Kalp Hastalıklarında Metabolik Yaklaşımlar: Trimetazidin ve Alfa Lipoik Asidin Metabolik Etkileri Dr. Arzu Onay-Beşikci Genel Bilgiler I. Kalbin enerji elde etmek için kullandığı substratlar II. Metabolik yolaklar arasındaki ilişki III. Kalbin substrat tercihinin değişmesi / farmakolojik olarak değiştirilmesi 1
Kullanılan Yöntemler IV. Isolated working heart V. Radyoaktif izotoplarla kalp metabolizmasının incelenmesi Trimetazidin ve Alfa Lipoik Asidin Metabolik Etkileri VI. Tip I diyabet modelinde trimetazidin tedavisi VII. Alfa lipoik asidin metabolik etkileri 2
Kalbin Enerji Elde Etmek İçin Kullandığı Substratlar Kalbin Enerji Elde Etmek İçin Kullandığı Kaynaklar Yağ asidi Keton cisimler Glukoz Amino asitler Yağ asidi glikoliz Glukoz Yağ asidi-koa esteri karnitin Laktat piruvat ADP PDH Asetil KoA Krebs Siklusu ETC ATP karnitin asetil KoA CPT I CAT CPT II Yağ asidi-coa esteri mitokondri ß oksidasyon Onay-Beşikci, Molecular and Cellular Biochemistry, 2006 3
Enerjetik substratların tamamen oksitlenmeleri ile elde edilen ATP ve bunun için tüketilen oksijen Substrat ATP (mol ATP / mol substrat) Tüketilen oksijen (mol atomik O / mol substrat) ATP / oksijen Glukoz 36 12 3 Laktat 18 6 3 Palmitik 129 50 2.6 asit Stanley et al, Cardiovascular Resarch, 1997 Metabolik Yolaklar Arasındaki ilişki 4
Metabolik Yolaklar Arasındaki İlişki glukoz yağ asitleri laktat piruvat Asetil KoA NADH Randle, The Lancet, 1963 Metabolik Yolaklar Arasındaki İlişki Yağ asidi oksidasyonu Asetil KoA ve NADH PDH aktivitesi Glukoz Glukoz piruvat PDH Asetil KoA Randle et al 1986, Kruszyanka et al 1991 5
Metabolik Yolaklar Arasındaki İlişki Dikloroasetat (DCA) ile PDH Yağ asidi oksidasyonu Saddik et al 1993, Stanley et al 1996 Metabolik Yolaklar Arasındaki İlişki-İskemi Glukoz Yağ asidi laktat Glukoz H+ glikoliz H+ H+ piruvat yağ asidi-coa piruvat β oksidasyon Asetil KoA mitokondri 6
Oluşan glikolitik yan ürünlerin (laktat ve protonlar) sitozolden uzaklaştırılmaları da yine enerji (ATP) gerektirir Kalbin fizyolojik fonksiyonu için gerekli ATP nin bir bölümü bu yan ürünlerin uzaklaştırılması için tüketilir Metabolik Yolaklar Arasındaki İlişki-Özet Eşit miktarda ATP üretmek için yağ asitleri glukozdan daha çok oksijen kullanır Enerji elde etmek için yağ asitlerinin kullanılması glukoz kullanımını daha da baskılar Yağ asitleri enerji elde etmek için glukoz kadar etkin değildirler 7
Kalbin Substrat Tercihinin Değişmesi / Farmakolojik Olarak Değiştirilmesi Kalbin Substrat Tercihinin Değişmesi Doğumu izleyen 10 gün içinde enerji kaynağı olarak yağ asidi baskın hale gelir ATP Üretimine Katkı (%) 100 60 20 Glikoliz Glukoz oksidasyonu Laktat oksidasyonu Palmitat oksidasyonu 1. gün 14. gün Werner et al 1987, Lopaschuk et al 1991 8
Kalbin Substrat Tercihinin Değişmesi İskemi sırasında Oksidatif metabolizma Glikoliz Neely et al 1974 Hipertrofik kalplerde Glikoliz Allard et al 1994, Schönekess et al 1995 Kalbin Substrat Tercihinin Değişmesi Diyabetik kalbin enerji gereksiniminin %90-100 ü yağ asidi oksidasyonundan sağlanır Neely & Morgan 1974, Lopaschuk et al 1987, Wall & Lopaschuk 1989 9
Kalbin enerji kaynağını değiştirmeye yönelik farmakolojik yaklaşımlar Dikloroasetat, L-karnitin, Propiyonil- L-karnitin Glukoz glikoliz piruvat piruvat Asetil KoA glukoz oksidasyonu mitokondri Kalbin enerji kaynağını değiştirmeye yönelik farmakolojik yaklaşımlar Etomoksir, Oksfenisin, Metilpalmoksirat Yağ asidi yağ asidi-koa β oksidasyon Asetil KoA mitokondri 10
