Introduction
It is estimated that each year about 15 million people worldwide suffer from myocardial infarction. Myocardial infarction and its consequences lead to the death of about 7 million people worldwide annually and 300 thousand of those are sudden cardiac deaths (SCD). ST-elevation myocardial infarction (STEMI), which is most often caused by total occlusion of the coronary artery, is responsible for approximately 40% of all myocardial infarctions [1-3].
Early reperfusion by means of percutaneous coronary intervention and the use of antiplatelet drugs to prevent thrombosis are the most efficacious methods of treatment of acute myocardial infarction. This kind of treatment started in the first hours of coronary artery occlusion decreases the size of myocardial necrosis (infarction) and improves early- and long-term prognosis.
In Poland, an undoubted success in terms of this type of treatment has been achieved by development of an effective system for invasive treatment of acute myocardial infarction based on a network of hospitals with catheterization laboratories operating on a 24/7 basis. This leads to evident benefits in terms of in-hospital mortality reduction from a dozen to about 4-5% (L. Poloński: Polish ACS Registry 2011 – unpublished data and own unpublished studies). This document is an attempt to, perhaps partially, answer the title question addressed to the author during the Zabrze Cardiology Conference in May this year. At that time I had only 3 min to answer. Since the issue is important and prospective I have discussed it further although some of its aspects (such as prevention of procedural complications) had to be mentioned briefly.
Spectacular progress in this matter is definitely over and it will not be easy to cut down another tenth of a percent. The results of treatment of myocardial infarction depend on its size and possible complications. The latter include mainly in-stent thrombosis and bleeding. Thrombosis is a dangerous, but relatively rare complication.
The problem of bleeding complications is increasing – there was a double increase observed in 2011 (L. Poloński: Polish ACS Registry 2011 – unpublished data). This is a price we pay for more and more aggressive (effective) antiplatelet treatment, but also for execution of percutaneous interventions in elderly patients and in patients with concomitant diseases known to increase the risk of bleeding. The solution seems to include individual tailoring of treatment to specific patients and avoidance of new and more powerful drugs in the group of elderly patients and in those at high risk of bleeding due to concomitant diseases. Detailed indications regarding precautions in the use of new drugs are included in the recommendations of scientific societies. How to reduce the size of necrosis/infarction?
There is an unsolved problem consisting of a relatively long delay between the first medical contact and the time to reperfusion. This delay directly affects the size of necrosis (infarction) and therefore also the post-infarction course, which depends on the dynamics and quality of post-infarction myocardial remodeling. This is in line with a promoted slogan that "time is muscle". This in turn determines the occurrence (or not) of heart failure with all its consequences in the long term. Another unresolved problem, closely connected to the previous one, but extending beyond it, is a relatively high double-digit annual mortality (L. Poloński: Polish ACS Registry 2011 – unpublished data and own unpublished studies). It may be assumed that it depends on the extent of myocardial necrosis, but also on in-hospital complications such as peri-procedural bleeding. The idea to reduce the delay to reperfusion discussed above is a basis for multidirectional attempts to improve long-term results made for many years by individual teams as well as advocates of interventional treatment of acute coronary syndromes operating both within societies and present in the media. An improvement of organizational efficacy, as indicated by past experience, is a difficult, long-term and slowly occurring process. It requires a change of thinking of treatment subjects (potential patients), medical rescue teams and those responsible for organization of work at all stages of transport and treatment. Reperfusion injury
Another factor contributing to the size of myocardial infarction is reperfusion injury. The possibility to reduce the area of myocardial infarction by influencing reperfusion injury was suggested by several experimental studies on animals and a few clinical studies [1, 5]. Previous clinical trials aimed at reduction of this mechanism of infarct zone extension are very limited and their practical use in the clinic depends on further progress of knowledge. ST-segment elevation myocardial infarction (STEMI) treated with percutaneous coronary intervention (PCI) with stenting is a clinical model of ischemia-reperfusion. Early reperfusion achieved by PCI with stenting on one hand prevents the extension of myocardial necrosis, but on the other hand causes often irreversible injury to previously ischemic cardiomyocytes [2, 4-6]. Similar observations were made in non-ST-segment elevation myocardial infarction (NSTEMI), where both enzymatic examination and magnetic resonance studies showed coexistence of irreversible myocardial injury.
