Knochen- und Mineral­stoffwechsel

6.1Knochenstoffwechsel

Lothar Thomas

6.1.1 Struktur des Knochens

Der Knochen ist ein spezielles Bindegewebe, das durch Mineralisation mit Calciumphosphat in Form des Hydroxylapatits [Ca₅(PO₄)₃(OH)] gehärtet ist. Der Mineralanteil des Knochens macht etwa 70 % aus und 30 % sind organisches Material wie Zellen, Kollagen und Nicht-Kollagen Proteine.

Der Knochen hat wichtige Funktionen, denn er verleiht den Strukturen des Körpers Stabilität, Gestalt, Schutz, Unterstützung und sorgt für Bewegung. Knochengewebe ist dynamisch, es unterliegt einem ständigen Umbau (Turnover) und ermöglicht die Selbstreparatur bei Verletzung und reagiert auf Kräfte, die auf ihn einwirken. In der Kindheit ist der Turnover des Knochens hoch und die Bildung überwiegt die Resorption. Im jüngeren Erwachsenenalter sind Bildung und Resorption im Gleichgewicht, aber ab dem 35. Lj. nimmt die Knochenmasse wieder ab. Die mechanischen Eigenschaften des Knochens werden vom Turnover, der kollagenen Matrix, der Mineralisation, der Gestalt und Struktur bestimmt /1/.

Die menschliche Skelett besteht aus langen Knochen wie Humerus, Tibia oder Femur und platten Knochen wie die Schädeldecke oder die Beckenknochen. Histologisch werden zwei Typen von Knochen unterschieden:

• Der kortikale oder kompakte Typ, der 85 % der Knochenmasse ausmacht. Er formt Zylinder aus konzentrischen Lamellen, dessen Kanäle, auch Haversisches System genannt, Blutgefäße, Lymphgefäße, Nerven und Bindegewebe enthalten. In den Lamellen sind kleine Aussparungen, auch Lacunae genannt, in denen Osteozyten gelegen sind. Der kompakte Knochen bildet den äußeren Part der meisten Knochen, zeigt einen hohen Grad an Mineralisation, einen relativ geringen Anteil an Zellen und bildet das Gerüst für den inneren spongiösen Knochenanteil. Der kompakte Knochen ist Bestandteil des Schaftes der Röhrenknochen und der Oberflächen der platten Knochen.
• Der spongiöse (trabekuläre) Typ, der aus einem Netzwerk untereinander verbundener schmaler Balken (Trabekel) besteht. In das Netzwerk sind eine große Zahl von Zellen eingebettet. Der wesentliche Teil des Knochenstoffwechsels findet somit in diesem Knochentyp statt. Der spongiöse Knochen ist ideal gestaltet um Kompressionsdruck zu begegnen und ist deshalb der wesentliche Knochenanteil der Wirbelkörper.

Grundsätzlich besteht jeder Knochen aus einer äußeren kompakten und einer inneren spongiösen Schicht. Letztere umgibt die Markhöhle /1/. Die äußere kompakte Schicht wird von der Knochenhaut, dem Periost überzogen. Dieser besteht aus zwei Schichten:

• Einer äußeren fibrösen Schicht.
• Einer inneren Zellschicht aus sogenannten Lining cells, die Osteoblasten, Osteoklasten und deren Vorläufer enthält. Diese Schicht hat osteogenes Potential und baut neuen Knochen in Form der periostalen Apposition an.

Die innere kompakte Schicht des Knochens, der Endost, wird ebenfalls von einer Schicht aus Osteoblasten und Osteoklasten überzogen. Während vom Periost vorwiegend der Knochenanbau erfolgt, hat der Endost die Präferenz des Knochenabbaus /1/.

6.1.2 Umbau des Knochens (Remodeling)

Der Umbau des Knochens ist ein dynamischer Prozess, der den Knochen laufend erneuert und seine mechanische Kompetenz aufrecht erhält. Jährlich werden 5–10 % des Knochens des Skelettsystems in Zyklen erneuert, die vom Abbau des alten bis zur Bildung von neuem Knochengewebe etwa 100 Tage dauern. Der Vorgang erfolgt durch multizelluläre Einheiten (Bone remodeling units, BRUs), bestehend aus Osteozyten, Osteoblasten und Osteoklasten. Die Aktivität der BRUs wird durch mechanische Kräfte, den Turnover der Knochenzellen, Hormone wie Parathormon, Wachstumshormon und durch lokale Faktoren bestimmt /2/. Die Aktivierung erfolgt teilweise durch Osteozyten der Lining cells (Abb. 6.1-1 – Ablauf des Knochenumbaus), die mechanischen Stress detektieren und auf biochemische Stimuli reagieren.

Der Zyklus des Knochenumbaus dauert beim Erwachsenen etwa 3 Monate und etwa 2 Millionen BRUs werden sukzessive aktiviert. Beim Aktivierungsvorgang werden Zellen von Endost und Periost entfernt und das Kollagen der Endostmembran durch Metalloproteasen zerstört. Osteoklasten werden rekrutiert und aktiviert und fusionieren zu mehrkernigen Riesenosteoklasten. So aktivierte Osteoklasten bewirken die Resorption des Knochens in ihrer Umgebung /1/. Der Aktivierungs- und Resorptionsvorgang dauert 10–15 Tage. In der nachfolgenden Phase werden Osteoblasten aktiviert und in die Resorptionslakune rekrutiert. Sie deponieren dort neues Osteoid, dass dann kalzifiziert wird. Der komplette Vorgang ist nach 3–6 Monaten beendet. Die Zeit des Umbaus ist vom Knochentyp abhängig und verläuft rasch bei spongiösen Knochen wie den Wirbeln und langsam bei platten Knochen wie der Hüfte /1/.

6.1.3 Regulation des Knochenstoffwechsels

Die Regulation des Knochenstoffwechsels erfolgt über zentrale Mechanismen und die lokale Steuerung der Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten /1, 2/.

6.1.3.1 Osteoblast

Während der Entwicklung des Skelettsystems erfolgt die Differenzierung der Osteoblasten und die Deponierung von Knochenmatrix. Die dafür räumliche und zeitliche Koordination erfolgt durch die Interaktion von endokrinen, parakrinen und autokrinen Faktoren. Involviert sind der Epidermale growth factor, der Osteoblasten-stimulierende Faktor-1, Parathormon, Wachtumshormon, Prostaglandine und Insulin-like growth factors (Abb. 6.1-2 – Osteoblastendifferenzierung beginnend von der Stammzelle). Erforderlich ist ebenfalls die zeitlich und räumlich gesteuerte Interaktion von Molekülen wie des Bone morphogenetic protein, was über Transkriptionsfaktoren wie Runx2 und Signalwege wie Wnt/β-Katenin und Transforming growth factor-β/BMP vermittelte Signalwege geschieht /1/. Eine hemmende Wirkung auf den Wnt/β-Katenin-Signalweg hat das Protein Dickkopf-1. Weitere Einzelheiten hierzu sind in Tab. 6.1-1 – Faktoren von Bedeutung in der Regulation von Osteoblasten aufgeführt.

6.1.3.2 Osteozyt

Aus Osteoblasten, die sich durch die Bildung von Knochenmatrix eingemauert haben werden Osteozyten. Es handelt sich um enddifferenzierte Zellen, die zerstreut in der gesamten Knochenmatrix liegen und über 90 % der Knochenzellen ausmachen. Ihre Knochenbildungsaktivität ist weitaus geringer als die der Osteoblasten, trotzdem spielen sie aber die Hauptrolle in der Aufrechterhaltung der Masse und der Struktur des Knochens. Das weitaus häufigste Matrixprotein in der Umgebung der Osteozyten ist das Kollagen Typ 1. Der Phänotyp des Osteozyten und die Osteozytenbildung sind von der Bindung an Kollagen Typ 1 abhängig /3/.

Innerhalb der Lacunae interagieren die Osteozyten über Kanäle miteinander. Die Osteozyten sind mechano-sensorische Zellen, die z.B. nach Druck Signale zu den Nachbarzellen weiterleiten und insgesamt eine Reaktion auslösen, die Struktur und Masse des Knochens aufrecht erhält.

6.1.3.3 Osteoklast

Osteoklasten sind enddifferenzierte vielkernige Zellen, die von der Monozyten/Makrophagen-Linie abstammen /1, 2/. In Zellkulturen wachsen sie nur, wenn auch Stromazellen im Wachstumsmedium vorhanden sind. Die osteoklastische Knochenresorption ist wichtig für das Modeling und Remodeling des Knochens und für die Homöostase von Calcium . Die Osteoklastenbildung wird durch zirkulierende Hormone wie Parathormon, 1,25(OH)₂D₃, von Wachstumsfaktoren und Zytokinen wie RANKL (receptor activator of nuclear factor-kB ligand) und M-CSF (monocyte colony stimulating factor) kontrolliert. MCSF ist wichtig für die Proliferation der Osteoklasten-Vorläuferzellen. RANKL kontrolliert den Differenzierungsvorgang durch Aktivierung des RANK-Rezeptors , den Osteoclast associated receptor (OSCAR) und triggert die Rezeptorexpression an myeloid cells-2 (TREM-2). Im Gegensatz dazu unterdrückt Osteoprotegerin, ein Rezeptor der Tumo Nekrosefaktor Superfamilie, die Bildung von Osteoklasten (Abb. 6.1-3 – Mechanismen der Aktivierung von Osteoklasten). Zu weiteren Details siehe Tab. 6.1-2 – Faktoren von Bedeutung in der Regulation von Osteoklasten.

Die Bildung von Osteoklasten wird ebenfalls durch zirkulierende Hormone wie Parathormon, Calcitriol, Östrogene und Trans growth factor-β kontrolliert.

Die Kontrolle ist aber nur indirekter Natur, denn die genannten Hormone, Wachstumsfaktoren und Zytokine haben nur einen Einfluss auf die Osteoblasten über Faktoren die für die Bildung der Osteoklasten und deren Aktivität verantwortlich sind.

Die normale Knochenphysiologie ist von dem Zusammenspiel von Osteoblasten und Osteoklasten abhängig. Es gibt aber Krankheiten, bei denen dieses Zusammenspiel gestört ist wie bei der Osteoporose, dem Morbus Paget, der inflammatorischen Arthritis, sowie Knochentumoren und Knochenmetastasen.

6.1.3.4 Knochenmatrix

Die von den osteoblastären Zellen produzierte organische Knochenmatrix enthält zu (Abb. 6.1-4 – Kollagensynthese):

• 90 % Kollagen Typ 1.
• 5 % Proteoglykane (Chondroitinsulfat, Glukuronsäure, Heparansulfat, Decorin, Biglycan, Versican), Zelladhäsionsmoleküle (Fibronectin, Thrombospondin, Vitronectin, Osteopontin, Bone sialoprotein), γ-carboxylierte Proteine (Osteocalcin, Matrix Gla-Protein, Protein S).
• 3 % Wachstumsfaktoren in gespeicherter Form.
• 2 % Osteonectin.

Osteopontin (OPN)

Das OPN, auch als sezerniertes Phosphoprotein-1 bekannt, ist ein komplexes Protein mit mehreren Domänen, eine davon besitzt Bindungsaffinitäten für Integrine, z.B. den Vitronectin-Rezeptor /4/. Das Molekül wird von Thrombin und Matrix-Metalloproteasen an verschiedenen Stellen attackiert, wobei Fragmente entstehen, die entweder die zelluläre Adhäsion fördern oder reduzieren. OPN spielt auch eine wichtige Rolle im Entzündungsgeschehen, in dem es die Infiltration und Adhäsion von Makrophagen im Gewebe fördert.

Bone sialoprotein (BSP)

Dieses Protein ist ein von osteoblastären Zellen produziertes Zelladhäsionsmolekül, das in die organische Knochenmatrix eingelagert wird. BSP ist Bestandteil der nicht kollagenen Bindegewebsmatrix von Knochen, Dentin und kalzifizierendem Knorpel. Ist BSP im Serum erhöht, so ist das am ehesten mit Knochen resorptiven Prozessen zu korrelieren /5/. Da auch Thrombozyten BSP enthalten, beeinflussen Veränderungen der Thrombozytenzahl auch den BSP-Gehalt des Serums.

6.1.3.5 Mineralisation der organischen Knochenmatrix

Aktive Osteoblasten bilden die Knochenmatrix. Sie besteht aus organischem Material (Osteoid) und anorganischen Komponenten (Mineralien) /3/. Das Osteoid besteht vorwiegend aus Typ-1 Kollagen und geringen Bestandteilen von Proteoglykanen, Lipiden und einigen Nicht-Kollagenen Proteinen ( Osteocalcin, Fibronectin, Osteonectin, und Beta-Carboxyglutaminsäure) Das Osteoid macht etwa ein Drittel des Gewichts des Skeletts aus.

Auf molekularer Ebene besteht der Knochen aus einer Kombination anorganischen Minerals, Typ I-Kollagen, Nicht-kollagenösen Proteinen und Wasser, geordnet in einer hierarchischen Struktur. Die Mineralisation des Skeletts erfordert deshalb die Verarbeitung von Calcium und Phosphat in massiver Weise. Die Mineralisation des Osteoids erfolgt durch chondroblastäre und osteoblastäre, exozytotische Matrixvesikel, in denen sich die Hydroxylapatit-Keimbildung vollzieht. Matrixvesikel zusammen mit den sezernierten Matrixkomponenten des Osteoids bilden außerhalb der Osteoblasten die Knochensubstanz /6/. Enzyme der alkalischen Phosphatase fördern die Freisetzung von anorganischem Phosphat aus organischen Molekülen wie Phosphocholin und Phosphoäthanolamin. Die Orphan Phosphatase 1 (PHOSPHO1; EC 3.1.3.75), die vom Gen Phospho 1 kodiert wird, spielt eine wichtige Rolle in der Mineralisation des Knochens /7/. Die Geschwindigkeit der Kristallisation des Hydroxylapatits aus amorphem Calciumphosphat wird durch Matrixkomponenten (saure Nicht-Kollagenproteine, Pyrophosphate) kontrolliert.

Im lamellär organisierten Knochengewebe scheint die Mineralisation direkt an der organischen Knochenmatrix aus Kollagen und Nicht-Kollagenproteinen zu erfolgen, ohne dass Kristallisationskeime in Matrixvesikeln sind.

6.1.4 Hormonelle Einflüsse auf den Knochenstoffwechsel

Im Erwachsenenalter wird der Knochen moduliert um ihn anzupassen an Änderungen der Homöostase von Calcium, an biomechanische Anforderungen, zur Erneuerung alter Knochenstrukturen und Reparation ossärer Mikrofrakturen. Systemisch auf den Stoffwechsel von Geweben wirkende Hormone beeinflussen auch den Knochenstoffwechsel. Von Bedeutung sind Wachstumshormon/IGF-1, Östrogene, Testosteron, Glukokortikoide, Schilddrüsenhormon, Parathormon (Tab. 6.1-3 – Wirkung von Östrogenen und Androgenen auf den Knochenstoffwechsel) und 1,25(OH)₂D₃ (siehe auch Beitrag 6.6.5 – Bewertung).

6.1.4.1 Wachstumshormon (hGH)

hGH fördert in der Kindheit das Skelettwachstum durch einen direkten Effekt auf die reifen Chondrozyten der Epiphysenfuge, die vermehrt den Insulin like growth factor 1 (IGF-1) sezernieren. IGF-1 und der ebenfalls von Chondrozyten gebildeten Transforming growth factor-α (TGF-α) wirken in parakriner Weise mitogen auf Chondroblasten und fördern deren Differenzierung und somit die Expansion der Knorpelschicht. Auch Osteoblasten und Prä-Osteoklasten besitzen hGH-Rezeptoren. Die Zellproliferation und differenzierte Zellfunktionen der Prä-Osteoklasten, z.B. Synthese von Kollagen Typ 1, Sekretion von IGF-1, werden positiv durch hGH beeinflusst. Im adulten Skelettsystem unterhalten hGH/IGF-1 die für das permanente Remodeling des Knochengewebes erforderlichen Prozesse /8/.

6.1.4.2 Östrogene

Estradiol hat einen osteoprotektiven Effekt auf den Knochenstoffwechsel. Estradiol wirkt an Osteoblasten und Osteoklasten über zwei Östrogenrezeptoren (ER). Der ERα ist ein Aktivator und ERβ ein Inhibitor der Östrogenwirkung, in dem er mit dem ERα ein Heterodimer bildet und diesen somit inaktiviert. Die relative Expression beider ER auf der Knochenzelle entscheidet über deren Östradiolantwort. Die Dichte von ERα ist größer im sich entwickelnden kompakten Knochentyp und die von ERβ im spongiösen (trabekulären) Typ. Beim Östradiolmangel ist die Aktivität der Osteoklasten höher als die der Osteoblasten mit dem Nettoeffekt einer Osteopenie /9/.

Der Östrogenmangel ist der wichtigste Faktor in der Pathogenese des postmenopausalen Knochenverlusts. Postmenopausale Frauen mit Östradiolwerten > 10 ng/l weisen eine normale Frakturrate auf, während bei Werten ≤ 10 ng/l erhöhte Frakturraten Ca²⁺und bei < 5 ng/l speziell an der Wirbelsäule gesehen werden. Wird mehrere Jahre nach der Menopause durch niedrig dosierte transdermale Östrogenzufuhr (Pflaster mit 25 μg Östradiolabgabe pro Tag) der Serumwert von Östradiol auf 20 ng/l angehoben, lässt sich besonders an der Wirbelsäule ein Zuwachs an Knochenmineraldichte erzielen (8 % in 3 Jahren), der auch durch höhere Zufuhr an Östradiol kaum mehr zu verbessern ist (9 % in 3 Jahren bei 50 μg Östradiolgabe pro Tag) /10/.

Hormonelle Kontrazeptiva bewirken kein erhöhtes Frakturrisiko, können aber die Ausbildung der Peak bone mass stören, wenn sie innerhalb der ersten 3 J. nach der Menarche eingenommen werden /11/. Neuere Untersuchungen zeigen, dass bei Frauen zyklische Variationen von FSH einen erhöhenden Effekt auf den Knochenresorptionsmarker β-CTX haben und somit möglicherweise die Entwicklung einer Osteoporose begünstigen /57/.

Die Östrogenversorgung ist auch bei Männern wichtig, da auch diese Östrogenrezeptoren auf Osteoklasten und Osteoblasten besitzen. Bei einer Konzentration von Östradiol unter 13 ng/l wird gehäuft eine Osteoporose diagnostiziert /11/.

6.1.4.3 Androgene

Androgene stimulieren die Proliferation und Differenzierung von Osteoblasten sowohl direkt, als auch über die hGH/IGF-1-Achse. Die Signalübermittlung erfolgt über Androgenrezeptoren, die in niedriger Dichte auf den Osteoblasten gelegen sind. Die Androgeneffekte zeigen sich besonders ab der Pubertät im Erreichen einer maximalen Knochenmasse des Skeletts, die von einer zeitlich terminierten Androgensekretion abhängt. So ist die verzögerte Pubertät beim Mann mit einer verminderten Knochenmasse assoziiert /12/. Androgene hemmen die Knochenresorption der Osteoklasten indirekt durch Beeinträchtigung der Rekrutierung von Osteoklasten-Vorläuferzellen. Dies geschieht durch verminderte Bildung von IL-6 und Prostaglandin E₂ durch Osteoblasten und Stromazellen.

Zusätzlich zum Androgenrezeptor besitzen Knochenzellen eine 5α-Reduktase Aktivität, die für die Konversion von Testosteron zu Dihydrotestosteron (DHT) verantwortlich ist. DHT ist der wichtigste biologisch aktive Metabolit von Testosteron, das gilt für die meisten Gewebe. Testosteron kann auch in verschiedenen Geweben durch eine Aromatase zu Estradiol aromatisiert werden. Knochenzellen besitzen auch eine Aromatase Aktivität.

Eine Orchiektomie führt, ähnlich wie eine Ovarektomie zur erhöhten Knochenresorption und schnellem Knochenverlust.

6.1.4.4 Glukokortikoide

Physiologische Konzentrationen von Glukokortikoiden im Plasma fördern osteoblastäre Zellfunktionen (Typ I-Kollagensynthese, AP-Synthese) hemmen aber die Differenzierung osteoklastärer Vorläuferzellen zum aktiven Osteoklasten. Somit stabilisieren sie den Knochenstoffwechsel, ohne dass es zu ungünstigen Effekten auf die Homöostase von Calcium kommt.

Erhöhte Konzentrationen an Glukokortikoiden hemmen direkt die Proliferation und Differenzierung der Osteoblasten und indirekt über eine Verminderung der Androgenkonzentration. Betroffen ist besonders der spongiöse (trabekuläre) Knochen. Nach Beginn der Glukokortikoid-Therapie folgt eine rasche Phase des Knochenverlusts, dem eine langsamere Phase der Demineralisierung folgt /13/. Das Ausmaß ist von der Dosierung und der Therapiedauer abhängig. Es gibt aber auch Patienten mit normaler Knochendichte unter Glukokortikoid-Therapie. Beim Cushing Syndrom sind Frakturen häufiger bei länger bestehender Erkrankung.

6.1.4.5 Schilddrüsenhormone

Physiologische Konzentrationen von Schilddrüsenhormonen fördern den Knochenumbau, in dem über osteoblastäre Trijodthyronin (T3)-Rezeptoren die knochenbildenden Zellen zur Produktion von Signalpeptiden mit einer positiven Wirkung auf die osteoklastäre Differenzierung angeregt werden /14/. Auf diese Weise wird die Knochenresorption gesteigert, wobei durch die gekoppelte Knochenneubildung und die T3-induzierte Stimulation differenzierter Funktionen der Osteoblasten kein Nettoverlust an Knochenmasse resultiert. Bei Hyperthyreose kann eine Osteopenie auftreten, da die Aktivierung von Osteoklasten die Osteoblastenaktivität übersteigt, denn T3 hat auch eine hemmende Wirkung auf die osteoblastäre Proliferation. Die kindliche Hypothyreose bewirkt einen Minderwuchs.

6.1.4.6 Parathormon, Calcitriol, Calcitonin

Das Knochengewebe unterliegt im Erwachsenenalter dem ständigen Remodeling:

• Zur Anpassung an akute Veränderungen der Homöostase von Calcium.
• Zur Anpassung an biomechanische Belastungsverhältnisse.
• Zur Erneuerung und Reparatur alter Knochensubstanz

und von mikrofrakturiertem Knochen.

Der Knochenstoffwechsel ist zur Aufrechterhaltung dieser Funktionen auf eine ausreichende Zufuhr von Calcium durch die Nahrung und von Flüssigkeit angewiesen. Die Aufnahme kann in Abhängigkeit vom Calcium Gehalt der Nahrung, den Nahrungsbestandteilen (Komplexbildner, pH) und Vorliegen eines Malabsorptions-Syndromes von 25–70 % des Gesamt-Calcium der Nahrung schwanken. Kleine Änderungen von Calcium im Plasma durch Calcium Mangelernährung, Erbrechen, Diarrhoe und Malabsorption werden von den Parathyreoideazellen registriert und mit einer gesteigerten Parathormon (PTH)-Sekretion beantwortet. In Kombination mit 1,25-Dihydroxycholecalciferol (1,25-Dihydroxyvitamin D, 1,25(OH)₂D₃, Calcitriol), das durch die Wirkung von PTH in der Niere verstärkt gebildet wird, kommt es zu einer Mobilisierung von Ca²⁺ im Knochen mit konsekutiver Anhebung von Calcium im Plasma.

Die Mechanismen sind /15/:

• PTH erhöht die Anzahl der Osteoklasten und steigert die resorptive Kapazität der vorhandenen Osteoklasten. Auch hemmt PTH die Aktivität der Osteoblasten und verhindert somit die Speicherung von Calcium im Knochen. Die Steigerung der Osteoklastenaktivität erfolgt zum einen indirekt über die Stimulierung der Osteoblasten durch PTH, zum anderen auch direkt durch Aktivierung der Osteoklasten. Letztere haben wie die Osteoblasten PTH-Rezeptoren.
• Calcitonin ist ein Peptid aus 32 Aminosäuren, wird von den C-Zellen der Schilddrüse gebildet und gehört zu den Hormonen, die zur Stabilisierung der Konzentration von Calcium im Blut beitragen. Seine primäre Wirkung ist die Hemmung der Osteoklasten-vermittelten Knochenresorption als Antwort auf eine systemische Erhöhung der Konzentration von Calcium. Calcitonin wirkt über den Adenylatcyclase Weg. Im Dünndarm fördert Calcitonin die transzelluläre Ca²⁺-Absorption durch Steigerung der enterozytären Expression von Calbindin, und in der Niere die reabsorptive Kapazität für Ca²⁺ im dicken aufsteigenden Teil der Henle’schen Schleife.

6.1.5 Marker des Knochenstoffwechsels

Bei metabolischen Knochenerkrankungen wie M. Paget, Rachitis, Osteomalazie, primärem und sekundärem Hyperparathyreoidismus und bei Osteoporose sind Biomarker des Knochenstoffwechsels und des Knochenumsatzes wichtige Befunde für den Kliniker zur Behandlung des Patienten. Die Biomarker, ergänzend zu Bild gebenden Verfahren, der Knochendichtemessung und evtl. von histomorphologischer Untersuchungen eines Knochenpunktates bestimmt, können zur Diagnose einer Knochenerkrankung und zur Beurteilung des Therapieverlauf wichtig sein (Tab. 6.1-4 – Laboruntersuchungen zur Diagnostik von Störungen des Knochenstoffwechsels).

Knochenstoffwechsel-Marker geben Aufschluss über:

• Die Aktivität der Osteoblasten und Osteoklasten.
• Veränderungen der Knochenmatrix. Ein gutes Kriterium ist das Ausmaß des Kollagenabbaus (Abb. 6.1-4 – Kollagensynthese). In Abb. 6.1-5 – Marker der Knochenformation und -resorption sind die Marker des Knochenan- und -abbaus angezeigt.
• Zur Beurteilung des Knochenstoffwechsels eingesetzt werden Marker der Knochenresorption und Marker der Knochenbildung (Tab. 6.1-4– Kollagensynthese).

Marker der Knochenresorption (siehe Beitrag 6.7 – Biochemische Knochenmarker)

Bevorzugt gemessen werden Marker, die eine stärkere Aktivierung der Osteoklasten als der Osteoblasten anzeigen wie (Abb. 6.1-5– Marker der Knochenformation und -resorption):

• Pyridinoline (PYD; Pyridinium crosslinks) und Desoxypyrodinoline (DPD) im morgendlichen Spontanurin. Siehe Beitrag 6.11 – Pyridinoline und Desoxypyridinoline.
• Cross-linked carboxyterminal telopeptide of type 1 collagen (CTX) im EDTA-Blut, siehe Beitrag 6.12 – N-Telopeptide und C-Telopeptide.

Wichtigste Indikation zur Bestimmung von Markern der Knochenresorption wie den CTX ist die Verlaufs- und therapeutische Beurteilung der Osteoporose. Die Marker geben Auskunft:

• Ob eine High turnover bedingte Situation besteht.
• Wie hoch das Ausmaß der Knochenresorption ist.
• Ob ein Ansprechen unter Therapie besteht.

Im Rahmen eines Monitoring der Osteoporose sind optimale Zeitpunkte des Ansprechens bei Therapie mit Bisphosphonaten 1 Monat nach Therapiebeginn, bei Hormonsubstitution mit Östradiol, 6 Monate.

Marker der Knochenresorption sind auch indiziert:

• Bei Osteomalacie/Rachitis.
• Zum Monitoring bei M. Paget.
• Zur Schätzung der Knochenbeteiligung bei Hyperparathyreoidismus.

Marker der Knochenresorption werden bei chronischer Niereninsuffizienz (Chronic kidney disease, CKD) im Stadium 3–5 nicht zur Diagnose einer CKD mineral bone disorder (CKD-MBD) empfohlen /17/.

Marker der Knochenformation (siehe Beitrag 6.7 – Biochemische Knochenmarker)

Bevorzugt gemessen werden im Serum die Marker, die eine stärkere Aktivierung der Osteoblasten als der Osteoklasten anzeigen wie:

• Alkalische Phosphatase, speziell die Knochen-Isoform (Knochen-AP). So wird nach der KDIGO die Bestimmung der AP oder Knochen-AP bei Patienten mit CKD der Stadien 3–5 jährlich empfohlen zur Diagnose einer CKD-MBD (mineral bone disorder).
• Osteocalcin.
• N-terminales Propeptid von Typ 1-Kollagen(P1NP).

Eine Bedeutung haben diese Marker, insbesondere die Knochen-AP in Kombination mit der Bestimmung von PTH bei Dialysepatienten mit Verdacht die Adynamic bone disease.

6.1.6 Klinisch tabellarischer Teil

In den Tabellen sind physiologische Zustände und Erkrankungen des Knochens aufgeführt und Laborbefunde zu ihrer Diagnostik, Differenzierung und dem Monitoring.

• Tab. 6.1-5 – Knochenstoffwechsel in Pubertät, Schwangerschaft und bei Osteoporose
• Tab. 6.1-6 – Erkrankungen mit Störungen der Knochenmineralisation
• Tab. 6.1-7 – Prävalenz von Knochenerkrankungen bei CKD-MBD ermittelt durch Knochenbiopsie
• Tab. 6.1-8 – KDIGO Klassifikation der Chronic kidney disease – Mineral bone disorder und renalen Osteodystrophie
• Tab. 6.1-9 – Laborbefunde bei Osteomalacie
• Tab. 6.1-10 – Laborbefunde bei kalzipenischer Osteomalacie
• Tab. 6.1-11 – Phosphopenische Osteomalacie
• Tab. 6.1-12 – Krankheiten mit gesteigerter PTH-Sekretion
• Tab. 6.1-13 – Ursachen des Hypoparathyreoidismus
• Tab. 6.1-14 – Marker des Knochenstoffwechsels bei Hypo- und Pseudohypoparathyreoidismus

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6.2 Calcium (Ca)

Lothar Thomas

Die hormonelle Regulation des Ca-Haushalts sowie des mit ihm verknüpften Phosphatstoffwechsels stellen ein komplexes Geschehen dar. Wechselbeziehungen zwischen Dünndarm, Skelett, Nieren und dem endokrinen System, insbesondere den Nebenschilddrüsen, halten die Ca- und Phosphathomöostase aufrecht.

