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Einleitung In ihrer klinischen Symptomatik lassen sich der ischämische Schlaganfall (IS) und die intrazerebrale Blutung (ICH) nicht sicher unterscheiden. Hinsichtlich der Akuttherapie, die eine möglichst schnelle Wiederherstellung der zerebralen Sauerstoffversorgung („time is brain“) zum Ziel hat, ist diese Differenzierung jedoch essentiell. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Nachweis serologischer Biomarker in der Frühphase des Schlaganfalls zur Differenzierung zwischen IS und ICH. Hypothesen-gestützt wurden aufgrund pathophysiologischer Überlegungen hierfür die ZNS-spezifischen Proteine GFAP, UCH-L1, pNf-H, MBP und Tau untersucht. In einem hypothesenfreien Ansatz wurden Serumproben von Schlaganfallpatienten massenspektrometrisch analysiert.
Material und Methoden Die Patientenrekrutierung für die vorliegende Arbeit erfolgte im Rahmen der prospektiven, multizentrischen BE FAST II-Studie zur Evaluation von GFAP als Biomarker der akuten ICH. Von Mai 2012 bis April 2014 wurden Serumproben von Patienten mit akuter Schlaganfallsymptomatik in der Klinik für Neurologie der Goethe-Universität Frankfurt am Main gesammelt. Mittels kommerziell verfügbaren ELISA-Kits wurden die Serumkonzentrationen der Proteine UCH-L1, pNf-H, MBP und Tau bestimmt. Die Analyse der GFAP-Serumkonzentration erfolgte durch Roche Diagnostics mit Hilfe des Elecsys®-Systems, einem Elektrochemiluminiszenz-Immunoassay. Für die Massenspektrometrie wurden Serumproben aus der BE FAST-I-Studie, die von Ende des Jahres 2010 bis Anfang des Jahres 2011 asserviert wurden, eingesetzt. Die massenspektrometrischen Untersuchungen wurden in der Abteilung „Funktionelle Proteomics“ im Fachbereich Medizin der Goethe-Universität Frankfurt am Main durchgeführt.
Ergebnisse Tau und MBP ließen sich in den meisten Serumproben nicht nachweisen. In der pNf-H-Messung lag die Konzentration bei 27 von 35 Patienten oberhalb der Nachweisgrenze, wobei sich kein signifikanter Unterschied zwischen IS und ICH ergab (p = 0,69). UCH-L1 ließ sich bei 28 von 29 Patienten nachweisen. In der IS-Gruppe war eine signifikant (p = 0,005) höhere UCH-L1-Konzentration nachweisbar (Median 5,71 ng/ml) als in der ICH-Gruppe (Median 2,37 ng/ml). GFAP war bei allen 45 Patienten nachweisbar mit signifikant (p < 0,00005) höherer Konzentration in der ICH-Gruppe (Median 2,87 ng/ml) verglichen mit der IS-Gruppe (Median 0,01 ng/ml). Zudem fand sich eine positive Korrelation der UCH-L1-Werte in der IS-Gruppe mit dem Patientenalter (r = 0,62, p = 0,01), sowie eine positive Korrelation der GFAP-Werte in der ICH-Gruppe mit dem Patientenalter (r = 0,54, p = 0,03), dem NIHSS-Wert (r = 0,69, p = 0,04) und mit dem ICB-Volumen (r = 0,60, p = 0,01). In der massenspektrometrischen Analyse ließ sich eine Top Liste aus 22 Proteinen erstellen, die jeweils signifikante Unterschiede zwischen IS und ICH aufweisen.
Diskussion Die Rolle des Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) und insbesondere von UCH-L1 beim IS ist bislang noch nicht abschließend geklärt. Nach einer zerebralen Ischämie ist jedoch eine Upregulation von UCH-L1 beschrieben, u.a. durch eine verstärkte UPS-Aktivität durch Aggregate fehlgefalteter Proteine. Daneben reagieren Neurone sensibler auf eine Hypoxie als Gliazellen mit einer dominierenden Freisetzung neuronaler Proteine wie UCH-L1. Bei ICH kommt es dagegen eher zu einer unspezifischen Destruktion des Hirngewebes mit vorwiegender glialer Schädigung und rascher Freisetzung glialer Proteine wie GFAP. Mit UCH-L1 und GFAP konnten zwei Proteine als erfolgsversprechende Kandidaten zur Differenzierung zwischen IS und ICH in der Frühphase identifiziert werden. Zur weiteren Validierung sind Untersuchungen an einer großen Population notwendig, die auch kleinere Infarkte und Hirnblutungen einschließt. Auch der Einfluss epidemiologischer und klinischer Faktoren wie z.B. dem Patientenalter muss weiter evaluiert werden.
Die mittels Massenspektrometrie erstellte Top Liste aus 22 Proteinen enthält vielversprechende Biomarker-Kandidaten, die signifikante Unterschiede zwischen IS und ICH aufweisen und ebenso an einem großen Patientenkollektiv weiter untersucht werden müssen.
Background: A reliable distinction between ischemic stroke (IS) and intracerebral hemorrhage (ICH) is required for diagnosis-specific treatment and effective secondary prevention in patients with stroke. However, in resource-limited settings brain imaging, which is the current diagnostic gold standard for this purpose, is not always available in time. Hence, an easily accessible and broadly applicable blood biomarker-based diagnostic test differing stroke subtypes would be desirable. Using an explorative proteomics approach, this pilot study aimed to identify novel blood biomarker candidates for distinguishing IS from ICH.
Material and Methods: Plasma samples from patients with IS and ICH were drawn during hospitalization and were analyzed by using liquid chromatography/mass spectrometry. Proteins were identified using the human reference proteome database UniProtKB, and label-free quantification (LFQ) data were further analyzed using bioinformatic tools.
Results: Plasma specimens of three patients with IS and four patients with ICH with a median National Institute of Health Stroke Scale (NIHSS) of 12 [interquartile range (IQR) 10.5–18.5] as well as serum samples from two healthy volunteers were analyzed. Among 495 identified protein groups, a total of 368 protein groups exhibited enough data points to be entered into quantitative analysis. Of the remaining 22 top-listed proteins, a significant difference between IS and ICH was found for Carboxypeptidase N subunit 2 (CPN2), Coagulation factor XII (FXII), Plasminogen, Mannan-binding lectin serine protease 1, Serum amyloid P-component, Paraoxonase 1, Carbonic anhydrase 1, Fibulin-1, and Granulins.
Discussion: In this exploratory proteomics-based pilot study, nine candidate biomarkers for differentiation of IS and ICH were identified. The proteins belong to the immune system, the coagulation cascade, and the apoptosis system, respectively. Further investigations in larger cohorts of patients with stroke using additional biochemical analysis methods, such as ELISA or Western Blotting are now necessary to validate these markers, and to characterize diagnostic accuracy with regard to the development of a point-of-care-system for use in resource-limited areas.