Personalisierte Medizin

Transkript

1 Personalisierte Medizin Möglichkeiten und Herausforderungen Walter Krugluger SMZO/Donauspital

2 Individualisierte Medizin Informationen über Genotypen oder das zelluläre Gen- Expressionsprofil werden als Grundlage für medizinische Entscheidungen (bei Individuen mit gleichem genetischen Profil) verwendet. Personalisierte Medizin Informationen über den individuellen Genotyp oder das zelluläre Gen- Expressionsprofil eines Patienten werden als Grundlage für medizinische Entscheidungen verwendet.

3

4 Desoxyribonucleinsäure (DNA) und Gene DNA: Träger der Information für die Synthese von Proteinen. Gen: Definierter Abschnitt auf der DNA, der die Information über die Anordnung von Aminosäuren eines Proteinmoleküls enthält. Ein Gen besteht aus kodierenden Elementen (EXON) und nicht kodierenden Elementen (INTRON, untranslated Elements) Humane DNA enthält circa 3 Milliarden Nukleotide und Gene. Anteil der Nukleotide von Genen an der Gesamtnukleotidzahl der menschlichen DNA: weniger als 5%. Jede menschliche Zelle (ausgenommen Ei, Samenzelle und Erythrozyten) enthält die gesamte genetische Information eine Individuums.

5 Der genetische Code

6 Die Nutzung der genetischen Information

7 Intrazelluläre Weitergabe veränderter genetischer Information C G C Ser C

8 Homozygote versus heterozygote Träger der Information Homozygot: Vorkommen der gleichen genetischen Information auf beiden Genkopien (väterliches und mütterliches Allel) Heterozygot: unterschiedliche genetische Information auf väterlicher und mütterlicher Genkopie

9 Genotyp Phänotyp Assoziation

10 Keimlinien versus somatische Mutationen

11 Susceptibility Genes

12 Die Ursache genetischer Heterogenität: Single Nukleotid Polymorphismen (SNP) Einzelner Basenaustausch in der Erbsubstanz (DNA) Einfachste Form eines genetischen Polymorphismus 90% aller menschlichen Polymorphismen in der DNA Etwa pro 1000 Basenpaare Ungleich in der menschlichen DNA verteilt > SNPs bekannt Ca. 1-3 Mio intraindividuelle Unterschiede SNP in Protein-kodierenden Regionen der DNA kann: Still (kein Aminosäurenaustausch) oder Variant (Aminosäurenaustausch) sein.

13

14 Individualisierte Medizin - Pharmakogenomics Individualisierte Medizin: Abstimmung der Therapie auf individuelle, genetische Eigenschaften des Patienten Pharmakogenomics: Analyse der Wirksamkeit von Medikamenten bei bestimmten genetischen Voraussetzungen eines Individuums und Abstimmung der Medikation auf individuelle genetische Eigenschaften - 1. Somatische genetische Eigenschaften Tumortherapie - 2. Keimlinien Eigenschaften - Pharmakogenomics

15 Molekularbiologie in Medizin Diagnostische Molekularbiologie Zytogenetik DNA: SNPs, Deletionen, Insertionen RNA: Nachweis und Quantifizierung Prädiktive molekularbiologische Untersuchungen DNA: SNPs, Mutationen (Prädisposition, Pharmakogenomic) Funktionelle (therapeutische) Molekularbiologie Beeinflussung der Transkription/Translation

16 Individualisierte personalisierte Medizin

17 Gentechnikgesetz (1994) I. ABSCHNITT-Allgemeine Bestimmungen ( 1-4) II. ABSCHNITT-Arbeiten mit gentechnisch veränderten Organismen in geschlossenen Systemen ( 5-35) III. ABSCHNITT-Freisetzen von GVO und Inverkehrbringen von Erzeug... ( 36-63) IV. ABSCHNITT-Genetische Analysen und Gentherapie am Menschen ( 64-79) IVa. Abschnitt-Zivilrechtliche Haftung ( 79a-79m) V. ABSCHNITT-Gentechnikkommission und Gentechnikbuch ( 80-99) VI. ABSCHNITT-Behördenzuständigkeit, Kontrollen ( e) VII. ABSCHNITT-Sicherheitsforschung ( 102) VIII. ABSCHNITT-Vorläufige Zwangsmaßnahmen ( 103) IX. ABSCHNITT-Erlöschen der Berechtigung ( 104) X. ABSCHNITT-Vertraulichkeit von Daten und Datenverkehr ( ) XI. ABSCHNITT-Internationaler Informationsaustausch ( 107) XII. ABSCHNITT-Übergangs-, Straf- und Schlußbestimmungen ( ) Artikel II. Haftung für land- und forstwirtschaftliche Naturprodu... Artikel III. Inkrafttreten Anlage 1 Anlage 2. Anlage 4. Artikel II. (Anm.: Zu den 43, 79a bis 79j, 81, 85, 87, 89, Artikel II. Schluss- und Übergangsbestimmungen (Anm.: Zu den 1... Artikel 3. (Anm.: Zu den 2, 3, 4, 35, 37, 38, 39, 40, 41, 42,... Gentechnikgesetz (GTG) Fundstelle