Mit Ausnahme der Tetanie werden die durch Störungen im Ca-Haushalt hervorgerufenen klinischen Symptome initial oft fehlgedeutet. Die Diagnosestellung erfolgt deshalb häufig rein zufällig im Rahmen einer routinemäßigen Ca- oder Phosphatbestimmung im Serum oder wenn sekundäre Veränderungen, besonders der Nieren und des Skelettsystems, vorliegen.

Als orientierende Untersuchungen auf eine Störung im Ca- und Phosphathaushalt wird die Bestimmung von Ca, Phosphat und Totalprotein bzw. Albumin durchgeführt, um den ionisierten Anteil zu berechnen. Differentialdiagnostisch ist die Bestimmung von Parathormon die wichtigste weiterführende Untersuchung bei Vorliegen einer Hyper- oder Hypokalziämie.

6.2.1 Calcium und ionisiertes Calcium

Das Gesamt-Ca besteht aus drei Fraktionen:

• Freies oder ionisiertes Ca (Ca²⁺), es macht etwa 50 % des Gesamt-Ca aus.
• Protein-gebundenes Ca, das vorwiegend an Albumin und zu einem geringen Anteil an Globuline gebunden ist; der Anteil am Gesamt-Ca beträgt etwa 45 %.
• An Anionen, insbesondere Phosphat, Citrat und Bicarbonat, komplex gebundenes Ca, mit einem Anteil von etwa 5 % am Gesamt-Ca.

In der Routinediagnostik wird primär Gesamt-Ca im Serum oder Plasma bestimmt. Die Bestimmung von Ca²⁺ im antikoagulierten Vollblut, Plasma oder Serum erfolgt meist sekundär zur Abklärung einer Hypo-, seltener der Hyperkalziämie.

Gesamt-Ca

Das Gesamt-Ca ist in der Routinediagnostik einfacher zu bestimmen als das ionisierte, hat aber den Nachteil, dass seine Konzentration im Serum durch das Totalprotein, insbesondere Albumin, stark beeinflusst wird. Denn Albumin ist für 80–90 % der proteingebundenen Ca-Fraktion verantwortlich. So bewirkt ein Abfall des Albumins um 1 g/dl in etwa eine Erniedrigung des Gesamt-Ca um 1 mg/dl (0,25 mmol/l).

Ionisiertes Ca

Das Ca²⁺ ist ein besserer Indikator des biologisch-aktiven Ca als das Gesamt-Ca, da seine Plasmakonzentration der direkten Regulation von Parathormon und 1,25(OH)₂D₃ unterliegt. Deshalb reagiert Ca²⁺ im Vergleich zum Gesamt-Ca sensitiver auf Störungen im Ca-Haushalt, die Bestimmung ist jedoch nicht in jedem Laboratorium verfügbar. Das Ca²⁺ wird durch eine pH-Änderung beeinflusst. Eine Verschiebung des pH von 0,1 bewirkt eine gegensinnige Ca²⁺-Veränderung um 0,05 mmol/l. Präanalytische Fehlerquellen, die in vitro eine pH-Verschiebung bewirken, müssen deshalb beachtet werden. Die zwei wichtigsten biologischen Ursachen, die eine pH-Änderung in vitro verursachen, sind:

• Der Verlust von CO₂ aus dem Probengut in die umgebende Luft. Auf Grund einer Störung des Puffersystems des Bluts kommt es zu einem Anstieg des pH mit konsekutivem Abfall des Ca²⁺. Die Probennahme muss deshalb unter anaeroben Bedingungen erfolgen, die Entnahmeröhrchen komplett gefüllt sein und die Probe unter Luftabschluss sein.
• Bildung von Lactat in der Probe durch Glykolyse. Als Folge nimmt der pH ab und das Ca²⁺ zu. Das kann durch rasche Abtrennung der Blutzellen vom Plasma oder durch den Zusatz von Hemmern der Glykolyse wie Natriumfluorid verhindert werden.

6.2.1.1 Indikation

Screening: Ab dem 50. Lj. alle 2 Jahre sinnvoll, dabei auch Größe (Frage Osteoporose; Größenabnahme um mehr als 1 cm/2 Jahre macht weitergehende Untersuchungen erforderlich) und Gewicht erfassen.

Kritisch Kranke: Intensivpatienten, chirurgische Patienten während und nach größeren Operationen.

Neugeborene: Wenn Frühgeburt, mütterlicher Diabetes, Asphyxie, Hypotension, Krämpfe, Hypoglykämie, Sepsis.

Tetanisches Syndrom: Abklärung der hypokalziämischen Form.

Knochen: Spontanfrakturen, osteoporotische Frakturen (Schenkelhals, Wirbelsäule, Radius), Knochenschmerzen, röntgenologisch feststellbare Knochenveränderungen, Zahnveränderungen, Wachstumsstörungen.

Niere: Nephrolithiasis bzw. Urolithiasis, Nephrokalzinose, Polydipsie, Polyurie, chronische Nierenerkrankung, Dialysepatienten.

Neuromuskulär: Tetanie, Anfallsleiden, Verdacht auf Hypoparathyreoidismus nach Schilddrüsenoperation, Kopfschmerz, Muskelschwäche.

Nebenschilddrüsen: Verdacht auf Hyperparathyreoidismus, Hypoparathyreoidismus und Pseudohypoparathyreoidismus.

Genetische Störung: Verdacht auf autosomal dominante Hypokalziämie.

Psyche: Müdigkeit, Antriebsverlust, Lethargie, Depression, Anorexie.

Magen und Darm: Ulkusleiden, Pankreatitis, Gallensteine, rezidivierende Durchfälle, Malabsorption, Obstipation.

Haut und Hautanhang: Haut-, Nagel-, Haarveränderungen, dunkle Hautfarbe.

Lunge: Sarkoidose, Tuberkulose, andere granulomatöse Erkrankungen.

Tumoren: Gewichtsverlust, maligne Tumoren, Lymphome, Zytostatikatherapie, Strahlentherapie.

Endokrin: Schilddrüsen-, Hoden-, Ovar-, Nebennierenrinden-Erkrankungen.

Medikamente: Einnahme von Vitamin D und seinen Metaboliten oder Analoga, Vitamin A, Antiepileptika, Kortikosteroide, Thiazide, Digitalis.

6.2.1.2 Bestimmungsmethode

Das Gesamt-Ca ist in der Routinediagnostik einfacher zu bestimmen als die ionisierte Form.

6.2.1.2.1 Gesamt-Calcium

Atomabsorptions-Spektroskopie (AAS)

Die AAS wird als Referenzmethode zur Bestimmung von Gesamt-Ca empfohlen /1/.

Prinzip: Die Atome von Elementen senden bei Anregung eine Strahlung aus. Sie besteht aus einem Element-spezifischen Linienspektrum. Die Technik der AAS beruht auf der Tatsache, dass Spektrallinien eines bestehenden Linienspektrums absorbiert werden, wenn man Atome desselben Elements in einer solchen Strahlung erzeugt. Somit ist die AAS eine Umkehrung der Emissionsverfahren zur Bestimmung der Metalle, z.B. der Flammenphotometrie.

Bauteile des AAS-Geräts sind:

• Hohlkathodenlampe; sie erzeugt das Element spezifische Linienspektrum und ist für die einzelnen Elemente verschieden.
• Gasflamme oder beheizte Graphitrohr Küvette zur Atomisierung der Probe bei hohen Temperaturen.
• Photomultiplier zur Umwandlung der Lichtänderung in ein elektrisches Signal.

Bei der AAS ist die am Signalanzeige Gerät gemessene Absorptionsänderung proportional der Konzentration des Elements in der Probe.

Flammenphotometrie

Prinzip: Die zu messende Serumprobe wird mit A. bidest. verdünnt, in einer Acetylengasflamme erhitzt und dabei wird Licht einer für das Element Ca spezifischen Wellenlänge emittiert. Auf Grund einer teilweisen Überschneidung der Emissionsbanden von Natrium und Ca bei 622 nm wird zur Nullwerteinstellung des Flammenphotometers eine Kompensationslösung verwendet, die eine dem Normalserum identische Natriumkonzentration enthält.

Photometrie

Prinzip: Ca bildet mit organischen Molekülen Farbkomplexe. Von diesen Ca-komplexierenden Molekülen sind o-Kresolphthalein Komplexon /2/ und Arsenazo III /3/ häufig verwendete. Bei pH 10–12 bildet die Reaktion von o-Kresolphthalein Komplexon mit Ca einen roten Komplex, der bei 570–575 nm gemessen wird. Der Komplex wird durch Zugabe von KCN stabilisiert, außerdem werden dadurch Störungen durch Schwermetalle eliminiert. Die Störungen durch Magnesiumionen werden durch die Anwesenheit von 8-Hydroxychinolin im Testansatz verhindert.

6.2.1.2.2 Ionisiertes Calcium (iCa)

Ca²⁺selektive Elektrode /4/

Prinzip: Das iCa⁺ wird mit einer Elektrodenanordnung bestimmt, die aus einer Durchfluss Ca²⁺ selektiven Elektrode und einer Ag/AgCl Bezugselektrode besteht. Der Ionenaustauscher als aktive Phase der Messelektrode ist von der zu analysierenden Serumprobe durch eine poröse Membran getrennt und steht im Elektrodeninneren mit einer millimolaren CaCl₂-Lösung in Kontakt; in diese taucht eine zum Messgerät gehende innere Ableitelektrode. Beim Durchfluss der Probe durch die Ca²⁺ selektive Elektrode reagieren die Ca²⁺ mit dem Ionenaustauscher.

Durch die Verschiebung von Ladungsteilchen über die poröse Membran wird die aktive Elektrodenphase gegenüber dem Serum zunehmend aufgeladen. Es bildet sich eine Potentialdifferenz aus, die gegen das konstante Potential der Bezugselektrode gemessen wird. Zwischen dem am Messgerät registrierten Potential und dem Logarithmus der Ca²⁺-Aktivität besteht eine lineare Beziehung. Die Messung des iCa wird durch den pH des Blutes beeinflusst da Ca²⁺ und H⁺ um Proteinbindungsstellen konkurrieren. Mit Zunahme des pH nimmt die Konzentration von iCa ab. Einige Analysatoren messen simultan Ca²⁺ und pH und korrigieren bei Proben mit verändertem pH das iCa auf den pH 7,4. Das wird nicht empfohlen da 70 % der Patienten mit niedrigem iCa nicht erkannt werden /5/.

6.2.1.3 Untersuchungsmaterial

Gesamt-Ca

Serum, Plasma (Ammoniumheparinat): 1 ml

Ionisiertes Ca

Vollblut (Ca gesättigtes Heparin), die Messung sollte innerhalb von 40 min nach der Probennahme durchgeführt werden /6/.

• Serum oder Plasma (Ca gesättigtes Heparin), wenn Zentrifugation und Messung sofort nach der Entnahme erfolgen.
• Serum oder Plasma (Ca-gesättigtes Heparin). Entnahme in Röhrchen mit Separatorgel und anschließende Zentrifugation, wenn Messung erst 24–72 h nach der Entnahme erfolgt.

Albumin-korrigiertes Calcium

Calcium (corr.) mmol/l = Total calcium (gemessen) mmol/l – 0,025 × Albumin (g/l) + 1,0

Albumin-korrigiertes Calcium wird bei Patienten mit Dysproteinämie bestimmt.

6.2.1.4 Referenzbereich

Siehe Tab. 6.2-1 – Referenzbereiche von Calcium im Serum und Plasma.

6.2.1.5 Bewertung

Bei Personen ohne Niereninsuffizienz beträgt die tägliche Aufnahme von Ca etwa 1.000–1.300 mg (25–32 mmol) zur Aufrechterhaltung der Kalziumhomöostase.

Zur Beurteilung des Ca-Stoffwechsels kann die Bestimmung von Gesamt-Ca und ionisiertem Ca (Ca²⁺) herangezogen werden. Etwa 40 % des Gesamt-Ca sind an Albumin gebunden, aber nur das Ca²⁺ ist in den extrazellulären Flüssigkeiten biologisch aktiv. Das Gesamt-Ca ist dem Ca²⁺ gleichwertig, wenn eine Veränderung des Totalproteins berücksichtigt wird und keine Dysproteinämie vorliegt.

Die Bestimmung von Ca²⁺ ist zu bevorzugen /4, 11/:

• Bei kritisch Kranken und wenn eine intravenöse Ca-Substitution erwogen wird.
• Bei Vorliegen einer Hypoproteinämie oder Dysproteinämie, z.B. Schwangere, Neugeborene, renaler oder intestinaler Proteinverlust, Malabsorptions-Syndrom, multiples Myelom, chronisch-aktive Entzündung.
• Im Endstadium chronischer Nierenerkrankungen.
• Bei Hyperkalziämie, insbesondere wenn Parathormon normal ist und keine Tumorerkrankung vorliegt.
• Zur Verifizierung und Abklärung einer Hypokalziämie post- oder intraoperativ (Schilddrüsenoperation, Operation am offenen Herzen, Lebertransplantation).
• Bei massiver Transfusion Citrat-haltiger Blutkonserven oder von Fresh frozen Plasma.
• Bei erhöhtem Parathormon und normalem Gesamt-Ca als Konsequenz eines Vitamin D-Mangels, mangelnder enteraler Ca-Absorption oder einer Hyperkalziurie.

Nach einer Studie /12/ können 72–76 % der Ca²⁺-Messungen eingespart werden, wenn dieses nur bei einem Gesamt-Ca unter 8 mg/dl (2,0 mmol/l) gemessen wird, da dann die Patienten mit einer klinisch relevanten Hypokalziämie mit einem Ca²⁺ Wert unter 4 mg/dl (1,0 mmol/l) detektiert werden.

Besteht keine Möglichkeit iCa zu messen, so kann Gesamt-Ca bei Vorliegen einer erniedrigten Konzentration von Albumin oder Totalprotein zur besseren Abschätzung einer Hypokalziämie auf einen Albuminwert von 4 g/dl oder ein Totalprotein von 7,76 g/dl korrigiert werden (Tab. 6.2-2 – Proteinkorrektur für Serumcalcium). Das gilt für Kinder über 1 Jahr und Erwachsene. Jedoch ist die Ca-Korrektur bei Hypoalbuminämie kein absolut korrektes Verfahren. Studien haben gezeigt, dass bei Patienten mit endokrinen Störungen, bei Störungen des Säure-Basen Haushalts, bei kritisch Kranken und bei Patienten unter Hämodialyse die Korrekturformel nicht ein akzeptabler Ersatz zur Messung des iCa ist /13/.

Die Referenzbereiche für Gesamt-Ca wechseln in der Literatur um bis zu 1,6 mg/dl (0,40 mmol/l). Allgemeine Akzeptanz findet für Erwachsene ein Mittelwert von 9,4–9,5 mg/dl (2,35–2,38 mmol/l), ein oberer Grenzwert von 10,5 mg/dl (2,62 mmol/l) und ein unterer Grenzwert von 8,6–8,8 mg/dl (2,15–2,20 mmol/l). Die Ca-Konzentration im Serum wird in einem engen Bereich unter der Kontrolle von Parathormon konstant gehalten. Die Beziehung zwischen Ca²⁺ und Parathormon wird durch den Ca-sensitiven Rezeptor vermittelt. Dieser ist in der Zellmembran von Nebenschilddrüsenzellen und von renal tubulären Zellen exprimiert, wo er die Ca-Reabsorption reguliert. Einzelne aktivierende oder inaktivierende Mutationen der Ca-sensitiven Rezeptorgene können hyper- oder hypokalziämische Störungen bewirken wie die familiäre hypokalziurische Hyperkalziämie (FHH), den neonatalen schweren Hyperparathyeoidismus (NSHPT) oder die autosomal dominante Hypokalziämie mit Hyperkalziurie (ADHH) /15/.

Die Autoren einer kürzlich veröffentlichten Publikation /53/ schlussfolgern, dass ionisiertes Calcium, gemessen in heparinsiertem Vollblut und unter anaeroben Bedingungen in Blutgasspritzen gewonnen, am besten den Calciumstatus eines Patienten repräsentiert.

6.2.1.6 Hyperkalziämie

Die Prävalenz der Hyperkalziämie bei Krankenhauspatienten ist 0,6–1 % /16/. Leichte Hyperkalziämien bis 11,2 mg/dl (2,8 mmol/l) werden meist zufällig diagnostiziert und sind asymptomatisch.

6.2.1.6.1 Höhergradige Hyperkalziämie

Bei einer Ca-Erhöhung über 11,2 mg/dl (2,8 mmol/l) und ansteigenden Werten kann es zur Beeinträchtigung von Organsystemen kommen. Da die Wirkung des antidiuretischen Hormons und auch der renale Na⁺-Transport gehemmt werden, ist die renale Konzentrierfähigkeit vermindert. Es resultieren eine Natriurie mit Polyurie, Exsikkose und Polydipsie. Symptome der chronischen Hyperkalziämie sind Müdigkeit, Depression, Myasthenie, Abdominal- und Knochenschmerz.

6.2.1.6.2 Hyperkalziämie-Syndrom

Es hat sich eine lebensbedrohliche Krise mit Werten von über 14 mg/dl (3,5 mmol/l) durch Dehydratation entwickelt. Die Folgen sind Einschränkung des Bewusstseins bis zum Koma, Exsikkose, Hyperpyrexie, Oligurie, der eine Polyurie vorausgeht, Arrhythmie, enzephalopathische Symptome, Bradyarrhythmien.

6.2.1.6.3 Genese der Hyperkalziämie

Bei über 90 % der Hyperkalziämien liegt eine klinisch manifeste Erkrankung vor oder die Hyperkalziämie ist labordiagnostisch leicht abzuklären, ein Teil der restlichen ist durch die Einnahme von Medikamenten bedingt /17/. So lagen in einer Studie /16/, bei der als Kriterien zwei unabhängige Messungen über 10,6 mg/dl (2,64 mmol/l) oder mindestens einmal ein Wert ≥ 10,8 mg/dl (2,70 mmol/l) gemessen wurde, der Hyperkalziämie zu 46 % ein Malignom und zu 35 % ein primärer Hyperparathyreoidismus zu Grunde. Bei den restlichen 19 % bestand ein Zusammenhang der Hyperkalziämie mit der Einnahme von Thiaziden, einer erhöhten 1,25(OH)₂D₃-Konzentration oder Immobilisation.

Hyperkalziämien beruhen auf dem Zusammenspiel mehrerer Mechanismen, wie erhöhte intestinale Absorption, vermehrte Resorption aus dem Knochen, Exsikkose und verminderter renaler Ca-Ausscheidung.

Tritt die Hyperkalziämie nur passager auf, sind wiederholte Untersuchungen erforderlich, bevorzugt sollte dann Ca²⁺ bestimmt werden. Eine Pseudo-Hyperkalziämie durch Hämokonzentration, oft bedingt durch eine zu lange venöse Stauung bei der Blutentnahme, muss in Betracht gezogen werden.

6.2.1.6.4 Unterteilung der Hyperkalziämie

Die Differentialdiagnostik einer unklaren Hyperkalziämie erfolgt durch die Bestimmung von Parathormon (PTH). Die PTH Konzentration erlaubt, von wenigen Ausnahmen abgesehen, die Differenzierung der beiden häufigsten Ursachen der Hyperkalziämie, den primären Hyperparathyreoidismus (pHPT) von der Tumorhyperkalziämie /18/.

PTH erhöht: Ist PTH auf über 30 % des oberen Wertes des Referenzbereichs erhöht, so weist das mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen pHPT hin, seltene Ursachen sind die Lithium-induzierte Hyperkalziämie, der tertiäre Hyperparathyreoidismus und die ektope Bildung von PTH.

PTH leicht erhöht oder hochnormal: Ein nur leicht erhöhtes oder hochnormales PTH sollte immer die Bestimmung der Ca-Ausscheidung im 24 h-Urin nach sich ziehen. Ist diese erniedrigt, muss eine familiäre hypokalziurische Hyperkalziämie erwogen werden.

PTH normal oder supprimiert: Die Suche nach einem Tumor sollte im Vordergrund stehen.

• Ist ein Tumor diagnostiziert, sollte zur Ursachenabklärung der Hyperkalziämie das Parathormon-related peptide (PTHrP) bestimmt werden. Erhöhungen weisen auf eine paraneoplastische Bildung von PTHrP hin und treten gehäuft beim Adenokarzinom der Lunge, Karzinomen im Kopf-Hals-Nackenbereich, von Pankreas, Ovarien und des Urogenitaltraktes auf.
• Liegen granulomatöse Erkrankungen wie die Sarkoidose, Tuberkulose oder Lymphome vor, so ist häufig die 1,25(OH)₂D₃-Bildung in den Granulomen die Ursache der Hyperkalziämie. Bei einer normalen Konzentration von 1,25(OH)₂D₃ kommen das multiple Myelom, Knochenmetastasen, Immobilisation, Hyperthyreose oder Medikamente in Frage. Laborbefunde bei Erkrankungen mit Hyperkalziämie zeigt Tab. 6.2-3 – Erkrankungen, die eine Hyperkalziämie verursachen können.

6.2.1.6.5 Karzinom-assoziierte Hyperkalziämie

Bis zu 30 % der Patienten mit Karzinom entwickeln eine Hyperkalziämie während des Verlaufs der Erkrankung. Die Karzinom-assoziierte Hyperkalziämie ist eine Komplikation der fortgeschrittenen Erkrankung /22, 23, 24/. Patienten mit Chemotherapie und normaler Konzentration von Calcium im Plasma haben ein längeres Überleben. Eine Hyperkalziämie ist häufig mit dem Mammakarzinom, dem nicht-kleinzelligen Bronchialkarzinom, des Plattenepithelkarzinoms von Kopf und Nacken und dem Plattenepithelkarzinom des Bronchus assoziiert. Generell ist, unabhängig vom Typ des Tumors, eine verstärkte osteoklastische Knochenresorption für die Hyperkalziämie verantwortlich. Die Anwendung von Inhibitoren der Knochenresorption ist das Mittel der Wahl zur Verminderung der Konzentration von Calcium.

Die Karzinom-assoziierte Hyperkalziämie wird in verschiedene Subtypen eingeteilt /21/:

1. Humoral; die Hyperkalziämie wird durch eine verstärkte Sekretion von Parathormon-related Protein (PTHrp) verursacht. Die Sekretion von PTHrp erfolgt durch die Sekretion des Hormons durch Plattenepithelkarzinome von Kopf und Nacken, dem Mammakarzinom, dem Urothelkarzinom und dem Plattenepithelkarzinom des Bronchus. Die Patienten haben keine oder nur wenige Knochenmetastasen.

2. Indirekt humoral; Karzinomzellen bilden Hormone, die in das Remodelling des Knochens involviert sind, z.B.

• Durch Hochregulierung der Expression von CYP27B1. Das Gen kodiert die 1-alpha-Hydroxylase, ein Enzym, das für die Umwandlung von 25-Hydroxyvitamin D zu 1,25-Dihydroxyvitamin D verantwortlich ist. Ein Überschuss von 1,25-Dihydroxyvitamin D verursacht eine Hyperkalziämie, denn die intestinale Absorption von Calcium und auch die Knochenresorption unter Freisetzung von Calcium sind erhöht.
• Die ektopische Bildung von Parathormon (PTH).

3. Osteolytisch; die Hyperkalziämie resultiert aus der Freisetzung von Calcium aus großen Knochenmetastasen als Folge von Karzinomzellen im Knochen. Diese sezernieren Zytokine, die eine durch Osteoklasten-bedingte Knochenresorption bewirken. Die osteolytische Resorption des Knochens ist typisch für das multiple Myelom und das Mammakarzinom.

Bedacht werden muss, dass die Hyperkalziämie beim Karzinom auch auf einer nicht-malignen Ursache beruhen kann (z.B. dem primären Hyperparathyreoidismus). Eine solche Möglichkeit muss ausgeschlossen werden /21/. Für weitere Informationen siehe Tab. 6.2-9 – Klinische und Laborbefunde bei Karzinom-assoziierter Hyperkalziämie.

Die osteoklastische Aktivität ist hoch bei der humoral bedingten Karzinom assoziierten Hyperkalziämie und der osteolytischen Hyperkalziämie, beide betreffen die Mehrzahl der Patienten. Fälle von Karzinom assoziierter Hyperkalziämie, die durch 1,25-Dihydroxyvitamin D or PTH bedingt sind, machen weniger als 1 % der Fälle aus.

6.2.1.7 Hypokalziämie

Die Hypokalziämie kann ursächlich wie folgt differenziert werden, in Fällen /11/:

• Mit niedriger Parathormon (PTH) Konzentration, z.B. genetisch bedingt durch Erkankungen, die mit einer verminderten PTH-Bildung und somit mit niedriger PTH-Konzentration einhergehen, aber auch erworbene Ursachen wie Infektionen, Autoimmunkrankheiten (autoimmunes polyglanduläres Syndrom Typ 1) oder Schädigung der Nebenschilddrüsen durch Operation oder Radiotherapie.
• Mit erhöhten PTH-Werten, z.B. Vitamin D-Mangel, PTH- Resistenz, Verminderung der Zufuhr oder Absorption von Calcium oder dem Verlust von Calcium.

Eine Hypokalziämie liegt bei Erniedrigung des Gesamt-Ca im Serum < 8,8 mg/dl (2,2 mmol/l) und des Ca²⁺ < 4,0 mg/dl (1,0 mmol/l) vor.

Bei der milden Hypokalziämie ist Gesamt-Ca 8,0–8,7 mg/dl und Ca²⁺ 1,00–1,12 mmol/l.

• Bei der schweren Hypokalziämie ist Gesamt-Ca < 6,4 mg/dl und Ca²⁺ < 0,80 mmol/l. Die Angaben von Gesamt-Ca gelten bei Vorliegen einer Normoproteinämie.
• Eine Hypokalziämie tritt physiologisch bei Neugeborenen in den ersten 3 Lebenstagen auf und wird als ein natürlicher Stimulus der Sekretion von PTH angesehen.

Die häufigste Ursache einer Verminderung von Gesamt-Ca ist die Hypoalbuminämie. Obwohl in einem Teil der Fälle Ca²⁺ normal, ist die Hypoalbuminämie oft ein Symptom von Erkrankungen, die auch mit einer Verminderung des Ca²⁺ einhergehen. Als Beispiele können genannt werden:

• Proteinurien mit dem Verlust von Ca-bindendem Protein, die zu einem Mangel von 25(OH)D₃ führen.
• Malabsorptions-Syndrom, das ebenfalls zu einem 25(OH)D-Mangel führt.

Bei Vorliegen einer unklaren Hypokalziämie oder einer Hypoalbuminämie sollte bevorzugt Ca²⁺ bestimmt werden. Auch ist die Messung der Ca-Ausscheidung im 24 h-Urin und des PTH differentialdiagnostisch wichtig.

6.2.1.7.1 Genese der Hypokalziämie

Ist die Albuminkonzentration im Referenzbereich, so weist eine Hypokalziämie auf folgende Erkrankungen hin (Tab. 6.2-4 – Erkrankungen, die eine Hypokalziämie verursachen können) /11/:

• Hypoparathyreoidismus. Die Hypokalziämie ist bedingt durch die Verminderung der PTH stimulierten Funktionen. Diese sind: Intestinale Ca²⁺-Absorption, Mobilisation von Ca²⁺ aus dem Knochen und renal tubuläre Rückresorption von Ca²⁺. PTH ist vermindert.
• Pseudohypoparathyreoidismus. Es besteht eine Endorganresistenz gegenüber dem PTH. Die Folgen sind denjenigen des Hypoparathyreoidismus vergleichbar. PTH ist erhöht.
• Hyperventilation und der Auslösung einer metabolischen Alkalose und dem Symptom der Pfötchenstellung. PTH ist erhöht.
• Eine erniedrigtes PTH bei Hypokalziämie und Hyperphosphatämie auf eine mangelnde Funktion der Nebenschilddrüsen hin.
• Eine erhöhtes PTH bei Hypokalziämie und Hypophosphatämie auf einen sekundären Hyperparathyreoidismus (verminderte Vitamin D-Wirkung durch Mangel oder Malabsorption) hin.
• Niereninsuffizienz.

Folgende drei Mechanismen sind für die Hypokalziämie bei Niereninsuffizienz verantwortlich:

a) Renale Phosphatretention, wenn die glomeruläre Filtrationsrate unter 25 [ml × min^–1 × (1,73 m²)^–1] fällt. PTH ist erhöht.

b) Verminderte intestinale Ca-Absorption, bedingt durch einen Mangel an 1,25(OH)₂D₃, auf Grund des Mangels an 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase bei Reduktion der Masse des Nierengewebes. PTH ist erhöht.

c) Resistenz des Knochens gegenüber PTH mit verminderter Freisetzung von Ca durch die Osteoklasten. PTH ist erhöht.

d) Störung des Vitamin D-Stoffwechsels und Vitamin D-Mangel. PTH ist erhöht.

e) Hypomagnesiämie, die zu einer verminderten Sekretion von PTH und einer PTH-Resistenz an den Endorganen führt.

f) Hyperphosphatämie, welche über eine Hemmung der 25-(OH)D₃-1α-Hydroxylase einen Mangel an 1,25(OH)₂D₃ bewirkt. PTH ist erhöht.

Hypokalziämien sind häufig bei kritisch kranken Patienten in intensivmedizinischen Einheiten, insbesondere bei Sepsis, kardialen, renalen oder pulmonalen Versagen sowie nach großen Operationen oder Verbrennungen. Oft handelt es sich um eine Verschiebung des Ca²⁺ von extra- nach intrazellulär.

