Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik Vorlesung: Arteriosklerose

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1 Wintersemester 2016/17 Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik Vorlesung: Arteriosklerose Prof. Dr. med. J.-R. Nofer, MBA Centrum für Laboratoriumsmedizin Universitätsklinikum Münster Albert-Schweitzer-Strasse 33 D Münster Tel Fax: wwwlabor.uni-muenster.de

2 Arteriosklerose und Atherosklerose Arteriosklerose (Lobstein 1833) - charakterisiert die durch Alterung und hämodynamisch bedingten Veränderungen der Arterienwand, an erster Stelle die Kalzifizierung. Lobstein JE. Classe seconde. Maladies des arteres. In : Traites d'anatomie Pathologique. Tome second: Conetant l'anatomie patologique speciale. Levrault Paris Atherosklerose (Marchand 1904) - bezeichnet die die Arteriosklerose begleitenden Intimaverfettungen von Arterienwand Marchand F. Über Arteriosklerose (Athero-Sklerose). Verh. dzsch. Congr. inn. Med. 1904;21:23-59

3 Anitschkow-Hypothese Cholesterinakkumulation als Ursache der Arteriosklerose Cholesterinreiche Diät führt zur Akkumulation des Cholesterins in der Arterienwand und schließlich zur Arteriosklerose Nikolai N. Anitschkov ( ) Anitschkow N, Chalatow S. Über experimentelle Cholesterinsteatose und ihrer Bedeutung für die Entstehung einiger pathologischer Prozesse. Zentrbl. Allg. Pathol. Pathol. Anat. 1913;24:1-9

4 Schaumzelle Cholesterin-Akkumulation in Makrophagen in vivo and in vivo Lichtmikroskopie Elektronenmikroskopie In vivo In vitro

5 Arteriosklerose - Pathologie Nomenklatur Histologie Progressionstufen Wachstum Beginn Klinik Typ I Läsion initial Isolierte einzelne Schaumzellen Typ II Läsion fatty streak Intrazelluläre Akkumulation von Cholesterin Typ III Läsion intermediär Typ II + einzelne extrazelluläre Cholesterinansammlungen Typ IV Läsion Atherom Typ II + extrazellulärer Lipidkern (Cholesterinkrystalle ) durch Lipidakkumulierung ab erster Dekade ab dritter Dekade ohne Symptome Typ V Läsion Fibroatherom extrazellulärer Lipidkern + fibrotische Veränderungen (Akkumulation von Kollagen, Einwanderung und Proliferation von glatten Muskelzellen) durch Kollagen und glatte Muskelzellen ab vierter Dekade mit oder ohne Symptome Typ V Läsion kompliziert Ruptur des Atheroms Hämatom, Thrombus durch Thrombose Hämorrhagie

6 Rupturierte Plaque Thrombus Fibrose Kappe Lipidkern

7 Rupturierte Plaque Koronare Thrombose und Myokardinfarkt Koronare Thrombose Myokardinfarkt

8 Pathogenese der Arteriosklerose Hauptfragen der letzten 100 Jahre Welche Mechanismen liegen der Akkumulation des Cholesterins in Makrophagen zugrunde? Welche Mechansimen wirken der Enstehung der cholesterinbeladenen Makrophagen (Schaumzellen) entgegen? Woher stammen die Makrophagen der Arterienwand?

9 Pathogenese der Arteriosklerose Hauptfragen der letzten 100 Jahre Welche Mechanismen liegen der Akkumulation des Cholesterins in Makrophagen zugrunde? Welche Mechansimen wirken der Enstehung der cholesterinbeladenen Makrophagen (Schaumzellen) entgegen? Woher stammen die Makrophagen der Arterienwand?

