Eisenstoffwechsel

7.1 Eisenstoffwechsel und -störungen

Lothar Thomas

7.1.1 Eisen, ein essentielles Element

Eisen ist das zweit häufigste Metall der Erde und ein Übergangselement, das leicht Elektronen abgibt und aufnimmt. Eisen kann in die Oxidationsstufen von –2 bis +6 wechseln. In biologischen Systemen ist der Wechsel beschränkt auf die Oxidationsstufen Ferro (+2), Ferri (+3) und Ferryl (+4). Bei der Umwandlung in die verschiedenen Oxidationsstufen werden nicht nur Elektronen weitergegeben, sondern es können auch reversible Verbindungen mit Liganden eingegangen werden. Das ist möglich auf Grund des nicht besetzten δ-Orbitals.

Fe²⁺ und Fe³⁺ werden gewöhnlich als Abkürzungen für die hydratisierten Ionen [Fe(H₂O₆)]²⁺ und [Fe(H₂O₆)]³⁺ verwendet. Die Bindung an Eisen führt zu einer Zunahme der Azidität von Wasser. Dieser Effekt nimmt mit der Ladung des Eisenions zu: Der pKa des an Fe³⁺ gebundenen Wassers ist 2, während derjenige des Fe²⁺ gebundenen Wassers 7 ist. Unter physiologischen Bedingungen sind Fe³⁺ auf Grund der Bildung von polynukleären hydroxo verbrückten Komplexen unlöslich. Löslichkeit zeigen Fe²⁺, die aber mit Wasserstoffperoxid Hydroxyl-Radikale (HA^–) bilden nach der Fenton Reaktion:

Fe2+ + H2O2	→ Fe3+ + OH· +OH–
Fe3+ + HA–	→ Fe2+ + A· + H+

Die bevorzugten biologischen Liganden des Eisens sind Sauerstoff-, Stickstoff- und Schwefelatome /1/. Freies Eisen ist toxisch, Fe³⁺ stärker als Fe²⁺ Deshalb ist Eisen im Organismus immer organisch gebunden. Intrazellulär liegt Eisen in zweiwertiger Form vor, extrazellulär in dreiwertiger.

Eisen ist in eine Reihe biologisch wichtiger Reaktionen wie den Sauerstoff- und Elektronen-Transport involviert und es ist das Substrat für Oxidations- und Reduktions-Reaktionen.

Wesentliche Proteingruppen, bei denen Eisen als prosthetische Gruppe eines Enzyms in Form des Häm und seiner Derivate, als Eisen-Schwefel-Komplex oder gebunden an Aminosäuren vorliegt, sind /1/:

• Hämoproteine wie Hämoglobin (Hb) und Myoglobin. Es handelt sich um Proteine, die O₂ zu den terminalen Oxidasen in den Mitochondrien transportieren. Ferner das im Porphyrinring enthaltene Eisen, entweder als prosthetische Gruppe von Hb im Erythrozyten oder des Myoglobins in der Muskelzelle. Im Porphyrinring enthaltenes Eisen vermittelt den O₂-Transport im Blut bzw. dem Muskel. Bei Eisenmangel kann der Gehalt des Erythrozyten an Hb und der Zelle des Skelettmuskels an Myoglobin um 40–60 % reduziert sein /2/.
• Häm enthaltende Enzyme wie die Cytochrome. Auch hier ist das Eisen in einem Porphyrinring enthalten. Cytochrome liegen gekoppelt mit anderen Enzymen in der mitochondrialen Elektronen-Transportkette vor. Das Eisen im Häm des aktiven Zentrums der Cytochrome unterliegt bei der Weitergabe von Elektronen einem Valenzwechsel (Fe²⁺ nach Fe³⁺ und umgekehrt).
• Eisen-Schwefel-Proteine. Es handelt sich zum einen um Enzyme, bei denen Schwefel-Eisen-Verbindungen an der Elektronenübertragung teilnehmen, wobei ein Teil der am Komplex beteiligten Schwefelatome den Cysteinresten des Apoenzyms zuzuordnen sind. Diese Enzyme enthalten als Coenzym Flavinadenindinukleotid (FAD) wie die Flavoproteine Succinatdehydrogenase (EC 1.3.99.1) und Liponamiddehydrogenase (EC 1.6.4.3). Zum anderen gehören zu den Eisen-Schwefel-Proteinen Enzyme, die als prosthetische Gruppe Eisen-Schwefel-Komplexe vom Fe₂S₂-Typ oder Fe₄S₄-Typ enthalten. Gemeinsam ist bei ihnen die Beteiligung von vier Cysteinresten des jeweiligen Proteins. Enzyme dieser Proteinklasse sind die NADH-Reduktase, Succinat-Dehydrogenase und QH₂-Cytochrom c-Reduktase und das Iron Regulatory Protein I (IRP-1); siehe Beitrag 7.1.4 – Eisenmangel. Bei Eisenmangel sinkt die Aktivität dieser Enzyme im Tierversuch auf 30–60 % der ursprünglichen Aktivität /2/.
• Nicht Enzymproteine wie Transferrin, Ferritin und Hämosiderin. Sie spielen eine Rolle im Eisentransport und der Speicherung von Eisen in den Zellen.

Die positiven Eigenschaften der Elektronen Übertragung von Eisen, die nützlich für die Gewinnung von Energie des Organismus sind, können jedoch Schaden anrichten durch Bildung von Sauerstoffradikalen nach der Fenton Reaktion. Eisen kann mit Sauerstoff reagieren unter Bildung des toxischen Superoxidanions (O₂^–).

Fe2+ + O2 → Fe3+ + O2–

Die wichtigste Quelle des H₂O₂ ist die Atmungskette, denn bis zu 5 % des bei der mitochondrialen Atmung verbrauchten Sauerstoffs wird in H₂O₂ umgewandelt /3/. Gebildete Hydroxylradikale (OH^–) und das Superoxidanionen oxidieren Makromoleküle und wirken zerstörend auf organische Strukturen.

7.1.2 Kritische Determinanten der Eisenhomöostase

Kritische Determinanten der Konzentration von Serumeisen sind die enterale Eisenabsorption, das Recycling und die Speicherung von Eisen, der von Hepcidin kontrollierte und von Ferroportin vermittelte Efflux von zellulärem Eisen, der durch die Eisen responsive Elemente und Eisen-regulatorische Proteine (IRE/IRP) kontrollierte zelluläre Eisengehalt, die Transferrinsättigung und die erythropoetische Aktivität.

7.1.2.1 Eisenaufnahme und Eisentransport

Erhöhung der Löslichkeit von Eisen

Alle Organismen, die Eisen benötigen, haben die Probleme der Unlöslichkeit und der Toxizität dieses Metalls zu überwinden. Eisen kommt in der unbelebten Natur als unlösliches Fe³⁺-Hydroxid oder Fe³⁺-Oxid vor. Die Löslichkeit von Fe³⁺ nimmt dramatisch zu bei Abfall des pH, der Löslichkeits Koeffizient beträgt 10^–18 mol/l bei pH 7,0 und 10^–3 mol/l bei pH 2,0.

Der Organismus hat folgende Strategien zur Begünstigung der enteralen Aufnahme von Eisen entwickelt /3/:

• Den pH in der Umgebung, aus der das Eisen aufgenommen werden soll, abzusenken. Im Lumen des Magens kann ein pH von 1 erreicht werden, der saure Inhalt wird dann in das Duodenum abgegeben, wo die Resorption des Eisens erfolgt. Erkrankungen oder Maßnahmen, die den pH anheben, führen zu einer verminderten Absorption von Eisen.
• Die Aufnahme von schwer absorbierbaren Fe³⁺ durch Bindung an kleine organische Moleküle, sogenannte Siderophore, zu begünstigen. Es handelt sich bei den Siderophoren um Hydroxylamine und Peptide, die Fe³⁺ mit hoher Avidität binden.
• Durch die Reduktion von Fe³⁺ zu Fe²⁺ die Wasserlöslichkeit und Bioverfügbarkeit von Eisen zu erhöhen.

Dies geschieht durch Ferrireduktasen. Die Enzyme sind auf der Zellmembran des Enterozyten lokalisiert und den Transportsystemen für Eisen vorgeschaltet. Auch die Einnahme von Ascorbinsäure wirkt reduzierend.

7.1.2.2 Intestinale Eisenabsorption

Nur 1–3 mg des Eisen in der Nahrung werden täglich von den Enterozyten der duodenalen Mikrovilli absorbiert. Im Wesentlichen werden zwei Formen von Eisen aufgenommen /4, 5, 6/:

• Nicht Hämeisen liegt vorwiegend in Form von Fe(III)-Salzen vor und ist nicht bioverfügbar. An der apikalen Zellmembran der Enterozyten werden Fe³⁺ zu Fe²⁺ durch die duodenale Cytochrom b (DCYTB)-Reduktase, ein Ascobinsäure abhängiges Enzym, reduziert (Abb. 7.1-1 – Transport von Eisen durch den Enterozyten im Dünndarm). Fe²⁺ wird nachfolgend vom Divalenten Metall Transporter 1 (DMT 1) in die Zelle aufgenommen. DMT1 transportiert H⁺ gemeinsam mit Übergangs Metallen wie Zn²⁺, Cd²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺ und Co²⁺ /7/. Die Interaktion von Fe²⁺ und Fe³⁺ mit Komponenten der Nahrung wie Polyphenolen (schwarzer Tee), Phytaten, Oxalsäure, Tanninen, Karbonaten und Phosphaten reduziert die Bioverfügbarkeit von Eisen. Das gilt besonders bei der oralen Zufuhr von Eisensulfat.
• Bei an Fleisch reicher Nahrung hat Eisen aus Häm einen Anteil von etwa zwei Dritteln der enteralen Eisenversorgung. Häm ist bei alkalischem pH löslich und präzipitiert bei saurem pH. Im Darmlumen wird Häm durch Enzyme des Pankreas von den Globinanteilen aus Myoglobin und Hb freigesetzt und gelangt als intaktes Metalloprotein in die Enterozyten. Das Häm wird von der Bürstensaum Membran des duodenalen Enterozyten aufgenommen und intrazellulär von der Hämoxygenase (EC 1.14.99.3) degradiert, der Porphyrinring gespalten, das Eisen freigesetzt und dem intrazellulären Eisenpool hinzugefügt.

Im Zytoplasma des Enterozyten wird Eisen an Proteine und niedrig molekulare Substanzen gebunden, um die toxische Wirkung von Eisen auszuschalten. Ein Teil des Eisens wird in den Blutstrom exportiert. Dazu wird Eisen zur basolateralen Membran transportiert und über den Ferroportinkanal in Assoziation mit der Ferrioxidase Hephaestin in das Blut abgegeben. Der andere Teil wird als Ferritin im Zytoplasma gespeichert und geht eventuell mit abschilfernden alternden Enterozyten über die Faeces verloren.

An der basolateralen Membran des Enterozyten erfolgt der Transfer von Eisen in das Blut durch den Eisenexporter Ferroportin. Dem Ferroportin nachgeschaltet ist die Ferroxidase Hephaestin, die Fe²⁺ zu Fe³⁺ oxidiert, das dann im Plasma an Transferrin (Tf) gebunden wird. Tf transportiert Fe³⁺ zu allen Zellen, die Transferrin Rezeptoren an ihrer Oberfläche besitzen.

Die intestinale Eisenaufnahme kann durch den Eisengehalt der kürzlich aufgenommenen Nahrung, die Füllung der Eisenspeicher und die erythropoetische Aktivität moduliert werden.

7.1.2.3 Eisenaufnahme der Gewebe

Die Verteilung des Eisens an die Gewebe geschieht durch den Transferrinzyklus /5, 6/:

• Enteral aufgenommenes, im Blut erscheinendes Fe³⁺ bindet mit hoher Affinität an Apotransferrin (Apo-Tf) im Plasma. Apo-Tf ist ein spezifisches Fe³⁺-bindendes Protein, das im Vergleich zum Eisen in hohem Überschuss vorhanden ist. Apo-Tf hat die Aufgaben Fe³⁺ zu solubilisieren, seine Reaktivität zu neutralisieren und die Gewebe, insbesondere die Erythropoese, mit Eisen zu versorgen. Ein Molekül Apo-Tf bindet zwei Atome Fe³⁺. Das gesamte Apo-Tf, es repäsentiert die Eisenbindungskapazität des Plasmas, kann 12 mg Eisen binden. Normalerweise ist die Eisenbindungskapazität nur zu 30 %, also mit 4 mg Eisen beladen. Das bedeutet, 75 % des Eisentransportproteins liegen als Apo-Tf und 25 % als Holo-Tf vor.
• Im Gewebe wird Tf von den Transferrin Rezeptoren (TfR), die auf der Plasmamembran der Zellen exprimiert sind, gebunden (Abb. 7.1-2 – Zelluläre Eisenaufnahme von Transferrin). Der Tf-TfR-Komplex wird durch Endozytose in die Zellen aufgenommen. Nach Freisetzung des Eisens wird der TfR-Apo-Tf-Komplex von der Membran des Endosoms abgespalten, das Tf abgelöst und der TfR als löslicher (solubler) Transferrin Rezeptor (sTfR) in die Zirkulation abgegeben /6/. Erythroide Vorläuferzellen haben den höchsten Besatz an TfR und besitzen zwei Drittel der Rezeptorausstattung des Gesamtorganismus. Das Ausmaß der Expression von Rezeptoren ist ein Indikator des Eisenversorgung der Zellen und Proliferation der Erythropoese. Eisenmangel und Hyperproliferation der Erythropoese erhöhen die Ausstattung des Organismus mit TfR und Konzentration von sTfR im Serum ist erhöht.
• Das in den Endosomen der Zellen durch Ansäuerung freigesetzte Fe³⁺ bildet den sogenannten labilen Eisenpool derZelle. Vom labilen Eisenpool wird das Eisen für den zellulären Bedarf bereit gestellt. Besteht kein Bedarf wird Eisen in der Zelle als Ferritin gespeichert.

Die Sättigung von Transferrin mit Eisen ist ein wesentlicher Determinator und labordiagnostischer Indikator der systemischen Eisenhomöostase.

7.1.2.4 Plasmaeisen-Turnover (Recycling von Eisen)

Der tägliche Transport von Eisen im Plasma zur Erhaltung der Eisenbalance wird als Eisenturnover bezeichnet. Die wesentliche Quelle ist das aus alternden roten Blutzellen freigesetzte Eisen (iron recycling) und nicht das aus der Nahrung stammende Eisen. Bei gefüllten Eisenspeichern werden enteral etwa 1 mg täglich absorbiert. Somit wird der in gleicher Größenordnung liegende Verlust durch apoptotische Zellen im Darm kompensiert. Die Erythropoese enthält zwei Drittel des Körpereisens. Siehe Abb. 7.1-3 – Eisenverteilung im Organismus.

Zur Aufrechterhaltung der Eisenhomöostase sind täglich 25 mg Eisen erforderlich. Das meiste Eisen wird für die Bildung von Hb benötigt. Der Erythrozyt hat eine funktionelle Lebenszeit von 120 Tagen und 0,8 % der Erythrozyten werden täglich aus der Zirkulation genommen und wieder ersetzt. Das Hb einer 70 kg schweren Person mit einem Blutvolumen von 5 l enthält 2,5 g Eisen. Davon unterliegen 20 mg (0,8 %) dem täglichen Eisenturnover auf Grund der Degradation und Neubildung von Erythrozyten. Weitere 5 mg werden von anderen Körperzellen benötigt /1, 5/.

7.1.2.5 Eisenspeicherung

Der Eisengehalt des Organismus beträgt 30–40 mg/kg Körpergewicht. Der Gehalt ist jedoch abhängig vom Alter, Geschlecht, den Geweben und Organen. Etwa 75 %, entsprechend etwa 2,5 g, liegen in der erythroiden Masse in Form von Hb als funktionelles Eisen vor (Abb. 7.1-3 – Eisenverteilung im Organismus). Das gespeicherte Eisen variiert von 15 bis unter 1 mg/kg Körpergewicht und die absolute Menge des gespeicherten Eisens des Erwachsenen beträgt etwa 0,5 bis 1 g. Die Menge ist abhängig von Geschlecht, Alter und dem Gewebe.

Das Speichereisen ist folgendermaßen verteilt /1/:

• In Makrophagen des retikuloendothelialen Systems (RES) und in Hepatozyten. Die Leber hat einen Anteil von 60 % der Speicherkapazität und 8 % am Plasma-Eisenturnover. Hepatozellulär gespeichertes Eisen liegt als Ferritin (80 %) und Hämosiderin (15 %) vor. Eisen wird vorwiegend in der periportalen Region der Leber, mit einem abnehmenden Gradienten hin zur zentrilobulären Region, gespeichert.Etwa 5 % des Eisen, das in die Leber kommt, wird in den Kupffer-Zellen als Hämosiderin gespeichert. Bei Eisenüberladung erfolgt eine Leberschädigung, wenn der Eisengehalt der Leber um mehr als das 10 fache überschritten wird.
• 40 % in den Makrophagen des RES, die maximal mit 5 g Eisen überladen werden können, sowie im Muskelgewebe, gespeichert als Ferritin.

Totaler Eisengehalt des Organismus

Der totale Eisengehalt des Organismus wird durch die intestinale Absorption aus der Nahrung aufrecht erhalten. Ein Neugeborenes hat ein totales Eisen von 250 mg /5/. Während der Wachstumsphase muss die Eisenaufnahme den täglichen Verlust von 1 mg übersteigen, um eine Konzentration an Eisen von etwa 60 μg/dl (10,7 μmol/l) aufrecht zu erhalten. Eine 70 kg schwere Person hat ein totales Eisen von 3–4 g.

7.1.2.6 Physiologischer Eisenverlust

Die Verluste des Organismus an Eisen variieren mit Geschlecht und Alter und sind bedeutsam, wenn es zu einem Blutverlust kommt /1/. Da der Eisengehalt 3,46 mg/g Hb ist, resultiert aus 1 ml Blutverlust (Hb 150 g/l) der Verlust von 0,5 mg Eisen /5/. Beim Mann beträgt der tägliche Eisenverlust etwa 0,9 mg, resultierend aus 0,6 mg gastrointestinaler und bis zu 0,3 mg renaler Ausscheidung. Bei der Frau sind die Verluste im reproduktiven Alter höher. Der menstruelle Blutverlust, geschätzt als 33 ml pro Periode, führt zu einem mittleren täglichen Eisenverlust von 1,5 mg, der sich bis auf 2,1 mg erhöhen kann. Die Einnahme oraler Kontrazeptiva vermindert, das Legen von Spiralen erhöht den Verlust Eisen /1/.