Kalbin enerji kaynağını değiştirmeye yönelik farmakolojik yaklaşımlar Trimetazidin, Ranolazin Yağ asidi yağ asidi-koa β oksidasyon Asetil KoA mitokondri Stanley et al 1997 11
Isolated Working Heart Isolated Working Heart Barr & Lopaschuk 2000 12
akış ölçer akış ölçer basınç ölçer pompa veri toplayıcı Isolated Working Heart preparasyonu kalbin çalışmasını izleyen çok güçlü bir deneysel modeldir * Fizyolojik koşullara çok yakın * Preload ve afterload fizyolojik sınırlara ayarlanabilir * Kalbin atım hızı ölçülebilir * Ventrikül içinde oluşan basınç hakkında fikir verir 13
Radyoaktif İzotoplarla Kalp Metabolizmasının İncelenmesi Örnek: palmitik asit [9,10-3 H] Palmitoil KoA CPT 1 [9,10-3 H] palmitoilkarnitin [9,10-3 H] palmitoil KoA ß-oksidasyon [9,10-3 H]asetil KoA Krebs Siklusu ETS 3 H 2 O 14
Özet Kalbin enerjisini hangi enerji kaynağından (glukoz ya da yağ asidi) sağladığını deneysel olarak saptamak olasıdır Farmakolojik yöntemlerle bu enerji kaynağı değiştirilebilir Tip I Diyabet Modelinde Trimetazidin Tedavisi Çalışmalar TÜBİTAK-SBAG tarafından finanse edilmiştir 15
Trimetazidin Yağ asidi yağ asidi-koa β oksidasyon Asetil KoA mitokondri Diyabet İnsülinde mutlak/kısmi azalma Hedef dokuların insüline yanıtverirliğinde bozulma Kan şekerinde kronik artma ile kendini gösteren metabolik hastalıklar grubu 16
Diyabet Klinik Açıdan Tip I (İnsüline bağımlı) Tip II (İnsüline bağımlı olmayan) Diyabetik Sorunlar Nörolojik Oftalmik Gastrointestinal Kardiyovasküler 17
Diyabetik Kardiyomiyopati Vasküler hastalık, obezite ve hipertansiyon olmadan da kardiyak disfonksiyon Sistemik ve hücresel bileşenleri ile karmaşık bir sendromlar grubu Diyabetik Kardiyomiyopati Sistemik ve hücresel bileşenleri ile karmaşık bir sendromlar grubu Örnek: Glukoz taşıyıcı moleküllerin sayısı Camps et al 1992 Yağ metabolizmasında görevli enzimlerin aktiviteleri Finck et al 2002 Kontraktiliteyi düzenleyen reseptör sayısında değişme: β 1 β 3 Dinçer et al 2001 18
Amaç: Tip I diyabette oluşan kontraktil bozuklar, metabolik değişiklikler ve bu değişikliklerin trimetazidin tedavisinden ne kadar etkileneceği Dayanak Tip I diyabette hem kalp kası hem de öteki çizgili kasların glukoz metabolizması bozulur Özellikle kalp kasının enerji kaynağı olarak yağ asitlerini kullanması iki nedenle zararlı olabilir: 1. Yağ asidi oksidasyonunun artması glukoz oksidasyonunu azaltır. Bu da diyabette tercih edilmez 2. Çizgili kasların glukoz kullanmaması kan şekerine de olumsuz yansır 19
Deney Protokolü * SD sıçanlar, 32mg/kg STZ * 10 hafta süreyle 3mg/kg dozda TMZ * Kalp performansları isolated working heart yöntemiyle izlendi ve yağ asidi oksidasyon hızları belirlendi (%3 BSA ya bağlı 0.4mM palmitik asit 11mM glukoz ve 100 μu/ml insülin) 10. Hafta Beden Ağırlığı 300 Gram 250 200 150 100 50 0 1.hafta 3.hafta 10.hafta diyabetik diyabetik+trimetazidin 20
10. Hafta Kan Şekeri 600 500 mg/dl 400 300 200 100 0 1.hafta 3.hafta 10.hafta diyabetik diyabetik+trimetazidin 10. Hafta Kalp Fonksiyonu 250 200 150 100 50 0 Atım hızı (atım/dakika) Pik sistolik basınç (mm Hg) Diyastol sonu basınç (mm Hg) Kardiyak output (ml/dakika) Aortik output (ml/dakika) diyabetik diyabetik+trimetazidin 21
Palmitik Asit Oksidasyon Hızı nmol*g kuru ağırlık -1 *dakika -1 400 350 300 250 200 150 100 50 0 20 30 40 zaman (dakika) diyabetik diyabetik+trimetazidin SONUÇLAR Diyabetik ve TMZ-tedavili diyabetik sıçanların kalpleri arasında fonksiyon ya da metabolizma bakımından fark yok 22
