Blutenzyme als Marker für menschliche
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Gliederung 01.12.2005 Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 1. Enzyme 2. Marker im Blut 3. Myokardinfarkt 4. Leberschaden S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 1. Enzyme: Aufbau 01.12.2005 Ein Enzym ist ein Protein, welches eine chemische Reaktion katalysiert. 1. Reine Protein-Enzyme bestehen ausschließlich aus Protein, z.B. Chymotrypsin. 2. Holoenzyme bestehen aus einem Proteinanteil, dem Apoenzym, sowie aus einem Cofaktor (z. B. Vitamin C). Enzyme, welche die gleiche Reaktion katalysieren, aber eine verschiedene Struktur (Aminosäurensequenz) aufweisen, bezeichnet man als Isoenzyme. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 1. Enzyme: Funktion Enzyme sind Biokatalysatoren, dass heißt sie können die Aktivierungsenergie einer Reaktion so herabsetzen, so dass sie unter physiologischen Bedingungen ablaufen kann. Für die katalytische Wirksamkeit eines Protein-Enzyms ist das aktive Zentrum verantwortlich. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 01.12.2005 1. Enzyme: Funktion 2 S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 01.12.2005 2. Marker: Allgemein 01.12.2005 Marker werden in der Medizin zur Diagnostik bestimmter Krankheiten benutzt. Ein Marker ist eine Körpersubstanz, deren Vorhandensein auf Erkrankungen hinweist. Die meisten der Substanzen treten gelöst in Körperflüssigkeiten auf, sie werden als humorale Marker bezeichnet. Einige Markersubstanzen finden sich aber auch in oder auf Zellen (zelluläre Marker). Enzyme im Blut spielen hierbei eine große Rolle. Dabei ist die Funktion des einzelnen Enzyms nicht von diagnostischer Bedeutung, viel mehr kommt es auf die Herkunft dieses Enzyms an. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 2. Marker: Enzymdiagnostik 01.12.2005 Kommt es im Körper zu einer Gewebeschädigung, dann ergießen die abgestorbenen Zellen ihr Zytoplasma unter anderem ins Blut. So gelangen zytoplasmatische, teils organspezifische Enzyme ins Blut, wo sie zum Beispiel photometrisch nachgewiesen werden können. Die absolute Menge eines Enzyms ist sehr aufwendig zu bestimmen. Einfacher ist es, die Aktivität dieses Enzyms zu bestimmen: Dem Enzym wird ein Substrat zugesetzt und es wird beobachtet, wieviel davon pro Zeiteinheit umgesetzt wird. hjhjhjhjhjh (siehe Praktikum Enzyme, Laktatdehydrogenase-Versuch) 1 U (Unit) = 1 mmol min S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Myokardinfarkt: Allgemein Bei einem Herzinfarkt stirbt ein Teil des Herzmuskels durch den Verschluß eines Herzkranzgefäßes ab. Die häufigste Ursache des Herzinfarktes ist die Arteriosklerose. Folgende Untersuchungen sind wegweisend: Elektrokardiogramm (EKG) Konzentration der Herzenzyme und Proteine im Blut In Deutschland erleiden jährlich mehr als eine halbe Million Menschen einen Herzinfarkt. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 01.12.2005 3. Myokardinfarkt: Herzenzyme 01.12.2005 Bei einem Herzinfarkt kommt es zur Schädigung der Herzmuskelzellen. Enzyme und Proteine werden freigesetzt und können dann im Blutserum nachgewiesen werden. Es gibt Enzyme und Proteine bzw. ganz bestimmte Isoformen bestimmter Enzyme oder Proteine, die fast nur oder überwiegend im Herzmuskel vorkommen. Die Höhe des Anstiegs gibt Hinweise auf das Ausmaß der Schädigung. Die Enzymwerte steigen erst mit einer Verzögerung von einigen Stunden an und müssen daher unmittelbar nach einer Schädigung noch nicht erhöht sein. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Myokardinfarkt: Kardiale Marker 01.12.2005 Anforderungen an einen idealen kardiale Marker: spezifisch für Herzmuskel schneller Anstieg im Blut nach kardialem Ereignis deutlicher Anstieg bereits bei geringer Myokardschädigung nicht nachweisbar bei Gesunden einfache und schnelle Bestimmung geringe Kosten S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Klassische kardiale Marker Folgende kardialen Marker werden häufig zur Diagnose eines Herzinfarktes gemessen: Kreatinkinase CK Gesamt-CK-Aktivität [U/l] CK-MB-Aktivität [U/l] CK-MB-Masse [mg/l] Kardiales Troponin T und Troponin I [mg/l] Myoglobin [mg/l] Laktat-Dehydrogenase LDH-Aktivität [U/l] S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 01.12.2005 3. CK – Allgemein 01.12.2005 Die cytosolische Kreatinkinase CK katalysiert die Reation von ADP und Kreatinphosphat zu ATP und Kreatin. Die Kreatinkinase wird aus den genetisch determinierten Untereinheiten CK-M und CK-B gebildet. Daraus werden die drei dimeren Isoenzyme CK-MB (Myokardtyp), CK-MM (Muskeltyp) und CK-BB (Gehirntyp) gebildet. Entscheidend für die Diagnose eines Herzinfarkts bei einer Erhöhung der Gesamt-CK ist die Bestimmung des Untertyps CK-MB. Liegt der Anteil der CK-MB an der Gesamt-CK zwischen 6 und 20 Prozent, spricht das für eine Enzymfreisetzung aus der Herzmuskulatur. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. CK – im Serum 01.12.2005 Gesamt-CK-Wert Anstieg nach 4 bis 6 Stunden Maximum nach 16 bis 36 Stunden CK-MB-Wert Anstieg nach ca. 4 Stunden Maximum nach 12 bis 18 Stunden Zusätzlich kann auch die so genannte CK-MB-Masse im Blut bestimmt werden. CK ist 2-3 Tage nachweisbar. Normwerte Kreatinkinase Gesamt-CK < 80 U/l (Männer) < 70 U/l (Frauen) CK-MB < 10 U/l CK-MB-Masse < 5,0 mg/l CK-MB/GesamtCK <6% S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. CK – Bewertung 01.12.2005 Ein Myokardinfarkt ist sehr wahrscheinlich, wenn Gesamt-CK erhöht ist und CK-MB mehr als 6% ausmacht (hohe Spezifität & Sensitivität). relativer Frühmarker für kardiales Ereignis Die CK-Aktivität korreliert mit der Nekrosegröße. Die Kreatinkinase ist zwar ein sensitiver enzymatischer Detektor des akuten Myokardinfarkts, ihre diagnostische Spezifität wird jedoch dadurch eingeschränkt, daß sie z. B. nach sportlicher Anstrengung ihren Referenzwert überschreitet und so hinsichtlich der myokardialen Schädigung zu falsch-positiven Ergebnissen führt. Für die Spätdiagnose ist die CK und die CK-MB nicht geeignet. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Cardiales Troponin - Allgemein 01.12.2005 Troponin bildet einen myofibrillären regulatorischen Proteinkomplex im kontraktilen Apperat der quergestreiften Muskulatur, der aus den Einheiten Troponin T (TnT), Troponin I (TnI) und Troponin C (TnC) besteht. Die kardialen Troponine unterscheiden sich in ihrer Aminosäuresequenz von den Troponinen der Skelettmuskulatur (Isoenzyme). Durch die Entwicklung monoklonaler Antikörper gegen die kardiospezifischen Untereinheiten von TnT und TnI ist es möglich, kardiales TnT und TnI selektiv zu bestimmen. TnT und TnI sind die einzigen herzmuskelspezifischen Marker! S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Cardiales Troponin – im Serum 01.12.2005 Anstieg nach ca. 3,5 Stunden Maximum nach ca. 20-40 Stunden Troponin bleibt ca. 6–14 Tage nachweisbar, was sich bei der Spätdiagnose des Infarkts als nützlich erweist. Normwerte