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Osteologie und Labor

Die Rolle der Knochenumbaumarker bei Knochenmetastasen* M. J. Seibel** Bone Research Program, ANZAC Research Institute, University of Sydney, and Department of Endocrinology & Metabolism, Concord Hospital, Concord, Sydney, Australia

Schlüsselwörter

Keywords

Knochenumbaumarker, Knochenmetastasen, Diagnostik von Tumorpatienten

Biochemical markers of bone turnover, bone metastases, diagnostic workup of cancer patients

Zusammenfassung

Summary

Biochemische Marker des Knochenstoffwechsels werden heute in der klinischen Praxis immer häufiger eingesetzt. Auf dem Gebiet der Onkologie stehen diese Marker mit dem Auftreten, der Prognose und dem Ansprechen auf therapeutische Interventionen maligner Knochenläsionen in Verbindung. So sind z. B. Marker des Knochenabbaus häufig bei Patienten mit ossären Metastasen erhöht. Obwohl angesichts dieser Befunde postuliert werden könnte, dass diese Marker in der Diagnostik von Tumorpatienten von Nutzen sein könnten, lässt die derzeitige Datenlage keine abschließende Beurteilung über die Genauigkeit und Gültigkeit der gegenwärtig eingesetzten Marker in der Früherkennung von Knochenmetastasen zu. Infolge der antiresorptiven Wirkung der Bisphosphonate können biochemische Marker des Knochenumbaus zur Therapiekontrolle beziehungsweise als prognostischer Marker hinzugezogen werden. Jedoch bleibt bis dato unbekannt, ob die Verwendung von Knochenmarkern in der klinischen Routine bei Tumorpatienten auch einen Einfluss auf den Heilungsverlauf bzw. der Langzeitprognose hat. Die Knochenmarker haben einen unzureichenden diagnostischen und prognostischen Wert, um alleinig verwendet werden zu können. Die Kombination dieser Marker mit anderen diagnostischen Techniken könnte jedoch die klinische Beurteilung von Patienten mit Tumorarten, die in die Knochen metastasieren, verbessern.

Biochemical markers of bone turnover are widely used in clinical practice. In the field of oncology, these markers have been shown to be associated with the occurence, prognosis and therapeutic response of malignant bone lesions. For example, markers of bone resorption are often elevated in patients with established bone metastases and while this may point to a role of these markers in the diagnostic workup of cancer patients, the available evidence does not permit any final conclusions as to the accuracy and validity of the presently used markers in the early diagnosis of bone metastases. Many bone turnover markers appear to respond to anti-resorptive and antineoplastic therapies, and recent evidence from prospective trials suggests that the aim of bisphosphonate therapy should be to normalize rates of bone remodelling to optimise therapeutic and prognostic outcomes. However, it remains unknown whether the use of bone markers in the routine clinical setting has any defined beneficial effect on overall outcome in cancer patients. Clearly, bone turnover markers have insufficient diagnostic or prognostic value to be used in isolation; however, the combination of these markers with other diagnostic techniques may improve clinical assessment of patients with bone seeking cancers.

Korrespondenzadresse Markus J. Seibel, MD, PhD, FRACP Professor & Chair of Endocrinology ANZAC Research Institute The University of Sydney, Concord Campus Sydney NSW 2139, Australia E-Mail: [email protected] Tel.: +61-2-97 67 61 09, Fax: +61-2-97 67 74 72

Bone turnover markers and bone metastases Osteologie 2009; 18: 24–34 eingereicht: 10. November 2008 angenommen: 21. Januar 2009

