Streng genommen gehören auch Viren, Bakterien und Pilze zu den Biomarkern, sie werden hier jedoch ausgeklammert. Die Tabelle 2 zeigt Marker, die zur Diagnose oder Verlaufskontrolle verschiedener Krankheiten in der klinischen Praxis bereits verwendet werden. Im Folgenden wird der Einsatz von aktuellen und potenziellen Biomarkern für drei große Volkskrankheiten besprochen: Morbus Alzheimer, Herzinfarkt und Krebs.

Frühdiagnose von M. Alzheimer

Sehr wahrscheinlich kommt es bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Alzheimer zu einer pathologischen Veränderung des Gehirns, lange bevor andere Krankheitssymptome auftreten. Adäquate Biomarker, die diese präklinische Phase anzeigen und eine Differenzierung zwischen verschiedenen neurodegenerativen Krankheiten erlauben, wären daher für eine frühzeitige Therapie bedeutsam. Diese könnte dazu beitragen, die Lebensqualität der Betroffenen möglichst lange zu erhalten und die Pflegekosten für das Gesundheitssystem zu verringern.

Bislang beruht die Diagnose auf Gedächtnis- und Verhaltenstests sowie bildgebenden Verfahren. Ein definitiver Nachweis der Erkrankung ist erst durch Autopsie nach dem Tod des Patienten möglich.

In Studien sind bereits Liquor-Untersuchungen auf Amyloid-β42-Peptid (Aβ42) und Tau-Protein verfügbar (13). Bei Aβ42 handelt es sich um ein Proteolyseprodukt des Amyloid-Precursor-Proteins, ein Peptid von zumeist 42 Aminosäuren Länge. Die Proteine werden mit der Bildung von Plaques (Tau-Protein) und Neurofibrillen-Ansammlungen (Aβ42) in Verbindung gebracht. Dabei sind erniedrigte Aβ42- und erhöhte Tau-Protein-Spiegel mit Alzheimer-Demenz assoziiert. Einige Studien finden eine Korrelation zwischen der Abnahme an Aβ42 in der Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) und dem Grad der Erkrankung, die eventuell durch eine größere Menge an Aβ42 in den Plaques und damit weniger freiem Aβ42 verursacht wird (14, 15). Allerdings wurde keine Korrelation zwischen der Amyloid-β-Menge im Gehirn selbst und dem Schweregrad der Erkrankung gefunden. Daneben gilt β-Amyloid als Target für neue Arzneistoffe (15).

Tau bindet normalerweise an Mikrotubulin und stabilisiert dieses. Vermutlich stammen die bei Alzheimer erhöhten Tau-Spiegel in CSF aus sterbenden Neuronen (15). Da erhöhte Tau-Protein-Spiegel auch bei anderen Erkrankungen, zum Beispiel Schlaganfall, gemessen werden können, erforschen einige Gruppen Alzheimer-spezifische Phosphorylierungen des Moleküls. Tau wird bei Alzheimer-Patienten abnormal hyperphosphoryliert, wodurch das Gleichgewicht der Tau-Mikrotubulin-Bindung gestört wird. Phosphorylierung in Position 231 konnte als Prädiktor für die Progression einer milden kognitiven Beeinträchtigung zur Alzheimer-Demenz bestimmt werden (16).

Der Quotient Tau/Aβ42, gemessen in CSF, hatte in Studien die derzeit beste prädiktive Aussagekraft für eine zukünftige Demenzerkrankung bei asymptomatischen Probanden (14). Alle Fälle milder kognitiver Beeinträchtigungen traten bei Patienten mit hohen Tau/Aβ42-Quotienten auf (17).

Eine Übersicht über potenzielle neue Biomarker für Alzheimer-Demenz, die einzeln oder in Kombination verwendet wurden, gibt Tabelle 3. So fanden zum Beispiel australische Wissenschaftler eine Fünf-Protein-Signatur (IL1α, IL3, EGF, TNFα, G-CSF) durch In-silico-Analyse eines zuvor publizierten Datensets aus Plasmaproteinen von Alzheimer-Patienten (18).

