Immunprofiling als klinische Zukunftsperspektive

Transkriptom und Lücke? Durch den Begriff „Transkriptom“, der jenseits Ihrer alltäglichen Arbeit liegt, werde ich an „Die Leiden des jungen Werther“, einen großen Erfolg von Johann Wolfgang (von) Goethe aus dem 18. Jahrhundert, erinnert: „Eine Lücke! Eine entsetzliche Lücke fühle ich hier in meinem Busen.“ So dramatisch erscheint mir meine persönliche Lücke dann doch nicht zu sein, und sie sollte auch Ihnen keine schlaflosen Nächte bereiten. 

Zuvor eine kurze Nachschau zu meinem Text über Rosazea und Migräne (hier können Sie ihn lesen). Kollege Heinz Kofler aus Innsbruck schrieb mir als Replik darauf etwas sehr Patiententaugliches zur Rosazea:

Der körpereigene Thermostat ist verstellt

„Viele Patienten wünschen sich eine einigermaßen zufriedenstellende Erklärung, vor allem wegen der kosmetisch störenden Gesichtsrötung, die bisher schlecht bis nicht behandelbar ist. Ich erkläre es den Patienten vereinfachend so: Bei der Regulation der Durchblutung werden die zentralen Gesichtspartien und parallel auch gewisse Gehirnpartien gemeinsam gesteuert.

Bei der Rosazea ist quasi der körpereigene Thermostat verstellt. Die daraus resultierende Gefäßerweiterung führt in der Gesichtshaut zu einer verstärkten Erwärmung, vergleichbar zur Klimaveränderung unserer Erde. Die Folge: ein stärkeres Wachstum der Talgdrüsen, auch von Bakterien, Pilzen und Milben, die zuvor so dort nicht gedeihen konnten. Leider führt das zu einem entzündlichen Flurschaden der Haut.“

Mit dieser Erklärung geben sich die allermeisten Patienten zufrieden. Ergänzend dazu schreibt Heinz Kofler:

„Recht häufig überlappen Rosazea und Migräne sich auch mit einer Histaminintoleranz, was ein ‚Migräne Flushing‘ durch bestimmte Nahrungsmittel gut erklärt und sich durch diesbezügliche Einschränkungen oft eindrucksvoll bessert. Also weg vom histaminreichen französischen Bordeaux (Histamingehalt bis weniger als 20 mg/l), hin zum jungen und lieblichen Grünen Veltliner aus der Wachau mit geringen Mengen an Histamin (weniger als 0,5 - 2,0 mg/l).“ 

Dem wohlmeinenden Rat aus Innsbruck ist nichts hinzuzufügen.

Historische Exkurs in den Vorderen Orient

Bevor ich mich meiner „entsetzlichen Lücke“ zuwende, gestatten Sie mir noch einen kleinen historischen Exkurs in den Vorderen Orient. Was aus heutiger Perspektive für manchen überraschend erscheint, ist die These, dass wir den Vorderen Orient durchaus als eine Frage der europäischen Medizin betrachten können.

Im Roman „Der Medicus“ des US-Schriftstellers Noah Gordon wird bereits im Mittelalter eine Madrasa – eine medizinische Lehrstätte im fernen Isfahan – eindrucksvoll beschrieben. Dort in Persien wurde die hohe Kunst des aufmerksamen Sehens, des Diagnostizierens und des Therapierens gelehrt: eine Fähigkeit, die wir Dermatologinnen und Dermatologen seit mehr als 1000 Jahren stetig üben und verfeinern.

Im Gegensatz zur künstlichen Intelligenz (KI) sollten wir das diagnostische Vermögen des Arztes als „individuelle diagnostische Intelligenz“, kurz IDI, bezeichnen. Begabung und Fantasie, ein geschulter Blick, eine gute Nase und ein belastbares Gedächtnis – all dies macht die IDI eines guten Klinikers aus. Für Außenstehende mag dies erstaunlich simpel erscheinen; doch diagnostische Begabung ist keineswegs gleichmäßig verteilt.

Die Einführung der mikroskopischen Diagnostik eröffnete damals der Medizin vollkommen neue Möglichkeiten und  bedeutete zugleich den befreienden Schritt hin zur systematischen Erforschung der Dermatosen. Ein grundsätzlicher Nachteil jeder histologischen Untersuchung bleibt jedoch die nur einmalige Darstellung eines kurzen Augenblicks einer inflammatorischen Erkrankung.

Serielle histologische und damit dynamische Analysen sind aufgrund der notwendigen repetitiven Invasivität praktisch nicht realisierbar. Wer lässt sich schon aus rein wissenschaftlichem Interesse mehrere Biopsien aus derselben Hautregion entnehmen? Niemand.

