Sektion Translationale Genomik neurodegenerativer Erkrankungen

Unsere Sektion verfolgt systematisch eine translationale Pipeline zur Entwicklung von Therapiestrategien für ein breites Spektrum genetisch stratifizierter neurodegenerativer Erkrankungen. Sie geht aus von der Entdeckung der genetischen Grundlagen, über Fluid- und digitale Biomarker bis hin zu paradigmatischen First-in-Human-Therapieansätzen bei:

Ataxie- und Ataxie-Spektrumserkrankungen, insbesondere genetische Ataxien, komplizierte hereditäre spastische Spinalparalyse (HSP), neurometabolische Erkrankungen, und komplexe seltene Bewegungsstörungen.
Frontotemporaler Demenz, Alzheimer Demenz und anderen komplexen Demenzen, v.a seltene und atypische Varianten der Alzheimer-Demenz, genetische Demenzen, neurometabolische Demenzen.
Motoneuronerkrankungen: Amyotrophe Lateralsklerose, v.a. genetische Formen; ALS-FTD-Spektrum-Erkrankungen; lysosomale Motorneuronerkrankungen.

Die Strategie

Für jedes dieser Krankheitscluster haben wir eine translationale Pipeline implementiert, die ein umfassendes methodisches Spektrum abdeckt und jeden systematischen Schritt der Pipeline umfasst:

Genetische Stratifizierung von Patienten mit bisher molekular nicht geklärten Krankheiten unter Nutzung der neuesten Ganz-Exom- (WES), Ganz-Genom- (WGS) und Transkriptom-(RNAseq) Sequenzierung;
Entschlüsselung der zugrundeliegenden molekularen Signalwege und der damit verbundenen flüssigen Biomarker, wobei sowohl gezielte Ansätze (mit ultra-sensitiven Biomarker Plattformen, zB SIMOA, SMCxPRO) als auch unvoreingenommene Omics-Ansätze verwendet werden;
Identifizierung und Validierung von digital-motorischen Ergebnismessungen unter Verwendung von Sensor-Wearables sowohl im Labor als auch im realen häuslichen Umfeld;
eingehende klinische, neuropsychologische und bildgebende Profilerstellung, und Modellierung entsprechender longitudinaler Datensätze;
mechanistische Studien zur Erstbehandlung am Menschen, z. B. mit RNA-Therapien wie Antisense-Oligonukleotiden (ASOs), bis hin zu ultra-individualisierten n-of-1 ASO Ansätzen

Ataxien und Ataxie-Spektrums-Erkrankungen

Wir sind ein national wie auch international führendes Zentrum für degenerative Ataxien und überlappende Ataxie-Spektrums-Erkrankungen und leiten eine Vielzahl nationaler und internationaler Konsortien und Plattformen für diese Erkrankungen. Aufbauend auf dem prospektiven longitudinalen internationalen multizentrischen Register für Autosomal Rezessive Cerebelläre Ataxien und Früh-beginnende Ataxien (ARCA/EOA), das wir 2012 eingerichtet haben, konnten wir ein großes internationales Netzwerk mit kontinuierlichen longitudinalen Verlaufsdaten von >1000 Ataxie-Patienten aufbauen Unser Register und unsere Arbeit im Bereich der Next-Generation-Genomik waren die Grundlage für (i) das translationale EU E-Rare JTC-Konsortium "PREPARE", das gezielte Behandlungsstudien für seltene autosomal-rezessive Ataxien vorbereitet (gestartet 2015); (ii) das trial-readiness EU EJP RD-Konsortium "PROSPAX", das die natürliche Progression spastischer Ataxien durch strikte multizentrische trial-readiness-Studien erfasst (gestartet 2020, zusammen mit Dr. Schüle, HIH); (iii) die globale translationale Plattform "Ataxia Global Initiative" (https://ataxia-global-initiative.net), die die Trial-Readiness-Forschung zu genetischen Ataxien in den führenden Zentren weltweit koordiniert und harmonisiert (Start 2019).

