Interview

Targeted Metabolomics zur Frühdiagnostik von Krankheiten

Die UHPLC-MS ist technologische Basis der Metabolomik-Tests der Biocrates Life Sciences. Mehrere Analytgruppen können mit ihnen gleichzeitig mit einer Probenvorbereitung in einem Workflow und in einem Lauf gemessen werden. Wir haben CEO Dr. Wulf Fischer-Knuppertz zu den Tests, zur Bedeutung der Metabolomik, aber auch zu den weiteren Plänen des Unternehmens befragt. 

Dr. Wulf Fischer-Knuppertz, CEO der Biocrates Life Sciences © Biocrates Life Sciences

LABO: Herr Dr. Fischer-Knuppertz, früher galt in der Diagnostik: ein Kit, ein Biomarker. Heute kann ein ganzes Biomarker-Arsenal in einem einzigen Ansatz bestimmt werden, zum Beispiel in den Kits von Biocrates. Wie kam es zu dieser Entwicklung?

Fischer-Knuppertz: Aufgrund neuerer wissenschaftlicher Erkenntnisse, verbunden mit fortschreitender Messtechnologie, ergeben sich völlig neue Möglichkeiten, die die klassische klinische Chemie revolutionieren werden. Der neue Ansatz ist, Ausschnitte aus unserer individuellen Systembiologie abzubilden, die bessere funktionale Informationen geben können als bisherige Methoden. So ist z. B. die Fischer-Ratio sehr gut in der Literatur beschrieben als Indikator für die Leberfunktion und auch als Prädiktor für HCC (Leberkrebs).

Die Ratio wird gebildet aus den aromatischen und verzweigtkettigen Aminosäuren, die derzeit überhaupt nicht in der Routine gemessen werden. Die Triglyceride werden auch nur summarisch gemessen, obwohl in der Wissenschaft bekannt ist, dass kurz- und langkettige, gesättigte und ungesättigte Triglyceride unterschiedliche biologische Funktionen haben, die fortgeschrittene Aussagen über die Stoffwechselstörung und den Krankheitszustand zulassen.

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Als letztes Beispiel möchte ich die Gallensäuren nennen, die derzeit allenfalls gelegentlich summarisch gemessen werden. Kürzlich wurden Ergebnisse aus einem Alzheimer-Konsortium unter unserer Beteiligung veröffentlicht: Sie zeigten, dass das Verhältnis von primären zu sekundären Gallensäuren im Blut – letztere werden durch das individuelle Mikrobiom im Darm erzeugt – eng assoziiert ist mit der Progression der Alzheimer-Krankheit. Die Beispiele ließen sich noch lange fortführen. Kürzlich wurde z. B. veröffentlicht, dass die neuen Checkpoint-Inhibitoren, in die bei der Krebstherapie große Erwartungen und viel Geld investiert werden, nach einer Antibiotikatherapie nicht wirksam sind. Plötzlich sind alle am Mikrobiom interessiert. Das ist dann Metabolomics pur.

Zurück zu Ihrer Frage: Die derzeitige Analytik von Einzelanalyten wird durch das gleichzeitige, quantitative Profiling von einzelnen oder mehreren Analytgruppen ersetzt werden. Es ist dann Aufgabe der klinischen Forschung, daraus Signaturen zu entwickeln, die breite funktionale, diagnostische Aussagen gewährleisten.

Wir messen in einem Run gleichzeitig rund 30 Aminosäuren, 50 Triglyceride, 20 Gallensäuren und bald insgesamt bis zu 550 Metaboliten.

LABO: Biocrates bietet seine Testkits AbsoluteIDQ® zur Metabolom-Analyse an. Welches Verfahren, welche Technologie verbirgt sich dahinter?

Die derzeitige Analytik von Einzelanalyten wird künftig durch das gleichzeitige, quantitative Profiling von einzelnen oder mehreren Analytgruppen ersetzt werden, so die Einschätzung von Dr. Wolf Fischer-Knuppertz, CEO Biocrates Life Sciences. © Biocrates Life Sciences

Fischer-Knuppertz: Wir sind die weltweit einzige Firma, die Ready-to-Use-Kits für Metabolomics anbietet. Mehrere Analytgruppen können gleichzeitig mit einer Probenvorbereitung, in einem Workflow, in einem Run gemessen werden. In der Sprache der Analytik ist das „Multiplexing aus 10 µl Probe“. Instrumentelle Basis ist die Massenspektrometrie. Unsere Technologie misst standardisiert und absolut quantitativ. Dies ist die einzige Möglichkeit, in der Metabolomics Ergebnisse von Run zu Run, von Labor zu Labor und longitudinal vergleichbar sowie poolbar zu machen.

