Gewebezugang als Voraussetzung für eine personalisierte Medizin der Zukunft

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1 Gewebezugang als Voraussetzung für eine personalisierte Medizin der Zukunft P. Schirmacher Pathologisches Institut Universitätsmedizin Heidelberg & BioMaterialBank Heidelberg (BMBH)

2 Prädiktive Gewebeanalytik Voraussetzung für gezielte Therapie Ressource (Biobanking) Gewebe-basierte Assays (Studienassoziierte Diagnostik) Diagnostische Umsetzung (Roll out)

3 Pathologisches Institut - UK Heidelberg Key Facts > Eingänge >6 Mio /p.a. Drittmittel ~300 Mitarbeiter Führende Molekulardiagnostik >6000 m2 Nutzfläche 20 Drittmittel-geförderte Forschungsgruppen >20 Forschungsverbünde >1500 Impact Punkte (2012) Führende Deutsche Gewebebank (>1300 Projects) Zentrum für Digitale Bildanalytik (TIGA) Biomarkerentwicklung & Translationales Diagnostikprogramm Diagnostisches Studienzentrum

4 Ressource (Biobanking)

5 Gewebebanken/ Biobanken Entscheidender Taktgeber und Qualitätsparameter der biomedizinischen / Tumorforschung High-end Ressourcen- und Technologieplattform Hohes Maß an spezifischer Professionalität (Expertise, Technologie)

6 Qualität Ausgangsmaterial >50% der homogenisierenden Analysen humaner Gewebe nutzen unzureichend charakterisiertes Material und sind daher fehlerhaft Experten-Evaluation (Diagnose, homogene Bewertung, Qualität, Zusammensetzung) Studienspezifische Parameter Standard Entry- und Exit-Kontrollen Standard Reporting und Dokumentation Mrd verlorene Entwicklungskosten aufgrund unzureichend charakterisierten Probenmaterials in Präklinik Good scientific practice/qm sind zentrale Grundlage und wesentlicher wissenschaftlicher Beitrag bei biomedizinischen Untersuchungen an humanem Gewebe

7 Biobanken und Translation Präklinisch Biomarker- Definition Test- Entwicklung Studien-assoziiert Stratifizierende Analytik (upfront) Studien-assoziierte Forschung (post hoc) Roll-out Qualitätsprüfung Bedside-to-Bench Forschung Kollektive Technologien Kollektiverstellung Technologien Probenreservoir Kollektiverstellung

8 Gewebebank als zentrale Translationsstruktur Biomarker and Bioressources Unit Biobank Biomarker Biobank Technology Platform Tissue Banking Diagnostic Biomarker Unit Digital image analysis Preclinical animal models NCT-Gewebebank/BMBH Sektion TIGA HiStem Pathologie Path-Core

9 Biobanken als Core Strukturen Onkologischer Spitzenzentren (CCCs) NCT NCT Core Services NCT Trial Center Translational Cancer Research Groups NCT Tissue and BioMaterial Bank NCT Cancer Registry NCT Information- & Counseling- & Social Services NCT Heidelberg School of Oncology Clinical Departments with Oncological Activities

10 BioMaterialBank Heidelberg (BMBH) (cbmb) BMBH Board Sprecher Managing Board Managing Direktor Managing Direktor Managing Director Board Gewebe Bank Liquid Bank Managing Direktor NCT Gewebebank Technologie Plattform Training Qualitätsmanagement Panco Bank Vaskuläre Biobank HCCB GEZEH Liquid Biobanking Module NCT Gewebebank/ DKTK Vaskuläre Biobank HCCB Thoraxklinkik/DZL GEZEH DZIF Gewebebank Panco Bank neoplastisch nichtneoplastisch Technologie Plattform Training Qualitätsmanagement Administration

