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Wir bieten Informationen rund um den Eisenstoffwechsel des Menschen an für Studenten, Ärzte, Patienten. Dieses Projekt steht im Zusammenhang mit unserer langjährigen Arbeit und Erfahrung in der Eisenstoffwechselambulanz des Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf

 "Interdisziplinäre, klinische Gruppe  Eisenstoffwechsel"  Eisenstoffwechselambulanz,  UKE- Haus  N41, Martinistr. 52, 20246 Hamburg Tel. 040-7410-52389;  Fax 040-7410-54797;                                 

Diagnostik bei Eisenüberladung

Die diagnostische Abklärung einer Eisenüberladung geschieht in der Praxis häufig allein durch Messung der bekannten Blutparameter (Serum-Eisen, Transferrin-Fe-Sättigung und Serum-Ferritin). Diese indirekten Parameter erlauben aber keine (Serum-Eisen) bzw eine nur ungenaue Abschätzung. (Serum-Ferritin) der individuell vorliegenden Schweregrades der Eisenüberladung. Neben der Art der betroffenen Zellen (parenchymale oder  makrophageale Eisenspeicherung) ist aber gerade die Größe der Eisenspeicher ein bestimmender Parameter für das klinische Ergebnis bei systemischen Eisenüberladungen, unabhängig davon ob sie durch Bluttransfusionen (wie bei Thalassaemia major, Sichelzell-Anämie, aplastischer oder refraktärer Anämie oder myelodysplastischem Syndrom) oder durch hochregulierte Nahrungseisenabsorption (hereditäre Hämochromatose, Thalassaemia intermedia, „iron-loading-anemias“) verursacht werden. Die genaue Erfassung der Größe der Eisenspeicher ist essentiell für die Behandlung von chronisch transfundierten Patienten mit Eisenchelatoren, um einerseits die Toxizität durch erhöhte Organ-Eisenkonzentrationen und andererseits Nebenwirkungen durch eine Überdosierung des Chelators zu vermeiden (Abb. 1) (1).

Abb. 1  Der Grad der individuell vorliegenden Eisenüberladung, hier angezeigt durch die Leber-Fe-Konzentration ist ein Maß für das Risiko von Komplikationen bei Eisenüberladungserkrankungen. Die Art der Komplikationen wird auch durch die Eisenverteilung (parenchymale oder makrophageale Eisenspeicherung) bestimmt, die bei primärer und sekundärer Eisenüberladung unterschiedlich ist. Die Kurven zeigen typische Werte bei unbehandelten Patienten an.

  Die Eisenspeicher können durch direkte und indirekte Methoden erfasst werden. Die Referenzmethode ist dabei die direkte Messung von nichthäm-Eisen in einer Lebergewebsprobe. Seit der Einführung des Ferritin-Tests (2) sind in neuerer Zeit eine Reihe von weiteren indirekten (nicht-Transferrin gebundenes Eisen, Hepcidin) und nichtinvasiven (Magnetresonanz-Tomographie MRI, Biosuszeptometrie) Methoden zur Bestimmung der Eisenspeicher entwickelt worden (siehe Tabelle 4.1). Viele der indirekten Parameter sind für die quantitative Bestimmung von normalen Eisenspeichern oder zur Abgrenzung des Eisenmangels durchaus geeignet, aber versagen bei Patienten mit Eisenüberladung. Zum Beispiel wurde mittels erschöpfender Aderlassbehandlung (quantitative Phlebotomie) in Normalpersonen die Relation von 8 mg Speichereisen per 1 µg/l Ferritin gefunden (3), die für die Beurteilung einer Eisenüberladung allerdings unbrauchbar ist. 

Tab 1: Indirekte und direkte Parameter in der Diagnostik und Kontrolle der Eisenüberladung.

Nicht-invasive quantitative Eisenmessungen haben in den letzten Jahren zunehmendes Interesse gefunden (1), nachdem zwar mit  molekular-biologischen Methoden die verschiedenen Formen der hereditären Hämochromatose besser differenziert werden können, aber nun auch die große Variabilität der überschüssigen Eisenspeicherung trotz gleicher Genetik bei Patienten sichtbar geworden ist.  Durch die Entwicklung neuartiger Eisenchelatoren (Deferipron, Deferasirox) für die Behandlung sekundärer Eisenüberladungen ist das Interesse für eine genaue Therapiekontrolle zusätzlich angeregt worden (4). In den letzten Jahren ist die Entwicklung von nicht-invasiven Eisenmessungen im Herzen vorangetrieben worden, weil das Risiko für eine Herzeisenüberladung als Ursache von Herzinsuffizienz und Arrhythmien bei Patienten mit b-Thalassämie im Zuge der längeren Lebenserwartung dieser Patienten immer größer wird (5).

Einen zusätzlichen Stimulus erhielt diese Entwicklung durch Fortschritte in der Messtechnik. Die Lebereisen-Suszeptometrie mit SQUID-Biomagnetometern steht als Routine-Methode an verschiedenen Zentren der Welt zur Verfügung (New York, Hamburg, Turin, Oakland, Sao Paulo). Neue hoch-Temperatur basierte Systeme, die weniger technische Expertise erfordern, befinden sich in der Entwicklung und Testung (6). Fortschritte in der Magnetresonanz-Tomographie (MRI-R2) erlauben heute, die Eisenverteilung in einem ganzen Querschnitt der Leber zu erfassen (7). Insbesondere die Anwendung von MRI-GRE-Methoden (Gradient Recalled Echo) zur Erfassung der relativ niedrigen Herzeisenkonzentration (T₂*) haben neue Möglichkeiten in der Behandlung der Transfusionssiderose eröffnet (8).

