Protein Z/ZPI: Nichts Genaues weiß man nicht. Oder doch?

Die Regulation der Hämostase erfolgt über ein komplexes Zusammenspiel von Thrombozyten, anderen Blutzellen, Gefäßwandendothel und verschiedenen adhäsiven, prokoagulatorischen, inhibierenden und Gerinnsel-auflösenden Plasmaproteinen. Ein bisher weniger bekanntes regulatorisches Protein der Gerinnungskaskade ist das 62 kDa große Glykoprotein Protein Z (PZ) [1]. Es wird in der Leber gebildet und durch einen Vitamin-K-abhängigen Schritt durch Ausbildung von γ-Carboxygruppen chemisch so modifiziert, dass es über Kalziumionen an negativ geladene Phospholipide wie z. B. Phosphatidylserin an der Oberfläche von aktivierten Thrombozyten binden kann. Die Halbwertszeit von Protein Z beträgt 2 bis 3 Tage [2]. In Ermangelung von funktionellen Tests erfolgt die Messung von Protein Z in Plasma in der Regel mit einem Enzymimmunoassay (ELISA). Die Konzentration liegt etwa je nach Methode bei ca. 1–3 µg/ml. Einige Studien finden etwas höhere Werte bei Männern. Vitamin-K-Antagonisten oder ausgeprägte Leberfunktionsstörungen führen zu einer starken Verminderung von Protein Z, mehr noch als bei anderen Vitamin-K-abhängigen und strukturähnlichen Gerinnungsfaktoren und Antikoagulanzien wie Protein S oder Protein C [3, 4].

PZ-Funktionen in der Hämostase

Anders als die ebenfalls durch Vitamin K modifizierten und strukturähnlichen Gerinnungsfaktoren II, VII, IX, X oder Protein C zeigt Protein Z keine enzymatische Aktivität. Protein Z ist wohl in erster Linie ein essenzieller Cofaktor für einen wichtigen Proteaseinhibitor der Gerinnungskaskade, dem sogenannten Protein-Z-abhängigen Protease-Inhibitor (ZPI). In Plasma liegt PZ an ZPI gebunden als 1 : 1-Komplex vor. ZPI – ein 72 KDa schweres Glykoprotein aus der Serpinfamilie – bildet zusammen mit PZ, Kalziumionen und Phospholipiden an der Zelloberfläche einen Komplex, der den für die Gerinnselentstehung notwendigen Gerinnungsfaktor Xa (FXa) inaktiviert [5]. Protein Z hat dabei die Funktion, ZPI an die Oberfläche zu binden.
ZPI allein ist kinetisch ineffektiv, während Protein Z die Hemmung von FXa durch ZPI an der Phospholipidoberfläche etwa 1.000-fach beschleunigt und so für eine sehr rasche Inaktivierung von FXa sorgt [6]. Wie auch bei anderen Serpinen wie Antithrombin stimuliert Heparin die Aktivität von ZPI [7]. Die Hemmung der Blutgerinnung auf der Stufe von FXa durch ZPI/Protein Z reduziert erheblich die Bildung von Thrombin, ähnlich wie durch Tissue Factor Pathway Inhibitor (TFPI), dem wichtigsten Inhibitor von Faktor Xa neben Antithrombin (ATIII) [8].
Der Komplex aus ZPI/PZ kann auch andere aktivierte Gerinnungsfaktoren schwach hemmen. Außer für die direkte Hemmung von FXIa durch ZPI/Protein Z, auch in Abwesenheit von Heparin, ist das aber physiologisch vermutlich nicht von Bedeutung [9]. Das Endprodukt der Gerinnungskaskade, Thrombin, wird in Anwesenheit von Protein Z an Zelloberflächen von z. B. aktivierten Thrombozyten gebunden, was ein Wegdiffundieren und damit eine schnelle Inaktivierung von Thrombin im Plasma durch dessen wichtigste Inhibitoren Antithrombin (AT III), Heparin-Cofaktor II oder α2-Makroglobulin erschwert. Möglicherweise hat Protein Z über diesen Mechanismus auch eine prokoagulatorische Wirkung [10].
Dass Protein Z bzw. ZPI eine wichtige Bedeutung in der Hämostase haben, zeigt auch eine aktuelle Studie in einem Mausmodell, wo bei genetisch erzeugtem Mangel an FVIII durch Hemmung von Protein Z bzw. ZPI die Thrombinbildung und damit die Blutstillung massiv verbessert wurde. Dies ist auch ein potenzieller Ansatz für die Therapie der Hämophilie über eine Inaktivierung von Protein Z bzw. ZPI [11].

