Eisen ist mit 4g Bestand das häufigste essentielle Spurenelement des Organismus. Unterschieden wird Funktionseisen im Hämoglobin, Myoglobin, Hämeisen- und Non-Hämeisenenzymen von Speichereisen im Ferritin und Hämosiderin. Es liegt in den Oxidationsstufen von – 2 bis + 6 vor, wobei nur Fe²⁺ und Fe³⁺ für den Stoffwechsel von Bedeutung sind.

Die Regulation des Eisenbedarfes erfolgt über die Aufnahme im Duodenum und Jejunum, wobei sowohl ionisiertes als auch Hämeisen resorbiert werden. Im Fleisch liegen 40-60% des Eisens als Hämeisen vor. Dieses wird in Abhängigkeit vom Bedarf zu 15-35% und somit effektiver als ionisiertes Eisen über einen Hämrezeptor an den Dünndarmzellen resorbiert. Die Aufnahme von Nonhämeisen ist sättigbar und energieabhängig. Sie wird über einen Regelmechanismus stimuliert, bei welchem der Eisenmangel den Dünndarmzellen über die Transferrinrezeptor regulierte Aufnahme von Eisen aus dem Serum angezeigt wird. Daraufhin wird die Expression von Eisentransportproteinen (v.a. DMT-1) an der dem Darmlumen zugewandten Zellseite stimuliert, welche eine Aufnahme von zweiwertigem Eisen ermöglichen. Das dreiwertige Nahrungseisen Fe³⁺ wird dabei von Ferroxidasen vor dem Transport durch die Zellmembran in Fe²⁺ umgewandelt. Im Plasma bindet Eisen an Transferrin, welches zwei Eisenbindungsstellen besitzt und kann so transportiert werden. An der Zelle angelangt, wird Transferrin über einen Transferrinrezeptor gebunden und mitsamt den Eisenmolekülen in die Zelle aufgenommen, wo es diese bei saurem pH in den Phagolysosomen der Zelle freisetzt. Gespeichert wird Eisen am Ferritin, einem intrazellulären Makromolekül, welches zuerst an seiner Oberfläche Fe²⁺ wiederum zu Fe³⁺ oxidiert um es danach als kolloidalen Eisenkern zu speichern. Die Ferritinkonzentrationen im Plasma korrelieren mit den Eisenspeicher-beständen im Körper und können daher zur Bestimmung des Eisenstatus herangezogen werden (1 µg/l Ferritin entspricht 8 mg Speichereisen). Zu beachten ist dabei, dass die Plasmaferritinkonzentration durch die Bildung von Akutphasenproteinen auch bei Entzündungen ansteigt. 

Bedarf

Der Tagesbedarf an Eisen beträgt bei Säuglingen und Kleinkindern 1mg Fe/kg Körpergewicht (Empfehlungen der DGE 2000), bei Frühgeborenen sogar 2 mg Fe/d/kg Körpergewicht. Erwachsenen wird eine tägliche Zufuhr von 10 mg für Männer und 15 mg Eisen für Frauen empfohlen (Schwangere und stillende Frauen ausgenommen) (Angaben der DGE, 1995). Der therapeutische Dosierungsbereich liegt bei 10-50 mg für beide Geschlechter.

Erhöhter Bedarf besteht bei männlichen Adoleszenten aufgrund des Wachstums und Muskelaufbaus zwischen 11 und 16 Jahren (in dieser Zeit steigt ihre Hämoglobinkonzentration von 135 auf 150 g/l). Ebenfalls ist der Bedarf bei adoleszenten Mädchen nach Auftreten der Menstruationsblutungen, bei jungen Frauen im Menstruationsalter und bei Schwangeren erhöht.  Im Alter sinkt sehr wahrscheinlich die Resorptionsleistung des Dünndarmes was auch zu einem höheren Bedarf und häufigem Eisenmangel führt.  