Lethal myocardial reperfusion injury reduces the benefits of early reperfusion, causing expansion of the irreversible injury zone by as much as 50% in comparison to myocardial mass injured by ischemia (animal experimental studies) [2, 6]. It may thus contribute to adverse clinical outcome in the post-infarction period, including higher early and post-hospital mortality, and/or to the onset of heart failure despite successful reperfusion in the acute phase [5].
In summary, the size of necrosis (infarction) in patients undergoing treatment is influenced by time to reperfusion (with PCI, fibrinolysis or spontaneous) and by reperfusion injury. We try to influence the first element by reduction of pain-to-balloon time (so far with limited success). Is it possible to influence the second element?
Over the years medical teams using reperfusion therapy were helpless in the prevention of post-reperfusion myocardial injury. Several promising experimental studies using animal models and various techniques to prevent reperfusion injury did not work out in the clinic [2, 5]. However, they have led to a better understanding of the mechanism of ischemic and reperfusion injuries. The discovery and confirmation in several experimental animal studies that irreversible reperfusion injury of cells (not only cardiomyocytes) is caused by change in permeability of mitochondrial permeability transition pores (mPTP) localized in the inner mitochondrial membrane resulted in renewed interest of clinical teams in the possibility of reperfusion injury control [1, 2, 5, 6].
According to current knowledge, these channels remain closed during ischemia and “open” during the early phase of reperfusion in response to specific cytosolic proteins and unstable oxidative compounds carrying reactive oxygen species (ROS) [7-10]. The efficacy of these channels is expected to play a crucial role in the maintenance of normal mitochondrial membrane potential and, consequently, proper function of mitochondria and myocardial cells in case of ischemia/reperfusion [6, 10].
Ischemic myocardial cells have reduced ATP resources, accumulate calcium ions and present other electrolytic disorders, which are accompanied by an increase of the amount of free radicals. Activation of mPTP during this period is probably prevented by low pH, caused by ischemia, which is followed by rapid growth of pH in the 1st min of reperfusion unlocking mPTP [7].
Opening of mPTP causes free passage of proteins and electrolytes through the mitochondrial membrane. This results in mitochondrial edema and loss of their function in intracellular oxygenation [2, 6, 7, 10]. It is believed that blockage of the intra-mitochondrial respiratory chain leads to changes in mitochondrial membrane potential, which results in penetration of pro-apoptotic proteins (including cytochrome C) into the cytosol [3, 7, 9, 10]. Depletion of cytochrome C within the mitochondria increases the disorder of the still existing ischemia respiratory chain disorganization and therefore potentiates dysfunction of the previously injured cells by ischemia [11]. In extreme situations opening of the mitochondrial pores may be irreversible and in consequence lead to mitochondrial disruption [6, 9].
Recent studies suggest that mitochondrial injury may be dependent on the receptor protein known as Nur 77. In normal conditions this protein is located within the cell nucleus. Oxidative stress causes translocation of this protein into the mitochondria, which leads to cytochrome loss and cellular death [12].
It is highly possible that the inner mitochondrial membrane consists of two types of pores responsible for mitochondrial injury during reperfusion. Reperfusion injury may depend, apart from kinase-dependent mPTP, on pores leading to changes of mitochondrial membrane potential in the presence of ROS and to accumulation of excessive anions within the mitochondria [10, 13]. Change of mitochondrial membrane potential in the presence of ROS may lead, independently from mPTP function, to abnormalities of ATP synthesis and in consequence to cellular death [10].
Results of experimental studies suggested that a similar “mitochondrial” mechanism is responsible for microvascular dysfunction known as the no reflow phenomenon accompanying reperfusion [10]. Mitochondrial dysfunction caused by ischemia/reperfusion was also shown to play a significant role in the experimental model of cardiac arrest [7, 9]. It may be assumed that abnormalities caused by ischemia/reperfusion are particularly frequently expressed in well-vascularized organs such as the brain, heart and kidneys. Dysfunction of these organs dominates in the picture of post-reanimation syndrome.
