Molekulare Diagnostik

Grundlagen der Molekularbiologie, Genetik und Analytik
2. Auflage 2014
ISBN: 978-3-527-33502-2
Verlag: Wiley-VCH GmbH

Buch, Deutsch, 384 Seiten, Format (B × H): 177 mm x 244 mm, Gewicht: 747 g

Endlich in zweiter Auflage: das erste deutschsprachige Lehrbuch, das sich umfassend mit der modernen Molekulardiagnostik im medizinischen Labor beschäftigt. Speziell für medizinisch-technische Assistenten entwickelt, gibt das Buch nicht nur eine praxisnahe Einführung in die Diagnostik, sondern vermittelt auch einen hervorragenden Einstieg in die Molekularbiologie und Genetik. Damit nimmt das Buch einen zentralen Platz in der MTA-Ausbildung ein.
 
Beibehalten wurde der Überblick über die derzeit gängigen Methoden, deren theoretische Grundlagen sowie ihre Anwendungsgebiete in der täglichen Praxis. Besonderer Wert wird auf die Vor- und Nachteile der jeweiligen Untersuchungsmethoden bei Praktikabilität, Sensitivität und Spezifität gelegt. Abgerundet wird der praxisnah geschriebene Leitfaden durch ein Glossar sowie eine Übersicht der gesetzlichen Regelungen zur molekularen Labordiagnostik im deutschsprachigen Raum.

Autoren/Hrsg.

Thiemann, Frank

Cullen, Paul M.

Klein, Hanns-Georg

Fachgebiete

• Naturwissenschaften Biowissenschaften Zellbiologie
• Naturwissenschaften Biowissenschaften Molekularbiologie

Inhaltsverzeichnis

ALLGEMEINE GRUNDLAGEN UND PRÄANALYTIK
Grundlagen der molekularen Diagnostik
Präanalytik in der molekularen Diagnostik
METHODEN
Isolierung von Nukleinsäuren
Amplifikation und Detektion von Nukleinsäuren
DNA-Sequenzierung
INDIKATIONEN
Indikationen für die molekulare Diagnostik
Humangenetik
Immungenetik und Transfusionsmedizin
Molekulare Onkologie und Pathologie
QUALITÄT
Qualitätssicherung in der molekularen Diagnostik
Anhang: Gesetze und Normen zur Regelung der molekularen Labordiagnostik
im deutschsprachigen Raum
Weiterführende Literatur

