Menschen. Methoden. Meilensteine

Prof. Dr. med. Horst Hameister
In keiner anderen medizinischen Disziplin hat sich in  den letzten 25 Jahren so viel Fortschritt ergeben wie in der Humangenetik. Ein Überblick  von Prof. Dr. Horst Hameister.
Als die Praxis für Humangenetik von Dr. Karl Mehnert im Jahr 1990 gegründet wurde, beschränkten sich die humangenetischen Dienstleistungen noch auf  zytogenetische Chromosomenuntersuchungen und genetische Beratung. Der Standort Ulm / Neu-Ulm ergab sich für die Praxis dabei fast „von selbst“, denn die Frauenklinik der Universität Ulm hatte sich durch die sehr speziellen Aktivitäten von Herrn und Frau Prof. Knörr und später Prof. Terinde auf dem Gebiet der pränatalen Diagnostik im südwestdeutschen Raum zu einem Zentrum für dieses Spezialgebiet entwickelt. Relativ früh waren sogenannte Ausgründungen sowohl aus der Gynäkologie als auch aus der klinischen Genetik in Ulm entstanden.

In den ersten Jahren stand für die damals von  Dr. Karl Mehnert „Gregor-Mendel-Laboratorium“ genannte humangenetische Praxis die pränatale Chromosomendiagnostik ganz im Vordergrund. Die für die pränatale Diagnostik benötigten Techniken sowohl auf Seiten der Gynäkologie als auch auf Seiten der Humangenetik waren in den Jahren zuvor durch ein öffentlich gefördertes Schwerpunktprogramm an verschiedenen Universitäten, u. a. auch in Ulm, etabliert worden. Sehr rasch zeigte sich aber auch die Notwendigkeit, diese aufwendige und verantwortungsvolle Routinediagnostik aus dem starren universitären Rahmen herauszulösen und in die Praxis einzuführen.

Es war damals in einigen Zentren noch üblich, eine Chromosomenanalyse nach Fruchtwasserpunktion an nur homogen gefärbten Chromosomen durchzuführen und damit nur zahlenmäßige Chromosomenstörungen auszuschließen. Ähnlich großzügig, heute sagen wir dazu: fahrlässig, ging man damals auch in der postnatalen Chromosomendiagnostik vor. War ein Kind mit einer typischen Klinik für das Down-Syndrom von einer älteren Mutter geboren worden, verzichtete man in den 1980er Jahren noch teilweise auf eine Chromosomenanalyse. Ein solches Vorgehen ist heute völlig undenkbar. Allerdings begegnen wir dieser Haltung, eine exakte genetische Diagnostik als nicht notwendig anzusehen, inzwischen wieder bei bestimmten genetischen Syndromen wie z. B. dem Prader-Willi-Syndrom. Doch dazu später mehr.



Neu Aufgaben und ein neuer Name

Durch die gleichbleibend hohe Qualität hinsichtlich Zellkulturdauer und Zellkulturerfolg sowie die hohe Qualität der präparierten Chromosomen mit entsprechender Bandenauflösung konnten Dr. Karl Mehnert und das „Gregor-Mendel-Laboratorium“ sehr rasch das Vertrauen der pränatale Diagnostik anbietenden Frauenärzte gewinnen. Zunächst befand sich die Praxis in angemieteten Räumen in der Ludwigstraße im Zentrum von Neu-Ulm. Schon nach kurzer Zeit waren die Anforderungen und insbesondere die Qualität der Diagnostik in den beengten Räumen in der Ludwigstraße nicht mehr zu erfüllen. 1993 wurden daher die neuen Räumlichkeiten in der Wegenerstraße 15 bezogen. Bei der Bauplanung konnten die sicherheitstechnischen Anforderungen, die heute an Labore gestellt werden, berücksichtigt werden.

 

Zu diesem Zeitpunkt war auch klar geworden, dass die Zytogenetik durch die FISH-Methoden eine molekulargenetische Erweiterung erfahren würde. Weiterhin war unübersehbar, dass die neue Disziplin der DNA-Analyse eine notwendige Ergänzung der humangenetischen Diagnostik darstellen würde. Diesen Anforderungen konnte durch den Neubau Genüge getan werden. Infolge der Ausweitung der diagnostischen Möglichkeiten nahm auch die Nachfrage von genetischen Beratungen zu. So war es notwendig geworden, den Patientenbereich strikt vom Laborbereich räumlich zu trennen.

