Gewebeveränderungen können oft nicht zufriedenstellend durch etablierte Untersuchungsmethoden analysiert werden. Minimalinvasive Verfahren, die Tumorzellen und Tumor-DNA in Körperflüssigkeiten nachweisen, haben im Screening und Therapiemanagement von malignen Erkrankungen großes Potenzial. Noch ist das Methodenspektrum jedoch zu heterogen, um einheitliche Empfehlungen abgeben zu können.

Krebs zerstört das zelluläre Gleichgewicht im menschlichen Körper mit meist schwerwiegenden Folgen: Es kommt zu unkontrolliertem Zellwachstum, das häufig durch Mutationen in zentralen Signalwegen (Apoptose oder Proliferation) ausgelöst wird und letztendlich zu Organversagen führt. Aktuell sind histopathologische Untersuchungen notwendig, um gut- oder bösartige Gewebeveränderungen endgültig abzuklären. Dies ist aber nicht immer möglich, etwa wenn der Tumor nicht zugänglich ist oder die Belastung und das Risiko für den Patienten zu groß wären.

Die Liquid Biopsy (Flüssigbiopsie, LB) basiert hingegen auf der Entnahme und Untersuchung von Körperflüssigkeiten, in der Regel Blut. Sie liefert heute in der Onkologie bei der Identifizierung von therapeutischen Zielstrukturen und Resistenzmechanismen bereits eine Vielzahl an Informationen bei gleichzeitig minimalem Risiko für Patienten. Darüber hinaus ist sie insbesondere in der Krebsfrüherkennung und zum Monitoring von Rezidiven bei malignen Erkrankungen geeignet. Der minimalinvasive Charakter der Untersuchung ermöglicht es, Biomarker wesentlich besser zeitlich zu erfassen. Dadurch unterscheidet sie sich von Gewebeproben, die nicht in regelmäßigen Abständen entnommen werden können. Somit ergänzt die LB die klassische Histopathologie und die Bildgebung, indem sie ein aktuelles und globales Abbild des Tumorgeschehens im Körper liefert.

Analyten der Liquid Biopsy

Bei soliden Tumorerkrankungen lassen sich im Blut neben zirkulierenden Tumorzellen und deren Cluster (CTCs) frei vorliegende Tumor-DNA (ctDNA) und extrazelluläre Tumorvesikel (Exosomen) nachweisen (Abb. 1). Da diese im Blut nur in sehr geringen Mengen vorkommen, werden effiziente Verfahren zur Isolation beziehungsweise hochsensitive Analysen zur Detektion benötigt. Technologische Fortschritte der letzten 20 Jahre wie das Next-Generation-Sequencing (NGS) haben dazu beigetragen, diese Analyten für die klinische Diagnostik zugänglich zu machen.

Abb. 1
figure 1

© S. Schuster, D. Reismann

: Analyten der Liquid Biopsy und deren Anwendungsmöglichkeiten

Full size image

Neben der molekularpathologischen Analyse von Tumoren mithilfe der LB ist auch der Prozess der Metastasierung Gegenstand aktueller Forschung. Hierzu existiert eine Reihe von Hypothesen, bei denen CTCs eine zentrale Rolle spielen. Bereits vor Jahren wurden sie als mögliche Marker beschrieben, um den Verlauf maligner Erkrankungen zu beobachten, doch der klinische Einsatz scheiterte bislang häufig aufgrund der mangelnden Sensitivität der genutzten Methoden. Zudem verfügen CTCs über das Potenzial, mittels funktioneller Analysen im Therapiemanagement eine wichtige Position neben Standardverfahren einzunehmen.

Früherkennung maligner Tumore

Die Früherkennung von Tumoren ist ein wichtiger Ansatz, um die krebsbedingte Sterblichkeit zu reduzieren. Offizielle Screeningprogramme, wie das 2005 in Deutschland eingeführte Mammografie-Screening, haben einen wichtigen Anteil an der allgemeinen Überlebensrate, sind in den meisten Ländern aber kein Standard. Laut den Statistiken des Robert-Koch-Instituts sind die Teilnahmeraten bei der Mammografie seit den 2010er-Jahren rückläufig und 2019 hat nur etwa die Hälfte der weiblichen Zielgruppe diese Vorsorgeuntersuchung in Anspruch genommen. Dadurch wird wieder vermehrt Brustkrebs in Stadium III und IV diagnostiziert [1, 2]. Die Gründe für die gesunkene Akzeptanz scheinen vielfältig zu sein und COVID-19 hat die Situation zusätzlich negativ beeinflusst. Daher stellt sich mittlerweile auch die Frage nach weiteren, alternativen Früherkennungsmethoden.

Methodik

Auf Basis der LB gibt es zwei Verfahren, deren Entwicklung schon weit vorangeschritten ist: die Analyse von CTCs und von ctDNA. Während die Methodik für ctDNA gut etabliert und einheitlich ist, sind die Möglichkeiten zur Isolierung und Anreicherung der nur in geringer Konzentration vorkommenden CTCs sehr heterogen.

Verfahren, die auf den physikalischen Eigenschaften der CTCs basieren, nutzen deren Unterschiede in Größe, Dichte oder Deformierbarkeit. Auch über molekularbiologische Eigenschaften lassen sich CTCs bedingt isolieren. Vor allem antigenbasierte Verfahren werden verwendet, vorrangig unter Nutzung von immunomagnetischen Partikeln, die gegen den epithelialen Oberflächenmarker EpCAM gerichtet sind. Allerdings können CTCs mit dieser Methodik oft erst in der metastasierten Situation nachgewiesen werden, ein Nutzen für das Screening besteht somit nicht.

Neue Methoden nutzen hingegen die Apoptoseresistenz der Tumorzellen. In entarteten Zellen, und damit auch in CTCs, sind apoptoserelevante Signalwege blockiert. Werden kernhaltige Blutzellen (PBMCs) aus der LB in einer Kurzzeitkultur apoptoseinduzierenden Faktoren ausgesetzt, stammen die verbleibenden Zellen (CTCs) mit höchster Wahrscheinlichkeit aus einem malignen Tumor (Abb. 2) [3].

Abb. 2
figure 2

© S. Schuster, D. Reismann

: Detektion von zirkulierenden Tumorzellen (CTCs) bei einer Brustkrebspatientin durch Nutzung der atypischen Apoptoseeigenschaften von Krebszellen; CD45 = "cluster of differentiation 45"; DAPI = 4',6-Diamidino-2-phenylindol; EpCAM = "epithelial cell adhesion molecule"; GCDFP15 = "gross cystic disease fluid protein 15"; panCK = Zytokeratin pan; PBMCs = periphere mononukleäre Zellen; modifiziert nach [3]

Full size image

Studienlage zum CTC-basierten Screening

Grundlegend konnten CTCs zunächst mit der oben genannten Methode in einer Studie bei 89,8 % der 5.000 einbezogenen Krebspatienten und bei 3,7 % der 10.000 asymptomatischen Teilnehmenden nachgewiesen werden. Die Datenlage zeigt auch, dass die Identifikation von CTCs gegenüber ctDNA-basierten Methoden sensitiver ist, was die Entdeckung von Krebs in frühen Stadien betrifft [3, 4]. Darüber hinaus können CTCs in über 93 % der Fälle anhand ihrer Proteinexpression dem Ursprungsorgan, wie Brust, Lunge oder Pankreas, zugeordnet werden [5].

