Functia mitocondriala in socul septic Miercuri, Sep 11 2013 

AUICEM 2011
Functia mitocondriala in socul septic
M.A.Puskarich
Pg 355

Introducere
Socul septic continua sa aiba mortalitate de 20% in primul deceniu al secolului 21.
Resuscitarea voemica se face agresiv si precoce. Totusi, DUPA resuscitarea macrohemodinamica la multi pacienti se identifica disfucntii si insuficiente de organ.
Fenomenele se pot explica prin doua mecansime

– raspunsul neuminform al microcirculatiei in sepsis
– hipoxia citotoxica

In ambele situatii functia pare sa fie implicata mitocondriala.

Rolul microcirculatiei
In sepsis, microcirculatia poate fi alterata in absenta alterarii macrohemodinamicii. Alterarea microcirculatorie pare sa fie elementul cheie in instalarea disfunctiilor de organ. Refacerea microcirculatiei prin resuscitarea volemica din sepsis este urmata de imbunatatirea functiei organelor.
Cauza alterarii microcirculatiei in sepsis este multifactoriala.

– disfunctie a CE
– cresterea adeziunii leucocitare si trombocitare la CE
– depozite de fibrina
– rigiditatea hematiilor
– alterarea presiunii de perfuzie tisulara prin redistributie sanguina
– sunt functional

Microcirculatia poate fi examinata direct prin SDF (sidestrem dark field videomicroscopy) in vivo si in clinica umana.
Prin aceasta tehnica s-au pus in evidenta

– reducerea vitezei de curgere in teritoriul microcirculatiei
– vase mici cu situatia de “stop flow”
– cresterea heterogenitatii perfuziei regionale
– densitate redusa a capilarelor perfuzate

Cu aceasta tehnica au fost evaluate multiplele modalitati terapeutice disponibile

– administrarea de lichide
o imbunatateste parametrii microcirculatiei dar numai in primele ore de resuscitare
– vasopresoarele si inhibitorii de NOS
o efecte amestecate, in cel mai bun caz
– nitroglicerina, inotropii si proteina C activata
o imbunatatirea fluxului, intr-o oarecare masura

Desi promitatoare, niciuna ditnre tehnicile investigate sau cele de investigare nu s-au dovedit infailibile in clinca umana.

Terapia metabolica a sepsisului
Modificari metabolice specifice sepsisului

– hiperglicemia
– cresterea productiei de lactat
– reducerea clearence-ului lactatului
– alterarea consumului energetic de repaus
– catabolism proteic muscular

Ceea ce este interesant din punct de vedere histologic este faptul ca in sepsis lipseste necroza tisulara extinsa care este specifica statilor hipoxice. Se crede ca in sepsis problema se pune mai degraba la nivel metabolic decit la nivel ischemic.
Aceasta abordare teoretica a dus la o alta abordare terapeutica si anume aceea a terapiei metabolice din sepsis care a facut obiectul unui dezbateri la nivelul ISICEM 2007. S-au abordat probleme ca

– nutrientii minori (small nutirents) si farmaconutrientii
– functioanrea si manipularea sistemului endocrin cu metabolismul glucozei
– disfunctia celulara si ce mitocondriala

Insulina ca terapie metabolica
Problema “tight glucose control” este larg dezbatuta iar rezultatele acumulate sint contradictorii. Se merge si pe ideea celorlalte functii ale insulinei.