Vom Phänotyp zum Genotyp

Die Sätze „Psoriasis ist nicht gleich Psoriasis“ oder „atopische Dermatitis ist nicht gleich atopische Dermatitis“ erscheinen dem Kliniker zunächst als Plattitüde.

Wenn sich jedoch innerhalb einer Krankheitsfamilie konstante klinische Phänotypen verfestigen, liegt die Annahme nahe, dass fixe immunologische Profile hinterlegt sind.

Lange fehlten uns jedoch die technischen Möglichkeiten, diese Unterschiede messbar zu machen. Histologisch erscheinen diese meist nur allmählich und kaum trennscharf.

Es liegt am Gen, stupid! Im Jahr 1992 gewann Bill Clinton mit „It’s the economy, stupid“ die US-Präsidentschaftswahl. Sinngemäß lässt sich der Slogan auch hier anwenden. In der Onkologie wird ein Malignom längst nicht mehr primär nach seinem Ursprungsorgan definiert, sondern nach seiner molekularen Identität. Das Lungenkarzinom besteht heute aus mehreren biologischen Entitäten; seine Therapie folgt einer molekular abgestimmten Präzisionsstrategie.

Das genetische „Konzert“ inflammatorischer Erkrankungen basiert nicht – wie bei einem Malignom – auf einer einzelnen klonalen Mutation, sondern auf einer Netzwerkdysregulation. Eine Entzündung ist „vielstimmig". Aus dieser Polyphonie molekulare Leitmotive herauszuarbeiten, wird die zentrale Aufgabe der kommenden Forschung sein. Voraussetzung hierfür ist  eine mehrdimensionale Analyse mittels Genomik, Transkriptomik, Epigenetik und Immunzell-Signaturen, letztlich die Definition des jeweiligen inflammatorischen Phänotyps.

Bisher waren wir Ärzte sehr erfolgreich darin, funktionelle Ebenen zu beschreiben – Infektabwehr, Autoinflammation und andere Prozesse – sowie zelluläre Beteiligungen zu charakterisieren: neutrophile Granulozyten, Lymphozyten, Makrophagen, dendritische Zellen und andere.

Transkriptom als Aktivitätsmaß

Auch morphologische Entzündungsmuster lassen sich gut definieren – granulomatös, lichenoid oder suppurativ – ebenso grob orientierend transkriptomische Programme wie Interferon-Signaturen oder Typ-2-Inflammation. Doch die quantitative Vermessung von Genaktivitäten blieb lange außerhalb unserer Möglichkeiten.

Ein einfaches Beispiel: Eine chronisch stationäre Psoriasis unterscheidet sich klinisch deutlich von einer chronisch aktiven Psoriasis, etwa der Psoriasis guttata oder pustulosa. Der Münchner Dermatologe Leo von Zumbusch erkannte diese klinischen Unterschiede bereits vor mehr als 100 Jahren. Es liegt nahe anzunehmen, dass sich diese Varianten in einem unterschiedlichen inflammatorischen Immunotyp widerspiegeln.

Dabei kommen die Gene ins Spiel: Gene können ruhen – oder aktiv an pathologischen Prozessen teilnehmen. Will man jedoch die aktuelle Aktivität eines Gens erfassen, so ist das mRNA-Profil einer Zelle, das Transkriptom dieser Zelle, die Maßeinheit.

RNA und Genexpression

Das Transkriptom bezeichnet die Gesamtheit aller RNA-Moleküle, die in einer Zelle oder in einem Gewebe zu einem bestimmten Zeitpunkt exprimiert werden. Das Transkriptom gibt Aufschluss darüber, welche Gene unter bestimmten Bedingungen aktiv sind.

Kurz zur Charakteristik der RNAs: Die Übertragung genetischer Information von der DNA auf ein verwandtes, jedoch nicht identisches „RNA-Skript“ – die Transkription – ist ein evolutionär hoch effizientes Prinzip. Die DNA ist zu groß und zu verletzlich, um innerhalb der Zelle ständig transportiert zu werden. Schon kleinste Schäden könnten zu fehlerhaften Proteinen mit potenziell gravierenden Konsequenzen führen.

Daher verbleibt die DNA geschützt im Zellkern, wo sie transkribiert wird. Es  entsteht ein einzelsträngiger mRNA-Faden, der beweglich genug ist, um zu den Ribosomen zu gelangen. Dort erfolgt die Übersetzung, also die Umsetzung der genetischen Informationen in Aminosäuresequenzen. Die mRNA-Transkription ist somit ein direktes Maß für die Aktivität eines Gens.