10 Struktur der Lipoproteine Oberfläche-Lipide Kern-Lipide Freies Cholesterin Phospholipide Proteine (Apoproteine, Enzyme, sonstige) Cholesterinester Triglyzeride

11 Klassifikation von Lipoproteinen Dichte (g/l) Distribution von Apoproteinen Zusammensetzung (%) Molekulare Masse (Da)

12 Familiäre Hypercholsterinämie Familiäre Hypercholesterinämie Gesamt Cholesterin mg/dl erhöhtes LDL-Cholesterin Hautxanthome Sehnenxanthome Arcus lipoides Premature Arteriosklerose: Angina pectoris im frühen Kindesalter, Aortenstenose Mike S. Brown Joe L. Goldstein

13 Klinische Zeichen in FH

14 Koronares Risiko bei familiärer Hypercholsterinämie (FH) FH Patienten erleiden früher und häufiger kardiovaskuläre Erkrankungen. 1,0 Überleben ohne Herz-Kreislauferkrankung 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 LDL-Cholesterol (mg/dl) Differenz zu nicht-betroffenen Verwandten Andere Varianten Nicht-betroffene Verwandte (n=1087) N543H/2393del9 LDL-R-Mutation (n=124) alle anderen FH-Mutationen (n=484) Alter (Jahre)

15 Familiäre Hypercholsterinämie (FH) Geschätzte Diagnoseraten in verschiedenen Länder Deutschland ca %

16 Familiäre Hypercholsterinämie (FH) Diagnose LDL-Cholesterin > 190 mg/dl (4,9 mmol/l) Kinder unter 16 Jahren: LDL-Cholesterin > 155 mg/dl (4,0 mmol/l) + Positive Familienanamnese Familienangehörige ersten Grades mit LDL-C > 190 mg/dl (4,9 mmol/l) oder vorzeitiger KHK (Frauen < 60 Jahre, Männer < 55 Jahre) oder mit Xanthomen oder Beim Index-Patienten Nachweis von tendinösen Xanthomen oder Arcus corneae < 45 Jahre Klinische Diagnose: familiäre Hypercholesterinämie Genetische Diagnostik Sequenzierung LDL-R, PCSK9 G. Klose et al., Deutsches Ärzteblatt 111, 523 (2014).

17 Struktur des LDL-Rezeptors DOMÄNE Ligandenbindung (292 Aminosäure) EGF-Homologie (400 Aminosäure) O-gykosylierte (58 Aminosäure) Transmembran (22 Aminosäure) Zytoplasmatisch (50 Aminosäure) LDL LDL Triglyzeride LDL LDL LDL

18 Funktion des LDL-Rezeptors Coated pit LDL-Rezeptor LDL Golgi E-plasmatisches Reticulum Endosom Cholesterin Ester Lysosom ApoB Cholesterin Synthese Cholesterin LDL-Rez

19 Metabolismus des LDL-Cholesterins Normal Familiäre Hypercholesterinämie Aufnahme durch Leber (80%) Aufnahme außer Leber (20%) Aufnahme durch Leber (20%) Aufnahme außer Leber (80%) LDL-R-abhängig (80%) LDL-R-unabhängig (20%) LDL-R-abhängig (66%) LDL-R-unabhängig (34%) LDL-R-abhängig (0%) LDL-R-unabhängig (100%) LDL-R-abhängig (0%) LDL-R-unabhängig (100%)

20 Cholesterinaufnahme in Makrophagen Rolle von Scavenger-Receptoren Cholesterinester Freies Cholesterin Klasse A I II III MARCO Klasse B SR-BI/II CD36 LDL modifiziertes LDL Schaumzelle CD68 (Makrosialin) SR-CI LOX -I Cystein-reich C-terminal Kollagen-ähnlich Fettsäure-azyliert Immunogen Muzin-ähnlich Lektin

21 Modifikation von LDL Natives LDL Modifikation Modifikation von LDL Oxidation Glykosylierung Phospholipase A 2 Sphingomyelinase Modifiziertes LDL Homocystein Carbon Disulfid

22 Proprotein convertase subtilisin/kexin Typ 9 (PCSK9) Bedeutung für LDL-Metabolismus PCSK9 gain-of-function Mutations Gesamt-Cholesterin > 500 mg/dl Triglyzeride < 200 mg/dl Anwesenheit von Xanthomas Erhöhtes Koronares Risiko Familiäre Hypercholesterinämie

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24 LDL-Cholesterin und KHK-Risiko Koronare Herzkrankheit Ischämische Schlaganfall Relatives Risiko nicht adjustiert - adjustiert Relatives Risiko nicht adjustiert - adjustiert LDL-Spiegel im Plasma (mg/dl) Metaanalyse : 68 Studien bei Probanden; Danesh et al., JAMA 2009;302:1993

