Jeder ist anders

Proteinanalytik

Manche Krebspatienten haben dieselbe Diagnose. Trotzdem kann der Krankheitsmechanismus in den Zellen unterschiedlich sein. Eine leistungsstarke Analytik von Bayer Technology Services hilft, diese Unterschiede zu ermitteln. Das Ziel: die Krankheit künftig maßgeschneidert zu behandeln.

Jeder Mensch ist ein Unikat – das ist für uns auch in der Masse schnell zu erkennen. Schwieriger wird es, die Unterschiede im molekularen Zellgeschehen jedes Einzelnen zu erfassen. Doch wenn das gelingt, kann auch individuell therapiert werden.

Statistiken sind mitleidlos: Darmkrebs fordert weltweit mehr als 600.000 Tote. Jedes Jahr aufs Neue. Die vierthäufigste Todesursache unter allen Tumorarten. Dabei könnten viele Patienten bei entsprechender Früherkennung und mit den bereits verfügbaren Medikamenten vermutlich länger leben. Das Problem jedoch: Die Präparate wirken nicht bei allen Betroffenen gleich. Umso wichtiger wäre es, dass Ärzte bereits im Vorfeld testen könnten, ob ein bestimmtes Präparat anschlagen wird oder nicht.

Und genau an dieser Stelle setzt OncoTrack an: ein Projekt, das von der EU-weiten „Innovative Medicines Initiative“ finanziert wird (siehe auch "Gemeinsamer innovativer") – und das von Dr. David Henderson von Bayer HealthCare und Prof. Dr. Hans Lehrach vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik geleitet wird. In ihm haben sich rund 80 Wissenschaftler aus industrieller und akademischer Forschung zusammengeschlossen. Um einen geeigneten Test zu entwickeln, wollen sie unter anderem Tumorzellen von rund 30 Darmkrebs-Patienten unter die Lupe nehmen.

Dabei setzen sie eine ganz spezielle Technologie von Bayer Technology Services ein. Die Forscher nennen sie RPPA, wobei die Abkürzung für „Reverse-Phase Protein Array“ steht. Eine Technologie, für die Bayer Technology Services eine eigene Plattform entwickelt hat, nachdem das grundsätzliche Knowhow bereits vor Jahren durch die Übernahme des schweizerischen Unternehmens Zeptosens erworben worden war.

Jeder Tumor kann auf Zellebene etwas anders aussehen. Gewebeproben (o.) geben darüber Aufschluss. Ein Nachweisverfahren von Bayer Technology Services macht darin bestimmte Proteinmuster sichtbar – und zeigt, welche Signalwege jeweils gestört sind (u.
Jeder Tumor kann auf Zellebene etwas anders aussehen. Gewebeproben (o.) geben darüber Aufschluss. Ein Nachweisverfahren von Bayer Technology Services macht darin bestimmte Proteinmuster sichtbar – und zeigt, welche Signalwege jeweils gestört sind (u.)

Das Besondere: Mit RPPA lässt sich in einer Probe eine ganze Reihe verschiedener Eiweiße nachweisen. Sogar Konzentrationsabweichungen einzelner Proteine gegenüber Vergleichsproben werden dabei erfasst. Die Technologie hat vielfältige Anwendungsgebiete, und auch Bayer CropScience nutzt sie in gemeinsamen Projekten. Warum der konzertierte Nachweis mehrerer Proteine aber gerade auch bei Krebspatienten von enormer Bedeutung sein kann, erklärt Dr. Mathias Gehrmann. Er arbeitet bei Bayer Technology Services im Bereich Enabling Technologies in der Gruppe Bioanalytics, die auch für die RPPA-Plattform zuständig ist. „Die Proteinzusammensetzung in den Zellen gibt Auskunft darüber, welche Signalwege jeweils aktiv sind und welche nicht“, erklärt Gehrmann. Mit einem Signalweg meinen Wissenschaftler eine Art molekularen Staffellauf, bei dem letztendlich bestimmte Befehle übermittelt werden. Die Botschaft wird dabei auf chemischem Weg immer wieder auf neue Moleküle übertragen, in der Regel sind das Proteine, bis sie schließlich an ihrem Zielort angekommen ist, etwa im Zellkern. Wenn solche Signalwege außer Kontrolle sind, kann das zum Beispiel dazu führen, dass sich eine Zelle ungehemmt teilt, obwohl das aus physiologischen Gründen gar nicht notwendig wäre. Oder auch, dass das Programm, das Zellen in manchen Situationen sinnvollerweise zum Selbstmord veranlasst, außer Kraft gesetzt wird. Beide Störungen sind typisch für viele Tumorzellen.

