Наука

ESR - Methode (Technologie)

Der Albumin-Funktionstest untersucht die Konformationsmobilität des Albuminmoleküls mit Hilfe der Elektronenspinresonanz (ESR). Dabei werden drei unterschiedliche Serumalbuminlösungen mit steigenden Konzentrationen an Ethanol und spinmarkierter Fettsäure untersucht. Diese simulieren die Ladungs-, Transport- und Entladungsbedingungen in vitro (Taboada et al., Chemical Physics, 2007; Reed et al., JBC, 1989). Durch die Zugabe einer spinmarkierten Fettsäure können sowohl die hochaffinen als auch die niedrigaffinen Bindungsstellen des Albuminmoleküls untersucht werden. Für die verwendete Fettsäure besitzt das Albumin sieben Bindungsstellen (Bhattacharya et al. JMB, 2000), davon sind 3 als hochaffin und 4 als niedrigaffin charakterisiert (Simard et al., PNAS, 2005). Die Simulation der ESR-Spektren erlaubt die Berechnung von Bindungskonstanten, Bindungskapazitäten und biophysikalischen Parametern der beiden Bindungsstellengruppen für die drei verschiedenen Serumalbuminlösungen. Mit Hilfe dieser Parameter können die Transportparameter (BE, RTQ und DTE) berechnet werden, indem die einzelnen Größen in den unterschiedlichen Konzentrationen an Ethanol und spinmarkierter Fettsäure miteinander in Beziehung gesetzt werden.

BE – Bindungseffizienz: physikochemische Eigenschaften der Fettsäurebindungsstellen

RTQ – Reale Transportqualität: globaler Parameter der Albumintransportfunktion

DTE – Detoxifikationseffizienz: Parameter des Albumin als ein Transportmolekül in einer kompetitiven Situation

Die Parameter wurden zum Zeitpunkt der Entwicklung auf eine Normalpopulation normiert.

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Albumin - physiologische und biologische Eigenschaften

Albumin ist das häufigste Protein im menschlichen Blut. Es wird in der Leber synthetisiert und hat eine Halbwertzeit im Serum von ca. 19 Tagen. Seine Hauptaufgabe ist der Transport einer Vielzahl hydrophober Stoffe wie Fettsäuren, Medikamente oder Stoffwechselprodukte (Peters, 1995). Außerdem ist es für die Aufrechterhaltung des onkotische Druckes im Blut verantwortlich und trägt zur Pufferkapazität des Blutes bei. Es ist wasserlöslich und amphoter.

Albumin besteht aus 585 Aminosäuren, die in drei hauptsächlich helikalen Untereinheiten angeordnet sind (I, II, III) (He & Carter, 1992), welche jeweils aus zwei Subdomänen bestehen (A, B). Es sind sieben Bindungsstellen für langkettige Fettsäuren bekannt (Bhattacharya et al. 2000), drei mit hoher und vier mit niedrigerer Bindungsaffinität (Simard et al. 2005). Die Bindungsstellen mit hoher Affinität werden als lange und schmale Taschen beschrieben, wogegen die niedrigaffinen kürzer und weiter sind (Bhattacharya et al. 2000).

In den letzten Jahren wurden Biomarker mit niedrigem Molekulargewicht, gebunden an Transportproteine des Serums wie Albumin, intensiv untersucht, um ihren Nutzen zur frühen Diagnose von Erkrankungen zu prüfen (Kawashima et al. 2010; Lowenthal et al. 2005; Mehta et al. 2003).

Albumin Struktur

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Patienten mit malignen Erkrankungen

Der Albumin-Funktionstest bietet die Möglichkeit, auf schnelle und einfache Weise zu überprüfen, ob im Körper ein aktives Tumorgeschehen vorliegt. Dass Albumin eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle transportieren kann, basiert auf seiner hohen Konformationsflexibilität. Unter pathologisch veränderten Bedingungen kommt es zu verschiedenen Modifikationen der Konformationsmobilität des Albumins, welche zu veränderten Transport- und Detoxifikationcharakteristika führen.

Diese veränderte Fettsäurebindung kann mit Hilfe der Elektronenspinresonanz (ESR) gemessen werden. Die aus den ESR-Spektren gewonnenen Parameter ermöglichen die Berechnung einer integralen Diskriminierungs-Funktion (DR – diagnostisches Resultat). Im Falle eines DR-Wertes kleiner als 1,0 ist der Konformationsstatus des Albumins verändert, das bedeutet, es besteht bzw. entwickelt sich mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine maligne Erkrankung. Bei Messung eines DR-Wertes größer als 1,2 liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit kein aktives Tumorgeschehen vor. Der Grenzbereich umfasst Werte von 1,0 bis 1,2. In diesem Grenzbereich besteht ein erhöhtes Risiko für das Vorhandensein von aktivem Tumorgeschehen.

Der Albumin-Funktionstest konnte in klinischen Studien -in Abhängigkeit der Lokalisation- mit hoher Spezifität (ca. 90%) und Sensitivität (ca. 90%), durch den Nachweis einer Veränderung am Albuminmolekül einen Hinweis auf das Vorliegen einer Krebserkrankung liefern (Seidel et al. 2005; Kazmierczak et al. 2006; Gurachevsky et al. 2008; Gelos et al. 2010, Mörgel et al. 2012; siehe Literatur). Der Albumin-Funktionstest ist nicht dafür gedacht eine endgültige Diagnose zu stellen.

 

Vergleich gesund/chronisch/krank

Vergleich von gesunden Personen, Patienten mit chronischen Erkrankungen und Tumorpatienten: 428 gesunde Individuen, 114 Patienten mit chronischen Erkrankungen, 479 Tumorpatienten

 

letzte Änderung: Juni 2016

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Patienten mit Lebererkrankungen

In einer Studie mit Patienten verschiedener Lebererkrankungen konnte mit Hilfe des Albumin-Funktionstests gezeigt werden, dass die Detoxifikationseffizienz von Patienten mit einer Lebererkrankung deutlich vermindert ist im Vergleich zur Kontrollgruppe. Patienten mit einem acute-on-chronic Leberversagen (ACLF) zeigten eine weitere Verminderung des DTE im Vergleich zu Patienten mit einer Zirrhose ohne Organversagen. Die Ergebnisse wurden 2009 in Hepatology veröffentlicht.

Detoxifikationseffizienz von Patienten mit Lebererkrankungen

Die Patienten mit ACLF wurden in zwei Gruppen geteilt und entweder mit MARS oder mit der Standardtherapie behandelt. In dieser Studie konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Therapiegruppen bzw. zwischen Tag 0 und Tag 7 nach Therapiestart beobachtet werden. Eine mögliche Erklärung für die ausgebliebene Verbesserung durch die MARS-Methode ist, dass das Albumin des Patienten irreparabel geschädigt ist, und somit die Entfernung von Toxinen aus dessen Blut nicht ausreicht, um die Funktionalität des Albumins zu regenerieren. Eine zweite Erklärungsmöglichkeit ist, dass das industrielle Albumin, welches als Adsorbens im MARS-Gerät verwendet wird, das Patientenalbumin nicht regenerieren kann, da es selbst deutlich reduzierte Transportparameter im Vergleich zu Gesunden aufweist (siehe Industrielles Albumin).

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Industrielles Albumin

In in vitro Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Zugabe eines hydrophoben Liganden zu einer Albuminlösung die Transporteigenschaften des Albuminmoleküls konzentrationsabhängig verändert. Als Ligand wurde Oktanoat eingesetzt, da diese Substanz als Stabilisator in industriellen Albuminpräparationen eingesetzt wird. Die industriell verwendeten Konzentrationen schwanken dabei herstellerbedingt von 4 mM bis 20 mM.

Bei Oktanoatkonzentrationen über 3 mM ist eine deutliche Reduktion des DTE zu beobachten. Bei Konzentrationen unter 1 mM dagegen erhöht sich der DTE über die physiologischen Werte. Dies ist damit zu begründen, dass der DTE einer Normalbevölkerung durch Einflüsse der Ernährung, von Medikamenten oder Entzündungen nicht maximal ist.

 

Leber

Durch den Einsatz des Hepalbin – Adsorber (Albutec GmbH) können die Stabilisatoren aus einer Albuminlösung herausgefiltert werden. Erste Ergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung der Transporteigenschaften des Albumins.

 

Leber

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Patienten mit Sepsis bzw. SIRS

In einer Pilotstudie wurden die Transporteigenschaften des Albumins von Patienten einer Intensivstation retrospektiv und verblindet bestimmt. Fünf Patienten entwickelten eine SIRS und fünf eine Sepsis. Es wurden Blutproben am Tag der Aufnahme und 60, 36 bzw. 12 Stunden vor der Diagnosestellung durch die Standardverfahren untersucht. In beiden Gruppen ist die Detoxifikationseffizienz deutlich reduziert im Vergleich zu den physiologischen Werten. Im Verlauf zeigen sich jedoch signifikante Unterschiede (P=0,009, u-Test). Während die DTE-Werte der Patienten mit SIRS nahezu konstant bleiben, fallen die Werte der Patienten mit einer Sepsis im zeitlichen Verlauf ab. Eine Unterscheidung, ob der Patient eine Sepsis oder SIRS entwickelt wäre so 12 Stunden vor der Standarddiagnosestellung möglich.