Skelettmetastasen sind häufig und treten bei vielen Tumorarten, vorzugsweise jedoch bei Patienten mit Brust-, Prostata-, Schilddrüsen-, Nieren-, Blasen- und Lungenkarzinomen auf. Obwohl die Skelettmetastasen selbst nicht letal sind, können Knochenmetastasen häufig Schmerzen, Hyperkalzämie, Frakturen und neurologische Symptome verursachen und zu erheblicher Morbidität und eingeschränkter Lebensqualität führen (1). Bei einer kürzlich durchgeführten Verlaufsuntersuchung wurden bei über 60 Prozent der Patienten mit Mammakarzinom Knochenmetastasen festgestellt, durchschnittlich vier Ereignisse pro Beobachtungsjahr (2). Von Interesse ist, dass neuere Bisphosphonate (BP) imstande sind, die Häufigkeit von Skelettmetastasen bei Tumorpatienten signifikant zu vermindern und zwar insbesondere beim Einsatz in der frühen Erkrankungsphase (3). Folglich besteht also der klinische Bedarf, Patienten mit Knochenmetastasen so früh wie möglich zu erkennen und sensitive und spezifische Methoden zu entwickeln, um einerseits den Behandlungseffekt zu überwachen und andererseits eine Aussage zur Langzeitprognose zu ermöglichen. Das diagnostische Vorgehen bei Skelettmetastasen beschränkt sich gegenwärtig auf die Lokalisierung und Charakterisierung der Läsion. Dabei werden unterschiedliche bildgebende Techniken wie Röntgen, CT, MRT, (quantitative) 99Tc-Skelettszintigrafie und Positronen-Emissions-Tomografie (PET) angewandt. Alle diese Verfahren haben ihren Stellenwert in der Identifikation von Patienten mit Knochenmetastasierung. In den frü-

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Dieser Bericht ist dem Gedenken an Pierre D. Delmas gewidmet, der viel zu früh während seiner Schaffensphase verstorben ist. ** Der Autor hatte aus technischen Gründen keine Gelegenheit, das aus dem Englischen ins Deutsche übersetzte Manuskript vor Drucklegung zu überarbeiten. Eventuelle stilistische Abweichungen konnten daher nicht mehr vom Autor korrigiert werden.

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hen Phasen des Krankheitsverlaufs können aber die Veränderungen in der Knochenmorphologie oder Radionuklidaufnahme nur gering, nicht spezifisch oder überhaupt nicht vorhanden sein. Darüber hinaus sind nicht alle bildgebenden Techniken gleichermaßen geeignet die Progression der skelettalen Veränderungen zu erfassen oder die Auswirkung einer Behandlung zu überprüfen, insbesondere bei Patienten mit kurzer Überlebensdauer. Untersuchungen mit Tumormarkern wie PSA haben ergeben, dass diese signifikant mit der Tumormasse korrelieren und demzufolge für die klinische Überwachung des Tumorverlaufs und der entsprechenden Behandlung geeignet sein könnten (4). Mit einigen wenigen Ausnahmen liefern diese Marker jedoch keinerlei Informationen, wie ausgeprägt der Knochen befallen ist. Unter normalen Bedingungen ist der Knochenumbau ein ausgeglichener, lebenslang andauernder Prozess, bei dem alter Knochen abgebaut (durch die Osteoklasten) und dieser anschließend durch eine äquivalente Menge an neu gebildetem Knochen ersetzt wird (durch die Osteoblasten). Das Vorliegen von Knochenmetastasen stört dieses Gleichgewicht jedoch erheblich. Eine Vielzahl von tumorbedingten Faktoren stimuliert die Osteoklasten, was zu einem gesteigerter Knochenabbau in der Umgebung der Metastasen führt. Der Knochenanbau kann gesteigert oder vermindert sein, ist in der Regel jedoch ungenügend, um den gesteigerten Knochenabbau zu kompensieren. Im Röntgenbild, führt dies überwiegend zu lytischen oder lytisch-sklerotischen Läsionen wie sie typischerweise bei Knochenmetastierung eines Mammakarzinoms vorkommen. Im Gegensatz finden sich beim Prostatakarzinom für gewöhnlich sklerotische Läsionen, die auf Zellebene im Vergleich zum Knochenabbau durch eine relativ hohe Knochenneubildung charakterisiert sind. Jedoch sind auch die Knochenmetastasen des Prostatakarzinoms durch einen vermehrten Knochenabbau und -anbau charakterisiert. Ein erhöhter Knochenumbau mit einem übermäßigen Knochenabbau ist demzufolge ein typisches Merkmal der meisten, wenn nicht aller Knochenmetastasen. (Die Pathophysiologie dieses Prozesses liegt außerhalb des Betrachtungsumfangs dieses Artikels, wurde jedoch kürzlich in Yoneda et al. [5] und Chung et al. ausführlich zusammengefasst [6]).