Wir haben dazu beigetragen, das phänotypische Spektrum von >20 Ataxie-Genen zu erweitern und abzugrenzen, darunter SYNE1, PNPLA6, STUB1, COQ8A (Traschütz et al, 2020, Ann Neurol) und RFC1 (Traschütz et al, 2021, Neurology). Unsere große web-basierte Kohorte von >2100 Ataxie-Exom-Datensätzen (PREPARE GENESIS) ermöglichte uns die Identifizierung von >15 neuen Ataxie-/hereditären spastischen Paraplegie (HSP)-Genen, wie z.B. DNAJC3, KCNA2 oder PRDX3 (Rebelo et al, 2022, BRAIN).

Frontotemporale Demenz, Alzheimer-Krankheit und andere komplexe Demenzerkrankungen

Wir sind als führendes Studienzentrum an mehreren nationalen und internationalen Netzwerken beteiligt, die translationale Programme für genetische und sporadische Formen der Frontotemporalen Demenz (FTD) entwickeln und konsequent umsetzen. In Zusammenarbeit mit Prof. Peter Heutink (HIH/DZNE Tübingen) haben wir eine Kohorte von >2500 Whole-Exom-Datensätzen von Probanden mit FTD oder anderen früh-beginnenden Demenzerkrankungen aufgebaut. Diese umfassende Kohorte ermöglicht uns eine eingehende Identifizierung der Gene, die der Frontotemporalen Demenz (FTD) zugrundeliegen sowie ihrer jeweiligen Häufigkeit. Hieraus konnten wir zeigen, dass FTD keine einheitliche Erkrankung ist, sondern vielmehr eine konvergierende Endstrecke mehrerer gänzlich verschiedener molekularer Signalwege (Blauwendraat et al, 2018, Genetics in Medicine). Darüber hinaus konnten wir das phänotypische und mutationsbedingte Spektrum von verschiedenen FTD-Genen genauer charakterisieren, so z.B. von TBK1. Unsere Beiträge zum globalen "GENFI-Konsortium" haben dazu beigetragen, klinische, bildgebende und Biomaterial-Längsschnittdaten von präsymptomatischen und symptomatischen Probanden aus Familien mit genetischer FTD systematisch zusammenzutragen, so dass bereits erste gezielte molekulare Therapiestudien bei genetischer FTD begonnen werden konnten.

Solche Therapiestudien werden wesentlich durch die Identifizierung von Blut- und Nervenwasser-Biomarkern für FTD ermöglicht. Hier konnten wir verschiedene dieser Biomarker - z.B. Neurofilament Light Chain (NfL), Progranulin oder Glial Fibrillary Acid Protein - charakterisieren und in stringenten Längsschnitt-Biomarker-Studien bei genetischer FTD durch unser GENFI-Konsortium validieren, inklusive der Kartierung von Biomarkern in der therapeutisch entscheidenden "Konversionsphase" vom präsymptomatischen zum symptomatischen Stadium bei FTD (Wilke et al., 2022, Annals of Neurology) sowie bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit (Wilke et al., 2020, Mov Disord). Dieses sehr frühe Krankheitsstadium, das für molekulare Therapien besonders vielversprechend sein könnte, wird nun von unserem neuen europäischen JPND-Konsortium "GENFI-prox" (Start 2020) näher eingehend molekular charakterisiert.

Trial-Readiness: Vorbereitung und Etablierung von First-in-Human-Therapieansätzen für neurodegenerative Erkrankungen

Um die Voraussetzungen für Therapiestudien (trial readiness) zu etablieren, haben wir digital-motorische Outcome-Maße entwickelt, die ataxiespezifische Gangveränderungen bereits im prä-ataktischen Stadium bei Risikopersonen erfassen (Ilg et al., 2016, Mov Disord; Thierfelder et al., 2022, Mov Disord). Zudem haben wir auch digital-motorische Maße identifiziert, die es mittels körpergetragener Sensoren (wearables) erlauben, auch im realen Alltagsleben betroffener Personen genau die Krankheitsmaße zu erfassen (Ilg et al., 2020, Neurology), und so eine Alltagsrelevanz abzubilden, die für die behördliche Zulassung als Outcome-Maße erforderlich ist. Parallel dazu arbeiten wir an Blut- und Nervenwasser-Biomarkern für Ataxien, Frontotemporale Demenz, Alzheimer-Krankheit und ALS. Hier haben wir bereits für jede dieser Erkrankungen das Eiweiß Neurofilament-Leichtkette (NfL) als vielversprechenden Biomarker für Verlauf, Stratifizierung und Therapie-Ansprechen etablieren können.

