Geschwindigkeit und Genauigkeit in der Präzisionsmedizin

Dieser Beitrag setzt unsere Reihe über Molekularbiologie fort, die mit einer Diskussion über Informatik in der biopharmazeutischen Forschung und Entwicklung begonnen hat. In diesem Teil geben wir einen Überblick über einige spannende Trends in der Präzisionsmedizin – insbesondere in Bezug auf gezielte Krebstherapeutika.

Personalisierte vs. Präzisionsmedizin – Was ist der Unterschied?

Obwohl viele Menschen die Begriffe „Präzisionsmedizin“ und „personalisierte Medizin“ synonym verwenden, bedeuten sie technisch gesehen unterschiedliche Dinge. In einem vom National Research Council im Jahr 2011 veröffentlichten Bericht wurden Bedenken geäußert, dass das Wort „personalisiert“ eine falsche Erwartung wecken könnte, dass für jeden Einzelnen einzigartige Behandlungen entwickelt werden. Es ist zwar korrekt, dass viele neue Ansätze im Gesundheitswesen die einzigartige allelische Expression eines Individuums, die resultierenden Proteine und andere Substanzen im Körper berücksichtigen, aber viele Fachleute bevorzugen den Begriff „Präzisionsmedizin“ für dieses aufstrebende Gebiet.

Anstatt einen vollständig individuellen Plan für jede Person zu erstellen, klassifiziert die Präzisionsmedizin Individuen in Subpopulationen, basierend auf ihrer Anfälligkeit für eine bestimmte Krankheit oder ihrem Ansprechen auf eine bestimmte Behandlung. Diese Klassifizierung ermöglicht es, sich auf diejenigen zu konzentrieren, die am wahrscheinlichsten davon profitieren, und Kosten und Nebenwirkungen für diejenigen zu sparen, die dies nicht tun.

Die genetische Sequenzierung – eine Labortechnik, die verwendet wird, um entweder die gesamte genetische Ausstattung eines Organismus zu bestimmen (bekannt als Gesamtgenomsequenzierung) oder die Details eines einzelnen Zielgens zu bestimmen – war der wichtigste Faktor für die Entwicklung der Präzisionsmedizin.

Die traditionelle Sanger-Sequenzierungsmethode bot lediglich einen niedrigen Durchsatz und erforderte vier separate Sequenzierungsreaktionsschritte. Zwar bildet sie nach wie vor die Grundlage für die Genomsequenzierung, stellt jedoch erhebliche Hindernisse für den Einsatz in der Medizin dar. Das Sanger-Verfahren ist langsam, kann nur kurze einzelne Fragmente gleichzeitig verarbeiten und ist aufgrund seiner multiplen Reaktionssequenzen für viele Unternehmen unerschwinglich.

Next-Generation-Sequencing (NGS) und Hochdurchsatz-Sequenzierung (High-Throughput Sequencing, HTS) sind neue technologische Fortschritte, die die gleiche grundlegende Methodik wie die Sanger-Sequenzierung verwenden, aber auch eine schnelle Sequenzierung viel größerer Probenvolumina – bis zu Hunderten von Millionen DNA-Molekülen parallel – ermöglichen. Diese Technologien ermöglichen es Forschern, Anomalien, wie sie durch Krebs verursacht werden, zu erkennen – selbst wenn potenziell schädliche Variationen in Genen mit geringer Häufigkeit auftreten.

Wie zu erwarten, bieten diese Technologien erhebliche Vorteile gegenüber dem „Einheitsgrößen“-Ansatz der traditionellen Medizin. Obwohl Präzisionstechniken noch relativ neu sind, ist die Verwendung des genetischen Profils des Patienten zur Steuerung der Behandlung bereits vielversprechend, um ein höheres Maß an Genauigkeit und Effektivität in der Gesundheitsversorgung zu erreichen.

Die genetische Sequenzierung an und für sich ist jedoch nicht das Endziel. Sie stellt vielmehr eine Basistechnologie dar, die Präzisionsmedizin ermöglicht und grenzenlose therapeutische Möglichkeiten bietet.

Das Versprechen von „Omics“

Im ersten Artikel dieser Reihe haben wir eine aufstrebende Gruppe von biopharmazeutischen Disziplinen erwähnt, die zusammen als „-omics“ bekannt geworden sind, da jede mit dem Suffix -omics endet.

