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Biomarker bei rheumatoider Arthritis

Um rheumatoide Arthritis und damit verbundene Gewebeschäden und Krankheiten frühzeitig zu erkennen, steht ein Arsenal von Biomarkern zur Verfügung, das ständig weiterentwickelt wird. Damit erhöhen sich die Chancen für eine auf den Patienten zugeschnittene, wirksame Therapie dieser weit verbreiteten, zerstörerischen Autoimmunkrankheit.

Entzündete Handgelenke bei rheumatoider Arthritis © Deutsche Gesellschaft für Rheumatologie

Man schätzt, dass etwa ein Prozent der Weltbevölkerung an rheumatoider Arthritis (RA) leidet. In Deutschland sind das etwa 800.000 Menschen; es handelt sich um die häufigste entzündliche Gelenkerkrankung überhaupt. Bei der RA greifen Autoantikörper, also vom eigenen Immunsystem gegen körpereigene Substanzen gebildete Antikörper, die Bindegewebshülle an, welche die Innenseite der Gelenke auskleidet. Unbehandelt führt die Krankheit zu einer fortschreitenden, schmerzhaften Entzündung der Gelenke, die anschwellen, versteifen und am Ende zerstört werden. Darüber hinaus kann es zu schwerwiegenden Knochen- und Bindegewebsschädigungen kommen, und auch das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen ist stark erhöht.

Seit man RA (früher meist als primär chronische Polyarthritis, pcP, bezeichnet) vor etwa 25 Jahren als eine Autoimmunkrankheit erkannte, gehört der Nachweis von Autoantikörpern im Blut mithilfe von ELISA-Tests, Immunblotting oder Immunfluoreszenz zum diagnostischen Standard. Am bekanntesten ist der schon 1930 entdeckte sogenannte Rheumafaktor (RF). Erst in den 1980er-Jahren wurde er als ein Gemisch verschiedener Immunglobuline erkannt; deswegen spricht man häufig auch im Plural von Rheumafaktoren. Der RF-Test gehört zu den Klassifikationskriterien für RA, die vom American College of Rheumatology, einer führenden Fachgesellschaft für rheumatische Krankheiten, aufgestellt worden sind. Allerdings ist der RF nur bei etwa 70 bis 80 Prozent der RA-Patienten nachweisbar; er tritt bei anderen Rheuma-Krankheiten nicht in Erscheinung - insofern ist der Name missverständlich. Andererseits ist er auch nicht für RA spezifisch, sondern kommt häufig auch bei anderen Autoimmunkrankheiten wie zum Beispiel Lupus erythematodes, aber auch bei infektiösen Erkrankungen wie Tuberkulose oder chronischer Virushepatitis vor.

Immundiagnostik mit Cytoskelett-Komponenten

Für eine klare Diagnose der RA besteht daher großer Bedarf an weiteren spezifischeren Biomarkern. Man fand unter anderem Autoantikörper gegen Keratin sowie einen nach dem Patienten der Erstbeschreibung als Anti-Sa bezeichneten Autoantikörper.

Mit Antikörpern gegen Vimentin angefärbtes Neurofibrom © DKFZ

Besonders letzterer, der zehn Jahre später, 2004, als ein Autoantikörper gegen Vimentin identifiziert wurde, erwies sich als vielversprechender Marker. Sowohl die Keratine (besser: Cytokeratine) als auch Vimentin gehören zu den Strukturproteinen, aus denen die Intermediärfilamente (IF) des Cytoskeletts aufgebaut sind. Man nennt sie intermediär, weil sie mit ihrem Durchmesser von etwa 10 nm zwischen den dünneren, aus Aktin bestehenden Mikrofilamenten und den Mikrotubuli liegen. Das Cytoskelett liegt vor einem Angriff des Immunsystems geschützt im Zellinneren, und Autoantikörper dagegen können nur gebildet werden, wenn die Zellen, zum Beispiel durch den Entzündungsprozess, zerstört sind.

Prof. Dr. Werner W. Franke © DKFZ

Vimentin war 1978 von Professor Dr. Werner Franke, Zellbiologe am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg, entdeckt worden. Franke und seine Mitarbeiter hatten auch in umfassenden Studien nachgewiesen, dass Cytokeratine, Vimentin und andere, ebenfalls von den Heidelberger Wissenschaftlern identifizierte Cytoskelett-Komponenten gewebespezifisch sind und als zuverlässige Biomarker das Ausgangsgewebe pathologisch veränderter Zellen verraten können. So sind beispielsweise Cytokeratine typisch für Epithelien und davon abgeleitete Karzinome, während Vimentin in mesenchymalen Zellen und davon abstammenden Sarkomen, Fibrome, Lymphomen etc. vorkommt. Die Immundiagnostik mit Antikörpern gegen Cytoskelettproteine gehört heute zum festen Bestandteil jedes molekularpathologischen Labors.