Aufbauend auf dieser Arbeit an Flüssigkeits- und digital-motorischen Biomarkern führen wir nun eine ganze Reihe von First-in-Human-Therapiestudien mit gezielten, mechanistischen Antisense-Oligonukleotiden (ASO) bei verschiedenen genetischen Ataxien, FTD, Alzheimer und ALS durch. Dazu gehört auch ein systematisches Entwicklungsprogramm für hoch individualisierte "n-of-1"-ASOs, bei dem mechanistische Behandlungen entwickelt und auf den Markt gebracht werden, die sogar auf einzelne Patienten und ihre jeweiligen persönlichen Mutationen zugeschnitten sind (1 Mutation 1 Medicine, Synofzik et al, 2022, Nucleic Acid Therap).

Alle Ambulanzen auf einen Blick:

ATAXIE

Unsere Arbeit ist getragen von der Vision, degenerative Ataxien behandelbar zu machen. Hierzu wendet unsere Ataxie-Ambulanz aktuellste Ansätze an, um für eine möglichst große, kontinuierlich wachsende Zahl an Ataxien eine Trial-Readiness herzustellen und Therapiestudien durchzuführen - sowohl mit zielgerichteten molekularen Therapiesubstanzen als auch mit inspirierenden neurorehabilitativen Strategien. Da zielgerichtete mechanistische Therapien und Outcome-Marker von der jeweils zugrundeliegenden molekularen Ätiologie abhängen, ist das erste Ziel unserer Ataxie-Ambulanz, die molekularen Ursachen der jeweiligen Ataxie zu ermitteln. Hierbei arbeiten wir eng mit der Abteilung für Neuroradiologie (MRT, MR-Spektroskopie) und dem Institut für Medizinische Genetik und Angewandte Genomik (IMGAG) zusammen. Um die zunehmende Zahl der Ataxie-verursachenden Gene zu erfassen, setzen wir routinemäßig neueste Next-Generation-Techniken (z.B. Whole-Exome-Sequencing und Whole-Genome-Sequencing) mit höchstem diagnostischem Anspruch ein. In der Forschung wird dies durch Transkriptomik und weitere neuartige Sequenzierungstechniken (Long-Range WGS, optische Genomkartierung) ergänzt, um selbst bei solchen Patienten die molekulare Ursache der Erkrankung zu ermitteln, die mit Routineverfahren bislang ohne molekulare Diagnose bleiben. Die therapeutischen Optionen sind hierbei individuell auf die zugrundeliegende Ursache der Ataxie und entsprechende Genveränderung zugeschnitten.

