Eisen: Ernährungsphysiologie und Ernährungsmedizin

August 2021 | Fachlich-Sachlich

Der ali­mentär indu­zierte Eisen­mangel tritt sehr häufig auf. Seine Ent­wicklung wird in drei Stadien ein­ge­teilt: prä­latent, latent und manifest. Jedes Stadium bedarf einer spe­zi­ellen Dia­gnostik und weist eine typische Sym­pto­matik auf. Bedenken gegen eine Über­ladung des Orga­nismus mit Eisen resul­tieren vor allem im Hin­blick auf Eisen als poten­zi­eller Radikalbildner.

Bestand und Verteilung

Im Körper erwach­sener Men­schen beträgt der Gesamt­be­stand an Eisen (Fe) 3,5 bis 4,5 g, wobei zwei Com­part­ments dif­fe­ren­ziert werden, wie dies auch aus der Tabelle 1 ersichtlich ist. Die Ver­teilung von Eisen im Orga­nismus wird durch die Trans­fer­rin­re­zep­toren bestimmt, die im Falle eines höheren intra­zel­lu­lären Eisen­be­darfs „Up“ regu­liert werden (1). Der Eisen­gehalt von Trans­ferrin liegt an sich aller­dings nur im Bereich von ca. 1 % des Gesamt­be­standes an Eisen im Organismus.

Tab.1 Gesamtbestand von Eisen

Die meisten der Eisen-​enthaltenden Enzyme spielen eine Rolle im Ener­gie­stoff­wechsel, daneben auch bei der Mye­li­ni­sierung der Neurone und beim Meta­bo­lismus der Neu­ro­trans­mitter (1). In den Nicht-​Häm-​Proteinen liegt Eisen zum Teil als Komplex mit Schwefel (S) vor. Ein Bei­spiel dafür sind die Mito­chon­drien, wo Eisen-​Schwefel-​Verbindungen bei ver­schie­denen Enzymen des Ener­gie­stoff­wechsels wie z.B. der Aco­nitase, der NADH-​Dehydrogenase und der Suc­ci­nat­de­hy­dro­genase eine Rolle spielen (1).

Einen wei­teren Über­blick über Eisen-​Speicher gibt die Abbildung 1. Dabei ist auch fest zu halten, dass die Eisen­speicher beträchtlich vari­ieren können.

Abb.1 Eisenspeicher

Resorption von Eisen

Die enterale Resorption von Eisen erfolgt im Duo­denum und pro­xi­malen Jejunum. Dabei ist zwi­schen drei Formen von Eisen zu unter­scheiden: Häm-​Eisen, Freies Fe++ und Fe+++. In der Darmwand exis­tieren drei Zell­typen, die bei der Eisen-​Resorption eine Rolle spielen:

  • Eisen-​resorbierende Enterozyten
  • Eisen-​resorbierende Makrophagen
  • Eisen-​ausscheidende Goblet-Zellen

Häm-​Eisen wird durch Endo­zytose des intakten Häm-​Moleküls und nach­fol­gender Frei­setzung von Fe++ durch eine im Entero­zyten vor­handene Häm-​Oxidase resorbiert.

Das im Darm­lumen vor­handene freie Fe++ tritt unter Ver­mittlung des Dime­tall­trans­porters DMT 1 in den Entero­zyten ein. Im Entero­zyten wird über­schüs­siges Fe++ an Fer­ritin gebunden, wodurch sich der Enterozyt gegen eine mög­liche Schä­digung durch freie Eisen-​Radikale schützt.

Fe+++ tritt in den Enteroyten über ß3 ‑Integrin in Ver­bindung mit Mobil­ferrin (Integrin-​Mobilferrin-​Pathway, IMP) ein. Im Zytosol des Entero­zyten befindet sich ein Komplex mit der Bezeichnung Paraf­er­ritin, der Integrin, Mobil­ferrin, Fla­vin­mo­nooxy­genase und ß1-​Mikroglobulin enthält. Dieser Komplex bewirkt die Reduktion von Fe+++ zu Fe++, welches dann zum Einbau in Fer­ritin oder Häm zur Ver­fügung steht.

