer langen, meist symptomfreien Phase zu einem erworbenen Immundefektsyndrom, sprich AIDS.¹  Durch das andauernd geschwächte Immunsystem gibt es noch weitere Risiken für HIV-Infizierte. Zum Beispiel haben diese ein 50fach erhöhtes Risiko an Tuberkulose zu erkranken.² Gleichzeitig ist es möglich, dass eine derartige Infektionskrankheit den Ausbruch von AIDS beschleunigt.² Beide Infektionen verstärken sich also gegenseitig.² Somit zählt Tuberkulose zu der Haupttodesursache von HIV-Infizierten.³

Epidemiologie

Seit Anfang der 1980er Jahren hat sich eine regelrechte Pandemie entwickelt. Weltweit sind ca. 36,9 Millionen Menschen mit HIV infiziert (Stand 2017), darunter mehr als 3,3 Millionen Kinder unter 15 Jahren.⁴ Bisher forderte der Virus insgesamt 39 Millionen Todesopfer (Stand 2015). In Deutschland leben ca. 84.700 Infizierte.⁵ Sowohl die Anzahl der Neuinfektionen, als auch die Anzahl der Todesfälle durch AIDS ist in den letzten Jahren jedoch weltweit stetig gesunken. Dies liegt zum einen an der immer besseren Aufklärung, zum anderen an der erfolgreichen antiretroviralen Therapie (ART): Dadurch wird die Vermehrung des Virus im Körper unterdrückt und die Entwicklung zu AIDS wird dadurch verhindert.⁵ Mehr als die Hälfte aller HIV-Positiven bekommen weltweit diese lebensrettende Medikamente, was zur Folge hat, dass die Anzahl der AIDS-Todesfälle zwischen 2005 und 2016 insgesamt fast halbiert wurde.⁶

HAART

Auch wenn es bereits seit 1987 Medikamente gab, stieg die Todesrate zu dieser Zeit enorm an. Der große Durchbruch in der HIV-Therapie gelang durch die Einführung von HAART (highly active antiretroviral therapy) im Jahr 1993, einer hoch aktiven antiretroviralen Therapie, bei der mindestens drei Wirkstoffe kombiniert werden. Seitdem geht die Sterberate in manchen Ländern rapide zurück – in Frankreich sogar um 94%.⁸ Durch diese wirksame Kombinationstherapie wird der Virus unter die Nachweisgrenze gedrückt – der Ausbruch von AIDS wird somit verhindert. Zusätzlich wird eine weitere Übertragung des Virus unterbunden, sodass von diesen Patienten kein Risiko mehr ausgeht. Laut einer aktuellen Studie wissen dies jedoch nur 53% aller Befragten.⁷

UNAIDS

UNAIDS, das HIV/AIDS Programm der Vereinten Nationen hat sich im Kampf gegen AIDS das Ziel „90-90-90“ gesetzt. Das heißt, dass bis zum Jahr 2020 weltweit 90% aller Infizierten auch von ihrer Krankheit wissen sollen, davon sollen 90% in Behandlung sein und davon sollen wiederum 90% unter der Nachweisgrenze liegen und den Virus somit nicht mehr weitergeben können.⁹ Während viele Länder dieses Ziel bereits erreicht haben, kommt Deutschland im Jahr 2018 auf die Werte „86-86-93“.⁹ Das große Problem bei der Erfüllung dieser Kampagne sind mittlerweile nicht mehr die Behandlung oder das Verhindern des Ausbrechens von AIDS, sondern die Diagnose:¹⁰ knapp 13.000 Menschen sind in Deutschland infiziert, wissen dies jedoch noch nicht. Somit muss hier in den nächsten Jahren noch viel passieren.¹¹

Personalisierte Medizin

Einer der Wirkstoffe, der im Rahmen von HAART eingesetzt wird, ist Abacavir, der nun auch im Rahmen der Behandlung mittels personalisierter Medizin zugelassen wurde.¹² Medikamente, die diese Substanz enthalten, werden nur nach einem durchgeführten Gentest verschrieben, sofern dieser negativ ausfällt.¹² Bei diesem wird nach Vorhandensein des Genmarkers HLA-B*5701 getestet, der eine Hypersensitivitätsreaktion gegenüber dem Wirkstoff auslöst. Das HLA-System (human leucocyte antigen) beschreibt eine Gruppe von Genen, die für das Immunsystem zentral sind. HLA-B gehört zu den Klasse-I-Antigenen, die, wie alle anderen HLA-Gene, auf einem 4 Millionen Basenpaaren langen Abschnitt auf Chromosom 6 liegen. Von diesem Gen sind mindestens 31 verschiedene Allele, also verschiedene Ausprägungen vorhanden. Bei HIV-Patienten mit dem Allel HLA-B*5701 treten nach der Einnahme von Abacavir schwere Nebenwirkungen auf, die schlimmstenfalls zum Tode führen.¹² Dies ist etwa bei 5% aller Patienten der Fall.¹² Durch den vorgeschriebenen Gentest kann diese Hypersensitivitätsreaktion ausgeschlossen werden und dem Patienten andere, für ihn unschädliche und wirksame Medikamente verschrieben werden.¹² Somit wurde auch auf diesem Gebiet ein Erfolg in Richtung personalisierte Medizin verzeichnet. Mehr zu diesem Thema und einen weiteren Durchbruch in der HIV-Therapie gibt es im nächsten Beitrag.

