Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
A. M. Gressner und O. A. Gressner

Ethanol

Ethanol
Synonym(e)
Äthanol; Ethylalkohol; Blutalkohol; Alkohol; EtOH
Englischer Begriff
ethanol; ethyl alcohol; grain alcohol; alcohol
Definition
Ethanol (Summenformel: C2H6O) ist eine klare, farblose, in Wasser unbeschränkt lösliche Flüssigkeit mit toxischer Wirkung, die nach oraler Aufnahme intestinal resorbiert wird, sich in Körpergeweben proportional zu deren Wassergehalt verteilt und vorwiegend in der Leber schnell oxidativ metabolisiert wird.
Molmasse
46,07 g.
Synthese – Verteilung – Abbau – Elimination
Ethanol (CH3CH2OH) wird nach oraler Aufnahme zu ca. 25 % bereits im Magen und zu 75 % im Duodenum und Jejunum aufgrund seiner geringen Molmasse (46,07 g), seiner guten Wasserlöslichkeit und geringen Löslichkeit in Lipiden durch einfache Diffusion resorbiert. Die Resorptionsrate ist verzögert bei gefülltem Intestinum. Die Gewebeverteilung ist direkt proportional zu ihrem Wassergehalt. Da Alkohol nur gering gradig fettlöslich ist, nehmen die Gewebelipide nur etwa 4 % des Ethanols auf. Deshalb ist die Blutalkoholkonzentration bei adipösen Patienten, die dieselbe Menge wie normgewichtige Probanden aufnehmen, deutlich höher.
Das intestinal resorbierte Ethanol wird über die Pfortader der Leber zugeführt, die an der Ethanolelimination mit 90–95 % beteiligt ist (die Alkoholdehydrogenasen der Magenmukosa metabolisieren ca. 5 %, über die Lunge werden etwa 5 % und über die Niere etwa 1 % des resorbierten Ethanols ausgeschieden). Ein normgewichtiger Mann eliminiert ca. 100 mg Ethanol/kg KG/Stunde entsprechend 7 g Ethanol/Stunde bei einer 70 kg schweren Person. Auf Serum (Blut) bezogen beträgt die mittlere Abbaurate/Stunde 0,18 g/L Serum (0,15 g/kg Vollblut).
Der Metabolismus erfolgt nahezu ausschließlich oxidativ (90–95 %) zu Acetaldehyd, Acetat und letztlich CO2 und Wasser, nur eine kleine Fraktion wird nichtoxidativ durch Veresterung von Ethanol mit langkettigen Fettsäuren (Fettsäureethylesterbildung) in Pankreas und Leber metabolisiert oder zu Ethylglukuronid, Ethylsulfat und Ethylphosphat konjugiert. Der oxidative Abbau in den Hepatozyten kann grundsätzlich über 3 Abbauwege erfolgen (Abb. 1):
  • Der Hauptabbauweg (ca. 75–80 % des hepatischen Ethanolabbaus) erfolgt unter physiologischen Bedingungen durch die Alkoholdehydrogenase (ADH), die in Anwesenheit von NAD+ als Coenzym die Oxidation zum Acetaldehyd katalysiert. Das Reaktionsprodukt Acetaldehyd wird nach Aufnahme in die Mitochondrien durch die dort lokalisierte Acetaldehyddehydrogenase (Km-Wert ca. 1 μmol/L) in Anwesenheit von NAD+ zu Acetat abgebaut, um schließlich in Acetylcoenzym A umgewandelt und in den Intermediärstoffwechsel der Leber eingeschleust zu werden. Eine größere Fraktion gelangt über die systemische Zirkulation zum oxidativen Endabbau in periphere Gewebe.
  • Das mikrosomale Ethanol oxidierende System (MEOS) ist im endoplasmatischen Retikulum (Mikrosomenfraktionen) der Hepatozyten gelegen und mit etwa 10–20 % am oxidativen Ethanolabbau beteiligt. Die Cytochrom P450 II E1 (CYP II E1) ist aufgrund ihres höheren Km-Werts von 7–10 mmol/L erst bei höherem Substratangebot (Blutalkohol >1,2 g/L Serum bzw. 1,0 g/kg Vollblut) am Ethanolabbau beteiligt. Im Gegensatz zum ADH-Abbauweg ist das MEOS-Enzymsystem durch chronischen Alkoholkonsum und einige im Biotransformationssystem metabolisierte Medikamente (Xenobiotika) stark induzierbar. Damit ergeben sich klinisch wichtige Interferenzen von Alkohol- und Xenobiotikastoffwechsel, die zur Beschleunigung (durch Induktion) oder Hemmung (durch Kompetition) führen können.