Um als Biomarker für Morbus Alzheimer dienen zu können, sollten mindestens 85 Prozent Sensitivität und Spezifität sowie mindestens 80 Prozent richtige prädiktive Aussagen erzielt werden (15).

Erschwert wird die Suche nach Markern durch die Tatsache, dass die Klassifikation von Alzheimer-Patienten bisher nur auf der klinischen Diagnose beruht, die ungenau sein kann, zum Beispiel bei der Unterscheidung von ähnlichen neurodegenerativen Erkrankungen. Zudem enthält die Gruppe der »gesunden« Kontrollpersonen wahrscheinlich immer asymptomatische Patienten im präklinischen Stadium.

Dem Herzinfarkt auf der Spur

Bisher wurde vor allem die Konzentration an LDH-Cholesterol im Blut zur Infarktüberwachung verwendet. Aufgrund der höheren Sensitivität und Spezifität wird dieser Test jedoch zunehmend durch Troponin-Bestimmungen abgelöst (13). Auch zahlreiche andere Moleküle werden untersucht (Tabelle 4).

Troponin ist ein Regulationsprotein der Herzmuskulatur und wird von geschädigten Herzmuskelzellen freigesetzt. Erhöhte Plasmaspiegel deuten auf einen Herzinfarkt hin und sind mit einer größeren Zahl an Thromben und dadurch geringerer Perfusion assoziiert. Darüber hinaus sind höhere kardiale Troponin-Level (Troponin I und T) auch mit größerer Mortalität korreliert. Dieses Protein konnte sich gegen acht weitere Biomarker aufgrund seiner diagnostischen Genauigkeit durchsetzen (19).

Mit Troponin wird nur die Nekrose des Herzgewebes nachgewiesen; ein Biomarker für den Nachweis der Ischämie wäre wünschenswert. Dafür evaluieren die Forscher derzeit das Ischämie-modifizierte Albumin (IMA) (20). Der Test beruht auf der spezifisch nach einer Ischämie veränderten Affinität von Albumin für Kobalt, sodass das eigentlich ubiquitäre Protein selektiv als Marker genutzt werden kann. Der Grund für dieses Verhalten ist noch nicht bekannt.

In einer aktuellen Studie an 415 Patienten mit akuten Brustschmerzen, von denen 198 innerhalb weniger Stunden nach der Einlieferung ins Krankenhaus einen akuten Herzinfarkt erlitten, wurden Biomarker für die frühzeitige Diagnose des akuten Herzinfarkts untersucht (21). Neben Troponin wurden neun weitere Proteine analysiert. Sieben wiesen signifikant (p < 0,05) höhere Werte bei den Infarktpatienten auf. Wurden Patienten betrachtet, die innerhalb von vier Stunden nach den ersten Symptomen ins Krankenhaus kamen, ergaben Analysen (ROC-Kurven: Receiver operating characteristic) neben Troponin nur für H-FABP (heart fatty acid binding protein) einen höchst signifikanten Unterschied. Troponin wird langsamer als H-FABP von geschädigten Myozyten freigesetzt (22) und kann somit zu einer höheren Rate an falsch-negativen Tests bei rasch nach dem Infarkt eingelieferten Patienten führen. Dagegen könnte sich das Bindeprotein als sehr früher Marker eignen. Aufgrund der geringeren Spezifität von H-FABP wird allerdings die kombinierte Bestimmung beider Merkmale empfohlen (21). In einer weiteren Studie wurde gezeigt, dass H-FABP ein unabhängiger Prädiktor für eine ungünstige Prognose ist (22).

