Die Diagnostik neurologischer Erkrankungen stellt aufgrund ihrer Komplexität und der oft ähnlichen Symptome eine Herausforderung dar. Biomarker, die im Liquor cerebrospinalis (Gehirnwasser) nachgewiesen werden können, spielen eine entscheidende Rolle bei der Diagnose, der Überwachung des Krankheitsverlaufs und der Bewertung der Wirksamkeit neuer Medikamente. Die Untersuchung des Liquors ist für die Diagnosestellung einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen von Bedeutung. Sie kann bei Verdacht auf Meningitis, multiple Sklerose, Blutungen oder Meningeosis carcinomatosa die Therapieentscheidung bestimmen. Ein wichtiges Instrument in diesem Zusammenhang ist das Reiber-Diagramm, das Informationen über die Blut-Hirn-Schranke und die intrathekale Immunglobulinsynthese liefert.
Die Bedeutung der Liquordiagnostik
Die Analyse des Liquor cerebrospinalis ist bei neurologischen Erkrankungen eine essenzielle Maßnahme und diagnostisch wegweisend bei Infektionen oder autoimmunen Entzündungen des zentralen Nervensystems (ZNS), bei neoplastischer Infiltration der Hirnhäute, zum Nachweis von Abräumreaktionen nach Blutungen in den Subarachnoidalraum oder in die Hirnventrikel sowie zur Früh- und Differenzialdiagnostik neurodegenerativer Erkrankungen.
Das dreiteilige Stufenprogramm der Liquoranalytik
Die Liquoranalytik besteht aus einem 3-teiligen Stufenprogramm. Angesichts der Zusammensetzung des zellarmen Liquors und der Besonderheiten der Liquorphysiologie sind mehrere die Präanalytik und Analytik sowie die Interpretation der Befunde betreffende Grundregeln zu beachten.
Präanalytische Aspekte
Der Liquor muss wegen einer rasch einsetzenden Zytolyse zeitnah (maximal binnen 2 Stunden nach der Lumbalpunktion) untersucht werden, um die Zellzahl zu ermitteln und die zytologischen Präparate anzufertigen. Liquor muss stets gemeinsam mit einer zeitnah zur Lumbalpunktion entnommenen Serumprobe untersucht werden, da die Proteinkonzentrationen im Liquor neben der Liquorflussgeschwindigkeit hauptsächlich von deren Blutkonzentrationen abhängen und deshalb das Serum zwingend als Bezugsgröße für die Liquorproteinanalytik herangezogen werden muss. Nach Plasmapherese oder Therapie mit hoch dosierten Immunglobulinen (IVIG) sollte eine Liquoranalyse frühestens nach 48 Stunden erfolgen, da sich das Fließgleichgewicht der Proteine zwischen Blut- und Liquorkompartiment verzögert adaptiert. Ansonsten werden unplausible Proteinbefunde erhoben.
Analytische Verfahren
- Zellprofil: Automaten zur Zellzählung und -differenzierung sollten wegen unzuverlässiger Befunde vermieden werden. Die Differenzialzytologie sollte uneingeschränkt bei jeder Punktion unabhängig von der Gesamtzellzahl durchgeführt werden. Eine Zellvermehrung ≥ 5/µl kommt vor bei ZNS-Entzündungen, aber auch bei Tumorinfiltration der Meningen sowie als Reizreaktion nach Traumen, intrazerebralen und subarachnoidalen Blutungen, intrathekaler Applikation von Medikamenten (z. B. Zytostatika) oder nach wiederholter Lumbalpunktion und Anlage einer externen Ventrikeldrainage. Das normale Zellbild besteht aus mononukleären Zellen mit deutlichem Überwiegen von Lymphozyten gegenüber Monozyten.
