Moderne Diagnostik als Grundlage für zielgerichtete Therapien in
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Moderne Diagnostik als Grundlage für zielgerichtete Therapien in
12 DIAGNOSTIK CME Moderne Diagnostik als Grundlage für zielgerichtete Therapien in der Onkologie Silke Laßmann1,2 und Martin Werner1,2 1 Institut für Klinische Pathologie, Dept. für Pathologie, Universitätsklinikum und Comprehensive Cancer Center Freiburg 2 Deutsches Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK) und Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Heidelberg Mit dem zunehmenden Verständnis molekularer Veränderungen von Tumoren sowie deren Einfluss auf die Tumorentstehung und -progression wurden vermehrt molekulare Zielstrukturen für eine zielgerichtete („targeted“) Therapie identifiziert. Die entsprechenden, gegen bestimmte Moleküle gerichteten Medikamente wirken jedoch nur in Patienten, deren Tumorzellen eine jeweils spezifische genetische Alteration aufweisen. Mit der Entwicklung solcher zielgerichteten Therapien hat sich die Möglichkeit ergeben, den Therapieerfolg durch Nachweis der relevanten molekularen Veränderungen in Tumorzellen abschätzen zu können. Die begleitende Diagnostik für eine zielgerichtete Therapie untersucht dabei zum einen Veränderungen der zu hemmenden Moleküle auf Ebene von Genen oder Proteinen in Tumorzellen. Damit kann zunächst überhaupt das Molekül und/oder seine eventuelle spezifische Veränderung, gegen das dieses spezielle Medikament gerichtet ist, nachgewiesen werden (z.B. Her2/neu- Genamplifikation/-überexpression für Herzeptin bei Mammakarzinomen oder EGFR Mutationsanalysen für Erlotinib bei Lungenkarzinomen). Dies betrifft Faktoren für primäres Therapie-Ansprechen, bzw. Therapieresistenz: Liegt die Zielstruktur des spezifischen Medikaments überhaupt in der Mehrheit der Tumorzellen vor? Liegt die Zielstruk- CMExtra 01/2015 tur so vor, dass das Medikament binden und aktiv wirken kann oder sind Genveränderungen vorhanden, die die Wirksamkeit des Medikaments einschränken? Zum anderen können Veränderungen in wichtigen, der Zielstruktur nachgeschalteten zellulären Signalwegen bestimmt werden, die eine Therapie-Resistenz gegen das Medikament verursachen (z.B. K-RAS-, NRAS- Genmutationen für Cetuximab oder Panitumumab bei kolorektalen Karzinomen). Hierunter fallen Faktoren für nachgeschaltete Resistenzen: Gibt es Veränderungen in den mit der Zielstruktur eng verbundenen Molekülen der Tumorzellen, die die Wirkung des Medikaments umgehen/ausschalten können? Für die Analyse der Therapie-relevanten Faktoren, die vor einer zielgerichteten Therapie vorgenommen werden muss, hat die molekulare Tumorpathologie innovative Werkzeuge entwickelt [1]. Immunhistochemische Färbeverfahren erlauben die Quantifizierung von Genprodukten, also Proteinen wie z.B. Her2/neu als Zielstruktur von Herzeptin in Tumorzellen von Mamma- und Magenkarzinomen [2, 3]. Gen-Amplifikationen (also vermehrte Genkopienzahl; z.B. Her2/neu) und Gen-Translokationen (z.B. EML4-ALK, CD74-ROS1) werden auf Einzelzell-Ebene im diagnostischen Schnittpräparat über das Verfahren der In Situ Hybridisie- rung nachgewiesen und spielen eine wichtige Rolle bei Mamma-, Magen- [2, 3] und Lungenkarzinomen [4] (E Tab. 1). Der Nachweis von Genmutationen, -deletionen oder -inversionen Therapie-relevanter Gene (z.B. EGFR, K-RAS, NRAS bei Lungenkarzinomen und kolorektalen Karzinomen) erfordert die Anwendung von Polymerase Kettenreaktion-basierten (PCR) und nachfolgenden SequenzierVerfahren. Hierzu müssen die Tumorzellen zuvor unter dem Mikroskop aus dem diagnostischen Schnittpräparat herausgelösten werden [1]. Eine Übersicht der aktuell in Leitlinien verankerten oder in