Diese Neuausrichtung wurde durch den späteren Namenswechsel offenkundig symbolisiert. In der sehr erfolgreichen Gründungsphase hatten noch Chromosomenuntersuchungen im Vordergrund gestanden – symbolisiert durch den Namen „Gregor- Mendel-Laboratorium“. Die von Gregor Mendel auf- gestellten Vererbungsgesetze waren populär geworden, als zu Anfang des vorigen Jahrhunderts die Natur der Chromosomen erkannt wurde. Seit 1990 das humane Genomprojekt formuliert und entsprechende Forschungsaktivitäten weltweit initiiert wurden, verschob sich die humangenetische Diagnostik mehr und mehr hin zur Analyse einzelner Gene bzw. des  Genoms. Dieser Neuausrichtung wurde man durch die Umbenennung der humangenetischen Praxis in „genetikum“ gerecht.

 

 

Gregor Mendel - der Namensgeber des ersten Laboratoriums



Ein starkes Team - und eine starke Entwicklung

Spätestens jetzt war es unumgänglich geworden, die Laborarbeiten und die ärztliche Beratungstätigkeit auf mehr Schultern zu verteilen. Für diese erfolgreiche Entwicklung sind seit mehr als 15 Jahren insbesondere  drei langjährige und jeder für sich in seinem Bereich verdiente Mitarbeiter verantwortlich: die Fachärztin für Humangenetik Helena Böhrer-Rabel für die genetische Beratung, der Fachhumangenetiker Dr. Dieter Gläser für die DNA-Diagnostik und der Fachhumangenetiker Dr. Günther Rettenberger für die molekularzytogenetische Diagnostik.

Initial etablierte Dr. Dieter Gläser die Diagnostik der häufigen Repeat-Erkrankungen des fra(X)-Syndroms und der myotonen Dystrophie. Die ungewöhnlichen molekularen Ursachen dieser Erkrankungen, die durch Repeat-Veränderungen gekennzeichnet sind, wurden 1991 erstmals beschrieben. Inzwischen hat sich Dr. Gläser zu einem deutschlandweit anerkannten Experten für verschiedene neuromuskuläre Erkrankungen entwickelt. Seine Erfahrung in der DNA-Diagnostik wird von den verschiedenen Institutionen in der deutschen Humangenetik und der berufsständischen Selbstverwaltung geschätzt. Helena Böhrer-Rabel hatte ihre  ärztliche Ausbildung zunächst in Richtung des Fachgebiets Neurologie ausgerichtet. Mit ihrer Erfahrung ergänzt sie die Schwerpunktbildung „Neuromuskuläre Erkrankungen“ am genetikum. Das Interesse von Dr. Günther Rettenberger an der Verbindung von molekularer Genetik und klassischer Zytogenetik machte es dem genetikum möglich, als eines der ersten Labore ab 2005 auch array-CGH-Untersuchungen anzubieten. Diese Untersuchungstechnik mit einer gegenüber der konventionellen Chromosomenanalyse etwa  100-fach  erhöhten Auflösung hat sich sehr schnell als eine notwendige Ergänzung der klassischen Zytogenetik erwiesen. Das gilt insbesondere bei der Diagnostik von Dysmorphie-, Retardierungs- und Fehlbildungs-Syndromen. Die Stammgruppe wurde im Jahr 2010 durch den Zusammenschluss mit dem ehemaligen Chromosomenlabor in Böblingen und den dortigen Gründerinnen Dr. Gabriele du Bois und Dr. Eva Daumiller ideal ergänzt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dr. biol. hum. Dieter Gläser - Fachhumangenetiker

 

Dr. biol. hum. Günther Rettenberger - Fachhumangenetiker

 

Helena Böhrer-Rabel - Fachärztin für Humangenetik

 

Dr. med. Gabriele du Bois - Fachärztin für Humangenetik

 

Dr. rer. nat. Eva Daumiller - Fachhumangenetikerin

Wissenschaftlicher Durchbruch - und die komplexen Folgen

Im Jahr 2001 war im Bereich der Wissenschaft ein Wettlauf zwischen den weltweit vernetzten akademischen Institutionen (dafür steht der Name Francis Collins) und einer einzigen, auf Profit ausgerichteten, amerikanischen Firma (geleitet von Craig Venter) entstanden. Ziel war die vollständige Sequenzierung des gesamten humanen Genoms. Nach einer enormen Kraftanstrengung wurde dieses ehrgeizige Ziel erreicht – seit April 2003 gilt das menschliche Genom offiziell als vollständig entschlüsselt. Zur allgemeinen Überraschung erwies es sich mit ca. 21.000 für Proteine codierenden Genen als vergleichsweise übersichtlich, die Schätzungen der beteiligten Wissenschaftler hatten vorher zwischen 65.000 und weit über 100.000 Genen gelegen. Doch rasch stellte sich auch heraus, dass bei dieser geringen Zahl von Genen jedes einzelne Gen für sehr viele verschiedene Aufgaben verantwortlich sein kann (wissenschaftlich nennen wir das pleiotrope Genwirkung).  Damit trifft die vereinfachte Vorstellung ein Gen – ein  Phänotyp für die allermeisten Erkrankungen nicht zu. Heute ist für etwa 4.000 Gene der entsprechende Phänotyp bekannt, und in die klinische Diagnostik sind etwa 1000 Gene eingeführt. Dies bedeutet, dass die Funktion bzw. der entsprechende Phänotyp von vielen Genen noch gar nicht bekannt ist. Zunächst sprach man von einem phänotypischen Gap, den es nur aufzufüllen galt. Inzwischen glaubt man, dass möglicherweise noch ganz andere Prinzipien von Genwirkung zu erwarten sind.

