Obniżenie stężeń ATP i fosfokreatyny w niewydolnym mięśniu

NIEDOBORY ENERGETYCZNE JAKO PRZYCZYNA NIEWYDOLNOŚCI SERCA
Obniżenie stężeń ATP i fosfokreatyny
w niewydolnym mięśniu sercowym
ATP a niewydolność serca
Teoria dotycząca zmian stężeń ATP w niewydolności
serca od dawna budziła kontrowersje. Obecnie,
w oparciu o badania biopsyjne tkanek serca, dysponujemy przekonującymi dowodami, że stężenie ATP obniża się w niewydolności serca o około 25-30%2,3. Co
ważniejsze, potwierdzają to ostatnie nieinwazyjne badania z zastosowaniem spektroskopii rezonansu magnetycznego z użyciem P31 4.
Wieloletnie badania na zwierzętach umożliwiły określenie, kiedy i dlaczego następuje spadek poziomu ATP
w miocytach. Podczas badań na modelach zwierzęcych
niewydolności serca (spowodowanej stymulacją elektryczną u psów)5 stwierdzono, że spadek stężenia ATP
ma charakter powolny, ale postępujący. Mogłoby to
tłumaczyć sprzeczne doniesienia w piśmiennictwie.
W modelu tym spadek stężenia ATP wynosił 0,35% jego całkowitego stężenia w ciągu dnia. Takie powolne
tempo spadku może wyjaśniać, dlaczego tak trudno go
wykryć, zanim mięsień sercowy zostanie poważnie
uszkodzony. Wniosek ten jest zgodny z wynikami badań skompensowanego i zdekompensowanego przerostu lewej komory (LVH) na innych modelach zwierzęcych6. Przykładem może być badanie skompensowanego przerostu lewej komory u szczurów ze zwężeniem
aorty, po zawale serca i u młodych szczurów z samoistnym nadciśnieniem. Nie stwierdzono w nim zmian stężenia ATP w mięśniu sercowym. Natomiast podczas
badań nad poważnie uszkodzonym mięśniem sercowym (np. u starych chomików z kardiomiopatią7 lub
z kardiomiopatią indukowaną furazolidonem u młodych indyków) obserwowano spadek stężenia ATP8.
Mechanizmy prowadzące do utraty ATP
Na rycinie 6.2 przedstawiono zmianę stężenia ATP
w zależności od czasu i w stosunku do całkowitej ilości
nukleotydów adeninowych (suma stężeń ATP, ADP
i AMP) na modelu zwierzęcym niewydolności serca
(w stymulowanych elektrycznie sercach psów)5. W tabeli 6.1, dotyczącej tego samego badania, porównano
poziom ADP i AMP w grupie kontrolnej i u zwierząt
z niewydolnością serca (łącznie puli związanego i wolnego ATP i ADP) oraz poziom aktywnych metabolicznie (wolnych ATP i ADP) wyliczony przy pomocy stosunku pomiędzy kinazą kreatynową a miokinazą (kinazą adenylanową).
Otrzymane wyniki pokazują, że niezależnie od metody stosowanej do określenia całkowitej puli nukleotydów, stężenia zarówno ADP, jak i AMP nie wzrastają
wraz ze spadkiem poziomu ATP w poważnie uszkodzonym mięśniu sercowym. Przeciwnie, stężenia te ulegają
obniżeniu. Powyższe obserwacje są zgodne z innymi badaniami na modelach zwierzęcych (wymienione powyżej badania chomików7 i indyków z niewydolnością
serca8). Istotne jest, że pomimo użycia do badań różnorodnych modeli niewydolnego serca stwierdzono, że
obniżenie poziomu ATP jest wywołane spadkiem całkowitego poziomu wszystkich nukleotydów adenino-
99
wych. Nukleozydy purynowe i zasady, takie jak inozyna, adenozyna i hipoksantyna, nie gromadzą się w niewydolnym mięśniu sercowym. Można więc wnioskować, że całkowita ilość puryn ulega zmniejszeniu.
