Precision Oncology: Grundlagen und Klassifikationen

Der Begriff „Präzisions-Onkologie“ steht für eine zielgerichtete, hoch-effektive sowie nebenwirkungsarme Tumortherapie. Präzisionsonkologie kann in verschiedenen interdisziplinären Kontexten stattfinden, in diesem Kapitel soll näher auf die Prinzipien der medikamentösen, präzisionsonkologischen Therapiemöglichkeiten eingegangen werden, welche aktuell im Rahmen molekularer Tumorboards an universitären Zentren stattfindet bzw. vorangetrieben werden. Das Ziel der molekularen Präzisionsonkologie ist die Manipulation/Beeinflussung eines definierten, direkten oder indirekten tumorspezifischen Zielmoleküls („molecular target“). Das Prinzip und die klinische Wirksamkeit eines hocheffektiven „molekularen Targetings“ ist inzwischen für zahlreiche Substanzen in großen Phase III Studien gezeigt worden (Solomon et al. 2014; Abou-Alfa et al. 2020; Robert et al. 2015; Maemondo et al. 2010). Der Einsatz der zugelassenen zielgerichteten Substanzen ist aktuell aber weiterhin fast ausschließlich innerhalb histologisch definierter Entitäten vorgesehen und häufig abhängig vom Nachweis eines prädiktiven Biomarkers. Im Konzept der Molekularen Onkologie wird ein Tumor nicht ausschließlich über seine histologischen Merkmale definiert, sondern vor allem nach seinem molekularen (genetischen) Tumorprofil. Dieses Profil mit den dazugehörigen Biomarkern kann sich über Entitätsgrenzen hinweg gleichen und bedarf – der Molekularen Onkologie folgend – die gleiche molekulare Behandlung. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von interdisziplinären, Entitäten übergreifenden Studien initiiert um das Konzept der Molekularen Onkologie in die Klinik zu transferieren (Schwaederle et al. 2015; Park et al. 2019; Dickson et al. 2020). 2019 erfolgte in der Europäischen Union erstmals eine tumoragnostische Zulassung eines Medikamentes: Larotrectinib wurde -unabhängig von der histologischen Entität- ausschließlich bei Erkrankungen, die eine spezifische molekulare Alteration – in diesem Fall einer NTRK-Gen-Fusion – besitzen, zugelassen (Drilon et al. 2018). Beachtlich ist hierbei nicht nur die tumoragnostische Zulassung des Medikamentes, sondern auch, dass Larotrectinib ohne eine formale Phase III Zulassungsstudie auf Basis von Phase I/II Daten zugelassen wurde. Zahlreiche weitere zielgerichtete Substanzen befinden sich aktuell mit vielversprechenden Ergebnissen in Biomarker-stratifizierten, tumoragnostischen Phase I/II Studien und geben somit einen Ausblick auf die zukünftig zu erwartende molekulare Zulassungs-Landschaft. Das hoch individualisierte präzisionsonkologische Behandlungskonzept kann mit klassischen randomisierten Phase-III Studienkonzepten nicht abgebildet werden, so dass die Studienlandschaft der molekular getriebenen Onkologie fast ausschließlich aus versatilen Phase I/II im Basket- und/oder Umbrella-Design besteht. Leider stehen aktuell (vor allem in Europa) nur wenige molekular getriebene Phase I/II Studien zur Verfügung, so dass der Einsatz molekularer Medikamente außerhalb der Zulassung häufig „off-label“ als individueller Heilversuch erfolgt. Diese molekular getriebenen „off-label“ Therapieversuche finden im wissenschaftlichen Rahmen von „Molekularen Tumorboards“ statt.

Molekulare Tumorboards (MTB) haben zum Ziel, aus zahlreichen Patienten-Einzelfällen Daten zu spezifischen und rekurrenten molekularen Mechanismen zu erheben, um wissenschaftlich und auch klinische Evidenz zur Effektivität der darauf ausgerichteten Therapieansätze zu generieren (Tamborero et al. 2020; Tsimberidou et al. 2020; Westphalen et al. 2020; Horak et al. 2021a; Stenzinger et al. 2021). Langfristiges Ziel ist die Überführung hochevidenter molekularer Therapien in die klinische Routine-Versorgung.

