PERINATAL CHANGES IN MYOCARDIAL METABOLISM IN LAMBS. Appendices. Beatrijs Bartelds

Transcriptie

1 PERINATAL CHANGES IN MYOCARDIAL METABOLISM IN LAMBS Appendices Beatrijs Bartelds

2

3 Appendices Nederlandse Samenvatting De hartspier van volwassenen verbrandt vooral langketenvetzuren. Wat de hartspier verbrandt voor of vlak na de geboorte was tot voor kort onbekend. Wel wist men dat de stofwisseling van de hartspier in belangrijke mate afhankelijk is van het aanbod. Voor de geboorte worden vooral glucose (suiker) en lactaat (melkzuur) aangeboden via de placenta. Na de geboorte valt de placenta weg en krijgt de pasgeborene melk, die voor een groot deel bestaat uit vetzuren. Hierop steunt de verwachting dat de hartspier voor de geboorte met name glucose en lactaat gebruikt en na de geboorte overschakelt op vetzuren. Bij onderzoek van geïsoleerde harten van pasgeboren biggen en konijnen is echter een beperkte verbranding van langketenvetzuren gevonden. Deze beperking zou gelegen zijn in het enzym dat nodig is langketenvetzuren te transporteren naar dat deel van de cel waar ze verbrand worden. Dit enzym heet carnitine-palmitoyltransferase I (CPT I). Als de bevindingen bij de geïsoleerde harten (in vitro) ook gelden voor het hele organisme (in vivo) dan heeft de hartspier na de geboorte dus een andere energiebron nodig. Ketonlichamen, die na de geboorte in toenemende mate geproduceerd worden, zouden als alternatief kunnen dienen. Het doel van dit onderzoek was de stofwisseling van de hartspier te meten voor en na de geboorte in het hele organisme. Dit hebben we gedaan door bij lammeren voor en na de geboorte catheters aan te brengen in enkele belangrijke bloedvaten en via die catheters stoffen aan de bloedbaan toe te voegen, dan wel bloedmonsters af te nemen. De belangrijkste catheters waren die in de aorta (de lichaamsslagader), het vat dat bloed aanvoert naar alle organen waaronder de hartspier zelf en die in de sinus coronarius, het afvoerende bloedvat van de linker hartkamer. Met behulp van de vier verschillende substraten: glucose, lactaat, palmitaat (een langketenvetzuur) en beta-hydroxyboterzuur (een van de ketonlichamen) die gemerkt waren met een stabiele isotoop, 13C, hebben we de stofwisseling gemeten. Wanneer een gemerkt substraat verbrand wordt, wordt met 13C gemerkte CO2 gevormd. De verrijking van CO2 met 13C hebben we gemeten in de aorta en in de sinus coronarius en zo konden we de verbranding meten. De bloedstroomsterkte door de hartspier werd gemeten met radio-actief gemerkte microsferen. We verwachtten dat de hartspier voor de geboorte vooral glucose en lactaat zou gebruiken en dat er vlak na de geboorte een beperking zou zijn in het vermogen om langketenvetzuren te verbranden. Of het laatste inderdaad het geval was, hebben we uitgezocht door foetale lammeren tegen het eind van de zwangerschap langketenvetzuren toe te dienen en de stofwisseling van vetzuren te meten. Om de veronderstelde beperking in het langketenvetzuurmetabolisme verder in kaart te brengen hebben we gepoogd het beperkende enzym, CPT I, te karakteriseren. Hiertoe hebben we na de dood van de lammeren stukjes hartspier uitgenomen voor verdere analyse. Een enzym is een eiwit dat een bepaa 117

