Quantitative Metabolom-Daten erstmals standardisiert Targeted Metabolomics – Neue Wege in der Personalisierten Medizin

Die Analyse des humanen Metaboloms bietet heute die Möglichkeit, ein umfassendes Abbild des Stoffwechselprofils (Metabolomics) und mittels quantitativer Biomarker-Signaturen den individuellen Gesundheitszustand in minimalsten Blutmengen zu erfassen – sogar unter klinischen Routine-Kriterien.

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CANDOR Bioscience GmbH

BIOCRATES Life Sciences AG

Sowohl die klinische, pharmazeutische, toxikologische als auch die biologische Grundlagenforschung setzt auf Metabolomics als neue Omics-Technologie. Viele biologisch/medizinische Fragestellungen können nicht allein bzw. wenn überhaupt von etablierten Genomics- und Proteomics-Technologien beantwortet werden. Hier rückt das Metabolom in das zentrale Forschungsinteresse. Es stellt den tatsächlichen Istzustand des biologischen Systems in seiner Gesamtheit dar, welcher anhand seiner Metabolitenprofile z.B. in Blutplasma aktuell ausgelesen werden kann. Die metabolischen Veränderungen betreffen dabei nicht einzelne Metaboliten sondern wirken sich auf das gesamte metabolische Stoffwechsel-Netzwerk aus. Deshalb werden, wie von den führenden Forschern in Metabolomics in ihrer aktuellen internationalen Veröffentlichung: „Metabolomics enables precision medicine: A White Paper, Community Perspective“ beschrieben [1], zukünftig Biomarker-Signaturen und nicht einzelne „goldene“ Biomarker als neue Diagnostika ihren Weg in die klinische Labormedizin finden. In diesem White Paper werden die Kit-Technologien von Biocrates Life Sciences explizit als technische Lösung für die notwendige Inter-Laborvergleichbarkeit genannt, um neue Metabolomics-Applikationen erfolgreich mit notwendiger routinetauglicher und standardisierter Quantifizierung in großen Metabolom-Studien zu entwickeln und um diese zukünftig in die Klinik zu bringen.

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David Wishart, einer der Key Opinion Leader und Vordenker im Bereich der Metabolomics, sieht die Notwendigkeit von quantitativen und reproduzierbaren Metabolomics-Daten und einen hohen technischen Automatisierungsgrad mit Bezug auf die Biocrates-Kits als Grund-Voraussetzung für den Erfolg von Metabolomics für zukünftige Anwendungen in der Medikamentenentwicklung und in der Klinik. So prognostiziert er mit diesen Voraussetzungen ein grundlegendes „paradigm shift in how drugs are being discovered, developed, delivered and dosed“ [2].

Metabolom-Analyse – Von der Forschung bis hin zur Diagnostik

Zwei sich ergänzende technologische massenspektrometrische Ansätze werden in der Metabolom-Analyse aktuell verfolgt. Der so genannte Profiling-Ansatz zielt auf die breite ungerichtete Analyse des Metaboloms ab, legt den Fokus auf die qualitative, nicht auf die quantitative Analyse und hat daher seinen Anwendungsschwerpunkt eher in der Metabolom-Grundlagenforschung mit wenigen Studien-Proben. Dieser Ansatz ist technisch bedingt weder auf Vergleichbarkeit noch auf Reproduzierbarkeit der Daten von Studie zu Studie ausgelegt. Der zweite technische Ansatz der so genannten Targeted Metabolomics zielt auf die quantitative Analyse von identifizierten Metaboliten ab und ist der ideale Ansatz für Hypothesen-getriebene Fragestellungen und Studien.

Dieser Targeted-Metabolomics-Ansatz wurde von Biocrates in seinen Kit-Technologien unter Berücksichtigung der heutigen klinisch-analytischen Laborkriterien weiterentwickelt, um quantitative Metabolom-Daten in großer simultaner Metabolitenabdeckung erstmalig standardisiert, Qualitäts- und Workflow-kontrolliert und somit vergleichbar und reproduzierbar von Labor zu Labor, von Gerät zu Gerät und letztendlich von Probe zu Probe gewährleisten zu können. Deshalb kann die Biocrates-Kit-Technologie schnell für zukünftige klinische Validierungsstudien von metabolischen Biomarker-Signaturen bis hin zu Diagnostik-Kits weiterentwickelt werden.

Um den Technologiefortschritt mit den Biocrates-Kits darzulegen, wurden im vergangenen Jahr zwei Ringversuche mit den Kits [3, 4] in internationalen Laboren durchgeführt, um die Robustheit und Vergleichbarkeit der Daten von Labor zu Labor zu demonstrieren. Dies ist bisher noch mit keinem anderen Metabolomics-Ansatz gelungen. Der konzeptionelle klinische Erfolg von Targeted Metabolomics mit entsprechenden Biomarker-Signaturen wurde bereits mit dem Neugeborenen-Screening demonstriert, wobei jedes Neugeborene innerhalb der ersten Lebenstage mittels einer minimalen Fersen-Blutprobe auf angeborene monogenetische Stoffwechsel-Defekte hin untersucht wird. Diese Anwendung zeigt, dass die Technologie der Targeted Metabolomics in der Lage ist, wichtige Lücken in der Diagnostik zu schließen. Andererseits ebnet sie den Weg für weitere Lösungen medizinischer Fragestellungen in Diagnose, Vorhersage und Klassifizierung von vielen Erkrankungen, die doch mehr metabolischer Natur sind als in der Vergangenheit angenommen [5].