18 Gentechnische Analysen am Menschen 65. GTG Genetische Analysen am Menschen zu medizinischen Zwecken (1) Genetische Analysen am Menschen zu medizinischen Zwecken dürfen nur nach dem Stand von Wissenschaft und Technik durchgeführt werden. Sie werden in vier Typen unterschieden: 1.Typ 1 dient der Feststellung einer bestehenden Erkrankung, der Vorbereitung einer Therapie oder Kontrolle eines Therapieverlaufs und basiert auf Aussagen über konkrete somatische Veränderung von Anzahl, Struktur, Sequenz oder deren konkrete chemische Modifikationen von Chromosomen, Genen oder DNA-Abschnitten 2.Typ 2 dient der Feststellung einer bestehenden Erkrankung, welche auf einer Keimbahnmutation beruht 3.Typ 3 dient der Feststellung einer Prädisposition für eine Krankheit, insbesondere der Veranlagung für eine möglicherweise zukünftig ausbrechende genetisch bedingte Erkrankung oder Feststellung eines Überträgerstatus, für welche nach dem Stand von Wissenschaft und Technik Prophylaxe oder Therapie möglich sind 4.Typ 4 dient der Feststellung einer Prädisposition für eine Krankheit, insbesondere der Veranlagung für eine möglicherweise zukünftig ausbrechende genetisch bedingte Erkrankung oder Feststellung eines Überträgerstatus, für welche nach dem Stand von Wissenschaft und Technik keine Prophylaxe oder Therapie möglich sind. (2) Verwandtenuntersuchungen ( 70) können Untersuchungen des Typs 2, 3 oder 4 sein.

19 Analyse von Keimbahn DNA: Analyse von Keimlinien Aberrationen: Genotyp - Phänotyp Assoziationsuntersuchungen (z.b.: Krankheitsassoziiert) Genotyp - Response Assoziationsuntersuchungen (z.b.: Pharmakogenomics) DNA RNA Protein

20 Arten der Keimlinien Aberrationen Chromosomale Anzahl von Chromosomen (z.b.: Trisomie 21) Verlust oder Translokation von Chromosomenanteilen (z.b.: Deletion, Insertion, Duplikation) Auf DNA Ebene: Polymorphismen (Frequenz in der Population >1%) Mutationen (Frequenz in der Bevölkerung <1%) Deletionen (Verlust von 1 bis mehrere tausend Nukleotiden) Insertionen Duplikationen Art der Beeinflussung durch DNA Polymorphismen und Mutationen Keine Aminosäureaustausch im kodierten Protein Transkriptionsstörung - Frameshift mutations, Initiator codon mutations, terminator codon mutations - RNA processing mutants, Polyadenylation site mutations Translationsstörung - Termination codon - Translation initiation codon (ATG)

21 Typen von genetischen Untersuchungen an Keimlinien DNA: Analyse von Keimlinien Aberrationen: Klinisch stumm: z.b.: in Abschnitten nicht für Protein kodierender DNA. Variation: Änderung des Phänotyps ohne Auswirkung auf die Gesundheit (z.b.: Augenfarbe, Haarfarbe). Erkrankungsassoziiert (oder Prädisposition): z.b. Hämophilie A und B, Sichelzellanämie und Hämoglobinopathien oder BRCA1 und Rb Gen. Das Gentechnikgesetz mit den Typ 1-4 genetischen Analysen ist nur auf den letzten Punkt abgestimmt! Nicht erkrankunsassoziierte Veränderungen sind nur unter 66. GTG zulässig.