Niewydolny mięsień sercowy jest (prawdopodobnie)
niepowtarzalnym przykładem dobrze utlenowanej
tkanki, wewnątrz której dochodzi do całkowitego rozprzężenia pomiędzy syntezą i rozpadem nośników
energii. Wynikiem tego rozprzężenia jest utrata puryn.
Do tej pory spadek poziomu puryn obserwowano tylko
w przypadku niedotlenienia lub niedokrwienia. Niejasne jest, czy utratę puryn powoduje spowolnienie ich
syntezy de novo (lub ich ilość jest niewystarczająca
do prawidłowego funkcjonowania zwiększonej masy
mięśniowej), czy przyspieszeniu ulegają reakcje przemiany nukleotydów adeninowych w rozpuszczalne nukleozydy purynowe i zasady.
Podsumowanie
Zawartość ATP w niewydolnym mięśniu sercowym
maleje powoli, ale stale do poziomu około 70-75%
normy. Zmniejszenie się całkowitej zawartości nukleotydów adeninowych odpowiada utracie ATP, a spadek ilości puryn odpowiada za zmniejszenie stężenia
ATP. Mimo że bezwzględne stężenia nukleotydów adeninowych ulegają obniżeniu, stosunek ATP/ADP,
ATP/AMP i ΔG~ATP pozostaje zbliżony do normy.
W nowo powstałym stanie równowagi zarówno synteza, jak i rozpad ATP są wolniejsze niż w komórkach
prawidłowo funkcjonującego mięśnia sercowego. Mechanizmy prowadzące do utraty puryn, znaczenie spadku stężenia ATP i czas, przez jaki mięsień sercowy może pracować w zmienionych warunkach, to zagadnienia
nadal niewyjaśnione.
Fosfokreatyna a niewydolność serca
Poziom kreatyny w prawidłowym mięśniu sercowym
zmienia się w trakcie dojrzewania i wraz ze zmianami
poziomu hormonów, natomiast poziom puryn pozostaje stały. Kreatyna, β-aminokwas, nie jest produkowana w mięśniu sercowym, ale transportowana do komórek wbrew gradientowi stężeń, na zasadzie transportu
ułatwionego. W miokardium około 2/3 kreatyny ulega
szybkiej fosforylacji za pomocą kinazy kreatynowej.
Powstaje wówczas chemicznie związana fosfokreatyna.
Mechanizm wiązania kreatyny nieufosforylowanej pozostaje niejasny. Po raz pierwszy stwierdzono, że poziom kreatyny może się obniżyć aż o 60% w badaniach
na modelach zwierzęcych (przy przeroście lewej komory i niewydolności serca). Zagadnienie to było ostatnio
ponownie analizowane6,9. Spadek całkowitej zawartości kreatyny potwierdzono w połowie lat 80. XX w.,
podczas badań bioptatów serc pacjentów ze stenozą
aortalną dużego stopnia10, i w latach 90. w czasie badań materiału pobranego od chorych z zaawansowaną
niewydolnością serca3.
