Terapias mitocôndriais na insuficiência cardíaca

A terapia atual para pacientes com insuficiência cardíaca sistólica estável é amplamente limitada a tratamentos que interferem com a ativação neuro-hormonal. As características fisiopatológicas críticas da insuficiência cardíaca são um estímulo energético e um estresse oxi-dativo, e ambos podem ser o resultado da disfunção mitocondrial. Este não é o único resultado de defeito nas mitocôndrias per se, mas é, em particular, rastreado em defeitos no metabolismo intermediário e na interação regulatória entre o acoplamento de excitação-contração e a energia mitocondrial, onde os defeitos do tratamento de cálcio e sodio citossico nos corações em falta podem Desempenhar papéis importantes. Nos últimos anos, várias terapias visando mitocôndrias surgiram com resultados promissores em modelos pré-clínicos. Aqui, discutimos os mecanismos e os resultados dessas terapias direcionadas às mitocôndrias, mas também de intervenções que não foram pensadas principalmente para atingir as mitocôndrias, mas também podem ter impacto importante na biologia mitocondrial, como ferro e exercício. A pesquisa futura deve ser direcionada para delinear os detalhes da disfunção mitocondrial em pacientes com insuficiência cardíaca para otimizar ainda mais esses tratamentos.

Introdução

A atual terapia baseada em evidências (farmacológica) para a insuficiência cardíaca atua por modulação de sistemas neuro-hormonais, como a renina-angiotensina em aleatoria e os sistemas nervosos simpáticos (Ponikowski et al., 2016). Uma vez que estas terapias estão limitadas por efeitos colaterais hemodinâmicos, como não apenas hipotensão e bradicardia, mas também distúrbios eletrolíticos ou disfunção renal, há necessidade de novos medicamentos sem essas desvantagens (Gheorghiade et al., 2016). As terapias mitocondriais são uma opção promissora para esses medicamentos hemodinamicamente neutros. No entanto, o desenvolvimento de tais drogas é desafiador e os impedimentos mais proeminentes são a falta de alvos mitocondriais específicos e as dificuldades de entregar o respectivo agente ao compartimento mitocondrial (Szeto e Schiller 2011).

Do mesmo modo que diabetes e doenças neurodegenerativas, a insuficiência cardíaca é uma forma secundária de disfunção mitocondrial. Em contraste com as doenças mitocondriais primárias, a disfunção secundária é adquirida e não é causada por um defeito genético primário da maquinaria de síntese mitocondrial ou complexos da cadeia respiratória (Smith et al., 2012). As mitocôndrias são ubíquas em células de mamíferos, mas as terapias mitocondriais direcionadas preferencialmente atuam em células com alto conteúdo mitocondrial, como miocitos cardíacos ou esqueletais, que compreendem ~ 30 e 40% das mitocôndrias. No entanto, devido à ubiquidade das mitocôndrias, as terapias mitocondriais são viáveis ​​em muitas indicações diferentes. Em geral, as terapias mitocondriais visam melhorar o fardo da doença ao invés de alcançar uma recuperação completa, uma vez que eles têm um impacto em vias de doenças prejudiciais comuns (Smith et al., 2012). Como apontado por Wallace et al. (2010) e McKnight (2010), no entanto, nossa compreensão limitada da bioenergética está subjacente ao tão desapontante progresso no desenvolvimento de tratamentos voltados para o metabolismo e as mitocôndrias. Portanto, devemos colocar as doenças mitocondriais e suas terapêuticas em um contexto mais amplo de bioenergética organica e celular (McKnight 2010, Wallace et al., 2010). Por conseguinte, uma melhor compreensão do metabolismo intermediário e da biologia redox no sistema cardiovascular e, em particular, das bioenergíticas mitocondriais pode evitar falhas anteriores como as vitaminas, cuja falta de benefício nas doenças cardiovasculares pode estar relacionada segmentação não especifica e Efeitos potencialmente paradoxais sobre a biologia biológica redox em doses mais elevadas (Münzel et al., 2015).

Biologia mitocondrial e regulamento

O coração consome cerca de 6 kg de ATP por dia para bombear 10 toneladas de sangue através da circulação vascular do corpo (Marõ «n-Garcõ« a 2012). O acoplamento excitação-contração é o principal consumidor de ATP no coração: cerca de 2% da ATP celular é consumida por batimento cardíaco (Balaban 2002). Essa utilização eficiente de energia foi facilitada pela endosimbiose de uma alfaproteobactéria a uma célula progenitora eucariótica há 4 bilhões de anos. A proteobactéria sobreviveu até hoje em forma de mitocôndria e permite a maneira altamente eficaz de usar oxigênio (O2) para produzir ATP a partir de moléculas de alimentos, aumentando a eficiência da glicólise de 2 a 30 moléculas de ATP (Lane e Martin 2010). No entanto, o custo desse aumento na eficácia por bioenergética aeróbica é a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS), contra as quais são instaladas toda uma bateria de enzimas antioxidantes para prevenir o estresse oxidativo. Se, em condições patológicas, a produção de ROS supera a capacidade antioxidante, ocorre estresse oxidativo que pode contribuir para o desenvolvimento e progressão da insuficiência cardíaca (Dai et al., 2011b, Nickel et al., 2015).

As mitocôndrias possuem uma membrana externa (OMM) e uma membrana interna (IMM) (Zick et al., 2009). As invaginações do IMM formam as cristas onde os complexos da cadeia respiratória se reúnem para "supercomplexos respiratórios" ou "respirasomes" (Cogliati et al., 2016, Gu et al., 2016). A formação de cristas aumenta a superfície da membrana e, assim, aumenta a capacidade de fosforilação oxidativa (OXPHOS). Portanto, a formação densa de crista é típica das mitocôndrias em tecidos que exigem muita energia. Central para a formação das cristas e respirasomes é a cardiolipina (CL), um fosfolípido que é expressamente expresso nas mitocôndrias e, em particular, no IMM (Paradies et al., 2010).

