DGIM Innere Medizin
Autoren
Berend Isermann und Juliane Hoffmann

Labordiagnostik: Enzyme

Enzyme sind katalytisch aktive Proteine (Biokatalysatoren), die unseren Stoffwechsel, die Gesamtheit der chemischen Umsetzungen in unserem Körper, in biochemischen Reaktionen ermöglichen. Dabei verfügt unser Organismus über eine Vielzahl von zellulär verankerten Enzymen, die ubiquitär verteilt sind, da sie z. B. in den allgemeinen zellulären Stoffwechsel involviert sind (wie die Enzyme des Energiestoffwechsels, z. B. GOT/ASAT), sowie Enzyme, die spezifisch an die Funktion bestimmter Zelltypen/Organe gebunden sind (wie z. B. die Pankreasamylase). Daneben gibt es die Gruppe der plasmaspezifischen Enzyme, die zwar zellulären Ursprungs sind, jedoch gezielt ins Blut sezerniert werden und dort biologisch aktiv sind. In diese Gruppe gehören auch die Gerinnungsfaktoren.

Stellenwert der Diagnostik

Enzyme sind katalytisch aktive Proteine (Biokatalysatoren), die unseren Stoffwechsel, die Gesamtheit der chemischen Umsetzungen in unserem Körper, in biochemischen Reaktionen ermöglichen. Dabei verfügt unser Organismus über eine Vielzahl von zellulär verankerten Enzymen, die ubiquitär verteilt sind, da sie z. B. in den allgemeinen zellulären Stoffwechsel involviert sind (wie die Enzyme des Energiestoffwechsels, z. B. GOT/ASAT), sowie Enzyme, die spezifisch an die Funktion bestimmter Zelltypen/Organe gebunden sind (wie z. B. die Pankreasamylase). Daneben gibt es die Gruppe der plasmaspezifischen Enzyme, die zwar zellulären Ursprungs sind, jedoch gezielt ins Blut sezerniert werden und dort biologisch aktiv sind. In diese Gruppe gehören auch die Gerinnungsfaktoren (Kap. „Labordiagnostik: Gerinnungsdiagnostik“).
Das unterschiedliche Verteilungsmuster von Enzymen kann diagnostisch genutzt werden.
Labordiagnostisch relevant sind einige wenige Enzyme, die
  • im Blut nachweisbar sind,
  • in großer Konzentration in bestimmten Zelltypen bzw. Zellkompartimenten vorkommen,
  • bei Erkrankungen oder Zellschädigungen ins Blut sezerniert werden und
  • daher bei Konzentrationsänderung im Blut Rückschlüsse auf Erkrankungen bzw. Schädigungen der Ursprungszellen zulassen.
Enzymbestimmungen haben seit Jahrzehnten einen festen Stellenwert in der Labordiagnostik. Der Vorteil besteht darin, dass sie gegenüber anderen Methoden sehr schnell und preiswert sind. Klassische Beispiele sind: Leberenzyme (vgl. Tab. 1), der Zellzerfallsparameter LDH (Laktat-Dehydrogenase), die AP (alkalische Phosphatase) sowie die CK (Creatinkinase) als Marker einer Muskelschädigung bzw. CK-MB in der Rolle eines kardialen Markers (vgl. Abschn. 1.1).
Tab. 1
Relevante Enzymaktivitätsbestimmungen in der Labor- und Notfalldiagnostik
Enzym
Organ und Indikation
Alanin-Aminotransferase (ALAT, GOT)
Zytosolisch lokalisiert in Leber, Niere, Muskel, Herz; Anstieg im Serum nur bei Leberbeteiligung
Aspartat-Aminotransferase (ASAT, GOT)
Im Zytosol und in Mitochondrien lokalisiert (ubiquitäre Verteilung, bes. in Leber, Muskel, Niere); Anstieg im Serum bei Leber- bzw. Muskelschäden (auch Herzmuskelschäden); Indikation von ALAT und ASAT: Leitenzyme bei Leberzellschädigung
Alkalische Phosphatase (AP) (gesamt)
Zellmembran-gebundenes Enzym, 4 genetische Varianten (Isoenzyme) mit Leber-AP, Knochen-AP und Nieren-AP (Isoformen); Bestimmung der Gesamt-AP bei hepatobiliären Erkrankungen, Skeletterkrankungen (Differenzierung der Knochen-AP) und Hypophosphatasämie (Gesamt-AP ↓)
Alpha-Amylase
Pankreasenzym (P-Amy) und Speichelamylase (S-Amy); Nachweis bzw. Ausschluss einer akuten Pankreatitis
Pankreasamylase
Vgl. Alpha-Amylase
Cholinesterase (ChE)
In Plasma sowie u. a. in Leber, auch „Pseudo-Cholinesterase“, Leberfunktionsparameter (ChE ↓ sinkt bei eingeschränkter Leberfunktion); Hemmung durch Medikamente und Pestizide; atypische Variante der ChE mit verminderter ChE-Aktivität ist vor chirurgischen Eingriffen mit Succinylcholin (neuromuskulärer Blocker) abzuklären
Creatinkinase (CK)
Leitenzym für Muskelzellschädigungen; die CK-Gesamtaktivität besteht aus CK-MM (Hauptform bei Gesunden), CK-MB und CK-MB sowie Makro-CK, klinische Bedeutung hat die Bestimmung der Gesamt-CK sowie der CK-MB bei Herzmuskel- bzw. Skelettmuskelerkrankungen
Isoenzym: CK-MB
Ein Anteil von >6 % an der Gesamt-CK-Aktivität spricht für Herzmuskelschädigung, >6 % für Skelettmuskelschädigung
Gamma-Glutamyl-Transferase (GGT)
Entstammt dem hepatobiliären System, Erhöhungen bei nahezu allen Leber- und Gallenwegserkrankungen; Bestimmung zusammen mit ChE und ALAT bei Verdacht/Screening auf Leber- und Gallenwegserkrankungen; erhöht bei zwei Drittel der Fälle von chronischem Alkoholabusus (diagnostische Spezifität nur 50 %).
Glutamat-Dehydrogenase (GLDH)
Leitenzym der Mitochondrien, ubiquitär; 10-fach erhöht in Leber, Erhöhungen im Serum nur bei Leberbeteiligung (vgl. ALAT), Kenngröße für Leberzellnekrose
Laktat-Dehydrogenase (LDH)
Im Serum gemessene Aktivität besteht aus 5 Isoenzymen (LDH 1–5); ubiquitäres zytoplasmatisches Vorkommen der LDH, unspezifischer Zellzerfallsparameter, z. B. zur Beurteilung der Hämolyse oder Organschädigung im Muster mit anderen Enzymen
Lipase
Pankreasspezifisches Enzym; zum Nachweis/Ausschluss einer Pankreatitis; ist sensitiver als Alpha-Amylase; kann auch erhöht sein bei chronischen entzündlichen Darmerkrankungen ohne Pankreasbeteiligung

Isoenzyme

Enzyme besitzen eine ausgeprägte Substratspezifität (sie setzen nur bestimmte Substrate um) sowie eine große Wirkungsspezifität, die dazu führt, dass nur ganz bestimmte Reaktionen durch das jeweilige Enzym katalysiert werden. Enzyme, die strukturell verschieden sind, jedoch dieselbe Reaktion katalysieren, nennt man Isoenzyme. Das kann z. B. „Enzymvarianten“ des „gleichen“ Enzyms betreffen, die gewebespezifisch vorkommen (z. B. alkalische Phosphatase in Knochen, Leber oder Plazenta). Das Vorhandensein von Isoenzymen ist in der Ergebnisinterpretation ggf. zu berücksichtigen, da die üblichen Enzymtestverfahren stets die „Gesamtaktivität“ einer bestimmten enzymatischen Aktivität erfassen, ohne zwischen den Isoenzymen zu unterscheiden. Relevant ist dies z. B. auch bei der Creatinkinase, die aus unterschiedlichen Einheiten aufgebaut ist. Das Auftreten der Isoenzyme lässt sich dennoch diagnostisch nutzen, z. B. durch Einsatz inhibierender Antikörper, die gegen spezifische Isoenzyme gerichtet sind. So kann eine CK-MB-Bestimmung nach vollständiger Inhibition der katalytischen Aktivität der CK-M-Untereinheit erfolgen, da dann nur noch die Aktivität der CK-B-Untereinheit gemessen werden kann. Aus dem Ergebnis kann die Aktivität des Isoenzyms CK-MB ermittelt und als kardialer Marker verwendet werden. Die Kenntnis dieser analytischen Details ist jedoch notwendig, um ggf. irreführende Befunde korrekt zu interpretieren; ggf. ist in diesen Fällen Rücksprache mit einem Labormediziner oder Klinischen Chemiker zu halten.