  • Katalaseabbauweg in den Peroxisomen. Weniger bedeutsam ist der von Katalase katalysierte Oxidationsweg von Ethanol durch Wasserstoffperoxid (H2O2) zum Acetaldehyd, der aufgrund seines hohen Km-Werts von 0,6–10 mmol/L konzentrationsabhängig nur mit etwa 2 % am Ethanolabbau beteiligt ist. Geschwindigkeitsbestimmend ist die physiologische Rate der H2O2-Produktion, die unter Normalbedingungen gering ist.
Funktion – Pathophysiologie
Metabolische Konsequenzen des Ethanolstoffwechsels. Sie bewegen sich auf drei Ebenen:
Direkte Wirkungen des Ethanols (Abb. 2)
Neben physikalischen Veränderungen der Plasmamembranen (Fluidität), der mikrosomalen Enzyminduktion und der Aktivierung von Kupffer-Zellen zur Sekretion wichtiger Zytokine kommt es zur Beeinträchtigung der rezeptorvermittelten Endozytose von zirkulierenden Plasmaproteinen.
Ethanolinduzierte Änderung des Redoxstatus (Abb. 3)
Beim oxidativen Ethanolabbau kommt es zu einem Anstieg des hepatischen NADH/NAD+-Verhältnisses, als deren Folge neben verminderter Fettsäureoxidation und Erhöhung der Triglyzeridsynthese, Hyperlaktatämie, Hemmung der Glukoneogenese und andere Veränderungen bedeutsam sind. Die Reoxidationsrate von NAD(P)H ist nicht nur für den oxidativen Ethanolabbau, sondern auch für die Redoxstatus-abhängigen metabolischen Effekte des Alkohols entscheidend.
Toxische Wirkungen von Acetaldehyd und Lipidperoxidation (Abb. 4)
Der hochreaktive Acetaldehyd trägt zur Fibrogenese chronischer alkoholischer Lebererkrankungen, zur Bildung von Proteinaddukten und zur Lipidperoxidation von Zellmembranen bei. Durch Bildung kovalenter Verbindungen zwischen Acetaldehyd und Hämoglobin, Kollagen, Phospholipiden, Cytochrom P450 II E1 und Plasmaproteinen können Neoantigene entstehen, die zur Autoantikörperbildung führen und für die Pathogenese alkoholischer Organschäden bedeutsam sind.
Untersuchungsmaterial – Entnahmebedingungen
Serum, Plasma (Heparin-, EDTA-, Fluorid- oder Oxalat-Plasma), Vollblut (nach Enteiweißung mit Trichloressigsäure), Spontanurin.
Präanalytik
Die Probenentnahme muss Kontaminationen vermeiden (keine Desinfektion mit Alkohol!). Wegen Verdunstung von Alkohol muss das Probengefäß möglichst vollständig gefüllt und fest verschlossen sein und darf nicht länger als 5 Minuten offen stehen. Für forensische Zwecke werden Kunststoffvenülen in verschiedener Ausführung, z. B. Vacutainer, oder andere Varianten als Entnahmegefäße gefordert.
Analytik
Es stehen heute grundsätzlich zwei Methoden zur Verfügung:
Enzymatische Methode
Ethanol und NAD+ werden unter Mitwirkung von Alkoholdehydrogenase (ADH) zu Acetaldehyd und NADH + H+ gemäß folgender Reaktion umgesetzt:
Die Menge des gebildeten NADH + H+, photometrisch durch Absorptionszunahme bei 334 oder 366 nm gemessen, ist der Ethanolmenge direkt proportional.
Die enzymatische Methode ist spezifisch für Alkohole, weist einen intraseriellen VK von 1,2 % und eine Nachweisgrenze von 0,1 g/L auf. Stärkere Hämolyse (Hämoglobin) führt zu signifikanter negativer Beeinflussung der Messreaktion. Die Methode ist für klinisch-toxikologische Untersuchungen gut geeignet.
Sie stellt ein spezifisches Verfahren zur quantitativen Ethanolbestimmung in Blut- und Urinproben dar, die aufgrund folgender Kriterien für forensisch-toxikologische Untersuchungen geeignet ist: gute Differenzierbarkeit von Ethanol und anderen flüchtigen Substanzen, gute Reproduzierbarkeit, weitgehende Automatisierung, kurze Analysendauer. Die Dampfraumanalyse (Head-Space-Analyse) gilt heute als anerkanntes Verfahren. Das Probengefäß wird auf eine eingestellte Temperatur thermostatisiert, sodass sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase einstellt. Analysiert wird nur die Dampfphase, was eine Bestimmung flüchtiger Substanzen unabhängig von der Probenmatrix ermöglicht. Bei der Ethanolbestimmung erfolgt die Quantifizierung über den internen Standard tert-Butanol.
Zu den aktuellen Anforderungen für forensische Blut- oder Serumethanolanalysen (Blutalkoholanalysen) siehe die in der Literatur genannten Richtlinie in ihrer jeweils aktuellen Version unter www.gtfch.org. Ethanolanalysen unter klinisch-chemischen Bedingungen, d. h. ohne oder nur mit teilweiser Beachtung der in dieser Richtlinie gelisteten präanalytischen, analytischen und postanalytischen Anforderungen, sind für forensische Zwecke prinzipiell nicht verwertbar.
