ArchivDeutsches Ärzteblatt47/1999Mitochondriale Erkrankungen

MEDIZIN: Aktuell

Mitochondriale Erkrankungen

Dtsch Arztebl 1999; 96(47): A-3035 / B-2443 / C-2201

Gerbitz, Klaus-Dieter; Gempel, Klaus; Bauer, Matthias F.

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LNSLNS Massenspektrometrie ergänzt biochemische und molekularbiologische Diagnostik von Fettsäure- und Aminosäurestoffwechselstörungen.


Der größte Teil des Fettsäure- und Aminosäureabbaus ist intramitochondrial lokalisiert. Störungen dieser Stoffwechselwege führen zu metabolischen Erkrankungen, die meist das Neugeborene, seltener ältere Kinder oder Erwachsene betreffen. Die Enzymdefekte werden durch erhöhte Metabolite charakterisiert, die sich vor dem betroffenen Enzym anstauen. Die Technik der Tandem-Massenspektrometrie erlaubt heute, aus wenigen Mikrolitern Blut eine Vielzahl dieser diagnostisch wegweisenden Metabolite zu bestimmen. In vielen Fällen kann dadurch bereits ohne Hinzuziehen aufwendiger und teilweise invasiver Methoden die richtige Diagnose gestellt werden. Der vorliegende Übersichtsartikel stellt die Funktionsweise der Tandem-Massenspektrometrie vor, behandelt die Biochemie, Pathobiochemie und Therapie ausgewählter Fettsäure- und Aminosäureabbaustörungen und demonstriert den Stellenwert der neuen Technik anhand typischer Beispiele.
Schlüsselwörter: Tandem-Massenspektrometrie, angeborene Stoffwechselstörung, Fettsäureoxidation, Organoazidurie, Aminosäuremetabolismus

Mitochondrial Diseases: Mass Spectrometry of Inborn Disorders of Fatty and Amino Acid Metabolism
Major parts of the fatty and amino acid degradation pathways are located in the mitochondrium. Defects along these pathways may cause metabolic diseases of the neonate, infant, or adult. Enzyme deficiencies block the metabolism at defined steps and lead to accumulation of specific substrates. Tandem mass spectrometry (TMS) now provides a new and non-invasive method suitable to measure the accumulated and indicative metabolites in very small blood samples. TMS allows to confirm the disease-causing enzymatic defect rapidly which formerly had to be identified by invasive and extended biochemical procedures. This review article demonstrates the benefits of tandem mass spectrometry in the diagnosis and therapy of fatty and amino acid disorders. Biochemistry and pathobiochemistry of these inborn errors of metabolism and their confirmation are demonstrated by typical disease cases.
Key words: Tandem mass spectrometry, inborn errors of metabolism, fatty acid oxidation, organic acidurias, amino acid metabolism

Störungen des Fettsäure- und Aminosäurestoffwechsels werden in der Mehrzahl durch mitochondrial lokalisierte Enzymdefekte verursacht und in der Regel autosomal-rezessiv vererbt. Sie haben wie die anderen typischen mitochondrialen Funktionsstörungen (siehe erster Teil, Heft 46 vom 19. November 1999) eine eingeschränkte metabolische Energiegewinnung zur Folge und führen häufig bereits im Neugeborenen- oder Kleinkindalter zu schweren Stoffwechselentgleisungen. Die Anhäufung spezifischer Metabolite vor dem betroffenen Enzym ist ursächlich an der Pathogenese der Stoffwechselkrisen beteiligt und in vielen Fällen diagnostisch wegweisend. Die Tandem-Massenspektrometrie erlaubt heute eine zuverlässige Bestimmung dieser Metabolite im Patientenserum und damit eine schnelle und sichere Diagnostik dieser speziellen Formen von Stoffwechselstörungen.
Störungen des Fettsäureabbaus
Der Abbau der Fettsäuren ist vollständig intramitochondrial lokalisiert (Grafik 1). Er kann schematisch in drei Teilbereiche gegliedert werden:
- die Aktivierung der langkettigen Fettsäuren und deren Transport über die mitochondriale Innenmembran mit Hilfe des sogenannten Carnitin-Shuttles,
- die b-Oxidation der aktivierten Fettsäuren unter Bildung von Acetyl-CoA,
- die Übertragung der Reduktionsäquivalente auf die Atmungskette, die eng mit der Energiegewinnung in Form von ATP verbunden ist.
Langkettige Fettsäuren gelangen unter Vermittlung des sogenannten Carnitin-Shuttles in die mitochondriale Matrix. Dieser besteht aus drei Komponenten: der Carnitin-Palmityl-Transferase I (CPT-I; ­ in Grafik 1), der Carnitin-Acylcarnitin-Translokase (¯) und der CPT-II (®). Der Carnitin-Shuttle kann nur funktionieren, wenn über den plasmamembranständigen Carnitin-Transporter («) ausreichend freies Carnitin in die Zelle aufgenommen wird. Langkettige Fettsäuren werden als Carnitinester durch die Innenmembran transportiert und in der Matrix als Acyl-CoA in der b-Oxidation schrittweise durch Abspaltung von C2-Einheiten verkürzt, bis sie komplett zu Acetyl-CoA abgebaut sind (° ±). Die im Verlauf der b-Oxidation entstehenden Reduktionsäquivalente (FADH2 und NADH) werden in der Atmungskette zur Energiegewinnung herangezogen (²), während das Acetyl-CoA in den Zitrat-Zyklus eingeschleust wird.
Die Oxidation von Fettsäuren kann unter katabolen Stoffwechsellagen bis zu 80 Prozent der gesamten metabolischen Energie liefern. Insbesondere Herz- und Skelettmuskel sind auf die Energiegewinnung aus Fettsäuren angewiesen. Während normalerweise die Glykogenreserven durch Bevorzugung der sehr energiereichen Fettsäuren lange Zeit erhalten bleiben, kommt es bei Störungen im Fettsäuremetabolismus in Folge des vermehrten Glukoseabbaus nach etwa zwölfstündigem Fasten zu schweren Hypoglykämien bis hin zum Koma. Ebenso wichtig ist, daß die Leber Fettsäuren zur Ketonkörper-Synthese benutzt und dabei gleichzeitig Energie für die Glukoneogenese und die Harnstoffsynthese gewinnt. Typisch für Fettsäureoxidationsdeffekte ist daher eine hypoketotische Hypoglykämie, manchmal kombiniert mit einer Hyperammonämie. Knapp 20 Defekte der Fettsäure-Oxidation sind gegenwärtig bekannt (13). Nahezu alle manifestieren sich in früher Kindheit mit akuten lebensbedrohenden metabolischen Krisen. Einige Erkrankungen zeigen eine chronische Skelettmuskelschwäche oder akute belastungsabhängige Rhabdomyolysen sowie eine akute oder chronische Kardiomyopathie. Die rechtzeitige Erkennung einer Fettsäurestoffwechsel-Erkrankung kann schwierig sein, da die Patienten vor dem erstmaligen Auftreten einer Stoffwechselkrise ein völlig unauffälliges klinisches Bild zeigen können.
Ursache und Pathogenese mitochondrialer Fettsäureoxidationsstörungen
Carnitin-Mangelzustände
- Primärer Carnitin-Mangel:
Primäre systemische Carnitin-Defizienz (OMIM 212140, Online Mendelian Inheritance in Man, http:// www3.ncbi.nlm.nih.gov/omim/) (« in Grafik 1)
Ursache dieser sehr seltenen Erkrankung sind Mutationen im Carnitin-Transporter der Plasmamembran, OCTN2 (12, 14). Sie führen zu einer mangelnden Aufnahme von Carnitin ins Zytoplasma von Herz- und Skelettmuskelzelle. Carnitin kann außerdem im Nierentubulus nicht mehr rückresorbiert werden und wird mit dem Urin ausgeschieden, was zu einem zunehmenden Carnitin-Verlust führt. Der resultierende "systemische" Carnitin-Mangel im Serum und in der Herz- und Skelettmuskulatur führt bereits in den ersten Lebensmonaten zu einer progressiven Kardiomyopathie, Fettspeicher-Myopathie, Hypoglykämie und Hyperammonämie.
- Sekundärer Carnitin-Mangel: Als sekundären Carnitin-Mangel () hingegen bezeichnet man Zustände, bei denen Carnitin im Gefolge anderer Erkrankungen erniedrigt ist. In der Regel fallen bei diesen Erkrankungen Metabolite an, die mit freiem Carnitin zu Carnitinestern reagieren können. Sekundäre Carnitin-Mangelzustände werden beschrieben bei Organoazidurien wie auch als Folge bestimmter Behandlungsformen (beispielsweise Valproat-Therapie, Dialyse) oder bei Malnutrition.


Erkrankungen des Carnitin/ Acyl-Carnitin-Transportsystems
Carnitin-Palmityl-Transferase-Mangel: Carnitin-Palmityl-Transferase-(CPT-)Mängel unterteilen sich in einen muskulären Mangel, der die CPT II betrifft (®) und vorwiegend im frühen Erwachsenenalter (OMIM 255110), selten auch bei Neugeborenen (OMIM 600649) auftritt, und den seltener vorkommenden infantilen hepatischen Typ, bei dem die Aktivität der Leber-CPT I (­) vollständig fehlt (OMIM 255120). Die in der Kindheit auftretenden CPT-Mängel sind durch schwere Hypoglykämien und Hypoketonämien gekennzeichnet, der adulte CPT-II-Mangel äußert sich durch eine belastungsinduzierte Rhabdomyolyse.
Carnitin-Translokase-Mangel:
Ein Carnitin-Translokase-Mangel (¯) (OMIM 212138) betrifft das eigentliche Transportprotein, das den Übertritt von Fettsäuren von der zytosolischen Seite der mitochondrialen Innenmembran in die Matrix bewerkstelligt, wo die eigentliche b-Oxidation stattfindet. Die Erkrankung verläuft klinisch meist schwer und ist durch nichtketotische Hypoglykämie, Muskelschwäche und meist Kardiomyopathie gekennzeichnet (9).


Defekte der b-Oxidation:
- SCAD-(Short-Chain-Acyl-CoA- Dehydrogenase-)Defekte (OMIM 201470), (°) sind seltene Erkrankungen, die sich in einer schweren infantilen Form und einem milderen Phänotyp mit vorwiegend muskulärer Affektion manifestieren und denen eine verminderte Oxidation der kurzkettigen Fettsäuren zugrundeliegt.
- MCAD-(Medium-Chain-Acyl-CoA-Dehydrogenase-)Defekte (OMIM 201450), (°) sind die häufigsten Defekte der b-Oxidation. Sie treten in unterschiedlicher Frequenz in den europäischen und nordamerikanischen Ländern auf (Inzidenz 1:10 000 bis 1:100 000). Die häufigste und nur in der weißen Bevölkerung zu findende MCADMutation (etwa 90 Prozent) ist ein A- nach G-Austausch an Nukleotidposition 985 (A985G) (10). Klinisch steht die hepatische Störung der Ketogenese im Vordergrund, charakterisiert durch Intoleranz gegenüber Fasten, Erbrechen, Hypoglykämie, Lethargie und Koma. Ein typisches Carnitinspektrum ist in Grafik 3 dargestellt.
- VLCAD-(Very-Long-Chain-Acyl-CoA-Dehydrogenase-) (OMIM 201475) und LCAD-(Long-Chain-AcylCoA-Dehydrogenase-) (OMIM 201460) Defizienzen (°)
Diese Defekte stellen eine klinisch meist äußerst schwer verlaufende Gruppe der b-Oxidationsdefekte dar. Sie manifestieren sich oft schon in der Neugeborenenperiode mit Episoden von durch Fasten induziertem Koma. Die meisten Patienten zeigen zusätzlich eine chronische Kardiomyopathie. Da bereits der Initialschritt der bOxidation der langkettigen Fettsäuren gestört ist, fällt die Energiegewinnung aus Fettsäuren vollständig aus und das Energiedefizit ist entsprechend schwer.
- Kurz- und Langketten-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase-Defekte (±)
Defekte der Kurzketten-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase (SCHAD) sind selten. LCHAD-Defekte (OMIM 143450) hingegen gehören zu den häufigsten Störungen der b-Oxidation. In frühester Kindheit auftretend sind sie gekennzeichnet durch nichtketotische Hypoglykämie, Kardiomyopathie und Skelettmuskelschwäche. In jüngster Zeit wurde eine Assoziation zwischen dem Vorliegen eines fetalen LCHAD-Mangels und dem Auftreten des HELLP-Syndroms (hemolysis, elevated liver enzymes, low platelet count) während der Schwangerschaft erkannt (15), so daß es geboten erscheint, Kinder von Müttern mit HELLP-Syndrom oder Eklampsie auf einen LCHAD-Defekt hin zu untersuchen.


Defekte der energiegenerierenden Kopplung
- ETF und ETF: Q0-Oxidoreduktase-Defekte (²)
Neben den genannten enzymatischen Defekten entlang der mitochondrial lokalisierten Endstrecke der Fettsäureoxidation sind Störungen bei der Kopplung an die "energiegenerierende" Atmungskette beschrieben. Die Acyl-CoA-Deyhdrogenasen der b-Oxidation übertragen ihre energiereichen Elektronen über ein zwischengeschaltetes electron transfer flavoprotein (ETF) auf das Ubiquinon (Q0) der Atmungskette (7). Defekte des ETF- und ETF:Q0-Systems wurden nach älterer Nomenklatur Glutarazidurie Typ II genannt (OMIM 231675 und 231680). Neben einer fatalen Neugeborenenform kommen milder verlaufende juvenile Formen mit hypoglykämischen Attacken, metabolischer Azidose, Hepatomegalie und Muskelschwäche vor.
Therapie und Prognose der Fettsäurestoffwechselstörungen
Die Fettsäureoxidationsstörungen weisen durch die krisenhafte Entwicklung eines durch Fasten induzierten Komas ein hohes Mortalitäts- und Morbiditätsrisiko auf. Bei frühzeitiger Diagnose und Therapie besteht andererseits für die meisten Erkrankungen eine gute Prognose, mit Ausnahme sehr schwer verlaufender Defekte der langkettigen Fettsäureoxidation, bei denen die sich entwickelnde Kardiomyopathie häufig die Lebenserwartung limitiert. Die Therapie zielt darauf ab, die durch das Fasten induzierten Streßzustände durch eine angepaßte Ernährung zu vermeiden. Fastenintervalle sollten zwölf Stunden nicht überschreiten. Insbesondere bei interkurrenten Infektionen kann auch eine kontinuierliche kohlenhydratreiche Sondenernährung indiziert sein. Metabolische Entgleisungen erfordern eine sofortige Infusion von Glukose, wobei ein Glukosespiegel >100 mg/dl anzustreben ist. Eine hochdosierte Substitution mit L-Carnitin (100 mg/kg) ist für Kinder mit primärem systemischen Carnitinmangel lebensrettend, während ihr Erfolg bei anderen Fettsäureoxidationsstörungen mit sekundärem Carnitinmangel kontrovers diskutiert wird.
Störungen des Aminosäureabbaus
Der Abbau der verzweigtkettigen Aminosäuren Leuzin, Isoleuzin und Valin (Grafik 2), der bis auf den ersten Schritt in der mitochondrialen Matrix stattfindet, dient ebenfalls der Energiegewinnung, da die Endprodukte, Acetyl-CoA und Succinyl-CoA, in den Zitrat-Zyklus eingeschleust werden können. Der Abbau von Leuzin liefert unter anderem Acetoacetat, einen Ketonkörper, der im Fastenzustand der Energiegewinnung in Herz- und Skelettmuskel dient. Störungen dieser Abbauwege werden im folgenden anhand ausgewählter Beispiele besprochen.
- Propionazidurie (OMIM 232050), (³ in Grafik 2 und 4)
Beim Abbau der Aminosäuren Isoleuzin, Valin, Methionin und Threonin wie auch beim Abbau von ungeradzahligen Fettsäuren entsteht als Zwischenprodukt Propionyl-CoA, welches zunächst in einer von Biotin abhängigen Reaktion zu Methylmalonyl-CoA carboxyliert wird (6). Ein Mangel an Propionyl-CoA-Carboxylase(PCC-)Aktivität kann entstehen durch Mutationen der a- oder b-Untereinheit der PCC, einen Mangel an Holocarboxylase-Synthetase und einen Mangel an Biotinidase.
Mutationen der PCC führen zum Krankheitsbild der isolierten PCC-Defizienz, die sich als "ketotisches Hyperglyzinämie-Syndrom" mit einer schweren metabolischen Ketoazidose manifestiert, während eine "multiple Carboxylase-Defizienz" zusätzlich durch eine muskuläre Hypotonie, Anfallsleiden, Alopezie, Hautveränderungen und Entwicklungsverzögerungen gekennzeichnet ist.
- Methylmalonazidurie (OMIM 251000, 261100 und 275350), (´ in Grafik 2 und 4)
Methylmalonyl-CoA wird in einer von Vitamin B12 abhängigen Reaktion durch Methylmalonyl-CoA-Mutase zu Succinyl-CoA, einem Intermediat des Zitrat-Zyklus umgelagert. Ein Mangel an Methylmalonyl-CoA-Mutase-Aktivität führt zur Methylmalonazidurie (6). Entstehen kann ein solcher Mangel durch Mutationen am Apomutase-Locus, durch Synthesedefekte des Adenosyl-Cobalamins sowie durch Synthesedefekte, die sowohl Adenosyl-Cobalamin als auch Methyl-Cobalamin betreffen. Da Methyl-Cobalamin ein Cofaktor der Methionin-Synthase ist, resultieren diese Defekte in einer Kombination aus Methylmalonazidurie und Homozystinurie.
- 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-CoA-Lyase-Mangel (OMIM 246450), (µ in Grafik 2 und 5)
Der letzte Schritt des Leuzinabbaus und gleichzeitig der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Genese von Ketonkörpern ist die Spaltung von 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-(HMG)-CoA zu Acetoacetat und Acetyl-CoA durch die HMG-CoA-Lyase (HMGCL). Mutationen der HMGCL (Häufigkeit etwa 1 : 50000) machen sich im ersten Lebensjahr durch schwere Hypoglykämie, hypoketotische metabolische Azidose, Hyperammonämie, Erbrechen und Koma bemerkbar (11).
- Glutarazidurie Typ I (OMIM 231670), ( in Grafik 2 und 5):
Beim intramitochondrialen Abbau von Lysin, Tryptophan und Hydroxylysin entsteht als Zwischenprodukt Glutaryl-CoA, welches durch die Glutaryl-CoA-Dehydrogenase weiter abgebaut wird (8). Ein Defekt dieses Enzyms äußert sich im Kleinkindalter mit neurologischen Defekten (Dystonie, Dyskinesie, Choreoathetose) und enzephalitischen Zeichen ohne Fieber. Oft liegt bei Geburt ein Makrozephalus vor. Im NMR finden sich Aufweitung der insulären Zisternen, frontotemporale Atrophie sowie Degenerationszeichen im Bereich des Striatum.
Therapie und Prognose der Aminosäureabbaustörungen
Auch bei den Organoazidurien, zu denen die oben genannten Erkrankungen gehören, kommen krisenhafte, akut lebensbedrohende metabolische Entgleisungen vor, bei denen eine sofortige wirkungsvolle Entfernung der toxischen Metabolite durchgeführt werden muß. Die Langzeitprognose wird von der strikten lebenslangen Einhaltung einer speziellen Diät bestimmt, die die Metabolitkonzentration in den Normalbereich senken muß und andererseits eine ausreichende Versorgung mit essentiellen Aminosäuren sicherstellt. Zur Vermeidung einer sekundären metabolischen Krise ist bei Carnitin-Mangel die orale Substitution angezeigt.
Diagnostik mit Tandem-Massenspektrometrie
Viele der oben genannten Erkrankungen konnten bisher nur durch aufwendige biochemische Aktivitätsmessungen der betreffenden Enzyme in Hautfibroblasten nachgewiesen werden. Heute steht mit der Tandem-Massenspektrometrie (Tandem-MS) ein schnelles, wenig invasives Verfahren zur Verfügung, das in vielen Fällen aufgrund eines charakteristischen Musters akkumulierter Metabolite eine spezifische Diagnose erlaubt. Für Kleinkinder besonders wichtig ist, daß nur eine geringe Menge Serum (50 µl) benötigt wird. Bei klinischem Verdacht auf eine Fett- oder Aminosäurestoffwechselerkrankung sollte daher ein spezialisiertes und in der Befundung dieser seltenen Stoffwechselstörungen erfahrenes Labor konsultiert werden. Im Notfall kann die Untersuchung innerhalb weniger Stunden durchgeführt werden. Parallel dazu empfiehlt sich eine Untersuchung des Urins auf organische Säuren, da die Kombination beider Methoden eine höhere Sensitivität ergibt. Da das Carnitin-Muster häufig bereits die Sicherung der Diagnose erlaubt, ist nur mehr in seltenen Fällen eine invasive Diagnostik notwendig.
Tandem-MS und Neugeborenen-Screening
Ein Großteil der vorab genannten Erkrankungen manifestiert sich bereits in den ersten Lebenswochen. Die Frage, inwieweit sich die Tandem-MS zum Neugeborenen-Screening einsetzen läßt, ist daher naheliegend und wird von verschiedenen Arbeitsgruppen bearbeitet. Den strengen Kriterien des Neugeborenen-Screenings entsprechend, die eine sehr sichere Analytik (keine falsch negativen, geringer Prozentsatz falsch positiver Befunde) bei behandelbaren Erkrankungen voraussetzen, ist eine entsprechende Auswahl an Krankheiten zu treffen und es sind ausgedehnte Vorarbeiten zu leisten. Der sicherste und schnellste Weg, hier zu aussagekräftigen Ergebnissen zu kommen, ist die retrospektive Analyse der Filterpapierproben aus dem Neugeborenen-Screening derjenigen Kinder, bei denen sich später eine mitochondriale Erkrankung manifestierte. Ein in Bayern seit Januar 1999 laufendes, zunächst auf drei Jahre befristetes Modellprojekt beinhaltet acht Erkrankungen, die mit Tandem-MS untersucht werden (Ahornsirup-Erkrankung (2), Glutarazidurie Typ I, Homozystinurie (3), Isovalerianazidämie, MCAD-Mangel (4), Methylmalonazidurie, Phenylketonurie (1) und Propionazidurie). Neben unbestreitbaren meßtechnischen Verbesserungen bei bereits etablierten gescreenten Erkrankungen (geringere Rate falsch positiver Befunde bei Phenylketonurie) wurde beispielsweise bei MCADMangel vereinzelt über falsch negative Resultate berichtet. Die Methode sowie die Auswahl der Erkrankungen bedürfen daher noch einer ausgedehnten Evaluation, bevor allgemeine Empfehlungen zum NeugeborenenScreening ausgesprochen werden können.


Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 1999; 96: A-3035-3042
[Heft 47]


Literatur
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2. Chace DH, Hillman SL, Millington DS, Kahler SG, Roe CR, Naylor E: Rapid diagnosis of maple syrup urine disease in blood spots from newborns by tandem mass spectrometry. Clin Chem 1995; 41: 62-68.
3. Chace DH, Hillman SL, Millington DS, Kahler SG, Adam BW, Levy HL: Rapid diagnosis of homocystinuria and other hypermethioninemias from newborns' blood spots by tandem mass spectrometry [see comments]. Clin Chem 1996; 42: 349-355.
4. Chace DH, Hillman SL, Van Hove JL, Naylor EW: Rapid diagnosis of MCAD deficiency: quantitative analysis of octanoylcarnitine and other acylcarnitines in newborn blood spots by tandem mass spectrometry. Clin Chem 1997; 43: 2106- 2113.
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11. Mitchell GA, Robert MF, Hruz PW et al.: 3-Hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A lyase (HL). Cloning of human and chicken liver HL cDNAs and characterization of a mutation causing human HL deficiency. J Biol Chem 1993; 268: 4376-4381.
12. Nezu J, Tamai I, Oku A et al.: Primary systemic carnitine deficiency is caused by mutations in a gene encoding sodium ion-dependent carnitine transporter. Nat Genet 1999; 21: 91-94.
13. Roe CR, Coates PM: Mitochondrial fatty acid oxidation disorders. In: Scriver CR,

Beaudet AL, Sly WS, Valle D, eds.: The metabolic and molecular bases of inherited disease. New York: McGraw-Hill, 1995; 1501-1533.
14. Tang NLS, Ganapathy V, Wu X et al.: Mutations of OCTN2, an organic cation/carnitine transporter, lead to deficient cellular carnitine uptake in primary carnitine deficiency. Hum Mol Genet 1999; 8: 655-660.
15. Wilcken B, Leung KC, Hammond J, Kamath R, Leonard JV: Pregnancy and fetal long-chain 3-hydroxyacyl coenzyme A dehydrogenase deficiency. Lancet 1993; 341: 407-408.


Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. Klaus-Dieter Gerbitz
Institut für Klinische Chemie, Molekulare Diagnostik und Mitochondriale Genetik
Forschergruppe Diabetes am Krankenhaus München-Schwabing
Kölner Platz 1
80804 München

Fettsäure-Transport und b-Oxidation. Langkettige Fettsäuren aus der Spaltung von Triglyceriden werden nach dem Durchtritt durch die Plasmamembran (PM) zu Acyl-CoA-Estern aktiviert. Die CoA-Ester werden von der CPT I (Abkürzungen siehe im Text) in Acyl-Carnitin umgewandelt, mit Hilfe einer Carnitin/Acyl-CarnitinTranslokase über die Innenmembran transportiert und von der CPT II wieder in Acyl-CoA umgewandelt. Ein Natrium-abhängiger Carnitin-Transporter in der Plasmamembran (OCTN2) stellt freies Carnitin für diesen Prozeß zur Verfügung. In der mitochondrialen Matrix findet die b-Oxidation der Fettsäuren statt. Deren Endprodukte FADH2 und NADH werden in der Atmungskette oxidiert, während Acetyl-CoA in den ZitratZyklus eingeschleust wird.

Tandem-Massenspektrometrie (TMS)
Die Massenspektrometrie ist ein seit 30 Jahren bekanntes Verfahren, das es erlaubt, die Massen ionisierter Moleküle mit hoher Genauigkeit zu bestimmen (5). Die Identifizierung beruht auf der Tatsache, daß verschieden schwere Ionen in einem elektromagnetischen Feld unterschiedlich stark abgelenkt werden. Entscheidende technische Verbesserungen haben in den letzten Jahren dazu beigetragen, daß die Massenspektrometrie zu einer wichtigen Methode im Stoffwechsellabor werden konnte:
- die Einführung "weicher" Ionisierungsmethoden wie der Elektrospray-Methode
- die Entwicklung leistungsfähiger Massenanalysatoren (Quadrupole)
- die Hintereinanderschaltung von zwei analytischen Quadrupolen ("Tandem"-MS)


