ArchivDeutsches Ärzteblatt51-52/2003Nichtinvasive Funktionsdiagnostik aus der Atemluft mit 13C-Atemtests

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Nichtinvasive Funktionsdiagnostik aus der Atemluft mit 13C-Atemtests

Dtsch Arztebl 2003; 100(51-52): A-3376 / B-2813 / C-2631

Braden, Barbara; Lembcke, Bernhard; Caspary, Wolfgang F.

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Zur Gewinnung der Atemproben bei den 13C-Atemtests genügt es, die Ausatemluft über einen Strohhalm in ein verschließbares Glasröhrchen zu pusten.
Zur Gewinnung der Atemproben bei den 13C-Atemtests genügt es, die Ausatemluft über einen Strohhalm in ein verschließbares Glasröhrchen zu pusten.
Zusammenfassung
13C-Atemtests ermöglichen eine patientenfreundliche, nichtinvasive Diagnostik, die die quantitative In-vivo-Untersuchung von Enzymaktivitäten, Organfunktionen und Transportvorgängen erlaubt. Die Durchführung der Atemtests kann ortsunabhängig erfolgen, da sich die Proben zur zentralen Analytik versenden lassen. Die häufigste Anwendung der Atemtests stellt derzeit der 13C-Harnstoff-Atemtest zur Diagnostik der Helicobacter-pylori-Infektion dar. Besondere Bedeutung kommt den Magenentleerungsuntersuchungen mit 13C-Oktansäure und 13C-Acetat zu, die ebenso verlässliche Ergebnisse wie die Szintigraphie ergeben, aber hinsichtlich des technischen Aufwandes und fehlender Strahlenbelastung deutlich Vorteile bieten. Während der klinische Einsatz von 13C-Atemtests in der Diagnostik der exokrinen Pankreasfunktion aufgrund hoher Substratkosten und langer Testdauer mit hoher Probenzahl bisher zögerlich war, erscheint die quantitative Leberfunktionsdiagnostik mittels hepatisch metabolisierter 13C-Substrate bei kritischer Indikationsstellung attraktiv. Die Stabil-Isotopentechnik der 13C-Atemtests stellt eine elegante, nichtinvasive Methode der Funktionsdiagnostik dar, die die in sie gesetzten Erwartungen erfüllt hat und weitere Anwendungsmöglichkeiten verspricht.

Schlüsselwörter: Atemtest, Helicobacter-pylori-Infektion, Funktionsdiagnostik, Magenentleerung, Malabsorption

Summary
13C-Breath Tests: a Non-Invasive Diagnostic Procedure
13C-breath tests provide a non-invasive diagnostic method with high patient acceptance. In vivo, enzyme activities, organ functions and transport processes can be assessed quantitatively using breath tests. As the breath samples can be sent to specially equipped analytical centres by mail breath tests can be performed even in primary care settings. The 13C-urea breath test which detects a Helicobacter pylori infection of the stomach is currently the best known application of stable isotopes. Determination of gastric emptying using test meals labelled with 13C-octanoic or 13C-acetic acid provide reliable results as with scintigraphy, but avoid radiation exposure and require less technical effort. The clinical use of 13C-breath tests for the diagnosis of exocrine pancreatic insufficiency is still limited due to expensive substrates and long test periods with many samples. However, the quantification of liver function using hepatically metabolized 13C-substrates is clinically helpful in special indications. The stable isotope technique presents an elegant, non-invasive diagnostic tool promising further options of clinical applications.

Key words: breath test, Helicobacter pylori infection, function diagnosis, gastric emptying, malabsorption