Abb. 1 Biochemische Marker des Knochenumbaus

Abkürzungen ●

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TAP: totale alkalische Phosphatase im Serum BAP: Knochenisoenzym der alkalischen Phosphatase im Serum BMD: Knochenmineralgehaltswerte BSP: Knochen-Sialoprotein BP: Bisphosphonate CTX-I: C-terminale Kollagen-Telopeptide DPD: Deoxypyridinolin ICTP: C-terminale Kollagen-Telopeptide LSC: “Least significant change” MM: multiples Myelom MGUS: monoklonale Gammopathie ungewisser Signifikanz NSCLC: nichtkleinzelliges Lungenkarzinom NTX-I: N-terminales Kollagen-Telopeptid OC: Osteokalzin PICP: C-terminal Propeptid des Prokollagen Typ I PINP: N-terminal Propeptid des Prokollagen Typ I PSA: Prostate spezifisches Antigen PYD: Pyridinolin RANKL: Receptor Activator of NFkappaB Ligand RTM: Regression zum Mittelwert TRAcP: Tartrate-resistente saure Phosphatase

Biochemische Marker des Knochenstoffwechsels (씰Abb. 1) sind nichtinvasiv und vergleichsweise kostengünstig und können bei korrekter Anwendung und Interpretation

für die Beurteilung von Veränderungen des Knochenumbaus bei Knochenmetastasierung hilfreich sein. In 씰Tabelle 1 sind die biologischen und technischen Einzelheiten zu den aktuell verwendeten Knochenmarkern dargestellt. Für eine umfassendere Betrachtung der grundlegenden Biochemie von Knochenmarkern wird auf die Referenz (7) verwiesen. Der vorliegende Artikel konzentriert sich vorrangig auf die klinische Anwendung von biochemischen Markern des Knochenstoffwechsels bei metastatischen Knochenerkrankungen mit besonderem Schwerpunkt auf klinisch relevanten Aspekten, wie Diagnose, Prognose und Überwachung.

Anwendung in der Diagnostik Die meisten Studien auf diesem Gebiet haben die Anwendung von biochemischen Markern des Knochenstoffwechsels bei Karzinompatienten mit oder ohne Knochenmetastasen verglichen. Obwohl dies ein sinnvoller und geradliniger Ansatz ist, hängt seine Gültigkeit weitestgehend von einer korrekten Diagnose in der Kontrollgruppe ab, d. h. die Gruppe von Karzinompatienten ohne Knochenmetastasen. In Anbetracht der unterschiedlichen Techniken, die in über hundert Studien bisher zum Einsatz kamen und mithilfe derer die Abwesenheit maligner Knochenläsionen nachgewiesen wurde und angesichts ihrer Einschränkungen, insbesondere in den frühen Phasen der Knochenerkrankung, muss

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Tab. 1 Knochenumbaumarker Marker (Abkürzung)

Ursprungsgewebe

Proben- analytische material Methodik

Bemerkungen

Knochenanbaumarker knochenspezifische alkalische Knochen Phosphatase (BAP)

Serum

Elektrophorese, spezifisches Produkt der Osteoblasten; einige Assays weisen bis zu 20 % Präzipitation, Kreuzreaktivität mit dem Leberenzym auf IRMA, EIA

Osteokalzin (OC)

Knochen, Thrombozyten

Serum

RIA, IRMA, ELISA

spezifisches Produkt der Osteoblasten; viele zirkulierende immunoreaktive Formen; einige dieser stammen vom Knochenabbau

carboxyterminales Propeptid des Typ I (PICP)

Knochen, Bindegewebe, Haut

Serum

RIA, ELISA

spezifisches Produkt der proliferierenden Osteoblasten und Fibroblasten

aminoterminales Propeptid des Typ I (PINP)

Knochen, Bindegewebe, Haut

Serum

RIA, ELISA

spezifisches Produkt der proliferierenden Osteoblasten und Fibroblasten; wird teilweise in die extrazelluläre Knochenmatrix eingebaut

Knochenabbaumarker – Kollagenabbaumarker Hydroxyprolin (gesamtes und Knochen, dialysierbares, Hyp) Knorpel, Bindegewebe, Haut

Urin

Kolorimetrie, HPLC

kommt in allen fibrillären Kollagenen und zum Teil in kollagenen Proteinen inkl. C1q und Elastin vor sowie im neu synthetisierten und älteren Kollagen, so dass beide, Kollagensynthese und Abbau, zur Hydroxyprolinausscheidung beisteuern

Hydroxylysin-Glykoside

Knochen, Bindegewebe, Haut, SerumKomplement

Urin (Serum)

