Funzione mitocondriale del cuore in ed ex vivo (31P)

Le malattie cardiovascolari rimangono la principale causa di morte nel diabete di tipo 2. La maggior parte di questo è attribuita all'aterosclerosi e alla pressione sanguigna elevata, sebbene anche se corretti per questi fattori, i pazienti con diabete di tipo 2 sono ancora a maggior rischio di sviluppare insufficienza cardiaca, principalmente a causa della disfunzione diastolica. Questo fenomeno è stato anche descritto come cardiomiopatia diabetica. Sebbene non si sappia molto sull'eziologia di questa malattia, ci sono prove convincenti dalla ricerca sugli animali che un aumento dell'accumulo di grasso cardiaco intracellulare e della disfunzione mitocondriale, come si vede nel diabete di tipo 2, possono svolgere un ruolo in questo sviluppo.

La ragione di una ridotta funzione mitocondriale nella cardiomiopatia diabetica non è completamente compresa, tuttavia la via di regolazione genica del recettore alfa attivato dal proliferatore del perossisoma (PPAR-α) è stata identificata come un importante determinante dello spostamento del metabolismo del substrato e della regolazione del metabolismo ossidativo nel diabete di tipo 2. Negli studi sugli animali, il ruolo del PPARα è stato ampiamente testato. Nei topi con sovraespressione cardiaca ristretta di PPARα (MHC-PPAR), è stato riscontrato che PPAR-α è coinvolto nella sovraregolazione di CPT-1 nei mitocondri, che aumenta l'assorbimento di acidi grassi a catena lunga nei mitocondri e facilita il grasso acidi a subire la beta-ossidazione. L'esposizione cronica a FFA elevati regola verso il basso il PPAR-α nei cardiomiociti dei roditori, il che ridurrebbe ulteriormente la funzione cardiaca mediante l'inibizione dell'ossidazione degli FA e l'aumento dell'accumulo di grasso intracellulare. Si ipotizza quindi che l'aumento della disponibilità di acidi grassi nel diabete di tipo 2 e nell'obesità (dovuto all'eccessiva massa grassa) porti a una diminuzione del metabolismo PPAR-α cardiaco e quindi a una diminuzione del metabolismo mitocondriale, che a sua volta è accompagnato da un aumento accumulo di grasso cardiaco e lipotossicità cardiaca.

Finora, gli studi umani sull'espressione di PPAR nel cuore sono scarsi. Marfella et al. trovato espressione inalterata di PPAR-α in pazienti con sindrome metabolica. Al contrario, Anderson et al., Hanno mostrato un livello di proteina PPAR-α leggermente ridotto e un livello di PGC1α leggermente più alto nel tessuto atriale diabetico, sebbene queste differenze non abbiano raggiunto la significatività statistica in questa coorte di pazienti. Poiché questo studio è stato condotto su un piccolo gruppo di soggetti e non è riuscito a determinare gli obiettivi a valle del metabolismo PPAR o della funzione mitocondriale, non è chiaro se, come negli studi sugli animali, anche negli esseri umani una ridotta espressione di PPAR-a sia correlata alla disfunzione mitocondriale . Pertanto sono necessari studi che esplorino il ruolo del PPAR-a nel cuore umano e le connessioni con il metabolismo ossidativo e la funzione cardiaca. I topi privi della lipasi cardiaca ATGL (ATGL-/- mouse) erano in realtà dovuti a una riduzione del metabolismo del PPAR e la cardiomiopatia in questi topi poteva essere completamente prevenuta trattando questi animali con ligandi sintetici del PPAR-a. Molto interessante, i pazienti con una mutazione nello stesso gene ATGL sono anche caratterizzati da eccessivo accumulo di grasso cardiaco e muscolare e ridotta funzione mitocondriale. Il trattamento di due pazienti con tali mutazioni (che è una mutazione molto rara) con un PPAR-agonista (bezafibrato) ha comportato un miglioramento della funzione mitocondriale e una riduzione dell'accumulo di lipidi muscolari e cardiaci. Questi dati supportano l'idea che un metabolismo PPAR disturbato possa essere coinvolto nello sviluppo della cardiomiopatia, anche nell'uomo. Tuttavia, sfortunatamente, ci sono dati limitati sull'espressione di PPAR nel cuore diabetico umano in fallimento. Pertanto c'è bisogno di studi che convalidino questi meccanismi negli esseri umani, poiché questi risultati potrebbero avere grandi conseguenze; la prevenzione e il trattamento dell'accumulo di lipidi cardiaci con farmaci che migliorano la funzione mitocondriale, come i PPAR-agonisti, potrebbero essere utili per i pazienti con diabete di tipo 2. Anche in altre malattie cardiache, come l'insufficienza cardiaca cronica e la cardiopatia ischemica, è stato suggerito che l'accumulo di grasso e la disfunzione mitocondriale possano svolgere un ruolo, il che significa che anche questi pazienti potrebbero trarre beneficio dal trattamento con farmaci che mirano alla funzione mitocondriale.