Das klinische Potenzial eines CTC-basierten Screenings wurde in mehreren prospektiven und retrospektiven Studien analysiert. Speziell im Fall des Mammakarzinoms konnte das Verfahren in einer 2022 veröffentlichten prospektiven klinischen Studie gutartige von malignen Veränderungen mit einer Spezifität von 93,1 % und einer Sensitivität von 94,6 % unterscheiden [6]. In dieser und einer weiteren Studie zum Prostatakarzinom wurde gezeigt, dass CTCs in 81 % beziehungsweise 75 % der untersuchten Fälle die gleichen Mutationen wie das Tumorgewebe tragen. Das heißt, die gefundenen CTCs stammen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit aus dem ursprünglichen Tumorgewebe [6, 7].

Darüber hinaus zeigte sich in einer Untersuchung, dass gesunde, jedoch CTC-positive Personen ein 230-fach erhöhtes Krebsrisiko im Vergleich zu CTC-negativen Personen haben [8]. Interessanterweise wurden im einjährigen Follow-up der Studie, die unterschiedliche solide Tumore untersuchte, vorrangig Fälle von Mammakarzinomen in der Screening-unauffälligen, CTC-positiven Kohorte gefunden.

Zulassung

Bislang wurden nur wenige blutbasierte Methoden von der US-amerikanischen Arzneimittelzulassungsbehörde FDA in das Breakthrough-Device-Designation-Programm aufgenommen (Stand: erstes Quartal 2023). Über diesen Weg können Medizinprodukte schneller zugelassen werden. Klinische Daten sind eine Voraussetzung für die Aufnahme. Drei dieser Methoden stammen von der Firma Datar Cancer Genetics und basieren auf der oben beschriebenen negativen Selektion von CTCs. Mit den Tests können Brustkrebs, Prostatakrebs und Gliome detektiert werden. Das Blut kann praktisch in jeder Praxis abgenommen werden, wodurch mögliche Risiken invasiver Methoden zunächst vermieden werden. Folglich kann ein solcher Test ergänzend zu standardisierten Früherkennungsprogrammen bei erhöhtem familiärem Risiko oder auch speziell bei Patientinnen mit sehr dichtem Brustgewebe eingesetzt werden.

Personalisiertes Therapiemanagement bei Krebs

Im vergangenen Jahrzehnt hat eine Vielzahl von Basket-Studien gezeigt, dass eine personalisierte Therapie anhand molekularer Eigenschaften und unabhängig vom Tumorursprung sinnvoll sein kann [9]. Die LB spielt dabei eine zunehmend wichtige Rolle. Die Vielfalt der vorhandenen Verfahren ist sicherlich einer der Gründe, weshalb sie sich in den aktuellen Leitlinien bislang nur in Nischen durchgesetzt hat (z. B. Testung auf eine Mutation des "epidermal growth factor receptor" (EGFR) bei Lungenkrebs).

Vor allem bei komplex zu behandelnden oder seltenen Tumoren weisen Publikationen jedoch auf die Vorteile der LB hin, denn häufig stellt sich die Frage nach der richtigen Weiterbehandlung, wenn Leitlinientherapien ausgeschöpft oder nicht vorhanden sind [10, 11, 12]. Bei fortgeschrittener Tumorerkrankung kommt hinzu, dass in der Regel mit jedem Wechsel der Behandlung das Ansprechen auf die Therapie durch neue Resistenzen abnimmt und gleichzeitig das Management der Nebenwirkungen aufwändiger wird [13]. In diesen Situationen ist eine Gewebebiopsie in vielen Fällen nicht möglich. Mittels LB kann das Tumorgeschehen dagegen in Echtzeit verfolgt werden.

Das aktuelle Methodenspektrum erlaubt es, mittels Isolation von ctDNA und CTCs aus der LB detaillierte molekularbiologische und genetische Tumorprofile zu erstellen. Die Identifikation diverser Biomarker ermöglicht dabei nicht nur zielgerichtete Therapien, sondern gibt auch Hinweise auf die Wirksamkeit einer zytotoxischen Therapie.

