Trends in der medizinischen Diagnostik. PD Dr. Markus Nauck Bioscientia GmbH Institut für Laboruntersuchungen Ingelheim

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1 Trends in der medizinischen Diagnostik PD Dr. Markus Nauck Bioscientia GmbH Institut für Laboruntersuchungen Ingelheim

2 Trends in der medizinischen Diagnostik aus Sicht eines Labormediziners PD Dr. Markus Nauck Bioscientia GmbH Institut für Laboruntersuchungen Ingelheim

3 Horstmar Moers Krefeld Hamburg Alfeld Fulda Berlin Wermsdorf Jena 1970 Gründung ( Boehringer Ingelheim ) 1995 MBO Mitarbeiter ( in 16 Laboratorien ) 500 in Ingelheim ( Stammsitz ) 29 Ärzte Labormedizin, Mikrobiologie, Humangenetik, Transfusionsmedizin, Innere Medizin, Nuklearmedizin 51 Akademiker (Biologen, Chemiker) Frankfurt Ingelheim Völklingen Wiesbaden Mainz Routine Spezial zuweisende Ärzte 400 kooperierende Krankenhäuser Freiburg Karlsfeld / München Aufträge / Tag Analysen / Tag 440 Transportfahrten ( km) / Tag > 100 Mio Umsatz ( 2004 )

4 Leistungsspektrum mehr als unterschiedliche Tests in den Gebieten: Klinische Chemie Toxikologie Biochemie Drug Monitoring Bakteriologie Mykologie Virologie Parasitologie Serologie Endokrinologie Hämatologie Immunologie Hämostaseologie Humangenetik Onkologie/Tumorgenetik Nuklearmedizin Veterinärmedizin

5 Tätigkeitsfelder der Bioscientia Labordiagnostik (Präanalytik! Befundung! Beratung) Laborbetreiber in Krankenhäusern Verfahrensentwicklung und Evaluation Klinische Prüfung von Arzneimitteln

6 Vierfache Dynamik in der Labormedizin technisch, medizinisch, organisatorisch, strukturell technisch: hoher Automatisierungsgrad mit zunehmender Arbeitsteilung medizinisch: enormes Innovationspotenzial zunehmende Individualisierung von Diagnostik und Therapie prädiktive Diagnostik organisatorisch: medizinische Versorgungszentren (MVZ) strukturell: direkte Verträge mit Kostenträgern

7 Ebenen und -omics der in vitro Diagnostik Proteomics Protein Lipide Proteine KH Transcriptomics Transkript Gen Genomics Chromosom Genom Metabolite

9 BNP als biochemischer Marker der Herzinsuffizienz Prävalenz der Herzinsuffizienz: ca 2-3% BNP: Natriuretisches Peptid vom B-Typ, nachweisbar im Ventrikel und im Vorhof Induktion von BNP durch Dehnungsstress des Myokards Biologische Wirkung von BNP: Niere: Diurese Natriurese Renin Gefäß: Vasotonus Blutdruck Nebenniere: Aldosteron

10 Natriuretische Peptide Pathomechanismus Ventrikuläre Pumpfunktion Enddiastolischer Dehnungsstress NT-proBNP BNP Enddiastolischer Dehnungsstress NT-proBNP BNP Ventrikelfunktion

11 BNP / NT-proBNP als biochemische Marker der Herzinsuffizienz 4 klinische Einsatzbereiche für Biomarker: - Screenning auf präklinische Erkrankungen in asymptomatischen Personen - Differentialdiagnostische Ursachenabklärung bei symptomatischen Patienten - Risikostratifizierung von Patienten mit klinisch manifesten Erkrankungen - Unterstützung bei der Auswahl und Steuerung der Therapie

12 NT-proBNP James SK et al: Circulation 2003; 108: Risikostratifizierung bei Patienten mit akutem Koronarsyndrom Ermöglicht die Bestimmung des NT-pro BNP eine prognostische Einschätzung von Patienten mit akutem Koronarsyndrom? Studienpopulation: 6809 Patienten mit akutem Koronarsyndrom (Thoraxschmerz, keine ST-Streckenhebung) Methoden: Einmalige Bestimmung von NT-proBNP zum Zeitpunkt der Aufnahme Beobachtungszeitraum 12 Monate Endpunkt: Mortalität

