Blut und Blutgerinnung

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1 INHALT Blut und Blutgerinnung (I) Bestandteile und Funktionen des Blutes (II) Blutgerinnung und Fibrinolyse (III) Regulation der Blutgerinnung (IV) (V) Wechselwirkung von Gerinnung und Entzündung Antikoagulation und Methoden der Blutreinigung 1 2 Spezifische Inhalte, Vorlesung Einheit 3 Fibrinolyse Virchow sche Trias Hämorrhagische Diathese und ihre Ursachen Hämophilie Von Willebrand Disease Disseminierte intravasale Koagulopathie Natürliche Antikoagulantien Tissue Factor Pathway Inhibitor Antithrombin Protein C Antikoagulantien in der Medizin Heparin, Cumorinderivate, direkte Thrombininhibitoren,... Fibrinolyse = körpereigene Auflösung eines Blutgerinnsels (Thrombus) durch das Enzym Plasmin. Durch Spaltung der Fibrinpolymere des Thrombus in lösliche Einheiten zerfällt der Thrombus. 3 4 Ende der Gerinnungskaskade Fibrinolyse u-pa, t-pa (PAI 1-4) Plasminogenaktivatoren Fibrinolyse Umwandlung des Plasmaproteins Plasminogen in Plasmin (Serinprotease) -> Plasmin bindet an Fibrin, spaltet es in lösliche Abbauprodukte t-pa tissue-type Plasminogen-Aktivator (aus Endothelzellen) u-pa urokinase-type Plasminogen-Aktivator Fibrinodipeptid Abbau von Fibrin in lösliche Bestandteile 5 6 1

2 Fibrinolyse Fibrinolyse Regulation (I): PAI 1-4 Plasminogenaktivator-Inhibitor PAI-1 hemmt sowohl t-pa als auch u-pa Großteil (90%) von Thrombozyten gespeichert Thrombozyten setzen bei Aktivierung PAI frei -> hemmt die Fibrinolyse, erhöht die Stabilität des Thrombus Regulation (II): Antiplasmin (alpha-2-plasmininhibitor) - im Plasma erfolgt sofortige Hemmung von Plasmin durch Antiplasmin - Antiplasmin wird durch FXIIIa mit Fibrin vernetzt, dieses wird dadurch gegen Abbau geschützt 7 8 Gerinnung Regulation der Blutgerinnung rascher Wundverschluss, aber lokalisiert -> genaue Regulation erforderlich Risikofaktoren für Gerinnung: Virchow sche Trias Rudolf Virchow, Gerinnungsstörungen WANDFAKTOR BLUTFAKTOR KREISLAUFFAKTOR Veränderung an den Gefäßwänden (Endothelschäden -> Thromozytenadhäsion) z.b. durch Entzündung, Sklerose, Unfall, Verletzungen, Hypoxie (Herz/Lungenerkrankungen) erhöhte Gerinnungsneigung z.b. Störung der Blutgerinnung/Thrombolyse; erhöhte Viskosität, etwa durch Exsikkose langsamere Strömungsgeschindigkeit z.b. Fehlen der Muskel-Venen-Pumpe bei Bettlägrigkeit oder Ruhigstellung durch Schienen, Herzinsuffizienz, Krampfadern, Venenklappeninsuffizienz