Functia antiinflamatorie a insulinei

In sepsis exita un dezechilibru intre mecanismele proinflamatorii sei cele antiinflamatorii cu predominenta initiala a celor porinflamtorii care si sint responsabile de multe dintre manifestarile sepsisului si a sepsisului grav.
Insulina poseda un efect antiinflamator prin

supresia expresiei factorului nuclear k-B, a IL-6, alfa TNF
stimularea expresiei citokinelor antiinflamatorii: IL-2, IL-4, IL-10
aceste actiuni sint independente de efectul hipoglicemiant, modluarea oxidarii glucozei, polarizarii membranare

Ele sint strict antiinflamatorii

Efectele cardiovasculare directe ale insulinei

– in doza suprafiziologica are efect inotrop pozitiv chiar si in situatiile in care cordul este refractar la alte medicamente
– imbunatateste recrutarea capilara experimental la individul normal (explicatia s-ar lega de accesul insulinei catre tesutul unde este necesara) dar si pacientii critically ill

Hipoxia citopatica sau dincolo de disponibilul circulant de oxigen

Pina recent, resuscitarea clasica s-a adresat numai disponibilului circulant de oxigen (DO2). S-au adunat date suficienta care sa sustina ca in sepsis exista un deficit de UTILIZARE a oxigenului. (Nn. Sincera sa fiu, de la inceputul meseriei mele stiam de la profesorii mei dintre care prof Litarczeck este cel mai notabil, ca socul septic se deosebeste de celelalte socuri prin faptul ca este afectata initial utilizarea tisulara a oxigenului. Pentru generatia noastra, aceasta face parte din enuntiul problemei si rezulta din logica clinica simpla.)
Au fost identificate modificari structurale ale mitocondriei in sepsis in multe tesuturi (daca nu in toate, numai pentru ca nu au fost investigate). In plus s-a demonstrat prin experimente functionale ca in sepsis multe dintre tesuturi (cel mai notabil fiind cordul) sint incapabile sa eficentizeze folosirea substratului indiferent de disponibilul de oxigen. Toate aceste argumente duc la concluzia ca mitocondria joaca un rol fundamental in patogeneza socului septic.

Hibernarea mitocondriala

Toate celulele se adapteaza la deficitul de oxigen prin fenomenul de “hibernare”. Aceasta reglare se realizeaza datorita faptului ca cererea de energie este strins cuplata cu producerea de ATP. Observatia ca nivelele celualre de ATP nu sint scazute in sepsis a fost folosita la argumentarea impotriva prezentei disfunctiei mitocondriale. Totusi, se pare ca celula poate sa-si reduca consumul energetic in scopul mentinerii cocnetratiei celulare de ATP. Acestui fapt i se datoreaza lipsa necrozelor celulare in sepsis si posibilitatea de revenire a fucntiei celulare daca insulta septica initiala este inlaturata.
Mecanisme ale hipoxiei citopatice sint multiple si pot fi impartite in doua mari grupe.

a. alterarea cailor metabolice

– diminuarea furnizarii de piruvat catre ciclul Krebs
– inhibarea unor enzime ale acestuia
– deficit in transportul de electroni
– inhibarea piruvatdehidrogenazei (PDH)
– inhibarea citocromului a,a3 prin NO
– inhibarea complexelor respiratorii mediata de peroxinitrit

b. calea mitocondriala prin generarea de ROS

– prezenta in toate starile de stress inclusiv in sepsis
– generarea neadecvata de ROS ceea ce duce la alterarea semnalizarii prin Ca si influentarea apoptozei
– activarea enzimei PARP-1 care este responsabila de repararea AND-ului lezat de ROS. Rezultatul este economisirea substratului si pastrarea utilizarii oxigenului cu pretul decuplarii metabolizarii substratului de generarea de ATP. Este interesant ca s-a demonstrat recent ca insulina reduce formarea de ROS, down-regleaza PARP-1 si mentine integritatea ultrastructurala a mitocondriei in sepsis. Data fiind abilitatea insulinei de a influenta atit fluxul microcirculator cit si functia mitocondriala este interesant sa se ia in consideratie ca insulina sa adreseaze ambelor procese in tratamentul MODS. Complexitatea unei asemnea interrelatii poate explica intr-o oarecare masura dificultatea studierii insulinei in ICU.

