Hvordan finder man en ny biomarkør?

Del 3 af 4 i forløbet: Biomarkører

Du har nu lært om, hvad en biomarkør er, hvad den kan bruges til, og hvordan man måler den. Men bag opdagelsen af alle biomarkørerne ligger mange års forskning. I dette afsnit lærer du, hvilke egenskaber forskerne leder efter i en biomarkør, og hvilke metoder de bruger til at finde nye biomarkører.

Der skal mange undersøgelser og tests til for at finde en ny biomarkør. Der kan gå mange år, fra forskerne starter med at lede efter nye biomarkører for en sygdom, til de bliver godkendt til brug i sundhedsvæsenet eller medicinalindustrien. Der er overordnet set fire trin i biomarkør-opdagelsen: Forsøgsdesign, opdagelse, validering og klinisk forsøgsdesign.

Forsøgsdesign

Det første skridt til at finde en ny biomarkør er at definere sin undersøgelse og designe sine forsøg.

På figur 1 kan du se nogle af de overvejelser, forskerne gør sig, når de skal designe et forsøg. Først og fremmest skal forskerne definere, hvad biomarkøren skal bruges til. Her er biomarkørens formål helt centralt, og det kan for eksempel være en diagnostisk biomarkør.

Dernæst er det vigtigt at overveje, hvilke prøver forskerne kan få fat i. Det er dyrt at lave forsøg på mennesker. En af løsningerne på det problem er biobanker, som du hørte om i den første video. Biobanker er institutioner, hvor der er opbevaret en masse biologiske prøver fra mennesker. Danmarks Nationale Biobank har for eksempel mere end 25 millioner biologiske prøver liggende. Over 2 millioner af dem er hælblodprøver fra screeningsprogrammet af nyfødte, hvor danske børn bliver testet for en række alvorlige sygdomme kort efter fødslen. Forskningsgrupper kan søge om at få adgang til de biologiske prøver i biobankerne i forbindelse med et forskningsprojekt.

Figur 1: Overvejelser til forsøgsdesignet. Mange overvejelser går ind i forsøgsdesignet, når forskerne vil finde nye biomarkører. Det inkluderer bl.a. hvilke prøver og målemetoder, de skal bruge.

Jo flere prøver desto mere evidens

Forskerne vil selvfølgelig gerne have så mange prøver som muligt. Så har de meget materiale at arbejde med og dermed større evidens for deres resultater. Forskerne er dog begrænsede af, hvor mange prøver de kan skaffe, og hvor mange prøver de har råd til at undersøge. Mængden af prøver har indflydelse på, hvor meget de kan detektere. Når forskerne undersøger prøverne, skal de bruge statistik til at understøtte deres resultater. Det gælder for eksempel, når de skal finde ud af, om der er signifikant forskel mellem prøverne fra de syge patienter og kontrolgruppen.

Vi mennesker er alle sammen unikke, og nogle forskelle mellem de syge patienter og kontrolgruppen kan skyldes tilfældig variation. Det er derfor nødvendigt at undersøge, om forskellene er statistisk signifikante, før forskerne kan konkludere noget som helst om biomarkøren. Jo flere prøver de har, desto mindre forskelle kan de detektere som statistisk signifikante. Læs mere om statistisk signifikans.

Når forskerne har fundet ud af, hvilke prøver de kan skaffe, skal de bestemme, hvilke målemetoder de vil bruge. Hvis det er proteiner, som de skal undersøge, kan de for eksempel vælge imellem enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), massespektrometri, kromatografi eller en helt fjerde metode. Forskerne skal så opstille et forsøg og lave en forsøgsmanual, ligesom den du får, når du går i laboratoriet i en af undervisningstimerne.

Opdagelse

Det næste skridt er at lave sine forsøg og analysere alle patientprøverne. Der er to primære måder at finde nye biomarkører på: Hypotese-drevet eller opdagelses-baseret.