Schnellere Diagnostik dank NGS und Genpanel

Der Wettlauf zwischen den sehr ungleichen Wettbewerbern bei der humanen Genom-Analyse im Jahr 2001 hat eindrücklich gezeigt, wie informativ DNA-Sequenzierung in großem Maßstab in Verbindung mit biometrischer Verarbeitung der Daten ist. Das hat in den folgenden Jahren zu verschiedenen Ansätzen geführt, die seit 40 Jahren ziemlich unverändert durchgeführte DNA-Sequenzierung nach Sanger durch  schnellere und kostengünstigere Methoden zu ersetzen. Seit etwa 2006 haben sich diese Methoden als „next generation sequencing“ (NGS) mehr und mehr durchgesetzt. Seit 2010 werden diese Techniken auch in der klinischen Routinediagnostik angewandt und sind dort nicht mehr wegzudenken, auch wenn in Deutschland wegen starrer GKV- und KV-Strukturen bisher kein vereinbarter Kostenersatz durch die Krankenkassen gegeben ist. Die bisherigen phänotypischen Beschreibungen von Krankheitsbildern (Syndromen) sind an dem äußeren, peripheren Zustandsbild der Patienten ausgerichtet und damit noch meilenweit entfernt von der direkten Genwirkung. Deshalb besteht für viele dieser Zustandsbilder bzw. Syndrome zum jetzigen Zeitpunkt eine genetische Heterogenität: Mutationen in verschiedenen Genen führen zu dem für unsere Betrachtung gleichen Syndrom. In diesen Fällen erweist es sich als enorm zeitaufwendig und unrentabel, ein Gen nach dem anderen herkömmlich nach Sanger zu sequenzieren. Sehr viel zielgerichteter und kosteneffizienter ist eine Genpanel-Analyse mit den neuen NGS-Techniken, bei denen gleichzeitig eine Vielzahl von Genen parallel analysiert werden. Allerdings wird die bioinformatische Auswertung, die anschließend notwendig ist, um normale Varianten von potenziell pathogenen Mutationen zu unterscheiden, dabei häufig völlig unterschätzt.

 

Auf dem Vormarsch: NIPT für Schwangere

Das genetikum bietet Genpanel-Analysen für Muskelerkrankungen, Epilepsie, hereditäre motorisch sensorische Neuropathie (HMSN), Noonan-Syndrom, Makrozephalie, Mikrozephalie, neuronale Ceroid-Lipofuszinosen und neurodegenerative Erkrankungen an. Das Angebot wird laufend dem Bedarf und dem wissenschaftlichen Fortschritt angepasst. Auch diese Aufzählung macht die Spezialisierung des genetikum für neuromuskuläre Erkrankungen deutlich, ergänzt jedoch durch syndromologische Krankheitsbilder.

Bei unklaren Phänotypbeschreibungen, die selbst für klinisch-genetische Spezialisten nicht einzuordnen sind, wird unter Umständen eine Exom-Sequenzierung (alle kodierenden Anteile des gesamten Genoms) oder sogar eine gesamte Genomsequenzierung durchgeführt. Dieses gesamt-genomische methodische Vorgehen ist am genetikum in der Planungsphase.

Die NGS-Verfahren werden es in naher Zukunft wahrscheinlich möglich machen, für etwa 1000 Dollar das eigene Genom sequenzieren zu lassen, was auch immer diese Daten für den Betreffenden dann bedeuten. An anderer Stelle haben sich die NGS-Verfahren überraschend schnell durchgesetzt, und zwar in der Pränataldiagnostik. Es war schon lange bekannt, dass fetale Zellbestandteile und teilweise auch ganze fetale Zellen im mütterlichen Blutkreislauf zirkulieren. Das gilt auch für zellfreie DNA, die aus apoptotischen, also abgestorbenen Zellen der Plazenta stammt. Ab der 9. SSW macht der fetale Anteil an dieser zellfreien DNA im mütterlichen Serum meist 10 - 20 % aus. Durch massives paralleles Sequenzieren von chromosomenspezifischen DNA-Sequenzen gelingt es, mit einer erstaunlich hohen Sensitivität und Spezifität aus einer mütterlichen Blutprobe numerische Aberrationen für die Chromosomen 21, 18, 13, X und Y zu bestimmen. Dieses unter dem Akronym NIPT (nicht invasiver Pränatal-Test) bekannt gewordene Verfahren wurde in Deutschland 2012 eingeführt, und es wird z. Zt. durch den Gebührenausschuss geprüft, ob dieser Test in die Regelvorsorge aufgenommen werden soll. Dieses Beispiel zeigt die enorme Dynamik, die neue Techniken manchmal auch in alten Strukturen entfalten können.

 

Prof. Dr. Dr. Birgit Zirn in der Syndromsprechstunde

Neuer Schwerpunkt: klinische Syndromologie

Das humane Genomprojekt hat es in den letzten Jahren ermöglicht, für eine ganze Reihe von gut definierten Syndromen die verantwortlichen Gene zu beschreiben. Als Beispiele sind das Noonan-Syndrom mit den Rasopathie-Genen sowie das Kabuki-Syndrom mit dem MLL2-Gen zu nennen. Daneben gibt es aber inzwischen viele weitere Syndrome mit anderen Genen und Syndrome, bei denen erst durch die array-CGH-Untersuchungen Mikrodeletionen sichtbar geworden sind (sogenannte Mikrodeletions-Syndrome). Hier war es die überaus weitsichtige und höchst verantwortungsvolle Entscheidung von Dr. Karl Mehnert,  möglichst gleichzeitig mit der zunehmenden Verlagerung hin zur molekulargenetischen Diagnostik, als Nächstes die klinische Syndromologie aufzubauen. Diese an den herkömmlichen Universitätsinstituten etwas ins Hintertreffen geratene Spezialdisziplin der Humangenetik ist eine erfahrungsbasierte und sehr wichtige ärztliche Tätigkeit. Sie gehört zur humangenetischen Grundversorgung und liefert in vielen Fällen die wissenschaftliche Grundlage für die genetische Beratung. Mittlerweile lassen sich in Kombination mit modernen molekulargenetischen Methoden (v. a. NGS)  spannende wissenschaftliche Erkenntnisse gewinnen und neue Krankheitsgene entdecken.

 

 

Mit Dr. Eva Rossier, Prof. Dr. Dr. Birgit Zirn und Prof. Dr. Tariverdian hat das genetikum ausgewiesene, erfahrene Syndromologen gewinnen können. Dieses Team, das durch weitere junge Ärztinnen ergänzt wird, führt Syndrom-Abklärungen nicht nur in den verschiedenen Praxen des genetikum durch, sondern kooperiert mit umliegenden Kinderkliniken und Sozialpädiatrischen Zentren (SPZ) und bietet Syndrom-Sprechstunden gemeinsam mit den Kinderärzten in den Kliniken an. Indem es den behandelnden Ärzten ermöglicht, direkt den Fortgang der Diagnostik bei diesen meist mehrfach behinderten Patienten mitzugestalten, erfüllt das genetikum eine öffentliche Aufgabe. Auch für die Eltern der betroffenen Kinder ist es sehr viel einfacher und überzeugender, wenn die kleinen Patienten in der ihnen bereits bekannten räumlichen Umgebung, zusammen mit den bisher behandelnden Ärzten, dem auswärtigen Syndromologen vorgestellt werden können. Um den Kontakt mit den Ärzten und Patienten im süddeutschen Raum zu vereinfachen, bestehen neben dem Zentrum des genetikum in Neu-Ulm weitere Filialpraxen in München, Prien, Stuttgart, Böblingen, Gammertingen und Singen, in denen überall insbesondere genetische Beratung angeboten wird. Für die Ärzte und Wissenschaftler des genetikum ist es eine höchst befriedigende Aussicht, dass es gelungen ist, eine vertrauensvolle Zusammenarbeit mit den verschiedenen Kliniken, medizinischen Institutionen und niedergelassenen Ärzten zum Wohle unserer Patienten aufzubauen. Hier wartet in Zukunft noch sehr viel Arbeit auf uns, denn es ist klar, dass genetische Zustandsbilder bzw. Syndrome bisher fast nur in der Kinderheilkunde bekannt sind. Je genauer wir diese Zustandsbilder bzw. Syndrome kennenlernen und beschreiben und je älter die Patienten werden, desto häufiger werden daraus auch definierte genetische Erkrankungen der Erwachsenen. Einen ersten Ansturm von entspre- chenden erwachsenen Patienten auf die genetische Beratung  erleben  wir  derzeit in der genetischen Tumorsprechstunde. Doch das ist erst ein Beginn der zukünftigen Beratung von genetischen Erkrankungen von Erwachsenen und der alternden Bevölkerung. Rückblickend hat sich in keiner anderen medizinischen Disziplin in den letzten 25 Jahren so viel Fortschritt wie in der Humangenetik ergeben. Wir sind gespannt auf die kommenden 25 Jahre!