Indirekte Parameter

Serum-Ferritin als Überwachungsparameter

Trotz der Limitierungen der Serum-Ferritin-Messung (SF) zur Erfassung der Eisenspeicher bei Patienten mit Eisenüberladung (9), hat dieser Parameter seine Berechtigung in der Kontrolle der Eisenspeicher. Assays zur Bestimmung von SF sind weltweit verfügbar, gut standardisiert und aufgrund ihrer Kosteneffektivitat wiederholt in kurzen Zeitabständen einsetzbar. Bei Abwesenheit von Störfaktoren wie Entzündungen, Vitamin C Mangel, oxidativem Stress, Leberfunktionsstörungen, vermehrtem Zelluntergang, etc., wird SF proportional zur Größe der zellulären Eisenspeicher im Plasma angetroffen. Allerdings ist der Zusammenhang zwischen SF und den Eisenspeichern bei Eisenüberladungskrankheiten wie Thalassämie, Sichelzell-Anämie, hereditärer Hämochromatose oder anderen Hämoglobinopathien relativ komplex wie die Abbildung 2 zeigt.

Abb. 2: Serum-Ferritin (SF) und Lebereisenkonzentration (LIC) in Patienten mit b-Thalassaemia major (n = 626; SF/LIC = 1.13, r² = 0.59) und hereditärer Hämochromatose (n = 142; SF/LIC = 0.47, r² = 0.35; quadratische Funktion; SF/LIC² = 1.6·10^-4, r² = 0.54).

Die Korrelation zwischen Serum-Ferritin und Lebereisenkonzentration ist für Patienten mit b-Thalassaemia major und hereditärer Hämochromatose zwar hoch-signifikant, aber als Prediktor für die Größe der Eisenspeicher ist SF ungeeignet (Bestimmtheitsmaß r²: 59 % bzw. 54 %). Der nicht-lineare Zusammenhang für hereditäre Hämochromatosen in Abbildung 4.1 zeigt die einsetzende Leberfibrose und die Auffüllung der RES-Eisenspeicher mit zunehmender Eisenüberladung an. Darüber hinaus ist das Verhältnis SF/LIC für verschiedene Eisenüberladungs-Krankheiten sehr unterschiedlich. Transfusionssiderosen besitzen im Plasma bei gleichen Eisenspeichern relativ höhere Ferritinkonzentrationen als eisenladende Anämien (nicht transfundierte b-Thalassaemia intermedia) und hereditäre Hämochromatosen (10). Dieses krankheits-spezifische Verhältnis SF/LIC sollte bei der semi-quantitativen Einschätzung der Eisenspeicher Beachtung finden.

Dennoch ist über einen kurzen Zeitraum (1-3 Jahre) bei bekanntem individuellen SF/LIC- Verhältnis das Serum-Ferritin ein brauchbarer Verlaufsparameter für die Eisenspeicher solange die Transfusions- und Chelat-Behandlung nicht geändert wird, die Compliance des Patienten gegeben ist und etwaige Störparameter wie Entzündungen (s. o.) berücksichtigt werden. Die Messung der Eisenkonzentration im Serum-Ferritin, von der man anfangs annahm, dass sie die Eisenspeicher ungestörter reflektieren würde, hat sich gegenüber der Messung des Serum- Ferritins als nicht überlegen erwiesen (11).  

Weitere indirekte Parameter (TfS,  NTBI, Hepcidin)

Parameter wie Serum-Eisen oder Transferrin-Eisen-Sättigung (TfS) reagieren sehr empfindlich auf erhöhte Eisenkonzentrationen im Blut,  geben aber keine Information über den Grad der bestehenden Eisenüberladung. Sie haben eine gewisse Berechtigung bei der Diagnostik der hereditären Hämochromatose (Screening-Parameter: TfS > 52%) bzw. bei der Überwachung der Aderlass-Therapie (Monitor-Parameter: 20 < Tfs < 52%) (12). Bei Patienten mit sekundären Siderosen sind sie meist ständig oberhalb der Norm und deshalb diagnostisch eher wertlos.

Früher wurde häufig der Desferal-Urineisen-Exkretionstest zur Bestimmung des Speichereisens eingesetzt, ohne dass er einer kritischen Überprüfung standhielt. Im Hinblick auf  die toxische Wirkung von Eisen könnte dieser Test neues Interesse finden (13).

In Studien wird häufig das nicht-Transferrin-gebundene Eisen im Serum (NTBI) bestimmt, dem eine große Rolle als katalytisch aktive Eisenform in der Pathogenese der Eisenüberladung zugeschrieben wird. Neuerdings kann auch daraus eine evtl. biologisch  aktive Unterfraktion (LPI, labile plasma iron) bestimmt werden. NTBI tritt bei verschiedenen Eisenüberladungserkrankungen, aber auch bei anderen Krankheiten (z.B. Krebsleiden, Z.n. Chemotherapie) auf, immer wenn im Blut die Transferrin-Eisen-Sättigung >  50% erhöht ist. Ein Zusammenhang mit Gesamtspeichereisen besteht offenbar nicht, deswegen hat sich dieser Parameter in der Routinediagnostik nicht durchgesetzt.