LABO: Die Liste der mit Ihren Kits nachgewiesenen Metabolite ist beeindruckend. Mit dem AbsoluteIDQ® p400 HR können z. B. 365 Lipide und 43 Small Molecules quantifiziert werden. Werden noch mehr Metabolite dazukommen? Wonach entscheiden Sie, welcher Metabolit als Biomarker in Frage kommt und welcher nicht?

Fischer-Knuppertz: Derzeit arbeiten wir an einem Kit, das hoffentlich noch im Dezember auf den Markt kommt. Wir werden gleichzeitig in einem Run über 100 Small Molecules und weit über 400 Lipide quantitativ messen können. Mit Blick auf die zunehmende Aufmerksamkeit für das Mikrobiom werden zahlreiche Metabolite eingeschlossen sein, die auch mit dem Stoffwechsel des Mikrobioms im Darm assoziiert sind, wie Betaine, Indole, TMAO, zahlreiche Gallensäuren, einige Steroidhormone. Dabei greifen wir auf lange Metabolitlisten zurück, die wünschenswert für ein Kit wären, aber nicht immer in den Workflow passen, da sie z. B. durch die Derivatisierung eliminiert werden. Wir orientieren uns an wissenschaftlichen Publikationen sowie an Analyten, die mittels anderer Messverfahren gefunden werden. Unsere Technologie setzt das dann „targeted“, standardisiert, absolut quantitativ und mit automatisiertem Read-Out der Gerätesignale in Ergebnisse um.

LABO: Worüber kann die Darstellung des Metaboliten-Spektrums eine Aussage liefern?

Fischer-Knuppertz: Unsere Kits und unser Laborservice werden in Bereichen wie z. B. "structural information", "cell signaling" oder "bioenergetis" verwendet. So hat es eine Publikation des CeMM in Wien auf das Cover der Fachzeitschrift Cell geschafft: Darin ist ein evolutionär konserviertes, regulatorisches Netzwerk von Lipiden beschrieben, das die Prädiktion von Immunantworten ermöglicht. Das ist Grundlagenforschung.

Die eigentliche Stärke von Metabolomics liegt für uns in der translationalen Anwendung. Es werden die pathophysiologischen Prozesse und Pathways erhellt, die hinter verschiedenen Krankheiten liegen. Als Beispiel soll hier der IDO-Pathway (Tryptophan/Kynurenin-Stoffwechsel) genannt werden, der eine Information über die Aktivierung des Immunsystems liefert. Die Aktivierung des Immunsystems scheint für die Wirksamkeit von Chemotherapeutika wohl von großer Bedeutung zu sein. Ein schon vor Therapiebeginn aktives Immunsystem könnte ein wichtiger Faktor für die Vorhersage des Therapieerfolges sein. Darin scheint auch die große Stärke von Metabolomics zu liegen, nämlich ausgehend von den individuellen Metabotypen, Responder und Non-Responder vorherzusagen. Es gibt eine Publikation in der Fachzeitschrift Oncotarget, die den Erfolg einer Chemotherapie mit Herceptin® und Placlitaxel bei HER2-positiven Frauen mit Brustkrebs basierend auf unserer Technologie mit 93 % Wahrscheinlichkeit voraussagt. Die bisherige Response-Rate liegt bei 30 %.

LABO: Die von Ihnen beschriebene Technologie hat laut einer Aussage auf der Biocrates-Website schon zu rund 800 wissenschaftlichen Publikationen geführt. Was war denn eigentlich zuerst da? Henne (die Technologie) oder Ei (Metabolomforscher)?

Fischer-Knuppertz: Mittlerweile wurden schon über 1 000 wissenschaftliche Publikationen mit unserer Technologie veröffentlicht, und die Dynamik von Publikationen mit Metabolomics-Technologie ist stark steigend, vor allem auch die Zahl jener, die in Fachjournalen mit hohem Impact Factor publiziert werden. Viele Forscher sehen, dass trotz größter Investitionen und größtem Arbeitsaufwand in Genomik und Proteomik die medizinisch relevanten Ergebnisse die Erwartungen nicht erfüllt haben. Sehen Sie nur das Beispiel mit den Checkpoint-Inhibitoren und der Antibiotikatherapie. Sicher wurde nach Rezeptoren und Mutationen zur Vorhersage des Therapieerfolges intensiv gesucht. Wer hätte da an das Mikrobiom gedacht?

