Was sind molekulare Tests? Durchführung und Anwendung bei Krebs und anderen Erkrankungen

Was sind molekulare Tests?

Molekulare Tests untersuchen biologische Materialien anhand von Proben, beispielsweise DNA, RNA, Proteine oder Fette. Dabei werden Aufbau und Eigenschaften dieser Materialien analysiert.

Diese Tests dienen bei verschiedenen Erkrankungen der Diagnose, Behandlungsplanung und Verlaufskontrolle. Beispielsweise können molekulare Diagnosetests nach der DNA von Influenzaviren oder Coronaviren suchen, um festzustellen, ob jemand Grippe oder COVID-19 hat. Ebenso können sie dazu dienen, die Unterform eines Tumors, krebsverursachende Mutationen oder die Eignung für zielgerichtete Medikamente zu bestimmen, indem sie die DNA der Krebszellen untersuchen. Auch in der Allergologie und Immunologie werden molekulare Tests häufig eingesetzt.

Für die Medizin sind molekulare Diagnosetests wichtig, weil sie sehr empfindliche und genaue Ergebnisse liefern.

Sind molekulare und genetische Tests dasselbe?

Molekulare Tests werden häufig auch als „genetische Tests“ bezeichnet. Vollständig identisch sind beide jedoch nicht. Sie können ähnlichen Zwecken dienen, liefern aber durch die Untersuchung unterschiedlicher biologischer Materialien verschiedene Informationen. Molekulare Tests können beispielsweise auch Biomarker wie Proteine und Fettmoleküle untersuchen. Genetische Tests analysieren dagegen die genetische Ausstattung eines Menschen, also DNA und RNA.

Arten molekularer Tests

Molekulare Tests nutzen unterschiedliche Verfahren, um Moleküle in Proben nachzuweisen und ihre Sichtbarkeit zu erhöhen. Die Proben stammen meist aus Speichel, Blut oder einer Gewebebiopsie.

In vielen Situationen bieten molekulare Tests größere Sicherheit. Beispielsweise lassen sich krebsartspezifische genetische Veränderungen erkennen und dadurch gezieltere Therapien auswählen. Molekulare Tests suchen nach DNA- oder RNA-Abschnitten, die bekanntermaßen mit bestimmten Erkrankungen verbunden sind, und liefern bei korrekter Durchführung eindeutige Ergebnisse. Manchmal kann eine zunächst vorläufige Diagnose durch molekulare Tests später bestätigt werden. 

Es gibt viele unterschiedliche molekulare Testverfahren:

• Polymerase-Kettenreaktion (PCR): Dieses Verfahren vervielfältigt gewünschte DNA-Abschnitte in biologischen Proben. PCR ist sehr schnell und empfindlich und bildet die Grundlage vieler molekularer Tests.

• Sequenzierung der nächsten Generation (Next Generation Sequencing, NGS): Dieses Verfahren bestimmt die gesamte Nukleotidsequenz einer DNA-Probe. Es ist beispielsweise für die Identifizierung genetischer Mutationen und die Erstellung evolutionärer Stammbäume biologischer Proben von großer Forschungsbedeutung.

• Southern-Blot: Dabei wird DNA durch Elektrophorese getrennt und anschließend ein bestimmter Abschnitt nachgewiesen. Southern-Blots dienen dem Nachweis genetischer Mutationen und chromosomaler Veränderungen.

• Western-Blot: Dabei werden Proteine durch Elektrophorese getrennt und anschließend Banden bestimmter Proteine nachgewiesen. Western-Blots werden zur Untersuchung der Proteinexpression oder von Proteinmodifikationen eingesetzt.

• Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH): Diese Technik bestimmt die Anwesenheit oder Lage eines bestimmten Gens in den Zellen einer Probe. Der FISH-Test verwendet fluoreszenzmarkierte Nukleotide, die passend zur DNA-Sequenz des Zielgens hergestellt werden. Sie binden an dessen DNA und werden unter einem speziellen Lichtmikroskop untersucht. So lässt sich feststellen, ob und wo das Gen vorhanden ist.

• Massenspektrometrie: Dieses Verfahren bestimmt die molekulare Struktur eines Stoffes durch Messung der Atomgewichte. Dadurch lassen sich die Anteile verschiedener Atome und Informationen zur Molekülstruktur ermitteln.