- Laktat und Glukose: Die Bestimmung des Liquorlaktats ist - da auch ohne Kenntnis des korrespondierenden Serumwertes diagnostisch relevant - gegenüber der Bestimmung der Liquorglukose, die stets in Bezug zur Serumglukose beurteilt werden muss (normal: Liquor-/Serumquotient > 0,5), vorteilhaft. Zu einem Anstieg des Liquorlaktats kommt es insbesondere bei Infektionen durch Bakterien und Mycobakterium tuberculosis sowie auch bei Meningeosis carcinomatosa.
- Proteinprofil: Liquor und Serum (verdünnt) müssen für die Proteinanalytik im selben Test und im vergleichbaren Konzentrationsbereich gemessen werden, um methodischen Impräzisionen vorzubeugen. Für die Beurteilung der Blut-Liquor-Schrankenfunktion (BLS) und einer möglichen intrathekalen Produktion von Immunglobulinen müssen für Albumin (Referenzprotein für die BLS) und Immunglobuline die Liquor-/Serumkonzentrationsquotienten berechnet werden.
Der integrierte Gesamtbefund
Die zusammenfassende Darstellung der erhobenen Einzelparameter in einem integrierten Gesamtbefund ist unerlässlich, um krankheitstypische Befundmuster sowie deren Plausibilität auf Anhieb zu erfassen. Der integrierte Gesamtbefund umfasst obligat Angaben zu:
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- der zellulären Beschaffenheit des Liquors (Zellzahl und Zytologie).
- den Liquor-/Serumquotienten von Albumin und den Immunglobulinen. QAlb reflektiert die individuelle BLS, da Albumin rein extrazerebral (in der Leber) produziert wird und somit die Albuminkonzentration im Liquor ausschließlich aus dem Blut stammt. Mit Bezug auf QAlb erlaubt die vergleichende Analyse der Liquor-/Serumquotienten für die Immunglobulinklassen eine quantitative Aussage darüber, ob sich mehr IgG, IgA oder IgM im Kompartiment Liquor befindet, als dies theoretisch durch reine Diffusion zu erwarten wäre. Ist dies der Fall, liegt eine intrathekale Ig-Produktion vor, die einen entzündlichen Prozess im ZNS nachweist und je nach Befundmuster dessen nähere Eingrenzung ermöglicht.
- der Relation der Immunglobulin-Quotienten zum Albumin-Quotienten anhand von Quotendiagrammen, die von Reiber und Felgenhauer etabliert wurden und einer empirisch und theoretisch fundierten Hyperbelfunktion folgen. Die Quotientendiagramme für IgG, IgA, IgM werden, sortiert nach der Radiusgröße der Proteine (IgG < IgA < IgM), grafisch untereinander wiedergegeben, was neben der Erkennung krankheitstypischer Muster dem Labor auch die Überprüfung der Befundplausibilität gestattet.
- oligoklonalen IgG-Banden (OKB). OKB treten unspezifisch bei subakuten und chronischen Entzündungen des ZNS als Korrelat einer oligoklonalen B-Zell-Aktivierung auf. Der qualitative Nachweis liquorspezifischer OKB mittels isoelektrischer Fokussierung weist gegenüber den auf der Grundlage quantitativer Messungen ermittelten Quotientendiagrammen mit höherer Empfindlichkeit das Vorliegen einer intrathekalen IgG-Synthese nach. Ein OKB-Muster liegt vor, wenn in parallelen Liquor-/Serumproben ≥ 2 Banden im Liquor, aber nicht im Serum (Typ-2-Muster) oder ≥ 2 liquorspezifische Banden zusätzlich zu identischen Banden in Liquor und Serum (Typ-3-Muster) zur Darstellung kommen.
Fakultativ und je nach klinischer Fragestellung können im integrierten Gesamtbefund Angaben zum Liquorlaktat, zur Glukosekonzentration in Liquor und Serum oder Spezialparameter wie erregerspezifische Antikörperindizes (AI) und Demenzmarker ergänzt werden.
