Fragenkatalog

Responder: Patienten bei denen die Medikamente wirken

Nonresponder: Patienten bei denen die Medikamente nicht wirken

—> "one size fits all“-Prinzip. Alle Patienten mit einer bestimmten Krankheit erhalten dasselbe Medikament in ähnlicher Dosierung (einheitliche Standardtherapien)

Wirksamkeit —> Welche Therapie wird ansprechen? (Beste Therapie auswählen)

Verträglichkeit —> Werde ich die Therapie vertragen? Sind Nebenwirkungen zu erwarten? (Therapieabbruch vermeiden)

Dosierung —> Was ist die geeignete Dosierung? (Nebenwirkungen vermindern)

—> Bei der personalisierten Medizin ist jedem Medikament bzw. jeder Therapie ein diagnostischer Test zugeordnet, sog. Companion Diagnostics

—> Diese werden vor Therapiebeginn notwendig.

—> Durch diese validierten und klinisch geprüften Tests werden bestimmte Voraussetzungen (Biomarker) beim Patient geprüft.

—> Aus diesem ergibt sich die gezielte Therapie und es wird vorhersagbar, wie gut der Patient auf die Behandlung anspricht

Biomarker dienen als Indikatoren für die Therapie.

• Unterschiede:

  —> krankheitsbezogene BM (sog. Risikoindikatoren/ prädiktive Biomarker): liefern Informationen darüber, ob eine Erkrankung droht, ob die Krankheit bereits besteht (diagnostischer Biomarker) oder wie sich eine Erkrankung im Einzelfall wahrscheinlich entwickeln wird (prognostischer Biomarker).

  —> arzneimittelbezogene BM: zeigen an, ob und wie ein Medikament bei einem ganz bestimmten Patienten wirken und wie es umgesetzt wird

• Moleküle: Proteine, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, Metaboliten

• die Verfügbarkeit der Probe nimmt mit der Konzentration des Biomarkers ab

• je leichter man an die Proben ran kommt, umso geringer ist dort die Konzentration des Biomarkers

• Biopsien von Geweben liefern deutlich höhere Konzentration des Biomarkers

• 23 Chromosomenpaare (46 Chromosomen)

-> diploid, je ein maternaler und ein paternaler Chromosomen-Satz

-> 22 Autosomen, 2 Geschlechtschromosomen X und Y

-> Jedes Gen liegt auf den homologen Chromosomen am gleichen Genort (Locus) in zwei Varianten (Allelen) vor, die sich in der Nukleotidsequenz unterscheiden können.

• In Genen eukaryotischer Zellen wird der ORF oft von Introns unterbrochen.

• Diese werden während der Prozessierung der mRNA durch Spleißen herausgeschnitten.

• Durch alternatives Spleißen können eine Vielzahl von Proteinvarianten erzeugt werden.

• Transkription

• Spleißen

• Translation

—> SNP: geerbte und vererbbare genetische Varianten die durch Austausch eines Basenpaares zustande kommen.

—> 99,9 % der DNA-Sequenz ist bei allen Menschen identisch; 0,1 % sind für die individuellen Merkmale eines Menschen entscheidend.

—> Ca. 90% dieser Genvariationen sind SNPs (Einzel-Nukleotid-Polymorphismus; engl. single nucleotide polymorphism; "Snip"), rund 38 Millionen im menschlichen Genom

—> Für den Phänotyp relevante SNPs können sich nicht nur im kodierenden sondern auch im nicht-kodierenden Bereich der DNA liegen

Es gibt zwei Arten der Zellteilung:

-> Normale Körperzellen (somatische Zellen) durchlaufen die Mitose

-> Sog. Keimbahnzellen durchlaufen zur Bildung der Ei- bzw. Samenzellen die Meiose

• Der Zellzyklus ist die Abfolge verschiedener Aktivitätsphasen zwischen den Teilungen eukaryotischer Zellen

• Der DNA-Gehalt einer Zelle wird bei der Teilung (Mitose) halbiert und muss vor der nächsten Teilung wieder verdoppelt werden. Diese Phase wird als S-Phase (Synthese) bezeichnet. Zwischen S und M-(Mitose) Phase liegen sogenannte Gap-Phasen: G1 und G2

• Von G1 kann eine Zelle in den G0-Zustand wechseln, in dem sie sich nicht mehr teilt (ruhende Zelle)

• Bei Krebszellen wird der Zellzyklus nicht mehr kontrolliert. Fehlregulation im Zellzyklus führen zu einem unkontrollierten Gewebewachstum.