In der Intensivmedizin sowie bei bestimmten Operationen ist die Bestimmung des Ca²⁺ erforderlich /12/, z.B.:

• Wenn bei Hypokalziämie die kardiale Funktion durch Ca-Gabe verbessert werden soll.
• Nach Operation am offenen Herzen, wenn die hohe kardioplegische Kaliumkonzentration entfernt und die Ca-Konzentration normalisiert werden muss.
• Bei Lebertransplantation. Da dabei viele citrathaltige Erythrozytenkonzentrate gegeben werden, kann das Ca²⁺ unter 2,0 mg/dl (0,5 mmol/l) abfallen, da keine funktionierende Leber das Citrat entfernt.
• Bei Dialysepatienten. Die K/DOQI Guidelines empfehlen bei Hypoalbuminämie den Bezug von Gesamt-Ca auf Albumin zur Feststellung einer Hypokalziämie. Da aber die Albuminbestimmung nicht standardisiert ist und abhängig von der Bestimmungsmethode unterschiedliche Albuminwerte ermittelt werden (immunologisch, Bromkresolgrün, Bromkresolviolett) sind die Fehler groß. So wurden in einer Studie /19/ 32,6 % Fehlklassifizierungen festgestellt.

Zur Abgrenzung des Pseudohypoparathyreoidismus vom sekundären Hyperparathyreoidismus kann die Durchführung des Ellsworth-Howard-Tests erforderlich sein. Siehe hierzu den Beitrag 6.4 – Parathormon.

6.2.1.7.2 Klinische Symptome der Hypokalziämie

Die klinischen Symptome der Hypokalziämie sind von der Geschwindigkeit des Auftretens, dem Ausmaß des Abfalls und seiner Dauer abhängig.

Symptome in Abhängigkeit von der Konzentration:

• Fällt die Konzentration des Ca²⁺ unter 1,0 mmol/l, treten leichte neurologische Symptome wie zirkum orale und akrale (Finger, Zunge) Parästhesien auf.
• Bei einer Konzentration unter 0,60 mmol/l wird ein Herzstillstand wahrscheinlich.
• Bei Patienten mit niedrigem Blutdruck oder einem niedrigen Herzminutenvolumen ist eine Ca-Therapie bei Werten von Ca²⁺ im Plasma von 0,8–0,9 mmol/l erforderlich /20/.

6.2.1.8 Hinweise und Störungen

Probennahme

Zur Bestimmung von iCa sollte der Patient mindestens 10 min entspannt sein und vor der Blutentnahme 5 min in sitzender oder liegender Position verbringen. Das Intervall zur letzten Nahrungsaufnahme sollte etwa 4 h betragen. Das iCa zeigt keine Konzentrationsänderung bei Positionswechsel. Das Gesamt-Ca zeigt demgegenüber eine halbe Stunde nach dem Übergang vom Sitzen zum Liegen einen Abfall um 4,7 % /14/.

Die Venen sollten nur für eine kurze Zeit und mit wenig Druck komprimiert werden. Eine Kompression für mehrere Minuten erhöht das Gesamt-Ca um bis zu 10 %, besonders wenn dies mit einem Öffnen und Schließen der Faust verbunden ist /34/. Als Ergebnis einer solchen Aktion kommt es durch Ausbildung einer Acidose auch zu einer Erhöhung von iCa.

Specimen

Gesamt-Ca: Serum oder Heparinplasma, kein EDTA- oder Citratplasma.

Ionisiertes Ca: Mit Lithium Heparinat antikoaguliertes Vollblut, entnommen mit Spritzen oder evakuierten Probennahmeröhrchen, wenn Calcium titriertes Heparin (40 IU Heparin als die Endkonzentration pro ml Blut) verwendet werden /6, 35/. Die Titration ist erforderlich da Heparin, abhängig von seiner Menge, einen Teil des iCa der Probe bindet und somit deren Konzentration vermindert. Ein Nachteil von Vollblut ist, dass Mikrothromben oder eine Hämolyse über 3 g Hb pro Liter eine deutliche Änderung des gemessenen iCa bewirken /36/.

Serum, anaerob in evakuierten Röhrchen entnommen, ist das stabilste Probenmaterial für iCa. Jedoch, wenn das Probenröhrchen nur teilweise gefüllt ist, kommt es durch einen Verlust von CO₂ aus der Probe zur Änderung des pH mit Änderung der Konzentration von iCa. Bei 4 °C aufbewahrt ist die Probe über 24 h stabil /36/.

Plasma bietet keine Vorteile gegenüber Vollblut und Serum /36/.

Einflussgrößen des Total-Calciums

Physische Aktivität: Der mittlere Anstieg des Ca²⁺ beträgt 0,45 mg/dl (0,11 mmol/l) nach 10 min Radfahren und 0,1 mg/dl (0,02 mmol/l) nach 10 min Treppensteigen /36/.

Beim Übergang von liegender zu stehender Körperhaltung sind folgende Anstiege zu erwarten: Gesamt-Ca 4,6 %, Ca²⁺ 1,7 %, Albumin und Totalprotein 12 % /13/.

Bettruhe: Eine 12- und mehrtägige Bettruhe soll zu einer Erhöhung des Ca²⁺ um 8 % führen, nicht aber des Gesamt-Ca /36/.

Nahrungsaufnahme: Temporär nach Nahrungsaufnahme erfolgt ein Abfall des Ca²⁺ um 5,4 % auf Grund eines pH-Anstiegs, Zunahme der Konzentration von Totalprotein, Phosphat und Bicarbonat /36/.

Respiratorische Alkalose: Bei Hyperventilation resultiert für jeden Anstieg des pH um 0,1 Einheit ein Abfall des Ca²⁺ um 0,2 mg/dl (0,05 mmol/l).

Exsikkose: Für jeden Anstieg des Albumins um 1 g/dl über die oberen Wert des Referenzbereichs können von der Konzentration des Gesamt-Ca 0,8 mg/dl (0,2 mmol/l) abgezogen werden.

Zirkadiane Variation: Das Ca²⁺ schwankt im Verlaufe des Tages um 4–10 %. Ursachen sind die Nahrungsaufnahme und Änderungen der Säuren-Basen Balance, z.B. durch den Schlaf /36/.

Einflussgrößen des ionisierten Calciums

Leflunoamid stört die Messung des ionisierten Calciums und bewirkt falsch niedrige Werte, wahrscheinlich abhängig von der Struktur der Calcium sensitiven Elektrode /50/. Der gleiche Effekt liegt wahrscheinlich auch der Erniedrigung des ionisierten Calciums durch Perchlorat zugrunde, einer bei Hyperthyreose blockierenden Substanz /51/.

Stabilität

Gesamt-Ca: Lagerung bei 9 °C bis 1 Woche.

Ionisiertes Ca: Im Vollblut bei 4 °C bis zu 4 h, im Plasma im verschlossenen Entnahmeröhrchen /5/:

• Abgetrennt von den Erythrozyten im evakuierten Probennahmegefäß bis zu 24 h bei Raumtemperatur.
• Separiert von den Erythrozyten und getrennt durch ein Separatorgel bis zu 48 h im anaeroben Zustand.

6.2.2 Calciumausscheidung im Urin

6.2.2.1 Indikation

Beurteilung des Ca-Haushalts, wenn Gesamt-Ca im Serum:

• Erhöht oder erniedrigt.
• Normal, aber klinische Symptome wie Knochenschmerz, Steinleiden, Niereninsuffizienz, chronische Durchfälle und Steatorrhoe vorliegen oder eine längere Therapie mit Kortikosteroiden.
• Abgrenzung der familiären hypokalziurischen Hyperkalziämie vom primären Hyperparathyreoidismus.

6.2.2.2 Bestimmungsmethode

Atomabsorptions-Spektroskopie (AAS): Prinzip siehe Beitrag 6.2.1.2 – Bestimmungsmethode.

Flammenphotometrie: Zuerst erfolgt die Natriumbestimmung der Urinprobe, die Ca-Bestimmung wird unter Verwendung einer Kompensationslösung durchgeführt, die eine etwa gleiche Natriumkonzentration wie der Urin hat.

6.2.2.3 Untersuchungsmaterial

24 h Sammelurin (Ansäuerung im Labor auf pH < 6,5):

• Durch Zugabe von 10 ml konzentrierter HCl.
• Durch Zugabe von 1/10 des Harnvolumens an 5 % Eisessig. Neuere Untersuchungen empfehlen nur noch die neutrale Sammlung. Urin während Sammlung bei etwa 20 °C belassen.
• 2 h Sammelurin morgens nüchtern von 8.00–10.00 Uhr oder morgendlicher Spontanurin für die Bestimmung der Ca/Creatinin-Ratio.

6.2.2.4 Referenzbereich

Siehe:

• Tab. 6.2-5 – Ca-Ausscheidung Erwachsener bei regulärer Kost
• Tab. 6.2-6 – Ca/Creatinin-Ratio im Urin bei Kindern mit regulärer Kost.

6.2.2.5 Bewertung

Bei Normalpersonen mit einer ausgeglichenen Ca-Balance scheiden die Nieren das intestinal aufgenommene Ca wieder aus. Das sind täglich 6–7 % des Ca-Gehalts der Nahrung. Beträgt der tägliche Ca-Gehalt der Nahrung jedoch mehr als 1,5 g, kann es zur Hyperkalziurie kommen.

6.2.2.5.1 Hyperkalziurie

Hyperkalziämien können eine primäre oder sekundäre Genese haben. Ursächlich sind drei pathogene, sich teilweise überlappende primäre Ursachen für die Ausbildung einer Hyperkalziurie verantwortlich /40/:

• Eine erhöhte intestinale Ca-Absorption. Bei dieser absorptiven Hyperkalziurie wird auch bei einer Restriktion der Zufuhr von Ca mit der Nahrung die Ca-Ausscheidung nicht normalisiert.
• Die vermehrte Resorption von Ca aus dem Skelett, auch unter Ca armer Diät (resorptive Hyperkalziurie). Dieser Fastenhyperkalziurie liegt primär eine verstärkte Ca-Resorption aus dem Skelett zu Grunde, ohne dass ein sekundärer Hyperparathyreoidismus besteht. Die Patienten haben unter Ca-armer Diät eine negative Ca-Bilanz mit der Folge des deutlichen Knochenabbaus und eines erhöhten Frakturrisikos.
• Eine verminderte renal tubuläre Ca-Reabsorption. Dieser Mechanismus soll maximal bei 5 % der Hyperkalziurien maßgebend sein.

Erkrankungen mit Hyperkalziurie sind aufgeführt in Tab. 6.2-7 – Erkrankungen, die mit einer Hyperkalziurie einhergehen können.

6.2.2.5.2 Primäre Hyperkalziurie (PH)

Die PH oder idiopathische Hyperkalziurie ist eine Form der Ca²⁺-Ausscheidung, bei der unter einer Diät von 1,0 bis 1,2 g Ca und 1,0 bis 1,5 g Protein/kg Körpergewicht und Tag eine vermehrte Ca²⁺-Ausscheidung vorliegt. Die meisten dieser Patienten haben eine absorptive Hyperkalziurie durch verstärkte enterale Ca-Absorption, an zweiter Stelle steht die resorptive Hyperkalziämie /40/. Letztere ist einem bestimmten Ausmaß mit einer Demineralisation des Skeletts verbunden, die häufigste Assoziation besteht aber zur Ca-Nephrolithiasis, so beträgt die Inzidenz der Hyperkalziurie bei Nierensteinträgern 50–60 %.

6.2.2.5.3 Sekundäre Hyperkalziurie

Neben rassischen, geographischen und jahreszeitlichen Schwankungen sowie Geschlecht und Gewicht beeinflusst auch die Nahrung die Ca-Ausscheidung. Wichtige Einflussgrößen sind der Nahrungsmittelgehalt an Natrium, Kalium, Phosphat, Kohlenhydraten und Protein sowie die Alkoholaufnahme. Bei verstärkter Kochsalzzufuhr erhöht sich die Ca-Ausscheidung im Harn um 20–40 mg/Tag bei der Zufuhr von je 2,3 g Natrium (entsprechend 5,8 g Kochsalz) /40/.

Auch führt eine Hypophosphatämie durch verstärkte renale Synthese von 1,25(OH)₂D₃ zur erhöhten intestinalen Ca-Absorption. Eine vermehrte Proteinzufuhr erhöht ebenfalls die Ca-Ausscheidung. Die moderate Proteinzufuhr (1–1,5 g/kg Körpergewicht und Tag) verändert den Ca-Stoffwechsel nicht. Die Ursachen sekundärer Hyperkalziurien sind aufgeführt in Tab. 6.2-8 – Ursachen der sekundären Hyperkalziurie.

6.2.2.5.4 Diagnostik der Hyperkalziurie

Zur Bestätigung einer erhöhten Ca-Ausscheidung werden durchgeführt:

• Die zweimalige Bestimmung der Ca/Creatinin-Ratio im Morgenurin. Eine Ratio über 0,57 spricht bei Erwachsenen für die Hyperkalziurie.
• Die Untersuchung von einem bis zwei 24 h-Sammelurinen. Eine Ausscheidung ≥ 300 mg bei Männern und ≥ 250 mg bei Frauen weist auf eine Hyperkalziurie hin.
• 24 h vor und während der Harnsammlung soll der Patient seine Nahrungsgewohnheiten beibehalten.

Eine Ausscheidung von Ca im Referenzbereich des 24 h-Sammelurins schließt eine relative Hyperkalziurie nicht aus. Bei dieser Form ist die Ca-Ausscheidung relativ zu dem mit der Nahrung zugeführten Ca zu hoch (Abb. 6.2-1 – Beziehung zwischen Ca-Ausscheidung im 24 h-Urin und diätetischer Ca-Aufnahme). Bei der Hyperkalziurie-Abklärung müssen primäre von sekundären Ursachen unterschieden werden, zu letzteren zählt auch der primäre Hyperparathyreoidismus.

6.2.2.5.5 Differenzierung der primären Hyperkalziurie

Wurde eine Hyperkalziurie diagnostiziert und sekundäre Ursachen der vermehrten Ca-Ausscheidung ausgeschlossen, ist es notwendig die metabolischen Ursachen der primären Hyperkalziurie abzuklären /39/. Dazu wird unter Restriktion der diätetischen Zufuhr von Ca, Protein und Natrium die Ca/Creatinin-Ratio bestimmt und wie in Abb. 6.2-2 – Abklärung einer Hyperkalziurie unter Anwendung der Ca/Creatinin-Ratio ausgeführt bewertet.

Bewertung:

• Nach einwöchiger Diät (1–1,2 g Eiweiß pro kg Körpergewicht, Calcium ≤ 400 mg/Tag, Natrium 100–150 mmol/Tag, entsprechend 5,8–8,7 g Kochsalz/Tag) und Fasten über Nacht wird die Ca/Creatinin-Ratio im spontanen Morgenurin bestimmt.
• Fällt unter Ca-Restriktion die Ca/Creatinin-Ratio unter 0,57 wird unter regulärer Kost zu viel Ca enteral aufgenommen. Es besteht eine absorptive Hyperkalziurie.
• Normalisiert die Ca/Creatinin-Ratio trotz Ca-Restriktion nicht, liegt eine Fasten-Hyperkalziurie vor. Es besteht eine verstärkte Ca-Resorption aus dem Skelett (resorptive Hyperkalziurie). Wird weiterführend PTH bestimmt, so spricht dessen Erhöhung für eine renale Hyperkalziurie.

6.2.2.5.6 Hypokalziurie

Die Ca-Ausscheidung muss relativ zu der mit der Nahrung aufgenommenen Ca-Menge bewertet werden. Beträgt z.B. bei einer täglichen Ca-Zufuhr von 800 mg (20 mmol) die Ca-Ausscheidung weniger als 50 mg (1,3 mmol) in 24 h, so liegt eine Hypokalziurie vor. Ein solcher Befund ist typisch für eine durch Vitamin D-Mangel bedingte Osteomalacie.

Bei Hyperkalziämie und erhöhtem oder im oberen Referenzbereich liegenden PTH muss zur Abgrenzung der familiären hypokalziurischen Hyperkalziämie die Ca-Ausscheidung im 24 h-Urin bestimmt werden /48/. Eine Ausscheidung unter 100 mg (2,5 mmol/l)/24 h bzw. eine Ratio Ca/Creatinin (mmol/mmol) von unter 0,01 im Urin weisen auf die familiäre hypokalziurische Hyperkalziämie hin.

6.2.2.6 Hinweise und Störungen

Bestimmungsmethode

Zuverlässige Ergebnisse werden mit der Atomabsorptions-Spektrophotometrie erhalten. Mit dem Flammenphotometer ermittelte Werte sind nur brauchbar, wenn bei der Messung eine Kompensationslösung verwendet wird, die eine vergleichbare Natriumkonzentration hat wie der zu untersuchende Urin.

Ca-Ausscheidung im Urin

Sie zeigt ein Minimum von 21–6 Uhr und ein Maximum am Vormittag /43/.

Stabilität

Unter alkalischen Bedingungen haben die divalenten Kationen Ca und Mg die Tendenz zur Präzipitation im Urin, vorwiegend als Phosphate wie Brushit (CaHPO₄ × 2 H₂O) und Struvit (MgNH₄PO₄ × 6 H₂O). Als Folge werden Mg, Ca und Phosphat im Urin zu niedrig bestimmt. Deshalb sollte der Urin im Labor vor der Bestimmung auf einen pH unter 6,5 angesäuert werden. Neuere Untersuchungen /44/ zeigen keinen Unterschied zwischen angesäuerten und neutral gesammelten Urin.

6.2.3 Pathophysiologie

Etwa 1 % des Gesamtkörper-Ca werden täglich erneuert. Auf systemischer Ebene erlaubt eine komplexe Interaktion zwischen PTH, dem 1,25(OH)₂D₃ und Ca²⁺ dem Organismus, die Ca-Homöostase aufrecht zu erhalten, trotz Variationen der täglichen Aufnahme.

Regulierend wirkt PTH durch:

• Stimulation der Nieren zur Reabsorption von Ca²⁺.
• Freisetzung von Ca²⁺ aus dem Skelettsystem.
• Enterale Absorption von Ca²⁺.

PTH stimuliert durch die Aktivierung des Enzyms 25-(OH)D₃-1α-Hydroxylase in den Nieren die Synthese des 1,25(OH)₂D₃ (Calcitriol) aus 25(OH)D.

Calcitriol entfaltet folgende Wirkungen:

• Es steigert die Ca²⁺-Absorption im Duodenum und oberen Jejunum durch ein Ca²⁺-bindendes Proteinsystem. Der Anstieg von Ca²⁺ im Blut hemmt wiederum die Sekretion von PTH.
• Es kontrolliert die Bildung von PTH durch Hemmung der genetischen Transkription von prä-pro-PTH.

Die Ausscheidung von Ca²⁺ erfolgt über die Nieren und den Darm. Glomerulär filtrierte Ca²⁺ werden zu 94–96 % tubulär rückresorbiert. Die Ca²⁺-Menge im Urin beträgt bis zu 300 mg (7,5 mmol)/24 h. Mit den Verdauungssäften in den Darm ausgeschiedene Ca²⁺ werden zu 90 % wieder absorbiert (Abb. 6.2-3 – Verteilung von Calcium in den Geweben).

Der G-Protein-gekoppelte Ca²⁺-sensitive Rezeptor (CaSR), ein Guaninnukleotid-Bindungsprotein (G-Protein), ist auf zellulärer Ebene der Hauptmediator der Ca²⁺-Homöostase. Er wird auf der Zellmembran der Nebenschilddrüsen und der renal tubulären Zellen exprimiert. Ca²⁺ aktivieren direkt den CaSR, hemmen die Sekretion von PTH und reduzieren die renal tubuläre Reabsorption von Ca²⁺. Die Aktivierung des CaSR bei Hyperkalziämie bewirkt die G-Protein vermittelte Stimulation der Phospholipase C durch die Proteine G_q und G₁₁. Es resultiert eine Anreicherung von Inositol 1,4,5-Triphosphat und ein Anstieg der intrazellulären Konzentration von Ca²⁺. Diese Änderungen führen zur Verminderung der -Konzentration von PTH und einer vermehrten renalen Ausscheidung von Ca^2+.. So hemmt eine hohe Konzentration von Ca²⁺ in den Sammelrohren über den CaSR die Vasopressin induzierte Wasserrückresorption und somit die Kapazität der Harnkonzentrierung. Das ist z.B. der Fall bei Hyperkalziämien über 12 mg/dl (3,0 mmol/l), die einen hyperkalziämischen nephrogenen Diabetes bewirken.

Die G-Protein vermittelte Signalübertragung des PTH sensitiven Rezeptors und des CaSR ist beispielhaft dargestellt in Abb. 6.2-4 – Gs-Protein-vermittelte Signalübertragung des Parathormon sensitiven Rezeptors oder des Calcium sensitiven Rezeptors.

Die Nebenschilddrüsen von Patienten mit terminaler Niereninsuffizienz haben eine verminderte Anzahl an CaSR. Es werden deshalb extrazelluläre Ca²⁺ nur ungenügend wahrgenommen, mit der Folge eines sekundären Hyperparathyreoidismus und seinen systemischen Auswirkungen. Behandelt wird mit dem allosterischen Modifier des CaSR, dem Cinacalet, der eine Aktivierung des CaSR bewirkt. Bei seiner Anwendung kommt es zum Abfall der erhöhten PTH und des Ca × P-Produkts bei Dialysepatienten.

Mutationen im Gen, das den CaSR kodiert, führen zu einer hemmenden oder aktivierenden Wirkung mit hyper- oder hypokalziämischen Störungen. Bei der familiären hypokalziurischen Hyperkalziämie liegt folgende Pathophysiologie vor /31/:

• Die Nebenschilddrüsen sind für Ca²⁺ resistent und reagieren erst bei einer erhöhten Ca²⁺-Konzentration mit einer Suppression der PTH-Sekretion. Ursache ist, dass durch Missense Mutationen die extrazelluläre Domäne des CaSR so verändert ist, dass eine geringere Anzahl funktionstüchtiger Rezeptoren auf der Zellmembran exprimiert wird.
• Es besteht eine verstärkte Rückresorption von Ca²⁺ im dicken kortikalen aufsteigenden Schenkel des Nephrons.

Hypokalziämien beruhen auf Fehlen oder der Unterfunktion der Nebenschilddrüsen, auf Vitamin D-Mangel durch verminderte enterale Ca-Absorption, UV-Lichtmangel oder auf Vitamin D-Metabolisierungsstörungen in der Leber oder den Nieren.

Bei chronischer Niereninsuffizienz mit verminderter Phosphatclearance ist die Synthesestörung des 1,25(OH)₂D₃ und die vorhandene Hyperphosphatämie mit konsekutiver Hypokalziämie die Ursache für einen sekundären Hyperparathyreoidismus (sHPT) und die Ausbildung einer hyperaktiven Knochenerkrankung in Form der renalen Osteopathie (Osteomalacie, Osteodystrophia fibrosa) /43/. Die mit der renalen Insuffizienz assoziierte verminderte Bildung von 1,25(OH)₂D₃ vermindert die gastrointestinale Absorption von Ca. Jedoch läuft die passive Diffusion von Ca²⁺ weiter und kann zu einer positiven Ca-Bilanz führen, die verstärkt wird durch eine verminderte Ca-Ausscheidung im Urin, bedingt durch den sHPT. Eine erhöhte Ca-Freisetzung aus dem Skelett, resultierend aus der hyperaktiven renalen Knochenerkrankung verstärkt die positive Ca-Bilanz und kann eine vaskuläre Kalzifizierung verstärken /45/. Die hyperaktive renale Knochenerkrankung, die zu einer verstärkten Ca-Freisetzung aus dem Knochen führt ist eine Folge des sHPT.

Hyperkalziämien beruhen auf einer verstärkten Mobilisation von Ca²⁺ aus dem Skelettsystem, einer vermehrten intestinalen Absorption und/oder einer erhöhten tubulären Reabsorption.

Beim pHPT ist eine autonome Sekretion von PTH die Ursache der Hyperkalziämie. Es kann zur Bildung von Nierensteinen, renalen Verkalkungen, zur Osteodystrophia fibrosa cystica generalisata, Pankreatitis und zu Duodenalulcera kommen.

Metastatische Verkalkungen werden bei einer Zunahme des Calcium-Phosphat Produktes auf Werte über 60–75 (berechnet aus mg/dl-Werten) gesehen /46/.

Die Hyperkalziämie ist eine häufige Komplikation maligner Tumoren im fortgeschrittenen Stadium. Zwei wesentliche Mechanismen sind für die Hyperkalziämie bei malignen Tumoren verantwortlich:

• Metastasierte Tumorzellen bewirken durch den direkten Kontakt mit dem Knochen Osteolysen. Dabei sollen lokal wirksame Faktoren wie Prostaglandin E₂, Interleukin-1 und Tumornekrosefaktoren freigesetzt werden. Dieser Mechanismus ist häufig beim multiplen Myelom und dem Mammakarzinom.
• Humorale Faktoren, die eine Wirkung entfalten wie das PTH; also erhöhte Ca²⁺-Mobilisation aus dem Knochen, Erhöhung des cyclischen AMP, Phosphaturie, aber im Gegensatz zum pHPT keinen Anstieg von 1,25(OH)₂D₃, sondern eher eine Erniedrigung. Ein solcher humoraler Faktor, der vom Tumor gebildet wird und an die PTH-Rezeptoren bindet, ist das Parathormon related Protein (PTHrP). Bei PTHrP sezernierenden Metastasen entwickelt sich ein Circulus vitiosus. Dabei setzt PTHrP Wachstumsfaktoren wie TGF-β aus der Knochenmatrix frei, die wiederum die PTHrP Sekretion des Tumorgewebes verstärken /47/.

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6.3 Anorganisches Phosphat

Lothar Thomas

Die Begriffe Phosphat und Phosphor werden in der Laboratoriumsmedizin wechselseitig verwendet. Das ist für klinische Belange bedeutungslos, denn der Phosphatgehalt einer Probe wird als elementarer, anorganischer Phosphor (P) angegeben. P liegt im Serum als Orthophosphat vor. Es handelt sich um Verbindungen, die sich aus einer sequentiellen Ionisation der Phosphorsäure ableiten (Abb. 6.3-1 – Sequentielle Ionisation der Phosphorsäure). P kommt im Organismus nur als H₂PO₄^– oder HPO₄^2– vor, da weder H₃PO₄ als strenge Säure, noch PO₄^3– als strenge Base bei physiologischem pH existent sind. Bei einem pH 7,4 beträgt das molare Verhältnis HPO₄^2–/H₂PO₄^– = 4 : 1. Es nimmt bei Azidose ab und bei Alkalose zu /1/. In den Laboratorien ist es üblich die Konzentration von Phosphat als P anzugeben. Somit ist im Serum 1 mmol/L äquivalent zu 3,1 mg/dl.

Bei pH 7,4 und dem Verhältnis HPO₄^2–/H₂PO₄^– von 4 : 1 liegen neun negative Ladungen vor, das bedeutet pro mmol –9/5 = 1,8 negative Ladungen oder 1,8 mEq/l. Demzufolge sind im Serum folgende Maßeinheiten für P gleichzusetzen: 1 mmol/l = 3,1 mg/dl = 1,8 mEq/l /1/.

Die Bestimmung von Phosphat im Serum ist allein zur Beurteilung des Phosphathaushalts nicht ausreichend und die Bestimmung der Ausscheidung im Harn oft zusätzlich erforderlich.

6.3.1 Phosphat (P) im Serum

6.3.1.1 Indikation

• Knochenerkrankung.
• Chronische Nierenerkrankung, Dialysepatient.
• Nach Schilddrüsenoperation.
• Erkrankung der Nebenschilddrüsen.
• Nierensteinpatient.
• Chronischer Alkoholismus.
• Intensivmedizin (parenterale Ernährung, beatmete Patienten).
• Kardiovaskuläre Erkrankung.
• Verdacht auf Mangel an Vitamin D (Malabsorption).
• Muskelschwäche, Knochenschmerz.

6.3.1.2 Bestimmungsmethode

Phosphormolybdat-Methode /2/

Prinzip: Das im Serum oder deproteinisierten Überstand vorhandene P wird durch Zugabe von Ammoniummolybdat in einen Phosphor-Molybdat Komplex überführt. Durch Zugabe eines Reduktionsmittels wird dieser in Molybdänblau umgewandelt und bei 580 nm photometrisch gemessen.

Enzymatische Methoden

Beschrieben sind verschiedene Verfahren der Bestimmung, von P, z.B. unter Anwendung von Purinnukleosid-Phosphorylase und Xanthinoxidase /3/ oder Sucrosephosphorylase und Phosphoglucomutase /4/.

6.3.1.3 Untersuchungsmaterial

Serum, Heparinplasma (Probennahme nüchtern morgens vor 10 Uhr auf Grund zirkadianer Rhythmik, siehe Hinweise und Störungen): 1 ml

6.3.1.4 Referenzbereich

Siehe Tab. 6.3-1 – Referenzbereiche für Phosphat.

6.3.1.5 Bewertung

Etwa 85 % des Phosphates (P) sind in den Knochen in Verbindung mit Ca lokalisiert und 14 % sind intrazellulär gelegen. Dort liegt P als Anion oder als Bestandteil von Intermediaten der Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren oder Signalmolekülen vor /1/. Intrazellulär ist P das Hauptanion und sein Stoffwechsel ist eng mit dem von Ca verknüpft /5/. Die tägliche Aufnahme von P mit der Nahrung beträgt etwa 1 g (32 mmol). Eine niedriger Proteingehalt der Nahrung vermindert die Aufnahme von P. Aber die Menge und Bioverfügbarkeit von P sind von der Art des Proteins abhängig. Die gastrointestinale Absorption von P erfolgt meist in Form von Phytaten, ist niedriger in Pflanzen als im Fleisch (30–50 % gegenüber 50–70 %). Eine Restriktion der Aufnahme von P auf weniger als 800 mg (26 mmol) pro Tag wird empfohlen bei moderater bis fortgeschrittener chronischer Niereninsuffizienz /6/.