Das Molekulare Tumorboard besteht aus einem multidisziplinären Team, welches medizinische und wissenschaftliche Expertise mit translationaler Onkologie, molekularer Biologie und Bioinformatik vereint. Im Molekularen Tumorboard (Hoefflin et al. 2018, 2021) des Comprehensive Cancer Center der Universität Freiburg (CCCF) sind neben internistischen Onkologen sowie Vertretern der verschiedenen klinischen Disziplinen (z. B. Gynäkologie, Urologie, Gastroenterologie, Pulmologie), Pathologen sowie Bioinformatiker/Systemmediziner auch Humangenetiker, Radiologen, Nuklearmediziner sowie Vertretern der naturwissenschaftlichen Disziplinen wie Molekularbiologen und Pharmakologen Teil des MTB-Teams. Im wöchentlich stattfindenden MTB werden Patienten mit fortgeschrittenen bzw. seltenen Tumorerkrankungen eingeschlossen, für die in absehbarerer Zeit keine Leitlinientherapie-Optionen zur Verfügung stehen. Im CCCF-MTB waren 2019 ca. 30 % der 800 analysierten Patientenfälle Zuweisungen externer Onkologen, was den Bedarf an präzisionsonkologischer Expertise im Umland eines akademischen Zentrums widerspiegelt. Nach Eingang des Patientenfalles wird dieser durch einen Entitäten-spezifischen Arzt, das Molekularpathologie-Team sowie das „Early Clinical Trial“ Studien-Team (ECTU-Team) betreut. Die initiale Diskussion des Falles im MTB umfasst somit eine klinische Fall-Beurteilung, einen Review des vorhandenen pathologischen Materials sowie der bereit verfügbaren pathologischen Untersuchungen inklusive der tumor-spezifischen genetischen Mutations-Landschaft, bekannte molekulare prädiktive und/oder prognostische Biomarker, aktuell rekrutierende klinische Studien sowie potenzielle molekulare „in“- und „off-Label“ Therapieoptionen. Für die Durchführung weitere molekularer Diagnostik wird eine standardisierter SOP-getriebener Prozess initiiert, der um Patienten-individuelle Test ergänzt werden kann. Die Diagnostik beinhaltet eine Reihe über die klassische Routinediagnostik hinausgehende molekulare qualitätsgesicherte Analysen, wie z. B. Panel-basiertes Next-Generation Sequencing (NGS), FISH/CISH, IHC, Einzelgen-Sequenzierung, Proteomdiagnostik sowie auch Whole Exome (WES) und Transkriptom-Sequenzierungen (Wehrle et al. 2020).

Für die erweiterten molekularen genetischen Analysen existieren verschiedene Ansätze, die ein unterschiedliches Spektrum an genetischen Veränderungen identifizieren. Im Rahmen der MTBs werden entweder gezielt Kombinationen von Genen mittel NGS Ansätzen untersucht, um spezifische Targets zu identifizieren, für die es zugelassene Medikamente gibt, oder es findet eine erweiterte genetische Diagnostik mittels WES statt, welche alle protein-kodierenden Gene, die etwa 1 % des gesamten Genoms ausmachen, abdeckt.

Zusätzlich zu den genetischen Analysen finden auch Sequenzierungen auf RNA Ebene satt, die wichtige Informationen über die Expression einzelner Gene beisteuern. Fusionspanel oder Transkriptom-Sequenzierung weisen zudem sog. Fusionsgenen nach, welche in vielen Tumorarten vorkommen und als therapeutische Zielmoleküle genutzt werden können.

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden, welche sich auf einzelne Gewebeproben einer multilokalen Tumorerkrankung beziehen, werden im CCCF-MTB sogenannte „Liquid Biopsy“ Untersuchungen aus zirkulierender Tumor DNA („ctDNA“) aus Patientenblut durchgeführt, die das gesamte Mutationsspektrum der vorhandenen Tumorzellen besser darstellen können.

