Alai

Abstract

Sepsis ist die systemische Reaktion auf eine Infektion durch mikrobielle Organismen. Eine Differenzialdiagnose von Infektionen, die entweder durch Bakterien oder andere mikrobielle Organismen verursacht werden, ist für eine wirksame Behandlung und prognostische Beurteilung von wesentlicher Bedeutung. Die derzeitigen klinischen Labormethoden zur Diagnose von bakteriellen Infektionen sind entweder unspezifisch oder erfordern längere Bearbeitungszeiten. Procalcitonin (PCT) ist ein Biomarker, der bei der Identifizierung von Patienten mit Sepsis eine höhere Spezifität aufweist als andere proinflammatorische Marker (z. B. Zytokine) und für die Diagnose bakterieller Infektionen verwendet werden kann. In diesem Artikel geben wir einen Überblick über den aktuellen Wissensstand über PCT und seine Verwendung im klinischen Labor.

Die Feststellung, ob die Ursache der Entzündung bei Patienten bakteriellen Ursprungs ist, war ein wichtiger Entwicklungsbereich im klinischen Labor. Für die Sepsisdiagnose wurden mehrere klinische Labortests angewandt.1 Die Brühkulturmethode ist der Goldstandard für die Diagnose einer bakteriellen Infektion, aber bis zu einem endgültigen Ergebnis kann es 24 Stunden oder länger dauern, bis eine schlüssige Diagnose vorliegt. Eine Reihe von Entzündungsmarkern wie Leukozytenzahl, C-reaktives Protein (CRP) und Zytokine (TNF-α, IL-1β oder IL-6) wurden bei der Diagnose von Entzündungen und Infektionen eingesetzt, aber ihre mangelnde Spezifität hat ein anhaltendes Interesse an der Entwicklung spezifischerer klinischer Labortests hervorgerufen.2 Ein vielversprechender Marker ist Procalcitonin (PCT), dessen Konzentration bei Sepsis erhöht ist. Aufgrund seiner Spezifität für bakterielle Infektionen wurde PCT als relevanter Marker für die Schnelldiagnose von bakteriellen Infektionen vorgeschlagen, insbesondere für den Einsatz in Notaufnahmen und Intensivstationen von Krankenhäusern. Seit seiner Identifizierung und Assoziation mit Sepsis in den 1990er Jahren wurden zahlreiche Studien über PCT und seine klinische Anwendung durchgeführt. Ein Test zur Bestimmung des PCT-Spiegels ist in Europa seit mehreren Jahren erhältlich und wurde vor kurzem von der FDA für die Verwendung in den Vereinigten Staaten zugelassen.3

Biochemie von PCT

Procalcitonin ist ein Peptid mit 116 Aminosäuren und einem ungefähren Molekulargewicht von 14,5 kDa und gehört zur Calcitonin (CT)-Superfamilie der Peptide. Es kann in drei Abschnitte unterteilt werden, darunter der Aminoterminus der PCT-Region, das unreife Calcitonin und das Calcitonin-Carboxylterminus-Peptid-1 (CCP-1, auch Katacalcin genannt) (Abbildung 1).4 Procalcitonin wird vom CALC-1-Gen auf Chromosom 11 kodiert. Durch Spaltung an einer Stelle des primären Transkripts des CALC-1-Gens entsteht Prä-PCT, das durch proteolytische Spaltung seiner Signalsequenz zu PCT weiterverarbeitet wird.5,6 Zu den anderen Mitgliedern der CT-Superfamilie von Peptiden gehören Calcitonin-Gen-verwandtes Peptid I, II (CGRP-I, CGRP-II), Amylin und Adrenomedullin. Das Calcitonin-Gen-verwandte Peptid I wird ebenfalls vom CALC-1-Gen kodiert und entsteht durch alternatives Spleißen des primären Transkripts der CALC-1-mRNA. Calcitonin gene-related peptide II, Amylin und Adrenomedullin werden von anderen Genen kodiert (Tabelle 1).