Sebbene vi siano prove convincenti che la funzione mitocondriale svolga un ruolo importante nel metabolismo cardiaco, la misurazione della funzione mitocondriale cardiaca in modo non invasivo in vivo rimane una sfida. La funzione mitocondriale in vivo può essere stimata in modo non invasivo con la spettroscopia di risonanza magnetica 31P (31P-MRS), per cui viene misurato il rapporto fosfocreatina (PCr) rispetto all'adenosina trifosfato (ATP) (rapporto PCr/ATP). Diversi studi hanno dimostrato che questo rapporto è ridotto nei pazienti con diabete di tipo 2 e che un basso rapporto PCr/ATP è predittivo di mortalità nei pazienti con insufficienza cardiaca15-17. Nel muscolo scheletrico è stato dimostrato che la risintesi di PCr è fortemente correlata alla capacità ossidativa mitocondriale18. Tuttavia, se questo metodo nel cuore riflette veramente la funzione mitocondriale negli esseri umani non è stato rivelato.

In 31P-MRS viene utilizzato un metodo di misurazione bidimensionale, in cui sono pianificate più fette sul cuore. Una fetta è prevista direttamente alla base del cuore nel piano appena sotto le valvole e contiene sia tessuto ventricolare che settale di entrambe le camere. Qui verrà derivato il segnale per l'acquisizione dello spettro. Questo metodo può essere convalidato rispetto allo standard aureo per la funzione mitocondriale: respirometria ex vivo del tessuto cardiaco19. Pertanto, i tassi di respirazione mitocondriale vengono misurati negli omogenati tissutali sotto l'esposizione di diversi substrati, stimolando diversi complessi della catena di trasporto degli elettroni dei mitocondri. Un problema è che la respirazione mitocondriale può differire tra tessuto atriale e ventricolare. Tuttavia, nonostante le differenze nelle frequenze respiratorie assolute, è stato dimostrato che il comportamento dei diversi complessi e le frequenze respiratorie relative (tra i complessi) sono fortemente correlati19. Poiché è relativamente facile ottenere tessuto cardiaco dell'appendice atriale durante l'intervento chirurgico, i ricercatori propongono di utilizzare il tessuto atriale ottenuto durante l'intervento chirurgico per convalidare 31P-MRS come strumento per determinare la funzione mitocondriale. I ricercatori utilizzeranno un'ampia gamma di pazienti per garantire una gamma di funzioni mitocondriali cardiache e per esaminare se la funzione mitocondriale cardiaca è effettivamente ridotta nei pazienti diabetici di tipo 2.

Tuttavia, poiché il 31P-MRS è ancora una tecnica in fase di sviluppo e la distanza dalla bobina del ricevitore è cruciale per ottenere spettri di buona qualità, i ricercatori intendono includere solo gli uomini in questo momento (poiché l'aumento della massa mammaria nelle donne può ridurre il segnale a rapporti di rumore e quindi qualità spettrale per l'analisi). Pertanto, la convalida di questo metodo si applicherà solo alla popolazione maschile in questo studio.