3 Thromben Embolie Nach dem Erscheinungsbild - weißer Thrombus: plättchenreich, Peripherie der Gefäße = Abscheidungsthrombus = Verschleppung von partikulärem Material in den Blutstrom Thromboembolie (am häufigsten) Entstehung vorwiegend in den Venen, Wirbelbildung hinter den Venenklappen -> Gerinnungsaktivierung & Thrombinbildung Mobilisierung von Thromben -> Verschluss von Pulmonalarterien ( Lungenembolie ) - roter Thrombus: bei verlangsamtem Blutfluss, Gefäßverschluss, reich an Erythrozyten = Gerinnungsthrombus Hämorrhagien Hämorrhagischer Schock = Austritt des Blutes in die Umgebung - bei großen Schäden am Blutgefäß - bei Störungen der Blutgerinnung (hämorrhagische Diathese) Verlust von mehr als der Hälfte des zirkulierenden Blutes (2-3 Liter) Phase 1: Hämatokrit unverändert (Mobilisation von Erythrozytenspeicher) Hämatom -> Blutaustritt ins Gewebe Hämatothorax ->Brustkorb Hämatoperikard ->Herzbeutel Hämatoperitoneum ->Bauchhöhle Phase 2: Phase 3: Blutverdünnung, Hämatokrit sinkt Ausschüttung von EPO in der Niere, gesteigerte Blutbildung Hämorrhagische Diathese (krankhafte Blutungsneigung) 1) Mangel an Gerinnungsfaktoren 2) Vitamin K-Mangel erblich, Hämophilie, Bluterkrankheit mangelnde γ-carboxylierung der Gerinnungsfaktoren, daher keine Interaktion mit Ca 2+ und mit Phospholipidmembranen 3) Leberinsuffizienz da Gerinnungsfaktoren in der Leber gebildet werden 4) gestörte Thrombopoese 5) Bindegewebserkrankungen (Skorbut) Ad 1) Mangel an Gerinnungsfaktoren Hämophilie, Bluterkrankheit griech. haima, Blut; philos, Freund Erbkrankheit, X-chromosomal, rezessiv vererbt daher fast nur Männer betroffen Hämophilie A: Faktor VIII-Mangel Hämophilie B: Faktor IX-Mangel Von Willebrand Disease: Mangel an funktionsfähigem vwf

4 Hämophilie Symptome: Verlangsamte Blutgerinnung, tw. Spontanblutungen; häufig Gelenksblutungen Schnittverletzungen o.ä. führen nicht zu stärkerem Bluten als beim Gesunden, da Thrombozyten intakt sind; Verletzungen brechen aber immer wieder auf Hämophilie Therapie: - früher (bis ca. 1970) Blutkonserven - heute Ersatz des fehlenden Faktors (prophylaktisch oder bei Bedarf; intravenös) - Faktoren bis ca aus menschlichem Plasma gewonnen -> Gefahr der Ansteckung mit HIV, Hepatitis C, Hepatitis B - heute gentechnische Herstellung von Faktor VIII Faktor VIII-Präparate Octocog-alfa (rekombinanter Gerinnungsfaktor VIII) Advate - Baxter Zellkultur ohne Proteine menschlichen oder tierischen Urprungs Kogenate - Bayer Healthcare Endprodukt-Formulierung frei von HSA Komplikationen: Bildung von Antikörpern gegen FVIII -> Inaktivierung des zugeführten Faktors (Hemmkörperhämophilie) bei ca. 30% der Patienten -> Immunadsorption (Entfernung der Antikörper durch Bindung an Adsorber mit Protein A) -> Desensibilisierung (hohe Dosen von FVIII) Von Willebrand Disease ca. 100 / 1 Mio. erbliche Bluterkrankheit beschrieben von Prof. Erik von Willebrand Helsinki 1926 Britische Königsfamilie (beginnend mit Queen Victoria) Russische Zarenfamilie Ursache: Mangel an funktionellem vwf verschiedene Typen; Mutationen in vwf beeinträchtigen - Bildung des Multimers - Stabilität/Halbwertszeit - Interaktion mit Liganden