7.1.3 Regulation des Eisenmetabolismus

Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Homöostase von Eisen auf systemischer und zellulärer Ebene erfordern eine adäquate Eisenversorgung und die Verhinderung einer Akkumulation von toxischem Eisen.

Auf systemischer Ebene erfolgt die Eisenregulation durch das Peptid Hepcidin, das von der Leber exprimiert wird. Hepcidin begrenzt die Menge des enteral absorbierten Eisens durch Bindung an den Eisenexporter Ferroportin und verhindert durch Degradation von Ferroportin die Aufnahme von Eisen aus dem Darm und die Freisetzung von Eisen aus den Speichern. Die Transkription von Hepciden wird hoch reguliert bei Eisenüberladung und Inflammation und herunter reguliert durch Eisenmangel, Hypoxie und eine ineffektive Erythropoese (z.B. bei β-Thalassämie).

Auf zelluärer Ebene wird die Eisenhomöostase durch die RNA-bindenden zytoplasmatischen Iron-regulatory proteins IRP 1 und IRP 2 aufrecht erhalten. Es handelt sich um RNA bindende Proteine, die post-transkriptional die Expression der Proteine Ferritin, mitochondriale Aconitase, 5-Aminolaevulinsäure Synthase und des Hypoxia-inducible facor 2α (HIF-2α) bestimmen.

7.1.3.1 Systemische regulatorische Mechanismen

Zur Aufrechterhaltung einer normalen Eisenkonzentration im Plasma und zur Versorgung der Gewebe mit Eisen, das über Recycling aus alternden Erythrozyten freigesetzt wird oder zum geringeren Anteil aus intestinaler Absorption stammt, bedarf es systemischer regulatorischer Mechanismen. Denn im Unterschied zu anderen Spurenelementen, bei denen die Homöostase über die Ausscheidung geregelt wird, erfolgt beim Eisen die Regulation durch ein Zusammenwirken von Eisenaufnahme durch die Enterozyten und Eisenabgabe bzw. Eisenaufnahme durch Makrophagen und Hepatozyten.

Regulatorisches Element intestinale Absorption

Das Duodenum ist ein wichtiger Sensor und Regulator der Absorption von Eisen, da es auch die Transportproteine für Eisen reguliert. Die Regulation erfolgt:

• Durch HIF-2α. Es handelt sich um den wesentlichen Eisen-induzierbaren Transkriptionsfaktor der Eisentransporter in den Enterozyten. Die Verminderung von intrazellulärem Eisen, O₂ oder Ascorbinsäure reduziert die Aktivität zytoplasmatischer Prolylhydrolasen (PH), die als Sensoren wirken. Als Folge der verminderten pH-Aktivität werden die Gene DCYTB und DMT1 hoch reguliert, vermehrt DCTB, DMT1 und Ferroportin auf der Enterozyten Membran exprimiert und verstärkt Eisen apical absorbiert und basolateral in das Blut transferiert. Die Wirkung von HIF-2α soll apical stärker sein als basolateral. Hypoxie induziert eine Steigerung der Eisenabsorption 6–8 h nach Einsetzen der Hypoxie. Die Steigerung geht Änderungen im Anstieg von Plasmaeisen, der Aktivierung der Erythropoese und dem Anstieg von Hepcidin voraus /8/.
• Auf Grund des Eisengehaltes im labilen Eisenpool des Enterozyten. Der Enterozyt reguliert die Absorption von Eisen durch die Wirkung von Iron regulatory proteins (IRP) auf Iron regulatory elements (IRP-IRE-System) und deren Effekte auf DMT 1 /9/.

Regulatorisches Element Makrophage

In der Regulation des Eisenhaushalts spielen die Makrophagen spielen eine wichtige Rolle /4/. Alte und geschädigte Erythrozyten werden von den Makrophagen des retikulo-endothelialen Systems von Leber und Milz aufgenommen und aus der Zirkulation entfernt. Im Makrophagen erfolgt die Degradation des Erythrozyten und die Spaltung des Hb in Häm und Komponenten des Globulins. Der Abbau wird eingeleitet durch die oxidative Öffnung des Porphyrinrings, die durch die NADP⁺-abhängige Häm-Oxygenase (EC 1.14.99.3) katalysiert wird. Die Häm-Oxygenase wird durch eine Reihe von Faktoren, insbesondere inflammatorische Zytokine, reguliert. Die Speicherung von Eisen erfolgt als Ferritin und Hämosiderin in Makrophagen. Der Eisenexporter Ferroportin sorgt für den Ausstrom von Eisen aus den Makrophagen und die Übergabe an das Apotransferrin in der Zirkulation. Siehe Abb. 7.1-4 – Regulation des Eisengehalts des intrazellulären Eisenpools durch die Hepcidin-Ferroportin Achse.

Ursache der Anämie chronischer Erkrankungen ist eine verminderte Freisetzung von Eisen aus Hepatozyten und Makrophagen. Diese sind durch eine chronische Inflammation, die eine Erhöhung von Hepcidin bewirkt, mit Eisen überladen. Bei der HFE Hämochromatose ist der Makrophage, bezogen auf den hohen Gehalt des Organismus an Eisen des Organismus, relativ Eisen-entleert.

Regulatorisches Element Hepatozyt

Die Leber bildet ein komplexes Muster an Proteinen, des Eisenstoffwechsels. Der Hepatozyt bildet IRP1, IRP2, Transferrin, Hepcidin und die beiden Rezeptoren des Transferrins (TfR-1 und TfR-2). Transferrin Rezeptoren binden Eisen beladenes Transferrin (Tf) und transportieren es in die Hepatozyten. TFR-1 ist wichtig für die Aufnahme von Eisen durch den Hepatozyten, TfR-2 wirkt als ein Sensor für die Sättigung des TFR-1 mit Eisen und stimuliert die Expression von Hepcidin. Siehe Abb. 7.6-4 – Signale und Regulation der Hepcidinexpression.

Der Hepatozyt vermag aber auch nicht an Tf gebundenes Eisen aufzunehmen, wenn die Transportkapazität des Tf erschöpft ist /1/. Bei Serumwerten des Ferritins > 800 μg/l ist die Leber der wesentliche Eisenspeicher.

Regulatorisches Element Erythropoese

Erythroide Vorläuferzellen sind die wesentlichen Konsumenten von Eisen. Auf ihrer Zellmembran haben sie den TfR-1 exprimiert, über den an Tf gebundenes Eisen aufgenommen wird (siehe Beitrag 7.4 – Löslicher Transferrin Rezeptor). Das geschieht über rezirkulierende Endosomen, die nach Ansäuerung Eisen freisetzen, das dann über den DMT1 in das Zytoplasma abgegeben wird (Abb. 7.1-2– Zelluläre Eisenaufnahme vom Transferrin). Dort bildet es den labilen Eisenpool, bevor es zur Hb-Synthese verwendet wird. Das IRE-IRP-System reguliert die Stabilität der mRNA für TfR-1 und die 5-Aminolaevulisäure-Synthase. Letztere katalysiert de ersten Enzym in der Synthese von Häm (Abb. 7.1-5 – Der erste Schritt in der Hämsynthese). Diese Regulation garantiert, dass die Menge des toxischen Protoporphyrin IX auf die Eisenverfügbarkeit abgestimmt ist /4/.

Regulatorisches Protein Hepcidin

Hepcidin ist ein Regulatur der systemischen Homöostase von Eisen im Organismus /10/. Siehe auch Beitrag 7.6 – Hepcidin. Eine erforderliche Konzentration von Eisen im Plasma wird gewährleistet durch die Regulation:

• Von Nahrungseisen aus duodenalen Enterozyten.
• Von recyceltem Eisen aus alternden Erythrozyten und anderen Zellen, die von Makrophagen abgebaut werden.
• Von Eisen aus Hepatozyten, die Eisen gespeichert haben.
• Des plazentaren Transfers von Eisen in den kindlichen Kreislauf während der Schwangerschaft.

Die Konzentration von Hepcidin ist rückgekoppelt an die Transferrinsättigung (TfS) und den Eisenbedarf der Erythropoese. Eisenmangel, eine erhöhte erythropoetische Aktivität und Hypoxie unterdrücken die Expression von Hepcidin. Niedrige Hepcidinwerte ermöglichen die verstärkte intestinale Eisenabsorption und eine erhöhte Synthese von Hb. Hepcidin ist stark erhöht bei Inflammation und der sekundären Eisenüberladung. Hereditäre Hämochromatosen mit Störung der Hepcidin-Ferroportin-Achse gehen mit einer Hepcidinverminderung unterschiedlichen Ausmaßes einher.

Die TfS reflektiert die Differenz zwischen dem Hepcidin-Ferroportin regulierten Transfer von Eisen in das Plasma und dem Eisenbedarf der Erythropoese. Hepcidin zeigt eine positive Korrelation zu Ferritin und ist niedrig bei erniedrigten Ferritinwerten und erhöht bei hohen.

7.1.3.2 Regulation des zellulären Eisenmetabolismus

Jede somatische Zelle reguliert ihre eigene Eisenbalance und enthält ein regulatorisches System zur koordinierten Aufnahme, den Verbrauch und die Speicherung von Eisen /11/.Die Aufnahme von Eisen über den TfR und die intrazelluläre Speicherung als Ferritin reguliert die Zelle auf post transkriptionaler Ebene, kontrolliert durch die Bindung von Eisen regulatorischen Proteinen (Iron-regulatory proteins, IRP1 und IRP2) an cis-regulatorische mRNA Motife, auch als Eisen regulatorische Elemente (IREs) bezeichnet.

Die Interaktionen von IRE/IRP regulieren die Expression von mRNAs, die folgende Proteine kodieren (Abb. 7.1-6 – Post-transkriptionale Regelung der zellulären Eisenhomöostase):

• Für die zelluläre Eisenaufnahme den TFR-1 und den Divalenten Metal Transporter 1 (DMT-1).
• Zur Speicherung von Eisen die Ferritin H- und L-Ketten.
• Zur Einschleußung von Eisen in die Erythropoese die 5-Aminolävulinsäure-Synthetase (5-ALAS; ε-ALAS), das zentrale Enzym der Hb-Synthese (Abb. 7.1-5 – Erster Schritt der Hämsynthese).
• Die mitochondriale Aconitase.
• Den Hypoxia inducible factor.

Die IRPs sind sensorische Proteine für Eisen und im Zytoplasma der Zellen lokalisiert. Spezielle Mechanismen kontrollieren die Aktivität von IRP-1 und IRP-2 abhängig vom Eisengehalt des zellulären labilen Eisenpools. Ist dessen Eisengehalt ausreichend, bildet sich in IRP-1 eine 4Fe-4S Konfiguration, die eine Bindung von IRP-1 an IRE verhindert. Die neue Konfiguration von IRP-1 ist identisch mit dem Enzym Aconitase, dessen Funktion es ist, die Transformation von Citrat in Isocitrat zu katalysieren.

IRE/IRP Komplexe, in der 5`UTR (nicht-translatierten Region) einer messenger RNA gebildet, hemmen die Translation und somit die Bildung von Proteinen des Eisen Metabolismus (verminderte Bildung von Ferritin und von 5-Aminolävulinsäure-Synthetase). Demgegenüber führt die Bindung von IRP an IREs der 3`UTR der mRNA des Transferrin Rezeptors 1 (TfR-1) dazu, dass dessen Degradation verhindert wird und der TfR-1 aktiv bleibt.

Beim zellulären Eisenmangel (niedriger labiler Eisenpool) wird:

• Vermehrt TfR1 auf der Zelloberfläche exprimiert und verstärkt Eisen aufgenommen.
• Die Synthese von Ferritin gehemmt, dadurch intrazellulär der labile Eisenpool erhöht, damit freies Eisen für die Synthese Eisen haltiger Proteine zur Verfügung steht.
• Die ε-ALAS gehemmt und somit Eisen nicht für die Synthese von Hb in den erythroiden Vorläuferzellen verbraucht.

Bei hohem labilen Eisenpool sind die IRE-bindenden Funktionen der IRPs aufgehoben, denn z.B. IRP-1 liegt als 4Fe–4S-Cluster vor. Zur Verminderung des labilen Eisenpools wird:

• Die Synthese von Apoferritin gesteigert und vermehrt Eisen als Ferritin intrazellulär gespeichert.
• Vermindert TfR-1 exprimiert und damit nur noch wenig Eisen in die Zelle aufgenommen.
• Die ε-ALAS stimuliert und die Hb-Synthese der erythroiden Vorläuferzellen aktiviert.

7.1.3.3 Eisenhomöostase und Immunsystem

Eine Aktivierung des Immunsystems bei Entzündung, Infektion, chronischer Nierenerkrankung, chronisch entzündlicher Darmerkrankung, autoimmuner Aktivität und malignen Tumoren führt zur Änderung der systemischen Eisenverteilung des Organismus und des intrazellulären Eisenstoffwechsels. Verantwortlich sind inflammatorische Zytokine und die unter ihrem Einfluss gebildeten Radikale wie Stickstoffmonoxid (NO), das Sauerstoffradikal (O₂^–) /12/ und die verstärkte Expression von Hepcidin. Es besteht eine Umleitung des Eisens aus der Zirkulation in die Hepatozyten und das retikulo-endotheliale System. Die Folge ist eine Störung der Eisen­verteilung mit funktionellem Eisenmangel, d.h. für die Gewebe besteht eine Imbalance zwischen Angebot und Bedarf an Eisen, obwohl das totale Eisen im Organismus normal oder sogar erhöht ist. Die Konzentration von Eisen im Plasma ist niedrig, die von Ferritin normal, meist sogar hoch.

Mechanismen in der Umverteilung von Eisen sind /13/:

• Die Aktivierung von Makrophagen. In diesen wird, stimuliert durch inflammatorische Zytokine, die induzierbare NO-Synthase (iNOS) aktiviert und die NO-Produktion in Gang gesetzt. NO aktiviert das IRP-1 und erhöht über eine vermehrte Expression von TfR-1 und Ferritinsynthese die Aufnahme und Speicherung von Eisen in die Makrophagen.
• Die Blockierung der Eisenabgabe aus Hepatozyten und Makrophagen. So hemmt Hepcidin, stimuliert durch Interleukin-6, den Eisenexporter Ferroportin.
• Eine reduzierte Hb-Synthese durch Hemmung der ε-ALAS durch NO. Gleichzeitig hemmt aber die Entzündungs-bedingte Erhöhung von Hepcidin den Export von Eisen aus den erythroiden Vorläuferzellen, wodurch eine noch relativ gute Ausstattung der Erythrozyten mit Hb resultiert (normochrome Erythropoese bei der Entzündungsanämie).

7.1.4 Eisenmangel

Prävalenz des Eisenmangels

Weltweit ist der Eisenmangel in seinen verschiedenen Formen der Ausprägung die häufigste Ernährungsstörung. Bei einer Weltbevölkerung von etwa 7 Milliarden, haben 2 Milliarden Menschen einen Eisenmangel und 750 Millionen eine Eisenmangelanämie. Die Annahme ist, dass auf eine Eisenmangelanämie 2,5 Fälle mit vermindertem Eisenstatus kommen /63/.

Ein erhöhtes Risiko für Eisenmangel und Eisenmangelanämie haben:

• Kleinkinder, speziell in den Entwicklungsländern, mit einer Prävalenz von im Mittel 63 %.
• Junge Frauen im gebärfähigen Alter. Sie hatten in der Pubertät einen erhöhten Eisenbedarf und haben danach einen Eisenverlust von 16 mg pro Menstruation.
• Schwangere, für die sich der Eisenbedarf von 0,8 mg täglich bis auf 7,5 mg erhöht.

In Europa und Nordamerika sind schwere Formen des Eisenmangels nicht so häufig wie in Entwicklungsländern. Für die Industrienationen wird angenommen, dass 10 % der Frauen im gebärfähigen Alter, 10 % der Kinder, 1 % der Männer, 30 % der alten Menschen und 30 % der Schwangeren einen Eisenmangel haben /15/. Weltweit steht der nutritive Eisenmangel hinter dem Blutverlust an zweiter Stelle der Ursachen. In den Entwicklungsländern sind Parasitosen eine wesentliche Ursache von Blutverlusten. In den Industrienationen sind bei Frauen < 50 J. die verstärkte Regelblutung, bei Männern und Frauen ≥ 50 J. der Blutverlust durch maligne Tumoren die wesentlichen Ursachen. Auch sind einseitige Diäten eine häufige Ursache des nutritiven Eisenmangels. Siehe auch:

• Tab. 7.1-1 – Prävalenz des Eisenmangels
• Abb. 7.1-7 – Prävalenz des Eisenmangels bei Männern Frauen und Kindern
• Abb. 7.1-8 – Prozentsatz pathologischer Werte bei Altersgruppen gesunder Personen.

7.1.4.1 Formen des Eisenmangels

Die unterschiedlichen Formen des Eisenrestriktion sind beschrieben in Tab. 7.1-2 – Zustände mit Eisenrestriktion. Die Diagnostik des Eisenstatus mittels des Ferritinindex und dem Hämoglobingehalt der Erythrozyten (CHr, Ret_He) ist aufgezeigt in Abb. 7.1-9 – Diagnostik des Eisenstatus.

Bei gefüllten Eisenspeichern hat der Mann ein Reservedepot von etwa 1.000 mg und die Frau von 300–500 mg Eisen. Der Goldstandard zur Abschätzung des Eisens in Speichern ist der histologische Nachweis im Knochenmarkpunktat, auch wenn das angezweifelt wird. Dort stellt sich das in Histiozyten gespeicherte nicht als Häm gespeichertes Eisen, sondern als Hämosideringranula dar, die mit Kaliumhexacyanoferrat (III)-Lösung blau anfärbbar sind. Eisen in Form von Hämosiderin ist nur langsam mobilisierbar.

7.1.4.1.1 Subklinischer Eisenmangel

Bei diesem Zustand, auch als Eisenmangel ohne Anämie bezeichnet, besteht ein Mangel an Speichereisen, der sich in einer niedrigen Konzentration an Ferritin manifestiert. Die Expression des TfR, das Zinkprotoporphyrin und die intestinale Eisenabsorption können in diesem Stadium schon kompensatorisch grenzwertig sein. Klinisch sind Personen mit subklinischem Eisenmangel unauffällig. Risikogruppen mit diesem Zustand sind Kinder, Jugendliche, Leistungssportler, Blutspender, Vegetarier und Frauen im gebärfähigen Alter.