Some of the authors of the published experimental studies believe that cytochrome C, which is considered as a mar-ker of mitochondrial injury in highly vascularized organs, may be an important indicator of the degree of post-reanimation injury, useful in the prognosis of survival after successful reanimation [2, 3, 7, 11]. Studies aimed at confirmation of the clinical value of reperfusion injury prevention run in three directions. The first of them is aimed at the assessment of clinical efficacy of the phenomenon known as ischemic post-condition-ing, the second analyzes the value of substances directly blocking mPTP, and the third focuses on the significance of activation of protein kinases (RISKS), which should protect mitochondria of the myocardial cells against reperfusion injury [6].
Initial, single clinical studies assessing the value of the described cardioprotective procedures, mainly in patients undergoing primary PCI, indicate the need for further research in this direction. Blockage of mitochondrial inner membrane permeability
Ischemic post-conditioning during reperfusion is based on repeated balloon inflation during PCI in STEMI for several dozens of seconds. Such reperfusion interrupted by ischemia is aimed at activation of protein kinases showing cardioprotective actions by blockage of mPTP permeability [14].
Cyclosporin A is a specific inhibitor of the mPTP permeability and decreases post-reperfusion injury of the organs [1-3, 9]. So far, only one clinical study has shown that administration of cyclosporin A before reperfusion in STEMI treated with primary PCI of the infarct-related artery reduces the size of myocardial injury by about 20% [1, 5]. There were no side effects of such treatment after administration of a single bolus of the drug (2.5 mg/kg of body mass) [1]. There were also no adverse effects of the drug administered before reperfusion on post-infarction remodeling of the left ventricle in a 6-month follow-up [5].
Concerns regarding the use of cyclosporin A as an mPTP inhibitor were related to the fact that this drug does not specifically react with cyclophilin D localized within the mitochondria. Irrespectively of the inhibitory effect on mPTP through inhibition of mitochondrial cyclophilin D, cyclosporin also inhibits cyclophilin A localized in the cytosol and playing a role in the calcineurin activity regulating pathway (a protein phosphatase). This pathway, dependent on proteins activated by calcium ions, is believed to be one of the most important parts in generation of compensatory hypertrophy of the remote myocardium [5, 6, 15, 16]. This mechanism may therefore be important in the process of post-infarction left ventricular remodeling.
This was proved in experimental animals by showing that prolonged administration of cyclosporin A led to an increased tendency for post-infarction heart failure [15, 16]. The effect of single dose administration was unknown. Teams of researchers from Lyon and Montpellier demonstrated lack of such an adverse effect of the drug [5].
Administration of cyclosporine A before the reperfusion in the experimental model of cardiac arrest decreased the post-reperfusion injury of the heart, liver and kidneys and increased the chance for survival of the experimental animals [3, 9].
The currently ongoing randomized trial may confirm clinical benefits of cyclosporin A use before interventional treatment in acute coronary syndromes. The use of antioxidant compounds
he discovery of low-molecular-weight proteins with a positive electric charge, penetrating into the mitochondria – organelles where oxidative processes are very intensive – initiated a study on the possibility of their use in blockage of damaging effects of ROS under oxidative stress. Peptides studied for this purpose include Bendavia (MTP-131), the effectiveness of which, documented by decrease in the cardiac reperfusion injury, was demonstrated in experimental animals, in which the use of this peptide decreased the infarct zone from a dozen to about 30% [13].
Studies showed no protective effect of this protein during ischemia. The protein showed maximum efficiency during oxidative stress caused by reperfusion after ischemia, when the generation of ROS is high [13]. The effectiveness of the protein was based on neutralization of ROS or on blockage of their generation in the mitochondria. Earlier studies analyzed the dynamics of ROS generation under oxidative stress and showed increase of their level in the first 5 min of re-oxygenation and their disappearance after 20 min of reperfusion [10, 13].
The most intensive degradation of ROS was observed during the first 20 min of reperfusion, which was related to the greatest intensity of cell death at the same time. Bendavia does not directly block mPTP – as demonstrated for previously discussed cyclosporin A. Its protective effect on cardiomyocytes is mainly based on the antioxidant effect and on maintenance of mitochondrial electrochemical membrane potential at the appropriate level, by neutralization of ROS. Therefore, it acts to neutralize free radicals [10]. Free radical scavengers have been considered for a long time, but attempts to use them in the clinical setting were disappointing.