Material und Präanalytik

Enzymbestimmungen werden in Serum und Plasma durchgeführt. Bei der Verwendung von Plasma ist das jeweilige Antikoagulanz relevant, da EDTA- bzw. Citrat-haltige Antikoagulanzien Metallionen (bzw. Calcium) binden, diese aber oft als Kofaktoren von Enzymen essenziell für die Reaktion sind. Daher wird neben Serum nur Heparin-Plasma zur Enzymbestimmung eingesetzt.
Da es sich um Proteine handelt, ist die In-vitro-Halbwertszeit der Enzyme präanalytisch zu berücksichtigen. Das Labor gibt diesbezüglich parameterbezogene präanalytische Handlungsanweisungen vor (Transportbedingungen wie Zeit und Temperatur, Nachmeldefristen). Handelt es sich um fotometrische Nachweismethoden, dann sind die häufigsten Störfaktoren Hämolyse, Lipämie und Ikterie. Daher ist In-vitro-Hämolyse (abnahmebedingt, falsche Lagerungs- und Transportbedingungen) unbedingt zu vermeiden.

Analytik

Während die quantitative Bestimmung eines Proteins zumeist mit immunologischen Methoden unter Anwendung spezifischer gegen das Protein gerichteter Antikörper erfolgt, nutzt man bei Enzymbestimmungen die katalytische Aktivität des zu bestimmenden Proteins unter Einsatz eines spezifischen Substrats. Messtechnisch erfasst wird der Substratumsatz pro Zeitintervall und somit die Reaktionsgeschwindigkeit: die Enzymaktivität. Da die Substrate und Produkte des zu untersuchenden Enzyms oft fotometrisch nicht erfasst werden können, ist die erste (Nachweis-)Reaktion häufig an eine weitere Reaktion (Indikatorreaktion) gekoppelt.
Die Enzymaktivität kann in 2 möglichen Einheiten angegeben werden:
  • Klassische Einheit: 1 Unit (1 Enzymeinheit) = 1 μmol Substrat/min
  • Seit 1972 SI-Einheit: 1 Katal (kat) = 1 mol Substrat/s
Da sich die ermittelte Enzymaktivität auf die eingesetzte Plasma- bzw. Serummenge bezieht, wird das Ergebnis in Unit (U) pro Liter bzw. Katal pro Liter angegeben.
Die Reaktionsbedingungen wie Temperatur, pH-Wert, Konzentration und Art des Substrats und Kosubstrats, Pufferkonzentration und Ionenstärke sind optimiert und festgelegt. Die Temperatur für Enzymbestimmungen beträgt einheitlich 37 °C. Die Reaktionsgeschwindigkeit jeder enzymatischen Reaktion ist abhängig von der Michalis-Konstante, einer reaktions- und substratspezifischen Größe (vgl. Michaelis-Menten-Gleichung), von der Substratkonzentration sowie von der maximal erreichbaren Reaktionsgeschwindigkeit. Nur wenn optimale Bedingungen herrschen (Substrat muss im Überschuss vorliegen), kann die Enzymaktivität über die Erfassung der anfänglichen Reaktionsgeschwindigkeit gemessen werden. Dies erfolgt in großen Analysegeräten durch die Messung der Absorption in festgelegten Zeitintervallen und die Berechnung der Absorptionsänderung pro Minute.