TARTIŞMA * Bu ilk grubun amacı sıçanların TMZ tedavisinden nasıl etkileneceğini ve TMZ tedavisinin dozunu belirlemekti * İkinci grup için dozu 7mg/kg a ve diyabet süresini 14 haftaya yükselttik * Yeni grupta diyabetik, TMZtedavili diyabetik, kontrol ve TMZ-tedavili kontrol gruplarımız var TARTIŞMA * 14. haftanın sonunda sıçanların bir bölümünde in vivo ventrikül performansı inceliyoruz * Perfüzattaki yağ asidi konsantrasyonunu 0.8 mm a yükseltiyoruz 23
Bundan Sonra Yapılacaklar Bütün grupların kalplerinde ve iskelet kaslarında 3-KAT ve PDK enzimlerinin miktarlarını inceleyeceğiz Alfa Lipoik Asidin Metabolik Etkileri Çalışmalar Dr. Gary Lopaschuk (University of Alberta) tarafından finanse edilmiştir 24
Lipoik Asit * Mitokondri içinde α-keto asitlerin dekarboksilasyonunu gerçekleştiren metabolik enzimlerin kofaktörüdür Bu enzimlerden biri de pirüvat dehidrojenaz 25
Antioksidan Lipoik Asit * Rac-LA 1960 lardan beri diyabetik hastalarda kullanılıyor * Diyabetik hastalarda >600 mg/gün dozda nöropatik semptomlarda Ziegler et al 1995, Ruhnau et al 1999 * STZ-diyabetik sıçanlarda diyete eklendiğinde glomerüler hasarı engellemiştir Melhem et al 2001 Lipoik Asit ve Metabolik Etkiler * Kontrol ve diyabetik sıçanların ve ob/ob farelerin kas hücrelerine ve adipozitlere glukoz girişini artırmaktadır Khanna et al 1999, Khamaisi et al 1997, Eason et al 2002, Cho et al 2003 26
Kim et al 2004 Lee et al 2005 ALA hipotalamusda AMPK iskelet kaslarındaki AMPK? 27
AMP-Activated Protein Kinase * Hücre-içi enerji azaldığında aktive olur Hardie et al 1997 * Glukoz alımını ve yağ asidi oksidasyonunu Hayashi et al 2000, Winder et al 2001 Amaç: ALA nın kalp kası üzerinde metabolik etkisi olup olmadığını ve varsa bu etkiye AMPK nin katkısını incelemek 28
- Deney Protokolü * Isolated working heart 1. grup: glikoliz ve glukoz oksidasyonu 2. grup: laktik asit ve palmitik asit oksidasyonu ± 500 μm ALA * AMPK aktivitesi ölçümü Kardiak output x Pik sistolik basınç x 10-2 100 80 60 40 20 0 Kardiyak İş 10 20 30 40 Zaman (dakika) Kontrol ALA 500 29
Glukoz Oksidasyon Hızı nmol x g kuru ağırlık -1 x dakika -1 600 500 400 300 200 100 0 * Zaman (dakika) Kontrol ALA 500 nmol x g kuru ağırlık -1 x dakika -1 4000 3000 2000 1000 0 Glikoliz Hızı Zaman (dakika) Kontrol ALA 500 30
Laktat Oksidasyon Hızı nmol x g kuru ağırlık -1 x dakika -1 1000 800 600 400 200 0 Zaman (dakika) Kontrol ALA 500 Palmitat Oksidasyon Hızı nmol x g kuru ağırlık -1 x dakika -1 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Zaman (dakika) Kontrol ALA 500 31
AMPK Aktivitesi pmol x mg protein -1 x min -1 300 250 200 150 100 50 0 Kontrol ALA 500 Malonil KoA nmol x g kuru ağırlık -1 5 4 3 2 1 0 Kontrol ALA 500 32
Sonuçlar 500μM ALA, glukoz oksidasyonunu artırdı. Bu artış AMPK yolağından bağımsız gerçekleşti. Bundan Sonra Yapılacaklar * ALA nasıl bir etkiyle glukoz oksidasyonunu artırıyor? * ALA iskemi-reperfüzyonda kalp fonksiyonunu etkiliyor mu? 33
Teşekkürler Prof. Dr. Melih ALTAN Şahika GÜNER Prof. Dr. Tanju ÖZÇELİKAY Işıl ÖZAKÇA Ebru ARIOĞLU Ali Murat İRAT Aydın TAY Teşekkürler Prof. Dr. Ongun ONARAN Prof. Dr. Hakan GÜRDAL Prof. Dr. Nejat AKAR 34
It s the experience that counts... Malonyl CoA Decarboxylase (MCD) Malonyl CoA Acetyl CoA Acetyl CoA Carboxylase (ACC) (-) AMP-Activated Protein Kinase (AMPK) 35
2.5 Normalized Expression 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 P-AKT Total AKT Control 500μM ALA 36