The protective effect of Bendavia on mitochondria sustains the function of these organelles (ATP production) and prevents cardiomyocyte damage [10]. Randomized studies with the use of this protein in humans have just started. Summary
The problem related to all of the described interventions aimed at reduction of reperfusion injury is caused by a very narrow time window forcing the use of these interventions in an early phase of reperfusion. Pharmacological compounds need to be administered before reperfusion.
Mitochondrial pores (mPTP), which open during the first min of reperfusion, are a common element combining all of these interventions [5]. Their opening should be considered as an irreversible moment generating reperfusion dependent lethal injury. Therefore, successful intervention which is difficult to achieve, must precede this moment.
The second mechanism, which is partially independent, but contributes to the mitochondrial membrane damage, is associated with reactive oxygen species (ROS). Probably ROS take part in the cell damage through their influence on the mPTP function in the mitochondria. It is also possible that these radicals influence mitochondrial membrane damage by a mechanism independent from mPTP [10, 13].
If the clinical significance of these compounds is confirmed, it cannot be excluded that they synergistically protect against reperfusion injury of the ischemic tissues, not only to the myocardium.
The future will show whether, and to what extent, this new perspective of treatment improves early and long-term prognosis of patients with ACS, including patients after cardiac arrest. References
1. Piot C, Croisille P, Staat P, et al. Effect of cyclosporine on reperfusion injury in acute myocardial infarction. N Engl J Med 2008, 359; 473-481.
2. Yellon DM, Hausenloy DJ. Myocardial reperfusion injury. N Engl J Med 2007; 357: 1121-1135.
3. Cour M, Loufouat J, Paillard M, et al. Inhibition of mitochondria permeability transition to prevent the post-cardiac arrest syndrome: a pre-clinical study. Eur Heart J 2011; 32: 226-235.
4. Podolecka E. Is it possible to reduce reperfusion injury in acute myocardial infarction? Kardiol Pol 2010; 68: 1385-1390.
5. Mewton N, Croisille P, Gahide G, et al. Effect of cyclosporine on left ventricular remodeling after reperfused myocardial infarction. J Am Coll Cardiol 2010; 55: 1200-1205.
6. Reichek N, Parcham-Azad K. Reperfision injury. Am Coll Cardiol 2010; 55: 1206-1208.
7. Han F, Da Tong, Riobo NA, et al. Early mitochondrial dysfunction in electron transfer activity and reactive oxygen species generation after cardiac. Crit Care Med 2008; 36 (11 Suppl.): 447-453.
8. Griffith EJ, Halestrap AP. Mitochondrial non-specific pores remain closed during cardiac ischemia but open upon reperfusion. Biochem J 1995; 307: 93-98.
9. Oka N, Wang L, Mi W, et al. Cyclosporine A prevents apoptosis-related mitochondria dysfunction after neonatal cardioplegic agrest. J Thorac Cardiovasc Surg 2008; 135: 123-130.
10. Kloner RA, Hale SL, Dai W, Gorman RC, et al. Reduction of ischemia/reperfusion injury with Bendavia, a mitochondria-targeting cytoprotective peptide. J Am Heart Assoc 2012; 1: e 001644, doi: 10.1161/JAMA.112.001644.
11. Radhakrishnan J, Wang S, Ayoub IM, et al. Circulating levels of cytochrome c after resuscitation from cardiac arrest: a marker of mitochondrial injury and predictor of survival. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2007; 292: 767-775.
12. Cheng Z, Volkers M, Din S, et al. Mitochondrial translocation of Nur 77 mediates cardiomyocyte apoptosis. Eur Heart J 2011; 32: 2179-2188.
13. Brown DA, O’Rourke B. Cardiac mitochondria and arrhythmias. Cardiovasc Res 2010, 88: 241-249.
14. Staat P, Rioufol G, Piot C, et al. Postconditioning the human heart. Circulation 2005; 112: 2143-2148.
15. Youn TJ, Piao H, Kwon JS, et al. Effects of the calcineurin dependent signaling pathway inhibition by cyclosporine A on early and late cardiac remodeling following myocardial
infarction. Eur J Heart Fail 2002; 4: 713-718.
