AUICEM 2011
Mitocondria cardiaca in insuficienta cardiaca: oul sau gaina?
S. Scolletta
Pg 209

Introducere
Terapiile curente ale insuficeintei cardiace au ca scop fie suprimarea activitaii neuro-hormonale cu sau fara tratarea incarcarii volemice si simptomatologiei hemodinamice.
Din prima clasa de substante fac parte: IEC, antagonistii receptorilor angiotensinici, antagonistii receptorilor beta simpatici, agonistii receptorilor aldosteronici. Din a doua clasa fac parte : diureticele, digoxina si inotropele. Datele acumulate in mai multe decenii arata ca supresia hormonala severa nu aduce beneficii nete in comparatie cu terapie mai modesta. Se considera ca este necesara o abordare complet diferita de cele anterioare. O varianta ar fi modularea metabolismului mitorcondrial si a statusului oxidativ.

Metabolismul energetic al cordului
Cordul consuma cea mai mare cantitate din energie din organism. De asemenea este cel mai mare consumator de oxigen: 8-15 ml O2/100g tesut in repaus cu posibilitatea de a creste pina la 70ml la efort. In fiecare zi inima bate de 100 000 de ori si pompeaza circa 10 tone de singe, consuma circa 6kg de ATP adica de 20-30 de ori propria greutate.
Mitocondriomul cardiac este caracterizat prin 3 subunitati

1. substratul
Presupune preluarea din spatiul extracelular a nutrientilor principali

– acizi grasi
– glucoza
si metabolizarea acestora prin mecanisme adecvate (betaoxidare pentru AG si glicoliza pentru glucoza). Din aceste procese rezulta AcCo A.
In afara de nutrientii de mai sus, cordul utilizeaza si : aminoacizi, lactat, corpi cetonici.
– Ac-CoA care intra in ciclul Krebs produce NADH si bioxid de carbon.

– 2. fosforilarea oxidativa care produce ATP o molecula mare care ramine cantonata la nivelul spatiului intramitocondrial.
Procesul are loc in interiorul mitocondrie. Este realizat la nivelul lantului respirator mitocondrial pe cele IV complexe respiratorii unde se trasfra electornii de pe NADH gnerindu-se NAD si apa si realizindu-se un gradinet electorchimic protonic in interiorul mitocondriei. Acest gradient duce la activarea Fo-F1 ATP sintazei si fosforialrea ADP la ATP. In legatura fosforica nou creata se inmagazineaza energia eliberata din procesul anterior descris.
– 3. Utilizarea energiei inmagazinate in ATP
ATP este o melecula marea care nu poate parasi interiorul mitocondriei. Energia inmagazinata in ATP este transferata extramitocondrial prin intermediul “navetai energerice a cratin kinazei.”

Naveta energetica a creatin-kinazei
Creatin-kinaza mitocondriala catalizeaza formarea de fosfocreatina prin cedarea de catre ATP a unei molecule de PO4 catre creatina (rezulta cratin-fosfatul) si transforamrea acestuia in ADP. ADP-ul rezultat reintra in procesul anterior de fosforialre oxidativa se reface molecula de ATP.
Molecula de fosfocreatina este mai mica si difuzeaza liber si rapid prin membrana mitocondriala catre citoplasma unde intilneste miofilamentele. La nivelul miofilamentelor creatin-kinaza locala (miofilamentara) reface local molecula de ATP din ADP-ul local si fosfocreatina migrata din mitocondrie. ATP-ul rezultat este folosit in procesul de contractie musculara.
Sistemul creatin-kinazei are si rolul de a mentine nivelele de ATP in limite normale.
Cind nevoile energetice ale cordului depasesc disponibilul energetic nivelele de creatinfosfat scad, nivelele de ATP se menitin in limitele necesare dar nivelele de ADP liber cresc.
Nivele crescute de ADP inhiba functia multor enzime intracelulare esentiale in procesul de contractie : piruvatdehidrogenaza, ATP-aza sarcomerica, ATP-aza actomiozinica, Na-K ATP-aza. Acestea sint esentiale pentru cuplarea excitatiei cu contractia. Decuplarea acestui mecanism duce la insuficienta cardiaca prin deficit de contractie. Asa se face ca exsita situatii in care nivelele de ATP sint normale, dar exista nivele crescute ADP si creatinfosfat.
Raportul creatinfosfat/ATP tisular este un foarte bun indicator al metabolismului energetic al miocardului. O valoare mai mica de 1,6 este predictor bun de mortalitate la pacientii cu cardiomiopatie dilatativa. Principala metoda de masurare a acestor molecule in vivo este spectroscopia 31P-MR (phosphorus-31 magnetic resonace).