Zielgerichtete Therapien anhand von Liquid Biopsy

LIQUID IMPACT ist eine Pilotstudie, bei der Personen mit refraktärer fortgeschrittener Tumorerkrankung eine Kombinationstherapie erhielten, die auf im Blut zirkulierenden, therapierelevanten Tumorbiomarkern basiert, darunter CTCs, ctDNA (409 Gene), exosomale mRNA (20.800 Gene) und Daten zur Pharmakogenetik [14]. Für die Studie wurden 1.299 Fälle untersucht, um molekulare Targets zu evaluieren und anhand dessen die Studiengröße zu beurteilen. Final konnten 26 Teilnehmende in die prospektive Untersuchung einbezogen werden, von denen im Verlauf zwölf eine partielle Remission zeigten und elf in eine stabile Erkrankung überführt werden konnten. Dies entspricht einer Krankheitskontrollrate (DCR) von 88,5 %. Das mediane progressionsfreie Überleben (PFS) und das mediane Gesamtüberleben (OS) betrugen 4,3 Monate beziehungsweise 8,8 Monate. In der Studie waren außerdem keine schwerwiegenden Nebenwirkungen zu beobachten.

Vorangegangen waren drei prospektive, interventionelle Studien, die zusätzlich zur LB auch Gewebe untersuchten (Genetik und Immunhistochemie) [10, 11, 12]: In der Studie RESILIENT wurden 126 Personen mit fortgeschrittenen Tumoren und 17 verschiedenen Krebsarten eingeschlossen, darunter 27 Brustkrebspatientinnen [10]. Trotz der durchschnittlich 3,8 Vortherapien erreichten bei Studienende 35,7 % der Patientinnen und Patienten eine partielle Remission, bei 52,4 % stabilisierte sich die Erkrankung und bei 9,5 % war der Verlauf progredient. Insgesamt lag das PFS nach 90 und 180 Tagen bei 93,9 % beziehungsweise 82,4 %. Von den 27 Brustkrebspatientinnen wurde nach Abschluss des Beobachtungszeitraums bei 16 eine partielle Remission beobachtet und bei weiteren zehn Patientinnen stabilisierte sich die Krankheit. Am meisten profitierten in der Studie Frauen, bei denen aufgrund der Ergebnisse eine Chemotherapie mit einer Antikörper- oder antihormonellen Therapie kombiniert wurde. In der Studie traten keine Nebenwirkungen vom Schweregrad 4 auf.

Hervorzuheben ist auch eine Studie, bei der 49 Personen mit metastasierten soliden Tumoren auf Basis einer molekularbiologischen Analyse mTOR-Inhibitoren in Kombination mit einem oder zwei weiteren Medikamenten (Chemotherapeutika, endokrine oder gezielte Therapien) erhielten [11]. Mit diesen individuellen Kombinationstherapien konnte bei 55,1 % der Teilnehmenden eine partielle Remission und bei 34,7 % eine Stabilisierung der Erkrankung erzielt werden; bei 8,1 % kam es zu einem Progress. PFS und OS lagen bei einem akzeptablen Nebenwirkungsprofil bei 4,9 beziehungsweise 9,4 Monaten.

Chemoresistenzprofile

Die systemische Chemotherapie ist noch immer ein Hauptpfeiler in der Tumorbehandlung. In Leitlinien variiert die Anzahl der empfohlenen Chemotherapeutika abhängig von der Tumorart deutlich. Ohne konkrete funktionelle Analysen ist die Wahl einer geeigneten Chemotherapie häufig ein empirischer Prozess.

