Das Labor der OsteologInnen

Einleitung

Laborparameter, die in der Medizin Verwendung finden, sollten das Geschehen im Organismus und auf lokaler Ebene möglichst gut widerspiegeln. Sie sollten eine Aussage ermöglichen über die Organ- und Gewebe-Funktionen, über deren Interaktion, und über Mangelzustände oder Dysfunktionen mit ihren Auswirkungen auf den Gesamtorganismus. Eine ganze Reihe von Untersuchungen des peripheren Blutes und des Urins als wichtige Repräsentanten der verschiedenen Körperflüssigkeiten sind in die Routinediagnostik der so genannten „Klinischen Chemie“ eingegangen. Aus dem Bereich der Erkrankungen des Knochens sind besonders die Parameter des Kalzium/Phosphat Metabolismus in der Palette der „Klinischen Chemie“ vertreten, dazu gehören z. B. Kalzium, Phosphat und die Aktivität der Alkalischen Phosphatase. Solche Untersuchungen werden weitgehend automatisiert abgearbeitet und sind daher auch ökonomisch vertretbar. Spezifischere Parameter benötigen zur Bestimmung häufig aufwändigere Methoden wie Immunoassays in variabler Komposition oder moderne spektrometrische Methoden und sind den Spezialdisziplinen vorbehalten. Parameter, die das Ausmaß der Aufnahme in oder der Ausscheidung aus unserem Organismus widerspiegeln (wie etwa Kalzium und Phosphat), und solche, die einer kontrollierten Sekretion unterliegen (wie die Sexualhormone), akzeptiert man mit Einschränkungen als Spiegel des Zustandes der Organe selbst und des Gesamtorganismus.

Die modernen Erkenntnisse über gewebespezifische, vermehrt lokal wirksame Signalwege hingegen stellen uns vor die Frage, ob und in welchem Ausmaß die Veränderungen ihrer Komponenten in den Körperflüssigkeiten das Geschehen in einem peripheren Gewebe tatsächlich verlässlich genug widerspiegeln, als dass man daraus Rückschlüsse ziehen kann für die Diagnostik und die Therapie. Dies gilt für den Knochen in gleicher Weise wie für andere Gewebe. Für Parameter, die im Rahmen von Gewebeumsatz, -Abbau und -Reparatur in die Körperflüssigkeiten freigesetzt werden (bezogen auf den Knochen beispielsweise die Hemmstoffe für den WNT-abhängigen Knochenaufbau Sclerostin und das Dickkopf-Protein (DKK)) ist die Entwicklung von verlässlichen Bestimmungsmethoden ebenfalls häufig aufwändig und erfordert moderne Technologien. Die Interpretation der Spiegel und ihrer Veränderungen ist zudem immer davon beeinflusst, wie die Freisetzung von Signalsubstanzen und Gewebekomponenten und deren Abbauprodukten erfolgt (z. B. durch proteolytische Spaltung wie beim Fibroblasten-Wachstumsfaktor 23 (FGF23)), ob durch die Bestimmung intakte oder bereits teilweise verstoffwechselte Substanzen erfasst werden und ob dies vor oder nach der Stimulation einer Signalkette geschieht oder Ergebnis des Gewebeabbaus darstellt. Selbstverständlich unterliegen zudem auch diese Parameter den gängigen Problemen der Labordiagnostik, wie zum Beispiel Eiweißbindung, Filtration über die Niere und die Gefahr der Akkumulation bei Nierenfunktionsstörungen, um nur wenige Beispiele zu nennen. Die Eigenschaften und Funktionen von Markern des Knochenstoffwechsels, die Methoden für ihre Bestimmung, die klinische Bedeutung und die individuelle, circadiane und dem Therapieverlauf folgende Variabilität der Laborergebnisse sind exzellent untersucht und in herausragenden Publikationen beschrieben [1] [2] [3] [4]. Das vorliegende Themenheft soll den Einsatz der Bestimmungen der Parameter von Relevanz in der Osteologie für die Routine-Diagnostik und die erweiterte Diagnostik darlegen, sowie die Möglichkeiten des Monitorings der Therapie aufzeigen. Wichtig ist aber auch, sich über die Limitationen klar zu werden, die letztendlich dazu geführt haben, dass die Bestimmung von Markern des Knochenstoffwechsels abgesehen von der Basisdiagnostik vielfach (noch) nicht in der vordersten Linie stehen beim Management skelettaler Erkrankungen.

Parameter des Kalzium- und Phosphat-Stoffwechsel

Die Spiegel von Kalzium und Phosphat im Serum sind seit langem in der klinischen Chemie als Laborparameter etabliert. Man kann sie sehr gut interpretieren und ihre Veränderungen mit entsprechender Pathologie innerhalb von Krankheitsbildern in Verbindung bringen. Für die Interpretation von Erkrankungen des Knochens gelten bestimmte Prinzipien, die dem erfahrenen Osteologen bekannt sind. Kalziummangel und Phosphatmangel lassen sich relativ einfach und verlässlich diagnostizieren, insbesondere dann, wenn man die Nierenfunktion und Filtrationsraten mit den Bestimmungsergebnissen in Beziehung setzt. Die Ursachen von Störungen hingegen sind wiederum vielfältig, sie können sowohl im Magen-Darm-Trakt und anderen Organen gelegen sein als auch im gesamten Skelettsystem, ganz im Sinne der ständigen wechselseiteigen Interaktion der Organe und Versorgungssegmente mit dem System Knochen.

Als Beispiele für Parameter, die seit langem in der Diagnostik der Störungen des Knochenstoffwechsels etabliert sind, kann man Endokrinologische Parameter aufführen, die die Versorgung des Organismus mit Kalzium und Phosphat orchestrieren, wie das Parathormon (PTH), der Fibroblasten-Wachstumsfaktor 23 (FGF23), und das Vitamin D. Die Endokrinologischen Interaktionen des PTH/FGF23/Kalzium/Phosphat/ Vitamin D -Systems sind sehr gut beschrieben und interpretierbar [1]. Die Parameter, die zur Routinediagnostik auch aus jedem Laborautomaten für die klinische Chemie zur Verfügung stehen zusammen mit den Parametern, für die Immunnoassays oder spektrometrische Methoden entwickelt wurden, sind in den Leitlinien des Dachverbands für die Diagnostik und Therapie der Osteoporose diskutiert worden und spielen auch eine herausragende Rolle bei der Diagnostik von Skeletterkrankungen im Allgemeinen ([Tab. 1])( https://dv-osteologie.org/osteoporose-leitlinien). Dieses Basis-Labor ist besonders für das Screening auf andere Skeletterkrankungen geeignet um auf sekundäre Formen der Osteoporose hinzuweisen, gerade weil die primäre Osteoporose – abgesehen von kasuistisch erhöhtem Knochenumsatz – kein charakteristisches Muster von pathologischen Laborwerten der Routine zeigt. Das erweiterte Labor beinhaltet dann speziellere Parameter wie z. B. die bereits genannten, PTH, Vitamin D, FGF 23, die Sexualhormone und die Schilddrüsenhormone. Die Vielfalt von Laborveränderungen, die auf unterliegende Erkrankungen mit Einfluss auf den Knochen hinweisen, können hier nicht im Einzelnen besprochen werden, sind aber für die differenzierte osteologische Betreuung von großer Bedeutung [1] [5].

Tab. 1 Basislabor und erweitertes Labor aus den Leitlinien für Diagnostik und Therapie der Osteoporose (https://dv-osteologie.org/osteoporose-leitlinien).
Table 1 Basic and extended Laboratory Parameters as recommended in the national guidelines for diagnosis and treatment of osteoporosis (https://dv-osteologie.org/osteoporose-leitlinien)

Basislaborparameter	Differenzialdiagnostik/Hinweis auf
Serum-Calcium	↑ Primärer Hyperparathyreoidismus, paraneoplastisches Syndrom oder andere Ursachen einer Hyperkalzämie ↓ z. B. sekundärer Hyperparathyreoidismus, Malabsorption ↓Hypocalcämie als Kontraindikation für mehrere Osteoporose-Medikamente
Serum-Phosphat	↑ Niereninsuffizienz Stadium 4 ↑ sekundärer renaler Hyperparathyreoidismus ↓ Malabsorption ↓ Hypophosphatämie, z. B. im Rahmen einer XLH, onkogene Osteomalazie, Fanconi Syndrom
Alkalische Phosphatase (AP) (Serum)	↑ z. B. Osteomalazie ↓ möglicher Hinweis auf das Vorliegen einer Hypophosphatasie ↓ unter langjähriger antiresorptiver Therapie
Gamma-GT	↑DD hepatisch bedingter AP-Erhöhung, ↑ Zöliakie oder Alkoholabusus (Sturzrisiko↑) ↓Leberschädigung
Kreatinin-Clearance (GFR) *	↓ renale Osteopathie ↓ Höhergradige Niereninsuffizienz als Kontraindikation für verschiedene Medikamente *  In der Fachinformation zu Zoledronat wird explizit die Verwendung der Cockcroft-Gault- Formel auf der Basis des gegenwärtigen Körpergewichts als Grundlage der Abschätzung der Kreatinin-Clearance (GFR) aufgeführt.
C-Reaktives Protein	↑ entzündliche Erkrankung ↑ Malignom-Hinweis
BSG	↑ entzündliche Erkrankung, rheumatische Erkrankung, Autoimmun Erkrankung ↑ Bei auffälligem Wert zusätzlich wegen möglichen Hinweises auf eine Paraproteinämie Eiweißelektrophorese ggf. mit Immunfixation veranlassen Multiples Myelom
Kleines Blutbild	Hinweise auf entzündliche und maligne Erkrankungen oder Zöliakie
TSH	↓<0,45 mU/L endogen oder durch L-Thyroxin- Medikation bedingt als Risikofaktor für Frakturen
Serum-Natrium	↓ Risikofaktor für Hüftfrakturen ↓ erhöhtes Sturzrisiko
Serum-Eiweißelektrophorese	Hinweise auf eine monoklonale Gammopathie oder Hypogammaglobulinämie als Hinweis auf MGUS oder Multiples Myelom bzw. auf eine systemisch inflammatorische Erkrankung, Albuminmangel (verfälscht Ca-Wert)
Erweitertes Labor
Abweichender Parameter	Empfohlene Differenzialdiagnostik
Serum Calcium ↓	Albumin korrigiertes Calcium berechnen, z. B. bei MGUS, 25-OH Vitamin D
Serum Calcium ↑	Parathormon, 24 Std Ausscheidung Calcium und Phosphat, 1,25 (OH) 2- Vitamin D (Sarcoidose), Vitamin D Hypervitaminose?
Alkalische Phosphatase ↑	AP Iso-Enzyme, ggf. Skelettszintigraphie
Alkalische Phosphatase ↓	AP Iso-Enzyme, Pyridoxal-5-Phosphat (Vit B6), ggf. Humangenetik
TSH↓↑	fT3, fT4, Thyroxin oder Trijodthyronin Substitution?
Monoklonale Gammopathie, MGUS	Immunfixation, Leichtketten
Krea ↓, GFR↓	iPTH, 1,25 (OH)2 -Vitamin D

Parameter des Knochenumsatzes mit vorwiegend parakrinen Eigenschaften

In den letzten 3–4 Dekaden wurden viele gewebespezifische Signalwege identifiziert und charakterisiert. Gewebeeigene Signalwege und deren Ligand/Rezeptor-Interaktionen wirken vermehrt lokal, mit Blick auf den Knochen teilweise sehr spezifisch, zum Teil auch in übergreifender und wechselseitiger Aktivität in anderen Geweben. Viele Liganden werden lokal gebildet, haben Eigenschaften, die sie im Gewebe an der Zelle und in der extrazellulären Matrix verankern, und werden somit nicht kontrolliert in die Körperflüssigkeiten abgegeben, sie unterliegen in dieser Beziehung zumindest keiner direkten systemischen Regulation, soweit wir das bisher verstehen. Daher bestehen weiterhin Bedenken, inwiefern zum Beispiel Serumspiegel von lokal wirksamen Signalsubstanzen tatsächlich das Geschehen im Gewebe widerspiegeln können. Solche Fragen sind immer noch nur teilweise gelöst und der Übergang in die Routinediagnostik ist noch nicht wirklich vollziehbar. Eine Ausnahme mag in diesem Zusammenhang die Alkalische Phosphatase (ALP) darstellen, und sie mag als plausibles Beispiel für die Komplexität lokal wirksamer Systeme dienen. Hier besteht genügend Erfahrung, um die Enzymaktivität mit bekannten Einschränkungen der Spezifität für das Knochen-Isoenzym auch in der Routine einzusetzen. Dieses erfolgt im Wissen darum, dass dieses Enzym eigentlich durch eine Verankerung in der Zellmembran von Knochenzellen eine notwendige lokale Konzentrierung erfährt, und dass die Spiegel, die wir in den Körperflüssigkeiten messen eigentlich nur den „Spillover“ messen, der enzymatisch von der Zelle abgespalten wird. Die Vernachlässigung der variablen Aktivität der abspaltenden Enzyme (des „Sheddings“) wird dabei toleriert und diese spielt nur in Ausnahmesituationen eine Rolle, zum Beispiel wenn die Ankerfunktion defekt ist, oder gezielt Hemmstoffe für diese Enzyme verwendet werden [6]. Analog muss man die Verhältnisse für viele anderen Signalsubstanzen und deren Abbauprodukte betrachten, wie zum Beispiel die Liganden und Regulatoren des knochenaufbauenden WNT -Signalwegs und die so genannten Bone Morphogenetic Proteins (BMP) als Osteoblasten-stimulierende Faktoren ebenso wie der RANK-Ligand als Osteoklasten-stimulierender Faktor. Proteine, die als wichtige hemmende Regulatoren Knochen-relevanter Signalwege fungieren wie zum Beispiel das Sclerostin und das Dickkopf-Protein (DKK) für den WNT Signalweg und das Osteoprotegerin für den RANK/RANKL Signalweg bestimmen die gewebespezifische Mikro-Umgebung und die Korrelation von Serumspiegeln mit dem Geschehen im Gewebe ist teilweise noch nicht vollständig geklärt [7]. Mit Ausnahme also der ALPL ist die Einführung von Bestimmungen spezieller mehr ortsständiger Systemkomponenten in die routinemäßige Laboranalytik entweder noch Bestandteil von wissenschaftlichen Untersuchungen oder aber ist Spezialabteilungen mit entsprechenden Fachleuten vorbehalten.

Knochen-Resorption versus -Formation

Die Resorption und die Formation von Knochen sind unter normalen Umständen intensiv gekoppelt. Daher wird für beide Zustände häufig der Terminus Knochenumsatz, häufiger eingedeutscht der Terminus Knochen-Turnover (Bone Turnover) verwendet. Wenn man für das Screening eine mögliche Entkoppelung der Funktionen außer Acht lässt ist z. B. die Funktionsbestimmung der ALP im peripheren Blut auch durchaus gut als Screening-Parameter verwendbar. Für die ALP, werden unterschiedliche Normwerte für das Lebensalter und das Geschlecht gefunden und es gibt organspezifische Isoenzyme. Zur Erhöhung der Spezifität kann im erweiterten Labor das knochenspezifische ALP Enzym mittels Immunoassay bestimmt werden. Die Enzym-Bestimmung liefert darüber hinaus wertvolle Hinweise zur Diagnostik der Seltenen Erkrankung Hypophosphatasie (HPP) wenn der Wert erniedrigt ist, wie in diesem Heft im Artikel von Grasemann et al. diskutiert [6]. Spezifisch für den Aufbau und den Abbau des Knochens kann man in der Routine Fragmente des Kollagens der Extrazellulärmatrix messen, die bei der Formation entstehen, während für den Abbau andere Kollagenfragmente spezifisch sind. Die Bestimmung der Tartrat-resistenten sauren Phosphatase als Marker-Enzym für die Osteoklasten vervollständigt das Panel der Möglichkeiten, wenngleich diese noch nicht für die Routine empfohlen wird [1] [8].

