Frontiers in Pediatrics

Inzidenz und Prävalenz von Nierensteinerkrankungen nehmen in der Allgemeinbevölkerung weiter zu. Mit einer Lebenszeitprävalenz von bis zu 10 % stellen Nephrolithiasis (NL) und Nephrokalzinose (NC) daher eine große Gesundheitsbelastung dar, insbesondere in der westlichen Welt (1). NL und NC sind mit einer erheblichen Morbidität und dem Fortschreiten einer chronischen Nierenerkrankung verbunden, was auf das Wiederauftreten, wiederholte chirurgische/endoskopische Eingriffe und begleitende Entzündungen zurückzuführen ist. Vereinfacht ausgedrückt, ist die Nierensteinbildung das Ergebnis eines Ungleichgewichts zwischen den Inhibitoren (z. B. Citrat, Magnesium, Uromodulin und Pyrophosphat) und den Promotoren (z. B. Oxalat, Kalzium, Phosphat, Urat und Cystin) der Kristallisation im Urin, das zu einer Übersättigung mit konsekutiver Aggregation, Keimbildung und Steinwachstum an der Randall’schen Plaque führt (Abbildung 1). Dieses Ungleichgewicht kann auf eine veränderte enterale und/oder renale Handhabung von Promotoren oder Inhibitoren zurückzuführen sein, wie z. B. eine enterale Fehlsekretion von Oxalat oder eine renale Malreabsorption von Kalzium (Abbildung 1).

Man geht davon aus, dass die zugrundeliegende Ätiologie der NL multifaktoriell ist und eine umweltbedingte, ernährungsbedingte, hormonelle und genetische Komponente aufweist. In Zwillingsstudien wurde die Erblichkeit von Nierensteinen auf 56 % geschätzt (3), und bis zu zwei Drittel der hypercalciurischen Steinbildner haben Verwandte mit NL (4). Obwohl mehr als 80 % aller Nierensteine kalziumhaltig sind, ist die genetische Grundlage dieser Steine noch weitgehend unbekannt (5). Mit Ausnahme von Varianten in CLDN14, TRPV5, SLC34A1, ALPL, CASR und UMOD haben genomweite Assoziationsstudien noch keine wesentlichen genetischen Faktoren ergeben (6-8). Es wurden jedoch Risikoallele innerhalb von Genen identifiziert, die die Krankheit auch auf mendelscher Basis übertragen, wie CASR, SLC34A1 und SLC2A9 (9, 10). Bis heute wurden mehr als 30 einzelne Gene mit einem Online Mendelian Inheritance in Man definierten Phänotyp identifiziert, die, wenn sie mutiert sind, an NL/NC beteiligt sind (Tabelle 1).