OXPHOS regenera ATP na cadeia de transporte de elétrons (ETC) (Mitchell e Moyle 1967). NADH e FADH2, os principais produtos do Ciclo de Krebs, fornecem elétrons para o ETC, induzindo reações sequenciais redox que induzem a translocação de protões em todo o IMM, estabelecendo um gradiente de prótons (pH) que junto com o gradiente elétrico (Δψm) constitui o motivo protônico Força (ΔμH) (Fig. 1). Este ΔμH é a força motriz para a produção de ATP na F1Fo-ATP sintase (Balaban 2009). O ciclo de Krebs é alimentado por intermediários energéticos principalmente a partir de ácidos graxos como substratos (70%) e, em menor escala, glicose (30%), lactato e aminoácidos. Em princípio, no entanto, as vias metabólicas desses diferentes combustíveis estão entrelaçadas para uma rede de redundância, variabilidade e eficácia (Taegtmeyer, 2007).

A carga de trabalho cardíaca e, portanto, o consumo de ATP muda constantemente e requer uma adaptação rápida e eficaz do fornecimento de energia à demanda. Dois principais reguladores da fosforilação oxidativa são Ca2 + e ADP (Maack et al., 2007; Cortassa et al.

Fisiopatologia da insuficiência cardíaca: foco nas mitocôndrias

Em pacientes com insuficiência cardíaca, um deérito energético pode ser detectado in vivo, levando ao conceito bem conhecido do coração como "engenho fora do combustível" (Neubauer 2007). Uma redução da taxa de fosfocreatina miocárdica (PCr) para ATP, medida de forma não invasiva pela espectroscopia 31P-MR, é um indicador da falta de energia que prevê um desfecho adverso de pacientes com insuficiência cardíaca (Neubauer et al., 1997). Starling et al. (1998) observaram uma correlação inversa entre o teor de ATP e a pressão da cunha pulmonar. O declínio do ATP miocárdico foi principalmente associado a disfunção diastólica e não sistólica (Starling et al., 1998). A demanda energética aumentada e / ou a incompatibilidade energética (Gorski et al., 2015) são suportadas por diferentes modelos de insuficiência cardíaca experimental, como hipertensão (Eirin et al., 2014a), estimulação (Marõ «n-Garcõ« a et al., 2001 ), E constrição transaortic (Patten e Hall-Porter 2009).

Dois aspectos importantes do conceito de inanição de energia, no entanto, estão atualmente resolvidos de forma incompleta. Em primeiro lugar, os motivos subjacentes para o efeito energético não são claros. Vários estudos que variaram desde há 50 anos nos National Institutes of Health (NIH) (Chidsey et al., 1966, Sobel et al., 1967) para estudos mais recentes (Cordero-Reyes et al., 2014, Holzem et al., 2016) sugeriram Que a função da cadeia de transporte de elétrons per se não está prejudicada nos corações falhantes versus não-corpóreos, embora existam dados concretos (Sharov et al., 2000). Em vez disso, o metabolismo do substrato, isto é, as capacidades de glicólise e oxidação de ácidos graxos para fornecer acetil-coenzima A para o ciclo de Krebs, e também a atividade do ciclo de Krebs per se Ð responsável pela produção de NADH e FADH2 a partir da acetil-coenzima A, parecem Ser prejudicado em corações em falha (Nickel et al. 2013; Cordero-Reyes et al., 2014). Em segundo lugar, não está claro em que medida o nível energético Ð principalmente monitorado pela diminuição dos níveis de PCr Ð realmente contribui para o detém contrátil per se e a progressão de Insuficiência cardíaca (através da indução de remodelação inadaptada), ou se o deercit energetico pode prejudicar apenas a função cardíaca sob esforço máximo, como discutido com mais detalhes anteriormente (Nickel et al., 2013). Na verdade, em camundongos que são completamente deficientes de PCr, nenhum comprometimento da função cardíaca na linha de base ou após o infarto do miocárdio pode ser observado, enquanto o débito cardíaco máximo em resposta à estimulação β-adrenérgica ou a recuperação da função cardíaca por isquemia foi ligeiramente reduzida ( Lygate et al. 2013). Esses dados argumentam contra um papel inadaptado de um desdobramento da moeda ional de energia, isto é, ATP, para disfunção cardíaca. Em contraste, os defeitos mencionados do metabolismo do substrato podem resultar em acumulação de intermediários metabólicos que podem se tornar tóxicos e / ou induzir sinalização inadaptada por direito próprio (Chatham e Young 2012, Nickel et al., 2013).

Uma consequência importante das mudanças no metabolismo intermediário é o estresse oxidativo. Em pacientes com insuficiência cardíaca, o estresse oxidativo ocorre no plasma e no miocardio do VE e correlaciona-se com a disfunção do VE (Belch et al., 1991; Maack et al., 2003). Os níveis aumentados de ROS podem deteriorar o manuseio de Ca2 + (Xu et al., 1997; Zweier e Talukder 2006; Maack et al., 2009), causam arritmias (Akar et al., 2005; Wagner et al., 2013) e induzem a sinalização hipertrófica (Ago et al. Al. 2008; Erickson et al., 2008), apoptose e necrose (Halestrap 2005; Biasutto et al., 2016). A ativação de Ca2 + calmodulina quinase II (CaMKII) através de uma via dependente de ROS levou ao aumento do vazamento de Ca2 + do retículo sarcoplásmico (Viatchenko-Karpinski et al., 2014). Mas o estresse oxidativo em miócitos cardíacos pode ser adaptável (Zhang et al.2010) ou desadaptativo (Dai et al., 2011b), dependendo da sua fonte, tempo e quantidade.