Nach der European Commission Directive sind Blutspender Männer mit einem Hb > 135 g/l und Frauen mit einem Hb > 125 g/l. Nach der RISE-Studie /16/, bei der für beide Geschlechter ein Grenzwert von 125 g/l festgelegt wurde, betrug die Prävalenz des subklinischen Eisenmangels, abhängig vom untersuchten Marker bei den Blutspendern:

• Bei einem Zinkprotoporphyrin > 100 μmol/mol Häm 6,9 % bei Männern und 9,8 % bei Frauen.
• Bei einer TfS < 16 %, bei Männern 4,8 % und 9,8 % bei Frauen.
• Bei Hepcidin < 0,25 nmol/l, 27,4 % bei Männern und 24,7 % bei Frauen.

7.1.4.1.2 Eisenmangelanämie

Schwere Zustände des Eisenmangels treten gemeinsam mit einer mikrozytären Anämie auf. Die Ursachen sind gastrointestinale Blutung, nutritiver Eisenmangel, maligne Tumoren und Blutung bei chronisch entzündlichen Erkrankungen. Die Anämie ist das späteste Symptom des Eisenmangels. Bei diesem Zustand versuchen alle Funktionsstellen, die Eisen benötigen, sich kompensatorisch anzupassen. So reduziert die Erythropoese den Hb-Gehalt der Erythrozyten, die Muskelzellen synthetisieren weniger Myoglobin und die Mitochondrien der Muskulatur weniger Eisen-haltige Enzyme.

7.1.4.1.3 Funktioneller Eisenmangel

Der funktionelle Eisenmangel ist chrakterisiert durch eine verminderte Freisetzung von Eisen aus den Speicher und unzureichend ist die Anforderungen der Erythropoese an den Eisenbedarf anzupassen (Tab. 7.1-2 – Zustände mit Eisenrestriktion). Die Patienten haben eine verminderte Transferrinsättigung und normale oder erhöhte Ferritinwerte. Eine spezifische Form des funktionellen Eisenmangels wird bei Patienten unter Therapie mit Erythropoese stimulierenden Agentien (ESAs) gesehen. Bei einer Steigerung der Erythropoese um mehr als den Faktor drei kann trotz gefüllter Eisenpeicher die limitierte Kapazität des Transferrinpools den Bedarf der Erythropoese an Eisen nicht mehr transportieren. Es resultiert die Bildung hypochromer roter Blutzellen im Knochenmark.

7.1.4.1.4 Eisenmangel und Erythropoese

Die Erythropoese ist der dominierende Faktor im Eisenstoffwechsel /17/. Jede Sekunde werden 2–3 Mio. rote Blutzellen gebildet und pro Tag 6 g Hb. Um die roten Blutzellen mit einem Hb-Gehalt von 30 pg auszustatten werden die Erythroblasten mit täglich 30–40 mg Eisen versorgt. Die von den Erythroblasten täglich angeforderte Eisenmenge ist 10 fach höher als der zirkulierende Eisenpool (Funktionseisen), was bedeutet, dass der Pool täglich etwa 10 mal ausgetauscht wird. Jedes aufgenommene Eisenatom verbringt 90 min in der Zirkulation bevor es in das Knochenmark aufgenommen wird. Ein kleiner Teil des Funktionseisens dient der Versorgung von nicht-hämatopoetischen Geweben.

Mit Eisen defizienter Erythropoese wird ein Zustand der mangelnden Versorgung der Erythroblasten mit eisen beschrieben, so dass hypochrome rote Blutzellen resultieren. In der Regel sind dann die Eisenspeicher leer. Siehe Tab. 7.1-3 – Eisenmangel bei verschiedenen Personen und Erkrankungen.

Bei Eisen defizienter Erythropoese und Eisenspeichern gefüllt oder gar einer Vermehrung des Gesamtkörpereisens liegt gewöhnlich eine Entzündungs- und Tumoranämie, im englischen Sprachgebrauch auch als Anemia of chronic disease (ACD) bezeichnet, vor. Eine wesentliche Folge der ACD is eine Störung des Eisenhaushalts bedingt durch eine vermehrte Aufnahme und Retention von Eisen in den Hepatozyten und den Zellen des retikuloendothelialen Systems (RES). Das führt zu einer Retention von Eisen in den Speichern, die Begrenzung von Eisen für die Bildung von Hb in den Erythroblasten einer normal proliferativen Erythropoese  /18/.

Die ACD ist gewöhlich mit einer chronischen Entzündung assoziiert (chronische Herzinsuffizienz, chronische Niereninsuffizienz, entzündliche Darmerkrankung). Bei der chronischen Entzündung ist die Synthese und Freisetzung von Hepcidin vermehrt, induziert durch inflammatorische Zytokine, insbesonders IL-6. Das führt zu einer verstärkten Internalisierung und Degradation von Ferroportin und zur zellulären Eisenretention. Schließlich resultiert eine verminderte zirkulierende Eisenkonzentration, die nur ausreicht den Bedarf an Eisen einer hyporegenerativen Erythropoese zu decken /19/.

Bei der ACD besteht eine milde normozytäre, normochrome Anämie. Sie resultiert aus einer verstärkten Apoptose roter Vorläuferzellen im proliferativen Kompartiment des Knochenmarks, da inflammatorische Zytokine eine zum Erythropoetin antagonistische Wirkung entfalten. Erythropoetin verhindert die Apoptose roter Vorläuferzellen, inflammatorische Zytokine fördern sie. Je stärker die Inflammation, desto ausgeprägter ist die Apoptose. Siehe Abb. 15.1-2 – Theoretisch wird die Erythropoese in einen Proliferationspool und einen Reifungspool aufgeteilt.

Die ACD beruht auf folgenden Störungen /18/:

• Unzureichende Bildung roter Blutzellen bedingt durch einen inadäquaten Stimulus zur Proliferation (Mangel an Erythropoetin oder gestörte Funktion des Erythropoetin-Rezeptors der Erythroblasten).
• Unzureichende Bildung roter Blutzellen bedingt durch eine inadäquate intrinsische Aktivität des Erythrons auf die Stimulation durch Erythropoetin. Diese ist begrenzt durch die DNA-Synthesekapazität der Erythroblasten, durch Vitamin B₁₂- oder Folatmangel oder durch Chemotherapie.
• Dem Unvermögen Häm zu bilden, bedingt durch eine unzureichende Eisenversorgung. Sie resultiert aus einer Hepcidin bedingten verminderten Freisetzung von Eisen aus Makrophagen und Hepatozyten sowie einer verminderten enteralen Eisenabsorption.

Die Inflammation bei der ACD stimuliert über IL-6 die Synthese von Hepcidin in den Hepatozyten. Hohe Hepcidinwerte bewirken die Degradation des Ferroportins in der Zellmembran der Erythroblasten, so dass weniger Eisen in die Zirkulation abgegeben wird, dass aber noch ausreicht um die reduzierte Erythropoese mit Eisen zu versorgen. Erst wenn durch Eisenverlust (Blutung) das Eisen des Transferrinpools weiter abnimmt, geht die normozytäre normochrome Anämie in eine mikrozytäre hypochrome über /19/.

7.1.4.1.5 Eisenrestriktion bei nicht-anämischen Patienten

Eine mangelnde Verfügbarkeit von Eisen kann auch bei Patienten ohne Anämie vorliegen wie das bei chronischer Herzinsuffizienz, bei präoperativen Patienten und bei Blutspendern gezeigt wurde. Die Diagnose einer Eisenrestriktion bevor es zum Hämoglobinabfall unter die untere Refernzbereichsgrenze kommt, ist ein wichtiger Gesichtspunkt im Management der Patienten, da vorsorgend eine Eisentherapie eingeleitet werden kann. Geläufige Tests zur Diagnostik einer Eisenrestriktion sind ein Ferritinwert unter 30 μg/l, eine Transferrinsättigung < 20 %, die Bestimmung des löslichen Transferrin Rezeptors, des Ferritinindex und hämatologischer Indices wie der Hämoglobingehalt des Erythrozyten (CHr, Ret_He) und der Anteil der hypochromen Erythrozyten (%Hypo). In einer Studie /18/ wurde ein Scoring-System erarbeitet, mit dem es möglich ist, eine Eisenrestriktion bei Patienten ohne Anämie zu erkennen (Tab. 7.1-4 – Scoring System zur Diagnose der Eisenrestriktion bei Patienten ohne Anämie).Patienten ohne Anämie mit Ferritinwerten > 300 μg/l hatten keine Eisenrestriktion. Jedoch wurde bei Patienten mit Ferritinwerten im Bereich von 31–300 μg/l eine Eisenrestriktion diagnostiziert und der Anteil der Patienten mit Eisenrestriktion nahm mit zunehmender Ferritinkonzentration ab.

7.1.4.2 Klinische Manifestation des Eisenmangels

Klinische Manifestationen des Eisenmangels sind Glossitis, anguläre Stomatitis, Koilonychie, blaue Skleren, Schwimmhautbildung des Oesophagus (Plummer-Vinsen-Syndrom), Restless legs syndrome. Physische Manifestationen wie Müdigkeit, Abgespanntheit und das generelle Gefühl der Schwäche sind die Symptome der Anämie.

Die Symptome des Eisenmangels resultieren aus der Störung von zwei Funktionen /20/:

• Die Anämie limitiert die Kapazität des Transports von Sauerstoff in die Gewebe.
• Der Mangel an Eisen in den Geweben hemmt den oxidativen Metabolismus der Zelle und die Energieversorgung, da die Aktivität Eisen haltiger Enzyme vermindert ist.

Die klinischen Symptome und Manifestationen des Mangels an Eisen können neben der Anämie beruhen auf Störungen der Immunfunktion, der mentalen Funktion, des Neurotransmitter-Systems im Zentralnervensystem (ZNS)und der muskulären Funktion.

Immunfunktion

Bei Infektionen ist das Ziel des Organismus, den Mikroorganismen Eisen zu entziehen, ohne selbst in einen Zustand zu geraten, bei dem es den Abwehrzellen an Eisen mangelt. Eisenmangel führt zu einer erhöhten Infektanfälligkeit, denn die Funktion des Antigen-unspezifischen Immunsystems in der Akute-Phase Reaktion ist gestört. Eingeschränkt ist die Abwehr der polymorpkernigen Granulozyten, denn das Eisen haltige Enzym Myeloperoxidase ist vermindert. Dieses Enzym ist maßgebend für die Bildung reaktiver Sauerstoffradikale, die für die intrazelluläre Abtötung mikrobieller Erreger verantwortlich sind /1/.

Die Funktion der Makrophagen scheint durch den Mangel an Eisen nicht beeinträchtigt zu sein. Die Angaben über Veränderungen im T-Zellsystem sind uneinheitlich, das humorale Immunsystem scheint nicht betroffen zu sein.

Mentale Funktion

Der Zelltyp mit dem höchsten Eisengehalt im ZNS ist der Oligodendrozyt /1/. Er ist verantwortlich für die Myelinisierung der Nervenfasern. Das erfordert die Bildung von Fettsäuren und Cholesterin, in beide Vorgänge sind Eisen haltige Enzyme involviert. Das Eisen im Liquor cerebrospinalis ist an Transferrin gebunden. Die Eisenkonzentration ist 15–25 μg/l, also 30 fach niedriger als im Plasma. Ein Eisenmangel während der Fetalzeit und in früher Kindheit soll im Zusammenhang mit Totgeburt, Frühgeburt und mentaler Retardierung stehen /21/. Kleinkinder unter 2 Jahren mit länger bestehender Eisenmangelanämie und Hb-Werten < 100 g/l haben eine signifikante Verminderung des mentalen Entwicklungsindexes /22/.

Neurotransmitter-System

Das dopaminerge System ist das einzige, das bei einer Verminderung des Eisengehalts des Gehirns Veränderungen zeigt /1/.

Muskulatur

Bei einem Eisenmangel nimmt der Gehalt des Muskels an Myoglobin und Cytochrom C anteilsmäßig in der gleichen Größenordnung ab wie das Hb des Blutes /1/. Das Ausmaß der Verminderung des Eisens spiegelt sich auch im Gehalt der Eisen-Schwefel-Enzyme und der mitochondrialen Enzyme der Muskulatur wider, die um 50–90 % abnehmen können. Das führt zu einer Schwächung der Muskelarbeit. Eine intravenöse Eisenbehandlung führt nach 4 Tagen zu einer Zunahme der Muskelkraft. Das entspricht dem Turnover der Eisen haltigen Enzyme. Die Ausdauerarbeit des Muskels ist abhängig von der Aktivität seiner Eisen haltigen Enzyme und relativ unabhängig vom Abfall des Hb bis zu einem Wert von 100 g/l. Der Stoffwechsel bei kurzer, intensiver Muskelarbeit ist jedoch eine Funktion der Sauerstoffzufuhr und somit der Hb-Werts /20/.

7.1.5 Erkrankungen bei Eisenüberladung

Erkrankungen mit systemischer Eisenüberladung werden auf Grund ihrer Pathophysiologie in primäre (hereditäre) und sekundäre (erworbene) Formen eingeteilt.

Hereditären Formen der Eisenüberladung liegen Defekte der Hepcidin-Ferroportin Achse, der Reifung der Erythrozyten und des Transports von Eisen zu Grunde /4/. Am Häufigsten sind Defekte der Hepcidin-Ferroportin Achse, die eine Hämochromatose verursachen können. Es handelt sich um eine Erkrankung mit klinischen Komplikationen, die durch die Eisentoxizität an den Organen, insbesondere der Leber, verursacht werden. Die hereditären Formen sind aufgeführt in Tab. 7.1-5 – Klassifizierung der hereditären Eisenüberladung.

Erworbene Formen der Eisenüberladung beruhen meist auf einer angeborenen oder erworbenen Dyserythropoese. Häufig wird die Eisenüberladung durch Bluttransfusionen erzeugt. Primär ist das Eisen in der Leber oder im retikuloendothelialen System (RES) deponiert und als relativ harmlos anzusehen.

Der Überschuss an totalem Eisen im Organismus bei der systemischen Eisenüberladung liegt als Ferritin oder Hämosiderin vor. Dieser Pool, der abhängig von Alter und Geschlecht normalerweise 0,1–1 g beträgt, kann um das 20–30 fache erhöht sein.

7.1.6 Hereditäre Hämochromatose

Die hereditäre Hämochromatose (HH) umfasst verschiedene hereditäre Störungen, die mit einer Eisenüberladung einher gehen. Über 95 % der Fälle betreffen eine homozygote Mutation im Gen HFE. Dieses Gen ist ein hämostatischer Eisenregulator (gelegen auf dem Chromosom 6p22.2 Exon 4, c.845G-A, rs1800562), der in einer p.C282Y Substitution vorliegt, und auch als HFE Hämochromatose bezeichnet wird /36, 37/.

7.1.6.1 Vererbung

Etwa 1 von 200 Nachfahren der Bevölkerung in Europas Norden sind homozygot von der Hämochromatose betroffen und 1 von 7 Personen heterozygot. Die gutartigere Variante von HFE p.H63D betrifft sogar 1 von 3 Personen. Die einfache oder compound Heterozygosität von p.C282Y und p.H63D oder die digene Variante aus p.C282Y und p.S65C verursacht nur leichte Erhöhungen der Transferrinsättigung (TfS) und von Ferritin, aber keine klinisch relevante Speicherung von Eisen.

Von den 6 Störungen der Hepcidin-Ferroportin Achse mit Eisenüberladung sind 5 vom klassischen HH-Phänotyp. Die Laborbefunde bei diesen Phänotypen sind eine erhöhte TfS, ein erhöhtes Ferritin, ein normaler Hämatokrit und die Eisenüberladung der Gewebe.

Bei der HH setzen die Hepatozyten und Makrophagen mehr Eisen frei als bei Gesunden. Auch geben die Enterozyten mehr Eisen an das Blut ab, während die Eisenabsorption aus dem Lumen nicht oder nur moderat erhöht ist. Das abnorme Verhalten der Enterozyten, Hepatozyten und Makrophagen beruht auf einem unbegrenzten Eisenexport durch Ferroportin. Dieses Verhalten des Ferroportins resultiert aus einer defizienten Synthese oder einer verminderten Aktivität von Hepcidin. Generell bewirkt jede genetische Störung der Hepcidin-Ferroportin Achse einen nicht regulierten Einstrom von Eisen in die Blutbahn, gefolgt von einer Eisenüberladung der Organe mit potentieller Toxizität und Schädigung.

Beim Menschen ist der Mangel an Hepcidin mit der HFE-assoziierten, der TfR2-assoziierten, der Hämojuvelin (HJV)-assoziierten und der HAMP-assoziierten HH verknüpft (Tab. 7.1-5 – Klassifizierung der hereditären Eisenüberladung).

Der Begriff HFE bezieht sich auf das verantwortliche HLA-Klasse I ähnliche Gen, das in der Originalarbeit als HLA-H bezeichnet wurde. Die Formen der HH sind mit Nummern bezeichnet (Typ 1–4), und zwar in der Folge ihrer Entdeckung /4/. Die genetische Basis und den Verlauf der HH ist dargestellt in Abb. 7.1-10 – Zeitlicher Beginn von Organerkrankungen und Funktionsstörungen und Verhalten von Eisen- und Hepcidin in Abhängigkeit vom HH-Typ.

7.1.6.2 Hereditäre Hämochromatosen durch Mutationen im HFE-Gen

Bei hereditärer Hämochromatose (HH) wird zu wenig Hepcidin synthetisiert. Die häufigste Form der HH wird durch Mutationen im HFE-Gen verursacht.

• Typ 1: Es handelt sich um die klassische, am meisten vorkommende Form, oft auch nur als HH oder HFE-Hämochromatose bezeichnet. Es besteht in den klinisch relevanten Fällen eine p.C282Y-Homozygotie.
• Typ 2A: Dieser Typ wird auch als juvenile Hämochromatose bezeichnet, da die klinischen Symptome schon früh auftreten. Es besteht eine Mutation im Gen HJV, das das Protein Hemojuvelin kodiert.
• Typ 2B: Dieser Typ beruht auf Mutationen im Gen HAMP, es kodiert das Protein Hepcidin. Es handelt sich um eine seltene juvenile Hämochromatose.
• Typ 3: Dieser Typ ist durch Mutationen im Gen des Transferrinrezeptors 2 (TfR2) bedingt und zeigt klinisch ein intermediäres Bild zwischen dem klassischen Typ (HFE) und dem Typ 2.
• Typ 4: Es handelt sich um eine separate Erkrankung, bedingt durch Mutationen im Gen SCL40AI, das den zellulären Eisenexporter Ferroportin kodiert. Dieses Leiden wird auch als Ferroportinerkrankung bezeichnet, da seine genetischen, biochemischen, klinischen und histologischen Merkmale sich von der HH unterscheiden.

Siehe auch Tab. 7.1-6 – Klinik und Labordiagnostik der hereditären Hämochromatosen.