Cele doua mecanisme de mai sus pot explica instalarea starii de “hibernare” tisulara care a fost sugerata in sepsis. Terapiile imaginate se adreseaza ambelor procese ele actionind concomitent.
Inlocuirea citocromului c in modele experimentale de soc septic au arata ca se realizeaza imbunatatirea fosforilarii oxidative, a functiei cardiace, si evlultiei globale. Aceste date sugereaza ca depresia mitocondriala asociata sepsisului este legata de alterarea fosforilarii oxidative ca reversarea inhibarii transportului la nivelul lantului respirator si resuscitarea mitocondriala sint posibile ceea ce face sa spere la un beneficiu potential prin reversarea hibernafii mitocondriale.

Metabolism alterat:Inhibarea PDH in sepsis
PDH este, in mod normal, o cheie in reglarea metabolismului si este un element crucial, ireversibil, limitant al cantitatii de lactat care intra in ciclul Krebs. Activitatea ei este down-reglata in sepsis prin cresterea trascriptiei de PDK-4 (o kinaz inhibitorie a procesului). Rezulta o virare a metabolismului catre folosirea acizilor grasi liberi (cale care este mai putin eficienta din punct de vedere energetic decit cea a acidului lactic si a glucozei). De aceea se considera ca modularea caii PDH este promitatoare in tratamentul metabolic al sepsisului. Procesul este insa foarte complex iar rezultatele immediate nu sint aplicabile in clina umana.

Terapia metabolica : concentrarea asupra L-carnitinei

Carnitina este un nutrient natural care este necesar in metabolismul energetic al mamiferelor. Ea faciliteaza intrarea acizilor grasi cu lant lung in mitocondrie furnizind substrat pentru procesul de producere al enrgiei. L-carnitina, isomerul levogir, este activ biologic. El provine mai ales din aportul proteic din dieta zilnica dar poate fi si sintetizat in ficat si rinchi din lizina si metionina. El este concentrat in