25 LDL-Cholesterin: The Lower the Better 30 Placebo Statin 4S Herzinfarkte (%) S LIPID LIPID CARE CARE HPS HPS TNT (10 mg of atorvastatin) TNT (80 mg of atorvastatin) LDL Cholesterin (mg/dl)

26 Meta-Analyse: 14 Statin-Studien bei Personen Die Absenkung des LDL-C mit Statinen um 1mmol/l (39mg/dl) führt zu einer Reduktion der Gesamtmortalität um 12%, der koronaren Mortalität um 19%, Koronarer Ereignisse (nicht tödlicher Herzinfarkt oder Koronartod) um 23%, der Inzidenzrate des Schlaganfalls um 17%. Baigent C, Keech A, Kearney PM, et al., Lancet 2005; 366:

27 PCSK9 Inhibitoren für die Behandlung von Hypercholesterinämie: OSLER LDL (mg/dl) Standardtherapie Evolucumab Kumulative Inzidenz (%) Standardtherapie Evolucumab Wochen Tage nach Randomisierung 4465 Patienten randomisiert 2:1 zu Standardtherapie (Statine oder Statine + Ezetimib) oder Evolucumab (humanisiertes Antikörper gegen PCSK9) und beobachtet über 11 Monate Sabatine et al. N Engl J Med 2015;372:1500-9

28 Pathogenese der Arteriosklerose Hauptfragen der letzten 100 Jahre Welche Mechanismen liegen der Akkumulation des Cholesterins in Makrophagen zugrunde Welche Mechansimen wirken der Enstehung der cholsterinbeladenen Makrophagen (Schaumzellen) entgegen Woher stammen die Makrophagen der Arterienwand

29 Die Entstehung und die Konversion von HDL Leber ABCA1 apoa-i Konversion von HDL & Lipolyse von TG-reichen Lipoproteine LDL-R Selektive Aufnahme preβ- HDL + LCAT ABCA1 HDL 3 ABCG1 (V)LDL CETP HDL 2 + LCAT Periphere Zellen (z.b. Schaumzellen)

30 ABCA1 ATP Binding Casette Transporter A1 (ABCA1) C 220 N PC, C LCAT ApoA-I 232 S S außen N C Membran innen

31 Donald S. Frederickson und Tangier-Krankheit Donald S. Frederickson ( ) Tangier-Insel, Virginia, USA

32 Familiäre An-α-Lipoproteinämie (Tangier-Krankheit) HDL-Mangel Bildung von Schaumzellen Vergrößerte Tonsillen Hepato-/Splenomegalie Periphere Neuropathie Thrombozytopenie and pathie Premature KHK

33 HDL-Cholesterin und KHK-Risiko Koronare Herzkrankheit Ischämische Schlaganfall Relatives Risiko nicht adjustiert - adjustiert Relatives Risiko nicht adjustiert - adjustiert HDL-Spiegel im Plasma (mg/dl) Metaanalyse : 68 Studien bei Probanden; Danesh et al., JAMA 2009;302:1993

34 Pharmakologische Modulation von HDL Leber LDL-R Niacin, Fibrate Selektive Aufnahme CETP-Hemmer ABCA1 HDL 3 preβ- HDL + LCAT apoa-i ABCG1 ABCA1 Konversion von HDL & Lipolyse von TG-reichen Lipoproteine ApoA-I Mimetika Periphere Zellen (z.b. Makrophagen) Niacin, Fibrate, LXR-Agonisten (V)LDL CETP HDL 2 + LCAT SR-BI

35 Pharmakologische Modulation von HDL-C Studie Behandlung vs. Kontrolle Fibrate HDL (%) Ergebnisse ACCORD Fenofibrat + Statin vs. Statin 5900 ~ yr Keine Differenz hinsichtlich primärer Endpunkte Niacin AIM-HIGH Niacin + statin vs. statin 3414 ~ 11 Beendet frühzeitig wg. Vergeblichkeit Patientenzahl HPS2- THRIVE Niacin + statin vs. statin ~ yr - Keine Differenz hinsichtlich primärer Endpunkte CETP-Hemmer ILLUMINATE Torcetrapib + statin vs. statin ~ 70 Beendet frühzeitig wg. Nebenwirkungen Dal- OUTCOMES Dalcetrapib + statin vs. statin ~ 32 Beendet frühzeitig wg. Vergeblichkeit ACCELERATE Evacetrapib ~ Nicht bekanntgegeben REVEAL Anacetrapib Nicht bekanntgegeben Beendet am wg. Vergeblichkeit Laufend

36 Pathogenese der Arteriosklerose Hauptfragen der letzten 100 Jahre Welche Mechanismen liegen der Akkumulation des Cholesterins in Makrophagen zugrunde Welche Mechansimen wirken der Enstehung der cholesterinbeladenen Makrophagen (Schaumzellen) entgegen Woher stammen die Makrophagen der Arterienwand?

