Biochemical Diagnosis of Myocardial Infarction

Structure of Myocardium
Myocardium (Cardiac muscle) is a special form of striated muscle, which is in permanent action. Cardiac muscle cells - cardiomyocytes contain one or two centrally placed oval shaped nuclei. Close to nuclei there are many mitochondria and glycogen granules. In the cytoplasm of cardiomyocytes (sarcoplasm) there is also myoglobin. Sarcoplasmic reticulum, which is composed of a system of vesicles and cisternae, is a reservoir for Ca2+ ions.

A part of cardiomyocytes are muscle fibers, that consists of two main types of myofilaments:


 * 1) thick (myosin) myofilaments consist of molecules of myosine - fibrilar part and globular part, in which the ATPase is located;
 * 2) thin (actin) myofilaments. Their structure is based on fibers twisted in a double helix, resulting from polymerization of globular actin monomers.

Troponin-tropomyosin complex
Actin is closely related to troponin-tropomyosin complex, which regulates the contraction of the muscle. The double helix of tropomyosin is placed in the groove of an actin helix S aktinem úzce souvisí troponin-tropomyosinový komplex, který reguluje svalovou kontrakci. V brázdičce šroubovice aktinu je uložena dvojitá šroubovice tropomyosinu, jehož vláknitá molekula ho obtáčí.

Troponin is a complex of three globular proteins:


 * troponin T (TnT);
 * troponin C (TnC) (not specific for heart; we can find indentical one it skeletal muscle);
 * troponin I (TnI).

TnT, which has the biggest mollecular weight helps with connecting troponin complex to tropomyosin. TnI, when in a resting state, prevents the formation of a bridge between myosin and actin. TnC binds Calcium ions, which are relased into the sarcoplasm from the sarcoplasmic reticulum. When Ca2+ is bound to TnC, it induces changes in configuration of troponin complexes and that leads to TnI being displaced further away from the binding site of myosin. That means that the globular parts of myosin are able to bind with actin myofilaments. The muscle contracts after the ATPase in the globular parts of myosin molecules is activated.

Biochemical Markers in Acute Myocardial Infarction
Acute coronary syndroms (ACS; Acute myocardial infarction, AIM and Unstable angina pectoris) are caused by blockage of coronary artery, usually due to thrombotic complications. When the blood flow is decreased, myocardial ischemia occurs. At first it's reversible, but if the blood flow can't be restored quick enough, after rougly an hour the changes are ireversible. Those changes are accompanied with death of cells and necrosis (definite myocardial infarction).

Laboratory diagnostic methods are a significant factor in diagnosis of acute coronary syndrome. Biochemically important parts of cardyomyocyte are located in cytoplasm or mictochondria, other are a part of contractile apparatus. They are being relased into the circulation during the myocardial infarction. The course of their serum levels depends on many factors:


 * localisation in the cell During a brief ischemia, cytoplasmic proteins are being relased into the blood circulation due to functional and structural changes.  During a long-term ischemia tissue necrotizes. That means structural proteins are being relased into the blood circulation along with cytoplasmic proteins (cytoplasmic proteins are relased quicker)
 * relative molecular mass - the smaller proteins are quicker to be relased into the circulation.
 * rate of excretion - smaller molecules ale quicker to be eliminated by kidneys.
 * blood flow in the affected area.

Myoglobin
Myoglobin is globular protein made of only 1 amino acid chain, which contains hem as a prosthetic group. It reversibly binds and transfers oxygen in skeletal muscle cells. Myoglobin in skeletal muscle and myocardium is identical. It's filtrated in kidneys through the glomerular membrane and excreted into the urine. Myoglobin has very short biological half-time - 10-20 minutes.

Unlike the hemoglobin, myoglobin only contains one hem group and one globin chain. That's why it can only transfer one molecule of O2.The affinity to oxygen of myoglobin is higher compared to hemoglobin.

Since myoglobin is a cytoplasmic protein with low molecular mass, it's quickly relased from the affected tissue. The rise of myoglobin serum levels in acute myocardial infarction begins quickly ( 0,5-2 hours) after the onset of chest pain. Levels of myoglobin that might reach 20 times the physiological levels culminate in 6-12 hours and decrease to normal levels in 12-24 hours. Myoglobin is considered the most sensitive biochemical marker of acute myocardial infarction suitable for the early diagnosis. However, the disadvantage od using myoglobin as a marker in acute myocardial infarction is not enough cardiospecifity. The rising of myoglobin levels can be seen in:


 * any damage of skeletal muscle (including e.g. intramuscular injections or small contusion after the fall)
 * excessive muscular exertion (including e.g. use of abdominal press during prolonged vomiting)
 * renal insufficiency

Myoglobin levels are determined by a variety of immunochemical methods (immunoturbidimetry, immunonephelometry, enzyme immunoassay, quick immunochemical tests.)

