Ein Test Kann Krebs, Infektionen, Diabetes Und Mehr Erkennen

Forscher beginnen, mehr Krankheiten mithilfe von im Blut gefundenen DNA-Fragmenten zu diagnostizieren.

Neben roten Blutkörperchen, weißen Blutkörperchen und einer Vielzahl von Hormonen enthält jeder Tropfen Ihres Blutes winzige DNA-Scherben, die beim Absterben aus verschiedenen Zellen Ihres Körpers herausgespuckt werden. Die jüngsten massiven Erhöhungen der Geschwindigkeit und Effizienz der Instrumente zur Analyse dieser Fragmente genetischer Information haben zu beeindruckenden Fortschritten bei der Entwicklung sogenannter zellfreier DNA-Tests (cfDNA) geführt, insbesondere bei vorgeburtlichen Tests von a sich entwickelnder Fötus. Aber das Beste könnte noch kommen.

"Wenn Zellen aus einem Grund aus einem anderen sterben, geben sie DNA an das Blut ab", sagt Kun Zhang, Professor für Bioingenieurwesen an der University of California in San Diego. "Wenn Sie erkennen können, woher sie kommen, gibt es mehrere Möglichkeiten, die Schäden in verschiedenen Körperteilen zu erkennen." Da cfDNA-Tests nur eine einfache Blutentnahme erfordern, können sie eines Tages die Fähigkeit eines Arztes, eine Vielzahl von Krankheiten in den frühesten Stadien zu diagnostizieren, erheblich verbessern, wenn sie häufig einfacher zu behandeln sind. Sie könnten auch die Notwendigkeit schmerzhafter Biopsien verringern, um die Gesundheit eines neuen Organs nach einer Transplantation zu überwachen. Nach den Worten eines Forschers könnte cfDNA das ultimative „molekulare Stethoskop“werden, das eine völlig neue Art der medizinischen Praxis eröffnet - ähnlich wie das akustische Stethoskop nach seiner Einführung im 19. Jahrhundert die diagnostischen Möglichkeiten für immer verändert hat.

Die erste kommerzielle Anwendung der cfDNA-Sequenzierung wurde 2011 eingeführt. Neue Blutuntersuchungen können das Down-Syndrom und ähnliche genetische Zustände in den ersten Monaten der Schwangerschaft identifizieren, indem sie die fetale DNA im Blutkreislauf einer schwangeren Frau überprüfen. (10 bis 15 Prozent der DNA im Blut einer schwangeren Frau stammt aus der Plazenta, die dem Fötus genetisch ähnlich ist.) Diese Blutuntersuchungen bei Müttern ersetzen schnell weniger genaue Verfahren wie Ultraschall plus Blutanalyse.

In jüngerer Zeit haben Forscher begonnen, cfDNA zu untersuchen, um sogenannte flüssige Biopsien zu entwickeln, die das Erbgut eines Tumors analysieren oder nach Hinweisen auf ein erneutes Auftreten von Krebs suchen. Tumore verschütten häufig DNA in das Blut, wenn sie wachsen und sich teilen, und da sie normalerweise mit Mutationen übersät sind, unterscheidet sich ihre durcheinandergemischte DNA deutlich von der in normalen DNA-Fragmenten. Der erste Flüssigkeitsbiopsietest wurde erst vor drei Jahren gestartet. Obwohl sie noch nicht Teil der Routinepflege sind, wächst das Feld schnell. Ein Unternehmen sagt, dass es in den nächsten fünf Jahren einer Million Menschen Flüssigkeitsbiopsietests geben wird, und ein anderes Unternehmen hat fast jeden, CareDx, bereits einen Test verkauft, der diese Änderung für Menschen mit Nierentransplantationen aufgreift.

Diese Tests könnten nur der Anfang sein. Forscher untersuchen die Möglichkeit, dass DNA-Fragmente auch verwendet werden könnten, um chronische Infektionen zu finden oder Krankheiten zu erkennen, bevor sie Symptome verursachen. Technisch ist dies machbar. Die eigentliche Frage ist, ob es auch effizient, kostengünstig und einfach in der Routinepflege eingesetzt werden kann. Die wesentliche Überlegung, sagt Zhang, lautet: „Bringt dies letztendlich den Patienten einen echten Nutzen?“.

Während Mickey Kertesz und Kollegen im Labor des Bioingenieurs Stephen Quake an der Stanford University an der Transplantationsüberwachungsforschung arbeiteten, stellten sie genetisches Material von infektiösen Organismen wie Viren in Blutproben fest. Sie begannen zu untersuchen, ob cfDNA Infektionen zuverlässig identifizieren kann, eine eher kleine Nadel im Heuhaufen: Nur eines von 100.000 oder eines von 1.000.000 DNA-Bits im Blut könnte tatsächlich von Viren oder anderen Krankheitserregern stammen, sagt Kertesz.

