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Massenspektrometrie für die Präzisionsmedizin

10.02.2020 / Forschungsgruppen der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) bündeln mit weiteren Berliner Partnern ihre herausragende Expertise in der Massenspektrometrie zu einem Forschungskern. Ziel des Konsortiums MSTARS ist es, die Technologie für den Einsatz in der Patientenversorgung weiterzuentwickeln und für die Analyse der Therapieresistenz zu nutzen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Vorhaben für mindestens drei Jahre mit insgesamt rund 5,7 Millionen Euro.

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Eine vergrößerte Darstellung der Ionenquelle eines Massenspektrometers: Die analysierten Peptide kommen aus der Chromatographie-Säule vorne aus der Spitze als Ionen in das Massenspektrometer hinein. © Ausserhofer, MDC

Viele Jahre lang galt die umfassende Analyse von Genen als Methode der Wahl, um komplexe Krankheiten wie Krebs besser zu verstehen und Patientinnen und Patienten immer individueller behandeln zu können. Der Ansatz zeigte Erfolg und mündete in zahlreichen neuen gezielten Behandlungsformen. „Man wusste jedoch schon sehr früh, dass der Verlauf einer Krankheit nicht nur von den Genen allein bestimmt wird“, erklärt Prof. Dr. Ulrich Keilholz, Direktor des Charité Comprehensive Cancer Centers (CCCC) und einer der vier gleichberechtigten Koordinatoren des Projekts. „Stattdessen kommt es oft darauf an, in welchem Umfang diese Gene in Proteine übersetzt werden, wie die Proteine miteinander interagieren oder wie genau der Stoffwechsel bei der Erkrankung abläuft. Die Massenspektrometrie ermöglicht es, schnell und umfassend Biomoleküle zu identifizieren und zu quantifizieren. Diese Technologie werden wir deshalb nutzen, um das Zusammenspiel krankheitsrelevanter Zellkomponenten besser zu verstehen und dadurch die Präzisionsmedizin, also die individuelle Behandlung von Patientinnen und Patienten, weiter zu verbessern.“

Die drei weiteren Koordinatoren des MSTARS-Konsortiums sind Prof. Dr. Matthias Selbach, Leiter der Gruppe Proteom-Dynamik am MDC, Prof. Dr. Markus Ralser, Leiter des Instituts für Biochemie der Charité, sowie Prof. Dr. Frederick Klauschen vom Institut für Pathologie der Charité. Wissenschaftliche Partner des Projekts sind zahlreiche weitere Experten aus Charité und MDC sowie dem Berlin Institute of Health (BIH), der Humboldt-Universität zu Berlin und dem Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik. „Mit der Gründung des neuen Forschungskerns vereinigen wir die Berliner Expertise im Bereich Massenspektrometrie, Patientenversorgung und Datenanalyse unter einem Dach“, sagt Prof. Selbach. „Indem wir das erstklassige Fachwissen der unterschiedlichen Institutionen und Disziplinen mit der breiten klinischen Expertise der Charité zusammenbringen, werden wir die Technologie der Massenspektrometrie weiterentwickeln und für die klinische Praxis nutzen können.“

„Ein wesentliches Ziel dabei ist es, massenspektrometrische Methoden noch robuster und reproduzierbarer zu machen“, ergänzt Prof. Ralser. „Um mit der Technologie die Patientenversorgung verbessern zu können, müssen wir außerdem in der Lage sein, große Probenmengen in kurzer Zeit zu analysieren. Dazu werden wir Kapazitäten aufbauen und standardisierte Arbeitsabläufe von der Probengewinnung bis zum Datenmanagement etablieren.“

Die Infrastruktur, die das Konsortium aufbauen wird, eignet sich grundsätzlich für die Analyse verschiedenster Krankheiten. Als erstes Anwendungsbeispiel werden sich die Forschungsgruppen auf die Untersuchung der Therapieresistenz bei Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinomen fokussieren. „Für diese Tumorerkrankungen gibt es moderne Behandlungsstrategien, die auf bestimmte genetische Fehlfunktionen in dem Krebsgewebe des jeweiligen Patienten abzielen“, erklärt Prof. Klauschen. „Aus bisher ungeklärten Gründen funktionieren diese Therapien bei einigen Patienten sehr gut, während sie bei anderen Personen mit derselben genetischen Ausstattung aber keine Wirkung zeigen. Wir möchten die Gewebeproben per Massenspektrometrie untersuchen, um diese Patientengruppen auseinanderzuhalten und so die Entscheidung für oder gegen eine solche Therapie im individuellen Fall zu vereinfachen.“ Dafür ist die Analyse großer Datenmengen nötig, für die auch Methoden der künstlichen Intelligenz zum Einsatz kommen.