Unsere Ambulanz verfolgt damit einen stringenten Weg zur Trial-Readiness. Gemeinsam mit Dr. W. Ilg und Prof. Dr. M. Giese vom Center for Integrative Neuroscience (CIN) haben wir digital-motorische Outcome-Maße entwickelt, die auf fortschrittlicher Bewegungsanalyse und Wearables-Technologie basieren und es ermöglichen, die Bewegungsmaße von Ataxie-Patienten im realen Alltagsleben zu erfassen. Diese Messungen können als Maß für ein Therapie-Ansprechen dienen, wie die von unserem Team entwickelten neuartigen neurorehabilitativen Behandlungsansätze zeigen. Hier haben wir z. B. speziell auf Ataxie zugeschnittene Physiotherapie- und Logopädie-Protokolle oder spezielle videogestützte Trainingsprogramme ("Exergames") für Ataxie entwickelt. Diese digital-motorischen Outcome-Maße werden durch unsere OMICS-Forschung auf dem Gebiet der molekularen Outcome-Maße ergänzt, die darauf abzielt, Blut- und Nervenwasser-Biomarker zu identifizieren und zu validieren, welche idealerweise sogar im peripheren Blut gemessen werden können. Erste Biomarker-Kandidaten im Blut (NfL, pNfH) wurden von unserem Team nun für mehrere degenerative Ataxien identifiziert. Sowohl unsere digital-motorischen als auch unsere Flüssigkeits-Biomarker wurden bereits in die Therapiestudien-Protokolle der ersten Antisense-Oligonukleotid (ASO)-Studien am Menschen aufgenommen, welche wir für spinozerebelläre Ataxien durchführen.Unsere lokalen und nationalen Forschungslinien zur Vorbereitung von Studien sind in die internationale Ataxia Global Initiative (AGI; ataxia-global-initiative.net) eingebettet, welche auch von unserem Zentrum (Prof. Synofzik) mit geleitet wird. Diese globale Initiative wird alle notwendigen klinischen, wissenschaftlichen und regulatorischen Schritte zur Vorbereitung von Ataxie-Therapiestudien erleichtern. Als federführender PI in mehreren nationalen und internationalen Konsortien beteiligen wir uns an Studien zum natürlichen Verlauf und zu Biomarkern von (i) autosomal-dominanten spinozerebellären Ataxien (SCA) (z. B. weltweite EUROSCA- und ESMI-Konsortien), inklusive präsymptomatischer Risikopersonen (RISCA); (ii) sporadischen spät-beginnenden Ataxien (SPORTAX); und (iii) Autosomal-Rezessiven Cerebellären Ataxien (ARCAs). Als koordinierendes Zentrum für mehrere ARCA-Netzwerke leitet Prof. Synofzik das weltweite ARCA-Register und ist wissenschaftlicher Koordinator des EU-finanzierten Konsortiums PROSPAX (=“An integrated multimodal progression chart in spastic ataxias“; zusammen mit Dr. Rebecca Schüle) und der weltweiten Natural History Studie zu RFC1-Ataxie. Gleichzeitig bieten diese Netzwerke - zusammen mit dem innovativen trans-europäischen Multi-Omics-Projekt SOLVE-RD (Solving the Unsolved Rare Diseases) – reichhaltige neuartige Ressourcen für die Entdeckung neuer Ataxie-Gene. Diese Ambulanz wird von Dr. Dr. A. Traschütz und Dr. C. Wilke betreut, und von Prof. Synofzik und Prof. Schöls geleitet und supervidiert.

FRONTOTEMPORALE DEMENZ UND FRÜHBEGINNENDE DEMENZEN

Frontotemporale Demenzen (FTD) sind eine heterogene Gruppe von neurodegenerativen Erkrankungen, die durch fortschreitende Veränderungen der Persönlichkeit und des Verhaltens und/oder fortschreitende Sprachstörungen gekennzeichnet sind. FTD beginnt häufig bereits im Alter von 50-60 Jahren und ist damit eine der häufigsten frühbeginnenden Demenzen (Beginn < 65 Jahre).

Während FTD lange Zeit als unbehandelbar galt, gibt nun für buchstäblich alle häufigen genetisch bedingten FTDs gezielte molekulare Therapiestudien. Unsere FTD-Ambulanz gehört zu den nationalen und europäischen Vorreitern auf diesem stringenten Weg zur Trial-Readiness. Unsere Experten in der FTD-Ambulanz sind Spezialisten für die vielfältigen Differenzialdiagnosen und überlappenden Spektrums-Erkrankungen der FTD. Dazu gehören häufige neurodegenerative Erkrankungen wie die Progressive Supranukleäre Blicklähmung (PSP) oder Alzheimer-Krankheit (AD); Phänotypen-Spektren, die durch zusätzliche Parkinson-Syndrome oder Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) kompliziert sind; aber auch seltene neurometabolische Demenzen wie beispielsweise Niemann Pick Typ-C (NPC) oder die Cathepsin F (CTSF)-bedingte Demenz. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf einer umfassenden klinisch-neuropsychologischen Untersuchung, die durch die neuesten Biomarker aus Nervenwasser und Blut ergänzt wird, einschließlich der Entdeckung neuer FTD-Biomarker auf Forschungsebene. Darüber hinaus bieten wir allen unseren FTD-Patienten neueste genetische Next-Generation Diagnostik an (Whole-Exome-, Whole-Genome-Sequenzierung), um die zugrunde liegende molekulare Ursache der Erkrankung zu entschlüsseln - was der entscheidende Schritt für den Zugang zu molekularen Präzisionsmedizin-Therapiestudien ist.

