(Liste der biochemischen Indikatoren) (Vorlesungs-Umdruck 1988 / und davor) (CHART aus OLT )   Text aus OLT134

(Infos - Umstellung auf SI-Einheiten-System 1978)

Biochemische Messungen zur Ermittlung des Ernährungszustandes

Jeder biologische Organismus ist bestrebt mit sich und den Umwelt-Anforderungen in einem dynamischen Gleichgewicht zu sein (Homeostase). Für Leistungen (Lebenserhaltung, Wachstum, Arbeit usw.) werden Energie und Nährstoffe benötigt; es ist ein kontinuierlicher Prozess. Der Stoffwechsel stellt dazu in den vielfältigen Reaktionsformen das Angeforderte bereit; und zwar aus Körperreserven und der zugeführten Nahrung. Ab einer bestimmten Fehlmenge gibt der Körper Signale zur Nahrungsaufnahme (Hunger- bzw. Appetit-Signal), ab einem bestimmten Überschuss gibt es auch Signale, die die Nahrungszufuhr beenden lassen (Sättigung). Wird dies durch die (äußere) Umstände nicht gestört), dann reguliert sich durch das Spiel von Hunger und Sättigung die Ernährungsbilanz. Man hat eine gute Bilanz, man hat einen guten Ernährungs-Zustand. Diese normalen Schwankungen zwischen Hunger und Sättigung, die durch die Diskrepanz zwischen kontinuierlichen Bedarfsanforderungen, aber normalerweise diskontinuierliche Nahrungsaufnahme (Mahlzeiten) hervorgerufen werden, können auch durch Stoffwechsel-Größen beschrieben werden. So lösen z. B. die Konzentrationsunterschiede von Glukose (oder auch Aminosäuren) zwischen Arterie und Venen die Signale aus.

Solche Veränderungen entsprechen normalen Reaktionsbreiten; der Ernährungszustand ändert sich erst, wenn die normale Regulation nicht mehr ausreicht, wenn zu lange (Faktor Zeit) unangepasst (zu wenig oder zu viel) Nahrungs-Energie und/oder Nährstoffe zugeführt werden. Eine etwas längere Hungerphase oder einmal zuviel essen ändert den Ernährungsstatus höchstens theoretisch. Der Körper hat Reserven; für die einzelnen Nährstoffe gibt es unterschiedlich große Speicher. Manche haben nur kleine Speicher, dann muss die Regulation innerhalb weniger Tage geschehen (z. B. Kohlenhydrate, Vitamin B1); für andere sind die Speicher sehr groß - d. h. hier kann die Bilanz über ein Jahr auf diese Weise reguliert werden (z. B. Vitamin A, Vitamin B12, Calcium).

Sind die Speicher normal gefüllt, dann ist ein optimaler Ernährungszustand gegeben. Es ist Einstellungssache, ab welchem Grad der Speicherlücken man von einem verminderten Ernährungszustand spricht. Je größer diese Lücke, desto größer wird das Risiko, dass durch zusätzliche Anforderungen der Vorrat aufgebraucht wird. Die biologische Regulation setzt bereits vorher ein. Sind z. B. die Eisenreserven vermindert, dann wird das Eisen der Nahrung wirkungsvoller resorbiert; umgekehrt vermindert sich bei gefüllten Eisenspeichern die Eisenaufnahme. Es gibt Überlegungen schon dann von einer ersten Unsicherheits-Stufe im Ernährungs-Zustand zu sprechen, wenn die Speicher nicht ganz voll sind; andererseits ist damit die Funktionsfähigkeit des Organismus in keiner Weise eingeschränkt. Der latente Fehlernährungszustand ist eine fast theoretische Größe (s. S. 157).