• NMR-Spektroskopie (Kernspinresonanz): Dieses Verfahren bestimmt die Molekülstruktur anhand der magnetischen Eigenschaften der Atome. So lassen sich ihre unterschiedlichen Positionen im Stoff ermitteln und Informationen über die Molekülstruktur gewinnen.

Bei jedem Verfahren wird eine Körperprobe entnommen, deren Moleküle anschließend besser sichtbar gemacht werden. Fachpersonal untersucht sie dann unter dem Mikroskop oder mit speziellen biomedizinischen Geräten und erstellt einen Befund.

Warum werden molekulare Tests angefordert?

Fachleute nutzen molekulare Tests, um zusätzliche Diagnoseinformationen zu erhalten und Ergebnisse vorherzusagen. Sie erfüllen viele Zwecke, darunter:

• Risikobeurteilung verschiedener Erkrankungen
• Bestätigung bestimmter Infektionen, die mit herkömmlichen Laborverfahren nicht erkennbar sind
• Genetische Beratung für Schwangere oder Menschen mit Kinderwunsch
• Unterstützung von Behandlungsentscheidungen
• Beurteilung des möglichen Ansprechens auf Medikamente
• Diagnose bestimmter Unterformen von Brust-, Lungen- oder Darmkrebs

Ein häufig verwendeter molekularer Test bei Krebs: HER2-FISH

Der HER2-FISH-Test ist ein molekularbiologisches Verfahren zum Nachweis der Überproduktion des HER2-Gens in Brustkrebszellen. HER2 ist ein Gen, das ein Protein bildet und im Brustgewebe vorkommt. Normalerweise ist die Produktion des HER2-Gens geregelt und ausgeglichen. Manchmal wird HER2 jedoch übermäßig produziert, was Zellen zu schnellem Wachstum und rascher Vermehrung anregt und die Entstehung von Brustkrebs auslösen kann.

Der HER2-FISH-Test verwendet fluoreszenzmarkierte Nukleotide, die passend zur DNA-Sequenz des Zielgens hergestellt werden. Sie binden an dessen DNA und werden unter einem speziellen Lichtmikroskop untersucht. Dadurch lässt sich eine Überproduktion des HER2-Proteins als Produkt des HER2-Gens, also eine Überexpression, nachweisen. HER2-FISH wird zur Brustkrebsdiagnose und Behandlungssteuerung eingesetzt. Beispielsweise zeigen bei Patienten mit nachgewiesener Überproduktion des HER2-Genprodukts gegen HER2 gerichtete Medikamente eine höhere Wirksamkeit.

Was wird für molekulare Tests benötigt?

Jeder Test benötigt eine Probe der betreffenden Person. COVID-19-Tests suchen beispielsweise in Nasen- und Atemwegssekreten nach coronavirus-spezifischen Antigenen. Diese befinden sich typischerweise auf der Virusoberfläche.

Mögliche Proben für molekulare Tests sind:

• Durch Biopsie entnommenes Tumorgewebe
• Blut
• Körperflüssigkeiten wie Atemwegssekrete
• Fruchtwasser

Die 2 Hauptklassen molekularer Tests

Molekulare Tests entwickeln sich rasch weiter, und ihre Zahl nimmt zu. Beispielsweise sind COVID-19-PCR-Tests eine Art molekularer Tests, die Wissenschaftler zur Bekämpfung der COVID-19-Pandemie schnell entwickelten.

Molekulare Tests lassen sich allgemein in zwei große Kategorien mit vielen Unterformen einteilen:

1. Genomsequenzierung und -untersuchung
2. Genetische Biomarker

Genomsequenzierung und -untersuchung

Bei der Genomsequenzierung wird das Erbmaterial einer Zelle ganz oder teilweise analysiert, um bestimmte Gene oder Genveränderungen zu finden. Gene bestehen aus DNA und enthalten Bauanleitungen für Proteine. Das Verfahren kann außerdem prüfen, ob jemand ein krankheitsbezogenes Gen trägt. Es ist eine häufige Testform während einer Schwangerschaft oder bei Kinderwunsch.