Ebenfalls im Blut werden Kreatininkinase (CK), Aspartat-Aminotransferase (AST) und Myoglobin gemessen (13), die jedoch auch bei anderen Krankheiten freigesetzt werden und daher primär nicht verwendet werden sollten (20). Myoglobin wird sehr früh nach einem Infarkt freigesetzt (1 bis 4 Stunden) und weist eine hohe Sensitivität, jedoch geringe Spezifität auf (20).

Der Entzündungsmarker C-reaktives Protein (CRP) wird von entzündeten arteriosklerotischen Plaques freigesetzt und dient bereits als Marker für das Ansprechen auf eine Statintherapie. Personen mit hohen CRP-Werten erzielen mit Statinen eine bessere Prognose hinsichtlich des Infarktrisikos (1). Ob CRP herkömmlichen Biomarkern überlegen ist, wird noch kontrovers diskutiert (20), vor allem da es etliche Ursachen für erhöhte CRP-Spiegel gibt (23).

Angiopoietin-2 (Ang2) ist der natürliche Antagonist zu Angiopoietin-1 und führt zur Destabilisierung von Blutgefäßen. Eine Studie mit 251 Hypertonie-Patienten (24) zeigte, dass erhöhte Ang2-Plasmaspiegel signifikant (p = 0,025) waren in der Vorhersage von Herzinfarkten und Schlaganfällen. Sie könnten damit als prädiktive Biomarker für Arteriosklerose-Patienten dienen.

Viele neue und sehr spezifische Biomarker werden in der Diagnose und Therapie von Krebserkrankungen verwendet. Sie sind Teil einer immer individualisierteren Behandlungsstrategie (Tabelle 5). Dazu einige Beispiele.

Das Philadelphia-Chromosom, eine Translokation zwischen den Chromosomen 9 und 22, wurde in den 1960er-Jahren bei Patienten mit chronischer myeloischer Leukämie (CML) entdeckt. Es führt zur Expression des Onkogens bcr-abl, einer Tyrosin-Kinase. Unter der Therapie mit Tyrosin-Kinase-Inhibitoren, zum Beispiel Imatinib, Dasatinib und Nilotinib, gehen die das Philadelphia-Chromosom tragenden Krebszellen zugrunde. Daher gilt es als Biomarker für das Ansprechen auf diese Arzneistoffe. Bestimmte Mutationen im bcr-abl-Gen erlauben inzwischen auch Aussagen über die Wahrscheinlichkeit, mit der Resistenzen auftreten (1, 6).

Ein Biomarker, der in letzter Zeit häufiger bestimmt wird, ist ErbB-2 (besser bekannt als HER2/neu), ein Wachstumsfaktorrezeptor aus der ErbB-Familie der Rezeptor-Tyrosinkinasen, zu der auch EGFR (Epidermal growth factor receptor) gehört. ErbB-2 ist bei etwa 20 bis 30 Prozent aller Brustkrebspatientinnen überexprimiert (1, 6). ErbB-2 ist nicht nur ein Biomarker für ungünstigere Therapieprognosen, sondern auch Angriffspunkt neuer Arzneistoffe. Der humanisierte monoklonale Antikörper Trastuzumab blockiert diesen Rezeptor und kann das Gesamtüberleben und die Zeit bis zum Wiederauftreten der Erkrankung in HER2-positiven Patienten verlängern (25). Dieses Wissen hat ferner zur Entwicklung von Lapatinib geführt; dieser duale Inhibitor von EGFR (ErbB-1) und ErbB-2 (HER2) ist in Deutschland zur Behandlung von Frauen mit HER2-positivem Mammakarzinom zugelassen (26).

Die Zulassungsbehörden haben die Bestimmung des HER2-Status in den Zellen von Brustkrebspatienten anerkannt. Dagegen ist die Verwendung dieses Markers bei Eierstock- und Prostatakrebs bislang nur experimentell in Studien möglich (8).