Além de NADPH oxidases e outras enzimas, uma das principais fontes de ROS é a mitocôndria. Em um modelo de câncer de insuficiência cardíaca, a produção excessiva de O2 no complexo I é transformada em radicais hidroxilo H2O2 e (através da reação de Fenton) (Ide et al., 2000). Além de um aumento na produção de ROS, a diminuição da eliminação de ROS é outro contribuinte fundamental para o estresse oxidativo mitocondrial (Nickel et al., 2014). No coração falido, os defeitos na homeostasia Ca2 + resultam em amplitudes menores e em velocidades mais lentas de transientes citostáticos de Ca2 + (Bers 2006), que deterioram a absorção de Ca2 + mito-condrial para estimular enzimas-chave do ciclo de Krebs (Kohlhaas e Maack 2013). Além disso, o aumento das concentrações de Na + citossólicas, como observado na insuficiência cardíaca, acelera a exportação de Ca2 + mitocondrial através do permutador de Na + / Ca2 + mitocondrial (Maack et al., 2006, Liu e OÕRourke, 2008) (Fig. 1). Sob condições fisiológicas, os microdomínios entre o retículo sarcoplasmático (SR) e a mito-condária medeiam a absorção mitocondrial de Ca2 + eficaz (Kohlhaas e Maack 2013). Durante a sístole, concentrações muito elevadas de Ca2 + na vizinhança imediata do receita de ryanodina. Os ptors (RyRs) do SR em justaposição íntima para as mitocôndrias e o mitocondrial Ca2 + uniporter (MCU) permitem a absorção de Ca2 + nas mitocôndrias apesar da afiliação relativamente baixa da MCU para Ca2 + (Kohlhaas e Maack 2013). Esses microdomínios são controlados por proteínas de ligação entre a SR e as mitocôndrias, entre as quais a mitofusina (Mfn) 1, localizada no OMM e Mfn2, localizadas tanto na OMM quanto na SR, desempenham papéis importantes (de Brito e Scorrano 2008; Chen et Al., 2012). Nos modelos animais de insuficiência cardíaca, diminuiu A expressão de Mfn1 e Mfn2 pode deteriorar o padrão espacial bem organizado das mitocôndrias dentro dos miócitos cardíacos, mas também o microdomínio SR-mitocondrial Ca2 + (Goh et al., 2016; Maack 2016). Finalmente, a probabilidade aberta da MCU é reduzida nas mitocôndrias de corações falidos humanos (Michels et al., 2009).

Juntos, esses dados indicam que, na insuficiência cardíaca, a diminuição da captação mitocondrial de Ca2 + durante as transições de carga de trabalho cardíaco prejudica a estimulação induzida por Ca2 + do ciclo de Krebs e, assim, a regeneração de NADH e NADPH, necessária para a produção de energia e a capacidade antioxidante (Níquel Et al., 2014). Uma conseqüência importante desse desdobramento de oferta e demanda de energia é a oxidação do NADH, o que favorece o modo inverso da nucleo-tase transidrogenase mitocondrial (Nnt) durante a carga de trabalho cardíaca elevada, o que oxida o NADPH e, portanto, dissipa o antioxidante Capacidade (Nickel et al., 2015). A capacidade anti-oxidativa acoplada ao NADPH empobrecido é então sobrecarregada pela produção de ROS por respiração acoplada a NADH no ETC. Esse desequilíbrio parece ser um mecanismo central de estresse oxidativo durante a insuficiência cardíaca induzida por sobrecarga de pressão, uma vez que em animais que não possuem Nnt funcional, não ocorreu estresse oxidativo e menor disfunção sistólica ou morte prematura (Nickel et al., 2015).

De acordo com o conceito de equilíbrio ROS otimizado para o "redox" (R-ORB), Aon et al. (2010) propuseram que a "mitocôndria" tenha sido otimizada evolutivamente para maximizar a produção de energia, mantendo o ROS no máximo, operando em um estado redox intermediário "(Aon et al., 2010). Isso implica que a condição ideal para as mitocôndrias cardíacas é quando a oxidação extrema, conforme descrito acima, ou a redução do estado redox mitocondrial (como durante a isquemia) é evitada. O conceito R-ORB propõe que em condições altamente reduzidas, a alta produção de ROS no ETC supera a capacidade antioxidante. No entanto, considerando que o coração trabalhador constantemente produz ADP, que acelera fisiologicamente a respiração e, por isso, oxida a cadeia respiratória, o aumento do estresse oxidativo na insuficiência cardíaca é improvável devido a um puro aumento líquido da produção de ROS, mas sim devido à diminuição da capacidade de eliminação de ROS (Níquel Et al., 2015). O estresse oxidativo leva a um círculo vicioso, agravando o desajuste da oferta de energia e demanda (Kohlhaas e Maack 2011). As mitocôndrias estão no centro da cena, uma vez que contêm alvos típicos de dano oxidativo, como aglomerados de enxofre de ferro, ácidos graxos insaturados e proteínas densamente embaladas e DNA mitocondrial (mtDNA) que são todos essenciais para a função mitocondrial (Murphy, 2009). A proximidade da produção de ROS para os componentes do ETC, incluindo a cardiolipina, os torna mais vulneráveis ​​a danos oxidativos (Lesnefsky e Hoppel, 2008). Portanto, o estresse oxidativo afeta diretamente a função enzimática dos complexos ETC e leva à peroxidação da cardiolipina devido ao alto teor de ácidos graxos não saturados (Paradies et al., 2010). A peroxidação da cardiolipina prejudica a formação de crista e perturba o respirasome eo desprendimento do citocromo c, um transportador de elétrons móvel no IMM (Szeto 2014). O resultado líquido dessas mudanças é uma síntese de ATP reduzida e um aumento adicional na derrapagem de elétrons ao oxigênio, criando, portanto, um ciclo de feed-forward da produção de ROS induzida por ROS (Zorov et al., 2006). Além disso, o mtDNA está associado ao IMM e vulnerável ao dano oxidativo por Histonas protetoras em falta. O dano do mtDNA conduz ainda a uma menor atividade ETC e exacerbou o ciclo feed-forward da produção de ROS (Ide et al. 2001; Hebert et al., 2010).