Die Forscher erfanden einen Weg, um das Signal durch Reduktion der menschlichen DNA in Blutproben zu verstärken. Das Spin-off-Unternehmen Karius hat Anfang dieses Jahres einen Test gestartet, um Bakterien, Pilze, Viren oder Parasiten bei Krankenhauspatienten zu identifizieren. Es kann Infektionen in Organen erkennen, die für Biopsien zu gefährlich sind, einschließlich Lunge und Gehirn, sagt Kertesz - und es ist am nützlichsten für Menschen mit mysteriösen Infektionen oder die zu krank sind, um eine Operation zu ertragen.

In einem kürzlich durchgeführten Fall zeigten die CT- und MRT-Untersuchungen eines Patienten Knötchen im Gehirn, aber herkömmliche Methoden konnten die Ursache nicht genau bestimmen, ohne ein wenig Hirngewebe zu entfernen. Der neu eingeführte Karius-Test wies auf die behandelbare Parasitentoxoplasmose hin. „Derzeit sind die Technologien neu und teurer als eine Blutkultur. Dies ist also nicht die erste Verteidigungslinie“, erklärt Kertesz. "Aber ich habe keinen Zweifel daran, dass dies in ein paar Jahren der richtige Weg sein wird." Ihr Test wird in acht Krankenhäusern im ganzen Land angeboten; Das Unternehmen hat seine Kapazität und Infrastruktur erweitert und plant, den Zugang noch in diesem Jahr zu erweitern.

Aber damit cfDNA sein ultimatives Versprechen erfüllt - die Überwachung der Funktion eines Körperteils -, gibt es einen Haken. In Schwangerschaft, Krebs und Infektion muss ein separates Genom analysiert werden (das vom Fötus, dem Tumor oder dem infektiösen Organismus stammt). Daher ist es nicht so schwierig herauszufinden, auf welche Fragmente man sich konzentrieren muss. Um cfDNA bei anderen Krankheiten zu verwenden, müssen Forscher zunächst ein schwierigeres Problem lösen: die Identifizierung des Gewebes oder Organs, aus dem die DNA stammt. Hier hilft die Sequenzierung nicht wirklich, da alle Zellen grundsätzlich identische Genome haben; man kann nicht sofort wissen, ob die untersuchten Fragmente aus Herz, Magen oder Niere stammen.

Eine Lösung besteht darin, Methylgruppen zu untersuchen, die chemischen Bindungen an DNA, die steuern, wie und wann Gene ein- und ausgeschaltet werden. Sie haben unterschiedliche Muster in verschiedenen Organen und sogar zwischen Zelltypen im selben Organ. Zhangs Gruppe zeichnete die Methylierung im gesamten Körper auf, so dass ein DNA-Fragment im Blutkreislauf anhand seines charakteristischen Musters auf seine Ursprünge zurückgeführt werden kann.

Mit einer ähnlichen Methode zeigte eine israelische Gruppe, dass Menschen mit neu auftretendem Diabetes eine erhöhte cfDNA durch absterbende Pankreasinselzellen haben, die im Verlauf der Krankheit verloren gehen. Ein cfDNA-Test könnte möglicherweise die kranke Bauchspeicheldrüse einer Person markieren, bevor sie ernsthaft beschädigt wird, so dass die Behandlung das Organ schützen und die Person gesünder halten kann. In ähnlicher Weise fand das Team - wenn auch weniger konsistent - cfDNA aus dem Gehirn im Blut von Menschen mit aktiver Multipler Sklerose und bei anderen, die nach einem Herzinfarkt einen Hirnschaden erlitten hatten. Die im letzten Jahr veröffentlichte Studie war nur ein erster Schritt in Richtung eines nützlichen Tests.

Der Genetiker Jay Shendure von der University of Washington hat cfDNA für die nächsten 200 Jahre als molekulares Stethoskop bezeichnet und eine alternative Methode entwickelt, um festzustellen, woher cfDNA stammt. Die eng gewickelten DNA-Strings im Genom sind in verschiedenen Geweben unterschiedlich verpackt. Wenn also Zellen sterben, wird die DNA in unterschiedliche Muster zerlegt. Herzmuskel-cfDNA zum Beispiel kommt in anderen Längen als cfDNA aus Gehirnzellen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie verwendete Shendures Gruppe die Muster, um die Tumorquelle bei fünf Krebspatienten zu bestimmen. Sie gründeten eine Firma, Bellwether Bio, um die Methode bei 4 bis 5 Prozent der invasiven Krebsfälle anzuwenden, bei denen die ursprüngliche Stelle des Tumors nicht bekannt ist, da die Kenntnis der Herkunft den Ärzten bei der Auswahl der besten Behandlungen helfen kann.

Andere Bedingungen, die in Zukunft für zellfreie DNA-Tests geeignet sein könnten, sind Schlaganfall oder Autoimmunerkrankungen wie Lupus. Aber nur ein Signal sehen zu können, ist nicht automatisch ein guter Test, warnt Zhang. Ein Test muss nicht nur genau, sondern auch erschwinglich und praktisch sein, was viel Feinabstimmung und cleveres Engineering erfordern kann. Aber es bietet eine ansprechende Möglichkeit: Vielleicht könnte eines Tages eine bloße Durchstechflasche mit Blut den Weg zu einer besseren Gesundheit weisen.