Eine weitere Anwendung ist die Vorhersage des Ansprechens auf bestimmte Medikamente. Träger bestimmter Gene sprechen beispielsweise auf manche Arzneimittel nicht gut an oder haben ein erhöhtes Risiko für bestimmte allergische Reaktionen.

Vor- und Nachteile molekularer Tests

Diese Tests bieten viele Vorteile, darunter:

• Vorausschau: Wenn jemand Gene für bestimmte schädliche oder möglicherweise lebensbedrohliche Erkrankungen trägt, kann das Wissen die Familienplanung unterstützen.
• Behandlungsentscheidungen: Menschen mit höherem Erkrankungsrisiko können langfristig planen oder ihren Lebensstil zur Risikosenkung ändern. Die Untersuchung verschiedener krebsbezogener Genvarianten kann die Brustkrebsfrüherkennung steuern.
• Weitere Anwendungen: Manche Menschen nutzen molekulare Erbtests, um mögliche Erkrankungen in ihrer Familie zu untersuchen oder aus Interesse an ihrem genetischen Erbe.

Es gibt auch Nachteile:

• Verlässlichkeit: Sie kann besonders bei erbgenetischen Tests schwanken. Der Nachweis genetischer Risikofaktoren bedeutet nicht, dass eine Erkrankung sicher auftritt, und kann unnötige Ängste verursachen.
• Entscheidungen: Genetisch begründete Entscheidungen können schwierig sein. Beispielsweise kann jemand nach der Information, dass das Kind mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% eine lebensbedrohliche Erkrankung tragen könnte, vor der Frage eines Schwangerschaftsabbruchs stehen.
• Zugang: Molekulare Tests können teuer und von der Versicherung nicht abgedeckt sein, was den Zugang einschränkt.
• Datenschutz: Die Wahl nicht akkreditierter oder nicht kontrollierter Anbieter genetischer Tests kann den Schutz der eigenen genetischen Daten gefährden.

Genetische Marker

Eine andere Art genetischer Tests sucht nach genetischen Biomarkern von Infektionen oder anderen Erkrankungen. Statt das gesamte Genom zu sequenzieren, prüft sie auf darin enthaltene genetische Signale, die stark mit der vermuteten Erkrankung zusammenhängen.

Ein Beispiel ist der COVID-19-PCR-Test. Er sucht nach dem Erbmaterial des Virus, das COVID-19 verursacht.

Auch in der Onkologie werden genetische Tests an bestimmten Tumorarten durchgeführt. Unterschiedliche genetische Signaturen können zeigen, welche Krebsart vorliegt und welche Behandlung eher wirksam sein könnte.

Der größte Vorteil genetischer Biomarkertests ist ihre hohe Wahrscheinlichkeit zutreffender Ergebnisse. In manchen Fällen können sie eine Diagnose bestätigen. Außerdem unterstützen sie fundierte medizinische Entscheidungen und eine gezieltere Behandlung.

Welche Nachteile haben genetische Marker?

• Zugang: Molekulare Tests sind oft teurer und weniger leicht verfügbar. Genetische Krebstests kosten beispielsweise mehr und benötigen länger bis zum Ergebnis. Auch COVID-19-PCR-Tests sind teurer und langsamer als Antigentests für zu Hause. Zudem eignet sich nicht jeder molekulare Test für alle Patienten.
• Verlässlichkeit: Molekulare Tests auf Erkrankungen und Infektionen sind meist genau, aber kein Test bietet 100% Sicherheit.
• Probenprobleme: Das gewonnene Material kann unzureichend sein. Liefert beispielsweise eine Biopsie nicht genug Gewebe, kann dies den Ablauf behindern.

Molekulare Tests und COVID-19

Polymerase-Kettenreaktionstests (PCR) gehören zu den genauesten und am häufigsten verwendeten molekularen Verfahren zum Nachweis von COVID-19. Sie suchen nach virusspezifischem diagnostischem Erbmaterial und vervielfältigen anschließend dieses kleine Stück viraler DNA zur Bestätigung im Labor. Bis zum Ergebnis vergehen meist einige Tage.

Wie unterscheiden sich Antigen- und molekulare Tests auf Covid-19?