Citrullinierte Peptidantigene

Bei dem für Rheumatoide Arthritis charakteristischen Anti-Sa-Autoantikörper stellte sich heraus, dass er nicht gegen normales Vimentin gerichtet ist, sondern gegen eine citrullinierte Form, die zudem noch Mutationen aufweist. Citrullin ist eine Aminosäure, die in Proteinen als posttranslationale Modifikation durch enzymatische Abspaltung einer Aminogruppe aus Arginin entsteht. Das Protein verliert dadurch an dieser Stelle eine positive Ladung und verändert seine dreidimensionale Struktur, die – wenn sie durch den Entzündungsprozess für das Immunsystem offenliegt – als „fremd“ erkannt wird und zur Antikörperbildung führt. Inzwischen hat man derartige Citrullinierungen in einer Anzahl von Peptiden (Proteinspaltprodukten), die als Antigene von Autoantikörpern wirken, nachgewiesen. Es gibt sie beispielsweise im „Myelin-basischen Protein“ bei der Multiplen Sklerose, aber auch bei physiologischen Prozessen wie der Keratinisierung der Haut und der für die Genregulation wichtigen Modifikation von Histonen.

Die Umwandlung von Peptid-gebundenem Arginin in Citrullin durch Kalzium-abhängige Peptidylarginin-Deiminasen (PADI) © Rheuma-Gesellschaft

Die Citrullinierung ist also keineswegs spezifisch für RA. Wohl aber sind Antikörper gegen körpereigene citrullinierte Peptidantigene (ACPAs), von denen neben den Antikörpern gegen mutiertes citrulliniertes Vimentin (MCV) noch einige weitere beschrieben worden sind, als Marker für RA und andere Autoimmunkrankheiten wesentlich genauer und aussagekräftiger als beispielsweise der Rheumafaktor.  Entsprechende standardisierte Tests (zum Beispiel ein MCV-ELISA) sind mittlerweile entwickelt worden. Sie liefern Hinweise auf frühe Stadien der Krankheit und helfen dem Arzt bei einer schnellen Therapieentscheidung, durch die irreversible Knochen- und Gelenkzerstörungen vermieden werden können.

Biomarker auf kardiovaskuläre Risiken bei rheumatoider Arthritis

Auf dem diesjährigen Kongress der Deutschen Gesellschaft für Innere Medizin Anfang Mai führte Roche Diagnostics (Mannheim) ein Symposium zum Thema Biomarker bei rheumatologischen Erkrankungen – hilfreich in Therapie und Prävention?“ durch. Hier wurden unter anderem Biomarker vorgestellt, die Aufschluss über verschiedene Stoffwechselprozesse im Zusammenhang mit RA geben können. RA-Patienten haben ein erhöhtes Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, das durch die Einnahme von Entzündungshemmern und Schmerzmitteln wie Diclofenac und anderen so genannten COX-Hemmern noch verstärkt wird. In dieser Situation ist eine präzise Beobachtung auf eine akute oder chronische Herzinsuffizienz hin notwendig. Klinische Studien haben gezeigt, dass das N-terminale (Typ B) Natriuretische Peptid (NT-proBNP), das bei hoher Belastung von den Herzmuskelzellen in die Blutbahn ausgeschüttet wird, ein zuverlässiger Biomarker ist, um das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei RA-Patienten vorherzusagen. Als Richtwert kann gelten, dass Patienten mit Peptidkonzentrationen im Blut von über 100 pg pro ml ein deutlich höheres Risiko für kardiovaskuläre Ereignisse haben als Patienten, deren Werte niedriger lagen.

Roche Diagnostics hat einen voll automatisierten Test entwickelt, mit dem innerhalb von nur 18 Minuten der NT-proBNP-Gehalt quantitativ mit großer Zuverlässigkeit gemessen werden kann. Der Nachweis erfolgt über einen Reaktionsmechanismus, bei dem Elektro-Chemi-Lumineszenz mit einer Streptavidin-Biotin-Reaktion kombiniert wird, dem sogenannten Elecsys®System, das mit einem Tisch-Analysegerät für Immunoassays gemessen wird.