Bei der Regu­lation der frak­tio­nellen Eisen-​Resorption spielt nicht der Fer­ritin­gehalt des Entero­zyten eine Rolle, sondern dies geschieht wahr­scheinlich über eine Down-​Regulation von DMT 1. Eine Rolle wird dabei auch der Sät­tigung von Mobil­ferrin zuge­schrieben. Durch die Sät­tigung von Mobil­ferrin wird eine Bindung an Integrin an der Ober­fläche der Mikro­villi ver­hindert und in der Folge wird der Einstrom von Eisen in den Entero­zyten erleichtert.

Auf der baso­la­te­ralen Membran des Entero­zyten gibt es Trans­fer­rin­re­zep­toren, durch die der Ein­tritt des Transferrin-​Eisen-​Komplexes in den Entero­zyten ermög­licht wird. Das auf diese Weise in den Entero­zyten gelan­gende Eisen wird von Trans­ferrin frei­ge­setzt und dient als Infor­mation über den Eisen­status des Organismus.

Der Aus­tritt von Eisen aus den Entero­zyten wird durch Hepha­estin erleichtert, das analog zu Cae­rulo­plasmin ist. Mög­li­cher­weise spielt beim Aus­tritt von Eisen aus dem Entero­zyten in das Blut auch ein Apo­trans­fer­rin­re­zeptor in der baso­la­te­ralen Membran eine Rolle.

Das im Entero­zyten vor­handene Eisen stammt einer­seits aus der Nahrung, ande­rer­seits aber auch vom Plasma über den baso­la­te­ralen Trans­fer­rin­re­zeptor. Die Menge, die vom Plasma her in den Entero­zyten gelangt, reflek­tiert den Eisen-​Status des Orga­nismus und steuert die Höhe der frak­tio­nellen Eisen­re­sorption. Das Ausmaß der frak­tio­nellen Eisen­re­sorption hängt einer­seits von einer Up- oder Down-​Regulation von DMT1 und ande­rer­seits von der Sät­tigung der Eisen-​bindenden Stellen an den IMP-​Proteinen ab.

Die Haupt­de­ter­mi­nanten der Eisen­ver­sorgung sind der Eisen­gehalt der Nahrung, die Bio­ver­füg­barkeit von Eisen und die Anwe­senheit von Pro­mo­toren oder Inhi­bi­toren der Eisen-​Resorption. Eisen aus pflanz­licher Nahrung ist grund­sätzlich schlechter bio­ver­fügbar als Eisen aus Nahrung tie­ri­scher Her­kunft. Die Resorp­ti­onsrate von Nicht-​Häm-​Eisen liegt zwi­schen 0,1 bis >35 %, jene von Häm-​Eisen zwi­schen 20 und 50 % in Abhän­gigkeit von den aktu­ellen Eisen­spei­chern im Orga­nismus. Aller­dings enthält die übliche Mischkost wesentlich mehr Nicht-​Häm-​Eisen als Häm-​Eisen, sodass der Beitrag von pflanz­licher Kost zur ali­men­tären Eisen­ver­sorgung von wesent­licher Bedeutung ist (2).

Einflussfaktoren auf die Bioverfügbarkeit von Eisen

Besonders im Hin­blick auf die Bio­ver­füg­barkeit von Nicht-​Häm-​Eisen spielt die Anwe­senheit von Pro­mo­toren und Inhi­bi­toren im Darm­lumen eine Rolle. Fe+++ wird im sauren Milieu des Magens bei einem pH- Wert von <3 aus dem Nah­rungs­verband gelöst und danach an ver­schiedene Chelate gebunden. Bei­spiele für che­lie­rende Ver­bin­dungen sind die intes­ti­nalen Mucine, bestimmte Ami­no­säuren, Zucker, Amine und Amide. Die Tabelle 2 gibt einen Über­blick über ver­schiedene Fak­toren mit Ein­fluss auf die Bio­ver­füg­barkeit von Eisen.

