Mitochine bei COPD

EINFÜHRUNG Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ist gekennzeichnet durch eine fortschreitende und kaum reversible Obstruktion der Atemwege, die im Wesentlichen die kleinen Atemwege betrifft (chronisch obstruktive Bronchiolitis), variabel verbunden mit einer Zerstörung des Lungenparenchyms (Emphysem). 10 % der Menschen über 45 Jahre haben COPD. Es wird erwartet, dass COPD bis 2020 die dritthäufigste Todesursache weltweit sein wird. Die Hauptursache für COPD in westlichen Ländern ist der chronische Tabakrauchkontakt mit den Atemwegen, mit massivem Eintritt vieler toxischer Substanzen und reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in den Körper, die oxidativen Stress (OS) induzieren. OS bei COPD ist sowohl exogen (ROS inhaliert) als auch endogen (ROS induziert durch Tabakgifte und durch die eigene Krankheit). Einige Forscher sind der Ansicht, dass das OS bei COPD eng mit einer besonderen Art beschleunigter zellulärer Seneszenz zusammenhängt, die mit einem chronischen Entzündungsprozess einhergeht, der nicht nur das Atmungssystem betrifft, sondern auch viele andere Teile des Körpers (Skelettmuskulatur, Herz-Kreislauf-System, globaler Stoffwechsel). , Immunsystem usw.).

Mitochondriale Dysfunktion spielt eine zentrale, aber nicht ausschließliche Rolle bei oxidativem Stress, Zellalterung und chronischen Entzündungen. Daher würde ein besseres Verständnis der COPD zugrunde liegenden mitochondrialen Dysfunktion ein besseres Verständnis der Physiopathologie ermöglichen und neue mögliche therapeutische Angriffspunkte identifizieren. Die mitochondrialen Veränderungen der COPD im bronchopulmonalen, muskulären und immunologischen Bereich sind sowohl morphologisch als auch pathophysiologisch umfassend dokumentiert. Eine mitochondriale Dysfunktion kann primär (angeboren) oder sekundär (erworben, wie beim Tabakrauchen) sein. Es ist ein breites Konzept, das eine beeinträchtigte zelluläre Energieproduktion, eine übermäßige Bildung von ROS oder einiger Metaboliten aus dem Krebszyklus in den Mitochondrien und einen Verlust der Qualitätskontrolle wesentlicher mitochondrialer Komponenten umfasst, die schließlich zu einer abnormalen Produktion von intramitochondrialen Molekülen (mtDNA, ATP, Cytochrom c, Romo1 usw.) in das Cytosol und in extrazelluläre Flüssigkeiten. Einige dieser Moleküle verhalten sich wie DAMPs (Damage Associated Molecular Patterns) und induzieren eine Aktivierung der angeborenen Immunität und damit eine Entzündung. Blutspiegel von Cytochrom C und Romo1 wurden als Marker für oxidativen Stress vorgeschlagen. Die Hauptfunktion der Mitochondrien ist die Erzeugung von ATP, dem grundlegenden energietragenden Molekül für die Aufrechterhaltung der lebenden Zelle. Die Erzeugung von ATP wird aus anderen Energievorläufern in den Mitochondrien durch das an die Elektronentransportkette gekoppelte oxidative Phosphorylierungssystem (OXPHOS/ETC) produziert. Diese Organellen spielen auch eine grundlegende Rolle bei 1) der Erzeugung spezifischer Stoffwechselprodukte von Kohlenhydraten, Lipiden und Proteinen, die für mehrere Zellfunktionen essentiell sind, 2) der Synthese von Hämen und Steroidhormonen, 3) der Verwaltung der „Cluster“ von Fe und S, 4) zelluläre Homöostase von intrazellulärem Calcium, 5) Immunantwort, sowohl angeboren als auch erworben, und 6) die Regulierung einiger Arten von Apoptose.