Obwohl nur 1 % des gesamten P-Gehaltes des Organismus im Plasma und den anderen Körperflüssigkeiten vorhanden sind, korreliert bei den meisten pathologischen Zuständen die Konzentration im Serum mit dem P-Gehalt des Körpers. Die renale Reabsorption von P ist der wichtigste Faktor des Phosphatwerts im Serum. Nimmt dieser, bedingt durch eine erhöhte Aufnahme von P oder einer Verminderung der glomerulären Filtrationsrate zu, wird die renale P-Reabsorption reduziert. Die Regulation der renalen P-Reabsortion erfolgt durch den Fibroblast growth factor 23 (FGF23) und das Parathormon. Mit Anstieg des P-Wertes nimmt die Konzentration beider Hormone zu. Die Bestimmung der P-Reabsorption erfolgt durch Bestimmung des TmP/GFR-Wertes (siehe Abschnitt 6.3.2.3 – Tubuläres Transportmaximum für Phosphat, Phosphatschwelle).

6.3.1.5.1 Hypophosphatämie

Änderungen der P-Konzentration mit Hypophosphatämie treten vorwiegend auf durch /1/:

• Umverteilungsprobleme zwischen Intrazellulärraum (IZR) und Extrazellulärraum (EZR).
• Verminderte Zufuhr oder verminderte Absorption von P.
• Renalen Verlust von P und mangelnde Vitamin D Wirkung.

6.3.1.5.2 Änderungen in der Homöostase von Phosphat

Phosphat ist im IZR vorwiegend im Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsel beteiligt oder liegt an Proteine gebunden vor, nur ein kleiner Teil ist als Phosphatanion vorhanden. Bedingungen, die eine organische Bindung von Phosphor notwendig machen, erfordern die Verschiebung von Phosphationen vom EZR in den IZR und fördern die Entstehung einer Hypophosphatämie.

Solche Bedingungen sind gegeben bei /1/:

• Glucoseshift nach Insulingabe bei Hyperglykämie. Dabei werden Glucose und Phosphationen in die Muskelzellen und die Hepatozyten transportiert /7/.
• Gabe von Fructose; die Phosphorylierung wird stimuliert, Phosphationen intrazellulär verbraucht und nachgeliefert von extrazellulär.
• Metabolischer Azidose, respiratorischer Alkalose. Die Genesung bei Hyperparathyreoidismus und physiologische Konzentrationen von Katecholaminen können einen milden und transienten Shift von Phosphat nach intrazellulär bewirken. Diese Verschiebungen können zu schweren Störungen führen, wenn die Phosphatspeicher leer sind aufgrund einer Fehlernährung oder bedingt durch Krankheit /1/.
• Ausgedehntes Fasten.
• Flüssigkeitsverlust aufgrund eines chirurgischen Traumas.
• Rasch proliferierenden Tumoren, deren Stoffwechsel viel Phosphat benötigt.
• Bei Zuständen mit Akute-Phase Reaktion, z.B. Sepsis, Intensivpatienten, nach schweren Operationen.
• Nicht absorbierbare Antazida (z.B. Aluminiumhydroxid), die intestinales Phosphat binden und die gastrointestinale Phosphatabsorption behindern.

6.3.1.5.3 Verminderte Zufuhr oder reduzierte intestinale Absorption von Phosphat

Die externe Phosphatzufuhr wird bei normaler GFR annähernd von der P-Ausscheidung (U_PV) reflektiert. Sie ist das Produkt aus der Konzentration im Urin in mg/dl (U_P) und dem Urinvolumen (V). Sie entspricht der gastrointestinalen Absorption von Phosphat im Steady state. Bei Malnutrition (Alkoholismus), Malabsorption, bei Intensivpatienten und unter Behandlung mit Phosphatbindern sind die enterale Phosphataufnahme und die UPV vermindert. Die UPV beträgt dann unter 600 mg (20 mmol)/24 h.

Bei normaler glomerulärer Filtrationsrate (GFR) ist die renale Phosphatschwelle (UpV/GFR) der dominierende Faktor zur Regelung des Phosphatstatus. Mit Abnahme der GFR gewinnt die UpV zunehmend Bedeutung im Einfluss auf die Konzentration von P im Serum. Normalerweise beträgt die tubuläre Phosphatreabsorption 80–90 %, wird aber wesentlich beeinflusst durch Parathormon, Vitamin D, Calcitonin, antidiuretisches Hormon, Wachstumshormon, Schilddrüsenhormon, Östrogene und Glukokortikoide.

6.3.1.5.4 Renaler Phosphatverlust

Die renale Ausscheidung von Phosphat wird von der P-Rückresorption (TmP/GFR) bestimmt /1, 8/. Diese ist vom Transportmaximum für Phosphat (TmP) und der glomerulären Filtrationsrate (GFR) abhängig. Das TmP, auch als Phosphatschwelle bezeichnet, gibt den Anteil (%) von Phosphat im Primärurin an, der im proximalen Tubulus reabsobiert wird (mehr als 80 % beim Gesunden). Ein erhöhtes TmP wird bei erworbenen und hereditären Störungen der Knochenmineralisation gefunden.

Diese metabolischen Knochenerkrankungen zeigen alle folgende ähnliche Charakteristik /9/:

• Hypophosphatämie auf Grund einer erhöhten renalen Clearance von Phosphat.
• Einen inadäquat niedrigen Wert von 1,25(OH)₂D₃.
• Eine variable Knochenerkrankung (Osteomalacie, Rachitis, renal bedingte Störung der Knochenmineralisation).

6.3.1.5.5 Klinische Symptome der Hypophosphatämie

Leichte Hypophosphatämien sind bei Klinikpatienten relativ häufig und werden in bis zu 30 % im chirurgischen Krankengut gefunden /1/. Klinisch relevante Formen < 1,5 mg/dl (0,48 mmol/l) und schwere Formen mit einer P-Konzentration unter 1 mg/dl (0,32 mmol/l) sind selten, die Prävalenz bei stationären Patienten ist 1–2 pro Tausend /10/. Die Symptome schwerer Hypophosphatämien sind Muskelschwäche, Muskelschmerz, zentralnervöse Symptome wie Verwirrtheit, Konfusion, Konvulsionen, Koma. Die Muskelschwäche kann zur respiratorischen Insuffizienz führen. Hämatologische Probleme wie hämolytische Anämie und eine Dysfunktion der neutrophilen Granulozyten können ebenfalls auftreten. Häufige Ursachen sind aufgeführt in:

• Tab. 6.3-2 – Ursachen von Hypophosphatämien
• Tab. 6.3-3 – Erkrankungen und Zustände mit Hypophosphatämie.

6.3.1.5.6 Hyperphosphatämie

Hyperphosphatämien senken die Konzentration von 1,25(OH)₂D₃ und steigern die Sekretion von Parathormon und Fibroblast growth factor 23 (FGF23). Beide Hormone haben eine phosphaturische Wirkung.

Erhöhte Konzentrationen von PTH und FGF23 bewirken die renal bedingte Knochenerkrankung, eine linksventrikuläre Hypertrophie, vaskuläre Verkalkungen und eine beschleunigte Entwicklung der chronischen Nierenerkrankung, bedingt durch vaskuläre und tubulo interstitielle Schädigung /8/.

Hyperphosphatämien sind ein Risiko für die Progression chronischer Nierenerkrankungen, für Gefäßverkalkungen, für ventrikuläre Hypertrophie und kardiovaskuläre Erkrankungen. Analoge Ergebnisse in Bezug auf die kardiovaskulären Erkrankungen wurden auch für nicht Nierenkranke bestätigt.

Der Wirkung von Phosphat im Serum auf Erkrankungen der Nieren bleibt ungewiss. Bei nicht Dialyse bedürftiger chronischer Nierenerkrankung und bei der Bevölkerung ohne chronische Nierenerkrankung bewirken leichte Erhöhungen von Phosphat, auch innerhalb des Referenzbereichs, eine höhere Mortalität und einen schlechteren Ausgang bei kardiovaskulären Ereignissen. Bei einer fortgeschrittenen Nierenerkrankung sind höhere Phosphatkonzentrationen mit einer erhöhten Inzidenz zum Übergang in das Endstadium einer chronischen Niereninsuffizienz assoziiert. Somit ist zu vermuten, dass Erhöhungen des Phosphats im Serum die Nierenfunktion negativ beeinflussen /11/.

Hyperphosphatämien können beruhen auf /6, 12/:

• Störung der Homööstase zwischen dem Intrazellulärraum und dem Extrazellulärraum.
• Akutem Nierenversagen oder der chronischen Niereninsuffizienz.
• Erhöhter tubulärer Reabsorption von Phosphat, z.B. beim Hypoparathyreoidismus.
• Der verstärkten Aufnahme von Phosphaten mit der Nahrung, vermehrter intestinaler Absorption oder intravenöser Phosphatzufuhr, z.B. bei Behandlung mit dem Antibiotikum Fosfomycin.

Störung der Phosphat-Homöostase der Kompartimente

Ein verstärkter Übertritt von Phosphationen vom Intra- in den Extrazellulärraum tritt auf bei:

• Azidosen wie respiratorischer Azidose, Gewebeischämie, Lactatazidose und diabetischer Ketoazidose.
• Untergang von Geweben wie Rhabdomyolyse, Hämolyse, zytostatischer Therapie, maligner Pyrexie.

6.3.1.5.7 Chronische Niereninsuffizienz und Hyperphosphatämie

Die chronische Niereninsuffienz, assoziiert mit einer verminderten Bildung von 1,25(OH)₂D₃ und Verminderung der GFR führt zu einer verminderten renalen Ausscheidung von Phosphat und zur Hyperphosphatämie. Es resultiert ein sekundärer Hyperparathyreoidismus und die Ausbildung einer renalen Knochenerkrankung.

Die intestinale Absorption von Phosphat ist von der Diät abhängig. Deshalb ist bei normaler GFR die Kapazität der Niere zur Ausscheidung von Phosphat groß. Erst im Stadium 4 und 5 der chronischen Nierenerkrankung (GFR < 30 ml/min) kommt es zum deutlichen Phosphatanstieg im Serum. Es entwickelt sich ein sekundärer Hyperparathyreoidismus, bedingt durch die Phosphatretention und die verminderte renale 1,25(OH)₂D₃ (Calcitriol)-Synthese. Da Calcitriol die intestinale Ca²⁺-Absorption stimuliert und die Synthese von PTH hemmt, bewirkt der Calcitriolmangel einen sekundären Hyperparathyreoidismus.

Die Kidney Disease Outcomes Quality Initiative (NKF/KDOQ1) Clinical Practice Guidelines for Bone Metabolism and Disease empfehlen, dass die Phosphatwerte im Serum konstant gehalten werden sollen:

• Im CKD Stadium 3–4 im Bereich von 2,7–4,6 mg/dl (0,87–1,49 mmol/l).
• Bei Dialysepatienten im Bereich von 3,5–5,5 mg/dl (1,13–1,78 mmol/l).

Ein erhöhtes Risiko des sekundären Hyperparathyreoidismus und ein erhöhtes Mortalitätsrisiko bestehen bei chronischen Dialysepatienten mit einem P im Serum über 6,5 mg/dl (2,1 mmol/l) und einem Produkt Ca × P über 72 mg²/dl². Bei diesen Werten ist das Mortalitätsrisiko höher als bei Patienten mit niedrigeren Werten. Bei chronischen Dialysepatienten beträgt die Prävalenz der koronaren Herzkrankheit 40 % und der linksventrikulären Hypertrophie 70 %. Die kardiovaskuläre Mortalität ist 10–20 fach höher als in der gleichaltrigen Allgemeinbevölkerung.

Eine wesentlicher Regulator des Phosphathaushaltes und Verursacher Hyperphosphat bedingten Nebenwirkungen ist FGF23 (siehe Beitrag 6.3.4 – Pathophysiologie).

6.3.1.5.8 Klinische Symptome der Hyperphosphatämie

Die häufigste Ursache der Hyperphosphämie ist die CKD. Bei einer GFR über 30 [ml × min^–1 × (1,73 m²)^–1] müssen auch andere Ursachen in Erwägung gezogen werden.

Die Folgen der Hyperphosphatämie sind /13/:

• Ein reziproker Abfall von Ca²⁺ und 1,25(OH)₂D₃ und eine Abnahme der intestinalen Absorption von Ca²⁺. Bei Tumorkalzinose, Pseudoxanthoma elasticum, kortikaler Hyperostose und Thyreotoxikose kommt es zu keinem Ca-Abfall.
• Eine ektopische Kalzifizierung in verschiedenen Organen und Gefäßen, insbesondere im Endstadium chronischer Nierenerkrankung und beim primären Hyperparathyreoidismus. Das Risiko von Verkalkungen beginnt ab einer Phosphat-Konzentration über 5,5 mg/dl (1,8 mmol/l) und einem Produkt Ca × P über 60–75 bei Vorliegen eines alkalischen pH. Es kommt zur Ausfällung von Calciumphosphaten als Hydroxylapatitkristalle.

Generell wird das Ausmaß einer Hyperphosphatämie von der Imbalance zwischen Zufuhr von Phosphat in den Extrazellulärraum (EZR) und der Kapazität der renalen Elimination von Phosphat bestimmt. Schwere Hyperphosphatämien mit einer Konzentration über 14 mg/dl (4,5 mmol/l) sind immer multifaktoriell und werden bei Zunahme von Phosphat in den EZR und gleichzeitigem Vorliegen einer verminderten Phosphat Ausscheidung gefunden /14/.

Das Verhalten von Phosphat bei Erkrankungen und Zuständen mit Hyperphosphatämie ist gezeigt in Tab. 6.3-4 – Erkrankungen und Zustände mit Hyperphosphatämie.

6.3.2 Ausscheidung von Phosphat

Die alleinige Bestimmung der Ausscheidung von Phosphat im Urin ist zur Beurteilung des Phosphathaushaltes häufig unzureichend, da die Ausscheidung von der Nahrungszufuhr, dem Knochenstoffwechsel, der GFR und der tubulären Reabsorption von Phosphat abhängig ist. Deshalb werden Clearance Verfahren zur Beurteilung der Ausscheidung von Phosphat herangezogen. Folgende Untersuchungen werden abhängig von der klinischen Fragestellung durchgeführt:

• Phosphatclearance.
• Prozentuale tubuläre Phosphatrückresorption.
• Tubuläres Maximum der Phosphatrückresorption.

6.3.2.1 Phosphat-Clearance (Cp)

6.3.2.1.1 Indikation

Verdacht auf:

• Tubuläre Syndrome mit Phosphatverlust.
• Primäre und sekundäre Störungen der Nebenschilddrüsenfunktion.

6.3.2.1.2 Testablauf

Prinzip: Das pro Minute von P geklärte Plasmavolumen wird ermittelt. Die Phosphatclearance wird in zwei 1-stündigen Sammelperioden nach folgendem Testablauf durchgeführt:

• 7.00 Uhr: Der nüchterne Patient trinkt 500 ml Tee.
• 8.00 Uhr: Entleeren der Blase in die Toilette, nochmals 250 ml Tee trinken.
• 9.00 Uhr: Entleeren der Blase in Sammelflasche I, Blutentnahme zur Bestimmung von P.
• 10.00 Uhr: Entleeren der Blase in Sammelflasche II.

Bestimmung von P im Serum und in beiden Sammelurinen, Messen der Urinausscheidung und Bestimmung der C_p beider Sammelperioden.

Berechnung der Phosphat-Clearance (Cp)

Die C_p beider Sammelperioden wird ermittelt.

6.3.2.1.3 Referenzbereich

6.3.2.1.4 Bewertung

Die Ausscheidung von P im 24 h Urin beträgt bei normaler Phosphatzufuhr 0,6–1,55 g (20–50 mmol).

Die C_p hat gegenüber der Bestimmung der Ausscheidung von Phosphat den Vorteil, dass die Phosphat-Ausscheidung in Bezug auf die Höhe des Serumwerts von Phosphat beurteilt wird. Physiologische Erhöhungen von C_p werden gefunden bei erhöhter Phosphatzufuhr und Kochsalzzufuhr mit der Nahrung, beim physiologisch reduzierten Wachstum, in der Schwangerschaft und während der Laktation. Erkrankungen mit Erhöhung von C_p sind aufgeführt in Tab. 6.3-4 – Erkrankungen und Konditionen mit Hyperphosphatämie.

Die C_p berücksichtigt nicht die Nierenfunktion. So ist beim primären Hyperparathyreoidismus mit eingeschränkter Nierenfunktion die C_p oft normal.

Zur Beurteilung der Ursache einer pathologischen C_p sind folgende weiterführende Untersuchungen wichtig:

• Ca, P, Totalprotein, Cl, Creatinin und alkalische Phosphatase im Serum.
• Geschätzte glomeruläre Filtrationsrate und Ausscheidung von Calcium im Urin.

Erkrankungen mit erhöhter Cp

Siehe Tab. 6.3-5 – Erkrankungen mit Cp-Anstieg.

6.3.2.2 Fraktionelle tubuläre Phosphatrückresorption, TRP (%)

6.3.2.2.1 Indikation

• Primäre und sekundäre Störungen der Nebenschilddrüsenfunktion.
• Tubuläre Syndrome mit Phosphatverlust.

6.3.2.2.2 Testablauf

Prinzip: Es wird der prozentuale Anteil des P im Primärharn, der tubulär rückresorbiert wird, ermittelt.

Durchführung: Wie Bestimmung der Phosphatclearance, zusätzlich werden noch Creatinin im Urin und Serum bestimmt.

Die Berechnung erfolgt getrennt für beide Sammelperioden nach folgender Formel:

6.3.2.2.3 Referenzbereich

6.3.2.2.4 Bewertung

Die TRP (%) berücksichtigt im Unterschied zur C_p die Nierenfunktion. Sie wird wie die TmP/GFR zur Abklärung von Hypophosphatämien eingesetzt. Nachteilig ist die Abhängigkeit von der Phosphatzufuhr. So kann ein Gesunder bei Phosphatentzug eine TRP (%) über 90 % aufweisen, bei reichlicher Phosphatzufuhr aber unter 82 %. Die Bewertung der (TRP %) bei Erkrankungen zeigt Tab. 6.3-6 – TRP(%) bei Erkrankungen.

6.3.2.3 Tubuläres Transportmaximum für Phosphat, Phosphatschwelle (TmP/GFR)

Das TmP/GFR, auch als renale Phosphatschwelle bezeichnet, beschreibt die maximale Phosphatkonzentration (TmP) im Glomerulumfiltrat, unterhalb der alles filtrierte Phosphat tubulär reabsorbiert wird. Es ist möglich, das TmP/GFR direkt zu bestimmen, jedoch ist ein erheblicher Aufwand erforderlich. Deshalb wird die Phosphatschwelle nach dem Nomogramm von Walton und Bijvoet /17/ ermittelt (Abb. 6.3-2 – Nomogrammm zur Bestimmung der renalen Phosphatschwelle).

6.3.2.3.1 Indikation

Feststellung einer renal tubulären Störung der Reabsorption von Phosphat bei Vorliegen einer Hypophosphatämie.

6.3.2.3.2 Testablauf

Zur Ermittlung des TRP über das Nomogramm sind erforderlich:

• 2-stündige Urinsammlung morgens nach Entleeren der Blase. Der Patient soll über Nacht keine Nahrung zu sich genommen haben. Bestimmung von Harnvolumen, Creatinin und Phosphat.
• Blutentnahme in der Mitte der Sammelperiode zur Bestimmung von Creatinin und Phosphat.
• Berechnung der tubulären Reabsorption von Phosphat nach folgender Gleichung

• Vermittels des TRP-Werts oder des C_P/C_Cr-Werts die Phosphatschwelle (TmP/GFR) ablesen im Nomogramm in Abb. 6.3-2 – Nomogramm zur Bestimmung der renalen Phosphatschwelle.
• Alternativ zum TRP Wert kann auch der Wert von C_p/C_crin das Nomogramm eingesetzt werden.

6.3.2.3.3 Referenzbereich

Siehe Tab. 6.3-7 – Referenzwerte des tubulären Maximums der Phosphatreabsorption (TmP/GFR).

6.3.2.3.4 Bewertung

Das TmP/GFR wird aus dem Nomogramm wie folgt ermittelt (Abb. 6.3-2): P-Konzentration des Serums und Wert von TRP bzw. C_p/C_cr markieren und mit einem Lineal so verbinden, dass dessen rechter Teil die TmP/GFR-Achse schneidet. Der Schnittpunkt entspricht der Phosphatschwelle des Patienten in mg/dl oder mmol/l GFR.

Die TmP/GFR verhält sich parallel der Konzentration von Phosphat im Serum, was bedeutet, dass diese von der sich im Tagesverlauf ändernden Phosphatschwelle abhängig ist. Zwischen 11.00 und 15.00 Uhr kommt es zu einem parallelen Anstieg von Phosphat im Serum mit der Ausscheidung von Phosphat im Urin und der TmP/GFR /18/.

Die TmP/GFR ist bei tubulären Syndromen mit Verlust von Phosphat wie beim Phosphatdiabetes und dem Hyperparathyreoidismus erniedrigt /19/. Eine tubuläre Phosphatschwelle < 2,2 mg/dl (0,70 mmol/l) haben 20 % der Patienten, bei denen sich Nierensteine entwickeln, aber nur 5 % der Kontrollpersonen /20/.

6.3.3 Hinweise und Störungen

Probennahme

Der Gehalt der Nahrung an Phosphaten beeinflusst die Konzentration von Phosphat im Serum. Um diesen Einfluss zu minimieren, sollte die Blutentnahme morgens nach nächtlichem Fasten erfolgen. Phosphat im Plasma hat einen zirkadianen Rhythmus mit einem Nadir am frühen Vormittag, einem Plateau am späten Nachmittag, einem leichten Abfall am späten Abend und einem Plateau in der Nacht. Die Differenz zwischen höchstem und tiefstem Wert beträgt 30 % und absolut etwa 1,2 mg/dl (0,39 mmol/l) /18, 21/.

Probe

Serum wird gegenüber Plasma bevorzugt, im Serum ist die Konzentration von Phosphat 0,2–0,3 mg/dl (0,06–0,10 mmol/l) höher als im Plasma.

Das Serum muss innerhalb von 2 h von den Erythrozyten getrennt werden, da abhängig von der Temperatur Phosphat aus den Blutzellen austritt und eine Erhöhung vortäuscht.

Hämolytisches Serum ist inakzeptabel, da organische Phosphatester in das Serum übergetreten sind, von denen im Serum Phosphat abgespalten wird. Theoretisch kann der gemessene Phosphat-Wert um bis zu 20 % erhöht sein, was aber in praxi nicht gefunden wird.

Thrombozytosen führen zu erhöhten Werten von Phosphat.

Störfaktoren

Neben Hämolyse stören Hyperlipidämie und andere Trübungen, abhängig von der verwendeten Methode und dem Analysensystem. Trübungen stören durch spektrale Interferenz, da die in den meisten Analysensystemen angewendete Phosphomolybdat-Methode bei 340 nm misst /22/.

Einflussgrößen

Monoklonale Immunglobuline in hoher Konzentration bewirken durch Bindung von Phosphat eine Hyperphosphatämie mit der Phosphormolybdat-Methode. Die so verursachte Pseudohyperphosphatämie verschwindet nach Ultrafiltration der Probe /23/.

Stabilität

Vollblut bei Zimmertemperatur maximal 1 Tag, dann Anstieg, bei 9 °C Anstieg nach 4 Tagen. Serum bei Raumtemperatur 2 Tage, bei 9 °C 7 Tage /24/.

Pseudohyperphosphatämie

Ursachen einer Pseudohyperphosphatämie sind Hämolyse, Lipämie, eine Phosphat-haltige heparinisierte Salzkontamination, Störungen durch liposomales Amphotericin B und Paraproteine /49/.

Störfaktoren

Die Kontamination der Probe mit Plasmimogenaktivator (tPA, Alteplase), z.B. bei Dialysepatienten, führt zur Reduzierung der Konzentration des Phosphates von 2,5–33,5 % innerhalb von 24 h /31/.

6.3.4 Pathophysiologie

Phosphor ist einer der wesentlichen Strukturbestandteile von Zellen und Organellen und beteiligt in der Generierung, Speicherung und Freisetzung von Stoffwechselenergien. Im einzelnen ist Phosphor beteiligt:

• In Nukleoproteinen, Nukleinsäuren und in Form der Phospholipide in Membranen.
• In den Mitochondrien an der Bildung von ATP bei der oxidativen Phosphorylierung.
• Bei der Glykogenolyse und Glykolyse.
• In Form von 2,3-Diphosphoglycerat in der Regulierung der Dissoziation des Sauerstoffs vom Oxyhämoglobin.
• Bei enzymatischen Prozessen, so ist die Phosphorylierung von Enzymen ein wichtiger Kontrollmechanismus von enzymatischen Funktionen. Außerdem ist es in viele enzymatische Reaktionen involviert in Form cyclischer Adenosin- und Guaninnukleotide und von NADP.
• Viele Funktionen des Organismus wie Muskelkontraktion, Vorgänge im Nervensystem und der Transport von Elektrolyten benötigt ATP. Phosphat ist außerdem eine wesentliche Komponente des Knochens.

Alle genannten Funktionen werden beim Phosphatmangel beeinträchtigt.

6.3.4.1 Intrazelluläres Phosphat

Die Konzentration von intrazellulärem Phosphat ist etwa 3,1 mg/dl (1 mmol/l). Der wesentliche Teil des intrazellulären Phosphats ist in Form organischer Verbindungen, in Intermediärprodukten von Kohlenhydraten, Lipiden und Fetten vorhanden und spielt eine Rolle im Fett-, Protein-, Kohlenhydratstoffwechsel, bei Transportvorgängen und dem Zellwachstum. Bedingungen, die eine Bindung von organischem Phosphat fördern, wie die Insulingabe bei Hyperglykämie, führen zur Verschiebung von Phosphat von extra- nach intrazellulär.

Störungen des Stoffwechsels, die mit einer Azidose einhergehen, führen zu einer Verminderung der oxidativen Phosphorylierung, der Glykolyse und einer Hydrolyse intrazellulärer Phosphatester. Das freigesetzte Phosphat wird nach extrazellulär verschoben und führt zur Phosphaterhöhung. Bei mangelnder Phosphatzufuhr oder katabolem Stoffwechsel bleibt trotz renaler Ausscheidung von Phosphat die Konzentration von Phosphat im Plasma lange Zeit konstant, da intrazelluläres Phosphat kontinuierlich nachgeliefert wird. Zur Hypophosphatämie kommt es erst, wenn ein anaboler Stoffwechsel wieder hergestellt ist und Phosphat von extra- nach intrazellulär verschoben wird. Bei schwerer Mangelernährung können hohe Mengen infundierter Glucose durch Herbeiführung einer Hypophosphatämie zum Tode führen.

6.3.4.2 Homöostase von Phosphat

Phosphat ist in vielen Nahrungsprodukten vorhanden, z.B. Fleisch und Gemüse. Im Mittel werden mit der Nahrung täglich 1.000 mg Phosphat aufgenommen und davon etwa 70 % im Dünndarm absorbiert. Etwa 200 mg aus endogenen Quellen werden täglich in den Darm sezerniert und weitgehend wieder absorbiert.

Die Gewebe eines 70 kg schweren Mannes enthalten etwa 0,7 kg Phosphat, davon sind 85 % im Skelett, etwa 15 % in den weichen Geweben und 0,3 % im Extrazellulärraum. Das Skelett ist der Phosphatspeicher des Organismus und die Nieren sind der Regulator der Homöostase von Phosphat. Bei einem Phosphat im Plasma von 3,4 mg/dl (1,1 mmol/l) und einer GFR von 180 Liter/24 h werden 6,3 kg Phosphat filtriert. Etwa 80 % der filtrierten Menge werden proximal tubulär reabsorbiert und 10 % distal. Die Kapazität der Nieren, Phosphat zu reabsorbieren, wird durch das tubuläre Maximum (Tm) pro ml GFR (Tm/GFR) bestimmt. Die Nieren regulieren die Ausscheidung von Phosphat in Abhängigkeit von der Aufnahme. Mangelnde intestinale Phosphataufnahme wird durch eine Erhöhung des TmP/GFR beantwortet, die verstärkte intestinale Phosphataufnahme durch einen Abfall.

Bei chronischer Niereninsuffizienz laufen hämodynamische und morphologische Veränderungen ab, um die Homöostase von Phosphat aufrecht zu erhalten /25/. Diese umfassen die Hypertrophie von Segmenten des Nephrons und das tubuläre Phosphat-Handling. Das TmP/GFR der verbleibenden Nephrone wird erhöht, dadurch kann die Konzentration von Phosphat im Plasma lange normal gehalten werden.

6.3.4.3 Renales und intestinales Handling von Phosphat

Die Homöstase von Phosphat und damit die Konzentration im Serum wird durch Mechanismen aufrecht erhalten, die die intestinale Absorption von Phosphat regeln. Ist die Konzentration von Phosphat im Plasma durch vermehrte Aufnahme mit der Nahrung oder die Verminderung der GFR erhöht nimmt die enterale Phosphatresorption ab. Die Regulation erfolgt in dieser Situation über den Anstieg von FGF23, der die Reabsorption von Phosphat in den Nieren vermindert und eine Phosphaturie bewirkt. Den gleichen Effekt hat PTH.

Etwa 60–80 % des Phosphats werden im Dünndarm absorbiert und die Nettoausscheidung erfolgt durch glomeruläre Filtration minus der tubulären Reabsorption. Die intestinale Absorption und die renale Reabsorption erfolgen durch Na⁺abhängige Kotransporter (Abb. 6.3-3 – Renale Reabsorption von Phosphat).

In der Bürstensaummembran der Nierentubuli sind das NPT2a und NPT2c, im Dünndarm überwiegend NPT2b. NTP2a transportiert 3 Na⁺ mit einem Phosphation und NTP2c nur 2 Na⁺ mit einem Phosphation. Die Expression von NPT2a und NPT2c in der Bürstensaummembran der Nieren wird durch einen Anstieg von Phosphat, FGF23 und PTH rasch herunterreguliert, NPT2c in der Bürstensaummembran des Dünndarms aber erst nach mehreren Tagen /7/. Eine Inaktivität der Gene der renalen Kotransporter induziert eine Hypophosphatämie durch verstärkte Ausscheidung von Phosphat. Die Folgen sind eine Demineralisierung des Knochens und Nierensteine.