11 Policy BMBH Zentrale und umfassende Standortstruktur Forschungs- nicht Sammlungs- Orientierung: Forschung möglich machen Umfassende Absicherung der ethisch/ rechtliche Rahmenbedingungen Good Scientific Practice; Qualitätsmanagement; Qualitätssicherung Integration klinischer, wissenschaftlicher und diagnostischer Expertise Technologieentwicklung und -plattform

12 Aufgaben einer Forschungsgewebebank Biomaterialien sammeln, lagern, administrieren Derivate erzeugen (z.b. Extrakte, TMAs) Projekte betreuen, dokumentieren, verfolgen (Projektmanagement) Biomaterial-nahe Technologien vorhalten, betreuen und anwenden (Technologie-Plattform) Qualitätsmanagement Weiterbilden Kooperieren (national/international) Öffentlichkeitsarbeit Humanrelevante biomedizinische (Tumor)Forschung ist ohne Gewebebanken unmöglich

13 Technische Einflußfaktoren Gewebe Endogene Gewebe-/Tumor-Schädigung (z.b. Vaskularisation/Hypoxie/Nekrose, Kapsel/Stroma-Anteil, Tumor-assoziierte Entzündung, Bezug zu Ausgangsgewebe) Präoperative Veränderungen (z.b. Medikation, Ernährung, Comorbiditäten, neoadjuvante Behandlung) Intraoperative Veränderungen (warme Ischämie, Manipulationen) Sample-Prozessierung (Kalte Ischämie, Einfrieren/Fixierung, Lagerungsbedingungen, Sample Manipulation) Fehler

14 Entwicklung Gewebsanalytik Es geht immer mehr an immer schlechterem Material (FFPE, geringe Mengen, Degradation etc.) Bestimmte Technologien sind anfälliger als andere Relativ robust: DNA-basierte Analysen (Sequenzierung, PCR; FISH etc.), mirna Labil: mrna, Metabolische Analysen, Protein-Analytik (Proteomics>spez. Modifikationen>Expression) Labilität ist Organ- bzw. Tumortyp-abhängig Bestimmte Fragen sind nicht zu untersuchen, wenn nur qualitätsgesichert, prospektiv asserviertes Material verwendet wird (seltene Erkrankungen, internationale Projekte etc.) Qualität ist Fragestellungs-/Technologie-abhängig und immer Projekt-bezogen zu beurteilen (kaum völlig unbrauchbares Gewebe!); die Biobank gewährleistet die Bewertung; die letztendliche Verantwortung liegt immer beim Forscher

15 Konsequenzen Prozessoptimierung und Anforderungen an das Sample-Processing sind sinnvoll, da sie die Zahl verwertbarer Proben optimieren Bewertung gemäß Analysen-relevanter Parameter (Qualitätsmarker, Nukleinsäure-Degradation, Quantifizierung etc.) ist sinnvoll: Qualitätsüberwachung (Stichproben) Post-event Kontrollen Beurteilung externer Biobanken/Sammlungen Experten-betriebene Entry- und Exit-Kontrollen sind der entscheidende Qualitätsparameter Entry: Optimierung der Banking-Effizienz Exit: Spezifische, projektbezogene Qualitätskontrolle

16 PL Projektmanagement Projektantrag über Standardformular Prüfung (Ethikvotum, Machbarkeit) durch Gewebebank; ggf. Rückkopplung mit PL Partnerzuordnung Projektbearbeitung Übergabe, Projektabschluss Tracking Problemfrei/ single/bilateral Multilateral, Problem, Extern Ja Nein Prüfung durch Gesch. Beirat Reviews: Beirat (halbjährlich) NCT-Leitung (jährlich) DAkkS (18 monatlich) International (alle 3 Jahre; Bereich G)

