Computerbasierte Krebsdiagnostik

Foto: DNA

Obwohl der menschliche Körper aus kaum vorstellbaren 10 bis 100 Billionen Zellen besteht, kann bereits eine einzige kranke Zelle Krebs auslösen. Schon kleine Schäden im Erbgut, zum Beispiel als Folge von UV-Licht oder Tabakrauch, können die natürliche Wachstumsschranke einer Zelle ausschalten: Sie beginnt, sich unkontrolliert zu teilen, überwuchert im schlimmsten Fall als Tumor gesundes Körpergewebe und zerstört damit lebenswichtige Organe.

Lange galt dabei das Dogma: Nur Veränderungen in der DNA selbst sind bei der Krebsentstehung entscheidend. Doch heute ist klar, auch der biochemische „Überzug“ des DNA-Strangs spielt eine wichtige Rolle. Denn das Erbgut einer Zelle wird durch eine Vielzahl von chemischen Anhängseln modifiziert. Vor allem die DNA-Methylierung nimmt eine zentrale Stellung bei der Genregulation ein: So entscheiden kleine, an die DNA-Basen geheftete Kohlenwasserstoffanhängsel darüber, ob ein Gen „aktiv“ oder „stillgelegt“ ist, also abgelesen werden kann oder nicht.

Störungen in der DNA-Methylierung äußern sich in einer veränderten Genaktivität in der Zelle, die zur Tumorentstehung beitragen kann. Darüber hinaus weichen die Methylierungsmuster von Tumorzellen deutlich von denen gesunder Gewebezellen ab. „Genau hier setzen wir mit unserer Forschung den Hebel an“, sagt Thomas Lengauer vom Max-Planck-Institut für Informatik.

Wie bei einer Rasterfahndung durchforsten die Wissenschaftler mithilfe selbst entwickelter Software-Programme umfangreiche Gendaten nach verdächtigen Methylierungsmustern. „Viele dieser Muster treten nur bei ganz bestimmten Krebstypen auf, sodass wir sie in der klinischen Diagnostik als Biomarker, also Indikatoren für die jeweilige Art der Erkrankung einsetzen können“, sagt Lengauer.
Dabei sind sie auf eine enge Zusammenarbeit mit Kliniken und Biotechnologielaboren angewiesen. Die Gewebeproben von Krebspatienten werden im Labor aufbereitet und das darin enthaltene Erbgut in viele kleine Schnipsel zerstückelt. Die Lösung wird dann mit sogenannten Microarrays (DNA Chips) oder mittels neuartiger Sequenzierverfahren verarbeitet. „Am Ende erhält man eine Art Karte des Epigenoms, also sämtlicher biochemischer Markierungen jenseits der eigentlichen DNA-Sequenz“, erklärt Lengauer.

Die nachfolgende mathematische Analyse der Saarbrücker erfolgt ausschließlich im Computer. Ausgeklügelte Algorithmen und statistische Verfahren suchen im Nebel der Epigenomdaten nach Mustern, die nur bei bestimmten Krebsformen auftreten und bei gesunden Patienten fehlen – eine Aufgabe, die viel Feingefühl bei der Programmierung erfordert. Denn anders als das Genom, das in allen Körperzellen nahezu identisch ist, erweist sich der chemische Mantel der DNA als wahres Chamäleon. „Im menschlichen Körper gibt es etwa 200 verschiedene Gewebetypen mit jeweils unterschiedlichen Epigenomen, die sich noch dazu mit zunehmendem Lebensalter oder bei Krankheiten verändern“, sagt Thomas Lengauer, „alle diese Variationen müssen wir in unseren Programmen berücksichtigen, damit nur noch die für Krebs relevanten Unterschiede ins Gewicht fallen.“

COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Instituts für Informatik