Charakterisierung von Peroxiredoxin 4 als Biomarker für oxidativen Stress

Abstract

Die Früherkennung schwerer Krankheitsverläufe kann erheblich zur Anpassung der Therapie und zur Verringerung von Mortalitätsraten beitragen, ist nicht zuletzt aufgrund des Mangels geeigneter Biomarker jedoch oftmals nur unzureichend möglich. Es wird angenommen, dass oxidativer Stress als Zeichen eines Ungleichgewichtes zwischen reaktiven Sauerstoffspezies und Antioxidantien vielfältig in Krankheitsgeschehen involviert ist. Derzeit besteht Uneinigkeit über die Lokalisation und Funktion des antioxidativen Enzyms Peroxiredoxin 4 (Prx4), welches als möglicher Biomarker für oxidativen Stress infrage kommt. Zum quantitativen Nachweis von Prx4 wurde daher zunächst ein sensitiver Chemilumineszenz-Immunoassay entwickelt und validiert. Im Serum Gesunder wiesen Frauen leicht höhere Prx4-Konzentrationen auf als Männer. Auf der Intensivstation waren erhöhte Prx4-Serumwerte in Sepsis-Patienten mit dem Schweregrad und der Mortalität assoziiert und zeigten Korrelationen mit gängigen klinischen Punktesystemen (Acute Physiology and Chronic Health Evaluation II, APACHE II; Sequential Organ Failure Assessment, SOFA) anderen antioxidativen Substanzen (Albumin, Bilirubin), Infektions- (Procalcitonin) sowie Entzündungs-parametern (C-reaktives Protein, Interleukin-6). Auch bei Patienten, welche mit unspezifischen Beschwerden in die Notaufnahme kommen und in der Regel ein hohes Alter, viele Begleiterkrankungen sowie eine umfangreiche medikamentöse Behandlung aufweisen, zeigte Prx4 einen von Alter, Geschlecht, klinischen Punktesystemen (Charlson Comorbidity Index, CCI; Activities of Daily Living, ADL) und Krankenhausentlassung unabhängigen kurzzeitprognostischen Nutzen und ermöglicht dem behandelnden Notaufnahmearzt damit eine Risikostratifizierung der Patienten und eine verbesserte Ressourcenallokation. Neben dem Nachweis von Prx4 in der Zirkulation konnte das Enzym in Epithelzellen intrazellulär in Kompartimenten des klassischen Sekretionsweges sowie extrazellulär im Kulturmedium lokalisiert werden und wird folglich als sezerniertes Protein eingeschätzt. Die ansteigende Prx4-Sekretion durch Behandlung von MDCK1-Zellen mit Wasserstoffperoxid unterstützt die im Weiteren zu validierende Annahme, dass die deutlich erhöhten Prx4-Serumwerte in erkrankten Individuen auf vermehrten oxidativen Stress zurückzuführen sind.

Early recognition of severe disease courses is highly relevant for therapeutic decision making and mortality rate reduction, though hampered not least by a lack of suitable biomarkers. It is assumed that oxidative stress as a sign of imbalance between reactive oxygen species and antioxidants is variously involved in pathological processes. Currently, there is disagreement regarding localization and function of the antioxidative enzyme peroxiredoxin 4 (Prx4), an eligible biomarker of oxidative stress. First of all, a sensitive chemiluminescence immunoassay for quantification of Prx4 was developed and validated. Peroxiredoxin 4 was slightly increased in serum of healthy women compared to men. On the intensive care unit, increased Prx4 serum concentrations were associated with severity and mortality in sepsis patients and correlated with common clinical scores (Acute Physiology and Chronic Health Evaluation II, APACHE II; Sequential Organ Failure Assessment, SOFA), other antioxidants (albumin, bilirubin), markers of infection (procalcitonin) and inflammation (C-reactive protein, interleukin-6). Even in patients that present with nonspecific complaints to the emergency department and that are usually composed of elderly with multiple comorbidities and polypharmacy, short-term prognostic use of Prx4 was independent of age, sex, clinical scores (Charlson Comorbidity Index, CCI; Activities of Daily Living, ADL) and patient disposition enabling emergency physicians to risk stratify patients and to better allocate resources. Besides detection of Prx4 in circulation, the enzyme was localized intracellularly within compartments of the classical secretory pathway and extracellularly in the culture medium of epithelial cells leading to the conclusion that Prx4 is a secreted protein. Treatment of MDCK1 cells with hydrogen peroxide resulted in an augmented Prx4 secretion which supports the assumption, subject to validation, that increased Prx4 serum concentrations in patients are due to higher oxidative stress.