Die faszinierende Geschichte des frühesten Blutmarkers für Myokardinfarkte

Das fabelhafte FABP

von Prof. Dr. Reinhard Renneberg, Prof. Dr. Jan F.C. Glatz

Das Fettsäure bindende Protein (fatty acid-binding protein, FABP) wurde erstmals als Blutmarker für die Diagnose eines akuten Myokardinfarkts 1988 vorgeschlagen. FABP spielt heute eine wichtige Rolle für die Diagnose von Patienten mit Brustschmerz, besonders in den frühen Stunden nach Einsetzen der Symptome. Die routinemäßige Anwendung von FABP wird nicht nur das klinische Ergebnis der Patienten verbessern, sondern auch deutlich die Kosten senken in Fällen, in denen ein Infarkt ausgeschlossen werden kann. Dieser Artikel beschreibt die 25 Jahre der faszinierenden Geschichte von der Entdeckung des FABP bis zur kommerziellen Anwendung.

„Zeit rettet Herzmuskel”

Verdacht auf einen Herzinfarkt? Eine schnelle Auswahl der Patienten mit Brustschmerz ist notwendig, um positiv Getestete sofort geeignet zu therapieren. Ein akuter Myokardinfarkt (AMI) entsteht durch die Blockade einer oder mehrerer koronarer Arterien. Dies führt zu einer mangelnden Sauerstoffversorgung und letztlich zu einer Dysfunktion des betroffenen Herzbereiches. Je früher die Arterien wieder geöffnet werden können – durch eine Thrombolysetherapie oder Ballonkatheter – desto weniger Herzmuskel stirbt und desto besser kann die Herzleistung aufrechterhalten werden („Zeit rettet Muskel“). Allerdings ist eine schnelle Entscheidung ebenso wichtig, um Patienten mit geringem Risiko auszuschließen, die dann sicher nach Hause geschickt werden können. Das trägt nicht nur zu einer ordnungsgemäßen Versorgung der Patienten bei, sondern vermindert auch deutlich Kosten für das Gesundheitswesen.

AMI-Marker

Biochemische Blutmarker für Myokardschäden sind seit Jahren als primäres Hilfsmittel für AMIDiagnosen akzeptiert. Zu diesen Markern gehören das Creatin kinaseIso enzym MB (CKMB) und die Troponine. Der Vorteil dieser Marker ist, dass die Erhöhung ihrer Blutkonzentration zusammen mit den typischen Beschwerden des Patienten einen AMI nahezu vollständig nachweist. Auch Veränderungen im Elektrokardiogramm (typischerweise die STStreckenHebung) können nach einem AMI sichtbar sein. Etwa 25 % der Patienten haben jedoch keine solchen Veränderungen, sodass dieser Parameter allein nicht für eine endgültige Diagnose verwendet werden kann. Diese biochemischen Marker haben jedoch den Nachteil, dass nach einem AMI ihre Blutkonzentration erst etwa 4 (CKMB) oder 4 – 6 h (bei Troponinen) nach Einsetzen der Symptome ansteigt. Dadurch verzögert sich die endgültige Diagnose einer signifikanten Anzahl von Patienten mit Brustschmerz und das, obwohl obwohl die Schnelligkeit in den ersten Stunden nach Beginn der AMISymptome entscheidet. Der ideale biochemische Marker für AMI muss also sehr viel schneller als bisher nach einer Herzschädigung im Blut nachgewiesen werden. Sowohl bei Myoglobin als auch bei dem Fettsäure bindenden Protein (FABP) erhöhen sich die Konzentrationen im Blut inner halb von 2 h nach dem Einsetzen der Symptome. Klinische Studien haben gezeigt, dass FABP spezifischer ist als Myoglobin. Das macht FABP zum bevorzugten Blutmarker für die Früherkennung oder den Ausschluss eines AMI.

Die Entdeckung des „smarten Zwerges“

Das zytoplasmatische Protein FABP ist ein intrazellulärer Fettsäuretransporter in Parenchymzellen und liefert damit die wesentlichen Substrate für die Energieproduktion in Myozyten. Es umfasst etwa 1 – 2% der kardialen zytosolischen Proteine und ist damit einer der am häufigsten vorkommenden zytosolischen Proteine. Das sind sehr gute Kriterien für einen potenziellen Biomarker. 1988 schlug Jan Glatz das FABP als Blutbiomarker vor [1]. Er untersuchte damals die biologische Funktion von FABP beim Transport von langkettigen Fettsäuren durch das zelluläre Zytoplasma. Während seiner Experimente an isolierten Rattenherzen mit Ischämien und Reperfusionen bemerkte Glatz, dass FABP von den beschädigten Muskelzellen in den Perfusionsbuffer abgegeben wird. Diese zufällige Erkenntnis brachte ihn dazu, FABP als potenziell überlegenen Marker für Myokardschäden beim Menschen vorzuschlagen. Er argumentierte, dass eine schnelle Freisetzung erheblicher Mengen an FABP wegen seiner relativ geringe Größe (14,5 kDa) und der Tatsache, dass es massiv im Herzen vorkommt, aus dem verletzten Herzmuskel in den Kreislauf möglich ist. Experimentelle Studien haben später gezeigt, dass diese An nahmen in der Tat absolut richtig waren.

Biochemische AMI-Marker im Vergleich

In der Tabelle sind die Eigenschaften von Proteinen zusammengefasst, die als Blutbiomarker für AMI dienen können. FABP ist demnach im Unterschied zu den anderen Markerproteinen bereits innerhalb von 1 – 2 h nach Myokardschädigung im Plasma nachweisbar. Einige Untersuchungen zeigten sogar eine Erhöhung im Blut bereits 30 min nach Einsetzen des AMI. Obwohl es als HerzTypFABP bezeichnet wird, ist dieses Protein – im Gegensatz zu CKMB und Troponin – nicht nur herzspezifisch, sondern kommt – allerdings nur in sehr geringen Mengen – auch in der Skelettmuskulatur vor. Höchstwerte für FABP werden nach 6 – 8 h erreicht. Der Blutplasmaspiegel ist dann durch schnelle Eliminierung des FABP über die Nieren innerhalb von 24 – 36 h wieder normal. Der Vorteil des FABP: Die schnelle renale Aussscheidung hält die normale BlutPlasmaReferenzkonzentration sehr gering. Bei der Abgabe des FABPs aus dem Herzmuskel nach einem AMI wird deshalb der obere Referenzwert rasch überschritten. Dies ermöglicht eine sehr frühe Diagnose. Im Gegensatz zu diesem ‚ZwergProtein“ sind alle anderen Markerproteine (mit Ausnahme des kleinen Muskelmoleküls Myoglobin) größer als FABP: Troponin I (Tnl) ist 1,5mal größer, Troponin T (TnT) ist 3mal und CKMB ist 5mal größer. Myoglobin hat den Nachteil, dass es häufiger im Skelettmuskel als im Herzmuskel vorkommt (bis zu 3fach höherer Gehalt in der Skelettmuskulatur), was zu einer relativ hohen Plasmareferenzkonzentration führt, die eine frühe Diagnose erschwert. Die Troponine (kardiales TnI und TnT) sind strukturell gebundene Proteine, die bei einem AMI zuerst aus myofibrillären Strukturen dissoziieren müssen, bevor sie in den Blutkreislauf gelangen. Deswegen werden sie aus dem verletzten Myokard nach einem anderen Muster mit erhöhten Blutplasmakonzentrationen von ca. 6 h bis zu mehr als 1 Woche nach dem Infarkt entlassen. Das so genannte „diagnostische Fenster“ der verschiedenen Markerproteine unterscheidet sich daher signifikant: FABP ist der herausragende frühe Marker und cTnI und cTnT sind die besten späten Marker (Abb. 1) [2]. Eine Kombination von frühen und späten Markerproteinen, also FABP zusammen mit cTnI oder mit cTnT, würde das gesamte Spektrum abdecken und damit für Patienten mit Schmerzen in der Brust die richtige Diagnose von „fast sofort“ bis mehr als eine Woche nach dem AMIBeginn liefern. FABP hat noch einen weiteren diagnostischen Vorteil: Seine Plasmakonzentration normalisiert sich frühzeitigen nach einem AMI. So kann ein ReInfarkt (also ein zweiter AMI, der innerhalb von wenigen Tagen nach dem ersten Ereignis stattfindet) durch einen erneuten Anstieg des BlutFABPs nachgewiesen werden. Dies ist weder der Fall für CKMB, noch für die Troponine, da diese noch langfristig erhöht sind.

Ein früher Marker braucht einen Schnelltest!

FABP ist im Gegensatz zu CKMB ein nichtenzymatisches Protein, und muss deshalb immunochemisch nachgewiesen und quantifiziert werden. Eine große Anzahl von Immuntests für FABP wurden bisher beschrieben und erfolgreich für die nachträgliche Analyse des BlutFABPs in Patientenproben angewendet. Allerdings benötigt man bei der Verwendung von FABP für die klinische Entscheidungsfindung bei Verdacht auf AMI einen Test mit einer AssayZeit von weniger als 10 min. Für Immunoassays bedeutet dies eine ziemliche Herausforderung. 1993 präsentierte Jan Glatz zum ersten Mal auf der internationalen Konferenz der Belgischen Gesellschaft für Klinische Chemie in Brügge seine neuesten Erkenntnisse über das FABP zur Diagnose von AMI. Dabei einigten sich er und Dr. HansGeorg Eisenwiener, Leiter der Forschungsabteilung bei Roche Diagnostics (Basel), auf ein gemeinsames Projekt: die Entwicklung eines turbidimetrischen Assays, das auf einem herkömmlichen klinischen Analysegerät durchgeführt werden sollte (Testzeit: 8 min) [3]. Dazu wurden spezifische monoklonale Antikörper generiert, die besonders hohe Affinitäten für FABP zeigten. Viel Aufmerksamkeit wurde der Standardisierung von Messungen unter Verwendung von rekombinantem menschlichen HerztypFABP unter streng kontrollierten Bedingungen geschenkt. Sowohl diese turbidimetrischen Assays als auch eine extrem genaue und reproduzierbare ELISAMethode für FABP bewiesen in einer Reihe von großen Studien maßgeblich den Wert des BlutFABPs als frühen Biomarker für die AMIDiagnose. Eine europäische MultizentrenStudie (Eurocardi) mit vier Kliniken in drei Ländern zeigte erstmals die Überlegenheit des FABP als früher Marker [4]. FABP zeigt eine deutlich bessere Leistung als die anderen kleinen Biomarker (Myoglobin) für den frühen Nachweis von AMI und für die EinAbb. 2 Proteine, die beim Herzinfarkt ins Blutplasma abgegeben werden (in der zeitlichen Abfolge von links nach rechts) schätzung der Infarktgröße. Es zeigte auch seine Vorteile im Vergleich zu den „langsamen“ Troponinen als späte Marker (Abb. 2). Zu dieser Zeit bot die deutsche Firma Boehringer Mannheim immunochemische Tests für Myoglobin, CKMB und auch für den neuen kardialen Marker Troponin T an. Der TroponinTest war ein Meilenstein für die Kardiologie, entwickelt von Prof. Hugo Katus in Deutschland [5]. Im Frühjahr 1998 schlossen sich Roche und Boehringer Mannheim zusammen. Roche beschloss danach, sich auf den TroponinTTest zu konzentrieren, den sie von Boehringer Mannheim übernommen hatte. Das war verständlich, da der TnTTest den Ärzten international bereits bekannt war und als „goldener Standard“ von Kardiologen angesehen wurde. Leider wusste die CardiomarkerAbteilung des neuen Unternehmens die Leistung des FABP nicht zu schätzen, obwohl die Kombination von FABP und TnT eine deutliche Erweiterung des diagnostischen Fensters aufwies. Der turbidimetrische FABPTest, der mit viel Sorgfalt entwickelt worden war, wurde deshalb nicht auf den Markt gebracht. Auch kleinere interessierte Biotechunternehmen überdachten nun kritisch ihre Bemühungen, einen FABPTest zu entwickeln.

Biosensortechnologien für FABP

Zur gleichen Zeit hatte das neu gegründete FraunhoferInstitut für Chemound Biosensorik (ICB) in Münster begonnen, einen Biosensor für FABP zu entwickeln. Dieses Projekt wurde von Reinhard Renneberg betreut, der nach der deutschen Wiedervereinigung vom Zentralinstitut für Molekularbiologie (ZIM, BerlinBuch) zum ICB gekommen war und dort zum Leiter der Abteilung für Immunosensoren berufen wurde. Wie Glatz sah auch Renneberg, wie vielversprechend der neue Biomarker war. Seine ICBAbteilung konstruierte ein Immunosensorinstrument. Dies war weltweit der erste bioelektrochemische Ansatz, um FABP in Blutproben zu quantifizieren.

„Krise bedeutet Gefahr und Chance“

Während die kommerziellen Aussichten für FABP nicht gerade verheißungsvoll waren, entwickelte sich die Situation international in verschiedene Richtungen entsprechend dem chinesischen Schriftzeichen für Krise, das mit Bedacht Gefahr und Chance kombiniert. Renneberg, seit 1994 Professor an der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), erlangte zusammen mit John Sanderson vom Prince of Wales Hospital Hong Kong und der kleinen chinesischen Firma EY Lab Inc. staatliche Fördermittel in Höhe von 4,5 Mio. Hongkong- Dollar (450.000 Euro), um einen zuverlässigen und preiswerten Vollblut- FABP-Schnelltest für den riesigen chinesischen Markt zu entwickeln. In 2000 startete in Berlin-Buch das erste FABP-Unternehmen 8sens.biognostic Ltd, das auf Europa ausgerichtet war. Gemeinsam mit dem Produzenten und Distributor rennesens GmbH, Berlin-Buch, produzierte es einen FABP-Schnelltest im Kreditkarten- Format. Die Karte benötigte drei „hängende“ Tropfen Blut und 15 min, um ein zuverlässiges JA/NEIN-Ergebnis zu erhalten. Das Design der Karte war eindrucksvoll, aber teuer in der Produktion. Derzeit vermarktet 8sens.biognostic einen Nachfolgetest, einen einfacheren Kassettenschnelltest für FABP und einen zweiten Test für Troponin I. Auf diese Weise können ein früher und ein später Marker zur gleichen Zeit ausgewertet und mit einem Reader quantifiziert werden. In 2008 startete das Biotech-Unternehmen FABPulous in den Niederlanden. FABPulous verbindet ein ultraschnelles manuelles Blutherstellungsverfahren mit einem schnellen und empfindlichen FABP Lateral Flow Immunoassay und bietet damit einen Point-of-Care-Test mit einer Leistung von weniger als 5 min an, der in der hausärztlichen Versorgung eingesetzt werden kann, insbesondere um AMI bei Patienten mit akutem Brustschmerz ausschließen zu können. Mehrere andere Unternehmen bieten inzwischen auch FABP-Bluttests an. In China gründete Reinhard Renneberg 1995 das Biotechunternehmen Renneberg & Cautherley Biogenius Ltd. (R & C Biogenius Ltd.) an der HKUST. Es wurde vom Small Company Development Scheme (SERAP) der Regierung von Hongkong unterstützt. R & C entwickelte Kassettentests für FABP, Troponin I, CRP und Neopterin und lizenzierte die Technologie über die Grenze an das nahegelegene KSB (Kangshen Shenzen Bao), einem Produktionsunternehmen in Shenzen (PR China). KSB und R & C Biogenius wiederum bewarben sich für eine Sino-FDA-Zulassung in Peking, die im Jahr 2009 gewährt und damit der FABPTest im Handel in China zugelassen wurde.