Die Expression von Calcitonin erfolgt gewebespezifisch. In Abwesenheit einer Infektion ist die Transkription des CALC-1-Gens für PCT im nicht-neuroendokrinen Gewebe unterdrückt, außer in den C-Zellen der Schilddrüse, wo seine Expression PCT produziert, den Vorläufer von CT bei gesunden und nicht infizierten Personen.5 Das synthetisierte PCT wird dann posttranslational verarbeitet, um kleine Peptide und reifes CT zu produzieren, das durch die Entfernung des C-terminalen Glycins aus dem unreifen CT durch Peptidylglycin-α-amidierende Monooxygenase (PAM) entsteht.7 Reifes CT wird in sekretorischen Granula gespeichert und zur Regulierung der Kalziumkonzentration ins Blut abgegeben. In Gegenwart einer mikrobiellen Infektion exprimieren auch nicht-neuroendokrine Gewebe das CALC-1-Gen, um PCT zu produzieren. Eine mikrobielle Infektion führt zu einem erheblichen Anstieg der CALC-1-Genexpression in allen parenchymatösen Geweben und differenzierten Zelltypen im Körper, die PCT produzieren.8 Bei schweren systemischen Infektionen steigen die Werte im Vergleich zu anderen Parametern mikrobieller Infektionen deutlich an.9 Die Funktion von PCT, das in nicht-neuroendokrinen Geweben bei mikrobiellen Infektionen synthetisiert wird, ist derzeit unklar; sein Nachweis hat jedoch bei der Differentialdiagnose von Entzündungsprozessen geholfen.

Überblick über Sepsis

Sepsis bezeichnet die systemische Reaktion auf eine Infektion durch mikrobielle Erreger wie Bakterien, Pilze und Hefen, bei der der Patient typischerweise Fieber, Tachykardie, Tachypnoe und Leukozytose entwickelt. Mikrobiologische Kulturen aus dem Blut oder von der Infektionsstelle sind häufig, wenn auch nicht immer, positiv. Eine schwere Sepsis ist mit einer Hypoperfusion oder Funktionsstörung mindestens eines Organs verbunden. Wenn eine schwere Sepsis mit Hypotonie oder dem Versagen mehrerer Organe einhergeht, spricht man von einem septischen Schock. Epidemiologische Studien deuten auf eine Inzidenz von etwa 750.000 Sepsisfällen pro Jahr in den Vereinigten Staaten hin.10 Die Anzeichen und Symptome der Sepsis sind sehr variabel und werden von vielen Faktoren beeinflusst, einschließlich der Virulenz und Bioburden des Erregers, der Eintrittspforte und der Empfindlichkeit des Wirts. In erster Linie treten Infektionen der Atemwege auf, gefolgt von Infektionen des Urogenitaltrakts und des Magen-Darm-Trakts.11 In letzter Zeit wurde vermehrt über bakterielle Infektionen bei Krankenhauspatienten berichtet, was auf die Zunahme nosokomialer Infektionen durch Katheterisierung und immunsuppressive Therapien sowie auf die Zunahme von Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) zurückzuführen ist.11 Die Unterscheidung zwischen Entzündungen, die auf bakterielle oder andere mikrobielle Infektionen zurückzuführen sind, und solchen, die durch Organabstoßung verursacht werden, ist für die Behandlung der Immunreaktion bei Krankenhauspatienten wichtig. Ein häufiges Problem in der klinischen Praxis besteht darin, dass sich die Anzeichen und Symptome von bakteriellen und viralen Infektionen weitgehend überschneiden, insbesondere bei Infektionen der Atemwege. Gelegentlich bleibt die diagnostische Ungewissheit bestehen, selbst wenn eine Anamnese, eine körperliche Untersuchung, eine Röntgenuntersuchung der Brust und Labortests durchgeführt wurden. Daher würde ein Labortest mit höherer Spezifität die klinische Differentialdiagnose in diesen Fällen erheblich verbessern. Darüber hinaus würde die Differentialdiagnose einer Infektion die Entscheidung erleichtern, ob eine Behandlung mit Antibiotika sinnvoll ist. In diesem Zusammenhang werden etwa 75 % aller Antibiotikagaben für akute Atemwegsinfektionen verschrieben, die überwiegend eine virale Ätiologie haben.5 Der übermäßige Einsatz von Antibiotika ist die Hauptursache für die Ausbreitung von antibiotikaresistenten Bakterien. Daher ist eine Verringerung des Antibiotikaeinsatzes von entscheidender Bedeutung für die Bekämpfung der Zunahme antibiotikaresistenter Mikroorganismen.