Funktionen

Sauerstofftransport

Der Sauerstoff in unserem Organismus könnte ohne Eisen nicht im Hämoglobin-molekül gespeichert und transportiert werden. Alle unsere Erythrozyten enthalten molekularbiologisch gesehen eine beachtliche Menge Hämoglobin (27-30pg Hb/Erythrozyt, pro Liter Blut sind das bei Männern 155 ± 10g Hämoglobin, bei Frauen 140 ± 10g!), welches in jeder seiner 4 Untereinheiten (zwei identische α- und β-Ketten) ein Fe²⁺ enthält, das jeweils ein Molekül Sauerstoff binden kann. Pro Hämoglobinmolekül, werden also maximal vier Moleküle O₂ transportiert. Über diese lebenswichtige Bindung wird Sauerstoff von seinem Aufnahmeort in der Lunge in das Gewebe und die Zellen der Peripherie transportiert, wo es für unzählige Oxidationprozesse gebraucht wird. Aus diesem Grund sind 70 % des gesamten Eisenbestandes im Körper im Hämoglobin gespeichert. Etwa 4 % befinden sich im Myoglobin, ebenfalls einem Hämprotein, welches die Diffusion von Sauerstoff aus den Erythrozyten in die Muskelzellen und deren Mitochondrien erleichtert. Der Rest wird als Speichereisen in Leber und Milz bereit gestellt. 

Elektronenübertragung

Durch Änderung seines Oxidationsgrades vom zweiwertigen in den dreiwertigen Zustand kann Eisen Elektronen auf andere Atome übertragen. Durch die Abgabe von Elektronen und das Freiwerden von Plätzen auf seinen äusseren Orbitalen, kann es Bindungen mit meistens Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelhaltigen Liganden eingehen, wobei sich jedes mal das Redoxpotential des Eisens und der neuen Bindung ändert. So nimmt Eisen am Elektronentransfer und der Oxidation und Reduktion von Substraten bei verschiedensten Prozessen teil. In den äusseren Membranen der Mitochondrien werden in der sogenannten Atmungskette Elektronen an molekularen Sauerstoff übertragen bis H₂O gebildet wird. Dabei entsteht die lebensnotwendige Energie, die zahlreiche biochemischen Prozesse der Zellen antreibt. An dieser Elektronentransportkette sind sechs verschiedene Cytochrome beteiligt, Hämproteine, an denen die Elektronen-übertragung ohne den Akzeptor Eisen nicht funktionieren würde.

Enzymaktivität

Zahlreiche Enzyme des Organismus sind eisenabhängig und steuern vor allem Oxidations- und Reduktionsschritte im Stoffwechsel. Dazu gehören die Gruppen der Oxidoreduktasen, Monooxigenasen und Dioxigenasen. Hier seien nur einige wichtigen Enzyme aus diesen Gruppen einzeln genannt. Die Ribonukleotid-reduktase (eine Oxidoreduktase) katalysiert den Reaktionsgeschwindigkeits-bestimmenden Schritt der DNA-Synthese. Die Aminosäuremonooxignasen bewirken die Bildung des Serotoninvorläufers 5-Hydroxytryptophan und des Dopaminvorläufers L-Dopa. Die Bildung ungesättigter Fettsäuren wird durch Fettsäuredesaturasen ermöglicht. Zu der Gruppe der Dioxigenasen gehören u.a. Lipoxygnasen (Leukotriensynthese), Peroxidasen (Lipidperoxidation) und NO-Synthasen, die den wichtigsten Vasodilatator NO bilden. Auch die gemischtfunktionellen Oxidasen der Cytochrom-P450-Familie, die einige hundert Reaktionen des Fremdstoff- und somit auch Medikamenten-Metabolismus vermitteln, sind eisenhaltige Enzyme. Bei einem Eisenmangel nimmt die Aktivität der meisten dieser Enzyme ab, wobei jedoch die klinischen Manifestationen selten auf die Dysregulation eines einzelnen Enzyms hinweisen.

Ursachen für Mangel:

Vereinfacht gesagt kommt es zum Eisenmangel entweder durch verminderte Zufuhr von Eisen durch die Nahrung bzw. eine ungenügende Resorption im Dünndarm oder durch meist blutungsbedingte Eisenverluste oder gesteigerten Eisenbedarf. Erwachsene Männer und Frauen nach der Menopause kommen mit ungefähr 10mg Eisen/Tag in der Nahrung aus. Etwa 1mg Eisen verlieren wir täglich über die physiologische Zellmauserung im Magen-Darm-Trakt und über abgestorbene Hautzellen. Dies wäre also der minimale Basisbedarf, den wir ohne weiteren Stoffwechsel täglich einholen müssten. Berechnungen haben gezeigt, dass der Basisbedarf einer 55kg schweren Frau von ca. 0.8mg Eisen/Tag während einer Menstruationsblutung von 20-30ml auf etwa 1.3mg/Tag erhöht wird (Biesalski et al.). Wenn man bedenkt, dass Frauen während ihres Menstruationsalters zusammengezählt über 5 Jahre lang Blutverluste in Kauf nehmen, ist es nicht erstaunlich, dass gerade bei dieser Bevölkerungsgruppe ein gesteigerter Bedarf an Eisen besteht und die häufigsten Eisenmangelanämien oder Eisenmangelsyndrome zu finden sind.

