Moderne Labordiagnostik: Wie misst man die Funktion und Gesundheit unserer Mitochondrien?

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Die Messung der mitochondrialen Gesundheit ist komplexer als das einfache Erfassen von Puls oder Blutdruck, bei dem systolische und diastolische Werte bereits viel aussagen. Um die Funktion und Effizienz der Mitochondrien zu beurteilen, setzen Therapeuten, Forscher und Labore auf eine Kombination verschiedener Parameter und Methoden. Jeder dieser Parameter liefert gezielte Informationen, die gemeinsam ein umfassendes Bild der mitochondrialen Gesundheit ergeben und es ermöglichen, zelluläre Energiemängel oder Mitochondriopathien zu erkennen.

Wir unterteilen hier in drei wichtige Bereich, wie man die funktionalität der Mitochondrien messen kann:

Möglichkeit 1: Spezifische Messung einzelner Parameter

Hierbei wird ein gezielt Parameter erhoben, zum Beispiel die intrazelluläre ATP-Produktion, die ein direktes Maß für die Energieproduktion in den Mitochondrien darstellt. ATP (Adenosintriphosphat) ist das primäre Energieträger-Molekül in den Zellen und gibt unmittelbaren Aufschluss darüber, wie effizient die Mitochondrien arbeiten. Eine Verringerung des ATP-Spiegels kann auf mitochondriale Dysfunktionen hinweisen, die sich negativ auf den Energiehaushalt und Zellfunktionen auswirken. Es gibt weitere Einzelparameter, die im Labor bestimmt werden können, auf diese werden wir in diesem Artikel weiter eingehen. 

Möglichkeit 2: Bioenergetische Gesundheitsindex (BHI)

Dieser Index bietet einen umfassenderen Überblick, indem er mehrere Parameter der mitochondrialen Funktion zusammenfasst. Er bewertet nicht nur die ATP-Produktion, sondern auch andere relevante Marker, wie die Sauerstoffaufnahme, den Elektronentransport und das mitochondriale Membranpotenzial. Der BHI (Bioenergetic Health Index) ist ein Beispiel für einen solchen Index, der eine ganzheitliche Betrachtung der mitochondrialen Gesundheit ermöglicht. Er zeigt das Verhältnis von Energieproduktion und Verbrauch in den Zellen und dient als Indikator für die allgemeine bioenergetische Gesundheit. 

Möglichkeit 3: Vorläufer, Cofaktoren und sekundäre Marker

Hierunter fallen Substanzen wie Magnesium, Coenzym Q10, Carnitin, NADH und andere Stoffe, die für eine optimale mitochondriale Funktion notwendig sind. Diese Vorläufer und Cofaktoren spielen eine Schlüsselrolle im Energiestoffwechsel der Zelle, indem sie die Effizienz des Elektronentransports verbessern oder die Funktion der Mitochondrien unterstützen.

Wie du siehst, gibt es verschiedene Ansätze, um Dysfunktionen frühzeitig zu erkennen und die mitochondriale Gesundheit zu bewerten. Im Folgenden werden wir uns diese Ansätze genauer ansehen und erklären, wie sie uns wertvolle Einblicke in den Zustand der Mitochondrien geben können.

Spezifische Messung einzelner Parameter

Adenosintriphosphat-Spiegel: Wie viel Energie produzieren deine Mitochondrien?

ATP ist die Hauptenergiequelle für Zellen und wird hauptsächlich in den Mitochondrien produziert. Die Menge an ATP gibt uns Hinweise darauf, wie gut die Mitochondrien Energie liefern. Eine häufig verwendete Methode, um die ATP-Menge zu messen, sind sogenannte lumineszenzbasierte ATP-Assays (Tests). Diese Tests nutzen eine biochemische Reaktion, bei der Licht erzeugt wird. Je mehr Licht, desto mehr ATP ist vorhanden. Wenn die ATP-Produktion sinkt, kann dies auf Probleme mit den Mitochondrien hinweisen, was bei Krankheiten wie Krebs, Diabetes oder neurodegenerativen Erkrankungen eine Rolle spielt. [1]

mtDNA-Kopien pro Zelle: Wie viele Kopien der mitochondrialen DNA sind in deinen Zellen vorhanden?

Die Anzahl der mitochondrialen DNA-Kopien (kurz: mtDNA) pro Zelle ist ein Indikator für die mitochondriale Biogenese (die Bildung neuer Mitochondrien in den Zellen) und den gesamten mitochondrialen Inhalt. Quantitative PCR ist die Methode der Wahl zur Bestimmung der mtDNA-Kopienzahl. Eine erhöhte Anzahl von mtDNA-Kopien kann auf eine adaptive Reaktion auf erhöhten Energiebedarf hinweisen, während eine verringerte Anzahl ein Zeichen für mitochondriale Dysfunktion sein kann. Veränderungen in der mtDNA-Kopienzahl sind oft mit verschiedenen Krankheiten und Alterungsprozessen assoziiert. [2]

Mitochondriales Membranpotential (MMP): Wie gut funktioniert deine mitochondriale Membran? 

