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Prof. Dr. Beda M. StadlerInstitut für Immunologie

Inselspital, Bern

Vom Geschmackstest zur Personalisierten Medizin

Diagnostik - Evolution - Revolution

Fortbildung DiagnostikWenn das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile…

21./22. Oktober 2009, Yverdon-les-BainsRoche Diagnostics (Schweiz) AG

Diagnostik einst

Diagnose oder Blick in die Kristallkugel?

Diagnostik heute

Lebensqualität - Lebenssinn

(3)MHC Missmatch riechen

Q&A

Principal Uses of Diagnostics Across The Health Care Continuum

von Gesundheit zu Wellnessvon Gesundheit zu Wellness

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Wenn das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile…

Die medizinische Forschung hat so enorme Fortschritte gemacht, dass es überhaupt keine gesunden Menschen mehr gibt.- Aldous Huxley

Die Fortschritte der Medizinsind ungeheuer. Man ist seines Todes nicht mehr sicher.- Hermann Kesten

Expanding Areas of Scientific Inquiry

Sicherheit oder Wahrscheinlichkeit?Sicherheit oder Wahrscheinlichkeit?

Aussagekraft neuer Diagnoseverfahren

Kennt er seine Blutgruppe?Kennt er seine Blutgruppe?

Die Informationsflut

1 Byte/Tag 100‘000‘000‘000 Bytes/Tag(= 20‘000 x Shakespeares Werk)

gestern morgen

Die Sequenzflut

GenomicsGenomicsGeneticsGenetics

Individualisierte Behandlung

• Dosis• Nebenwirkungen• Resistenzen

SNPSNPProfilProfil

PCRPCR

DNA-ChipDNA-Chip

SequenzSequenz

Zu viel versprochen?Zu viel versprochen?

SNPs & Pharmacogenetics

+ + = = + + = = + + = =

“If it were not for the great variability among individuals Medicine might as well be a science and not an art.Sir William Osler, 1892

From: Esteller M, et al. Inactivation of the DNA-repair gene MGMT and the clinical response of gliomas to alkylating agents. NEJM 243:1350-1354, 2000.

z.B. Tumorresistenz

… und zu teuer

Verstehen wir die Moleküle?

• Bindung analysieren• Funktion verstehen• Docking-Simulation

(Rational drug design)

von der Sequenzzur Struktur in silico

Strukturvorhersage noch nicht möglich

"de novo"-Modelling• Extreme Anforderungen an Rechenkapazität• Zur Zeit nur für kleine Proteine (<50 aa)• Entwicklung spezieller Hardware (BlueGene)

Rechenkapazität: 1 Million PC's

Memory-Bandbreite:>100 TeraByte/s

Array Systeme in der Diagnostik

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Allergen Family: Birch

... clinically well known

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ALL1_APIGR Api g 1 celeryALL2_APIGR Api g 2BV1A_BETVEBV1B_BETVEBV1C_BETVEBV1D_BETVEBV1E_BETVEBV1F_BETVE Bet v 1 birchBV1G_BETVEBV1J_BETVEBV1K_BETVEBV1L_BETVEBV1M_BETVEDAU1_DAUCA Dau c 1 carrotMAL1_MALDO Mal d 1 appleMPA1_CARBE Car b 1 hornbeamMPA2_CARBE Car b 1MPAA_CORAV Cor a 1 hazelnutMPAG_ALNGL Aln g 1 alderPRU1_PRUAR Pru ar 1 apricotPRU1_PRUAV Pru av 1 cherryPYR1_PYRCO Pyr c 1 pear

Cross-reactivity andSequence Similarity

Sequence-based ClusteringSequence-based Clustering

Bet v 1 - Bet v 1 - clustercluster

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Good and Bad Sequence Alignments

ASTQSPSVFPLTRCCKNIPSNATSVTLGCLATGYFPEPVMVTWDTGSLNGTTMTLPATTLTLSGHYATISLLTVSGAWAKQMFTCRVAHTPSSTDWVDNKTFSVCSRDFTPPTVKILQSSCDGGGHFPPTIQLLCLVSGYTPGTINITWLEDGQVMDVDL

Sequence based

alignment

Structure based

alignment

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Sequence - Structure Relationship

ScrewWasherScrew nutSpringBall bearingSpecial

23

Sequence-Structure Relationship

Domain (Fold):

Sequences:

Sequence Motif: [FY]-x-C-x-[VA]-x-H[FY]-x-C-x-[VA]-x-H

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Automatic Identificationof Allergen Profiles

motif discoverymotif discovery(MEME)(MEME)

motifmotif

MotivesMotives

collectcollectremainingremainingsequencessequences

DatasetDatasetAdbAdb

MatchesMatches

search datasetsearch datasetremoveremovematchmatcheses

25

New Public Motif Database

The FASEB Journal.

2003;17:1141-1143Publication

169135non-matching seqs

6452Motifs

876779Sequences (#)

own searchSequences (origin)

further Analysis1st Analysis

2003 2004*

190

69

1102

2005*

* In collaboration with Adriano Mari, Allergy Data Laboratories p.s.c.

