Przełom w leczeniu migotania przedsionków: metabolizm kluczem do terapii

Jak metaboliczne zaburzenia wpływają na migotanie przedsionków?

Migotanie przedsionków (AF) jest najczęstszą utrwaloną tachyarytmią spotykaną w praktyce klinicznej i głównym czynnikiem przyczyniającym się do chorobowości i śmiertelności z przyczyn sercowo-naczyniowych. Coraz więcej dowodów wskazuje, że AF należy postrzegać nie tylko jako zaburzenie elektryczne, ale również jako metaboliczną chorobę serca. Serce ma wysokie zapotrzebowanie energetyczne, a zakłócenia w elastyczności substratów, ich transportu, magazynowania i wykorzystania często poprzedzają zmiany elektrofizjologiczne, kurczliwość i przebudowę strukturalną.

Najnowsze analizy proteomiczne tkanek lewego uszka przedsionka pacjentów z AF ujawniły zmiany w funkcji mitochondriów, fosforylacji oksydacyjnej (OXPHOS), sygnalizacji sirtuinowej, cyklu kwasu trikarboksylowego (TCA) oraz innych kluczowych enzymów istotnych dla metabolizmu energetycznego. Profilowanie metabolomiczne osocza krwi wykazało również podwyższone poziomy długołańcuchowych kwasów tłuszczowych i dysregulację białek transportujących lipidy. Pacjenci z przetrwałym AF wykazują zwiększone poziomy enzymów i metabolitów związanych z metabolizmem ciał ketonowych, wraz z podwyższonymi aminokwasami ketogennymi i glicyną. “Nasze wyniki wskazują jednoznacznie na centralną rolę zmienionego metabolizmu sercowego w patogenezie migotania przedsionków” – piszą autorzy badania.

Ponad dekadę temu wieloetniczne badania asocjacyjne całego genomu zidentyfikowały warianty genu zinc finger homeobox 3 (ZFHX3) na chromosomie 16q22 jako silnie związane z AF. Kolejne badania wykazały, że ZFHX3 odgrywa znaczącą rolę w patofizjologii AF. Specyficzna dla serca utrata ZFHX3 u myszy zwiększa podatność na AF, czemu towarzyszy spowolnienie prędkości przewodzenia, dysregulacja gospodarki wapniowej, powiększenie przedsionków, tworzenie skrzeplin i kardiomiopatia rozstrzeniowa. Analizy transkryptomiczne ujawniły, że szlaki fosforylacji oksydacyjnej, organizacji mitochondrialnej i metabolizmu kwasów tłuszczowych są obniżone w przedsionkach z niedoborem ZFHX3, podczas gdy geny związane ze stanem zapalnym i uszkodzeniem tkanek są podwyższone.

Wyniki te sugerują, że warianty ZFHX3 wywierają głównie efekty utraty funkcji, zaburzając zarówno elektrofizjologię przedsionków, jak i metabolizm. Łącznie te odkrycia wskazują, że ZFHX3 odgrywa kluczową rolę w metabolizmie przedsionków i homeostazi wapnia. Jednak rola ZFHX3 w regulacji substratów energetycznych serca pozostaje słabo zdefiniowana, a interwencje terapeutyczne ukierunkowane na przebudowę metaboliczną, które mogłyby łagodzić te efekty, nie zostały ustalone.

Jak ZFHX3 wpływa na metabolizm przedsionków?

W omawianym badaniu naukowcy zbadali wpływ wyciszenia (knockdown, KD) ZFHX3 na mitochondrialny metabolizm energetyczny i homeostazę wapnia w komórkach przedsionków oraz ocenili ochronne działanie trimetazydyny (TMZ) – modulatora metabolicznego. Wyniki dostarczają mechanistycznego wglądu w to, jak niedobór ZFHX3 przyczynia się do stresu metabolicznego w AF i sugerują potencjalne kierunki terapeutyczne.