Estratégias para terapias mitocondriais

As tentativas iniciais de melhorar o desfecho de pacientes com risco cardiovascular e / ou doença foram realizadas com a suplementação de vitaminas C e E, no entanto, essas tentativas não foram bem-sucedidas (Yusuf et al., 2000). Uma das razões para esta falha é que esses antioxidantes não atingem concentrações suficientemente elevadas dentro das mitocôndrias (Münzel et al., 2015; Murphy 2016). Além disso, dependendo da sua concentração, duração e fontes, os ROS também podem servir papéis de sinalização fisiológica (Jones e Sies 2015). Neste contexto, o conceito de ÒmitohormesisÓ pro-motos benefícios de saúde induzidos por ROS, dependendo do tempo de exposição e concentração (Ristow 2014). Por exemplo, a aplicação de vitaminas C e E em jovens saudáveis ​​preveniu os benefícios de saúde do exercício, em particular sobre a sinalização de insulina (Ristow et al., 2009). Além disso, os antioxidantes impedem a proteção miocárdica proporcionada por episódios de "desconexão" de isquemia / reperfusão breve (Baines et al., 1997; Kaeffer et al., 1997; Vanden Hoek et al., 1998). Até certo ponto, esses dados se aproximam da teoria clássica de radicais livres do envelhecimento (Liochev 2013).

Por conseguinte, outras estratégias foram empregadas para direcionar os antioxidantes mais especificamente para os compartimentos onde ROS são pensados ​​para produzir o maior dano, ou seja, para as mitocôndrias. Os princípios de tais terapias mitocondriais foram revisados ​​com mais detalhes anteriormente (Smith et al., 2012). Aqui, vamos analisar os conceitos e os resultados clínicos (se disponíveis) de diferentes terapias mitocondriais Ð e terapias que afetam as mitocôndrias Ð no contexto da insuficiência cardíaca. Uma abordagem é direcionar os medicamentos especificamente para a mitocôndria, acoplando uma farmacêutica ao catião trifenilfosfônio (TPP +), cuja lipofilicidade permite a passagem através da célula e membranas mitocondriais, e sua carga negativa facilita a acumulação da lei de distribuição de Nernst na matriz mitochondrial carregada negativamente . O exemplo mais proeminente desta estratégia é MitoQ, onde um derivado de ubiquinona é acoplado a TPP + (Kelso et al., 2001).

Ubiquinone é sinônimo de coenzima Q, que é um componente fisiológico do ETC e funciona como um transportador de elétrons. Em pacientes com insuficiência cardíaca, diminuição dos níveis de coenzima Q correlacionou-se com a gravidade da doença e poderia ser ligeiramente aumentada pela suplementação convencional de coenzima Q Q (Folkers et al., 1985). Na verdade, um estudo clínico recente observou que a suplementação oral de coenzima Q foi associada com melhora da morbidade e mortalidade em pacientes com insuficiência cardíaca (Mortensen et al., 2014). Como aceitador de elétrons, a coenzima Q também pode funcionar como antioxidante e, como não está claro até que ponto a coenzima não conjugada Q é realmente absorvida pelas mitocôndrias, a lógica do desenvolvimento do MitoQ foi, portanto, o acoplamento da coenzima Q (Ubiquinone) para TPP +, formando MitoQ (Smith et al., 2012).

Inicialmente, considerou-se uma classe similar de fármacos como MitoQ (Smith et al., 2012), os péptidos de Szeto-Schiller compreendem resíduos alternativos de aminoácidos aromáticos e básicos, onde os resíduos aromáticos foram pensados ​​para permitir a passagem através das membranas e a carga positiva atraindo A molécula à matriz mitocondrial e, Þnalmente, o resíduo de dimetiltirosina proporcionando propriedades anti-oxidativas (Zhao et al., 2004). No entanto, dados mais recentes sugerem que o SS-31, o candidato mais promissor desta família, não possui efeitos antioxidantes diretos (Brown et al., 2014), mas se liga à cardiolipina, um fosfolípido essencial do IMM (Szeto 2014) . Esta interação com a SS-31 protege a cardiolipina da oxidação e disfunção, impedindo a desmontagem dos supercomplexos ETC e, assim, a produção energética e a produção de ROS mitocondrial (Szeto et al., 2001, Szeto 2014).

Outro fator catalítico importante nas mitocôndrias é o ferro, que participa de vários clusters de ferro-enxofre (Fe / S) do ETC e do ciclo de Krebs. Em pacientes com insuficiência cardíaca, a determinação de ferro prediz um desfecho adverso (Jankowska et al., 2010) e no miocárdio com falha humana, a diminuição dos níveis de ferro está associada à diminuição da capacidade respiratória (Melenovsky et al., 2016). A aplicação de ferro intravenoso melhora o estado funcional e a capacidade de exercício em pacientes com insuficiência cardíaca (Jankowska et al., 2016), e pode assumir-se que este é principalmente o resultado de uma melhor função mitocondrial, embora isso não esteja totalmente comprovado e também não está claro se isso É um efeito nos músculos cardíacos e / ou esqueletais (Stugiewicz et al., 2016).

Finalmente, o exercício físico melhora os sintomas e a qualidade de vida em pacientes com insuficiência cardíaca, e esse efeito pode ser (pelo menos até certo ponto) relacionado a uma melhora da biogênese mitocondrial. Discutimos esses aspectos com mais detalhes nas seguintes passagens.