Das mitochondriale Membranpotential (MMP) ist ein wichtiger Indikator dafür, wie gut die Mitochondrien arbeiten. Es zeigt, ob die Membran der Mitochondrien, die für die Zellatmung wichtig ist, intakt und funktionsfähig ist. Das MMP hilft den Mitochondrien, den notwendigen elektrochemischen Gradienten aufrechtzuerhalten, um ATP, die Energiequelle der Zellen, zu produzieren. Zur Messung des MMP werden oft spezielle Farbstoffe eingesetzt, die sich in gesunden Mitochondrien ansammeln und ihre Farbe je nach Membranpotential verändern. Ein Verlust des MMP kann ein frühes Zeichen für Probleme in den Mitochondrien sein und auf Zellstress oder beginnende Zellzerstörung (Apoptose) hinweisen. [3]

Sauerstoffverbrauchsrate: Wie effizient arbeiten deine Mitochondrien?

Die Sauerstoffverbrauchsrate (kurz: OCR) ist einer der aussagekräftigsten Parameter zur Bewertung der mitochondrialen Gesundheit. Sie gibt die Effizienz der mitochondrialen Atmung und Energieproduktion an, indem sie misst, wie viel Sauerstoff von den Mitochondrien verbraucht wird. Diese Messung ist entscheidend, da sie direkt mit der Fähigkeit der Zelle zur ATP-Produktion und ihrer Gesamtenergieeffizienz korreliert. Geräte wie der Seahorse XF Analyzer werden häufig verwendet, um OCR zu messen. Diese Analysen ermöglichen es Forschern, die Atmungskapazitäten von Zellen unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten, was besonders wichtig ist für das Verständnis von Stoffwechselkrankheiten, neurodegenerativen Erkrankungen und dem Altern. [4, 5]

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS): Wie hoch ist der oxidative Stress in deinen Zellen?

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind Moleküle, die als Nebenprodukte des normalen Energiegewinnungsprozesses in den Mitochondrien entstehen und als Signale für die Zellen dienen. Wenn jedoch zu viele ROS gebildet werden, kann das zu Stress und Schäden in den Zellen führen. Das nennt man oxidativen Stress. Um ROS zu messen, werden spezielle Farbstoffe wie DCFDA verwendet, die aufleuchten, wenn sie mit ROS in Kontakt kommen. Hohe Mengen an ROS können ein Hinweis auf Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Probleme, Krebs oder neurodegenerative Erkrankungen sein. [6]

Succinat-Dehydrogenase- Aktivität (SDH)

Die Aktivität des Enzyms Succinat-Dehydrogenase (SDH) ist ein wichtiger Hinweis darauf, wie gut der Citrat-Zyklus und die Atmungskette der Mitochondrien funktionieren. SDH spielt eine zentrale Rolle in beiden Prozessen und hilft bei der Energieproduktion der Zellen. Um die SDH-Aktivität zu messen, nutzt man spezielle Tests, die verfolgen, wie das Molekül Succinat in Fumarat umgewandelt wird. Veränderungen in der SDH-Aktivität können auf Probleme in den Mitochondrien hindeuten und werden oft mit Krankheiten wie mitochondrialen Störungen und Krebs in Verbindung gebracht. [7]

Extrazelluläre Ansäuerungsrate (ECAR): Wie aktiv ist die Glykolyse in deinen Zellen?

Die extrazelluläre Ansäuerungsrate (ECAR) zeigt, wie aktiv die Zellen Glukose in Energie umwandeln, ein Prozess namens Glykolyse. Ein oft verwendetes Gerät zur Messung von ECAR ist der Seahorse XF Analyzer, der dabei hilft, den Zustand des Zellstoffwechsels zu untersuchen. Hohe ECAR-Werte weisen auf eine verstärkte Glykolyse hin, wie sie oft bei Sauerstoffmangel oder in Krebszellen vorkommt. Die Analyse von ECAR ist wichtig, um zu verstehen, wie flexibel Zellen auf unterschiedliche Energieanforderungen reagieren können. 

