Biomarker für Mykotoxine - Potenziale und Tücken


Photo: BIOMIN

Mykotoxine sind toxische Substanzen, die von Schimmelpilzen produziert werden und in fast allen Getreidearten vorkommen. Etwa 95 % der gesamten Mykotoxin-Kontamination erfolgt vor der Ernte. Trotz des weitverbreiteten Einsatzes von Präventivmaßnahmen im Rahmen guter landwirtschaftlicher Praktiken konnten im Jahr 2013 in 81 % der mehr als 4200 Futterproben Mykotoxine nachgewiesen werden (BIOMIN Mykotoxin-Studie 2013). Da sich die Folgen und gesundheitlichen Auswirkungen von Mykotoxinen von Tier zu Tier stark unterscheiden, suchen Forscher, Veterinärmediziner und Landwirte schon seit langer Zeit nach diagnostisch aufschlussreichen Biomarkern.

Was sind Mykotoxin-Biomarker?

Biomarker der Exposition

Es ist wichtig, zwischen Biomarkern für die Exposition und solchen für die Wirkung von Mykotoxinen zu unterscheiden. Ein gutes Beispiel für einen Expositions-Biomarker ist Aflatoxin M1 (AfM1) in der Kuhmilch (siehe Tabelle 1). Zur Bestimmung von Expositions-Biomarker wird die Konzentration von Mykotoxinen oder seinen Metaboliten im Blut, in der Milch, im Urin, im Kot oder in anderen physiologischen Substraten gemessen. Mykotoxine können nur in bestimmten Mengen unverändert in physiologischen Proben nachgewiesen werden, da ein Großteil der Mykotoxine im Körper verstoffwechselt wird.

Tabelle 1. Potenzielle Biomarker für Exposition und Wirkung der wichtigsten Mykotoxine, die bisher in wissenschaftlichen Studien verwendet wurden.

Quelle: BIOMIN, modifiziert nach Baldwin et al., 2011

Abhängig unter anderem von der Milchleistung, können schätzungsweise 1-6 % des aufgenommenen AfB1 in Form von AfM1 (hydroxylierter Metabolit) in der Kuhmilch nachgewiesen werden. Grob gerechnet würden damit 0,05 ppb AfM1 (von der EU vorgegebener Grenzwert für Milch) mit einer AfB1-Kontamination von 0,8-5 ppb im Mischfutter (5 ppb ist der EU-Grenzwert für Mischfutter für Milchkühe) korrelieren.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Durchführung von Mykotoxin-Analysen im Futter empfehlenswert ist, um das wirtschaftliche Risiko einer Aflatoxin-Kontamination der Milch nahe des EU-Grenzwertes zu vermeiden.

Biomarker der Wirkung

Biomarker für die Wirkung von Mykotoxinen werden auch als Mechanismus-basierte Biomarker bezeichnet. Der optimale Biomarker zeigt die Störung oder Unterbrechung von metabolischen bzw. zellulären Vorgängen im Körper auf.

So ist z. B. die Störung des Sphingolipid-Metabolismus durch Fumonisin B1 (FB1) eine der Ursachen, die in späterer Folge beim Schwein zu Lungenödemen führen kann. FB1 inhibiert das Enzym Ceramid-Synthase, was zu einer Erhöhung des Verhältnis von Sphinganin zu Sphingosin (Sa:So-Verhältnis) führt. Das Sa:So-Verhältnis ist ein wissenschaftlich anerkannter Biomarker für die Wirkung von Fumonisinen (FUM) beim Schwein, nicht aber beim Menschen.

Herausforderungen in der Praxis

Im Falle von FUM ist das Sa:So-Verhältnis nur im Rahmen von wissenschaftlichen Studien anwendbar. In Betrieben ist eine kontrollierte Fütterung schwierig, und das Fehlen von nicht-exponierten Gruppen macht die Bestimmung eines Bezugswertes unmöglich.

Außerdem ist eine lineare Korrelation zwischen der Exposition und der Aufnahme des Mykotoxins mit dem Futter die Voraussetzung für die praktische Relevanz des Biomarkers. In manchen wissenschaftlichen Studien konnte eine lineare Beziehung zwischen DON und seinen Metaboliten im Blut oder Urin von Schweinen gezeigt werden. Allerdings gibt es hier einige Einschränkungen.

Die Mykotoxin-Mengen, die in physiologischen Proben von einzelnen Tieren nachgewiesen wurden, unterscheiden sich in dem Ausmaß, dass keine Schlussfolgerung über die Menge der aufgenommenen Mykotoxine und deren Auswirkungen auf die Gesundheit einzelner Tiere getroffen werden kann. Dies ist einer der zentralen Gründe, warum es bisher keine etablierten Orientierungswerte für Biomarker von DON und anderen Mykotoxinen im Blut oder in anderen physiologischen Substraten von Tieren gibt. Dies macht die Interpretation der Ergebnisse unmöglich.