kardiales Troponin TnT < 0,2 mg/l TnI < 0,1 mg/l S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Cardiales Troponin – Bewertung 01.12.2005 Cardiales Troponin ist der einzige reine hermuskelspezifische Marker. Die prolongierte Erhöhung des kardialen Troponin erlaubt die retrospektive Diagnose eines länger zurückliegenden Infarkts. Die Troponin-Konzentration korreliert mit der Infarktgröße (zuverlässiger als CK). Die CK-MB hat einen Vorteil gegenüber dem Troponin: Sie fällt nach dem Infarkt früher ab als das Troponin. Sollte der Patient also frühzeitig einen 2. Infarkt (Re-Infarkt) erleiden, sieht man das besser mit der CK-MB. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Myoglobin - Allgemein 01.12.2005 Myoglobin besteht aus einem Polypeptidanteil (Globin) und einer Hämgruppe. Es ist ein Muskelfarbstoff, welcher für die reversible Bindung und den Transport des Sauerstoffs in quergestreifter Muskulatur verantwortlich ist. Das bei Gesunden im Plasma zirkulierende Myoglobin stammt ausschließlich aus dem Skelettmuskel. Myokardnekrosen bewirken einen Anstieg von Myoglobin. Myoglobin ist aber ein nicht herzspezifischer Marker für Muskelschäden. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Myoglobin - im Serum 01.12.2005 Anstieg nach 2–3 Stunden Maximum nach 7 Stunden Spitzenkonzentrationen des Myoglobins werden deutlich früher (ein bis vier Stunden) nach dem Beginn der Symptome erreicht, als dies bei dem Enzym Kreatinkinase (CK) der Fall ist. Aufgrund seiner geringen Größe bei einem Molekulargewicht von nur 18 kD wird es schnell über den Urin ausgeschieden. Normwerte Myoglobin Männer < 55 mg/l Frauen < 35 mg/l Urin < 0,3 mg/l S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. Myoglobin - Bewertung 01.12.2005 Geeignet für Frühdiagnose durch die Menge des freigesetzten Myoglobins lässt sich die Infarktgröße bestimmen Die klinische Wertigkeit des Myoglobins ist eingeschränkt durch seine nur kurzdauernde Erhöhung (< 24 Stunden) im Serum, die die Diagnose eines länger zurückliegenden Infarkts nicht zuläßt (schnelle glomeruläre Aussscheidung). Mangel an Spezifität: Bereits eine intramuskuläre Injektion oder größere körperliche Anstrengung lassen die Myoglobinkonzentration ihren Referenzwert übersteigen als eine Folge des hohen Myoglobingehaltes der Skelettmuskulatur ist. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. LDH – Allgmein 01.12.2005 Die Laktatdehydrogenase katalysiert die Reduktion von Pyruvat zu Laktat und damit die Oxidation von NADH/H+ zu NAD+. Sie ist unentbehrlich für die anaerobe Glykolyse und kommt in allen Zellen unseres Körpers vor. Es lassen sich die fünf zytoplasmatisch vorkommenden Isoenzyme LDH-1, LDH-2, LDH-3, LDH-4 und LDH-5 unterscheiden. Die Gesamt-LDH ist ein organunspezifischer Parameter, die Isoenzyme LDH-1 und LDH-2 kommen allerdings hauptsächlich im Herzmuskel und im Erythrozyten vor. (Sie werden häufig auch als HBDH zusammengefasst.) Aus der relativen Verteilung der Isoenzyme kann man Schlüsse bezüglich des Herkunftsorgans – hier Herz – ziehen. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. LDH – im Serum 01.12.2005 Anstieg nach nach 6 bis 12 Stunde Maximum nach 24-60 Stunden Es kommt vor allem zu einem prozentualen Anstieg des Unterenzyms LDH-1. Dabei ist der LDH-1 Anteil meist über 45 Prozent der Gesamt-LDH. Die Werte normalisieren sich erst nach ein bis zwei Wochen wieder, daher dient LDH-1 vor allem der Spätdiagnostik eines Herzinfarkts. Referenzbereiche LDH Gesamt-LDH 80–240 U/l S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 3. LDH – Bewertung 01.12.2005 Spätdiagnostik durch lange Nachweisbarkeit im Serum möglich. Wegen der sehr geringen Organspezifität der LDH sind diagnostische Spezifität gering. Die Verhältnisse von LDH-1 und LDH-2 (Herzmuskel, Erythrozyten) zu Gesamt-LDH erhöhen den Aussagewert der LDH. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten Vielfache der Normwerte 3. Herzmarker-Diagramm Zeit: Tage nach Myokardinfarkt S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 01.12.2005 4. Leberschaden: Allgemein • Bei Schädigung der Leberzellen treten Enzyme im Blutserum erhöht auf. Je nach dem, welche Enzyme erhöht sind, kann man oft auf die Art der Erkrankung schließen. Die Höhe des Enzymanstiegs im Serum entspricht dabei dem Ausmaß der Schädigung der Leberzellen •Alle Enzyme in den Leberzellen kommen auch in anderen Körperzellen vor (z.B. Muskel,Herz). Dennoch sind manche Enzyme nur bei Leberzellschäden im Serum erhöht: AST = Aspartat-Aminotransferase ALT = Alanin-Aminotransferase Gamma-GT= Gamma-Glutamyl-Transferase S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 01.12.2005 4. Ursachen für Leberschäden • Alkoholmissbrauch •Infektion mit Hepatitis-Viren • Vergiftungen(z.B. mit Chemikalien oder Giftpilzen) • Regelmäßige Einnahme bestimmter Medikamente (z.B. Schmerz- und Rheumamittel) • Tumoren S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 01.12.2005 4. Gamma-GT 01.12.2005 • Gamma-Glutamyl-Transferase (GGT) hilft, GammaGlutamyl-Gruppen von einem Stoff zu einem anderen zu übertragen • Die GGT kommt in sehr vielen Organen vor (z.B.Niere). Die GGT, die man im Blut messen kann, stammt aber praktisch nur aus der Leber • In der Leber sind es vor allem die Zellen, die die kleinen Gallengänge auskleiden, auf denen man besonders viel GGT Aktivität findet. Normalwerte Bereich Einheit Männer 12-64 U/l Frauen 9-36 U/l • Ist die GGT normal, bedeutet das mit 99%er Sicherheit, dass keine Leber oder Gallenwegserkrankung vorliegt. Das heißt, dass der normale GGT-Wert eine Erkrankung der Leber oder Gallenwege fast ausschließt S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 4. Erhöhter Gamma-GT 01.12.2005 Starke GGT-Erhöhung Leichte GGT-Erhöhung Isolierte GGT-Erhöhung -GGT ist stark (10-30fach) erhöht bei GalleStauung, stärker erhöht als z.B. ALT -Leicht erhöhte GGT findet man z.B. bei der Mehrzahl der Krankenhauspatienten -Isolierte GGT-Erhöhung => andere Leberwerte sind normal -Lebererkrankungen ohne Galle-Rückstau ist ALT meist größer als GGT, bei Galle-Stauung ist die GGT höher -Oft kann man bei leichter GGT-Erhöhung keine bestimmte Ursache finden -Hier kann, aber muss keine Lebererkrankung vorliegen -GGT eignet sich zum Ausschluss aber kaum zum Nachweis einer bestimmten Lebererkrankung (v.a. bei GGT als sensibelstem Marker für Leberschäden) -Je nach Höhe der GGT kann es 2 bis 3 Monate, bis sich die GGT wieder normalisiert. Grobe Abschätzung: Nach 3 Wochen sinkt die GGT auf die Hälfte ihres Ausgangswertes. Sinkt die GGT trotzdem nicht, besteht der Verdacht auf eine schwerere, evtl. bleibende Schädigung (Leberzirrhose) S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 4. ALT und AST 01.12.2005 •Der AST-Wert (Aspartat-Amino-Transferase): Findet man vorwiegend in der Leber und in der Muskulatur (auch in der Herzmuskulatur) •Der ALT-Wert (Alanin-Amino-Transferase): Findet man vorwiegend in der Leber und kaum in der Muskulatur •AST