Niektoré aspekty energetického metabolizmu
myokardu. 2. časť. Ischemický myokard Z Ústavu lekárskej chémie, biochémie a klinickej
biochémie Lekárskej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave a z Katedry
klinickej biochémie Slovenskej postgraduálnej akadémie medicíny v Bratislave* RENDEKOVÁ V, PECHÁŇ I. Niektoré aspekty energetického metabolizmu
myokardu. 2. časť. Ischemický myokard. Cardiol 1999;8(6):320–324 RENDEKOVÁ V, PECHÁŇ I. Some aspects of myocardial energy metabolism.
Part 2. Ischemic myocardium. Cardiol 1999;8(6):320–324 Jedným z najčastejších patologických postihnutí srdcového svalu je jeho ischemizácia, ktorá – podľa svojej intenzity – viac alebo menej výrazne zasahuje do jeho metabolizmu a funkcie. Napriek tomu, že ischémia srdca je veľmi častým objektom štúdia na mnohých zvieracích modeloch aj v klinickej medicíne, stále sa iba konštatuje, že jej patogenetické mechanizmy sú zložité a ich značná časť zostáva stále v rovine predpokladov a hypotéz. Exaktné spoznanie týchto mechanizmov však nie je dôležité iba pre samotný ischemický myokard, ale i pre poischemické funkčné poruchy, ktoré sa označujú termínom „omráčený“ (stunned) myokard. Tento termín nepatrí už iba do oblasti zvieracích modelov, ale čoraz viac preniká i do klinickej praxe. Pred štyrmi rokmi jedna z najväčších autorít v oblasti štúdia ischémie myokardu, David J. Hearse (1), požiadal viac ako tridsať skúsených teoretikov a klinikov-kardiológov z celého sveta o čo najstručnejšiu a pritom najvýstižnejšiu definíciu ischémie myokardu, ktorá by prekonala i hranicu medzi oboma storočiami. Najstručnejšia zaregistrovaná definícia mala iba tri slová, najvyčerpávajúcejšia až 404 slov. Pritom ani jedna z nich nedokázala definovať srdcovú ischémiu tak, aby vystihla to najpodstatnejšie, aby dostatočne zvýraznila najdôležitejšie patogenetické charakteristiky tejto morfologicky už dobre definovanej patologickej jednotky. Je charakteristické, že medzi Hearsom uvádzanými definíciami súčasných hlavných osobnosti srdcovej biochémie a fyziológie, ako aj kliniky sa stále uplatňuje i základná definícia Rudolfa Virchowa, vyslovená pred 140 rokmi, citovaná Hearsom, podľa ktorej termín ischémia vyjadruje následky obmedzeného prietoku krvi tkanivami. Napriek evidentným problémom pri exaktnej definícii ischémie možno vychádzať z dvoch charakteristických rysov – zníženie alebo úplné zamedzenie dodávky kyslíka tkanivám a väčšia či menšia akumulácia odpadových metabolitov v závislosti od rozsahu uzavretia zásobujúcich ciev (2). Nedostatočné zásobovanie tkaniva kyslíkom sa rýchlo prejaví presunom metabolizmu na anaeróbne podmienky, ktorých dôsledkom je hromadenie protónov (iónov vodíka), laktátu a anorganického fosfátu v kardiomyocytoch, čo funkčne sprevádza kontraktilná hypo- až akinéza srdca. Rýchlosť týchto metabolických a funkčných zmien závisí od stupňa ischemizácie srdcového svalu: pri globálnej ischémii nastáva prechod metabolizmu z aeróbneho na anaeróbny v časovom limite už niekoľkých sekúnd (3). Na rozdiel od globálnej ischémie, mierna ischémia vyvolaná obmedzením prietoku krvi koronárnymi artériami o 20 až 60 %, spôsobuje pri zníženej dodávke kyslíka (o 10 až 50 %) prechodnú závislosť myokardu od anaeróbnej glykolýzy, čo vyvoláva znižovanie zásob glykogénu, zvýšenú tvorbu laktátu a znižovanie oxidácie karboxylových kyselín, ako aj určitý stupeň kontraktilnej dysfunkcie myokardu (4). Mierna a stredne ťažká ischémia