6.3.4.4 Phosphat im Serum

Die Konzentration von Phosphor im Serum ist etwa 4 mmol/l, davon liegen 70 % in organischer Form, vorwiegend als Phospholipide vor. Der Rest ist anorganisches Phosphat, davon sind 70 % in freier, 15 % in Protein-gebundener Form und 5 % in Magnesium- oder Calcium gebundener Form vorhanden.

Die Phosphatkonzentration im Serum wird reguliert von der intestinalen Phosphatabsorption, der Behandlung von Phophat in der Niere und dem Gleichgewicht zwischen extrazellulärem Phosphat und dem Phosphatgehalt des Knochens und dem intrazellulären Kompartiment. PTH, 1,25(OH)₂D₃ und FGF23 regulieren das Serumphosphat über die intestinale Absorption, die renale Reabsorption und die Resorption aus dem Knochen /43/.

6.3.4.5 PTH

PTH bindet an den PTH-Rezeptor-1 der proximalen Tubuluszellen, stimuliert die Synthese von cyclischem AMP und Phospholipase C und reduziert die renale Absorption von Phosphat durch Verhinderung der Expression von NPT2a (Abb. 6.3-3 – Renale Reabsorption von Phosphat).

PTH erhöht zwar ebenfalls die renale Ausscheidung von Phosphat , ob aber PTH direkt wirkt ist unbekannt, da Änderungen der Konzentration von Phosphat immer auch mit einer Änderung des Ca²⁺ einhergehen. Es wird angenommen, dass PTH keine direkte phosphaturische Wirkung hat /7/.

6.3.4.6 Fibroblast growth factor 23 (FGF23)

FGF23 ist ein aus 251 Aminosäuren bestehendes Protein, das bei Erwachsenen von Osteozyten und in der Entwicklungsphase des Organismus auch von anderen Geweben gebildet wird. FGF23 entfaltet seine Wirkung über FGF-Rezeptoren (FGFRs), die an das transmembrane Protein Klotho gebunden sind (siehe Abb. 6.3-3). Klotho ist ein Korezeptor, der die Empfindlichkeit der FGFRs für FGF23 erhöht. Fehlt Klotho, so ist die Konzentration von FGF23 im Plasma zwar hoch, aber ineffektiv die Konzentration von PTH im Serum zu kontrollieren.

FGF23 induziert eine Phosphaturie durch Verminderung der renal tubulären Phosphatrückresorption, auch wird die renale 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase, die 25(OH)D₃ in 1,25(OH)₂D₃ umwandelt, gehemmt. Die erhöhte Konzentration von FGF23 bewirkt eine deutliche Hypophophosphatämie, den renalen Phosphatverlust und ein inadäquat niedriges 1,25(OH)2D in Relation zur Hypo­phosphat­ämie /26/. FGF23 im Serum nimmt beim Abfall der GFR zu und korreliert mit der Konzentration von Phosphat im Serum und der fraktionellen Ausscheidung von Phosphat im Urin. Der frühe Anstieg von FGF23 bei chronischer Niereninsuffizienz verhindert eine Hyperphosphatämie durch die vermehrte renale Ausscheidung und eine verminderte intestinale Absorption von Phosphat. Durch Hemmung der 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase und den damit verbundenen Abfall von 1,25(OH)₂D₃ kann eine erhöhte Konzentration von FGF23 auch einen sekundären Hyperparathyreoidismus (sHPT) verursachen. Die Beziehungen zwischen Ca, Phosphat, PTH, FGF23 und 1,25(OH)₂D₃ sind aufgezeigt in Abb. 6.3-4 – Beziehung zwischen Calcium, Phosphat, Parathormon, Fibroblast growth factor 23 und 1,25(OH)₂D.

Dialysepatienten haben deutlich erhöhte Werte von FGF23 und ihre Höhe gibt den Hinweis auf die Entwicklung eines refraktären sHPT. Die Restriktion von Phosphat führt zu einem Abfall von FGF23, einer verminderten renalen Phosphatreabsorption und durch den Anstieg von 1,25(OH)₂D₃ zu einer verstärkten intestinalen Phosphatabsorption /27/.

Etwa 90 % der Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz des Stadiums 3 und 4 haben ein erhöhtes von FGF23 ohne Hyperphosphatämie und eine Studie über 53 Monate hat gezeigt, dass die Patienten mit höheren FGF23 im Vergleich zu denjenigen mit niedrigeren ein stärkere Progredienz der chronischen Niereninsuffizienz haben /28/. Auch sind erhöhte Werte von FGF23 zu Dialysebeginn mit einer höheren Mortalität im ersten Dialysejahr assoziiert. Nach einer Studie /29/ hatten Patienten in der höchsten von 4 Quartilen ein 6 fach höheres Mortalitätsrisiko als diejenigen in der ersten Quartile der FGF23-Werte.

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6.4 Parathormon (PTH)

Lothar Thomas

6.4.1 Einleitung

PTH funktioniert als Lenker an der Schnittstelle zwischen Knochen, Calcium- und Vitamin D-Stoffwechsel. PTH reguliert die normale Homöostase von Knochen und der Mineralien. Eine zentrale Rolle spielt PTH in der Pathogenese von Knochenerkrankungen, beim primären und sekundären Hyperparathyreoidismus und besonders bei der fortgeschrittenen Niereninsuffizienz /1/.

PTH 1–84 ist ein einkettiges bioaktives Peptidhormon, das von den Nebenschilddrüsen in die Zirkulation sezerniert wird. Seine biologische Wirkung erzielt es vermittels der ersten 34 Aminosäuren, die mit dem PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 reagieren/2/.

PTH steigert die Ca²⁺-Konzentration im Plasma durch:

• Freisetzung von Ca²⁺ aus den Knochen.
• Steigerung der renal tubulären Ca²⁺-Absorption.
• Stimulierung der Synthese von 1,25(OH)₂D₃ (Calcitriol) in den proximalen Tubuli der Nieren, wodurch die Absorption von Ca²⁺ im Dünndarm gesteigert und gleichzeitig über eine Rückkopplung die Sekretion von PTH reduziert wird.
• Seine phosphaturische Wirkung. Pth hemmt die Aktivität der Na⁺/Phosphat Cotransporter in den proximalen Tubuli der Nieren.

Neben dem biologisch aktiven Hormon zirkulieren im Plasma noch Fragmente des PTH mit carboxyterminalen Anteilen (C-Fragmente) und aminoterminalen Anteilen (N-terminale PTH-Formen). Die C-terminalen Fragmente werden über die Nieren ausgeschieden und haben eine 5–10 fach höhere Halbwertszeit als das bioaktive PTH. Als Konsequenz der verschiedenen Halbwertszeiten werden bei Personen mit normalem Calcium im Serum folgende Anteile an immunoreaktivem PTH gemessen:

• Zu 5–30 % PTH 1–84.
• Zu 70–95 % C-terminale Fragmente.
• Zu 4–8 % N-terminale PTH-Formen.

6.4.1.1 Zirkulierende immunoreaktive Formen von PTH

PTH 1–84

PTH 1–84 ist das bioaktive, von den Nebenschilddrüsen sezernierte Produkt und erhöht die Ca²⁺-Konzentration im Blut.

Die zirkulierende Form aus 84 Aminosäuren wird differenziert /2/ (Abb. 6.4-1 – Parathormon 1–84):

• In einen aminoterminalen Anteil (N-Terminus) bestehend aus 34 Aminosäuren. Er bindet an den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 und aktiviert die Gs-Protein vermittelte Signalübertragung in die Zielorgane. Siehe Abb. 6.2-4 – Gs-Protein-vermittelte Signalübertragung des Parathormon-sensitiven Rezeptors oder des Calcium-sensitiven Rezeptors). Wichtig für die Bindung an den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 sind die ersten 6 Aminosäuren des N-Terminus. Die meisten Immunoassays zur Bestimmung von PTH 1–84 (intakte PTH Assays) haben ihr wesentliches Epitop in der Region 13–34 der Struktur 1–34 des PTH. Frühere Epitope wie 12–18 und 13–24 werden häufiger in Immunoassays angewendet als distaler gelegene wie 26–32 /2/.
• In einen carboxyterminalen Anteil aus 50 Aminosäuren, der keinen direkten Einfluss auf den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 hat.

PTH Fragmente

C-Fragmente des PTH: Diesen Fragmenten fehlt ein kleineres oder größeres Stück des N-Terminus. Sie machen beim Gesunden einen Anteil von etwa 80 % aus und bei chronischer Niereninsuffizienz (Chronic kidney disease, CKD) bis zu 95 %. C-Fragmente des PTH in der Zirkulation werden von der Konzentration des Ca²⁺ reguliert. Die Regulation findet aber innerhalb des Referenzbereichs von Ca²⁺ statt. Hypokalziämie begünstigt die Sekretion von PTH (1–84) stärker als die Bildung von C-Fragmente des PTH. Große C-Fragmente des PTH mit teilweise erhaltenem N-Terminus werden von den Nebenschilddrüsen beim primären und sekundären Hyperparathyreoidismus sezerniert.

N-Fragmente des PTH: Solche Fragmente werden nicht durch peripheren Metabolismus von PTH (1–84) gebildet, sondern von den Nebenschilddrüsen sezerniert und machen 4–8 % des immunoreaktiven PTH aus. Im Endstadium der CKD kann ihr Anteil bis zu 15 % betragen. Auch werden sie verstärkt beim primären Hyperparathyreoidismus und dem Adenom der Nebenschilddrüsen gebildet.

Non-(1–84) PTH Fragmente

Die Non-(1–84) PTH Fragmente oder auch als aminoterminal (N)-verstümmelten PTH Fragmente bezeichnet, sind große zirkulierende C-Fragmente mit einer teilweise erhaltenen (N)-Struktur. Das längste Fragment beginnt in Position 4, das Kürzeste in Position 15. Ein Peptid, das in Position 7 beginnt ist die wesentliche Komponente des Non-(1–84) PTH Fragments. Dieses Fragment unterscheidet sich von den zirkulierenden C-Fragmente des PTH aufgrund seines Vermögens mit der 13–34 Struktur von intakten PTH assays zu reagieren /3/. Der Anteil der Non-(1–84) PTH Fragmente an den C-Fragmenten des PTH beträgt etwa 10 % und bei Gesunden etwa 20 % des PTH, das mit intakten PTH Assays gemessen wird. Bei der chronischen Nierenerkrankung kann der Anteil der Non-(1–84) PTH Fragmente bis zu 45 % betragen.

Ein wichtiges Non-PTH Fragment ist PTH 7–84. Es bindet nicht an den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1, ist biologisch inaktiv und hat keine kalziämische Wirkung. PTH 7–84 bindet aber an Rezeptoren, die mit dem C-terminalen Teil von PTH reagieren (C-PTH-Rezeptoren). Diese Rezeptoren sind auch auf osteolytischen Zellen gelegen. PTH 7–84 hemmt die Knochenresorption, die durch Osteoklasten aktivierende Substanzen wie 1,25(OH)₂D₃, Prostaglandin E2 und IL-11 ausgelöst wird. Auch soll PTH 7–84 hypokalziämische Eigenschaften haben und den kalziämischen Wirkungen von PTH 1–84 entgegen wirken. Insgesamt scheint PTH 7–84 dem PTH 1–84 konträre Effekte zu haben.

Eine wichtige Voraussetzung zur Bewertung erhöhter Konzentrationen von Parathormon ist die Kenntnis der Klassifikation des Hyperparathyreoidismus:

• Primärer Hyperparathyreoidismus; es liegt eine Überfunktion der Nebenschilddrüsen aufgrund einer Hyperplasie, eines Adenoms oder Karzinoms vor.
• Sekundärer Hyperparathyreoidismus; er beruht auf einer physiologische Stimulation der Nebenschilddrüsen, z.B. bei einem Mangel von Vitamin D.
• Tertiärer Hyperparathyreoidismus; es handelt sich um eine längerdauernde, persistierende Störung, beispielsweise bei der chronischen Nierenerkrankung (CKD).

6.4.2 Zirkulierende immunreaktive PTH-Formen

• Unterscheidung zwischen Hyperparathyreoidismus bedingten und anderen Formen der Hyperkalziämie.
• Beurteilung des Knochenstoffwechsels und therapeutisches Monitoring bei Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz.
• Bei Vitamin D-Mangel.
• Bei Malabsorptions Syndrom zum Erhalt weiterer diagnostischer Informationen.
• Intraoperativ, zur Überprüfung einer Adenomentfernung bei Hyperparathyreoidismus oder bei der Chirurgie einer großer Struma.

6.4.3 Bestimmungsmethode

Es gibt 3 Generationen von PTH Immunoassays, die unterschiedliche zirkulierende Formen des PTH messen /4/. Aus globaler Perspektive werden die Bestimmungen von PTH zur Zeit vorwiegend mit Zweitgenerations Immunoassays durchgeführt.

Erst-Generationsassays

Diese Assays sind Radioimmunoassays die polyklonale Antikörper gegen C-PTH anwenden, vorwiegend gegen 53–84 PTH oder 44–68 midregional. Diese Assays messen neben PTH 1–84 vorwiegend PTH-Fragmente. Letztere binden nicht an den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 und entfalten keine kalziämische Wirkung. Bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung ist PTH, gemessen mit Erst-Generationsassays, immer erhöht. Erst-Generationsassays sind nicht mehr im Handel.

Zweit-Generationsassays (intakte PTH-Assays)

Es handelt sich um immunometrische Assays, die zwei Antikörper anwenden /4/. Der Capture Antikörper ist gegen den C-terminalen Teil des PTH-Moleküls (Epitope 39–84) gerichtet und der Detektionsantikörper gegen die aminoterminale N-Struktur (Epitope 13–34). Der Detektionsantikörper erfasst nicht nur PTH 1–34 und 2–34, sondern auch Moleküle mit verstümmeltem N-Terminus wie PTH 7–84. Diese Assays sind unempfindlich zur Erkennung midregionaler C-Fragmente des PTH wie 53–84 und 44–68, die von den Erst-Generations-Assays erkannt werden. Insgesamt detektieren Zweit-Generationsassays intaktes PTH, C-Fragmente des PTH, Non-(1–84) PTH Fragmente und PTH 7–84.

Die Zweit-Generationsassays werden global als intakte PTH Assays (iPTH) bezeichnet, da man glaubte, dass sie nur die volle Länge von PTH (1–84) messen.

Dritt-Generationsassays (Bioaktive PTH 1–84-Assays)

Es handelt sich um immunometrische Assays, auch als bioaktive PTH-Assays bezeichnet, die zwei Antikörper einsetzen. Sie verwenden einen Capture Antikörper wie die Zweit-Generationsassays während der markierte Detektionsantikörper gegen Epitope der Aminosäuren 1–4 des N-Terminus gerichtet ist. Diese Assays kreuzreagieren nicht mit PTH 7–84 und anderen aminoterminal verstümmelten Fragmenten des PTH . Sie messen in Proben von Gesunden etwa die Hälfte der Werte wie intakte PTH-Assays, aber das Gleiche wie intakte PTH-Assays, wenn nur PTH (1–84) in der Probe ist /5/.

Wird eine Patientenprobe mit dem Zweit- und dem Dritt-Generationsassay gemessen, ermöglicht die Ratio der Resultate aus bioaktivem PTH assay/intaktem PTH-Assay den Anteil aminoterminal verstümmelter PTH-Fragmente wie PTH 7–84 abzuschätzen. Diese spielen eine wichtige Rolle bei Patienten mit CKD.

Die KDIGO Guidelines erkennen einen potentiellen Vorteil der Dritt-Generationsassays bei Patienten mit CKD an, empfehlen aber bei diesen Patienten, bis ausführliche Ergebnisse vorliegen, weiterhin die Zweit-Generationsassays.

6.4.4 Untersuchungsmaterial

Serum, Plasma, morgens nüchtern: 1 ml

Bei Dialysepatienten soll die Blutentnahme vor der Dialyse erfolgen.

6.4.5 Referenzbereich

Siehe Tab. 6.4-1 – Referenzbereiche von PTH.

6.4.6 Bewertung

In der Regel messen die Laboratorien das PTH mit Assays der zweiten Generation und geben das Resultat als intaktes PTH (iPTH) an, wohl wissend, dass nicht nur PTH 1–84 gemessen wird. Im Folgendem wird die Abkürzung PTH für intaktes PTH verwendet, das den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 auf den Zielorganen stimuliert.

Die Sekretion von PTH wird durch die Konzentration von Ca²⁺ im Plasma reguliert:

• Bei Hypokalziämie erfolgt die Normalisierung von Ca²⁺ durch Stimulation von PTH 1–84 über den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 der Nebenschilddrüsen.
• Bei Normokalziämie geschieht die Regulation des Ca²⁺ auch über die Sekretion von C-PTH-Fragmenten.
• Bei Hyperkalziämie erfolgt eine Suppression von PTH 1–84 und die Ratio C-PTH-Fragmente/PTH 1–84 hat einen hohen Wert, da besonders durch Abspaltung der ersten N-terminalen Aminosäuren PTH-Fragmente wie PTH 7–84 sezerniert werden.
• C-PTH-Fragmente mit oder ohne partiell erhaltenem N-Terminus reagieren nicht mit dem PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 und beeinflussen somit nicht die Signalübermittlung von cAMP oder die intrazellulären Antworten von Ca²⁺ auf PTH 1–84. Wird mehr PTH angefordert auf Grund einer Hypokalziämie wie das beim sekundären Hyperparathyreoidismus (sHPT), bedingt durch eine CKD, einen Vitamin D-Mangel oder der teilweisen Entfernung der Nebenschilddrüsen der Fall ist, wird mehr PTH 1–84 sezerniert und die Ratio C-PTH-Fragmente/PTH (1–84) nimmt ab. Das umgekehrte ist der Fall bei Tumorhyperkalziämie und unter Vitamin D-Therapie.

Siehe auch:

• Abb. 6.4-2 – Relation von Parathormon zum Serumcalcium bei verschiedenen Erkrankungen und Zuständen
• Tab. 6.4-2 – Erkrankungen und Zustände mit Hyper- und Hypoparathyreoidismus
• Tab. 6.4-3 – Calcium, Phosphat und iPTH im Serum bei Hyperparathyreoidismus.

6.4.6.1 PTH und chronische Niereninsuffizienz

Fragmente von PTH werden, abhängig vom verwendeten iPTH Assay, im unterschiedlichen Ausmaß miterfasst und täuschen, wie z.B. PTH 7–84 eine erhöhte Konzentration von iPTH vor. Fragmente von PTH werden beim primären und sekundären Hyperparathyreoidismus in großen Mengen gebildet /6, 7/. Das spielt besonders eine Rolle im Endstadium der CKD, bei dem die Konzentration von iPTH als ein Surrogatmarker der renalen Knochenerkrankung eingesetzt wird. Bedingt durch Kreuzreaktionen der iPTH Assays mit PTH-Fragmenten wird ein falsches Bild über den Knochenmineralstatus vermittelt /8/.

6.4.6.2 PTH und Hyperkalziämie

Die Hyperkalziämie ist eine der häufigsten Indikationen zur Bestimmung von iPTH. Der iPTH Wert ermöglicht die Abgrenzung des pHPT von anderen Ursachen der Hyperkalziämie wie der Tumorhyperkalziämie, der Vitamin D-Intoxikation, der Sarkoidose und der familiären hypokalziurischen Hyperkalziämie. Während iPTH beim pHPT in 95 % der Fälle erhöht ist und bei den restlichen Patienten am oberen Referenzbereich liegt, ist iPTH bei den übrigen Hyperkalziämien niedrig-normal oder normal.

6.4.6.3 PTH und Normokalziämie

Gewöhnlich ist die Bestimmung von iPTH bei Patienten mit normale Konzentration an Ca2+ nicht erforderlich. Bei älteren Patienten mit Knochenbeschwerden und normalen Werten von Gesamt-Ca oder Ca2+soll ein leicht erhöhtes iPTH das frühe Zeichen eines pHPT sein oder aus einem sHPT resultieren auf Grund von Vitamin D-Mangel oder CKD.

6.4.6.4 PTH und Hypokalziämie

Hypokalziämie ist mit dem Hyperparathyreoidismus und dem Pseudohypoparathyreoidismus assoziiert. In beiden Fällen ist PTH erhöht und Gesamt-Ca oder Ca2+erniedrigt.

Siehe Tab. 6.4-2 – Erkrankungen und Zustände mit Hyper- und Hypoparathyreoidismus.

6.4.7 Hinweise und Störungen

Blutentnahme

Es besteht eine leichte Pulsatilität des iPTH und eine zirkadiane Rhythmik, mit höheren Werten am Abend. Die Blutentnahme soll morgens bis 10 Uhr erfolgen.

Bestimmungsmethode

Bei Bestimmung von intaktem Parathormon (iPTH) wurden folgende Variationen ermittelt /29/: analytische Variation 3,8 %, intraindividuelle Variation 21,1 %, interindividuelle Variation 24,9 %. Die Werte wurden bei gesunden Personen ermittelt, die Blutentnahmen erfolgten morgens im Zeitraum von 9–10 Uhr.

Referenzbereich

Die Tests unterschiedlicher Hersteller liefern für iPTH keine vergleichbaren Werte. So ist die Differenz für iPTH abhängig vom Hersteller des Kits bis zu 3,4-fach in der einzelnen Probe /28/. Da aber bei Patienten mit CKD, nach den KDIGO Guidelines bei einer iPTH-Konzentration unterhalb des 2-fachen des oberen Referenzbereichswerts eine adynamische Knochenerkrankung besteht, die eine Behandlung mit aktiven Vitamin D-Analogen untersagt, ist es wichtig iPTH immer mit dem gleichen Assay zu messen.

Stabilität

Intaktes PTH ist instabil und beginnt schon nach 2–4 min. bei Raumtemperatur abzunehmen /29/. Deshalb muss die Probennahme rasch und kontrolliert erfolgen. Die Probennahme sollte in K₂-EDTA haltigen Probennahmeröhrchen erfolgen und nach Zentrifugation das Plasma bis zur Bestimmung tiefgefroren werden /30/. Abhängig vom verwendeten intakten PTH-Assay sind im EDTA-Plasma die Werte 10–30 % höher als im Serum, die Ursache ist unbekannt.

Pseudohyperphosphatämie

Ursachen einer Pseudohyperphosphatämie sind Hämolyse, Lipämie, mit Phosphat kontaminierte heparinisierte Kochsalzlösung und die Interferenz von phosphathaltiger Tobramycin/Alteplase Kathederverschlusslösung oder monoklonale Proteine /49/.

Störfaktoren

Die Kontamination der Probe mit Plasminogenaktivator (tPA, Alteplase), z.B. bei Dialysepatienten, führt zur Veminderung der Konzentration des iPTH von 2,5–33,5 % innerhalb von 24 h /31/.

6.4.8 Pathophysiologie

PTH, ein Peptid aus 84 Aminosäuren, wird als PTH 1–84 von den Nebenschilddrüsen sezerniert, es werden aber auch Fragmente wie PTH 7–84 freigesetzt. PTH 1–84 wird nach einer Präsenz von 2–4 min von der Leber aus der Zirkulation entfernt oder aber in der Zirkulation in Fragmente gespalten und wie die von den Nebenschilddrüsen sezernierten Fragmente durch glomeruläre Filtration entfernt. Zur Bindung des PTH an seinen Rezeptor sind nur die ersten 34 Aminosäuren erforderlich, biologisch aktiv sind nur die ersten 6 Aminosäuren des N-Terminus.

Die Ca²⁺-Konzentration im Blut wird von dem Ca-sensitiven Rezeptor der Nebenschilddrüsenzellen registriert. Die hohe Sensitivität dieser Zellen ermöglicht ihnen die zentrale Regulation des Ca²⁺-Haushalts. Wird eine Hypokalziämie gemessen, erfolgt die vermehrte Sekretion von PTH, die eine Verschiebung von Ca²⁺ in den Extrazellulärraum auf Grund folgender PTH vermittelter Aktionen bewirkt:

• Ca²⁺ und Phosphatfreisetzung aus dem Knochen.
• Induktion der renalen 1,25(OH)₂D₃-Synthese, dies führt zur verstärkten intestinalen Ca²⁺-Absorption.
• Erhöhung der renalen distal tubulären Ca²⁺-Reabsorption. Somit wird der Verlust von extrazellulären Ca²⁺ reduziert.
• Die Summe dieser Aktionen stellt die Normokalziämie wieder her und schließt den Regelkreis von Hypokalziämie und PTH-Sekretion (Abb. 6.4-3 – Regulation des extrazellulären Calciummetabolismus).

Die Wirkung von PTH wird über den Rezeptor PTH/PTHrP Typ 1 vermittelt /32/. Es handelt sich um ein 585–593 Aminosäuren großes Protein. Dieses bindet das aminoterminale Segment (1–34) von PTH und PTHrP. Die biologische Antwort des Rezeptors erfolgt über die Stimulierung spezifischer G-Proteine und wird über zwei verschiedene sekundäre Signalwege, das cyclische AMP und Ca²⁺ nach intrazellulär vermittelt. Siehe Abb. 6.2-4– Gs-Protein vermittelte Signaltransmission des PTH-Rezeptors.

Die durch cyclisches AMP vermittelten Wirkungen von PTH an den Nieren sind die Stimulierung der 25-(OH)D₃-1α-Hydroxylase und die Hemmung des Na⁺/Phosphat Kotransporters. Siehe auch Abb. 6.3-3 – Renale Reabsorption von Phosphat.

PTH wirkt bei der Resorption von Ca²⁺ am Skelettsystem nicht direkt auf reife Osteoklasten, sondern bindet an den osteoblastären Rezeptor von PTH/PTHrP. Die so aktivierten osteoblastären Zellen sezernieren Zytokine, die in einer parakrinen Weise prä-osteoklastäre Zellen für eine weitere Differenzierung zum aktiven, multinukleären Osteoklasten stimulieren. PTH fördert auch die Proliferation osteoblastärer Zellen und deren Typ I-Kollagen Produktion und hat somit neben der die Knochenresorption fördernden auch eine osteoanabole Wirkung.

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6.5 Parathormon-related Peptid (PTHrP)

Lothar Thomas

Das Parathormon-related Peptid (PTHrP) ist ein potenter Mediator der Karzinom induzierten Knochenerkrankung und trägt zu einem komplizierten Zyklus zwischen Knochen und Tumor bei, der zur Bildung und Progression von Knochenmetastasen und einer Hyperkalziämie führt. PTHrP teilt, vorwiegend in der N-terminalen Region, eine Homologie mit dem Parathormon (PTH) und vermittelt wie PTH seine Wirkung über den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1. Einige physiologische Funktionen von PTHrP sind mit denen von PTH vergleichbar. PTHrP wirkt als autokrines, parakrines und endokrines Hormon und kann die meisten Funktionen von PTH simulieren. Das betrifft die Regulation der Homöostase von Calcium und dessen Resorption aus dem Knochen, die distal tubuläre Reabsorption von Calcium und die Hemmung des proximal tubulären Transports von Phosphat /1/.

6.5.1 Indikation

• Bestätigung einer Tumorhyperkalziämie bei bekannten oder vermuteten Tumorleiden.
• Prognostischer Faktor für die Entwicklung von Knochenmetastasen beim Mamma-, Nieren und kleinzelligen Bronchialkarzinom.
• Verlaufskontrolle der Tumorhyperkalziämie zuvor genannter solider Tumoren und von hämatologischen Neoplasien unter Therapie.
• Nach der Bestimmung von PTH, wenn diese kein zur Klinik passendes Resultat zeigt und der Verdacht auf einen malignen Tumor besteht.

6.5.2 Bestimmungsmethode

Kompetitive Immunoassays

Radioimmunoassay oder ELISA unter Anwendung von Antikörpern, die gegen das aminoterminale (Aminosäuren 1–34) oder mitregionale (Aminosäuren 44–68 oder 53–84) Fragment von PTHrP gerichtet sind.

Immunometric assays (IRMA)

Ein two-site IRMA wendet anti-PTHrP (1–34) als Fänger-Antikörper and anti-PTHrP (37–67) as Signalantikörper an. Der Test kreuzreagiert nicht mit PTHrP (1–84), PTHrP (18–34), PTHrP (9–34), PTHrP (1–34), and PTHrP (37–67) /2/.

LC-MS/MS Messung

Prinzip: PTHrP wird aus dem Plasma angereichert vermittels eines polyklonalen Kaninchenantikörpers, der an Magnetpartikel gebunden ist. Das durch Immunaffinität angereicherte PTHrP wird mit Trypsin behandelt und nachfolgend das PTHrP spezifische tryptische Peptid mittels der LC-MS quantitativ bestimmt /3/.

6.5.3 Untersuchungsmaterial

Heparin- oder EDTA-Plasma: 1 ml

6.5.4 Referenzbereich

Siehe Tab. 6.5-1 – Referenzbereiche von PTHrP.

6.5.5 Bewertung

Die Hyperkalziämie wird von Klinikern und Laboratorien als eine Konzentration über 10,2 mg/dl (2,55 mmol/l) definiert. In 80–90 % der Fälle sind der primäre Hyperparathyreoidismus (pHPT) oder maligne Tumoren die Ursache. Die Hyperkalziämie bei malignen Tumoren ist auch durch eine Hypophosphatämie charakterisiert, labordiagnostische Befunde, die auch für einen pHPT sprechen. Während beim pHPT das Gesamt-Calcium oft grenzwertig ist und meist unter 11 mg/dl (2,55 mmol/l) liegt, ist die Erhöhung bei der Tumorhyperkalziämie deutlich und beträgt nicht selten über 13 mg/dl (3,25 mmol/l) /7/.

Erhöhte Werte von PTHrP im Plasma korrelieren mit dem Verlust an Knochensubstanz und korrelieren direkt mit dem Ausmaß der Knochenresorption.

PTHrP wird von zahlreichen malignen Tumoren gebildet und spielt eine wichtige Rolle in der Metastasierung. So bilden 60 % der primären Karzinome der Mama und 90 % der metastasierten Mammakarzinome PTHrP. Typischerweise werden osteolytische Herde gebildet, die das Produkt einer erhöhten Aktivität der Osteoklasten sind. Die Tumorhyperkalziämie, auch als humorale Hyperkalziämie bei Malignität bezeichnet, beruht auf einer verstärkten Knochenresorption mit Freisetzung von Calcium und ist durch folgende drei Ursachen bedingt:

• Die Sekretion von PTHrP durch den Tumor.
• Osteolytische Metastasen maligner Tumoren vorwiegend von Mama, Blase, Lunge, Uterus und der Haut durch die lokale Freisetzung von Zytokinen.
• Die Sekretion von 1,25(OH)₂D₃ durch den Tumor.