Creatine Kinase
Creatine Kinase (CK, EC 2.7.3.2) is mostly cytoplasmic enzyme, which calatyses phosporylation of creatine to creatine phosphate with the help of ATP. When there is lack of ATP, the reaction runs backwards. CK is contained mostly in skeletal muscle, myocardion and brain tissue. It consist of two subunits and there are two types of them - M (muscle) and B (brain), each with relative molecular mass of 40 000. There are 3 isoensymes of creatine kinase, that vary in combination of those 2 subunits:


 * CK-BB (CK-1, brain isoenzyme);
 * CK-MB (CK-2, myocardial isoenzyme);
 * CK-MM (CK-3, muscle isoenzyme).

In skeletal muscle, CK-MM is prevalent, but isoensyme CK-MB is also present. In the brain, there is isoensyme CK-BB, which cannot be found in the blood if the hematoencephalic barier is intact. CK-MB is typical isoensyme of myocard, but the heart muscle also contains CK-MM.

Catalytic concentration of celkové CK rises in 3-6 hours since the onset of myocardial ischemia. Its determination in acute myocardial infarction is limited due to insufficient cardiospecifity. Levels of celková CK are affected by various factors (age, gender, muscle mass and physical activity)

Větší diagnostickou hodnotu má vyšetřování izoenzymu CK-MB. Ani CK-MB není plně kardiospecifická. Zvýšení může být způsobeno i poškozením kosterního svalstva (trauma, svalové dystrofie, intramuskulární injekce, resuscitace, defibrilace), extrémním cvičením a chronickou renální insuficiencí.

CK-MB lze stanovovat jako enzymovou aktivitu, která zachytí pouze aktivní molekuly enzymu, nebo imunochemicky jako protein ve formě hmotnostní koncentrace. V tomto případě hovoříme o CK-MB mass, které se dnes jednoznačně dává přednost. Stanovení CK-MB mass je specifičtější i citlivější, neboť jím prokazujeme i částečně degradované molekuly, které již ztratily enzymovou funkci.

Stanovení CK-MB mass je dle současných doporučení přijatelné pouze v případě nedostupnosti stanovení kardiospecifických troponinů. Dále se CK-MB mass používá pro průkaz reinfarktu v době, kdy ještě přetrvává vysoká koncentrace cTn.

Laktátdehydrogenáza
Laktátdehydrogenáza (LD nebo LDH, EC 1.1.1.27) je oxidoredukční enzym katalyzující reverzibilní přeměnu laktátu na pyruvát. Struktura molekuly je tvořena 4 podjednotkami o relativní molekulové hmotnosti 34 000. Každá z těchto podjednotek může být buď M (muscle) nebo H (heart), takže celkem existuje 5 izoenzymů označovaných LD1 (s podjednotkovým složením H4) až LD5 (M4). LD je přítomna v cytoplazmě buněk mnoha tkání. Do cirkulace se uvolňuje již při mírném tkáňovém poškození.

Vyšetření
Zvýšení katalytické koncentrace celkové LD v séru doprovází řadu onemocnění. V současné době se stanovení celkové aktivity LD používá jako nespecifický marker rozpadu buněk, např. při nádorových onemocněních (leukémie, testikulární nádory). Charakteristické je také pozdní zvýšení celkové LD po infarktu myokardu, které může přetrvávat až 15 dní. Vzhledem k vysokému obsahu v erytrocytech může sérovou koncentraci falešně pozitivně zvýšit hemolýza. Použití LD a jejích izoenzymů pro diagnostiku akutního koronárního syndromu se dnes považuje za zastaralé.

Fyziologická horní hranice LD pro dospělé muže a ženy je 4,10 µkat/l.

Pro stanovení se využívá optického testu. Zastoupení izoenzymů lze určit elektroforeticky.

Aspartate Aminotransferase
Aspartate Aminotranferase (AST) has a relatively high concentration on myocardium. Historically, It's one of the first biochemical markers of acute myocardial infarction, but nowadays its use is not recommended.

Troponins
Troponin T (TnT) and troponin I (TnI) are considered cardiac markers. TnT and TnI are found in skeletal muscle and myocardium. Cardial isoforms (cTnT and cTnI) have unique amino acid structure that makes them specific for myocardium. Cardial isoformes TnT and TnI are usually contained in the contractile apparatus and they are relased due to proteolytic degradation. Only 6-8% od cTnT and 2,8-8,3% of cTnI are unbound cytosolic fraction.

Troponin cTnT normally cannot be found in blood. The process of cTnT relasing is biphasic. Troponin levels start to rise in 3-8 hours since the onset of acute myocardial infarction and first peak is seen in 12-18 hours after the damage of the heart muscle. This peak is caused by quick relase of unbound cytosolic fraction of cTnT. The first peak is followed by another one in 3-4 days. It is caused by slower relasing of cTnT bound in troponin-tropomyosin complex located in the necrotic area. In 7-10 days cTnT decreases to undetectable levels.