muschiul scheletic
inima
musculatura neteda vasculara
celulele endoteliale

Muschiul sanatos foloseste pentru energogeneza o conbinatie de acizi grasi liberi, glucoza, lactat. 50-70% din energia miocardului provine din acizi grasi.
Agizii grasi trebuie esterificati cu carnitina pentru a traversa membrana mitocondriala. Proces mediat CPT-I,II (sistemul carnitinpalmatioyltransferaza I si II). CPT-I este localizata la nivelul membranei externe a mitocondriei iar CPT-II este legata de fata interna a membranei interne a metocondriei. Carnitina moduleaza si activitatea PDH matriciale. Carnitina accelereaza oxidarea piruvatului prin esterificarea si exportul extramitocondrial al acetilCoA scazind raportul acetilCoA/CoA. Adausul parenteral de carnitina imbunatateste metabolsimul atit al acizilor grasi liberi cint si pe cel al glucozei.
In timpul stress-ului se altereaza sever sursa primara de energie a miocardului, adica se trece de al acizi grasi la lactat. Importanta lactatului ca sursa de enrgie in sepsis a fost demonstrata de studii care au folosit betablocarea pentru reducerea disponibilului de lactat. Rezultatul a fost prabusirea completa a hemodinamicii.
Studiile au identificat o reducere severa a CPT-I cardiac in socul septic ceea ce duce la reducerea folosirii acizilor grasi liberi in energogeneza locala. Sepsisul stimuleaza producerea excesiva de acetil-CoA si inhiba prin acest mecanism functionarea PDH (piruvatdehidrogenaza), deci este afectata si energogeneza glucidica. Se acumuleaza de lactat, metaboliti ai acizilor grasi si protoni in citosol. Eliminarea lor necesita o mare cantitate de energie in conditii de enrgogeneza deja deficitara.
In afara de modificarea metabolismului energetic de mai sus care are loc la nivel mitocondrial, in soc ul septic mai exita si alte mecanisme care genereaza fenomene inotrop negative.
In timpul socului septic sitemul CV este deprivat de carnitina atit la nivelul musculaturii miocardice cit si la nivelul endoteliului prin pierderea ei in afara celulei si crestere nivelului plasmatic de carnitina. Rezorbtia renala de carnitina, care in mod normal este eficienta (90-99%) este depasita si o parte din carnitna filtrata este eliminata urinar ajungindu-se la deficit global, la nivelul organismului, in carnitina. Deficitul de carnitina duce la fenomene de I(-) atit in soc cit si in afara lui.
Carnitina este esentiala pentru functia normala a cordului iar deficitul de carnitina duce la dereglarea raspunsului cardio-vascular la LPZ.
Compensarea deficitului de carnitina imbunatateste contractilitatea miocardica in cordul depresat prin urmatoarele mecanisme: stimularea oxigenarii piruvatului, recuplarea glicolizei cu oxidarea piruvatului in conditii de soc, avind ca urmare imbunatatirea contractilitatii. Metabolismul lactatului si glucidelor este mai eficient in producerea de energie decit cel al acizilor grasi pe unitatea de oxigen consumata.
In comparatie cu agentii vasoactivi care cresc lucrul mecanic cardiac, carnitina imbunatateste eficienta lucrului mecanic cardiac. Este posibil ca ea sa fie un tratament in hipoxia citopatica.
Ca si restul sistemului CV, endoteliile folosec cale oxidarii AG carnitin-dependenta. Endoteliul este in mod particular vulnerabil la hipoxia care se instaleaza in tulburarile microcirculatorii. In aceste situatii din celula endoteliala se pierd molecule mari, inclusiv carnitina iar aceasta devine deficineta in respectivul compus ceea ce duce la alterarea raspunsului la LPZ cu urmari importante cum ar fi cresterea permeabilitatii. Chiar daca problema pare interesanta iar tratamentul cu carnitina in sepsis pentru corectarea disfunctiei endoteliale util, studii in domeniu (la nivleul anilor 2011) lipsesc.
Studii umane preliminare cu administrarea pe termen scurt (72 ore) de carnitina in socul septic au aratat beneficii in termeni macrohemodinamici si de oxigenare (TA, presiune in atriul drept, PaO2).
Prin efectul sau atit la nivelul cordului cit si la nivelul vaselor, carnitina este un candidat interesant pentru tratamentul socului septic si MSOF.

Interfata dintre microcirculatie si mitocondrie

Este neclar in acest moment cit de mare este contributia fiecareai dintre disfunctile mitocondriala si microcirculatorie in persitenta insuficientelor de organ dupa resuscitarea macrocirculatorie. Si nici daca cele doua sint fenomene indepnedente sau au la baza un proces initial comun. Datele sugereaz clar, insa, ca modul de abordare al resuscitarii trebuie sa se schimbe, si sa aiba in vedere disfunctia macrocirculatorie, pe cea microcirculatorie si pe cea mitocondriala.
Daca monitorizarea macrocirculatorie exista si este disponimila la patul bolnavului, nu la fel se poate spune despre cea a microcirculatiei, care exista, dar este greu de folosit la patul bolnavului in mod sistematic. In ceea ce priveste monitorizare mitocondriala este un deziderat…inca inimaginabil la patul bolnavului dar, se pare, cit se poate de necesara.

Interstitiul si limfaticele au un rol important in generarea edemului in sepsis Miercuri, Sep 11 2013 

AUICEM 2011
Interstitiul si limfaticele au un rol important in generarea edemului in sepsis
O.S. Svendesen, R.K Reed siH. Wiig

Pg 297

De retinut ca acest material foloseste in explicatie abordarea Starling a schimburilor lichidiene tisulare.

Introducere
SIRS este caracterizar prin extravasare imprtanta de lichide sanguine datorita alterarii permeabilitatii capilare.
De aici rezulta doua fenomene
– edem tisular care duce la alterarea oxigenarii tisulare si, consecinta a funtiei organelor
– in asociere cu vaasodilatatia existenta, realizare unor stari hipovolemice care pot merge pina la starea de soc hipovolemic.