Tab.2 Bioverfügbarkeit von Eisen

Von einem gewissen Interesse sind die Inter­ak­tionen zwi­schen Eisen und anderen Spu­ren­ele­menten bzw. Mine­ral­stoffen. So wird die enterale Eisen­re­sorption durch Calcium als Sup­plement bzw. auch durch cal­ci­um­haltige Lebens­mittel beein­trächtigt. Von dieser Beein­träch­tigung ist sowohl die Resorption von Häm-​Eisen als auch jene von Nicht-​Häm-​Eisen betroffen. Die Menge an Calcium, welche die Bio­ver­füg­barkeit von Eisen beein­trächtigt, wird mit 300 bis 600 mg und das Ausmaß der Ver­min­derung der Eisen-​Resorption mit 30 bis 50 % ange­geben (1). Der Hemm­effekt spielt sich nicht durch Inter­ak­tionen im Darm­lumen, sondern durch Vor­gänge im Entero­zyten ab. Es besteht eine inverse Kor­re­lation zum Eisen-​Status und wird ab einer Fer­ritin­kon­zen­tration im Plasma in der Höhe von ca. 50 bis 60 µg/​l als uner­heblich betrachtet.

Eine kom­pe­titive Hemmung zwi­schen Eisen, Mangan, Blei, Cadmium, Zink und Kupfer wird auf die Tat­sache zurück­ge­führt, dass DMT‑1 alle genannten Spu­ren­ele­mente trans­por­tiert (1).

Die Uti­li­sation von Eisen und der Eisen­status können auch noch durch einen Mangel an Vitamin A, Fol­säure, Vitamin B12, Ribo­flavin und Vitamin C beein­flusst werden (1). Ande­rer­seits kann eine Ver­bes­serung des Eisen­status die Uti­li­sation von Jod und Vitamin A aus Sup­ple­menten ver­bessern (1).

Endogene Regulation des Eisenstoffwechsels

Einen Über­blick über den endo­genen Eisen­stoff­wechsel gibt die Abbildung 2. Die Ver­teilung von Eisen im Orga­nismus wird durch die Trans­fer­rin­re­zep­toren bestimmt, deren Kon­zen­tration an den zel­lu­lären Eisen-​Bedarf ange­passt wird. Der Eisen-​Transferrin-​Komplex wird in die Zelle ein­ge­schleust, Eisen wird an das Zytosol abge­geben und Trans­ferrin wird an das Blut abge­geben. Bei der Bildung der Trans­fer­rin­re­zep­toren und von Fer­ritin­re­zep­toren wird „Iron-​Response-​Proteinen“, welche die intra­zel­luläre Eisen-​Konzentrationen regis­trieren, eine Rolle zuge­schrieben (1).

Abb.2 Eisenstoffwechsel

Der endogene Gesamt­umsatz von Eisen beträgt ca. 36 mg/​d. Für den täg­lichen Aufbau von Hämo­globin sind ca. 20 mg Fe++ erfor­derlich, der größte Anteil davon stammt aus den abge­bauten Ery­thro­zyten. Eisen aus den Ery­thro­zyten wird von mono­nu­kleären Zellen auf­ge­nommen und zum Kno­chenmark transportiert.

Ungefähr 90 % des im Orga­nismus vor­han­denen Eisen wird durch Recy­cling im reti­ku­lo­en­do­the­lialen System kon­ser­viert. Der basale Eisen­verlust beträgt ca. 1–2 mg/​d und wird haupt­sächlich mit der Abschil­ferung von Entero­zyten in Ver­bindung gebracht. Kleinere Eisen­ver­luste erfolgen auch im Schweiß und über die Abschil­ferung der Haut. Auf die Bedeutung der Eisen­ver­luste durch Blu­tungen wird noch weiter unten Bezug genommen. Das Stoff­wech­sel­gleich­ge­wicht von Eisen wird durch die Regu­lation der ente­ralen Resorption auf­recht­erhalten, deren Effi­zienz von der Bio­ver­füg­barkeit von Eisen und dem Eisen­status abhängt.

Zufuhrempfehlungen für Eisen

Der ali­mentäre Eisen­bedarf hängt in erster Linie von den Eisen­ver­lusten und dem Bedarf für das Wachstum in den ver­schie­denen Lebens­phasen ab. Die Tabelle 3 gibt einen Über­blick über ver­schiedene Emp­feh­lungen im Zusam­menhang mit der ali­men­tären Eisen-Versorgung.