Alterarea utilizarii substratului la nivelul miocardului
Cordul poate utiliza o gama larga de nutrienti pentru producerea energiei necesare functionarii.
Principalii sint acizii grasi si gucoza, dar foloseste si aminoacizi, lactat si corpi cetonici.
Metabolismul energetic miocardic este foarte diferit la adult fata de perioada fetala si nou-nascut.
In conditii normale de adult, 60-90% din AcCoA care intra in ciclul Krebs miocardic provine din beta-oxidarea AGL si 10-40% din oxidarea piruvatului provenit la rindul sau din glicoliza. Prin urmare, glicoliza contribuie cu numai 5% la generarea de ATP pe cind metabolizarea AGL genereaza 95% din ATP-ul utilizat de cord.
Pentru generarea unei unitati de ATP, folosirea caii beta-oxidarii necesita cu 12% mai mult oxigen decit generarea aceleasi cantitati de ATP pe calea glicolizei. Ca urmare, in conditii de hipoxie miocardica, miocitul are capacitatea de a vira catre utilizarea cu prepondernta a glucozei. In acest mod se poate reduce cu pina la 40% consumul de oxigen micardic. De asemnea, in stadiile precoce de insuficienta cardiaca, chiar si in absenta bolii coronariene, exista o crestere a folosirii glucozei in detrimentul folosirii AGL. Fenomenul este denumit “reversion to fetal metabolic phenotyp” si persupune re-expresia unor gene care functioneaza in perioada fetala si genereaza o anumta forma de miozina.
In conditii normale fetale mai putin de 30% din productia de ATP miocardic provine din betaoxidare. In perioada respectiva exista, asa cum rezulta de mai sus, un patern specific din punct de vedere al expresiei genice si de proteinogeneza.
La nastere, metabolismul se modifica rapid si drastic cu cresterea de 10 ori a beta-oxidarii. Paralel cu reducerea glicolizei.
Fenomenul este legat de modificarea functiei si activitatii unor receptori nucelari specifici

– PPAR (peroxisome proliferator-activated receptors)
– PGC-1 (PPAR-coactivator-1)
– ERRs (PPAR specific response elemnts)
care mediaza schimbarea (shifft) tipului demetabolism energetic enuntat anterior.

Metabolismul din insuficineta cardiaca difera in functie de stadiul aceteia.
In stadii precoce exista o revenire la forma fetala de metabolism cu cresterea proportiei glicolizei in dauna beta oxidarii.
In stadiile tardive exista o reducere atit a betaoxidarii cit si cea a glicolize.
In stadiile finale ale insuficientei cardiace TOATE enzimele metabolice sint represate. Mai mult, cardiomiocitul este rezistent la insulina.
Interpretarea acestor fenomene este si mai greu de facut pentru ca in stadiile tardive de evolutie a insuficientei cardiace exista citeva modificari majore la nivel de mediu pericelular si plasmatic : cresterea concetratiei de AGL plasmatici, a glicemiei si a insulinemiei. Autorii considera ca este greu de dscernut intre modificarile primare si cele secumdare.
Sindromul de debit cardiac scazut (low output) duce la un status hiperadrenergic compensator. Cresterea concentratiei catecolilor plasmatici are ca urmare hiperfosforilarea RE si cresterea concentratiei de AGL la nivelul plasmei. Cresterea oxidarii AGL inhiba PDH (piruvat dehidrogenaza) astfel se reduce atit preluarea intracelulara a glucozei cit si utilizarea ei. Procesul este demonstrat experimental.
Reducerea glicolizei duce la reducerea cantitatii de ATP generat care are ca urmare reducerea functiei pompei de Na care mentine potentialul de membrana. Alterarea potentialului de membrana este urmata de alterarea contactilitatii miocitului.


Modularea utilizarii substartului : potentialul terapeutic al terapiei insuficientei cardiace

Se poate tinti catre utilizarea substarului ca scop terapeutic in insuficienta cardiaca umana?
Se pleaca de la ideea ca folosirea glucozei este mai economica in termeni de consum de oxigen decit folosirea AGL. Se merge mai departe la ideea reducerii utilizarii caii beta-oxidarii in IC.
Reducerea beta-oxidarii se poate face pe mai multe cai:

– 1.inhibarea AGL circulanti

Se poate face prin inhibarea lipolizei (ACIPIMOX) si prin aceasta se imbunatateste activitatea complexului PDH si se favorizeaza trecerea piruvatului in AcCoA

– 2.inhibarea captarii miocitice de AGL

Molecule : PERHEXILINA, OXFENICINA, ETOMORIX
Rolul lor este de a inhiba CPT-1 (carnitine palmitoytransferaza I) care este o enzima cheia in captarea mitocondriala de AGL.

– 3.inhibarea beta-oxidarii

Molecule: trimetazidina
Aceasta cale foloseste inhibarea enzimei 3-KAT (long chain 3-ketoacyl CoA thiolase).
3-KAT este o enzima cruciala in calea beta-oxidarii.

– 4. activarea complexului PDH

Molecule : DICHLOROACETAT
Rolul dicloroacetatului este de a creste conversia piruvatului in AcCo A.
Din nefericire, utilizarea cestor modulatori metabolici nu si-a dovedit eficienta in clinca umana, mai multe studii clinice esuind.
Una dintre molecule (trimetazidina) continua sa se foloseasca pe scara larga in cardiologia din R, totusi.

Stresul oxidativ si dezechilibrele fosorilarii oxidative : rolul cheie al mitocondriei
Suferinta mitoconcdriala genereaza un deficit de alimentare cu ATP a miocitelor prin deficit de fosforilare oxidativa.
Mitocondriomul din insuficienta cardiaca s-a dovedit a prezenta modificari fizice ca

– dimensiune mai mica
– membrane discontinui
– pierdere de matrice mitocondriala

si functionale

– deficit al lantului de transfer electronic
– reducere a capacatatii ATP sintazei
– cresterea generarii de ROS

ROS
Enumerare ROS

– radicalul superoxid
– peroxidul de hidrogen
– radicalul hidroxil
– oxigenul liber
– proxinitritul

Productia mitocondriala de ROS este controlata de

– catecolamine
– cresetea tonusului simpatic cardiac
– cresterea nevoii bazale de oxigen
– HIF (hypoxia inducible factor sau senzorii celulari de oxigen)
– stimulare crescuta a sistemului angiotansinic prin AGT II
– stimulare crescuta TNF alfa


Legatura dintre ROS si disfunctia miocardica

– cresterea productiei de ROS induce disfunctie la nivelul lantului respirator. Ca urmare apare un dezechilibru in tutnoverul de ATP cu disfunctie contractila micardica.
– ROS stimuleaza productia de proteine non-mitocondriale, de alti factori de transcriptie si a citokinelor inflamatorii
– ROS poate induce disfunctie la nivelul pompelor de cationi ATP-azo dependente (Na-K, Ca) ceea ce duce la supraincarcarea mitocondriala cu Ca. Supraincarcarea cu Ca duce la deschiederea “permeability transition pore” mitocondriali. Deschiderea respectivilor pori genereaza depolarizare mirocondriala si disfunctie a acesteia. Ca urmare se antameaza moartea ceullara atit pe cale apoptocica cit si necrotica.
– ROS activeaza metaloproteazele matriciale ceea ce duce la pierderea de coalgen din MEC cu dezorganizarea secundara a alinierii miofilamentelor. Dezorganizarea stucturala mentionata mai sus este urmata de dilatatia ventriculara stinga si remodelare maladaptativa a acestuia.

In conditii fiziologice exista un echilibru intre producerea si distrugerea ROS.
ROS enumerati mai sus sint distursi de enzimele de tip “scavenger”

– Superoxidismutaza (SOD)
– Catalaza
– GSH peroxidaza (GSHPx)
– GSH reductaza
– GSSG

dar si de alti antioxidanti neenzimatici.

Fenomenul de ischemie reperfuzie

– ROS este jucatorul principal
– Se poate genera leziune reversibila “myocardial stunning” sau irevesibila “myocardial infarciton” in fucntie de durata ischemiei.

