Neuer Ansatz zur Osteoporose-Diagnostik

Die Bestimmung des Verhältnisses der beiden Calciumisotope ⁴⁴Ca/⁴²Ca mittels thermischer Ionisations-Massenspektrometrie (TIMS) ist ein junges und noch nicht in die leitliniengerechte Diagnostik der Osteoporose aufgenommenes Verfahren aus der Weltraumforschung. Es nutzt die Tatsache, dass sich im Knochen leichtere Calciumisotope anreichern, die bei verstärktem Knochenabbau vermehrt im Blut und im Urin nachweisbar sind.

Das Element Calcium (₂₀Ca) hat 26 bekannte Isotope, darunter fünf stabile (nicht radioaktive): ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca und ⁴⁶Ca. ⁴⁰Ca hat mit Abstand die höchste natürliche Häufigkeit (96,941 Prozent); ⁴⁴Ca und ⁴²Ca sind mit 2,086 beziehungsweise 0,647 Prozent deutlich seltener.

Im Organismus folgt die Umsetzung natürlicher Calciumisotope dem Prinzip der kinetischen Isotopenfraktionierung, die stabile Isotope in Abhängigkeit von ihrer Masse während biochemischer Prozesse voneinander trennt. Demnach durchlaufen leichtere Isotope chemische und biochemische Prozesse rascher als schwere Isotope. In der Folge wird in einer Kette chemischer Reaktionen immer das leichtere Isotop im Gewebe angereichert.

Dies zeigt sich eindrucksvoll entlang der Nahrungskette, wo leichtere Isotope von der Pflanze auf den Menschen angereichert werden, und äußert sich in abnehmenden ⁴⁴Ca/⁴²Ca-Verhältnissen von Gemüse über Fleisch bis hin zum Menschen, wobei die Muttermilch das am stärksten angereicherte Reservoir für leichte Calciumisotope ist. Innerhalb des menschlichen Körpers nimmt das ⁴⁴Ca/⁴²Ca-Isopotenverhältnis in Abhängigkeit von biochemischen Prozessen ab, wenn Calcium aus der Nahrung über das Blut in das Skelett gelangt.

Tatsächlich besteht ein Isotopenunterschied von -1,3 Promille zwischen Weichgewebe und Knochen: Der Knochen ist isotopisch leichter (angereichert mit ⁴⁰Ca) als das Weichgewebe (angereichert mit ⁴⁴Ca). Der Calciumisotopen-»Fingerabdruck« in verschiedenen Geweben ist gut charakterisiert und kann für diagnostische Zwecke verwendet werden. Eine relative Anreicherung des leichten Isotops im Urin wäre dann ein Hinweis auf einen Nettoverlust an Calcium des Körpers (der Abbau von mineralisiertem Gewebe überwiegt), wie er bei Erkrankungen wie Osteoporose zu erwarten ist, während eine relative Anreicherung des schweren Isotops im Urin ein Hinweis auf eine Calcium-Anreicherung im Skelett während des Knochenaufbaus wäre.

Dass sich das ⁴⁴Ca/⁴²Ca-Verhältnis tatsächlich für die Osteoporose-Diagnostik eignet, konnte in einer kleinen Studie mit 100 postmenopausalen Frauen gezeigt werden (»Bone Reports« 2019, DOI: 10.1016/j.bonr.2019.100200). Bei den Probandinnen wurde nicht nur das ⁴⁴Ca/⁴²Ca-Verhältnis in Blut und Urin per TIMS bestimmt, sondern auch die Knochendichte per Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie (DXA) und beides miteinander verglichen. Bei 14 Frauen wurde mittels DXA eine Osteoporose diagnostiziert. Diese Frauen wiesen auch im Blut und im Urin signifikant niedrigere ⁴⁴Ca/⁴²Ca-Werte auf als Frauen mit negativem Osteoporose-Befund. Die DXA-Werte und die ⁴⁴Ca/⁴²Ca-Isotopenverhältnisse im Blutserum und im Urin waren darüber hinaus statistisch signifikant positiv korreliert.

Die Autoren um Professor Dr. Anton Eisenhauer vom Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel schlagen Schwellenwerte vor, die anhand des ⁴⁴Ca/⁴²Ca-Verhältnisses eine Klassifizierung von Probandinnen mit und ohne Osteoporose erlauben. Aus ihrer Sicht ergänzen sich die DXA- und Calciumisotopen-Methode: Während das letztere Verfahren den osteoporotischen Zustand des Gesamtskeletts widerspiegele, reflektiere die DXA-Methode den Zustand ausgewählter Skelettabschnitte und deren Frakturrisiko. Die Methode könne sich auch eignen, um Therapieverläufe zu überwachen.

Zwischenzeitlich wird die Bestimmung des Calciumisotopen-Verhältnisses bereits kommerziell angeboten, ohne jedoch laut Leitlinie empfohlen zu sein. Bis eine entsprechende Empfehlung ausgesprochen wird, bedarf es sicherlich noch größerer Studien mit mehr Probandinnen und Probanden.

Literatur bei den Verfassern