Spezialanalytik
- Demenzmarker: Gegenwärtig sind die Biomarker Amlyoid-β1-42 (Aβ1-42), Amlyoid-β1-40 (Aβ1-40), Gesamt-Tau und Phospho-Tau-181 (pTau) sowie 14-3-3-Protein und der PrPSc-Aggregationsassay klinisch validiert und etabliert und können vor allem zur Positivdiagnostik verwendet werden. Andere primäre Demenzen, wie zum Beispiel die PPA (primär progrediente Aphasien) oder DLB (Demenz mit Lewy-Körperchen, „dementia with Lewy bodies“) bieten jedoch eine signifikante Überlappung einiger Biomarker, insbesondere Amyloid-β1-42 (Aβ1-42) und Gesamt-Tau, sodass eine rein neurochemische Differenzierung der unterschiedlichen Demenzätiologien basierend auf diesen Liquorbiomarkern allein gegenwärtig unzureichend ist.
- Erregerdiagnostik bei Infektionen des ZNS: Erregerspezifische Antikörperindizes (AI) ermöglichen den diagnostisch bedeutsamen Nachweis einer intrathekalen Synthese von IgG-Antikörpern mit Spezifität für diverse Erregerantigene. Die Berechnung gelingt durch Quotientenbildung der Liquor-/Serumkonzentrationen des spezifischen IgG (QIgGspez) und deren Bezug auf die Liquor-/Serumkonzentrationen des Gesamt-IgG (QIgGgesamt). Werte ≥ 1,5 zeigen an, dass der Anteil des spezifischen IgG am Gesamt-IgG im Kompartiment Liquor größer ist als der Anteil des spezifischen IgG am Gesamt-IgG im Serum und belegen eine intrathekale Synthese des spezifischen IgG. AI gelten bei einigen Infektionen als Goldstandard für den Erregernachweis (z. B. Neuroborreliose, Neuro-Lues) und sind als MRZ-Reaktion (intrathekale Synthese von mindestens 2 erregerspezifischen IgG-Antworten gegen Masern-, Röteln-, Varizella-Zoster-Virus) hochspezifisch für die multiple Sklerose (MS) und weisen die für diese Erkrankung typische polyklonale und unter anderem polyvirale B-Zell-Aktivierung nach. Der direkte Erregernachweis erfolgt mikroskopisch (z. B. Gram-Färbung zum Nachweis von Bakterien oder Tuschefärbung zum Nachweis von Kryptokokken), anhand Antigen-Schnelltests, kultureller Erregeranzucht (zeitaufwendig und Ergebnis erst mit Latenz) und durch Detektion pathogenspezifischer Genomabschnitte mittels Nukleinsäure-Amplifikationstechniken (am häufigsten Polymerase-Kettenreaktion, PCR).
Einige typische Konstellationen bei Entzündungen und Neoplasien des ZNS, die direkt aus dem integrierten Gesamtbefund ablesbar sind und gegebenenfalls eine weitere Spezialdiagnostik erfordern, sind in der Tabelle aufgeführt.
Das Reiber-Diagramm: Eine detaillierte Betrachtung
Mit Hilfe der von Prof. Reiber entwickelten Quotienten und deren grafischer Darstellung in den sogenannten "Reiber-Diagrammen" ist es möglich, zu beurteilen, ob eine Störung der Blut-Hirnschranke vorliegt und/oder eine intrathekale Immunglobulinsynthese vorliegt. Hierzu werden in Serum-Liquor-Paaren Albumin und IgG, IgA und IgM bestimmt. Die daraus errechneten Liquor-Serum-Quotienten werden in ein doppelt-logarithmisches Diagramm eingetragen.