Fortschritte in der Tracermethodologie, insbesondere unter Verwendung stabiler Isotope, haben in den letzten Jahrzehnten die Möglichkeit eröffnet, gezielt Stoffwechselvorgänge und Funktionsabläufe beim Menschen in vivo zu untersuchen und diagnostisch zu bewerten. Die Einsatz stabiler Isotope zur Markierung körpereigener Substanzen zu diagnostischen Zwecken und die Verbreitung dieser Technik haben insbesondere die gastroenterologische Funktionsdiagnostik stark bereichert.
Die vor 20 bis 35 Jahren mit radioaktiven Isotopen (14C) entwickelten Atemtests zur Bestimmung der exokrinen Pankreasfunktion, der intestinalen Resorption und der Leberfunktion wurden mit zunehmender Sensibilisierung für den Strahlenschutz und besseren Verfügbarkeit stabiler Isotope durch Atemtests auf der Basis stabiler Isotopenmarkierungen ersetzt. Inzwischen ist die Verwendung des radioaktiven Kohlenstoffisotops 14C zu klinischen Zwecken in Deutschland, Frankreich und Österreich verboten. Gleichzeitig hat sich das Spektrum diagnostischer 13C-Atemtests um Methoden zur Bestimmung der Magenentleerung, der Mund-Zökum-Transitzeit, der bakteriellen Überbesiedelung und Malassimilationsdiagnostik erweitert.
Zur Analytik des Massenunterschieds im Isotopenverhältnis von 13C-markiertem und dem hauptsächlich natürlich vorkommenden 12C-Kohlendioxid wurden zunächst hochauflösende Massenspektrometer (isotope ratio mass spectrometry, IRMS) entwickelt. Eine zunehmende Automatisierung der Analysegeräte mit Entwicklung einer bedienerfreundlichen Software erhöhten den Probendurchsatz und die Verbreitung dieser Technik. Heute steht mit der nichtdispersiven isotopenselektiven Infrarotspektroskopie (NDIRS) eine im Vergleich zur Massenspektroskopie deutlich preisgünstigere und in der technischen Handhabung weniger anspruchsvolle Alternative mit vergleichbarer Präzision zur Verfügung (1, 9, 90), die die sofortige Analyse der Atemproben auf Knopfdruck ermöglicht.
Grundlagen der 13C-Atemtests
Alle diagnostisch genutzten 13C-Atemtests beruhen auf demselben Grundprinzip: Nach oraler (oder intravenöser) Applikation einer mit dem stabilen Kohlenstoffisotop 13C markierten Substanz wird deren Metabolisierung anhand der 13CO2-Anreicherung in der Atemluft beobachtet. Dazu werden in bestimmten zeitlichen Intervallen Atemproben gesammelt und analysiert. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt von der Aufnahme der Markersubstanz bis zum Erscheinen des Stoffwechselendproduktes 13CO2 in der Atemluft kann in der Spaltung der Substanz im Darmlumen, in Transportvorgängen oder weiteren metabolischen Schritten liegen. Letztlich wird aus dem ursprünglich applizierten Substrat 13CO2 freigesetzt, das pulmonal exhaliert wird.
Den Atemtests liegt die Hypothese zugrunde, dass neben dem fokussierten, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt alle anderen Stoffwechselvorgänge vernachlässigbar schnell oder zumindest zeitlich konstant ablaufen. Je nach Wahl des geeigneten 13C-markierten Substrats lassen sich entsprechend mittels der 13C-Atemtests Transport- und Verdauungsvorgänge, Resorptions- und Oxidationsprozesse oder (bakterielle) enzymatische Aktivitäten analysieren. Inzwischen stehen eine Vielzahl 13C-markierter Testsubstanzen für verschiedene diagnostische Fragestellungen zur Verfügung (Tabelle 1). Die Nichtinvasivität der Methodik mit vereinfachter, fast spielerischer Gewinnung der Atemproben erklärt die besondere Akzeptanz der Atemtesttechnik bei Patienten – nicht nur in der Pädiatrie.
Vom Element Kohlenstoff sind acht Isotope bekannt, von denen nur 12C und 13C stabil sind. Das Kohlenstoffisotop 13C kommt in circa 1,11 Prozent aller Kohlenstoffatome natürlich vor. Demnach führen Substratmarkierungen mit diesem stabilen Isotop immer nur zu einer Anreicherung des Kohlenstoffisotops im menschlichen Körper gegenüber dem bereits physiologisch vorliegenden 13C-Grundgehalt. Diesem Sachverhalt muss bei jedem Atemtest mit 13C-Substraten durch Bezug auf den Ausgangswert der Atemprobe vor Tracerapplikation Rechnung getragen werden (Delta-over-baseline-Wert, Tabelle 2).
