Primäre und sekundäre Tumoren des zentralen Nervensystems (ZNS) stellen aufgrund ihrer zellulären Heterogenität und genetischen Anpassungsfähigkeit eine besondere Herausforderung dar. Die Entwicklung von Methoden zum Nachweis von Tumorzellen im Liquor cerebrospinalis (Nervenwasser) hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und bietet neue Möglichkeiten für die Diagnose, Therapie und das Monitoring von Hirntumoren.
Einführung
Die Analyse des Liquors, auch bekannt als Gehirnwasser, ist ein wichtiges diagnostisches Standardverfahren in der Neurologischen Medizin. Neben der Diagnose von entzündlichen Erkrankungen wie Meningitis, Enzephalitis oder chronisch-entzündlichen Erkrankungen wie Multipler Sklerose, ermöglicht die Untersuchung des Liquors auch den Nachweis von Blutungen und Tumorzellen.
Liquid Biopsy im Liquor: Ein minimalinvasiver Ansatz zur Tumordiagnostik
Die Liquid Biopsy, also die Analyse von Tumorzellen oder Tumor-DNA in Körperflüssigkeiten, hat sich als vielversprechende Methode in der Onkologie etabliert. Im Gegensatz zur klassischen Gewebebiopsie, die invasiv ist und nicht immer die Heterogenität des Tumors vollständig abbildet, ermöglicht die Liquid Biopsy eine minimalinvasive, longitudinale und umfassende Charakterisierung des Tumors. Die Liquid Biopsy wird nach heutigem Wissensstand die klassische Gewebebiopsie in der initialen pathologischen Routine-Diagnostik nicht komplett ersetzen, doch sie wird in einem integrierten Ansatz dazu beitragen, die Heterogenität des Tumors besser abzubilden, und zusätzliche wichtige Informationen für die Therapieentscheidung mit in den Befund einfließen lassen.
Vorteile der Liquid Biopsy im Liquor
- Minimalinvasive Probenentnahme: Im Gegensatz zur Gewebebiopsie ist die Entnahme von Liquor durch Lumbalpunktion ein weniger belastender Eingriff für den Patienten.
- Abbildung der Tumorheterogenität: Die Liquid Biopsy erfasst Tumorzellen und Tumor-DNA aus verschiedenen Bereichen des Tumors und ermöglicht so eine umfassendere Darstellung der genetischen Vielfalt.
- Longitudinales Monitoring: Die Liquid Biopsy kann wiederholt durchgeführt werden, um den Verlauf der Erkrankung zu überwachen und frühzeitig Resistenzmechanismen zu erkennen.
- Diagnostische Sicherheit bei inoperablen Tumoren: Bei Patienten mit inoperablen Tumoren, insbesondere im Hirnstammbereich, kann die Liquor Biopsy eine sichere diagnostische Alternative zur Gewebebiopsie darstellen.
Untersuchungsmaterial und nachweisbare genetische Variationen
Als Untersuchungsmaterial für die Liquid Biopsy im Liquor dient der Liquor cerebrospinalis. Im Liquor können verschiedene tumorassoziierte Biomarker nachgewiesen werden, darunter:
- Zirkulierende Tumorzellen (CTCs): Einzelne Tumorzellen, die sich von dem Primärtumor oder Metastasen gelöst haben und im Liquor zirkulieren.
- Zellfreie Tumor-DNA (ctDNA): DNA-Fragmente, die von Tumorzellen freigesetzt werden und im Liquor nachweisbar sind.
- Zellfreie mitochondriale Tumor-RNA (cfmiRNA)
- Exosomen: Vesikel, die von Tumorzellen freigesetzt werden und genetisches Material enthalten können.
Nachweisbare genetische Variationen umfassen vornehmlich Veränderungen einzelner Nukleotide (SNVs), aber auch kleine Insertionen und Deletionen sowie Genfusionen.
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Methoden zum Nachweis von Tumorzellen im Liquor
Für den Nachweis von Tumorzellen und Tumor-DNA im Liquor stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, die sich in ihrer Sensitivität, Spezifität und Anwendbarkeit unterscheiden.
Zytologische Untersuchung
Die zytologische Untersuchung des Liquors ist eine etablierte Methode zum Nachweis von Tumorzellen. Dabei werden die Zellen im Liquor unter dem Mikroskop beurteilt und auf morphologische Veränderungen untersucht, die auf eine maligne Transformation hindeuten. Mittels Zytozentrifuge werden die Zellpräparate angefertigt.
Immunzytochemie
Die Immunzytochemie ist eine Methode, bei der spezifische Antikörper eingesetzt werden, um Tumorzellen im Liquor zu identifizieren. Die Antikörper binden an bestimmte Proteine auf der Oberfläche der Tumorzellen, wodurch diese sichtbar gemacht werden können.
Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH)
Mit der In-situ-Hybridisierung können kleinere Chromosomen-Veränderungen sichtbar gemacht. Bei dieser Methode bindet ein kleines Stück Erbmaterial an festgelegte Abschnitte von Chromosomen. Damit zeigt es an, ob der gesuchte Abschnitt im Chromosom vorhanden ist oder nicht (Hybridisierung = Erbgut-Bindung, in-situ = am Ort). Mit verschiedenen Farbstoffen kann die Bindung sichtbar gemacht werden - zum Beispiel mit Fluoreszenz-Farbstoffen, dann nennt sich die Technik Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH).
Polymerase-Kettenreaktion (PCR)
Die PCR ist eine molekularbiologische Methode, mit der spezifische DNA-Abschnitte vervielfältigt werden können. Dies ermöglicht den Nachweis von geringen Mengen an Tumor-DNA im Liquor.