Die Vererbungsmodi bei monogenen Formen umfassen autosomal-dominante, autosomal-rezessive und X-chromosomale Übertragung. Interessanterweise wurde bei mehreren dieser Gene sowohl ein rezessiver als auch ein dominanter Vererbungsmodus festgestellt: SLC7A9, SLC34A1, SLC34A3, SLC2A9, SLC22A12 und SLC4A1. Während die meisten syndromalen und schweren kongenitalen Störungen einen rezessiven Erbgang aufweisen (Bartter, Lowe, Dent, FHHNC und distale renale tubuläre Azidose mit sensorineuraler Taubheit), sind mildere Erkrankungen eher mit Mutationen in dominanten Genen verbunden. Bei der Mehrzahl der kodierten Proteine handelt es sich um renale Transporter für gelöste Stoffe (z. B. SLC34A1, SLC34A3 und SLC9A3R1), aber auch Chloridkanäle (CLCN5), Tight-Junction-Proteine (z. B. CLDN16/CLDN19) und metabolisierende Enzyme (z. B. AGXT, APRT und CYP24A1) sind bei Patienten mit NL/NC defekt. Der zugrundeliegende Defekt ist daher meist im Tubulussystem der Niere selbst zu finden und kann daher als Tubulopathie bezeichnet werden. Umgekehrt sind a priori extrarenale Bedingungen wie bei der primären Hyperoxalurie (PH), bei der eine Funktionsstörung von Leberenzymen (AGXT, GRHPR und HOGA1) eine Oxalatakkumulation mit sekundärer Nierenschädigung verursacht, als Ursachen für NL/NC denkbar. Obwohl man davon ausgeht, dass jeder Krankheitsphänotyp eine relativ seltene Entität darstellt, können die Ursachen für ein einzelnes Gen aufgrund ihrer großen genetischen Heterogenität eine beträchtliche Anzahl von Patienten ausmachen (42). Neben der genetischen Heterogenität gibt es auch eine allelische Variation, wobei trunkierende Varianten eher zu einem Funktionsverlust führen und Missense-Varianten (Hypomorphe) eher subtile Defekte verursachen können, die vor allem bei erwachsenen Steinbildnern klinisch übersehen werden können. Ein weiteres, erst kürzlich bekannt gewordenes Phänomen sind Gendosierungseffekte in mehreren der oben genannten Nierensteingene. Bei SLC34A3 beispielsweise, das für einen der wichtigsten Phosphattransporter im proximalen Tubulus (NaPiIIc) kodiert, konnte gezeigt werden, dass heterozygote Individuen nicht mehr nur als gesunde Träger angesehen werden können, da sie signifikant häufiger Nierenverkalkungen und/oder Knochenmanifestationen aufweisen als Wildtyp-Individuen; allerdings immer noch in geringerem Maße als biallelische (homozygote und compound heterozygote) Individuen (43). Ähnliche Beobachtungen wurden für Familien mit Mutationen in CYP24A1 gemeldet (44). Der Beitrag monogener Störungen zur Gesamtprävalenz der Nierensteinerkrankung wurde in der Vergangenheit nicht umfassend untersucht. Insbesondere fehlt es an genetischen Erkenntnissen, die auf breit angelegten Untersuchungen einer Vielzahl von ursächlichen Genen in großen Patientenkohorten beruhen. Umfassende Gentests waren in der Vergangenheit zu kostspielig und ineffizient. Für die meisten Personen mit NL/NC war eine Mutationsanalyse für einen ursächlichen Gendefekt daher nicht zugänglich, obwohl die Kenntnis der molekularen Ursache von NL/NC wichtige Konsequenzen für Prognose, Prophylaxe und/oder Behandlung haben kann. Aus klinischen Beobachtungsstudien wurden nur grobe Schätzungen abgeleitet: Auf der Grundlage einer umfangreichen Datensammlung zur Analyse der Steinzusammensetzung kam man zu dem Schluss, dass monogene Ursachen bei Kindern nicht mehr als 9,6 % und bei Erwachsenen 1,6 % ausmachen (45). In den letzten zehn Jahren hat sich diese Situation jedoch mit dem Aufkommen von Hochdurchsatz-Sequenzierungstechniken zu ändern begonnen.

Hochdurchsatz-Mutationsanalyse bei Patienten mit NL/NC

Um Patienten mit Nierensteinleiden auf das Vorhandensein pathogener Mutationen in bekannten Krankheitsgenen zu untersuchen, haben wir ein Gen-Panel auf der Grundlage von mikrofluidischer Multiplex-PCR und konsekutiver NextGen-Sequenzierung (Fluidigm™/NGS) erstellt (46, 47).

In einer „Pilotstudie“ rekrutierten wir nacheinander 268 genetisch unauffällige Personen aus typischen Nierensteinkliniken; 102 pädiatrische und 166 erwachsene Probanden. Als Ergebnis identifizierten wir 50 schädliche Varianten in 14 von 30 analysierten Genen, was in 15 % aller Fälle zu einer molekularen Diagnose führte. In der pädiatrischen Untergruppe wiesen wir in 21 % eine ursächliche Mutation nach, während bei den Erwachsenen in 11 % schädliche Varianten vorhanden waren (Abbildung 2A) (48). Mutationen im Zystinurie-Gen SLC7A9 wurden am häufigsten in der Erwachsenenkohorte gefunden (Abbildung 2B). Zwei Folgestudien konnten diese Ergebnisse bestätigen. Erstens konnten in einer ausschließlich pädiatrischen Kohorte von 143 NL/NC-Patienten 17 % der Fälle durch Mutationen in 14 verschiedenen Genen erklärt werden (49). Zweitens konnte in einer Kohorte von 51 Familien mit einem Manifestationsalter der NL/NC von vor 25 Jahren durch gezielte WES in fast 30 % der Fälle eine genetische Ursache nachgewiesen werden (50). Es überrascht nicht, dass rezessive Mutationen häufiger bei Neugeborenen und bei angeborenen Erkrankungen gefunden wurden, während sich dominante Erkrankungen in der Regel später im Leben manifestieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass genetisch bedingte Nierensteinleiden unterdiagnostiziert sind, obwohl die molekulare Diagnose die Prognose, Prophylaxe und/oder Behandlung beeinflussen kann. Eine erwähnenswerte Einschränkung ist jedoch eine mögliche Selektionsverzerrung aufgrund der Rekrutierung aus spezialisierten Nierensteinkliniken in allen drei vorgenannten Studien.