Neben der Bestimmung von Calcium und Phosphat wird häufig intaktes PTH (iPTH) bestimmt und gelegentlich zusätzlich auch PTHrP.

Meist ist PTHrP nicht erforderlich und iPTH ausreichend, denn /8/:

• Beim pHPT sind Ca und iPTH erhöht.
• Bei der Tumorhyperkalziämie ist Ca erhöht und iPTH niedrig oder niedrig-normal.

Deshalb ist diagnostisch die Bestimmung von PTHrP nur erforderlich, wenn durch klinische Befunde sowie Ca und iPTH die Hyperkalziämie nicht ausreichend abklärbar ist. Siehe auch Tab. 6.5-2 – Erkrankungen und Zustände mit erhöhten PTHrP-Werten.

6.5.6 Hinweise und Störungen

Bestimmungsmethode

Die mit den einzelnen Assays erhaltenen PTHrP-Werte sind nicht miteinander vergleichbar, da sie unterschiedliche Fragmente messen. Tests, die mitregionale Fragmente bestimmen, haben etwa 10-fach höhere Werte als die mit aminoterminalen Assays gemessenen Werte. Mit den immunometrischen Assays werden größere, den amino- und mitregionalen Abschnitt umfassende Fragmente erfasst. Zur Kalibration der Tests werden PTHrP 1–74, 1–84 oder 1–86 verwendet /2/.

Referenzbereich

Nur bei 50 % der Normalpersonen wird PTHrP nachgewiesen (Nachweisgrenze < 0,2 pmol/l) /2/.

Einflussgröße

Renal ausgeschieden werden carboxyterminale und im geringen Anteil mitregionale Fragmente von PTHrP. Im Stadium 4 und 5 der Niereninsuffizienz kommt es zu deren Anstieg im Plasma.

Stabilität

Da PTHrP im Vollblut schneller als im Plasma abgebaut wird, muss die Probe sofort zentrifugiert und das Plasma anschließend gemessen oder tiefgefroren werden /2, 3/.

6.5.7 Pathophysiologie

Das PTHrP besitzt eine Leitsequenz von 36 Aminosäuren zum Geleit durch das Zytoplasma. Nach deren Entfernung verbleibt das proPTHrP, das nun das Objekt weiterer posttranslationaler Modifikation und proteolytischen Spaltungden ist. Es existieren drei Isoformen mit 139, 141 und 173 Aminosäuren (Abb. 6.5-1 – PTHrP-Protein). Einige physiologische Funktionen von PTHrP sind mit denen von PTH vergleichbar, denn beide Hormone binden an und aktivieren den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1. Während PTH nur von den Nebenschilddrüsen gebildet wird, erfolgt die Synthese von PTHrP ubiquitär von vielen Geweben wie Herz, Haut, Knochenmark Leber, Darmschleimhaut und Mama.

PTHrP und PTH sind Produkte von zwei verschiedenen Genen, aber imstande die gleichen Aktionen am PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 durchzuführen. Das beruht auf ähnlichen primären und sekundären Strukturen, die für die Bindung beider Peptide an den Rezeptor notwendig sind. Von den ersten 13 Aminosäuren der amino terminalen N-Struktur sind 8 identisch. Obwohl die Primärstruktur beider Liganden zwischen den Aminosäuren 18 und 34 nicht identisch ist, haben sie eine vergleichbare Sekundärstruktur, die eine Bindung an den Rezeptor ermöglicht. In Bezug auf den Haushalt von Calcium stimuliert PTHrP nicht im gleichen Ausmaß wie PTH die enterale Absorption von Vitamin D und seine Wirkung am Knochen ist ebenfalls geringer. Seine physiologische endokrine Wirkung in der Regulation von Calcium beruht in einer Steigerung der distal renal tubulären Absorption und des plazentaren Transports von Calcium /10/.

Neben der zuvor geschilderten endokrinen Wirkung hat PTHrP auch parakrin/autokrine und intrakrine Effekte. Die lokal autokrin/parakrine Wirkung von PTHrP besteht darin, dass es wie ein epithelialer Faktor Signale über die PTH/PTHrP-Rezeptoren vermittelt, das Wachstum der Brustdrüsen beeinflusst oder über die glatte Muskulatur den Gefäßtonus reguliert. Auch die glatte Muskulatur des Uterus und die β-Zellen des Pankreas sezernieren und reagieren auf PTHrP.

PTHrP bewirkt über den PTH/PTHrP-Rezeptor Typ 1 eine koordinierte Differenzierung der Chondrozyten und ein ordnungsgemäßes Wachstum der Röhrenknochen. Primär gebildet von unreifen Chondrozyten und induziert durch das von hypertrophen Chondrozyten gebildete Protein Indian hedgehog aktiviert PTHrP den PTH/PTHrP-Rezeptor der prähypertrophen Zellen ihre Proliferation aufrecht zu erhalten und die Rate der Differenzierung zu reduzieren. Auf diese Weise wirkt PTHrP als eine negative Rückkopplung in der Differenzierung von Knorpelzellen.

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6.6 Vitamin D

Lothar Thomas

Die Mineralisation des Knochens ist von der adäquaten Aufnahme von Calcium und Phosphat abhängig. Das Parathormon justiert im Blut die Konzentration von Ca²⁺ und ist wichtig für den Umbau (remodeling) des Knochens. Vitamin D spielt eine wesentliche Rolle im Metabolismus von Ca²⁺ und Phosphat und im Erhalt der Knochensubstanz. Jedoch ist die Wirkung nicht nur darauf beschränkt, denn Vitamin D ist auch wesentlich für andere Funktionen, was sich in der Präsenz von Rezeptoren des Vitamins D in weiteren Organen und Geweben dokumentiert. Auch ist die 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase, ein Enzym das für die Umwandlung von 25(OH)D₃ (Calcidiol) in die biologisch aktive Form 1,25(OH)₂D₃ (Calcitriol) verantwortlich ist, nicht nur in der Niere, sondern auch in anderen Geweben vorhanden. Die Bildung von Calcitriol ist wahrscheinlich via parakriner und autokriner Mechanismen wichtig für das Wachstum und die Differenzierung von Zellen. Die Wirkung von Calcitriol erfolgt über den Vitamin D-Rezeptor des Zellkerns, der die Transkription von Genen der Vitamin D abhängigen Zellen reguliert und in den Metabolismus von Calcium und die Zelldifferenzierung involviert ist /1, 2/. Die Nomenklatur der Vorläufer und Metaboliten von Vitamin D zeigt Tab. 6.6-1 – Nomenklatur von Vitamin D Vorläufern und Metaboliten.

Vitamin D liegt in zwei Vorläufern vor, und zwar als Cholecalciferol, das bei Sonnenlichtexposition in der Haut gebildet wird, sowie als Ergocalciferol, das aus der Nahrung zugeführt wird. Beide Vorläufer werden, gebunden an Vitamin-bindendes Protein zur Leber transportiert, um dort zu 25(OH)D₃ (aus Cholecalciferol) und 25(OH)D₂ (aus Ergocalciferol) hydroxiliert zu werden. In Deutschland wird vorwiegend 25(OH)D₃ konsumiert und bestimmt. In den USA wird 25(OH)D₂ konsumiert und totales 25(OH)D bestimmt, eine Kombination von 25(OH)D₃ und 25(OH)D₂.

6.6.1 Indikation

25-Hydroxy-Vitamin D [25(OH)D₃]

Anamnestische und klinische Hinweise auf einen 25(OH)D₃-Mangel sind:

• Osteomalazie
• Chronische Niereninsuffizienz Stadium ≥ 2 bei Kindern und Stadium ≥ 3 bei Erwachsenen
• Hyperparathreoidismus
• Sonnenlichtmangel (alte Menschen)
• Verminderte intestinale Aufnahme von Vitamin D durch Fettmalabsorption
• Erhöhter Stoffwechsel von Vitamin D (Barbiturate oder Antiepileptika)
• Erhöhter Verlust von Vitamin D bindenden Protein (nephrotisches Syndrom, Dialyse)
• Hypokalziämie, Hypophosphatämie, Hyperparathyreoidismus, erhöhte alkalische Phosphatase
• Röntgenologische Zeichen (Pseudofrakturen, Looser-Umbauzonen, reduzierter Knochenmineralgehalt)
• Verdacht auf Überdosierung oder Intoxikation Vitamin D; erhöhte 25(OH)D₃-Konzentration.

1,25-Hydroxy-Vitamin D [1,25(OH)₂D₃]

Die Plasmakonzentration des aktiven Vitamin D reflektiert den Haushalt von Calcium und die Nierenfunktion.

Indikationen sind:

1. Chronische Niereninsuffizienz der Stadien ≥ 3 (nicht generell von der KDIGO empfohlen).

2. Abklärung von Hyperkalziämien:

• Sarkoidose, Tuberkulose, andere granulomatöse Erkrankungen.
• Therapiekontrolle nach Verordnung von 1α-Hydroxyvitamin D₃ oder von 1,25-Dihydroxy-Vitamin D₃.
• Verdacht auf Intoxikation mit Hyperkalziämie-erzeugenden Pflanzen, z.B. Solanum malacoxylon.
• Hyperkalziurie unklarer Genese.

3. Abklärung von Hypokalziämien:

• 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase-Mangel (Vitamin D-dependent rickets, VDDR), niedriges Calcitriol.
• Vitamin D-Rezeptordefekt (Resistenz gegenüber Calcitriol, VDRR, hohes Calcitriol).

6.6.2 Bestimmungsmethode

Eine methodische Übersicht ist gegeben in Lit. /3/.

6.6.2.1 25(OH)D₃ (Calcidiol)

Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) /4/

Prinzip: Die Probe wird nach Zugabe eines externen Standards einem Präparationsverfahren unterzogen. Nach Aufnahme des 25(OH)D₃ in eine flüssige Phase erfolgt die Bestimmung durch Kopplung der Trenntechnik der HPLC mit einen massenspektrometrischen Detektionsverfahren. Es können separat 25(OH)D₂ und 25(OH)D₃ bestimmt werden.

Sequentieller kompetitiver Immunoassay /5/

Prinzip: Kompetitiver Assay zur Bestimmung von 25(OH)D₃. In die Kuvette werden die Probe und ein Puffer zur Abtrennung des 25(OH)D₃ vom Bindungsprotein pipettiert. Nachfolgend wird ein Acridiniumester markierter anti-25(OH)D₃ monoklonaler Antikörper hinzugegeben. Ein 25(OH)D₃-Analog konjugiert mit Rinderserumalbumin und Fluoreszein und anti-Fluoreszein markierte paramagnetische Partikel werden hinzugegeben. Die Reaktionskuvette wird gewaschen und Säure- und Basen-haltige Reagenzien hinzugegeben zum Start der Chemilumineszenz-Reaktion. Es besteht eine inverse Beziehung zwischen der 25(OH)D₃-Konzentration der Probe und der gemessenen relativen Lichteinheiten.

Elektrochemolumineszenz-Immunoassay /6/

Prinzip: Kompetitiver Assay zur Bestimmung von 25(OH)D₃ basierend auf der Streptavidin-Biotin Technologie. Der Test wendet einen polyklonalen Antikörper vom Schaf gegen 25(OH)D₃ an, der mit Ruthenium markiert ist. Das Vitamin der Probe kompetiert mit dem biotinylierten 25(OH)D₃, das an Streptavidin beladene Mikropartikel gebunden ist.

6.6.2.2 1,25(OH)₂D₃ (Calcitriol)

Immunoassay /3, 7/.

Liquid chromatography gekoppelt an Tandem Massenspektrometrie (LC-MS/MS) /7/.

6.6.3 Untersuchungsmaterial

Serum oder Plasma: 1 ml

Blut morgens nüchtern entnehmen; Hyperlipoproteinämie (Trübung) stört. Die Blutentnahme sollte bei Dialysepatienten vor der Dialyse erfolgen.

6.6.4 Richtwerte

Richtwerte sind aufgeführt in Tab. 6.6-2 – Richtwerte für Calcidiol und Referenzbereiche für Calcitriol.

6.6.5 Bewertung

6.6.5.1 25(OH)D₃ und Vitamin D-Status

Abhängig von der geographischen Region haben 20–50 % der Bevölkerung einen Vitamin D-Mangel. Der 25(OH)D₃-Wert spiegelt die Zufuhr von Vitamin D mit der Nahrung und seine Bildung in der Haut wider. Die Bestimmung von 25(OH)D₃ ist deshalb der beste Parameter zur Beurteilung des Vitamin D-Status. Die Synthese des aktiven Hormons 1,25(OH)₂D₃ ist abhängig von der gespeicherten Menge an 25(OH)D₃ und multiplen Faktoren, die 25(OH)D₃ in 1,25(OH)₂D₃ umwandeln. Wesentlicher Faktor ist das Enzym 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase (CYP27B1), das 25(OH)D₃ in 1,25(OH)₂D₃ umwandelt und die Inaktivierung von 1,25(OH)₂D₃ durch die 24(OH)D₃-Hydroxylase (CYP24A1) zu 1,24,25(OH)D₃.

Die Beurteilung der Serumwerte von 25(OH)D₃ ist nicht frei von Problemen, denn Werte einer Referenzpopulation haben wenig Aussagekraft, da individuelle Werte abhängig sind von /11/:

• Ökologischen Faktoren (Jahreszeit, Wetterbedingungen, Ernährung, Sonnenbaden).
• Nicht änderbaren individuellen Faktoren (Ethnizität, Hautpigmentation, Alter) /12/. Betroffen von einem Mangel an Vitamin D sind besonders ältere Personen in nördlichen Breitengraden. Mit zunehmendem Alter gehen sie weniger außer Haus, tragen weniger offene Kleidung, die Nahrungsgewohnheiten werden anders, und es wird weniger fettreiche Nahrung aufgenommen. Durch eine zunehmende Atrophie der Haut wird die Umwandlung von Vitamin D Vorstufen in Vitamin D reduziert. Auch nimmt durch eine zunehmende Einschränkung der Nierenfunktion die Hydroxylierung von 25(OH)D₃ zu 1,25(OH)₂D₃ ab /13/.

Die 25(OH)D₃-Konzentration ist von der Jahreszeit abhängig. Die höchsten Werte werden 4–6 Wochen nach der stärksten Sonneneinstrahlung gemessen, die niedrigsten [< 20 μg/l (50 nmol/l)] zum Winterende; in Mitteleuropa von Januar bis April. Nach einer Studie /14/ haben 57 % der Männer und 58 % der Frauen in Deutschland 25(OH)D₃-Werte < 20 μg/l (50 nmol/l). Bei Personen im Alter von 65–79 Jahren beträgt die Prävalenz 75 %.

Ein erhöhter Bedarf an Vitamin D besteht bei chronischer Niereninsuffizienz, in der Schwangerschaft und Stillzeit. Eine ausreichende Vitamin D-Versorgung von Neugeborenen mit der Muttermilch erfolgt erst, wenn 25(OH)D₃ bei der stillenden Mutter > 30 μg/l (75 nmol/l) beträgt.

6.6.5.2 25(OH)D₃ und Kalziumhomöostase

25(OH)D₃-Werte < 20 μg/l (50 nmol/l) begünstigen den sekundären Hyperparathyreoidismus /15/. Deshalb wurde diese Konzentration generell als Grenzwert für Bewohner in Mitteleuropa festgelegt. Teilweise kommt es aber auch bei höheren 25(OH)D₃-Werten zu einem Anstieg von PTH innerhalb des Referenzbereichs. Personen mit optimaler Vitamin D-Versorgung haben PTH-Werte unter 45 ng/l (4,5 pmol/l), bei suboptimaler Versorgung mit Vitamin D liegt die Konzentration bei 45–65 ng/l (4,5–6,5 pmol/l) /16/.

Bei über 70-jährigen Personen wird ein sekundärer Hyperparathyreoidismus nur mit 25(OH)D₃-Werten über 40 μg/l (100 nmol/l) sicher verhindert /17/. Frauen nach der Menopause mit einem 25(OH)D₃ ≤ 25 μg/l (62,5 nmol/l) haben oft erhöhte Marker des Knochenabbaus /18/. Unterhalb 5–4 μg/l (12–10 nmol/l) geht der 25(OH)D₃-Mangel oft mit einer Osteomalacie einher. Zur Prävention gegen Osteoporose werden Werte von 25(OH)D₃ über 25 μg/l (62,5 pmol/l) angestrebt /18/.

Die Supplementierung von Vitamin D wird der Bevölkerung häufig empfohlen für die Gesundheit des Skelettsystems. In einer Studie /38/ in den USA untersuchten die Autoren, ob die tägliche Gabe von Vitamin D (2.000 IU täglich) im Vergleich zu Placebo bei Männern ≥ 50 Jahren und bei Frauen ≥ 55 Jahren das Risiko eines Knochenbruchs vermindert. Die Gabe von Vitamin D hatte keine Wirkung auf die Frakturrate im Vergleich zu Placebo.

6.6.5.3 Pleiotrope Effekte von Vitamin D

Vitamin D Rezeptoren sind in den meisten Geweben vorhanden /1/. Ein Mangel an 25(OH)D₃ kann deshalb nicht nur mit Störungen der Homöostase von Calcium und Erkrankungen des Skelettsystems assoziiert sein, sondern auch mit der Pathogenese chronischer Erkrankungen. So hat Vitamin D Wirkungen unter anderem auf das kardiovaskuläre System, das Immunsystem und die Glucosetoleranz, so dass ein 25(OH)D₃-Mangel mit dem erhöhten Risiko eines negativen Ausgangs bei diesen Erkrankungen einhergehen kann. Siehe:

• Tab. 6.6-3 – Zustände mit veränderter 25(OH)D₃- oder 1,25(OH)₂D₃ (Calcitriol)-Konzentration
• Tab. 6.6-4 – Befunde bei den verschiedenen Formen der Rachitis/Osteomalacie.

6.6.5.4 Laboruntersuchungen bei 25(OH)D₃-Mangel

Weiterführende Untersuchungen bei 25(OH)D₃-Mangel und akuten oder chronischen Beschwerden sind Ca²⁺, Phosphat, Creatinin, 1,25(OH)₂D₃ und PTH im Serum sowie die Ca-Ausscheidung im Urin. Befunde zur Differenzierung des 25(OH)D₃-Mangels von der Rachitis/Osteomalacie sind aufgezeigt in Tab. 6.6-4 – Befunde bei den verschiedenen Formen der Rachitis/Osteomalacie.

6.6.5.5 Monitoring der Vitamin D-Therapie

Die Behandlung des 25(OH)D₃-Mangels, insbesondere bei älteren Personen, dient dem Zweck das Risiko von Knochenfrakturen zu reduzieren und durch Verbesserung der neurologisch/psychologischen Funktion das Hinfallen zu vermeiden.

Folgende Laboruntersuchungen sind zu empfehlen /19/:

• Vor der Behandlung mit 1–2 Tausend IU Vitamin D täglich die Bestimmung von Totalem Calcium im Serum, denn die Hyperkalziämie ist eine Kontraindikation.
• Bestimmung 4–6 Wochen nach Therapiebeginn von 25(OH)D₃, um die Dosierung und die Compliance des Patienten zu überprüfen.

6.6.5.6 Zustände mit erhöhter Konzentration von 25(OH)D₃

Sie können auftreten bei:

• Vitamin D-Therapie (Vigantol®, Dekristol^® oder entsprechenden Vitamin D-enthaltenden Pharmaka, Lebertran) oder einer 25(OH)D₃-Therapie (Dedrogyl^®).

25(OH)D₃-Konzentrationen über 80 μg/l (200 nmol/l) werden nur gemessen bei:

• Hoher Vitamin D-Dosierung (> 10.000 IE täglich).
• Überdosierung von Vitamin D bei Patienten mit Hypoparathyreoidismus.
• Intoxikationen mit Dihydrotachysterol (A.T.10^®, Tachystin^®) Die Einnahme dieser Präparate wird durch die Messung von 25(OH)D₃ nicht erfasst.

6.6.5.7 1,25(OH)₂D₃ und Vitamin D-Status

1,25(OH)₂D₃ (Calcitriol) ist das aktive Vitamin D und erfüllt die Aufgaben eines klassischen Hormons /20/. Die Signalübermittlung erfolgt mittels spezifischer Rezeptoren in den Zellen des Dünndarms, des Knochens, der Niere und zahlreichen weiteren Organen. Außer genomisch vermittelten Wirkungen existieren auch schnelle, innerhalb von 2–6 min erfolgende, nicht genomische. Die Aufgabe von 1,25(OH)₂D₃ besteht darin, in Zusammenarbeit mit PTH und FGF23 die Ca-und Phosphat-Homöostase aufrecht zu erhalten. Daneben hat 1,25(OH)₂D₃ pleiotrope Effekte.

Da im Serum 95 % des 25(OH)D als 25(OH)D₃ zirkuliert, wird nur das 1,25(OH)₂D₃ bestimmt.

Die Konzentration von 1,25(OH)₂D₃ ist 500–1.000-fach geringer als die von 25(OH)D₃, aber die Affinität zum Vitamin D-Rezeptor um den gleichen Betrag höher.

Mit der Bestimmung von 1,25(OH)₂D₃ werden Störungen der Metabolisierung im Vitamin D-Stoffwechsel erfasst, denn die Konzentration spiegelt die Aktivität der 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase in der Niere wider. Auch kann die Compliance der Vitamin D Einnahme überprüft werden. Im Wachstum und der Schwangerschaft werden hohe Konzentrationen von 1,25(OH)₂D₃ gemessen. Hypophosphatämie, Hypokalziämie und PTH stimulieren die 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase. Daher erklärt sich eine vermehrte Bildung von 1,25(OH)₂D₃ und eine Hyperabsorption von Calcium aus dem Darm bei Zuständen mit Hypophosphatämie, z.B. bei einem Teil der Fälle von primärem Hyperparathyreoidismus oder der Therapie der Rachitis mit Vitamin D.

25(OH)D₃ sollte bei Verdacht auf einen Mangel an Vitamin D bestimmt werden, obwohl 1,25(OH)₂D₃ die aktive Form des Vitamins ist. Die Gründe sind /36/:

• Die Konzentration von 25(OH)D₃ korreliert mit der Aufnahme und der Aktivität von Vitamin D
• Die Halbwertszeit von 1,25(OH)₂D₃ ist mit 4 bis 6 Stunden deutlich kürzer als die von 25(OH)D₃, die 2–3 Wochen beträgt
• Die Kenntnis der Konzentration von 1,25(OH)₂D₃ kann nützlich sein zur Diagnose der genetischen Rachitis, der chronischen Niereninsuffizienz der nicht erklärbaren Hyperkalziämie und der Hyperkalziurie.

6.6.6 Hinweise und Störungen

Blutentnahme

Morgens nüchtern oder vor Dialyse.

Bestimmungsmethode

Wichtig ist die Bestimmung von total zirkulierenden 25(OH)D [25(OH)D₃ und 25(OH)D₂]. Das Labor muss entscheiden, ob es 25(OH)D₂ oder 25(OH)D₃ separat bestimmen will. Automatisierte Immunoassays zeigen nur eine mäßige Übereinstimmung mit der LC-MS/MS. Konzentrationen unter 8 μg/l (20 nmol/l) werden nicht sicher gemessen /4/.

Die Immunoassays zur Bestimmung von 1,25(OH)₂D₃ setzen nur Antikörper gegen 1,25(OH)₂D ein.

In Ländern wie den USA wird das totale Vitamin D anstatt Vitamin D₃ bestimmt. Experten /40/ empfehlen die 25(OH)D-Konzentration im Serum zu bestimmen bei Patienten die das Risiko eines Vitamin D-Mangels haben. Der Vitamin D-Mangel ist definiert als eine Konzentration des Vitamin D unterhalb 20 ng/mL (50 nmol/L) und die mangelnde Vitaminzufuhr als eine 25(OH)D-Konzentration von 21–29 ng/mL (52,5–72,5 nmol/L).

Einflussgröße

Nach Heparininjektion, z.B. unter der Dialysetherapie, erfolgt ein Anstieg von 25(OH)D₃. Die Blutentnahme sollte vor der Dialyse erfolgen.

Stabilität

Bei Raumtemperatur 72 h, Abnahme von 25(OH)D₃ um 2,3 %, wenn die Probe in Dunkeln gehalten wird. Bei Tageslicht und Raumtemperatur Abnahme um 3,4 % nach 24 h und 8,5 % nach 7 Tagen /21/.

6.6.7 Pathophysiologie

Bei der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht wird mit der Nahrung aufgenommenes 7-Hydroxycholesterol in der Haut mittels Photosynthese in Cholecalciferol umgewandelt, das dann in Vitamin D umgewandelt wird. Die Ausgangssubstanzen von Vitamin D₃, Cholecalciferol, und von Vitamin D₂, Ergocalciferol, sind lipophil und deshalb schwer im Serum zu bestimmen. Ihre Halbwertszeit im Plasma beträgt 24 h. Cholecalciferol wird endogen gebildet, Ergocalciferol mit pflanzlicher Nahrung und durch Verzehr von Fisch aufgenommen. Mit der Nahrung aufgenommenes Vitamin D₂ und Vitamin D₃ werden in Chylomikronen inkorporiert und vom lymphatischen System in das venöse Blut geleitet.

In der Zirkulation wird 25(OH)D₃, gebunden an ein Bindungsprotein zur Leber transportiert. Dort wird es von der 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase in 25(OH)D₃, der wesentlichen Form von Vitamin D im Blut, umgewandelt. Diese Form ist biologisch inaktiv und ist zu über 99 % an Proteine, insbesondere an Vitamin D-Bindungsprotein, gebunden. 25(OH)D₃ ist die wesentliche zirkulierende Form des Vitamin D und wird von den Klinikern zur Bestimmung des Vitamin D Status angefordert.

Mehr als 95 % des im Serum vorhandenen 25(OH)D ist 25(OH)D₃ (Calcidiol), während 25(OH)D₂ (Ercalcidiol) vorwiegend bei Personen mit Vitamin D₂-Substitution in größerer Konzentration gemessen wird. Die Konzentration von 25(OH)D₃ schwankt jahreszeitlich, da die Bildung von Cholecalciferol von der Sonnenlichteinwirkung auf die Haut abhängig ist. 25(OH)D₃ und 25(OH)D₂ unterscheiden sich leicht in ihrer Struktur, haben aber die gleiche biologische Wirkung. Zur Feststellung des Vitamin D-Status kann es erforderlich sein beide Formen zu messen.

Vitamin D (D₃ und D₂) aus der Nahrung und der Haut durchlaufen zwei sequentielle Hydroxylierungen: zuerst in der Leber zu 25(OH)D₃ und dann in den Nieren. Dort werden, katalysiert durch die 25(OH)D-1α-Hydroxylase, die biologisch aktiven Formen 1,25-Dihydroxyvitamin D₃ [1,25(OH)₂D₃] und 1,25 Dihydroxyvitamin D₂ [1,25(OH)₂D₂] gebildet. Die Halbwertszeit beider beträgt 4–6 h /2/. Siehe Abb. 6.6-1 – Bildung und Stoffwechsel von Vitamin D in drei Stufen /1/.

25(OH)D₃ ist biologisch inaktiv und wird von der 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase der Nieren in das aktive Hormon 1,25(OH)₂D₃ umgewandelt. Wichtige Regulatoren der Aktivität der 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase sind die Serumkonzentrationen von Ca, Phosphat und PTH. Die Hormone 1,25(OH)₂D₃, PTH und FGF23 regulieren verschiedene Feedback-Mechanismen des Calcium- und Phosphathaushalts. Die Funktionen dieser Feedbacks sind die enterale Absorption und das renale Handling von Ca²⁺ und Phosphat. Auch wird die Mineralisation des Knochens moduliert.

Die Funktionen von 1,25(OH)₂D₃ sind /1/:

• Erhöhung der intestinalen Absorption von Calcium und Phosphat. 1,25(OH)₂D₃ bindet an den Vitamin D-Rezeptor (VDR). Er befindet sich im Zytoplasma und gehört zu den Kernrezeptoren der Steroidhormone /22/. Nach Bindung eines Liganden heterodimerisiert VDR mit dem Retinoid-X-Rezeptor (RXR) zu dem Komplex (RXR-VDR), der, nach dem er in den Zellkern gelangt ist, an Vitamin D-Responsive Elements (VDRE) bindet. Letztere sind in der Promoterregion bestimmter Gene lokalisiert, deren Transkriptionsrate durch die Bindung des Komplexes RXR-VDR verändert wird. Siehe beispielhaft Abb. 7.1-5 – Post-transkriptionale Regelung der zellulären Eisenhomöostase. Auch wird durch Interaktion mit VDR-RXR die Expression der epithelialen Kanäle des Ca²⁺ und des Calcium Bindungsproteins Calbindin 9K verstärkt.
• Hemmung der Synthese und Sekretion von PTH über einen negativen Feedback Mechanismus und eine erhöhte Serumkonzentration von Ca²⁺.
• Bindung an seinen Osteoblastenrezeptor und Induktion der verstärkten Expression von RANKL der über seinen Rezeptor RANK die Transformation von Präosteoklasten in Osteoklasten bewirkt. Siehe auch Tab. 6.1-2 – Faktoren von Bedeutung in der Regulation von Osteoklasten.
• Verstärkung der Expression der 25(OH)D₃-24-Hydroxylase, die 1,25(OH)₂D₃ in die wässrige biologisch inaktive Calcitroinsäure metabolisiert.

Zur Beurteilung des Vitamin D Status wird die Konzentration von 25(OH)D₃ im Serum gemessen, denn sie repräsentiert den Gehalt des Organismus an verfügbarem Vitamin D. Ist die Konzentration normal, ist die Bestimmung von 1,25(OH)₂D₃ zur Beurteilung eines fraglichen Vitamin D-Mangels nicht erforderlich, wenn eine chronische Niereninsuffizienz des Stadiums ≥ 3 ausgeschlossen werden kann /34/.