• Telomere: repetitive DNA und assoziierte Proteine an den Enden der Chromosomen

• Beim Menschen wiederholen sich 6 Nukleotide (5‘-TTAGGG-3) mehrere tausend Mal.

• Bei der Zellteilung werden beide DNA Stränge der Mutterzelle repliziert und an die Tochterzellen weitergegeben. Während der Leitstrang aufgrund der 5‘ -> 3‘ Syntheserichtung komplett abgeschrieben wird, verkürzt sich der Folgestrang um die Länge des RNA Primers. Damit verkürzt sich bei der Hälfte der in der Mutterzelle vor der Teilung replizierten DNA Strängen das Telomer.

• Aufgaben der Telomere:

  • Stabilisierung des Chromosoms

  • Alterungsprozess: Bei jeder Zellteilung verkürzen sich die Telomere im Folgestrang (eingebauter Zähler erlaubt eine maximale Anzahl von Zellteilungen)

• Epigenetische Veränderungen: Änderungen der Genfunktion, die nicht auf Mutation beruhen (DNA Sequenz unverändert) und dennoch an Tochterzellen weitergegeben werden.

• Durch Veränderungen an den Chromosomen werden Gene in ihrer Aktivität beeinflusst:

  • Inaktivierung von Genen durch DNA-Methylierung an Cytidin-Basen in Cytosin-Guanosin-Nukleotid-Dimeren (CpG-Islets)

  • Aktivierung von Genen durch Acetylierung von Histonen

  • Veränderte Abbaugeschwindigkeit von Telomeren

• Spezialfall: X-Chromosomale Erbgänge

• Erbgang, bei dem das merkmalstragende Gen auf dem X-Chromosom liegt.

• Weil beim Menschen, männliche Individuen nur ein X-Chromosom besitzen, tritt ein phänotypisches Merkmal, das auf dem X-Chromosom codiert ist, auch bei rezessiver Vererbung immer auf.

Methoden: Sequenzierung, qPCR, Microarrays

Ausgangsprobe: Biopsie, Blut etc.

-> Differentielle Expressionsstudien

-> Typisierung (Genotyping) von Mutationsträgern

-> Diagnose von Pathogenen (Viren, Bakterien)

Zustand völligen körperlichen und seelischen Wohlbefindens

• innere Ursachen: Erbkrankheiten seit der Geburt

  —> Altersvorgänge, Reaktion auf Stress, Innre Haltung, Genmutationen, Persönliche Ernährung, Epigenetik

• äußere Ursachen: Unterscheidung zwischen sozialen, psychischen und umweltbedingten Ursachen

  —> Umweltbedigungen, Nahrung, Verletzungen, Viren

• Protoonkogene sind normale Gene, die Proteine kodieren, die Teilung und Differenzierung einer Zelle steuern

  • Sie können durch Mutation zu Onkogene werden, welche die Zellproliferation beschleunigen

• Tumorsuppressorgene hemmen die Zellproliferation

  • Eine Mutation kann die bremsende Wirkung aufheben, teilen sich die Zellen ungehemmt

• Mutatorgene kontrollieren die gesamte Genomstruktur und Genomfunktion als übergeordnete Regulatoren.

  • Eine Mutation begünstigt die Entstehung von Mutationen in den anderen beiden Gengruppen leichter entstehen.

-> Replikation

-> Transkription

-> Translation

• Tochtergeschwülste (Metastasen) bilden sich durch lymphogene oder hämatogene Metastasierung

• Die Lokalisierung der Metastasen ist dabei abhängig von der Lokalisierung des Primärtumors

• Physikalische Mutagene:

  • Energiereiche Strahlung (Radioaktivität, Röntgen, UV)

• Chemische Mutagene:

  • Teer (Rauchen)

  • Nitrosamine

  • Benzol

  • Reaktive Sauerstoffspezies (Metabolismus!)

• Biologische Mutagene (Infektionen)

  • Tumor auslösende Viren (können Onkogene in die infizierte Zellen einbringen) -> Leberkarzinom

  • Bestimmte Bakterien -> Magenkrebs, Gebärmutterkrebs

• Die auf Mutagenität zu prüfenden Substanzen werden mit einem Leberhomogenat vermischt und auf Agarplatten mit His-Salmonellen (Mangelmutante) auf Histidin-freiem Medium ausgebracht

• Falls die Testsubstanz mutagen ist, kann sie Mutationen in der Bakterien-DNA auslösen und die bakterielle Histidinbiosynthese (His+) reaktivieren.