Hypotese-drevet: Ud fra den eksisterende viden om sygdommen udvælger forskerne nogle molekyler, som de vil undersøge. Forskerne har en hypotese om, at de udvalgte molekyler er påvirkede under sygdom og potentielt kan bruges som biomarkører. Fordelen ved hypotese-drevne forsøg er, at de er relativt simple, fordi der kun er nogle få udvalgte molekyler at undersøge. Ulempen er, at forskerne kan overse en masse potentielle biomarkører, fordi de kun undersøger nogle udvalgte molekyler. Biomarkøren hæmoglobin A1c blev opdaget ud fra viden om, at blodsukkeret var forhøjet hos diabetikere. På figur 2 kan du se workflowet for hypotese-drevne forsøg.

Figur 2: Hypotese-drevet biomarkørforsøg. I de hypotese-drevne forsøg udvælger forskerne nogle molekyler, som de vil undersøge, baseret på et litteraturstudie og viden om sygdommen. De udvalgte molekyler bliver målt i prøver fra de syge patienter og en rask kontrolgruppe. Forskerne udregner, om forskellen på molekylerne i de syge patienter og i kontrolgruppen er statistisk signifikant. Målemetoden er her eksemplificeret med en HPLC-maskine og de statistiske undersøgelser med et boks-plot.

Opdagelses-baseret: Forskerne undersøger en masse patientprøver for at identificere de molekyler, som er udtrykt forskelligt i de syge patienter sammenlignet med kontrolgruppen. Denne metode er ofte baseret på omics-teknikker. Et eksempel på en omics-teknik er proteomics. Det er studiet af alle proteiner i en prøve, også kaldet et proteom. Fordelen ved opdagelses-baserede forsøg er, at forskerne ikke er begrænsede af den nuværende viden om sygdommen, men holder alle døre åbne. Ulempen er, at potentielle biomarkører kan ”drukne” i al dataen, fordi der er data fra så mange forskellige molekyler. Databehandlingen er langt mere besværlig i opdagelses-baserede forsøg og kræver avancerede computerprogrammer til at sortere i dataen. Biomarkøren BRCA1 blev opdaget, da forskere fandt ud af, at dette gen ofte var muteret hos patienter med brystkræft. På figur 3 kan du se workflowet for opdagelses-baserede forsøg.

Figur 3: Opdagelses-baseret biomarkørforsøg. I de opdagelses-baserede forsøg udvælger forskerne ikke nogle molekyler på forhånd, men undersøger i stedet en helt masse molekyler på én gang – for eksempel et helt proteom. Al dataen fra målingerne sorteres ved hjælp af avancerede computerprogrammer, inden forskerne til sidst finder de statistisk signifikante molekyler. Målemetoden er her eksemplificeret med et massespektrometer og de statistiske undersøgelser med et vulkan-plot.

Validering

Når forskerne har fundet nogle biomarkør-kandidater, som de tænker er gode, skal deres resultater bekræftes i større studier med nye patientprøver. Inden for forskning er det helt essentielt, at ens forsøg kan replikeres. Dvs., at man skal få de samme resultater, hvis forsøget bliver gentaget. Det er altså vigtigt at bekræfte, at ens resultat er korrekt og ikke bare er en tilfældighed. Hvis forskerne ikke får de samme resultater anden gang, hvordan kan de så være sikre på, at det overhovedet var rigtigt i første omgang? Der er mange ting, som kan gå galt under et forsøg, og som kan påvirke resultatet, uden forskerne nødvendigvis har været opmærksomme på det.

Klinisk forsøgsdesign

Det sidste skridt er at finde ud af, om resultaterne kan overføres til et klinisk setting. Indtil nu er alle forsøg udført af forskere i deres laboratorier med bestemte maskiner. Det er ikke sikkert, at de samme forsøgsopsætninger kan lade sig gøre på hospitaler eller hos læger. Hvis biomarkøren skal bruges i sundhedsvæsenet, er det derfor nødvendigt at designe et forsøg eller et testkit, som kan bruges i klinikkerne eller endda hjemme hos patienterne. I den sammenhæng er det vigtigt at overveje flere forskellige ting. Det inkluderer bl.a. hvordan biomarkøren skal måles, og hvor hurtigt resultatet kommer.