Als unmittelbare Konsequenz werden immer mehr Veränderungen, sowohl auf genetischer als auch transkriptioneller Ebene, jenseits der für Medikamente zugelassenen entitätsspezifischen Targets und deren Kombinationen in einem breiten Spektrum von Tumorentitäten identifiziert, was einen potenziellen Zugang zu Off-Label-Behandlungen und molekular stratifizierten klinischen Studien bietet. Mit zunehmender Komplexität der für einzelne Patienten verfügbaren genetischen Daten müssen molekularpathologische Veränderungen nach vordefinierten Standards interpretiert und schließlich im interdisziplinären MTB unter Beteiligung von Onkologen, Pathologen, genetischen Beratern, Bioinformatikern/Systemmedizinern und medizinischen Wissenschaftlern überprüft werden.

Dieses läuft folgendermaßen ab: Die Ergebnisse der diagnostischen Untersuchungen werden, neben der klinischen Vorstellung des/der behandelnden Onkologe*in, im MTB von dem Diagnostik-Team der Molekularpathologie und der Bioinformatik vorgestellt und zusammen diskutiert.

Die therapeutische Interpretation der molekularen Daten sowie die Beurteilung pathogener Mutation erfordert neben hoher wissenschaftlicher Interdisziplinarität auch eine kontinuierliche Literaturrecherche und stellt eine große Herausforderung an das MTB-Team dar.

Aufgrund der komplexen Ergebnisse ist der Bedarf an Software bzw. Unterstützung-Tools sowohl für die Interpretation als auch für die Darstellung der Ergebnisse sehr groß (Hinderer et al. 2017, 2018; Buechner et al. 2020; Unberath et al. 2022). Für die Interpretation der genetischen Varianten werden diese mit Hilfe verschiedenster Datenbanken (dbSNP (Sherry et al. 1999, 2001), COSMIC (Forbes et al. 2015), dbNSFP (Liu et al. 2011, 2016), Krebs-Hotspot-Varianten (Chakravarty et al. 2017)) annotiert und auf ihre klinische und therapeutische Relevanz (InterVar (Li and Wang 2017), ClinVar (Landrum et al. 2014), OncoKB (Chakravarty et al. 2017), drug-gene-interaction database (DGIdb (Cotto et al. 2018)), TARGETdb (http://archive.broadinstitute.org/cancer/cga/target) und CIVic (Wagner et al. 2020)) sowie Polymorphismen (SNPs, von der Datenbank gnomAD (Lek et al. 2016)) überprüft.

Die Tumor-spezifische Mutationen können mit Vergleichen zum sogenanntem Keimbahn-Gewebe genetische identifiziert werden. Bei den soliden Tumoren wird dafür in der Regel das But genommen, bei flüssigen Tumoren werden Hautbiopsien oder Abstriche aus der Wangenschleimhaut benutzt. Die Unterteilung der Tumoren nach sogenannten „Treiber“ (Driver) und „Passenger“ Mutationen, die auf ihre Funktion bei der Tumor-Entstehung und -Progression abzielen, kann trotz der oben dargestellten Analysen nicht immer bioinformatorisch klar vorhergesagt werden, so dass neben bereits beschriebenen und annotierten Mutationen unzählige Mutationen unklarer Signifikanz zurückbleiben. In beiden Fällen muss im MTB abschließend entschieden werden, ob die Mutation eine funktionelle Relevanz vermitteln könnte und somit als therapeutische Zielstruktur molekulare Medikamente eingesetzt werden könnte (Horak et al. 2021b). Neben einzelnen Genmutationsanalysen werden im MTB z. B. auch immunohistochemische Ergebnisse (z. B. dMMR „Deficiency in Miss-Match-Repair“, Androgenrezeptor-Expression, TPS-, CPS-Scores) Gen-Signaturen (z. B. „BRCAness“) und weitere Biomarker (z. B. TMB „Tumor-Mutational Burden“) auf ihre therapeutische Relevanz überprüft und eventuelle molekulare Therapieoptionen evaluiert.

Ein wichtiger Prozess für die Entscheidungsfindung im MTB ist somit die Auswertung, Zusammenstellung und Darstellung der hochdimensionalen Sequenzierungsdaten, die sowohl für die Vorbereitung als auch für die Fallvorstellung aller Beteiligten genutzt werden sollte.

Für die Auswertung der Sequenzierungsdaten müssen folgende Schritte berücksichtigt werden (Abb. 1): Sequenzierungsfile, (ii) Vor-Prozessierung, (iii) Alignment, (iv) Abdeckung (Coverage), (v) Bestimmung der Varianten (variant calling), (vi) Bestimmung der Kopienanzahl, und (vii) Annotation.