Aufbau eines Tandem-Massenspektrometers:
Ein Massenspektrometer besteht aus einer Ionenquelle, in der aus einer Probe ein Strahl gasförmiger Ionen erzeugt wird, einem Massenanalysator, der die Ionen nach ihrem Masse/Ladungs-Quotienten auftrennt und einem Detektor, der ein Massenspektrum mit den relativen Intensitäten der einzelnen Ionen liefert (Grafik 6). Zur Ionisierung wird die Probe durch eine feine Nadel versprüht, an der eine Hochspannung anliegt (Elektrospray-Ionisierung). Die Massenanalyse der Ionen geschieht in sogenannten Quadrupolen. Bei einem Tandem-Massenspektrometer sind zwei Quadrupole (Q1 und Q2) hintereinander angebracht. Zwischen Q1 und Q2 liegt die Kollisionszelle, in der Ionen abhängig von ihrem Molekülaufbau fragmentiert werden. Diese Anordnung erlaubt, spezifische Metabolite anhand der Masse des intakten Moleküls sowie eines charakteristischen Fragments zu identifizieren. Der Vorteil dieses Tandem-Prinzips gegenüber früheren einfachen Spektrometern ist, daß aus einer komplexen Matrix wie Serum Spektren von Metaboliten ohne vorgeschaltete chromatographische Auftrennung bestimmt werden können.

Störungen mitochondrialer Aminosäureabbauwege. Der Abbau der verzweigtkettigen Aminosäuren Leuzin, Isoleuzin und Valin sowie Lysin und Tryptophan findet zum größten Teil in der mitochondrialen Matrix statt. Die Endprodukte werden entweder in den Zitrat-Zyklus eingeschleust (Acetyl-CoA und Succinyl-CoA) oder dienen als Ketonkörper (Acetoacetat) der Energiebereitstellung. Die Reduktionsäquivalente FADH2 und NADH werden wie bei der Fettsäureoxidation in der Atmungskette zur Energieproduktion verwendet.

MCAD-Mangel. Dargestellt ist ein normales Carnitinspektrum, das den Bereich von freiem Carnitin (m/z = 218) bis zu C18-Carnitinester (m/z = 484; m/z = Masse/Ladung, z = 1) umfaßt. Auf der Abszisse ist die Masse des intakten Carnitinesters angegeben, auf der Ordinate die Intensität der Ionen. Ein normales Carnitinspektrum besteht zu etwa 70 % aus freiem Carnitin (218), die sogenannten Acyl-Carnitine bestehen im wesentlichen aus Acetyl-Carnitin (260). Beim MCAD-Mangel kommt es zu einem verminderten Abbau der Fettsäuren C6-C10. Im Carnitinspektrum eines Neugeborenen findet man deshalb typischerweise eine Vermehrung von C6-Carnitin (316), C8-Carnitin (344) sowie auch C10:1-Carnitin (370); diese einfach ungesättigte Fettsäure entsteht durch vier b-Oxidationszyklen des C18:1, der Ölsäure, einer häufiger vorkommenden Nahrungsfettsäure; diese vier Zyklen werden durch die VLCAD katalysiert.

Propionazidurie und Methylmalonazidurie. Bei der Propionazidurie fällt zusätzlich zu freiem und AcetylCarnitin Propionyl-Carnitin (274) auf, welches sonst nur in Spuren vorkommt. Das Carnitinspektrum eines vierjährigen Kindes mit Methylmalonazidurie, das bereits mit einer Isoleuzin- und Valin-armen Diät ernährt sowie mit Carnitin supplementiert wird, zeigt zusätzlich noch Methylmalonyl-Carnitin (374). Freies Carnitin ist aufgrund der Carnitintherapie erhöht.

HMG-CoA-Lyase-Mangel und Glutarazidurie Typ I. Ein bereits mit spezieller aminosäurearmer Diät und Carnitin therapiertes 6jähriges Kind mit bekanntem HMG-CoA-Lyase-Mangel wurde im beschwerdefreien Intervall untersucht. Der Rückstau vor dem Stoffwechselblock äußert sich im Serum in einer spezifischen Erhöhung von 3-Hydroxy-Isovaleryl-Carnitin (318) und 3-Methylglutaryl-Carnitin (402). Das beim Abbau von Lysin und Tryptophan entstehende Glutaryl-CoA wird bei GA I als Glutaryl-Carnitin (388) gefunden. Andere auffällige Peaks im Bereich der kurz-, mittel- und langkettigen Fettsäuren sind nicht nachweisbar, was eine GA Typ II ausschließt.

Schematische Darstellung des Elektrospray-Tandem-Massenspektrometers


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