Bioenergetischer Gesundheitsindex: Quantifiziert die bioenergetische Funktion deiner Zellen

Der Bioenergetische Gesundheitsindex (BHI) ist eine fortschrittliche Methode zur Beurteilung der mitochondrialen Funktion, die einen umfassenden Einblick in die Energiegewinnung der Zellen ermöglicht. Indem der Sauerstoffverbrauch in peripheren Blutzellen gemessen wird, liefert der BHI eine detaillierte Bewertung der Fähigkeit der Mitochondrien, ATP zu produzieren – das zentrale Molekül für zelluläre Energie. Dabei wird nicht nur die Menge der produzierten Energie, sondern auch die Effizienz der Mitochondrien und ihre Kapazität, auf steigende Energiebedarfe zu reagieren, erfasst.

Ein gesunder BHI-Wert zeigt an, dass die Mitochondrien effizient arbeiten, Energieverluste minimal sind und ausreichend Reservekapazität für erhöhte Belastungen vorhanden ist. Wenn der BHI jedoch niedrig ist, kann dies auf mitochondriale Dysfunktionen hinweisen, die häufig mit chronischen Erkrankungen, oxidativem Stress oder Entzündungsprozessen verbunden sind. Ein besonderes Merkmal des BHI ist seine Fähigkeit, nicht nur die ATP-Produktion, sondern auch schädliche Prozesse wie erhöhte oxidative Aktivität zu erkennen, die die Mitochondrien langfristig schädigen können.

Der BHI bietet somit eine ganzheitliche Bewertung der mitochondrialen Gesundheit und kann als Grundlage für gezielte therapeutische Maßnahmen zur Optimierung der zellulären Energieproduktion dienen. Ähnlich verhält es sich mit dem Mitochondrialer Gesundheitsindex (MHI). [8] 

Weitere wichtige sekundäre Marker, die die Funktion der Mitochondrien unterstützen

Zudem gibt es noch sekundäre Marker, die ebenfalls wichtige Hinweise auf die mitochondriale Gesundheit und Funktion geben. Dabei handelt es sich um lebensnotwendige Nährstoffe, Antioxidantien und Cofaktoren, die für den mitochondrialen Energiestoffwechsel unerlässlich sind und gleichzeitig Aufschluss über die allgemeine Gesundheit geben können. Hier ist ein kleiner Überblick über einige dieser wichtigen Stoffe. 

• Coenzym Q10 (kurz: CoQ10): CoQ10 ist ein essentieller Bestandteil der Elektronentransportkette in den Mitochondrien. Es spielt eine zentrale Rolle bei der ATP-Produktion, indem es Elektronen zwischen den Komplexen I, II und III der Atmungskette transportiert. Ohne ausreichende Mengen an CoQ10 wird der Energiekreislauf gestört, was zu einer verminderten Zellenergieproduktion führen kann. Zudem wirkt CoQ10 als starkes Antioxidans, das die Zellen vor oxidativem Stress schützt und somit die mitochondriale Gesundheit und Funktion langfristig unterstützt. Die Q10 (Ubiquinone) Konzentration kann im Blut bestimmt werden. 

• Magnesium: Magnesium ist ein unverzichtbarer Kofaktor für zahlreiche enzymatische Reaktionen, die an der ATP-Synthese in den Mitochondrien beteiligt sind. Es stabilisiert ATP, indem es an die Phosphatgruppen bindet, was die Energieproduktion in den Zellen erst möglich macht. Zudem ist Magnesium an der Regulation von Ionenkanälen und der Kalziumhomöostase beteiligt, was die mitochondriale Funktion und Effizienz unterstützt. Ein Mangel an Magnesium kann zu einer reduzierten ATP-Produktion und somit zu einer verminderten Energieversorgung der Zellen führen. Magnesium kann in einer sogenannten Vollblutanalyse bestimmt werden. Klassische Serum-Analytik ist hierfür nicht ausreichend. 

• L-Carnitin: L-Carnitin spielt eine entscheidende Rolle beim Transport von Fettsäuren in die Mitochondrien, wo sie in der Beta-Oxidation zur Energiegewinnung abgebaut werden. Ohne ausreichend L-Carnitin können Fettsäuren die innere Mitochondrienmembran nicht durchdringen, was die Fettsäureoxidation und damit die ATP-Produktion erheblich einschränkt. Dieser Prozess ist besonders wichtig für die Energieversorgung von Organen mit hohem Energiebedarf, wie Herz und Muskulatur. Ein Mangel an L-Carnitin kann zu reduzierter Fettsäureverwertung und Energiedefiziten führen. 

• Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (kurz: NAD+): NAD+ ist ein wichtiger Stoff, der bei der Energieproduktion in den Zellen hilft. Es unterstützt die Umwandlung von Nahrung in Energie durch seine Rolle im Citratzyklus und der Elektronentransportkette in den Mitochondrien. NAD+ sorgt dafür, dass Elektronen transportiert werden, damit die Zellen ATP (die Energieeinheit des Körpers) produzieren können. Ohne genügend NAD+ funktioniert dieser Prozess weniger effizient, was zu Energiedefiziten und Anzeichen von Alterung führen kann. Fortgeschrittenere Tests messen NAD+ direkt in den Zellen (z. B. weißen Blutkörperchen im Vollblut). Dies gibt genauere Informationen darüber, wie effektiv die Zellen Energie produzieren. 