Mutationen des EGFR-Gens werden bei Lungenkrebs untersucht und sind ein positiver prädiktiver Biomarker für das Ansprechen von Patienten mit nicht-kleinzelligem Lungenkrebs (NSCLC) auf eine Therapie mit den Tyrosinkinase-Inhibitoren Erlotinib und Gefitinib oder den monoklonalen Antikörpern Cetuximab und Panitumumab (12, 27). Daneben wird eines der zuerst entdeckten Onkogene, kras, verwendet, um Resistenzen gegen diese Arzneistoffe vorherzusagen (6, 27). Mutationen im kras-Gen machen ein Therapieansprechen auf EGFR-Kinase-Inhibitoren unwahrscheinlich. Dies könnte durch seine Rolle als Mediator im EGFR-Signalweg erklärt werden, der somit auch bei einer Hemmung von EGFR aktiv bleibt. Ähnliche Zusammenhänge wurden für Darmkrebs festgestellt (28).

Ebenfalls zunächst bei Brustkrebs untersucht wurden BRCA1 und -2 (breast cancer gene), die beide an der Reparatur von DNA-Schäden beteiligt sind. Mutationen in diesen Genen werden für die vererblichen 10 Prozent der Mamma- sowie 15 Prozent der Ovarialkarzinome verantwortlich gemacht. Vor allem Mitglieder von vorbelasteten Familien können ihr Blut untersuchen lassen, da Träger der vererbten typischen Mutationen ein bis zu 80- sowie 40-fach höheres Risiko haben, an einer der beiden Krebsarten zu erkranken (13). Mutationen in BRCA2 können zudem das Risiko für Pankreaskarzinome erhöhen (29).

Das Carcinoembryonale Antigen (CEA) wird vor allem bei der Therapiebeobachtung und Nachsorge eingesetzt. Bei Gesunden liegt CEA nur in geringen Konzentrationen im Blut vor; größere Mengen deuten auf einen Tumor hin, ohne dass dessen Art spezifiziert werden kann. Die Menge an CEA korreliert ungefähr mit der Tumorgröße und damit dem Stadium der Erkrankung bei Diagnosestellung oder Therapie. Bei Lungenkrebs wird der Biomarker nicht für die Diagnosestellung empfohlen, hilft aber bei der Bewertung des Therapieerfolgs. Erhöhte Werte werden auch bei anderen Erkrankungen und Rauchern gefunden (12, 13).

Zur Vorsorge, Therapie- und Rezidivüberwachung bei Prostatakrebs wird das Prostata-spezifische Antigen (PSA) im Blut gemessen (13, 30, 31). Erhöhte PSA-Spiegel können aber auch durch benigne Prostatahyperplasie, mechanische Reizung beim Sport, entzündliche Prostata-Erkrankungen oder höheres Alter des Mannes verursacht werden. Bei der Unterscheidung zwischen benignen und malignen Veränderungen der Vorsteherdrüse hilft der Quotient aus freiem zu gebundenem PSA: Ist in beiden Fällen der Gesamt-PSA-Wert erhöht, so deuten Verschiebungen des Quotienten hin zu kleineren Werten auf das Vorliegen oder ein erhöhtes Risiko von Prostatakrebs hin. Neue Chip-Technologien und Gen-Signaturen wurden entwickelt, um nach einem Wiederanstieg der PSA-Spiegel zwischen Patienten zu unterscheiden, die wahrscheinlich wieder ein Rezidiv entwickeln werden, und solchen, die außer einem erhöhten PSA-Wert asymptomatisch bleiben (30).