Identifizierung neuer menschlicher Krankheitsgene durch Kandidatengen-Ansatz

Die Hochdurchsatz-Mutationsanalyse wird auch zur Suche nach pathogenen Varianten in verschiedenen Kandidatengenen eingesetzt. Eine der interessantesten jüngsten Entdeckungen war die Entdeckung menschlicher Mutationen in SLC26A1 (32). Seit der ersten Beschreibung der Ca-Oxalat (CaOx)-Nierensteinbildung und NC in Slc26a1 (Sat1)-Knockout-Mäusen durch Dawson et al. im Jahr 2010, ist SLC26A1 ein echtes NL-Kandidatengen (51). SLC26A1 kodiert für einen Anionenaustauscher, der an der basolateralen Membran von proximalen Nierentubuli, Ileum und Jejunum exprimiert wird. Mithilfe eines Kandidatengen-Ansatzes wurden pathogene Varianten bei Menschen mit einer Vorgeschichte von früh einsetzender CaOx-NL identifiziert, und zwar bei zwei nicht verwandten Personen mit biallelischen Missense-Varianten (32). Funktionell wurde die Pathogenität der identifizierten Varianten in vitro nachgewiesen, was zu intrazellulärem Mis-Trafficking und beeinträchtigter Transportaktivität führte (32). Defektes SLC26A1 stellt daher eine neue Ursache für CaOx-NL dar und sollte bei der Untersuchung von Personen auf Ursachen für wiederkehrende CaOx-Steinbildung in Betracht gezogen werden.

Neues klinisches Patientenregister für erbliche Nierensteinerkrankungen

Die meisten epidemiologischen Daten über die zunehmende Prävalenz in westlichen Ländern stammen aus US-amerikanischen Datenbanken. Obwohl sie dringend benötigt werden, sind zentralisierte europäische Datenbanken derzeit nicht verfügbar. Da die oben erwähnten genetischen Studien zur Prävalenz der erblichen Nierensteinerkrankung mit kleinen Kohorten aus spezialisierten Zentren sowohl in Europa als auch in den USA durchgeführt wurden, ist eine Übertragung auf die allgemeine Situation in Europa nicht zulässig. Während in den USA das Rare Kidney Stone Consortium eine Plattform darstellt, die Register-, Grundlagenforschungs- und klinische Forschungsaktivitäten für seltene Erkrankungen wie Cystinurie, PH, APRT-Mangel, Dent- und Lowe-Krankheit integriert und koordiniert, gibt es bis heute weder in Europa noch in Deutschland eine vergleichbare Datenerhebung über Patienten mit erblichen Nierensteinerkrankungen. In Zusammenarbeit mit dem bestehenden europäischen PH-Register OxalEurope (Prof. Bernd Hoppe, Universität Bonn) und mit finanzieller Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Else Kröner-Fresenius Stiftung haben wir vor kurzem ein klinisches Patientenregister für erbliche Nierensteinerkrankungen“ an der Universität Leipzig eingerichtet. Das Register wird bundesweit von der Deutschen Gesellschaft für Nephrologie des Erwachsenenalters (DGfN) und der Pädiatrischen Nephrologie (GPN) unterstützt. Es ist außerdem im Deutschen Register für Klinische Studien (DRKS-ID: DRKS00012891) registriert. Als grundlegender Teil der Studienrekrutierung wird eine Hochdurchsatz-Mutationsanalyse für bekannte und neue Nierensteingene auf Forschungsbasis für Patienten ohne etablierte molekulare Diagnose, aber mit einem klinischen Bild, das auf eine zugrundeliegende genetische Anfälligkeit hinweist, angeboten: z.B. frühes Erkrankungsalter (<40 Jahre), positive Familienanamnese, indikative Phänotypen wie NC, Cystinurie oder RTA und schwer rezidivierende NL (>3×) (Tabelle 2). Während Patienten mit einer bereits gestellten genetischen Diagnose in der Regel aufgenommen werden, werden Fälle mit sekundären NL/NC-Ursachen wie Malignität, Sarkoidose und primärer Hyperparathyreoidismus nicht in die genetische Analyse einbezogen. Für die aktive Aufnahme von Patienten benötigt ein klinisches Zentrum in der Regel die Genehmigung des lokalen Institutional Review Board; ein Verfahren, für das wir unsere Hilfe und Unterstützung anbieten, indem wir entsprechende Vorlagen bereitstellen. Nach der ethischen Genehmigung können die Einverständniserklärung und die klinischen Datenblätter (z. B. der klinische Fragebogen) von unserer Register-Website (http://www.mks-registry.net) heruntergeladen werden. Um eine gründliche klinische Phänotypisierung zu gewährleisten, fragen wir unter anderem nach ethnischer Zugehörigkeit, Blutsverwandtschaft, Familienanamnese, Alter des Auftretens, Rezidiv (definiert als jedes vermeintlich neue Nierensteinereignis), täglicher Flüssigkeitsaufnahme, chirurgischen Eingriffen und extrarenaler Beteiligung. Die Dokumente können vom Patienten mit Hilfe des behandelnden Arztes ausgefüllt werden. Darüber hinaus werden biochemische Serumparameter, einschließlich Kreatinin, eGFR, PTH, Vitamin D, Elektrolyte, Harnsäure und Urinanalyse (pH-Wert, Kalzium, Phosphat, Magnesium, Harnsäure, Citrat, Oxalat und Cystin, vorzugsweise aus 24-Stunden-Urin, wenn nicht aus Punkturin), sowie Daten zur Analyse der Steinzusammensetzung bei der Einschreibung angefordert. Da eine 24-Stunden-Urinsammlung und eine Analyse der Steinzusammensetzung nicht in allen Einrichtungen routinemäßig durchgeführt wird, beziehen wir diese Parameter bei Verfügbarkeit mit ein. Wünschenswert, aber nicht verpflichtend, sind 2-jährliche klinische Nachuntersuchungen der eingeschriebenen Patienten. Nach der Registrierung erhalten die einladenden klinischen Zentren ein persönliches Login, um die Patientendaten über unsere Register-Website (http://www.mks-registry.net) einzugeben. Alternativ bieten wir an, die Daten elektronisch zu erfassen, wenn sie uns in Papierform zugesandt werden. Die eingegebenen Daten werden auf einem gesicherten Server gespeichert und können von den teilnehmenden klinischen Zentren abgerufen werden, um ihre eigenen Patientendaten einzusehen. Die folgenden Websites bieten weitere Informationen:

https://www.dgfn.eu/hereditaere-nierensteinleiden.html

https://www.drks.de/drks_web/navigate.do?navigationId=trial.HTML&TRIAL_ID=DRKS00012891

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Nierensteinerkrankung eine zunehmend verbreitete Erkrankung ist, die klinisch heterogen ist und deren genetische Ursachen nur unzureichend verstanden werden. Wie eine Reihe neuerer Studien gezeigt hat, wird die Prävalenz monogener Erkrankungen höchstwahrscheinlich unterschätzt. Durch die Einrichtung eines zentralen Patientenregisters für erbliche Nierensteinleiden werden wir dazu beitragen, die große Wissenslücke über die Genetik von Nierensteinleiden zumindest teilweise zu schließen. In diesem Zusammenhang sind klinische Register aus mehreren Gründen wertvolle Quellen: Erstens wird die Beschreibung besserer Phänotyp-Genotyp-Assoziationen für eine präzisere Patientenstratifizierung in zukünftigen klinischen Forschungsstudien entscheidend sein. Zweitens wird die Identifizierung neuer Krankheitsgene mit neuen Krankheitsmechanismen die Lücke der unbekannten NL/NC-Ätiologie verkleinern; und drittens trägt die Entschlüsselung neuer molekularer Ziele dazu bei, den Weg für die Entwicklung von Medikamenten zur Rezidivprävention in schwer betroffenen Familien zu ebnen.

Ethikerklärung

Diese Studie wurde in Übereinstimmung mit den Empfehlungen der „Ethikkommission an der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig“ mit schriftlicher Einwilligung aller Probanden durchgeführt. Alle Probanden gaben ihre schriftliche Einwilligung nach Aufklärung gemäß der Deklaration von Helsinki. Das Protokoll wurde von der „Ethikkommission an der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig“ genehmigt.

Beiträge der Autoren

JH hat das Manuskript konzipiert und geschrieben. BH, AS, LM und RS redigierten das Manuskript und bauten die Infrastruktur des Registers auf, die dem Leser vorgestellt wird.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Finanzierung

Die Forschung wurde durch Projektförderungen der DFG (HA 6908/2-1) und des EKFS (2016_A52) an JH finanziert. Diese Arbeit wurde außerdem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Deutschland, FKZ: 01EO1501 an JH unterstützt.