Biomarker

Grafik eines menschlichen Körpers.
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Biomarker, auch biologische Marker genannt, sind ein wichtiges Werkzeug der modernen Medizin und der medizinischen Forschung. Sie können dabei helfen, Krankheiten möglichst schnell und eindeutig zu erkennen, und Betroffene zielgerichtet und wirkungsvoll zu behandeln. 

Doch was versteht man unter dem Begriff Biomarker? Welche Arten von Markern gibt es? Und wie werden Biomarker in der Diagnostik oder auch in der Forschung heutzutage genutzt?

Was ist ein Biomarker?

Als Biomarker bezeichnet man spezielle biologische bzw. medizinische Merkmale, die messbar sind und objektiv bewertet werden können. Sie können ganz unterschiedlicher Natur sein. So gibt es anatomische, biochemische, molekulare oder auch physiologische Merkmale, die in der Medizin als biologische Marker herangezogen werden.

Biomarker können Auskunft über normale, veränderte oder sogar krankhafte Prozesse im Körper geben. Beispiele sind: 

  • Expression oder Mutation bestimmter Gene (z.B. als Biomarker für Krebs)
  • Proteinlevel im Blut oder anderen Körperflüssigkeiten
  • Hormone (z.B. HCG, das „Schwangerschaftshormon“)
  • Körpertemperatur (z.B. Fieber) oder Atemfrequenz
  • Blutzucker (Biomarker für Diabetes mellitus)

Aber auch Messwerte, die mittels bildgebender Verfahren generiert werden, können die oben beschriebene Funktion eines Biomarkers übernehmen. 

Biomarker können beispielsweise Hinweise
auf eine Erkrankung oder auch ein
Erkrankungsrisiko geben.
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Mit Hilfe von biologischen Markern können Mediziner und Medizinerinnen Hinweise darauf finden, ob Personen gesund sind, ein Risiko für eine Erkrankung haben oder bereits krank sind. Andere biologische Merkmale können Hinweise darauf geben, ob eine Person auf bestimmte Therapien ansprechen wird oder nicht.

Insbesondere für die personalisierte Medizin und die Entwicklung neuer Medikamente spielen Biomarker daher eine große Rolle. In klinischen Studien können Biomarker dazu genutzt werden, die Wirkung von neuen Wirkstoffen oder Behandlungsmethoden nachzuweisen oder Patienten Behandlungsgruppen zuzuweisen.

Biologische Marker geben jedoch meist nur einen Hinweis bzw. beschreiben eine Wahrscheinlichkeit. Eine absolute Vorhersage kann nicht gemacht werden.

Mit Rechenmethoden der künstlichen Intelligenz wird die Kombination verschiedener Biomarker oder Merkmale in einen Algorithmus überprüft, um die Vorhersagekraft weiter zu verbessern. So können beispielsweise Informationen aus der Krankengeschichte, Symptomen oder dem klinischen Verlauf einer Erkrankung gemeinsam mit genetischen Markern oder Proteinmessungen im Blut eine gute Risikoabschätzung oder Krankheitseinordnung zulassen.

Einsatzgebiete diagnostischer Biomarker

Mit diagnostischen Biomarkern soll eine Krankheit möglichst schnell erkannt oder ein Risiko für das Entstehen einer Erkrankung oder eines Verlaufes vorhergesagt werden (Prädiktion).

Sie können Hinweise darauf geben,

  • ob eine Erkrankung bereits besteht. (Beispiel: Nachweis der RNA eines Virus nach einer Infektion)
  • ob das Risiko besteht, eine bestimmte Erkrankung zu entwickeln (Beispiel: Spezielle Veränderungen im BRCA-Gen für das  Brustkrebsrisiko)
  • welcher Verlauf einer Erkrankung erwartet werden kann (Prognose) (Beispiel: Menge des HER2-Proteins bei Brustkrebs)
  • wie Patienten auf eine bestimmte Behandlung reagieren (Wirksamkeit) oder wie schädlich die Therapie für den Patienten sein kann (Toxizität) (Beispiel: bestimmte Mutationen beim nicht-kleinzelligen Lungenkrebs (NSCLC))

Welche Eigenschaften muss ein guter Biomarker haben?