Ponieważ ilość kinazy kreatynowej przekracza zapotrzebowanie nawet w niewydolnym mięśniu sercowym,
zmniejszenie poziomu kreatyny musi prowadzić
do spadku stężenia fosfokreatyny. Przeprowadzone
na początku lat 90. XX w.11-13 badania spektroskopii
rezonansu magnetycznego z użyciem izotopu P31 (P31
NMR) wykazały, że stosunek stężeń fosfokreatyny
100
MECHANIZMY POWSTAWANIA NIEWYDOLNOŚCI SERCA
50
40
35
30
25
Stymulacja
Częstość 250
35
30
25
Stymulacja
Częstość 250
210
(bpm)
20
–10
0
20
40
60
A
–10
80
Czas stymulacji (dni)
0
20
40
60
80
Czas stymulacji (dni)
B
180
40
Kreatyna (nmol/mg białka)
y = –0,64x + 6,7
r = –0,89
ATP (nmol/mg białka)
40
(bpm)
210
20
35
30
25
20
y = –1,06x + 146,5
r = –0,85
160
140
120
100
80
60
50
C
y = –0,15x + 41,6
r = –0,74
45
TAN (nmol/mg białka)
ATP (nmol/mg białka)
y = –0,12x + 33,9
r = –0,76
45
40
35
30
–10
25
TAN (nmol/mg białka)
D
0
20
40
60
80
Czas stymulacji (dni)
RYC. 6.2. Związki pomiędzy poziomem ATP (A) i całkowitą ilością wszystkich nukleotydów adeninowych w lewej komorze (TAN) (B) a czasem stymulacji; związek pomiędzy TAN w lewej komorze i ilością ATP w lewym przedsionku (C) oraz ilością kreatyny w lewej komorze a czasem stymulacji (D) u psów poddanych stałej stymulacji w ciągu 75 dni i w grupie kontrolnej5. Należy zauważyć, że częstotliwość stymulacji obniżano po 3-4 tygodniach. Badania przeprowadzano na wyciągach tkankowych z biopsji cienkoigłowej. Szybkość utraty kreatyny była około 10
razy większa od utraty ATP (porównaj nachylenie krzywej na ryc. D i A). Stężenie ATP przy zaawansowanej niewydolności serca (8-10 tygodni
stymulacji) było około 22% niższe niż w grupie kontrolnej.
do ATP jest obniżony w komórkach niewydolnego mięśnia sercowego w porównaniu ze zdrową tkanką. Potwierdziło to wcześniejsze przewidywania, które opierały się na obserwacji spadku całkowitego poziomu
kreatyny w komórkach. Od tego czasu przeprowadzono wiele badań przy użyciu spektroskopii P31 NMR.
Dotyczyły one chorych z przerostem lewej komory
i kardiomiopatią, wywołanymi przez różne czynniki
hemodynamiczne i genetyczne14. Wszystkie badania
wykazały spadek stosunku stężenia fosfokreatyny
do stężenia ATP. Wiemy obecnie, że stężenie ATP obniża się w komórkach niewydolnego mięśnia sercowego. Niedoceniany jest natomiast spadek stężenia fosfokreatyny, obrazowany poprzez obniżenie stosunku stężeń fosfokreatyny i ATP. Stosunek tych stężeń (tj. fosfokreatyny do ATP) stanowi ważny czynnik rokowniczy w kardiomiopatii rozstrzeniowej15.
Dotyczy to także chorych w okresie bezobjawowym16.
Obniżenie poziomu kreatyny nie może być markerem
niewydolności serca (odwrotnie niż spadek poziomu
ATP). Stwierdzono bowiem, że stosunek stężeń fosfokreatyny do ATP i stężenie fosfokreatyny obniża się nie
tylko w niewydolności serca, ale także w skompensowanym przeroście lewej komory. Natomiast spadek poziomu kreatyny i fosfokreatyny odzwierciedla zaburzenia, jakie występują na szlakach metabolicznych związanych z przemianami ATP.
Mechanizmy wyjaśniające spadek poziomu kreatyny
i fosfokreatyny
Badania na modelach zwierzęcych pozwoliły stwierdzić, jak zmienia się poziom kreatyny i fosfokreatyny
w tkankach niewydolnego serca; umożliwiły także
określenie, jakie mechanizmy biorą udział w utracie
kreatyny przez komórkę i jak ten proces przebiega
w czasie. Jak wykazano na modelach zwierzęcych (zarówno małych17, jak i dużych5 zwierząt), w niewydolności serca spadek poziomu kreatyny jest specyficzny
dla komórek miokardium, ponieważ poziom kreatyny
w mięśniach szkieletowych nie ulega zmianie. Spadek
ilości kreatyny w niewydolnym sercu nie jest równoznaczny z zespołem niedoboru kreatyny, w przypadku
którego zaburzona jest jej synteza.
