Biomarkersuche - automatisch

Jena. Gemeinsam mit Entwicklern der Jenaer CyBio AG und der X-CASE GmbH in Ilmenau wollen Biochemiker und Dermatologen des Jenaer Universitätsklinikums eine Forschungsplattform zur automatisierten Hochdurchsatz-Biomarkersuche entwickeln. Getestet wird die neue Technologie an den Proben von klinisch umfassend charakterisierten Patienten mit Psoriasis und Psoriasis-Arthritis.

Etwa 2-3% der Mitteleuropäer leiden an Schuppenflechte oder Psoriasis. Bei ca. einem Fünftel der Patienten führt diese Autoimmunerkrankung auch zu entzündlichen Veränderungen an den Gelenken, die als Psoriasis-Arthritis bezeichnet werden. Häufig wird diese Komplikation erst im fortgeschrittenen Stadium an chronischen Gelenkschmerzen erkannt, weil typische Frühmarker im Blut fehlen. Ließe sich eine drohende Psoriasis-Arthritis durch biochemische Warnzeichen bei Laboruntersuchungen frühzeitig feststellen, so könnte das Fortschreiten dieser Erkrankung medikamentös verlangsamt oder völlig aufgehalten werden. Doch bislang kennen die Mediziner keine solchen Biomarker.

„Biomarker sind meist Proteine, deren Konzentration auffällig verändert ist“, erklärt PD Dr. Heidrun Rhode, Biochemikerin im Universitätsklinikum Jena. Um Kandidaten für solche molekularen Hinweise identifizieren zu können, müssen sämtliche biochemischen Bestandteile von etlichen Patienten- und Kontrollproben von Gesunden in einem standardisierten Verfahren katalogisiert und verglichen werden. „Weil wir nicht wissen, welche Blume wir pflücken müssen, mähen wir zunächst die ganze Wiese und erfassen jeden Halm und jedes Blatt“, veranschaulicht Heidrun Rhode das Prinzip. Für genau dieses Problem wollen die Wissenschaftler eine automatisierte Lösung entwickeln.

Dabei können sie auf die Ergebnisse früherer Forschungsprojekte aufbauen. Ein gemeinsam mit der in Jena ansässigen CyBio AG konzipiertes Versuchsmuster soll zu einem Gerät weiterentwickelt werden, dass mehrere Trennungsschritte automatisiert ausführt und die Ergebnisse erfasst. Welche Probenzahl dabei bearbeitet werden muss, wird beim genauen Betrachten der Auftrennung deutlich: Die in der Probe enthaltenen Moleküle werden in einem ersten Chromatographieschritt nach ihrer Größe aufgeteilt, 96 Fraktionen entstehen dabei. Die zweite Auftrennung teilt jede dieser Fraktionen anhand der unterschiedlichen Ladung der enthaltenen Proteine in 35 Teilmengen. Ein dritter Schritt differenziert die Inhaltsstoffe der über 3000 Teilmengen nach ihrem Glykosylierungsmuster, also nach Art, Anzahl und Ort der an die Proteine angebunden Zuckermoleküle. Um solche Auftrennungen automatisieren zu können, kombinieren die Entwickler Mikrotiterplatten mit Minichromatographiesäulen. „Noch stellen wir diese in Handarbeit her, hierfür arbeiten wir gerade an einer neuen Technologie“, so Heidrun Rhode.

Während der gesamten Trennschritte liegen die Proteine in physiologischer Form vor, erst danach werden sie von eiweißspaltenden Enzymen in einzelne Peptide zerlegt, um die Bestandteile massenspektrometrisch erfassen und identifizieren zu können. Dabei entsteht eine ungeheure Datenmenge, denn neben der Zuordnung der Elementanalyse zu Peptiden und Proteinen muss die Auftrennung ja bis zu den Patientendaten zurückverfolgbar sein. Bei der Verarbeitung der Daten werden die Mediziner von den Software-Experten der X-CASE GmbH in Ilmenau unterstützt. „Wir werden zur Verwaltung und Auswertung der Daten ein spezifisches integriertes Datawarehouse entwickeln“, so Geschäftsführer Dr. Lutz Schmidt.

Schon jetzt sammeln und dokumentieren die Dermatologen der Unihautklinik in einer Biobank Proben von Psoriasis-Patienten und Gesunden, an denen Gerät, Technologie und Software im kommenden Jahr zum ersten Mal zum Einsatz kommen sollen. „Da die chromatographische Auftrennung die Proteine in ihrer nativen Form belässt, können wir das Verfahren nicht nur zur Identifikation von Biomarkerkandidaten, sondern auch zur Isolation dieser Proteine für weitere molekularbiologische Tests nutzen“, beschreibt Prof. Dr. Johannes Norgauer einen wesentlichen Vorteil.

Am Ende des dreijährigen Kooperationsprojektes, das von der Thüringer Aufbaubank und mit EU-Mitteln unterstützt wird, soll nicht nur eine funktionstüchtige Forschungsplattform stehen. „Ich bin zuversichtlich, dass wir bis dahin auch einige heiße Biomarkerkandidaten für einen Frühtest auf Psoriasis-Arthritis finden können“, so der Leiter des Forschungslabors an der Klinik für Hautkrankheiten.

Kontakt:
PD Heidrun Rhode
Institut für Biochemie I, Universitätsklinikum Jena
Tel.: 03641/ 938620
E-Mail:

Prof. Dr. Johannes Norgauer
Klinik für Hautkrankheiten, Universitätsklinikum Jena
Tel: 03641/ 937455
E-Mail: