Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
H. Fiedler

α1-Antitrypsin

α1-Antitrypsin
Synonym(e)
α1-AT; α1-Proteinaseinhibitor; α1-PI; Pi
Englischer Begriff
α1-antitrypsin; alpha-1 proteinase inhibitor
Definition
α1-Antitrypsin (α1-AT) ist ein Serumglykoprotein, das zu den Serinproteinaseinhibitoren (Serpine; s. Proteinaseinhibitoren) gehört, und Trypsin, Chymotrypsin, Leukozyten- und Pankreaselastase (Elastase, pankreasspezifische) hemmt. α1-AT übernimmt mehr als 80 % der Proteinaseinhibitoraktivität des Blutplasmas. Die Synthese wird vom Pi-Gen auf Chromosom 14q32.1 kontrolliert. Bisher wurden mehr als 75 genetische Varianten elektrophoretisch und/oder molekulargenetisch charakterisiert. Mangelzustände sind häufig (1:2000 bis 1:5000) und haben eine hohe Dunkelziffer.
Struktur
α1-AT besteht aus einer Polypeptidkette mit 3 Oligosaccharidketten. Neben einer ausgeprägten Faltblattstruktur existiert eine reaktive Peptidschleife, die einerseits das Molekül in einer metastabilen Konformation hält und andererseits als hemmendes Pseudosubstrat für die Serinproteinasen dient. Mutationen können die Faltblattstrukturen so verändern, dass die Einlagerung der reaktiven Peptidschleife in ein zweites α1-AT-Molekül zu Dimerisierung und weiterhin zu Polymerisierung von α1-AT im endoplasmatischen Retikulum führt, sodass nur 15 % der PiZZ-Variante sezerniert werden. Es handelt sich um eine Proteinfehlfaltungskrankheit (Proteinfaltung), die endoplasmatischen Retikulumstress (Endoplasmatischer Retikulumstress) und Proteotoxizität/Proteopathie in der Leberzelle zur Folge hat.
Molmasse
51 kDa.
Synthese – Verteilung – Abbau – Elimination
Die Synthese erfolgt ganz überwiegend in Hepatozyten, zusätzlich auch in Alveolarmakrophagen, Monozyten und Granulozyten. Die tägliche Bildungsrate von 34 mg/kg KG wird bei einer Akute-Phase-Reaktion (bis 3-fach) und hohen Estrogenkonzentrationen (Ovulationshemmer, Schwangerschaft) gesteigert. Wichtig für Diagnostik und Klinik ist der ausgeprägte genetische Polymorphismus von α1-AT. Substitution von Glutaminsäure durch Lysin in Position 342 (Z-Allel mit hohem isoelektrischen Punkt und einer Prävalenz von etwa 4 %) führt bei Homozygoten (PiZZ, Prävalenz 0,03 %) zu einer Verminderung der α1-AT-Konzentration im Serum um 85–90 % gegenüber der nativen Variante PiMM. Die Substitution von Glutaminsäure durch Valin in Position 264 liegt der S(slow)-Variante zugrunde und bewirkt in homozygoter Form (PiSS) eine Verminderung der Serumkonzentration um 40 %. Klinisch bedeutsam wird diese Mutation durch Kombination mit der Z-Variante (PiSZ). Nullmutanten mit komplettem Fehlen von α1-AT sind sehr selten, aber beeinflussen die Leber nicht. Pi Pittsburgh (Met 358 Arg) wirkt als Antithrombin (Tab. 1).
Tab. 1
α1-Antitrypsin-Mangel
Genotyp
Risiko
Emphysem/Hepatitis (E/H)
Relative Konzentration (%)
Prävalenz (%)
PiMM
Kein
100
91,1
PiMS (Träger)
Kein
80
6,6
PiMZ (Träger)
Mild (E)
60
1,9
PiSS (Homozygot)
Leicht (E)
60
0,3
PiSZ (Heterozygot)
Leicht bis erhöht (E)
H möglich
40
0,1
PiZZ (Homozygot)
Hoch (E/H)
10–15
0,01
Pi00
Sehr hoch (E)
Keine Leberbeteiligung
0
Extrem selten
Die Konzentrationen im Serum und in der interstitiellen Flüssigkeit sind annähernd gleich. Die Halbwertszeit liegt zwischen 6 und 7 Tagen. Desialisierung (z. B. durch Bakterienneuraminidase) erhöht die Abbaurate und dadurch die Gefahr einer stärkeren Ausbreitung der Entzündung. Bei Darmentzündungen wird α1-AT vermehrt in den Darm sezerniert. Aufgrund seiner Antiproteinasewirkung wird es nicht degradiert und kann im Stuhl bestimmt werden (α1-Proteinaseinhibitor-Clearance, fäkale).
Funktion – Pathophysiologie
α1-AT wirkt vorwiegend auf epithelialen und serösen Oberflächen. Die von aktivierten Granulozyten freigesetzte Peroxidase und reaktive Sauerstoffspezies (Reaktive Sauerstoffspecies) hemmen α1-AT, wodurch der Entzündungsherd proteolytisch verflüssigt wird. Am Rand des Herdes bleibt aber α1-AT aktiv, hemmt Elastase und andere Proteinasen und reduziert Gewebsschädigungen besonders in der Lunge.