In älteren Studien wurde versucht, Chemoresistenzprofile anhand funktioneller Analysen von CTCs zu erstellen. Dieses Vorhaben ist jedoch häufig daran gescheitert, CTCs effektiv zu gewinnen, sodass eine klinische Anwendung bis dato nicht möglich schien [15, 16, 17]. Andere Ansätze, die die komplexe 3D-Struktur des Tumors modellieren wollen, sind zeitintensiv und erfordern in der Regel große Gewebemengen oder eine Vervielfältigung der Zellen im Voraus.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren (s. Abb. 2) sind CTCs hingegen für eine breite Testung schnell verfügbar. Eine Studie mit über 5.000 Patienten zeigte 2020, dass anhand so gewonnener CTCs erstellte Chemoresistenzprofile große Konkordanz zu den Ergebnissen aus Gewebebiopsien aufwiesen [18]. Dazu wurden CTCs in vitro verschiedensten Chemotherapeutika ausgesetzt. In einer Subpopulation von 230 Teilnehmenden stimmte das Ansprechverhalten einer frischen Gewebebiopsie auf Chemotherapeutika zu 93 % mit dem der CTCs aus der LB überein. Darüber hinaus wurde ein Therapieversagen bei 79 % der Erkrankten anhand der Chemoresistenzprofile der CTCs erkannt. Bei weiteren 77 vorbehandelten Patienten mit einem Krankheitsprogress konnte in 97 % der Fälle eine Übereinstimmung zwischen dem Ansprechen der CTCs in vitro und dem der Betroffenen in vivo gezeigt werden.

Rezidivmonitoring

Der Begriff "ctDNA-Rezidiv" taucht im Rahmen des Monitorings seit 2021 auf und beschreibt einen auffälligen Anstieg an messbarer ctDNA in der LB ohne offensichtliches Rezidiv in der Bildgebung. Die Vorlaufzeit der Detektion von ctDNA bis zum radiologischen Befund betrug in verschiedenen retrospektiven Studien bis zu elf Monate [19].

Patientinnen mit Hormonrezeptor-positivem und HER2-negativem Brustkrebs können auch mehr als 20 Jahre nach Erstdiagnose noch ein Rezidiv bilden. Das kumulative Risiko von Patientinnen mit BRCA1/2-Mutation, nach Mammakarzinom innerhalb von 25 Jahren in der kontralateralen Brust einen Tumor zu entwickeln, liegt bei circa 47 % (bei unter 40-Jährigen sogar bei 63 %) [20, 21]. Entsprechend groß ist der Nutzen des Monitorings mittels LB für diese Risikopatientinnen. Ob und wie eine systemische Behandlung bereits bei einem ctDNA-Rezidiv möglich beziehungsweise sinnvoll ist, muss noch in klinischen Studien untersucht werden. Eine Kombinationsanalyse zusammen mit CTCs ermöglicht es eventuell, die Situation noch umfassender zu betrachten. Die Datenlage ist hier allerdings noch nicht einheitlich, da die Methoden derzeit stark voneinander abweichen.

Fazit

Die LB hat in verschiedenen Situationen Vorteile, unabhängig davon, ob es sich um die Früherkennung von Krebs oder das Therapiemanagement in fortgeschrittenen Erkrankungsstadien handelt. Eine Vielzahl von Studien belegt ihre klinische Relevanz.

Noch ist es zu früh, um davon auszugehen, dass die etablierte Diagnostik in kurzer Zeit durch LB ersetzt werden wird. Dafür variieren die Verfahren für die CTC-Analyse zu sehr, was einen unterschiedlichen klinischen Nutzen zur Folge hat. Die kommende EU-Verordnung für In-vitro-Diagnostika (IVDR) wird diesbezüglich einige Sicherheit bringen.

Allerdings kann die LB bereits Standardverfahren ergänzen. Ein geeignetes Erwartungsmanagement sowohl von Behandlerinnen und Behandlern als auch von Betroffenen ist notwendig, um Vorteile wie die sensitive Früherkennung von malignen Erkrankungen durch blutbasierte Biomarker, aber auch Nachteile wie Überdiagnosen zu verdeutlichen.

Es wird sicherlich noch dauern, bis die personalisierte Onkologie schon in frühen Krankheitsstadien eingesetzt werden kann, um die Therapie in der Erstlinie anzupassen. Bei fortgeschrittenen, komplexen Krebserkrankungen liegen aber mittlerweile ausreichend Daten vor, welche die Vorteile einer personalisierten Therapie basierend auch auf LB zeigen.