Aufbau und Interpretation
Die nachfolgenden Immunglobulin-spezifischen Diagramme beinhalten 7 Linien. Die blaue Linie stellt die obere Grenze des Normbereiches der Albumin-/Immunglobulin-Quotienten dar. Die durchgezogene schwarze Linie beschreibt die untere Grenze des Referenzbereiches. Die vier gestrichelten Linen erlauben die Abschätzung des Ausmaßes (20, 40, 60 und 80 %) der intrathekalen Immunglobulinsynthese bezogen auf den Gesamt-Immunglobulingehalt. Da die obere Referenzbereichsgrenze für den Serum-/Liquor-Albumin-Quotienten altersabhängig ist, wird diese Grenze erst nach Eingabe des Alters berechnet und im Diagramm als senkrechte blaue Grenzlinie dargestellt. Punkte die rechts von dieser Linie zu liegen kommen zeigen ein Schrankenstörung an.
Einteilung der Schrankenstörung
Die Schrankenstörung kann anhand des Albuminquotienten in verschiedene Schweregrade eingeteilt werden:
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- Leicht (Qalb bis 10 x 10-3): Multiple Sklerose, chronische HIV-Enzephalitis, Zoster-Ganglionitis, alkoholische Polyneuropathie, amyotrophe Lateralsklerose
- Mittelgradig (Qalb bis 20 x 10-3): Virale Meningitis, opportunistische Meningoenzephalitiden, diabetische Polyneuropathie, Hirninfarkt, Großhirnathrophie
- Schwer (Qalb = 10 bis 50 x 10-3) (Qalb über 20 x 10-3): Guillan-Barre-Polyneuritis, Herpes-simplex Enzephalitis, Meningopolyneuritis Bannwarth, eitrige Meningitis, tuberkulöse Meningitis
Übersicht über Befundkonstellationen und zugehörige Erkrankungen
- Kein IgG, IgA, IgM: Frühe bakterielle Meningitis und Virusenzephalitis, Guillain-Barré-Polyradiculitis
- IgG-Dominanz: Multiple Sklerose (seltenes Auftreten von IgMIF, 20%, und IgAIF, 9%), Neurosyphilis (Zwei-Klassen-Reaktion, gelegentlich erhöhte IgMIF, kein IgAIF), chronische HIV-Enzephalitis (Ein-Klassen-Reaktion)
- IgA-Dominanz: Neurotuberkulose (IgA isoliert oder mit schwacher IgG-und/oder IgM-Reaktion), Hirnabszess, Adrenoleukodystrophie
- IgM-Dominanz: Neuroborreliose (IgMIF > IgAIF > IgGIF), Mumps-Meningoenzephalitis (Drei-Klassen-Reaktion), Non-Hodgkin-Lymphom mit ZNS-Beteiligung (Ein-Klassen-Reaktion, z.B. isolierte IgMIF>0), Neurotrypanosomiasis (Drei-Klassen-Reaktion)
- IgG + IgA + IgM ohne Dominanz: Opportunistische Infektionen bei Immunschwäche (CMV, Toxoplasma)
Klinische Anwendung des Reiber-Diagramms bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen
Die Liquordiagnostik, einschließlich der Interpretation von Reiber-Diagrammen, ist ein wichtiger Baustein bei der Diagnose und Differenzierung verschiedener neurologischer Erkrankungen. Im Folgenden werden einige Beispiele genannt:
Multiple Sklerose (MS)
Die Multiple Sklerose ist die häufigste entzündliche Erkrankung des ZNS bei jungen Erwachsenen (Prädilektionsalter 20. bis 40. Lebensjahr). Die Liquoranalyse ist ein essenzieller diagnostischer Baustein. Eine intrathekale IgG-Synthese kann als kardinaler Befund gemäß den aktuellen Diagnosekriterien zum diagnostisch geforderten Nachweis der zeitlichen Dissemination des Entzündungsprozesses herangezogen werden, sofern in der kranialen Magnetresonanztomografie (MRT) die Kriterien für die ebenfalls nachzuweisende örtliche Dissemination (≥ 1 krankheitstypische T2-Läsionen in mindestens 2 MS-typischen Regionen) erfüllt sind, jedoch keine aktiven (Kontrastmittel anreichernden) Läsionen als Korrelat einer zeitlich versetzten und damit chronischen Evolution der Entzündung vorhanden sind.