myokarduVplyv parciálnej ischémie na metabolizmus myokardu sa intenzívne študoval na viacerých druhoch pokusných zvierat. Zníženie prietoku krvi koronárnymi artériami do 30 % zapríčiňuje rýchly pokles kontraktility myokardu, ktorá je dôsledkom najmä zníženia tvorby a zásob energeticky bohatých zlúčenín – ATP a fosfokreatínu prechodom na anaeróbnu glykolýzu. Toto sa spája s prechodným uvoľňovaním laktátu z kardiomyocytov a čiastočným znížením podielu oxidácie viacuhlíkových karboxylových kyselín na získavaní energie. Pozoruhodné je, že oxidácia viacuhlíkových karboxylových kyselín zostáva naďalej hlavným energetickým zdrojom (5, 6). Po 30 – 90-minútovej miernej ischémii sa znižuje vyplavovanie laktátu z tkaniva a čiastočne sa obnovujú zásoby ATP a kreatínfosfátu. Kontraktilita myokardu zostáva však naďalej znížená (7, 8). Prehlbovanie ischémie ďalším znižovaním prietoku krvi koronárnymi artériami postupne zvyšuje podiel glukózy a glykogénu na tvorbe energetických zdrojov myokardu. Vyvoláva to predovšetkým ďalšie znižovanie ponuky kyslíka bezpodmienečne potrebného pre ß-oxidáciu karboxylových kyselín v mitochondriách. Toto presmerovanie metabolických ciest pri získavaní energie kardiomyocytom sa reguluje viacerými mechanizmami (obrázok 1): · nižšia koncentrácia acetyl-CoA vytváraného oxidáciou karboxylových kyselín, ako aj zvyšovanie množstiev NADH2, ktorý sa vzhľadom na klesajúcu ponuku kyslíka nedokáže v potrebnom rozsahu oxidovať v mitochondriálnom dýchacom reťazci na NAD+, vedie k spomaleniu reakcií citrátového cyklu a tým i k zníženiu koncentrácie citrátu, čím sa oslabí jeho inhibičné pôsobenie na fosfofruktokinázu,· klesajúca kapacita procesov oxidačnej fosforylácie spôsobuje pokles intramitochondriálnej tvorby ATP a hromadenie produktov jeho štiepenia – adenozíndifosfátu a anorganického fosfátu. Tieto metabolity – na rozdiel od ATP – aktivujú fosfofruktokinázu (9),· hromadiaci sa NADH2 je aktivátorom špecifickej proteínkinázy, ktorá katalyzuje fosforyláciu pyruvátdehydrogenázy, čím dochádza k jej inaktivácii (10),V ischemizovanom myokarde tieto regulačné mechanizmy otvárajú cestu procesu anaeróbnej glykolýzy, ktorá zabezpečuje tvorbu minimálneho množstva molekúl ATP substrátovou fosforyláciou. Ide o tzv. glykolytické ATP, ktoré je určené predovšetkým, na udržanie základných funkcií bunkových membrán počas výraznej ischémie (2) – ich elektrogenézu, otváranie sodíkových a od ATP závislých draslíkových kanálov a ich ďalších funkcií. Predpokladom pre anaeróbnu glykolýzu je dostatočné množstvo potrebných substrátov – glukózy a zásobného glykogénu. Hoci parciálna ischémia myokardu znižuje ponuku glukózy a jej hladinu v extracelulárnom priestore (11), jej vychytávanie myocytmi sa podstatne zvyšuje (12). Tento paradox sa podarilo vysvetliť Youngovi a spolupracovníkom (13): v srdci psa, vystaveného ischémii v dôsledku zníženého prietoku krvi koronárnymi artériami, dochádzalo k výraznej translokácii glukózových prenášačov (GLUT-1 a GLUT-4) z intracelulárneho prostredia do sarkolemálnej membrány. Znamená to vlastne kompenzačný mechanizmus reagujúci na nedostatočnú ponuku glukózy z extracelulárneho prostredia. Rovnaký efekt na presun glukózových transportérov zo sarkoplazmového retikula do sarkolemálnej membrány má inzulín (14, 15). Inzulín okrem toho priamo zasahuje i do vlastného metabolizmu glukózy: aktivuje a uvoľňuje enzým hexokinázu z vonkajšej mitochondriovej membrány, čím podporuje