Vielfältig, automatisierbar und ready-to-use

Drei Biocrates-Forschungskits sind derzeit am Markt verfügbar. Sie ermöglichen die Analyse einer Vielzahl biologischer Materialien (i.d.R. Blutplasma und -serum aber auch anderer flüssiger Bioproben wie Vollblut, Urin, Rückenmarksflüssigkeit, Milch sowie Stuhl-, Gewebe-, Organ- oder Zellkulturproben) über die verschiedensten Spezies (Mensch, Maus, Rind, Hefe, C. elegans) hinweg. Die Kits sind somit unter anderem auch ideal für die translationale forschende Medizin geeignet, da die Metaboliten in den verschiedenen Spezies identisch und auch die zentralen Stoffwechselwege in der Evolution stark konserviert sind. Deshalb sind hier Untersuchungen von der Zellkultur über präklinische Tiermodelle bis hin zu klinischen Studien im Menschen mit den gleichen analytischen Methoden durchführbar. Dies ist gerade im Bereich Genomics aufgrund der genetischen Unterschiede nur schwierig möglich.

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Die Kits im 96-well-plate-Format sind so konzipiert, dass der gesamte Workflow von der Probe bis zum Metabolom-Analysenergebnis mit Unterstützung einer eigens entwickelten Software (MetIDQ-Software) standardisiert, qualitätskon­trolliert und mit automatischer Daten-Auslesung begleitet wird. So werden mittels dieser Software z.B. im AbsoluteIDQ p180 Kit für die Quantifizierung von 188 Metaboliten mehr als 22 000 Mess-Datenfiles generiert. Diese werden automatisch und reproduzierbar innerhalb weniger Minuten analysiert. Die Quantifizierung mit standardisierten Konzentrationsangaben, einschließlich Prüfung der analytischen Validität, Qualitätskontrolle und technische Freigabe der Daten wird im standardisierten Datenformat zusammenfassend dargestellt.

Die Kits beinhalten für die Durchführung eine patentierte Prozedur und Hardware für die Probenvorbereitung im 96-well-plate-Format und ermöglichen somit eine automatisierte als auch händische Durchführung der Probenvorbereitung. Darüber hinaus sind für die gängigen Triple-Quadrupole-LC-MS-Systeme (AB Sciex, Waters, Thermo) fertige Mess- und Auswertemethoden sowie die Zusätze für die mobilen Phasen für massenspek­trometrische Analysen inkludiert. Des Weiteren sind alle notwendigen Reagenzien für die Quantifizierung und analytische Qualitätskontrolle (drei Kontrollmaterialien, 7-Punkt-Kalibratoren, interne Standards, Instrument-Systemtestmix) Bestandteil des Kits. Die Kits sind auf ready-to-use ausgelegt und innerhalb eines Tages in einem Massenspektrometrie-Labor etabliert.

Umfassende Abdeckung erlaubt zahlreiche Anwendungen

Die drei Kits (AbsoluteIDQ p180 Kit, AbsoluteIDQ Stero17 Kit, Biocrates Bile Acids Kit) bieten eine umfassende Abdeckung des zentralen metabolischen Stoffwechsels und finden zahlreiche Anwendungen zu den verschiedensten medizinischen Fragestellungen und Indikationen. Eindrucksvoll belegen das mehr als 300 Publikationen allein in den vergangenen drei Jahren.

Literatur:

[1] Beger RD., Dunn W., Schmidt MA. Metabolomics enables precision medicine: „A White Paper, Community Perspective“. Metabolomics (2016) 12: 149. doi:10.1007/s11306-016-1094-6

[2] Wishart DS. Emerging applications of metabolomics in drug discovery and precicion medicine. Nature Reviews Drug Discovery, (2016) 15: 473

[3] Siskos AP., Jain P., Römisch-Margl W. et al. Inter-laboratory reproducibility of a targeted metabolomics platform for analysis of human serum and plasma. Anal. Chem., 2017, 89 (1), pp 656–665. doi: 10.1021/acs.analchem.6b02930

[4] Pham HT., Arnhard K., Asad YJ. et al. Inter-laboratory robustness of next-generation bile acid study in mice and humans: International Ring Trial involving 12 laboratories. JALM 2016. doi: 10.1373/jalm.2016.020537

[5] Diaz DA., Koal T. Progress in metabolomics standardisation and ist significance in future clinical laboratory medicine. eJIFCC, 2016, 27 (4) pp331-343. http://www.ifcc.org/media/442828/eJIFCC2016Vol27No4pp331_343.pdf

[6] Greaves RF., Ho CS, Hoad KE. Et al. Achievements and future directions oft he APFCB mass spetrometry harmonization project on serum testosterone. Clin Biochem Rev., 2016, 37 (29) pp63-84.

* T. Koal: Biocrates Life Sciences AG, 6020 Innsbruck, Österreich

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