Dezechilibrul generat in timpul perioadei de stunning este denumit “flow-contractility mismaatch”.
In fazele initiale de reperfuzie dupa o perioada suficient de scurta de ischemie se corecteaza progresiv urmatoarele

– acidoza celulara
– disfunctia mitocondriala
– supraincarcarea mitocondriala cu Ca
– deficitul de sensibilitate la Ca a proteinelor contractile

Administrarea experimentala de antioxidanti inainte cu 15 minute de ocluzie coronariana la ciine a dus la prevenirea aparitiei miocardului stunnat.
ROS joaca un rol important in dimensiunea infarctuli miocardic. Suprexpresia SOD la soarecii cu modificari genetice in acest sens favorizeaza dimensiuni reduse de IMA. Utilizarea in acest scop a adimistrarii de SOD NU a avut urmarile scontate la diferite modele experimentale la diferite animale. Acest lucru sugereaza ca ROS este numai unul dintre factorii care influenteaza dimensiunea IMA iar SOD nu este suficienta pentru controlul acesteia.

Un alt lucru important este remodelarea miocardica dupa IMA. In aceasta situatie ROS intervine pe mai multe cai

– activarea matrix metallopreteinazei
– apoptoza miocitelor cu reducerea numarului acestora

De aceea se considera ca modularea genica cu supraexpresia GSHPx POATE modifica remodelarea miocardica dupa IMA.
Un alt rol al ROS, in cantitati fiziologice de data aceasta, este acela de protectie celulara prin activarea cailor de semnalizare care care duc la activarea expresiei enzimelor antioxidante. Prin acest mecanism ROS joaca un rol important in preconditionarea ischemica locala si la distanta.

Studii care au ca tema stresul oxidativ. Capcane si chichite.

Sudiile disponibile in acest moment au dus la rezultate contradictorii. Motivele acestor contradictii pot fi urmatoarele

– modalitati diferite de organizare a studiilor
– diferite tinte de cardioprotectie stabilite (end-points)
– variatii ale tipurilor genetice la animalele de expretienta
– difernta dintre specii la nivelul raspunsului la fenomenul de ischemie/reperfuzie
– agentii folositi nu interfera numai cu unul dintre componentele sistemului antioxidant
– investigare in vivo a activitatii ROS este un lucru foarte dificil, moleculele fiind extrem de instabile si cu dutara scurta de viata (ROS nu se masoara direct ci indirect prin indicele de peroxidare a lipidelor si produsii finali stabili ai atacului ROS)
– studiul in conditii de clinica umana este si mai dificil

Modele umane ale fenomenului de ischemie/repefuzie

Ischemie/reperfuzie umana spontana

– angina instabila
– tromboliza coronara spontana
– spasm coronarian tranzitoriu

Ischemie/reperfuzie umana indusa

– angioplastie transluminala percutana
– by-pas aorto-coronarian (CABG)
– by-pas cardio-pulmonar (CPB)
– transplantul cardiac (HTX)

Succesiunea evenimentelor metabolice din timpul CPB

– 1. perfuzie normala inainte de calmpare aortei
– 2. oprirea cordului si ischemia globala a acestuia

Deficit global de O2.
Blocarea oxidarii mitocondriale a NADH
Reducerea producerii mitocondtiale de ATP
Clivarea fosfatilor energetici in nucelotide si baze
Depletia de protectori naturali fata de ROS
Primii care au identificat producerea de GSSG (glutation oxidat) in aceasta situatie in sinusul coronar uman a fost echipa condusa de Ferrari.

– 3. reperfuzia dupa declampare

In aceasta perioada a fost studiat raportul GSH/GSSG (glutation redus pe glutation oxidat). Acest raport da informatii despre statutul oxidoreductor celular. Modificarea lui reflecta capacitatea de aparare a celulei fata de agresiunea ROS. Cu cit valoarea raportului este mai mare, cu atit posibilitatea de aparare celulara fata de ROS este mai mare. Raportul coreleaza cu performanta cardiaca dupa transplantul cardiac. De asemenea coreleaza cu valorile NT-proBNP care reflecta severitatea stress-ului miocardic si a disfunctiei cardiace.
S-au facut masuratori la nivelul singelui coronarian si la nivelul tesutului miocardic.

Succesiunea eveimentelor metabolice din timpul transplantului cardiac

– 1. prezervare functiei in situu la donorul de organe inainte de calmparea aortica
– 2. transportul organului (oprire cardiaca si ischemie globala)
– 3. implantarea la primitor (reperfuzie) dupa declamparea aortica
– Pe tot parcursul acestor etape se continua consumul lent de ATP. La reaparitia fluxului sanguin al receptorului prin sistemul coronarian se manifesta sindromul de reperfuzie.