Biologische bzw. medizinische Merkmale müssen gewisse Eigenschaften haben, um sich als Biomarker zu eignen und sich im klinischen Alltag durchzusetzen.

Zunächst sollte sich das Material für die Biomarkerbestimmung auf einfache Weise gewinnen lassen, das heißt leicht zugänglich sein. Blut-, Urin- oder Speichelproben sind somit besser geeignet als Proben, die durch aufwändigere Verfahren gewonnen werden müssen z.B. im Rahmen einer Lungenspülung oder einer Biopsie. 

Kurz erklärt:

Wichtige Eigenschaften eines guten Biomarkers sind:

  • Sensitiv
  • Spezifisch
  • Einfache Probenahme
  • Schneller und genauer Nachweis
  • Kostengünstig

Die Analysemethoden sollten im Labor einfach durchzuführen sein und beim Vergleich verschiedener Labore nur gering abweichende Ergebnisse zeigen. Nicht zuletzt spielen natürlich auch die Kosten für die verschiedenen Nachweismethoden eine entscheidende Rolle.

Für diagnostische Biomarker ist darüber hinaus auch die Frage relevant, wie schnell Testergebnisse vorliegen können, damit eine vorliegende Erkrankung möglichst schnell erkannt werden kann. Hier eignen sich Verfahren, die im sogenannten Hochdurchsatzverfahren, aber auch für einzelne Proben angeboten werden können.

Generell sollten Biomarker hochspezifisch sein und bereits kleinste Veränderungen zuverlässig anzeigen, also sensitiv sein. 

Suche nach neuen biologischen Markern

Für die Suche nach neuen Biomarkern benötigt man große Mengen biologischer und medizinischer Daten. Diese können zum Beispiel mit Hilfe sogenannter Biobanken generiert werden. In Human-Biobanken werden biologische Materialien aus dem menschlichen Körper wie  Gewebe-, Zell- und Blutproben, aber auch daraus isolierte DNA, RNA oder Proteine, und die dazugehörigen medizinischen Daten gesammelt, aufbewahrt und dann für wichtige Fragestellungen in neuen Studien zur Verfügung gestellt. So können umfassende wissenschaftliche Fragen zum Teil auch ohne eine jeweils vorausgehende langwierige Sammlung vieler Proben bearbeitet werden.

Wisschenschaftlerin im Labor.
Nicht immer führen erste vielversprechende
Ergebnisse auch zum Einsatz eines
Biomarkers im klinischen Alltag.
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Auch Proben von Patienten, die im Rahmen von klinischen Studien gewonnen werden, können für die Suche nach neuen biologischen Markern genutzt werden. Für die Nutzung der Proben erfolgt jeweils eine umfassende und an die jeweiligen Bedingungen und Nutzungen angepasste Aufklärung der Patienten oder der Probanden.

Ob sich ein bestimmtes Merkmal tatsächlich als neuer Biomarker eignet, und welche die beste Analysemethode ist, muss in umfangreichen präklinischen, klinischen oder epidemiologischen Untersuchungen getestet werden. Dies ist ein oft langdauernder Prozess und nicht immer führen erste vielversprechende Ergebnisse auch zum Einsatz des entsprechenden Markers im klinischen Alltag.

Biomarker bei Lungenkrankheiten

Ein Beispiel aus dem Bereich der Lungenkrankheiten, bei dem Biomarker bereits erfolgreich eingesetzt werden, ist der nicht-kleinzellige Lungenkrebs (NSCLC). Proben des Krebsgewebes von Betroffenen werden molekularbiologisch untersucht, bevor über die weitere Therapie entschieden wird. Ziel ist es, herauszufinden, welche Mutationen dem Krebs zugrunde liegen, da für bestimmte Mutationen bereits spezifische Medikamente zugelassen sind. Dies trifft für die folgenden genetischen Marker zu:

  • EGFR-Mutation,
  • BRAF-Mutation
  • oder ALK-Fusion.