Tab.3 alimentäre Eisenversorgung

Eisenmangel

Der Eisen­mangel wird als der häu­figste ali­mentäre Mangel ange­sehen. Eine wesent­liche Rolle für den Eisen­mangel spielen Blut­ver­luste, welche die phy­sio­lo­gi­schen Ver­luste über­treffen. Aus diesem Grund sind vom Eisen­mangel vor allem Frauen im gebär­fä­higen Alter betroffen. Weitere Ursachen für einen Eisen­mangel sind eine inad­äquate Bio­ver­füg­barkeit, para­sitäre Erkran­kungen, innere Blu­tungen, Hypo­a­zi­dität und Mal­ab­sorp­ti­ons­zu­stände (4). Als Teil­ur­sachen für einen ali­men­tären Eisen­mangel kommen auch Eisen­ver­luste bei der Lebens­mit­tel­be­ar­beitung bzw. beim Kochen in Frage.

Von wesent­licher Bedeutung ist die Tat­sache, dass sich der Eisen­mangel pro­tra­hiert ent­wi­ckelt und daher in drei Stadien ein­ge­teilt wird:

  1. Prä­la­tenter Eisen­mangel oder Spei­che­rei­sen­mangel. Kenn­zeichen dieses Sta­diums sind eine Ver­min­derung der gespei­cherten Eisen-​Menge von ca. 800 mg auf ca. 200 mg, wobei die Serum-​Eisenkonzentration und die Hämo­glo­bin­kon­zen­tration im Nor­mal­be­reich und die Eisen­an­lie­ferung zu den Ery­thro­zyten noch nicht beein­trächtigt ist.
  2. Latenter Eisen­mangel. Zur Ver­min­derung des Spei­che­reisens kommen ein Abfall der Serum-​Eisenkonzentration unter 60 µg/​100ml und eine Beein­träch­tigung der Ery­thro­poese hinzu, wobei die Hämo­glo­bin­werte noch im Nor­mal­be­reich bleiben.
  3. Beim mani­festen Eisen­mangel sind sowohl die Eisen­speicher als auch die Serum-​Eisenkonzentration und die Hämo­glo­bin­kon­zen­tration erniedrigt.

Die Abbildung 3 gibt einen Über­blick über einige Vor­gänge die sich im Rahmen eines Eisen­mangels und einer Eisen­sup­ple­men­tierung bei Eisen­mangel abspielen.

Abb.3 Eisenmangel

Frühe Stadien des Eisen­mangels sind mit ver­schie­denen gesund­heit­lichen Folgen ver­bunden, wobei die Sym­pto­matik als uncha­rak­te­ris­tisch zu bezeichnen ist. Es können unter anderem Mund­win­kel­rha­gaden, Stö­rungen des Haar- und Nagel­wachstums sowie atro­phische Haut- und Schleim­haut­ver­än­de­rungen auf­treten. Weiters kann es zu Müdigkeit, Schwäche und Ady­namie kommen sowie zu einer Ver­min­derung der Infekt­re­sistenz und einer Beein­träch­tigung kogni­tiver Funktionen.

Mög­liche Folgen unab­hängig von den Ver­än­de­rungen im roten Blutbild können Stö­rungen im Elek­tro­nen­transport der Atmungs­kette und im Katecho­la­m­in­stoff­wechsel sein; Beein­träch­ti­gungen betreffend die DNA-​Synthese und ver­schiedene Enzym­systeme; Beein­träch­ti­gungen der Leis­tungs­fä­higkeit, neu­ro­lo­gi­scher Funk­tionen sowie der Immu­nität (zel­luläre Immun­abwehr, Neutrophilen- und Makro­pha­gen­funktion) und auch Epithelschädigungen.