Schimbul normal transcapilar de fluide
Mecanismul Starling conconceput in 1896. Cunoscut din anul 1 de la fiziologie de toti cititorii acestui blog.
Jv = LpS [(Pc – Pif)] – sigma x (COPc – COPif)
Unde Jv este cantitatea finala de lichid pierduta in intertitiu. Lp este permeabilitatea hidraulica a capilarului iar S este suprafata implicata. P este presiunea hidrostatica iar COP cea coloidosmotica.

Autoreglarea Jv in conformitatea cu legea Starling

Surplusul de lichid care nu este recuperat la captul vneos al capilarului este preluat de circulatia limfatica.

– cresterea cantitatii lichidului interstitial duce la cresterea presiunii hidrostatice tisulare ceea ce duce la reducerea extravazarii lichidiene
– creterea fomarii de lichid interstitial duce la scaderea presiunii coloi-osmaotice tisulare ceea ce duce, de asemenea, la reducerea extravazarii lichidiene
– cresterea presiunii hidrostatice tisulare impreuna cu cresterea volumului lichidului interstitial duce la cresterea dernajului limfatic


Schimburile lichidiene in sepsis

Presiunea hidrostatica precapilara relativa (RA) este de circa 4 ori mai mare decit presiunea relativa postcapilara (RV). Ele traduc presiunea hidrostatic capilara care este greu de masurat.
In insuficienta cardiaca si supraincarcarea lichidiana se ajunge la edem prin alterarea raportului RA/R. PVC-ul coreleaza bine cu edemul.
Inflamatia duce si ea la alterarea raportului de mai sus. Se produc doua fenomene: crestere a permeabilitati insotita de cresterea extravazatului si cresterea presiunii hidrostatice, dar si cresterea pierderii extra-vasculare de proteine cu reducerea presiunii coloid-osmotice. Rezultatul este edem tisular cu toate deficientele sale.

Interstitiul si presiunea hidrostatica interstitiala

Adesea se uita ca interstitiul este o zona activa a unui tesut.
Interstitiul se poate defini ca spatiul dintre celule si capilar.
El contine

glicoazminoglicani asociati sau nu proteine. Reprezinta faza gelului hidratat
– proteine fibroase dintre care cel mai bine reprezentat este colagenul
– proteine plamatice in concentratii care tin de proprietatile membranei capilare si de rata filtrarii capilare

Date recente sugereaza ca presiunea hidrostatica interstitiala este posibil sa aiba un rol crucial in formarea edemului din sepsis. De asemenea, presiunea hidrostatica tisulara este cea care este presiunea de umplere de la nivelul capilarelor limfatice si unul dintre mecanismele principale in formarea limfei.
S-a determinat ca in tegument presiunea hidrostatica interstitiala este subatmosferica. In situatii particulare, cum este arsura, presiunea interstitiala devine puternic negativa fiind unul dintre mecansimele de formare a edemului. Si in alte stari inflamatorii, diferite de arsura, s-a identificat reducerea presiunii respective, dar nu atit de pronuntat.
Unul dintre motivele acestei modificari este interactiunea dintre moleculele interstitiului si integrine.

Integrinele
Sint proteine membranare heterodimerice care functioneaza ca receptori.
Sint alcatiute din cite o subunitate alfa si una beta fiecare avind cite un domeniu inntra si extracelular. La vertebrate su fost descrise 24 de integrine.
Liganzii lor sint specificei si pot fi proteine din MEC si din membranele ceulare ale altor celule.
Sint cunoscute 4 integrine care leaga coalgenul

– alfa1beta1

sint asociate cu membranele bazale si au afinitate mai mare pentru coalgenul de tip IV (cel care formeaza retele) decit pentru cel fibrilar de tip I

– alfa2beta1

au afinitate mai amre pentru coalgenul fibrilar

– alfa10beta1

asociate cu tesutul cartilaginos si au afinitate mai amre pentru colagenul de tip IV