Diagnosemethoden für Sepsis

Die traditionelle Methode zur Diagnose von Sepsis umfasst die Kultivierung von Blut-, Urin-, Liquor- oder Bronchialflüssigkeitsproben und dauert normalerweise 24 bis 48 Stunden. Leider treten die klinischen Symptome häufig auf, ohne dass eine positive Kultur vorliegt. Die herkömmlichen klinischen Anzeichen einer Infektion und die routinemäßigen Labortests für Sepsis, wie CRP oder Leukozytenzahl, sind diagnostisch ungenau und manchmal irreführend. Bei schweren Infektionen sind die meisten klassischen proinflammatorischen Zytokine wie TNF-α, IL-1β oder IL-6, wenn überhaupt, nur kurzzeitig oder intermittierend erhöht. Angesichts der oben genannten diagnostischen und therapeutischen Dilemmata ist ein eindeutigerer Test für die Differentialdiagnose von Infektionen und Sepsis von größter Bedeutung.

PCT-Messung bei der Diagnose bakterieller Infektionen

Seit Mitte der 1990er Jahre werden PCT-Messungen zunehmend zur Erkennung systemischer bakterieller Infektionen eingesetzt.3 Die kurze Halbwertszeit (25-30 Stunden im Plasma) von PCT, gepaart mit dem weitgehenden Fehlen von Gesundheit und Spezifität für bakterielle Infektionen, verleiht ihm einen klaren Vorteil gegenüber den anderen Markern für bakterielle Infektionen.3,4 Studien haben auch gezeigt, dass ein Anstieg der PCT-Werte bei Virusinfektionen minimal ist, während die Werte nach einer einzigen Injektion mit Endotoxin schnell ansteigen.12,13 Außerdem werden erhöhte PCT-Werte nicht mit bestimmten Bakterienstämmen in Verbindung gebracht, obwohl in einer Studie von Rowther und Kollegen Stämme von septischen Patienten mit Serum-PCT-Werten >2 ng/mL identifiziert und aufgelistet wurden.14 Kürzlich haben Jacquot und Kollegen gezeigt, dass die schnelle Messung von PCT dazu beitragen kann, nosokomiale Infektionen bei Neugeborenen auszuschließen, die auf der Intensivstation behandelt werden.15

In einer anderen Studie untersuchten de Jager und Kollegen den Wert der Messung des PCT-Spiegels im Blut von Patienten, die mit einer durch Legionella pneumophila verursachten ambulanten Lungenentzündung (CAP) infiziert waren, im Vergleich zu anderen konventionellen Parametern wie CRP und Leukozytenzahl.16 Sie fanden heraus, dass anfänglich hohe PCT-Spiegel auf eine schwerere Erkrankung hinwiesen, was sich in einem längeren Aufenthalt des Patienten auf der Intensivstation (ICU) und/oder dem Tod im Krankenhaus widerspiegelte. Darüber hinaus waren anhaltend erhöhte PCT-Werte immer ein Hinweis auf ein ungünstiges Ergebnis. Somit lieferte die Bestimmung der PCT-Werte wertvolle Informationen über die Patientenprognose, die aus herkömmlichen Entzündungsparametern wie CRP und WBC-Zahlen nicht abgeleitet werden konnten. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Verwendung von PCT-Messungen zur effizienten Behandlung von Patienten mit Antibiotika den Krankenhausaufenthalt der Patienten verkürzt. Kristoffersen und Kollegen berichteten, dass bei Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung eine einzige Serum-PCT-Bestimmung zum Zeitpunkt der Aufnahme die durchschnittliche Aufenthaltsdauer von 7,1 Tagen auf 4,8 Tage reduzierte.17