FABP ist mehr als ein fabelhafter Marker

FABP ist ein sensitiver Marker, der kleinere Myokardschäden in Patienten mit instabiler Angina Pectoris erkennen kann. In einer Studie mit mehr als 1.400 Patienten wurde gezeigt, dass FABP das langfristige Sterberisiko nach akutem Koronarsyndrom (ACS, das AMI und instabile Angina pectoris umfasst) voraussagen und Patienten mit einem Risiko für spätere Herz-Kreislauf- Ereignisse im Gegensatz zu den Troponinen klar identifizieren kann [6]. Wichtig ist, dass FABP in der Lage ist, zwischen geringem und hohem Risiko bei Patienten über die breite Palette von Blut- Troponin-Werten und in allen Teilen des ACS-Spektrums zu unterscheiden. Das zeigt, dass FABP unabhängige prognostische Informationen bietet [6]. Andere Studien haben bei Patienten mit kongestiver Herzinsuffizienz diejenigen über Blut-FABP identifiziert, bei denen ein hohes Risiko für prospektive kardiale Ereignisse besteht. Ein neues Gebiet ist die Entwicklung von hochsensitiven Troponin-Assays (hsTnT und hsTnI). Die Nachweisgrenze dieser Assays ist etwa 10-fach besser als die von herkömmlichen Assays. Dies soll die Diagnose von kleineren AMIs erleichtern, die sonst unerkannt bleiben würden. Während die jüngsten Berichte eine verbesserte Leistung von hsTnT im Vergleich zu herkömmlichen TnT beschreiben, wurden in verschiedenen Studien auch häufig hohe Blut-Troponin-Werte bei asymptomatischen Patienten mit stabilen koronaren Herzkrankheiten, Lungenembolien etc. gezeigt. Diese neueren Daten erfordern die Anwendung von hsTnT für die Selektierung von Patienten mit akutem koronaren Syndrom. In neueren Studien wurde die Leistung von Blut-FABP und hsTnT in der Notaufnahme verglichen. Daraus wurde geschlossen, dass FABP zumindest ähnlich, wenn nicht sogar besser als hsTnT ist, sicherlich aber wesentlich schneller [7].
Jeder der Biomarker hat also seine besonderen Eigenschaften: FABP ist der bevorzugte Marker, um AMI in den ersten Stunden nach Beginn der Symptome auszuschließen und hsTnT oder hsTnI die bevorzugten Marker ab 3 Stunden nach dem Beginn der Symptome.

Die Zukunft

Trotz der Leistungsfähigkeit von FABP als Biomarker für eine frühe Selektierung der Patienten mit Schmerzen in der Brust und als prognostischer Marker für zukünftige kardiale Ereignisse ist FABP noch nicht weit verbreitet. Wir gehen aber fest davon aus, dass sich dies in der nahen Zukunft ändert, wenn mehr POC-Tests und Tests für klinische Analysegeräte zur Verfügung stehen werden. FABP sollte als früher Blutmarker mit einem späten Marker (wie cTnT oder cTnI) gemeinsam angewendet werden. In der Notfalldiagnostik wird der zukünftige Schwerpunkt auf dem Ausschluss eines AMI liegen, da dies rund 80 % der Patienten mit Schmerzen in der Brust betrifft. FABP eignet sich hervorragend für diesen Einsatz. Auf diese Weise werden die Kosten deutlich verringert, die ansonsten für den Krankenhausaufenthalt von Nicht- AMI-Patienten ausgegeben werden. Angesichts der großen Anzahl von Patienten mit Schmerzen in der Brust (in Deutschland ca. 400.000 jährlich) ist es klar, dass FABP ein neuer „goldener Standard“ wird, um Leben zu retten.

Unser Dank gilt Francesco Bennardo und Darja Süßbier für die Illustrationen, Elise Kessler, als Austauschstudentin der Universität Utrecht an der HKUST, für die Übersetzung aus dem Englischen und Viola Berkling für die Korrekturen und Koordination.

Literatur [1] Glatz, J.F.C. et al. (1988) Biochim Biophys Acta 961: 148–152. [2] Chan, C.P. et al. (2004) Z Kardiol 93: 388–397. [3] Robers, M. et al. (1998) Clin Chem 44: 1564–1567. [4] Pelsers, M.M.A.L., et al. (2005) Clin Chim Acta 352: 15–35 [5] Katus, H.A. et al. (1989) J Mol Cell Cardiol 21: 1349 – 1353 [6] Kilcullen, N. et al. (2007) J Am Coll Cardiol 50: 2061–2067. [7] Inoue, K. et al. (2011) Circ J 75: 2813–2820.

Foto: © Prof. Dr. Reinhard Rennberg