Technologien der Sequenzierung

Eine aktive Zelle produziert nicht nur ein einzelnes RNA-Transkript, sondern – abhängig vom Aktivitätsstatus – zahlreiche Kopien: bei ruhenden Genen wenige, bei moderat aktiven Hunderten, bei stark aktivierten Genen, etwa Keratin- oder Zytokingenen, Tausende bis Zehntausende Transkripte. Moderne Hochdurchsatz-Sequenzierverfahren erlauben heute die parallele Analyse erstaunlicher, zehntausender RNA-Sequenzen innerhalb einer einzigen Probe.

Nur ein aktives Gen wird transkribiert und übersetzt – und nur ein aktives Gen kann ein Protein bilden, sei es ein Zytokin oder ein Strukturprotein.

Zurück zum Transkriptom, also zum gesamten RNA-Profil einer Zelle oder eines Gewebes. Das Transkriptom beschreibt, im Gegensatz zum Genom, einen dynamischen Prozess. Wer in der Lage ist, das Transkriptom zu vermessen, kann Auskunft über den aktuellen biologischen Zustand (Aktivität) einer Zelle (oder eines Gewebes) geben. Zukünftig werden damit nicht nur Aussagen über die Zusammensetzung eines entzündlichen Infiltrates möglich sein, sondern auch über dessen molekulares Mapping.

Ein klinisches Beispiel: Die Vermessung des Transkriptoms eines Zellverbandes mittels dieser „molekularen Lupe“ kann wertvolle Informationen darüber liefern, wie sensibel bestimmte Zellpopulationen auf Veränderungen ihrer Umgebung reagieren – etwa auf Erreger, Antigene, Arzneimittel oder andere immunologische Stimuli. Auch die Dysregulation autoimmuner Erkrankungen wird sich zukünftig wesentlich verständlicher erklären lassen.

Als Beispiel: Die bislang eher banale Frage, ob und wie sich der inflammatorische Immunotypus des kutanen Lupus erythematodes von einem systemischen Lupus unterscheidet, dürfte künftig anhand ihrer immunologischen Signaturen beantwortbar sein. Ähnliche Fragestellungen ergeben sich für lichenoide Infiltratmuster, zum Beispiel beim Lichen planus oder einer Dermatomyositis.

Nichtinvasive Diagnostik im Fokus

Doch welche Technik bedient man sich für derartige molekulare Analysen? Der Begriff Next Generation Sequencing (NGS) ist uns allen seit Jahren vertraut. Durch die enorme Steigerung der Rechenkapazitäten sowie die Etablierung hochparalleler Sequenziertechnologien haben sich diese Verfahren rasch weiterentwickelt, sodass heute bereits von einer dritten Sequenzierungsgeneration (Third Generation Sequencing, TGS) gesprochen wird.

Besonders für dermatologische Fragestellungen von großer Bedeutung ist ein weiterer Aspekt: Viele  Genanalysen sind inzwischen nichtinvasiv möglich. Für den Kliniker ist dies eine geradezu revolutionäre und faszinierende Perspektive. Die Dynamik einer kutanen Entzündung könnte über definierte Zeiträume hinweg sequenziell untersucht werden. Makromorphologie, Pathophysiologie und Aufbau- und Abheilungsprozesse würden zu einem integrierten Gesamtportrait einer Erkrankung verschmelzen. Dass sich daraus unmittelbare therapeutische Konsequenzen ableiten lassen, liegt auf der Hand.

Bereits heute lassen sich über Einzelzellprofile – beispielsweise CD45⁺-Immunzelltranskriptome aus Hautproben von Patienten mit atopischer Dermatitis oder Psoriasis vulgaris – unterschiedliche Aktivitätsmuster definieren. Single-cell-Immuntranskriptome zeigen unter anderem eine proliferative Expansion regulatorischer T-Zellen sowie von TRM-Zellen (tissue-resident memory cells).

In der Haut ansässige Gedächtnis-T-Zellen weisen sowohl bei atopischer Dermatitis als auch bei Psoriasis besonders ausgeprägte transkriptionelle Dysregulationen auf. Damit wird deutlich: Wir sprechen nicht mehr primär über Zellquantitäten, sondern über funktionelle Zellqualitäten.

Durch das Chaos zum Fortschritt

Forschung produziert zu Beginn nicht selten Unverständnis oder scheinbares Chaos. Wer dies zu entwirren vermag, ermöglicht Fortschritt. Es ist daher naheliegend anzunehmen, dass ein dynamisches Monitoring mittels serieller Transkriptomanalysen künftig für zahlreiche inflammatorische Erkrankungen diagnostische Bedeutung erlangen wird. Eine adaptierte künstliche Intelligenz könnte auf Basis des Immuntranskriptoms Diagnosen schärfen – der Weg zu einer adaptiven personalisierten Immuntherapie wird geebnet.