37 LDL, Monozyten und Arteriosklerose Natives LDL Zirkulierende Monozyten Endothelzellen Makrophagen Glatte Muskelzellen Makrophagen Minimal Oxidiertes LDL Oxidiertes LDL Oxidiertes LDL Schaumzelle

38 Aktivierung des Endothels Hyperlipidemia Rauchen Hypertonie Homocystein oxldl Endotheliale oxidativer Dysfunktion Stress Diabetes Transkriptionsfaktoren NF-κB Endothelzelle proinflammatorische Gene MCP-1 VCAM-1, ICAM-1 Monozyten-Aktivierung/Infiltration

39 Chemotaxis von Monozyten und Arteriosklerose Chemotaktische Faktoren Monozyten-Migration Wild-Typ Maus Monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) Interleukin 8 (IL-8) Andere Chemokine Komplement (C3a, C5a) Hydroperoxide (HPETE) MCP-1-defiziente Maus Angiotensin-II

40 Migration von Monozyten Monozyten-Migration (schematische Darstellung) Monozyten-Migration (EM-Aufnahme) Zirkulierende Monozyten Rollen Adhäsion Diapedese Monozyt Lipid-Cluster Endothelbarriere Monozyt Subintima 0.5 µm x

41 Aktivierung von Makrophagen und die Entzündung Ox LDL

42 CD4 + T-Zellen begünstigen die Entwicklung der Arteriosklerose in Tiermodellen (Maus) ApoE -/- Maus entwickelt Arteriosklerose scid Maus Ø T-Zellen Ø B-Zellen scid Maus + adoptiver Transfer von T-Zellen CD4 T-Zellen in Läsionen apoe-defizient apoe -/- /scid apoe-/- / scid + + CD4 T-Zellen Lesiongröße (µm 2 /Sektion) IFNγ im Plasma (pg/ml) ApoE -/- /scid ApoE -/- /scid + CD4 T-Zellen ApoE -/-

43 Diagnostische Marker: CRP und Fibrinogen bei Arteriosklerose Wahrscheinlichkeit von Tod (%) Einfluß auf Mortalität bei instabiler KHK: C-reaktives Protein >10 mg/l (n=309) p=0.001 C-reaktives Protein 2-10 mg/l (n=294) p=0.29 C-reaktives Protein <2 mg/l (n=314) Monate Wahrscheinlichkeit von Tod (%) Fibrinogen 4.0 g/l (n=303) p=0.69 Fibrinogen g/l (n=300) p=0.004 Fibrinogen <3.4 g/l (n=314) Monate

44 CRP und Koronare Herzkrankheit JUPITER Study LDL-Cholesterin < 130 mg/dl NORMAL hscrp 0.2 mg/dl ERHÖHT Herzinfarkt oder Herztod Tod aus anderen Gründen Hazard Ratio Hazard Ratio Jahren Jahren Männer und Frauen, 4 Jahre Beobachtung; Ridker et al., NEJM 2008;359:2195

45 Risikofaktoren der Arteriosklerose Klassische 1. Alter nein 2. LDL-Cholesterin ja 3. Rauchen ja 4. HDL-Cholesterin ja 5. Bluthochdruck ja 6. Diabetes mellitus ja 7. Familiäre Belastung nein 8. Triglyzeride ja Neue 1. CRP? 2. SAA? 3. Fibrinogen? 4. IL-6 nein 5. IL-1beta nein 6. Myeloperoxidase nein 7. PLA 2 nein 8. Fetuin nein 9. Harnsäure ja 10. NT-proBNP nein 11. PAPP-A nein 12. CD40/CD40L nein 13. und vieles mehr???