(CHART - Ernährungs-System)

Eine andere Vorbemerkung erinnert an die Tatsache, dass die Regulation des Stoffwechsels leider (aus der Sicht des Forschers, der den Ernährungsstatus erfassen möchte und glücklicherweise aus der Sicht jedes Menschen) nicht nur hinsichtlich des Faktors Ernährung bzw. einzelner Nährstoffe, sondern auch zwischen diesen Stoffen und den anderen Umweltfaktoren geschieht. Die biochemischen Stoffwechselgrößen sind empfindlich und anfällig für viele Variablen. Nur aus der Sicht dessen, der die Beziehungen zu einem spezifischen Nährstoff- bzw. Ernährungs-Zustand betrachtet, sind die notwendigen anderen Homöostasereaktionen "Störfaktoren". Man kennt vielfältige Regelsubstanzen und -mechanismen. Das biochemische, ernährungsphysiologische Wissen ist enorm; und in vielen entsprechenden Lehrbücher dokumentiert. (Chart-  Böhringer Biochemical Pathways) (CHART - Tremolieres - Nutrient-Interactions) (Nährstoff-Bedarfsfaktoren) (Kenntnisse zu Kompartments in denen die Nährstoffe sind, unterschiedliche Funktionen haben können; Auf- und Abbau der Nährstoffe; Ausscheidungsmechanismen, usw - kurz Kenntnisse der biomolekularen Reaktionswege der <Nähr>Stoffe).

Dieser Wissensschatz kann nun bei entsprechender Anwendung, unter kontrollierten Bedingungen und mit angepassten Beobachtungszeiträumen (z. B. in Kliniken) sehr differenzierte Aussagen über den Stoffwechselzustand zulassen. Solche Situationen stehen in Kontrast zu denen von ernährungsepidemiologischen Feldstudien. Bei letzteren wird mehr oder weniger eine Momentaufnahme aus isolierten Biopsieproben bestimmt:

 "The message is that we are faced with an equation that implies a snap 'photographic'sampling of the body fluid, we always have to realise that the immediate state derives from a large number of dynamic changes all going on at the same time, and that anabnormal result is most likely to be the summation of dynamic changes in the steady-state both of inflow and of outflow". (Baron, 1986)

Dies erklärt, warum bisher die Anwendung der biochemischen Indikatoren als Methode zur Ermittlung des Ernährungszustand in Feldstudien trotz vielfältiger Anstrengungen so unbefriedigend ist. Diese Probleme lassen sich nicht als solche ausklammern; man muss sie anerkennen und nach entsprechenden Gegenstrategien suchen. Diese werden weniger darin zu finden sein, dass man immer mehr einzelne Stoffgrößen erfasst (z. B. Cholesterin immer weiter in Unterfraktionen misst; seltene Aminosäurederivate in kleinsten Spuren registriert usw.); sondern man muss bei den bereits bekannten Indikatoren nach angepassten Untersuchungsmodellen forschen. Das heißt z. B. es ist weniger die Vielzahl der Einzelmessungen im Untersuchungs-Design anstreben, als das folgerichtige, abgestimmte Miteinander von Methoden entsprechend der Messtheorie und der Kenntnisse der "Störvariablen".

(Übersicht 81A - Literatur - Korrelationen biochemische Indikatoren - Nährstoffaufnahme-Daten

Der praktische Einsatz der biochemischen Indikatoren ergibt sich aus den Grenzen der Zugänglichkeit von biologischen Untersuchungsmaterial. Die Studienteilnehmer müssen ja freiwillig zustimmen. Der Untersucher muss überlegen, welches Risiko er den Teilnehmer zumutet, um die Erkenntnisgewinne zu rechtfertigen. Leicht zugänglich in dieser Hinsicht und ohne Risiko sind Produkte, die außen am Körper sind bzw. die ausgeschieden werden. Das sind z. B. Urin, Faeces, Haare, Finger- und Fußnägel. Man kann auch Hautoberflächen relativ problemlos "abhobeln". Blut als das zentrale Stofftransport-Medium im Körper ist schon nicht mehr so problemlos zu erhalten. Biopsien aus inneren Geweben sind theoretisch bzw. in der Klinik-Situation möglich; aber bis auf Ausnahmen (z. B. Fettgewebsbiopsie aus Unterhaut-Fettgewebe) nicht für Feldstudien geeignet.