17 SOPs (n>300) Strukturbezogene SOPs Organisation und Leitungsverantwortung Definition Leitbild und Ziele Prozessbezogene SOPs Materialeingangskontrolle durch Pathologen Frischgewebsasservierung, Beschreibung Funktionen Dokumentation Internes Reviewing Trainingspläne Gewebelagerung Geräteprüfung Prozessierung von Geweben/ Materialien (Derivateerzeugung) Projektmanagement Spendereinverständnis Ausgangskontrolle und beurteilung der Gewebe/ Materialien inkl. MTA Rückruf Einverständnis Projekt-Tracking

18 Akkreditierung 2007 Sektorkomittee der DAP (heute DAkKS): Gewebebanken sind akkreditierbar 2009 Akkreditierung der NCT- Gewebebank nach DIN EN ISO/IEC : Reakkreditierung Herpel et al., Virchows Arch (2011)

19 Ethische Fragen Umfassende Prüfung und Ethikvotum Prospektive Sammlung (2005; projektunabhängig) Freigabe retrospektive Gewebesammlung (2005) Anerkennung durch DFG, Krebshilfe (2006) Informed Consent Einheitlich für alle Materialien und Daten (2006) Patientenaufnahmevertrag (2009) (automatische Negativmeldung) Datenschutzkonzept Pseudonymisierung Zugangskontrolle Datentrennung Personal- und Nutzer-Instruktion Review

20 Proben-/Datenadministration (IT) Modularer Datenbankaufbau (Dezentrale Biobank, Liquid- Tissue, externe Interaktion) Leistungen Datenvernetzung Probenadministration Abfragefunktion Projektmanagement Interaktion

21 Technologieplattform Gewebebank Histotechnologie Immunhistologie (aut.) Multi-Tissue-Arrays (aut./man.) Extrakte (Nukleinsäuren, Proteine) Laser-Mikrodissektion Virtuelle Mikroskopie/Bildanalyse MALDI-Imaging Referenz- und Trainingsleistungen

22 Tissue-Micro-Array

23 TIGA Center VM and Image Analysis Goals: Standardized read-out of FISH/IHC in clinical studies Identifying positive patient subgroups Significant biomarkers? Borderline cases Reclassification/revisiting guidelines => Objective and automated quantification of histological classifiers (trials and routine diagnostics)! Grid construction for tumor tissue (each square 1 mm²) Halama et al.,tumor Maps: Quantification of Prognostic Immune Cell Markers in Colorectal Cancer Using Whole Slide Imaging, Anal Quant Cytol Histol, 2010

24 Projektstatistik Herpel et al. 2012, Virchows Archiv Projekte: 1304 (12/2013) Erfüllungsquote: >97% Kundenzufriedenheit: >99% Multi-Tissue-Arrays: 75 (n= ) Gefriergewebe: Proben (steigend) FFPE > Proben

25 Kooperation Biobank - Epidemiologie Populationsbasierte nationale und internationale epidemiologische Studien (DACHS, IMPACT, EPIC, ColoCare, Nationale Kohorte) Projektplanung Kollektive Core-Funktion Gewebe Histologie Klin. Daten Follow-up Risikofaktoren Non-biased, prospektiv

26 Nachhaltigkeit Zentrale Frage bei Gewebebanken (Förderung begrenzt; Wert wächst mit Zeit!) Aspekte (finanziell und organisatorisch) Nachhaltige Finanzierung Nachhaltige Zugangsregelung Betreibende/garantierende Einrichtung Terminierungsregeln Vaught J et al. J Natl Cancer Inst Monogr 2011;2011:24-31 Erfordert Klärung ab initio (z.b. GO)! Erfordert betriebswirtschaftliches Konzept Ebene 3 Ebene 2 Aufwandsentschädigung Projektbezogene Förderung Ebene 1 Grundausstattung (Klinik, CCC/TZ, nicht-universitäre Zentren)

27 Standort Projekt mittel Fee for Service

28 Biobanking in Netzwerken DZGs (ab 2012; DKTK, DZIF, DZL) cbmbs/m4 Lokale Koordination und Struktur Epidemiologische Verbünde (Nationale Kohorte, DACHS/ESTER, ColoCare) SFBs GBN, AG CCCs (AG Gewebebanken) Regularien, Rahmenbedingungen AG CCC QM IT