Typisches Befundmuster: Es liegt eine leichte Zellzahlerhöhung (maximal bis 50/µl) mit wenigen transformierten Lymphozyten und Plasmazellen vor. Eine intrathekale IgG-Synthese, die im Krankheitsverlauf persistiert, wird entweder rechnerisch im Quotientendiagramm oder mit deutlich höherer Empfindlichkeit durch liquorspezifische OKB (Typ-2- oder Typ-3-Muster) nachgewiesen. Es besteht eine 2- oder 3-fach positive MRZ-Reaktion (Parameter mit höchster Spezifität für MS, weniger sensitiv [ca. 63 % der Fälle] als OKB [> 90 %]).
Wichtig zu beachten: Insbesondere bei fehlender oder nur transienter intrathekaler IgG-Synthese (Quotientendiagramm oder OKB) und/oder Zellzahl > 100/µl im akuten Schub muss Zweifel an der MS-Diagnose aufkommen und eine Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankung (NMOSD) oder Enzephalomyelitis mit Seropositivität für MOG-(Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein-)IgG erwogen werden. Beide Erkrankungen sind antikörpervermittelte Entitäten, die mit der MS klinisch sowie auch radiologisch überlappen können und dominant die Sehnerven, das Myelon und den Hirnstamm betreffen. Sie unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Prognose und Immuntherapie von der MS.
Autoimmunenzephalitis
Autoimmunenzephalitiden betreffen jährlich etwa eine von 100 000 Personen. Die Diagnose wird durch den Nachweis antineuronaler Antikörper in Serum und Liquor gesichert. Da zum Beispiel NMDAR-Antikörper ausnahmslos intrathekal produziert werden, kann die Diagnosesicherung früher durch parallele Mituntersuchung einer Liquorprobe gelingen. Die Liquoranalytik ist diagnostisch wichtig und kann bei rasch einsetzenden und nicht fieberhaften enzephalopathischen oder demenziellen Syndromen frühzeitig den Verdacht auf eine Autoimmunenzephalitis lenken.
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Typisches Befundmuster: Häufig, aber nicht in allen Fällen, liegt eine leicht bis mäßig ausgeprägte lymphozytäre Zellzahlerhöhung vor (bis ca. 100/µl), gegebenenfalls eine gering- bis mäßiggradige BLS-Funktionsstörung, oft eine intrathekale IgG-Synthese, am häufigsten in Form einer liquorspezifischen OKB.
Wichtig zu beachten: Autoimmunenzephalitiden sind wichtige und behandelbare Differenzialdiagnosen von erregerbedingten Erkrankungen des ZNS, Psychosen und Demenzen. Im jüngeren Lebensalter und bei weiblichem Geschlecht muss insbesondere die NMDA-Rezeptor-Enzephalitis gegenüber der Erstmanifestation einer Psychose abgegrenzt werden, im höheren Erwachsenenalter und bei männlichem Geschlecht kann eine LGI1-Enzephalitis als rasch fortscheitende präsenile Demenz verkannt werden.
Bakterielle und virale Infektionen
Bakterielle und virale Infektionen manifestieren sich klinisch als Meningitis oder (Meningo-)Enzephalitis. Die Liquoranalyse ist ein essenzieller diagnostischer Baustein und unumgänglich zur Differenzierung einer bakteriellen versus nichtbakteriellen Meningitis und zur Identifikation des auslösenden Erregers mittels direkter oder indirekter Nachweisverfahren.
Das Liquorprofil der bakteriellen Meningitis (häufigste Erreger: Pneumokokken und Meningokokken, außerdem Haemophilus influenzae, Listerien, gramnegative Enterobakterien) zeigt typischerweise eine hohe Zellzahl mit überwiegend neutrophilen Granulozyten, eine deutliche Erhöhung des Eiweißgehalts und eine Erniedrigung des Glukosespiegels.