Das spezielle Problem bei Tumor-Patienten: Auch wenn Menschen an derselben Art von Krebs erkrankt sind, müssen keineswegs die gleichen Signalwege gestört sein. Oder, wie es der Biochemiker Henderson ausdrückt: „Zwei Menschen können Darmkrebs haben, der auf der Zellebene völlig unterschiedlich ist.“ Das ist auch einer der Gründe, warum manche Medikamente bei einem Patienten wirken, beim anderen aber nicht. Sie sind nämlich gerade so entwickelt, dass sie in ganz konkrete Signalwege regulierend eingreifen – in andere aber nicht.

An dieser Stelle kommt RPPA ins Spiel: Welche Signalwege in einem konkreten Tumor jeweils gestört sind, drückt sich nämlich auch in dem Grad aus, in dem bestimmte Eiweiße modifiziert sind. Mit der RPPA-Technologie kann das Ausmaß dieser Modifizierungen bestimmt werden – und zwar „für viele Eiweiße in einem Rutsch“, wie Gehrmann betont. Gegenüber anderen Verfahren sei diese Methode, so der Experte, sogar „sehr viel schneller und empfindlicher“.

Blaues Streulicht macht zwei Linien sichtbar (l.). Entlang dieser sind die Arrays physikalisch so präpariert, dass eingestrahltes Laserlicht direkt in den planaren Wellenleiter gelenkt wird. Dort befinden sich auch die Proben, die zuvor in einem speziell
Blaues Streulicht macht zwei Linien sichtbar (l.). Entlang dieser sind die Arrays physikalisch so präpariert, dass eingestrahltes Laserlicht direkt in den planaren Wellenleiter gelenkt wird. Dort befinden sich auch die Proben, die zuvor in einem speziellen Gerät auf das Array gebracht werden (r.)

Um Proteine in einer Probe nachweisen zu können, setzen die Forscher Antikörper ein. Denn für fast jedes Protein lässt sich ein Antikörper finden, mit dem es sich gut verbindet. In der Proteinanalytik muss man also eine ganze Reihe von Antikörpern einsetzen – je nachdem, wie viele Proteine man in der Probe nachweisen möchte. Sind diese Proteine dann tatsächlich vorhanden, bleibt der entsprechende Antikörper dort hängen. Wie an einer Angel.

Wenn die Antikörper-Moleküle vorab mit einem Farbstoff gekoppelt wurden, kann das Protein sogar sichtbar gemacht werden. Und was für die Experten noch viel wichtiger ist: Die relativen Konzentrationen der Eiweiße im Vergleich zu (gesunden) Zellen lassen sich dadurch viel einfacher messen, denn: Je stärker das Lichtsignal des Farbstoffs, desto mehr eines bestimmten Proteins enthält die Probe.

Das ist an sich nichts Neues, sondern gängige Praxis in der Protein-Analytik. Und trotzdem unterscheidet sich die RPPA-Technologie ganz erheblich von anderen Vorgehensweisen. Denn während man bei den meisten Verfahren die Antikörper auf eine Trägerplatte, ein sogenanntes Array, gibt und dann die Proben hinzufügt, macht man es beim RPPA-Ansatz genau umgekehrt: erst die Proben, dann die Antikörper. Deshalb ist auch der Begriff „Reverse-Phase“ Namensbestandteil von RPPA.

Der Vorteil: „Auf die Art lassen sich auf einem einzelnen Array zahlreiche verschiedene Proben gleichzeitig untersuchen“, erklärt Daniel Rechsteiner von Bayer Technology Services, der die RPPA-Methode maßgeblich weiterentwickelt hat. Überhaupt mache der Ansatz die Analysen wesentlich flexibler, betont der Biochemiker. Denn die einmal vorbereiteten Arrays lassen sich danach mit beliebigen Antikörpern behandeln.

„Gegenüber anderen Verfahren ist unser Ansatz sehr viel schneller – und auch empfindlicher“

Dr. Mathias Gehrmann

Bioanalytics, Bayer Technology Services

Das alles geschieht voll automatisiert und mit hohem Probendurchsatz. Auch die dafür benötigten Geräte bietet Bayer Technology Services; zum Teil sind es hoch spezialisierte Eigenentwicklungen. Dazu zählt auch das optische Verfahren, mit denen die Eiweiße nach der Kopplung mit den Antikörpern sichtbar gemacht und gemessen werden. Hier punktet der RPPA-Ansatz von Bayer Technology Services mit einem weiteren Vorteil, und das liegt an einem, wie Rechsteiner sagt, „physikalischen Kniff“. Damit umschreibt der Bioimaging-Experte das, was er im Kollegenkreis den „integrierten planaren Wellenleiter“ nennen würde. Der sorgt dafür, dass der Laserstrahl, der die hängengebliebenen Antikörper samt Farbstoff „ausliest“, nur in einer Schicht über das Array geführt wird. Praktischerweise ist das genau jene, in der sich auch die Probenmoleküle mitsamt Antikörpern befinden (siehe auch Kasten). „So lassen sich Störsignale verhindern, und die Empfindlichkeit des gesamten Verfahrens wird erheblich gesteigert“, unterstreicht Rechsteiner.