13 NT-proBNP James SK et al: Circulation 2003; 108: Risikostratifizierung bei Patienten mit akutem Koronarsyndrom Ergebnisse: k u m u l ative M o r ta litä t (% ) Beobachtungszeitraum (Tage) > 1869 pg/ml pg/ml pg/ml 238 pg/ml Anteil der Todesfälle nach 1 Jahr (%) > <0.01 Troponin-T µg/l < NT-proBNP ng/l > 1869

15 Proteomics in der Diagnostik Petricoin EF et al: Lancet: 2002; 359, Proteomic patterns in der Diagnostik des Ovarial-Ca Hintergrund: Das Ovarialkarzinom ist die sechsthäufigste Krebserkrankung der Frau Inzidenz: 15 / p.a. in 80% der Fälle wird das Ovarial-Ca erst in Spätstadien (III und IV) entdeckt! 5-Jahresüberlebensrate: 35% Ovarial-Ca im Stadium I! 5-Jahresüberlebensrate: 90% viele Patientinnen können durch Operation geheilt werden CA125 ist der am häufigsten eingesetzte Biomarker beim Ovarial-Ca Ovarial-Ca im Stadium I: nur 50% zeigen erhöhte CA125-Werte Ovarial-Ca im Stadium III-IV: etwa 80% zeigen erhöhte CA125-Werte PPV des CA125: 10% Kann die Früherkennung des Ovarial-Ca durch innovative diagnostische Verfahren verbessert werden?

16 Proteomics in der Diagnostik Petricoin EF et al: Lancet: 2002; 359, Proteomic patterns in der Diagnostik des Ovarial-Ca Methoden: Phase I (pattern discovery): SELDI-TOF Analyse (surface enhanced laser desorption and ionisation AND time of flight - 50 Seren von Patientinnen mit Ovarial-Ca - 50 Seren von Kontrollen! cluster analysis zur Ableitung eines gut zwischen krank und gesund diskriminierenden Musters

17 Proteomics in der Diagnostik Petricoin EF et al: Lancet: 2002; 359, SELDI-TOF (surface enhanced laser desorption and ionisation AND time of flight)

18 Proteomics in der Diagnostik Petricoin EF et al: Lancet: 2002; 359, Proteomic patterns in der Diagnostik des Ovarial-Ca

19 Proteomics in der Diagnostik Petricoin EF et al: Lancet: 2002; 359, Proteomic patterns in der Diagnostik des Ovarial-Ca For the discrimination of ovarian cancer, the pattern is formed by the combination of spectral amplitudes at five precise M/Z values.

20 Proteomics in der Diagnostik Petricoin EF et al: Lancet: 2002; 359, Proteomic patterns in der Diagnostik des Ovarial-Ca Methoden: Phase II (pattern matching): SELDI-TOF Analyse von 115 verblindeten Seren - 50 Seren! Ovarial-Ca - 24 Seren! gesunde Frauen - 25 Seren! Ovarialzysten - 10 Seren! gutartigen gynäkolischen Erkrankungen - 7 Seren! Entzündung Ergebnisse: Sensitivität: Stadium I:100%; Stadium II, III, IV:100% Spezifität: 95% (5 von 100 sind falsch positiv) Inzidenz: 15 / / Jahr Prävalenz für Ovarialkarzinom 1 / Nur 1 Frau von 250 mit einem positiven Ergebnis leidet tatsächlich an Ovarial-Ca! Wert als Untersuchung nur bei Patientinnen mit klinischem Verdacht oder familiärem Risiko

21 Proteomics in der Diagnostik Ausblick Liotta LA Clin Chem 2003: 49; The coupling of advances in mass spectrometry with adaptive bioinformatic pattern recognition tools may dramatically change how disease is detected and monitored. Rapid, low-cost mass spectrometry-based alternatives with much higher clinical sensitivity and specificity... may eventually dominate clinical diagnostics

23 Genexpression profiling bei Brustkrebs Hintergrund: Das Mamma-Ca ist die häufigste Krebserkrankung und Krebstodesursache bei Frauen Inzidenz: Neuerkrankungen p.a. in Deutschland Die Therapiestratifizierung beim Mamma-Ca basiert derzeit auf wenigen Markern: Prognose Ansprechen auf Tamoxifen Lymphknotenstatus Tumorgröße histologisches grading Östrogenrezeptor Status Ansprechen auf Herceptin HER-2-Rezeptor Status Ansprechen auf Chemotherapie?