Ebenfalls erhöht ist der Eisenbedarf wie eingangs erwähnt bei Jugendlichen in der Wachstumsphase, bei Säuglingen, vor allem Frühgeborenen und Kleinkindern und bei Schwangeren. Der Eisenbedarf während einer Schwangerschaft steigt auf ungefähr 1g Eisen/Tag an. 270-300mg Eisen nimmt der Fetus auf, ca. 450mg werden für die gesteigerte Erythropoese der Mutter benötigt und ein grosser Rest geht über die Plazenta, den epithelialen Zellverlust während der Schwangerschaft und blutreiche Geburten verloren. 

Gravierender Eisenmangel kann bei Fehlernährung z.B. durch phytatreiche, vegetarische oder veganische Nahrung oder durch Schlankheitsdiäten provoziert werden bzw. findet sich leider mit besonders hoher Prävalenz bei mangelernährten Kindern in den Entwicklungsländern Afrikas, Mittelamerikas und Südostasiens.

Malabsorption von Eisen ist typisch bei der mit Gluten-Unverträglichkeit einhergehenden Zöliakie (oder Sprue). Einem Krankheitsbild, bei dem aufgrund von Zottenatrophie die Resorptionsleistung von weiten Teilen des oberen Dünndarmes beeinträchtigt ist. Bei einer chronisch-atrophischen Gastritis oder infolge von totalen oder auch partiellen Gastrektomien (cave: bei Magen-Bypass-Operationen) kann es vorkommen, dass bei einer manifesten Achlorhydrie zu wenig Salzsäure für den Proteinaufschluss und Lösung des freigesetzten Eisens vorhanden ist. Ebenfalls wird die Verweildauer des Speisebreis im Duodenum reduziert, wenn dieser Darmabschnitt nicht vollständig umgangen wird, was die Resorption des Eisens zusätzlich vermindert. Interessanterweise führt jeglicher, manifester Eisenmangel zur Schleimhautatrophie im Magen und Darm, was im Sinne eines Teufelskreises wiederum eine verminderte Eisenresorption zur Folge hat. 

Gefährlich und meistens zu einem erheblichen Eisenmangel führend sind okkulte Blutungen im Magendarmtrakt. Durch einen ml Blut, gehen ca. 0.5 mg Eisen verloren. Meistens werden innere Blutungen auch zuerst über einen Hb-Abfall im Blut-Labor entdeckt. Ursachen dafür können peptische Ulzera (i.d.R. Magengeschwüre), benigne Polypen im Darm, Hämorrhoidalblutungen oder schwerwiegendere Ursachen wie lädierte Ösophagusvarizen oder Karzinome des Darmes sein.

Seltenere Ursachen für Eisenverluste sind die intravasale Hämolyse mit Hämoglobinurie oder tropenmedizinische, parasitäre Erkrankungen Aufnahme-, Stoffwechselstörungen und Mangel von Folat oder Viatmin B12 führen zur megaloblastären sog. perniziösen Anämie.

Mangelerscheinungen:

Nach renommierten Schweizer Eisenzentren (z.B. das ärztliche Eisenzentrum in Binningen, BL) sollte zwischen den Symptomen eines Eisenmangelsyndroms (IDS - Iron Deficiency Syndrome) und der Eisenmangelanämie (IDA - Iron Deficiency Anemia) unterschieden werden. Der Begriff des IDS als eine Vorstufe der mit einem Hb-Abfall manifesten Eisenmangel-Anämie wurde neu geprägt, obwohl seine Erscheinungsformen bei vorwiegend jungen Patientinnen vielen Hausärzten bereits bestens bekannt sein dürften. Frauen im Menstruationsalter, alte Menschen oder Kinder leiden zunehmend an ausgeprägten physischen und/oder psychischen Erschöpfungszuständen. Darin einbezogen sein können bei an sich „gesunden“ Personen unverhältnismässige Müdigkeit, Energie- und Lustlosigkeit oder antriebslose bis depressive Stimmungslagen. Weitere häufige Symptome sind Konzentrationsstörungen, Nacken- und Kopfschmerzen, Schlafstörungen und Haarausfall. Insbesondere bei Kindern kommen bei einem Eisenmangel zuerst körperliche Leistungsschwäche, Wachstumsstörungen sowie Lern- und Konzentrationsschwächen vor. Interessanterweise treten die Symptome bereits Jahre vor dem Auftreten einer Eisenmangel-Anämie mit Hb-Abfall im Blut und meistens schon bei Ferritinkonzentrationen die den Wert von 50 ng/ml unterschreiten auf. Ebenfalls sind die Symptome ausgeprägter bzw. kommen in den Risikogruppen häufiger vor, je tiefer der Ferritinwert ist.

Obwohl der offizielle untere Ferritinwert bei 20 ng/ml liegt (und der obere Normwert bei Männern und Frauen bei 200 ng/ml!), stellen Ärzte in Eisenzentren bereits ab Werten < 50 ng/ml und klinisch beobachtbaren Symptomen die Indikation einer Behandlung mit Eiseninfusionen (Indikationskonzept nach definiertem Clinical Score und IDS-Formel). Denn ihre zahlreichen dokumentierten Erfahrungen haben gezeigt, dass viele Frauen im Menstruations-alter über Jahre hinweg Ferritinwerte um 20 ng/ml aufweisen, und sich schon nach einer schnellen Aufsättigungsphase bei Eiseninfusionen und Ferritinwerten von 150 bis 200 ng/ml (bei Männern übrigens physiologisch) signifikant besser fühlen als Frauen mit Werten unter 50 ng/ml. 

Folgende Stufen des Eisenmangels sind diagnostisch im Labor fassbar:  Zuerst sinkt die Eisenbeladung der Makrophagen (körpereigene Fresszellen der Immunabwehr) und die Eisenresorption im Dünndarm wird gesteigert. Dies findet man z.B. häufig bei passagerem Eisenmangel wie bei Frauen im Zeitraum der Menstruationsblutung oder bei Blutspendern. Als Folge der kompensierenden Resorption werden auch schädliche Metalle wie Cadmium, Blei, Nickel oder Plutonium aufgenommen und vermehrt im Körper eingelagert. Wenn dann als nächstes die Eisenspeicherbestände schwinden, kommt es zu tiefem Ferritin im Blut. Das Protoporphyrin der Erythrozyten kann als Marker einer gestörten Erythroposese im Eisenmangel erhöht sein. Erst wenn der Eisenmangel länger besteht findet man im Blutbild zu kleine (mikrozytäre) und eisendefizitäre (hypochrome) Erythrozyten und damit auch erniedrigtes erythrozytäres und gesamtes Hämoglobin. Definitionsgemäss geht der manifeste Eisenmangel mit Hämoglobin- und Erythrozytenkonzentrationen einher, die mehr als zwei Standardabweichungen unter dem altersentsprechenden Normewert liegen. Für Erwachsene liegen diese für Hämoglogin bei 155 ± 10 g/l für Männer und 140 ± 10 g/l für Frauen und für Erythrozyten bei 4,6 ± 0,3 x 10¹²/l für Männer und 5,2 ± 0,4 x 10¹²/l für Frauen. Bei dem oben beschriebenen IDS können MCHC (mean cell hemoglobin), MCV (manc cell volume) und Hämoglobin normal sein, wobei jedoch der %-Anteil an hypochromen oder mikrozytären Erythrozyten im Hämatogramm ansteigt und das Ferritin sinkt. Ein noch sensitiverer Parameter des funktionellen Eisenmangels ist die Hb Konzentration in den Retikulozyten, aufgrund der sehr kurzen Lebensdauer (1-2d) dieser unreifen Blutzellen.  

Die Leitsymptome einer mikrozytären, hypochromen Anämie sind Müdigkeit und Leistungsschwäche, Dyspnoe, pectanginöse Beschwerden bei kardialer Kompensation, Orthostase (Absinken des Blutdruckes beim Aufstehen) und Schwindel bis zu Synkopen. Bei Kleinkindern im Alter von 12-18 Monaten führen bereits mässige Anämien zu einer signifikanten oft später nicht mehr reversiblen Störung der Intelligenzentwicklung.

Bei sehr schwerem Eisenmangel sind zuerst Gewebe mit hohem Zell-Turnover betroffen. Es kann zu Atrophie der Mundschleimhaut, Zunge und Darmschleimhaut kommen. Die Folgen sind beeinträchtigte Resorption von Nährstoffen, Schluckstörungen, Mundwinkelrhagaden und oft auch schnell sichtbar brüchige Nägel und Haare. Bei einer Anämie in der Schwangerschaft kommen Frühgeburten, niedriges Geburtsgewicht und erhöhte Morbidität des Neugeborenen häufiger vor als bei gesunden Schwangeren.