Indikatorreaktion

Das Grundprinzip beruht darauf, dass das Produkt oder Zwischenprodukt der Messreaktion in einer angeschlossenen Folgereaktion – der Indikatorreaktion – in eine gut nachweisbare Verbindung umgewandelt wird. Typischerweise handelt es sich dabei um:

• eine Farbreaktion, die photometrisch ausgewertet wird
• eine Änderung der optischen Dichte (Extinktion) durch Bildung oder Verbrauch von NADH bzw. NADPH bei einer Wellenlänge von 340 nm
• eine Fluoreszenzänderung oder
• eine elektrochemisch messbare Veränderung.

Eine ideale Indikatorreaktion macht eine an sich unsichtbare oder nicht direkt messbare Reaktion messtechnisch zugänglich, ohne die Reaktion selbst zu beeinflussen.

Säure-Base-Indikatoren

Säure-Base-Indikatoren (auch pH-Indikatoren) sind schwache organische Säuren oder Basen, deren protonierte und deprotonierte Form unterschiedliche Lichtabsorptionseigenschaften besitzen. In wässriger Lösung liegt das folgende Protolysegleichgewicht vor:

HInd + H₂O ⇌ Ind⁻ + H₃O⁺

In saurer Lösung überwiegt die Indikatorsäure (HInd), in alkalischer Lösung die Indikatorbase (Ind⁻). Da beide Formen verschieden gefärbt sind, wechselt die Lösung ihre Farbe in Abhängigkeit vom pH-Wert. Der Umschlagsbereich liegt bei pH = pKs ± 1. Bekannte Beispiele sind Lackmus, Phenolphthalein und Bromthymolblau. pH-Indikatoren werden klassischerweise bei Titrationen sowie auf Teststreifen im Urinlabor eingesetzt.

Redox-Indikatoren

Redox-Indikatoren zeigen das Redoxpotential oder den Endpunkt von Redox-Titrationen an, indem sie in ihrer oxidierten und ihrer reduzierten Form unterschiedliche Farben aufweisen. Bedeutsam in der Labormedizin ist Methylenblau, daneben werden Neutralrot, Ferroin, rotes und gelbes Blutlaugensalz (Kaliumhexacyanoferrat) sowie Dichlorphenolindophenol (DCPIP) eingesetzt. DCPIP ist beispielsweise ein Standardreagens für den kolorimetrischen Nachweis von Ascorbinsäure (Vitamin C).

Metallchelatindikatoren

Metallchelatindikatoren (Komplexometrische Indikatoren) bilden mit freien Metallionen farbige Komplexe und dienen zur Anzeige des Endpunkts bei komplexometrischen Titrationen, etwa bei der Bestimmung der Wasserhärte. Typische Vertreter sind Eriochromschwarz T, Murexid und Calconcarbonsäure.

Enzymatische Indikatorreaktionen (Gekoppelter Enzymtest)

In der klinischen Chemie und Biochemie bezeichnet die Indikatorreaktion im engeren Sinne eine an die eigentliche Messreaktion angeschlossene Hilfsreaktion, bei der das Reaktionsprodukt durch ein Hilfsenzym in ein photometrisch erfassbares Substrat überführt wird.

Das klassische Beispiel ist der Warburg-Test:

• Messreaktion: Das zu bestimmende Substrat oder Enzym setzt sein Substrat um; dabei entsteht ein Zwischenprodukt (z. B. Pyruvat, Oxalacetat, Glutamat), das selbst nicht direkt photometrisch messbar ist.
• Indikatorreaktion: Das Zwischenprodukt wird durch ein gekoppeltes Hilfsenzym (häufig eine Dehydrogenase) unter gleichzeitiger Oxidation von NAD⁺ zu NADH oder Reduktion von NADH zu NAD⁺ umgesetzt. Da NADH bei λ = 340 nm absorbiert, NAD⁺ hingegen nicht, kann der Reaktionsverlauf photometrisch verfolgt werden.

Ein klinisch relevantes Beispiel ist die Bestimmung der Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT/AST). Das Reaktionsprodukt Oxalacetat wird in einer angeschlossenen Indikatorreaktion durch Malat-Dehydrogenase unter Verbrauch von NADH zu Malat reduziert – die Extinktionsabnahme bei 340 nm ist direkt proportional zur GOT-Aktivität.^[1]

Ein weiteres Beispiel ist die photometrische Messung von D-Laktat im Plasma, bei der D-Laktat-Dehydrogenase D-Laktat unter gleichzeitiger Reduktion von NAD⁺ zu NADH oxidiert; die entstehende NADH-Menge ist äquivalent zur D-Laktat-Konzentration und kann bei 340 nm gemessen werden.^[1]

Der Vorteil der gekoppelten enzymatischen Indikatorreaktion liegt in ihrer hohen Spezifität: Nur das gewünschte Substrat wird erfasst, Interferenzen durch Fremdsubstanzen werden minimiert.

Indikatorreaktionen kommen in nahezu allen Bereichen der Labordiagnostik zum Einsatz:

• Enzymdiagnostik: Bestimmung von Transaminasen (GOT, GPT), Laktat-Dehydrogenase, Creatinkinase (CK) und anderen Enzymen durch gekoppelte NAD/NADH-Systeme.
• Substratanalyse: Quantifizierung von Glukose, Harnstoff, Kreatinin, Cholesterin, Triglyceriden und Laktat mittels enzymatischer Farbreaktionen.
• Gerinnungsdiagnostik: Chromogene Substrate mit p-Nitroanilid (pNA) als Indikator werden zur Bestimmung von Serinproteasen (z. B. Thrombin, Faktor Xa, Plasmin) und deren Inhibitoren eingesetzt. Die enzymatische Spaltung des Peptid-pNA-Substrats setzt das gelbe pNA frei, das bei 405 nm photometrisch gemessen wird.^[2]
• Urinstatus: Teststreifen nutzen pH-Indikatoren sowie spezifische Farbreaktionen für Leukozyten, Nitrit, Bilirubin, Glukose und Ketonkörper.
• Mikrobiologie: Enzymatische Indikatorsubstrate dienen zum Nachweis spezifischer bakterieller Enzymaktivitäten in der Erregeridentifizierung (z. B. DNPH-basierte Chromogenreaktionen für Tryptophanase in Escherichia coli).^[3]

Die Qualität klinisch-chemischer Analyseergebnisse hängt wesentlich von der Störanfälligkeit der verwendeten Indikatorreaktion ab. Mit Blut oder Biliriubin kontaminierte Proben sowie bestimmte Medikamente können Indikatorfarbreaktionen beeinträchtigen (sog. Indikatorfehler). Moderne Analysenautomaten verwenden Bichromattechniken oder Leerwertkorrekturen, um solche Interferenzen zu minimieren.

Cave: Bei diskrepanten Laborbefunden sollte stets an mögliche Störungen der Indikatorreaktion durch Probenqualität oder Interferenzsubstanzen gedacht werden.