Zellen reagieren ständig auf die Umweltveränderungen, denen sie ausgesetzt sind. In zellulären Stresssituationen (z. Kalorienmangel, Mangel an spezifischen Nährstoffen, Temperaturänderungen usw.) reagiert der Zellkern, indem er Signale an die Mitochondrien sendet, damit diese ihre Funktion an die Veränderung anpassen (anterograde Signalübertragung vom Zellkern an die Mitochondrien: z. B. körperliche Betätigung verbraucht ATP in der Muskelzelle, das das AMPK aktiviert, das den nukleären Transkriptions-Cofaktor PGC-1alpha aktiviert, der wiederum OXPOS/ETC und die mitochondriale Biogenese aktiviert). Kommt es hingegen zu einer Stresssituation in den Mitochondrien selbst (z. übermäßige Produktion von freien Sauerstoffradikalen, ungefalteten intramitochondrialen Proteinen usw.) Signale werden an den Zellkern gesendet, damit dieser die Produktion von Proteinen modifiziert, die dazu bestimmt sind, mitochondriale Schäden zu verhindern/korrigieren, einschließlich Chaperone, Antioxidantien oder proteolytische Enzyme proteolytische (autonome oder intrazelluläre retrograde Signalübertragung) .

Es wurde kürzlich gezeigt, dass Mitochondrien in der Lage sind, direkt oder indirekt Peptide zu erzeugen, die nicht nur die eigene Zelle beeinflussen, die sie produziert, sondern auch Fernwirkungen haben (nicht-autonome oder extrazelluläre retrograde Signalübertragung). Diese von Dillins Gruppe entdeckten Substanzen werden Mitochine genannt und senden Signale von Geweben mit gestressten Mitochondrien an den gesamten Körper, wobei es sich um Hormone handelt, die den gesamten Organismus darauf vorbereiten, auf den zellulären Stress zu reagieren, dem er ausgesetzt sein wird.

Mitochine werden bei jeglicher Art von mitochondrialem Stress freigesetzt (angeborene oder erworbene Mutationen in der mtDNA, Störungen des OXPHOS/ETC, die oxidativen Stress erzeugen, mitochondriale Toxine usw.). Bei Säugetieren ist mitochondrialer Stress im Allgemeinen mit der sogenannten integrierten zellulären Antwort auf Stress (ICRS) verbunden“. Einer der wichtigsten Mechanismen von ICRS ist die UPR (Unfolded Protein Response), an der Mitochondrien in koordinierter Weise mit dem endoplasmatischen Retikulumsystem und dem Zellkern beteiligt sind.

Es gibt mindestens zwei verschiedene Arten von Mitochondrien: 1) primäre Mitochine, kodiert in der mitochondrialen DNA (mtDNA) und 2) sekundäre Mytokine, kodiert in der Zellkern-DNA (nDNA), deren Sekretion durch Aktivierungssignale von den gestressten Mitochondrien an die reguliert wird nDNA (zB. ATF4 usw.). Humanin (HN), MOTS-c (Mitochondrial ORF of the Twelve S-c) und sechs humaninähnliche Peptide (SHLPs 1-6) gelten als primäre Mitochine, obwohl die Anzahl höher sein kann. Bis vor kurzem wurde angenommen, dass mitochondriale DNA nur 37 Gene codiert (13 Peptide, die ausschließlich in den Mitochondrien vorkommen, allesamt Untereinheiten des ETC, 22 Transfer-RNAs -tRNA- und 2 ribosomale RNAs -rRNA-) RNAs. Wir wissen jetzt, dass 16s- und 12s-rRNA sORFs ("kurze offene Leserahmen") enthalten, die sekretorische Peptide von 20-30 Aminosäuren translatieren. Es ist nicht bekannt, welche intimen Mechanismen die Synthese und Freisetzung dieser Mitochine regulieren, obwohl es möglich ist, dass sie mit einer mitochondrialen ribosomalen Aktivierung zusammenhängen. In Bezug auf sekundäre Mitochine (die in Kern-DNA kodiert sind) unter der Aktivierung von ATF4 kennen wir den fibroblastischen Wachstumsfaktor 21 (FGF21), den Wachstums- und Entwicklungsfaktor 15 (MIC1/GDF15), Follistatin und Intermedin-Adrenomedullin2. Diese Mitochine reagieren auch auf andere Reize, unabhängig von den Mitochondrien.