– alfa 11beta1

recent descoperite, au afinitate pentru colagenul de tip I.
Alfa1beta1 si alfa2beta1 au, in plus, afinitate si pentru laminina. Sint larg distribuite in tesutul conjuctiv si se gasesc si pe unele leucocite si celule endoteliale.
Subfamilia beta3

– alfa IIb beta3

exprimate pe trombocite si megacariocite
este importanta pentru functia normala a trombocitului si este blocata de molecule ca clopidogrelul

– alfa v beta 3

larg raspindita
asociata cu angiogeneza si permeabilitatea vasculara
ei recunosc secventa tripla RGD care se gaseste in molecule ca vitronectina, fibronectina, molecula de colagen denaturat.
Ele sint interesant pentru formarea edemului interstitial.

Reglarea presiunii hidrostatice tisulare in timpul inflamatiei
Modelul propus presupune

– inflamatia reduce compactarea colagenului fibrilar. Mecanismul este mediat prin receptorii (integrinele) alfa2beta1. Ca urmare, tensiunea exercitata de colagen asupra tesutului si celulelor scade, dar si tensiune exercitata de fibroblasti ajungindu-se la generarea unei presiuni negative in tesut care duce la “absorbtia” de lichid din spatiul vascular.

– Fenomenul este reversat de PDGF-BB (platelet derived growth factor) si insulina… FDGF-BB pare sa contracareze efectul de mai sus prin alta integrina si anume alfa v beta 3 si generarea de fibronectina care favorizeaza legarea de coalgen si restructurarea coalgenului.

Sepsisul, insulina si presiunea hidrostatica tisulara
Mentinerea glicemiei in limite stricte (4,4 – 6,1 mM/l) este una dintre problemele actuale ale ICU. Exista studii care sugereaza o reducere drastica a mortalitatii (40%) rezultate care nu au fost confirmate de altele. In schimb, s-a identificat o crestere a frecventei hipoglicemiei certificata de alte studii care nu au reusit sa identifice vreun beneficiu in termeni de mortalitate.
Daca in clinica umana beneficiul insulinei pare sa nu fie demonstrat, in studii experimentale s-a certificat capacitatea insulinei de a modula presiunea hidrostatic tisulara pe modele experimentale de soarece cu sepsis. Utilitatea clinica a observatiei este de urmarit.

Limfaticele si formarea limfei

Lichidul extravazat este rezorbit pertial de catre sistemul arteriovenos. Proteinele extravazate se reintorc in circulatie NUMAI pe cale limfatica.
Sistemul limfatic incepe la nivel tisular prin capilarele limfatice sau limfaticele initiale care nu au MB sau au membrana bazala fenstrata. Ele se termina la nivelul ganglionilor limfatici si contin un fluid asemanator lichidului interstitial. Sint dotate cu valve care fac ca fluxul limfatic sa fie unidirectional. Dincolo de ganglionii limfatici se continua cu limfaticele colectoare care au membrmana bazala si musculara si pericite. Ele continua sa aiba valvele mentinonate anterior si sa asigure flux limfatic activ (prin mecanisme multiple) unidirectional. Limfa este drenata in venele subcalviculare prin ductul toracic si ductul limfatic drept.
Exsita studii care pun in evidenta cresterea semnificativa a drenajului limfatic in sepsis, de ordinul a 2,5 pina la 10 ori fata de valorile de baza (atit la animalele de experienta cit si la om).
In clinica umana drenajul limfatic este alterat de VM (crestere PEEP, PVC, absenta miscarilor spontane care pompeaza limfa prin intermediul pompei musculare), reapusul la pat… dar si hipovolemie care reduce motilitate proprie a peretilor ducturilor limfatice.

Pe scurt, in sepsis este documentata cresterea producerii de limfa la nivelul tesuturilor, dar drenajul limfatic pare sa fie afectat prin alterarea mecanismelor de pompare atit active (la nivelul muscularei peretelui ducturilor limfatice) cit si pasive (contractii musculare, tonus muscular…)