Referenzbereich – Erwachsene
Physiologische Ethanolkonzentrationen („endogener Alkohol“) im Blut von Alkoholabstinenten betragen bis zu 0,75 mg/L entsprechend 0,00075 ‰. Sie sind mit den üblichen enzymatischen und auch gaschromatographischen Methoden mit Nachweisgrenzen von ca. 0,1 ‰ nicht zu erfassen. Hierzu wären sensitivere Applikationen wie die Begleitstoffanalyse mit GC-MS erforderlich (Gilg 2012).
Die Umrechnung der Serumkonzentration (g/L) in die Vollblutkonzentration (g/kg = Promille) erfolgt durch Teilung mit 1,236, was dem Verhältnis der Wassergehalte von Serum (91 %) zu Vollblut (76 %) entspricht:
$$ {\displaystyle \begin{array}{l}{C}_B={C}_S\times {M}_r\times {D}_S^{-1}\times {W}^{-1}\\ {}={C}_S\times 37,36\times {10}^{-3}\end{array}} $$
  • CB: Ethanolkonzentration im Blut (g/kg) [‰]
  • CS: Ethanolkonzentration im Serum (mmol/L)
  • Mr: relative Molmasse von Ethanol (=46)
  • DS: Dichte des Serums (=1,026 kg/L; festgelegt)
  • W: Wasserverteilungskoeffizient zwischen Serum und Blut (1,2; festgelegt)
Indikation
Verdacht auf akuten oder chronischen Ethanolmissbrauch (Alkoholmissbrauch).
Interpretation
Absorption, Verteilung und Abbauraten unterliegen einer Reihe von externen, individuellen und genetischen Faktoren (s. a. Widmark-Formel und Watson-Formel).
Langzeitiger, ausgeprägter Alkoholkonsum führt durch Enzyminduktion des MEOS zu einer deutlichen Zunahme der Ethanoleliminationsrate. Durch Inhalation können maximale Ethanolkonzentrationen von 0,24 g/L (0,2 g/kg Vollblut) erreicht werden. In Abhängigkeit von der Dosis wirkt Ethanol zunächst stimulierend, in höherer Dosierung hemmend oder sogar lähmend auf das ZNS. Bei akuter Intoxikation kommt es zunächst zur Erregung des Atemzentrums, Erhöhung von Pulsfrequenz, Blutdruck und Herzminutenvolumen und zur Erweiterung der Hautgefäße. Im weiteren Verlauf nimmt das Reaktionsvermögen, das Seh- und Hörvermögen ab. Ethanolkonzentrationen von 4,2–4,8 g/L Serum (3,5–4,0 g/kg Vollblut) gelten bei Erwachsenen als potenziell letal. Metabolische Azidose, osmotische Lücke (Osmolalität), signifikante Hypoglykämie und Acetonurie ohne Glukosurie stellen klinisch-chemische Befunde der schweren Ethanolintoxikation dar. Das Risiko der Entwicklung einer alkoholischen Leberzirrhose steigt ab einem Schwellenwert von 20 g Ethanol/Tag bei Frauen und 40 g Ethanol/Tag bei Männern dosisabhängig an: 80–160 g Ethanol/Tag hat ein 5-fach erhöhtes, 160 g Ethanol/Tag ein 25-fach erhöhtes Risiko. Neben Alkoholzirrhose stellen alkoholische Fettleber und Alkoholhepatitis bekannte Manifestationen alkoholischer Lebererkrankungen dar. Als spezifische Kenngröße des chronischen Alkoholabusus gilt die Bestimmung des Carbohydrate-deficient Transferrins (s. hierzu auch Alkoholmissbrauchskenngrößen).
Diagnostische Wertigkeit
Die spezifische Ethanolbestimmung in Körperflüssigkeiten hat für klinische, toxikologische und forensische Zwecke eine herausragende Bedeutung.
Literatur
Batra A, Müller CA, Mann K et al (2016) Abhängigkeit und schädlicher Gebrauch von Alkohol. Dtsch Ärzteblatt 113(17):301–310
Deutsche Gesellschaft für Rechtsmedizin, Gesellschaft für Toxikologische und Forensische Chemie und Deutsche Gesellschaft für Verkehrsmedizin (2011) Richtlinien zur Bestimmung der Blutalkoholkonzentration (BAK) für forensische Zwecke – BAK-Richtlinien. Blutalkohol 48:137–143. www.​gtfch.​org. Zugegriffen am 20.06.2017
Gilg T (2012) Alkohol. In: Madea B, Mußhoff F, Berghaus G (Hrsg) Verkehrsmedizin – Fahreignung, Fahrsicherheit, Unfallrekonstruktion, 2. Aufl. Deutsche Ärzte-Verlag, Köln, S 453–485