Badacze analizowali wpływ genu ZFHX3 na komórkowe utlenianie substratów energetycznych przy użyciu specyficznych inhibitorów szlaków utleniania. W warunkach niskiego zapotrzebowania na substraty zarówno komórki kontrolne, jak i komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały podobne oddychanie podstawowe. Jednak komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały znacznie wyższą ostrą odpowiedź, maksymalne oddychanie i zapasową pojemność po wstrzyknięciu Etomoxiru (inhibitor CPT-1a blokujący utlenianie kwasów tłuszczowych). Co ciekawe, po wstrzyknięciu UK5099 zarówno komórki kontrolne, jak i z wyciszonym ZFHX3 wykazywały podobną ostrą odpowiedź i maksymalne oddychanie, wraz ze znacznym zmniejszeniem zapasowej pojemności. Wyniki te sugerują, że wyciszenie ZFHX3 zwiększa wykorzystanie kwasów tłuszczowych, ale nie wpływa na wykorzystanie glukozy.

Aby zbadać wpływ zwiększonego wykorzystania kwasów tłuszczowych na metabolizm komórkowy, naukowcy przeanalizowali produkcję mleczanu, pobieranie glukozy i aktywność dehydrogenazy pirogronianowej (PDH). Komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały znacznie wyższe poziomy mleczanu, wraz ze zwiększonym pobieraniem glukozy i zmniejszoną aktywnością PDH w porównaniu z komórkami kontrolnymi. Odkrycia te sugerują, że zwiększone wykorzystanie kwasów tłuszczowych może hamować aktywność PDH, prowadząc do akumulacji mleczanu w komórkach z wyciszonym ZFHX3.

Badacze przeanalizowali również białka regulacyjne zaangażowane w metabolizm kwasów tłuszczowych i glukozy. Komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały wyższą ekspresję CD36, fosforylowanej karboksylazy acetylo-CoA (pACC), fosforylowanej PDH (pPDH) i całkowitego białka PDH w porównaniu z komórkami kontrolnymi. Jednak zarówno komórki kontrolne, jak i z wyciszonym ZFHX3 wykazywały podobną ekspresję ACC i GLUT4.

Czy interwencja farmakologiczna łagodzi stres metaboliczny?

Czy możliwa jest interwencja farmakologiczna w zaburzenia metaboliczne wywołane niedoborem ZFHX3? Naukowcy postanowili zbadać wpływ trimetazydyny (TMZ), inhibitora β-oksydacji, na produkcję mleczanu w komórkach HL-1. Komórki z wyciszonym ZFHX3 traktowane TMZ (10 μM) wykazywały niższą produkcję mleczanu w porównaniu z nieleczonymi komórkami ZFHX3 KD. Jednak poziomy mleczanu były podobne między komórkami kontrolnymi a komórkami kontrolnymi traktowanymi TMZ.

Następnie zbadano wpływ TMZ na stres oddechowy mitochondriów i homeostazę wapnia wywołane wyciszeniem ZFHX3. TMZ (10 μM) zmniejszył oddychanie podstawowe o 20% i wyciek protonów o 26% w komórkach z wyciszonym ZFHX3. Odwrotnie, TMZ zwiększył oddychanie podstawowe i wyciek protonów w komórkach kontrolnych. “Nasze wyniki wskazują na kontekstowo-zależne działanie TMZ, które wydaje się mieć szczególnie korzystny wpływ w warunkach stresu metabolicznego” – podkreślają autorzy badania.

Komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały wyższą zawartość wapnia w mitochondriach, mierzoną za pomocą fluorescencji X-Rhod-1, w porównaniu z komórkami kontrolnymi. Ten wzrost został zmniejszony przez TMZ, podczas gdy leczenie TMZ prowadziło do zwiększonej zawartości wapnia mitochondrialnego w komórkach kontrolnych. Co więcej, TMZ osłabiał wywołany przez wyciszenie ZFHX3 wzrost ekspresji białka pPDH i utlenionej CaMKII (ox-CaMKII).

Jakie mechanizmy molekularne kryją się za zmianami metabolicznymi?

Jakie mechanizmy molekularne stoją za obserwowanymi zmianami? Wyciszenie ZFHX3 w kardiomiocytach prowadzi do dysregulacji zarówno metabolizmu kwasów tłuszczowych, jak i glukozy. Komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały zwiększone pobieranie glukozy i produkcję mleczanu, wraz z podwyższoną ekspresją białka LDHA w porównaniu z komórkami kontrolnymi, co wskazuje na przesunięcie w kierunku glikolizy – szybkiej, niezależnej od tlenu, ale mniej wydajnej ścieżki produkcji ATP.