Z-Funktionen in der Hämostase

Anders als die ebenfalls durch Vitamin K modifizierten und strukturähnlichen Gerinnungsfaktoren II, VII, IX, X oder Protein C zeigt Protein Z keine enzymatische Aktivität. Protein Z ist wohl in erster Linie ein essenzieller Cofaktor für einen wichtigen Proteaseinhibitor der Gerinnungskaskade, dem sogenannten Protein-Z-abhängigen Protease-Inhibitor (ZPI). In Plasma liegt PZ an ZPI gebunden als 1 : 1-Komplex vor. ZPI – ein 72 KDa schweres Glykoprotein aus der Serpinfamilie – bildet zusammen mit PZ, Kalziumionen und Phospholipiden an der Zelloberfläche einen Komplex, der den für die Gerinnselentstehung notwendigen Gerinnungsfaktor Xa (FXa) inaktiviert [5]. Protein Z hat dabei die Funktion, ZPI an die Oberfläche zu binden.
ZPI allein ist kinetisch ineffektiv, während Protein Z die Hemmung von FXa durch ZPI an der Phospholipidoberfläche etwa 1.000-fach beschleunigt und so für eine sehr rasche Inaktivierung von FXa sorgt [6]. Wie auch bei anderen Serpinen wie Antithrombin stimuliert Heparin die Aktivität von ZPI [7]. Die Hemmung der Blutgerinnung auf der Stufe von FXa durch ZPI/Protein Z reduziert erheblich die Bildung von Thrombin, ähnlich wie durch Tissue Factor Pathway Inhibitor (TFPI), dem wichtigsten Inhibitor von Faktor Xa neben Antithrombin (ATIII) [8].
Der Komplex aus ZPI/PZ kann auch andere aktivierte Gerinnungsfaktoren schwach hemmen. Außer für die direkte Hemmung von FXIa durch ZPI/Protein Z, auch in Abwesenheit von Heparin, ist das aber physiologisch vermutlich nicht von Bedeutung [9]. Das Endprodukt der Gerinnungskaskade, Thrombin, wird in Anwesenheit von Protein Z an Zelloberflächen von z. B. aktivierten Thrombozyten gebunden, was ein Wegdiffundieren und damit eine schnelle Inaktivierung von Thrombin im Plasma durch dessen wichtigste Inhibitoren Antithrombin (AT III), Heparin-Cofaktor II oder α2-Makroglobulin erschwert. Möglicherweise hat Protein Z über diesen Mechanismus auch eine prokoagulatorische Wirkung [10].
Dass Protein Z bzw. ZPI eine wichtige Bedeutung in der Hämostase haben, zeigt auch eine aktuelle Studie in einem Mausmodell, wo bei genetisch erzeugtem Mangel an FVIII durch Hemmung von Protein Z bzw. ZPI die Thrombinbildung und damit die Blutstillung massiv verbessert wurde. Dies ist auch ein potenzieller Ansatz für die Therapie der Hämophilie über eine Inaktivierung von Protein Z bzw. ZPI [11].

PZ-Mangel und Blutungen

Bei Protein-Z-Mangel wurde eine Blutungsneigung beschrieben, insbesondere der Schleimhaut, postoperativ sowie Hämatome [12]. Eine andere Studie fand, dass bei Männern niedrige Spiegel von Protein Z mit Blutungen assoziiert waren [3]. Eine Fallbeschreibung berichtet über intraoperative Blutungsprobleme bei einem jugendlichen Patienten mit Protein-Z-Mangel, die bei einem chirurgischen Eingriff den Einsatz eines Prothrombinkomplex-Präparates (kann je nach Präparat auch Protein Z enthalten) erforderte [13]. Nach neueren Resultaten einer deutschen Arbeitsgruppe findet man bei präoperativ niedrigen Spiegeln von Protein Z verstärkt intraoperative Blutungen [14]. Hier sind weitere Studien unbedingt wünschenswert, da die Prädiktivität für Blutungen bei konventionellen Gerinnungstests durch deren wenig physiologische Prinzipien ja eher mäßig ist.

Abb. 1: Rolle von Protein Z/ZPI bei der Thrombinbildung.

PZ-Mangel und Thrombose

Mängel an Protein Z und ZPI können zu venösen und arteriellen Thrombosen führen, möglicherweise insbesondere dann, wenn andere Risikofaktoren wie der weit verbreitete Faktor-V-Leiden-Polymorphismus vorliegen – im murinen Modell des Protein-Z-Mangels, aber auch beim Menschen [15, 16]. Eine Metaanalyse von 2010 untersuchte die bis zu diesem Zeitpunkt vorliegende Literatur und kam bei insgesamt 4.218 Patienten mit thrombotischen Erkrankungen sowie 4.778 Kontrollen zu folgenden Ergebnissen bei niedrigen Protein-Z-Werten [17]:
Danach bedeutet der Mangel an Protein Z ein ähnliches Risiko wie die heterozygote Prothrombin-G20210A-Mutation. Neuere Ergebnisse zeigen einen Zusammenhang von niedrigen Spiegeln an Protein Z und akutem Herzinfarkt bei Patienten mit Arteriosklerose [18]. Daher sollte bei der Abklärung von thromboembolischen Erkrankungen auch ein Mangel von Protein Z (oder auch ZPI) bedacht und ggf. ausgeschlossen werden: Er kann die Wirkung einer Faktor-V-Leiden-Mutation verstärken und Protein Z wird bei Einsatz von Vitamin-K-Antagonisten sehr stark reduziert. Neben dem Mangel von Protein Z (oder ZPI) durch genetische Ursachen wurde auch ein Mangel durch Autoantikörper beschrieben (s. u.).
In einer Studie bei 157 Patienten nach einem ischämischen Schlaganfall wurden erhöhte Werte (> 160 %) von Protein Z als Risikofaktor für einen ischämischen Schlaganfall identifiziert, immerhin mit einer Odds-Ratio von 4,3 vor und 4,2 nach Ausschluss von Patienten mit früheren thromboembolischen Erkrankungen [19].