Sensitivitet og specificitet

Et andet vigtigt aspekt er at bestemme biomarkørens sensitivitet og specificitet. Det er parametre, som fortæller noget om, hvor god en biomarkør er til at identificere både de syge og raske patienter korrekt.I den første video fortalte lektor Rikke Jentoft Olsen, at de hele tiden evaluerer og justerer biomarkørerne i screeningsprogrammet af nyfødte, så de bliver bedre og bedre til at stille den rette diagnose. I et screeningsprogram er der risiko for at detekterer nogle, som ikke er syge (falske positive). Der er også risiko for ikke at påvise dem, som faktisk er syge (falske negative). Antallet af falske positive og falske negative kan bruges til at regne en biomarkørs sensitivitet og specificitet ud. Du kan se, hvordan man gør på figur 4.

Sensitivitet: Andelen af syge patienter, der bliver korrekt identificeret som syge ud fra biomarkøren. Sensitiviteten repræsenterer altså de sande positive blandt de syge. Det er vigtigt, at der ikke er mange syge, som bliver falsk erklæret raske, for så får de ingen behandling.

Specificitet: Andelen af raske patienter, der bliver korrekt identificeret som raske ud fra biomarkøren. Specificiteten repræsenterer altså de sande negative blandt de raske. Det er vigtigt, at der ikke er for mange raske, som bliver falsk erklæret syge. Det er både en belastning for sundhedsvæsenet og skaber stor unødig bekymring hos den raske person.

Figur 4: Sensitivitet og specificitet. En god biomarkør skal både være sensitiv og specifik. Sensitiviteten er andelen af de syge, som korrekt bliver diagnosticeret som syge. Specificiteten er andelen af de raske, som korrekt bliver diagnosticeret som raske.

Desværre er en høj sensitivitet ofte på bekostning af en lavere specificitet, og omvendt. En god biomarkør skal derfor have en tilfredsstillende balance mellem sensitivitet og specificitet.

Hvad er en god biomarkør?

Hvis forskerne helt selv kunne vælge, hvilke egenskaber ville de så ønske, at en biomarkør havde? I den ideelle verden er biomarkøren en indikator, som kun er til stede i syge og ikke i raske mennesker. Det kan for eksempel være et protein fra en sygdomsfremkaldende mikroorganisme, som kroppen ikke selv producerer. Derudover skal koncentrationen af biomarkøren gerne afspejle patientens sygdomsstadie. Det betyder, at koncentrationen af biomarkøren stiger, hvis sygdommen bliver forværret. På den måde kan biomarkøren ikke kun bruges til at identificere de syge patienter, men også til at vurdere, hvor langt i sygdomsforløbet de er.

Effektiv målemetode

Biomarkøren skal også gerne være let at måle. Den skal allerhelst kunne måles på en ikke-invasiv måde. Dvs., uden at skulle tage en blodprøve eller andet ud af kroppen. Det er for eksempel tilfældet for de radiografiske og fysiologiske biomarkører. Hvis det alligevel er nødvendigt at tage en prøve ud af kroppen for at måle biomarkøren, er det bedst, hvis det er en blodprøve eller en urinprøve. Den slags prøver foretages rutinemæssigt i sundhedsvæsnet, og de er mindre invasive end for eksempel en rygmarvsprøve eller en biopsi fra en kræftknude. Det er også vigtigt at bruge en effektiv metode til at måle biomarkøren. Målemetoden skal gerne være simpel, hurtig, præcis og billig.

Langt de fleste biomarkører opfylder ikke denne ønskeliste af egenskaber. Det betyder dog ikke, at de er dårlige biomarkører. De kan bare være sværere at opdage og sværere at bruge i sundhedsvæsenet. Som du har lært i dette afsnit, er der meget, som har betydning for biomarkør-opdagelsen, og der er stadig mange sygdomme, som der endnu ikke findes nogen biomarkører for. Det gælder for eksempel kronisk træthedssyndrom, som du kan lære mere om i et af de andre afsnit. Der findes også sygdomme, hvor biomarkørerne er meget svære at måle. For eksempel har Alzheimers sygdom i mange år kun definitivt kunne diagnosticeres med en hjernebiopsi. Sådan en kan først laves, når patienten er død, og på det tidspunkt er det naturligvis for sent. I dag kan lægerne være meget sikre på, at en patient har Alzheimers sygdom, men det kræver bl.a., at de måler på biomarkører fra rygmarvsvæsken.