Jedes dieser Omics-Felder konzentriert sich auf die Identifizierung, Messung und Untersuchung eines bestimmten Molekültyps innerhalb eines lebenden Systems. Einzeln bieten diese engen Ergebnisse nur begrenzte therapeutische Einsichten. In Kombination heben sie unser genetisches Verständnis dagegen auf ein deutlich höheres Niveau. Dieser multidisziplinäre Ansatz, manchmal auch „Multi-Omics“ genannt, analysiert das genetische Profil eines Patienten in Kombination mit einer Vielzahl anderer Faktoren und liefert ein vollständigeres Bild der Zusammenhänge zwischen Gesundheit und Krankheit.

Zu den Omics-basierten Strategien gehören:

• Genomik – Die Untersuchung des Genoms – der DNA-Sätze, aus denen Organismen bestehen – einschließlich der Art und Weise, wie sie sich entwickeln und bearbeitet werden können.
• Epigenomik – Die Untersuchung epigenetischer Veränderungen in Zellen, d. h. der chemischen Veränderungen, die dazu führen, dass Gene „ein- oder ausgeschaltet“ werden, ohne die DNA-Sequenz zu verändern.
• Proteomik – Analyse von Proteinen und Peptiden, die typischerweise mit verschiedenen Massenspektrometrie-Instrumenten (MS) durchgeführt wird.
• Transkriptomik – Die Untersuchung von RNA-Molekülen. Ein Transkriptom ist der vollständige Satz von RNA-Transkripten, eine Art „Karte“ von Genexpressionsmustern in Zellen oder Geweben. Dies kann Einblicke in ihre Funktionszustände geben und schließlich dazu beitragen, festzustellen, warum bestimmte Krankheiten, insbesondere Krebs, auftreten.
• Metabolomik – Profiling biologischer Flüssigkeiten zur Bestimmung des aktuellen Zustands einer Zelle oder eines Organismus. Dies kann fast sofort mit MS- und Kernspinresonanz-Technologien (NMR) und in jüngerer Zeit mit Analysetechniken wie der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) erfolgen.
• Phänomik – Ein Wissenschaftszweig, der untersucht, wie Gene auf Umweltveränderungen wie Medikamente oder toxische Substanzen reagieren, einschließlich der Art und Weise, wie wir uns anpassen und warum wir von Krankheiten betroffen sind.

Moderne NGS- und HTS-Techniken sind für jede dieser Disziplinen und damit für die kontinuierliche Entwicklung der Präzisionsmedizin von entscheidender Bedeutung. Geschwindigkeit und Genauigkeit sind unerlässlich, wenn Leben auf dem Spiel stehen, und die Technologien und Plattformen, die die Labore unterstützen, die diese Methoden verwenden, müssen ebenso robust und flexibel sein.

Nutzung von LIMS in der Next-Generation-Sequenzierung

NGS ist ein mehrstufiger Prozess, der für jede Probe eine komplexe Mischung von Reagenzien erfordert. Der Ablauf beginnt mit der Extraktion einer oder mehrerer Proben, wobei verschiedene Techniken verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Forscher eine ausreichende Menge an hochwertiger DNA oder RNA erhalten. Forscher können mit einer einzigen Probe arbeiten oder Dutzende von Proben gleichzeitig verarbeiten.

Die „Bibliothek“, die sich aus diesen Proben ergibt, kann buchstäblich Millionen von Fragmenten enthalten, die im Voraus vorbereitet werden müssen, um einen ausreichend großen Pool an Sequenzen zu erzeugen, indem Adapter hinzugefügt werden, die die Analyse der Proben ermöglichen. Darüber hinaus müssen RNA-Proben vor der Sequenzierung in cDNA umgewandelt werden.

Nachdem die Proben extrahiert, aufgereinigt (und im Falle von RNA in cDNA umgewandelt) und mit den richtigen Sequenzierungsadaptern verknüpft wurden, kann die „Bibliothek“ sequenziert werden.