Studien empfohlenen molekularpathologischen Untersuchungen zur Abschätzung eines Erfolges einer zielgerichteten Therapie gibt E Tabelle 1. Das generelle Vorgehen in der klinischen Pathologie für die Therapie-Prädiktion ist exemplarisch für nicht-kleinzellige Lungenkarzinome in E Abbildung 1 aufgeführt. Standardisierte und zeitnahe Multiparameter-Analytik kleinster Gewebeproben − Basis für Moderne Diagnostik in der klinischen Pathologie In den letzten Jahren wurden zunehmend molekulare Veränderungen identifiziert, die einen Einfluss auf das Ansprechen von Tumorpatienten auf bereits zugelassene oder neue zielgerichtete Therapien ha- DIAGNOSTIK Erkrankung Untersuchung Gen (Genabschnitte, bzw. Exone) Wertigkeit der Veränderung/en für Therapieansprechen Inhibitor (Zielstruktur) ALK Positiv Crizotinib (ALK, ROS, MET) Positiv Erlotinib (EGFR), Tivantinib (MET) Positiv Crizotinib (ALK, ROS, MET) Positiv Onartuzumab (MET) Epitheliale Tumoren Lungenkarzinom FISH 2p23 CISH 7q31 MET-Amplifikation RET-Translokation (RET/CCDC6, RET/KIF5B, RET/NCOA4 Positiv FISH 10q11 Vandetanib (RET), Cabozantinib (RET) ROS1-Translokation (ROS1/CD74, ROS1/ SLC24A2, ROS1/FIG) Positiv Crizotinib (ALK, ROS, MET) FISH 6q22 Mutationsanalyse EGFR (Exone 18-21) Positiv od. Negativ Erlotinib (EGFR), Gefitinib (EGFR) Negativ Erlotinib (EGFR), Gefitinib (EGFR) Positiv Ridaforolimus (mTOR) Positiv Selumetinib (MEK) Positiv Tivantinib (MET) Positiv Trametinib (MEK) Mutationsanalyse Kolorektales Karzinom KRAS (Exone 2, 3, 4) Mutationsanalyse HER2 (Exon 20-Insertionen) Positiv Afatinib (EGFR/HER2) Mutationsanalyse PI3KCA (Exone 9, 20) Negativ Erlotinib (EGFR), Gefitinib (EGFR) Mutationsanalyse BRAF (Exon 15) Positiv Dabrafenib Negativ Cetuximab, Panitumumab Mutationsanalyse KRAS (Exone 2, 3, 4) Positiv Farnesyl TransferaseInhibitoren Mutationsanalyse NRAS (Exone 2, 3, 4) Negativ Mutationsanalyse BRAF (Exone 11, 15) Negativ Mutationsanalyse HER2 (Exon 20) Negativ Mutationsanalyse PI3KCA (Exone 9, 20) Negativ Cetuximab (EGFR), Panitumumab (EGFR) Positiv Aspirin Mammakarzinom C-/S-/FISH 17q11.2 HER2/neu Positiv Trastuzumab (HER2) Magenkarzinom C-/S-/FISH 17q11.2 HER2/neu Positiv Trastuzumab (HER2) Mutationsanalyse BRAF (Exone 11, 15) Positiv Mutationsanalyse KIT (Exone 9, 11) Melanom Vemurafenib (BRAF V600E) Imatinib-Mesylat (bcr-abl, KIT, PDGFR) Mesenchymale Tumoren Gastrointestinaler Mutationsanalyse Stromatumor Mutationsanalyse KIT (Exone 9,11) Positiv Imatinib-Mesylat (bcr-abl, KIT, PDGFR) PDGFRa (Exon 18) Positiv Imatinib-Mesylat (bcr-abl, KIT, PDGFR) Tab. 1: Moderne Diagnostik für zielgerichtete Therapien in der klinischen Pathologie. Die Tabelle listet die aktuellen Therapierelevanten molekularpathologischen Untersuchungen und prädiktiven Marker für solide Tumoren. Die genannten Mutationsanalysen lassen sich in „Basket“-Analysen zusammenstellen. Fett = aktuelle Leitlinien; normale Schrift = bereits Anforderungen; Kursiv = in Diskussion/translationale Forschung/klin. Studien. 01/2015 CMExtra 13 14 DIAGNOSTIK ben. Dies gilt sowohl bei Erstlinien als auch Zweitlinien-Therapiekonzepten. Die molekularpathologischen Untersuchungen von prädiktiven Markern in der klinischen Pathologie steigen jedoch nicht nur durch Zulassung neuer zielgerichteter Therapien für bestimmte Tumortypen sondern auch durch die Notwendigkeit, zunehmend mehr Einzelmarker für die bereits zugelassene zielgerichtete Therapien durchführen zu müssen. So wurde z.B. für die Vorhersage eines Therapieansprechens von EGFR-Inhibitoren (insbesondere Panitumumab) beim metastasierten kolorektalen Karzinom der zunächst einzelne „hotspot“ von einem KRAS Genabschnitt (Exon 2) in der Folge auf Pathologische Klassifikation t Histologie