Volume 40, Issue 5 - Special issue: Circulating Nucleic Acids in Plasma and Serum (CNAPS)/Guest Editors: Hanns-Georg Klein and Stefan Holdenrieder

Zusammenfassung: Zirkulierende zell-freie Nukleinsäuren (cfNA, meist als cfDNA bezeichnet) werden zunehmend als eine neue Klasse von diagnostischen Markern wahrgenommen. DNA, mRNA und miRNA zirkulieren weniger in „nackter Form“, sondern sind verpackt und entgehen so einem schnellen Abbau im peripheren Blut. Zusammen mit der Tatsache, dass cfNA in verschiedenen wichtigen Erkrankungen sowohl qualitativ als auch quantitativ verändert sind, schafft dies ein völlig neues Universum für die labormedizinische Diagnostik. Erste Anwendungen wie z.B. die sensitive und spezifische Detektion von tumor-spezifischen Mutationen im Plasma erobern die Arena der labordiagnostischen Krankenversorgung und erlauben den Nachweis therapeutisch relevanter molekulargenetischer Tumorprofile aus dem Blut für die frühe Erkennung von Rezidiv oder Therapieversagen. Es bleiben viele Fragen zu klären, darunter die Kreuzvalidierung mit etablierten und wichtigen Parametern der Labormedizin. Auch die Einordnung präanalytischer Aspekte, die metrologische Fragen von Richtigkeit und Präzision, etc. sind für die Einordnung von analytischer und medizinischer Qualität dringend erforderlich. Nicht zuletzt eröffnen die frei zirkulierenden Nukleinsäuren eine völlig neue Biologie von Signalen, die in Gesundheit und Krankheit zwischen Zellen und Organen durch unseren Körper reisen. Es wird eine große wissenschaftliche Herausforderung sein, die biochemischen und pathobiochemischen Implikationen zu verstehen. Für Entwicklung und Implementation dieses neuen diagnostischen Felds ist signifikant, dass die Klinische Chemie die erforderlichen Expertisen sowie das komplementierende Spektrum etablierter Biomarker bereithält, um eine ordentliche Transition des Einsatzes zirkulierender Nukleinsäuren in die Diagnostik zu gewährleisten. Dies wird vorhersehbar das Spektrum der Labormedizin komplementieren, um die therapeutische Medizin bei ihren Entscheidungen in der Patientenbehandlung zu unterstützen.

Abstract: The introduction of non-invasive prenatal testing (NIPT) into prenatal care represents a paradigm shift. With the absence of any intervention risk in contrast to invasive diagnostic procedures, NIPT has been widely adopted for the detection of fetal trisomy 13, 18 and 21. Additionally, fetal sex chromosome aneuploidy testing and sex determination are available, but can be compromised by both, medical and legal factors. Available validation studies were predominantly based on patients with a high a priori aneuploidy risk, determined by trimester screening or invasive diagnostics. In this review, we discuss the interpretation of NIPT results in context of patient specific risk constellations, the available performance data and dominant methodical approaches of NIPT including necessary content of genetic counseling.

Abstract: The development and utilization of non-invasive prenatal tests have provided new and exciting challenges for quality assurance. Quality managers, scientists and technicians have been faced with the question of appropriate validation and quality controls for these innovative tests. Guidelines on quality assurance and quality control are still lacking and the need is growing inexorably. To integrate non-invasive prenatal tests into existing guidelines, attention must be paid to ISO standard 15189 which describes the requirements for medical laboratories and therefore diagnostic molecular genetics laboratories. Performing the test in an accredited molecular genetics laboratory according to ISO 15189 ensures the adherence to, and compliance with, all important principles. In this article, an overview of quality requirements applied to non-invasive prenatal testing is given from a quality manager’s point of view.

Abstract: The term liquid biopsy comprises methods of blood-based analysis of nucleic acids, which are increasingly under discussion in oncology and personalized medicine, and are already applied in individual cases. The analysis of tumor markers, which in certain tumor diseases can be found as protein markers in vast amounts in the blood, constitutes a primary form of liquid biopsy. Cell-free circulating DNA fragments in the blood (ctDNA), which reflect the genetic profile of a tumor cell and are released in different ways by the tumor, represent a new class of more specific and sensitive biomarkers that can be correlated with the dynamics of the tumor disease. New technologies based on PCR and sequencing techniques pave the way for diagnostic approaches to define molecular tumor characteristics, not only in tumor tissue but also in the blood, by analyzing cell-free circulating DNA. The combination of molecular profiling of the tumor with ctDNA analytics by liquid biopsy is a promising step in the advancement of precision medicine.