fosforyláciu glukózy a tým i tvorbu jej aktívnej formy glukóza-6-fosfátu (16), zasahuje aj do procesov syntézy (aktivuje glykogénsyntázu) a uskladnenia glykogénu (17). Možno teda povedať, že prienik glukózy do bunky a jej ďalší osud sa reguluje na viacerých miestach: pri jej transporte do bunky, aktivitou hexokinázy, intenzitou zabudovania jej aktívnej formy – glukóza-6-fosfátu do molekúl glykogénu, ale aj na ďalších miestach glykolytického spôsobu cesty oxidácie glukózy (12). Miernu a stredne ťažkú ischémiu myokardu charakterizuje teda postupný pokles podielu oxidácie viacuhlíkových karboxylových kyselín a zvyšovanie zastúpenia oxidácie glukózy pri zabezpečovaní energetického zdroja kardiomyocytov. Treba však zdôrazniť, že oxidácia karboxylových kyselín i naďalej zostáva primárnym zdrojom energeticky bohatých látok v kardiomyocytoch. V pokusoch na prasiatkach sa ukázalo, že i pri 60 % obmedzení prietoku krvi koronárnymi artériami oxidácia karboxylových kyselín – popri postupnom znižovaní jej intenzity – ostáva i naďalej dodávateľom prevažnej časti energie pre syntézu ATP v kardiomyocytoch, a to i pri výraznej kontraktilnej dysfunkcii, zníženej myokardiálnej spotrebe kyslíka a pri narastajúcej tvorbe laktátu (4). Prispieva k tomu i pokračujúca tioesterifikácia karboxylových kyselín s CoA, čo umožňuje najmä vysoká afinita ATP pre acyl-CoA-syntetázu (18). Ťažká ischémia myokarduO ťažkej ischémii myokardu možno hovoriť, ak sa prietok krvi koronárnymi artériami zníži o viac ako 70 % (4). Zachovaný minimálny prietok krvi nedokáže zbaviť bunky myokardu stále narastajúcich množstiev produkovaného laktátu, čo ďalej prehlbuje vznikajúcu acidózu buniek. Narastajúca koncentrácia protónov (hodnoty pH môžu klesať značne pod 6,0) rezultuje v postupnej inhibícii aktivity enzýmu fosfofruktokinázy, čo vedie – popri rýchlo sa znižujúcich zásobách glykogénu – k výraznému spomaľovaniu anaeróbnej glykolýzy, čím kardiomyocyty strácajú jedinú možnosť získať energiu vo forme molekúl ATP (2). Takáto situácia nastáva veľmi rýchlo pri kompletnom prerušení prietoku krvi koronárnou artériou (obrázok 2). Na priaznivý vplyv aktivácie glykolýzy vyvolanej ischemizáciou myokardu nejestvuje jednotný názor. Všeobecne sa uznáva, že „naštartovanie“ glykolytických procesov pri ischémii vyvolanej výrazným obmedzením prietoku krvi koronárnymi artériami býva spojené so znížením kontraktúry svalových vláken a so zlepšenou reštitúciou kontraktilných vlastností myokardu v poischemickej reperfúznej fáze (19, 20). Tieto názory podporujú i práce, v ktorých sa ukázalo, že podávanie glukózy s inzulínom zmenšuje infarcované ložisko a zmierňuje pokles množstiev kreatínfosfátu a ATP, ako aj hodnôt pH u zvieracích modelov, u ktorých sa vyvolala ischémia podviazaním koronárnej artérie (21, 22). Rovnaké priaznivé skúsenosti sa získali aj u pacientov s akútnym infarktom myokardu (23) aj pri kardiochirurgických výkonoch na otvorenom srdci (24). Existujú však i opačné názory na význam „otvorenia sa“ glykolýzy pri ischémii myokardu. Pri pokusoch na izolovaných srdciach potkanov po ich kompletnej ischemizácii sa zistil priamy vzťah medzi kontraktilným deficitom a uvoľnením enzýmov po reperfúzii na jednej strane a hromadením laktátu v myokarde na strane druhej (25). Okrem toho sa ukázalo, že pri zvýšení intenzity anaeróbnej glykolýzy dochádza v kardiomyocytoch – v dôsledku akcelerovanej tvorby glyceraldehyd-3-fosfátu – k narastaniu tvorby