5 Von Willebrand-Faktor (vwf) Domänenstruktur von vwf multimeres Glykoprotein, 2050 Aminosäuren Bindungsstellen für Kollagen GPIb Integrin αiibβ3 (GPIIb/3a) findet sich in Endothelzellen, in α-granula der Plättchen, sowie im Plasma (10 µg/ml) unter normalen Bedingungen interagiert löslicher vwf nicht mit Rezeptoren auf Plättchen Bei Endothelverletzung bindet vwf an Kollagen in der ECM ->stark adhäsives Substrat Funktionen: Von Willebrand-Faktor (vwf) 1) Vermittlung der Plättchenadhäsion bei Endothelverletzungen vwf bindet an Kollagen in der extrazellulären Matrix ->stark adhäsives Substrat 2) Bindung und Stabilisierung von Faktor VIII GPIb-vWF Komplex Wechselwirkung zwischen GPIb (auf der Plättchenoberfläche) und vwf (auf Kollagen) stellt den ersten Schritt der Plättchenadhäsion dar keine feste Verankerung bringt Plättchen an den Ort der Verletzung verlangsamt die Fließschwindigkeit der Plättchen am Ort der Verletzung Plättchenadhäsion und aggregation langsamer, hohe Affinität AGGREGATION ADHÄSION rasch, niedrige Affinität Ad 2) Vitamin K-Mangel γ-carboxylierung von Gerinnungsfaktoren Agonisten ADP Thrombin Thromboxan Kollagen Coumarin 29 Vitamin K = Phyllochinon, 1935 aus Blättern der Luzerne isoliert von Henrik Dam (Nobelpreis Medizin 1943 mit Edward Adelbert Doisy); K steht für Koagulation 30 5

6 Gla-Domänen (grün) Ad 5) Skorbut Vitamin C-Mangel (<20 mg/tag; optimal: 75 mg/tag) -> mangelnde Kollagen-Biosynthese, Brüchigkeit der Blutgefäße untersucht von James Lind > Zitronensaft als Gegenmittel (Zitrone: 53 mg Vitamin C/100g; Hagebutte: 1250 mg/100g!) Skorbut Hydroxylierung von Prolin Kollagen: Strukturprotein des Bindegebes und der extrazellulären Matrix Typ I fibrillär: Tripelhelix Aminosäuresequenz: G-x-y x: oft Prolin y: oft 4-Hydroxyprolin Vitamin C Ascorbinsäure Vitamin C: Kofaktor der Hydroxylierung von Prolin Reduktionsmittel -> hält Prolin-Hydroxylase in der aktiven Form (Metalloprotein, Fe 2+ wird stabilisiert) Disseminierte intravasale Gerinnung (DIC) Diffuse Aktivierung der Gerinnung im Gefäßsystem Auslöser: z.b. Infektionen, bakterielle Toxine, Schlangengift, Bildung winziger Abscheidungsthromben -> Stagnation des Blutflusses, Hypoxie -> weitere Thrombusbildung -> Verbrauch an Komponenten der Gerinnungskaskade Thrombozytopenie Hypofibrinogenämie, Mangel an Faktor V, VII, X Verbrauchskoagulopathie

7 Disseminierte intravasale Gerinnung (DIC) Konsequenzen: erhöhte Blutungsneigung durch Verbrauch an Gerinnungsfaktoren spontane Blutungen in Haut, Schleimhäuten, Magen, Darm, Gehirn Mangeldurchblutung ->Mulitorganversagen Natürliche Antikoagulanzien - Tissue factor pathway inhibitor (TFPI) -Antithrombin(AT-III) - (aktiviertes) Protein C, Protein S Tissue factor pathway inhibitor, TFPI TFPI setzt am Beginn der Gerinnungskaskade an inhibiert VIIa und Xa sowohl Faktor VIIa als auch Xa sind für die Wirkung von TFPI nötig -> TFPI wirkt erst, wenn Faktor X aktiviert ist, es kommt daher bereits zur Thrombinbildung -> Xa verhindert nicht die Initiation der Gerinnung, sondern hält die Gerinnung in Grenzen (verhindert weitere Bildung von Xa)