t Ggf. Immunhistochemie 1. Befund Molekularpathologische Diagnostik t In situ Hybridisierung(en) , z.B. ALK t Mikrodissektion und Mutationsanalysen, z.B. EGFR Fall 1: EGFR Sequenzierung Exon 19 Deletion ALK FISH Fall2: EGFR Sequenzierung Exon 19 Wildtyp ALK FISH Auswertung 2. Befund Abb. 1: Integrierte molekularpathologische Analysen am Beispiel des nichtkleinzelligen Lungenkarzinoms: Zunehmend kleinste Gewebeproben werden sequentiell histologisch, immunhistochemisch und molekularpathologisch untersucht. Fall 1 trägt eine EGFR Exon 19 Deletion (überlappende Kurven) und ist negativ für die ALK GenTranslokation (gelbe Fusionssignale). Fall 2 zeigt eine EGFR Exon 19 Wildtypsequenz und eine ALK Gen-Translokation (getrennte grüne und rote Signale, „Bruch“). CMExtra 01/2015 „Hotspots“ von je 3 KRAS (Exon 2,3,4) und 3 NRAS (Exon 2,3,4) Genabschnitten erweitert [5]. Hinzu kommt (meist noch in klinischen Studien), dass unabhängig vom Tumortyp auf sämtliche bekannte prädiktive Marker aller bislang zugelassenen zielgerichteten Therapien getestet wird, um so eine sehr individualisierte und „innovative“ Therapiestratifizierung vornehmen zu können. Als Konsequenz müssen in der Diagnostik zunehmend mehr prädiktive Marker in einer Tumorprobe analysiert werden. Damit ist die in einigen Pathologien bereits begonnene Umstellung von zeitund kostenintensiver Stufendiagnostik hin zu einer MultiparameterAnalytik (s.u.) eine zentrale und zukunftsweisende Entwicklung. Steht hierfür Gewebe aus Operationspräparaten zur Verfügung, ist ausreichend Material für die vielfältigen Untersuchungen vorhanden. In vielen Fällen existiert jedoch lediglich das für die histologische Sicherung mittels diverser endoskopischer oder stanzbioptischer Verfahren entnommene Gewebe, das häufig nur sehr geringe Mengen an Tumorzellen enthält. Hieran müssen dann zusätzlich zur histologischen Diagnostik molekularpathologische Untersuchungen zur Abschätzung des Erfolges einer zielgerichteten Therapie durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass für die Vielzahl von histologischen, immunhistochemischen und molekularpathologischen Untersuchungen in der diagnostischen Pathologie häufig nur wenig Gewebe vorliegt. In Einzelfällen mit sehr kleinen Biopsien und/oder nur sehr geringem Tumorzellgehalt kann daher das diagnostische Gewebe für alle notwendigen Untersuchungen zu knapp sein. Es besteht daher die Herausforderung, eine komplexe Multiparame- DIAGNOSTIK ter-Analytik zu etablieren und dies häufig an nur geringen Tumorzellmengen durchzuführen. Dabei müssen die Aspekte der Qualitätssicherung berücksichtigt und die Befunde zeitnah erhoben werden. verfahrens (inkl. Laborschritte und detaillierte Laborprotokolle) für alle DNA-Sequenzen, was den Einsatz von weitestgehend automatisierten und nach täglichen Bedarf zusam- mengesetzten „Warenkorb“(„Basket“-)-Analysen erlaubt. Dies ermöglicht einen dynamischen und flexiblen Ablauf mit Sicherung einer zeitnahen Diagnostik. Ein ähnliches Komplexität und Lösungskonzepte moderner Diagnostik in der klinischen Pathologie Die zunehmende Komplexität der prädiktiven molekularpathologischen Diagnostik erfordert ein Umdenken. Es ist notwendig, die bisherigen Abläufe der histologischen, immunhistochemischen und molekularpathologischen Diagnostik zu modifizieren. Betrachtet man den Zuwachs an molekularpathologischer Multiparameter-Analytik allein am Beispiel der Genmutationsanalysen, so können zwei mögliche Lösungsansätze (E Abb. 1) verfolgt werden: 1) eine lt. Einsender stratifizierte „Warenkorb“(„Basket“)-Analyse oder 2) die Multiparameter-Analytik über (targeted) „Next Generation Sequencing“ (tNGS): 1. Lösungsansatz „Basket“-Analysen: Die Sanger