If the blood flow in coronary artery is restored quickly, maximum levels of cTnT are detectable after circa 14 hours. Later, second, significantly lower peak follows. The duration of increased levels depends on the size of infarction. In extensive myocardial infarctions, cTnT can be detected for up to 21 days. However, there is a slight disadvantage - cTnT levels are non-specifically increased in patients with renal insufficiency.

Levels of cTnI (which is characterized by high specifity) start to rise in circa 3 hours since the onset of ischemia. Increased levels are present for 5-10 days. In comparison with cTnT, levels of cTnI usually don't reach a second maximum (the cytosolic fraction is smaller).

Troponin C (TnC) is not suitable for diagnostics of acute coronary lesion, because it is identical in heart and skeletal muscle.

Troponins are determined by sensitive imunochemical methods.

Rychlý test na stanovení cTnT
Při AIM je nezbytná rychlá diagnostika, jejíž součástí může být i použití biochemických testů na stanovení myoglobinu a troponinů, které lze provést přímo u lůžka pacienta.

Popíšeme si rychlý test na stanovení srdečního troponinu T, založený na technologii GLORIA (Gold Labelled Optically Read Immuno Assay) firmy Roche. Využívá dvou různých monoklonálních protilátek proti cTnT – jedna je značena biotinem, druhá koloidním zlatem.


 * Provedení testu

Krev pacienta se nanese do aplikační zóny, obsahující značené protilátky, které v reakční zóně vytvoří s molekulami troponinu ve vzorku (pokud jsou přítomny) sendvičový komplex. Před vstupem do detekční zóny se pomocí skelných vláken oddělí erytrocyty a dále postupuje pouze plazma obsahující imunokomplexy. V detekční zóně je signální proužek se zakotveným streptavidinem (bílkovinou s vysokou afinitou k biotinu) a další kontrolní proužek s imobilizovaným troponinem. Na kontrolní proužek se váže nadbytek protilátek značených zlatem. Zbarvení kontrolního proužku potvrzuje, že test je funkční a vyšetření je platné. Sendvičový imunokomplex s troponinem je zachycen streptavidinem, což se projeví druhým barevným proužkem. Při pozitivním testu se tedy vyvinou 2 proužky – v oblasti kontrolní i signální linie, při negativním výsledku pozorujeme pouze barevnou kontrolní linii.

Doporučený postup při podezření na akutní infarkt myokardu
Označují části článku, které se při vkládání nepřenášejí.


 * 2. Neměňte úrovně použitých nadpisů. Neuvážené použití nadpisů vyšší úrovně by mohlo znepřehlednit jiné články.
 * 3. Rozsáhlejší editace, rozšíření či zkrácení článku by mohly narušit koncept dalších článků. Změny projednejte v diskusi.
 * Seznam článků, do kterých je tento článek vložen, naleznete v seznamu odkazujících článků pod odkazem "Odkazuje sem".
 * Neodstraňujte, prosím, tento komentář. V případě nejasností kontaktujte redakci (redakce@wikiskripta.eu)
 * Toto upozornění se vkládá šablonou
 * Toto upozornění se vkládá šablonou
 * Toto upozornění se vkládá šablonou

--Pro diagnózu akutního koronárního syndromu se doporučuje opakované stanovení dvou laboratorních ukazatelů – rychlého a definitivního.

V časné fázi po vzniku akutního koronárního syndromu má nejvyšší diagnostickou citlivost myoglobin – „rychlý ukazatel“.


 * Je časným, ale nespecifickým markerem, který při bolesti na hrudi a chybějícím nebo nejasném nálezu na EKG odliší pacienty bez akutního infarktu myokardu a pacienty s pravděpodobnou diagnózou akutního infarktu myokardu.
 * U myoglobinu se hodnotí především negativní (nezvýšená) hladina, která vyloučí akutní infarkt myokardu.
 * Konečná diagnóza AIM musí být potvrzena druhým markerem.

Troponiny jsou definitivním ukazatelem poškození myokardu.


 * Umožňují velmi citlivý a specifický průkaz nekrózy myokardu – i mikroskopické.

Výhod stanovení troponinů při diagnostice AIM je několik:


 * vysoká specifita pro myokard;
 * téměř nedetekovatelné hladiny u zdravých jedinců;
 * mnohonásobné zvýšení koncentrací u akutního infarktu myokardu;
 * vysoká citlivost umožňuje odhalit i minimální poškození myokardu;
 * dlouhodobější přetrvávání zvýšených hodnot může posloužit i pro pozdní diagnostiku IM;
 * jediný parametr, který je možno stanovit i v hemolytickém vzorku.

Zvýšené hladiny srdečních troponinů odrážejí poškození myokardu, které však kromě AIM může být způsobeno i jinými příčinami jako je např. zánět (myokarditidy), plicní embolie nebo kardiochirurgický výkon.

Stanovení CK-MB mass je přijatelné pouze v situaci, kdy není k dispozici vyšetření troponinů.


 * Kromě toho se CK, CK-MB a/nebo CK-MB mass stanovují pro posouzení velikosti ischemického ložiska.

Související články

 * Infarkt myokardu