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Motif-basedAllergenicity Prediction

52motifs

135sequences

RDFTPPTVKILQSSCDGGGHFPPTIQLLCLVSGYTPGTINITWLEDGQVMDVDLSTASTTQEGELASTQSELTLSQKHWLSDRT

query proteinquery protein

motifmatch?

pairmatch?

allergennon-allergen

allergens:

yes

no

yes

no

Allergen Extracts Contain Several Motifs Cross reactivity: Motif 4

Vorhersage plus Messung?

28

Predict more allergen sensitizations by motifs

Use only recombinant allergens

The Bioinformatic Crystal Ball

29

Predict all allergen sensitizations?

Use only recombinant motifs

motifs

30

Human TPM3 gamma chain

Rabbit TMP2 beta chain

Pig TPM1 alpha chainChicken TPM1 alpha chain

Streptococcus pyogenes5 M protein

Streptococcus pyogenes6 M protein

Turbo cornutus Tur c 1

Pacific oyster TPM

Herring worm TPMMLepidoglyphus destructor TPM

Dermatophagoides pteronyssinus TPM

Chironomus kiiensis TPM Periplaneta america Per a 7

Homarus americanus Hom a 1Panulirus stimpsoni Pan s 1

Metapenaeus ensis Met e 1

Tropomyosinsan Ubiquitous Allergen

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Wir sind beinahe Klone

Unsere Gene, Basis des Immunsystems

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Immunsystem - tägliche Evolution

… und Ursache der meisten Krankheiten… und Ursache der meisten Krankheiten

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Genrearrangement

H-Kette

L-Kette

B Zelle

VH DH JH VL JL

HC-Gensegmente

LC-Gensegmente

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B Zelle

Epitopeines

Antigens

eine B Zelle =ein Antikörper = ein Idiotyp

Antikörperspezifität

Antikörper

Theoretische Rekombinationen

H KetteGensegmente

L/H KettenDiversität

V 200 100 20‘000

D 20 0 400‘000

J 6 5 12‘000‘000

D-frame 0.33 - Nur ein Frame!= 30% ReduktionJ-frame 0.33 0.33

~1 ·1014

L KetteGensegmente

4‘000‘000

~450‘000

Nukleotide einfügen (Durchschnitt 6)

Nukleotid Verlust (meist <=7) ~1 ·1019

Nur ein Frame! = 30% Reduktion ~1018

1 Million Genmanipulationen pro Sekunde

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Antigen

Gegen jeden Antikörperein Anti-Idiotyp

Anti-Idiotyp

Antikörper

Das Idiotypen-Anti-Idiotypen Netzwerk

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109-1012

Antigene109-1012

Antikörper

Den idealen Partner finden?

109

Menschen

Suche nach dem idealen Partner

Weltbevölkerung (Millionen)

Jahr

e

Kontaktzeiteine Stunde

KontaktzeitZehn Sekunden

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Nicht zimperlich bei der Wahl

Meme und Gene

Kein bekannter SpeicherortKein bekannter Speicherort

Stehen wir am selben Wendepunkt?

Immunität und Infektiositätvon Memen

Immunologische Diversität benutzt nicht Gene,sondern rearrangiert Gensegmente.

Immunologische Diversität benutzt nicht Gene,sondern rearrangiert Gensegmente.

Nicht-Wissen macht stark!?!

• „Beethovens Fünfte“ Mem– Wer es nicht kennt, ist ein Kulturbanause

• Eben wurden Sie angesteckt vom „Genrearrangement Mem“– Sind nicht infizierte

Kulturbanausen?

• Immunität gegen Meme– Krankheit oder Schutz

Gesundheit oder Wellness?

• Wer definiert die Gesundheit?

• Wie viel Gesundheit?

• Gesund sterben

Gesundheit des Menschen laut WHO

„ … ein Zustand des vollständigen körperlichen, geistigen und sozialen Wohlergehens und nicht nur das Fehlen von Krankheit oder Gebrechen.“

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Evidence Based Medicine

1. Dürfen Medikamente ohne Wirkung verkauft werden?

2. Dürfen Medikamente ohne Wirkstoffe verkauft werden?

Antwort:

Der Doppelblindversuch ist die wichtigste Errungenschaft unseres Jahrhunderts

Wer profitiert von der Wellness?

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Wer entscheidet über die Labordiagnostik?

Moderne Entscheidungshilfen

Ägypter Griechen Römer1000 v.Chr. 2000 n.Chr.1 1000 n.Chr.

Renaissance ModerneAufklärung

ChristlichesMittelalter

Wis

sens

chaft

liche

r For

tsch

rittWo wäre die Labormedizin heute?

From Diagnosis to Patient Outcomes

1. Is a particular diagnostic test accurate for the target condition?2. Does diagnostic use result in adverse effects or harms?3. Do treatments change intermediate health outcomes? (e.g., cholesterol levels, tumor size)4. Do treatments/health interventions result in adverse effects?5. Are changes in intermediate outcomes associated with changes in health outcomes?6. Does treatment improve health outcomes?7. Is there direct evidence that diagnostic use improves health outcomes?

Source: Adapted from Harris, Helfand, Woolf, et al. 2001.Source: Adapted from Harris, Helfand, Woolf, et al. 2001.

Ethik der Labordiagnostik

• Rationalitätoder Irrationalität

• ErkenntnisoderGlaube

Danke