Vorwort zur 1. Auflage XIII

Vorwort zur 2. Auflage XV

Autorenliste XVII

Glossar XXI

Einführung 1

Teil I Allgemeine Grundlagen und Präanalytik 3

1 Grundlagen der molekularen Diagnostik 5
Frank Thiemann

1.1 Die DNA 5

1.2 Die RNA 9

1.3 DNA-Replikation 12

1.4 Das Gen 13

1.5 Genomorganisation bei Prokaryonten 14

1.6 Genomorganisation bei Eukaryonten 14

1.7 Die Proteinbiosynthese 16

1.7.1 Die Transkription 16

1.7.2 Die Translation 21

1.8 Grundbegriffe in der molekularen Diagnostik 30

1.8.1 Inzidenz 30

1.8.2 Prävalenz 30

1.8.3 Mortalität 31

1.8.4 Letalität 31

1.8.5 Goldstandard 31

1.8.6 Richtigkeit und Präzision 31

1.8.7 Sensitivität und Spezifität 32

1.8.8 Prädiktiver Wert 34

2 Präanalytik in der molekularen Diagnostik 37
Frank Thiemann

2.1 Administrative Maßnahmen 37

2.2 Probengewinnung 38

2.2.1 Zeitpunkt der Probengewinnung 39

2.2.2 Proben- und Transportröhrchen 41

2.3 Hinweise zu Transport und Verpackung 45

2.3.1 Kategorie A UN 2814 45

2.3.2 Kategorie B UN 3373 46

2.3.3 Freigestellte medizinische Proben 46

2.4 Präanalytische Schritte im Labor 46

2.4.1 Räumliche Voraussetzungen 47

2.4.2 Vollautomatische Analysesysteme 49

Teil II Methoden 51

3 Isolierung von Nukleinsäuren 53
Edgar Setzke und Hans Nitschko

3.1 Einleitung 53

3.2 Die Probenvorbereitung 53

3.3 Der Zellaufschluss in Abhängigkeit des Probenmaterials und der zu isolierenden Nukleinsäure 55

3.4 Isolierung von DNA 56

3.4.1 Phenol/Chloroform-Extraktion 56

3.4.2 Silikamembranen oder mit Silika beschichtete Oberflächen (magnetische Partikel) 57

3.4.3 Anionenaustauscher-Säulen 61

3.5 Isolierung von RNA 63

3.5.1 Isolierung von Virus-RNA 63

3.5.2 Isolierung von zellulärer RNA 64

3.6 Manuelle und automatisierte Systeme zur Nukleinsäureisolierung in der molekularen Diagnostik 65

3.6.1 Manuelle Extraktionssysteme 66

3.6.2 Automatisierte Extraktionssysteme 68

3.7 Überprüfung der Menge, Reinheit und Qualität von RNA und DNA 72

3.7.1 Photometrische Bestimmung der Nukleinsäure [Menge/(Reinheit)] 73

3.7.2 Abschätzung der DNA-Menge durch Gelelektrophorese und Anfärbung mit Ethidiumbromid oder anderen Farbstoffen [Menge/(Qualität)] 73

3.7.3 Bioanalyzer [Menge/Qualität] 74

3.7.4 Spotmethode [Menge] 75

3.7.5 DNA/Zellzahlbestimmung durch PCR genomischer Sequenzen [Menge] 76

3.8 Lagerung der isolierten RNA/DNA 77

3.8.1 Lagerung von Standards 78

4 Amplifikation und Detektion von Nukleinsäuren 79
Stefan Lorkowski, Ofert Landt, Carsten Tiemann, Michael Weizenegger, Ulrich Eigner, Charlotte Sager, Frank Thiemann und Paul M. Cullen