Humanin ist ein Peptid mit 21 oder 24 AS, mit mehreren zytoprotektiven Funktionen gegen mitochondriale Schäden (erhöht die Synthese von Antioxidantien und Chaperonen für 4 entfaltete Proteine). Es ist entzündungshemmend (senkt die entzündlichen Zytokine und erhöht die entzündungshemmenden Zytokine) und antiapoptotisch (blockiert apoptotische Faktoren wie Bak und IGFBP3) durch mindestens 2 Membranrezeptoren und mehrere Wechselwirkungen mit anderen intrazellulären und extrazellulären Proteinen in vielen Geweben (Nervensystem, Leber, Herz, Gefäßwand, Skelettmuskel, retinales Pigmentepithel, Keimdrüsen usw.). Es hat auch positive metabolische Wirkungen (verringert die Insulinresistenz auf zentraler Ebene, schützt die Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse vor oxidativem Stress und hat eine negative Rückkopplung mit IGF1). Kürzlich wurde nachgewiesen, dass Menschen mit hohen Spiegeln dieses Hormons mit zunehmendem Alter weniger kognitive Beeinträchtigungen aufweisen und auch sehr langlebig sind.

MOTS-c ist ein weiteres kleines Peptid mit 16 aa, codiert mtDNA, wird aber ausschließlich in den zytosolischen Ribosomen synthetisiert, das auch vorteilhafte antioxidative und metabolische Wirkungen hat, da es die Insulinresistenz verringert und Fettleibigkeit verhindert. Auf der anderen Seite erhöht es die Resistenz gegen einige Infektionen und verringert die Knochenresorption, so dass es antiosteoporotische Wirkungen haben kann. Beide Hormone sind im Blut mittels ELISA messbar, wobei je nach verwendetem Test gewisse Unterschiede in ihren Plasmaspiegeln bestehen.

FGF21 ist ein gut charakterisiertes Hormon, das die Ketogenese und die Beta-Oxidation von Fettsäuren stimuliert. Seine Sekretion wird durch Fasten und Aktivierung der Rezeptoren PPAR-α reguliert, aber es ist auch bekannt, dass es in jeder Situation von mitochondrialem Stress ansteigt, der Mitochondrien-zu-Kern-Signale aktiviert. Das MIC1/GDF15 ist ein weiteres zirkulierendes Hormon, das den Hunger reduziert, indem es eine spezifische Rezeptorebene (GFRAL) aktiviert, die im Postrema-Bereich und im Kern des Solitärtrakts zu finden ist. Erhöhte GDF15-Spiegel wurden bei Krebskachexie und in vielen anderen Situationen, darunter COPD, gefunden. Es wird auch freigesetzt, wenn die Mitochondrien-zu-Kern-Signale aktiviert werden. Bei COPD gibt es von allen hier untersuchten Mitochinen nur Informationen zu GDF15-Blutspiegeln, aber keine Daten in der Literatur zu den Spiegeln der anderen Mitochine. Mit fortschreitender COPD steigen die Blutspiegel der Mitochondrien wahrscheinlich allmählich an, was eine weitere Verschlechterung der mitochondrialen Funktion ausdrückt, obwohl ihre Spiegel nur bis zu einem bestimmten Niveau ansteigen können, und dann sinken, wenn die mitochondrialen Schäden unerträglich sind, was eine Art mitohormetische Reaktion darstellt. HYPOTHESE Mitochine, die im Zusammenhang mit mitochondrialer Dysfunktion exprimiert werden, sind bei COPD-Patienten verändert und mit den schlimmsten klinischen Ergebnissen verbunden. Darüber hinaus können Mitochine als Prognosefaktoren und potenzielle therapeutische Ziele bei COPD verwendet werden. ZIELE

