Um zu verstehen, wann und wo im Körper die biologische Entscheidung zwischen Krankheit und Gesundheit fällt, bedarf es Analysemethoden, die zeitgleich Informationen zu unterschiedlichen Molekülklassen und deren räumlichen Verteilungsmustern abbilden. Ziel der Arbeiten im Forschungsprogramm Biomarker ist es, biologische Merkmale im Blut oder Gewebe für eine Frühdiagnostik oder personalisierte Therapie mithilfe der 4D-Analytik zu ermitteln. Zuverlässige Marker erweitern in der modernen Medizin die Möglichkeiten der evidenzbasierten Diagnostik, die eine differenzierte und individuelle Therapie erlaubt. Markerbasierte Diagnosen ermöglichen es, Erkrankungen in Subtypen zu unterteilen und dadurch Behandlungen für Patient:innen spezifisch anzupassen. Mithilfe prädiktiver Marker lässt sich etwa bei der Krebstherapie mit Immun-Checkpoint-Inhibitoren ermitteln, ob die Behandlung im Einzelfall wirksam sein könnte.
© ISAS / Hannes Woidich
Biologische Marker können verschiedene kleine oder große Moleküle sein. So lassen sich zum Beispiel mit Aminosäuren, Lipiden und Metaboliten spezifische Aussagen über Stoffwechselveränderungen und die Modulation von Proteinfunktionen treffen. Proteine dienen häufig als Marker für die Veränderung von zellulären Strukturen, Signalwegen innerhalb einer Zelle oder Zellverbänden.
Am ISAS arbeiten Forschende daran, Biomarker für verschiedene Krankheitsbilder und -stadien zu identifizieren, zu untersuchen und zu validieren. Im Fokus des Forschungsprogramms stehen Marker für den Einsatz bei kardiovaskulären Erkrankungen, in der Kardio-Onkologie sowie bei Krankheiten wie dem Metabolischen Syndrom oder Typ-2-Diabetes, die das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöhen.
Voraussetzung: Messmethoden mit hoher Präzision
Die Wissenschaftler:innen widmen sich nicht nur der Entdeckung und Validierung der Biomarker, sondern forschen auch an Methoden, mit denen sich die Marker besser in komplexen biologischen Matrizen detektieren lassen. Angesichts der riesigen Anzahl potenzieller Analyten in biologischen Systemen bedarf es Messungen mit hoher Präzision: Omics-Technolgien. Mit dem Begriff Omics bezeichnet die Forschung bioanalytischer Methoden, beispielweise Genomics, Lipidomics, Metabolomics oder Proteomics, mit denen sich Biomoleküle aus Gewebeproben oder anderen biologischen Proben auf globaler Ebene untersuchen lassen. Ein wesentlicher Motor dieser Technologie und datenintensiven Verfahren ist die Möglichkeit, bekannte molekulare Zusammenhänge zu verifizieren sowie gleichzeitig neue Hypothesen zu generieren, wenn bislang unbekannte Korrelationen entdeckt werden.
Omics-Technologien sind deshalb ein wichtiger Ansatzpunkt in der personalisierten Medizin (Präzisionsmedizin), da sie zum einen mehrdimensionale Datensätze (in bis dato nicht verfügbarer Qualität) produzieren, die Aufschluss über Krankheitsvorgänge und potenzielle Therapieansätze geben. Zum anderen lassen sich mithilfe von Multiomics-Datensätzen über nicht-gerichtete Analysen neue Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Molekülklassen nachweisen. Am ISAS widmen sich Wissenschaftler:innen der Entwicklung von Werkzeugen zur Integration der Multiomics-Datensätze. Dafür kombinieren sie verschiedene Analysetechniken wie Elektrospray-Ioinisierung-Massenspektrometrie (ESI-MS), MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization bzw. matrixunterstützte Laser-Desorption/Ionisierung), bildgebende Massenspektrometrie sowie Licht- und Fluoreszenzmikroskopie.
Weiterhin setzen die Forschenden unter anderem die Kernspinresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) ein, um beispielsweise das Metabolom dreidimensionaler Zellkulturen (Organoide) zu analysieren. Mittels NMR-Spektroskopie können sie festgelegte Metaboliten-Sets zur Frühdiagnose von Erkrankungen oder zur Überwachung von Therapieerfolgen gezielt analysieren. Darüber hinaus wenden sie nicht-gerichtete Analysen an, um metabolische Netzwerke zu untersuchen.