Dodatkowo, komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały zmniejszoną aktywność PDH, ze zwiększonymi poziomami zarówno całkowitej, jak i fosforylowanej PDH oraz białek PDK4. PDK fosforyluje i dezaktywuje PDH, enzym ograniczający szybkość utleniania glukozy, tym samym promując glikolizę. AF było związane ze zwiększonymi poziomami mleczanu, obniżoną regulacją PDH i zwiększoną ekspresją białka PDK4 u królików, co jest zgodne ze zwiększoną glikolizą, ale zmniejszonym utlenianiem glukozy w ich sercach.

Te odkrycia sugerują, że wyciszenie ZFHX3 powoduje rozłączenie między glikolizą a utlenianiem pirogronianu, potwierdzając obecność glikolizy tlenowej (efekt Warburga) w AF. Ta zmiana metaboliczna prowadzi do akumulacji mleczanu i powiązanych nieprawidłowości metabolicznych, które mogą przyczyniać się do dysregulacji cech elektrofizjologicznych w komórkach przedsionków.

Badanie wykazało również, że komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały wyższą ekspresję białka CD36 i fosforylowanego ACC (pACC), podczas gdy całkowity ACC pozostał niezmieniony. ACC jest dezaktywowany przez fosforylację i jest głównym celem downstream AMPK, który jak wcześniej wykazano, jest podwyższony w komórkach z wyciszonym ZFHX3. AMPK jest głównym czujnikiem energetycznym aktywowanym przez stres metaboliczny w sercu. Ponadto STAT3 jest zaangażowany w transkrypcyjną regulację CD36, co wspiera obserwowany wzrost ekspresji CD36 w komórkach z wyciszonym ZFHX3. Razem te odkrycia potwierdzają przesunięcie w kierunku pobierania i wykorzystania kwasów tłuszczowych w komórkach przedsionków z niedoborem ZFHX3.

Mechanistycznie, ZFHX3 reguluje sygnalizację STAT3, a obniżona regulacja ZFHX3 (ATBF1) może aktywować STAT3 poprzez PIAS3. Aktywowany STAT3 wiąże się bezpośrednio z promotorem CD36, zwiększając jego transkrypcję, a tym samym ułatwiając wychwyt kwasów tłuszczowych. Ta ścieżka dostarcza wiarygodnego wyjaśnienia obserwowanej podwyższonej regulacji CD36 w komórkach z wyciszonym ZFHX3. W przeciwieństwie do tego, nie znaleziono dowodów, że STAT3 bezpośrednio reguluje PDK4 lub LDHA. Ich podwyższona regulacja może obejmować alternatywne ścieżki transkrypcyjne lub pośrednie efekty.

Czy zmiany metaboliczne wywołują zaburzenia elektryczne?

Czy zmiany metaboliczne mogą przyczyniać się do zaburzeń elektrycznych w migotaniu przedsionków? Podwyższone wolne kwasy tłuszczowe i ich zwiększony wychwyt komórkowy znacząco przyczyniają się do arytmogenezy przedsionków. Wcześniejsze badania wykazały, że zaburzony metabolizm kwasów tłuszczowych – w tym dostępność kwasów tłuszczowych, pobieranie, transport i utlenianie – indukuje atriową nieelastyczność metaboliczną i promuje AF.

Podwyższona regulacja CD36, kluczowego transportera kwasów tłuszczowych, i późniejsze przeciążenie kwasami tłuszczowymi są silnie skorelowane z AF i jego czynnikami ryzyka, takimi jak otyłość, cukrzyca i starzenie się. Co ważne, zwiększone pobieranie kwasów tłuszczowych nie zawsze jest dopasowane do proporcjonalnego utleniania kwasów tłuszczowych. W tym badaniu komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały znacznie wyższą ostrą odpowiedź, maksymalne oddychanie i zapasową pojemność po wstrzyknięciu Etomoxiru w porównaniu z komórkami kontrolnymi, podczas gdy obie grupy wykazywały podobne odpowiedzi na UK5099.

