Molekularpathologie, künstliche Intelligenz und personalisierte Therapie: Onkologie der Zukunft

Analysen mit digitaler Pathologie und künstlicher Intelligenz 

Die Präzisionsonkologie erfordert viele diagnostische Informationen. Mit der permanenten Zunahme der Biomarker für zielgerichtete oder immunonkologische Therapien wachsen die Arbeitsbelastung, die Anforderungen und der Zeitdruck in der Pathologie parallel zu den generierten Datenmengen. Die Biomarkeranalyse im Gewebe erfolgt heute schon zu einem großen Teil digital. „Die digitale Pathologie steckt nicht mehr in den Kinderschuhen, sie ist in der Routinediagnostik angekommen“, konstatierte Professor Christopher Poremba, Pathologie München-Nord. Ein Beispiel aus der täglichen Routine sei die Bestimmung des KI-67-Scores eines Tumors, die mithilfe eines KI-67-Quantifiers ausgeführt und nicht mehr per Hand ausgezählt wird. Gewebeträger werden in der digitalen Pathologie vom Gewebescanner eingescannt und in den automatisierten Mikroskopen prozessiert. Am Monitor erfolgt dann die Befundung der groß und in extrem hoher Auflösung dargestellten Gewebeschnitte. 
Dass die digitale Pathologie in der Routine-Diagnostik immer wichtiger wird, liegt auch an einem Ungleichgewicht von Angebot und Nachfrage. Die Arbeitsbelastung von Pathologen steigt aufgrund der alternden Gesellschaft mit immer mehr Tumorerkrankungen und den Anforderungen der Präzisionsmedizin ständig an; auf der anderen Seite gibt es nicht genügend ausgebildete Fachkräfte. „Hier gibt es ein Nachwuchsproblem“, erklärte Volker Bruns vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen mit Blick auf aktuelle Daten der Bundes­ärztekammer. Die digitale Pathologie biete erhebliche Möglichkeiten der Arbeitserleichterung: Therapieentscheidungen können direkt auf dem Slide gespeichert werden, die digitalisierten Gewebeschnitte sind online von überall für verschiedene Mitarbeiter zugänglich („Telepathologie“) und Algorithmen helfen bei der Analyse der Probe und der Berechnung von Scores. 

Künstliche Intelligenz zur Bilderkennung

Bruns zeigte vor allem das Entwicklungspotenzial von digitaler Pathologie im Zusammenspiel mit künstlicher Intelligenz (KI) auf. Ein wichtiges Einsatzgebiet der KI in der Pathologie ist die Bilderkennung. „Im Bereich der Bildanalyse kann uns der Computer gut das Zählen von Zellen abnehmen.“ Ein Projekt am IIS ist die Tissue Cartography, also die Gewebeanalyse, speziell beim Darmkrebs, bei der Querschnitte der Dickdarmwand mit ihren typischen Gewebeschichten analysiert werden (Abb. 1). 
 

„Wir möchten erreichen, dass die Software die verschiedenen Gewebearten erkennen kann und dann für uns richtig farblich markiert – aktuell umgesetzt mit sieben verschiedenen Gewebeklassen.“ Ziel ist u. a., dem Pathologen das Erkennen eines Tumors zu erleichtern sowie die Invasionstiefe und die Komposition des Tumors zu bestimmen; man könne aber auch molekulare Subtypen eines Tumors identifizieren, sagte Bruns. So gelang einem Forscherteam vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg die Prädiktion einer Mikrosatelliteninstabilität (MSI) eines Tumors auf Basis einer histopathologischen Gewebeprobe mithilfe von Deep Learning [1]. 

Liquid Profiling – extrazelluläre Vesikel im Aufwind 

Weitere Vorträge im Themengebiet Liquid Biopsy verdeutlichten die Bedeutung der im Blut detektierbaren extrazellulären Vesikel als neue Indikatoren des Krebsgeschehens und als Modulatoren der Immunabwehr. Die extrazellulären Vesikel und assoziierten Proteine, in ganz besonderem Maße PD-L1, spielen offensichtlich eine wichtige Rolle bei der Immunregulation im Tumorgeschehen: Sie fungieren als Modulatoren des Tumor-Microenvironments. 