4 Perinatal changes in myocardial metabolism in lambs lde omzetting versneld. De snelheid waarmee die omzetting plaats kan vinden wordt bepaald door de hoeveelheid van het enzym en de omstandigheden warin het verkeert, zoals b.v. de temperatuur. De hoeveelheid kun je meten door met een specifiek antilichaam te kijken hoeveel eiwitten er aan kleuren. Tevens kan je meten hoeveel van het eiwit aangemaakt wordt door de hoeveelheid bodschapper-rna te meten. Dit boodschapper-rna ontstaat wanneer een deel van een gen dat codeert voor dat eiwit, wordt afgelezen. Vervolgens kun je de omzetting meten door er radioactief-gemerkt substraat bij te doen. Zoals we verwacht hadden, waren lactaat en glucose de belangrijkste energiebronnen van de hartspier voor de geboorte, zij namen respectievelijk 36±11 en 48±4% van het zuurstofverbruik van de hartspier voor hun rekening. In tegenstelling tot onze verwachting nam de verbranding van lactaat na de geboorte niet af, vermoedelijk doordat de lactaat concentratie in het bloed slechts langzaam daalde na de geboorte. Dit was vermoedelijk het gevolg van een vertraagde afvoer van lactaat naar de lever voor de productie van glucose alsmede van vertraagde uitscheiding via de urine. De opname van lactaat door de hartspier correleerde significant met het aanbod en nam geleidelijk af in de eerste twee levensweken. De verbranding van lactaat nam echter niet af met de leeftijd. Hieruit volgt dat de verbranding van lactaat wordt geregeld door factoren in de cel en niet direct door het aanbod. Ondanks het feit dat de verbranding van lactaat zelf niet afnam, nam het aandeel van de lactaatverbranding aan het zuurstofverbruik van de hartspier wel iets af na de geboorte, van 36±11 naar 28±6%. Dit kwam doordat het zuurstofverbruik van de hartspier na de geboorte toenam omdat de hartspier meer arbeid moet verrichten. Voor de geboorte werken de linker en rechter hartkamer samen bij het rondpompen van het bloed. Dit kan dordat er enkele verbindingen zijn tussen de bloedstroom naar de longen en die naar het lichaam. Na de geboorte sluiten deze verbindingen en moet de linker harthelft in zijn eentje de gehele lichaamscirculatie rondpompen. Hierdoor neemt de arbeid en dus het zuurstofverbruik toe. Het verbruik van glucose nam, zoals verwacht werd, na de geboorte af. Tevens nam het aandeel van de glucose verbranding aan het zuurstofverbruik af, van 48±4 naar 12±3%, ondanks een toename in het aanbod van glucose. Wanneer met 13 C gemerkte glucose in de spieren gedeeltelijk wordt omgezet ontstaat met 13 C gemerkte lactaat. Dit lactaat zou ook kunnen bijdragen aan de 13CO 2 produktie van de hartspier; lactaat is immers een belangrijke energiebron voor de hartspier. Dit zou een tot een overschatting van het glucoseverbruik leiden. Om hiervoor te corrigeren hebben we bij lammeren waarbij 13 C-glucose toegediend was, de 13 C-lactaatconcentraties in de aorta en de sinus coronarius bepaald en zo geprobeerd een schatting te maken van de bijdrage van perifeer geproduceerde lactaat aan de 13 CO 2 -produktie van de hartspier. Het bleek dat als alle lactaat meteen wordt verbrand, dit slechts 7% van de 13 CO 2 -produktie bij 118

5 Appendices de foetale lammeren en 4% van de 13 CO 2 -produktie bij de pasgeboren lammeren kon verklaren. Aangezien we gemeten hebben dat slechts 75% van de opge nomen lactaat meteen wordt verbrand, concluderen we dat we de glucose-ver branding op deze manier amper overschat hebben. Niet alleen perifeer geproduceerd lactaat, maar ook nieuw geproduceerde glucose met minder dan 6 13 C- atomen zou kunnen bijdragen tot een fout in de berekening. Ditmaal tot een onderschatting. Ook dit hebben we nagemeten en het is gebleken dat een correctie hiervoor geen grote verschillen oplevert, vermoedelijk doordat er veel meer glucose in het bloed met 6 13 C-atomen dan met 1 t/m 5 13 C-atomen. Aangezien bij pasgeborenen de verbranding van glucose en lactaat samen nog maar 40% van het zuurstofverbruik van de hartspier kan verklaren moeten er ook andere substraten worden gebruikt. Ketonlichamen worden wel verbrand door de hartspier, gelijkelijk met het aanbod ervan. De verbranding van ketonlichamen verklaart echter maar 7% van het zuurstofverbruik van de hartspier. De rest komt voor rekening van de verbranding van langketenvetzuren. Dit was in tegenstelling tot de verwachting, maar kan als volgt worden verklaard. Voor de geboorte worden er nog geen langketenvetzuren verbrand doordat deze niet werden aangeboden. Wanneer we het aanbod voor de geboorte verhoogden met behulp van een infuus met langketenvetzuren dan nam zowel de opname als de verbranding van langketenvetzuren toe. Deze verbranding was nog wel lager bij foetale lammeren tijdens een vetinfuus dan bij pasgeboren lammeren, maar het aandeel in het zuurstofverbruik was hetzelfde bij foetale lammeren tijdens vetinfuus als bij pasgeboren lammeren. Er werden dus minder langketenvetzuren verbrand bij de foetale lammeren omdat er minder energie nodig was. Uit deze gegevens kan worden geconcludeerd dat de hartspier in staat is om zowel voor als na de geboorte langketenvetzuren te verbruiken. Het is nog niet uitgesloten dat het verbruik van langketenvetzuren toch is begrensd. Wel zijn er verschillende argumenten die pleiten tegen zo n begrenzing. Ten eerste was er geen relatie tussen leeftijd in de pasgeboren lammeren en de verbranding van langketenvetzuren; wij vonden geen aanwijzingen voor een leeftijdsgebonden toename. Ten tweede leek de vetzuurverbranding toe te nemen met een toename van het zuurstofverbruik; hoe meer energie nodig, hoe meer vetzuurverbranding. En ook leek het aandeel van de verbranding van vetzuren in het zurstofverbruik van de hartspier toe te nemen met een toename in het zuurstofverbruik. Heel in het kort toont dit onderzoek dus dat de hartspier voor de geboorte vooral glucose en lactaat gebruikt en na de geboorte vooral langketenvetzuren en lactaat. Aangezien er geen beperking lijkt te zijn in het vermogen om een bepaald substraat te verbranden op een bepaald tijdstip, moet het hart zelf een keuze maken. Uit het feit dat het aanbod van glucose toeneemt, terwijl de verbranding afneemt valt af te leiden dat het pyruvaatdehydrogenase-complex, een enzym dat in belangrijke mate de glucoseverbranding bepaalt, minder actief is 119