Für die Zusammenfassung der Ergebnisse wurde für das MTB des CCCF ein interaktiver Report bereitgestellt, der alle nötigen Information, von der Anzahl der Mutation bis hin zu den Kopienzahlveränderungen und Mutationssignaturen, beinhaltet.

Mit Hilfe dieses Reports, der als Entscheidungsunterstützung dient, und den zusätzlichen molekularpathologischen Befunden wie z. B. einer Immunhistochemie oder CPS-Scores und einer gemeinsamen klinischen-wissenschaftlichen Diskussion während des MTB wird schlussendlich eine gemeinsame Therapieempfehlungen nach festen molekularen Evidenzkriterien und mit zugehörigen Publikationen sowie ggf. vorhandener Studienmöglichkeit und einer Priorisierung der Optionen festgelegt.

Für die Evidenzkriterien, für die in letzter Zeit mehrere Klassifizierungssysteme (Horak et al. 2017; Li et al. 2017; Mateo et al. 2018; Andre et al. 2014; Meric-Bernstam et al. 2015) vorgeschlagen worden sind, konnte im Rahmen von verschiedenen Konsortien deutschlandweit ein Standard festgelegt werden, um die Kommunikation und Diskussion von molekularen Befunden und ihrer klinischen Relevanz zu erleichtern und zu standardisieren (Abb. 2).

Ein aktueller Engpass ist weiterhin die effiziente und präzise Annotation von Varianten, vor allem derer zu denen es aktuell noch nicht viele Untersuchungen gibt. Hierfür bedarf es neben den bereits existierenden Datenbanken (Starlinger et al. 2018; Damodaran et al. 2015; Van Allen et al. 2014; Rehmat et al. 2020), weitere, die sowohl gut kuratierte Varianten als auch deren Interaktionen mit potenziellen Medikamenten enthalten. Hierbei ist Text Mining ein vielversprechender Ansatz, nicht nur um den Prozess der globalen Kuration von Varianten zu beschleunigen und zu verbessern, sondern auch um in der Literatur Hinweise für Interaktionen zwischen Medikamenten und Genen sowie die Wirkung von Medikamentenkombinationen zu finden (Legrand et al. 2020; Yepes et al. 2018). Somit kann letztlich der Prozess der Interpretation von Ergebnissen aus molekulardiagnostischen Tests beschleunigt und damit der Engpass der Präzisionsonkologie verbessert werden.

Zusätzlich wird auch die rasante Entwicklung von zusätzlichen molekularen Techniken die Präzisionsonkologie weiter voranbringen. So wird z. B. durch die Einzelzellsequenzierung ermöglicht, die DNA und Genexpressionswerte von Tausenden von Zellen gleichzeitig und unabhängig voneinander zu verarbeiten und somit eine höhere Sensitivität bei der Identifizierung von Mutationen und der Erkennung von Tumor-Subklonen erzielt, die ebenso das Behandlungsergebnis beeinflussen wird. Darüber hinaus werden Multi-Omics-Ansätze mehr Einblicke in dysregulierte Signalwege geben und zugleich das Vertrauen einer noch unbekannten Variante erhöhen, wenn diese durch RNA-, Protein- oder epigenetisches Profiling bestätigt werden kann (Singer et al. 2019). Gleichzeitig werden diese Multi-omics-Daten auch wieder neue bioinformatische Herausforderungen mit sich bringen, um mehrere Datentypen zu integrieren und zu interpretieren und potenziell wirksame Behandlungen zu identifizieren.

Die klinische Umsetzung der molekularen Therapieempfehlungen eines Molekularen Tumorboards ist aktuell entweder im Rahmen eines off-Label Einsatzes auf Einzelfall-Basis nach Krankenkassen-Kostenübernahme oder im Rahmen von klinischen Studien möglich. Die Transition der häufigen Einzelfall-Behandlungen zur großflächigen Möglichkeit eines Molekular-getrieben Studien-Einschlusses ist eine der größten Herausforderung der molekularen Tumorboards und unabdingbar, um fortlaufend Evidenz für die molekulare Präzisions-Onkologie zu schaffen (Mock et al. 2019).