Przypuszczenie, że spadek poziomu kreatyny może
występować we wczesnej fazie przerostu lewej komory
i niewydolności serca opierało się na danych uzyskanych podczas badań (późne lata 70. i 80. XX w.) psów,
szczurów i królików z przeciążeniem objętościowym
i ciśnieniowym układu krążenia9. W późniejszym czasie
potwierdzono je podczas długotrwałych obserwacji psów5
z niewydolnością serca wywołaną stymulacją i chomików z kardiomiopatią17. Utrata kreatyny rozpoczyna się
we wczesnym okresie, kiedy dochodzi do przerostu serca, przed wystąpieniem jego niewydolności.
NIEDOBORY ENERGETYCZNE JAKO PRZYCZYNA NIEWYDOLNOŚCI SERCA
TABELA 6.1. Ilość ATP, ADP i AMP (nmol/mg)
w grupie kontrolnej i u psów z niewydolnością serca
po stymulacji5
ATP
ADP
Wolny + związane
Wolny
AMP
Wolny + związane
Wolny
ATP/wolny ADP
ATP/wolny AMP, x 10−3
Grupa kontrolna
Grupa z niewydolnością
serca
34
27
6,9
0,22
5,2
0,17
1,4
0,0014
157
23,4
1,0
0,0012
158
23,3
Ważne jest, że prędkość utraty kreatyny jest o rząd
wielkości szybsza niż prędkość utraty puryn (ryc.
6.2.D)5.
Przynajmniej trzy mechanizmy mogą wyjaśniać spadek ilości fosfokreatyny w niewydolnym mięśniu sercowym:
• Spadek stężenia fosfokreatyny jest wynikiem jej zużycia w celu osiągnięcia normalnego stężenia ATP;
prawdopodobnie stężenie fosfokreatyny obniża się,
zanim zmniejszy się całkowita ilość kreatyny.
• Spadek stężenia fosfokreatyny jest wywołany zmniejszeniem się całkowitej zawartości kreatyny z powodu
sprzężenia zwrotnego pomiędzy licznymi przenośnikami kreatyny. Przenośniki te są utlenowane w zależności od ilości kreatyny pozakomórkowej; zmniejszenie się liczby przenośników kreatyny zmniejsza prędkość przenoszenia kreatyny i w związku z tym jej gromadzenie w miocycie. Mechanizm ten obserwowano
w sercach szczurów po zawale serca i materiałach
uzyskanych z biopsji mięśnia sercowego chorych
z niewydolnością serca klasy IV według NYHA18.
• Trzeci mechanizm związany jest z frakcją kreatyny,
która ulega fosforylacji. Zaobserwowano, że ilość
ufosforylowanej kreatyny ulega zmniejszeniu w sercach transgenicznych myszy, u których gen mitochondrialnego izoenzymu kinazy kreatynowej w sarkomerach (sMtCK) został usunięty19. Ponieważ aktywność tego izoenzymu jest niższa przy przeroście
lewej komory i ciężkiej niewydolności serca20, spadek
aktywności sMtCK może odpowiadać za obniżenie
stężenia fosfokreatyny.
Synchronizacja w czasie tych procesów i mechanizmy
ekspresji genów dla przenośników kreatyny i sMtCK są
albo regulowane na zasadzie sprzężenia zwrotnego, albo nie wystarczają, aby uzupełnić niedobory powstające
przy przyroście masy miocytów. Nie zostało to w pełni
wyjaśnione. Jednym z regulatorów jest TNF-α21, cytokina, której poziom wzrasta u połowy pacjentów z niewydolnością serca.