7.1.6.3 Klinische Signifikanz

Die Hämochromatose betrifft primär die Leber und die Gelenke und resultiert aus einem funktionellen Versagen des Eisen-regulatorischen Proteins Hepcidin. Das mutante HFE, Hemojuvelin, TfR2 und Hepcidin haben die Fähigkeit verloren, die Hepcidinsynthese hoch zu regulieren woraus eine niedrige Konzentration des Hepcidins resultiert.

Lebererkrankung /36, 37/

Die Erkrankung der Leber ist die häufigste klinische Manifestation. Diagnostiziert werden eine fortgeschrittene Fibrose, eine Leberzirrhose und das primäre Karzinom der Leberzellen. Männer, die homozygot für p.C282Y sind, haben im Alter von 75 Jahren ein erhöhtes Risiko des Versterbens im Vergleich zu denjenigen ohne Hämochromatose. Bei Frauen sind das Risiko des kolorektalen Karzinoms und des Mammakarzinoms erhöht. Risikofaktoren für eine Lebererkrankung bei HH sind: Alkoholkonsum, Diabetes mellitus und folgende Laborbefunde:

• Ferritinwert im Serum > 1000 μg/L
• Eine erniedrigte Thrombozytenzahl (< 200 × 10⁹/L)
• Ein Eisengehalt des Lebergewebes > 200 μmol/Gramm.

Arthropathie /36, 37/

Die Arthropathie betrifft die Metakarpophalangeal-Gelenke, gefolgt von den Hüftgelenken, den radiokarpalen Ellenbogen, den Schultern, den Kniegelenken und auch der Lendenwirbelsäule. Die Beschwerden sind bei Patienten mit Hämochromatose 8-fach so häufig wie bei denjenigen ohne. Die Arthritis geht mit der fortgeschrittenen Leberfibrose einher. Mit der Progression der Eisenspeicherung nimmt das Risiko der Arthritis und der fortgeschrittenen Leberfibrose zu.

Schwerste Formen der Hämochromatose werden in der Kindheit und vor dem 30. Lebensjahr gesehen. Jedes Kind mit einem hypogonadotropen Hypogonadismus, unerklärbarer Kardiomyopathie oder einer Leberzirrhose sollte auf eine hereditäre Hämochromatose (HH) untersucht werden.

Bei Erwachsenen mit Diabetes mellitus oder Leberzirrhose manifestiert sich die HH nicht vor dem 5. oder 6. Lebensjahrzehnt.

Die Kriterien zur Diagnostik der HFE Hämochromatose gemäß den Richtlinien der European Association for the Study of Liver Disease (EASL) /37/ sind aufgeführt in Tab. 7.1-7 – Kriterien zur Diagnostik der HFE-Hämochromatose nach den EASL Empfehlungen.

7.1.6.4 Kriterien zur Diagnostik der HFE-Hämochromatose

Die Diagnostk der HH erfolgt nach den Leitlinien der European Association for the Study of Liver Disease (EASL) sind aufgeführt in Tab. 7.1-7 – Kriterien zur Diagnose der HFE-Hämochromatose /37/.

7.1.6.5 Seltenere hereditäre Hämochromatosen

Seltenere Formen, die auch einen Mangel an Hepcidin verursachen, beruhen auf Mutationen in den Genen des Transferrinrezeptors 2, Hämojuvelin, Hepcidin und Ferritin. Mit Ausnahme der Ferroportinerkrankung sind bei allen hereditären Hämochromatosen die klinischen, labordiagnostischen und histologischen Merkmale vergleichbar. So ist:

• Die intestinale Eisenabsorption nicht reguliert und die rasche Freisetzung von Eisen aus den Hepatozyten und Makrophagen führt zu einer hohen ransferrinsättigung (TfS).
• Die hohe TfS begünstigt die zelluläre Aufnahme von Eisen durch den Transferrinrezeptor (TfR) und Deponierung des Eisens intrazellulär, besonders in den Hepatozyten.
• Die Makrophagen sind relativ verarmt an Eisen und der Eisenverbrauch der Hämatopoese ist normal.
• Das in der Leber gebildete Peptid Hepcidin ist unwirksam und reguliert nicht mehr die Eisenfreisetzung.

Durch Ablagerung von Eisen in den parenchymatösen Organen kommt es bei der hereditären Hämochromatose (HH) zu folgenden Erkrankungen: Leberfibrose, Hypogonadismus, Kardiomyopathie, Diabetes mellitus, Arthropathie und Hautpigmentierung. Die schwersten Formen der HH werden im Kindesalter und frühen Jugendalter, gewöhnlich aber vor dem 30. Lj. diagnostiziert. Jedes Kind mit hypogonadotropen Hypogonadismus, nicht erklärbarer Kardiomyopathie oder Leberzirrhose sollte auf HH untersucht werden. Die schweren Formen der HH bei Erwachsenen mit Diabetes, Leberzirrhose und Arthritis manifestieren sich bei Männern erst in der Lebensdekade 5–6 und bei Frauen noch später.

Bei der β-Thalassämie führt die Mutation in beiden Globingenen zu einem Mangel an Hämoglobin und einer verminderten Funktion der Erythrozyten. Es resultiert eine Hypoxie mit gesteigerter Bildung von Erythropoetin und vermehrter Bildung roter Blutzellen. Insgesamt resultiert eine ineffektive Erythropoese. Die Synthese von Hepcidin ist reduziert, bedingt durch Erythroferron, das unter der Wirkung von Erythropoetin in den Erythroblasten gebildet wird.

Die Kriterien zur Diagnose der HFE-Hämochromatose nach den Leitlininien der European Association for the Study of Liver disease (EASL) sind aufgeführt in Tab. 7.1-7 – Kriterien zur Diagnose der HFE-Hämochromatose.

7.1.6.6 Molekulare Basis der Eisenüberladung

Der Hauptakteur im Eisenstoffwechsel ist Hepcidin, denn es reguliert den zellulären Eisenexporter Ferroportin. Durch Bindung an Ferroportin bewirkt Hepcidin dessen Internalisierung und Degradation in Zellen mit hohem Eisenstoffwechsel wie Hepatozyten, Enterozyten, erythroiden Vorläuferzellen und plazentaren Zellen. Ferroportin exportiert Eisen durch die Zellmembran dieser Zellen in den Extrazellulärraum (EZR).

Ist Hepcidin inaktiv oder kann es seine Wirkung nicht entfalten, wird intestinal unkontrolliert Eisen aufgenommen, in die Zirkulation abgegeben und in den Organen gespeichert (siehe auch Beitrag 7.6 – Hepcidin).

7.1.6.7 Leberbiopsie bei Hämochromatose

Die Durchführung einer Leberbiopsie ist nicht erforderlich zur Diagnose einer HFE-Hämochromatose bei Vorliegen einer C282Y Homozygotie /36/. Sie wird aber häufig durchgeführt bei Patienten > 40 J. zum Ausschluss einer hepatischen Fibrose oder Zirrhose, wenn eine Hepatomegalie besteht, die Aminotransferasen erhöht sind und der Ferritinwert über 1.000 μg/l beträgt. Eine Studie /38/ zeigt, dass die Zirrhose auch durch Laboruntersuchungen festgestellt werden kann (Tab. 7.1-8 – Befunde bei C282Y-Hämochromatose mit und ohne Leberzirrhose).

7.1.7 Sekundäre Eisenüberladung

Sekundäre Eisenüberladungen beruhen auf einer vermehrten Eisenbelastung, nicht aber auf einer Störung der Hepcidin-Ferroportin Achse. Siehe Tab. 7.1-9 – Eisenüberladung, nicht auf Störungen der Hepcidin-Ferroportin Achse beruhend.

Eine wesentliche Ursache sekundärer Eisenüberladung sind chronisch refraktäre Anämien und hämolytische Anämien wie die β-Thalassämia oder die Sichelzellanämie. Bei der β-Thalassämia erhöht Erythroferron (ERFE) die Eisenaufnahme durch Herunterregulierung der Hepcidin-Synthese. Die Eisenüberladung beruht auf einer verstärkten enteralen Absorption von Eisen, bei den chronisch refraktären Anämien und der Sichelzellanämie auf der Gabe von Erythrozytenkonzentraten (EKs). Die Eisenbelastung des Organismus beträgt mit jedem EK 200–250 mg. Anfangs wird der Überschuss an Eisen im retikuloendothelialen System gespeichert, nähert sich die Transferrinsättigung aber 100% wird der Überschuss in den parenchymatösen Organen deponiert.

Bei den Iron-loading anemias wie den Thalassämien ist die intestinale Eisenabsorption im unterschiedlichen Ausmaß erhöht; bei den Thalassämia major bis zu 5 fach gegenüber normal. Das Spektrum der Iron-loading anemias umfasst hereditäre und erworbene Störungen der Erythropoese.

Die sekundäre Eisenüberladung wird behandelt, in dem Eisen mittels Deferoxamin in ein Chelat überführt und renal ausgeschieden wird /66/. Ein wichtiger Aspekt ist, dass ab einer Transferrinsättigung über 70% das Eisen im Plasma als Komplex mit Albumin oder als Eisencitrat vorliegt und nicht an Transferrin gebundenes Eisen unangemessen von gut durchbluteten Organen wie Leber, Pankreas und Herz intrazellulär, vermittelt durch Breit-Spektrum Metallopermeasen aufgenommen wird /67/. Das führt zu Organschäden, insbesondere myokardialer Schädigung. Klinisch ist bei der sekundären Eisenüberladung die Leberfunktion normal. Folgen können wie bei der HH eine verminderte Glucosetoleranz, Diabetes mellitus und Kardiomyopathie sein. Patienten mit Thalassämie können nach einem Jahrzehnte langen Verlauf eine Leberzirrhose ausbilden.

7.1.8 Labordiagnostik der Eisenrestriktion

Zur Labordiagnostik von Störungen des Eisenstoffwechsels werden folgende Untersuchungen eingesetzt:

• Biochemische Marker des Eisenstoffwechsels wie Ferritin, Transferrinsättigung (TfS), löslicher Transferrin Rezeptor (sTfR), Zinkprotoporphyrin (ZPP) und der Ferritinindex (sTfR/log¹⁰Ferritin) .
• Hämatologische Untersuchungen wie Blutbild, Erythrozytenindices, z.B. der Anteil hypochromer roter Blutzellen (% HYPO) und der Hb-Gehalt der Retikulozyten (Ret_He bzw. CHr).
• Entzündungsmarker wie C-reaktives Protein (CRP). Oft ist das CRP erhöht und der Ferritinwert normal oder erhöht. Bei dieser Konstellation kann eine Eisenrestriktion übersehen werden, da systemische Entzündungen oft mit einer Eisenrestriktion einher gehen. Die diagnostische Bedeutung von Biomarkern und Erythozytenindices in dieser Situation ist gezeigt in Tab. 7.1-10 –Signifikanz von biochemischen Markern und hämatologischen Indices zur Diagnose der Eisenrestriktion. Die Befunde dieser Marker bei Patienten mit Störungen des Eisenhaushaltes sind aufgeführt in Tab. 7.1-11 –Störungen des Eisenmetabolismus: Befunde biochemischer Marker und hämatologischer Indices.

Zur Diagnostik der Eisenrestriktion bei Patienten mit Anämie unabhängig vom vorliegen einer Inflammation wird ein Scoringsystem empfohlen /14/:

• Tab. 7.1-12 –Scoring-System zur Diagnose der Eisenrestriktion bei Patienten mit Anämie

7.1.8.1 Monitoring der Eisentherapie

Die Behandlung von Patienten mit Eisen defizienter Erythropoese ist davon abhängig, ob ein latenter oder totaler Eisenmangel, eine Anämie chronischer Erkrankungen (ACD) oder ein funktioneller Eisenmangel vorliegt /19/. Siehe Tab. 7.1-2 – Formen der Eisenrestriktion.

7.1.8.2 Kontrolle der oralen Eisentherapie

Eine optimale Therapie Response liegt vor bei:

• Anstieg der Retikulozytenzahl nach etwa 10 Tagen um mindestens 20 %.
• Anstieg von CHr oder Ret_He innerhalb von 5 Tagen. Eine Normalisierung von CHr, Ret_He im Verlaufe der Behandlung bedeutet nur eine ausreichende Versorgung der Erythropoese, nicht aber, dass die Eisenspeicher gefüllt sind.
• Abfall der sTfR Konzentration um > 20 % nach etwa 10 Tagen.
• Anstieg der TfS nach etwa 10 Tagen, ein kontinuierlicher Wert > 20 % bedeutet, dass auch die Eisenspeicher gefüllt wurden /58/.
• Zunahme des Hb-Wertes um 1–2 g/l täglich ab der 2.–3. Therapiewoche.
• Normalisierung des Ferritinwertes nach 2–3 Monaten.

7.1.8.2.1 Kontrolle der parenteralen Eisentherapie

Die parenterale Eisentherapie kann eine größere Versorgung mit Eisen gewährleisten und schneller die Eisenspeicher füllen als eine orale Therapie. Jedoch wird bei chronischer Inflammation ein erheblicher Teil im retikuloendothelialen System gespeichert, von wo es nur schwierig mobilisierbar ist. Bei der Eisenmangel Anämie wird etwa 50 % des therapeutischen Eisens innerhalb von 3–4 Wochen in Hämoglobin eingebaut. Bei Patienten mit chronischer inflammation, renaler Anämie und der Tumoranämie erfolgt das nicht in diesem Ausmaß, aber trotzdem zeigen die Patienten einen leichten Hämoglobinanstieg /23/.

Die parenterale Eisentherapie wird bei Zuständen mit erhöhtem Hepcidin (Inflammation) bevorzugt, denn die Inflammation verhindert eine effektive orale Therapie, z.B. bei chronischer Herzinsuffizienz, chronischer Nierenerkrankung und entzündlicher Darmerkrankung. Jedoch haben hohe Bolusdosen von intravenösem Eisen, z.B. bei Hämodialysepatienten, nur eine beschränkte Wirkung, da ein großer Teil des Eisens in der Leber und dem retikuloendthelialen System sequestriert wird /64/.

Postpartale Anämie

Erhalten Frauen mit einem postpartalen Hb-Wert < 100 g/l jeweils 200 mg Eisensucrose an den Tagen 1–4, so zeigen die Kontrollparameter am 7. Tag im Vergleich zum Ausgangswert im Mittel einen Hb-Anstieg um 15 g/l, eine Zunahme der Retikulozytenzahl und der TfS um 50 % und etwa die 5 fache Zunahme des Ferritinwerts /65/.

CKD-Patienten

Nach Nierentransplantation und bei Peritonealdialyse beträgt der jährliche Eisenbedarf bis zu 500 mg, bei Hämodialysepatienten bis zu 3.000 mg /68/. Ferritinwerte < 100 μg/l bei Nicht-Dialysepatienten und ein Wert < 200 μg/l bei chronischen Hämodialysepatienten ist mit der hohen Wahrscheinlichkeit eines Eisenmangels und einer guten Response bei intravenöser Eisentherapie assoziiert. Bei Hämodialysepatienten ist eine ein hochdosierte intravenöse Eisentherapie (400 μg monatlich bis zu einer Konzentration von Ferritin über 700 μg/l und einer TfS über 40%) vorteilhaft gegenüber einer niedrigeren Dosierung (Ferritin unter 200 μg/l und TfS unter 20%). Auch wird weniger Erythropoietin benötigt /69/. Bei Werten des Serumferritins > 1.200 μg/l sollte überlegt werden, ob Untersuchungen zur Feststellung einer Eisenüberladung durchgeführt werden müssen. Hinweisend auf eine Eisen defiziente Erythropoese sind %HYPO > 6 % oder ein CHr < 29 pg . Als alleiniger Marker zur Vorhersage einer positiven Antwort auf eine parenterale Eisentherapie wird die TfS nicht empfohlen.

7.1.9 Diagnostik der Eisenüberladung

Siehe:

• Tab. 7.1-6 – Klinik und Labordiagnostik der hereditären Hämochromatosen.
• Tab. 7.1-7– Kriterien zur Diagnose der HFE-Hämochromatose.

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7.2 Eisen

Lothar Thomas

7.2.1 Indikation

• Messgröße zur Bestimmung der Transferrinsättigung.
• Messgröße im Eisenresorptions-Test.
• Diagnose einer akuten Eisenintoxikation.

7.2.2 Bestimmungsmethode

Photometrische Methode

Prinzip: Zur Bestimmung von Eisen im Serum wird Fe³⁺ bei saurem pH aus der Bindung von Transferrin freigesetzt und die Proteine gefällt. Das Fe³⁺ wird zu Fe²⁺ reduziert und das Ferroeisen bildet einen Farbkomplex mit einem Chromogen. Die Konzentration des Chromogen-Eisen Komplexes wird photometrisch gemessen.

Eine Vielzahl von Methoden ist beschrieben /1/. Die im Jahre 1990 überarbeitete ICSH Methode /2/ verwendet HCl zur Freisetzung des Eisens, Trichloressigsäure zur Proteinfällung, Thioglykolsäure zur Reduktion von Fe³⁺ und Ferrozin als Chromogen.

Die Kalibration kann bezugnehmend auf das Standard Referenzmaterial (SRM) 937 des National Institute of Standards and Technology (NIST) erfolgen. Der Standard enthält Eisen, 5 mmol/l in HCl gelöst.

7.2.3 Untersuchungsmaterial

Plasma (kein EDTA-Plasma), Serum: 1 ml

7.2.4 Referenzbereich

Siehe Tab. 7.2-1 – Referenzbereich des Eisens bei Kindern und Erwachsenen.

7.2.5 Bewertung

Die Eisenkonzentration im Plasma wird durch das Hepcidin-Ferroportin-System reguliert. Sind die Eisenspeicher leer wird die Synthese von Hepcidin gehemmt. Somit kann der Ferroportin vermittelte Eisenexport aus den Mukosazellen des Darmes auf Transferrin erfolgen.

Die Bestimmung von Eisen im Serum ist zur Abschätzung des Körpereisenstatus ungeeignet. Das beruht auf /7/:

• Einer hohen intraindividuellen Schwankung der Konzentration von Eisen diurnal und von Tag zu Tag. So werden bei gesunden Männern um 9.00 Uhr Werte von 155 ± 16 μg/dl (27,8 ± 2,9 μmol/l) und 12 h später von 65 ± 5 μg/dl (11,6 ± 0,9 μmol/l) gemessen /8/.
• Der hohen interindividuellen Schwankung. So beträgt der Streubereich beim zuvor genannten Kollektiv um 9.00 Uhr 100–300 μg/dl (17,9–54 μmol/l) und 12 h später 20–100 μg/dl (3,6–17,9 μmol/l). Auf Grund der hohen interindividuellen Schwankung ist der Referenzbereich sehr breit.