22 Verfahren zur Bestimmung genetischer Unterschiede TaqMan Sonden Reversed Dor Blot Allel A Allel B

23 Next generation sequencing

24 Typen von genetischen Untersuchungen: Analyse von Keimlinien-SNPs: Gesund Erkrankung Single nucleotide polymorphism (SNP; Vorkommen >1% in der Bevölkerung) Mutation (Vorkommen <1% in der Bevölkerung) Humanes Genom besitzt circa 3 Millionen SNPs und Mutationen Verteilung im Genom: zufällig Können (müssen aber nicht) mit einer Erkrankung assoziiert sein

25 Typen von genetischen Studien: Analyse von Keimlinien SNPs:

26 Neue Ansätze des genetischen Screenings

27 Typen von genetischen Studien Human genome wide association studys

28 Erkrankung - Prädisposition: Analyse von Keimlinien-Polymorphismen: FV-Leiden

29 Typen von genetischen Studien - Prädisposition: Analyse von Keimlinienpolymorphismen: FV-Leiden Hopmeier P, Krugluger W. N Engl J Med, 1995

30 Pharmakologisch relevante Polymorphismen - Cytochrome P450

31 Wichtige Enzyme des Arzneimittel- bzw. Fremdstoff-Stoffwechsels, mit einem erblichen Polymorphismus Phase I Enzym Funktionelle Bedeutung Häufigkeit homozygoter genetischer Varianten* Bedeutung u.a. für folgende Arzneistoffe Cytochrom P450 (CYP) 1A2 hohe Induzierbarkeit 46 % Clozapin, Imipramin, Koffein, Lidocain, Paracetamol, Theophyllin CYP2A6 reduzierte Aktivität 1 % Fadrazol, Halothan, Losigamon, Nikotin, Tegafur CYP2B6 reduzierte Aktivität 2 % Bupropion, Propofol CYP2C8 reduzierte Aktivität 1,7 % Carbamazepin, Cerivastatin, Paclitaxel, Pioglitazon, Rosiglitazon, Tolbutamid, Verapamil, Warfarin CYP2C9 reduzierte Aktivität 1 3 % Celecoxib, Clopidogrel, Diclofenac, Fluvastatin, Glibenclamid, Ibuprofen, Losartan, Phenprocoumon, Phenytoin, Piroxicam, Sildenafil, Tolbutamid, Torasemid, Warfarin CYP2C19 fehlende Aktivität 3 % Diazepam, Lansoprazol, Omeprazol, Pantoprazol, Proguanil, Propranolol, Rabeprazol CYP2D6 fehlende Aktivität / extrem hohe Aktivität durch Genduplikation 7 % / 2 3 % Ajmalin, Amitriptylin, Carvedilol, Codein, Flecainid, Fluoxetin, Galanthamin, Haloperidol, Metoprolol, Mexiletin, Ondansetron, Propafenon, Tamoxifen, Timolol, Tropisetron CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7 Aktivitätsabschwächung Expression von CYP3A7 beim Erwachsenen mehrere, teils seltene Mutationen Chinidin, Cyclosporin A, Cortisol, Dapson, Diltiazem, Erythromycin, Lidocain, Midazolam, Nifedipin, Paclitaxel, Sildenafil, Simvastatin, Tacrolimus, Triazolam, Verapamil, Zolpidem Flavinabhängige Monooxygenase 3 (FMO3) verminderte Aktivität 9 % Perazin, Sulindac, Albendazol, Benzydamin Butyrylcholinesterase (BCHE) verminderte Aktivität 0,03 % Succinylcholin Dihydropyrimidindehydrogenase (DPYD) verminderte Aktivität < 1 % 5-Fluoruracil

32 Individualisierte Medizin Informationen über den individuellen Genotyp oder das zelluläre Gen- Expressionsprofil eines Patienten werden als Grundlage für medizinische Entscheidungen verwendet.

33 Keimlinien versus somatische Mutationen

34 Individualisierte Medizin Beispiele: Somatische Genabberationen (BCR-ABL, K-Ras, p53 usw) Monogene Erkrankungen (z.b.: Gerinnungsstörungen) Polygene Erkrankungen (z.b.: Adipositas, NIDDM) Pharmakogenomics Blutgruppenserologie Transplantation Grundlage: Unterschiede im Genom oder Transkriptom zwischen Geweben oder Individuen.

35 Therapie Symptome Molekularbiologie und personalisierte Medizin Behandlungserfolg Monitoring Pharmakogenomic Prognose Diagnose Symptome Screening Prädisposition Subklinische Erkrankung

36 Individualisierte Medizin Pharmakogenomics

37 Dihydropyrimidine dehydrogenase und Knochenmarks-Toxizität

38 Pharmacogenomics 6-thiopurine methyltransferase (TPMT) Toxizität von Azathioprin Dihydropyrimidine dehydrogenase (DPD) Toxizität von 5-FU Cytochrom P450: CYP2D6, CYP2C9 Geänderte Pharmakokinetik vieler Arzneimittel