Ein weiteres Beispiel ist das Asthma bronchiale, bei dem man die eosinophilen Granulozyten (Eosinophile), das Gesamt-IgE und das spezifische IgE im Serum als Biomarker heranziehen kann, um die Form des Asthmas genauer zu beurteilen und die Therapie darauf abzustimmen.

Lunge aus Holzbrett auf der eine Lupe liegt.
Auch bei Lungenkrankheiten gibt es spezielle
Biomarker. ©WindyNight - AdobeStock

Im Rahmen der Mukoviszidose (cystische Fibrose) wird ein erhöhter Salzgehalt im Schweiß als diagnostischer Marker genutzt, um neben der genetischen Diagnostik für das Vorliegen der Erkrankung zu „screenen“.

Natürlich wird immer nach neuen, klinisch anwendbaren Biomarkern gesucht. Im Bereich der chronisch obstruktiven Lungenkrankheit COPD gibt es beispielsweise Hinweise darauf, dass eine Eosinophilie (erhöhte Konzentration eosinophiler Granulozyten) im Blut ein erhöhtes Risiko für eine Verschlechterung der Krankheit (Exazerbation) anzeigen könnte. Auch deuten Studien darauf hin, dass Menschen mit COPD möglicherweise besser auf eine Behandlung mit inhalativem Cortison ansprechen, wenn sie eine erhöhte Konzentration dieser Zellen im Blut haben. In anderen Studien wurde diskutiert, ob man anhand der Länge der Chromosomenenden (Telomere) auf das zukünftige Risiko für eine Verschlechterung der COPD schließen kann.

Mit Hilfe neuester Analysemethoden gelingt die Bestimmung auch aus kleinsten Materialmengen, so dass die Vorteile der Biomarker auch neugeborenen Patienten zukünftig zur Verfügung stehen können.

Wissenschaftliche Beratung für dieses Kapitel:

Quellen:

  • European Commission, DG Research: Stratification biomarkers in personalised medicine. Summary report, 2010 
  • Deutsche Krebsgesellschaft: Biomarker: Basis für die personalisierte Krebsmedizin. 
  • Pfarr, N. et al.: Bestimmung molekularer Biomarker in der Behandlung solider Tumoren. In: Forum, Mai 2017, Volume 32, Issue 3 
  • Lommatzsch, M.: Phänotypen und Biomarker von Asthma. In: Der Pneumologe , Ausgabe 5/2017
  • Lommatzsch, M.:  Asthma bronchiale: Es gibt kein „Asthma-HbA 1c“. In: Dtsch Arztebl 2015; 112(40): [4]; DOI: 10.3238/PersPneumo.2015.10.02.01
  • Strimbu K. und Tavel J. A. et al.: What are Biomarkers?In: Curr Opin HIV AIDS. 2010;5(6):463‐466. doi:10.1097/COH.0b013e32833ed177
  • Unnewehr, M. et al.: Biomarker in der Diagnostik, Therapie und Prognose infektiöser Lungenerkrankungen. Pneumologie 2018; 72(05): 341-346 DOI: 10.1055/s-0043-118676 
  • Minhee, J. et al.: Relationship of Absolute Telomere Length With Quality of Life, Exacerbations, and Mortality in COPD. In: Chest, August 2018 Volume 154, Issue 2, Pages 266–273
  • Bafadhel, M. et al.: Eosinophils in COPD: just another biomarker? In: Lancet Respir Med. 2017 Sep;5(9):747-759. doi: 10.1016/S2213-2600(17)30217-5. 
  • Brusselle, G. et al.: Blood eosinophil levels as a biomarker in COPD. In: Respir Med. 2018 May;138:21-31. doi: 10.1016/j.rmed.2018.03.016 
  • Kai Foerster et al.: Early Identification of Bronchopulmonary Dysplasia Using Novel Biomarkers by Proteomic Screening. In: American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, 2018 Volume 197, Issue 8 

Letzte Aktualisierung: 29.05.2020

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