7.2.5.1 Diagnostik des Eisenmangels

Gegen eine Verwendung des Serumeisens zur Diagnostik des Eisenmangels sprechen zusätzlich zu den zuvor genannten Fakten:

• Die Abhängigkeit des Eisens im Serum von der Akute-Phase Reaktion, denn Fe³⁺ ist an Transferrin gebunden und dieses ist ein negatives Akute-Phase Protein. So kann ein niedriges Serumeisen zum einen auf einer Entleerung der Eisenspeicher beruhen, zum anderen die Folge einer Entzündungsreaktion bei normalem oder sogar erhöhtem Speichereisen sein.
• Die Abhängigkeit des Serumeisens von der Aufnahme von Nahrung. So kann es innerhalb von 10 min zu einem Anstieg kommen /9/.
• Wird Serum zur Bestimmung von Eisen bei Verdacht auf Eisenmangel untersucht, bewirkt Hämolyse eine Erhöhung der Werte. Routinemäßig gewonnenes Serum enthält freies Hämoglobin in einer Konzentration von 10–30 mg/l. Da 1 mg Hämoglobin 3,5 μg Hämoglobin gebundenes Eisen in das Serum bringt, erhöht sich dessen Eisenkonzentration um 3,5–10,5 μg/dl (0,6–2 μmol/l) /10/.
• Der Serumeisen ist ein später Indikator des Eisenmangels. Ein Wert unterhalb des Referenzbereichs wird erst dann gemessen, wenn kein Speichereisen mehr vorhanden und das Funktionseisen erniedrigt ist.
• Das Serumeisen zeigt den Eisenmangel nicht zuverlässig an. In einer Studie /6/, bei der die Eisenmangelanämie eines Patientenkollektivs durch die Eisenfärbung von Knochenmarkausstrichen gesichert war, zeigte der Eisenwert im Serum nur in 41 % der Fälle den Eisenmangel richtig an, das Ferritin zu 90 %. Als Entscheidungswerte galten eine Konzentration von Eisen unter 60 μg/dl (11 μmol/l) und eine Konzentration von Ferritin unter 13 μg/l für Frauen und unter 25 μg/l für Männer.

7.2.5.2 Täglicher Eisenbedarf

Der tägliche Eisenbedarf des erwachsenen Mannes und von Frauen über 50 J. ist etwa 1 mg, derjenige der Frau im menstruationsfähigen Alter 1,6 mg. Das tägliche Eisen der Nahrung beträgt in den westlichen Nationen etwa 10 mg, davon werden, wenn kein Eisenmangel vorliegt, etwa 10 % absorbiert. Bei Patienten mit totaler parenteraler Ernährung wird die intravenöse Gabe von 1 mg Eisen pro Tag empfohlen /11/. Die tägliche orale Aufnahme von Eisen nach den Empfehlungen der WHO /12/ ist aufgeführt in Tab. 7.2-2 – Empfohlene Eisendosierung nach WHO. Die Menge an parenteralen Eisen, die bei einem Eisenmangel verabreicht werden soll wird nach folgender Formel berechnet /13/:

Eisenmangel (mg) = Körpergewicht (kg) × 0,24 × [Hb-Zielwert (g/l) – aktueller Hb (g/l)] + 500

7.2.5.3 Diagnostik der Eisenüberladung

Erhöhte Eisenwerte können bei gesunden Personen vorübergehend vorkommen. Häufig treten sie aber Erkrankungs bedingt auf bei:

• Ineffektiver Erythropoese mit verstärkter Zerstörung roter Blutzellen im Mark.
• Leberschädigung durch Alkohol oder Hepatitis C.
• Hereditärer Hämochromatose.
• Chronischen Anämien auf Grund einer Transfusions-bedingten Eisenüberladung. Pro Konserveneinheit werden 200–250 mg Eisen deponiert. Klinische Symptome und Beschwerden treten erst nach Transfusion von 100–150 Konserven auf /14/.
• Überdosierung durch Intoxikation mit Eisen haltigen Substanzen. Es handelt sich vorwiegend um ein pädiatrisches Problem. Eine Konzentration von Eisen im Serum über 300 μg/dl (54 μmol/l) geht mit klinischen Symptomen einher und erfordert therapeutisches Handeln. Neben dem Serumeisen, das dann im Mittel bei 500 μg/dl (90 μmol/l) liegt /15/, sind Durchfall, Erbrechen, Leukozytose, Hyperglykämie und ein positiver abdomineller Röntgenbefund die wichtigsten Befunde.

Siehe auch:

• Tab. 7.1-6 – Klinik und Labordiagnostik der hereditären Hämochromatose
• Tab. 7.1-9 – Eisenüberladung nicht auf Störungen der Hepcidin-Ferroportin-Achse beruhend.

7.2.6 Hinweise und Störungen

Bestimmungsmethode

Während die Präzision der Methoden zur Bestimmung von Eisen in der Laborroutine akzeptabel ist, ist die Richtigkeit suspekt.

Im Vergleich zur überarbeiteten ICSH-Methode /2/ zeigen die Routinemethoden /1/:

• Einen negativen Bias über den gesamten Messbereich.
• Einen signifikanten negativen Intercept.
• Eine schlechte Korrelation zur ICSH-Methode im Bereich der Konzrntrationen unter 75 μg/dl (13,4 μmol/l).

Kritische Punkte mit Einfluss auf die Richtigkeit /16/:

• pH des Reaktionsansatzes, er unterliegt dem Einfluss der Plasmaproteine. Ist der pH ≤ 1,65 wird Eisen zwar gut vom Transferrin abgelöst, aber die Bildung eines Komplexes mit Ferrozin ist schlecht. Ist der pH 4–5, wird Eisen schlecht von Transferrin freigesetzt.
• Verlust von Eisen während der Proteinfällung.
• Hohe Konzentrationen von Ferritin. So wird z.B. auch bei der ICSH-Methode bei einem Ferritin über 1.200 μg/l Eisen aus dem Ferritin freigesetzt und mitbestimmt.
• Störung der Photometrie durch Hyperlipidämie und Hyperbilirubinämie.

Hämolyse, Kontamination und Komplexbildner

Hämolytisches Serum liefert falsch hohe Eisenwerte, besonders, wenn eine Methode ohne Enteiweißung eingesetzt wird. Somit müssen Serum und Blutkuchen spätestens 2 h nach Blutentnahme getrennt sein.

Glasgeräte sollten bei der Bestimmung nicht verwendet werden. Bei Plastikmaterialien ist in der Regel keine Kontamination zu befürchten. EDTA-Plasma kann nur zur Analyse mit der Atom-Absorptions-Spektroskopie eingesetzt werden.

Stabilität

Im Plasma oder Serum bei Raumtemperatur (20 °C), 3 Tage, bei 4 °C 1 Woche.

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7.3 Ferritin

Lothar Thomas

Ferritin spielt eine wichtige Rolle in der Eisenhomöostase des Organismus, denn es bindet intrazellulär Eisen und sequestriert es, so dass es zum einen nicht toxisch wirken kann, zum anderen bei Bedarf wieder rasch für den labilen Eisenpool der Zelle verfügbar ist. Ferritin ist in Zytoplasma und den Mitochondrien nahezu aller Körperzellen vorhanden. In größerer Menge liegt Ferritin in Hepatozyten und den Eisen speichernden Zellen des retikuloendothelialen Systems (RES) wie Makrophagen und Kupffer-Zellen vor /1/.

In Abhängigkeit von der Konzentration an Hepcidin sind die Speicherzellen mit Eisen beladen und wird Eisen in die Zirkulation als Funktionseisen freigesetzt. Serumferritin reflektiert den Eisengehalt des Organismus und wird deshalb in Populations-Untersuchungen und zur Diagnostik Eisen bezogener Erkrankungen bestimmt.

7.3.1 Indikation

• Verdacht auf Eisenmangel ohne Anämie.
• Bei mikrozytärer, hypochromer Anämie.
• Überwachung von Risikogruppen für Eisenmangel, z.B. Schwangere, Blutspender, Kleinkinder, Hämodialysepatienten.
• Verlaufskontrolle der oralen Eisentherapie.
• Abschätzung des Speichereisens vor Therapie mit Erythropoese stimulierenden Agentien (ESA).
• Verdacht auf hereditäre Hämochromatose oder sekundäre Eisenüberladung.
• Verlaufskontrolle der Eisenmobilisations-Therapie bei Eisenüberladung.
• Bei Patienten mit metabolischen Syndrom.
• In Kombination mit dem löslichen Transferrinrezeptor (sTfR) zur Berechnung des Ferritinindex (sTfR/log10 Ferritin) eines Markers der Eisenversorgung der Erythropoese.

7.3.2 Bestimmungsmethode

Immunoassays, wie z.B. Enzyme-Linked-Immunoassay (ELISA), immunometrischer Assay (IMA), Luminescence Immuno-Assay (LIA).

7.3.3 Untersuchungsmaterial

Serum, Plasma: 1 ml

7.3.4 Referenzbereich

Siehe Tab. 7.3-1 – Referenzbereiche von Ferritin.

7.3.5 Bewertung

Der Eisengehalt des Organismus ist in drei wichtigen Kompartimenten lokalisiert:

• Den roten Blutzellen. Diese enthalten den größten Anteil der Körpereisens und der Eisengehalt dieses Kompartiments kann indirekt durch Messung des Hb im Blut geschätzt werden.
• Dem Funktionseisen oder auch als Transitpool oder Transferrinpool bezeichnet. Er enthält wenig Eisen und kann durch Bestimmung der Transferrinsättigung (TfS) geschätzt werden.
• Dem Speichereisen. Es handelt sich um das in den Zellen des retikuloendothelialen Systems und in den Hepatozyten in Form von Ferritin lokalisierte Eisen. Ferritin spiegelt die Eisenspeicher wider, der Eisenmangel kann bereits im Anfangsstadium erfasst und sein Gehalt durch die Bestimmung von Ferritin im Serum geschätzt werden. Ferritin ist den meisten Zellen als zytosolische Komponente vorhanden.

Unter totalem Eisenmangel wird die Verminderung des Eisen in allen drei Kompartimenten verstanden und der Ferritinwert im Serum ist niedriger als beim isolierten Mangel des Speichereisens (Tab. 7.3-2 – Ferritinwerte beim Eisemangel).

Aus den Speicherzellen wird als Ferritin gebundenes Eisen anderen Zellen bei Bedarf rasch zur Verfügung gestellt. Im Serum sind 1 μg Ferritin/l Serum repräsentativ für 8–10 mg gespeichertes Eisen oder äquivalent zu etwa 140 μg gespeichertem Eisen pro kg Körpergewicht /7/. Diese Beziehung zeigt eine brauchbare Korrelation bis zu einer Ferritinkonzentration im Serum von 200 μg/l.

Ein Vergleich des Ferritins im Serum mit im Punktat des Knochenmarks (Berliner Blau-Färbung) mikroskopisch nachweisbaren Eisen zeigt eine akzeptable Beziehung. Diese besteht aber nur, wenn ein Zustand des Gleichgewichts besteht, denn das Eisen im Knochenmark ist nur langsam mobilisierbar, da es in der Form von Hämosiderin gespeichert ist.

Änderungen der zellulären Eisenhomöostase werden rasch durch eine Änderung des Ferritinwerts im Serum angezeigt (siehe Beitrag 7.1.4 – Eisenmangel). So wird ⁵⁹Fe, das in Form denaturierter Erythrozyten intravenös verabreicht wird, in die Makrophagen des RES aufgenommen und erscheint als ⁵⁹Fe markiertes Ferritin nach 20–40 min in der Zirkulation /8/. ⁵⁹Fe-markiertes Ferritin wird, abhängig von der Dosierung, mit einer Halbwertszeit von 4–40 min aus der Zirkulation entfernt. Ein Hepatozyt kann 160.000 Eisenatome pro Minute aufnehmen /1/.

7.3.5.1 Ferritin in der Diagnostik des Eisenmangels

Ferritin im Serum ist der akzeptierte Test zur Diagnostik des Eisenmangels (Tab. 7.3-3 – Erkrankungen und Zustände mit Eisenmangel). Der Ferritinwert ermöglicht die Differenzierung des latenten Eisenmangels vom totalen Eisenmangel. Wird ein Ferritinwert von ≤ 12–15 μg/l als Indikator eines totalen Eisenmangels akzeptiert, beträgt die diagnostische Sensitivität für Eisenmangel 25 % bei einer Spezifität von 98 % /9/. Die Sensitivität wird jedoch verbessert auf 92 % bei einer Spezifität von 98 % und einem positiven prädiktiven Wert von 92 % bei einem Grenzwert ≤ 30 μg/l /9/. Häufig angewendete Grenzwerte für Ferritin zur Diagnose des Eisenmangels zeigt Tab. 7.3-1 – Referenzbereiche von Ferritin.

In Folge eines totalen Eisenmangels kommt es in einem hohem Grade zur ineffektiven Erythropoese mit mikrozytärer hypochromer Anämie. Die Erniedrigung des Ferritins tritt gewöhnlich vor der Eisenmangelanämie auf. Das ist aber nicht immer der Fall. So ist die Prävalenz des Mangels an Speichereisen bei Jugendlichen mehr als doppelt so hoch wie die Eisenmangelanämie /10/.

In bestimmten Gruppen der Bevölkerung kann die Situation anders sein. Wird bei Kindern entsprechend der WHO-Empfehlung ein Hb-Wert unter 110 g/l als Indikator einer Anämie festgelegt und ein Ferritinwert < 10 μg/l als Indikator des totalen Eisenmangels, so haben in England lebende Kinder von Pakistani, Bangladeshi und Indern zu 20–29 % eine Anämie, aber nur zu 8–13 % eine Hypoferritinämie /11/. Als Ursache normaler Werte des Ferritins wird das vermehrte Auftreten von Infektionen im Vergleich zu Kindern der einheimischen Bevölkerung angesehen.

7.3.5.2 Ferritin bei inflammatorischen Erkrankungen

Ferritin ist ein Akute-Phase Protein und seine diagnostische Bedeutung bei Vorliegen einer Entzündung eingeschränkt. Deshalb sind akute und chronische Entzündungen, Infektionen, Autoimmun-Erkrankungen, chronische Niereninsuffienz, chronische Herzinsuffizienz, entzündliche Darmerkrankungen und maligne Tumoren mit erhöhten Ferritinwerten assoziiert (> 100 bis > 1.000 μg/l). Das ist auch der Fall, wenn bei Leberschädigung Ferritin aus Hepatozyten freigesetzt wird oder beim M. Still, bei dem die Hyperferritinämie ein Marker der Krankheitsaktivität ist.

Sind solche Situationen nicht evident, kann helfen:

• Die Bestimmung des C-reaktiven Proteins, bei Inflammation ist CRP > 5–10 mg/l.
• Die Bestimmung der TfS, sie ist bei Inflammation niedrig oder niedrig normal (unter 20 %).

Bei Inflammation und Zytolyse wird in Relation zum Speichereisen ein zu hohes Ferritin gemessen, da:

• Bei Inflammation, bedingt durch eine IL-6 aktivierte Synthese von Hepcidin vermindert Eisen und vermehrt Ferritin aus Makrophagen freigesetzt wird.
• Bei Schädigung des Hepatozyten auf Grund von Zytolysen vermehrt Ferritin in die Zirkulation gelangt.
• In weißen Blutzellen bei Leukämien und Lymphomen vermehrt Ferritin freigesetzt wird.

Zur Diagnostik Eisenmangels ist der Quotient sTfR/log¹⁰ Ferritin ein besserer Indikator als die Ferritinkonzentration. Siehe hierzu Beitrag 7.4 – Löslicher Transferrinrezeptor.

Bei Patienten ohne Anämie kann ein funktioneller Eisenmangel bei einem Ferritin bis 300 μg/l bestehen, bei anämischen Patienten bis > 1.000 μg/l /45/.

7.3.5.3 Hämochromatose und sekundäre Eisenüberladung

Eisenüberladung bedeutet eine Vermehrung des totalen Eisens, bedingt durch:

• Verstärkte Eisenspeicherung in den Hepatozyten bei Hämochromatose.
• Starke Eisenbeladung der Makrophagen des RES bei der sekundären Eisenüberladung.

Die Ferritinkonzentration im Serum ist in Kombination mit der TfS ein nützlicher Marker zur Abgrenzung der Eisenüberladung von der Hyperferritinämie bei ACD. Siehe Abb. 7.3-1 – Abklärung einer nicht Anämie-assoziierten Hyperferritinämie durch Ferritin, die Transferrinsättigung und CRP.

Bei Eisenüberladung wird die Hyperferritinämie von einer erhöhten TfS begleitet. Ausnahmen sind die hereditäre Hämochromatose Typ 4 (Ferroportin-Erkrankung) und die Acoeruloplasminämie.

Bei inflammatorischen Prozessen ist die TfS vermindert oder niedig-normal.

Bei Routineuntersuchungen werden häufig ein erhöhtes Ferritin diagnostiziert, insbesondere bei älteren Personen. Ein erheblicher Anteil bleibt klinisch ungeklärt.

Siehe auch Tab. 7.3-4 – Erkrankungen und Zustände mit erhöhter Ferritinkonzentration im Serum.

7.3.6 Hinweise und Störungen

Standardisierung

Der WHO International Standard (IS) 94/572 für Ferritin (recombinant; NIBSC code 94/572) ist verfügbar. Er enthält die L-Untereinheit des Apoferritins. Obwohl die Ferritintests auf das WHO Referenzmaterial standardisiert sein sollten, lässt die Harmonisierung der Werte der Analysensysteme zwischen den Herstellern zu wünschen übrig. So betrugen die Werte bei 4 von 5 Herstellern bei einem Ferritinwert von 62,3 μg/l von 48,5 bis 73,4 μg/l und der untere Grenzwert, der einen totalen Eisenmangel anzeigt (15 μg/l) variierte zwischen 7,7 und 18,7 μg/l /41/. Eine neue Studie /52/ zeigt, dass auch bisher noch keine Harmonisierung erfolgte. Eine Vergleichsuntersuchung der Analysensysteme verschiedener Hersteller erbrachte folgendes Ergebnis: nur einer der vier erreichte nach der Standardisierung auf 94/572 die richtigen Werte.

Siehe auch Tab. 7.3-3 – Verwendung von Referenzmaterialien für Ferritin-Immunoassays.