Ganz aktuell in das Forschungsinteresse gerückt ist Sarkosin, ein N-Methylderivat von Glycin. In 42 Prozent der Prostatakarzinom-Proben fanden Wissenschaftler erhöhte Spiegel dieser Aminosäure; war die Krankheit bereits metastasiert, waren die Messwerte sogar bei vier von fünf Proben erhöht (32). Die Sarkosin-Spiegel in gutartigen Biopsien lagen dagegen alle unterhalb der Nachweisgrenze. Den Forschern gelang zudem der Nachweis, dass das Molekül direkt an einer erhöhten Invasivität des Tumors beteiligt ist. Damit könnte Sarkosin zu einem möglichen Marker für die Überwachung des Krankheitsverlaufs und der Aggressivität von Prostatakarzinomen werden.

Blut als einfach zugängliches Probenmaterial wird beim Nachweis zirkulierender Tumorzellen verwendet. Diese können direkt gemessen werden, zum Beispiel durch Anfärbung mit Fluoreszenz-markierten Antikörpern gegen tumorspezifische Proteine (33). Dieser Test liefert Informationen über das Vorhandensein eines Tumors und sein Ansprechen auf die Therapie (1). In weiteren Studien prüfen Wissenschaftler momentan, inwieweit zirkulierende Tumorzellen auch als prädiktive Marker verwendet werden können.

Biomarker können auch die Arzneimittelsicherheit erhöhen. So wird beispielsweise die UGT1A1-Enzymaktivität bei Patienten unter Irinotecan-Therapie bestimmt. Das Enzym ist an der Biotransformation von Irinotecan beteiligt. Patienten, die homozygot für ein bestimmtes Allel sind (etwa 10 Prozent der Bevölkerung), sollten eine geringere Dosis des Topoisomerase-Inhibitors bekommen, da sie das Medikament langsamer verstoffwechseln (1).

Bei der Planung klinischer Studien für individualisierte Therapien werden drei Strategien verfolgt.

Traditionelles Design: Alle Patienten werden ohne Berücksichtigung des Markers randomisiert; der Effekt der Therapie auf die gesamte Patientengruppe wird gemessen.

»Targeted« Design: Nur Patienten mit einem positiven Testergebnis für den entsprechenden Marker werden randomisiert. In der Folge werden keinerlei Informationen über die Eignung der Therapie für andere Patientengruppen gewonnen.

Hybrid-Design: Alle Patienten werden ohne Berücksichtigung des Markers randomisiert, aber auf diesen getestet. In der Folge erhält man Ergebnisse sowohl für die gesamte Patientenpopulation als auch die positiv getestete Untergruppe (2, 4). Dieses Design stellt also einen Kompromiss aus traditionellen und »targeted« Studien dar.

Ein Komitee des National Cancer Institute und der European Organization for Research and Treatment of Cancer (NCI-EORTEC) hat 2005 allgemeine Richtlinien für prognostischeTumormarkerstudien veröffentlicht (5). Gefordert werden vor allem Transparenz und Detailgenauigkeit in der Veröffentlichung der Studienergebnisse. Dies soll die schnelle und sichere Etablierung eines neuen Biomarkers ermöglichen und helfen zu verstehen, warum verschiedene Studien für den gleichen Marker zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Die REMARK-Kriterien können größtenteils auch auf andere Biomarker, zum Beispiel prädiktive Krebsmarker oder für andere Krankheiten, angewendet werden.

Für viele Krankheiten wird die Biomarkerforschung vorangetrieben. Vielversprechende Ansätze bestehen beispielsweise bei Schizophrenie und Asthma, die beide eine chronische Medikation erfordern, sowie bei Patienten nach Schlaganfällen.

Vergleiche von Metabolom-Mustern, also Untersuchungen der Metabolismusvorgänge, zwischen behandelten und unbehandelten Schizophrenie-Patienten haben Unterschiede in den Metaboliten gezeigt, die der zerebralen Glucoseregulation dienen. Unter einer Therapie normalisierten sich die Metabolitenmuster interessanterweise bereits vor der Verbesserung der klinischen Symptomatik (7). Sensitivität und Spezifität der Tests lagen bei 82 und 85 Prozent. Daneben wurde in einer Untersuchung der Proteine im Liquor eine Kombination aus Hochregulierung eines Nervenwachstumsfaktors und Herabregulierung von Transthyretin als Biomarker für die Schizophreniediagnose bestimmt (7). Es wäre wünschenswert, wenn diese Marker künftig auch zur Therapieüberwachung verwendet werden könnten. Bislang sind sie nur zur Unterscheidung zwischen Gesunden und unbehandelten Kranken einsetzbar.