Einen weiteren innovativen Schritt beschrieb eine chinesische Arbeitsgruppe (He H. et al. 2021), die damit die grundsätzliche Notwendigkeit invasiver Hautbiopsien bei entzündlichen Dermatosen hinterfragte. Schon heute genügen, aufgrund der hohen Sensitivität moderner molekularer Analysen, bereits minimale Nukleinsäuremengen, um belastbare Aussagen zum Immunphänotyp einer Erkrankung zu machen. Mittels einer nicht-invasiven Tape-Stripping-Methode lässt sich von der Oberfläche eines Gewebes ausreichend Material gewinnen. 

KI-gestützte Sequenzierungsanalysen ermöglichen dabei die gleichzeitige Auswertung großer Datenmengen. In der genannten Studie zeigten 4123 Gene bei atopischer Dermatitis und 5390 Gene in Psoriasisläsionen im Vergleich zu gesunden Kontrollen differenzielle Expressionen. Durch die Identifikation krankheitsspezifischer Biomarker erweist sich dieses Verfahren bereits heute als vielversprechende minimalinvasive Alternative zur Biopsie.

Enorme Datenmengen blitzschnell analysieren

Moderne RNA-stabilisierende Fixierungsmethoden erlauben außerdem eine langfristige Probenlagerung. Selbst bei älteren Paraffinschnitten kann nachträglich eine molekulare Diagnostik durchgeführt werden (Quaranta M. et al., 2014) – ein bedeutender Vorteil für die Aufarbeitung historischer Probenmaterialien.

Die Möglichkeit, entzündliche Infiltrate anhand ihrer molekularen Signatur zu charakterisieren, öffnet eine diagnostische Tür, die wir bisher so nicht gekannt hatten. Ermöglicht wird dieser diagnostische „Paradigmenwechsel“ durch hochleistungsfähige Rechensysteme, die enorme Datenmengen blitzschnell analysieren, wodurch die Möglichkeit besteht, sie ad hoc in klinisch interpretierbare Informationen zu übersetzen.

Moderne Protokolle erlauben das Multiplexing tausender Proben in einem einzigen Sequenzierlauf mit Lesetiefen von mehreren zehn Millionen Sequenzen pro Probe (Garzorz-Stark N. et al., 2016). RNA-Sequenzierungstechniken erfassen nicht nur Struktur und Menge der RNA, sondern auch dynamische Veränderungen der Genexpression unter unterschiedlichen Bedingungen oder Zeitpunkten.

Auf dem Weg zu einer immunologischen Präzisionsmedizin

Dadurch könnten sie sich zu einem zentralen Werkzeug zukünftiger medizinischer Diagnostik entwickeln. Während die DNA-Sequenzierung das gesamte genetische Potenzial einer Zelle beschreibt, fokussiert das Transkriptom auf die tatsächlich aktiven Genprogramme – und damit auf den aktuellen Immunzustand der Zelle.

Dass ich beim Verfassen dieses Textes gelegentlich in ungläubiges Staunen geriet, lag gewiss nicht daran, dass mir ein ausgezeichneter Grappa aus dem Friaul zu Kopf gestiegen wäre. Vielmehr genügt eine kurze gedankliche Annäherung, um zu erkennen, dass die Bestimmung molekularer Signaturen entzündlicher Infiltrate den Weg zu einer immunologischen Präzisionsmedizin eröffnet.

Es bedarf keiner prophetischen Gaben, um zu erkennen, dass das „Immunprofiling“ als integrative, systematische multidimensionale Charakterisierung des Immunsystems vermutlich schon bald zur Routine des klinisch tätigen Arztes gehören wird.

Lohnender Blick nach Freiburg 

Bereits heute ermöglichen Immunsignaturen bei klinisch und histologisch mehrdeutigen Dermatosen einen Richtungsentscheid. Daraus resultieren perspektivisch adaptive Immuntherapien mit zunehmend präziseren, individualisierten Medikamenten – ein längst erwarteter Schritt angesichts der Dynamik von Immunzuständen der Haut.

Mit dem von Frau Prof. Natalie Garzorz-Stark geleiteten wissenschaftlichen Institut in Freiburg (mehr Infos hier und hier) steht uns bereits heute eine Anlaufstelle zur Verfügung, die über das notwendige Know-how und die technische Infrastruktur verfügt, selbst kleinste dermatologische Proben molekular präzise zu charakterisieren. 

Es lebe der Fortschritt! (Autor: Peter Altmeyer)