Podsumowanie
Stężenie kreatyny i fosfokreatyny obniża się w przeroście lewej komory i niewydolności serca; obniżenie stężenia fosfokreatyny prawdopodobnie poprzedza
zmniejszenie poziomu kreatyny. Utrata kreatyny jest
specyficzna dla mięśnia sercowego, pojawia się zarów-
101
no w przeroście lewej komory, jak i niewydolności serca, i jest prawie o rząd wielkości szybsza od utraty puryn. Mechanizmy odpowiadające za spadek stężenia
fosfokreatyny to zmniejszenie ilości przenośników kreatyny i zmiany ekspresji sMtCK, prowadzące do obniżenia stosunku stężenia fosfokreatyny do całkowitego
stężenia kreatyny.
Niedostateczna synteza ATP
w niewydolnym mięśniu sercowym
Miocyt to niezwykła „maszyna (centrum metaboliczne)
metaboliczna”, zaprojektowana tak, aby zapobiegać
zmianom stężenia ATP, a także utrzymać chemiczny
napęd dla reakcji rozpadu ATP, niezależnie od rzeczywistego poziomu tego rozpadu w danej chwili. W prawidłowych komórkach mięśnia sercowego produkcja
ATP na drodze fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach jest wystarczająca, aby zapewnić energię chemiczną, pomimo zmian w zapotrzebowaniu na nią
w cyklu pracy serca. Produkcja ATP na drodze glikolizy prowadzi do powstawania jedynie niewielkich ilości
tego związku. Na przykład synteza ATP na drodze fosforylacji oksydacyjnej w mięśniu sercowym u małych
ssaków (szczurów) w warunkach umiarkowanego obciążenia wynosi około 0,5-1 mmol/s, natomiast produkcja poprzez glikolizę – tylko około 0,03 mmol/s.
Mimo to, niezależnie od ogromnych możliwości syntezy ATP ze związków organicznych i alternatywnych
systemów pozyskiwania energii, w niewydolnym sercu
zużycie ATP przewyższa jego wytwarzanie. Spada
wówczas stężenie ATP. Jak to możliwe?
W zależności od warunków panujących w miocytach, przeważają szlaki metaboliczne syntezy lub rozpadu ATP. Nasilenie poszczególnych reakcji ulega gwałtownym modyfikacjom, np. w odpowiedzi na zmianę
wypełnienia łożyska naczyniowego lub bodźce hormonalne i neurohumoralne (poprzez dostępność substratów i inhibitorów oraz chemiczne modyfikacje białek
regulujących).
Podczas nagłego wzrostu obciążenia serca ilość ATP
produkowanego w procesach glikolizy, w przyspieszonych reakcjach z udziałem fosfotransferazy, i zwiększona produkcja ATP w mitochondriach równoważy rozpad tego związku. Nasilenie glikolizy i reakcji z udziałem fosfotransferazy nie są wywołane ograniczeniem
dostępu tlenu ani spadkiem zdolności mitochondriów
do produkcji ATP. Oba szlaki metaboliczne są przeznaczone do natychmiastowego przetwarzania substratów,
takich jak glikogen, aby spowodować wyrzut glukozy
i zapewnić ilość fosfokreatyny niezbędną do zwiększonej syntezy ATP. W ten sposób osiągany jest wzrost stężenia ATP, co umożliwia reakcje z jego (ATP) udziałem.
Podczas przewlekłego obciążenia serca i wzrostu zapotrzebowania na energię chemiczną, jak to ma miejsce
w niewydolności serca, równowaga pomiędzy procesami syntezy i rozpadu ATP ulega zakłóceniu. Mechanizm wyjaśniający spadek stężenia ATP pomimo zwiększonego zapotrzebowania miocytów na tlen (MVo
o 2)
i glikolizy przedstawiono szczegółowo poniżej.
Szlaki metaboliczne syntezy i rozpadu ATP mogą
również podlegać różnym procesom zwanym remode-