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Bild 1: Elementbestimmung mit der ICP-OES. Im Bild: Optische Emission bei der Analyse einer Yttrium-Lösung. © Medizinisches Labor Bremen

Obwohl für viele Mineralstoffe oder Spurenelemente die Konzentrationsbereiche in klinischen Proben schon lange bekannt sind, gibt es nur wenige Studien, bei der eine hohe Anzahl an Elementen in unterschiedlichen Körperflüssigkeiten einzelner Personen bestimmt wurden. Das liegt u. a. an komplexen analytischen Herausforderungen, wie z. B. den extrem großen Konzentrationsunterschieden einzelner Elemente, der Erfordernis von besonders nachweisstarken, selektiven und präzisen Methoden sowie generell hohen Anforderungen an die Elementanalytik (Blindwertproblematik, komplexe Probenvorbereitung, geeignete Kalibrierung, Stabilität der Elemente in Lösung, Auswahl interner Standards, Umgang mit Matrixeinflüssen und spektralen Störungen usw.). Aufgrund dieser vielen Anforderungen erfordert Multi-Elementanalytik in der labormedizinischen Diagnostik nicht nur eine spezielle Laborausstattung, sondern auch hohe Fachkompetenz der Analytiker.

Bild 2: Unterschiedliche Verteilung toxischer Metalle zwischen den Bestandteilen des Blutes. Links: Chrom ist als Cr(VI) vorwiegend in den Erythrozyten gebunden. Rechts: Thallium (Tl) liegt vorwiegend im Plasma vor. Beide Beispiele sind klinische Fälle akuter Metallvergiftungen. (Die Fotos der Blutprobe und der zentrifugierten Probe dienen der Veranschaulichung; sie zeigen nicht die Originalproben). © Medizinisches Labor Bremen

In Bild 2 sind solche Verteilungen am Beispiel von Chrom (Cr) und Thallium (Tl) dargestellt (diese Proben sind nicht Bestandteil der hier vorgestellten Studie). Bei toxikologisch relevanten Elementen, die im Blut an den Erythrozyten gebunden sind (z. B. Chrom (VI), Cadmium oder Blei) wäre z. B. bei akuter Vergiftung eine Hämodialyse weniger effektiv, dafür aber eine Erythrozytenapherese zur Beseitigung des Toxins erfolgreicher.

Auch die dargestellten Konzentrationsbereiche für Urin sind als Beurteilungswerte sehr wertvoll, da dieses Probenmaterial für viele Elemente geeignet ist, um entweder berufliche Exposition mit Metallen oder durch Umwelteinflüsse zu diagnostizieren. Bei beruflicher Exposition gilt das u. a. für Elemente wie Aluminium (Al), Arsen (As), Barium (Ba), Beryllium (Be), Bor (B), Cadmium (Cd), Chrom (Cr), Kobalt (Co), Kupfer (Cu), Fluor (F), Quecksilber (Hg), Indium (In), Nickel (Ni), Platin (Pt), Selen (Se), Uran (U), Vanadium (V) und Zink (Zn). Das Human-Biomonitoring durch Metallbestimmungen im Urin ist auch ein Bestandteil der arbeitsmedizinischen Vorsorge.

Analytische Techniken

Um den oben beschriebenen komplexen analytischen Herausforderungen der Elementanalytik gerecht zu werden und zudem hohe analytische Qualität zu erreichen, wurden die Elemente in verschiedene Methodengruppen aufgeteilt und zu deren Bestimmung sowohl die optische Emissionsspektrometrie als auch die Massenspektrometrie in Verbindung mit induktiv gekoppelten Plasma (ICP) eingesetzt [1]. Die ICP-OES ist für ausgewählte Elemente sinnvoll, weil sich höhere Präzision und Richtigkeit erreichen lässt und spektrale Störungen der ICP-MS vermieden werden. Doch aufgrund der niedrigen Konzentrationsbereiche vieler Elemente in klinischen Proben ist die ICP-MS wegen der deutlich höheren Nachweisstärke für die meisten Elemente notwendig. Aber auch dann noch kann es für viele Elemente zu Einschränkungen durch spektrale Störungen kommen. Eine Lösung liegt dabei im Einsatz der ICP-MS/MS, bei der zwischen den beiden Quadrupolen noch eine Kollisions- bzw. Reaktionsgaszelle integriert ist, die es ermöglicht, dass entweder die Störer beseitigt werden oder die Analyten vor der Trennung im zweiten Quadrupol des Massenspektrometers zu einer höheren und ungestörten Masse reagieren. Für einige Elemente ist diese Technik notwendig (z. B. für Chrom, Titan, Germanium, Palladium, Silizium) oder qualitätsverbessernd (z. B. für Selen, Arsen, Cadmium, Aluminium, Mangan). Als ein Beispiel sollen hier nur die Bestimmungen von Chrom oder Titan im Blut aufgeführt werden. Beide Elemente haben signifikante spektrale Störer bei allen Isotopen (u. a. ⁴⁰Ar¹² C⁺, ³⁵Cl¹⁶O¹H⁺, ³⁶Ar¹⁶O⁺, ³⁴S¹⁸O⁺ für ⁵²Cr⁺ oder ⁴⁸Ca⁺, ³²S¹⁶O⁺ für ⁴⁸Ti⁺). Einfache Quadrupol-ICP-MS ist hier nicht mehr möglich, um Qualitätsstandards in der Medizin einzuhalten.

Zur analytischen Qualitätssicherung für die Studie wurden die im Markt verfügbaren Kontrollmaterialien eingesetzt sowie an nationalen und internationalen Ringversuchen erfolgreich teilgenommen [1].

Fazit

Durch Bestimmung der Konzentrationsbereiche von 73 Elementen in einer Studie mit 102 Teilnehmern ist eine fundierte Darstellung über die Verteilung der Elemente in Blut, Serum, Erythrozyten und Urin entstanden. Die Ergebnisse sind nützlich für die Auswahl eines geeigneten klinischen Untersuchungsmaterials, die Bewertung von medizinischen Befunden und die Interpretation von Studiendaten.

Publikation:
[1] Peter Heitland, Helmut D. Köster: Human biomonitoring of 73 elements in blood, serum, erythrocytes and urine, Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, Volume 64, 2021, https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2020.126706

AUTOREN
Dr. Peter Heitland, Dr. Helmut D. Köster
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