29 Koordination Status-Erhebung und -Dokumentation Roll-out-Programm Qualitätsmanagement (Anforderungen, Unterstützung (Projekt- Management, SOPs, Reviewing (e.g. Akkreditierung)) IT-Lösungen (Unterstützung bei Implementierung) Koordination Biobanking für Multisite-Projekte; priorisierte Kollektive; Interaktion koordinierter Programme Plattform für Biobanking-Technologien (TMA, VM etc.) Unterstützung in ELSI-Fragen (Informed Consent, Ethikvoten, Datenschutz) Nachhhaltigkeitsfragen, Kostenkalkulation Biobanking-Development Programm (Quality Marker, Aus- /Weiterbildung) Information/PR/Lobbying; Meetings;

30 Was ist zu tun? Biobanking als zentrale Aufgabe definieren (national und lokal) GBN-Entwicklungsplan zentral koordinative Funktion sichern (TMF, AG Gewebebanken) Förderer (BMBF/DZGs, DFG, DKH u.a.) Lokale Umsetzung cbmb-konzept Nachhaltige Finanzierung qualitätsgesicherter Zentren Good scientific practice/qm positionieren Förderer, Publisher, Fachgesellschaften Leitlinien Begutachter QM-Handbuch; Roll-out-Programm Offene Fragen klären Schnittstellen definieren Betriebswirtschaftliche Kalkulation Weiterbildung Qualitätsmarker (Quality assessment) Industrie Strukturkenntnis Interaktionsmodelle

31 Gewebe-basierte Assays (Studienassoziierte Diagnostik)

32 Voraussetzungen für Implementierung prädiktiver Tests Breite Verfügbarkeit der Testtechnologie; Integrierbarkeit Qualitativ hochwertige Performance (robust reproduzierbar, Expertise, korrektes Reporting, QM) Komplette Logistik (Indikation/Anforderung, Materialtransfer, Test, Reporting, Rezeption) Kurze TATs Gesicherte Finanzierung Gesicherte rechtliche Rahmenbedingungen

33 Prädiktive Testung in Klinischen Studien Entscheidet Rekrutierung (Studie, Marktzugang, Therapie) Beeinflusst Zulassung (EMA, FDA) Beeinflusst Real-Diagnostik (Leitlinien, Akzeptanz, Performance) Entscheidender Parameter für Studien- und Markterfolg Braucht molekularpathologische Expertise (ab Präklinik)

34 Prädiktive Diagnostik Probleme der Pharmaindustrie Fehlende Kenntnis der diagnostischen Rahmenbedingungen Mangelnde Berücksichtigung der Zulassungskonditionen Keine Berücksichtigung realdiagnostischer Bedingungen in Studienkonzepten Fehlende Transferzeit in Zulassungszeitraum Industrielle Biomarker Units untauglich für Studiendiagnostik

35 FDA: Zulassungsstrategien Companion Diagnostics Innovationsfeindlich; schädigt translationale Forschung Abhängigkeit von Industriestrategien Bislang noch keine Target-gerechte FDA-Zulassung EMA: Keine Companion-Diagnostik; Detektion des Markers Bessere Translation (Methodik; bedside-bench) Methoden-Offenheit; Innovationsfreundlich Bislang noch keine EMA-Zulassung gemäß diagnostischer Studienlage

36 Diagnostisches Studienzentrum Komplette Logistik (Administration, Study Nurses, BWL, Diagnostik) GCP, Akkreditierung Phase I-III Vernetzt mit klinischer Molekulardiagnostik, Biomarker Entwicklung, Roll-out (Qualitätssicherung/Ringversuche), NCT, DKTK Einziges Diagnostisches Studienzentrum innerhalb Akademia