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Next Generation Sequencing (NGS)
Die Entwicklung von Hochdurchsatztechnologien wie dem Next Generation Sequencing (NGS) sowie hochsensitiver, digitaler Analyseverfahren hat das Verständnis, die Diagnostik und Therapie solider Tumoren in den letzten Jahren fundamental verändert und den Grundstein für eine personalisierte Präzisionsonkologie gelegt. Das Next Generation Sequencing (NGS) ist eine Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie, die es ermöglicht, Millionen von DNA-Fragmenten parallel zu sequenzieren. Dies ermöglicht die umfassende Analyse des Tumorgenoms und die Identifizierung von Mutationen, Insertionen, Deletionen und Genfusionen.
Nanopore-Sequenzierung
Gamechanger ist die Nanopore-Sequenzierung - ein sicheres und zugleich schonendes Verfahren, das an zellfreier DNA (cfDNA) aus dem Gehirnwasser (Liquor) des Patienten Tumorsignaturen nachweist. Erfasst werden tumorspezifische Änderungen von Kopienzahlprofilen und epigenetische Veränderungen der DNA, die - nach Abgleich mit großen Datenbanken - eine exakte molekulare Einordnung möglich machen.
Klinische Anwendungen des Tumorzellnachweises im Liquor
Der Nachweis von Tumorzellen im Liquor hat vielfältige klinische Anwendungen:
Diagnose und Differenzialdiagnose von Hirntumoren
Die Analyse des Liquors kann zur Diagnose von primären und sekundären Hirntumoren beitragen. Insbesondere bei Verdacht auf eine Meningeosis neoplastica, also die Ausbreitung von Tumorzellen in den Hirnhäuten, ist die Liquordiagnostik von großer Bedeutung.
Therapieplanung und -überwachung
Basierend auf den - in der Regel in der Biopsie identifizierten - therapeutisch angreifbaren genetischen Veränderungen, sogenannten druggable targets, erfolgt die Selektion geeigneter zielgerichteter Therapeutika. Die Liquid Biopsy ermöglicht das Monitoring des Therapieansprechens und die frühzeitige Erkennung von Resistenzmechanismen. Durch die Identifizierung von therapie-relevanten Mutationen in der Tumor-DNA können personalisierte Therapieentscheidungen getroffen werden.
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Prognoseeinschätzung
Der Nachweis von Tumorzellen im Liquor kann Hinweise auf die Prognose des Patienten geben. Eine hohe Anzahl von Tumorzellen oder das Vorliegen bestimmter genetischer Veränderungen können mit einem ungünstigeren Krankheitsverlauf assoziiert sein.
Früherkennung von Rezidiven
Da die neue Methode zudem Nachweise über Resterkrankungen oder Rezidive liefert, sind Schüller und seine Kollegen optimistisch, dass die Nanopore-Sequenzierung von cfDNA aus Liquorproben zukünftig auch ein wichtiger Baustein für das Monitoring von Kindern mit einem Hirntumor darstellt. Vorstellbar ist, dass Chemotherapien und Bestrahlung wieder aufgenommen werden, sobald ein Rezidiv über das Gehirnwasser nachgewiesen wird - und nicht erst bei klinischer Symptomatik oder Nachweis in der Bildgebung. Das Tumor-Monitoring mittels Liquid Biopsy ist besonders interessant, weil es möglicherweise entstehende Rezidivtumore sowohl sehr früh erkennen als auch deren gegebenenfalls verändertes molekulares Profil entschlüsseln kann. Treten zum Beispiel Resistenzmutationen unter der Erstlinientherapie auf, kann durch einen Wechsel („Switch“) der zielgerichteten Therapie (so ist die Hoffnung) das Überleben des Patienten deutlich verbessert werden.
Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen
Die Analyse von Tumorzellen im Liquor ist mit einigen Herausforderungen verbunden:
- Geringe Zellzahl: Tumorzellen kommen im Liquor oft nur in geringer Anzahl vor, was den Nachweis erschwert.
- Heterogenität: Die Tumorzellen im Liquor können genetisch heterogen sein, was die Interpretation der Ergebnisse erschwert.
- Präanalytische Faktoren: Die Qualität der Liquorprobe kann durch präanalytische Faktoren wie die Lagerungsdauer und die Transportbedingungen beeinflusst werden.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, werden kontinuierlich neue Technologien und Methoden entwickelt. Dazu gehören:
- Verbesserte Anreicherungsmethoden: Neue Methoden zur Anreicherung von Tumorzellen aus dem Liquor sollen die Sensitivität des Nachweises erhöhen.
- Single-Cell-Analysen: Die Analyse einzelner Tumorzellen ermöglicht die detaillierte Charakterisierung der genetischen Heterogenität.
- Künstliche Intelligenz: Der Einsatz von künstlicher Intelligenz kann die Auswertung der komplexen Daten aus der Liquordiagnostik unterstützen.
Personalisierte Tumortherapie
Forschende des Bereichs »Personalisierte Tumortherapie« arbeiten an Technologien zur minimalinvasiven, longitudinalen molekulargenetischen Charakterisierung dieser Krebserkrankungen. Ziele des Projekts sind zum einen die Festlegung präanalytischer Standards für Biomarkerstudien mit Liquor. Zum anderen sollen molekulargenetische Tests auf der Basis von Panel-Sequenzierungen, also Sequenzierungen eines Sets klinisch relevanter Gene, entwickelt werden.
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