Biosignaturen zur Unterscheidung von Tuberkulose und Sarkoidose
Für eine eindeutige Krankheitsdiagnose sind verschiedene Kombinationen von Biomarkern erforderlich
Bei einer Reihe von Krankheiten benötigen Mediziner für eine zutreffende Diagnose Merkmale, mit denen sie die Erkrankung eines Patienten eindeutig identifizieren können. Wissenschaftler suchen deshalb nach möglichst einfach zu messenden Biomarkern für eine Erkrankung oder Kombinationen mehrerer Biomarker – sogenannter Biosignaturen. Forscher vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin haben nun ein vollständiges Profil der Aktivität von Genen und mikroRNAs zusammen mit wichtigen Entzündungsstoffen im Blut von Tuberkulose- und Sarkoidose-Patienten erstellt. Dabei haben sie zwar eine Reihe von Veränderungen entdeckt, mit denen sich Kranke von Gesunden unterscheiden lassen, die Biosignaturen der beiden Erkrankungen sind einander jedoch sehr ähnlich. Mit einer einzigen Signatur lassen sich Tuberkulose und Sarkoidose daher kaum unterscheiden. Besser geeignet sind verschiedene Biosignaturen für die Unterscheidung zwischen krank und gesund und in einem weiteren Schritt zwischen den einzelnen Erkrankungen.
Das menschliche Immunsystem in Aktion: Ein weißes Blutkörperchen (hier rot dargestellt) ist im Begriff, Tuberkulosebakterien (gelb) unschädlich zu machen. Die Bakterien werden von der Zellmembran der Fresszelle umschlossen, ins Innere gezogen und dort eingeschlossen - im Idealfall für immer. Doch Mycobacterium tuberculosis ist hart im Nehmen. Dank einer besonders widerstandsfähigen Hülle können die Bakterien in den Fresszellen jahrelang überleben und bei einer Schwächung des Immunsystems wieder freigesetzt werden.
© MPI für Infektionsbiologie/Volker Brinkmann
Biosignaturen umfassen ein Profil aus verschiedenen Merkmalen, mit der sich Erkrankungen identifizieren und von ähnlichen Krankheitsbildern trennen lassen. Dazu zählen das Vorhandensein oder Signalstoffe im Körper und die Aktivität von Genen. Forscher haben beispielsweise in den letzten Jahren Signaturen für die Tuberkulose entdeckt, mit denen Ärzte Tuberkulose-Patienten von Gesunden unterscheiden können.
Genauso wichtig ist jedoch die Unterscheidung unterschiedlicher Krankheiten mit ähnlichem Erscheinungsbild wie die Tuberkulose und Sarkoidose. Die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie haben deshalb mit der Gen- und mikroRNA-Aktivität in Blutzellen sowie Entzündungsstoffen im Blutserum verschiedene Marker ausgewählt und deren Profile bei Tuberkulose- und Sarkoidose-Patienten verglichen. Obwohl beide Erkrankungen in erster Linie die Lungen schädigen und ähnliche Symptome verursachen, gehen sie auf ganz unterschiedliche Ursachen zurück. Während die Tuberkulose durch eine Infektion mit Bakterien hervorgerufen wird, ist die Sarkoidose nicht übertragbar.
Den Untersuchungen zufolge ähneln sich die beiden Erkrankungen nicht nur äußerlich, auch die Biosignaturen sind aus gemeinsamen Elementen aufgebaut. Bei Sarkoidose- und Tuberkulose-Patienten sind die meisten Gene im Vergleich zu Gesunden gleich reguliert: „Von den etwa 13000 Genen, die sich in ihrer Aktivität zwischen Erkrankten und Gesunden unterschieden, sind rund 9000 Gene bei beiden Krankheiten gleich aktiviert. Knapp 700 andere Gene unterscheiden sich in ihrer Aktivität zwischen Tuberkulose- und Sarkoidose-Patienten – mit ihrer Hilfe lassen sich die beiden Erkrankungen also eindeutig identifizieren“, sagt Stefan Kaufmann vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie.
Auch mikroRNAs, die die Bildung bestimmter Proteine unterdrücken und damit die Aktivität von Genen hemmen können, kommen bei beiden Erkrankungen in einem ähnlichen Muster vor. Insgesamt sind rund 150 mikroRNAs bei beiden Erkrankungen im Vergleich zu Gesunden unterschiedlich aktiv. Lediglich vier eignen sich dazu, Tuberkulose- und Sarkoidose-Patienten zu unterscheiden. Das Profil von Entzündungsstoffen im Blut überlappt dagegen weniger stark: Während nur eins dieser Zytokine bei Tuberkulose und Sarkoidose gleichermaßen gegenüber Gesunden verändert ist, eignen sich zwölf dieser Signalstoffe zur Unterscheidung der beiden Erkrankungen.
Die Ergebnisse der Berliner Forscher zeigen, dass veränderte Biomarker auf Vorgänge zurückgehen, die nicht nur bei einer bestimmten Erkrankung auftreten, z. B. Immunreaktionen. Die körpereigene Immunantwort greift also bei unterschiedlichen Krankheitsbildern auf dieselben Grundelemente zurück, und nur wenige dieser Elemente sind für eine bestimmte Erkrankung spezifisch. Abgesehen von den Schwierigkeiten für die Krankheitsdiagnose verraten diese Gemeinsamkeiten den Wissenschaftlern viel über Ursachen und Mechanismen einer Erkrankung.
Eine einzige Biosignatur reicht daher nicht aus, sowohl Gesunde von Kranken als auch die unterschiedlichen Krankheiten mit ähnlichem Erscheinungsbild zu unterscheiden. Die Kombination vieler Gene erhöht zwar Spezifität und Sensitivität bei der Unterscheidung von krank und gesund, führt aber automatisch zu einer geringeren Spezifität gegenüber anderen Krankheitsbildern. „Stattdessen sollten wir zuerst Kranke von Gesunden unterscheiden und dann in den nächsten Schritten die einzelnen Krankheiten voneinander trennen. Pro Schritt können wir eine Erkrankung anhand von etwa zehn Genen eindeutig identifizieren“, erklärt Kaufmann.
Dabei könnten sich Ärzte auf die Krankheiten konzentrieren, die vor Ort tatsächlich vorkommen. In afrikanischen Ländern, in denen die Tuberkulose weit verbreitet ist, ließen sich so Tuberkulose, AIDS und Malaria schnell und eindeutig erkennen.
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