Sequenzierung stellt seit vielen Jahren den Goldstandard für die Mutationsanalyse in vielen Pathologien dar (siehe unten „Qualitätssicherung/Ringversuche). Der Nachteil ist, dass für jede einzelne zu untersuchender DNA-Sequenz (Gen oder Genabschnitt) ein individuell abgestimmtes Nachweisverfahren etabliert werden muss, welches sich erheblich von den diversen Nachweisverfahren anderer DNASequenzen unterscheitet (E Abb. 2). Dies macht eine Vereinfachung und Automatisierung der Laborprozesse bei steigendem Probenund Analysespektrum bislang unmöglich. Eine Lösung hierfür ist die Etablierung eines einheitlichen Nachweis- Pathologische Klassifikation t Histologie t Ggf. Immunhistochemie 1. Befund Molekularpathologische Diagnostik t In situ Hybridisierung(en) , z.B. ALK, ROS, MET, RET… t Mikrodissektion und Mutationsanalysen, z.B. EGFR, KRAS, NRAS, BRAF, PIK3CA HER2…. Standard bisher (Für j ede Probe, bzw. DNA) „Basket“ Analyse (Für jede Probe, bzw. DNA) z.B. Mutationsanalysen EGFR z.B. Mutationsanalysen EGFR (Ex18,19, 20, 21), KRAS (Ex2) (Ex18, 19, 20, 21), KRAS (Ex2) NGS Technologie (multiple Proben, bzw. multiple DNAs) z. B. Mutationsanalysen für Multi‐Genpanel (z.B. 8 oder 48 Gene*) Sequenzdatensätze Einzelsequenzen Sequenz‐Auswertung 2. Befund Abb. 2: Konzepte der Multiparameter-Analytik in der molekularpathologischen Diagnostik*. Links: Sanger-Sequenzierung (Standard bisher); Mitte: „Warenkorb“ („Basket“) -Analyse; rechts: targeted Next-Generation-Sequenzier-Technologie (NGS) mit *8 Genen (lt. aktueller Leitlinien für zugelassene gezielte Therapien) und für 48 Gene (8 Gene lt. Leitlinien plus 40 weiteren Tumor-assoziierten Genen, z.B: GNAQ, GNAS, TP53). *Detaillierte Informationen über die Autoren am Institut für Klinische Pathologie, Universitätsklinikum Freiburg. 01/2015 CMExtra 15 16 DIAGNOSTIK Vorgehen ist in klinischen Pathologien bereits bei den automatisierten, Hochdurchsatz-Färbungen in der Histologie und Immunhistochemie im Einsatz. Dass genau solche optimierten “Warenkorb“-Analysen für die aktuell wichtigen Mutationsanalysen (BRAF, EGFR, HER2, KIT, KRAS, NRAS, PDGFRA, PIK3CA) möglich sind, erläutert in E Abbildung 2. 2. Lösungsansatz „Next Generation Sequencing“Technologie Anders als bei den o.g. “Warenkorb“-Analysen ist das Prinzip des „Next Generation Sequencing“ (NGS) die Anwendung einer neuen Sequenziertechnologie [6]. Hier können in einem Nachweisverfahren, bzw. Laboransatz mehrere ausgewählte DNA-Sequenzen (gezielte Gene, bzw. Genabschnitte; „targeted NGS“), das Exom (alle für Proteine kodierenden DNA-Sequenzen, bzw. Gene) oder Genom (alle DNA-Sequenzen) zusammen analysiert werden (E Abb. 2). Die NGSTechnologie erlaubt dabei zusätzlich auch die gemeinsame Analyse multipler (Patienten-) Proben. Damit wird klar, dass die NGS-Technologie eine optimale Lösung für die Hochdurchsatz-, MultiparameterAnalytik von zunehmenden Zahlen an prädiktiven Markern und Tumorproben darstellt. Nach unserer Erfahrung ist die NGS-Technologie für targeted NGS in der täglichen Routinediagnostik gut einsetzbar. So gelingt es, unmittelbar Therapierelevante Gene, bzw. deren „hotspot“-Sequenzregionen (z.B. BRAF, EGFR, KIT, KRAS/NRAS, PDGFRA) aus verschiedensten Gewebepräparaten im reduzierten tNGS Ansatz zeitnah und kostengünstig für die Therapiestratifizierung zu bestimmen. Ebenso können über dieses Verfahren einzelne Gene abgedeckt werden, die aufgrund fehlender Therapie-relevanter „Hotspot“ CMExtra 01/2015 Sequenzregionen für die Einzelanalyse zu aufwendig wären. Aktuell ist hier z.B. auch die Einführung der BRCA1/2 Mutationsanalyse per tNGS für die Prädiktion eines Ansprechens auf von Olaparib zu nennen. Im Gegensatz dazu gibt es beim tNGS im größeren