Gefördert wird das Projekt MSTARS (Multimodal Clinical Mass Spectrometry to Target Treatment Resistance) vom BMBF im Rahmen der Fördermaßnahme „Forschungskerne für Massenspektrometrie in der Systemmedizin“. MSTARS ist einer von vier Forschungskernen, die das BMBF ausgewählt hat. Weitere Forschungskerne entstehen in Heidelberg, Mainz und München. Bewilligt wurden die Mittel für zunächst drei Jahre. Nach zweieinhalb Jahren werden die geförderten Projekte einer Zwischenbegutachtung unterzogen, die über die Förderung für weitere drei Jahre entscheidet. Projektstart ist der 1. März 2020.

Massenspektrometrie
Die Massenspektrometrie ist ein technisches Verfahren zur Analyse der Masse von Molekülen und Atomen. Die zu untersuchende Substanz wird dabei in eine Gasphase überführt und anschließend ionisiert. Die entstandenen Ionen werden mithilfe eines elektrischen Feldes stark beschleunigt und in der Analyseeinheit des Massenspektrometers nach dem Verhältnis ihrer Masse zu ihrer Ladung sortiert. Das Massenspektrum einer Substanz gibt Aufschluss über ihre molekulare Zusammensetzung. Daher eignet sich die Massenspektrometrie zur Identifizierung, Charakterisierung und Quantifizierung einer Vielzahl von Biomolekülen, wie Proteinen, Metaboliten, Zuckern und Fetten, die sich je nach Krankheitsbild und Individuum anders verhalten.

Charité – Universitätsmedizin Berlin
Die Charité – Universitätsmedizin Berlin ist mit rund 100 Kliniken und Instituten an 4 Campi sowie 3.001 Betten eine der größten Universitätskliniken Europas. Im Jahr 2018 wurden hier 152.693 voll- und teilstationäre Fälle sowie 692.920 ambulante Fälle behandelt. An der Charité sind Forschung, Lehre und Krankenversorgung eng miteinander vernetzt. Konzernweit sind rund 18.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter für die Berliner Universitätsmedizin tätig. Damit ist die Charité eine der größten Arbeitgeberinnen Berlins. Mehr als 4.500 der Beschäftigten sind im Pflegebereich und rund 4.300 im wissenschaftlichen und ärztlichen Bereich tätig. Im Jahr 2018 hat die Charité Gesamteinnahmen von mehr als 1,8 Milliarden Euro erzielt. Mit mehr als 170,9 Millionen Euro eingeworbenen Drittmitteln erreichte die Charité einen erneuten Rekord. An der medizinischen Fakultät, die zu den größten in Deutschland gehört, werden mehr als 7.500 Studierende der Humanmedizin und der Zahnmedizin ausgebildet. Darüber hinaus gibt es 619 Ausbildungsplätze in 9 Gesundheitsberufen. http://www.charite.de

Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) 
Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) wurde 1992 in Berlin gegründet. Es ist nach dem deutsch-amerikanischen Physiker Max Delbrück benannt, dem 1969 der Nobelpreis für Physiologie und Medizin verliehen wurde. Aufgabe des MDC ist die Erforschung molekularer Mechanismen, um die Ursachen von Krankheiten zu verstehen und sie besser zu diagnostizieren, verhüten und wirksam bekämpfen zu können. Dabei kooperiert das MDC mit der Charité – Universitätsmedizin Berlin und dem Berlin Institute of Health (BIH) sowie mit nationalen Partnern, z.B. dem Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DHZK), und zahlreichen internationalen Forschungseinrichtungen. Am MDC arbeiten mehr als 1.600 Beschäftigte und Gäste aus nahezu 60 Ländern; davon sind fast 1.300 in der Wissenschaft tätig. Es wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent vom Land Berlin finanziert und ist Mitglied in der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren. www.mdc-berlin.de

Charité Comprehensive Cancer Center
https://cccc.charite.de/

Institut für Biochemie der Charité
https://biochemie.charite.de/

Institut für Pathologie der Charité
https://pathologie-ccm.charite.de/

Gemeinsame Pressemitteilung der Charité und des MDC

 

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