Niedriges 25(OH)D₃ induziert einen sHPT und stimuliert gleichzeitig die 25(OH)D₃-1α-Hydroxylase, dadurch bleibt die Konzentration von 1,25(OH)₂D₃, trotz eines Vitamin D-Mangels, lange Zeit normal /19/. So verursacht ein 25(OH)D₃-Mangel primär eine Osteoporose (Verminderung der Knochenmasse) als Ergebnis eines sHPT. Ein Verminderung 1,25(OH)₂D₃ setzt aber erst längere Zeit nach einem schweren 25(OH)D₃-Mangel ein. Als Folge resultiert eine metabolische Knochenstörung in Form der Osteomalacie, also der verminderten Synthese von Knochenmatrix und von Defekten der Mineralisation .Bei niedrigem Vitamin D Status absorbiert der Dünndarm 10–15 % des vorhandenen Calciums aus der Nahrung, bei normalem Status 30–40 %.

Die maximale Knochenmasse bei Jugendlichen ist von der Aufnahme von Calcium, der körperlichen Aktivität und genetischen Faktoren abhängig. Bis zu 85 % der interindividuellen Variabilität der Knochenmasse hängen von genetischen Faktoren ab, insbesondere von Genen, die den VDR kodieren. Der VDR-Genpolymorphismus ist mit der Mineralmasse des Knochens assoziiert. Insbesondere der Polymorphismus des Startkodons (reguliert durch Spaltung des Enzyms Fokl) ist mit der Knochendichte assoziiert. So scheint der Polymorphismus von Fok1 des VDR Rezeptors die Mineralmasse des Knochens bei Kindern vorherzusagen /23/.

Vitamin D existiert im Plasma in 3 Formen. Etwa 88 % von 25(OH)D₃ und 85 % von 1,25(OH)₂D₃ sind an Vitamin D-Bindungsprotein (DBP) gebunden, etwa 12–15 % bilden einen Komplex mit Albumin und unter 1 % existieren in freier Form. DBP ist charakterisiert durch die Allele DBP 1F, DBP 1S und DBP 2, die durch die Single-Nukleotid Polymorphismen (SNPs) rs7041 und rs4588 definiert sind und mehr als 120 Varianten. Die wesentlichen 3 Allele führen zu einer einfachen Klassifikation der DBP Phänotypen in DBP1-1 (DBP 1F-1F, DBP 1F-1S und DBP 1S-1S) DBP2-1 (DBP 2-1F, DBP 2-1S) und DBP 2-2 (DBP 2-2) Die DBP-Phänotypen bestimmen die Plasmakonzentration von DBP und somit von 25(OH)D₃ und 1,25(OH)₂D₃. Die höchste Konzentration der Phänotypen von DBP hat DBP 1-1, eine intermediäre DBP 2-1 und eine niedrige DBP 2-2 /37/.

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6.7 Biochemische Knochenmarker

Lothar Thomas

Biochemische Knochenmarker haben eine Bedeutung in der Diagnostik und Verlaufsbeurteilung von Erkrankungen des Knochens, denn sie reflektieren die Rate der Bildung und Resorption des Knochens /1/. In der klinischen Praxis besteht ihre wesentliche Anwendung darin, zusätzlich zur Knochendichtemessung, in der Verlaufsbeurteilung der Osteoporose und Beurteilung der Wirkung von antiresorptiven Therapien. Unabhängig von der Osteoporose sind Knochenmarker von Bedeutung zur Beurteilung von:

• Mineralisationsstörungen, z.B. bei chronischer Niereninsuffizienz, Vitamin D-Mangel, und Hyperparathyreoidismus.
• Metabolischer Störungen wie Hyperkortisolismus, Hyperthyreose, Diabetes mellitus Typ 1.
• Malignen Erkrankungen wie der metastatischen Knochenerkrankung,, dem multiplen Myelom und dem M. Paget.

Unterschieden werden Marker der Knochenbildung von Markern der Knochenresorption /2/ (Abb. 6.7-1 – Marker der Knochenbildung und Knochenresorption).

Marker der Knochenbildung

Es handelt sich um direkte oder indirekte Produkte des Osteoblasten, die während der verschiedenen Phasen des Lebenszyklus des Osteoblasten gebildet werden /1/. Marker der Knochenbildung sind:

• Osteocalcin, ein Maker des Knochenumsatzes. Siehe Beitrag 6.9 –Osteocalcin
• Knochen-Isoform der alkalischen Phosphatase (Knochen-AP). Siehe Beitrag 6.8 – Knochen-AP
• Gesamt-AP
• Osteprotegrin
• Prokollagen Typ 1 aminoterminales Propeptid (P1NP), ein Marker des Kollagens. Siehe Beitrag 6.10 –Aminoterminales Propeptid.
• Prokollagen Typ 1 carboxyterminales Propeptid (P1CP), ein Marker des Kollagens.

Marker der Knochenresorption

Es handelt sich um direkte oder indirekte Produkte des Osteoklasten. Die Quervernetzungen (Cross-links) der Kollagenmoleküle der Knochenmatrix bilden während der Synthese oder Degradation spezielle Strukturen, die zur Analytik herangezogen werden /3/ (Abb. 6.7-2 – Bildung von Biomarkern während der Synthese und der Resorption von Typ-1-Kollagen).

Da die meisten Knochenerkrankungen, die mit einer verstärkten Knochenresorption einhergehen sind mit folgenden Markern assoziiert:

• N (Amino)-terminal cross-linked Telopeptide des Typ 1 Kollagens (NTX); siehe auch Beitrag 6.12 – N-Telopeptid und C-Telopeptid.
• C (Carboxy)-terminal cross-linked Telopeptide des Typ 1 Kollagens (CTX); siehe auch Beitrag 6.12 – N-terminal und C- terminal Telopeptide des Typ 1 Kollagens.
• Pyrodinoline (PYD) und Desoxipyrodinoline (DPD); siehe auch Beitrag 6.11 – Pyridinoline und Desoxypyridinoline.
• Tartrat-resistente saure Phosphatase Typ 5b (TRAP-5b).

6.7.1 Synthese und Degradation von Typ-1-Kollagen

Prokollagen-1 Extensionspeptide (NTX, CTX) /4/

Der organische Anteil des Knochens besteht zu etwa 80 % aus Kollagen Typ 1 und wird von den Osteoblasten gebildet /2/. Kollagen Typ 1 ist ein Heterodimer aus drei Polypeptidketten (Triplehelix) und reich an den Aminosäuren Lysin und Prolin. Zwei Polypeptidketten (α₁) sind identisch, die dritte (α₂) hat eine differente Aminosäuresequenz. Nach der Synthese werden zwei α1-Ketten und eine α2-Kette zu einem Triplehelix, der Fibrille, verdrillt. Die Bindung der drei α-Ketten zur Triplehelix erfolgt kovalent über hydroxylierte Lysinreste der benachbarten Ketten (Abb. 6.7-2 – Bildung von Biomarkern während der Synthese und der Resorption von Typ-1-Kollagen).

Die α-Polypeptidketten werden als Prä-Prokollagen synthetisiert, haben am N-terminalen Ende Signalpeptide und auch N- und C-terminale Propeptide. Nach Abspaltung der Propeptide von der Triplehelixfibrille wird diese über den Golgi-Apparat nach extrazellulär transportiert.

Im Extrazellulärraum werden die Fibrillen zu größeren Bündeln zusammengefasst, den großen Kollagenfasern. Die carboxyterminalen und aminoterminalen Enden von Prokollagen Typ 1 werden enzymatisch verknüpft während der extrazellulären Prozessierung und Fibrillenbildung bevor Typ-1-Kollagen in die Knochenmatrix inkorporiert wird.

Bei der Spaltung von Kollagen Typ 1 entstehen zwei große Extensionspeptide, das Prokollagen I carboxyterminale Propeptid (PICP) and das Prokollagen I aminoterminale Propetid (PINP) (Abb. 6.7-2).

N-Telopeptid (NTX), C-Telopeptid (CTX) /4/

Wird Typ-I-Kollagen während der Knochenresorption von den Osteoklasten abgebaut, treten NTX- and CTX-Fragmente des Typ-I-Kollagens in die Zirkulation über. Beide Telopeptide sind relativ spezifische Marker der Knochenresorption. Denn das Typ-I-Kollagen anderer Gewebe wird nicht von den Osteoklasten abgebaut, und deshalb sind die von diesen gebildete Telopeptide anders und somit nicht Knochen spezifisch. Immunoassays mit Antikörpern gegen CTX werden auch als β-CrossLap Tests (CTX) bezeichnet.

Pyridinoline (Pyr) und Desoxypyridinoline (D-Pyr) /4/

Die postranslationale Prozessierung von Lysinresten und Hydroxylysinresten führt zur Bildung von Pyr- and D-Pyr Crosslinks. Pyr- und D-Pyr Crosslinks stabilisieren Kollagenfasern und Elastin. Beide Crosslinks sind im Wesentlichen im Knochen enthalten und weniger in anderen Geweben. D-Pyr sind Knochenspezifischer, als Pyr, denn Pyr Crosslinks sind auch im Knochen und einigen Weichteilgeweben enthalten. Der Knochen enthält die dreifache Menge an Pyr Crosslinks als D-Pyr Crosslinks. Die Tests der Degradationsprodukte der Pyr Crosslinks sind als PYD, die der D-Pyr Crosslinks als DPD im Handel.

6.7.2 Bedeutung der Knochenmarker

Bei den metabolischen Knochenerkrankungen ist der Vorgang des Remodeling beschleunigt und folglich die Konzentration der Bone Turnover Markers (BTM) im Serum und Urin erhöht. BTM reflektieren die Gesamtrate von Knochenbildung und Knochenabbau des Skeletts. BTM ermöglichen eine dynamische Beurteilung des Stoffwechsels des Knochens und ergänzen dadurch die statische Information der Knochenmasse, die durch Messung der Knochenmineraldichte (Bone Mineral Density, BMD) bestimmt wird /4/.

Die intraindividuelle Variabilität der BTM ist relativ groß, so dass die BTM, insbesondere, wenn es sich um die Bestimmung im Urin handelt, nur limitiert zur Diagnostik von Knochenerkrankungen empfohlen werden. Die derzeit wesentliche klinische Anwendung ist das Monitoring metabolischer Knochenerkrankungen, insbesondere der Osteoporose, unter antiresorptiver Therapie /5/. Unter einer solchen Therapie sollte ein Marker vor, nach 3–6 Monaten, nach 12 Monaten und danach jährlich bestimmt werden. In der Regel wird nach 3–6 Monaten ein Abfall um 30–70 % im Vergleich zum Ausgangswert erwartet und danach ein Plateau. Ein ungenügender Abfall ist das Zeichen eines therapeutischen Versagens oder mangelnden Compliance des Patienten. Durch die BMD-Messung ist ein Therapieerfolg erst nach 1–2 Jahren möglich ist /6/.

Die BTM geben keine Auskunft zur aktuellen Mineralisation des Knochens, zum Risiko einer Knochenfraktur und an welcher Stelle des Skeletts sich ein erhöhter Knochenumsatz abspielt. Das ist nur mittels der BMD-Messung möglich, denn sie erlaubt die Beurteilung der Knochenmasse als normal, osteopenisch oder osteoporotisch. Die Messung der BTM bewertet den Knochenstoffwechsel und ergänzt den BMD-Befund durch Beurteilung der Stoffwechselaktivität über die Zeit und gibt an, wann die BMD abnehmen wird /2/. So haben Patienten mit einer hohen Rate der Knochenresorption ein erhöhtes Frakturrisiko und diejenigen mit der Kombination von niedriger BMD und einer hohen Rate der Knochenresorption das höchste Frakturrisiko /7/.

Referenzbereiche der BTM sind im Vergleich zu anderen Untersuchungen in der Laboratoriumsmedizin von nur geringer Aussagekraft. So liegen bei der postmenopausalen Osteoporose die Werte der Knochenmarker der meisten Patientinnen innerhalb der Referenzbereiche und nur relative Änderungen zu einem Ausgangswert spielen eine Rolle. Um diesem Problem zu begegnen und auch signifikante Änderungen im Referenzbereich zu erkennen wurde empfohlen die Least significant change (LSC) anzugegeben. Für jeden Test gelten andere LSC-Werte (Tab. 6.7-1 – Least significant change).

Least significant change (LSC): Die LSC ist die mindest erforderliche Änderung eines BTM, die vorliegen muss, um eine therapeutisch bedingte Veränderung als signifkant zu bewerten. Die LSC wird aus der intraindividuellen und der analytischen Variabilität anhand einer Formel berechnet /2/. Eine Änderung des BTM, die größer als der LSC-Wert ist, weist mit einer Wahrscheinlichkeit von über 95 % darauf hin, dass sie außerhalb der biologischen Variabilität liegt und somit nicht zufällig ist. Als Referenz dient die biologische Variation des BTM einer Referenzgruppe gesunder postmenopausaler Frauen. So beträgt die LSC für β-CTX-Messungen 31,2 % für eine Änderung der BMD der Wirbelsäule von 3,8 % /9/.

Bewertung der Bone turnover marker

Die BTM werden nicht empfohlen zur Diagnose der Osteoporose und zur Bestimmung der Knochenmasse.

Die derzeit am besten etablierte und häufigste klinische Anwendung der BTM ist das Monitoring der Therapie der Osteoporose und die Prüfung der Compliance dieser Patienten /10/.

Knochenanbau-Marker: Diese Marker, insbesondere die Knochen-AP, haben gegenüber den Resorptionsmarkern Vorzüge in der Beurteilung der Knochenbeteiligung bei Vitamin D-Mangel, Hyperparathyreoidismus, Osteomalazie/Rachitis, renaler Osteodystrophie, osteoblastischen Metastasen und dem M. Paget. Zur Beurteilung der anabolen Therapie der Osteoporose werden P1NP und auch Parathormon bestimmt.

Knochenresorptions-Marker: In der Therapie der Osteoporose haben die Resorptionsmarker, insbesondere die Desoxypyridinoline und die C-terminalen Propeptide (CTX) Bedeutung erlangt. Erfahrungen zeigen aber, dass für den häufigen Fall (Frau nach der Menopause, älterer Mann) die β-CTX-Bestimmung (Blutentnahme im EDTA-Röhrchen gegen 8.00 Uhr nüchtern) der überlegene Marker für Knochenabbau ist und die Pyridinoline in den Hintergrund treten. Bei Tumorpatienten, z.B. Bronchialkarzinom, Mammakarzinom, multiples Myelom, sind demgegenüber die Desoxypyridinoline, bestimmt im ersten Morgenurin, der überlegene Marker.

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6.8 Knochen-AP

Lothar Thomas

Die Knochen-spezifische AP (BAP) wird von Osteoblasten gebildet und ist in Vesikeln enthalten die als Knöpfchen auf der Zellmembran lokalisiert sind. Die BAP ist ein Marker der Knochenbildung. Etwa 20–40 % der Gesamt-AP im Serum ist BAP (siehe Beitrag 1.3 – Alkalische Phosphatase (AP)).

6.8.1 Indikation

Die BAP ist ein Marker der globalen Knochenbildungs-Aktivität und wird angefordert:

• Zum Monitoring der Bone mineral disease bei Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz.
• Im Management von Patienten mit M. Paget.
• Zum Monitoring der Therapie mit Bisphosphonaten bei Osteoporose.
• Im Management von Patienten mit Knochenmetastasen.

6.8.2 Bestimmungsmethode

Siehe Beitrag 1.3–Gesamt -AP.

6.8.3 Untersuchungsmaterial

Serum oder Heparinplasma, kein EDTA-, Citrat- oder Oxalatplasma: 1 ml

6.8.4 Referenzbereich

Siehe Tab. 6.8-1 – Referenzbereiche der Knochen-AP und Lit. /1, 2/.

6.8.5 Bewertung

Um diskrete Veränderungen des Knochenstoffwechsels zu erfassen, z.B. postmenopausal, der Chronic kidney disease-bone mineral disease (CKD-MBD) oder nach Glukokortikoidgaben, z.B. nach Organtransplantation, wird neben der AP oft die BAP bestimmt.

In einer Studie /3/ stieg die AP nach der Menopause um 24 % an und die BAP um 77 %. Als Z-Score ausgedrückt (Vielfaches der Standardabweichung über dem Mittelwert prämenopausaler Frauen), stieg die AP um 0,9 und die BAP um 2,2 an. Die BAP reagiert als Marker der Knochenformation relativ träge.

6.8.5.1 Chronic kidney disease–bone mineral disease (CKD-MBD)

Zur Kontrolle einer CKD-MBD empfehlen die KDIGO guidelines /4/ die Bestimmung der AP oder BAP in den Stadien G4–G5D alle 12 Monate oder, wenn Parathormon erhöht ist, häufiger. Patienten mit CKD der Stadien G4 und G5D hatten im Vergleich zu einem gesunden Kontrollkollektiv die in Lit. /5/ und Tab. 6.8-2 – Befunde bei CKD der Stadien G4-G5D im Vergleich zu Kontrollen angegebenen Werte von BAP und weiteren Knochenmarkern. Zum Verhalten der BAP bei renaler Osteodystrophie siehe Tab. 1.3-3 – Erkrankungen der Leber und Gallenwege, die mit erhöhter Gesamt-AP einhergehen können.

6.8.5.2 Vitamin D-Mangel

Erst nach mehr als 6 Monaten Dauer des Vitamin D-Mangels kommt es zu einem Anstieg der BAP oder Gesamt-AP. Unter Korrektur des Vitamin D-Mangel, steigt die BAP in den ersten Wochen noch weiter an, um dann im Lauf von 6–12 Monaten zur Norm zurückzukehren.

6.8.5.3 Frakturen und Polytraumen

In den ersten 5 Tagen erfolgt ein Absinken der BAP im Serum und danach Anstiege, die bei größeren Frakturen nach 100 Tagen noch nicht normalisiert sind /6/ und oft erst nach einem Jahr die Ausgangswerte erreichen.

6.8.5.4 M. Paget

Bei dieser Erkrankung sind AP bzw. BAP die überlegenen Knochenmarker. Siehe Beitrag 1.3 – Alkalische Phosphatase.

6.8.5.5 Maligne Tumoren

In das Skelett metastasierende Karzinome, insbesondere der Mama, des Bronchus und der Prostata können Anstiege der BAP verursachen /7/. Die Häufigkeit der Einbeziehung des Skeletts bei fortgeschrittenem Karzinom zeigt Tab. 6.8-1 – Referenzbereiche der Knochen-AP. Die Metastasen führen zur Dysregulation des Knochenstoffwechsels und verursachen, abhängig vom primären Tumor osteolytische, osteoblastische oder gemischte Knochenmetastasen. Bei osteoblastischen Metastasen besteht eine überschießende Knochenbildung mit Erhöhung der BAP. Bei Patienten mit Prostatakarzinom und Knochenmetastasen antworten Resorptionsmarker schnell auf ein Ansprechen der Therapie, die BAP zeigt wenn, erst einen Abfall nach mehr als 4 Wochen /8/. Beim multiplen Myelom ist besonders die Funktion der Osteoklasten gesteigert, deshalb ist die Bestimmung von Markern der Knochenbildung wie die BAP nicht sinnvoll /9/.

Therapeutische Maßnahmen

Natriumfluoridgabe: Unter Natriumfluoridgabe (NaF stimuliert die Osteoblasten) zur Behandlung einer Osteoporose treten Anstiege der BAP auf.

Glukokortikoide: Sie führen innerhalb von 24 h zu einem Absinken des Osteocalcins (etwa um 50 % nach 1 g Methylprednisolon i.v.) /10/, aber erst nach Wochen zu einem Absinken der BAP.

Bisphosphonattherapie: Nach Gabe von z.B. Alendronat, wird ein neues, tieferes Plateau der BAP nach 6 Monaten erreicht /11/.

Hormonsubstitution: Nach Substitution mit Östrogen oder Östrogen/Gestagen kommt es zu einem tieferen BAP-Plateau nach 12 Monaten /12/.

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6.9 Osteocalcin (OC)

Hilmar Stracke, Lothar Thomas

Osteocalcin (Bone gamma-carboxylglutamic acid-containing protein), auch Bone GLA protein genannt, wird von den Osteoblasten während der Mineralisationsphase der Matrix synthetisiert und in die organische Knochenmatrix eingebaut /1/. Laufen Bildung und Resorption gekoppelt ab, ist Osteocalcin (OC) ist ein Marker der Knochenumsatzes, ist das nicht der Fall, so ist OC ein Marker der Knochenbildung. Ein kleiner Anteil von OC gelangt in die Zirkulation und wird proteolytisch abgebaut. Fragmente von OC aus der Knochenmatrix gelangen auch bei der Knochenresorption in die Zirkulation, so dass sich der OC-Wert im Serum nicht allein als gesteigerten Knochenbildung, sondern eher im Sinne eines gesteigerten Knochenumbaus interpretieren lässt /2/. Seine Synthese wird von 1,25(OH)₂D₃ reguliert.

6.9.1 Indikation

Monitoring des Remodeling des Knochens:

• Osteoporose (Beurteilung des Knochenumsatzes).
• Karzinom mit Knochenmetastasen.
• Primären Hyperparathyreoidismus.
• Renale Osteopathie.

6.9.2 Bestimmungsmethode

Immunometrischer Assay, Enzyme-linked ImmunoSorbent Assay (ELISA). Die meisten kommerziellen Assays verwenden Antikörper, die N-terminale und mitregionale Fragmente des OC (N-MID-Osteocalcin) erfassen /3/. Es gibt keine OC-Referenzpräparation. Die mit verschiedenen Testkits erzielten Patientenwerte sind nicht vergleichbar /3/.

6.9.3 Untersuchungsmaterial

Serum, EDTA- oder Lithiumheparin-Plasma;

Nüchternblutentnahme morgens 8.00–9.00 Uhr: 1 ml

6.9.4 Referenzbereich

* Abhängig vom Testkit

6.9.5 Bewertung

OC ist ein Marker der Knochenbildung und die Konzentration im Serum reflektiert die 10–40 % des OC, das nicht in die Knochenmatrix eingebaut, sondern als intaktes 1–49-Molekül in die Zirkulation entlassen wurde. Freigesetztes OC wird rasch metabolisiert, ein Drittel bleibt als intaktes Molekül erhalten, ein Drittel ist ein großes N-terminales Fragment (Aminosäuren 1–43), und ein Drittel liegt als mitregionales Fragment und in Form kleinerer Fragmente vor /3/.

Eine erhöhte Konzentration von Fragmenten des OC stammt aus der vermehrten Freisetzung von OC, das wahrscheinlich aus einem verstärkten Bone remodeling resultiert. Histomorphometrische Untersuchungen und Untersuchungen der Kinetik und Bilanz von Calcium haben gezeigt, dass OC eher ein Marker der Knochenbildung als der Knochenresorption ist /4/.

Die Elimination der Fragmente des OC erfolgt durch Metalloproteasen der Leber und der Nieren. Da OC-Fragmente renal ausgeschieden werden, kann eine erhöhte Konzentration von OC auch durch eine eingeschränkte renale Clearance verursacht sein.

Erhöhungen von OC beruhen meist auf einem vermehrten Knochenumsatz, so beim primären Hyperparathyreoidismus, dem M. Paget und der High turnover-Osteoporose.

Die Konzentration des OC im Serum ist, wie alle Marker des Knochenstoffwechsels, bei Kindern höher als bei Erwachsenen. OC korreliert bei Kindern mit der Wachstumsgeschwindigkeit, daher gibt es einen Gipfel während der Pubertät. Während z.B. CrossLaps (CTX) bei Frauen nach der Menopause relativ konstant höher sind als prämenopausal, zeigt sich für OC ein vorübergehender Anstieg in der Zeit nach der Menopause. Bei prämenopausalen Frauen finden sich signifikant höhere Konzentrationen zur Zeit der Lutealphase /3/.

Ein Vorteil des OC im Vergleich zur knochenspezifischen AP liegt in der stärkeren und rascheren Reaktion (Suppression der Osteoblastenaktivität) bei Gabe von Glukokortikoiden, ein Nachteil in der Abhängigkeit von der glomerulären Filtrationsrate, dem geringeren Ansprechen beim M. Paget und der nicht vollständigen Knochenbildungsspezifität.

Siehe:

• Tab. 6.9-1 – Wertigkeit der Osteocalcin-Bestimmung im Vergleich zur AP
• Tab. 6.9-2 – Erkrankungen mit erhöhter Osteocalcin-Konzentration.

Da die Genexpression von OC direkt von 1,25(OH)₂D₃ und Kortikosteroiden reguliert wird, sollten OC-Werte von Patienten, die mit diesen Medikamenten behandelt werden, mit Vorsicht interpretiert werden.

6.9.6 Hinweise und Störungen

Blutentnahme

Die Blutentnahme morgens nüchtern durchführen. Es besteht ein zirkadianer Rhythmus des OC mit hohen Werten in den frühen Morgenstunden und einem Nadir am Nachmittag und frühen Abend. Dann erfolgt ein Anstieg, der seinen Maximalwert von Mitternacht bis 4.00 Uhr in der Frühe erreicht /12/.

Antikoagulantien

Antikoagulierte Blutproben zeigen im Vergleich zu Serum zu niedrige Werte des OC. In einer Studie /13/ betrugen die Werte bei Verwendung von Li-Heparin 83,6 %, von EDTA 65,1 %, von Natriumcitrat (0,13 mol/l) 70,4 % und von Oxalat/Fluorid 37,3 % der Konzentration im Serum.

Bestimmungsmethode

Es werden die N-terminalen und mitregionalen Fragmente (N-MID-Osteocalcin) des OC erfasst.

Einflussgrößen

OC wird durch physiologische Konzentrationen von 1,25(OH)₂D₃ stimuliert. Parathormon sowie die Glukokortikoide Prednisolon und Deflazacort hemmen die 1,25(OH)₂D₃-stimulierbare OC-Synthese. OC ist vorhanden im Prothrombinkomplex und anderen Vitamin K-abhängigen Faktoren. Durch Dicumarolderivate kommt es zu einer Synthesehemmung des OC.

Saisonale Rhythmik

Da im Winter bei schlechter Versorgung mit Vitamin D höhere Abbauraten am Knochen beobachtet werden und ein Vitamin D-Mangel auch die Osteoblasten stimuliert, werden die höchsten OC-Werte im Februar und die niedrigsten im Juli beobachtet.

Stabilität

N-MID-Osteocalcin im Vollblut 8 h bei Raumtemperatur (RT), im Serum 24 h bei RT, in EDTA-Plasma 48 h bei RT, in EDTA-Plasma 1 Woche bei 4–8 °C, in EDTA-Plasma über 1 Jahr bei –20 °C. Für die Messung von intaktem OC soll die Abtrennung von Serum/Plasma und das Deponieren der Probe im Gefrierfach innerhalb 1 h erfolgen /14/.

6.9.7 Pathophysiologie

Das aus 49 Aminosäuren bestehende Protein OC mit einem MG von 5,8 kD wird aus einem größeren 11 kD Precursorprotein gebildet,das drei Anteilen besteht:

• Einem Signalpeptid aus 23 Aminosäureresten, das nach Translation abgespalten wird.
• Dem 26 Aminosäureresten langen Zielpeptid, es leitet das Peptid zur γ-Carboxylierung.
• Dem 49 Aminosäuren langen OC-Protein. Das OC ist eines der drei Vitamin K-abhängigen Proteine, die vom Osteoblasten gebildet werden. Die anderen sind das Matrix Gla-Protein und Protein C. Vitamin K ist ein essentieller Kofaktor der posttranslationalen γ-Carboxylierung von OC. Durch die Carboxylierung wird eine zweite Carboxylgruppe an die Glutamylreste (Glu) in den Positionen 17, 21 und 24 gehängt unter Bildung von γ-Carboxyglutamylresten (Gla) (Abb. 6.9-1 – γ-Carboxylierung von Glutamylresten). Diese Modifikation führt zu einer Konformationsänderung des Proteins mit einer Steigerung der Affinität für Calcium und Hydroxylapatit /4/.

OC macht den größten Anteil der Nicht-Kollagenproteine des organischen Anteils des Knochenmatrix aus. Es gilt als spezifischer Marker der Osteoblastenfunktion bzw. Mineralisation des Osteoids, da es ausschließlich vom Osteoblasten synthetisiert wird. Die Synthese wird durch Vitamin D stimuliert.

Der überwiegende Anteil des OC wird nach Freisetzung aus dem Osteoblasten in die Knochenmatrix eingebaut, ein kleiner Teil gelangt in die Zirkulation. Dort hat es eine Halbwertszeit von 4 min und wird primär durch die Nieren eliminiert. Eine herabgesetzte renale Clearance lässt OC drastisch ansteigen. Bei einer GFR unter 30 [ml × min^–1 × (1,73 m²)^–1] liegen die OC-Werte im Plasma oberhalb des Referenzbereichs. Ähnliche Beziehungen bestehen, wenn die OC-Konzentration in Beziehung zum renalen Plasmafluss gesetzt wird.

Die OC-Konzentration steigt mit dem Alter an. Frauen haben höhere Konzentrationen im Serum als Männer. OC wird auch bei extraossären Verkalkungen in der frühen Mineralisationsphase und in atherosklerotischen Plaques gefunden.

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6.10 Prokollagen Typ 1 aminoterminales Propeptid (P1NP)

Lothar Thomas

Kollagen Typ 1 (auch bekannt als COL1A1 und als alpha-1 Typ 1 Kollagen) ist der größte Bestandteil des fibrillären Kollagens, das im Knorpel und den Bindegeweben vorhanden ist. Es wird gebildet von Fibroblasten, Osteoblasten, Odontoblasten und hat ein theoretisches Molekulargewicht von 138 kDa. Die Knochenmatrix besteht zu 90 % aus Kollagen Typ 1, das von Osteoblasten synthetisiert wird. Bei der Spaltung von Kollagen Typ 1 entstehen zwei große Extensionspeptide, das Prokollagen 1 aminoterminale Propeptid (P1NP) und das Prokollagen 1 carboxyterminale Propeptid (P1CP). Die Prokollagen Typ-1-Propeptide sind ein quantitatives Maß der Osteoblastenaktivität und Neubildung von Kollagen Typ 1.