A coenzima Q10, também conhecida como ubiquinona, coenzima Q e ubiquinol (forma reduzida), é um componente crucial da cadeia de transporte de elétrons, transportando elétrons do complexo I, II e as ßavoproteínas de transferência de elétrons para o complexo IV (Schwarz et al., 2014). Portanto, Q10 sofre oxidação-redução cíclica. A estrutura molecular está relacionada à vitamina K, onde ÒQÓ conhece o grupo quinona e Ò10Ó do grupo 10-isoprena como estrutura molecular encontrada em seres humanos. As ubi-quinonas são onipresentes na maioria das células de mamíferos, e particularmente nos órgãos com maior demanda de energia, como o coração (Crane 2007). A taxa de oxidação-redução cíclica é mais lenta do que a taxa de citocromo c, mas esta é compensada por concentrações de coenzima Q10 10 vezes maiores do que as de outras transportadoras (Klingenberg 2010). Consequentemente, a redução das concentrações de coenzima Q10 nas mitocôndrias do coração pode retardar a respiração mitocondrial, enquanto o reabastecimento Q10 acelera a respiração (Redfearn e Burgos, 1966). Os dados pré-clínicos sugerem que a Q10 tem um papel crítico na produção de ATP, é um agente anti-inmamatório potente e pode melhorar a função endotelial (Sharma et al., 2016). De fato, além da mito-chondria, a coenzima Q10 também é encontrada em outras membranas celulares, onde controla a função da óxido nítrico sintase endotelial (eNOS), cujo desacoplamento após a depleção da coenzima Q10 pode ser uma fonte adicional para ROS e, assim, desloca a Balanço nitroso-redox para a oxidação (Mugoni et al., 2013). Sob condições fisiológicas, 50% da coenzima Q10 são ingeridas, enquanto a outra metade é sintetizada endogenamente através da via do mevalonato, que é bloqueada pelas estatinas (Bentinger et al., 2007; Crane 2007). Portanto, o tratamento de pacientes com risco cardiovascular e / ou doença com estatinas está associado a níveis reduzidos de coenzima Q10 (Banach et al., 2015). Em pacientes com insuficiência cardíaca, níveis reduzidos de coenzima Q10 correlacionaram-se com a gravidade da doença (Mortensen et al., 1990; Mortensen 2015). Como mecanismo de diminuição nas concentrações de coenzima Q10, a oxidação lipídica foi sugerida como conseqüência do estresse oxidativo (Forsmark-Andre «e et al., 1997). A coenzima Q10 foi inicialmente descrita como um preditor independente de mortalidade em 236 pacientes com insuficiência cardíaca (Molyneux et al., 2008). Uma análise pré-especificada do estudo CORONA muito maior, no entanto, não conseguiu contrarar isso (McMurray et al., 2010). Na CORONA, a rosuvastatina não reduziu o desfecho primário da morte por causas cardiovasculares, infarto do miocárdio não fatal ou acidente vascular cerebral não fatal em pacientes com cardiomiopatia isquêmica (Kjekshus et al., 2007). Nestes pacientes, a rosuvastatina reduziu a coenzima Q10, mas mesmo em pacientes com baixa coenzima Q10 basal, o tratamento com rosuvastatina não estava associado a um desfecho pior (McMurray et al., 2010). Consequentemente, a coenzima reduzida Q10 não era uma variável prognóstica independente na insuficiência cardíaca (McMurray et al., 2010). Juntos, esses dados questionam o papel causal da coenzima Q10 deÞcit em pacientes com insuficiência cardíaca, com ou sem tratamento com estatina.

Como uma terapia mitocondrial estabelecida, a coenzima Q10 cura um defeito na biossíntese Q10 por uma suplementação dietética Q10 permanente. Esta é uma exceção ao grupo de doenças mitocondriais primárias (terapeuticamente) (R € otig et al. 2000; Montini et al., 2008). Em doenças cardiovasculares, no entanto, a suplementação de coenzima Q10 tem sido prosseguida sem Þrm evidência de benefício por várias décadas. Embora uma meta-análise de vários ensaios bastante pequenos tenha indicado que a coenzima Q10 pode melhorar a fração de ejeção do LV, foram necessários estudos adicionais bem desenhados para avaliar o efeito da coenzima Q no resultado desses pacientes (Fotino et al., 2013). No recente teste de Q-SYMBIO, a coenzima Q10 foi testada contra o placebo em 420 pacientes com insuficiência cardíaca sistólica e, de fato, a coenzima Q10 melhorou os sintomas e reduziu substancialmente os principais eventos cardiovasculares adversos (Mortensen et al., 2014). No entanto, uma vez que o estudo foi subaventurado para provar um benefício nessa população, a questão de saber se a suplementação de coenzima Q10 realmente melhora o desfecho e os sintomas na insuficiência cardíaca não está totalmente instalada (Ezekowitz 2014) e a coenzima Q10 nem sequer é mencionada no máximo Orientações recentes sobre o tratamento da insuficiência cardíaca (Ponikowski et al., 2016).

MitoQ

Mito Q é um antioxidante alvo mitocondrial, onde uma fração de ubiquinona é ligada por uma cadeia de alquilo de 10 carbonos ao catião trifenilfosfônio (TPP +), que aproveita o gradiente eletroquímico (150-180 mV) em todo o IMM. Por conseguinte, os compostos acoplados a TTP + são várias vezes mais concentrados nas mitocôndrias (Murphy 2016). A fração de ubiquinol do MitoQ é um antioxidante que corre através de um ciclo redox via oxidação por ROS para uma ubiquinona e redução pelo complexo II de volta ao ubiquinol (James et al., 2007).

O MitoQ pode ser administrado por via oral, o que é seguro em roedores (Rodriguez-Cuenca et al., 2010). Estudos pré-clínicos mostram proteção contra danos oxidativos. O MitoQ de alimentação para ratos reduziu a morte celular e o dano mitocondrial e, assim, melhorou a função cardíaca após isquemia-reperfusão de corações perfundidos de Langendorff (Adlam et al., 2005). Em um modelo de insuficiência cardíaca espontaneamente hipertensa, a administração do anti-oxidante anti-oxidante Mitochondria protege contra o desenvolvimento da hipertensão, melhora a função endotelial e reduz a hipertrofia cardíaca (Graham et al., 2009). O desfecho favorável também pode ser atribuído à redução da pressão arterial e à melhora da função endotelial observada no grupo MitoQ (Bayeva et al., 2013). Além disso, o MitoQ protegeu contra antraciclina (Chandran et al. 2009), endotoxina (Supinski et al., 2009) e cardio-toxicidades induzidas por cocaína (Vergeade et al., 2010).

Estes dados pré-clínicos positivos levaram à avaliação do MitoQ em uma fase humana II na doença de Parkinson (PD), o teste PROTECT (NCT00329056) que mostrou segurança, mas nenhuma diferença entre MitoQ e placebo em qualquer medida de progressão PD (Carlisle et al., 2015). Um segundo pequeno teste com MitoQ foi realizado em pacientes com vírus crônico da hepatite C (teste CLEAR, NCT00433108), em que o MitoQ diminuiu significativamente o dano no fígado em pacientes com infecção crônica por HCV (Gane et al., 2010). Apesar destes dados clínicos favoráveis ​​que também confirmaram a segurança do MitoQ, a droga ainda não foi testada em ensaios clínicos em pacientes com doenças cardiovasculares.