• Dies ermöglicht das Wachstum von Bakterien-Kolonien, während bei nicht-mutagenen Agenzien praktisch kein Bakterienwachstum erfolgt

Unterscheidung: gutartige (benigne) und bösartige (maligne) Tumore (bilden Metastasen)

• Benigne: langsames Wachstum, scharf begrenzt

• Maligne: schnelle Wachstum, infiltrieren in umliegendes Gewebe, häufig Rezidive

• TNM-Klassifikation dient zur Einteilung der Entwicklungsstadien von malignen Tumoren.

  • T = Tumor, Ausdehnung und Verhalten des Primärtumors (je nach Größe T1 - T4, T0 nicht sichtbar)

  • N = Nodus (lat. Nodus lymphoideus = Lymphknoten) Fehlen bzw. Vorhandensein von regionären Lymphknotenmetastasen (je nach Befall N1 - N3, N0: nicht vorhanden)

  • M = Metastasen, Fehlen bzw. Vorhandensein von Fernmetastasen (M0: keine, M1: vorhanden)

• Grading beschreibt den Differenzierungsgrad des Tumorgewebes (G1: gut differenziert - G4: nicht differenziert)

  • G1 zeigt i.d.R. günstigeren Behandlungsverlauf als G4!

-> Chirurgische Entfernung

-> Strahlentherapie

-> Medikamentöse Therapie:

- Chemotherapie

- Antihormontherapie

- Monoklonale Antikörper

- Krebsimmuntherapie & Stärkung des Immunsystem

• Tumorzellen reagieren aufgrund ihrer erhöhten Teilungsrate und schlechte Reperaturmechanismen empfindlicher auf ionisierende Strahlung als gesunde Zellen.

-> Ziel: Reduktion von Nebenwirkungen durch präzise Ausrichtung der Bestrahlung

-> Gleichzeitige Bestrahlung mehrere Bereiche

-> Bessere Schonung der umliegenden Gewebe

-> Hauptanwendungsgebiete: Prostatakrebs, Lungenkrebs, Brustkrebs und Kopf-Hals-Karzinome

• Die Chemotherapie verwendet Zytostatika, die durch ihre schädigende Wirkung möglichst gezielt auf Tumorzellen abtöten oder in ihrem Wachstum hemmen.

  -> Annahme: 1 Dosis tötete einen konstanten Anteil der Tumorzellen (z.B. 90%), d.h. 2 Dosen erreichen 99% der Zellen, 3 Dosen 99,9% usw.

  -> Daher darf eine Chemotherapie im Laufe der Behandlung nicht vermindert werden, auch wenn der sichtbare Tumor verschwunden ist

  • Gefahr der Selektion resistenter Tumorzellklone

  • Der Selektionsprozess formt den Tumor

• Kombinationen von Zytostatika: Erhöhung der Wirksamkeit!

• Zytostatika stören die Stoffwechselvorgänge der Zellteilung (sie sind toxisch!)

  • Störung der Replikation, Transkription, Translation

• Monoklonale Antikörper: Antikörper, die von einer einzelnen B-Zelle (bzw. deren Tochterzellen) produziert werden, richten sich alle gegen ein und dasselbe Epitop (standardisierbar à Medikament!)

• Tumorantigene:

  • von Tumorzellen produzierte Proteine (Antigene), die im betroffenen Organismus eine Immunantwort auslösen

  • Bei Vorkommen auf der Zellmembran: wichtige Zielstrukturen in der Krebstherapie und -diagnostik

• Wirkungsweise der monoklonalen Antikörper:

  • Rezeptorblockade

  • Identifizierung für Immunsystem

  • Auslösen von Apoptose

• Nur Patienten, mit dem entsprechenden Tumorantigen erhalten Medikament (weniger Nebenwirkungen, Kosten)

• Eine Biobank sammelt, verarbeitet und lagert Biomaterial und stellt es zusammen mit den medizinischen Informationen eines Spenders unter rechtlich und ethisch klar geregelten Bedingungen für die medizinische Forschung zur Verfügung.

• Biobanken lagern Biomaterial (biologische Proben):

  • Blut

  • Gewebeproben

  • Erbmaterial (DNA & RNA)

  • Körperflüssigkeiten

• Lagerung von Proben bei Raumtemperatur in Kühlgeräten (Kryobank) bei einer Temperatur von unter –140 °C)

• Unterscheidung:

  • populationsbasierte Biobanken (großangelegte Populationsstudien, Sammlung von Proben gesunder Menschen)

  • krankheitsspezifische Biobanken (Sammlung von Proben erkrankter Menschen zur späteren Diagnose, Therapieentscheidung und Forschung)

• Durch die Sammlung und Untersuchung von Proben vieler Individuen erhofft man sich Erkenntnisse über die molekularen Ursachen von Erkrankungen und den Einfluss von Umwelt, sozialem Umfeld, Lebensweise und der Gene.