Ansprechpartner: Kristina Schraml (kristina.schraml@biovariance.com) Quellen

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Anlässlich des Welt-Diabetes-Tages am 14.11 wird der erste Blogbeitrag über Diabetes im Allgemeinen, die Folgen der Krankheit und über erste Fortschritte in Richtung Präzisionsmedizin gehen.

Diabetes

Bei einem gesunden Menschen werden Kohlenhydrate durch den Verdauungsapparat zu Glukose (Traubenzucker) abgebaut und gelangen durch die Darmwand ins Blut.¹ Das Hormon Insulin ist zusammen mit dem Hormon Glukagon für die Kontrolle des Blutzuckerspiegels, also der Konzentration von Glukose im Blut, verantwortlich.¹ Gebildet wird Insulin in den sogenannten Beta-Zellen der Bauspeicheldrüse und transportiert Glukose von der Blutbahn ins Innere der Zellen.¹ Durch einen Vorgang, der sich Glykolyse nennt, wird durch den Abbau Energie (ATP) gewonnen.¹ Glukose ist somit ein wichtiger Lieferant und versorgt zum Beispiel das Gehirn oder die roten Blutkörperchen mit Energie.¹

Bei der Stoffwechselerkrankung Diabetes mellitus ist dieser natürliche Vorgang gestört, was eine dauerhaft erhöhte Konzentration des Blutzuckers, auch Hyperglykämie genannt, zur Folge hat.² Aufgrund der unterschiedlichen Ursachen dieser Krankheit, wurde diese in verschiedene Typen eingeteilt. Typ 1-Diabetes liegt ein Insulinmangel zugrunde, welcher durch eine Zerstörung der Beta-Zellen durch das eigene Immunsystem zustande kommt.² Durch diese Autoimmunreaktion wird kein Insulin mehr gebildet.² Diese Form tritt mit einem Anteil von 5% relativ selten auf.^2,3 Typ 2-Diabetes unterscheidet sich vom Typ 1, dass hier zwar Insulin produziert wird, die Ausschüttung des Hormons aber gestört ist (Insulinresistenz).² Hier spielt neben der erblichen Veranlagung der Lebensstil eine zentrale Rolle, wodurch diese Form auch vermehrt im höheren Alter auftritt.²

Epidemiologie

Weltweit leben 425 Millionen Menschen mit Diabetes, was einen Anteil von 8,8% aller 20-79-jährigen ausmacht.⁴

In Deutschland liegt die Anzahl der Diabetiker bei rund 7,6 Millionen (Stand 2017);⁵ täglich kommen 1.000 Neuerkrankungen hinzu,⁶ sodass in den nächsten Jahren mit einem Anstieg auf 20 Millionen gerechnet wird.⁷ Weltweit sprechen Prognosen sogar von 629 Millionen Erkrankten bis zum Jahr 2045.³

Folgeerkrankungen

Das Hauptproblem hierbei ist, dass mit Diabetes eine Vielzahl von Folgeerkrankungen einhergehen.  Auf Dauer schädigt die Zuckerkrankheit Nieren, Nerven, Netzhaut und Blutgefäße.⁸ Menschen mit Diabetes haben ein erhöhtes Risiko für Schlaganfälle und Herzinfarkte.⁸ So wird davon ausgegangen, dass Patienten mit Diabetes zu 50% an kardiovaskulären Erkrankungen sterben.⁶ Zusätzlich wurde gezeigt, dass bei Patienten mit Diabetes  und einer Herz-Kreislauferkrankung die Lebenserwartung deutlich reduziert wird.⁹ Studien decken auch eine Verbindung zu neurologischen Erkrankungen auf. Das Risiko eines Diabetikers, an Demenz zu erkranken ist etwa 2,5x höher als bei einem Gesunden.¹⁰