Hepcidin spielt offenbar eine zentrale Rolle in der Regulation des Eisenstoffwechsels,  speziell der intestinalen Eisenabsorption. Eine Bestimmung von Hepcidin in Urinproben ist zuverlässig möglich. Es bleibt abzuwarten, ob dieser Parameter diagnostisch bei Patienten mit primärer oder sekundärer Eisenüberladung zukünftig eine Rolle spielen wird.  

Direkte Parameter

Lebereisenquantifizierung

Bei Patienten mit sekundärer Eisenüberladung werden 70 – 90 % des Gesamtspeichereisens in den Hepatozyten und Kupfferzellen  der Leber gespeichert, hauptsächlich als Ferritin- und Hämosiderin-Eisen (9, 15). Effekte einer Eisenentzugstherapie mittels Chelatoren oder Aderlässen werden am stärksten in der Leber angezeigt. Die Bestimmung der Eisenkonzentration in der Leber erfolgt entweder invasiv durch Leberpunktion oder nicht-invasiv durch die Ausnutzung der paramagnetischen Eigenschaften des Speichereisens. Andere nicht-invasive Methoden, die die höhere Elektronendichte der Eisenatome (Z = 26) ausgenutzt haben wie die Röntgen-Computer-Tomographie (16, 17) oder die die Kernenergieniveaus des Eisen-Isotops ⁵⁶Fe angeregt haben wie die Kern-Resonanz-Streuung (18), konnten sich bisher nicht durchgesetzen. Mit Ausnahme der Kern-Resonanz-Streuung sind all diese Methoden nicht- spezifisch für Eisen.

Sowohl die Magnetresonanz-Tomographie (MRI) als auch die Biomagnetische Leber-Suszeptometrie (BLS) basieren auf den paramagnetischen Eigenschaften des Speichereisens, und für beide gelten die gleichen physikalischen (magnetisches Dipolmoment) und mathematischen Grundkonzepte. Die magnetischen Dipolmomente, sowohl die der Protonen bei MRI bzw. die der Eisenatome (Ferritin, Hämosiderin) bei BLS, erfahren in einem angelegten Magnetfeld eine Ausrichtung, die durch thermische Bewegung gestört wird, sodass nur eine kleine feldinduzierte Fraktion von Dipolmomenten letztlich das für die Diagnostik nutzbare Signal erzeugt. Die Summe aller magnetischen Dipolmomente Sm_i in einem Volumenelement dV erzeugt die Magnetisierung M, wobei diese für dia- und paramagnetische Materie (biologisches Gewebe) proportional dessen magnetischer Suszeptibiltät (Materialkonstante) c und dem externen Magnetfeld B_f ist (Gleichung 4.1).

(4.1)                Sm_i / dV = M ~ c B_f              (magnetische Suszeptibilität)                  

Die Änderung des magnetischen Flusses DF wird in einer Detektorspule, die in einem Volumenelement dV ein virtuelles Magnetfeld B_d erzeugt, entweder als Radiowellen-Signal (MRI) bzw. als Spannungsänderung (BLS) angezeigt (19).

4.2)              DF = ∫ M(r)•B_d dV                 (magnetisches Flussintegral für MRI und BLS)

 4.2.1. Quantitative Eisenbestimmung mittels Leberbiopsie

Seit der Durchführung der ersten Leberbiopsie durch Paul Ehrlich (1883), der massenhaften Anwendung während und nach dem 2. Weltkrieg im Zusammenhang mit Hepatitis-Infektionen, haben verschiedene Leberbiopsie-Methoden Eingang in die klinische Routine gefunden (20). Die häufigsten Komplikationen sind Blutdruckabfall aufgrund von Blutungen (21) und Schmerzen in ca. 30% der Patienten (22).

Inwieweit die Messung der Eisenkonzentration in einer Leberbiopsie als Referenzmethode für die genaue und repräsentative Bestimmung der Eisenspeicher gelten kann, ist ein immer wieder diskutiertes Problem. Es herrscht jedoch Einigkeit darüber, dass ein Mindestgewicht von ca. 4 mg Feuchtgewicht bzw. 1 mg Trockengewicht für eine quantitative Bestimmung nicht unterschritten werden sollte (23). Außerdem sollte die Eisenverteilung in der Leber homogen sein, was bei Eisenüberladungskrankheiten nicht immer gegeben ist (24).

In eisenüberladenen Patienten ohne Lebererkrankung haben Barry und Sherlock (25) eine gute Übereinstimmung (Variationskoeffizient VK = 7.1 %) zwischen zwei Leberbiopsien aus voneinander entfernten Leberregionen erhalten, allerdings bei einem durchschnittlichen Trockengewicht von 10 mg. Unter heutigen Bedingungen wurde in Patienten mit b-Thalassaemia major und Sichelzell-Anämie mit einer Bajonett-Biopsienadel (mittleres Trockengewicht 0,94 mg) eine ebenso gute Übereinstimmung gefunden wie die Abbildung 3 zeigt (26), wobei allerdings auch Unterschiede von bis zu 30% gefunden wurden. 

Abb. 3:  Relative Abweichung der Eisenbestimmung (Altman-Bland Plot) zwischen 2 in Paraffin eingebetteten Biopsien aus der gleichen Leberregion (VK 7.6 %) (34). 