Péptidos de Szeto-Schiller (composto de chumbo SS-31, também conhecido como Elamipretide ou Bendavia)

A descoberta dos péptidos de Szeto-Schiller (SS) foi serendipitária enquanto Hazel Szeto e Peter Schiller estavam trabalhando em uma família de dermorfinas. Os péptidos SS são uma nova classe de compostos que se acumulam seletivamente de 1.000 a 5.000 vezes na membrana mitocondrial interna (IMM) em comparação com o compartimento citosólico. A captação mitocondrial não depende do potencial da membrana mitocondrial (ΔΨm), o que pode ser vantajoso em condições em que ΔΨm é (parcialmente) dissipado, como isquemia ou insuficiência cardíaca.

O mecanismo central de ação da SS-31 é vinculativo seletivamente à cardiolipina através de interações eletrostáticas e hidrofóbicas. O SS-31 protege a cardiolipina do dano causado pelo estresse oxidativo (Zhao et al., 2004; Szeto 2014) e, desse modo, mantém o bom funcionamento da cadeia respiratória, evitando o deslizamento aberrante de elétrons em O2 para produzir o radical anião superóxido (O2). Além disso, SS-31 impede que a cardio-lipina converta o citocromo c em uma peroxidase enquanto protege sua função de transporte de elétrons (Szeto e Schiller 2011; Szeto 2014). Normalmente, os péptidos são drogas inadequadas principalmente devido à rápida degradação através de peptidases e sua incapacidade de atravessar membranas celulares. No entanto, os péptidos SS são solúveis em água devido ao seu caracter catiónico. Após a administração, SS-31 é rapidamente distribuído para órgãos altamente perfundidos, incluindo o coração, rim, pulmão e cérebro (Szeto, 2008). A degradação enzimática é baixa e estável mesmo após 2 h de incubação em sangue total (Szeto et al., 2001).

Em ratos, uma infusão de 4 semanas de angiotensina II induz o estresse oxidativo mitocondrial, hipertrofia miocárdica, Þbrosis e insuficiência cardíaca diastólica e SS-31, mas não a N-acetil cisteína antioxidante não especificada melhorou esses parâmetros (Dai et al., 2011a ). Em camundongos com constrição trans-aórtica, o aumento induzido pela pós-carga no estresse oxidativo é causado pela reversão da trans-hidrogenase mitocondrial, provocando uma emissão elevada de ROS mitocondrial que, em seguida, causa necrose, disfunção do LV e morte prematura (Nickel et al., 2015 ). Neste modelo, a aplicação de SS-31 impediu o aumento induzido pela pós-carga na necrose após 3 dias e a morte prematura em 6 semanas (Nickel et al., 2015). Em um modelo de hipertensão reno-vascular porcina, a SS-31 melhorou a função diastólica e a oxigenação e o efeito reverso do tecido do miocárdio após angioplastia renal e stent (Eirin et al., 2014b). Em um modelo de cão de insuficiência cardíaca sistólica, SS-31 não só melhorou a função sistólica no longo prazo (isto é, após 3 meses de tratamento), mas também no curto prazo: um tratamento de 48 horas com SS-31 aumentou FEVE E volume de acidente vascular cerebral e diminuição do volume sistólico final, sem alterações da freqüência cardíaca ou resistência vascular sistêmica (Sabbah et al., 2016).

Os dados pré-clínicos promissores e seu perfil farmacocinético justificaram novos testes clínicos em pacientes com doenças cardiovasculares. Desde abril de 2016, o nome interprofissional internacional de SS-31 é Elamipretide (ELA-, sem significado, MI-, mitocondrial, PR-, proteção, TIDE, caule de cada péptido e glicopéptido, www.stealthbth.com). Elamipretide entrou em desenvolvimento clínico com um patrocinador comercial para prostitutos (Stealth Biotherapeutials Inc., Newton, MA, EUA) em 2010. O primeiro teste de fase clínica clínico com Elamipretide para reduzir a lesão de isquemia-reperfusão em indivíduos com STEMI de Þstst-time anterior Que sofreu PCI bem sucedido, a administração intracoronariana de Elamipretide era segura e bem tolerada. No entanto, neste estudo de dose única, o tratamento com Elamipretide não foi associado a uma diminuição do tamanho do infarto do miocárdio como avaliado por AUC0 Ð 72 de CK-MB, mas alguns sinais positivos geradores de hipóteses na função LV foram observados (Gibson et al 2015).

Isso estimulou o lançamento de um programa clínico que compreende três ensaios de fase II em pacientes com insuficiência cardíaca. O primeiro teste avalia os efeitos do tratamento de 4 semanas com Elamipretide subcutâneo na função LV em indivíduos com insuficiência cardíaca estável com fração de ejeção preservada (HFpEF) comparando o delta em E / eÕ em repouso e durante o exercício submáximo entre os grupos Elamipretide e placebo ( NCT02814097). Um segundo ensaio de fase II avalia os efeitos cardíacos e renais De tratamento de curta duração com Elamipretida em pacientes hospitalizados com congestionamento por insuficiência cardíaca. O resultado primário mede a mudança no NT-proBNP entre a linha de base e o dia 8 / alta precoce (NCT02914665). Um terceiro ensaio de fase II examina o efeito de múltiplas injeções subcutâneas de Elamipretida em várias medidas da função cardíaca em pacientes com insuficiência cardíaca crônica com fração de ejeção reduzida (HFrEF). As medidas de resultado primárias são a alteração da linha de base no volume sistólico final do ventrículo esquerdo (ESV) avaliada por IRM cardíaca (NCT02788747). Os primeiros resultados dessas trilhas de insuficiência cardíaca são esperados para fevereiro de 2017.

