Metabolischer Fingerabdruck fördert Verständnis von Krebs

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Neues Gerät für die Stoffwechselforschung mittels Kernspinresonanz-Analyse
am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT/UCC) und an der
Hochschulmedizin Dresden / Umfangreiche Analyse von Stoffwechselprodukten
liefert wichtige Grundlage für Forschung im Bereich der personalisierten
Medizin, vor allem bei Krebserkrankungen

Wie reagiert unser Organismus auf Krankheiten und Therapien? Die Analyse
von Stoffwechselvorgängen liefert wichtige Antworten auf diese Fragen.
Wissenschaftler am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden
(NCT/UCC) und der Hochschulmedizin Dresden können für ihre Forschung ab
sofort ein hochmodernes Gerät für die Kernspinresonanz-Analyse (auch NMR-
Analyse – Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) nutzen. Das NMR-Gerät
misst die Konzentration zahlreicher Stoffwechselprodukte – beispielsweise
in Blut-, Urinproben oder Zellkulturen –, indem es wie bei einer
Magnetresonanztomografie das Verhalten von Wasserstoffatomen in einem
starken Magnetfeld registriert. Das Gerät zur Kernspinresonanz-Analyse ist
Teil der Metabolomics-Plattform des Instituts für Klinische Chemie und
Laboratoriumsmedizin (IKL) der Hochschulmedizin Dresden. Dort bietet es im
Zusammenspiel mit weiteren metabolomischen Analyseverfahren beste
Voraussetzungen, um die Rolle des Stoffwechsels bei verschiedenen
Erkrankungen – vor allem Krebserkrankungen – und Therapien weiter zu
erforschen. Das Gerät sichert zudem die Qualität der Proben, die in der
BioBank Dresden für klinische Forschungsprojekte eingelagert werden.

Das Nationale Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT/UCC) ist eine
gemeinsame Einrichtung des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ), des
Universitätsklinikums Carl Gustav Carus Dresden, der Medizinischen
Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden und des Helmholtz-Zentrums
Dresden-Rossendorf (HZDR).

Stoffwechselprodukte, so genannte Metaboliten, sind Substanzen, die als
Zwischenstufen oder als Abbauprodukte von Stoffwechselvorgängen des
Organismus entstehen. Mehr als 5.000 solcher kleinen Moleküle – darunter
Zucker, Aminosäuren, Fette – sind heute identifiziert. Die Messung von
Metaboliten gestattet weitreichende Aufschlüsse über Reaktionen des
Organismus auf Krankheiten und Therapien ebenso wie auf Ernährung und
Umwelteinflüsse. Für die Untersuchung von Stoffwechselvorgängen bei
Fragestellungen der Grundlagen- und klinischen Forschung, stehen
Wissenschaftlern am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden
(NCT/UCC) und der Hochschulmedizin Dresden besonders umfangreiche
analytische Möglichkeiten zur Verfügung. Hierzu zählt ab sofort auch ein
hochmodernes NMR-Gerät, das die Stoffwechselforschung an Patientenproben
sowie an Proben aus experimentellen Modellen ermöglicht.

Mithilfe des gut 1 Million Euro teuren NMR-Geräts, das aus Mitteln des
Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) für den NCT-Standort Dresden
finanziert wurde, lassen sich in Flüssigproben wie Urin oder Blut (Serum,
Plasma) in einer zwanzigminütigen vollautomatischen Messung zahlreiche
gängige Metaboliten in ihrer jeweiligen Konzentration nachweisen – bei
Urinproben sind es bis zu 150 Metaboliten. Auch die Untersuchung von
Gewebe, Zellkulturen und Organoiden ist möglich. Wissenschaftler erhalten
so einen charakteristischen Überblick über die in einer Probe enthaltenen
Stoffwechselprodukte, eine Art metabolischen Fingerabdruck. „Mithilfe
dieses Fingerabdrucks und weiterer metabolomischer Analysen können
Wissenschaftler künftig beispielsweise untersuchen, wie der Stoffwechsel
von Krebspatienten auf eine Chemotherapie reagiert. Dieses Wissen könnte
perspektivisch dazu beitragen, Nebenwirkungen zu minimieren“, erklärt
Prof. Triantafyllos Chavakis, Direktor des Instituts für Klinische Chemie
und Laboratoriumsmedizin (IKL) des Uniklinikums Dresden, an dem die
Metabolomics-Plattform angesiedelt ist, und Co-Direktor der BioBank
Dresden. Der metabolische Fingerabdruck könnte darüber hinaus dazu dienen,
neue charakteristische biologische Merkmale, so genannte Biomarker, zu
ermitteln, die Aufschluss über die Entstehung und den Verlauf bestimmter
Krebserkrankungen und weiterer Erkrankungen liefern. Die metabolomische
Analyse fungiert hier als wichtiges Werkzeug zur weiteren Erforschung der
personalisierten Medizin, bei der es darum geht, Patienten in immer
kleinere, individuellere Gruppen einteilen und sehr spezifisch behandeln
zu können. Da NMR-Geräte unabhängig von ihrem Standort sehr zuverlässige
Messresultate liefern, sind metabolische Profile von Proben weltweit
vergleichbar und lassen sich standortübergreifend für Forschungsvorhaben
nutzen.