Solange die Eisenbestimmung aus einer Leberbiopsie nur in einem Labor und mit der gleichen Biopsie-Technik (Menghini, True-Cut, etc.) erfolgt, kann diese in vitro Methode abgesehen von Problemen der Eisenverteilung als Referenz-Methode angesehen werden (26). Beim Vergleich mit in vivo Methoden, die LIC per se im nativen feuchten Zustand messen und wie MRI meistens gegen LIC per Trockengewicht kalibriert werden, können Unterschiede im Feucht-zu-Trockengewichts-Verhältnis für LIC-Variationen von im Mittel 20% hinzukommen. Der lange Zeit unkritisch übernommene Konversionsfaktor von 3.33 für die Lebereisen-Konzentration und die daraus abgeleiteten empfohlenen LIC-Bereiche (27) für die Therapie von Thalassämie-Patienten lassen sich so nicht länger aufrechterhalten, wie eine neuere Untersuchung an Autopsie-Lebern (28) und schon frühere Studien gezeigt haben (26, 29). Tabelle 4.2 zeigt für verschiedene Leberbiopsie-Prozeduren (Feuchtgewichts-Bestimmung, Trockengewichts-Bestimmung, Paraffin-Block) die aktuellen Konversions-Faktoren und die sich daraus ergebenden neuen Empfehlungs-Bereiche für die Lebereisen-Konzentration (29).

Tab. 2: Empfohlene optimale Lebereisen-Konzentrationen (LIC = 18 - 38 µmol/g_{wet weight}) für die Behandlung von transfundierten Thalassämie-Patienten (27). Konversionsfaktoren (28) beziehen sich auf in vivo LIC und sind für LIC aus in Paraffin eingebetteten Biopsien (paraffin block PB) und aus Frisch-Gewebe (fresh tissue FT) angegeben. Der weithin übernommene Feucht-zu-Trockengewichts-Faktor von 3.33 (27) basiert auf dem Wassergehalt von 70% der normalen Autopsie-Leber und stellt einen unteren Wert dar.

Neben der physikalisch-chemischen Bestimmung der Eisenkonzentration kann die Eisenverteilung in einem histologischen Schnitt der Leber nach Anfärbung auch semi-quantitativ beurteilt werden. Als weitgehend standardisierte Methode ist das Beurteilungs-Schema von Deugnier (31) anzusehen, das den Grad der Eisenablagerung in Hepatozyten und Kupffer-Zellen auf einer Skala von 0 bis 60 (total iron score TIS) bewertet. 

Die quantitative Phlebotomie wird bei Patienten mit hereditärer Hämochromatose seit langem zur Erfassung des Gesamtspeichereisens eingesetzt. Eine Schwierigkeit ist dabei die Bestimmung der relativ hohen Absorptionsrate aus Nahrungseisen, die besonders gegen Ende der Aderlasstherapie-Serie Eisen-Absorptionsraten von bis zu 10 mg/d und mehr annehmen kann. Dieses Modell eignet sich aber auch dazu, um nicht-invasive Methoden zu validieren, wie der nachgewiesene lineare Zusammenhang zwischen durch Aderlässe mobilisierter Eisenmenge und der mittels SQUID-Biosuszeptometrie bestimmten Lebereisenkonzentration gezeigt hat (6).

Die Kenntnis der Lebereisen-Konzentration erlaubt auch eine Abschätzung des Speichereisens wie Studien mit erschöpfenden quantitativen Phlebotomien gezeigt haben. In b-Thalassämie-Patienten nach Knochenmarks-Transplantation wurde die Relation (Gleichung 4.3) zwischen dem durch erschöpfende Phlebotomien bestimmten Ganzkörper-Speichereisen (total body iron TBI [mg Fe]) und der gemessenen Lebereisen-Konzentration (LIC [mg/g_{dry wgt}]) von in Paraffin eingebetteten Biopsien unter Berücksichtigung des Körpergewichts (body weight BW [kg]) erhalten (32).

(4.3)                TBI = 10.6 · LIC_{dry wgt} · BW              (Ganzkörper-Speichereisen)

Inwieweit sich diese Relation auf Patienten mit Eisenüberladung aufgrund akuter Bluttransfusionen übertragen lässt, bleibt dahingestellt.

Biomagnetische Lebersuszeptometrie                                                                                   Die Möglichkeit, die magnetische in-vivo Suszeptometrie zur Messung des Lebereisens auszunutzen, wurde erstmalig von Bauman & Harris (33) an eisenüberladenen Ratten aufgezeigt. Allerdings waren die technischen Voraussetzungen zu der Zeit noch unzureichend. Ausreichend empfindliche SQUID-Magnetometer (SQUID = Superconducting QUantum Interference Device) basierend auf dem quantenmechanischen Josephson Effekt wurden erst später entwickelt. Im Falle der Biomagnetischen Leber-Suszeptometrie (BLS) ist die Magnetisierung in Gleichung 4.3 direkt proportional zum angelegten Feld B_f und zur magnetischen Suszeptibilität aller Atome pro Volumenelement, wobei eine mikroskopische Heterogenität der Atome keinen Einfluss auf den Wert von c hat. Daraus ergibt sich das Suszeptometrie-Signal durch Integration über alle Volumenelemente dV im Abstand r von der Detektorspule als

(4.4)                DF = ∫ c(r) B_f(r)•B_d(r) dV              (Suszeptometrie-Signal)

In der praktischen Realisierung der BLS wird meistens die Differenz-Methode benutzt (siehe Abbildung 4.4). Dabei wird die Änderung der magnetischen Volumensuszeptibilität Dc zwischen Thorax und dem Referenzmedium Wasser gemessen (34).