• Alpha-Liponsäure: Alpha-Liponsäure ist ein starkes Antioxidans, das nicht nur freie Radikale neutralisiert, sondern auch bei der Regeneration anderer Antioxidantien wie Vitamin C und E hilft. Dies trägt zum Schutz der Zellen vor oxidativem Stress bei. Zudem spielt Alpha-Liponsäure eine wichtige Rolle in der Energieproduktion in den Mitochondrien, indem sie als Cofaktor für Enzyme im Citratzyklus agiert, einem zentralen Stoffwechselweg zur ATP-Produktion. Dadurch unterstützt ALA die Effizienz der Mitochondrien und fördert einen gesunden Energiestoffwechsel. Die Konzentration von Alpha-Liponsäure kann durch Bluttests gemessen werden, um den antioxidativen Status und den Stoffwechsel zu überprüfen. [9]

• Glutathion: Glutathion ist das wichtigste Antioxidans des Körpers und schützt die Zellen vor oxidativem Stress, indem es freie Radikale neutralisiert und den Zellschaden minimiert. Es spielt eine zentrale Rolle in den Entgiftungsprozessen der Zellen, einschließlich der Mitochondrien, und hilft dabei, schädliche Substanzen wie Schwermetalle und Toxine zu binden und zu eliminieren. Ohne ausreichende Mengen an Glutathion können die Mitochondrien nicht optimal arbeiten, was zu einer verminderten Energieproduktion und einer erhöhten Anfälligkeit für Zellschäden führen kann. Ein Bluttest kann den Glutathionspiegel im Plasma oder den roten Blutkörperchen bestimmen. Besonders die Konzentration in den roten Blutkörperchen gibt gute Hinweise auf die antioxidative Kapazität des Körpers. [10]

• Phosphatidylcholin: Phosphatidylcholin ist ein wesentlicher Bestandteil der mitochondrialen Membranen, insbesondere der inneren Mitochondrienmembran, die für die Effizienz der Energieproduktion entscheidend ist. Phosphatidylcholin sorgt für die Struktur und Fluidität der Membranen und unterstützt die Funktion von Proteinen und Enzymen, die an der ATP-Produktion beteiligt sind. Darüber hinaus spielt Phosphatidylcholin eine wichtige Rolle bei der Zellmembranreparatur und dem Transport von Fetten, was die allgemeine Zellfunktion und den Energiehaushalt beeinflusst. Spezialisierte Tests können die Phosphatidylcholin-Konzentration in Zellmembranen bestimmen, um die Gesundheit der Zell- und Mitochondrienmembranen zu beurteilen. [11]

Fazit zur Mitochondrialen Labordiagnostik 

Abschließend lässt sich festhalten, dass die moderne Labordiagnostik wertvolle Einblicke in die Funktionsweise und Gesundheit unserer Mitochondrien bietet. Durch die Kombination verschiedener Messmethoden wie der ATP-Produktion, der mitochondrialen Membranintegrität, des Sauerstoffverbrauchs und spezifischer Marker wie Coenzym Q10 und NAD+, können Dysfunktionen frühzeitig erkannt und gezielt behandelt werden. Die Fortschritte in diesem Bereich erlauben es, nicht nur den aktuellen Zustand der Mitochondrien zu beurteilen, sondern auch präventive Maßnahmen zu ergreifen, um die Zellgesundheit langfristig zu optimieren. Damit wird die Labordiagnostik zu einem entscheidenden Werkzeug für die Prävention und Behandlung von chronischen Erkrankungen, die eng mit der mitochondrialen Dysfunktion verknüpft sind. 

Mitochondrien sind die Kraftwerke unserer Zellen – eine genaue Analyse ihrer Funktion trägt wesentlich dazu bei, unsere Gesundheit und Leistungsfähigkeit zu erhalten und zu verbessern.

Dein Performance & Health Optimizer 

Richard Staudner

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Literaturverzeichnis:

1. https://www.sigmaaldrich.com/AT/de/product/roche/11699695001
2. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34157430/
3. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28711444/
4. https://www.agilent.com/en/products/cell-analysis/how-seahorse-xf-analyzers-work
5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8275291/ 
6. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29739855/
7. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0047637401003207
8. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9096339
9. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6914903/
10. https://www.nature.com/articles/s41392-022-00928-w#:~:text=GSH%20is%20the%20major%20antioxidant,1a
11. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5009247/