Wir sind das führende FTD-Rekrutierungszentrum des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE). Im Rahmen dieser deutschlandweiten Zusammenarbeit konnten wir eine große bundesweite Kohorte von Patienten mit FTD-Erkrankungen aufbauen, die auf klinischer, neuropsychologischer, bildgebender und Biomarker-Ebene umfassend charakterisiert sind. Darüber hinaus sind wir das federführende deutsche Zentrum im internationalen multizentrischen GENFI-Konsortium, in welchem symptomatische und asymptomatische Träger von Mutationen in FTD-Genen longitudinal charakterisiert werden - auf einem stringenten Weg zur Therapieentwicklung für genetische Formen der FTD. Dieser ehrgeizige Forschungsweg hat es ermöglicht, bereits erste neuropsychologische, bildgebende und molekulare Veränderungen bei FTD noch vor dem klinischen Ausbruch zu entschlüsseln und damit bereits im frühesten Krankheitsverlauf ein neues Fenster für Therapieoptionen zu öffnen. Diese Bemühungen werden durch das von der EU finanzierte Konsortium „GENFI-prox" weiter intensiviert, welche eine multimodale, multi-OMICS Signatur entwickelt, die es ermöglicht, Risikopersonen für genetische FTD direkt vor der klinischen Manifestation der Krankheit für zielgerichtete molekulare Therapiestudien zu stratifizieren. Tatsächlich bieten wir bereits jetzt mehrere Studien zur gezielten molekularen Therapie für alle häufigen Formen der genetisch bedingten FTD an, die auf die frühesten Stadien dieser Erkrankung abzielen.

Die Ambulanz wird von Dr. C. Wilke, Dr. Lukas Beichert und Dr. D. Mengel betreut und von Prof. Dr. M. Synofzikg geleitet und supervidiert.

AMYOTROPHE LATERALSKLEROSE

Motoneuronerkrankungen werden durch die Degeneration von Motoneuronen in der Großhirnrinde (=1. Motoneuron) und/oder den ventralen Hörnern des Rückenmarks (=2. Motoneuron) verursacht. Die häufigste Form der Motoneuronenerkrankung - die amyotrophe Lateralsklerose (ALS) - betrifft sowohl das erste wie auch das zweite Motoneuron.

Obwohl die ALS hauptsächlich sporadisch auftritt, besteht bei mindestens 10 % der Patienten eine genetische Komponente. Wir fokussieren uns auf modernste genetische Untersuchungen (next-generation sequencing: whole exome, whole genome) sowohl sporadischer als auch familiärer Fälle, um die Häufigkeit von ALS-Genen zu erforschen, neue ALS-Gene zu entdecken und die molekularen Signalwege zu entschlüsseln, die der genetischen ALS zugrunde liegen, sowie Blut- und Nervenwasser-Biomarker für ALS zu identifizieren. Wir führen eine eingehende Phänotypisierung sowohl des motorischen als auch des nicht-motorischen Profils der ALS-Patienten durch, ergänzt durch ein umfassendes Flüssigkeits- und Zell-Biobanking, das die Grundlage für unsere kontinuierlichen Forschungsprojekte bildet. Zu den routinemäßigen diagnostischen Tests gehören Nervenleitfähigkeitsstudien, Elektromyographie und evozierte Potenziale. Weitere diagnostische Verfahren (z. B. Lumbalpunktion und Bildgebung von Gehirn und Rückenmark) werden auf unserer neurodegenerativen Spezialstation angeboten. Die Behandlung von Atemwegserkrankungen erfolgt in enger Zusammenarbeit mit der pulmonologischen Abteilung. Hinzu kommen hochinnovative, neuartige mechanistische First-in-Man-Therapiestudien und Härtefall-Anwendungen neuester Antisense-Oligonukleotid (ASO)-Therapien, z.B. für C9orf72-assoziierte ALS und SOD1-assoziierte ALS.