16. Oie E, Bjo/rnerheim R, Clausen OP, et al. Cyklosporin A inhibits cardiac hypertrophy and enhances cardiac dysfunction during postinfarction failure in rats. Am J Physiol Heart Circ 2000; 278: 2115-2123.
Wstęp
Szacuje się, że rocznie około 15 mln osób na świecie choruje na zawał mięśnia sercowego. Z powodu zawału serca i jego konsekwencji umiera rocznie około 7 mln osób, ponad 300 tys. nagle (nagłe zatrzymanie krążenia – NZK). W około 40% jest to zawał serca z uniesieniem odcinka ST (ST elevation myocardial infarction – STEMI), któremu najczęściej towarzyszy całkowite zamknięcie tętnicy wieńcowej [1–3].
Najskuteczniejszym sposobem leczenia ostrego zawału mięśnia sercowego jest wczesne przywrócenie perfuzji za pomocą angioplastyki wieńcowej i zastosowanie leków przeciwpłytkowych w celu zapobiegania zakrzepicy. Terapia taka zastosowana w pierwszych godzinach od zamknięcia tętnicy wieńcowej zmniejsza obszar martwicy mięśnia sercowego (zawału), co poprawia wczesne i odległe rokowanie.
W zakresie tego typu leczenia w Polsce osiągnięto niekwestionowany sukces – wypracowano skuteczny system inwazyjnego leczenia ostrej fazy zawału mięśnia sercowego oparty na sieci szpitali ze stałym dyżurem hemodynamicznym. Przynosi to istotne korzyści w postaci zmniejszenia śmiertelności wewnątrzszpitalnej z kilkunastu do około 4–5% (L. Poloński: Polski Rejestr OZW 2011 – dane niepublikowane oraz badanie własne niepublikowane).
Niniejsze opracowanie jest próbą odpowiedzi, zapewne częściowej, na tytułowe pytanie, które zadano autorowi podczas Zabrzańskiej Konferencji Kardiologicznej w maju ubiegłego roku. Wówczas na odpowiedź były 3 minuty. Ponieważ zagadnienie jest ważne i „rozwojowe”, zostanie omówione szerzej, chociaż pewne jego aspekty (np. zapobieganie powikłaniom zabiegów) z konieczności potraktowano skrótowo.
Spektakularny postęp w omawianym zakresie mamy już z pewnością za sobą i niełatwo będzie uzyskać dalszą poprawę. Wyniki leczenia zawału serca zależą od jego rozmiarów i ewentualnych powikłań, do których należą głównie zakrzepica w stencie i krwawienia. Zakrzepica – groźna – jest stosunkowo rzadkim powikłaniem.
Narasta problem krwawień – w 2011 roku odnotowano ich dwukrotny wzrost (L. Poloński: Polski Rejestr OZW 2011 – dane niepublikowane). Jest to cena coraz bardziej agresywnego (skutecznego) leczenia przeciwpłytkowego, a także stosowania angioplastyki u ludzi starszych, obciążonych dodatkowymi schorzeniami o wyższym ryzyku krwawień. Wydaje się, że rozwiązaniem jest indywidualny dobór leczenia u poszczególnych chorych i jednak unikanie nowych, silniejszych leków u osób starszych oraz podatnych na występowanie krwawień z powodów chorób współistniejących. Dokładne wskazania dotyczące ostrożności w stosowaniu nowych leków są zawarte w zaleceniach towarzystw naukowych. Jak dążyć do zmniejszenia rozmiarów martwicy lub zawału?