Abb. 4:  Differenz-Methode zur Messung der Lebereisenkonzentration: Der Patient wird im Magnetfeld der Startposition (links, 20-30 milliTesla) um ca. 5 – 10 cm (rechts, ca. 1 milliTesla) senkrecht nach unten bewegt. Während dieses vertikalen Scans folgt die Wasserkopplungs-Membran dem Patienten und die Änderung des magnetischen Flusses wird als Funktion des Abstandes in den Detektorspulen und SQUIDs gemessen.

Die Änderung der magnetischen Volumensuszeptibilität Dc wird durch das paramagnetische Ferritin- und Hämosiderin-Eisen (c_Fe = 1600·10^-6) und das Referenzmedium (Wasser) bestimmt, wobei die diamagnetischen Eigenschaften von biologischem Körper-Gewebe und Wasser näherungsweise gleichgesetzt werden können (c = -9·10^-6) und um 3 Größenordnungen  vom Ferritin-/Hämosiderin-Eisen übertroffen werden. In erster Näherung kann daraus die Lebereisenkonzentration (LIC) bestimmt werden (6).

(4.5)                LIC = Dc / c_Fe            (spezifische magnetische Ferritin-Suszeptibilität)

Erstmalig wurde diese Methode gegen die Eisenkonzentrationen in Leberbiopsien von Patienten mit hereditärer Hämochromatose validiert (35). Wie die Gleichungen 4.4 und 4.5 zeigen, ist keine Kalibrierung gegen Leberbiopsien notwendig. Es erfolgt lediglich eine physikalische Kalibrierung gegen ein Objekt mit bekannter magnetischer Suszeptibilität und definierter Geometrie (36). Insofern ist die BLS eine streng mathematisch-physikalische Methode, wobei das Flussintegral für den der Verlauf des Mess-Signals (Gleichung 4.4) gegen den Abstand genau berechnet werden kann.

Allerdings musste auch diese Methode mit biologischen Modellen (Eisenbestimmung in Leberbiopsien, quantitative Phlebotomie) validiert werden (6, 35, 37). Diese Validierung ergab an 38 Patienten mit hereditärer Hämochromatose (und Thalassämien) einen streng linearen Zusammenhang (r² = 0.98) mit der Eisenbestimmung  in Feuchtgewichts-Biopsien (Atomabsorptions-Spektroskopie) im Bereich von 30 bis 5000 µg/g_{wet weight} mit einem Regressionskoeffizienten von 1.00 ± 0.03, der damit die Richtigkeit der spezifischen magnetischen Suszeptibilität des Hämosiderin-/Ferritin-Eisenkomplexes anzeigt (Gleichung 4.4).

Da bei Patienten mit Transfusions-Siderose 70 – 90% des Ganzkörper-Speichereisen in der Leber gespeichert sind (15), lässt sich durch zusätzliche Messung des Lebervolumens das gesamte Lebereisen (u. U. zusätzlich das Milzeisen) bestimmen. Unter der Annahme, dass das Leber- und Milzeisen 80% des Speichereisens darstellt, kann daraus das Ganzkörper-Speichereisen (total body iron TBI) berechnet werden (9). In Abbildung 5 ist dies für eine typische Biosuszeptometrie-Indikation, die Messung der Eisenspeicher vor und nach Knochenmark-Transplantation, dargestellt.

Abb. 5:  Überwachung und Kontrolle der Eisenparameter in einem Patienten mit ß-Thalassaemia major vor und nach Knochenmark-Transplantation (KMT). Der Verlauf des Eisenspeicherung wird gut durch die nichtinvasiven Messungen des Lebereisens (BLS) widergegeben.

Quantitative Magnetresonanz-Tomographie der Leber

Gemäß Gleichung 4.2 wird die Größe des resonanten Radiowellensignals der Protonen (65.2 MHz bei 1.5 Tesla) in der Detektorspule eines MRI-Geräts von der Kern-Magnetisierung M(r) aller Protonen im jeweiligen Volumenelement dV des Körpers, der Detektor-Konfiguration und dem Abstand r zur Detektorspule bestimmt. Anders als bei der Suszeptometrie gibt es jedoch nach heutigem Kenntnisstand keine befriedigende quantitative Theorie  für die Wechselwirkung von Eisenatomen mit der Kernmagnetisierung der Protonen (38). und für die daraus resultierende longitudinale und transversale Relaxation (R₁ = 1/T₁ und R₂ = 1/T₂). Darüber hinaus wird die Wechselwirkung der Protonen mit einem magnetischen Zentrum von einer Reihe von Parametern beeinflusst wie der Zahl der Protonen-Liganden, ihrer Beweglichkeit (correlation time), der Größe der Ferritin- und Hämosiderin-Molekül-Cluster, unterschiedliche Protonen-Pools, etc. Diese komplexen Zusammenhänge eröffnen andererseits auch die Möglichkeit zusätzliche Informationen über Hämosiderin- und Ferritin-Eisenverteilung zu erhalten (39). Die eisen-spezifische in vivo MR-Tomographie von ⁵⁷Fe ist wegen der sehr kleinen Sensitivität (¹H : ⁵⁷Fe = 1 : 10^-5) und der z. Zt. erreichbaren Magnetfeldstärken nicht möglich.

