28. Februar 2025 Meilenstein in der Neurochirurgie

Der bahnbrechende Ansatz kombiniert die DNA-Methylierungsanalyse mit neuen maschinellen Lerntechnologien, um bereits während des Eingriffs detaillierte Informationen über die Tumorart zu liefern. Damit ist es erstmals möglich, die neurochirurgische Operation an den individuellen Merkmalen des Hirntumors auszurichten und nicht mehr nur an der Lage und der Nähe des Tumors zu Funktionszentren im Gehirn. So wird ein gezieltes Vorgehen bei der Tumorentfernung ermöglicht, was gerade bei komplexen Fällen einen entscheidenden Vorteil für die Patientinnen und Patienten darstellt. Die Erkenntnisse wurden im renommierten Journal Nature Medicine publiziert.

„Nur durch die enge Zusammenarbeit von Grundlagenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern mit translational arbeitenden Ärztinnen und Ärzten konnte eine Methode entwickelt werden, die alle bisherigen ähnlichen Ansätze in Bezug auf Präzision und Geschwindigkeit in den Schatten stellt“, sagt Prof. Dr. Franz-Josef Müller, stellvertretender Direktor der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des UKSH, Campus Kiel, und Professor an der Medizinischen Fakultät der CAU. Er führte das interdisziplinäre Team gemeinsam an mit Prof. Dr. Helene Kretzmer, zuletzt Gruppenleiterin „Computational Genomics“ am MPIMG, Dr. Alena van Bömmel, zuletzt Postdoc am MPIMG, der Doktorandin Mara Steiger, MPIMG, sowie dem Doktoranden Björn Brändl, Zentrum für Integrative Psychiatrie, Campus Kiel.

Realisiert werden konnte die Studie mit der Klinik für Neurochirurgie des UKSH, Campus Kiel. „Während bisherige Fortschritte in der Neurochirurgie die Technik der Tumorentfernung verfeinert haben, revolutioniert der krankheitsbasierte Ansatz die gesamte Vorgehensweise. Statt sich lediglich an der Tumorlokalisation zu orientieren, eröffnet die intraoperative Identifikation des Tumortyps neue Möglichkeiten für eine Echtzeit-Anpassung der operativen Strategie an die spezifische Biologie des Tumors. Dieser Ansatz verknüpft die Präzisionsmedizin direkt mit der Neurochirurgie und hebt die Behandlung von einem technikzentrierten Vorgehen auf ein individuell abgestimmtes, krankheitszentriertes Niveau. So wird die Operation zu einer maßgeschneiderten Therapie“, sagt Dr. Carolin Kubelt-Kwamin, Oberärztin der Klinik für Neurochirurgie.

Die DNA-Methylierung, ein epigenetischer Marker, kann als „Fingerabdruck" des Tumors verstanden werden, der seine Herkunft widerspiegelt. Verschiedene Tumorarten haben spezifische Methylierungsmuster, die durch Sequenzierung analysiert werden können. Die neue Methode verwendet die sogenannte Nanopore-Sequenzierung, um diese Muster mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit zu identifizieren. „Da diese Sequenzierung jedoch im engen Zeitrahmen während einer Operation stattfinden soll, kann sie realistischerweise nur einen Bruchteil der Methylierungsmuster eines Tumors erfassen“, erklärt Prof. Helene Kretzmer. Die Forschenden haben daher auf einen mathematischen Ansatz aus der Wahrscheinlichkeitstheorie, das sogenannte Bayes-Theorem zurückgegriffen. „Mit dieser Methode konnten wir ein Machine-Learning-Modell trainieren, das in Kombination mit einer speziellen Software die Sequenzierdaten live verarbeitet und mit bereits weniger als 0.1 Prozent der genetischen Daten eine Tumorklassifizierung in weniger als einer Stunde ermöglicht“, sagt Mara Steiger. Dies stellt einen gewaltigen Fortschritt gegenüber den bisherigen Methoden dar, die mehrere Stunden bis Wochen in Anspruch nehmen.

Die Studie zeigt, dass die Ergebnisse dieser neuen Methode mit den Ergebnissen einer vollständigen neuropathologischen Untersuchung übereinstimmen. Die Forschenden heben hervor, dass durch diese Innovation auch diagnostisch schwierige Tumoren korrekt zu klassifizieren sind, bei denen herkömmliche histopathologische Methoden häufig versagen.

Moderne molekulare und insbesondere epigenetische Analysemethoden haben die große Bandbreite von Tumoren aufgedeckt, die lange als eine Krebsart galten. Allein die Tumoren des zentralen Nervensystems wurden vor wenigen Jahren in etwa 90 Kategorien eingeordnet. Diese Unterschiede erfordern auch unterschiedliche Therapien. Einige Tumoren können allein mit Strahlentherapie oder Medikamenten behandelt werden, während andere eine weitreichende Operation erfordern. Da das Tumorgewebe bislang jedoch erst nach der OP analysiert wird, wissen Chirurginnen und Chirurgen in der Regel während des Eingriffs nicht, welche Kategorie vorliegt – und müssen dennoch über die Behandlung entscheiden, bei der das Risiko besteht, dass auch gesunde Teile des Gehirns verletzt werden. Die intraoperative DNA-Methylierungsanalyse kombiniert mit Nanopore-Sequenzierung liefert nun entscheidende Informationen, die direkt in Entscheidungen über das Vorgehen der Operierenden einfließen und so eine personalisierte Präzisionschirurgie unterstützen können.

Beteiligt an der Forschungsarbeit waren auch Expertinnen und Experten der Fachhochschule Kiel, der Altona Diagnostics GmbH in Hamburg und viele weitere nationale und internationale Partner. Unterstützt wurde die Arbeit vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Das Universitäre Cancer Center Schleswig-Holstein (UCCSH), ein Zusammenschluss aller onkologisch tätigen Einrichtungen des UKSH und der Universitäten in Kiel und Lübeck, hat ebenfalls das Projekt gefördert.