Nadal nierozwiązanym problemem jest stosunkowo duże opóźnienie od pierwszego kontaktu z lekarzem rozpoznającym ostry zespół wieńcowy do uzyskania reperfuzji. Opóźnienie to wpływa bezpośrednio na wielkość martwicy (zawału), w myśl propagowanego hasła: „czas to mięsień”, a więc także na przebieg pozawałowy, którego istotą jest dynamika i jakość procesu przebudowy pozawałowej mięśnia sercowego. To z kolei determinuje wystąpienie lub nie w odległej perspektywie niewydolności serca ze wszystkimi jej konsekwencjami. Drugim nierozwiązanym problemem, łączącym się ściśle z poprzednim, jest stosunkowo duża, kilkunastoprocentowa śmiertelność roczna (L. Poloński: Polski Rejestr OZW 2011 – dane niepublikowane oraz badanie własne niepublikowane). Można przyjąć, że zależy ona od wielkości uszkodzenia miokardium oraz powikłań wewnątrzszpitalnych, np. krwawień okołozabiegowych. Zmniejszenie opóźnienia uzyskania reperfuzji jest podstawą wielokierunkowych starań mających na celu poprawę także wyników odległych, które są prowadzone od lat zarówno przez poszczególne zespoły, jak i propagatorów inwazyjnego leczenia ostrych zespołów wieńcowych, działających w ramach towarzystw naukowych i występujących w mediach. Poprawa sprawności organizacyjnej, jak wskazuje dotychczasowe doświadczenie, jest procesem trudnym, wieloletnim, zachodzącym wolno i wymagającym zmiany świadomości podmiotów leczenia (potencjalnych pacjentów), zespołów ratownictwa medycznego oraz osób odpowiedzialnych za organizację pracy na wszystkich etapach transportu i terapiiUszkodzenie przez reperfuzję
Drugim elementem wpływającym na wielkość zawału serca jest uszkodzenie przez reperfuzję. Na możliwość zmniejszenia obszaru zawału mięśnia sercowego poprzez wpływanie na uszkodzenie reperfuzyjne wskazują liczne prace eksperymentalne przeprowadzane u zwierząt doświadczalnych i pojedyncze prace kliniczne [1, 4].
Dotychczasowe próby kliniczne dotyczące redukowania tego mechanizmu poszerzenia strefy zawału są bardzo ograniczone i ich wykorzystanie w praktyce klinicznej zależy od dalszego postępu wiedzy.
Ostry zawał serca przebiegający z uniesieniem odcinka ST leczony za pomocą angioplastyki wieńcowej (percutaneous coronary intervention – PCI) z implantacją stentu jest klinicznym modelem niedokrwienia i reperfuzji. Wczesna reperfuzja uzyskana za pomocą angioplastyki z implantacją stentu z jednej strony zapobiega szerzeniu się obszaru martwicy miokardium, z drugiej jednak powoduje uszkodzenie, często nieodwracalne, niedokrwionych wcześniej kardiomiocytów [2, 4–6]. Podobnie jest w zawale serca przebiegającym bez uniesienia odcinka ST (non ST elevation myocardial infarction – NSTEMI), ponieważ zarówno badania enzymatyczne, jak i w rezonansie magnetycznym wskazują na współistnienie nieodwracalnego uszkodzenia komórek miokardium.
Nieodwracalne uszkodzenie kardiomiocytów przez reperfuzję (lethal myocardial reperfusion injury) zmniejsza korzyści z wczesnego leczenia reperfuzyjnego, co powoduje poszerzenie strefy nieodwracalnie uszkodzonej, być może nawet o 50% w stosunku do masy mięśnia uszkodzonego przez niedokrwienie (badania eksperymentalne na zwierzętach) [2, 6]. Może się tym samym przyczynić do niekorzystnego przebiegu klinicznego w okresie pozawałowym, w tym do zwiększonej wczesnej i poszpitalnej śmiertelności i/lub wystąpienia niewydolności serca pomimo skutecznego leczenia reperfuzyjnego w ostrej fazie [4].
Podsumowując – na wielkość martwicy (zawału) u chorych poddawanych leczeniu wpływa czas do uzyskania reperfuzji (metodą PCI, fibrynolizy lub spontanicznej) oraz uszkodzenie spowodowane przez reperfuzję. Na pierwszy element staramy się wpływać (dotychczas z ograniczoną skutecznością) poprzez skrócenie czasu pain-baloon. Czy można zatem wpływać na drugi element?
Przez wiele lat zespoły stosujące leczenie reperfuzyjne były bezsilne w zapobieganiu poreperfuzyjnemu uszkodzeniu miokardium. Liczne i obiecujące badania eksperymentalne z użyciem modeli zwierzęcych i z zastosowaniem różnych technik zapobiegania uszkodzeniu po reperfuzji nie sprawdzały się w klinice [2, 4]. Doprowadziły one jednak do lepszego zrozumienia mechanizmów powstawania uszkodzenia zarówno niedokrwiennego, jak i reperfuzyjnego.