24 Genexpression profiling bei sporadischem Brustkrebs Auf Grundlage der konventionellen Therapiestratifizerung bekommen viele Frauen (prämenopausal, ohne Lymphknotenbefall) eine Chemotherapie, ohne zu profitieren Heilung durch Chemotherapie Überleben mit wirkungsloser Chemotherapie Tod trotz Chemotherapie 90 Zahl der behandelten Patientinn Konventionelle Kriterien Konventionelle klinische und pathologische Kriterien n = 100 Prädiktive Diagnostik Prädktives Profiling n = 100 overtreatment - keine Besserung der Prognose - therapie-induzierte Nebenwirkungen - ungezielter Einsatz von Ressourcen Kann die Therapiestratifizierung durch die Bestimmung der genetischen Signatur des Tumors verbessert werden? Cleator S et al.: Br. J Cancer 2004; 90: 1120-

25 Genexpression profiling bei Brustkrebs Van t Veer et al: Nature: 2002; 415, cdna-microarray-analyse: Clustering von 5000 Genen und 98 Tumoren " Identifikation von Expressionsmustern, die eine prognostische Einschätzung ermöglichen. Van den Vijver et al: NEJM: 2002; 347,

26 Genexpression profiling bei Brustkrebs Van t Veer et al: Nature: 2002; 415, Van den Vijver et al: NEJM: 2002; 347, Prognostische Klassifikation für Brustkrebs 70 prognostisch signifikante Gene Order Metastasen (weiß = +) gutes Profil 78 Tumore Schwelle schlechtes Profil

27 Genexpression profiling bei Brustkrebs Van den Vijver et al: NEJM: 2002; 347, Ermöglicht das expression profiling eine prognostische Einschätzung bei Patientinnen mit Brustkrebs? Studienpopulation: 151 Patientinnen mit Mamma-Ca im Stadium I oder II negativer Lymphknotenstatus Alter: < 53 Jahre Methoden: Einmalige Bestimmung des Genexpressionprofils im Tumorgewebe Risikostratifizierung anhand der - genetischen Signatur des Tumors - der St. Gallen Kriterien - der NIH Consensus Kriterien Beobachtungszeitraum: 12 Jahre Endpunkt: - Auftreten von Fernmetastasen - Mortalität

28 Genexpression profiling bei Brustkrebs Van den Vijver et al: NEJM: 2002; 347, Ergebnis: n = 60 n = 22 n = 11 n = 91 n = 129 n = 140 Das genetische Expressionsprofil ist bei der Risikostratifizierung den klinischen Kriterien überlegen. Die prädiktive Wert der genetischen Signatur kann helfen, unnötige adjuvante Chemotherapien zu vermeiden.

29 Genexpression profiling bei Brustkrebs Überleben mit wirkungsloser Chemotherapie Heilung durch Chemotherapie Tod trotz Chemotherapie Überleben ohne Chemotherapie Van den Vijver et al: NEJM: 2002; 347, Zahl der behandelten Patientinn Konventionelle Kriterien Konventionelle klinische und pathologische Kriterien n = Prädiktive Diagnostik Prädktives Profiling n = overtreatment - keine Besserung der Prognose - therapie-induzierte Nebenwirkungen - ungezielter Einsatz von Ressourcen Man macht die Therapie als solche nicht besser, aber man setzt sie gezielter ein

31 Epidemiologie des Brustkrebses Frauen haben in ihrem Leben eine: hereditär sporadisch Mamma-Ca 1-zu-10 Chance ein Mamma-Ca zu entwickeln 1-zu-70 Chance ein Ovarial-Ca zu entwickeln Ovarial - Ca Ovarian Cancer 5 % aller Mamma-Ca und 7 % aller Ovarial-Ca sind hereditär

32 Epidemiologie des Brustkrebses Frauen haben in ihrem Leben eine: BrCa1 BrCa2 sporadisch Mamma-Ca 1-zu-10 Chance ein Mamma-Ca zu entwickeln 1-zu-70 Chance ein Ovarial-Ca zu entwickeln Ovarial - Ca Ovarian Cancer 5 % aller Mamma-Ca und 7 % aller Ovarial-Ca sind hereditär Von diesen hereditären Tumoren sind 60% bedingt durch Mutationen im Gen BrCa1 40% bedingt durch Mutationen im Gen BrCa2