Wachsender Stellenwert bei der Therapiesteuerung des metastasierten CRC 

Die Sensitivität der Liquid Biopsy ist durch Technologien wie BEAMing und die digital oder droplet PCR mittlerweile sehr hoch; die Nachweisgrenze liegt bei 0,002 %. „Das heißt, der Tumor-DNA-Anteil an der gesamten zellfreien DNA im Blut darf nicht kleiner als 0,002 % sein, um entdeckt zu werden. Übersetzt in den klinischen Alltag bedeutet das, dass wir in der Lage sind, mit Liquid Biopsy Tumoren zu entdecken, die etwa 10–2 mm groß sind“, erklärte Dr. Alexander Baraniskin, Bochum. 
Gastrointestinale Tumoren, insbesondere kolorektale Karzinome (CRC), setzen in hohem Maße Tumor-DNA ins Blut frei, v. a. im fortgeschrittenen Stadium. „Die 5-Jahres-Überlebensrate von Patienten mit einem metastasierten CRC liegt nur bei ca. 10 %“, verdeutlichte Baraniskin den Verbesserungsbedarf in der Therapie. Ein wichtiger Biomarker ist der RAS-Mutationsstatus; nur Patienten ohne diese Mutation sprechen auf die Therapie mit einem EGFR-Inhibitor an. RAS-Mutationen sind beim metastasierten CRC sehr häufig, sie werden bei 56 % der Patienten nachgewiesen [2]. 
Das Verfahren, eine RAS-Mutation über Liquid Biopsy zu detektieren, ist etabliert, wird in der aktuellen S3-Leitlinie empfohlen und berücksichtigt im Unterschied zu einer Gewebeprobe auch die natürliche intra- und interläsionale Heterogenität der Tumorerkrankung. Häufig seien neu auftretende RAS-Mutationen für einen Progress unter einer Anti-EGFR-Therapie verantwortlich. Stellt man dann die Therapie um, verschwinden die RAS-Mutationen wieder durch den wegfallenden Selektionsdruck, wie Baraniskin berichtete. Im Fokus der Forschung beim CRC stehe nun die Frage, ob in dieser Situation eine Rechallenge mit einer Anti-EGFR-Therapie erfolgversprechend ist [3]. Auch die laufende FIRE-4-Studie untersucht ein solches Rechallenge-Prinzip mit Cetuximab. 
Die größere Gruppe von Patienten mit mCRC hat allerdings eine RAS-Mutation, sodass für diese eine Anti-EGFR-Therapie nicht infrage kommt. Doch auch bei dieser Patientengruppe ist der Mutationsstatus nicht für immer festgelegt, sondern Änderungen unterworfen. So kann sich hier der NeoRAS-Wildtyp entwickeln, der von initial RAS-mutiert zu RAS-Wildtyp gewechselt hat. „Dies kann auch mehrfach unter Therapie passieren, wie unsere Liquid-
Biopsy-basierte Beobachtungsstudie gezeigt hat“, erklärte Baraniskin [4]. Die meis­ten Patienten verloren nach den ers­ten Zyklen der Chemotherapie +/- Bevacizumab die RAS-Mutation. Baraniskin: „Wir haben es hier mit einer negativen klonalen Selektion der RAS-mutierten Zellen zu tun.“ Zu der Frage, ob Patienten mit NeoRAS-Wildtyp von der Hinzunahme von Cetuximab profitieren, gibt es bisher nur wenige Daten. Die neu gestartete MoLiMoR-Studie kontrolliert nun bei Patienten mit linksseitigem metastasiertem CRC mit initialer RAS-Mutation, die eine FOLFIRI-basierte Standard-Erstlinienchemotherapie erhalten, den RAS-Mutationsstatus mittels Liquid Biopsy und untersucht dann, ob die Patienten mit NeoRAS-Wildtyp von zusätzlichem Cetuximab profitieren.