Odkrycie i potwierdzenie w wielu eksperymentach zwierzęcych, że za nieodwracalne uszkodzenie reperfuzyjne komórek (nie tylko kardiomiocytów) odpowiada zmiana przepuszczalności kanałów zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej (mitochondrial permeability transition pore – mPTP), spowodowało ponowne zainteresowanie zespołów klinicznych możliwością kontrolowania uszkodzenia reperfuzyjnego [1, 2, 4, 6].
Kanały te według obecnej wiedzy są zamknięte w okresie niedokrwienia, a „otwierają się” we wczesnym okresie reperfuzji pod wpływem specyficznych białek cytozolu oraz niestabilnych związków utleniających będących nośnikami wolnych rodników tlenowych (reactive oxygen species – ROS) [7–10]. Sprawność tych kanałów odgrywa zasadniczą rolą w zachowaniu prawidłowego potencjału błony mitochondrialnej, a w konsekwencji prawidłowej funkcji mitochondriów i komórek miokardium w sytuacji niedokrwienia lub reperfuzji [6, 10].
W komórkach niedokrwionego mięśnia sercowego dochodzi do zmniejszenia zasobów ATP, kumulacji jonów wapniowych oraz innych zaburzeń elektrolitowych, którym towarzyszy zwiększenie liczby wolnych rodników. Prawdopodobnie niskie pH spowodowane niedokrwieniem zapobiega uaktywnieniu mPTP w tym okresie, a jego szybki wzrost w pierwszych minutach reperfuzji odblokowuje mPTP [7].
Otwarcie mPTP powoduje swobodne przenikanie białek i elektrolitów przez błonę mitochondrialną. W konsekwencji prowadzi to do obrzęku mitochondriów i utraty ich funkcji w procesie oddychania wewnątrzkomórkowego [2, 6, 7, 10].
Uważa się, że zablokowanie wewnątrzmitochondrialnego łańcucha oddechowego przyczynia się do zmiany potencjału błony mitochondrialnej, której następstwem jest przedostawanie się do cytozolu białek proapoptotycznych, w tym cytochromu C [3, 7, 9, 10]. Ubytek cytochromu C wewnątrz mitochondriów nasila zaburzoną niedokrwieniem sprawność łańcucha oddechowego, co zwiększa – w tym dodatkowym mechanizmie – dysfunkcję komórki uszkodzonej wcześniej niedokrwieniem [11].
W skrajnych sytuacjach otwarcie kanałów mitochondrialnych może być nieodwracalne i prowadzić do rozpadu mitochondriów [6, 9].
Ostatnie badania sugerują, że za uszkodzenie mitochondriów może być odpowiedzialne białko receptorowe oznaczone symbolem Nur 77. Białko to w warunkach prawidłowych znajduje się wewnątrz jąder komórkowych. Jego translokację do mitochondriów wywołuje stres oksydacyjny, co prowadzi do utraty cytochromu i śmierci komórki [12].
Jest wielce prawdopodobne, że w wewnętrznej błonie mitochondrialnej znajdują się dwa rodzaje kanałów odpowiadających za uszkodzenie mitochondriów w okresie reperfuzji. Oprócz kinazozależnych mPTP za uszkodzenie reperfuzyjne mogą odpowiadać kanały prowadzące do zmiany potencjału błony mitochondrialnej pod wpływem ROS i gromadzenia wewnątrz mitochondriów nadmiaru anionów [10, 13]. Zmiana potencjału błonowego mitochondriów pod wpływem ROS może niezależnie od funkcji mPTP powodować zaburzenia w powstawaniu ATP i w konsekwencji śmierć komórek [10].
Na podstawie badań eksperymentalnych sugeruje się także, że podobny mechanizm „mitochondrialny” jest odpowiedzialny za zaburzenia na poziomie mikrokrążenia, co wywołuje zespół no reflow phenomenon towarzyszący reperfuzji [10]. Wykazano także istotną rolę zaburzeń funkcji mitochondriów spowodowanych niedokrwieniem lub reperfuzją w eksperymentalnym zatrzymaniu krążenia [7, 9].