Alzheimers sygdom

Alzheimers sygdom er en neurodegenerativ sygdom. Det betyder, at det er en sygdom, hvor neuronerne (hjernecellerne) bliver ødelagt. Omkring 55.000 danskere er ramt af Alzheimers sygdom, hvor størstedelen er ældre mennesker. Alzheimers sygdom er den hyppigste årsag til demens, hvor patienterne oplever hukommelsesproblemer og svækkelse af andre mentale færdigheder. Der findes ingen kur mod Alzheimers sygdom, og sygdommen forværres gradvist hos patienterne. Der findes dog nogle lægemidler, som kan mindske patienternes symptomer og give dem en mere normal hverdag.

Årsag

Årsagen til Alzheimers sygdom kendes endnu ikke. Der er blevet forsket intenst i sygdommen, men det vides stadig ikke, hvad der udløser nedbrydningen af neuronerne. Der er dog nogle gennemgående sygdomsprocesser i hjernen, som er blevet kortlagte. Hos Alzheimers patienter ophober der sig proteiner i hjernen, som ødelægger neuronerne. To af de proteiner hedder beta-amyloid og tau. Beta-amyloid er et uopløseligt protein, som kan klumpe sig sammen og danne såkaldte plaques. Plaques lægger sig omkring neuronerne og forhindrer signaleringen imellem dem. Tau er et protein, som stabiliserer neuronernes cytoskelet. Et cytoskelet er en celles ”skelet”, som bl.a. giver cellen dens form. I Alzheimers sygdom bliver tau proteinerne fosforylerede, hvilket får dem til at folde forkert. De misfoldede tau proteiner klumper sig sammen og danner såkaldte tangles. Derudover kan de misfoldede tau proteiner ikke længere stabilisere neuronernes cytoskelet, hvilket nedbryder neuronerne. På figur 5 kan du se en illustration af beta-amyloid og tau, og hvordan de klumper sig sammen til plaques og tangles.

Figur 5: Beta-amyloid og tau. I Alzheimers sygdom sker der sammenklumpninger af proteinerne beta-amyloid og tau. Beta-amyloid danner plaques, som forhindrer signalering imellem neuroner. Tau bliver fosforyleret og danner tangles, hvilket destabiliserer neuronernes cytoskelet.

Diagnose

Når lægerne skal diagnosticere en patient med Alzheimers sygdom, starter de med at lave forskellige kognitive test for at undersøge patientens mentale funktioner. Hvis de antyder, at patienten har Alzheimers sygdom, kan lægerne lave en række supplerende undersøgelser, hvor de måler forskellige biomarkører. Med en PET-scanner er det for eksempel muligt at lave en amyloid-scanning, hvor mængden af beta-amyloid i hjernen kan bestemmes. Beta-amyloid kan også måles i rygmarvsvæsken. Det er den væske, som omgiver og beskytter hjernen og rygmarven. I en prøve fra rygmarvsvæsken kan koncentrationen af de tre molekylære biomarkører beta-amyloid, tau og fosforyleret tau bestemmes. At tage en prøve fra rygmarvsvæsken er et meget invasivt indgreb, og det kan medføre komplikationer hos patienten. Mange forskere arbejder på at udvikle blod-baserede biomarkører i stedet. Det ville gøre diagnosticering af Alzheimers patienter meget lettere og billigere. I opgaven som hører til dette teoriafsnit, kan du selv prøve at finde en blod-baseret biomarkør for Alzheimers sygdom.

Quiz

Opgaver

Brug hvad du har lært i opgaverne her.

Excel opgaveark