Bestimmungsmethode

Die Kompatibilität der Ergebnisse von Assays verschiedener Hersteller ist mäßig, obwohl die meisten die Kalibration ihres Assays gegen die gleiche Referenzpräparation vornehmen. Das beruht auf der immunologischen Heterogenität der Isoferritine im Serum, einer unterschiedlichen Spezifität der Antikörper, differenter Handhabung der Referenzpräparation bei der Kalibration der Assays und einem unterschiedlichen Prinzip des Immunoassays. So erfassen die meisten Assays besser die basischen Isoferritine wie das Ferritin aus der Leber, das einen höheren Anteil von L- als H-Untereinheiten besitzt. Das im Serum gemessene Ferritin ist überwiegend Apoferritin, für die Antikörperbindung spielt der Eisengehalt eine Rolle.

Referenzbereich

Die von den Laboratorien angewendeten Referenzbereiche sind unterschiedlich und abhängig davon, welches Verfahren als Goldstandard für den Eisenmangel eingesetzt wurde. Bei Männern kommt es in der Zeitspanne vom 30. bis zum 55. Lj. zu einem leichten kontinuierlichen Anstieg des oberen Referenzbereichswerts von etwa 350 μg/l auf etwa 400 μg/l. Bei Frauen steigt der obere Referenzbereichswert ab dem 50. Lj. an von im Mittel 150 μg/l auf etwa 300 μg/l im 70. Lj. /28/. Funktionelle untere Referenzbereichswerte für Ferritin für die Altersklasse 0–18 Jahre wurden 18,8 ug/l für das weibliche Geschlecht und 24,4 ug/l für das männliche Geschlecht ermittelt /49/.

Stabilität

Bei 20 °C im verschlossenen Gefäß und bei 4–8 °C, 6 Tage, bei –20 °C mehr als 12 Monate.

Hämolyse

Geringe Grade intravasaler oder in vitro induzierter Hämolyse haben keinen Einfluss auf das Messergebnis. Jedoch eine deutliche Rotfärbung des Serums verursacht eine Erhöhung des Ferritins um bis zu 60 % in Folge einer Freisetzung von intraerythrozytärem Ferritin.

7.3.7 Pathophysiologie

Ferritin ist ein ubiquitäres, in der Entwicklung der Arten hoch konserviertes Eisen bindendes Protein mit der Aufgabe, atomares Eisen zu separieren und zu speichern. Es besteht aus einer Proteinhülle, dem Apoferritin, die bis zu 4.500 Eisenatome in ihrem inneren Volumen speichern kann. Apoferritin hat ein MG von 430–460 kD und ist etwa 25 Angström dick /1/. Es besteht aus 24 symmetrisch angeordneten Proteineinheiten mit zwei Untereinheiten, den L-Typ mit 19 kD und den H-Typ mit 24 kD. Die Sequenz der Aminosäuren beider Untereinheiten ist zu etwa 50 % homolog /1/.

Verschiedene Verhältnisse von H- und L-Untereinheiten begründen die Heterogenität des Ferritins, so dass Isoferritine vom L-Typ, intermediären Typ und H-Typ unterschieden werden. In Abhängigkeit vom Gewebe und dem Status der Zelle schwankt das Verhältnis von H- zu L-Untereinheiten, und zwar /42/:

• Vom isolierten H-Typ in Hela-Zellen (H₂₄L₀) über die Isoferritine mit vorwiegendem H-Typ wie Muskulatur, Thymus, rote Blutzelle, Gehirn und Herz,
• über den intermediären Typ im Lymphozyten
• und den dominanten H-Typ in Leber und Milz
• bis zum Typ H₀L₂₄, der im Serum auftritt.

Das Verhältnis H- zu L-Typ ist nicht fest, sondern relativ plastisch und kann sich durch Stimuli wie Entzündung, Zelldifferenzierung, Xenobiotika ändern.

Die Apoferritinhülle hat einen inneren Durchmesser von 70–80 Angström. Eisenatome treten über Kanäle mit einem Durchmesser von 3–4 Angström in das Innere des Moleküls. Eisen haltiges Apoferritin, auch als Holoferritin bezeichnet, kann bis zu 4.500 Eisenatome enthalten und somit sein MG auf 900 kD verdoppeln. Eisen liegt als (FeOOH)₈ (FeOOPO₃H₂) im Holoferritin vor. Siehe Abb. 7.3-2 – Struktur des Ferritinmoleküls.

Im Inneren des Ferritinmoleküls erfolgt die Anordnung der Eisenatome durch die katalytischen Aktivitäten der H- und L-Untereinheiten:

• Die innere Oberfläche der H-Untereinheit der Hülle von Apoferritin besitzt Ferrooxidase Aktivität, die Fe²⁺ zu Fe³⁺ oxidiert. Denn das Eisenatom kann nur als Fe²⁺ in das Innere des Apoferritins gelangen, wird aber nur als Fe³⁺ gespeichert.
• Die L-Untereinheit katalysiert die Nukleation der aufgenommenen Eisenatome.
• Der Wechsel im Verhältnis der H- und L-Untereinheiten erlaubt der Zelle, den Eisenmetabolismus zu steuern /43/. Denn intrazelluläres Ferritin hat durch Aufnahme und Abgabe von Eisen aus dem labilen Eisenpool der Zelle eine Schlüsselrolle in der Steuerung dieses Pools. So erlaubt die Expression von Apoferritin mit vermehrt H-Untereinheiten die verstärkte Aufnahme von Eisen in das Molekül. Homozygote murine Knockouts der H-Untereinheit sind letal.

Serumferritin ist arm an Eisen, ähnelt immunologisch dem L-Typ Apoferritin und kann eine glykosylierte Seitenkette enthalten. Es wird angenommen, dass Serumferritin und L-Typ Ferritin vom gleiche Genprodukt gebildet werden /44/. Nach enteraler Absorption von Eisen kommt es rasch zu einem Anstieg des Ferritins im Serum. Die Synthese wird über das IRE/IRP-System reguliert. Siehe dazu Abb. 7.1-6 – Posttranskriptionale Regulation der intrazellulären Eisenhomöostase. Besonders bedeutsam ist die Induktion der Synthese von Ferritin in Makrophagen. Diese Zellen spielen eine zentrale Rolle in der Eisenhomöostase, da sie das Eisen gealterter roter Blutzellen aufnehmen und wieder als Funktionseisen abgeben. Die Konzentration des Ferritins im Serum reflektiert im wesentlichen das Eisen des RES und ein Wechsel im Gehalt des Speichereisens ist innerhalb von 40 min an einer Änderung des Ferritins im Serum messbar.

Die bei der Akute-Phase Reaktion vermehrt gebildeten proinflammatorischen Zytokine TNF-α und IL-1β haben eine regulatorische Wirkung auf die Eisenhomöostase auf der Ebene der Bildung der Untereinheiten von Apoferritin. So wird z.B. durch Stimulierung der Synthese von mRNA der H-Untereinheit in mesenchymalen Zellen und Makrophagen Apoferritin mit mehr H-Untereinheiten gebildet und der Eisenspeicherung der Vorrang gegeben /43/.

Ferritin kann das gespeicherte Eisen nicht direkt an Apotransferrin abgeben. Die Entfernung von Fe³⁺ vom Ferritin erfolgt durch niedermolekulare Substanzen wie Citrat. Von den gebildeten Salzen wird dann Fe³⁺ an Apotransferrin abgegeben.

Apoferritin wird in den Zellen im Überschuss gebildet und speichert nicht im labilen Eisenpool benötigtes Eisen als Ferritin. Ferritin unterliegt in den Lysosomen einer kontinuierlichen Degradation. Das freiwerdende Eisen wird wieder in neu gebildetes Apoferritin inkorporiert. Bei hoher Speichereisenreserve wird wenig Eisen in die Makrophagen aufgenommen und das im Überschuss gebildete Apoferritin in die Zirkulation abgegeben. Bei Eisenmangel bildet der Makrophage wenig Apoferritin und Ferritin, folglich wird wenig in die Zirkulation abgegeben und die Konzentration von Ferritin im Serum ist niedrig.

Bei einer Infektion, systemischen Inflammation oder Gewebeschädigung erfolgt, induziert durch Interleukine, eine Akute-Phase Reaktion. Als Folge bildet die Leber Akute-Phase Proteine. Induziert durch IL-1β aus Makrophagen ist auch die Synthese von Ferritin, insbesondere der L-Untereinheit vermehrt /46/. Das erfolgt besonders stark bei einem Zytokinsturm /47/, der durch Hyperaktivierung von Immunzellen (z.B. Makrophagen) hervorgerufen wird. Das ist auch der Fall bei der Fall bei bakteriell ausgelöster Sepsis und der tödlichen Infektion mit COVID-19 /48/.

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7.4 Löslicher Transferrinrezeptor (sTfR)

Lothar Thomas

Der Transferrinrezeptor (TfR) ist ein transmembranes Protein und vermittelt die Zufuhr von Eisen aus dem funktionellen Pool durch Rezeptor vermittelte Endozytose in die Erythroblasten. Außer den Erythroblasten haben nahezu alle Zellen TfR auf ihrer Zellmembran. Wie viele Rezeptoren wird auch der TfR regelmäßig in die Zirkulation abgeworfen, wo er in rudimentärer löslicher Form (sTfR) nachweisbar ist. Oft ist noch Transferrin gebunden. Die sTfR Konzentration im Serum verhält sich proportional zur Membran gebundenen Form und reflektiert die Proliferation der Erythropoese. Er ist erhöht bei hyper- und erniedrigt bei hyporegenerativer Erythropoese. Auch reflektiert die Konzentration von sTfR im Serum den Mangel an Funktionseisen und ist erhöht. Der sTfR wird nicht durch akute oder chronisch aktive Inflammation beeinflusst und ist hilfreich in der Unterscheidung der Eisenmangelanämie von der Anämie chronischer Erkrankung.

7.4.1 Indikation

Beurteilung des Eisenstatus

• Verdacht auf Eisenmangel, insbesondere bei Personen mit erhöhter Prävalenz des subklinischen (latenten) Eisenmangels, z.B. bei Frauen mit menstruellem Blutverlust, Kleinkindern, Adoleszenten, Sportlern im Ausdauertraining, Mehrfachblutspendern.
• Differenzierung der Anämie bei Eisenrestriktion (IRE) von der Anämie bei Entzündung (ACD, anemia of chronic disease) und Diagnostik der Kombination IRE/ACD.
• Berechnung des Ferritin-Index (sTfR/log¹⁰ Ferritin) zur Beurteilung der Eisenversorgung der Erythropoese.
• Beurteilung des Eisenhaushalts von Anämiepatienten in Kombination mit der Ferritinbestimmung vor Beginn einer Therapie mit Erythropoese stimulierenden Agenzien (ESA).
• Beurteilung von Störungen, die einen Anstieg der erythropoetischen Aktivität bewirken.

7.4.2 Bestimmungsmethode

Enzymimmunoassay, immunnephelometrischer Assay mit Latex Verstärkung. Eine Standardpräparation der WHO, die rekombinanten TfR enthält, ist verfügbar. Zur Kalibration der Assays werden aber zur Zeit Präparationen von intaktem sTfR, dem Komplex von sTfR mit Transferrin oder Kombinationen verwendet /1/. Das führt zu nicht vergleichbaren Werten zwischen den verschiedenen Assays. Das WHO-Referenzreagenz 07/202, das rekonstituiert in 0,5 ml 21,7 mg/l (303 nmol/l) an sTfR enthält, wird vielen Herstellern noch nicht verwendet /2/.

7.4.3 Untersuchungsmaterial

Serum, Plasma: 1 ml

7.4.4 Referenzbereich

Siehe Tab. 7.4-1 – Referenzbereiche des löslichen Transferrinrezeptors.

7.4.5 Bewertung

Der im Serum nachweisbare sTfR ist die verstümmelte Form des TfR der Gewebe nach proteolytischer Abspaltung von der Zellmembran. Die Zellen der einzelnen Gewebe exprimieren den TfR unterschiedlich stark. Die höchste Besetzung zeigen Organe mit hohem Eisenverbrauch, wie das Knochenmark und die Plazenta. Beim gesunden Erwachsenen kommen 80 % der sTfR Konzentration im Serum aus dem Knochenmark, wo es von den Erythroblasten und Retikulozyten abgegeben wird. Die Erythrozyten haben keine TfR.

Die Bewertung des sTfR erfolgt unter Kenntnis der klinischen Fragestellung, da dieser Biomarker sowohl ein Marker der erythropoetischen Aktivität, als auch des Bedarfs der Gewebe an Eisen ist.

7.4.5.1 Beurteilung der erythropoetischen Aktivität

Die Konzentration des sTfR variiert mit der erythropoetischen Aktivität und damit der Masse der Erythroblasten und Retikulozyten. Der sTfR ist ein Marker der Größe des Erythroblasten- und Retikulozyten-Kompartiments. Das ist der Fall, wenn Speichereisen adäquat und verfügbar ist.

Die erythropoetische Aktivität ist /7/:

• Erhöht bei autoimmun bedingter hämolytischer Anämie, hereditärer Sphärozytose, Sichelzellanämie, sekundärer Polyzythämie oder bei ineffektiver Erythropoese wie Eisenmangelanämie, Thalassämie, megaloblastärer Anämie und dem myelodysplastischen Syndrom.
• Vermindert bei Hypoplasie der Erythropoese wie bei Anämie chronischer Erkrankung (ACD), chronischer Nierenerkrankung, intensiver Chemotherapie, aplastischer Anämie, Mehrfach Transfusion von Erythrozytenkonzentraten.

Zur Schätzung der erythropoetischen Aktivität und der funktionellen Klassifizierung einer erythropoetischen Störung vermittels der sTfR Konzentration muss deren Beurteilung erfolgen:

• In Kombination mit Erythropoetin (EPO) und der Retikulozytenzahl,
• Sie muss in Bezug gesetzt werden zum Ausmaß der Anämie, gemessen als Hb-Wert oder Hkt.

Hypoproliferative Erythropoese

Die produktive Kapazität der Erythropoese zur Gewährleistung eines normalen Hämatokrits (Hkt) wird durch die Retikulozytenzahl und die Höhe des sTfR reflektiert. Eine Anämie mit niedriger Retikulozytenzahl weist auf eine hypoproliferative Erythropoese hin.

Zur funktionellen Klassifizierung und für die Therapie ist es wichtig, ob die Anämie resultiert aus /8/:

• Einer verminderten Proliferation durch eine inadäquat niedrige Produktion von Erythropoetin (EPO).
• Einer intrinsischen, EPO unabhängigen Hypoproliferation der Erythropoese.
• Einer Reifungsstörung (ineffektive Erythropoese).
• Einer kurzen Erythrozyten Lebenszeit (Hämolyse).

Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wird primär untersucht, ob eine inadäquat niedrige Bildung von EPO in Relation zum Hkt besteht (Abb. 7.4-1 – Beziehung zwischen Hämatokrit und Serum-Erythropoetin). Das ist z.B. der Fall bei chronischer Niereninsuffizienz.

Ist die Konzentration von EPO adäquat oder sogar erhöht, scheiden ein relativer EPO-Mangel oder eine ineffektive Erythropoese (EPO > 100 U/l) aus, und die Anämie beruht auf einer hypoproliferativen Erythropoese. Es wird dann der sTfR bestimmt und in Bezug zum Hkt bewertet (Abb. 7.4-2 – Beziehung zwischen Hämatokrit und sTfR-Konzentration im Serum).

Ein in Relation zum Hkt zu niedriger sTfR-Wert weist auf eine intrinsische Hypoproliferation der Erythropoese hin. Ursachen sind:

• Der Mangel von Eisen, Vitamin B₁₂, Folsäure.
• Inflammatorische Zustände.
• Aplastische Anämie oder die reine rote Blutzellaplasie. Der sTfR Wert ist niedriger als ein Drittel des Mittelwertes des Referenzbereichs.

Bei den Entzündungs- und Tumoranämien ist meist eine kombinierte Störung die Ursache der hypoproliferativen Erythropoese /8/; es ist somit:

• Die Produktion von EPO inadäquat zum Abfall des Hkt erhöht.
• Zusätzlich besteht eine intrinsische Hypoproliferation der Erythropoese auf Grund einer Hemmung durch inflammatorische Zytokine.

Hyperproliferative Erythropoese

Bei der hyperproliferativer Erythropoese ist der sTfR durch Vermehrung des Erythroblasten-Kompartimentes erhöht. Die Erythropoese kann sein:

• Effektiv, das ist der Fall bei hämolytischen Anämien, die Retikulozytenzahl ist erhöht.
• Ineffektiv, wie bei der Anämie durch Vitamin B₁₂- oder Folsäure-Mangel, bei Anämie durch Eisenmangel und dem myelodysplastischen Syndrom. Die Retikulozytenzahl ist nicht erhöht.
• Als Antwort auf eine Therapie mit ESA steigt die der sTfR in den ersten zwei Wochen nach Gabe von EPO an, bedingt durch eine Proliferation des Erythroblasten-Kompartiments.

7.4.5.2 sTfR zur Kontrolle der Therapie mit ESA

Ein früher Indikator der Ansprechbarkeit der Erythropoese auf die Therapie mit ESA ist die Konzentration des sTfR. In einer Studie /9/ war die Ansprechbarkeit auf ESA gut, wenn der Wert des sTfR zu Beginn der Therapie normal und 2 Wochen später um mehr als 20 % angestiegen war. Der Anstieg des sTfR ist aber kein Indikator einer effektiven Erythropoese.

7.4.5.3 Beurteilung des Eisenstatus

Die diagnostische Sensitivität des Hb-Werts zur Erkennung des Eisenmangels ist gering, da:

• Bei nutritivem Eisenmangel die Anämie relativ mild ist und in der Frühphase eine Überlappung der Hb-Werte von Gesunden und Patienten mit Eisenmangel besteht.
• In Entwicklungsländern der Eisenmangel mit Fehlernährung und Inflammation verknüpft ist und somit die Prävalenz der ACD hoch ist. Zur Beurteilung der Angemessenheit des Speichereisens bei ACD ist das Serumferritin nur geeignet, wenn erniedrigt.

Bei Eisenmangel ist sTfR im Serum immer erhöht und reflektiert die Eisenversorgung des Erythroblasten-Kompartimentes /10/. Quantitative Phlebotomie Studien bei Gesunden haben gezeigt, dass nach Entleerung der Reserve an Speichereisen ein zunehmender Eisenmangel der Gewebe von einem Anstieg des sTfR begleitet wird. Die Konzentration des sTfR ändert sich früher als andere biochemische Marker wie die Transferrinsättigung (TfS) und das Zinkprotoporphyrin und ist auch deutlich früher als der Abfall von MCV und MCH /11/. Die diagnostische Sensitivität des sTfR für Eisenmangel beträgt 79 % bei einer Spezifität von 63 %, wenn bei jungen Frauen der Hb < 120 g/l, Ferritin < 20 μg/l und das Zinkprotoporphyrin > 1,4 μg/g Hb beträgt /12/.