und ALT ermöglichen den Transfer von Stickstoffhaltige Gruppen von einer Aminosäure auf eine andere Normalwerte ALT Bereich Einheit Männer 10 – 50 U/l Frauen 10 – 35 U/l Normalwerte AST Bereich Einheit Männer 10 – 50 U/l Frauen 10 – 35 U/l S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 4. ALT- und AST-Vorkommen 01.12.2005 •Die ALT befindet sich in der Zellflüssigkeit (Zytosol). Sie tritt schon bei leichten Zellschäden aus der Zelle aus. •Die AST dagegen befindet sich vorwiegend in den Mitochondrien (zu 70%), sie kommt daher erst dann stärker ins Blut, wenn Zellen vollständig zerstört sind. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 4.Erhöhter ALT und AST 01.12.2005 •Bei Hepatitis: Anstiege vom 5-fachen bis zum 100-fachen (!) des oberen Referenzbereichswertes. Der Anstieg erfolgt vor dem des Bilirubins, also vor der „Gelbsucht“ •Alkoholischer Leberschaden (Fettleber): AST steigt meist stärker an als ALT •Eine Vielzahl von Medikamenten kann zur Erhöhung der AST und/oder ALT führen. (z.B. Heparin auf das 2-3-fache der oberen Referenzbereiche) •Vergiftungen (sehr hohe Anstiege möglich),z.B.durch Chemikalien oder Pilzgifte: Die AST wird meist höher als die ALT sein •Mitbeteiligung der Leber bei anderen Erkrankungen=> sehr häufige Ursache von (eher leichten) AST bzw. ALT Erhöhungen •Differenzialdiagnosen bei isoliert erhöhtem AST: Herz-/Skelettmuskelschäden S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 4. Der De-Ritis-Quotient De Ritis-Quotient = 01.12.2005 AST ALT •Der De-Ritis-Quotient (der Quotient aus AST/ALT) kann Aufschluss über die Schwere des Leberschadens geben: •Bei Leberschäden leichteren Grades ist der Quotient meist kleiner als 1 •Ein hoher De-Ritis-Quotient (über 1) tritt eher bei schwereren Leberschäden auf • Dies hat seine Ursache in der unterschiedlichen Verteilung der AST (v.a. in Mitochondrien) und ALT (v.a. im Zytosol) innerhalb der Leberzelle •Einschränkungen: Ein Muskelschaden täuscht schwereren Leberschaden vor, da AST auch im Muskel vorhanden ist S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 5. Backup 01.12.2005 Unsere Antworten auf Ihre Fragen S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 1. Enzyme: Kinetik 01.12.2005 Die Michaelis-Menten-Gleichung liefert den Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit v1 und Substratkonzentration [S]. Der Km-Wert entspricht der Konzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit vmax/2. Das Enzym ist hier halbgesättigt. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 5. Messung der AST-Aktivität 01.12.2005 Messung der Aktivität der AST (=GOT) Bei der eigentlichen Reaktion des Enzyms (oben) bietet sich keine Möglichkeit einer photometrischen Beobachtung. Also gibt man noch Reagenzien für eine weitere Reaktion in den Testansatz, darunter auch ein Enzym, die Malatdehydrogenase (MDH). Diese wandelt das in der ersten Reaktion entstandene Oxalacetat in Malat um. Dabei wird NADH/H+ verbraucht. Die Abnahme des NADH/H+ kann man photometrisch bei 340 nm messen. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten 5. Messung der GGT-Aktivität 01.12.2005 Messung der Aktivität der Gamma-GT Oben sind die 2 Substrate, die im Testansatz im Überschuss enthalten sind. Unter Wirkung der Gamma-GT (aus dem beigemischten Serum) entstehen die 2 untenstehenden Produkte. Eines davon (violett unterlegt) kann man im Photometer bei 405 nm messen. S. Frechen & R. James Blutenzyme als Marker für menschliche Krankheiten