Die Ambulanz wird von Dr. C. Wilke, Dr. D. Mengel und Dr. L. Beichert betreut und von Prof. Dr. M. Synofzik geleitet und supervidiert.

Gesamtübersicht der Publikationen

Ausgewählte Publikationen

Wilke C, D Mengel, L Schöls […], Synofzik M. (2022). Levels of neurofilament light at the preataxic and ataxic stage of spinocerebellar ataxia type 1. NEUROLOGY, epub ahead of print.

Wilke C, S Reich, JC van Swieten, B Borroni, R Sanchez-Valle, F Moreno, R Laforce, C Graff, D Galimberti, […], Synofzik M. (2022). Stratifying the Presymptomatic Phase of Genetic Frontotemporal Dementia by Serum NfL and pNfH: A Longitudinal Multicentre Study. ANN NEUROL 91:33-47.

Synofzik M, WM van Roon-Mom, G Marckmann, H van Duyvenvoorde, H Graessner, R Schüle and A Aartsma-Rus. (2021). Preparing n-of-1 Antisense Oligonucleotide Treatments for Rare Neurological Diseases in Europe: Genetic, Regulatory, and Ethical Perspectives. Nucleic Acid Ther: Epub ahead of print.

Rebelo AP, Eidhof I, Cintra VP, Guillot-Noel L, Pereira CV, Timmann D, Traschütz A, Schöls L, Coarelli G, Durr A, Anheim M, Tranchant C, Warrenburg BV, Guissart C, Koenig M, Howell J, Moraes CT, Schenck A, Stevanin G, Züchner S, Synofzik M (2021). Biallelic loss-of-function variations in PRDX3 cause cerebellar ataxia. BRAIN. Jun 22;144(5):1467-1481

Traschutz A, A Cortese, S Reich, N Dominik, J Faber, H Jacobi, AM Hartmann, D Rujescu, S Montaut, […], Synofzik M. (2021). Natural History, Phenotypic Spectrum, and Discriminative Features of Multisystemic RFC1 Disease. NEUROLOGY 96:e1369-e1382.

Wilke C, Haas E, Reetz K, Faber J, Garcia-Moreno H, [….], Hübener-Schmid J, Synofzik M. (2020) Neurofilaments in spinocerebellar ataxia type 3: blood biomarkers at the preataxic and ataxic stage in humans and mice. EMBO Mol Med.Jul 7;12(7):e11803.

Traschütz A, Schirinzi T, Laugwitz L, Murray NH, Bingman CA, […] Distelmaier F, Pagliarini DJ, Puccio H, Synofzik M (2020): Clinico-Genetic, Imaging and Molecular Delineation of COQ8A-Ataxia: A Multicenter Study of 59 Patients. ANN NEUROL. Aug;88(2):251-263. Epub 2020 Jun 10.

Vogel AP, M Magee, R Torres-Vega, J Medrano-Montero, MP Cyngler, M Kruse, S Rojas, SC Cubillos, T Canento, , […], Synofzik M. (2020). Features of speech and swallowing dysfunction in pre-ataxic spinocerebellar ataxia type 2. NEUROLOGY 95:e194-e205.

Ilg, W., Seemann, J., Giese, M., Traschutz, A., […], Synofzik, M. (2020). Real-life gait assessment in degenerative cerebellar ataxia: Toward ecologically valid biomarkers. NEUROLOGY, 95(9), e1199-e1210.

Synofzik M, Puccio H, Mochel F, Schöls L. (2019) Autosomal Recessive Cerebellar Ataxias: Paving the Way toward Targeted Molecular Therapies. NEURON; 101(4): 560-583.

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