7.4.5.3.1 sTfR bei Mangel an Funktionseisen

Funktionseisen ist die an Transferrin gebundene, im Extrazellulärraum befindliche Eisenmenge und beträgt etwa 4 mg. Die Erhöhung des sTfR ist, vergleichbar der Transferrinsättigung, ein Indikator des Mangels an Funktionseisen, also der Imbalance zwischen Bedarf und Versorgung der Gewebe. Die Versorgung ist von der Reserve an Speichereisen und dem Ausmaß und dessen Mobilisation abhängig. Die Höhe des sTfR bei Eisenmangel ist ein indirektes Maß des Turnovers an Plasmaeisen, also der Menge an Eisen, die täglich im Plasma zum Knochenmark und in die Gewebe transportiert wird. Ist die Konzentration von TfR hoch, wird wenig Eisen transportiert und das an Transferrin gebundene Eisen ist gering (TfS < 16 %).

Nimmt das Speichereisen ab, fällt die Ferritinkonzentration bis die Eisenspeicher leer sind. Zu diesem Zeipunkt fällt Ferrin unter den unteren Referenzbereichswert. Bei weiterem Eisenverlust und wenn der Eisenmangel die Erythropoese beeinträchtigt, steigt die Konzentration des sTfR an und nimmt weiter zu, wenn die Eisenzufuhr zur Erythropoese weiter abnimmt, was die Anzahl der Rezeptoren auf den erythroiden Vorläuferzellen widerspiegelt /11/.

Der Quotient sTfR (mg/l)/log¹⁰ Ferritin (μg/l), auch als Ferritin-Index bezeichnet, steht in inverser Beziehung zum Eisenstatus. Er ist ein Indikator des Angebots von Eisen an die Erythropoese und zeigt eine bessere Korrelation zum Eisenmangel als die isolierte Bestimmung von Ferritin und des sTfR /13/.

7.4.5.3.2 Anemia of chronic disease (ACD)

Ein Problem ist die Differenzierung einer Anämie, wenn bei Patienten mit chronischer Entzündungen, malignen Tumoren, Autoimmunerkrankungen oder chronischer Erkrankung der Nieren eine Eisen-restriktive Erythropoese vorliegt. Normalerweise ist bei diesen Anämien chronischer Erkrankung (ACD) die Erythropoese normozytär und normochrom, aber etwa 10 % der Fälle sind hypochrom. Zur Feststellung, ob die Hypochromie durch eine Kombination von ACD und Eisenmangel bedingt ist, kann die Bestimmung des sTfR, besser noch die des Ferritin-Index, hilfreich sein. Denn im Unterschied zum Ferritin und der TfS ändert sich die Konzentration des sTfR nicht bei Entzündungen. Eine Erhöhung des sTfR, bzw. des Ferritin-Index bei ACD weist auf eine kombinierte Störung aus ACD und Eisen-restriktiver Erythropoese( IRE) hin (ACD/IRE) /14/. Es werden jedoch nicht alle Fälle einer IRE erfasst, da bei ACD der sTfR niedrig-normal sein kann. Es muss demzufolge schon ein deutlicher Eisenmangel vorliegen, damit der sTfR den oberen Referenzbereichswert überschreitet /14/. Das geschieht in einem Teil der Fälle nicht.

Siehe Tab. 7.4-3 – Verhalten des sTfR bei Erkrankungen und verschiedenen Zuständen mit Eisenmangel.

Abb. 7.4-3 – Transferrinrezeptor zeigt das Verhalten des sTfR bei Zuständen mit Eisenmangel.

Bei der ACD beruht die hypoproliferative Erythropoese auf einem Zusammenspiel mehrerer Faktoren /8/:

• Die Synthese von EPO ist nicht adäquat erhöht in Relation zum Abfall des Hämatokrits.
• Zusätzlich besteht eine intrinsische Hypoproliferation der Erythropoese, bedingt durch einen Anstieg inflammatorischer Zytokine und von Hepcidin.

7.4.6 Hinweise und Störungen

Bestimmungsmethode

Auf Grund der Nicht Anwendung einer Standardpräparation zeigen die Tests verschiedener Diagnostikahersteller Unterschiede in den Messwerten.

Ein Problem bei der Erstellung eines Standards ist, dass der Eisenstatus für die Struktur des sTfR-Tf-Komplexes in der Zirkulation verantwortlich ist. So ist die Immunreaktivität des sTfR erheblich vermindert, wenn er nicht als sTfR-Tf-Komplex vorliegt. Eine gute Komplexbildung erfolgt nur, wenn Tf mit Eisen gesättigt ist /26/.

Referenzbereich

Für einige Tests wird eine Abhängigkeit von Alter- und Geschlecht berichtet, für andere nicht. Kinder haben höhere Werte als Erwachsene. Bei Kindern nehmen mit zunehmendem Alter die Werte ab /4, 27/. Für den Test eines Herstellers werden Geschlechts-spezifische Referenzbereiche angegeben /6/.

Stabilität

Bei Raumtemperatur (20 °C) und bei 4–8 °C mindestens 1 Woche. Im Vollblut kommt es in Abhängigkeit von der Lagerzeit zu einem Anstieg. Das soll auch der Fall sein im EDTA-Vollblut und EDTA-Plasma /28/. Ursache soll die zunehmende Ablösung des TfR von Retikulozyten und Leukozyten sein.

7.4.7 Pathophysiologie

Der TfR ist ein Glykoprotein, das auf der Zellmembran der kernhaltigen Zellen gelegen ist. Seine Funktion besteht in der Bindung von Tf-gebundenem Fe³⁺ und dem Transport des Fe³⁺ in die Zelle.

Der TfR ist ein Heterodimer aus zwei identischen transmembranen Untereinheiten von jeweils 85 kD (Abb. 7.4-3 – Transferrin-Rezeptor). Jede der beiden Einheiten besteht aus folgenden Domänen /29/:

• Einer C-terminalen Einheit aus 671 Aminosäuren.
• Einem transmembranen Teil aus 28 Aminosäuren.
• Einer N-terminalen intrazellulären Einheit aus 61 Aminosäuren.

Die extrazelluläre Domäne enthält zwei N-glykosylierte Seitenketten an Asparaginresten und eine O-glykosylierte am Tyrosin. Die Kohlenhydratseitenketten sind wichtig für die Funktion. Mutationen mit einem Verlust der Glykosylketten haben eine niedrigere Affinität zum Tf. Geht die Glykosylkette am Tyrosin verloren, so wird der Rezeptor rascher proteolytisch gespalten. Die extrazelluläre Domäne hat eine Trypsin empfindliche Region, an der sie proteolytisch von der Zellmembran abgespalten werden kann. Es entsteht ein 70 kD Fragment, das die Bindungsfähigkeit für Tf extrazellulär beibehält, nicht aber intrazellulär.

Jeder Rezeptor hat Bindungsstellen für zwei mit Eisen beladene Tf-Moleküle. Nach Bindung von Tf an den TfR erfolgt die Signalübertragung in das Zytoplasma über phosphorylierte Serinreste an der N-terminalen intrazellulären Einheit. Diese löst die Endozytose aus und Tf-TfR-Komplexe werden ins Zytoplasma internalisiert. Siehe Abb. 7.1-2 – Zelluläre Eisenaufnahme von Transferrin).

Der TfR hat eine 30–500 fach höhere Assoziationskonstante zum Eisen-gesättigten Tf als zum Monoeisen-Tf und zum Apo-Tf. Auch wenn der Anteil des Eisen gesättigten Tf nur 10 % des gesamtenTf im Plasma ausmacht, reicht das aus, um den TfR mit seinem Liganden zu sättigen /29/.

Die Expression des TfR erfolgt post transkriptional über Iron regulatory elements (IREs) und Iron regulatory proteins (IRPs). Siehe Abb. 7.1-6 – Erster Schritt der Hämsynthese.

Die höchste Rezeptordichte aller Organe haben die Erythroblasten und die Plazenta. In der Erythropoese hat der polychromatische Normoblast eine Rezeptordichte von 800.000/Zelle, der orthochromatische und die Retikulozyten von 500.000 bis 100.000. Auf der Zellmembran kann der Rezeptor flowzytometrisch vermittels des monoklonalen Antikörpers CD 71 nachgewiesen werden. Während der Reifung, insbesondere vom orthochromatischen Erythroblasten zum Erythrozyten und Verlust der Hämoglobinsynthese, werfen die Zellen ihre Rezeptoren ab (Shedding).

Etwa 70–80 % der im Serum nachweisbaren sTfR entstammen der Erythropoese. Nach Transport der von Eisen entladenen, in Endosomen gebundenen TfR-Apo-Tf-Komplexe an die Zelloberfläche erscheinen multivesikuläre Körperchen im Plasma. Diese enthalten auf ihrer Oberfläche die extrazelluläre Domäne des TfR. Die Domäne wird dann von Proteasen im Plasma, z.B. der Leukozyten, proteolytisch abgespalten und zu einem löslichen Fragment von etwa 85 kD, dem sTfR.

Abhängig vom verwendeten Antikörper erfasst die im Immunoassay gemessene sTfR-Konzentration:

• Das 85 kDa Fragment.
• Einen Komplex aus Tf und einem, möglicherweise sogar zwei Rezeptorfragmenten (MG von 250 kDa).
• Den noch an multivesikuläre Körperchen gebundenen TfR-Tf-Komplex.

Es besteht eine konstante Beziehung zwischen dem Gehalt eines Gewebes an TfR und der sTfR Konzentration im Serum. Diese ist abhängig:

• Vom Zellumsatz im Erythroblasten Kompartiment, also der Proliferation der Erythropoese.
• Der Expression der TfR auf der Zellmembran erythroider Vorläuferzellen. Beim Mangel an Funktionseisen besteht eine direkte Beziehung zwischen der Anzahl der TfR auf der Zellmembran und der sTfR-Konzentration im Serum.

Beim myelodysplastischen Syndrom (MDS) ist die Konzentration des sTfR normal, aber in einigen Fällen erhöht. Die Expression der sTfR auf der Zellmembran ist vermindert. Die massive Hyperzellularität der Erythroblasten beim MDS bedingt jedoch eine normale oder sogar erhöhte Konzentration an sTfR /30/.

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7.5 Transferrinsättigung (TfS)

Lothar Thomas

Eisen wird im Plasma nicht frei, sondern gebunden an das Protein Transferrin (Tf) transportiert. Jedes Molekül Tf kann maximal zwei Fe³⁺ Atome binden, äquivalent zu 1,4 mg Eisen pro Gramm Tf. Beladen mit zwei Fe³⁺ Atomen zirkuliert Tf im Blut und versorgt die Zellen des Organismus mit Eisen. Die TfS ist der Quotient aus den Konzentration von Eisen/Tf im Serum und wird in % angegeben. Die TfS ist ein wichtiger Marker der Eisenverfügbarkeit.

7.5.1 Indikation

• Verdacht auf mangelnde Verfügbarkeit von Eisen
• Verdacht auf Eisenüberladung
• Beurteilung des Umsatzes von Eisen im Plasma (Eisen Turnover).

7.5.2 Bestimmungsmethode

Bestimmt wird aus dem Serum der gleichen morgendlich abgenommenen Blutprobe die Konzentration von Eisen und Tf. Die Berechnung der TfS (%) erfolgt nach den Gleichungen in Tab. 7.5-1 – Berechnung der Transferrinsättigung.

Die Berechnung der TfS ergibt sich wie folgt:

• Das Molekulargewicht des Tf ist 79.570 Da.
• Jedes Molekül von Tf hat zwei Bindungsstellen für Eisen. Somit bindet 1 g Tf 1,4 mg (25,1 μmol) Eisen /1/.

7.5.3 Untersuchungsmaterial

Serum, Plasma (kein EDTA-Plasma): 1 ml

Die Blutentnahme soll nüchtern erfolgen.

7.5.4 Referenzbereich

Siehe Tab. 7.5-2 – Referenzbereich der Transferrinsättigung

7.5.5 Bewertung

Tf ist verantwortlich für den Umsatz von Eisen im Organismus und versorgt die Gewebe, insbesondere die Erythropoese, mit Eisen. Tf gebundenes Eisen steht als Funktionseisen zur Synthese von Hämoglobin und Eisen haltigen Enzymen zur Verfügung. Das Eisen wird vorwiegend aus dem Abbau von Hämoglobin überalterter Erythrozyten zur Verfügung gestellt (Abb. 7.5-1 – Turnover von Eisen zwischen den verschiedenen Kompartimenten). Der Eisengehalt des Hepatozyten kontrolliert die Konzentration von Tf im Plasma. Ist diese niedrig, wird die Synthese von Tf gesteigert, ist sie hoch, erfolgt eine Herunterregulierung.

Ein indirekter Hinweis auf die Minderversorgung der Erythropoese mit Eisen ist die Veminderung der TfS.

Das ist der Fall:

• Wenn bei gleich bleibendem Eisenbedarf eine mangelnde enterale Absorption von Eisen erfolgt oder zu wenig Eisen in der Nahrung vorhanden ist (nutritiver Eisenmangel).
• Wenn bei einer Akute-Phase Reaktion (Entzündung) die Konzentration von Hepcidin erhöht ist, die Tf-Synthese herunterreguliert wird und die Eisenfreisetzung aus Speicherzellen und den Mukosazellen des Darmes blockiet ist. Insgesamt ist der Eisenturnover vermindert, da Eisen in den Makrophagen und Hepatozyten festgehalten wird wie bei der Anämie chronischer Erkrankungen (ACD).

Eine Zunahme der TfS erfolgt, wenn bei gleichbleibendem Bedarf vermehrt Eisen enteral absorbiert wird wie das bei der hereditären Hämochromatose, bedingt durch einen funktionellen Mangel an Hepcidin, der Fall ist. Zur Diagnostik und Differenzierung der Eisenüberladung durch die kombinierte Untersuchung von TfS und Ferritin siehe Abb. 7.3-1 – Abklärung einer nicht Anämie assoziierten Hyperferritinämie durch Ferritin, die TfS und CRP.

Eine TfS < 16 % ist der Indikator eines Eisenmangels der Erythropoese, eine TfS < 10 % zeigt den totalen Eisenmangel an und eine TfS < 20 % wird bei Inflammation gemessen, da Eisen im retikuloendothelialen System sequestriert wird /5/.

Nach dem Network for Advancement of Transfusion Alternatives (NATA) sollten operative orthopädische Patienten normale Hb-Werte (Frauen ≥ 120 g/l, Männer ≥ 130 g/l) haben. Bei Werten darunter wird eine prä- und intraoperative Therapie mit Eisen empfohlen, wenn die TfS < 20 % und/oder Ferritin < 30 μg/l beträgt /6/.

Das Verhalten der TfS bei Eisenmangel ist gezeigt in Tab. 7.5-3 – Verhalten der Transferrinsättigung bei Eisenmangelzuständen.

Das Verhalten der TfS bei Eisenüberladung ist dargestellt in Tab. 7.5-4 – Verhalten der Transferrinsättigung bei Eisenüberladung.

Die Einschränkungen der TfS zeigt Tab. 7.5-5 – Einschränkungen der TfS.

Der Turnover von Eisen ist die Menge, die täglich im Plasma transportiert wird (Abb. 7.5-1 – Turnover von Eisen zwischen den verschiedenen Kompartimenten). Die TfS ist ein Marker des Turnover. Ist sie erniedrigt, ist der Turnover vermindert und ein Eisenmangel der Funktionsstellen ist die Folge. Ist die TfS hoch, ist der Turnover verstärkt und eine Überladung mit Eisen ist die Folge. Diese Beziehung gilt bei der ACD nur eingeschränkt, denn durch Herunterregulierung der Synthese von TF ist die Beziehung zwischen dem Turnover von Eisen und der Konzentration von Tf im Serum gestört.

Primär wird Eisen im retikuloendothelialen System und der Leber in Form von Ferritin gespeichert. Erreicht die TfS aber einen Wert von nahezu 100 %, erfolgt die Speicherung auch in den Zellen parenchymatöser Organe. Ein wichtiger Aspekt ist, dass ab einer TfS über 70% das Eisen im Plasma als Komplex mit Albumin oder als Eisencitrat vorliegt und nicht als Tf gebundenes Eisen. Diese Formen des Eisens werden unangemessen von gut durchbluteten Organen wie Leber, Pankreas und Herz intrazellulär aufgenommen, vermittelt durch Breitspektru-Metallopermeasen. Das führt zu Organschäden durch intrazelluläre Ablagerung von nicht Transferrin gebundenen Eisen. Die Therapie mit Eisenchelatoren führt zur Entfernung des nicht an Transferrin gebundenen Eisens /14/.

7.5.6 Hinweise und Störungen

Probennahme

Die Probennahme sollte immer morgens erfolgen und beim Screening auf hereditäre Hämochromatose oder sekundäre Eisenüberladung sollten 2 Werte aus Proben, die an verschiedenen Tagen entnommen wurden bewertet werden. Bei der Probennahme soll der Patient nüchtern sein, da nach Nahrungsaufnahme der Eisenwert ansteigt und die TfS zu hoch berechnet wird.

Berechnung der Transferrinsättigung

Die Berechnung der TfS darf nur aus Werten der gleichen Probe erfolgen. Es darf keine Akute-Phase Reaktion vorliegen, der CRP Wert muss normal sein, da ansonsten eine zu niedrige TfS bestimmt wird.

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7.6 Hepcidin

Lothar Thomas

7.6.1 Hepcidin reguliert den systemischen Eisenstoffwechsel

Hepcidin wird in der Leber als Pre-prohepcidin, einem aus 84 Aminosäuren bestehenden Peptid gebildet. Durch eine posttranslationale Prozessierung entsteht das 25 Aminosäuren lange aktive Peptid Hepcidin 25, das als der Regulator der systemischen Eisenhomöostase des Organismus wirkt.

In den Geweben hat Hepcidin:

• Bei erhöhter Synthese einen hemmenden Einfluss auf die Absorption von Eisen durch die Enterozyten des Darmes und die Freisetzung von Eisen aus den Hepatozyten und den Makrophagen des retikuloendothelialen Systems (RES). Bei erhöhter Hepcidinkonzentration im Plasma ist das Speichereisen vermehrt und/oder es besteht eine mit einer Inflammation einher gehende Erkrankung.
• Bei niedriger Synthese einen fördernden Einfluss auf die Absorption von Eisen durch die Enterozyten des Darmes und die Freisetzung von Eisen aus den Hepatozyten und den Makrophagen. Bei verminderter Hepcidinkonzentration können folgende Störungen vorliegen: Eisenmangel, Hypoxie, Steigerung der Erythropoese und unter Therapie mit Erythropoese stimulierenden Agentien (ESA). Eine niedrige Konzentration von Hepcidin ermöglicht in diesen Situationen den vermehrten Bedarf an Eisen sicher zu stellen. Das Eisen wird bereitgestellt durch eine verstärkte enterale Absorption und die Freisetzung aus den Hepatozyten und dem RES /1/.