Sie wird mittels PCR als notwendiger Schritt zur Sequenzierung quantifiziert, wodurch die Qualität und Effizienz der resultierenden Sequenzierungsroutine sichergestellt wird. Im Endergebnis des Sequenzierungsprozesses wird die Bibliothek auf Millionen oder sogar Milliarden von Clustern erweitert, die einzeln „gelesen“ und aufgezeichnet werden. Die Ergebnisse werden dann mit einer speziellen Software analysiert und validiert, die in der Lage ist, die riesigen Datenmengen zu interpretieren.

Da die Sequenzierung jetzt zur Diagnose von Patienten oder zum Kriterienabgleich verwendet wird, um die Aufnahme in klinische Studien sicherzustellen, kann die Bedeutung genauer Ergebnisse nicht hoch genug eingeschätzt werden und geht weit über das hinaus, was für akademische Studien ausreichen würde.

Die LIMS-Technologie rationalisiert diese Prozesse erheblich und trägt dazu bei, genauere Ergebnisse zu gewährleisten. Dazu stellt sie standardisierte Tests bereit, verwaltet Reagenzienpräparate, führt Ladekontrollen durch und verwendet Qualitätsmanagementprozesse, um die Gültigkeit der Ergebnisse sicherzustellen.

Ein LIMS ist von unschätzbarem Wert für Workflows der genetischen Sequenzierung – nicht nur als zentraler Knotenpunkt für Daten, sondern auch als Management-Tool, das bestimmte Workflows automatisieren kann. So kann beispielsweise ein Forscher ein Plattenlayout erstellen und es an ein Instrument senden, um die verschiedenen NGS-Phasen durchzuführen. Die Analyse des Geräts kann dann automatisch mit minimalem Eingriff des Technikers in das LIMS zurückgeführt werden, was eine höhere Genauigkeit und Präzision bietet. Die besten LIMS enthalten zudem auch Tools der fortgeschrittenen Analytik, die KI und maschinelles Lernen nutzen, um es einem Forscher oder Kliniker zu ermöglichen, Erfolgs- und Misserfolgswahrscheinlichkeiten für die Behandlung zu bestimmen.

Ein LIMS kann auch dazu beitragen, sicherzustellen, dass für den Test geeignete Kontrollen und Validierungsstandards verwendet werden. Darüber hinaus bietet ein LIMS Vorteile außerhalb des Labors, indem es Patienteninformationen definiert, organisiert und verteilt, die mit getesteten Proben verknüpft sind – und gleichzeitig die Vertraulichkeit der Patienten mithilfe von Übertragungsprotokollen gewährleistet, die den Standards der Gesundheitsstufe 7 (HL7) entsprechen.

Der LabVantage-Vorteil

Da die traditionelle Medizin heute immer mehr der Präzisionsdiagnostik weicht, kann eine workflowbasierte Anwendung wie LabVantage LIMS Technikern und Klinikern gleichermaßen unterstützen, indem sie Geschwindigkeit, Konsistenz, Genauigkeit und Präzision der Informationen gewährleistet, die sie zur Diagnose und Behandlung verwenden.

LabVantage bietet mehrere sofort einsatzbereite Workflows, die speziell für eine Vielzahl von NGS- und Omics-bezogenen Diagnoseprozessen entwickelt wurden. Diese reichen von COVID-19-Workflows bis hin zu Prozessen, die mit führenden NGS-Unternehmen kompatibel sind – darunter Illumina, Qiagen, Agilent und andere. Diese robuste Sammlung umfasst Workflows für Nukleinsäureextraktion, Quantifizierung, Normalisierung, Bibliotheksvorbereitung und Fragmentanalyse für Technologien wie die Sequenzierung des gesamten Genoms, die Sequenzierung solider Tumore, die gezielte Mutation von Myeloid 54, PyroMark Q96, Genumlagerungs-Workflows, BCR-ABL, Luminex-Workflows, MiSeq, NextSeq und mehr.

Darüber hinaus bietet LabVantage einen integrierten Patientenplaner und wird mit einer Out-of-the-Box-HL7-Schnittstellenkomponente geliefert. Dies rationalisiert die Patienteninteraktionen und erleichtert die Implementierung der Software in klinische Diagnoseumgebungen.

Erfahren Sie mehr über das vorinstallierte LIMS von LabVantage für die molekulare und klinische Diagnostik oder kontaktieren Sie uns noch heute, um Ihre Anforderungen an die Präzisionsmedizin zu besprechen.