Suplemento de ferro

O ferro não é apenas necessário para o transporte de oxigênio via hemoglobina e armazenamento de oxigênio pela mioglobina, mas também é essencial em bioenergética celular. O ferro é incorporado a uma molécula de heme ou a um conjunto de ferro-enxofre (Fe / S). A biogênese dos clusters Fe / S é um processo altamente complexo e coordenado em células vivas (Hentze et al., 2010). Seu objetivo principal é a transferência de elétrons, alternando entre estados oxidativos como parte dos complexos do ETC mitocondrial (Lill 2009). Além disso, os clusters Fe / S desempenham um papel importante na função de várias enzimas do ciclo de Krebs, como a aconitase.

Tanto a degradação de ferro como a sobrecarga de ferro podem afetar negativamente a saúde humana (Abbaspour et al., 2014). Devido à importância do ferro nos tecidos com alta demanda metabólica como o coração, o equilíbrio entre a detrito e a sobrecarga do ferro requer um controle regulatório preciso. Como metal reativo, o ferro livre catalisa a produção de radicais hidroxílicos altamente tóxicos através da reação de Fenton (Eaton e Qian, 2002). No contexto da sobrecarga crônica de ferro durante a hemocromatose, os ROS catalisados ​​por ferro podem induzir insuficiência cardíaca além da insuficiência hepática e diabetes tipo II (Gao et al., 2010, Dixon e Stockwell 2013). Também em pacientes com β-talassemia, a sobrecarga de ferro do miocárdio resultante da hemo-lise crônica e excessiva pode induzir insuficiência cardíaca que é melhorada por queladores de ferro (Tanner et al., 2007, Kremastinos et al., 2010). A determinação da frataxina, um regulador da homeostase de ferro mitocondrial, tem efeitos semelhantes na ataxia de Friedreich: os pacientes desenvolvem uma sobrecarga de ferro mitocondrial combinada com disfunção mitocondrial e dano oxidativo (Whitnall et al., 2008; Payne 2011). Além disso, a doxorrubicina induz a acumulação de ferro mitocondrial e, assim, contribui para a cardio-toxicidade mediada por ROS (Ichikawa et al., 2014). Finalmente, durante a lesão de isquemia / reperfusão, a elevação do exportador de ferro mitocondrial diminuiu o teor de ferro mitocondrial e protegida contra danos por isquemia / reperfusão em camundongos (Chang et al., 2016).

Por outro lado, em pacientes com insuficiência cardíaca crônica, a determinação do ferro sérico (ID) é bastante prevalente, afetando cerca de um terço de todos os pacientes com insuficiência cardíaca e está associada a diminuição da capacidade de exercício e resultados adversos independentes da anemia associada à ID (Jankowska Et al. 2010; von Haehling et al., 2015). Essas observações clínicas e considerações fisiopatológicas fomentaram o desenvolvimento de terapias eficientes para reter as reservas de ferro empobrecidas em pacientes com insuficiência cardíaca. A carboximetilose férrica é um fármaco intravenoso no qual um núcleo de hidróxido férrico é estabilizado por um invólucro de carboidrato, permitindo a entrega controlada de grandes quantidades de ferro nos tecidos alvo (Lyseng-Williamson e Keating 2009). De fato, a suplementação de ferro intravenoso durante 24 semanas melhorou a distância de caminhada de 6 minutos, estado funcional e bem-estar e hospitalizações reduzidas de pacientes com insuficiência cardíaca sistólica (Anker et al., 2009; Ponikowski et al., 2015; Jankowska et al., 2016 ). Em contraste, nenhum efeito sobre a mortalidade total ou cardiovascular foi notado até agora (Jankowska et al., 2016). Portanto, a aplicação de ferro intravenoso recebeu uma recomendação de classe IIa, A nas recentes linhas de guia ESC sobre o tratamento da insuficiência cardíaca (Ponikowski et al., 2015).

Atualmente, não está resolvido se os efeitos benéficos do ferro são mediados pela melhora da função cardíaca ou do músculo esquelético, ou ambos (Stugiewicz et al., 2016). Na verdade, o impacto da identificação do soro sobre o conteúdo de ferro mitocondrial em corações em falência não está claro. Em um modelo de ratos de degradação experimental de ferro, as atividades de diversos complexos ETC e respiração mitocondrial foram reduzidas (Blayney et al., 1976). Em pacientes com insuficiência cardíaca, o conteúdo total de ferro mio-cardial é reduzido (Maeder et al., 2011; Leszek et al., 2012; Haddad et al., 2016; Melenovsky et al., 2016). Contudo, o teor de ferro miocárdico não se correlacionou com o ferro sérico, a saturação sérica de transferrina ou a gravidade da doença em uma coorte de 33 pacientes com insuficiência cardíaca sistólica e uma média de FEVE 22% (Leszek et al., 2012, 2015). Nesses corações fracos em que o conteúdo de ferro do miocárdio foi diminuído, a atividade dos complexos da cadeia respiratória foi preservada, enquanto a atividade ou expressão protéica de aconitase, citrato sintase e enzimas antioxidantes foi reduzida (Melenovsky et al., 2016). Importante, em um estudo que diferenciou os teores de ferro citostáticos e mitocondriais, o ferro mitocondrial foi realmente aumentado, enquanto o ferro citosólico foi reduzido (Khechaduri et al., 2013). Nas mitocôndrias, o ferro é integrado em moléculas de heme que, por sua vez, são integradas nos complexos ETC ou nas enzimas do ciclo de Krebs. O conteúdo de hema mitocondrial também foi aumentado nos corações falhantes humanos, e nos sistemas celulares, a expressão de hema aumentada foi associada a maior produção de ROS (Khechaduri et al., 2013). Juntos, embora a maioria dos estudos mostre que, em corações falidos humanos, o teor total de ferro é reduzido, essa diminuição pode não ocorrer nas mitocôndrias (Khechaduri et al., 2013) e parece não estar relacionado ao estado do ferro sérico (Leszek et al., 2012), gravidade de A doença (Leszek et al., 2015) ou a atividade dos complexos da cadeia respiratória (Melenovsky et al., 2016).