6 Perinatal changes in myocardial metabolism in lambs dan CPT I. Het CPT I is dus betrekkelijk ongeremd in de hartspier van de pasgeborene. Het CPT I wordt doorgaans geremd door malonyl-coa, de eerste stof die ontstaat bij de opbouw van langketenvetzuren. Dus, wanneer er opbouw van vetzuren plaatsvindt (dit gebeurt vooral in de lever) is de verbranding geremd. Van het CPT I zijn nu twee subtypes bekend, één die vooral voorkomt in de spieren en één die vooral voorkomt in de lever. Deze twee enzymen worden gecodeerd door twee verschillende genen, CPT1A en 1B. Schijnbaar in tegenspraak met onze bevinding dat de vetzuurverbranding na de geboorte niet was beperkt, vonden we in de hartspier wel een toename van de hoeveelheid boodschapper-rna voor levertype CPT I (CPT1A). Deze toename was echter niet specifiek voor de hartspier, aangezien de hoeveelheid boodschapper-rna voor b-actine evenveel toenam. b-actine is een produkt dat zo veelvuldig voorkomt in de cel dat het wel een "huishoudgen" wordt genoemd. Ook de hoeveelheid van boodschapper-rna voor spiertype CPT I (CPT1B) nam toe na de geboorte, paralel aan de toename van b-actine. De verhouding van de hoeveelheid boodschapper-rna voor CPT1A en CPT1B nam na de geboorte echter wel toe; CPT1A werd vaker afgelezen dan CPT1b. De toename in de hoeveelheid boodschapper-rna voor CPT1A ging samen met een toename in de hoeveelheid levertype CPT I. Voor spiertype CPT I hebben we dit nog niet kunnen bepalen. Het onderzoek toont dat de hartspier van pasgeboren lammeren nagenoeg alle substraten kan gebruiken en dat er vooral langketenvetzuren worden gebruikt. Als dit ook geldt voor de mens dan is het voor het hart in ieder geval zinvol om bij de pasgeboren zo snel mogelijk vetzuren toe te dienen. Mogelijk geldt dit zelfs voor de te vroeg geborene. Gezien de diversiteit van substraten die de hartspier kan gebruiken, zou je verwachten dat wanneer er een stoornis in de verbranding van één substraat ontstaat, andere substraten de rol gemakkelijk over nemen en de hartspier niet in de problemen komt. Merkwaardig genoeg is dit niet het geval. Bijvoorbeeld bij kinderen met een defect in de langketenvetzuurverbranding treden vaak vorm- en functieveranderingen in de hartspier op. De meest voorkomende zijn enerzijds een verdikking van de hartspier al dan niet met verminderde knijpkracht en anderzijds ritmestoornissen. Bovendien blijkt in sommige gevallen dat de stofwisseling weer terugschakelt het verbrandingspatroon van voor de geboorte. Het is nog onduidelijk hoe dit proces verloopt en of dit een gunstige of een ongunstige aanpassing is. We hebben dus aangetoond dat de hartspier voor de geboorte vooral glucose en lactaat verbrandt en dan na de geboorte omschakelt naar de verbranding van langketenvetzuren en lactaat. Er zijn geen aanwijzingen voor een beperking in het vermogen om vetzuren te verbanden kort na de geboorte, zoals eerder onderzoek met geïsoleerde harten leek aan te tonen. Er zijn dus ook geen alternatieve energiebronnen, zoals ketonlichamen nodig. Na de geboorte kan de 120

7 Appendices hartspier kiezen uit allerlei substraten en staat de verbranding van langketenvetzuren op de voorgrond. CPT I, het enzym dat de omzet zou kunnen begrenzen, is dus in vivo zeer actief. De expressie van het levertype CPT I neemt na de geboorte in de hartspier meer toe dan die van spiertype CPT I; de betekenis hiervan voor de hartspier is nog onbekend. 121