7.6.1.1 Regulation des Eisentransports

Die durch Hepcidin induzierte verminderte Abgabe von Eisen aus dem RES und die reduzierte enterale Eisenabsorption beruhen auf der Bindung von Hepcidin an den Eisenexporter Ferroportin von Enterozyten und von Zellen des RES. Somit wird Ferroportin in die Zelle internalisiert und degradiert. Die Eisenretention in den Makrophagen des RES reduziert die Eisenabgabe in das Plasma und vermindert die Eisenverfügbarkeit für die Erythropoese. Die Eisenretention in den Enterozyten vermindert die Absorption von Eisen aus der Nahrung. Summarisch führt eine Erhöhung von Hepcidin zur Anämie auf Grund /2, 3/:

• Der vermehrten Speicherung von Eisen in den Hepatozyten und im RES.
• Der verminderten Absorption von Eisen aus der Nahrung.
• Der Verminderung des funktionellen Eisens im Blut.

Die Bildung von Hepcidin wird erheblich von Erkrankungen mit Inflammation beeinflusst. Die bei Inflammation regulativ wirkenden Zytokine, insbesondere IL-6, kompromittieren die systemische Eisenregulation von Hepcidin. Die Bindung von IL-6 an seinen Rezeptor führt zur Phosphorylierung des intrazellulären Signalweges und Aktivierung des Activator of Transcription 3 (STAT3). Dieser interagiert im Zellkern mit dem IL-6 responsiven Element des Promoters von Hepcidin. Somit wird dessen Synthese stimuliert und die erhöhte Konzentration begrenzt die Versorgung der Erythropoese mit Eisen. Das ist z.B. der Fall bei der Anämie chronischer Erkrankungen. Auf diese Weise koppelt die erhöhte Synthese von Hepcidin bei Inflammation den Eisenmetabolismus an die Immunabwehr gegen pathogene Erreger.

Angeborene Störungen des Hepcidin-Ferroportin Achse führen zur Überladung mit Eisen. Die Charakteristika und Funktionen von Hepcidin sind gezeigt in Tab. 7.6-1 – Charakteristika und Funktionen von Hepcidin.

7.6.2 Indikation

• Diagnose und Differenzierung der Hämochromatose.

7.6.3 Bestimmungsmethode

Isotope dilution micro HPLC-tandem mass spectometry /4/ und Immunoassays /5/. Meist wird das bioaktive Hepcidin-25 bestimmt.

7.6.4 Untersuchungsmaterial

Serum, nüchtern (Blutentnahme bis 9 Uhr): 1 ml

7.6.5 Referenzbereich

Abhängig vom Verfahren. Isotope dilution micro HPLC-tandem mass spectometry für Hepcidin-25 im Serum: 0,5–23 nmol/l /6/.

7.6.6 Bewertung

Die systemische Regulation der Eisenhomöostase erfolgt durch Hepcidin. Über 80 % der Anämien resultieren aus einem latenten oder totalen Eisenmangel oder Mangel an Funktionseisen. Bei Mangel an Funktionseisen sind die Eisenspeicher gefüllt, das Eisen wird aber durch Vorliegen einer Inflammation aus den Hepatozyten und den Zellen des retikuloendothelialen Systems nicht freigesetzt, so dass ein Mangel an Funktionseisen die Folge ist. Das ist z.B. der Fall bei chronischer Herzinsuffizienz, entzündlicher Erkrankung des Darmes, bei chronischer Niereninsuffizienz oder im Rahmen einer akuten oder chronischen Immunaktivierung bei Infektionen, malignen Tumoren oder Autoimmunerkrankungen. Zur Erklärung und Differenzierung der Störungen der Eisenhomöostase kann Hepcidin beitragen.

Zwischen Ferritin und Hepcidin-25 besteht eine hyperbole Beziehung. Mit steigenden Werten nimmt Hepcidin überproportional zu. Bei einem Hepcidinwert ≤ 0,2 nmol/l (Nachweisgrenze) ist der Ferritinwert im Serum 9 μg/l /7/.

Eine signifikante Beziehung besteht zwischen Hepcidin-25 und jeweils dem CRP, der Transferrinsättigung (TfS), dem sTfR und dem Ferritinindex. Bei einem Hepcidin ≤ 0,2 nmol/l ist die TfS ≤ 14,3 % /7/. Keine Beziehung besteht zwischen Hepcidin-25 und den hämatologischen Markern des Eisenstoffwechsels wie Hb, MCH, % HYPO und dem Hb-Gehalt der Retikulozyten (CHr, Ret_He) /8/. Störungen in der Regulation der Hepcidin-Ferroportin Achse zeigt Tab. 7.6-2 – Störungen der Regulation von Hepcidin und Ferroportin.

Durch die Kombination von Hepcidin mit dem CHr in einem Plot ist die Differenzierung von IDA, ACD, ACD/IDA und ACD/IRE möglich (Abb. 7.6-1 – Differenzierung von IDA, ACD, der Kombination ACD/IDA und Iron-restricted erythropoiesis bei ACD).

7.6.7 Hinweise und Störungen

Bestimmungsmethode

Die Messbereiche liegen bei 0,2–200 nmol/l. Als Standard wird synthetisches Hepcidin-25 verwendet. Es entspricht 1 nmol der Masse von 2,789 μg. Die untere Nachweisgrenze der massenspektrometrischen Verfahren liegt bei 0,2 nmol/l, die Immunoassays sind unempfindlicher. In einem internationalen Ringversuch /14/ zeigten die verschiedenen massenspektrometrischen Verfahren eine akzeptable Übereinstimmung, aber einen erheblichen Unterschied zu den Immunoassays.

Zur Diagnose des Eisenmangels bei Ferritinwerten unter 15 ug/l zeigte ein Hepcidinwert < 10 ug/l im Immunoassay eine diagnostische Sensitivität von 93,1 % bei einer Spezifität von 85,5 %. Bei einem Ferritinwert < 30 ug/l hatte der Hepcidinwert < 10 ug/l eine diagnostische Sensitivität von 67,6 % bei einer Spezifität von 91,7 % /29/.

Probennahme

Die Probennahme sollte morgens erfolgen, da Hepcindin im Verlaufe des Tages ansteigen /4/.

Einflussgrößen

Eisentherapie und Bluttransfusionen erhöhen die Konzentration von Hepcidin im Ablauf des Tages. Ein angeborener diurnaler Rhythmus anstatt die Aufnahme von Eisen mit der Nahrung soll dafür verantwortlich sein /15/.

7.6.8 Pathophysiologie

Hepcidin und die systemische Eisenregulator

Die systemische Eisenregulation sorgt für eine stabile Konzentration von an Transferrin gebundenen Eisen im Plasma (Tab. 7.6-1 – Charakteristika und Funktionen von Hepcidin). Hepcidin ist der prinzipielle Regulator des Plasmaeisens. Das von den Hepatozyten gebildete Prä-Propeptid von Hepcidin besteht aus einer N-terminalen 24 Aminosäuren langen Signalsequenz und dem 60 Aminosäuren langen Prohepcidin. Von diesem wird ein C-terminales 25 Aminosäuren langes Peptid, das Hepcidin-25, abgespalten (Abb. 7.6-2 – Struktur von Hepcidin-25).

Stellglied der von Hepcidin 25 regulierten systemischen Eisenhomöostase ist das in der Zellmembran lokalisierte Exportprotein Ferroportin. Es wird exprimiert von den Zellen, die Eisen exportieren wie Makrophagen des retikoloendithelialen Systems, Enterozyten, Hepatozyten und Synzytiotrophoblasten /16/. Durch Bindung von Hepcidin an Ferroportin wird dieses in die Zelle internalisiert und in den Lysosomen degradiert. Somit gelangt kein Eisen in die Zirkulation und die Folge ist ein Mangel an Funktionseisen. Das relevante Signal für die Endozytose von Ferroportin ist dessen Ubiquinierung nach Bindung von Hepcidin. Die Substitution von Lysin in der Region 229–269 des Ferroportins hemmt die Ubiquinierung /16/. Sie auch Abb. 7.6-3 – Internalisierung von Ferroportin in Enterozyten und Makrophagen nach Bindung von Hepcidin.

Sind die Eisenspeicher gefüllt oder überladen bildet die Leber Hepcidin. Am Dünndarm bewirkt Hepcidin eine Internalisierung von Ferroportin wodurch die enterale Eisenaufnahme blockiert wird. Sind die Eisenspeicher nur gering gefüllt, wird die Synthese von Hepcidin gehemmt und Ferroportin wird in der basolateralen Membran des Enterozyten exprimiert. Somit wird Eisen vom Enterozyten aufgenommen und zur Bindung an Transferrin weitergeleitet. Ähnlich funktioniert auch die Hepcidin-Ferroportin Interaktion, die das Recycling von Eisen in und aus Makrophagen steuert /17/. Der Export von Eisen aus den Enterozyten, Hepatozyten und Makrophagen erfordert neben der Hepcidin-Ferroportin Achse eine Ferrioxidase (Hephestin in Enterozyten, Coeruloplasmin in Makrophagen) zur Tranformation von Fe²⁺ in Fe³⁺, damit Eisen an Transferrin gebunden werden kann. Siehe Abb. 7.1-4 – Regulierung des intrazellulären Eisenpools des Enterozyten.

Die Stimulation der Hepcidinsynthese erfolgt durch Eisen (Erhöhung des intrazellulären Eisenpools) und durch eine Inflammation, induziert durch Interleukin-6.

Mutationen im Hepcidin Gen führen zu einem unwirksamen Hepcidin. Die enterale Aufnahme vom Eisen wird nicht gebremst, die Folge ist eine Eisenüberladung /17/.

7.6.8.1 Regulation der Hepcidinsynthese

Zwei wichtige Stimuli regulieren die Synthese von Hepcidin:

• Stores regulator: Er reguliert den Gehalt des Organismus an gespeichertem Eisen. Füllen sich die Eisenspeicher, sezernieren die nicht-parenchymatösen Zellen das Bone morphogenetic protein 6 (BMP6). Dieses bindet an den BMP Rezeptorkomplex auf der Oberfläche der Hepatozyten und die Synthese von Hepcidin wird gesteigert durch Aktivierung des SMAD Signalwegs. Die steigende Konzentration von Hepcidin reduziert die enterale Aufnahme von Eisen, verhindert die Freisetzung von Eisen und fördert die Lagerung von Eisen als Ferritin oder Hämosiderin in den Speicherzellen (Makrophagen, Hepatozyten).
• Erythroferron (ERFE): Bei ineffektiver Erythropoese wird die Synthese von Hepcidin in der Leber gehemmt. So führt, z.B. unter den Bedingungen einer Hämolyse, bei der eine hyperproliferative Erythropoese des vermehrten Eisens bedarf, die Verminderung von Hepcidin zu einer verstärkten Bereitstellung von funktionellem Eisen. ERFE, das vom Gen ERFE kodiert wird, ist ein Signalmolekül bei diesem Zustand. Erythroferron wird von einem expandierenden Erythroblasten Kompartiment gebildet und hemmt die Bildung von Hepcidin.

7.6.8.2 Eisensensing

Das Sensing von Eisen ist ein wichtiger Schritt zur Induktion von Stimuli zur Regulation der Synthese von Hepcidin /15, 17/.

Siehe:

• Tab. 7.6-3 – Im Eisensensing wichtige Proteine.
• Abb. 7.6-4 – Signale und Wege zur Kontrolle der Hepcidin-Expression durch stimulierende und hemmende Faktoren.

Eisensensing durch Hepatozyten

Das zentrale Organ des Eisensensing ist die Leber. Das Eisensensing des Hepatozyten geschieht über die Bone morphogenetic proteins (BMPs) und deren Rezeptoren und auch über den Transferrinrezeptor-1 /18, 20/.

Beim Eisensensing durch die BMP-Rezeptoren handelt sich um den Standardweg des Eisensensing. Die Synthese der BMP hängt allein von der Eisenkonzentration im Blut ab. Besteht ein Überschuss an Eisen im Zytoplasma des Hepatozyten werden von diesem BMP, insbesondere BMP6 ins Plasma abgegeben /18/. BMP6 ist der zentrale endogene Regulator von Hepcidin und wird nur im Hepatozyten, nicht aber im Enterozyten gebildet /19/. BMP6 aktiviert seine Rezeptoren BMPR I und BMPR II in Gegenwart des Korezeptors Hemojuvelin /21/. Letzterer bildet nach Phosphorylierung mit SMAD4 einen Komplex, der zum Zellkern translociert und die Transkription des Hepcidingens HAMP aktiviert. In Gegenwart von Eisen-gesättigtem Transferrin wirkt der HFE-TfR-2 Komplex als Eisensensor auf der Zellmembran des Hepatozyten und aktiviert die Bildung von Hepcidin auf eine noch nicht bekannte Weise.

Siehe Abb. 7.6-4 – Signale und Wege der Hepcdin-Expression.

Die transmembrane Serinprotease-6 (TMPRSS6) kann die Hepcidinexpression hemmen durch Abtrennung des Hemojuvelins vom heterotetrameren Komplex /22/. Neogenin stabilisiert demgegenüber den Komplex.

Bei Mangel von Eisen im Hepatozyten wird von diesem Hemojuvelin (HJV) ins Plasma abgegeben. Es kompetiert mit seiner Membran gebundenen Form, kann dieses verdrängen und da es wahrscheinlich funktionell inaktiv ist, wird die Funktion des heterotetrameren BMP-Komplexes gehemmt und somit auch die Expression von Hepcidin.

7.6.8.3 Hepcidinanstieg bei Inflammation

Inflammatorische Erkrankungen induzieren die Expression von Hepcidin. Der Hauptakteur ist IL-6. Über den IL-6-Rezeptor wird der STAT-3-Signalweg aktiviert (STAT, Signal tranducers and activators of transcription). Auch können inflammatorische Zytokine und Lipopolysaccharide das endoplasmatische Retikulums (ER) aktivieren. Dieses induziert durch Bildung des c-AMP responsive element (CREBH) die Hepcidinsynthese. Der Hepcidinanstieg bei Infektion bewirkt eine Verminderung des zirkulierenden Eisens. Das wird als ein genereller Abwehrmechanismus gegen vielfältige Infektionen angesehen um eindringenden Erregern keine optimalen Möglichkeiten zur Vermehrung zu bieten. Umgekehrt kann die Aufnahme von Eisen in die Makrophagen und die dadurch verminderte Konzentration von Eisen in der Zirkulation auch nachteilig für die Abwehr von Erregern sein /23/.

7.6.8.4 Suppression von Hepcidin durch Hypoxie, Anämie, Inflammation und chronische Lebererkrankung

Hypoxie, Anämie und Eisenmangel hemmen die Expression von Hepcidin. Das geschieht über den Hypoxic inducible factor, Erythropoetin und Erythroferron. Letzteres wird nach verstärkter Synthese von Erythropoetin von den Erythroblasten im Knochenmark und in der Milz gebildet und hat eine direkte Wirkung auf die Synthese von Hepcidin.Die Bildung von Hepcidin wird gehemmt und somit die Eisenverfügbarkeit zur Bildung von Blutzellen erhöht /24/.

Auch bei Eisenmangel erhöhte Konzentrationen von löslichen Hemojuvelin, das mit Membran gebundenen Hemojuvelin um die Bindung im heterotetrameren Signalkomplex kompetiert, hemmen die Synthese von Hepcidin.

Mit Eisen beladenes Tf im Plasma ist eine wesentliche Determinante der Expression von Hepcidin /25/. Besonders das mit zwei Eisenatomen beladene Tf soll nach Stimulation der Erythropoese mit ESA hemmend auf die Expression von Hepcidin wirken.

Die Hepcidinkonzentration im Serum ist niedriger bei Patienten mit Hepatitis C und bei alkoholischer Lebererkrankung im Vergleich zu gesunden Kontrollen /30/.

7.6.8.5 Seltenere hereditäre Hämochromatosen

Seltenere Formen, die auch einen Mangel an Hepcidin verursachen, beruhen auf Mutationen in den Genen des Transferrinrezeptors 2, Hämojuvelin, Hepcidin und Ferritin. Mit Ausnahme der Ferroportin Erkrankung sind bei allen hereditären Hämochromatosen die klinischen, labordiagnostischen und histologischen Merkmale vergleichbar. So ist:

• Die intestinale Eisenabsorption nicht reguliert und die rasche Freisetzung von Eisen aus den Hepatozyten und Makrophagen führt zu einer hohen TfS.
• Die hohe TfS begünstigt die zelluläre Aufnahme von Eisen durch den TfR und Deponierung des Eisens intrazellulär, besonders in den Hepatozyten.
• Die Makrophagen sind relativ verarmt an Eisen und der Eisenverbrauch der Hämatopoese ist normal.
• Das in der Leber gebildete Peptid Hepcidin ist unwirksam und reguliert nicht mehr die Eisenfreisetzung.

Durch Ablagerung von Eisen in den parenchymatösen Organen kommt es bei der hereditären Hämochromatose (HH) zu folgenden Erkrankungen: Leberfibrose, Hypogonadismus, Kardiomyopathie, Diabetes mellitus, Arthropathie und Hautpigmentierung. Die schwersten Formen der HH werden im Kindesalter und frühen Jugendalter, gewöhnlich aber vor dem 30. Lj. diagnostiziert. Jedes Kind mit hypogonadotropen Hypogonadismus, nicht erklärbarer Kardiomyopathie oder Leberzirrhose sollte auf HH untersucht werden. Die schweren Formen der HH bei Erwachsenen mit Diabetes, Leberzirrhose und Arthritis manifestieren sich bei Männern erst in der Lebensdekade 5–6 und bei Frauen noch später.

Bei der β-Thalassämie führt die Mutation in beiden Globingenen zu einem Mangel an Hämoglobin und einer verminderten Funktion der Erythrozyten. Es resultiert eine Hypoxie mit gesteigerter Bildung von Erythropoetin und vermehrter Bildung roter Blutzellen. Insgesamt resultiert eine ineffektive Erythropoese. Die Synthese von Hepcidin ist reduziert, bedingt durch Erythroferron, das unter der Wirkung von Erythropoetin in den Erythroblasten gebildet wird.

Die Kriterien zur Diagnose der HFE-Hämochromatose nach den Leitlinien der European Association for the Study of Liver Disease (EASL) sind aufgeführt in Tab. 7.1-7 – Kriterien zur Diagnose der HFE-Hämochromatose.

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