Diese Folgeerkrankungen machen sich auch in den Kosten des Gesundheitswesens bemerkbar. Diese lagen im Jahr 2009 bei 48 Milliarden Euro, 24% mehr als noch im Jahr 2000.¹¹ Deutlich wird dies auch an einer Beispielrechnung eines Patienten: Kostet die Diabetestherapie pro Quartal knapp 700 Euro, können die dadurch auftretenden Folgeerkrankungen, z.B. eine Amputation, knapp 14.000 Euro pro Quartal kosten.⁸

Pro Jahr gehen 50.000 Amputationen auf das Konto von Diabetes, 2.000 Fälle von Erblindungen und 2.300 Fälle von Niereninsuffizienzen.⁸

Die Zuckerkrankheit ist auch für mehr Todesfälle verantwortlich, als bisher angenommen wurde. Eine erste Studie, die sich im Jahr 2017 mit einer solchen Kalkulation auseinandersetzte, kam im Jahr 2010 auf 174.627 Tote aufgrund Diabetes.¹² Dies macht 21% aller Todesfälle in Deutschland aus.¹² Weltweit wird von 5,1 Millionen Toten im Jahr 2013 ausgegangen, sodass diese Krankheit unter den zehn häufigsten Todesursachen angesiedelt ist.¹²

Fortschritte

Aktuelle Fortschritte in der Medizin und ein immer besseres Verständnis der molekularen Eigenschaften von Krankheiten können auch auf diesem Gebiet Fortschritte erzielen. So ist mittlerweile bekannt, dass bei Typ 1-Diabetes die Erbanlagen eine gewisse Rolle spielen.¹³ Es wurden eine Vielzahl von Genen entdeckt, die eine Verbindung zur Entstehung der Erkrankung aufzeigen.¹³ Zusätzlich haben Forscher die Einteilung der Erkrankung neu überarbeitet. Es ergeben sich nach Auswertung von 15.000 Daten unter Berücksichtigung von z.B. Alter, BMI oder Langzeitblutzuckerwert fünf verschiedene Erkrankungstypen.¹⁴ Dadurch werden neue Möglichkeiten der Therapie in Richtung Präzisionsmedizin geschaffen.

Personalisierte Medizin

Auf dem Gebiet der personalisierten Medizin wurde bereits dieses Jahr ein Erfolg erzielt. Der Wirkstoff Glibenclamid, der bei der Therapie von Typ-2 Diabetes enorme Nebenwirkungen verursacht, wurde erstmals für die Behandlung von neonataler Diabetes empfohlen.¹⁵ Diese genetisch bedingte Krankheit ist mit einer Inzidenz von 1:100.000 relativ selten.¹⁶

Im Blutzucker-System spielen Kalium-ATP-Kanäle eine wichtige Rolle. Diese Transmembranproteine bestehen aus zwei Ringen mit je vier Untereinheiten.¹⁷ Diese werden von je einem Gen – KCNJ11 und ABCC8 – codiert. Sinkt der Blutzuckerspiegel, das heißt die Glukosekonzentration nimmt ab, wird weniger Energie in den Zellen gebildet.¹⁸ Der Kanal ist geöffnet. Steigt die Konzentration hingegen, gelangt Glukose in die Zellen, Energie (ATP) wird gebildet, der Kanal schließt sich daraufhin.¹⁸ Dadurch kommt es zu einer Depolarisation und Calciumkanäle werden geöffnet.¹⁸ Durch den Einstrom von Calciumionen in die Zelle wird Insulin sezerniert, das heißt aus den Zellen in die Blutbahn abgegeben.¹⁸

Bei der neonatalen Diabetes liegt eine Mutation in einem der codierenden Gene der Kaliumkanäle vor.¹⁶ Die Beta-Zellen sind zwar in der Lage Insulin zu bilden, dies wird aber nicht sezerniert, da der Kanal durch die Mutation immer geöffnet ist und die Depolarisation und somit das Öffnen der Calciumkanäle nicht stattfindet.¹⁶ Glibenclamid blockt den Kaliumkanal, sofern die Mutation im Gen KCNJ11 vorliegt, sodass die weiteren Schritte bis zur Freisetzung des Insulins ablaufen können.¹⁶

Seit Mai 2018 wird mit der Diagnose von neonataler Diabetes ein Gentest empfohlen, der die vorliegende Mutation bestimmt.¹⁵ Somit ist Glibenclamid einer von 62 Wirkstoffen, der bereits für die personalisierte Medizin zugelassen wurde.¹⁵

Ansprechpartner:

Kristina Schraml (kristina.schraml@biovariance.com)

Quellen

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