Also, es gibt einerseits die "Phenotyper", die daran glauben, dass der individuelle pharmazeutische Metabotyp behandelt werden muss, und die „Genotyper“, die die Antwort in der Genotypisierung suchen. Den Phenotypern bieten wir die Gelegenheit, einfacher und schneller und vor allem absolut quantitativ zu messen. Nur die echte quantitative Messung erlaubt die Bildung von Ratios, um einen Pathway exakt abzubilden und Messergebnisse vergleichbar zu machen. Den Genotypern und den Proteomikern bieten wir einen leichten Einstieg, Metabolomics zu testen. Wir erleben eine Renaissance der Biochemie.

LABO: Sie haben Ihre Kits für verschiedene UHPLC-MS-Plattformen Ihres Kooperationspartners Thermo Fisher entwickelt. Wird es bei dieser Adaption bleiben?

Blick ins Labor der Biocrates Life Sciences © Biocrates Life Sciences AG

Fischer-Knuppertz: Wir arbeiten an der Adaptation der existierenden und an der Adaptation neuer Kits auf weitere High-Resolution und Triple-Quad-MS-Systeme. Dabei haben beide Technologien gewisse Vor- und Nachteile.

LABO: Bei so vielen Publikationen ist es erstaunlich, dass der AbsoluteIDQ® p400 HR bislang „nur“ als Research-Use-Only-Kit verkauft wird. Woran liegt es, dass der Kit (die Metabolomics?) noch nicht Einzug in die Routinediagnostik gefunden hat?

Fischer-Knuppertz: Es gibt eine Anwendung von Metabolomics in der medizinischen Routine. Allen Neugeborenen wird ein Tropfen Blut aus der Ferse entnommen und als Dried Blood Spot auf angeborene metabolische Erkrankungen untersucht, bevor diese klinisch manifest sind. Unsere Kits sind zunächst für die Anwendung in der klinischen Forschung gedacht. Die Qualität der Analytik orientiert sich an den Standards der klinischen Chemie. Das sichern wir mit jedem Kit durch internationale Ringversuche ab, die auch jeweils publiziert sind. Eine CE-Markierung des Kits kann nur indikationsspezifisch stattfinden. Dazu würden nur die Analyten benötigt, die in der entsprechenden Biomarker-Signatur enthalten sind, üblicherweise 3 – 7.

Der Ausblick ist sicherlich, dass irgendwann bei jedem Patienten nicht mehr die Einzeltests angefordert werden, sondern ein Metabolit-Profiling für mehrere Hundert Metabolite gleichzeitig durchgeführt wird. Vorher identifizierte Biomarker-Signaturen werden dann weitergehende Diagnose- und Therapieempfehlungen geben. Das ist zwar noch Zukunftsmusik, aber die Technologie ist da. Es müssen nur mehr klinische Forscher nach den Signaturen suchen. Das können wir als Technologiefirma nicht leisten.

LABO: Sie bieten Anwendern Hilfe bei der Datenanalyse und bei der Interpretation der Ergebnisse an. Wo liegen da die besonderen Herausforderungen?

Fischer-Knuppertz: Anders als in der Genomik ist in der Regel nicht ein Einzelanalyt indikativ; es müssen, im Gegensatz z. B. zu einer Mutation, Pathways und pathophysiologische Prozesse abgebildet werden. Hierzu zählen IDO, Fischer-Ratio, Insulinresistenz, Inflammation, mitochondriale Funktion, um nur einige zu nennen. Wir lassen über jeden Datensatz über 300 Summationen und Ratios laufen. Dazu ist neben der Bioinformatik, biochemisches, biologisches und krankheitsspezifisches Wissen notwendig. An einen Krebs-Datensatz geht man mit einer anderen Hypothese heran als an einen Alzheimer-Datensatz. Es gibt noch zu wenige bioinformatische Abteilungen, die darauf vorbereitet sind.

LABO: Letzte Frage: Im Januar dieses Jahres haben Sie die Übernahme des Berliner Unternehmens Metanomics Health bekannt gegeben. Wie wird das Unternehmen die weiteren Pläne von Biocrates unterstützen?

Fischer-Knuppertz: Einerseits haben wir die Metanomics Health übernommen, um Zugang zu der "Global Profiling" Plattform zu bekommen, die sowohl für viele Neueinsteiger in Metabolomics als auch explorativ fokussierte Wissenschaftler eine interessante Technologie darstellt. Diese gibt es aber nur als In-house-Service. Die Proben müssen also in unser Labor eingesandt werden, während die Kits mit einem entsprechenden Massenspektrometer von jedem Labor benutzt werden können. Weiterhin hat die Metanomics Health ein interessantes, IP-abgesichertes Biomarker-Portfolio, woraus wir eigene diagnostische Tests entwickeln wollen – wie z. B. zur frühen Diagnose von Herzschwäche oder von Ovarialkarzinomen.

LABO: Vielen Dank für die Beantwortung unserer Fragen.

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