Zu der Anforderung an das Biopsie-Material bezüglich seiner Zugänglichkeit gehört auch, dass die Belastung für den Teilnehmer (Prinzip der Freiwlligkeit; Aufklärung, Information) gering sein soll. Der Studien-Teilnehmer sollte möglichst ohne größere Vorbereitung (wie z. B. stundenlanges "Fasten") zu einem freiwählbaren Zeitpunkt die Probe-Entnahme über sich ergehen lassen können. Man sollte möglichst wenig Material entnehmen; die Laborbestimmungen sollten an kleinen Biopsie-Mengen erfolgen können ("Mikro-Methoden"). Ein Aspekt der in der klinischen Chemie nicht den Stellenwert hat; da in der Klinik Material auf Anforderung des Labors fast beliebig zugänglich ist. Bei epidemiologischen Feldstudien ist es jedoch günstig wenn man nur einen "Tropfen" (Blut) braucht.

Biochemische Untersuchungen sind aufwendiger, sind teurer, als die bisher beschriebenen anderen Ernährungsstatus-Indikatoren. Man braucht spezielle Untersuchungslabors und -geräte, sowie speziell ausgebildetes Personal; dementsprechend sollten sie auch ein Mehr an Informationen bieten. Die Tests sollten nur von einem Nährstoff abhängig sein, d. h. sie sollten spezifisch sein. Sie sollten unabhängig von Störvariablen sein, d. h. sie sollten stabil sein. Die Durchführung sollte relativ einfach und schnell; die Interpretationen sollten einfach und eindeutig sein. Das Ideal wäre ein sich selbst entwickelter Teststreifen ("dip and read"), so wie er auch für manche Indikationen (wie z. B. Diabetes-"screening" nach Harnzucker mit entsprechenden Teststreifen) bekannt ist.  (erhöhter Aufwand der biochemischen Untersuchung nur dann zu rechtfertigen, wenn es für die Sache notwendig ist; wenn sie einen Mehr-Wert an Information liefern; sie sollten nicht "Status-Symbol" bei Ehrebungen sein - biochemische Indikatoren gelten als "wissenschaftlicher", als einfache Beobachtung; dazu passendes "Cartoon")

In der Realität ernährungsepidemiologischer Studien sind jedoch kaum ideale biochemische Tests zu finden; es gibt keinen Test der problemlos den Ernährungszustand frühzeitig richtig widerspiegelt. Die Auswahl der biochemischen Methoden wird auch immer zu Kompromissen führen, denn alle Anforderungen können nicht gleichzeitig von einem Test erfüllt werden. Man wird auch - wenn man sich schon für den Aufwand der biochemischen Untersuchung entschließt - nicht nur einen Indikator messen, sondern man wählt ein gemäß der ernährungsphysiologischen Kenntnisse ein Bündel von Messungen ("biochemical battery"). Dies bedeutet jedoch eine weitere Verteuerung der Studie; so werden aus ökonomischen Gründen Kompromisse geschlossen, dass man z. B. nur an einem Subsample biochemische Untersuchungen vornimmt. Bei dem hohen Aufwand ist es auch angeraten, nur dann biochemische Indikatoren einzusetzen, wenn man entsprechende Vorkenntnisse von der Studien-Situation hat, die es zulassen nach spezifischen Untersuchungs-Modellen gezielt und bewusst spezifisch biochemische Indikatoren anzuwenden. Sie sind also eher für Folge-Untersuchungen als für Erst-Untersuchungen geeignet.