– Sint studii care au evaluat efectul agentilor antioxidanti (ascorbat, vit E, glutation, allopurinol, compusi tiolici, compusi noi obtinuti prin bioinginerie si agonisti SOD cu molecula mica) atit in transplantul cardiac cit si CPB. Din nefericire, studiile furnizeaza data contradictorii.

Droguri si agenti care au efect antioxidant sau deschid canalele de K-ATP dependente si prezinta preconditionare farmacologica (chimica)
Antioxidanti

– exogeni (compusi continind tiol)

– probucol
– allopurinol
– hidralazina
– propofol

– endogeni

– SOD, catalaza, GSHPx
– CoQ, alfa-tocoferol, acid ascorbic, betacaroten, tezosentan

Molecule care deschid canalele de K-ATPdepnedente

– anestezice si narcotice

o anestezicele inhalatorii
o opioizii, ketamina, tiopental

– agenti non-anestezici

o blocanti beta adrenergici
o IEC
o Antagonisti ai canalelor de Ca
o Levosimendan
o Statine
o Ciclosporina A
o Adenozina
o Bradikinina
o NE
o Cantitati mici de ROS sau TNF-alfa

Leziunea de ischemie/reperfuzie si stressul oxidativ: rolul canalelor de K-ATP dependente in potentialul terapeutic al cardiopatiei ischemice

Cea mai eficienta modalitate de protectie fata de ischemie/reperfuzie si stressul ischemic este preconditionarea ischemica care se defineste ca fenomenul local declansat de repetate episoade de ischemie/reperfuzie de durat si amploare reduse. Acestea declanseaza un proces de crestere a rezistentei miocardice la un episod major de ischemie.
(Nn. important de retinut. In primul rind, fenomenul de preconditionare ischemica NU este specific numai miocardului, el fiind identificat si la nivel cerebragl cel putin. Al doilea lucru important, este ca preconditionarea ischemica poate sa se realizeze si la distanta, adica scurte perioade de ischemie/reperfuzie la nivel muscular, de exemplu, genereaza rezistenta la iscemia majora la nivelul cordului, si nu numai, dupa parerea mea. Si o a treia observatie, acelasi fenomen poate sa fie declansat de administrarea unor substante ca unele dintre anestezicele inhalatorii de ex, sevorane.)
In preconditionarea ischemica prin ischemii subliminale miocardice repetate un rol curical il joaca canalele de K-ATP dependente de la nivelul membranei celulare. Acestea se deschid la reducerea nivelului de ATP si permit efluxul de K catre extracelular cu hiperpolarizarea membranei celulare. Ca urmare se ajunge la reducerea duratei potentialului de actiune prin care se reduce probailitatea de deschidere a canalelor de Ca voltaj-dependente. Rezulta reducerea concnetratiei citoplasmatice de Ca ceea ce duce la crutarea ATP si reducerea tonusului vascular miocardic. Cresterea K extracelular faciliteaza coronarodilatatia si creste fluxul sanguin catre zonele ischemice miocardice.
S-a crezut initial ca numai canalele membranei celulare sint cele care controleaza procesul descris mai sus. Ulterior s-a demonstrat ca cel mai mare rol il au canlalele de K-ATP dependente de la nivelul membranei mitocondriale. Deschiderea acestora la nivelul mirocondriei optimizeaza producerea de energie mitocondriala scad incarcarea mitocondriei cu Ca si previn deschidera porilor motocondriali de permeabilitate tranzitorie.
Receptori implicati in decalnsarea fenomenului

– receptorii adenozinici A1 si A3
– receptorii bradikininici 2
– receptorul opioid delta
– receptorul catecolic alfa 1

Mediatori ai fenomenului

– proteinele G
– PLC
– PKC

care actioneaza asa cum s-a descris mai sus pe respectivele canale de K de la nivelul mb. Mtc.
Blocarea canalelor de K-ATP dependente cu sulfoniluree (blocant specific pentru acestea) este urmata de neinstalarea fenomenului de preconditionare ischemica. (Deci, atentie la diabeticul de tip II cu ADO din clasa sulfonilureei)
Preconditionarea ischemica chimica, despre care am vorbit mai sus, spun autorii, ca, desi s-a studiat extensiv in ultimii ani, nu este destul de sustinuta de datele experimentale.