Bedeutsam für die Krebsfrüherkennung

Wie weit die Früherkennung von Tumoren mit Hilfe von Liquid Biopsy derzeit ist, berichtete Dr. Frank Diehl von Thrive Earlier Detection. Er stellte den zunächst an der Johns Hopkins University entwickelten Multi-Analyten-Bluttest „CancerSEEK“ vor, der zellfreie DNA und Protein-Marker analysiert. Das Verfahren zielt auf den simultanen Nachweis mul­tipler Tumoren ab. Der Test solle nicht dazu dienen, dass Patienten keine Standard-Screeningverfahren mehr in Anspruch nehmen, sondern als deren Ergänzung, wie Diehl erklärte. Die prospektive, interventionelle DETECT-A-Studie untersuchte die Sicherheit und das Potenzial des Multi-Cancer-Assays bei gesunden, unselektionierten Probanden [5]. Als erste Studie zeigte sie die Durchführbarkeit und Sicherheit eines Multi-Cancer-Bluttests. Eingeschlossen waren 10.000 gesunde Frauen im Alter von 65–75 Jahren ohne onkologische Vorerkrankungen. „Die Kombination der Analyse von zirkulierenden Nukleinsäuren und Proteinen macht eine Krebsfrüherkennung mit Liquid Biopsy möglich“, resümierte Prof. Dr. Stefan Holdenrieder, München. Diehl: „Die Studie zeigte, dass der Test zusätzlich zu Standard-Screening-Verfahren weitere Patienten detektieren kann.“ Insgesamt wurde bei 96 der 10.000 Frauen ein Tumor entdeckt. Bei 26 Frauen wurde der Tumor durch CancerSEEK identifiziert, bei 24 Frauen mit einem Standard-Verfahren und bei 46 Frauen wurde der Tumor aufgrund von Symptomen oder aus anderem Anlass bemerkt (Abb. 2). Die DETECT-A-Studie war noch keine Zulassungsstudie. Ziele sind nun die Erhöhung der Sensitivität des Tests und der klinischen Performance, die Aufnahme in Leitlinien und die Entwicklung eines Kostenerstattungsmodells.
 

Molekularpathologie und personalisierte Krebstherapie

Heute dient zunehmend die Molekularpathologie der Therapiesteuerung; im interdisziplinären Tumorboard hat der Pathologe seinen festen Sitz, die Zusammenarbeit mit Molekularbiologen und Bioinformatikern wird immer wichtiger. Das molekulare Tumorboard am Comprehensive Cancer Center (CCC) Erlangen soll genetische Veränderungen im Tumorgewebe von Patienten mit fortgeschrittenen Tumorerkrankungen identifizieren, die diagnostisch (z. B. bei CUP-Syndrom) oder therapeutisch relevant sein könnten, erklärte Professor Florian Haller, Erlangen. „Das molekulare Tumorboard am CCC Erlangen wurde im Juli 2016 initiiert. Bisher wurden über 600 Patienten in der Molekularpathologie untersucht und im molekularen Tumorboard besprochen.“ 
Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass Patienten, bei denen sich die Ärzte an die Empfehlungen eines molekularen Tumorboards gehalten haben, ein signifikant längeres PFS und OS haben [6]. Haller: „Wir sind der Meinung, dass ein molekulares Tumorboard für die Bewertung und therapeutische Einordnung von genetischen Befunden unerlässlich ist und nicht einfach molekulargenetische Befunde an die behandelnden Ärzte verschickt werden sollten.“
Beim dem zweiwöchentlichen Tumorboard in Erlangen sind Vertreter der drei Bereiche Onkologie, Molekularpathologie und Humangenetik als feste Säulen vertreten. Das aktuell verwendete Genpanel untersucht 170 Gene auf DNA- und RNA-Ebene; Genfusionen und Splice-Varianten sowie Amplifikationen seien damit gut darstellbar, sagte Haller. Für detektierte genetische Veränderungen im Tumorgewebe werden die Evidenzlevel des Memorial Sloan Kettering Cancer Centers (MSKCC) verwendet, die mit der Datenbank zur Präzisionsonkologie OncoKB verknüpft sind [7].