HPLC, ELISA

Glykosylierung von Hydroxylysin gewebeabhängig. GlycosylgalactosylOHLys ist in hohem Anteil in Kollagenen des Weichteilgewebes und C1q vorhanden; Galactosyl-OHLys in größeren Mengen im Knochenkollagen

Pyridinolin (PYD)

Knochen, Knorpel, Sehnen, Gefäße

Urin, Serum

HPLC, ELISA

höchste Konzentrationen im Knorpel und Knochen; abwesend in der Haut; vorhanden lediglich im reifen Kollagen

Deoxypyridinolin (DPD)

Knochen, Dentin Urin, Serum

HPLC, ELISA

höchste Konzentrationen im Knochen; abwesend in der Haut; vorhanden lediglich im reifen Kollagen

carboxyterminales quervernetztes Typ-I-KollagenTelopeptid (ICTP, CTX-MMP)

Knochen, Haut

Serum

RIA

in Kollagen Typ I, mit wahrscheinlich größtem Anteil aus dem Knochen; evt. auch von neu synthetisiertem Kollagen

carboxyterminales quervernetztes Typ-I-KollagenTelopeptid (CTX)

Kollagen-TypI-enthaltende Gewebe

Urin (α/β) Serum (αα/ββ)

ELISA, RIA

in Kollagen Typ I, größter Anteil wahrscheinlich aus dem Knochen; mit dem Altern des Kollagenmoleküls Isomerisation von Aspartyl zu β-Aspartyl

aminoterminales quervernetz- Kollagen-Typtes Typ-I-Kollagen-Telopeptid I-enthaltende Gewebe (NTX)

Urin, Serum

ELISA, CLIA, RIA

in Kollagen Typ I, größter Anteil aus dem Knochen

α1-Helixpeptide des Kollagen Kollagen-TypTyp I (HELP) I-enthaltende Gewebe

Urin

ELISA

Abbaufragment, das vom Helixanteil des Typ-I-Kollagen stammt (α1 chain, AA 620–633); hohe Korrelation mit anderen Markern des Kollagenabbaus, keine spezifischen Vorteile oder Unterschiede bezüglich der Klinik in Wertigkeit.

Knochenabbaumarker – kollagenunabhängige Marker Bone-Sialoprotein (BSP)

Knochen, Dentin, Serum hypertropher Knorpel

Osteokalzinfragmente (ufOC, U-Mid-OC, U-LongOC)

Knochen

Osteopontin (OPN)

Knochen, Niere, Serum Plazenta, Dentin, Knorpel, Gehrin, Muskel; Gefäße

Urin

RIA, ELISA

saures, phosphoryliertes Glykoprotein von osteoblasten- und osteoklastenähnlichen Zellen synthetisiert und eingebaut in die extrazelluläre Knochenmatrix; scheint mit der Osteoklastenfunktion assoziiert

ELISA

gewisse altersmodifizierte Osteoklastenfragmente werden während der Knochenresorption freigesetzt und können als Resorptionsmarker herangezogen werden

ELISA

gebildet von verschiedenen Geweben; die Synthese im Knochen wird stimuliert durch 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3

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M. J. Seibel et al.: Knochenumbaumarker bei Knochenmetastasen

Tab. 1 Fortsetzung Knochenumbaumarker Marker (Abkürzung)

Ursprungsgewebe

Proben- analytische material Methodik

Bemerkungen

Knochenabbaumarker – Osteoklastenenzyme Plasma, Serum

Tartrat-resistente saure Phosphatase (TRAcP)

Knochen, Blut

Cathepsine (z. B. K, L) (CathK, CathL)