In der Routinediagnostik hat sich heraus gestellt, dass die Bestimmung von P1NP die histomorphologischen Kriterien der Knochenbildung besser erfasst als P1CP und hat sich als guter Marker der Knochenbildung bei der Osteoporose erwiesen. Deshalb wurde PINP von der International Osteoporosis Foundation und der International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine als Referenzmarker bei der Osteoporose empfohlen.

Das Prokollagen Typ 1 N-Propeptid (PINP) ist ein trimäres Peptid mit einem Molekulargewicht von etwa 35 kD. Es besteht aus zwei Typ 1 Prokollagen alpha 1-Ketten und einer Prokollagen alpha 2-Kette, die nicht kovalent miteinander verbunden sind. Prokollagen Typ-1-Propeptide werden von Osteoblasten gebildet. Die Propeptidextensionen an den amino- und carboxy-terminalen Enden (jeweils PINP und PICP) des Prokollagenmoleküls werden abgespalten und in die Zirkulation abgegeben, wenn ein Kollagenmolekül zur Bildung der Knochenmatrix verbraucht wird.

Siehe auch:

• Sektion 6.7-1 – Synthese und Degradation von Kollagen 1
• Abb. 6.7-2 – Bildung von Biomarkern während der Synthese und der Resorption von Typ 1-Kollagen.

6.10.1 Indikation

• Verlaufs- und therapeutische Beurteilung der postmenopausalen Osteoporose.
• Vitamin D-Mangel induzierter sekundärer Hyperparathyreoidismus.
• Beurteilung der chronic kidney disease mineral bone disease (CKD-MBD).

6.10.2 Bestimmungsmethode

Two-site immunoassay unter Anwendung von zwei monoklonalen Antikörpern gegen intaktes P1NP. Neben dem intakten monomeren P1NP werden auch di- und trimere Formen erfasst /2, 3/.

Prinzip: Die Probe wird mit einen biotinylierten Antikörper inkubiert und dann ein zweiter Ruthenium markierter Antikörper zusammen mit Streptavidin beladenen Mikropartikeln dem Ansatz beigefügt. Gebildet wird ein Sandwichkomplex, der sich vermittels Biotin-Streptavidin an die Mikropartikel bindet. Die Mikropartikel werden magnetisch an die Oberfläche einer Elektrode gebunden. Das Anlegen einer Spannung an die Elektrode induziert eine Chemilumineszenz-Emission, die mit einem Photomultiplier gemessen und über eine Kalibrationskurve in einen Konzentrationswert transformiert wird.

6.10.3 Untersuchungsmaterial

EDTA-Plasma, Heparinplasma, Serum: 1 ml

6.10.4 Referenzbereich

6.10.5 Bewertung

Unterschieden wird intaktes P1NP (trimäre Form) von der monomeren Form. In vivo wird die nativ gebildete trimäre Form mit einer Halbwertszeit von 10 h in die monomere umgewandelt.

6.10.5.1 Diagnose der postmenopausalen Osteoporose

Postmenopausale Frauen ohne Osteoporose haben P1NP-Konzentrationen von 19–100 μg/l (zentrale 95 % Masse), der Mittelwert und die Standardabweichung betragen 47,7 ± 19,9 μg/l /4/. Bei Frauen mit postmenopausaler Osteoporose sind die Werte in vergleichbarer Größenordnung (50,5 ± 18,6 μg/l). In einer weiteren Studie /3/ hatten 74 % der postmenopausalen Frauen mit Osteoporose etwas höhere mittlere P1NP-Werte als prämenopausale Frauen ohne Osteoporose über 35 J. und 32,5 % hatten Konzentrationen über dem oberen Referenzbereichswert. Beide Studien zeigen, dass die Diagnose der postmenopausalen Osteoporose mit P1NP nur in wenigen Fällen möglich ist.

6.10.5.2 Therapiemonitoring der Osteoporose

Die wesentliche Bedeutung der P1NP-Bestimmung liegt im therapeutischen Monitoring der Osteoporose, insbesondere unter anaboler Therapie mit rekombinanten Parathormon (rPTH) /5/.

So nahmen in einer Studie /3/ unter 3-monatiger Therapie mit rPTH (Teriparatid):

• Die Konzentrationen von P1NP bei jeweils 83 % der rPTH behandelten Patientinnen zu.
• Bei 88 % der Bisphosphonat (Alendronat) behandelten Patientinnen gegenüber dem Ausgangswert ab.
• Als Kriterium der Änderung zählte eine Least significant change (LSC) von 20 %. Zur LSC siehe Beitrag 6.7 – Biochemische Knochenmarker).

Eine weitere Studie zur Behandlung postmenopausaler Frauen mit rPTH (Teriparatid) hat gezeigt, dass ein Anstieg von P1NP in den ersten 3 Monaten nach Therapiebeginn die höchste diagnostische Sensitivität zur Vorhersage einer Verbesserung der Knochenmineraldichte (Bone mineral density, BMD) der Wirbelsäule in den folgenden 18 Monaten hat. Die Verbesserung war definiert als Zunahme der BMD über 3 % /6/.

6.10.6 Hinweise und Störungen

Probe

EDTA-Plasma oder Heparinplasma sind zu bevorzugen.

Bestimmungsmethode

Tests, die nur die trimäre Form messen, ergeben niedrigere Werte als diejenigen die auch monomeres P1NP erfassen.

Stabilität

Bei Raumtemperatur 24 h, bei bis zu 8 °C 5 Tage, 6 Monate bei –20 °C.

Literatur

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6.11 Pyridinoline und Desoxypyridinoline

Lothar Thomas

Die posttranslationale Prozessierung von Lysin- und Hydroxylysinresten zur Bildung der Pyridinium Crosslinks Pyridinolin (PYD; Hydroxylysylpyridinolin) and Desoxypyridinolin (DPD; Lysylpyridinolin) ist wichtig zur Stabilisierung der reifen Formen von Kollagen und Elastin. Die Crosslinks sind vorwiegend im Knochen enthalten und weniger in anderen Geweben. PYR und DPD werden durch die Wirkung von Osteoklasten aus der Knochenmatrix freigesetzt, und bei normalen unbehandelten Personen liegen 60 % an Protein gebunden und 40 % in freier Form vor /1/. Da die meisten metabolischen Knochenerkrankungen mit einer Zunahme von Resorptionsmarkern des Knochens einher gehen, ist die Bestimmung von PYD und DPD von besonderem Interesse.

6.11.1 Indikation

Erkennung einer erhöhten Resorptionsrate, die mit folgenden Erkrankungen des Knochens assoziiert sein kann /2/:

• Postmenopausale Osteoporose
• Primärer Hyperparathyreoidismus
• Beurteilung einer Mineral bone disease bei chronischer niereninsuffizienz (CKD-MBD)
• Morbus Paget
• Tumor assoziierte Hyperkalziämie
• Karzinom mit Knochenmetastasen.

Nachweis eines Behandlungseffektes:

• 6 Monate nach Beginn einer Hormonsubstitution.
• 3 Monate nach Start einer Therapie mit Bisphosphonaten.
• 1 Monat nach Beginn einer parenteralen Bisphosphonat und/oder Parathormonbehandlung.

6.11.2 Bestimmungsmethode

Unterschieden wird die Bestimmung totaler (t) und freier (f) Pyridinoline. Sie werden mit der HPLC oder einem Immunoassays bestimmt.

PYD und DPD mit HPLC

Bestimmung von tPYD und tDPD: Zuerst wird eine Säurehydrolyse des Urins durchgeführt und somit alles PYD und DPD aus dem Kollagen freigesetzt. Danach erfolgt eine Vorreinigung auf einer Zellulosesäule, anschließend eine Ionenpaar-Umkehrphasen-HPLC mit Fluoreszenzdetektion, denn freie Pyridinoline weisen eine Fluoreszenz auf. PYD und DPD werden in einem HPLC-Lauf quantifiziert (Abb. 6.11-1 – Struktur und Auftrennung der Pyridinoline) /3/. Wird auf die vorgeschaltete Säurehydrolyse verzichtet, erfasst diese Methode nur die freien Pyridinoline.

Immunoassay für Desoxypyridinolin

Überwiegend fDPD wird erfasst, der Protein- und Peptid-gebundene Anteil kaum. Zur Bestimmung von tDPD kann eine Säurehydrolyse des Urins vor der Messung durchgeführt und eine Rückpufferung nach Säurehydrolyse vorgenommen werden /2/. Das ist jedoch mühsam, da der pH vor Durchführung des Immunoassays in einen engen Bereich zu bringen ist. Die Bestimmung erfolgt mit einem kompetitiven Immunoassay unter Anwendung von Solid-phase immobilisierten monoklonalen Antikörpern und Enzym konjugiertem DPD /4/.

Immunoassay für Pyridinolin

Diese Methode bestimmt freies und Protein gebundenes PYD. DPD ist zu 100 % kreuzreaktiv. Die Bestimmung erfolgt mit einem kompetitiven Immunoassay mit Solid phase immobilisiertem PYD and Enzym konjugierten polyklonalen Antikörpern.

6.11.3 Untersuchungsmaterial

Erster morgendlicher Spontanurin ohne Zusatz: 5 ml

6.11.4 Referenzbereich

Siehe Lit. /3, 4/ und Tab. 6.11-1 – Referenzbereiche der Pyridinoline.

6.11.5 Bewertung

Da PYD und DPD nur in reifem Kollagen Typ 1 und zudem nicht im Kollagen der Haut vorliegen, kann die Bestimmung der renalen Ausscheidung von PYD und insbesondere von DPD als ein spezifischer Parameter für die quantitative Beurteilung der Knochenresorption dienen. Bei Gesunden liegen 15–85 % des gesamten PYD (tPYD) und gesamten DPD (tDPD) in freier Form als fPYD und fDPD im Urin vor, der Rest ist an Peptide aus dem Knochenkollagen gebunden.

Die Ausscheidung der Pyridinoline im Urin korreliert mit der histologisch gemessenen Knochenresorption (Osteoklastenoberfläche) /5/.

Als Referenzbereich der Ausscheidung von Pyridinolinen wird der prämenopausale Bereich angesehen, Werte des DPD postmenopausal über 60 μg/g Creatinin werden als erhöhter Abbau interpretiert. Etwa 30–40 % der postmenopausalen Frauen liegen über diesem Grenzwert.

6.11.5.1 Postmenopausale Osteoporose

Da die Osteoklasten aus dem Knochenkollagen in erster Linie quervernetzte Telopeptide und andere Peptide freisetzen, steigen tPYD und tDPD postmenopausal stärker an als fPYD oder fDPD.

Auch unter Hormonsubstitution nach der Menopause sinken tPYD und tDPD stärker ab als fPYD oder fDPD /6/. Je stärker der Knochenabbau, desto geringer ist der prozentuale Anteil von fDPD, und mit zunehmenden Knochenabbau wird der prozentuale Anteil von fDPD geringer. Zwar korrelieren tDPD und fDPD /7/, aber durch den abnehmenden Anteil des fDPD bei zunehmender Gesamt-Ausscheidung verliert der Nachweise an fDPD an Bedeutung gegenüber der Gesamt-Ausscheidung. Gleiches gilt für die Messung von tPYD und fPYD. Daher wird die Messung von tPYD und die von tDPD favorisiert /7/.

Im ersten Morgenurin haben postmenopausale Frauen höhere Werte als tagsüber, was bei postmenopausalen Frauen mit Osteoporose noch akzentuierter ist (Abb. 6.11-2 – Untersuchung von tDPD bei prä- und postmenopausalen Frauen) /8/. Denn bei Osteoporose wird besonders nachts vermehrt Knochen abgebaut. Offenbar führt die körperliche Aktivität tagsüber zu einer Annäherung des gesteigerten Knochenabbaus an die Norm.

Außer der Tagesrhythmik gibt es, zumindest bei Frauen prämenopausal, eine monatliche und eine jahreszeitliche Rhythmik (Abb. 6.11-3 – Jahreszeitliche Rhythmik von 25(OH)D, PTH und Desoxypyridinoline bei prämenopausalen Frauen) /9/. Diese Abbildung zeigt auch, dass bei niedrigem 25(OH)D₃ im Februar ein leichter regulatorischer Hyperparathyreoidismus und ein leicht gesteigerter Knochenabbau auftritt.

Der Knochenabbau bei prämenopausalen Frauen ist im Winter bei niedrigen 25(OH)D₃ Werten kaum gesteigert, aber bei postmenopausalen Frauen im Februar bei niedrigem 25(OH)D₃ zeigt er teilweise eine starke Steigerung (Abb. 6.11-3).

6.11.5.2 Pyridinoline (tPYD und tDPD) bei Tumorpatienten

Bei Patienten mit Bronchialkarzinom und radiologisch gesicherten Knochenmetastasen sind Pyridinoline (tPYD und tDPD) sensitive Marker /10/. Allerdings weisen auch Patienten ohne Knochenmetastasen und Patienten mit benignen Lungenerkrankungen teilweise eine erhöhte Ausscheidung auf, die diagnostische Sensitivität ist also hoch, die Spezifität nicht. Bei Patienten mit Bronchialkarzinom oder Mammakarzinom ohne Knochenmetastasen werden häufig erhöhte Werte der Pyridinoline im Urin gefunden, da vermutlich von den Tumoren Substanzen wie PTHrP abgegeben werden, die eine erhöhte Knochenresorption bewirken.

Bei Tumorpatienten werden die Knochenmetastasen sensitiver von tPYD und tDPD als von NTX und CTX angezeigt. Das mag daran liegen, dass bei Tumorpatienten die Fragmentierung des Kollagens nicht mehr regelmäßig wie bei Frauen postmenopausal durch Kathepsin K erfolgt, sondern irregulär durch z.B. Matrix-Metalloproteasen, so dass andere Fragmentierungen als die Telopeptide von Kollagen Typ 1 entstehen.

Durch die jahreszeitliche Rhythmik mit dem Mangel an Vitamin D im Winterhalbjahr in Mittel- und Nordeuropa verlieren die Pyridinoline, wie alle Marker, an Trennschärfe. Durch Substitution von Tumorpatienten mit Vitamin D im Winterhalbjahr könnten die Pyridinoline und andere Marker an Bedeutung für die Erkennung von Knochenmetastasen gewinnen /10, 11/.

6.11.5.3 Nachteile der Pyridinoline

Der Nachteil der Pyridinoline gegenüber Serummarkern liegt im Bezugssystem (Creatinin), es wird der Knochenabbau auf die Muskelmasse bezogen.

Menopause

Ein Grund, dass die auf Creatinin bezogene Ausscheidung von tDPD bei Frauen nach der Menopause erhöht sein kann ist, dass sie körperlich weniger aktiv als jüngere prämenopausale Frauen sind. Dadurch sinken Muskelmasse und Urincreatinin stärker ab als die Knochenmasse, woraus ein erhöhter Quotient von tDPD/Creatinin resultiert. Auch bei Hyperthyreose ist tDPD/Creatinin überproportional erhöht /6/. Eine Ursache ist die Störung des Muskelstoffwechsels.

Hormon-Ersatz (Replacement)-Therapie(HRT)

Während einer HRT steigt die Serumkonzentration des Sexualhormon-bindenden Globulins (SHBG) an /12/; dies ist ein Ergebnis der Östradiolpassage durch die Leber. SHBG bindet Östradiol und Testosteron gleichermaßen, daher nimmt die Konzentration an freiem Testosteron bei Frauen unter oraler HRT ab. Das niedrigere freie Testosteron führt zu einem Rückgang der Muskelmasse, die Creatininausscheidung ist daher niedriger und die Ratio tDPD/Creatinin fällt höher aus. Da die β-Crosslaps (siehe Beitrag 6.12 – N-Telopeptid und C-Telopeptid) im EDTA-Plasma gemessen werden, zeigen sie die Knochenresorption bei Frauen unter HRT korrekter an als die Ratio tDPD/Creatinin. So kam es bei allen postmenopausalen Frauen mit HRT zu einem Abfall der β-Crosslaps auf die Werte prämenopausaler Frauen. Das war aber nicht bei allen HRT-Frauen der Fall wenn tDPD/Creatinin gemessen wurde.

In einer weiteren Serie an Frauen unter verschiedenen Formen der HRT zeigte sich, dass niedrig dosierte transdermale Pflaster (25 μg Östradiolabgabe pro Tag) zu normalen tDPD/Creatinin im ersten Morgenurin führten. Es ist belegt, das diese Form der HRT nicht zu einem Anstieg von SHBG führt. Daher wird die Muskelmasse nicht abnehmen und die Creatinin-Ausscheidung im Urin ebenfalls nicht.

Hyperthyreose

Diese Patienten scheiden bei guter Nierenfunktion wenig Creatinin im Urin aus, weshalb der Quotient tDPD/Creatinin zu hoch ausfällt.

Bisphosphonattherapie

Die Bisphosphonattherapie führt beim M. Paget und der Osteoporose zum starken Absinken von tPYD und tDPD, während das fPYD oder fDPD nicht absinken /5/. Eine Vitamin D-Therapie bei älteren Frauen mit Vitamin D Mangel führt zu starkem Absinken von CTX und weniger starkem Absinken von tPYD und tDPD, während das fPYD oder fDPD nicht absinken /13/. Das freie DPD ist also sowohl für ein Monitoring der Bisphosphonattherapie wie auch der Therapie mit Vitamin D nicht geeignet.

Tab. 6.11-2 – Pyridinoline bei Erkrankungen mit verstärkter Knochenresorption und bei deren Behandlung zeigt Zustände und Erkrankungen mit veränderter Knochenresorption und das Verhalten der Pyridinoline im therapeutischen Monitoring.

6.11.6 Hinweise und Störungen

Bestimmungsmethode

Als Referenzverfahren der Knochenresorptionsmarker wird tDPD angesehen, gemessen mit der HPLC-Methode nach Säurehydrolyse /14/.

Urinprobe

Mit dem ersten Morgenurin liegen die meisten Erfahrungen vor. Er bietet folgende Vorteile:

• Der Urin ist konzentrierter als spätere Proben.
• Die Gipfel der Pyridinoline sind deutlich höher durch die höheren Abbauraten nachts.
• Die Probe darf nicht in direktem Sonnenlicht stehen, da Pyridinoline als fluoreszierende Verbindungen durch länger einwirkendes UV-Licht zerstört werden.

Einflussgrößen /14/

• Intraindividuelle Variation: tPYD 71(57–78) %, tDPD 67 (53–75) %.
• Variation von Tag zu Tag: tPYD 16 (12–21) %, tDPD 16 (5–24) %.
• Interindividuelle Variation prämenopausaler Frauen: tPYD 26 (12–63) %, tDPD 34 (8–98) %.
• Interindividuelle Variation postmenopausaler Frauen: tPYD 36 (22–61) %, tDPD 40 (27–54) %.

Literatur

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6.12 N-terminal cross-linked Telopeptid von Typ 1 Kollagen (NTX) und C-terminal cross-linked Telopeptid von Typ 1 Kollagen (CTX)

Lothar Thomas

Wird Typ 1-Kollagen während dem Vorgang der Knochenresorption von den Osteoklasten abgebaut, treten N-Telopeptide (NTX)- und C-Telopeptide (CTX)-Fragmente des Typ 1-Kollagens in die Zirkulation über. Siehe Abb. 6.7-2 – Bildung von Biomarkern während der Synthese und der Resorption von Typ 1-Kollagen. Beide Telopeptide sind relativ spezifische Marker der Knochenresorption. Denn das Typ 1-Kollagen anderer Gewebe wird nicht von den Osteoklasten abgebaut, und deshalb sind die von diesen gebildete Telopeptide anders und somit nicht Knochen-spezifisch /1/. Eine unter diesen Vorbedingungen optimale Knochenspezifität haben die Quervernetzungsstrukturen der N- oder C-terminalen Telopeptid Regionen von Typ 1-Kollagen. Beide Telopeptide sind wichtige Marker der Knochenresorption. Beide Marker sind die größte Fraktion bei Änderungen der Knochenresorption und führen zu deutlicheren Anstiegen im Serum und Urin im Vergleich zu PYD und DPD.

Bevorzugt bestimmt werden im Serum die N-terminal cross-linked Telopeptide von Typ 1 Kollagen (CTX), auch als β-Crosslaps bezeichnet.

Die Gründe sind:

• CTX kommen als α-CTX (keine Isomerisierung von Asparaginsäure) und β-CTX (isomerisierte Asparaginsäure) vor. Die Isomerisierung ist ein spontaner Vorgang, der langsam posttranslational abläuft. Deshalb ist die β-Form nur in alten Geweben, wie Knochen vorhanden und β-CTX Tests erfassen nur Kollagenfragmente aus reifem Knochenkollagen. Neu gebildetes Kollagen wird nicht bestimmt, weshalb der β-CTX Test kein Marker der Knochenbildung ist /2/.
• Die β-CTX werden auch als β-Crosslaps bezeichnet. Sie sind mit Immunoassays auf automatisierten Plattformen mit guter Präzision im Serum und Urin bestimmbar.

6.12.1 Indikation

Bestimmung des Knochenumsatzes:

• Diagnostik des gesteigerten regulären Knochenumsatzes, z.B. postmenopausal.
• Therapeutisches Monitoring der Osteoporose.
• Monitoring des Knochenumsatzes von Dialysepatienten.
• Therapeutisches Monitoring maligner Knochenerkrankungen.

6.12.2 Bestimmungsmethode

Enzymimmunoassay

Two-site immunoassay spezifisch für die cross-linked β-isomerisierten Typ 1-Kollagen Telopeptidframente (β-CTX = β-Crosslaps). Zwei monoklonale Antikörper werden angewendet, jeder registriert das Antigen Glu-Lys-Ala-His-βAsp-Gly-Gly-Arg (Crosslap-Antigen) /3/.

Prinzip: Die Probe wird mit einen biotinylierten Antikörper inkubiert und dann ein zweiter Ruthenium-markierter Antikörper zusammen mit Streptavidin beladenen Mikropartikeln dem Ansatz beigefügt. Es wird ein Sandwichkomplex gebildet, der sich vermittels Biotin-Streptavidin an die Mikropartikel bindet. Die Mikropartikel werden magnetisch an die Oberfläche einer Elektrode gebunden. Das Anlegen einer Spannung an die Elektrode induziert eine Chemilumineszenz Emission, die mit einem Photomultiplier gemessen und über eine Kalibrationskurve in einen Konzentrationswert transformiert wird.

6.12.3 Untersuchungsmaterial

EDTA Plasma, Urin: 2 ml

6.12.4 Referenzbereich

Siehe Lit. /3/ und Tab. 6.12-1 – β-CTX-Referenzbereiche.

6.12.5 Bewertung

In der klinische Praxis wird die Bestimmung von β-CTX im Plasma oder Urin zur Diagnose und dem Management eines Spektrums von metabolischen und malignen Knochenerkrankungen angefordert. β-CTX wird beim Umbau des Knochens in relativ großen, beim Umbau der Haut aber nur in kleinen Mengen in die Zirkulation entlassen. Deshalb hat sich β-CTX als ein sensitiver und spezifischer Biomarker des Knochenumsatzes herauskristallisiert (Tab. 6.12-2 – β-CTX bei Zuständen und Erkrankungen mit erhöhtem Knochenumsatz). Bedingt durch seine gute diagnostische Sensitivität den Abbau von Typ 1-Kollagen anzuzeigen, die Möglichkeit der Bestimmung im Serum und die Adaption an automatisierte Analyzer hat die Anwendung von β-CTX als einen weitgehend angewendeten Knochenresorptionsmarker favorisiert /18/.

6.12.5.1 Anmerkungen zur Bewertung von β-CTX /4/

Variabilität von Tag zu Tag

Ist im Serum gering und im Urin hoch.

Diurnale Variation /15/

Die höchsten Werte werden in den Morgenstunden, niedrigere am Nachmittag und abends gemessen (Abb. 6.12-1 – Zirkadiane Variation der β-CTX-Konzentration im Serum).

Saisonale Variation

Bedingt durch einen moderaten Vitamin D-Mangel sind die β-CTX Konzentrationen im Winter höher als im Sommer (Abb. 6.12-2 – β-CTX im EDTA-Plasma).

Nahrungsaufnahme

Eine Mahlzeit 60–120 min vor der Blutentnahme kann die Serum β-CTX Konzentration um bis zu 50 % erhöhen.

Hormon-Ersatztherapie

Der β-CTX Wert fällt wie dargestellt in Abb. 6.12-3 – Alter der Frauen und β-CTX-Konzentration im EDTA-Plasma.

6.12.6 Hinweise und Störungen

Patientenvorbereitung zur Probennahme

Eine 12 h Nahrungskarenz vor der Blutentnahme soll eingehalten werden. Nach dem Aufstehen bis zur Blutentnahme ist nur Trinken von Wasser erlaubt /15/.

Die morgendliche Blutentnahme erfolgt im Zeitraum von 7.00–9.00 Uhr /16/.

Ist eine Blutentnahme bis 9 Uhr nicht möglich, wird als Alternative zu β-CTX die Bestimmung von Pyridinolinen im Urin empfohlen.

Bei Dialysepatienten erfolgt die Blutentnahme vor der Dialyse.

Probenmaterial

EDTA Plasma ist besser geeignet als Serum, da die Stabiliät höher ist.

Stabilität von β-CTX (β-Crosslaps)

Im EDTA-Vollblut 6 h bei Raumtemperatur (RT). Im EDTA-Plasma 24 h bei RT und 48 h bei 4 °C und bei –20 °C 1 Monat. Im Serum bei RT 12–24 h.

Literatur

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6.13 Osteoporose

Lothar Thomas

Die Osteoporose ist eine systemische Erkrankung des Skeletts älterer Menschen und ist durch eine niedrige Knochenmasse charakterisiert. Der Knochen ist brüchig und spröde. Nach der WHO ist die Knochenmasse größer oder gleich –2,5 des Normalen. Die Osteoporose ist eine metabolische Erkrankung des Knochens und durch eine Imbalance von Knochenresorption und Knochenaufbau charakterisiert. Im Verlauf der Erkrankung nimmt der Aufbau des Knochengewebes ab, die Knochenresorption ist aber erhöht.

Die Osteoporose ist eine häufige Erkrankung und belastet das Gesundheitssystem finanziell stark /1, 2/. Fragilitätsfrakturen der Wirbelsäule, der Hüfte, des Vorderarmes, des Humerus und des Beckens sind diagnostisch für die Osteoporose. Die Kompressionsfraktur eines Wirbels, die häufigste osteoporotische Fraktur, kann sehr schmerzhaft sein. Viele Faktoren spielen bei der Osteoporose eine Rolle. Bedingt durch das zunehmende Alter, die größere Zahl älterer Menschen in der Bevölkerung und die Zunahme diagnostischer Verfahren und von Therapieansätzen nimmt die Prävalenz der Osteoporose zu /3/. Bei Personen im Alter über 50 Jahren beträgt die Häufigkeit der Osteoporose in den USA 9,4 % der Bevölkerung und in Europa wurde bei 32 Millionen Menschen eine Osteoporose diagnostiziert (25,5 Millionen Frauen und 6,5 Millionen Männer) /4/.

6.13.1 Postmenopausale Osteoporose

Die Postmenopausale Osteoporose ist durch einen Mangel an Östrogenen bedingt. Der Mangel führt zu einer erhöhten Aktivierung und Differenzierung von Osteoklasten. einer beschleunigten Knochenresorption, die die Knochenbildung übertrifft, was zu einem raschen Verlust von Knochen führt, besonders kurz vor und nach der Menopause /4/. Das Ergebnis ist eine verminderte minerale Knochendichte, eine Störung der Mikroarchitektur des Knochens. eine Abnahme der Knochenstärke von Wirbeln, der Hüfte und des Schenkelhalses des Oberschenkelknochens auf einen T score von über –2.5) unterhalb des Medians junger Erwachsener (T score von 1,0) /4/.

Da die Osteoporose eine Herausforderung für Ärzte und das Gesundheitssystem ist, wurden viele Ansätze versucht die Risikofaktoren für die Osteoporose finden und durch protektive Handlungen und Therapien den Knochenaufbau zu verbessern, unter anderem auch durch Änderung der Qualität des Proteins in der Nahrung /5/. In den USA haben etwa 40 % der postmenopausalen Frauen eine Knochendichte, die als Osteopenie definiert wird (T score zwischen –1,0 und –2,49). Die Osteoporose ist in der Regel asymptomatisch und eine Herausforderung für das Gesundheitswesen. Es werden Anstrengungen unternommen, Risikofaktoren zu finden.

Es besteht kein Konsensus über Laboruntersuchungen zur Beurteilung des Knochenstoffwechsels bei Osteoporose und zur Beurteilung des Ansprechens unter Therapie. Eine Zusammenstellung des Autors gibt folgenden Hinweis:

• Ca²⁺ in Serum
• Ca²⁺ Ausscheidung in 24 h Urin
• Vitamin D
• Parathormon
• Alkalische Phosphatase
• FSH
• Osteocalcin
• N-terminal cross-linked Telopeptid von Typ 1 Kollagen (NTX) und C-terminal cross-linked Telopeptid von Typ 1 Kollagen (CTX).

Literatur

1. Manolagas SC. Birth and death of bone cells: basic regulatory mechanisms and implications for the pathogenesis and treatment of osteoporosis. Endocr Rev 2000; 21: 115–37.

2. Oden A, McCloskey EV, Kanis JA, Harvey NC, Johansson H. Burden of high fracture probability worldwide: secular increases 2010–2040. Osteoporosis Int 2015; 26: 2243–8.

3. Weaver CM, Alexander DD, Boushey CJ, Dawson-Hughes B, Lappe JM, Le Boff MS, et al. Calcium plus vitamin D supplementation and risk of fractures. Osteoporosis Int 2016; 27: 367–76.

4. Walker MD, Shane E. Postmenopausal osteoporosis. N Engl J Med 2023; 389: 1979–1991.

5. Kedzia G, Wozniak M, Samborski W, Grygiel-Gorniak B. Impact of dietary protein on osteoporosis development. Nutrients 2023; 15 (21): 4581. doi: 10.3390/nu15214581.