As células absorvem ferro ligado à transferrina através do receptor de transferrina 1 (Trf1), que por sua vez está sob o controle de proteínas reguladoras de ferro (Irp) 1 e 2 (Hentze et al., 2010). Nos corações falidos humanos, a atividade de Irp e a expressão de Trf1 são downregulated (Maeder et al. 2011; Haddad et al., 2016). Em ratos com deleção específica de cardiomiócitos tanto de Irp1 como de Irp2, as reservas de ferro do miocárdio e a expressão de Trf1 foram reduzidas, e isso diminuiu as proporções de PCr / ATP e diminuiu a resposta inotrópica máxima à estimulação β-adrenérgica in vivo (Haddad et al., 2016). Esses defeitos energéticos foram relacionados à diminuição das atividades complexas I no miocárdio LV e diminuiu a respiração máxima em miócitos cardíacos isolados de ratos Irp1 / 2-detémentidos. Além disso, após o infarto do miocárdio, o desenvolvimento da hipertrofia do VE

Terapias mitocondriais na insuficiência cardíaca

E a disfunção sistólica foi agravada em camundongos com identificação específica de cardiomiócitos (Haddad et al., 2016). Esses defeitos podem ser restaurados por aplicação sistêmica de carboxymaltose férrica, sugerindo que em pacientes com insuficiência cardíaca, a suplementação de ferro pode melhorar a função cardíaca. No entanto, antes de traduzir esses resultados experimentais para a situação humana, é preciso considerar que Ð como mencionado acima Ð na insuficiência cardíaca humana, o teor de ferro não foi reduzido em mitocôndrias cardíacas (Khechaduri et al., 2013) e a diminuição do conteúdo total de ferro miocárdico foi Não associado à identificação sérica (Leszek et al., 2012) ou à diminuição da atividade ETC miocárdica (Melenovsky et al., 2016). No entanto, o estudo de Haddad et al. (2016) lança alguma luz nova sobre o metabolismo do ferro de miócito cardíaco e suporta a noção de que o ferro terapêutico pode melhorar a função cardíaca de pacientes com insuficiência cardíaca.

Juntos, embora seja claro que a ID do soro prevê um desfecho adverso e a carboximetilose férrica melhora os sintomas e a qualidade de vida em pacientes com insuficiência cardíaca, esses efeitos estão presumivelmente relacionados à melhora da função do músculo esquelético (Stugiewicz et al., 2016) e potencialmente também de doença cardíaca Função (Haddad et al., 2016). No entanto, são necessárias mais pesquisas para elucidar ainda mais o impacto e a regulação do ferro nas mitocôndrias cardíacas.

Exercício

O exercício físico parece ser uma estratégia terapêutica sistêmica e genuinamente mitocondrial. De fato, nossa compreensão crescente da regulação da biogênese e função mitocondrial também ajuda a entender como o exercício pode ter impactos positivos na saúde através da melhoria da função mitocondrial (Safdar et al., 2011; Picard et al., 2016). Na verdade, mesmo as pequenas melhorias na erntness física estão associadas a um risco de morte significativamente reduzido (Erikssen et al., 1998). Um centro molecular central para várias vias de sinalização associadas ao exercício e, em particular, para a biogênese mitocondrial no músculo esquelético e miocárdico é o co-ativador gamma do receptor ativado por proliferador de peroxissoma (PGC-1a) (Handschin e Spiegelman 2008; Safdar et al. 2011). O PGC-1α regula a expressão coordenada das principais proteínas mitocondriais da cadeia respiratória e do ciclo de Krebs (Scarpulla 2008; Ventura-Clapier et al., 2008). Além disso, os níveis de expressão de PGC-1a correlacionam-se com a capacidade de OXPHOS e em pacientes com insuficiência cardíaca, a expressão de PGC-1α do miocárdio é diminuída (Garnier et al., 2003; Sebastiani et al., 2007). Durante o exercício físico, o ROS ativou PGC-1α (e várias outras vias de sinalização), o que, por sua vez, aumenta a expressão de enzimas antioxidantes (St-Pierre et al., 2006). De fato, a aplicação de antioxidantes não seletivos, como as vitaminas C e E, pode atenuar os aprimoramentos induzidos por treinamento de resistência e ROS na capacidade antioxidante, biogênese mitocondrial, mecanismos de defesa celular e sensibilidade à insulina (Ristow et al., 2009). Isso pode explicar ainda a observação de que a suplementação de vitaminas (como uma intervenção anti-oxidativa não-direcionada) não teve impacto positivo no desfecho cardiovascular de pacientes em risco (Yusuf et al., 2000; Münzel et al., 2015).

No teste de Ação HF em pacientes com insuficiência cardíaca sistólica, exercitar melhor qualidade de vida e estado de saúde auto-relatado (Flynn et al., 2009). Após o ajuste para preditores altamente prognósticos do ponto final primário, o treinamento de exercícios foi associado a reduções signitivas significativas tanto para a mortalidade por todas as causas quanto pela hospitalização e mortalidade cardiovascular ou internação por insuficiência cardíaca (OÕConnor et al., 2009). Também em pacientes com insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada (HFpEF), o treinamento físico melhorou a capacidade de exercício (consumo máximo de oxigênio), qualidade de vida e função diastólica (Edelmann et al., 2011; Fukuta et al., 2014; Nolte et al. 2015). A comparação do treinamento de intervalo de alta intensidade com o treinamento contínuo de intensidade moderada mostrou efeito igual na melhoria da qualidade de vida e na capacidade funcional em pacientes com insuficiência cardíaca (Benda et al., 2015, Ulbrich et al., 2016). Portanto, as atuais diretrizes ESC recomendam o treinamento para o tratamento da insuficiência cardíaca para melhorar a qualidade de vida e reduzir as internações (Ponikowski et al., 2016).

Conclusões

Uma compreensão precisa dos mecanismos fisiopatológicos que afectam a função mitoconferencial e o metabolismo na insuficiência cardíaca é fundamental para a concepção de medicamentos eficazes que podem melhorar a função mitocondrial. Embora a terapêutica com ferro e o exercício já sejam recomendados nas atuais diretrizes ESC para o tratamento da insuficiência cardíaca, medicamentos novos como MitoQ e SS-31 ainda estão sob investigação pré-clínica e clínica e podem ser adições promissoras ao nosso atual armamento de intervenções neuro-hormonais .