1. - Beschreibung der Mitochinspiegel in einer Kontrollgruppe, einer Gruppe von ambulanten Patienten mit stabiler COPD und einer Gruppe von Patienten mit COPD-Exazerbation.
2. - Zur Beschreibung von Unterschieden in Halbtonschritten in verschiedenen Gruppen von COPD-Patienten (unterschiedliche Obstruktionsgrade, Patienten mit hohem Exazerbationsrisiko vs. kein Exazerbationsrisiko, Patienten mit CAT-Score <10 vs. Rest der Patienten, Patienten mit niedrigem Fettfrei- Massenindex (FFMI) vs. Rest der Patienten).
3. -Um die Korrelation zwischen Halbtönen und verschiedenen klinischen Ergebnissen wie FFMI, Gehstrecke im 6-Minuten-Gehtest, FEV1, CAT-Score zu bewerten.
4. - Um zu bewerten, ob Mitochine verwendet werden können, um das zukünftige Risiko einer Exazerbation und Krankenhauseinweisung vorherzusagen.

METHODEN

Studienpopulation

Einschluss und Ausschluss Kriterien:

Stabile COPD-Patienten: werden aus pneumologischen Ambulanzen des Krankenhauses ausgewählt

Universitario Marques de Valdecilla. Patienten mit COPD müssen die folgenden Kriterien erfüllen:

40 Jahre oder älter mit forciertem Exspirationsvolumen nach Bronchodilatator zu Studienbeginn in 1 s [FEV1]/forcierte Vitalkapazität [FVC] ≤ 0,70.

Patienten mit COPD-Exazerbation: Wird aus Patienten ausgewählt, die im Hospital Universitario Marqués de Valdecilla mit der Diagnose einer COPD-Exazerbation aufgenommen wurden.

Kontrollgruppe: wird von Patienten ohne COPD oder anderen akuten oder chronischen Atemwegserkrankungen und Verwandten des Patienten erhalten.

Unter Annahme eines Alpha-Risikos von 0,05 und eines Beta-Risikos von 0,2 im zweiseitigen Test sind 30 Probanden in der ersten Gruppe und 90 in der zweiten Gruppe erforderlich, um einen statistisch signifikanten Anteilsunterschied von 0,45 in Gruppe 1 und 0,1 in Gruppe 2 zu finden • Erwartung einer Drop-out-Rate von 5 %. Die ARCSINUS-Näherung. Diese Berechnung wurde gemäß zuvor veröffentlichten Studien durchgeführt, die von unserer Gruppe durchgeführt wurden. Wir berechnen eine einfache Größe von 120 Patienten mit COPD, 30 Patienten mit COPD-Exazerbation und 30 Kontrollen.

Angestrebte Rekrutierung/Stichprobengröße 180 Erwartete Rekrutierungsrate 25 Patienten pro Monat Geschätzter Studienbeginn: Probennahme in Biobank ab 01.12.2019 Proben wurden am 01.03.2020 an das Biochemielabor gesendet Geschätztes Studienabschlussdatum: (Ende der Nachbeobachtung) 05.04.2021 Studiendesign und Methoden Beobachtende prospektive Studie. Die Patienten werden aus COPD-Ambulanzen, Raucherentwöhnungsambulanzen und von Patienten rekrutiert, die aufgrund einer COPD-Exazerbation ins Krankenhaus eingeliefert wurden. Alle Patienten erhalten eine schriftliche Einverständniserklärung zur Teilnahme. Diese Studie wurde bereits von der Ethikkommission von Kantabrien (CEIC) genehmigt.

Teilnehmer

1. Stabile COPD (40 Jahre oder älter mit forciertem Exspirationsvolumen nach Bronchodilatator zu Studienbeginn in 1 s [FEV1]/forcierte Vitalkapazität [FVC] ≤ 0,70) werden während ihrer regelmäßigen Nachsorge rekrutiert.
2. Kontrollgruppe: Probanden gleichen Alters und Geschlechts ohne vorherige Diagnose von COPD oder anderen Atemwegserkrankungen und mit postbronchodilatatorisch erzwungenem Exspirationsvolumen in 1 s [FEV1]/erzwungener Vitalkapazität [FVC] > 0,70.
3. Patienten mit COPD-Exazerbation: Patienten mit vorheriger COPD-Diagnose (40 Jahre oder älter mit forciertem Exspirationsvolumen nach Bronchodilatator zu Studienbeginn in 1 s [FEV1]/forcierte Vitalkapazität [FVC] ≤ 0,70), die aufgrund einer COPD-Exazerbation in die pulmonologische Abteilung des Krankenhauses eingewiesen wurden.

Der Charlson Comorbidity Index wird von allen Studienteilnehmern aufgezeichnet. Patienten mit akuten Exazerbationen 1 Monat vor der Studie, Patienten, die während der Studie oder 6 Monate vor der Einschlussphase in eine pulmonale Rehabilitation aufgenommen wurden, mit anderen möglichen Ursachen für Sarkopenie (bösartige Erkrankungen, Herzinsuffizienz, Hyperthyreose oder andere chronische verheerende Erkrankungen) und Patienten mit Bekannte chronische Nierenerkrankungen oder kürzlich aufgetretene akute Nierenverletzungen werden von der Studie ausgeschlossen. Blutproben und alle anderen Messungen werden am selben Tag durchgeführt, an dem die Patienten der Teilnahme an der Studie zustimmen.

Klinische Eigenschaften

Bei der Aufnahme in die Studie werden COPD-Patienten in verschiedene kategoriale Gruppen eingeteilt: (1) nicht symptomatische Patienten (COPD Assessment Test [CAT]-Score < 10) versus symptomatische Patienten (CAT-Score ≥ 10), (2) nicht dyspnoische Patienten (modifizierter Dyspnoe-Score des Medical Research Council [mMRC] < 2) im Vergleich zu Patienten mit Dyspnoe (mMRC ≥ 2), Patienten mit hohem Exazerbationsrisiko (Patienten mit 2 oder mehr Exazerbationen, die eine Behandlung mit Antibiotika oder systemischen Steroiden oder mindestens eine Krankenhauseinweisung in der Vergangenheit erforderten Jahr) im Vergleich zu Patienten mit niedrigem Exazerbationsrisiko und (4) ehemalige Raucher im Vergleich zu aktiven Rauchern. Nach Eintritt in die Studie werden Blutproben entnommen und die Patienten 1 Jahr lang nachbeobachtet (ein Besuch nach 6 Monaten und ein Besuch nach 12 Monaten) und Exazerbationen und Krankenhauseinweisungen werden prospektiv erfasst. Während der Nachbeobachtungszeit sind alle klinischen Prüfärzte der Studie gegenüber den Mitochin-Ergebnissen verblindet. Während dieses Zeitraums werden Patienten mit möglichen Lungenexazerbationen angewiesen, sich frei in die Notaufnahme des Krankenhauses zu begeben, und dieses Ärzteteam entscheidet frei, ob sie gemäß ihren eigenen klinischen Kriterien ins Krankenhaus eingeliefert werden oder nicht.

Gemäß den Mitochinspiegeln werden die Patienten in zwei Gruppen eingeteilt: eine besteht aus Patienten im höchsten Quartil der Mitochinspiegel und die andere Gruppe umfasst Patienten in den anderen drei Quartilen der Mitochinspiegel.

Messungen Die basale Dyspnoe wird anhand der mMRC-Dyspnoe-Skala aufgezeichnet. Der CAT-Score wird durch einen selbstverwalteten Fragebogen erfasst. Frühere Exazerbationen werden aus den klinischen Aufzeichnungen der in die Studie eingeschlossenen Patienten aufgezeichnet. Die Spirometrie wird in allen Fächern gemäß der American Thoracic Society/European Respiratory Society (ATS/ERS) gemessen.