33 BRCA1 und BRCA2 sind Tumorsuppressorgene BrCa1: 17q21 BrCa2: 13q12-13 Funktionen von BrCa: - DNA-Repair - Genregulation BRCA2 BRCA1 Adapted from

34 Mutationen in BrCa1 und BrCa2 Mamma-Ca entwickeln sich vor dem 50. Lebensjahr 40 Jahre 50 Jahre 70 Jahre Normales Risiko 1 : : 50 1 : 14 Hereditäres Risiko - BrCa1-Mutation - BrCa2-Mutation 1 : 5 1 : 2 4 : 5

35 Wer sollte getestet werden? J Clin Oncol 1996; 14: American Society of Clinical Oncology: A genetic test should be offered in case... a likelihood of 10 % exists for a positive result the interpretation of the test is sufficient and unequivocal the result of the test will have a consequence with a benefit for the patient

36 Prophylaktische Konsequenzen in asymptomatischen BrCa Mutationsträgern Kontrolluntersuchungen - früher und häufiger Selbstuntersuchung Klinische Untersuchung Mammographie Chemoprävention Mamma-Ca: Gabe von Tamoxifen Ovarial-Ca: orale Kontrazeptiva Prophylaktische Chirurgie Prophylaktische Mastektomie Prophylaktische Ovariektomie

37 Mutationen in BRCA1 und BRCA2 Suche nach der Nadel im Heuhaufen BRCA1: 22 kodierende Exons, > 5,500 bp BRCA2: 26 kodierende Exons, > 11,000 bp

38 Sequenzanalyse der Tumorsuppressorgene BrCa1 und BrCa2 Blutprobe DNA Isolation 82 separate PCR Reaktionen für 49 Exone von BrCa1 und BrCa2 G T A C G T A C Forward Reverse 700 individuelle Sequenzierungen (17,600 bp x 2) Detektion großer Deletionen wenn nicht Bericht Bestätigung bei Mutationsnachweis Datenanalyse, Vergleich mit Wild-typ Separation

39 Risikoreduktion durch präventive Maßnahmen in BrCa Mutationsträgern > 90% Mamma-Ca > 50% Bei kontralateralem Mamma-Ca Ovarial-Ca Referenzen: Myriad Data base 2004 Kuhl 2003 Rebbeck 2002 Kiechle 2001 Stefanek 2001 Schlag 2000 Hartmann 1999 Karzinomrisiko [%] > 40% > 90% > 50% Mastektomie Ovariektomie Tamoxifen Ovariektomie Orale Kontrazeptiva Contraceptive verbleibendes Risiko nach prophylaktischen Maßnahmen Risikoreduktion

40 Prädiktive Medizin beim Brustkrebs Heute: Brustkrebs Diagnose Behandlung Nachsorge Morgen: Brustkrebs Prävention genetische Risikoprädiktion präventive Maßnahmen frühe Diagnose bessere Therapiestratifizierung bessere Prognose

41 Trends in der medizinischen Diagnostik Proteomics Protein Lipide Proteine KH Transcriptomics Transkript Gen Genomics Chromosom Genom Metabolite Metabolomics

42 Trends in der medizinischen Diagnostik Es gibt einen Trend zu prädiktiven Proteomics Protein multi-parametrischen Tests Lipide Proteine KH Transcriptomics Genomics Transkript Prädiktive Tests führen zu einer Neukonzeption der Patientenversorgung Chromosom Gen Genom Metabolite Metabolomics

43 Neukonzipierung der Patientenversorgung durch prädiktive Diagnostik Von Ausprobieren einer Behandlung für alle Patienten Zu massgeschneiderter Therapie auf Basis individueller molekularer Risikoprofile A + B + C +D A B C D Prädiktives Testen und Bioinformatik Individuelle Therapie höhere Wirksamkeit der Therapie höhere Überlebensraten höhere Lebensqualität höhere Kosteneffektivität

44 Trends in der medizinischen Diagnostik Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

45 Kundenstruktur Umsatzanteile im Bioscientia-Verbund 1 2 % 22% 1% 6% Niedergelassene Ärzte Krankenhäuser 70% Pharmazeutische Industrie Tierärzte- und Kliniken Internationale Auftraggeber