8 TFPI TFPI - Lokalisation: v.a. auf der Endotheloberfläche (gerinnungshemmende Eigenschaften!) - zusätzlicher Pool in den α-granula der Plättchen, wird bei Plättchenaktivierung freigesetzt - zirkulierender Pool im Plasma gebunden an Lipoproteine (LDL); inaktiv - Komplex TF-FVIIa-FXa-TFPI interagiert mit Rezeptoren auf der Zelloberfläche -> Endozytose und Abbau des Komplexes - Typische Domänenstruktur: - 3 homologe Domänen (Kunitztype domains) - K1 -> FVIIa - K2 -> FXa Antithrombin (AT, AT-III) Serinproteaseinhibitor (Serpin) inaktiviert Thrombin (FIIa) und FXa; (auch IXa, XIa, XIIa) AT allein inhibiert Thrombin nur schwach Wirkung wird durch Glykosaminoglykane verstärkt Heparansulfat auf der Endotheloberfläche Heparin in der Klinik Heparin Heterogene Gruppe saurer Glucosaminoglykane: Antithrombin AT bindet hochspezifisch an eine Pentasaccharidsequenz in Heparin -> Konformationsänderung des AT-Moleküls -> erhöht Affinität für FXa und Thrombin

9 Thrombin Heparin 1) AT bindet an Heparin 2) Konformationsänderung 3) Thrombin wandert an Heparinkette bis zu AT 4) Heparin dissoziiert 5) Thrombin-AT-Komplex stabil (aktiviertes) Protein C Thrombin (FIIa) bindet an Thrombomodulin (Endotheloberfläche) FIIa-Thrombomodulinkomplex: - aktiviert Protein C (antikoagulatorisch) - aktiviert TAFI* (prokoagulatorisch) * thrombin-activable fibrinolysis inhibitor Protein C Ad 1) Aktivierung: durch Thrombin-Thrombomodulin an der Endotheloberfläche (negative feed-back loop) Wirkung: 1) Aktiviertes Protein C inaktiviert FVa und VIIIa (Kofaktor Protein S) 2) APC verstärkt Fibrinolyse durch Inhibition von PAI-1 und TAFI 3) entzündungshemmende Effekte Ad 2) Fibrinolyse u-pa, t-pa Plasminogenaktivatoren Fibrinodipeptid Abbau von Fibrin in lösliche Bestandteile

10 Schematic illustration of the Protein C anticoagulant pathway Thrombin (IIa) escaping the site of vascular injury binds to a high affinity receptor called thrombomodulin (TM), located on the surface of intact endothelial cells. Thrombin bound to TM looses most of its procoagulant properties instead, it becomes a potent activator of Protein C in the presence of calcium ions. Activated Protein C (APC) specifically degrades the membrane-bound factors Va and VIIIa, whereas non-activated factors V and VIII are poor substrates for APC. The activity of APC is potentiated by protein S and factor V. These two plasma proteins function in synergy as membrane-bound cofactors to APC and probably also, localize and focus the APC activity to the surface of endothelium and platelets. About 60% of protein S in plasma circulates in a complex with the octupus-shaped C4b-binding protein (C4bBP). Only free protein S functions as a cofactor for APC. APC is slowly neutralized by Protein C inhibitors (PCIs). Thrombin bound to TM will be inhibited either by antithrombin (AT) or by endocytosis of the thrombin/tm complex. Protein C Aktivierung wird durch negativ geladene Membranoberflächen katalysiert Protein C kann über Gla-Domäne an diese Oberflächen binden zusätzlich: EPCR (endothelial protein C receptor) Rezeptor für Protein C auf Zelloberfläche EPCR findet sich hauptsächlich auf der Endotheloberfläche in großen Venen und Arterien, weniger in den Kapillaren Faktor V Leiden Mutation in Faktor V (Name: wurde in Leiden entdeckt) häufigste Ursache für erbliche venöse Thrombose -> durch eine Mutation an der Spaltungsstelle für Protein C kann Faktor Va nicht inaktiviert werden Weitere Effekte von Protein C Link zu Entzündungsvorgängen: Endotoxin und Tumornekrosefaktor-α (pro-inflammatorisches Zytokin) -> Downregulation der Expression von Thrombomodulin und EPCR (daher schlechtere Aktivierung von Protein C) -> Protein C pathway funktioniert nicht Antikoagulantien in der Medizin Antikoagulantien in der Medizin - direkte: reagieren mit Faktoren der Gerinnungskaskade z.b. Heparin - indirekte: hemmen die Synthese der Gerinnungsfaktoren z.b. Citrat, Warfarin - Thrombozytenaggregationshemmer: Anwendung: - prophylaktisch: vor, während und nach Operationen; bei Bettlägrigkeit, bei Blutentnahme zur Blutreinigung (Dialyse etc); in Röhrchen zum Bluttransport - therapeutisch: Behandlung von Thrombosen z. B. Acetylsalicylsäure keine Antikoagulantien im engeren Sinn!