Antigentests suchen nach Virusproteinen. Diese sind leichter nachzuweisen, sodass rasch ein positives oder negatives Ergebnis möglich ist. PCR-Tests suchen dagegen nach viralem Erbmaterial und vervielfältigen es, damit das Diagnoseverfahren das Virus bestätigen kann. Sie sind empfindlicher und aufwendiger und können das Virus bereits nachweisen, bevor eine Person Symptome entwickelt oder ansteckend wird.

Was ist ein molekularer Allergietest?

Ein molekularer Allergietest bestimmt die Empfindlichkeit gegenüber einem bestimmten Allergen. Allergene sind Stoffe, die beim Menschen Allergien auslösen können. Beispielsweise kann der Test nach dem Biss eines unbekannten Insekts helfen, die Insektenart zu bestimmen.

Molekulare Allergietests werden meist an Blut- oder Nasenproben durchgeführt. Beispielsweise kann eine Schleimprobe aus der Nase auf Allergene untersucht werden; ebenso ist dies mit einer Blutprobe möglich. Indem die Tests eine Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Allergenen feststellen, helfen sie bei der Suche nach den Ursachen allergischer Beschwerden.

Häufige Fragen zu molekularen Tests

Wie können molekulare Tests bei der Krebsbehandlung helfen?

Sie können bei manchen Krebspatienten die Therapie steuern. Allerdings sind sie nicht in jeder Situation hilfreich, etwa wenn:

• Keine Gewebebiopsie entnommen werden kann
• Die Biopsieprobe unzureichend ist

Bei unzureichendem Gewebe gewinnen jedoch auch Flüssigbiopsien, beispielsweise aus Blut, in der Krebsmedizin zunehmend an Bedeutung.

Selbst wenn ein molekularer Test auf eine bestimmte Therapie hinweist, garantiert dies nicht, dass sie den Krebs wirksam behandelt.

Was ist Next Generation Sequencing (NGS)?

Die Sequenzierung der nächsten Generation ist ein molekulares Hochgeschwindigkeitsverfahren, das viele DNA-Abschnitte gleichzeitig sequenzieren kann. Es ist empfindlicher und verlässlicher als klassische Techniken, kann kleinere genetische Veränderungen erkennen und bietet einen umfassenderen Blick auf Genom und genetische Risikofaktoren.

NGS ist inzwischen zum verlässlichsten und am häufigsten eingesetzten molekularen Verfahren bei genetischen Krebstests geworden.

Wie genau sind molekulare Tests?

Ihre Genauigkeit hängt vom jeweiligen Test ab. Im Allgemeinen sind sie genau, aber nicht perfekt. Ein Artikel von 2019, der verschiedene molekulare COVID-19-Tests verglich, berichtete beispielsweise:

• Die zusammengefasste Sensitivität betrug 95,9%. Das bedeutet sehr wenige falsch negative Ergebnisse.
• Die zusammengefasste Spezifität betrug 97,2%, was sehr wenige falsch positive Ergebnisse bedeutet.
• Manche Tests waren mit einer Gesamtsensitivität zwischen 80,5% und 96,6% weniger genau.

Ein Labor beurteilt die Testgenauigkeit meist anhand von Sensitivität und Spezifität. Hohe Werte für beide bedeuten, dass Menschen mit und ohne die betreffende Erkrankung korrekt erkannt werden können.

Molekulare Genomtests können schwierig sein. Kleinere Mutationen und genetische Veränderungen sind oft besonders schwer nachzuweisen. Die verbreitetsten Verfahren erkennen nur eine begrenzte Zahl genetischer Probleme.

Zusammenfassung

Molekulare Tests sind eine Art genetischer Untersuchung, die wichtige Informationen über das Genom eines Menschen liefert. Anhand charakteristischer genetischer Merkmale verschiedener Krankheitserreger und Erkrankungen können sie außerdem Hinweise auf bestimmte Infektionen und genetische Krankheiten erkennen. Mit der Einführung weiterer Verfahren entwickelt sich dieses Gebiet rasch.

Die genetische Sequenzierung macht mit Techniken der nächsten Generation Fortschritte. Dennoch ist es wichtig, die Grenzen molekularer Tests zu verstehen. Das gilt besonders für genetische Untersuchungen mit eingeschränkter Gewissheit, beispielsweise vorgeburtliche Tests.