In i ex vivo Mitochondrialna funkcja serca (31P)

Choroby układu krążenia pozostają główną przyczyną zgonów w cukrzycy typu 2. Większość z nich przypisuje się miażdżycy tętnic i podwyższonemu ciśnieniu krwi, chociaż nawet po skorygowaniu tych czynników pacjenci z cukrzycą typu 2 nadal są narażeni na zwiększone ryzyko rozwoju niewydolności serca, głównie z powodu dysfunkcji rozkurczowej. Zjawisko to zostało również opisane jako kardiomiopatia cukrzycowa. Chociaż niewiele wiadomo na temat etiologii tej choroby, istnieją przekonujące dowody z badań na zwierzętach, że zwiększone gromadzenie się wewnątrzkomórkowego tłuszczu w sercu i dysfunkcja mitochondriów, jak widać w cukrzycy typu 2, mogą odgrywać rolę w tym rozwoju.

Przyczyna zmniejszonej funkcji mitochondriów w kardiomiopatii cukrzycowej nie jest w pełni zrozumiała, jednak szlak regulacji genu receptora alfa aktywowanego przez proliferatory peroksysomów (PPAR-α) został zidentyfikowany jako ważny wyznacznik zmiany metabolizmu substratów i regulacji metabolizmu oksydacyjnego w cukrzycy typu 2. W badaniach na zwierzętach rola PPARα została szeroko przetestowana. U myszy z ograniczoną sercowo nadekspresją PPARα (MHC-PPAR) stwierdzono, że PPAR-α bierze udział w regulacji w górę CPT-1 w mitochondriach, co zwiększa wychwyt długołańcuchowych kwasów tłuszczowych do mitochondriów i ułatwia kwasy ulegające beta-oksydacji. Przewlekła ekspozycja na podwyższone FFA obniża poziom PPAR-α w kardiomiocytach gryzoni, co dodatkowo pogarsza czynność serca poprzez hamowanie utleniania FA i zwiększoną akumulację tłuszczu wewnątrzkomórkowego. Spekuluje się zatem, że wzrost dostępności kwasów tłuszczowych w cukrzycy typu 2 i otyłości (spowodowanej nadmierną masą tkanki tłuszczowej) prowadzi do zmniejszenia metabolizmu PPAR-α w sercu, a tym samym do zmniejszenia metabolizmu mitochondrialnego, czemu z kolei towarzyszy zwiększona gromadzenie się tłuszczu w sercu i lipotoksyczność serca.

Jak dotąd niewiele jest badań na ludziach dotyczących ekspresji PPAR w sercu. Marfella i in. stwierdzili niezmienioną ekspresję PPAR-α u pacjentów z zespołem metabolicznym. I odwrotnie, Anderson i wsp. wykazali nieznacznie obniżony poziom białka PPAR-α i nieco wyższy poziom PGC1α w tkance przedsionków cukrzyków, chociaż różnice te nie osiągnęły istotności statystycznej w tej kohorcie pacjentów. Ponieważ badanie to przeprowadzono na małej grupie pacjentów i nie udało się określić dalszych celów metabolizmu PPAR ani funkcji mitochondriów, pozostaje niejasne, czy podobnie jak w badaniach na zwierzętach, również u ludzi, zmniejszona ekspresja PPAR-α jest związana z dysfunkcją mitochondriów . Dlatego istnieje potrzeba badań nad rolą PPAR-α w ludzkim sercu i powiązaniami z metabolizmem oksydacyjnym i funkcją serca. Myszy pozbawione lipazy sercowej ATGL (myszy ATGL-/-) były w rzeczywistości spowodowane zmniejszeniem metabolizmu PPAR, a kardiomiopatii u tych myszy można było całkowicie zapobiec przez traktowanie tych zwierząt syntetycznymi ligandami PPAR-a. Co bardzo ciekawe, pacjenci z mutacją w tym samym genie ATGL charakteryzują się również nadmierną akumulacją tkanki tłuszczowej w sercu i mięśniach oraz obniżoną funkcją mitochondriów. Leczenie dwóch pacjentów z takimi mutacjami (co jest bardzo rzadką mutacją) agonistą PPAR (bezafibratem) skutkowało poprawą funkcji mitochondriów i zmniejszeniem akumulacji lipidów w mięśniach i sercu. Dane te potwierdzają tezę, że zaburzony metabolizm PPAR może być zaangażowany w rozwój kardiomiopatii, także u ludzi. Jednakże, niestety, istnieją ograniczone dane dotyczące ekspresji PPAR w niewydolnym ludzkim sercu z cukrzycą. Dlatego potrzebne są badania potwierdzające te mechanizmy u ludzi, ponieważ odkrycia te mogą mieć ogromne konsekwencje; zapobieganie i leczenie akumulacji lipidów w sercu za pomocą leków poprawiających czynność mitochondriów, takich jak agoniści PPAR, może być wartościowe dla pacjentów z cukrzycą typu 2. Również w innych chorobach serca, takich jak przewlekła niewydolność serca i choroba niedokrwienna serca, sugerowano, że gromadzenie się tłuszczu i dysfunkcja mitochondriów mogą odgrywać pewną rolę, co oznacza, że ​​ci pacjenci mogą odnieść korzyści z leczenia lekami ukierunkowanymi na czynność mitochondriów.