Messung von PCT

Procalcitonin kann mit einem quantitativen homogenen Assay (BRAHMS, Hennigsdorf, Deutschland) gemessen werden. Der Assay basiert auf der Time Resolved Amplified Cryptate Emission (TRACE) Technologie (Abbildung 2). Ein Stickstofflaser bei 337 nm wird auf eine Probe gerichtet, die PCT und zwei fluoreszenzmarkierte Antikörper enthält, die verschiedene Epitope des PCT-Peptids erkennen. Das Prinzip des Tests basiert auf der Übertragung von nicht-strahlender Energie zwischen „Donor“- und „Akzeptor“-Molekülen. Das Donor-Molekül gibt bei Anregung ein langlebiges Fluoreszenzsignal im Millisekundenbereich bei 620 nm ab, während das Akzeptor-Molekül bei Anregung ein kurzlebiges Signal im Nanosekundenbereich bei 665 nm abgibt. Werden beide Moleküle durch Bindung an PCT in unmittelbare Nähe gebracht, wird das resultierende Signal bei 665 nm verstärkt und auf einige Mikrosekunden verlängert. Durch diese Verlängerung wird sichergestellt, dass das Signal gemessen werden kann, nachdem die Hintergrundfluoreszenz (die in biologischen Proben üblich ist) abgeklungen ist. Beim BRAHMS‘-Test ist das Donor-Molekül ein mit Europiumkryptat markierter polyklonaler Schaf-Antikörper, der Epitope in der unreifen CT-Region erkennt, während das Akzeptor-Molekül ein mit XL665 markierter monoklonaler Antikörper ist, der gegen die CCP-1-Region von PCT gezüchtet wurde.18,19

Die für den Test geeigneten Proben können Serum oder Plasma sein, wobei entweder EDTA oder Heparin als Antikoagulanzien verwendet werden, nicht aber Citrat, da dies nachweislich zu einer Unterschätzung der PCT-Spiegel führt.18

PCT-Messungen bei anderen Krankheiten

Die Nützlichkeit von PCT als diagnostischer Marker bei anderen Entzündungszuständen wurde ebenfalls von Becker und Mitarbeitern bewertet und überprüft.20 Bei Malaria sind die PCT-Werte sowohl bei schwerer als auch bei unkomplizierter Plasmodium falciparum-Malaria erhöht, konnten aber nicht zur Unterscheidung zwischen den beiden Typen herangezogen werden und waren daher für die Diagnose nur von begrenztem Nutzen.21,22 Der Wert von PCT bei der Diagnose von Lungentuberkulose (PTB) wurde ebenfalls untersucht und erwies sich als wenig aussagekräftig.19 Baylan und Mitarbeiter fanden heraus, dass die Serum-PCT-Werte bei der Aufnahme von Patienten mit aktiver PTB im Vergleich zu Kontrollen und Patienten, die eine antituberkulöse Chemotherapie erhielten, leicht erhöht waren. Obwohl dieser Unterschied statistisch signifikant war, lagen die PCT-Werte der meisten PTB-Patienten (58,7 %) unter dem üblichen Grenzwert (0,5 ng/ml).23 Daher war PCT kein zuverlässiger Indikator für die Diagnose einer aktiven PTB und konnte mikrobiologische, epidemiologische, klinische und radiologische Daten nicht ersetzen.23 Nyamande und Lalloo fanden jedoch heraus, dass die PCT-Werte bei der Unterscheidung von in der Gemeinschaft erworbenen Lungenentzündungen (CAP) durch häufige Bakterien wie Mycobacterium tuberculosis (TB) und Pneumocystis jirovecii (PJP) in einem Umfeld mit hoher HIV-Prävalenz, in dem atypische Präsentationen die empirische klinische Diagnose oft verwirrten, nützlich sein können.24 Ihre Studie zeigte, dass sich die PCT-Werte bei Patienten mit CAP aufgrund von TB, PJP und Bakterien signifikant unterscheiden.