Razem, zmniejszona aktywność PDH i zwiększona wrażliwość na inhibicję utleniania kwasów tłuszczowych sugerują, że komórki z wyciszonym ZFHX3 bardziej polegają na metabolizmie kwasów tłuszczowych w mitochondriach. Nadmierna dostępność kwasów tłuszczowych i β-oksydacja zwiększają mitochondrialne zapotrzebowanie na tlen i produkcję reaktywnych form tlenu (ROS) poprzez zwiększoną aktywność łańcucha transportu elektronów i wyciek nadtlenków. “Nadmierne ROS utleniają CaMKII, centralny regulator gospodarki Ca2+, tym samym upośledzając homeostazę wapnia i promując dysfunkcję mitochondriów, stan zapalny i arytmogenezę” – wyjaśniają badacze.

Jak trimetazydyna wpływa na mitochondria i homeostazę wapnia?

W poprzednich badaniach wykazano, że komórki z wyciszonym ZFHX3 wykazywały przeciążenie Ca2+ mitochondrialnym i podwyższoną produkcję nadtlenków. Naukowcy donoszą również, że wyciszenie ZFHX3 zwiększa ekspresję receptora IP3 (IP3R) i sygnalizację, promując spontaniczne uwalnianie Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej i nadmierny wychwyt mitochondrialny. Dodatkowo, wyciszenie ZFHX3 zwiększało ekspresję i aktywność SERCA2a, a także poziomy białka RyR2, zbiorowo przyczyniając się do zwiększenia wychwytu Ca2+ i wycieku w komórkach przedsionków. Te mechanizmy, oprócz stresu metabolicznego (kwasica mleczanowa, ROS), ustanawiają wiele ścieżek upstream prowadzących do przeciążenia Ca2+ mitochondrialnego w komórkach z niedoborem ZFHX3. Inne białka gospodarki wapniowej mogą również odgrywać role w dysregulacji wapnia zapośredniczonej przez niedobór ZFHX3 i wymagają dalszych badań.

Trimetazydyna (TMZ) jest klinicznie stosowanym środkiem przeciwdławicowym, który hamuje utlenianie kwasów tłuszczowych, tym samym zmniejszając stres oksydacyjny i zapotrzebowanie na tlen. Dodatkowo, TMZ jest sugerowana jako potencjalny środek terapeutyczny w niewydolności serca poprzez regulacje metaboliczne. W tym badaniu TMZ znacząco zmniejszał oddychanie mitochondrialne i wyciek protonów w komórkach z wyciszonym ZFHX3. Większy wpływ na wyciek protonów w porównaniu z oddychaniem podstawowym sugeruje, że hamowanie wykorzystania kwasów tłuszczowych pomaga zachować funkcję mitochondrialną w warunkach stresu.

TMZ zmniejszał również produkcję mleczanu w komórkach z wyciszonym ZFHX3, wspierając koncepcję, że zwiększone wykorzystanie kwasów tłuszczowych napędza akumulację mleczanu i pogarsza przeciążenie Ca2+ mitochondrialnym. Co ciekawe, TMZ wykazywał różnicowe efekty w komórkach kontrolnych versus komórkach z wyciszonym ZFHX3. W komórkach kontrolnych TMZ zwiększał oddychanie mitochondrialne i zawartość wapnia, prawdopodobnie ze względu na zwiększoną syntezę ATP w normalnych warunkach, podczas gdy w komórkach z wyciszonym ZFHX3 TMZ wykazywał działanie ochronne, zmniejszając wyciek protonów mitochondrialnych, akumulację mleczanu i przeciążenie Ca2+ mitochondrialnym.

Czy nowe podejścia zmieniają perspektywę leczenia AF?

Sugeruje to, że wpływ TMZ jest zależny od kontekstu, łagodzący stres metaboliczny w komórkach z wyciszonym ZFHX3, jednocześnie potencjalnie zwiększając funkcję mitochondrialną w zdrowych komórkach. Mechanistycznie, TMZ zmniejszał fosforylację PDH w komórkach z wyciszonym ZFHX3, poprawiając wykorzystanie glukozy, i obniżał poziomy ox-CaMKII, sugerując, że hamowanie metabolizmu kwasów tłuszczowych łagodzi dysregulację wapnia indukowaną stresem metabolicznym. Co godne uwagi, w wyższych stężeniach (10–100 μM) wykazano, że TMZ zwiększa mitochondrialny wychwyt wapnia, wspierając syntezę ATP.