Trotz aller Komplexität bietet die quantitative MRI-Eisenbestimmung auch eine Reihe von Vorteilen, wenn die nötige Expertise vorhanden ist. Diese beruhen hauptsächlich auf der 3-dimensionalen Lokalisation (Bildgebung) und der Erfassung von tiefliegenden Organregionen. Seit Mitte der 90er Jahre haben sich verschiedene MRI-Methoden zur Erfassung des Lebereisens herauskristallisiert, die laufend eine Verbesserung durch homogenere Magnetfelder und kürzere Echozeiten erfahren haben. Es soll hier nur auf die Single-Spin-Echo Methode (SSE) zur Bestimmung der transversalen Relaxationszeit T₂ eingegangen werden (40-42), die  heute als anerkanntes quantitatives Verfahren zur Lebereisenbestimmung und seiner 2-dimensionalen Verteilung (liver iron imaging) mit standardisiertem Messprotokoll und zentraler Analyse (Ferriscan^®) weltweit zur Verfügung steht (43).

Bei dem Spin-Echo Verfahren klingen die in der Detektorspule empfangenen Radiowellen-Signal-Intensitäten SI der Echos, die durch Anregungsimpulse im Abstand einer gewählten Echozeit T_E erzeugt werden, exponentiell mit der transversalen oder Spin-Spin-Relaxationszeit T₂ ab. In erster Näherung gilt die Gleichung 4.4 mit den neben T₂ zu bestimmenden Signalintensitäten SI bei T_E = 0 und bei T_E → ∞.

(4.4)    SI (T_E) = SI_o · EXP(-T_E/T₂) + SI_∞                 (transversale Relaxation)

Bei der SSE-Methode wird nur das qualitativ beste 1. Echo registriert und die Echozeit wird variiert. Die Funktion 4.4 wird an die resultierenden Signal-Intensitäten angepasst. Bei Vorhandensein von mehreren Protonenpools mit unterschiedlichem Relaxationsverhalten muss die mono-exponentielle Funktion 4.4 zu einer bi- oder multi-exponentiellen Funktion erweitert werden (43). Ob ein bi-exponentielles Modell für die Leber wirklich bessere Resultate liefert oder angesichts der verwendeten Echozeiten und dem z. Zt. erreichbaren Signal-Rausch-Verhältnis der MRI-Tomographen überstrapaziert zu sein scheint, müssen zukünftige Forschungen zeigen (44).

Abb. 6:  Eisenverteilung in einer 5 mm Leberschicht eines Patienten mit HbE/b-Thalassämie (29 y, HCV+) (1.5 T Philips Intera Gyroscan®, CHRCO-Oakland, USA) mit einer durchschnittlichen Lebereisen-Konzentration von 18.6 mg/g_{dry wgt} (Ferriscan®). Die transversale Relaxation R₂ pro Volumenelement und somit die Eisenverteilung variiert von 6.0 mg/g_{dry wgt} (rot: R₂ ≥  92 s^-1) bis 30.5 mg/g_{dry wgt} (gelb: R₂ 280 ≤  s^-1).

In Abbildung 6 ist die SSE-Methode mittels Ferriscan^®-Analyse (43) exemplarisch für einen transfundierten Patienten mit HbE/b-Thalassämie gezeigt, bei dem aufgrund klinischer Daten (Ferritin: 6600 µg/l, ALT: 200 U/l, Transfusion: 100 ml/kg/Jahr Deferoxamin-Chelatordosis: 10 mg/kg/d) der Verdacht bestand, dass das Lebereisen durch SQUID-BLS (LIC ≈ 11.3 mg/g_{dry wgt}) unterrepräsentiert würde. Die exponentielle Modell-Funktion zur Ermittlung der transversalen Relaxationen R₂ wird an die gemittelten Signalintensitäten pro Volumenelement (ca. 10 mm³) in Abhängigkeit von den Echozeiten angepasst (A1 ... An). Daraus wird dann für eine repräsentative Leberschicht das R₂-Bild berechnet und dargestellt (B). Aus dem R₂-Histogramm (C) wird dann mittels nicht-linearer Kalibrierkurve (D), die zuvor aus den gefriergetrockneten Leberbiopsien von 105 Patienten mit b-Thalassämie, hereditärer Hämochromatose und von HCV infizierten Patienten erstellt worden ist (43),  die mittlere Lebereisenkonzentration berechnet.

Herzeisenquantifizierung

Auch wenn die Hauptmenge an Eisen bei Eisenüberladungs-Krankheiten in der Leber akkumuliert wird, kann es auch in anderen Organen zu kritischen Eisenkonzentrationen kommen, was klinisch viel größere Beedeutng haben kann.. Insbesondere bei Transfusions-Siderosen sind lebensbedrohliche Kardiomyopathien und Herzrhythmusstörungen mit einer Eisenüberladung des Herzens in Verbindung gebracht worden (45), während Herzprobleme bei hereditärer Hämochromatose eher selten vorkommen (46). In einer der repräsentativsten Studien zum Überleben von 1146 Patienten mit b-Thalassaemia major, die zwischen 1960 und 1987 geboren worden sind, wurde Herzversagen als häufigste Todesursache (60 %) gefunden (5) (vergl. Kap. 6 und 7). Diese Überlebensstudien und die Erfolge der Intensiv-Chelatorbehandlung bei Herzproblemen führten zu der Vorstellung, dass Patienten mit optimalen Eisenspeichern und an die Bluttransfusions-Rate angepasstem Chelator-Regime ein geringes Risiko für Herzprobleme zu erwarten hätten (27).