DTE von Patienten mit Sepsis bzw SIRS

Eine Studie mit größeren Patientenzahlen muss dieses Ergebnis jedoch erst bestätigen.

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Literatur

Publikationen:

Moergel M, Kammerer PW, Schnurr K, Klein MO, Al-Nawas B (2012) Spin electron paramagnetic resonance of albumin for diagnosis of oral squamous cell carcinoma (OSCC). Clin Oral Investig 16: 1529-1533. PMID: 22160580

Gelos M, Hinderberger D, Welsing E, Belting J, Schnurr K, et al. (2010) Analysis of albumin fatty acid binding capacity in patients with benign and malignant colorectal diseases using electron spin resonance (ESR) spectroscopy. Int J Colorectal Dis 25: 119-127. PMID: 19644694

Rajiv Jalan, Kerstin Schnurr, Rajeshwar P Mookerjee, Sambit Sen et al. (2009) Alterations in the functional capacity of albumin in patients with decompensated cirrhosis is associated with increased mortality. HEPATOLOGY 50: 555-564. 10.1002/hep.22913

Muravsky V, Gurachevskaya T, Berezenko S, Schnurr K, Gurachevsky A. (2009) Fatty acid binding sites of human and bovine albumins: Differences observed by spin probe ESR. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc. PMID: 19540798

Gurachevsky A, Kazmierczak SC, Jörres A, Muravsky V. (2008) Application of spin label electron paramagnetic resonance in the diagnosis and prognosis of cancer and sepsis. Clin Chem Lab Med. 46(9): 1203-10. PMID: 18783341

Kazmierczak SC, Gurachevsky A, Matthes G, Muravsky V (2006) Electron spin resonance spectroscopy of serum albumin: a novel new test for cancer diagnosis and monitoring. Clin Chem 52: 2129-2134. PMID: 16990414

Seidel P, Gurachevsky A, Muravsky V, Schnurr K, Seibt G, et al. (2005) Recognition of malignant processes with neural nets from ESR spectra of serum albumin. Z Med Phys 15: 265-272. PMID: 16422355

Matthes G, Seibt G, Muravsky V, Hersmann G, Dornheim G (2002) Albumin transport analysis of different collected and processed plasma products by electron spin resonance spectroscopy. Transfus Apher Sci. Oct;27(2):129-35. PMID: 12350048

 

Literaturhinweise:

Kawashima Y, Fukutomi T, Tomonaga T, Takahashi H, Nomura F, et al. (2010) High-yield peptide-extraction method for the discovery of subnanomolar biomarkers from small serum samples. J Proteome Res 9: 1694-1705.

Taboada P, Barbosa S., Emilio Castro, Manuel Gutiérrez-Pichel, Víctor Mosquera (2007) Effect of solvation on the structure conformation of human serum albumin in aqueous–alcohol mixed solvents. Chemical Physics Volume 340: 59-68

Lowenthal MS, Mehta AI, Frogale K, Bandle RW, Araujo RP, et al. (2005) Analysis of albumin-associated peptides and proteins from ovarian cancer patients. Clin Chem 51: 1933-1945.

Simard JR, Zunszain PA, Ha CE, Yang JS, Bhagavan NV, et al. (2005) Locating high-affinity fatty acid-binding sites on albumin by x-ray crystallography and NMR spectroscopy. Proc Natl Acad Sci U S A 102: 17958-17963.

Mehta AI, Ross S, Lowenthal MS, Fusaro V, Fishman DA, et al. (2003) Biomarker amplification by serum carrier protein binding. Dis Markers 19: 1-10.

Bhattacharya AA, Grune T, Curry S (2000) Crystallographic analysis reveals common modes of binding of medium and long-chain fatty acids to human serum albumin. J Mol Biol 303: 721-732.

Peters TJ (1995) All about Albumin: Biochemistry, Genetics, and Medical Applications Academic Press, New York

Xu Y, Shen Z, Wiper DW; et al. (1998) Lysophosphatidic acid as a potential biomarker for ovarian and other gynecologic cancers. JAMA 280(8): 719-723

He XM & Carter DC (1992) Atomic structure and chemistry of human serum albumin. Nature 358(6383): 209-215.

Reed RG, Burrington CM (1989) The albumin receptor effect may be due to a surface-induced conformational change in albumin. J Biol Chem 264: 9867-9872.

 

letzte Änderung: Oktober 2014

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