Procalcitonin-Bestimmungen haben sich als sehr nützlich erwiesen, um festzustellen, ob eine Entzündung nach einer Organtransplantation auf eine bakterielle Infektion oder eine Organabstoßung zurückzuführen ist. Mendonca und Kollegen wiesen nach, dass bei Empfängern von Lebertransplantaten die PCT-Plasmaspiegel bei infizierten Patienten signifikant erhöht waren, während sie bei Patienten mit akuter Leberabstoßung ähnlich hoch waren wie bei nicht infizierten Patienten.25 Madershahian und Kollegen zeigten, dass die PCT-Spiegel nach einer Herztransplantation als nützlicher Marker für die Prognose dienen können.26 Es wurde festgestellt, dass die Procalcitoninwerte bei Patienten mit einem ereignislosen Verlauf nach der Transplantation durchweg niedrig sind (<10 ng/ml), bei Patienten mit postoperativen Komplikationen jedoch häufiger ansteigen und bei Werten über 80 ng/ml sogar mit einer erhöhten Sterblichkeit in der frühen postoperativen Phase einhergehen. Somit könnten die PCT-Werte in den ersten Tagen nach der Herztransplantation dazu beitragen, Patienten zu identifizieren, bei denen ein Risiko für Komplikationen besteht, wenn die Konzentrationen den „normalen“ Bereich nach der Transplantation überschreiten.26

Tücken bei der PCT-Messung

Es gibt in der Literatur auch Berichte, bei denen erhöhte PCT-Werte nicht mit bakteriellen Infektionen in Verbindung gebracht wurden. Eine durch Nebennierenversagen verursachte Addison-Krise wurde mit erhöhten PCT-Werten in Verbindung gebracht.27 Erhöhte PCT-Werte, die mit denen bei schwerer Sepsis vergleichbar sind, wurden auch bei Transplantationspatienten beobachtet, die eine Pan-T-Zell-Antikörpertherapie erhielten.28 In jüngerer Zeit berichteten Brodska und Kollegen über deutlich erhöhte PCT- und CRP-Werte bei Patienten, die für eine hämatopoetische Stammzelltransplantation vorgesehen waren und während der Konditionierung Antithymozytenglobulin erhielten.29

Zusammenfassung

In den letzten 15 Jahren hat die Verwendung von PCT zur Identifizierung des bakteriellen oder nichtbakteriellen Ursprungs einer systemischen Entzündung breite Unterstützung gefunden, und es ist wahrscheinlich, dass dieser Trend anhalten wird. Obwohl sich PCT als interessanter Marker für die Sepsis erwiesen hat, ist seine physiologische Rolle nach wie vor ungewiss. Es gibt Hinweise darauf, dass die Verwendung von PCT bei der Überwachung von Patienten mit Sepsis zu einer geringeren Morbidität und Mortalität dieser Patienten führt. Die Verabreichung von PCT an septische Hamster erhöhte deren Sterblichkeitsrate, während die Verabreichung von Anti-PCT-Antikörpern die Überlebensrate erhöhte.30 Das weitgehende Fehlen der PCT-Expression im gesunden Zustand und ihre Expression in praktisch allen Organen während einer Sepsis nährt die Vorstellung, dass sie mit dem charakteristischen „Organ-Shutdown“ einer schweren Sepsis in Zusammenhang steht. Weitere Forschungen, die darauf abzielen, die Rolle von PCT bei der Sepsis zu klären, würden dazu beitragen, die Pathogenese der Sepsis zu verstehen, mit dem Ziel, bessere und wirksamere therapeutische Maßnahmen zu entwickeln.

Die Autoren danken Chris Ciotti, Stephen Barnes und Jim Bromley (BRAHMS USA) für hilfreiche Diskussionen über technische und klinische Aspekte des PCT-Tests.