NMR-Gerät sichert höchste Probenqualität für BioBank Dresden

Neben der Analyse von Proben für wissenschaftliche Fragestellungen kommt
das NMR-Gerät künftig auch im Rahmen der Qualitätssicherung in der BioBank
Dresden am NCT/UCC zum Einsatz – nur Proben, die den entsprechenden
Qualitätskriterien genügen, sollen dann für die Arbeit der Wissenschaftler
freigegeben werden. „Mithilfe der automatisierten Kernspinresonanz-Analyse
lässt sich beispielsweise sehr zuverlässig feststellen, ob Proben
verunreinigt sind oder die Lagerdauer bis zur Aufarbeitung zu lang war.
Bis zu 90 Proben lassen sich pro Tag messen“, so Dr. Heidi Altmann,
Koordinatorin des Flüssigmaterialteils der BioBank Dresden.

Umfangreiche Plattform für Stoffwechsel-Analysen

Das NMR-Gerät ist Teil der Metabolomics-Plattform, die allen
Wissenschaftlern der Hochschulmedizin Dresden und am NCT/UCC im Rahmen
ihrer Forschungsprojekte zur Verfügung steht. Zur Plattform zählen auch
Massenspektrometer, mit deren Hilfe sich die Masse der in einer Probe
enthaltenen Moleküle so genau bestimmten lässt, dass auf die Identität und
Menge der Metaboliten rückgeschlossen werden kann. Mit dieser Methodik
lassen sich mehrere tausend Stoffwechselprodukte in einer Probe nachweisen
oder einzelne Metaboliten eines bestimmten Stoffwechselwegs ganz gezielt
und in niedrigsten Konzentrationen quantifizieren. Einen Einblick in die
Dynamik von Stoffwechselprozessen liefert hingegen die so genannte
metabolische Flussanalyse. Bei dieser hochinnovativen Methode geben
Wissenschaftler zu einer Zellkultur-Probe einen markierten Ausgangsstoff
hinzu und verfolgen dessen Weg durch den Zellstoffwechsel. Auf diese Weise
wird sichtbar, in welchem Tempo Stoffwechselreaktionen ablaufen, das
heißt, sich ein Metabolit durch eine enzymatische Reaktion in ein anderes
Stoffwechselprodukt umwandelt.

Funktion Kernspinresonanz-(NMR-)Gerät:
Die Kerne von Wasserstoffatomen haben die Eigenschaft, sich um ihre eigene
Achse drehen zu können. Durch diese Kernspin genannte Drehung erzeugen sie
ein eigenes schwaches Magnetfeld. Dies sowie die Tatsache, dass
Wasserstoff das vorherrschende Element im menschlichen Körper ist, macht
sich die NMR-Methode zu nutze. Im Inneren des NMR-Geräts befindet sich ein
Magnet. Er erzeugt ein Magnetfeld, das viele Tausend Mal stärker ist als
das der Erde. Dieses Magnetfeld richtet die Wasserstoffatome wie
Kompassnadeln parallel zueinander aus – statt dass sie weiterhin
ungeordnet in alle möglichen Richtungen zeigen. Diese Ordnung wird dann
durch Radiowellen kurzzeitig absichtlich gestört. Bei der anschließenden
Neuausrichtung der Atomkerne im Magnetfeld geben diese die zuvor
aufgenommene Energie in Form von Radiowellen wieder ab. Diese Signale
registriert das NMR-Gerät. Wie schnell die Wasserstoffatome sich neu
ausrichten und wann sie welche Energie abgeben, ist bei verschiedenen
Molekülen und Geweben unterschiedlich. „Anhand der Signalverläufe kann das
NMR-Gerät unterschiedliche kleine Moleküle, Metaboliten, in ihrer
jeweiligen Konzentration messen“, so Dr. Alexander Funk, der das NMR-Gerät
wissenschaftlich betreut und vor etwa einem Jahr aus den USA (University
of Texas Southwestern Medical Center) nach Dresden wechselte.  Bei der
Magnetresonanztomographie, die auf dem gleichen Prinzip beruht, werden die
Messdaten zu Schnittbildern des menschlichen Körpers verrechnet.