Die in der Routine verwendeten Marker-Substanzen bilden das solide Grundgerüst unserer diagnostischen Möglichkeiten. Spezifischere Parameter werden in den Osteologischen Forschungszentren zu Forschungszwecken bestimmt und dort werden auch neue Parameter entwickelt und validiert. Zukünftige Entwicklungen werden die Möglichkeiten der differenzierteren Diagnostik von eher gewebeständigen Markerproteinen im Auge behalten müssen. Zudem aber werden sie die Bestimmung der im peripheren Blut zirkulierenden RNAs inklusive der mikroRNAs und der langen nicht kodierenden RNAs (LNC RNAs) mit in den Fokus nehmen, da diese regulativ orchestrierende Funktion haben für die verschiedenen knocheneigenen Programme des Abbaus, der Formation und des „Remodeling“, wodurch sie auch als Biomarker für komplexere lokale und systemische Regelkreise dienen könnten [9]. Man kann und muss das Gebiet der Laborbestimmungen sowohl für die systemisch regulierten Systeme als auch für den spezifischen Bereich knocheneigener Signalwege als ein Segment der ständigen Entwicklung betrachten, da es sich mit der Explosion des Wissens auf den verschiedenen Gebieten der zell- und gewebe-eigenen Signalwege inklusive der Kommunikationswege von Organen via extrazellulärer Vesikel in ständigem Wandel befindet [1] [7] [9]. Darüber hinaus sind auch noch immer nicht letzte Fallstricke der Diagnostik für Proteine mit Signalwirkung ausgeräumt, abzulesen alleine schon an der Geschichte der Bestimmung des PTH als intaktes Molekül versus der Miterfassung von proteolytischen Fragmenten oder als oxidierte versus nicht-oxidierte Form [10].

Der Stellenwert des Osteologischen Labors in der Versorgung

Gerade wegen der Besonderheiten dieses Segments unserer täglichen Arbeit hat das Team der Editoren diese Form eines erweiterten Editorials gewählt, um Sie als Leser darauf einzustimmen, dass wir hier einerseits über einen sehr soliden Pfeiler im Portfolio osteologischer Diagnostik und im Management von Skelett-Erkrankungen diskutieren, sozusagen das Herzstück gut validierter osteologischer Labordiagnostik. Wir sollten aber andererseits klar erkennen, dass Laborparameter dynamisch sind, sich oft sehr individuell verhalten und im Konzert des „Crosstalks“ der Organe zum Besten organismischer Anforderungen in vielfältigster Weise beeinflusst werden.

Demgemäß werden in diesem Heft einige alltagsrelevante Themen abgehandelt wie z. B. die Präanalytik und deren technische Probleme und die Komplexität der Regulation des Calciumhaushaltes. Biochemische Marker des Knochenstoffwechsels werden im Blickwinkel knochenrelevanter Erkrankungen diskutiert, wobei der Relevanz der Vitamin D-Messung in der Patientenbetreuung mit einem eigenen Artikel besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Die Bedeutung der Laborparameter in der Verlaufsdiagnostik des Knochenstoffwechsels unter verschiedenen Therapieformen wird als wichtiger Bestandteil des Monitorings im Management von Knochenerkrankungen ausgewogen beschrieben. Last but not least werden praxisrelevante Aspekte zur biochemischen und molekulargenetischen Diagnostik bei seltenen Knochenerkrankungen von Mitgliedern des Netzwerks Seltene Osteopathien (NetsOs*) dargestellt. Unser Wunsch wäre, dass dieses Heft hilfreich ist, wenn es darum geht, sich in der Routine mit den handwerklich abgesicherten Möglichkeiten der Labordiagnostik erneut vertraut zu machen, ohne den Blick für die Komplexität und die Differenziertheit des Gesamtorganismus zu verlieren.

Publication History

Article published online:
04 December 2023

• Literatur

• 1 Schini M, Vilaca T, Gossiel F. et al. Bone Turnover Markers: Basic Biology to Clinical Applications. Endocr Rev 2023; 44: 417-473 DOI: 10.1210/endrev/bnac031.
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• 3 Cavalier E, Lukas P, Bottani M. et al. European Biological Variation Study (EuBIVAS): within- and between-subject biological variation estimates of beta-isomerized C-terminal telopeptide of type I collagen (beta-CTX), N-terminal propeptide of type I collagen (PINP), osteocalcin, intact fibroblast growth factor 23 and uncarboxylated-unphosphorylated matrix-Gla protein-a cooperation between the EFLM Working Group on Biological Variation and the International Osteoporosis Foundation-International Federation of Clinical Chemistry Committee on Bone Metabolism. Osteoporos Int 2020; 31: 1461-1470 DOI: 10.1007/s00198-020-05362-8.
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• 11 Jakob F, Thomasius F. et al. Sequenztherapie der Osteoporose – Theorie und moderne Praxiskonzepte: Osteogene Signalwege. Bremen, London, Boston: UNI-MED Verlag Bremen; 2023