11 Antikoagulantien in der Medizin Wichtigste Vertreter: - Heparin (wirkt über AT) - Fondaparinux (hemmt Faktor Xa) - Hirudin ( inhibiert Thrombin) - Argatroban (inhibiert Thrombin) - Coumarinderviate (hemmen Carboxylierung v. Gerinnungsfaktoren) Heparin heterogene Gruppe von Molekülen Polysaccharide (Glucosaminoglykane) gewonnen aus Dünndarmmucosa des Schweins oder aus Rinderlungen wird nicht aus dem Magen-Darm-Trakt resorbiert -> parenterale Verabreichung (intravenös oder subkutan) Angriffspunkt: Antithrombin -> Erhöhung der Affinität von AT für FXa und FIIa ca. um den Faktor 1000 Dosis wird in Internationalen Einheiten (IE) angegeben: 1000 IE machen 1 L Rinderblut für eine Stunde ungerinnbar (37 C) Struktur von Heparin Sequenz von D-Glucosamin und einer Uronsäure (D- Glucuronsäure oder L-Iduronsäure, sulfatiert) daher stark negativ geladen Bindung an AT erfolgt über negative Ladungen Antidot: Protaminsulfat od. chlorid (Arginin-reiches Protein, neutralisiert Heparin durch Salzbildung z.b. bei Überdosierung) Heparin is a heterogenous mixture of polysaccharides. Its chains consist of alternating 1 to 4 linked, sulfated monosaccharide residues of L-iduronic acid and D-glucosamine. 63 [A] is the most frequent type of disaccharide unit (up to 90% of the structure of beef-lung heparin, and up to 70% of pig-mucosa heparin. [B] is the unique pentasaccharide binding site for antithrombin 64 which occurs in about one-third of the heparin chains. Klassifizierung der Heparine UFH und LMWH: Unterschiede im Wirkmechanismus Unfraktioniertes Heparin (UFH) - ca. 15 kda (3 30) - ca. 1/3 der Moleküle sind aktiv (enthalten spezifische Pentasaccharidsequenz für Bindung von AT) Low molecular weight heparin (LMWH) -ca. 5 kda(1-10) - wirken v.a. auf FXa - bessere Pharmakokinetik (höhere HWZ) - gewonnen aus UFH durch enzymatische oder chemische Depolymersiation UFH LMWH Thrombin-Antithrombin (TAT) dissoziiert von Heparin 65 H...Heparinbindungsstelle von AT, R... reaktives Zentrum von AT 66 11