Die Aussagen der biochemischen Indikatoren können folgenden beiden Bereichen zugeordnet werden, nämlich der Nährstoff-Zufuhr (aktuell) und dem Ernährungs-Zustand ("chronisch", bestimtten Zeitraum betreffend; Zustandsänderung - Richtung im Mangel; während Therapie; Rehabilitation, u.a.)). Bei Indikatoren zur Nährstoff-Zufuhr kann weiter unterschieden werden, zwischen solchen, die die kurzfristige Zufuhr angeben (akute Zufuhr der letzten Tage) - z. B. durch Ermittlung der Gehalte der Nährstoffe in Blut und Harn. Mit ihnen können z. B. die Gültigkeit der Ernährungs-Aufnahme-Methoden ermittelt werden. Andere Indikatoren geben Beziehungen zur langfristigen Zufuhr-Bilanz an, indem man versucht die Nährstoff-Vorräte zu erfassen. Die Indikatoren, die auf den Ernährungs-Zustand hinweisen, sind solche, die Veränderungen im Stoffwechsel durch Messungen der Metaboliten und der Stoffwechsel-Steuerungs-Substanzen (Enzyme, Hormone) anzeigen (einmalige Messungen - "Schnappschuß" - vs Verlaufsmessungen)  (Unterschiede Indikatoren für klinische Diagnostik vs Indikatoren bei Feldstudien; Screening - s. Abb37) (Biological Variations - HANES - NHSReport No.21 - 1.3.2010).

Alle Methoden der biochemischen Indikatoren beginnen mit der Probe-Entnahme; man muss dabei wissen, was später an dem Biopsie-Material gemessen werden wird. Man muss wissen, wie das Material gelagert und vorbereitet werden muss. So folgen einige grundsätzliche Hinweise für die Probegewinnung der gängigen Biopsie-Materialien; das sind vor allem Blut und Harn . Für das konkrete Vorgehen ist es nützlich, sich das entsprechende Fachwissen durch entsprechende Forschungskooperation zugänglich zu machen.

(weiter - Blutprobe / Harnprobe / weitere Biopsiematerialien)

Die Methoden der biochemischen Indikatoren können nach den verschiedenen Formen von Ernährungszuständen geordnet werden.

- Protein-Energie-Malnutrition (PEM)
- Hämoglobin (Hämatologie)
- Überernährung-Zivilisations-Krankheiten -

Es ist bekannt, dass in Regionen, in denen Überernährung vorherrscht, trotzdem Nährstoffmangel auftreten kann; der u. a. durch falsche Ernährungsgewohnheiten verursacht sein kann (Wahl von Lebensmitteln mit geringer Nährstoffdichte) (Schlierf, Wolfram 1982). So werden im folgenden die Indikatoren für den Vitamin- und Mineralstoff-Zustand dargestellt.

Fettlösliche Vitamine:
- Vitamin A (Retinol)
- VItamin D
- Vitamin E (Tocopherol)
- Vitamin K
Den wesentlichen Teil der wasserlöslichen Vitamine machen die Vitamine der B-Gruppe aus. Für sie ist kennzeichnend, dass man bei ihnen die jeweilige Stoffwechselfunktion gut beschreiben kann. Sie sind in Form von Koenzymen unmittelbar an den Stoffwechsel der Nährstoffe beteiligt. Ihre Wirkformen entstehen in der Leber, folglich sind sie auch vom Leberstoffwechsel abhängig. Ihr Status muss in Abhängigkeit vom jeweiligen Nährstoff gesehen werden, bei dessen Stoffwechsel sie mitwirken. Daraus lassen sich gute biochemische Zustandsindikatoren ableiten.
- Vitamin B1  (Thiamin)
- Vitamin B2 (Riboflavin)
- Vitamin B6 (Pyridoxin)
- Niacin
- Folsäure
- Vitamin B12 (Cobalamin)
- Biotin
- Pantothensäure + Cholin
- Vitamin C (Askorbinsäure)

Die Besprechung der Methoden der biochemischen Indikatoren zur Ermittlung des Ernährungszustandes des Menschen umfasst letztlich noch ein weiteres großes Kapitel. Es betrifft alle Mineralstoffe. Viele chemische Elemente sind für das Funktionieren des Körpers unabdingbar, sie zählen zu den essentiellen Nährstoffen. Sie wirken dabei nicht in ihrer Element-Form, sondern als entsprechende Ionen. Sie werden in unterschiedlichen Mengen vom Körper benötigt; von einigen Gramm/Tag bis hin zu Mikrogramm-Mengen. Dies wird z. B. als ein Unterscheidungsmerkmal herangezogen (Mengen- bzw. Spurenelemente); dies spielt aber im Prinzip für die Beurteilung des betreffenden Ernährungszustandes keine Rolle.