Bei α1-AT-Mangel unter 35 % des Mittelwertes vom nativen Typ PiMM findet man Hinweise auf ein beginnendes Risiko von Lungenemphysem und chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung, die oft schon im 3. oder 4. Lebensjahrzehnt manifest werden (Tab. 1). Bei Rauchern sind Symptomatik und Mortalität verfrüht und erhöht, da Zigarettenrauch die Makrophagen stimuliert und die Inaktivierung von α1-AT durch reaktive Sauerstoffspezies unter Bildung von Methioninsulfoxid im aktiven Zentrum (Position 358) verstärkt wird. Diese Zusammenhänge wurden bereits im Jahr 1963 als Laurell-Eriksson-Syndrom beschrieben. Die Krankheitsaktivität kann auch mit dem Biomarker Aa-Val360 der Fibrinogenspaltung geprüft werden. Etwa 35 % aller Lebererkrankungen (Icterus prolongatus, Hepatitis) in der Neonatalperiode sind durch einen α1-AT-Mangel bedingt. Ungefähr 20 % der Patienten mit hereditärem α1-AT-Mangel entwickeln nach dem 50. Lebensjahr eine Leberzirrhose und etwa ein Drittel davon ein Leberzellkarzinom. In den Hepatozyten können periportal PAS-positive Granula nachgewiesen werden.
Untersuchungsmaterial – Entnahmebedingungen
Serum oder Heparinplasma für Konzentrationsmessungen, EDTA-Blut für PCR-Analytik, 24- oder 72-Stunden-Sammelstuhl für α1-AT-Clearance bei exsudativer Enteropathie.
Stabilität im Serum bei 4–6 °C 5 Monate. Stuhl beim Sammeln bei 4 °C aufbewahren, danach sofort bestimmen.
Analytik
  • Konzentrationsbestimmung
  • Immunnephelometrie, Immunturbidimetrie, Enzyme-linked Immunosorbent Assay, radiale Immundiffusion (Immundiffusion, radiale nach Mancini, Carbonara und Heremans) (35–40 % höhere Werte), Screening mit Trockenblut (Alpha-Kit)
  • Phänotypisierung
  • Isoelektrofokussierung in Polyacrylamidgel mit einem pH-Gradienten von 4,2–4,9
  • Genotypisierung
  • PCR (Polymerase-Kettenreaktion)
Umrechnungsfaktor
g/L × 19,6 = μmol/L.
Referenzbereich – Erwachsene
Referenzbereiche im Serum (nach CRM 470 Standard): 0,90–1,8 g/L (18–35 μmol/L).
Referenzbereich – Kinder
<1 Monat: 1,24–3,48 g/L
1–6 Monate: 1,11–2,97 g/L
7 Monate–2 Jahre: 0,95–2,51 g/L
>2 Jahre: 1,10–2,80 g/L
Indikation
  • Icterus prolongatus bei Neugeborenen
  • Hepatitis im Säuglings- und Kleinkindesalter
  • Hepatitis oder Leberzirrhose unklarer Genese des Erwachsenen
  • Lungenemphysem und/oder chronische obstruktive Lungenerkrankung im frühen Erwachsenenalter
  • Nekrotisierende Pannikulitis, besonders an Stamm und oberen Extremitäten
  • Erniedrigte α1-Fraktion in der Serumprotein-Elektrophorese (Verdacht, kein Beweis auf α1-AT-Mangel)
  • Enterale Proteinverluste, entzündliche Darmerkrankungen
Interpretation
Erhöhungen der α1-AT-Konzentration sind ohne klinische Bedeutung, da zur Erkennung der Akute-Phase-Reaktion oder eines Tumorgeschehens besser geeignete Parameter zur Verfügung stehen. Falsch hohe Werte durch Überlagerung einer Akute-Phase-Reaktion lassen sich durch Mitbestimmung von CRP (C-reaktives Protein) und/oder Tumormarker ausschließen. Niedrige Konzentrationen können auch bei erhöhtem Katabolismus, nephrotischem Syndrom, Verbrennungen und akuter Pankreatitis auftreten. Deshalb ist die Phänotypisierung zur Aufdeckung von genetischen Varianten wie PiZZ, PiMZ, PiSZ oder PiSS wichtig.
Diagnostische Wertigkeit
Unerwartet frühzeitiges Auftreten eines Lungenemphysems und/oder einer chronisch-aktiven Hepatitis bzw. Leberzirrhose sollten immer an einen α1-AT-Mangel denken lassen, besonders wenn die α1-Globulinfraktion auf <1,5 % vermindert ist. In der Leberbiopsie kann das akkumulierte mutierte α1-AT immunzytochemisch nachgewiesen werden. Wenn durch Phäno- und Genotypisierung der α1-AT-Mangel als Z-, S- oder Nullvariante bestätigt wurde, verbleibt bei symptomatischen Emphysempatienten nur die Substitution von hochgereinigtem PiMM (60 mg/kg KG wöchentlich). Die Serumkonzentration von PiMM kann damit auf 0,3 g/L angehoben werden.
Literatur
Biedermann A, Köhnlein T (2006) Alpha-1-Antitrypsin-Mangel – eine versteckte Ursache der COPD. Dtsch Ärztebl 103:A1828–A1832
Carter RI, Ungurs MJ, Pillai A, Mumford RA, Stockley RA (2015) The relationship of the fibrinogen cleavage biomarker Aa-Val360 with disease severity and activity in α1-antitrypsin deficiency. Chest 148:382–388CrossRef
Lammert F, Gressner A, Ritter K, Matern S (2005) Leber und Gallenblase/-wege. In: Guder WG, Nolte J (Hrsg) Das Laborbuch für Klinik und Praxis. Elsevier Urban & Fischer, München/Jena, S 158–159
Rachelefsky G, Hogath DK (2008) Issues in the diagnosis of α1-antitrypsin deficiency. J Allergy Clin Immunol 121:833–838CrossRef