Umfang (>100 Gene) oder auch beim Exom-basierter NGS noch Optimierungsbedarf bezüglich spezifischer technischer Fragen sowie auch der Umsetzung daraus erzielter Geninformationen in tatsächlich realisierbare Therapieoptionen.. Neben Optimierung der NGS-spezifischen Laborprozesse für die unterschiedlichsten Typen von Gewebeproben (v.a. kleinste Biopsien; entkalkte Gewebeproben) ergeben sich vor allem Notwendigkeiten für eine 1. Umstrukturierung der IT-/LISSysteme (v.a. Bereitstellung/Sicherung komplexer Datensätze), 2. Diskussion um Auswertung der komplexen Datensätze (z.B. Notwendigkeit Bioinformatik), 3. Standardisierung von auf NGSDatensätzen beruhenden Befunden für die interdisziplinäre Interpretation und Therapiestratifizierung, 4. Validierung und Qualitätssicherung der NGS-Nachweisverfahren und Plattformen für die Routinediagnostik sowie 5. Klärung ethischer Fragen bei evtl. Einsatz der NGS-Technologie für Exom und Genom-Analysen. Genau diese Fragen und technologische Weiterentwicklung für eine NGS-Technologie basierte Hochdurchsatz-, Multiparameter-Analytik werden aktuell in ausgewählten klinischen Pathologien (Universitätsklinika in Berlin, Freiburg, Heidelberg, München, Tübingen) in einem Verbundprojekt im Deutschen Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK) analysiert. Interdisziplinarität Die interdisziplinäre Vernetzung von klinischen, pathologischen und zunehmend aus Hochdurchsatz-, Multiparameter-Analytik gewonnenen molekularpathologischen Befunden ist in der modernen Diagnostik für die Therapiestratifizierung onkologischer Patienten unabdingbar. Eine Weiterentwicklung der interdisziplinären Tumorkonferenzen ist hierfür zukünftig ganz entscheidend.. Klar ist, dass dazu auch die Vernetzung von bildgebenden (z.B. klinischen/radiologischen, pathologischen/histologischen) mit molekularpathologischen (z.B. Multiparameter-Analytik) Datensätzen wichtig wird, insbesondere die auch Weiterentwicklung von „Big-Data“-Konzepten in der interdisziplinären Onkologie. Qualitätssicherung Mit der steigenden Komplexität und Anzahl der Untersuchungen in der klinischen Pathologie sowie mit der zunehmenden Bedeutung histologischer/molekularpathologischer Befunde für die Therapiestratifizierung von onkologischen Patienten, ist die bestehende Qualitätssicherung in der Pathologie weiterhin entscheidend. Hierzu zählen insbesondere die durch Ringversuche der Deutschen Gesellschaft für Pathologie und des Berufsverbandes Deutscher Pathologen, e.V., gesicherten analytischen Verfahren sowie auch die durch die spezifische Facharztausbildung gesicherte Expertise der Pathologen in molekularpathologischer Diagnostik. Zusammenfassung Die hier skizzierte komplexe Multiparameter-Analytik der klinischen Pathologie zeigt, dass eine sichere, zeitnahe und kosteneffiziente Diagnostik von Tumorproben nur durch kontinuierliche Optimierung DIAGNOSTIK und Anpassung des Analysespektrums und der Analyseprozesse an neue Rahmenbedingungen und erweiterte Therapiekonzepte möglicht wird. Ein verstärkter Austausch zwischen Pathologen und Onkologen ist dazu zukünftig noch wichtiger als bislang. Literatur 1. Bang YJ. Advances in the management of HER2-positive advanced gastric and gastroesophageal junction cancer. J Clin Gastroenterol. 2012 Sep;46(8):63748. 2. Douillard JY, Oliner KS, Siena S, Tabernero J, Burkes R, Barugel M, Humblet Y, Bodoky G, Cunningham D, Jassem J, Rivera F, Kocákova I, Ruff P, Błasi skaMorawiec M, Šmakal M, Canon JL, Rother M, Williams R, Rong A, Wiezorek J, Sidhu R, Patterson SD. PanitumumabFOLFOX4 treatment and RAS mutations in colorectal cancer. N Engl J Med. 2013 Sep 12;369(11):1023-34. 3. 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