Auch hier müssen bei der Beurteilung wieder die Zusammenhänge gesehen werden; es gibt zwischen den einzelnen Elementen eine Vielzahl von Interaktionen; auf die nur pauschal hingewiesen wird. Darüber hinaus stehen viele Mineralstoffe im Stoffwechsel in Beziehung zu Enzymen, sie helfen bei deren Steuerung mit (z. B. als Effektoren). Da die Enzymwirkung auch in Zusammenhang mit Vitaminen, sind auch spezielle Wechselbeziehungen zwischen Vitaminen und Mineralstoffen bekannt. Darüber hinaus gibt es effiziente Stoffwechselregulationsmechanismen für die Mineralstoffe und letztlich wirken auf die Mineralstoffe auch Schadstoffe.

Es ist kennzeichnend für die biochemischen Indikatoren der Mineralstoffe, dass hier fast ausschließlich die Messungen der jeweiligen Konzentrationen der Elemente bzw. Ionen in den üblichen Biopsie-Materialien, wie Blut, Harn und Haare (gelegentlich auch andere, wie z. B. Zähne) herangezogen werden. Lange Zeit gab es für einige Mineralstoffe keine einfachen Analysen-Methoden (wie z. B. für Magnesium und Zink), folglich gab es für diese Mineralstoffe auch wenige Untersuchungen. Diese Lücken (sind in Analogie zu der Situation bei den Vitaminen) durch moderne Labormethoden geschlossen, diese sind im Falle der Mineralstoffe, vor allem Atomabsorptions-Spektrometrie (AAS), Neutronenaktivierungsanalyse (NAA), neben anderen ebenfalls große technische Apparaturen benötigende Methoden (Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie; Protonen-induzierte Röntgen(X-ray)-Strahlen-Emission [PIXE] usw.).

- Eisen
- Calcium + Phosphor
- Magnesium
- Zink
- Selen
- weitere Spurenelemente
- Natrium + Kalium
- Jod
- Fluorid

Am Ende des Kapitels über biochemische Indikatoren soll noch einmal an die vorangestellten Bemerkungen über die Problematik der biochemischen Indikatoren erinnert werden. Man wird selten nur einen biochemischen Indikator in ernährungsepidemiologische Studien aufnehmen, da der Aufwand zur Erhaltung der entsprechenden Biopsie-Probe (Blut, Harn usw.) recht hoch ist. Ist jedoch erst einmal solches Untersuchungsmaterial vorhanden, können in Labors (fast beliebig, Einschränkung z. B. durch begrenzte Menge oder unangepasste Probenvorbereitung) leicht weitere Analysen unternommen werden.

Andererseits ist es zu aufwendig und zu teuer, ziellos alle möglichen biochemischen Indikatoren zu erfassen. Es wurde versucht an einigen Beispielen deutlich zu machen, wie komplex die Regulation der Stoffwechsel-Funktionen sind, die "hinter" den Messwerten stehen. Überspitzt formuliert, jeder Indikator Bedarf zur Interpretation eines eigenen Spezial-Wissenschaftlers.

In der Regel sollte bei ernährungsepidemiologischen Studien eine bewusste Auswahl der biochemischen Indikatoren erfolgen. Diese können sowohl einzeln mit Referenzwerten verglichen werden, man kann aber auch über Index-Bildungen mehrer Indikatoren miteinander verbinden.