4.1 Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) 79

4.1.1 Geschichtlicher Hintergrund 79

4.1.2 Das Prinzip der PCR 80

4.1.3 Die Komponenten der PCR 85

4.1.4 Anforderungen an das Ausgangsmaterial 89

4.1.5 PCR-Zusätze 91

4.1.6 Weitere PCR-Methoden 92

4.2 Entwicklung (Design) von Real time-PCR Assays: Primerauswahl und Sonden 99

4.2.1 Grundsätze 100

4.2.2 Primer 100

4.2.3 Sonden 102

4.2.4 Farbstoffe und Multiplex-PCR 103

4.2.5 Kriterien der Leistungsbewertung 103

4.3 Detektion von PCR-Produkten 106

4.3.1 Agarosegelelektrophorese 106

4.3.2 Chip-Elektrophorese (Lab-on-a-Chip) 109

4.3.3 PCR-ELISA und partikelbasierte Detektion 110

4.3.4 Reverse Hybridisierung 114

4.3.5 HyBeacon-Technologie 118

4.4 Real time-PCR 121

4.4.1 Interkalierende Farbstoffe (SYBR) 121

4.4.2 TaqMan-Sonden 122

4.4.3 Dark Quencher (BHQ, black hole quencher) 123

4.4.4 MGB-Sonden (minor grove binder) 123

4.4.5 Molecular Beacons 124

4.4.6 Modifizierte Oligonukleotidbausteine 124

4.4.7 Hybridisierungsproben 125

4.4.8 Scorpion-Primer 126

4.4.9 Schmelzpunktanalytik 127

4.4.10 High Resolution Melt (HRM) 128

4.4.11 Miniaturisierte Technik 129

4.4.12 Quantitative PCR 129

4.4.13 Absolute Quantifizierung 130

4.4.14 Relative Quantifizierung 132

4.4.15 Dual Target 133

4.4.16 Digitale PCR (dPCR) 134

4.5 Multiplex-PCR 135

4.5.1 Mit „Dual Priming“-Oligonukleotiden der Multiplex-PCR auf die Sprünge helfen 137

4.5.2 MLPA als Werkzeug für die Multiplex-PCR 140

4.5.3 Wenn es etwas mehr sein soll: Multiplex-PCR mit Luminex 144

4.5.4 Multiplex-PCR: Die Qual der Wahl 149

4.6 Weitere Nukleinsäure-Amplifikationsverfahren 149

4.6.1 DNA-Sonden-Assays (Gensonden) 150

4.6.2 Transcription-Mediated Amplifikation (TMA) 150

4.6.3 Hybridization Protection Assay (HPA) 153

4.6.4 Nucleic Acid Sequence based Amplifikation (NASBA) 154

4.6.5 Strand-Displacement Amplification (SDA) 156

4.6.6 Loop Mediated Isothermal Amplification (LAMP) 158

4.6.7 Massenspektrometrie als neue Option 158

4.6.8 Das Prinzip 162

4.6.9 Massenspektrometrie im PCR-Labor 164

4.6.10 Die Target-Regionen und ihre Analyse 167

4.6.10.1 Der Einsatz im Routinelabor 169

4.7 DNA-Mikroarrays 170

5 DNA-Sequenzierung 173
Andre Frontzek

5.1 DNA-Sequenzierung nach Sanger 173

5.2 Pyrosequenzierung 180

5.3 Minisequenzierung 183

5.4 Sequenzierung mit Mikroarrays 185

5.5 Sequenzierung – die nächste Generation 186

5.6 Die Zukunft der Sequenzierung 191

Teil III Indikationen 193

6 Indikationen für die molekulare Diagnostik 195
Holger F. Rabenau, Udo Reischl, Uwe Lang, Matthias Aymanns, Tim Hagedorn, Kim Koop, Jana Schröder und Andreas Uekötter

6.1 Erkrankungen durch Viren 198

6.2 Erkrankungen durch Bakterien, Pilze und Parasiten 221

6.3 Molekulare Methoden in der Krankenhaushygiene 227

6.3.1 Bedeutung der Krankenhaushygiene in Deutschland 227

6.3.2 Gesetzliche Rahmenbedingungen 228

6.3.3 Molekularbiologische Erregersuchtests 229

6.3.4 Molekulare Typisierungsmethoden in der Krankenhaushygiene 231

7 Humangenetik 235
Hanns-Georg Klein, Imma Rost, Christoph Marschall, Karin Mayer, Sebastian Eck, Ina Vogl, Christina Sofeso, Camilla Ladinig, Wolfgang Rupprecht, Paul M. Cullen, Brigitte Welling, Uwe Heinrich, Annett Wagner, Tanja Hinrichsen, Thomas Harasim und Birgit Busse

7.1 Klinische Genetik 236

7.1.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen 236

7.1.2 Genetische Beratung 237

7.1.3 Erbgänge 239

7.2 Molekulargenetik 241

7.2.1 Monogene Erkrankungen 241

7.2.2 Next Generation Sequencing in der Diagnostik 247

7.3 Prädispositionsdiagnostik 250

7.3.1 Prädispositionsdiagnostik für polygene Erkrankungen 251

7.4 Klassische und molekulare Zytogenetik 261

7.4.1 Postnataldiagnostik 261

7.4.2 Pränataldiagnostik 267

7.4.3 Tumorzytogenetik 268

7.4.4 Molekulare Zytogenetik 271

7.5 Nicht invasiver Pränataltest (NIPT) 276

7.6 Reproduktionsgenetik 278

7.6.1 Polkörperdiagnostik – Präimplantationsdiagnostik 278

7.7 Pharmakogenetik 282

7.7.1 Verstoffwechselung von Arzneimitteln 283

7.7.2 Transportproteine 285

7.7.3 Pharmakogenetik in der Routinediagnostik 285

7.8 Abstammungsanalysen 286

7.8.1 Gesetzliche Grundlagen 288

7.8.2 Weitere Anwendungen von Mikrosatellitenanalysen 288

8 Immungenetik und Transfusionsmedizin 291
Hannah Rabenstein, Kristin Kipper, Barbara Bangol und Kaimo Hirv

8.1 MHC-Komplex und HLA-System 291

8.1.1 Klinische Bedeutung der HLA-Typisierung 292

8.1.2 Methodische Aspekte der HLA-Typisierung 295

8.2 Primäre Immundefekterkrankungen 298

8.3 Hereditäre periodische Fiebersyndrome 299

9 Molekulare Onkologie und Pathologie 301
Tanja Hinrichsen, Stefanie Kühner, Oliver Wachter und Barbara Dockhorn-Dworniczak

9.1 Leukämien 302

9.1.1 Ablauf einer genetischen Diagnostik am Beispiel der chronischen myeloischen Leukämie (CML) 303

9.2 Solide Tumore 307

9.2.1 Kolorektales Karzinom (KRK) 308

Teil IV Qualität 313

10 Qualitätssicherung in der molekularen Diagnostik 315
Holger F. Rabenau und Udo Reischl

10.1 Präanalytik 317

10.1.1 Labortechnische und -organistorische Voraussetzungen 317

10.1.2 Kontrollen 317

10.2 Validierungen von molekularbiologischen Verfahren 318

10.3 NAT-spezifische Aspekte der Qualitätssicherung – RiLiBÄK 2013 321

Gesetze und Normen zur Regelung der molekularen Labordiagnostik im deutschsprachigen Raum 323

Paul M. Cullen und Michael Neumaier

EU-Richtlinie 98/79/EG über In vitro-Diagnostik 323

Besondere Bedeutung der EU-Richtlinie für die Molekulardiagnostik 325

Regelung von Nukleinsäureamplifikationstechniken (NAT) bei der Diagnose von Infektionskrankheiten 325

Das deutsche Gendiagnostikgesetz 325

Aufbau und Inhalt des Gendiagnostikgesetzes 326

Was vom Gendiagnostikgesetz nicht geregelt wird 326

Was vom Gendiagnostikgesetz geregelt wird 326

Anwendung des Gendiagnostikgesetzes – was in der täglichen Praxis beachtet werden muss 327

Gendiagnostikgesetz: Kritik, Interpretation und Modifikationen 333

Weiterführende Literatur 337

Index 341

Über Autor(innen)

Dr. Frank Thiemann ist Diplombiologe. Nach dem Studium der Biologie an der Universität Münster folgte ein Forschungsaufenthalt am Institut für Genetik der Universität zu Köln, den er 1995 mit der Promotion abschloss. Von 1996 bis 2013 leitete Frank Thiemann das molekularbiologische Labor des MVZ für Laboratoriumsmedizin in Münster. Sein besonderes Interesse galt der Standardisierung und der Qualitätskontrolle molekularbiologischer Testverfahren. Frank Thiemann war außerdem Referent für die Bildungsgesellschaft des Deutschen Verbandes der Technischen Assistenten (DVTA). Seit 2013 ist er als Senior Manager für die wissenschaftliche Produktentwicklung bei der sorbion GmbH & Co. KG verantwortlich.
 
Prof. Dr. Paul Cullen ist Facharzt für Innere Medizin und Laboratoriumsmedizin sowie Klinischer Chemiker und Diplom-Biochemiker. Sein Staatsexamen absolvierte er 1983 am University College Dublin. Paul Cullen promovierte 1988 an der Medizinischen Hochschule Hannover und habilitierte sich 1998 für das Fach Laboratoriumsmedizin am Institut für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin der Universität Münster. Derzeit leitet Paul Cullen das MVZ Medizinisches Labor Münster GbR Dr. Löer, Prof. Cullen und Kollegen und ist außerplanmäßiger Professor für Medizin an der Universität Münster. Seine Forschungsgebiete sind Arteriosklerose und Fettstoffwechsel. Paul Cullen ist Gründungsmitglied der Arbeitsgruppe Molekulare- und Chipdiagnostik der Vereinten Deutschen Gesellschaft für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin.
 
Dr. med. Hanns-Georg Klein ist Facharzt für Laboratoriumsmedizin mit der Zusatzbezeichnung Medizinische Genetik. Er studierte Humanmedizin in Erlangen und München und promovierte an der Frauenklinik Erlangen. Während eines dreijährigen Forschungsaufenthalts als Stipendiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft und im Rahmen eines Fogarty Fellowships am National Heart, Lung and Blood Institute in Bethesda beschäftigte er sich mit der Genetik von Fettstoffwechselstörungen. Nach seiner Rückkehr war er in München am Institut für Klinische Chemie des Klinikums Großhadern tätig und leitete ein DFG-Projekt. 1998 gründete er das Labor für Medizinische Genetik Dr. Klein (heute MVZ Martinsried), 2001 die IMGM Laboratories GmbH. Hanns-Georg Klein ist u.a. Vorsitzender der AG Genomics der DGKL, Fachredakteur der Zeitschrift für Laboratoriumsmedizin, Mitglied in mehreren medizinischen Fachgesellschaften und unterrichtet an der Universität München im Fach Klinische Chemie.