12 Pathophysiology Heparin-induzierte Thrombozytopenie (HIT) HIT 1: non-immune response to heparin, 1-2 Tage nach Therapiebeginn, bei bis zu 30% der Patienten, milde Thrombozytopenie, symptomlos HIT2: - Bildung von Antikörpern (IgG-Typ) gegen Komplexe aus Plättchenfaktor 4 (PF4) und Heparin - tritt in ca. 5% der Pateinten auf, die mit UFH behandelt werden (bei LMWH ca. 1%) - PF 4: in a-granula der Plättchen gespeichert, - wird bei Plättchenaktivierung freigesetzt - bindet an Glucosaminoglykane auf der Endotheloberfläche - kann daher lokal die Wirkung von Antithrombin hemmen - hohe Affinität für Heparin - 67 HIT Folgen der Antikörperbildung: - Komplex aus PF4, Heparin, und Antikörper bindet an den Fc-Rezeptor der Plättchen und führt zur Plättchenaktivierung -> weitere Ausschüttung von PF4 -> PF4 bindet und neutralisiert freies Heparin -> PF4 bindet auch an Heparansulfat auf Endothelzellen ->Aktivierung der Endothelzellen und weitere Thrombinbildung -> Thrombose 68 HIT Maßnahmen: - Bestimmung der Thrombozytenzahl vor jeder Heparingabe, Abfall unter 50% des Ausgangswertes oder auf < /µL wird primär als HIT angesehen - Keine Behandlung von Patienten mit HIT in der Vorgeschichte mit Heparin - bei HIT-Verdacht sofortiges Absetzen von Heparin - Antikoagulation mit Danaparoid-Na (Orgaran) oder mit Hirudinpräparat (Lepirudin, Refludan) Anfang 2008: 19 Todesfälle in den USA durch verunreinigtes Heparin Der Heparin-Skandal Ende Februar 2008: Kontaminierte Chargen auch in Europa auf dem Markt (Rotexmedica, Deutschland) -> ca. 80 Dialysepatienten zeigten Blutdruckabfall, Atemnot; -> allergischer Schock bei 3 Patienten -> Rückruf

13 -> Ausgangsmaterial für Heparinpräparate stammte in beiden Fällen aus China - Seit BSE ist Schweinemucosa die Hauptquelle für Heparingewinnung - Mehr als die Hälfte der Weltproduktion stammt aus China Ursache: Verunreinigung mit Chondroitinsulfat (5-50 %) Chemisch ähnlich dem Heparin: N-Acetylgalctosamin und Glucuronsäure, sulfatiert kommt in Knorpel und Schalen von Meeresfrüchten vor; deutlich billiger als Heparin -> spricht für vorsätzliche Beimischung, wo ist jedoch ungeklärt

14 Ac tions of Thrombin Potential Advantages of Direct Thrombin Inhibitors Fondaparinux Arixtra Selektiver Faktor Xa-Hemmer Bindet nicht an PF4, daher keine Induktion von HIT Direkte Thrombin-Inhibitoren Pentasaccharid ( aktive Sequenz von Heparin) Nachteil: es gibt kein Gegenmittel Rekombinantes Hirudin Lepirudin, Refludan direkter Thrombininhibitor (rekombinantes Hirudin ) Hirudin: aus Blutegel; Hirudo medicinalis) 1884 entdeckt John Haycraft 1955 erstmals gereinigt aus Blutegelköpfen enger therapeutischer Bereich -> Blutungsrisiko

15 Argatroban Cumarin-Derivate direkter Thrombininhibitor synthetisch hergestellt Bei HIT-Patienten zugelassen - Gruppe der Cumarine Vitamin K- Antagonisten (Vit. K: Cofaktor bei der Carboxylierung von Gerinungsfaktoren) er Jahre Todesfälle bei Rindern (USA, Kanada) verschimmelter Klee als Ursache (Schimmel bildet Cumarine) als Rattengift zugelassen Wirkmechanismus geklärt Vitamin K- Antagonisten: Cumarin Vitamin K und Antagonisten Warfarin Coumarin Marcumar Citrat Wirkung als Antikoagulans beruht auf Komplexierung von Ca 2+ bei extrakorporaler Blutreinigung verwendet Antidot: Ca