Die Blut-Hirn-Schranke und das Reiber-Diagramm
Die komplexe Anatomie des Gehirns erfordert ein übersichtliches Modell für die Interpretation von Befunden aus Serum und Cerebrospinalflüssigkeit (CSF). Wesentliche Strukturen sind die Tight junctions (Zonulae occludentes) der Hirnkapillaren. Zwischen dem CSF Raum und dem Extrazellulärraum besteht ein Diffusionsgleichgewicht, auch für Makromoleküle. Die Blut-Hirn Schranke, auch CSF-Serum Schranke bezeichnet, ist relativ gut durchlässig für hydrophile Makromoleküle, z.B. α2-Makroglobulin und IgM. Die Zusammensetzung der CSF ist gut bekannt, weil der Subarachnoidalraum an seinem untersten Ende punktiert werden kann.
Für hydrophile Moleküle besteht eine klare Korrelation zwischen den CSF/Serum-Quotienten und den hydrodynamischen Molekülgrößen. Das gilt nur im Steady-state Gleichgewicht, d.h. bei stabilen Serumkonzentrationen und ungestörten Austauschbedingungen an der Blut-Hirn Schranke. Bei jeder Schrankenstörung nimmt die Selektivität der Filtration ab, d.h. die Konzentration der Proteine in der CSF steigt stärker an als die kleinerer Serumbestandteile.
Die Konzentration der CSF Proteine, die aus dem Blutplasma stammen, treten mittels Diffusion und abhängig von der Molekülgröße in die CSF über. Mit Reduzierung des CSF Flusses und aufgrund einer Störung der Blut-Hirn Schranke erhöht sich die Konzentration der Proteine in der CSF. Ist die Konzentration der hydrophilen Proteine in der CSF höher als aufgrund der Molekülgröße zu erwarten ist, wird eine intrathekale Proteinsynthese angenommen.
Albumin ist ein guter Marker der Blut-Hirn-Schranke, denn es stammt exklusiv aus dem Plasma. Der CSF/Serum Quotient für Albumin (QAlb) ist der anerkannte Referenzwert zur Charakterisierung der Blut-Hirn Schranke.
Immunglobuline der Klassen IgA, IgG und IgM werden von den lokalen B-Zellen im Zentralnervensystem gebildet und können in der CSF bestimmt werden. Der obere Grenzwert des jeweiligen Referenzintervalls (Qlim) bezieht sich auf den Wert, der 99 % der Patienten ohne intrathekale Immunglobulinsynthese erfasst. Die intrathekalen Fraktionen von IgG, IgA, IgM in Bezug auf den Qlim können direkt vom Diagramm abgelesen werden.
Das Reiber-Diagramm in der Demenzdiagnostik
Im Idealfall würden neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit eindeutige pathologische Merkmale aufweisen, die eine präzise Diagnose und Behandlung ermöglichen. Tatsächlich zeigen jedoch viele neurologische Erkrankungen ähnliche Symptome und Merkmale, was eine zuverlässige Diagnose erschwert. In diesem Zusammenhang spielen Biomarker eine entscheidende Rolle als dringend benötigte Hilfsmittel für die Diagnose, Überwachung des Krankheitsverlaufs und Bewertung der Wirksamkeit neuer Medikamente.
Das Reiber-Diagramm kann in der Demenzdiagnostik dazu beitragen, andere Ursachen für kognitive Beeinträchtigungen auszuschließen, wie z.B. entzündliche Prozesse im ZNS. Allerdings ist es kein spezifischer Test für die Alzheimer-Krankheit. Für die Diagnose der Alzheimer-Krankheit werden in der Regel andere Biomarker im Liquor untersucht, wie z.B. Amyloid-beta 1-42, Gesamt-Tau und Phospho-Tau.