In den letzten Jahren wurden jedoch neuere Befunde erhoben, die bei ß-Thalassaemia major  keinen Zusammenhang zwischen der Häufigkeit von Herzproblemen und erhöhten Eisenspeicher-Parametern wie Ferritin und Lebereisenkonzentration aufzeigen. Mit einer neuen MRI-T₂*-Methode wurde diese scheinbar paradoxe Situation direkt bestätigt, indem kurze T₂*-Relaxationszeiten (mehr Eisen) auch im Herzen von gut chelierten Patienten mit niedrigem LIC gefunden wurden (8). Im Gegensatz dazu wurde in Studien an MDS-Patienten mit mehr klassischen MRI-Methoden (spin-echo T₂, SIR = signal intensity ratio) eine signifikante Korrelation zwischen MRI-Parametern im Herzen und LIC bzw. Ferritin gefunden (47).

Aktuell finden quantitative MRI-T₂*-Herz-Messungen im Zusammenhang mit der klinischen Testung von neuen oralen Eisenchelatoren (Deferipron, Deferasirox) oder Chelator-Kombinationen (Deferoxamin & Deferipron) große Beachtung, da es möglicherweise  Unterschiede in der Effizienz von verschiedenen Chelatoren gibt, das klinisch offenbar bedeutsame Speichereisen im Herzen zu  entfernen (48, 49).  

Autopsie- und Endokard-Biopsie

Im Gegensatz zur Leber wird die direkte physikalisch-chemische Bestimmung der Herzeisen-Konzentration (HIC = heart iron concentration) in einer Katheter-Biopsie eher selten durchgeführt und ist wegen der Inhomogenität der Eisenverteilung im Myokard-Gewebe auch nicht repräsentativ für das gesamte Herzeisen (50, 51). 

In Autopsie-Herzen mit signifikanter histologischer Eisenfärbung haben Buja und Roberts (52) HIC-Werte zwischen 160 und 1470 µg-Fe/g_{wet weigt} gefunden. Von Interesse für nicht-invasive Methoden dürfte auch das relativ hohe Feucht-zu-Trockengewichts-Verhältnis von 6.5 ± 0.6 sein. Alle Patienten mit HIC > 600 µg-Fe/g_{wet weigt} von mehr als 23 g transfundierten Eisen hatten eine Herzinsuffizienz entwickelt. Außerdem wurde ein Eisengradient im Myokard mit mehr Eisen im Epikard beobachtet.  In Autopsie-Herzen von Patienten mit hereditärer Hämochromatose wurden HIC-Werte > 500 µg-Fe/g_{wet weigt} (normal: 20 - 125µg-Fe/g_{wet weigt}) im gesamten links-ventrikulären Herzmuskel und im Septum gefunden (53). In einer anderen Autopsie-Studie in Patienten mit HbE/b-Thalassämie, die an kardialer Hypertrophie litten, waren in Histologie-Schnitten nur leichte Eisenfärbungen sichtbar (54).

Quantitative Magnetresonanz-Tomographie des Herzens

Von allen nicht-invasiven Methoden zur Messung des Herzeisens erscheint zur Zeit die Magnetresonanz-Tomographie am vielversprechendsten zu sein (47). Insbesondere ist die MRI-T₂*-Methode für die Messung der vergleichsweise niedrigen Herzeisen-Konzentration (s. Kap. 4.3.1) sensitiver als die mehr klassischen MRI-Methoden (T₂, SIR). Die transversale „magnetische“ Relaxation R₂* = 1/T₂* kennzeichnet den Zerfall der Protonenresonanz in der Umgebung lokaler Magnetfelder (Suszeptibilitäts-Effekte). Sie ist in erster Näherung der Summeneffekt aus der transversalen Relaxation 1/T₂, die die Wechselwirkung mit den Kernspins der Nachbarprotonen kennzeichnet, und der Wechselwirkung mit den umgebenden Magnetfeld-Inhomogenitäten (nicht-rephasierende technische Eigenschaften und/oder lokale magnetische Momente von Nachbaratomen) (Gleichung 4.5) (19).

(4.5)                R₂* = 1/T₂* = 1/T₂ + 1/T’(transversale „magnetische“ Relaxationszeit T₂*)

Um die relativ kleinen magnetischen Suszeptibilitätseffekte der Nachbaratome genügend präzise zu messen (T₂* < T₂), erfordert diese Methode allerdings sehr homogene Magnetfelder ≥ 1.5 Tesla im Beobachtungsfenster, kurze Echozeiten (T_E < 3 ms) und die Lokalisation einer optimalen Messschicht. Wegen der dynamisch-komplexen Herzgeometrie ist die Methode aber auch anfällig für Artefakte insbesondere bei niedrigen Eisenkonzentrationen (55).    

Inzwischen hat sich die Messung von T₂* mittels Multi-Echo-Methode in einem Atemintervall als Standard für die Herzeisenbestimmung herauskristallisiert (56). Abbildung 7 zeigt dies am Beispiel einer transfundierten Patientin mit b-Thalassaemia major, deren Lebereisenkonzentration in den letzten 10 Jahren durch entsprechende Chelatordosis-Anpassung auf einem optimalen Wert von ca. 1000 µg/g_Leber gehalten werden konnte. Allerdings zeigte die Patientin bei normalen echokardiographischen Befunden in den letzten 2 Jahren gelegentlich Extrasystolen im EKG. Bei der Messung von T₂* kommt es zunächst auf eine genaue Lokalisation einer Schicht durch die kurze Herzachse in Höhe der Mitte des Papillar-Muskels an (s. Abbildung 4.6). Wegen der Suszeptibilitäts-Artefakte durch Lunge, Leber und Milz sollte man sich bei der Auswertung der Signal-Intensitäten auf das Septum beschränken (55).