13C-Harnstoff-Atemtest
Unter den 13C-Atemtests hat der 13C-Harnstoff-Atemtest (37) zum nichtinvasiven Nachweis einer bestehenden Helicobacter-pylori-Infektion bisher die größte Verbreitung in der klinischen Diagnostik gefunden. Bereits 20 Minuten nach Trinken einer 13C-Harnstoff-haltigen Lösung ist anhand der 13C-Anreicherung in der Atemluft eine Helicobacter-pylori-Infektion der Magenschleimhaut zuverlässig nachweisbar (7, 24, 53, 54, 65). Der Atemtest beruht auf einer In-vivo-Bestimmung der für Helicobacter pylori eigenen, bakteriellen Urease-Aktivität, die den 13C-markierten Harnstoff in Ammoniak und 13C-markiertes Kohlendioxid spaltet. Aufgrund der Nichtinvasivität und damit hohen Patientenakzeptanz bei hoher Sensitivität (> 95 Prozent) und Spezifität (> 95 Prozent) im Vergleich zum histologischen Nachweis (93) liegt die gesicherte Bedeutung des 13C-Harnstoff-Atemtests in der Therapiekontrolle, in epidemiologischen Fragestellungen und in pharmakologischen Therapiestudien. Der Einsatz des 13C-Harnstoff-Atemtests als primäre diagnostische Maßnahme bei Verdacht auf eine Helicobacter-pylori-Infektion spielt zumindest bei jungen Patienten („test and treat strategy“) und in der Pädiatrie eine Rolle, wenn sich aus einem positiven Testergebnis eine Therapiekonsequenz ergibt. Als alternative nichtinvasive Methode zum 13C-Harnstoff-Atemtest hat sich die Helicobacter-pylori-Antigenbestimmung im Stuhl erwiesen (10), die ebenfalls verlässliche Ergebnisse in der Therapiekontrolle erzielt.
Bestimmung der Magenentleerung
Die wissenschaftliche Referenzmethode zur Bestimmung der Magenentleerung fester und flüssiger Nahrung ist die quantitative Funktionsszintigraphie unter Verwendung radioaktiv markierter Testmahlzeiten. Aufgrund der erforderlichen Strahlenschutzmaßnahmen und der Okkupation einer Gammakamera über einen Zeitraum von mehreren Stunden ist die tatsächliche klinische Anwendbarkeit der
Magenentleerungsszintigraphie eingeschränkt. Andere Verfahren zur Bestimmung der Magenentleerung mittels Sonographie, Aspirationstechniken oder Resorptionsuntersuchungen haben aufgrund unzureichender Genauigkeit, Invasivität oder aufwendiger Bestimmungen und Blutentnahmen enttäuscht.
Die Diagnostik einer Magenentleerungsstörung ist insbesondere bei der autonomen diabetischen Neuropathie sowie der funktionellen Dyspepsie von Interesse. 13C-Atemtests stellen hierbei eine praktikable, technisch weniger aufwendige Alternative zu nuklearmedizinischen Magenentleerungsstudien dar. Bei der Untersuchung fester Testmahlzeiten wird 13C-Octanoat fest in das Eigelb eines Rühreis eingebacken (34). Unmittelbar nach Entleerung des 13C-Octanoats mit der Nahrung durch den Pylorus (geschwindigkeitsbestimmender Schritt), kann die markierte, mittelkettige Fettsäure im oberen Dünndarm resorbiert und zu 13C-markiertem Kohlendioxid oxidiert werden. Bei ausreichender Untersuchungsdauer (> 4 h) sind die 13CO2-Kinetiken in der Atemluft gut reproduzierbar und spiegeln die Magenentleerung wider (14, 15). Nach mathematischer Kurvenanpassung mittels nichtlinearer Regression lassen sich Halbentleerungszeit und Lag-Zeit, das heißt der Zeitraum bis zum Beginn der Magenentleerungsphase, ermitteln.
Zur Markierung flüssiger Testmahlzeiten dient 13C-Acetat (8). Beide 13C-Atemtests, für feste und flüssige Testmahlzeiten, wurden gegenüber der Szintigraphie validiert.
Doppelmarkierungen, wie sie in der Nuklearmedizin zur simultanen Bestimmung der Entleerung sowohl der flüssigen als auch der festen Phase möglich sind (beispielsweise 99mTc-Markierung der flüssigen und 111In-Markierung der festen Phase), sind in der Atemtesttechnik bisher nur unter zusätzlicher Verwendung des (in Deutschland allerdings verbotenen) radioaktiven Isotops 14C durchführbar (67).
Quantitative Leberfunktionsprüfungen
Eine Vielzahl von Atemtests zur Bestimmung der Leberfunktion wurde beschrieben. Die meisten dieser Funktionstests messen die hepatische mikrosomale Dealkylierung der eingesetzten 13C-markierten Substanzen (Tabelle 1), das heißt ein Zytochrom-P450-abhängiges Enzymsystem.
Basierend auf früheren Untersuchungen mit 14C-Aminopyrin liegt die größte Erfahrung mit dem Aminopyrin-Atemtest (35, 39, 45, 77, 79) vor, der die mikrosomale N-Demethylierung misst.
Die abgespaltenen Methylgruppen werden zu Ameisensäure oxidiert, die in den C1-Pool eintritt, letztendlich zu Kohlendioxid oxidiert und abgeatmet wird. Wegen der geringeren Toxizität wird heute allerdings Methacetin (2, 55, 90) als Testsubstrat bevorzugt.
Die Metabolisierung von 13C-Galaktose zu markiertem Kohlendioxid spiegelt die Aktivität einer zytosolischen hepatischen Enzymfunktion wider (77, 80, 94), wohingegen ein verminderter oxidativer Abbau der 13C-Ketoisocapronsäure auf eine äthyltoxische Funktionsstörung der Mitochondrien hindeutet (6, 57, 76, 78, 108).
Mittels dieser 13C-Atemtests lassen sich verschiedene Stadien eingeschränkter Leberfunktion erfassen, aber auch Enzyminduktionen oder Enzyminhibitionen belegen. Inwieweit diesen Atemtests prognostische Bedeutung für Lebererkrankungen über die Child-Pugh-Klassifikation hinaus zukommt, inwieweit sie eine präoperative Beurteilung der Organfunktion vor geplanten Resektionen ermöglichen, ist bisher unzureichend geklärt.
Exokrine Pankreasfunktion
Die Referenzmethode zur frühzeitigen Erfassung und Quantifizierung einer exokrinen Pankreasinsuffizienz ist der Sekretin-Pankreozymintest. Die Aspiration und Bestimmung der sezernierten Pankreasenzyme über eine duodenale Sonde nach hormoneller Stimulation des Organs ist jedoch aufwendig, kosten- und zeitintensiv und wird daher in der klinischen Diagnostik, ebenso wie auch in spezialisierten Zentren, nur noch selten durchgeführt.
Demgegenüber sollen 13C-Atemtests mit 13C-markierten Triglyceri-
den, Cholesterinestern, Proteinen oder Kohlenhydraten nichtinvasiv die Aktivität der intraluminal vorhandenen Verdauungsenzyme überprüfen. Verschiedene 13C- (früher 14C-) markierte Triglyceride (1,3-Distearyl-2-Octanoylglycerin, das so genannte „gemischte“ Triglycerid) (1, 3, 63, 101), Trioktanoin (72, 81, 83, 106), Triolein (31, 36, 85) oder Tripalmitin (49, 74) können als Substrat der Lipase eingesetzt werden.
Erst nach Lipolyse der an der Carboxylgruppe der Fettsäuren mit 13C markierten Triglyceriden können die freien Fettsäuren oder Monoglyceride resorbiert und zu 13CO2 oxidiert werden. 13C-Hiolein, ein an allen Kohlenstoffatomen mit 13C markiertes Triglyceridgemisch, dient ebenfalls als Substrat der Lipase (59).
Der Anstieg der 13C-Anreicherung in der Atemluft nach Ingestion von 13C-markiertem Cholesterinoctanoat (17, 82, 102) ist auf die intraluminale Aktivität der Cholesterinesterase zurückzuführen.
Mit (natürlich) 13C-angereicherter Stärke steht ein Substrat der Amylase zur Verfügung, deren intraluminale Aktivität allerdings erst in fortgeschrittenen Stadien der exokrinen Pankreasinsuffizienz eingeschränkt ist (18, 21, 43, 63, 107). Kürzlich wurde ein 13C-Protein-Atemtest unter Verwendung von 13C-markiertem Hühnereiweiß zur Testung der Trypsinaktivität beschrieben (30).
Diese 13C-Atemtests können als indirekte Pankreasfunktionstests (insbesondere auch in der Pädiatrie) Eingang in die Diagnostik der exokrinen Pankreasfunktion finden, aber auch zur Therapiekontrolle einer Pankreasenzymsubstitution eingesetzt werden. Die teilweise sehr hohen Substratkosten, fehlende Standardisierung und der hohe zeitliche Aufwand (Testdauer circa 6 h) limitieren den praktischen Einsatz derartiger Atemtests in der klinischen Routinediagnostik.
Bakterielle Überwucherung