Das Antigen IgE, Initiator allergischer Reaktionen, wurde als prädiktiver Biomarker untersucht, um zwischen Personen, die wahrscheinlich an Asthma erkranken werden, und solchen, die gesund bleiben werden, zu unterscheiden (3). Die Serum-IgE-Spiegel von Asthmatikern und Gesunden unterschieden sich hoch signifikant (554 versus 69 IU/ml). Jedoch weisen auch etwa 6 Prozent der Asthmatiker IgE-Konzentrationen im Normalbereich auf, was erklären kann, warum die Sensitivität mit 97 Prozent höher ist als die Spezifität (86 Prozent). Bei diesen Patienten könnte das Asthma durch nicht-allergische Auslöser bedingt sein. Denkbar ist es, IgE-Spiegel auch zur Kontrolle einer Immunbehandlung einzusetzen.

Neue Biomarker sollen künftig helfen, Patienten mit Schlaganfällen genauer und schneller zu erkennen, was mit bildgebenden Verfahren nicht gelingt. Die bisher untersuchten Biomarker wie LDH (Laktatdehydrogenase), GFAP (glial fibrillary acid protein) und NSE (Neuron-spezifische Enolase) mussten aufgrund zu geringer Gewebespezifität, Sensitivität oder Konzentration im Blut verworfen werden. Eine zusätzliche Hürde besteht in der kurzen Zeitspanne, die für die Diagnosestellung bis zum Therapiestart zur Verfügung steht. Neuere Untersuchungen konzentrieren sich zum Beispiel auf Tau-Proteine oder UCH-L1/MAP-2 (34) und basieren auf ELISA-Tests. Daneben wurde eine Kombination aus der Matrixmetalloproteinase MMP9, BNP (brain natriuretic protein), D-Dimer und S-100b für Schlaganfallpatienten untersucht (35). Diese biochemischen Marker wurden teilweise bereits bei hämorrhagischer Ischämie und kongestivem Herzversagen eingesetzt. Somit ist es nicht verwunderlich, dass die Studie mit 1146 Patienten eine gute Sensitivität von 86 Prozent für alle Schlaganfälle, jedoch eine höhere (94 Prozent) für hämorrhagische Schlaganfälle fand. Zum gleichen Ergebnis kam man mit zusätzlichen 343 Patienten.

Biomarker werden in der modernen Medizin zunehmend wichtiger, da sie über ihre klassische Rolle als reines Diagnosehilfsmittel hinauswachsen. Sie dürften zukünftig eine zentrale Position in der pharmazeutisch-medizinischen Forschung einnehmen und können das Therapieverständnis in kommenden Jahren wesentlich verändern und formen.

Karin Bracht studierte Pharmazie in Marburg und verbrachte ihr praktisches Jahr in einer Krankenhausapotheke in England (Torquay) und einer öffentlichen Apotheke in Hamburg. Ende 2003 erhielt sie die Approbation in Deutschland. Anschließend wurde sie in Greifswald in pharmazeutischer Chemie promoviert und arbeitet seit Februar 2007 als Wissenschaftlerin im Weatherall Institute in Oxford in einer Arbeitsgruppe, die auf Kolorektalkarzinome (genetische Ursachen, Testung neuer Arzneistoffe, Krebsstammzellen) spezialisiert ist. Dr. Bracht ist Mitglied der Royal Pharmaceutical Society of Great Britain (RPSGB).

Weatherall Institute of Molecular Medicine

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