46 Natriuretische Peptide Synthese und Sekretion von BNP Vorläuferhormon: präpro-bnp (AS: 134) Herzzelle H 2 N Signalpeptid (AS: 26) 1 H P L G S P G S A S Y T L R A probnp (AS: 108) Spaltung P P K M R S 90 V Q G M D R I S S K S R C F S C G S G C L 100 C K V L R 108 R H COOH Blut H 2 N N-terminales Ende: NT-proBNP (AS: 76) physiologisch inaktiv H P L G S P G S A S Y T L R A P R COOH H 2 N S P K M V Q G M D R I S S K S R C F S C G S G C L C K V L R R BNP (AS: 32) physiologisch aktiv H COOH

47 BNP / NT-proBNP als biochemische Marker der Herzinsuffizienz 4 klinische Einsatzbereiche für Biomarker: - Screenning auf präklinische Erkrankungen in asymptomatischen Personen - Differentialdiagnostische Ursachenabklärung bei symptomatischen Patienten - Risikostratifizierung von Patienten mit klinisch manifesten Erkrankungen - Unterstützung bei der Auswahl und Steuerung der Therapie

48 NT-proBNP Wer profitiert von der Therapie mit Carvedilol? Richards AM et al: JACC 2001; 37: Studienpopulation: 297 Herzinsuffizienz Alter Jahre Methoden: Bestimmung von NT-proBNP im Plasma Randomisierung in zwei Therapiegruppen: Standardtherapie plus Placebo Standardtherapie plus Carvedilol Beobachtungszeitraum 18 Monate Endpunkt: Mortalität

49 NT-proBNP Wer profitiert von der Therapie mit Carvedilol? Richards AM et al: JACC 2001; 37: NT-proBNP + Placebo NT-proBNP + Placebo Ereigsnifreies Überleben (%) p < Tage nach Randomisierung

50 NT-proBNP Wer profitiert von der Therapie mit Carvedilol? Richards AM et al: JACC 2001; 37: NT-proBNP + Placebo NT-proBNP + Carvedilol NT-proBNP + Placebo Ereigsnifreies Überleben (%) Tage nach Randomisierung p < 0.001

51 NT-proBNP Wer profitiert von der Therapie mit Carvedilol? Richards AM et al: JACC 2001; 37: NT-proBNP + Placebo NT-proBNP + Placebo NT-proBNP + Carvedilol NT-proBNP + Carvedilol Ereigsnifreies Überleben (%) n.s Tage nach Randomisierung p < 0.001

52 Proteomics in der Diagnostik Petricoin EF et al: Lancet: 2002; 359, SELDI-TOF (surface enhanced laser desorption and ionisation AND time of flight)

53 BRCA1 und BRCA2 Ponder B et al. Science 1997; 278: Einfluss von familiärer Belastung und BRCA1-Mutation auf das Lebenszeit-Risiko, an Brustkrebs zu erkranken Wahrscheinlichkeit von Brust- oder Ovarialkarzinom (%) mit BRCA1 Mutation Familiärer Krebs ohne BRCA1 Mutation Alter (Jahre)

54 Krefeld Horstmar Moers Ingelheim Völklingen Freiburg Hamburg Frankfurt Wiesbaden Mainz Fulda Alfeld Berlin Jena Karlsfeld / Munich Wermsdorf Routine Special 1970 foundation ( Boehringer Ingelheim ) 1995 MBO ( Prof. Heicke ) employees ( in 16 Laboratories ) 500 in Ingelheim ( headquarters ) 78 PhDs, BSs 27 MDs Laboratory Medicine, Microbiology, Human Genetics, Blood Banking, Internal Medicine, Nuclear Medicine cooperating physicians 400 cooperating hospitals 100 Mio total revenue ( 2004e ) analyses / day 440 transportation tours ( km) / day

55 Vierfache Dynamik in der Labormedizin technisch, medizinisch, organisatorisch, strukturell technisch: hoher Automatisierungsgrad mit zunehmender Arbeitsteilung medizinisch: enormes Innovationspotenzial zunehmende Individualisierung von Diagnostik und Therapie prädiktive Diagnostik organisatorisch: medizinische Versorgungszentren strukturell: Verträge mit Kostenträgern