Abstract: A liquid profiling, i.e. the analysis of cell-free circulating tumor DNA (ctDNA), enables a continuous non-invasive monitoring of tumor-specific changes during the entire course of the disease with respect to early detection, identification of minimal residual disease, assessment of treatment response and monitoring tumor evolution. Technological improvements, advances in understanding the nature of ctDNA, the implementation of ctDNA analyses in clinical trials as well as efforts for the establishment of benchmarks, will bring an actual widespread clinic use within reach in the near future. However, despite this progress there are still hurdles that have to be overcome, which are discussed in this review. Moreover, present knowledge and new findings about the biology of ctDNA as well as selected potential clinical applications for metastatic cancer patients are pointed out.

Abstract: Aberrant DNA methylation is a hallmark of malignancies and can be detected in circulating cell-free DNA (ccfDNA) in bodily fluids, i.e. blood plasma, serum and urine. The availability of technologies that allow for an accurate and sensitive quantification of ccfDNA DNA methylation enables the precise monitoring of dynamic pathologic processes and pharmacodynamics. Recently, the first ccfDNA methylation biomarker SEPT9 received clearance by the US Food and Drug Administration (FDA) with its intended use for blood-based colorectal cancer screening. In this review, the application of ccfDNA methylation as a biomarker for diagnosis, screening, early detection, prognosis, molecular staging, therapy response monitoring, and recurrence monitoring is discussed. Special emphasis is placed on the potential and the limitations of methylation biomarkers for the clinical management of prostate, lung, colorectal, bladder, and head and neck cancer. Current and future applications of the validated methylation biomarkers SHOX2 and SEPT9 are highlighted. Additional applications of methylation biomarkers in ccfDNA beyond cancer are discussed briefly. Furthermore, preanalytical and analytical procedures are discussed with regard to a possible implementation of ccfDNA methylation biomarkers into clinical laboratories.

MicroRNAs (miRNAs) and long non-coding RNAs (lncRNAs) belong to a large group of non-coding RNA (ncRNA) molecules that possess diverse functions in epigenetic and chromatin structure modifications. In particular, they post-transcriptionally inhibit the protein expression of their target mRNAs and therefore, are involved in different tumor-associated signaling pathways. As the expression of both ncRNAs is frequently dysregulated in cancer and shows unique signatures, they may play a crucial role in cancer pathogenesis. They are passively and actively released into the blood circulation, and accordingly, their plasma/serum and exosomal profiles reflect disease development, tumor load and malignant progression towards metastatic relapse. Considering the biology and nature of ncRNAs in the regulation of different cellular processes, they may have potential clinical utility as blood-based tumor markers and future therapeutic targets in the treatment of cancer patients. The present review focuses on the diagnostic value of cell-free and exosomal ncRNAs in plasma/serum of cancer patients and the challenges to establish them as future tumor markers.

Zusammenfassung: Zirkulierende Nukleinsäuren in den zellfreien Bestandteilen des Blutes, Exosomen und anderer Körperflüssigkeiten in Verbindung mit modernen Sequenzierungsmethoden eröffnen der Laboratoriumsmedizin ganz neue Möglichkeiten für die Diagnostik von Erkrankungen. Nukleinsäuren besitzen auch eine bedeutende Funktion im Immunsystem. Das Immunsystem besitzt Rezeptoren, die in der Lage sind, fremde Nukleinsäuren von eigenen Nukleinsäuren zu unterscheiden. Das Verständnis dieser Erkennungsmechanismen für Nukleinsäuren hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen. Die Immunerkennung von Nukleinsäuren spielt eine zentrale Rolle bei der Abwehr von Viren und intrazellulären Bakterien. Ohne diese Mechanismen ist der Organismus nicht in der Lage, diese Pathogene zu erkennen und zu eliminieren. Dort wo die Immunerkennung von Nukleinsäuren von pathogenen Viren und Bakterien an ihre Grenzen stößt, oder die Prozesse nicht korrekt ablaufen, kommt es zu Infektionen und entzündlichen Erkrankungen. Mittlerweile sind eine Reihe von Erberkrankungen bekannt, die durch eine fehlerhafte Immunerkennung von Nukleinsäuren verursacht werden. Aus diesen Zusammenhängen hat sich ein neues Forschungsfeld etabliert, die Nukleinsäure-Immunität ( nucleic acid immunity ), mit großer Bedeutung für das Verständnis von Infektionen und entzündlichen Erkrankungen. Die neuen Erkenntnisse werden in den kommenden Jahren auch in der Immundiagnostik Eingang finden. Ziel dieser Übersicht ist es, in die Grundlagen der Immunerkennung von Nukleinsäuren einzuführen, um daraus mögliche Konsequenzen für eine verbesserte Immundiagnostik von Infektionen, Entzündung und Autoimmunität für die Laboratoriumsmedizin abzuleiten.