37 Prädiktive Studientestung ALK-Inhibition im NSCLC u.a., FGFR-Inhibition (Novartis) Weltweites Testzentrum (ALK (LDK), FGFR1, FGFR2 (BGJ)) EGFR-Inhibition imnsclc (AstraZeneca) REASON NSCLC (IITs/ABC-Group) Innovation (EGFR), SELECT (EGFR, TS) HDAC Inhibitoren in HCC und CRC (4SC) SHORE, SHELTER Anti-EGFR im Cholangio-Ca (Amgen) PICCA Umbrella-Konzepte: NSCLC, HCC, Melanom

38 Diagnostisches Roll-Out Programm Organisation EGFRmut (NSCLC)(4x Nationaler Ringversuch; International (CH, ISR)) (AstraZeneca) ( ) ELM4-ALK (NSCLC) (2x Nationaler Ringversuch ) (Pfizer) Braf (Melanom) (1x Nationaler Ringversuch (2013) (Roche) KIT (GIST) (2x National Round Robin) (Novartis)

39 Entwicklungen in der Biopsiediagnostik Diagnostik Prädiktion ~80% aller NSCLC Patienten sind nicht operabel Aber bei getargeter Therapie.. Biopsiematerial zur Primärdiagnostik 10-30% NOS zunehmend Zytoblockmaterial.in der Regel: Lungenbiopsate Ausschliesslich Paraffin Durchschnittliche Anzahl tumortragender Biopsate: 2,5 von 4,5 Biopsaten (n=140) RAS EGFR EML4-ALK B-RAF MEK mtor c-met FGFR IGF-1R TS, ERCC-1 Aktuell sind >200 Chemotherapeutika in (prä-) klinischer Testung Schnittanzahl extrem variabel und abhängig von: Erfahrung des Bronchoskopeurs, Biopsieinstrument, Schnittdicke, Häufigkeit des Anschneidens, Raumtemperatur, Erfahrung der TA, Erfahrung des Pathologen, Algorithmus etc.

40 Warth et al., Histopathology 2012

41 Molekularpathologische Diagnostik over 250 assays RNA-Expression Immunohistochemistry FISH 3 assays over 30 assays over 30 assays Histology Conventional Sequencing

42 Diagnostische Tiefensequenzierung (Panel) DNA Extraktion Multiplex-PCR / Library Proben-Multiplexing Automatisierte empcr Qualitätskontrolle Qualitätskontrolle Qualitätskontrolle Sequenzierung auf Ion Torrent PGM/Proton FFPE Biopsie Kapazität: 500/Woche Validiert, QM

43 ABL1 (4,5,6,7) ERBB4 (3,4,6,7,8,9,15,2 3) IDH1 (4) NRAS (2,3,4) TP53 (2,4,5,6,7,8,10) AKT1 (3,6) EZH2 (16) IDH2 (4) PDGFRA (12,14,15,18) VHL (1,2,3) ALK (23,25) FBXW7 (5,8,9,10,11) JAK2 (14) PIK3CA (2,5,7,8,10,14,19,21) APC (16) FGFR1 (4,7) JAK3 (4,13,16) PTEN (1,3,5,6,7,8) ATM (8,9,12,17,26,34,35,36,3 9,50,54,55,56,59,61,63) FGFR2 (7,9,12) KDR (6,7,11,19,21,26,27,30) PTPN11 (3,13) BRAF (11,15) FGFR3 (7,9,14,16,18) KIT (2,9,10,11,13,14,15,17, 18) RB1 (4,6,10,11,14,17,18,20,21,22) CDH1 (3,8,9) FLT3 (11,14,16,20) KRAS (2,3,4) RET (10,11,13,15,16) CDKN2A (2) GNA11 (5) MET (2,11,14,16,19) SMAD4 (3,4,5,6,8,9,10,11,12) CSF1R (7,22) GNAQ (5) MLH1 (12) SMARCB1 (2,4,5,9) CTNNB1 (3) GNAS (8,9) MPL (10) SMO (3,5,6,9,11) EGFR (3,7,15,18,19,20,21) HNF1A (3,4) NOTCH1 (26,27,34) SRC (14) ERBB2 (19,20,21) HRAS (2,3) NPM1 (11) STK11 (1,4,4/5,6,8) AmpliSeq Cancer Hotspot Panel V2 (207 Amplikons; NSCLC; n=805)

44 NGS-Befund (AmpliSeq Cancer Hotspot Panel V2) Material Internes Blockmaterial R-4775/13 RT-PCR Analyse der EML4-ALK Fusionstranskripten (Varianten 1-3) Klinische Angaben Bitte um EGFR- und ALK-Analyse Befund Am morphologisch gesicherten und angereicherten Tumorgewebe (50 % Tumorzellgehalt) wurde eine gezielte Mutationsanalyse mittels der Next Generation Sequenzierungstechnologie (PGM; ION TORRENT) unter der Verwendung des AmpliCancer Panels V2 (207 Amplikons; u.a. EGFR Exone 18-21) durchgeführt. Hierbei wurde die Punktmutation p.m1199l mit einer Allelfrequenz von 50 % bei einer Amplikonabdeckung (Coverage) von 1012 im Exon 23 von ALK nachgewiesen. Diese Missense-Mutation ist bisher nicht beschrieben worden. Somit liegen keine spezifischen Informationen zum ALK-Aktivierungsstatus bzw. zur TKI-Responsivität vor. In den untersuchten Sequenzbereichen von EGFR konnte keine Mutationen detektiert werden. Der Status aller anderen untersuchten Genabschnitte ist in unserer Datenbank hinterlegt und kann bei Bedarf (z.b. Studienkontext) angefordert werden. Validierung der p.m1199l Mutation (Sanger-Sequenzierung ALK Exon 23) p.m1199l (c.3595 A>T) Beurteilung: Nachweis einer EML4-ALK Translokation mittels FISH sowie translokationsspezifischer RT-PCR (E13:A20) mit Bruchpunktsequenzierung (Sanger) und Nachweis der ALK-Überexpression mittels RT-PCR und Immunhistologie (D5F3, Ventana). Zusätzlich Nachweis einer M1199L Punktmutation in Exon 23 des ALK-Gens mittels NGS (PGM, Ion Torrent) und Sanger-Sequenzierung (Allelfrequenz 50%, Coverage 1012) Die Voraussetzungen für eine Crizotinib-Therapie sind gegeben.

45 DKFZ-HIPO & NCT-POP - The Individual Patient Day 1 Diagnosis + Patient Clinical Data Day 1 Day 5-28 MASTER ICF Biopsy MASTER ICF Sampling Sample Processing & Molecular Profiling Bioinformatics & Interpretation of Mol. Data Validation by Sanger Sample Prep. Mol. Profiling Bioinformatics Day 35 Molecular Tumor Board Mol. Tumor Board Clinical Data Mol. Data Day 42 Stratification & Targeted Therapy (Clinical Trial) Treatment Trial

46 Danke! Molekulardiagnostisches Zentrum (R. Penzel, V. Endris u. Team) Sektion Biomarker- Entwicklung (W. Weichert) Diagnostische Studienzentrum (T. Ruf u. Team) Digitale Pathologie/TIGA (N. Grabe u. Team) BMBH und alle beteiligten Biobanken Universitätsmedizin Heidelberg; beteiligte Kliniken DKFZ Gesundheitsforschungszentren (DKTK, DZIF, DZL) BMBF (cbmb), Deutsche Krebshilfe AG CCCs, TMF

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48 Development of Biomarkers Independent validation Testing in the context of clinical trials -omics exploration Difficulties and of Biomarker reality development as anticipated by basic scientists. Routine clinical application

49 Biomarker...