Labortestwerte - Infoportal - www.labtestonline.de
Klinische Indikatoren (elektronisches Buch) - http://www.laborlexikon.de/Vision.htm
- Aus der Apotheken-Umschau (www.apotheken-umschau.de/magazin - Apotheken-Umschau 1.11.2009 - Hinweis auf Internet-Portal) - http://www.apotheken-umschau.de/laborwerte-A080523KESOP078408.html#

(Auch Hinweis - biochemische Indikatoren nicht nur für den Ernährungszustand sondern allgemein in der klinischen Diagnositik - umfangreiche Tests z.B. bei Neugeborenen - Geburt - Newborn Screening ) (Fitness bei Sportlern, Doping; Vertragsabschlüsse - Beruf, Verischerung usw - Tendenz zunehmend)

Abschließend die Hinweise darafu, dass jede Messung (Indikator) bewertet werden muss; Interpretation - Vergleich mit Normwerten - Standards; wobei die Anforderungen bei empirischen Feldstudien andere sind, wie bei der klinischen Diagnose (Abb.37). Es gibt Einteillungen (Kriteriensgrenzen, cut off points). Darauf wird bei den einzelnen Indikatoren hingewiesen.

Anm.: Die moderne Entwicklung im Bereich der Biochemie wird hier nicht abgebildet - dazu ist die automatisierte Analyse mit gekoppelter IT zu rasant - Hinweis auf Bigdata und Om-Zeitalter.

Deelen, J. et al.: A metabolic profile of all-cause mortality risk identified in an observational study of 44,168 individuals. Nature Communications 10, # 3346 20.08.2019 (ref. Prognose der Restlebenszeit Kombination von Blutwerten soll Sterberisiko voraussagen. Tagesspiegel 20.08.2019)

- Horton, S. et al.: The Top 25 Laboratory Tests by Volume and Revenue in Five Different Countries. Amer J Clinic Pathol 151 (5) 446–451, https://doi.org/10.1093/ajcp/aqy165 (May 2019) ⇔ link bei www.eurekalert.org 22.05.2019

- Entwicklung: Lab-on-a-chip - wikipedia - Ziel: Mit dieser Technologie lassen sich geringste Mengen (wenige Pikoliter bis Mikroliter) einer Flüssigkeit auf einem einzigen Chip vollständig und automatisch analysieren.

- Collins, J.L. et al.: Electrical and chemical characterizations of hafnium (IV) oxide films for biological lab-on-a-chip devices. Thin Solid Films Vol 662, 60-69 doi.org/10.1016/j.tsf.2018.07.024 (30.09.2018) ⇔ link bei www.eurekalert.org 05.10.2018
Durch gleichzeitige Messung vieler Metaboliten im Urin z.B. kann die Ernährungsweise beurteilt werden.
Urintest für gesunde Ernährung. bild der wissenschaft 13.01.2017  ⇒ Garcia-Perez, I. et al.:  Objective assessment of dietary patterns by use of metabolic phenotyping: a randomised, controlled, crossover trial.  Lancet Diabetes Endocrinol. 12.01.2017  dx.doi.org/10.1016/ S2213-8587(16)30419-3  (Press release Imperial College London)
- Xinmin S. Li et al.:  Gut microbiota-dependent trimethylamine N-oxide in acute coronary syndromes: a prognostic marker for incident cardiovascular events beyond traditional risk factors. European Heart Journal, 2017; ehw582 DOI: 10.1093/eurheartj/ehw582 ⇔ Science Daily 10.01.2017 -

 

Literatur-Hinweise (link)- allgemein biochemische Indikatoren

Weitere Hinweise - allgemein - Wissenschaft - klinische Chemie; Labordiagnostik;  Analyse-Automaten

Auswertung - Experten-Systeme (Befunde verglichen mit Norm-Bereichen) (Beispiel - Chart)

Bewertung - verbunden mit funktionellen Auswirkungen

Biosensoren-Entwicklung -  

Stiftung Warentest: Meine Laborwerte; Berlin, 2014