Die Körperzusammensetzung wird durch ein bioelektrisches Impedanzgerät (OMROM BF511, Omrom, Japan) geschätzt, und der FFMI wird als Verhältnis des FFM zur Körpergröße in Metern zum Quadrat berechnet. Der 6-Minuten-Gehtest wird nach dem Protokoll der American Thoracic Society durchgeführt: Die Patienten wurden gebeten, in 6 Minuten in einem 30 m langen geraden Korridor ohne Unterbrechung so weit zu gehen, wie sie können. Am Ende des Tests werden die von den Patienten zurückgelegte Strecke und Atemnot aufgezeichnet. Humanin und MOTS-c werden durch ELISA (Mybiosource), FGF21 und GDF15 gemessen. Wird durch ELISA (Quantikine) gemessen. Wenn möglich wird Romo1 auch mittels ELISA gemessen. Die Studie wird in 3 Besuche unterteilt: BESUCH 1: Blutprobenentnahme und klinische Merkmale. BESUCH 2: 6 Monate nach Besuch 1: Exazerbationen und Krankenhauseinweisungen (Anzahl und Datum) nach Besuch 1. BESUCH 3: 12 Monate nach Besuch 1: Exazerbationen und Krankenhauseinweisungen (Anzahl und Datum) nach Besuch 2.

Studienendpunkte Primärer Endpunkt: Mitochine können zur Abschätzung des Risikos einer Krankenhauseinweisung bei COPD-Patienten verwendet werden.

Sekundäre Endpunkte:

1. -Mitochine können verwendet werden, um das Risiko einer COPD-Exazerbation bei COPD-Patienten abzuschätzen.
2. - Mitochine sind bei COPD-Patienten verändert.
3. - Mitochine sind bei COPD-Exazerbationen verändert.
4. - Mitochine korrelieren mit verschiedenen COPD-Variablen (FEV1, FFMI..).

Statistischer Plan oder Datenanalyse Die Daten werden als Mittelwert ± SD für normalverteilte Daten oder als Median (Interquartilbereich) für nichtparametrische Daten dargestellt. Unterschiede zwischen Gruppen werden unter Verwendung von ungepaarten t-Tests für parametrische Daten oder Mann-Whitney-Tests für nichtparametrische Daten analysiert.

Korrelationen zwischen Datensätzen wurden unter Verwendung des Pearson (r)-Korrelationskoeffizienten für parametrische Daten oder des Spearman-Rang (rs)-Korrelationskoeffizienten für nichtparametrische Daten untersucht. Die Normalverteilung wird mit einem Kolmogorov-Smirnov-Test getestet.

Kaplan-Meier-Schätzungen werden verwendet, um den Anteil der Teilnehmer zu berechnen, die eine Veranstaltung im Laufe der Zeit haben. Eine univariate und multivariate Analyse unter Verwendung der Cox-Proportional-Risikoanalyse wird unter Verwendung von SPSS Software Version 25.00 für PC durchgeführt, um die Entwicklung der ersten Ereignisse gemäß den Basalspiegeln von Mitochinen zu analysieren und Risikofaktoren im Zusammenhang mit Exazerbationen und Krankenhausaufenthalten zu identifizieren. Unterschiede werden als signifikant angesehen, wenn die p-Werte kleiner als 0,05 waren. Alle gemeldeten p-Werte sind zweiseitig.

Einschränkungen und ethische Erwägungen Dies ist eine monozentrische Studie, daher muss sie in multizentrischen Studien repliziert werden, wobei eine größere Anzahl von Patienten aus verschiedenen Ländern verwendet wird. Obwohl teuer und kompliziert, könnten einige Techniken wie Muskelbiopsie, Ergometrie, Quantifizierung der Muskelmasse mittels CT oder Shuttle-Test durchgeführt werden, um einen besseren Überblick über Muskelmasse und -funktion bei diesen Patienten zu erhalten.

Von dieser Studie wird kein potenzieller Schaden für Patienten erwartet. Diese Studie wurde von der kantabrischen Ethikkommission genehmigt (Code: 2018.276). Obwohl die Studie von der Firma GlaxoSmithKline (GSK) finanziert wird, handelt es sich um eine unabhängige Studie, und die Forscher erhalten keine finanzielle Vergütung.