Podsumowując, wyciszenie ZFHX3 indukuje sercowy stres metaboliczny charakteryzujący się zmniejszoną aktywnością PDH i zwiększoną β-oksydacją, prowadzącą do dysregulacji mitochondrialnej (przeciążenie wapniem, wyciek protonów), akumulacji mleczanu i zwiększonego ox-CaMKII, z których wszystkie mogą przyczyniać się do przebudowy elektrycznej i arytmogenezy. TMZ łagodzi te efekty, podkreślając swój potencjał terapeutyczny jako modulator metaboliczny w AF związanym z niedoborem ZFHX3.

Istnieje jednak kilka ograniczeń tego badania, które należy uznać. Badanie przeprowadzono na komórkach HL-1, ustabilizowanym modelu in vitro. Chociaż system ten umożliwił mechanistyczną analizę efektów wyciszenia ZFHX3 w kontrolowanych warunkach, wyniki mogą nie odzwierciedlać w pełni złożoności pierwotnych kardiomiocytów lub modeli AF in vivo. Potrzebne są przyszłe badania wykorzystujące modele zwierzęce i komórki pochodzące od pacjentów, aby zweryfikować te odkrycia.

Ponadto, badano globalne efekty wyciszenia ZFHX3, ale nie badano specyficznych wariantów ZFHX3, które mogą mieć różny wpływ na metabolizm serca i patologię AF. Wreszcie, wyniki są specyficzne dla komórek przedsionków i mogą nie mieć bezpośredniego zastosowania do kardiomiocytów komorowych, które mogą wykazywać różne właściwości metaboliczne i gospodarki wapniowej.

Jakie narzędzia badawcze odsłaniają metabolizm serca?

Badacze wykorzystali szereg zaawansowanych technik do charakterystyki zmian metabolicznych. Pomiary tempa zużycia tlenu przez mitochondria (OCR) wykonano przy użyciu technologii Seahorse, która umożliwia dokładną ocenę różnych parametrów funkcji mitochondrialnej. Wykorzystanie specyficznych inhibitorów dla szlaków utleniania kwasów tłuszczowych (Etomoxir) i glukozy (UK5099) pozwoliło na precyzyjne określenie zmian w wykorzystaniu substratów energetycznych.

OCR był sekwencyjnie mierzony po wstrzyknięciu następujących związków: Etomoxir (40 μM) do hamowania utleniania kwasów tłuszczowych poprzez CPT-1a, lub UK5099 (8 μM) do hamowania mitochondrialnego transportera pirogronianu, następnie oligomycyna (1,5 μM) do hamowania syntazy ATP, FCCP (1 μM) do rozprzęgania fosforylacji oksydacyjnej i indukcji maksymalnego oddychania, a na koniec rotenon (0,5 μM) plus antymycyna A (0,5 μM) do hamowania kompleksów I i III, tym samym mierząc niemitochondrialne oddychanie.

Do pomiaru wewnątrzkomórkowych stężeń L-mleczanu użyto kolorymetrycznego zestawu do oznaczania mleczanu. Aktywność katalityczną PDH mierzono za pomocą zestawu do mikrooznaczania aktywności enzymu PDH. Pobieranie glukozy kardiomiocytów mierzono za pomocą bioluminescencyjnego zestawu do oznaczania Glucose Uptake-Glo™. Poziomy wapnia mitochondrialnego oceniano w nienaruszonych żywych komórkach za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej z barwnikiem X-Rhod-1/AM i zastosowaniem CoCl2 do wygaszenia fluorescencji cytoplazmatycznej.

Komórki HL-1 to dobrze scharakteryzowany model komórkowy kardiomiocytów przedsionków, który zachowuje wiele cech natywnych komórek serca, w tym zdolność do kurczenia się i ekspresję specyficznych markerów sercowych. Wyciszenie ZFHX3 osiągnięto przy użyciu lentiwirusa zawierającego shRNA skierowane przeciwko ZFHX3, po czym komórki były selekcjonowane za pomocą puromycyny.

Czy modulacja metaboliczna to przyszłość terapii AF?

Jaki jest potencjalny mechanizm, przez który TMZ wywiera swoje działanie ochronne? TMZ selektywnie hamuje długołańcuchową 3-ketoacylotiolazę mitochondrialną, kluczowy enzym w ścieżce β-oksydacji kwasów tłuszczowych. Prowadzi to do przesunięcia metabolizmu energetycznego w kierunku utleniania glukozy, które jest bardziej wydajne pod względem tlenu (wymaga około 10-12% mniej tlenu na mol ATP w porównaniu z utlenianiem kwasów tłuszczowych). W kontekście komórek z wyciszonym ZFHX3, które wykazują zwiększone wykorzystanie kwasów tłuszczowych i obniżoną aktywność PDH, TMZ może pomóc przywrócić równowagę metaboliczną i zmniejszyć produkcję ROS.

Czy modulacja metaboliczna może stać się nowym paradygmatem w leczeniu migotania przedsionków? Tradycyjnie, terapie AF koncentrują się na kontroli rytmu lub częstości serca oraz zapobieganiu powikłaniom zakrzepowo-zatorowym. Jednak coraz więcej dowodów sugeruje, że modulacja metabolizmu serca może być obiecującą strategią, szczególnie dla pacjentów z predyspozycjami genetycznymi lub współistniejącymi schorzeniami metabolicznymi.

Warto zauważyć, że TMZ jest już zatwierdzony do stosowania klinicznego w leczeniu dławicy piersiowej w wielu krajach, co ułatwiłoby jego potencjalne repozycjonowanie do leczenia AF. Inne modulatory metaboliczne, takie jak perhexiline, ranolazine i dichloroacetate, również wykazały obiecujące wyniki w różnych modelach chorób serca i mogą być warte zbadania w kontekście AF związanego z zaburzeniami metabolicznymi.

Kolejnym interesującym aspektem jest potencjalna personalizacja leczenia AF w oparciu o profil genetyczny pacjenta. Czy pacjenci z wariantami ZFHX3 mogliby szczególnie skorzystać z modulatorów metabolicznych takich jak TMZ? To pytanie wymaga dalszych badań, ale koncepcja medycyny spersonalizowanej w leczeniu arytmii jest coraz bardziej atrakcyjna.

Podsumowując, badanie to dostarcza ważnych informacji na temat mechanizmów, przez które niedobór ZFHX3 przyczynia się do zmian metabolicznych i elektrofizjologicznych w komórkach przedsionków. Identyfikuje również trimetazydynę jako potencjalny środek terapeutyczny, który może łagodzić te zmiany poprzez modulację metabolizmu kwasów tłuszczowych. Wyniki te otwierają nowe możliwości dla interwencji terapeutycznych ukierunkowanych na metabolizm w leczeniu migotania przedsionków, zwłaszcza u pacjentów z genetycznymi predyspozycjami lub współistniejącymi zaburzeniami metabolicznymi.

Podsumowanie

Badanie przedstawia kompleksową analizę związku między zaburzeniami metabolicznymi a migotaniem przedsionków (AF), ze szczególnym uwzględnieniem roli genu ZFHX3. Wyciszenie ZFHX3 prowadzi do istotnych zmian w metabolizmie komórek serca, w tym zwiększonego wykorzystania kwasów tłuszczowych, obniżonej aktywności dehydrogenazy pirogronianowej (PDH) oraz zaburzeń w gospodarce wapniowej. Badacze wykazali, że trimetazydyna (TMZ) może łagodzić te zaburzenia metaboliczne poprzez hamowanie β-oksydacji kwasów tłuszczowych. TMZ wykazuje działanie kontekstowo-zależne, będąc szczególnie skutecznym w warunkach stresu metabolicznego. Odkrycia te sugerują, że modulacja metaboliczna może stanowić nowe podejście terapeutyczne w leczeniu AF, zwłaszcza u pacjentów z predyspozycjami genetycznymi lub współistniejącymi schorzeniami metabolicznymi.