Eine Kalibrierung von Herzeisen-Messungen mittels MRI durch eine quantitative physikalisch-chemische Eisenbestimmung im Herzgewebe steht noch aus. Im Tierexperiment ist dies für T₂ und T₂* (57) geschehen. An Patienten mit Eisenüberladung des Herzens konnte das bisher nur histologisch semiquantitativ mittels Endokard-Biopsien für T₂ (58) gezeigt werden. An einem Autopsie-Herzen (59) eines Thalassämie-Patienten wurde in einer Myokard-Biopsie des Septums eine Eisenkonzentration von 4.5 mg/g dry weight (ca. 700 µg/gwet wgt) bei einem T₂* von 6.9 ms gemessen werden, was mit der Kalibrierung aus dem Tierexperiment relativ gut übereinstimmt.

Eine direktere Bestimmung der Herzeisen-Konzentration ohne die Notwendigkeit einer Kalibrierung mittels chemisch-physikalischer Eisenmessung in Gewebeproben könnte zukünftig durch die kardio-magnetische Suszeptibilitäts-Messung mit MRI erfolgen (60).  

Magnetresonanz-Tomographie von anderen Organen und Geweben

Die fehlende Korrelation der Leber- mit der Herzeisen-Konzentration hat gezeigt, dass die Messung des Lebereisens als alleiniger Indikator für die Erfassung des Komplikationsrisikos durch Eisenüberladung nicht ausreicht. Es kann in bestimmten Organen und Drüsengeweben durch zwar kleine Eisenmengen zu einer kritischen organ-spezifischen Eisenkonzentration kommen.

Milz

Die Milz kann bei transfundierten Patienten, infolge einer vergrößerten Milz, signifikante Eisenmengen speichern. Im Durchschnitt ist die Milzeisenkonzentration niedriger als die Lebereisenkonzentration (9), kann aber bei einzelnen Patienten erheblich sein, sodass Änderungen in der Chelatordosis sich in der Leber erst verspätet zeigen. Die Messung der Milzeisenkonzentration ist für Milzvolumina ≥ 400 ml mittels SQUID-Biosuszeptometrie möglich und kann die Langzeit-Compliance mit der Chelator-Therapie anzeigen (61).

Hirnanhangsdrüse

 Die vordere Hypophyse scheint am sensitivsten auf frühe toxische Effekte der Eisenüberladung zu reagieren. Dies steht im Zusammenhang mit der Beobachtung das 55% der nach 1970 geborenen Thalassämie-Patienten des italienischen Thalassämie-Registers einen Hypogonadismus zeigen (5). Die quantitative Messung von Eisen mittels MRI in der relativ kleinen vorderen Hypophyse (200 ± 100 mm³) gestaltet sich als schwierig. Inwieweit sich die Eisenüberladung der Hypophyse aus der Messung von Ferritin oder dem Lebereisen ableiten lässt, ist eine noch offene Frage, da die bisher eingesetzten MRI-Methoden (SIR) eher als semi-quantitativ bezeichnet werden müssen (62). Ebenso ist der Zusammenhang zwischen Hypophysen-Funktion (gemessen mit dem Gonadotropin-Test) und einer Eisenüberladung (gemessen mit MRI-T₂) nicht eindeutig gezeigt (63).  

Bauchspeicheldrüse

Eine bei Eisenüberladung häufig anzutreffende Komplikation ist die Glucose-Intoleranz bzw. ein Diabetes mellitus Typ 2, sowohl bei hereditärer Hämochromatose als auch bei ß-Thalassaemia major (5, 46). Die Pathogenese des Diabetes im Zusammenhang mit einer Siderose ist nicht wirklich verstanden (45, 64). Die Eisenüberladung in der Bauchspeicheldrüse führt zu oxidativem Stress in den Beta-Zellen gefolgt von Zelltod und Glucose-Intoleranz, wobei dieses Szenario allein nicht einen Diabetes zu verursachen scheint (65).

In Patienten mit ß-Thalassamia major wurde mit MRI-T₂* ein signifikant höheres Pankreas-zu-Fett SignalVerhältnis  als in Normal-Personen gemessen, wobei dieses reziprok mit der Serum-Trypsin-Konzentration korrelierte, was die Autoren mit progressiver Fetteinlagerung als Folge der Beta-Zell-Apoptose erklären (66). Signifikante Unterschiede zwischen b-Thalassämie-Patienten mit und ohne Diabetes sind in der Bauchspeicheldrüse mit MRI-T₁–SIR gefunden worden, obgleich diese Ergebnisse durch das Problem der Fetteinlagerung bei progressiver Pankreasinsuffizienz beeinträchtigt sind.  

Andere Drüsen und Gewebe

 Die Eiseneinlagerung in andere Organe und Gewebe (Gonaden, Schilddrüse, Gehirn, Niere, Lunge) ist bisher wenig untersucht, wobei den Eisenspeichern im Gehirn bei Sichelzell-Anämien und auch hinsichtlich anderer Krankheiten (Parkinson, Alzheimer) eine besondere Bedeutung zukommt. Eine interessante neuere Methode stellt die Messung der magnetischen Suszeptibilität mit MRI (60) in spezifischen Hirnarealen dar, insbesondere das SWI (= susceptibility weighted imaging), das neben den üblichen Intensitäts-Bildern auch die Phasen-Bilder auswertet (67). Die Validierung dieser Methoden wird, wie bei der SQUID Biomagnetischen Leber-Suszeptometrie geschehen, ungleich schwieriger werden.

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