triacylglycerolov; pri ich nasledujúcej oxidácii sa vyčerpávajú už i tak zdecimované rezervy ATP v ischemickom tkanive (26). Metabolický kritický stav vyvolaný ťažkou ischémiou srdca sa prejavuje samozrejmým štiepením kreatínfosfátu, poklesom intracelulárnej koncentrácie ATP, ako aj prechodným zvýšením množstiev adenozíndi- a monofosfátu. Postupne však klesajú i celkové množstvá adenínových nukleotidov, hromadia sa ich degradačné produkty (27). Pre reverzibilnú obnovu metabolizmu a funkcie myokardu je rozhodujúce, aby pokles množstiev vysokoenergetických fosfátov neklesol pod kritické hodnoty. Bretschneider (28) predpokladá, že v myokarde psa tkanivové koncentrácie ATP okolo 4 mmol/g a kreatínfosfátu (približne 2 mmo/g) sú medznými hodnotami pre reverzibilitu metabolických procesov v poischemickej reperfúznej fáze. Tieto limitujúce hladiny ATP a kreatínfosfátu nie sú samozrejme absolútne, ale sa odlišujú podľa druhu experimentálneho objektu. Všeobecne však možno akceptovať, že 30 – 40 % zníženie množstva ATP a celkovej hladiny adenínových nukleotidov zabezpečuje ešte reverzibilitu obnovy metabolizmu v skorej poischemickej reperfúznej fáze (29). Poruchy homeostázy iónovIschémia kardiomyocytov znamená výraznú zmenu v distribúcii a homeostáze niektorých iónov. Už krátko po vzniku ischémie sa výrazne zvyšuje intracelulárna koncentrácia sodíkových iónov (30). V dôsledku deplécie ATP a zvyšovanie koncentrácie H + v ischemickom myokarde (31) dochádza k otvoreniu na ATP-senzitívneho K+-kanála, čím z buniek unikajú draslíkové ióny. Vyčerpanie zásob ATP inhibuje aktivitu Na+, K+-ATP-ázy, čo zabraňuje obnoveniu pôvodnej distribúcie sodíkových a draslíkových iónov. Akumuláciu Na+ zvyšuje i intracelulárna koncentrácia vodíkových iónov, ktorú bunky znižujú pomocou antiportového H+/Na+-výmenníkového systému (32). Kardiomyocyt sa snaží zbaviť hromadiaceho sa sodíka, a preto sa aktivuje Na+, Ca2+-výmenníkový systém. Tendencia bunky zbaviť sa nahromadených sodíkových iónov vyvoláva takto recipročnú akumuláciu divalentných vápnikových iónov, ktoré sa dostávajú do bunky i inými spôsobmi – cez poškodenú sarkolemálnu membránu, ako aj cez špecifické Ca2+-kanály (33) (obrázok 3). Zapojenie sarkolemálnej Ca2+-ATP-ázy – i keď jej kapacita v porovnaní s týmto enzýmom sarkoplazmového retikula je veľmi nízka (34) – v snahe odstrániť naakumulované množstvá vápnikových iónov sa potom prejavuje iba ďalšou rýchlou depléciou už i tak nízkych zásob ATP (33). Dominantou pre ďalší osud ischemického kardiomyocytu takto zostáva naakumulovaný Ca2+, ktorý vyvoláva výrazné metabolické a funkčné poruchy: dochádza k senzibilizácii myofilamentov, aktivácii viacerých proteináz, ako aj narušeniu funkcie mitochondrií, čo sa prejaví predovšetkým v nedostatočnej schopnosti syntetizovať ATP v poischemickom období (34). Zložité mechanizmy vedúce k akumulácii sodíka a vápnika v myocytoch demonštruje obrázok 3 (35).Na záver možno povedať, že ischémia myokardu spôsobuje výrazné zmeny v energetickom metabolizme myocytov, ktoré majú vplyv na ich metabolizmus a funkčné procesy, čo sa prejaví predovšetkým v nasledujúcej reperfúznej fáze. Funkčná porucha mitochondrií, spôsobená naakumulovaným vápnikom, sa prejaví neschopnosťou rýchlej obnovy hotovosti ATP, prejavia sa poškodenia bunkových štruktúr i kontraktilného aparátu, čo – i pri zachovaní viability buniek – znamená výrazné spomalenie obnovy ich funkcie. Literatúra
|
| (c)1999 by Symekard s.r.o. |