Hin­zu­gefügt kann werden, dass Eisen ein wich­tiger Nähr­stoff für Bak­terien ist. Während einer Infektion kann daher eine Abnahme der Eisen­kon­zen­tration im Plasma als eine der nicht-​spezifischen Abwehr­maß­nahmen des Orga­nismus beur­teilt werden. Bei Fieber wird das Wachstum der Bak­terien gehemmt, dies geschieht jedoch nicht bei hohen Eisen­kon­zen­tra­tionen. Aus diesem Grund ist eine Sup­ple­men­tierung von Eisen bei akuten Infekten kon­tra­in­di­ziert. Dies trifft besonders bei Men­schen mit einer hohen Trans­ferrinkon­zen­tration im Plasma zu (5). Aller­dings ist eine adäquate Sup­ple­men­tierung von Eisen bei Men­schen mit einer beein­träch­tigten Immunfunktion, chro­ni­schen Infekten und einer sub­nor­malen Eisen-​Konzentration im Plasma indi­ziert (5).

Bedenken gegen eine Über­ladung des Orga­nismus mit Eisen werden vor allem im Zusam­menhang mit der Radikal­bildung, im Zusam­menhang mit einer Beein­träch­tigung der Zin­kre­sorption und mit gastro­in­tes­ti­nalen Beschwerden geäußert. Im Zusam­menhang mit diesen Beschwerden wird eine Ober­grenze der Eisen­zufuhr von 45 mg/​d genannt.

Diagnostik des Eisenstatus

Bei der Dia­gnostik des Eisen­status sind zwei Bereiche zu unterscheiden:

  • Die Dia­gnostik eines kli­nisch mani­festen Eisen­mangels und
  • die Unter­su­chung des ali­men­tären Ver­sor­gungs­zu­standes betreffend Eisen.

Es erscheint wesentlich zu betonen, dass die zur Dia­gnose einer kli­nisch mani­festen Eisenmangel-​Anämie ein­ge­setzten dia­gnos­ti­schen Methoden nicht geeignet für die Dia­gnostik des prä­la­tenten und latenten Eisen­mangels sind. Die für die Dia­gnose eines Eisen­mangels zur Ver­fügung ste­henden Methoden können in zwei Gruppen unter­teilt werden: Zum einen die Bestimmung der Eisen­speicher und zum anderen Unter­su­chungen, welche die Ver­füg­barkeit von Eisen für das ery­throide Kno­chenmark wider­spiegeln (siehe Tabelle 4).

Tab.4 Diagnose eines Eisenmangels

Als Bei­spiele für Unter­su­chungs­me­thoden des Eisen­stoff­wechsels im Hin­blick auf einen Mangel sind die Bestimmung der Serum-​Eisenkonzentration, der Serum-​Ferritinkonzentration und des freien Erythrozyten-​Protoporphyrins zu nennen; weiters die Kno­chen­marks­bi­opsie mit Unter­su­chung des Depot­eisens in Form von Hämo­si­de­ringranula; diverse Unter­su­chungs­me­thoden des roten Blut­bildes (Ery­thro­zy­tenzahl, Hämo­glogin, Häma­tokrit, Ery­thro­zy­ten­in­dices, Reti­ku­lo­zyten etc.); die freie Eisen­bin­dungs­ka­pa­zität; die Trans­ferr­in­sät­tigung und die Kon­zen­tration von Trans­fer­rin­re­zep­toren, die bei erhöhtem zel­lu­lärem Eisen­bedarf hoch­re­gu­liert werden.

  • Serum-​Ferritinkonzentrationen zwi­schen 20 und 200 µg/​l weisen auf prä­la­tente und latente Eisen­man­gel­zu­stände hin. Werte unter 12 µ/​l findet man bei mani­festem Eisenmangel.
  • Eine Abnahme der Serum-​Ferritinkonzentration um 1 µg/​l ent­spricht einer Abnahme des Eisen-​Gewebsgehaltes um 10 µg. Diese Ent­spre­chung gilt streng genommen nur in einem Serum-​Ferritinkonzentrationsbereich von 20 bis 150 µg/​l.
  • Eine Trans­ferr­in­sät­tigung <16% wird als Indi­kator einer ali­men­tären Eisen­man­gel­ver­sorgung gewertet.
  • Die Kon­zen­tration von Trans­fer­rin­re­zep­toren liegt im Nor­malfall bei 3 bis 9 mg/​l, bei Eisen­mangel finden sich erhöhte Werte.

