Neue Serum-Analyse: Nicht nur wie viel Metall im Blut ist, sondern in welcher biologischen Form

Der BAuA-Beitrag verweist auf eine 2026 im Fachjournal Talanta veröffentlichte Studie von Johannes Fischer, Anne Nagel und Andy Schmied. Entwickelt wurde ein analytisches Verfahren, mit dem sich Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kupfer (Cu) und Zink (Zn) gleichzeitig in unterschiedlichen Bindungsformen im menschlichen Serum untersuchen lassen. Der Ansatz ist insbesondere für Biomonitoring und arbeitsmedizinisch-toxikologische Fragestellungen interessant. BAUA

Normalerweise wird bei biologischen Untersuchungen häufig die Gesamtkonzentration eines Elements bestimmt. Das sagt jedoch nur begrenzt etwas darüber aus, wie ein Metall im Körper vorliegt. Entscheidend für Transport, biologische Verfügbarkeit und möglicherweise auch toxische Wirkungen kann sein, an welches Protein oder welchen Liganden das Metall gebunden ist. Veränderungen dieser Verteilung können beispielsweise bei Expositionen, Störungen des Metallstoffwechsels oder Erkrankungen auftreten. ScienceDirect

SEC-ICP-MS/MS kombiniert Trennung und hochempfindliche Elementanalyse

Die Forschenden entwickelten dafür einen sogenannten SEC-ICP-MS/MS-Workflow. Hinter der Abkürzung stehen zwei miteinander gekoppelte Verfahren.

Die Größenausschlusschromatographie (SEC) trennt die im Serum vorhandenen Moleküle beziehungsweise Metall-Protein-Komplexe nach ihrer scheinbaren Molekülgröße. Anschließend bestimmt die Tandem-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS/MS) sehr empfindlich, welches Metall in den jeweiligen Fraktionen enthalten ist.

Auf diese Weise entsteht nicht nur ein Wert wie „x µg Mangan pro Liter Serum“, sondern ein Verteilungsmuster verschiedener mangan-, eisen-, kupfer- oder zinkhaltiger Fraktionen. ScienceDirect

Besondere Herausforderung: Metall-Protein-Verbindungen sind empfindlich

Die Methode ist analytisch anspruchsvoll, weil viele Metall-Protein- und Metall-Ligand-Bindungen nicht besonders stabil sind. Eine aggressive Probenvorbereitung oder ungeeignete Chromatographie könnte die ursprüngliche Verteilung verändern und damit genau das zerstören, was eigentlich untersucht werden soll.

Die BAuA-Forschenden arbeiteten deshalb mit bioinerten Materialien und milden chromatographischen Bedingungen. Auch die Kontaminationskontrolle ist bei Mn, Fe, Cu und Zn besonders wichtig, weil bereits geringe Fremdeinträge das Messergebnis beeinflussen können. ScienceDirect

Kalibrierung über das gesamte Messsystem

Ein weiterer methodischer Fortschritt betrifft die Kalibrierung. Für viele einzelne Metall-Protein-Verbindungen existieren keine geeigneten zertifizierten Referenzstandards.

Deshalb verwendeten die Forschenden kommerziell verfügbare Serum-Kalibratoren mit bekannten Gesamtkonzentrationen von Mn, Fe, Cu und Zn und ließen diese – genauso wie eine normale Probe – durch das gesamte chromatographische System laufen. Dadurch werden mögliche Verluste oder Veränderungen während der Trennung besser berücksichtigt als bei einer Kalibrierung, die nur am eigentlichen Massenspektrometer vorgenommen wird. ScienceDirect

Methode über fünf Messtage systematisch geprüft

Ein wesentlicher Unterschied zu vielen früheren Arbeiten ist die relativ umfassende Prüfung der analytischen Zuverlässigkeit. Die Methode wurde über fünf Messtage untersucht. Verwendet wurden:

• zwei kommerzielle Serum-Qualitätskontrollmaterialien und
• zwei native menschliche Serumproben.

Dabei wurden unter anderem Linearität, Wiederfindung, Nachweis- beziehungsweise Bestimmungsgrenzen sowie die Präzision innerhalb eines Tages und zwischen verschiedenen Messtagen untersucht. ScienceDirect

96 bis 102 Prozent Wiederfindung

Die Ergebnisse fallen für ein derart komplexes Verfahren sehr gut aus. Die aufsummierten chromatographischen Signale zeigten eine sehr hohe Linearität; die mittleren Wiederfindungsraten der vier Elemente nach der chromatographischen Trennung lagen zwischen 96 und 102 Prozent. ScienceDirect

Auch die Reproduzierbarkeit war hoch. Für die jeweils dominierenden Metallfraktionen lagen die Variationskoeffizienten innerhalb eines Messtages unter 1,5 Prozent und zwischen verschiedenen Messtagen unter 5 Prozent. Bei den übrigen, teilweise deutlich kleineren Fraktionen blieben sie unter 10 beziehungsweise 15 Prozent. PubMed

Gerade für die spätere Nutzung in größeren Biomonitoring-Studien ist diese Reproduzierbarkeit entscheidend: Interessant ist eine Veränderung der Metallverteilung schließlich nur dann, wenn sie tatsächlich biologisch bedingt ist und nicht durch Schwankungen des Analyseverfahrens entsteht.

Besonders relevant: Mangan lässt sich trotz sehr niedriger Konzentrationen analysieren

Eine besondere Herausforderung stellt Mangan dar, weil es physiologisch in deutlich geringeren Konzentrationen im Serum vorkommt als beispielsweise Eisen, Kupfer oder Zink.