Empfindlichkeit bedeutet in diesem Zusammenhang vor allem, dass bereits ausgesprochen geringe Probenmengen ausreichen, um die Proteine nachzuweisen. Konkret werden gerade mal 0,4 milliardstel Liter von einer Probe auf das Array gebracht. Das ist so wenig, dass rund 100000 solcher Proben in einem einzigen Wassertropfen Platz fänden. Andere Verfahren erfordern erheblich mehr Probenmaterial.

Das leuchtet ein

Licht lässt sich nicht nur in runden Glasfasern „einsperren“ (wie bei der modernen Breitbanddatenübertragung üblich), sondern auch in flächigen Schichten. Genau solche planaren Wellenleiter (PWL) macht sich Bayer Technology Services bei seiner Proteinanalytik zunutze. Dabei werden Probenarrays mit einer gerade mal 0,2 Mikrometer dünnen Tantalpentoxid-Schicht überzogen, durch die dann schräg eingestrahltes Laserlicht geführt werden kann. In der unmittelbaren Umgebung baut sich dabei ein elektromagnetisches Feld auf – und regt alle Farbstoffmoleküle zum Leuchten an, die sich auf dem Array befinden. Und das ist überall dort, wo Antikörper an Proteinen aus den Proben hängen geblieben sind. Die jeweilige Leuchtintensität ist ein Maß für die Farbstoffmenge – und kann von einer CCD-Kamera gemessen werden.
Andere Verfahren, bei denen der Laserstrahl das Array von oben abscannt, haben gegenüber PWL zwei Nachteile: Zum einen sind sie wegen der Streuverluste des Lichts deutlich unempfindlicher. Zum anderen wird ein Teil des Laserlichts vom Array reflektiert und überlagert die Signale der leuchtenden Farbstoffe.

Doch wie gering auch immer die Probenmenge ausfallen darf – nachweisen lassen sich immer nur diejenigen Eiweiße, für die den Forschern auch die entsprechenden Antikörper zur Verfügung stehen. Und die fallen nicht vom Himmel, sondern sind vielmehr Ergebnis einer ganz eigenen Expertise. Und genau an diesem Punkt zeigt sich einer der weiteren großen Vorteile der RPPA-Plattform: Denn die Experten von Bayer Technology Services haben für diverse Einsatzgebiete bereits einen ausgesprochen großen Pool an Antikörpern. „Allein rund um das Thema Krebs haben wir mehr als 300 Tests für konkrete tumorrelevante Eiweiße“, hebt Rechsteiner hervor.

„Diese Expertise und das Know-how werden uns helfen, die individuellen Unterschiedebei der Entstehung von Krebs zu entschlüsseln“

Dr. Christian Regenbrecht

Projektleiter OncoTrack, Charité Universitätsmedizin Berlin

„Diese Expertise und das Know-how werden uns helfen, die individuellen Unterschiede bei der Krebsentstehung zu entschlüsseln“, freut sich Dr. Christian Regenbrecht, Molekularbiologe am Institut für Pathologie der Berliner Charité und Leiter eines OncoTrack-Teilprojekts. Derzeit läuft die Suche nach Patienten, deren Tumorgewebe untersucht werden kann. „Dabei werden wir mit hoch spezialisierten Antikörpern zum Beispiel konkrete Proteinveränderungen nachweisen, wie sie durch fehlregulierte Enzyme hervorgerufen werden“, erklärt Gehrmann. Das wiederum wird Rückschlüsse auf die jeweils gestörten Signalwege erlauben. „Im besten Fall lässt sich so aufzeigen, welcher konkrete Mechanismus bei welchem Patienten zum Krebs führt“, so Gehrmann.

Das wäre ein wichtiger Anhaltspunkt für die Beantwortung der Frage: Welches Medikament kann in welchem Fall wirklich etwas ausrichten? Und davon können Leben abhängen.

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  1. RegenbrechtSehr vielversprechend und Zukunftsträchtig.
    Allen Beteiligten weiterhin viel Erfolg!
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