Chociaż istnieją przekonujące dowody na to, że funkcja mitochondriów odgrywa ważną rolę w metabolizmie serca, nieinwazyjny pomiar funkcji mitochondriów serca in vivo pozostaje wyzwaniem. Funkcję mitochondriów in vivo można oszacować nieinwazyjnie za pomocą spektroskopii rezonansu magnetycznego 31P (31P-MRS), za pomocą której mierzy się stosunek fosfokreatyny (PCr) do trifosforanu adenozyny (ATP) (stosunek PCr/ATP). W kilku badaniach wykazano, że stosunek ten jest zmniejszony u pacjentów z cukrzycą typu 2 oraz że niski stosunek PCr/ATP pozwala przewidzieć śmiertelność u pacjentów z niewydolnością serca15-17. W mięśniach szkieletowych wykazano, że resynteza PCr silnie koreluje z zdolnością oksydacyjną mitochondriów18. Jednak nie ujawniono, czy ta metoda w sercu naprawdę odzwierciedla funkcję mitochondriów u ludzi.

W 31P-MRS stosowana jest dwuwymiarowa metoda pomiaru, w której na sercu planowanych jest wiele przekrojów. Jeden przekrój jest planowany bezpośrednio u podstawy serca w płaszczyźnie tuż pod zastawkami i zawiera tkankę zarówno komorową, jak i przegrody obu komór. Tutaj zostanie wyprowadzony sygnał do akwizycji widma. Metodę tę można zweryfikować w odniesieniu do złotego standardu funkcji mitochondriów: respirometrii ex vivo tkanki serca19. Zatem tempo oddychania mitochondriów jest mierzone w homogenatach tkanek pod wpływem różnych substratów, stymulujących różne kompleksy łańcucha transportu elektronów w mitochondriach. Jednym z problemów jest to, że oddychanie mitochondrialne może różnić się między tkanką przedsionkową i komorową. Jednak pomimo różnic w bezwzględnych częstości oddechów wykazano, że zachowanie różnych kompleksów i względnych częstości oddechów (między kompleksami) jest bardzo silnie powiązane19. Ponieważ stosunkowo łatwo jest uzyskać tkankę uszka przedsionka podczas operacji, badacze proponują wykorzystanie tkanki przedsionka uzyskanej podczas operacji do walidacji 31P-MRS jako narzędzia do określania funkcji mitochondriów. Badacze wykorzystają szeroką gamę pacjentów, aby zagwarantować zakres funkcji mitochondriów serca i zbadać, czy funkcja mitochondriów serca jest rzeczywiście zmniejszona u pacjentów z cukrzycą typu 2.

Jednakże, ponieważ 31P-MRS jest wciąż techniką w fazie rozwoju, a odległość od cewki odbiornika ma kluczowe znaczenie dla uzyskania widma dobrej jakości, badacze zamierzają w tym czasie włączyć tylko mężczyzn (ponieważ zwiększona masa piersi u kobiet może zmniejszyć sygnał do współczynniki szumów, a tym samym jakość widmowa do analizy). Dlatego walidacja tej metody będzie miała zastosowanie tylko do populacji mężczyzn w tym badaniu.