Die Situation wird zusätzlich dadurch erschwert, dass für eine repräsentative Analyse der richtige Zeitpunkt für die Probenentnahme essentiell ist. Innerhalb von zwei Stunden nach der Aufnahme ist die maximale Konzentration von DON und seiner Stoffwechselprodukte im Blut erreicht. Danach kommt es zu einem raschen Abfall. Im Gegensatz dazu dauert der Abbau von ZEN aufgrund des enterohepatischen Kreislaufs (Absorption ins Blut, Ausscheidung über die Galle und Reabsorption ins Blut) länger. Die Fütterung der Tiere in den Betrieben erfolgt gewöhnlich ad libitum, wodurch der Zeitpunkt für die Probenentnahme unvorhersehbar wird und zu nicht repräsentativen Ergebnissen führt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Tatsache, dass DON, genauso wie andere Mykotoxine, zu Metaboliten, wie z. B. DON-Glukuronid, De-epoxy-DON und weiteren unbekannten Metaboliten im Körper umgewandelt wird. Der jeweilige Anteil hängt von der Spezies, dem Lebenszyklus, der Darmflora und dem individuellen Gesundheitszustand des Tieres ab.

FDarüber hinaus kann sich die Toxizität der DON-Metaboliten von jener der Muttersubstanz unterscheiden. Der Metabolit De-epoxy-DON ist zum Beispiel nicht toxisch. ZEN kann in physiologischen Substraten als alpha- und beta-Zearalenol, alpha- und beta-Zearalanol und deren glukuronierte Formen auftreten. Die Umwandlung von ZEN in alpha-Zearalenol erhöht den unerwünschten östrogenen Effekt. Folglich reicht die Analyse von nur einem einzigen Mykotoxin nicht aus.

Die Analyse von Biomarkern

Ein Trend der letzten Jahre war die Ent-wicklung von Methoden auf der Grundlage der Flüssigkeitschromatographie-Massenspektroskopie/Massenspektroskopie (LC-MS/MS). Diese hochselektiven und ausreichend sensitiven Methoden ermöglichen den Nachweis von Mykotoxinen in äußerst geringen Konzentrationen und die parallele Quantifizierung von mehreren Metaboliten.

Im Gegensatz dazu kann der ELISA-Test (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) nur als grobe Screeningmethode dienen, da die Matrixeffekte von Körperflüssigkeiten die Ergebnisse beeinflussen. Die in ELISA-Tests zur Quantifizierung von Mykotoxinen verwendeten Antikörper zeigen eine starke Kreuzreaktivität gegenüber strukturähnlichen Metaboliten auf. So bestimmt man zum Beispiel mit den meisten ELISA-Testkits für ZEN gleichzeitig auch die Konzentration an alpha-Zearalenol. Es kann aber nicht zwischen den einzelnen Metaboliten unterschieden werden. Diese sogenannte Kreuzreaktivität wird in der Gebrauchsanleitung von ELISA-Testkits oft nicht genauer spezifiziert.

Während es zur Analyse von Mykotoxinen im Futter validierte Methoden gibt, existieren fast keine derartigen Methoden für Biomarker. Anders als beim Futter muss die Qualitätskontrolle für Mykotoxin-Analysen von physiologischen Substraten für kommerzielle Labors erst etabliert werden.

Obwohl Biomarker in wissenschaftlichen Studien wertvolle Tools darstellen, ist vor dem praktischen Einsatz von Biomarkern in den Betrieben ein besseres Verständnis jener Faktoren erforderlich, die die Bioverfügbarkeit, Kinetik und das metabolische Profil von Mykotoxinen in Tieren beeinflussen. Für viele Biomarker fehlt immer noch die lineare Korrelation. Der unverzichtbare Einsatz von Kontrollgruppen und eine aufwändige Probenahme macht die Verwendung von Biomarkern sehr teuer.

Die Analyse von Mykotoxinen im Futter ist ein etablierter und zuverlässiger Ansatz zur Risikoabschätzung und ist aus diesem Grunde bis jetzt die Methode der Wahl.

Warum nicht ELISA?

Der ELISA-Test ist zwar schnell durchzuführen und preisgünstig, kann aber nur für validierte Rohmaterialien eingesetzt werden und eignet sich daher nicht zur Analyse nicht-validierter physiologischer Substrate.

Serum- und Milchproben wurden in zwei verschiedenen Labors auf das Vor-handensein von DON getestet. Während das erste Labor mit dem ELISA-Test DON-Konzentrationen von 69,5-117,5 µg/l nachweisen konnte, lagen die Konzentrationen im zweiten Labor bei der Analyse mittels HPLC unter der Nachweisgrenze. Offensichtlich waren die Ergebnisse des ELISA-Tests falsch positiv, da diese Methode für die Mykotoxin-Analyse in komplexer Matrix wie Futter, Milch und Blut nicht geeignet ist.

Tabelle 2. Vergleich von ELISA und HPLC bei physiologischen Proben
1 Labor 1
2 S. Dänicke (Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft, Institut für Tierernährung, Braunschweig), Deutschland

Stay naturally informed with the latest from BIOMIN!