Die Forschenden erreichten dennoch ausreichend niedrige Bestimmungsgrenzen, um auch die relevanten Manganfraktionen reproduzierbar zu erfassen. Gerade aus Sicht des Human-Biomonitorings und der Arbeitsmedizin ist dies interessant, weil Mangan bei bestimmten beruflichen Expositionen – beispielsweise bei Schweißarbeiten oder in bestimmten metallverarbeitenden Prozessen – toxikologisch relevant sein kann. Die Studie selbst untersucht allerdings keine exponierte Beschäftigtengruppe, sondern entwickelt und validiert zunächst das Messverfahren. ScienceDirect

Insgesamt 16 unterschiedliche Metallfraktionen

Mit dem Verfahren konnten reproduzierbar

vier Mangan-, drei Eisen-, fünf Kupfer- und vier Zinkfraktionen

getrennt werden. PubMed

Viele dieser Fraktionen ließen sich aufgrund ihrer Molekülgröße und ihres chromatographischen Verhaltens bekannten Transportproteinen plausibel zuordnen. Beim Eisen spricht beispielsweise vieles dafür, dass die dominante Fraktion hauptsächlich Transferrin-gebundenes Eisen repräsentiert. Bei Kupfer wurden Fraktionen unter anderem Ceruloplasmin und Albumin zugeordnet. ScienceDirect

Diese Zuordnungen sind jedoch bewusst als vorläufig beziehungsweise „tentativ“ bezeichnet. Das Analyseverfahren trennt nach Molekülgröße und misst das Metall, identifiziert aber nicht automatisch eindeutig das jeweilige Protein.

Ein chromatographischer Peak ist nicht zwingend eine einzelne Substanz

Das ist zugleich eine wichtige Einschränkung der Methode. Verschiedene Proteine können eine ähnliche Molekülgröße besitzen und deshalb gemeinsam eluieren. Die Autoren weisen beispielsweise darauf hin, dass insbesondere bei einigen Kupfer- und Zinkfraktionen keine vollständige Trennung erreicht wurde.

Die SEC wurde dennoch bewusst gewählt, weil sie relativ schonend arbeitet und dadurch empfindliche Metall-Protein-Verbindungen besser erhalten bleiben. Es besteht also ein analytischer Zielkonflikt zwischen möglichst hoher Trennleistung und möglichst unveränderter Erhaltung der biologischen Metallkomplexe. ScienceDirect

Für eine eindeutige strukturelle Identifizierung einzelner Metallverbindungen wären deshalb zusätzliche, unabhängige analytische Verfahren erforderlich.

Warum das für die Arbeitsmedizin interessant ist

Für das Human-Biomonitoring könnte der Ansatz künftig eine neue Informationsebene eröffnen. Ein klassischer Biomonitoring-Wert beantwortet beispielsweise:

„Wie viel Mangan befindet sich insgesamt im Serum?“

Die neue Analytik könnte zusätzlich untersuchen:

„Auf welche biologischen Fraktionen verteilt sich dieses Mangan?“

Damit könnten sich möglicherweise Veränderungen erkennen lassen, obwohl die Gesamtkonzentration eines Elements noch relativ unauffällig ist. Solche Verteilungsmuster könnten perspektivisch helfen, Expositionswirkungen, gestörte Metallhomöostase oder frühe biologische Veränderungen differenzierter zu untersuchen. Genau diesen möglichen Einsatz sehen die Autoren bei anspruchsvolleren Biomonitoring-, arbeitsmedizinischen und klinischen Studien. ScienceDirect

Das sollte allerdings nicht mit einem bereits verfügbaren arbeitsmedizinischen Routinetest verwechselt werden. Die Studie entwickelt und validiert zunächst eine analytische Forschungsplattform. Ob bestimmte Metallfraktionen tatsächlich zuverlässige Biomarker für konkrete Expositionen oder Erkrankungen sind, müssen zukünftige Studien zeigen.

Interessanter Ansatz: Vier Elemente gleichzeitig betrachten

Ein weiterer Vorteil besteht darin, Mn, Fe, Cu und Zn gemeinsam zu untersuchen. Der Metallstoffwechsel dieser Elemente läuft im Körper nicht vollständig getrennt voneinander ab. Transportproteine, Bindungspartner und Stoffwechselwege können sich überschneiden und gegenseitig beeinflussen.

Dadurch kann ein Multi-Element-Ansatz möglicherweise Zusammenhänge sichtbar machen, die verloren gehen, wenn jedes Element ausschließlich isoliert untersucht wird. ScienceDirect

Auf den Punkt gebracht: Die BAuA-Forschenden haben ein Analyseverfahren entwickelt, das über die klassische Bestimmung der Metallkonzentration hinausgeht. Es zeigt nicht nur, wie viel Mangan, Eisen, Kupfer oder Zink im Serum vorhanden ist, sondern wie diese Elemente auf unterschiedliche biologische Fraktionen verteilt sind. Das Verfahren erwies sich über fünf Messtage als sehr reproduzierbar, erreichte 96 bis 102 Prozent Wiederfindung und konnte vier Mn-, drei Fe-, fünf Cu- und vier Zn-Fraktionen unterscheiden. Besonders interessant ist die zuverlässige Erfassung des nur in sehr niedrigen Konzentrationen vorkommenden Mangans. Damit könnte die Methode künftig das Human-Biomonitoring im Arbeits- und Gesundheitsschutz erweitern – von der reinen Expositionsmessung hin zu einer differenzierteren Betrachtung der biologischen Metallverteilung. Noch handelt es sich jedoch um eine wissenschaftlich validierte Analysemethode und nicht um einen etablierten diagnostischen Routinetest. ScienceDirect