Die Fer­ritin­kon­zen­tration im Plasma ist der intra­zel­lu­lären Fer­ritin­kon­zen­tration pro­por­tional wobei fol­gende Beziehung gilt:

1 µg Ferritin/​l Plasma = 8 mg Speichereisen.

Zu beachten ist aller­dings, dass Fer­ritin zu den Akute-​Phase-​Proteinen gehört und seine Plas­ma­kon­zen­tration bei Infekten, Ent­zün­dungen, Mali­gnomen, Leber­er­kran­kungen und inef­fek­tiver Ery­thro­poese erhöht ist. Höhere Fer­ritin­kon­zen­tra­tionen sind daher kein brauch­barer Indi­kator für den Eisen-Status.

Zusammenfassung

Eisen kommt in der Natur in ver­schie­denen Oxi­da­ti­ons­stufen vor. Davon sind das zwei­wertige Fe++ und das drei­wertige Fe+++ von Bedeutung für den mensch­lichen Orga­nismus. Für beide Eisen-​Formen exis­tieren spe­zielle Mecha­nismen für die enterale Resorption. Fe++ kommt im Hämo­globin, Myo­globin und den Häm-​haltigen Enzymen vor. Es wird auch als Funk­ti­ons­eisen bezeichnet und spielt vor allem beim Transport und der Uti­li­sation von Sauer­stoff im Orga­nismus eine Rolle, wodurch sich eine Ver­bindung zwi­schen Eisen und dem Ener­gie­stoff­wechsel ergibt. Der Eisen­transport im Orga­nismus erfolgt durch Bindung an Trans­ferrin (Trans­por­teisen), die Spei­cherung als Fer­ritin oder Hämo­si­derin (Spei­che­reisen). Sowohl Transport- als auch Spei­che­reisen liegt in der drei­wer­tigen Form vor. Der ali­mentär indu­zierte Eisen­mangel tritt sehr häufig auf. Seine Ent­wicklung wird in drei Stadien – prä­latent, latent und manifest – ein­ge­teilt. Jedes Stadium bedarf einer spe­zi­ellen Dia­gnostik und weist eine typische Sym­pto­matik auf. Bedenken gegen eine Über­ladung des Orga­nismus mit Eisen resul­tieren vor allem im Hin­blick auf Eisen als poten­zi­eller Radikalbildner.

 

Ao. Univ. Prof. Dr. W. Marktl, GAMED Wiener Inter­na­tionale Aka­demie für Ganz­heits­me­dizin, Sana­to­ri­umstr. 2, 1140 Wien; marktl@gamed.or.at

 

 

Lite­ratur:

  1. Schulze KJ & Dreyfuss ML (2009). Iron-​Deficiency Anemia. In: Ency­clo­pedia of Human Nut­rition, 2nd Ed. Eds. B. Caballero, L. Allen & A. Prentice. Elsevier, Ams­terdam. Vol.1 p. 101–109
  2. Hunt JR. Iron (2005). In: Ency­clo­pedia of Human Nut­rition, 2nd Ed., Eds. B. Caballero, L. Allen & A. Prentice. Elsevier, Ams­terdam. Vol. 3, p. 82–89
  3. Fairweather-​Tait SJ. From absorption and excretion of minerals … to the impor­tance of bio­avai­la­bility and adap­t­ation. Brit J Nutr 1997; 78 Suppl2: S95–S100;
  4. Schauss AG (2006) Sug­gested Optimum Nut­ri­tient Intake of Vit­amins, Minerals, and Trace Ele­ments. In: Textbook of Natural Medicine, 3rd Ed. Vol1, Eds. JE Pizzorno Jr & MT Murray, Elsevier Ltd. St. Louis, p. 1275–1320
  5. Murray MT & Pizzorno JE (2006) Immune Support. In: Textbook of Natural Medicine, 3rd Ed. Vol1, Eds. JE Pizzorno Jr & MT Murray, Elsevier Ltd. St. Louis, p. 645–653.

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