PZ-Mangel und Schwangerschaft

In der Schwangerschaft kommt es zu verschiedenen Veränderungen der Hämostase, mit dem Resultat einer gesteigerten Thrombinbildung. Daher ist, wie man von anderen Gerinnungsinhibitoren weiß, auch bei einem Mangel an Protein Z mit einer überschießenden Thrombinbildung zu rechnen. Verschiedene, wenn auch zum Teil widersprüchliche Studien zeigen einen Zusammenhang zwischen einem Mangel an Protein Z und Schwangerschaftsproblemen und Aborten. Der PZ-Mangel scheint dabei ein unabhängiger Risikofaktor zu sein. Grundsätzlich steigt Protein Z vom ersten Trimester bis hin zur Geburt etwa um 20 % an, um dann innerhalb von 6 bis 12 Wochen nach der Geburt wieder abzufallen [20]. Ein Mangel an Protein Z erhöht das Risiko einer Frühgeburt um den Faktor 3 [21], für Fehlgeburten vor der 15. Schwangerschaftswoche wurde sogar ein fast 11-fach erhöhtes Risiko (3,7–31,0; p < 0,0001) berichtet [22]. Eine mögliche Therapie ist die Gabe von LMWH [21]. Auch eine Bildung von Autoantikörpern (IgG, IgM) gegen Protein Z oder bestimmte Polymorphismen des PZ-Moleküls erhöhen das Risiko von Schwangerschaftsproblemen [23–25]. Daher sollte neben Lupus-Antikoagulanzien bzw. Antiphospholipidantikörpern bei Schwangerschaftskomplikationen oder Fehlgeburten auch an Protein Z gedacht werden.

Ausblick

Der Mangel an vollautomatisierten, vor allen Dingen aber funktionellen Tests erschwert eine häufigere Bestimmung von Protein Z und ZPI. Viele Daten mit herkömmlichen ELISA-Tests zeigen, dass Mängel im PZ/ZPI-System wohl eine bedeutende Rolle bei intraoperativen Blutungen, thromboembolischen Erkrankungen und insbesondere bei geburtshilflichen Problemen spielen können, auch wenn die Ergebnisse z. T. widersprüchlich sind. Fazit: Diese Geschichte ist noch nicht zu Ende erzählt.

Literatur

1. Broze GJ & Miletich JP. Human protein Z. Journal of Clinical Investigation; 1984; 73: 933–938.
2. Miletich JP & Broze GJ. Human plasma protein Z antigen: range in normal subjects and effect of warfarin therapy. Blood; 1987, 69: 1580–1586.
3. Ravi S, Mauron T, Lämmle B, Wuillemin WA. Protein Z in healthy human individuals and in patients with a bleeding tendency. Br J Haematol. 1998; 102:1219–23.
4. Broze GJ. Protein Z-dependent regulation of coagulation. Thromb. Haemost. 2001; 86: 8–13.
5. Han X, Fiehler R, Broze GJ. Isolation of a protein Z-dependent plasma protease inhibitor. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1998; 95: 9250–9255.
6. Huang X, Dementiev A, Olson ST, Gettins PG. Basis for the specificity and activation of the serpin protein Z-dependent proteinase inhibitor (ZPI) as an inhibitor of membrane-associated factor Xa. J. Biol. Chem. 2010; 285: 20399–20.
7. Huang X, Rezaie AR, Broze G, Olson ST. Heparin Is a Major Activator of the Anticoagulant Serpin, Protein Z-dependent Protease Inhibitor. J Biol Chem. 2011; 286: 8740–8751.
8. Huang X, Swanson R, Kroh HK, Bock PE.Protein Z-dependent protease inhibitor (ZPI) is a physiologically significant inhibitor of prothrombinase function. J Biol Chem. 2019; 294: 7644–7657.
9. Rezaie AR, Sun M-F, Gailani D. Contributions of basic amino acids in the autolysis loop of factor XIa to serpin specificity. Biochemistry. 2006; 45: 9427–9433.
10. Hogg PJ, Stenflo J. Interaction of vitamin K-dependent protein Z with thrombin. Consequences for the amidolytic activity of thrombin and the interaction of thrombin with phospholipid vesicles. J Biol Chem. 1991; 266: 10953–8.
11. Girard TJ, Lasky NM, Grunz K, Broze GJ. Suppressing protein Z-dependent inhibition of factor Xa improves coagulation in hemophilia A. J Thromb Haemost. 2019; 17: 149–156.
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