K: Osteoklasten; Plasma, L: Makrophagen, Serum Osteoklasten

die Feststellung eines „negativen“ Skelettbefalls nicht immer korrekt sein. Darüber hinaus wurden in den zahlreichen Studien unterschiedliche Tumorarten bei unterschiedlichsten Patienten untersucht und fast immer fehlen Daten über Schätzungen der Tumorausdehnung. Demzufolge ist es nicht überraschend, dass vorhandene Resultate über die diagnostische Verwendung der Knochenmarker bei metastatischen Knochenerkrankungen uneinheitlich und häufig widersprüchlich sind. Das Bild wird aber konsistenter, wenn man Vergleiche zwischen Knochenmarkern und speziellen bildgebenden Techniken, d.h. der Knochenszintigrafie, oder chirurgischen Resultaten in genau definierten Patientengruppen vornimmt (8–11). Von den zur Verfügung stehenden Knochenanbaumarkern (씰Tabelle 1) zeigen die totalen (TAP) und knochenspezifischen alkalischen Phosphatasen (BAP) im Serum für gewöhnlich die ausgeprägtesten Veränderungen als Reaktion auf eine metastatische Knochenbeteiligung. In den meisten Fällen fortgeschrittener Knochenmetastasierung sind TAP und BAP im Serum erhöht, was entweder auf eine starke osteoblastische Komponente oder, bei lytischen Läsionen, auf einen aktiven Reparaturvorgang schließen lässt (12–14). Es gibt aber auch Studien, in denen kein Unterschied in der Serumkonzentration von TAP und BAP festgestellt wurde beim Vergleich von Patienten mit und ohne Knochenmetastasen (z. B. 15). Bei Patienten mit Prostatakarzinom konnte gezeigt werden, dass durch eine ergänzende Bestimmung der ALP zusätzlich zum PSA die diagnostische Sensitivität in der Erkennung von Knochenmetastasen verbessert werden kann (16–18).

Kolorimetrie, RIA, ELISA

6 verschiedene Isoenzyme (Osteoklasten, Thrombozyten, Erythrozyten); Isoenzym 5b prädominant in Osteoklasten; Enzym wurde identifiziert im „ruffled border“ der Osteoklastenmembran und in der Sekretion des Resorptionsareal

ELISA

Cathepsin K, eine Zysteinprotease, spielt eine zentrale Rolle in der osteoklastären Knochenresorption; durch Abspaltung von schleifenförmigen Domänen des TRAB werden Catepsin K und L aktiviert; Cathepsin L hat eine ähnliche Funktion in den Makrophagen; Assays zur Bestimmung von Cathepsin werden zur Zeit evaluiert.

Im Allgemeinen sind die Serumkonzentrationen von OC im Vergleich zu anderen Knochenanbaumarkern variabler und im Falle einer fortgeschrittenen, unbehandelten metastatischen Knochenerkrankung können die OC-Serumspiegel bei erhöhten BAPSpiegeln eher niedrig sein (19). Die Gründe für diese Dissoziation sind bislang nicht geklärt, mögliche Ursachen umfassen jedoch eine proteolytische Spaltung von OC, Änderungen in der Genexpression oder eine Störung der Reifung des Osteoids bei aktivem Tumorbefall des Knochens. In Bezug auf Patienten mit multiplem Myelom (MM) wurden in zahlreichen Studien niedrige OC-Serumspiegel bei gleichzeitig erhöhten Werten für die Knochenbbaumarker festgestellt. Erniedrigte OC-Konzentrationen im Serum sollen die beeinträchtigte Osteoblastenaktivität widerspiegeln und werden mit einer kür-

zeren Überlebenszeit in Verbindung gebracht (20). Folglich sind einige Autoren von einem myelomzellbedingten Faktor ausgegangen, der speziell die Osteoblastenaktivität beeinträchtigen würde. Erst kürzlich haben Tian et al. (21) eine erhöhte Expression von dickkopf1 (DKK1), einem Hemmstoff der Osteoblastendifferenzierung, in Myelomzellen von lytischen Tumoren aufgezeigt. Myelomzellen bilden RANKL (receptor activator of nuclear factor kappa ligand), das überwiegend die Osteoklastenbildung und -differenzierung fördert. Demzufolge würde eine gleichzeitige Überexpression von RANKL und DKK1 durch Myelomzellen den Knochenabbau erhöhen, während die Osteoblastendifferenzierung und der Knochenanbau, d. h. der Reparaturmechansimus, gehemmt werden (99). Bei Patienten mit metastasierendem Mamma-, Prostata- oder Lungenkarzinom

Abb. 2 Deoxypyridinolinausscheidung bei Patienten mit (BM) und ohne (NBM) Knochenmetastasen und Gesunden (Controls); bei Tumorpatienten ist zudem eine weitere Stratifizierung anhand der Serumkalziumspiegel dargestellt (NC = normokalzämisch, HC = hyperkalzämisch, > 2,6 mmol/l); Box and Whisker Plot; horizontale Linien = Median; *p