Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
D. Meißner und T. Arndt

Spurenelemente

Spurenelemente
Synonym(e)
Mikroelemente
Englischer Begriff
trace elements
Definition
Elemente, die in sehr geringen Mengen im Organismus vorhanden sind, wobei unterschiedliche Kriterien zugrunde gelegt werden, z. B. <0,01 % der Körpermasse oder Konzentration im ppm-Bereich (μg/g bzw. μg/mL) und darunter.
Beschreibung
Spurenelemente werden in essenzielle und nicht essenzielle Spurenelemente unterteilt. Eine Untergruppe sind die Ultraspurenelemente, bei denen ein klinisch signifikanter Mangel bisher nicht nachgewiesen werden konnte.
Essenzielle Spurenelemente sind lebensnotwendig, ihre Anwesenheit ist die Voraussetzung für den normalen Ablauf vieler biochemischer Vorgänge. Sie unterliegen einer homöostatischen Regulierung und sind nur in einem sehr begrenzten und für jedes Element typischen Konzentrationsbereich physiologisch wirksam. Sowohl Mangel als auch Überschuss können zu Störungen führen, die sich z. T. als charakteristische Krankheiten äußern.
Nicht essenzielle Spurenelemente haben keine physiologische Funktion, können aber – wenn in übermäßiger Menge aufgenommen – zu Intoxikationen führen. Für den Menschen sind Co, Cu, Fe, I, Mn, Mo, Ni, Se und Zn sowie Cr, F, Si und V (Ultraspurenelemente) essenziell. Zu den nicht essenziellen Elementen, die in der klinischen Praxis Bedeutung haben, zählen jene Elemente, die als Belastungen über die Umwelt, über Arbeitsprozesse oder als Therapeutika in den menschlichen Körper gelangen und – abhängig von der zugeführten Menge – toxische Wirkungen entfalten können: Ag, Al, As, Au, Bi, Cd, Ge, Hg, Li, Pb, Pd, Pt, Rb, Sb, Sn, Sr, Tl und U.
Der Körperbestand ist das Ergebnis des Zusammenspiels von Zufuhr (Nahrung, Trinkwasser, Luft), Resorption (meist an Aminosäuren gebunden über Duodenum, oberes Jejunum), Transport (proteingebunden vorwiegend über die Blutbahn), Speicherung (proteingebunden in typischen Geweben/Organen) und Ausscheidung (Urin, Faeces und/oder Schweiß).
Ihre biochemische Funktion üben Spurenelemente in erster Linie als Bestandteil biochemisch aktiver Substanzen (Spezies) aus: Metalloenzyme, durch Metallionen aktivierbare Enzyme, Hormone (Zn, I), Vitamine (Co). Weitere Funktionen: Stabilisierung von Membranen oder anderen Strukturen (Zn), Wundheilung (Zn), Elektronentransport (Cu, Fe), Schutz vor Radikalen (Se, Mn, Zn, Cu), als Stimulator für immunologische (Zn, Se, Fe) und Inhibitor für neoplastische Prozesse (Pt, Se). Im Falle der Zufuhr als Substitution bei Spurenelementmangel oder wegen einer spezifischen therapeutischen Wirkung spielen zahlreiche Spurenelemente auch als Arzneimittel eine Rolle. Für das Verständnis der biochemischen und toxikologischen Prozesse ist die Identifizierung der Spezies, d. h. der exakten Erscheinungsform des Spurenelementes bzgl. Oxidationszahl und Verbindung im Organismus von großer Bedeutung. So wird die Toxizität eines Spurenelementes nicht selten vom Oxidationsstatus (z. B. Cd(III) vs. Cd(VI)) und/oder der Substanzklasse (z. B. organische vs. anorganische Quecksilberverbindungen) geprägt. Die Differenzierung und Quantifizierung der sog. Spurenelementspezies erfolgt in einer Speziationsanalyse.
Erhöhte Zufuhr von Spurenelementen hat eine schädigende Wirkung. Oberhalb einer für jedes Element typischen zugeführten Menge bzw. typischen Konzentration in einzelnen Körperbestandteilen kommt es sowohl bei essenziellen als auch bei nicht essenziellen Spurenelementen zu akuten oder chronischen Vergiftungen. Darüber hinaus entfalten zahlreiche Spurenelemente eine mutagene, kanzerogene und/oder teratogene Wirkung.
Indikationen zur Bestimmung von Spurenelementen sind:
  • Spurenelementmangel (s. Tab.): genetisch bedingte Fehler (Absorption, Transport, Speicherung, Exkretion), unzureichende Zufuhr, unzureichende biochemische Verfügbarkeit, erhöhter Bedarf oder übermäßige Verluste
  • Störungen des Spurenelementgleichgewichts: Transportstörungen, schwere akute Situationen wie Verbrennungen, Polytrauma, Myokardinfarkt, Schock, Stress, schwere Infektionen
  • Intensive Therapieverfahren: Hämodialyse, totale parenterale Ernährung, schwere Operationen
  • Übermäßige Zufuhr und Vergiftungen
  • Kontrolle der Therapie mit Spurenelementen oder spurenelementhaltigen Medikamenten.
Die folgende Tabelle zeigt die Bestimmung ausgewählter Spurenelemente bei Spurenelementmangelerscheinungen:
Indikation
Element
Krankheit/klinische Symptome
Spurenelementmangelkrankheiten
Zn
Zn
Cu
Menke-Syndrom
Fe
Se
Keshan-Krankheit
I
Primärer oder sekundärer Spurenelementmangel
Zn
Appetitlosigkeit, Wachstumshemmung, verminderte Wundheilung
Cu
Pigmentstörungen, Anämie bei Kindern, Schädigung der Arterienwände
Se
Muskeldystrophie, verringerter Schutz gegen Radikale
Cr
Verringerte Glukosetoleranz
Die Ermittlung von Referenzbereichen für Spurenelemente erweist sich häufig als äußerst schwierig, weil vielfältige Faktoren, wie z. B. Luftqualität, Trinkwasser, Bodenqualität, Nahrungsmittel, Ernährungszubereitung und Ernährungsgewohnheiten, die Spurenelementversorgung und damit den individuellen Spurenelementhaushalt gesunder Personen beeinflussen. Zusammenstellungen von Mittelwerten und Bereichen, inklusive 5 %-, 60 %- und 95 %-Perzentilen, für 37 Spurenelemente im Blut Erwachsener aus den Großräumen Aachen, Erkelen und Bremen bzw. 30 Spurenelementen im Urin von Kindern und Erwachsenen aus dem Großraum Bremen finden sich bei Heitland und Köster (2006a, b).
Literatur
Geldmacher-von Mallinckrodt M, Meißner D (1994) General aspects of the role of metals in clinical chemistry. In: Seiler HG, Sigel A, Sigel H (Hrsg) Handbook on metals in clinical and analytical chemistry. Marcel Dekker, New York/Basel/Hong Kong, S 13–29
Heitland P, Köster HD (2006a) Biomonitoring of 37 trace elements in blood samples from inhabitants of northern Germany by ICP-MS. J Trace Elem Med Biol 20:253–262CrossRefPubMed
Heitland P, Köster HD (2006b) Biomonitoring of 30 trace elements in urine of children and adults by ICP-MS. Clin Chim Acta 365:310–318CrossRefPubMed
Rükgauer M (Hrsg) (2003) Signalwirkung von Mineralstoffen und Spurenelementen. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart