Kapillarelektrophorese

Kapillarelektrophorese (elektrisches Trennverfahren in Kapillaren) ist ein automatisiertes, hochauflösendes elektrophoretisches Trennverfahren, bei dem geladene Moleküle in einer dünnen Kapillare unter Einfluss eines elektrischen Feldes nach elektrophoretischer Mobilität getrennt und anschließend detektiert werden. Die Trennung wird im Wesentlichen durch Ladung, Größe, Konformation, Pufferbedingungen, pH-Wert, Kapillaroberfläche, elektroosmotischen Fluss und Detektionssystem bestimmt [1, 2].

In der klinischen Labordiagnostik (Laboruntersuchungen zur Krankheitsabklärung) wird die Kapillarelektrophorese vor allem als Kapillarzonenelektrophorese zur Serumprotein-Elektrophorese, zur Detektion und Verlaufskontrolle von monoklonalen Proteinen im Rahmen der Abklärung monoklonaler Gammopathien (krankhafte Vermehrung gleichartiger Eiweiße) sowie zur Hämoglobinfraktionierung bei Verdacht auf Hämoglobinopathien (erbliche Störungen des roten Blutfarbstoffs) und Thalassämien (erbliche Blutbildungsstörungen) eingesetzt [2-4, LL1-LL3].

Die Kapillarelektrophorese ist kein alleiniger Ausschlusstest für Plasmazellerkrankungen (Erkrankungen bestimmter Abwehrzellen). Bei Verdacht auf multiples Myelom (Knochenmarkkrebs) oder monoklonale Gammopathie unklarer Signifikanz (Vorstufe mit gleichartigen Eiweißen unklarer Bedeutung) ist sie mit Serum-Immunfixation, freien Leichtketten im Serum und gegebenenfalls Urindiagnostik (Urinuntersuchung) zu kombinieren [2, 5, LL1-LL2].

Synonyme

• Capillary electrophoresis
• CE
• Kapillarzonenelektrophorese
• CZE
• Kapillare Serumprotein-Elektrophorese
• Kapillare Hämoglobin-Elektrophorese

Das Verfahren

Benötigtes Material

• Serum
  • Für Serumprotein-Elektrophorese, monoklonale Proteine, Proteinfraktionen
• Urin
  • Für Urinprotein-Elektrophorese und ergänzende Abklärung freier Leichtketten beziehungsweise Bence-Jones-Proteine; je nach Fragestellung 24-Stunden-Sammelurin oder Spontanurin nach Laborvorgabe
• EDTA-Blut
  • Für Hämoglobinfraktionierung bei Verdacht auf Hämoglobinopathien oder Thalassämien
• Liquor/Serum-Paar
  • Für spezielle Eiweißdiagnostik nur nach Laborvorgabe; für oligoklonale Banden (bestimmte Eiweißbanden) ist die isoelektrische Fokussierung mit Immunnachweis das leitliniennahe Standardverfahren, nicht die Kapillarelektrophorese als alleinige Methode

Vorbereitung des Patienten

• Keine spezielle Vorbereitung erforderlich
• Nüchternblutabnahme kann bei kombinierter klinisch-chemischer Diagnostik sinnvoll sein, ist für die Serumprotein-Elektrophorese selbst jedoch nicht obligat
• Bei Hämoglobinfraktionierung sollte eine kürzlich erfolgte Erythrozytentransfusion (Blutübertragung roter Blutkörperchen) dokumentiert werden, da sie die Interpretation der Hämoglobinfraktionen verfälschen kann
• Bei Urinanalytik sind Sammelzeit, Sammelmenge, Diurese (Harnausscheidung) und Lagerungsbedingungen gemäß Laborvorgabe zu dokumentieren

Störfaktoren

• Hämolyse (Zerfall roter Blutkörperchen)
  • Kann zusätzliche Peaks beziehungsweise veränderte Fraktionen verursachen und die Interpretation der Serumprotein- oder Hämoglobinanalyse beeinträchtigen
• Lipämie (fettreiches Blut)
  • Kann Detektion und Basislinie stören
• Fibrinogen bei Plasma statt Serum
  • Kann als zusätzliche Bande/Peak fehlinterpretiert werden
• Monoklonale Proteine mit Komigration
  • Besonders im β-1-, β-2- oder γ-Bereich können kleine monoklonale Komponenten maskiert sein; bei klinischem Verdacht ist Immunfixation beziehungsweise Immunsubtraktion erforderlich [2, 5]
• Pseudomonoklonale Peaks
  • Können durch Medikamente, jodhaltige Kontrastmittel, Akute-Phase-Proteine, Fibrinogenreste oder andere interferierende Substanzen entstehen [2, 6]
• Ausgeprägte Hypogammaglobulinämie (verminderte Abwehrglobuline)
  • Kann die Detektion kleiner monoklonaler Komponenten erschweren; bei Verdacht sind freie Leichtketten im Serum und Immunfixation erforderlich [2, 5, LL1-LL2]
• Unsachgemäße Probenlagerung
  • Kann Proteinveränderungen, Präzipitate oder Kapillarblockaden begünstigen
• Sehr hohe Proteinkonzentrationen oder Präzipitate
  • Können die Kapillare blockieren und zu technischen Fehlmessungen führen

Methode

• Kapillarzonenelektrophorese
  • Trennung geladener Moleküle in einer Pufferlösung innerhalb einer Kapillare unter Hochspannung
• Detektion
  • Meist photometrisch im ultravioletten Bereich; bei Spezialverfahren auch fluoreszenz-, leitfähigkeits- oder massenspektrometrische Detektion möglich [1]
• Serumprotein-Elektrophorese
  • Quantitative Darstellung der Fraktionen Albumin, α1-, α2-, β1-, β2- und γ-Globuline; kapillare Systeme können die β-Region differenzierter darstellen als viele klassische Gelverfahren [2, 5]
• Hämoglobinfraktionierung
  • Trennung und Quantifizierung von Hämoglobinfraktionen und Varianten, insbesondere HbA, HbA2, HbF, HbS, HbC, HbD und HbE; pathologische Befunde benötigen je nach Konstellation Bestätigung durch Zweitmethode oder molekulargenetische Diagnostik [3, 4, LL3]

Normbereiche (je nach Labor)

Normbereiche sind methoden- und laborabhängig.

Indikationen 

• Abklärung monoklonaler Gammopathien
  • Verdacht auf multiples Myelom, monoklonale Gammopathie unklarer Signifikanz, smouldering multiple myeloma, AL-Amyloidose (Eiweißablagerungskrankheit), Leichtkettenkrankheit oder Morbus Waldenström (Lymphdrüsen- und Knochenmarkerkrankung) [2, 5, LL1-LL2]
• Verlaufskontrolle monoklonaler Proteine
  • Quantitative Verlaufsbeurteilung eines messbaren M-Proteins, wenn die Fraktion zuverlässig abgrenzbar ist [2, 5, LL2]
• Differenzierung pathologischer Serumproteinmuster
  • Akute-Phase-Reaktion (Entzündungsreaktion), chronische Entzündung, Leberzirrhose (narbiger Leberumbau), nephrotisches Syndrom (starker Eiweißverlust über die Nieren), Antikörpermangel (Abwehrstoffmangel), Proteinverlustsyndrom (Eiweißverlustsyndrom), polyklonale Hypergammaglobulinämie (Vermehrung verschiedener Abwehrglobuline)
• Urinprotein-Diagnostik
  • Orientierende Differenzierung glomerulärer (die Nierenkörperchen betreffender), tubulärer (die Nierenkanälchen betreffender), gemischter oder monoklonaler Proteinurie (Eiweißausscheidung im Urin); bei Verdacht auf monoklonale Leichtketten ergänzend Immunfixation und freie Leichtketten
• Hämoglobinopathien und Thalassämien
  • Screening und Differenzierung relevanter Hämoglobinvarianten sowie HbA2- und HbF-Bewertung im Rahmen der Thalassämiediagnostik [3, 4, LL3]
• Therapeutisches Drug Monitoring und Spezialanalytik
  • Nur bei validierten, laborintern etablierten Spezialmethoden; nicht Gegenstand der routinemäßigen Serumprotein- oder Hämoglobindiagnostik

Interpretation

Serumprotein-Elektrophorese

• Albumin vermindert
  • Leberinsuffizienz (Leberfunktionsschwäche), Entzündung, nephrotisches Syndrom, enteraler Proteinverlust (Eiweißverlust über den Darm), Mangelernährung, Verdünnungseffekt
• α1-Globuline erhöht
  • Akute-Phase-Reaktion, Entzündung, Schwangerschaft, maligne Erkrankungen (bösartige Erkrankungen)
• α1-Globuline vermindert
  • Verdacht auf Alpha-1-Antitrypsin-Mangel bei entsprechender klinischer Konstellation
• α2-Globuline erhöht
  • Akute-Phase-Reaktion, nephrotisches Syndrom, Entzündung
• β-Fraktionen erhöht oder irregulär
  • Komigration von Transferrin, Komplement, Lipoproteinen oder monoklonalen Immunglobulinen; besonders IgA-Paraproteine können in der β-Region liegen [2]
• γ-Globuline polyklonal erhöht
  • Chronische Entzündung, Autoimmunerkrankungen (Erkrankungen durch fehlgeleitete Abwehrreaktionen), chronische Lebererkrankungen, chronische Infektionen
• γ-Globuline vermindert
  • Antikörpermangel, Immunsuppression (Unterdrückung des Immunsystems), Proteinverlust; bei klinischem Verdacht auf Plasmazellerkrankung freie Leichtketten und Immunfixation ergänzen
• Schmalbasiger Peak
  • Verdacht auf monoklonales Protein; Bestätigung und Typisierung durch Immunfixation beziehungsweise Immunsubtraktion erforderlich [2, 5, LL1-LL2]

Urin-Kapillarelektrophorese

• Überwiegende Albuminurie
  • Hinweis auf glomeruläre Proteinurie
• Niedermolekulare Proteinfraktionen
  • Hinweis auf tubuläre Proteinurie
• Albumin und niedermolekulare Proteine kombiniert
  • Hinweis auf gemischte glomerulär-tubuläre Proteinurie
• Monoklonale freie Leichtketten
  • Verdacht auf Plasmazellerkrankung; Bestätigung durch Urin-Immunfixation, Serum-Immunfixation und freie Leichtketten im Serum erforderlich [LL1-LL2]

Hämoglobin-Kapillarelektrophorese

• Erhöhtes HbA2
  • Typische Konstellation bei β-Thalassämie-Trägerstatus; Interpretation immer zusammen mit Blutbild, Erythrozytenindizes, Eisenstatus und gegebenenfalls Molekulargenetik [LL3]
• Erhöhtes HbF
  • Hinweis auf hereditäre Persistenz von fetalem Hämoglobin, β-Thalassämie, andere Hämoglobinopathien oder reaktive Konstellationen; altersabhängige Bewertung erforderlich
• Nachweis von HbS, HbC, HbD, HbE oder anderen Varianten
  • Verdacht auf Hämoglobinopathie; je nach Migrationsposition und klinischer Fragestellung Bestätigung durch Zweitmethode oder molekulargenetische Diagnostik [3, 4, LL3]
• Unklare oder seltene Migrationsmuster
  • Keine definitive Diagnose allein anhand der Kapillarelektrophorese; Abgleich mit Familienanamnese (Krankheitsgeschichte in der Familie), Herkunft, Blutbild, HPLC, Massenspektrometrie oder Genanalyse erforderlich

Erhöhte Werte

• Erhöhte α1- oder α2-Fraktionen
  • Akute-Phase-Reaktion, Entzündung, Gewebeschädigung, nephrotisches Syndrom
• Erhöhte β-Fraktionen
  • Transferrinerhöhung bei Eisenmangel, Lipoproteinerhöhung, Komplementaktivierung, IgA-Paraprotein mit β-Migration
• Erhöhte γ-Fraktion
  • Polykonale Immunaktivierung oder monoklonales Protein; Differenzierung durch Kurvenform und Immunfixation

Erniedrigte Werte

• Vermindertes Albumin
  • Synthesestörung, Verlust, Entzündung, Mangelernährung, Verdünnung
• Verminderte γ-Fraktion
  • Antikörpermangel, Immunsuppression, Proteinverlust; bei Infektneigung quantitative Immunglobuline ergänzen
• Verminderte α1-Fraktion
  • Verdacht auf Alpha-1-Antitrypsin-Mangel, sofern klinisch plausibel

Spezifische Konstellationen

• Kleines oder maskiertes monoklonales Protein
  • Kapillarelektrophorese kann verdächtige Irregularitäten zeigen, aber kleine monoklonale Komponenten können verborgen bleiben; Immunfixation ist für Bestätigung und Typisierung erforderlich [2, 5]
• β-γ-Brücke
  • Typische Konstellation bei Leberzirrhose oder chronischer Lebererkrankung; nicht mit monoklonalem Protein gleichsetzen
• Pseudoparaproteinämie
  • Bei ungewöhnlichen Peaks Interferenzen durch Medikamente, Kontrastmittel oder Fibrinogenreste prüfen [2, 6]
• Hämoglobinvarianten
  • Kapillarelektrophorese liefert Fraktionsmuster, aber keine vollständige genetische Diagnose; molekulargenetische Diagnostik bleibt bei unklaren, pränatalen, familiären oder therapeutisch relevanten Konstellationen erforderlich [LL3]

Weiterführende Diagnostik

• Serum-Immunfixation
  • Bestätigung und Typisierung monoklonaler Proteine bei auffälliger oder klinisch verdächtiger Serumprotein-Elektrophorese [LL1-LL2]
• Freie Leichtketten im Serum
  • Erforderlich bei Verdacht auf Leichtkettenmyelom, AL-Amyloidose, oligosekretorisches Myelom oder nicht eindeutigem Elektrophoresebefund [LL1-LL2]
• Quantitative Immunglobuline
  • IgG, IgA und IgM zur Einordnung von Hypogammaglobulinämie, polyklonaler Hypergammaglobulinämie oder Immunsuppression
• Urin-Immunfixation
  • Bei Verdacht auf monoklonale freie Leichtketten beziehungsweise Bence-Jones-Proteinurie
• Hämatologische Basisdiagnostik
  • Kleines Blutbild, Differentialblutbild, Retikulozyten, Ferritin, Transferrinsättigung, Kreatinin, Calcium, Albumin, Gesamtprotein, Lactatdehydrogenase, β2-Mikroglobulin in Abhängigkeit von der Fragestellung
• Hämoglobinopathie-Diagnostik
  • Blutbild, Erythrozytenindizes, Eisenstatus, HPLC, Sichelzelltest bei entsprechender Fragestellung, molekulargenetische Diagnostik bei unklaren oder reproduktionsmedizinisch relevanten Befunden [LL3]
• Liquordiagnostik
  • Bei Verdacht auf multiple Sklerose (chronisch-entzündliche Erkrankung des Nervensystems) Liquor/Serum-Paar, oligoklonale Banden mittels isoelektrischer Fokussierung und Immunnachweis, IgG-Index beziehungsweise freie Kappa-Leichtketten nach neurologischer Fragestellung; Kapillarelektrophorese ist hierfür nicht der primäre Standard [7]

Literatur

1. Štěpánová S, Kašička V. Applications of capillary electromigration methods for separation and analysis of proteins (2017-mid 2021) – A review. Anal Chim Acta. 2022;1209:339447. https://doi.org/10.1016/j.aca.2022.339447
2. Regeniter A, Siede WH. Peaks and tails: Evaluation of irregularities in capillary serum protein electrophoresis. Clin Biochem. 2018;51:48-55. https://doi.org/10.1016/j.clinbiochem.2017.09.017
3. Poventud-Fuentes I, Garnett E, Vispo B, Elghetany MT, Devaraj S. Hemoglobin fractionation by Sebia Capillarys 2 Flex Piercing System as primary method for evaluation of hemoglobinopathies. Clin Chim Acta. 2021;519:193-197. https://doi.org/10.1016/j.cca.2021.04.023
4. McCudden CR, Mathews SP, Hainsworth SA, Chapman JF, Hammett-Stabler CA, Willis MS, et al. Performance comparison of capillary and agarose gel electrophoresis for the identification and characterization of monoclonal immunoglobulins. Am J Clin Pathol. 2008;129(3):451-458. https://doi.org/10.1309/6KT8N49BRNVVVBT1
5. Caers J, Garderet L, Kortüm KM, O'Dwyer ME, van de Donk NWCJ, Binder M et al.: European Myeloma Network recommendations on tools for the diagnosis and monitoring of multiple myeloma: what to use and when. Haematologica. 2018;103(11):1772-1784. https://doi.org/10.3324/haematol.2018.189159
6. Bossuyt X. Interferences in clinical capillary zone electrophoresis of serum proteins. Electrophoresis. 2004;25(10-11):1485-1487. https://doi.org/10.1002/elps.200305820
7. Deisenhammer F, Hegen H, Arrambide G, Banwell BL, Coetzee T, Gnanapavan S et al.: Positive cerebrospinal fluid in the 2024 McDonald criteria for multiple sclerosis. EBioMedicine. 2025;120:105905. https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2025.105905

Leitlinien

1. National Institute for Health and Care Excellence. Myeloma: diagnosis and management. NICE guideline NG35. Published 2016, updated. https://www.nice.org.uk/guidance/ng35/chapter/recommendations
2. Rajkumar SV, Dimopoulos MA, Palumbo A, Blade J, Merlini G, Mateos MV et al.: International Myeloma Working Group updated criteria for the diagnosis of multiple myeloma. Lancet Oncol. 2014;15(12):e538-e548. https://doi.org/10.1016/S1470-2045(14)70442-5
3. Bain BJ, Daniel Y, Henthorn J, de la Salle B, Hogan A, Roy NBA et al.: Significant haemoglobinopathies: A guideline for screening and diagnosis. A British Society for Haematology Guideline. Br J Haematol. 2023;201(6):1047-1065. https://doi.org/10.1111/bjh.18794