Der Nachweis einer bakteriellen Überwucherung mittels Aspiration des Darminhaltes über eine jejunal platzierte Sonde mit nachfolgender mikrobiologischen Anzüchtung unter anaeroben und aeroben Bedingungen ist aufwendig und unpraktikabel. Definitionsgemäß liegt bei mehr als 105 Keimen/mL Aspirat eine bakterielle Überwucherung vor. Die bakterielle Dekonjugation von oral aufgenommener markierter Glycocholsäure und die anschließende Metabolisierung des freigesetzten, markierten Glycins durch Bakterien beziehungsweise nach Resorption im menschlichen Organismus zu markiertem Kohlendioxid kann in einem Atemtest als indirekter Nachweis einer bakteriellen Überwucherung eingesetzt werden. Eine Resorptionsstörung für Gallensäuren im Ileum führt allerdings zu falschpositiven Ergebnissen; umgekehrt kann nach Ausschluss einer bakteriellen Überwucherung mittels des Gallensäureatemtests die Resorption der Gallensäuren im Rahmen des enterohepatischen Kreislaufs untersucht werden (51, 56, 96).
Als ein anderes Nachweisverfahren einer bakteriellen Überwucherung kann die bakterielle Fermentation von oral verabreichter 13C-Xylose, die nur sehr schlecht resorbiert wird, dienen (20, 50).
Bisher wurden die beschriebenen Atemtests allerdings in den meisten Studien mit dem radioaktiven Isotop 14C durchgeführt. Das stabile Kohlenstoffisotop 13C wurde – wohl aufgrund der hohen Substratkosten – nur exemplarisch eingesetzt. Überdies existiert mit dem Glucose-H2-Atemtest eine praktikable und etablierte Alternative.
Orozökale Transitzeit
In Analogie zum preiswerten Laktulose-Wasserstoff-Atemtest kann Lactose-13C-Ureid als Substrat der Dickdarmflora eingesetzt werden, um die orozökale Transitzeit zu bestimmen. Geringe Tracermengen im Lactose-Ureid-Atemtest vermeiden die bei hohen Dosen von Laktulose zu beobachtende osmotische Diarrhö, die zu einer verkürzten Passagezeit bis zum Zökum führen kann (33, 40, 109).
Kohlenhydratassimilation
Je nach Wahl des 13C-markierten Kohlenhydratsubstrates können verschiedene intestinale Enzymaktivitäten der Kohlenhydratdigestion mittels 13C-Atemtests bestimmt werden. So kann 13C-Lactose als Substrat für Laktase (41), 13C-Stärke zur Bestimmung von Amylase (18, 21, 43, 63, 107), 13C-Saccharose für Saccharase (42) oder Transportfunktionen beispielsweise mit 13C-Fructose (44) gemessen werden. Im Gegensatz zu den zur Verfügung stehenden Wasserstoffatemtests werden in den 13C-Atemtests zur Kohlenhydratassimilation auch Personen erfasst, die kein H2 produzieren und lediglich geringere Substratmengen benötigt. Die Substratkosten 13C-markierter Verbindungen sind jedoch für den Einsatz in der klinischen Routinediagnostik unvertretbar höher. Der diagnostische Goldstandard für die Lactosemalabsorption ist entsprechend weiterhin der H2-Atemtest in Kombination mit dem Lactosetoleranztest.
Resorptionstests
Generell lassen sich alle Substrate, die im menschlichen Organismus rasch zu Kohlendioxid abgebaut werden, als 13C-markierte Verbindungen in 13C-Atemtests zur Untersuchung von Resorptionsvorgängen im Magen-Darm-Trakt einsetzen. Bislang wurden diese neuen Methoden jedoch selten in klinischen Fragestellungen zur Transportfunktion eingesetzt. Beispiele für den Einsatz von Kohlenhydraten (62), Fettsäuren (48, 49, 83) und Proteinen (26, 27, 28) können aber der Literatur entnommen werden.

Manuskript eingereicht: 18. 3. 2003, angenommen:
1. 4. 2003

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2003; 100: A 3376–3381 [Heft 51–52]

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das beim Verfasser erhältlich oder im Internet unter www.aerzteblatt.de/lit5103 abrufbar ist.

Anschrift für die Verfasser:
Priv.-Doz. Dr. med. Barbara Braden
Medizinische Klinik II
Johann Wolfgang Goethe-Universität
Theodor Stern Kai 7
60590 Frankfurt/Main
E-Mail: braden@em.uni-frankfurt.de
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