• Anwendungen in

  • Forschung (molekulare Ursachen von Erkrankungen)

  • Diagnostik (Identifikation neuer Biomarkern)

  • Pharmazeutische Entwicklung (neue Medikamente, neue Drug Targets)

  • Therapie (Anwendung in der personalisierten Medizin)

• Kultivierung tierischer Zellen unter kontrollierten Bedingungen außerhalb des Organismus:

  • Kulturgefäß mit einem Nährmedium, das essentielle Nährstoffe enthält (Aminosäuren, Zucker, Mineralien, Hormone, Gase etc.)

• Sterile Bedingungen (Kontaminationsgefahr für Zellen & Angestellte), besondere Hygieneaspekte

• Typische Geräte:

  • Sicherheitswerkbank mit Sterilfilter & laminarem Luftstrom

  • Absaugeinrichtung

  • Temperierter-, Luftfeuchte-regulierter-, CO2 -Inkubator

  • Autoklav

  • inverses Mikroskop

  • Kühl-, Gefrierschränke

• die Transfektion

• Genome Editing durch CRISPR Cas9 (knock-out oder auch Einbringen neuer Gen)

• CAR-T-Zellen, Einbringen eines funktionalen Cholesterinrezeptors in Leberzellen als Teil einer zellulären Gentherapie bei familiärer Hypercholesterinämie

• Zur Aktivierung von Immunzellen bei Tumorpatienten

  -> z.B. Man kann damit Krankheiten aufheben oder auf neue Therapiemöglichkeiten kommen

Definition: Körperzellen die verschiedene Zelltypen oder Gewebe ausbilden können:

• embryonale Stammzellen können sich in jedes Gewebe differenzieren

• adulte Stammzellen können nur noch bestimmte Gewebetypen ausbilden

Verfahren zur visuellen oder funktionalen Charakterisierung von Zellen, z.B. Mikroskopie oder Durchflusszytometrie (Flow Cytometry)

Arbeitshypothese:

• Krankheiten werden durch die abnorme Aktivität von Molekülen verursacht, die an zentralen Schaltstellen biochemischer Abläufe sitzen

• Diese Moleküle lassen sich durch Wirkstoffe in ihrer Aktivität beeinflussen, was zur Heilung führen kann

1. Auswählen der Krankheit

2. Identifizierung des Zielmoleküls im Stoffwechsel

3. Zusammenstellung potentieller Wirkstoffe in Reinform (Naturstoffe, synthetisch)

4. Entwicklung eines Tests, der nachweisen kann, ob der potentielle Wirkstoff die gewünschte Aktivität entfaltet (Bioassay)

Die Medikamentenentwicklung beginnt mit der Suche nach sog. Targets

-> Target: Biomolekül, das im Krankheitsprozess eine zentrale Rolle spielt, z.B. ein Rezeptor in der Signaltransduktion oder ein Enzym, das durch einen Wirkstoff in seiner Funktion beeinflusst werden kann.

• Bei Kenntnis des genetischen Codes eines Moleküls kann es rekombinant herstellen, d.h.

  • es ist für Bioassays verfügbar

  • es kann strukturell untersucht werden (NMR, XRD) um an der Struktur neue Wirkstoffe zu entwickeln (rational drug design)

  • Genaue Struktur-Funktions-Beziehungen lassen sich untersuchen, um zu zeigen, welcher Teil des Wirkstoffs die Wirkung auslöst. Anschließend kann der Wirkstoff chemisch optimiert werden.

Absorption/Administration (Verabreichung):

- Art der Verabreichung beeinflusst die Bioverfügbarkeit

- Oral, intravenös, Inhalation

Distribution (Verteilung im Körper)

- Diffusionsprozesse, aktiver Transport

- Blut-Hirn-Schranke

Metabolism (Metabolismus)

- Der Abbau der Medikamente beginnt, sobald die in den Körper gelangen

- Wichtigster Abbaumechanismus in der Leber durch Cytochrom P450-Enzymkomplex

Excretion (Ausscheidung)

• Niere (Urin)

• Galle

• Darm

  
  

Toxicity (Toxizität)

• Zell- bzw. Tierversuch (LD_50)

• Theoretische Berechnung