Außer dem „Elecsys®proBNP“ wird in Kürze auch ein „Elecsys®Vitamin D total“-Test zur Verfügung stehen, mit dem Vitamin D2 und Vitamin D3 quantitativ im menschlichen Serum oder Blutplasma gemessen werden können. Vitamin D fördert den Einbau von Kalzium in die Knochen. Bei RA-Patienten, bei denen es oft zu Knochenveränderungen kommt, ist ein Zusammenhang zwischen der Schwere der Krankheit und dem Vitamin-D-Spiegel gezeigt worden. Mit dem neuen Test kann der  Vitamin-D-Haushalt bei den Patienten auf einfache Weise überprüft und verhindert werden, dass es bei ihnen zu einem Vitamin-D-Mangel kommt.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Antigene sind Fremdstoffe, die das Immunsystem zur Produktion von Antikörpern anregen.
  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Der Enzyme-Linked ImmunoSorbent-Assay (ELISA) ist ein Test zur Bestimmung von Antikörpern oder Antigenen im Blut. Mit Hilfe eines gekoppelten Enzyms, das eine farblose Substanz in ein farbiges Produkt umwandelt, werden gebundene Antigene oder Antikörper nachgewiesen.
  • Ein Immunoassay ist eine Methode zum Nachweis antigener Substanzen im Reagenzglas durch eine Antigen-Antikörper-Reaktion.
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Terminal ist ein Synonym für endständig, abschließend, beendend, begrenzend. Eine terminale Aminosäure befindet sich am Ende einer Peptidkette. In der Medizin wird der Begriff terminale Erkrankung verwendet, wenn die Krankheit tödlich verläuft.
  • Ein Lymphom ist eine Gewebe-Neubildung in lymphatischen Geweben (Milz, Lymphknoten). Entzündliche, gutartige Vergrößerungen der Lymphknoten bei Infektionskrankheiten sind Ausdruck ihrer Abwehrtätigkeit. Maligne Lymphome sind bösartige Tumore des Lymphsystems und entstehen durch eine ungebremste monoklonale Vermehrung von Lymphozyten (weiße Blutkörperchen). Maligne Lymphome werden in Hodgkin-Lymphome und Non-Hodgkin-Lymphome unterteilt.
  • Biomarker sind messbare Produkte von Organismen (z.B. Proteine, Stoffwechselprodukte oder Hormone), die als Indikatoren beispielsweise für Umweltbelastungen oder Krankheiten herangezogen werden.
  • Ein Sarkom ist ein bösartiger Tumor des Stützgewebes (Bindegewebe, Knochen, Knorpel, Muskel, Fettgewebe). Sarkome sind dabei viel seltener als Karzinome (Tumore des Deckgewebes) und machen nur etwa 1% aller malignen Erkrankungen beim Menschen aus.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Die Pathologie ist ein Teilgebiet der Medizin, das sich mit der Erforschung und Lehre von den Ursachen, der Entstehung, der Verlaufform und der Auswirkungen von krankhaften Symptomen sowie von Missbildungen beschäftigt.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Die Myelinscheide (oder Markscheide) ist eine von speziellen Hüllzellen gebildete Isolierschicht, die die Axone der Nervenzellen umhüllt. Vergleichbar mit der Kunststoffisolierung um elektrische Kupferkabel hat die Myelinscheide eine Schutzfunktion; des Weiteren dient sie der Ernährung des Axons und ermöglicht eine schnellere Übertragung der elektrischen Impulse.
  • Histone sind Eiweiße, die der geordneten Verpackung der DNA-Helix in Form von Chromosomen dienen. Dabei wird die lange DNA-Helix um die Histone herum gewunden. Diese Komplexe aus DNA und Histonen werden Nukleosomen genannt und bilden die Untereinheit der Chromosomen.
  • Eine Hepatitis ist eine Entzündung des Lebergewebes mit nachfolgender Zellschädigung. Sie macht sich zunächst durch grippale Erscheinungen bemerkbar, wie Glieder- und Kopfschmerzen, Appetitlosigkeit, Druck in der Magen- und Lebergegend und Fieber, später gehört die Gelbsucht zur Symptomatik. Verantwortlich dafür können Viren, Bakterien oder Parasiten sein, ebenso wie Autoimmunerkrankungen, Medikamente, Alkohol oder Chemikalien. Häufigste Ursache sind jedoch Viren, wobei man fünf Virustypen unterscheidet, die mit den Buchstaben A, B, C, D und E bezeichnet werden.
  • Vitamine sind lebenswichtige organische Verbindungen, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, da sie der Körper nicht selbst synthetisieren kann. Sie sind für die Regulation des Stoffwechsels verantwortlich, indem sie die Verwertung von Kohlenhydrate, Proteine und Mineralstoffe ermöglichen. Man unterscheidet zwischen fettlöslichen und wasserlöslichen Vitaminen. Vitamin C ist zum Beispiel für die Stärkung des Immunsystems zuständig. Ausnahme: Vitamin D kann vom Körper produziert werden, solange genug Sonnenlicht vorhanden ist.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
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