Można przypuszczać, że zaburzenia związane z niedokrwieniem lub reperfuzją są szczególnie silnie wyrażone w narządach bogato unaczynionych, takich jak mózg, serce, nerki. Zaburzenia funkcji tych narządów przeważają w obrazie zespołu poreanimacyjnego.
Część autorów publikowanych prac eksperymentalnych uważa, że cytochrom C – traktowany jako marker uszkodzenia mitochondriów w bogato unaczynionych narządach – może być ważnym wskaźnikiem stopnia uszkodzenia okołoreanimacyjnego, prognozującym przeżycie po skutecznej reanimacji [2, 3, 7, 11].
Badania mające na celu potwierdzenie klinicznego znaczenia ochrony przed uszkodzeniem reperfuzyjnym przebiegają w trzech kierunkach. Pierwszym jest ocena skuteczności klinicznej zjawiska określanego jako hartowanie mięśnia podczas reperfuzji (ischemic postconditioning), drugi to badanie znaczenia substancji blokujących bezpośrednio mPTP, trzeci – znaczenie aktywacji kinaz białkowych (RISKS), które mają chronić przed uszkodzeniem reperfuzyjnym mitochondria komórek mięśnia sercowego [6].
Wstępne, pojedyncze badania kliniczne oceniające tak rozumiane zabiegi kardioprotekcyjne, podejmowane przeważnie w grupach chorych poddawanych pierwotnej angioplastyce wieńcowej, wskazują na potrzebę dalszych prób w tym kierunku.
Blokowanie przepuszczalności błony wewnętrznej mitochondriów
Hartowanie niedokrwieniem w okresie reperfuzji polega na kilkakrotnym, kilkudziesięciosekundowym wypełnieniu balonika w trakcie wykonywania PCI w STEMI. Taka przerywana niedokrwieniem reperfuzja ma aktywować białkowe kinazy wpływające kardioprotekcyjnie przez blokowanie przepuszczalności mPTP [14].
Cyklosporyna A jest specyficznym inhibitorem przepuszczalności mPTP i zmniejsza poreperfuzyjne uszkodzenie narządów [1–3, 9]. W jedynej dotąd pracy klinicznej wykazano, że podanie cyklosporyny A przed reperfuzją w STEMI leczonym pierwotną PCI tętnicy odpowiedzialnej za zawał zmniejsza obszar uszkodzenia miokradium o około 20% [1, 5]. Nie stwierdzono przy tym działań ubocznych takiego leczenia przy podaniu leku w dawce 2,5 mg/kg m.c. w jednorazowym bolusie [1]. Nie odnotowano także niekorzystnego wpływu na pozawałową przebudowę lewej komory w obserwacji 6-miesięcznej od podania leku przed reperfuzją [4].
Obawy związane ze stosowaniem cyklosporyny A jako inhibitora mPTP wiązały się z brakiem specyficzności jej działania w reakcji z cyklofiliną D zlokalizowaną we wnętrzu mitochondriów. Niezależnie od hamującego wpływu na mPTP poprzez hamowanie mitochondrialnej cyklofiliny D, cyklosporyna hamuje także cyklofilinę A zlokalizowaną w cytozolu, zaangażowaną w szlaku regulującym aktywność kalcyneuryny – białkowej fosfatazy. Szlak ten, zależny od białek aktywowanych jonami wapnia, uważany jest za jeden z istotniejszych w generowaniu kompensacyjnego przerostu miokardium w strefie pozazawałowej [4, 6, 15, 16]. Mechanizm ten może więc mieć istotne znaczenie w procesie przebudowy pozawałowej lewej komory.
Udowodniono to u zwierząt doświadczalnych, wykazując zwiększoną tendencję do występowania pozawałowej niewydolności serca w przypadkach przedłużonego podawania cyklosporyny A [15, 16]. Nieznany był natomiast efekt dawki jednorazowej. Grupy badaczy z Lyonu i Montpellier wykazały brak takiego niekorzystnego wpływu leku [4].
W eksperymentalnym zatrzymaniu krążenia podanie cyklosporyny A przed reperfuzją zmniejszało uszkodzenie poreperfuzyjne serca, wątroby i nerek, a także zwiększało szansę przeżycia zwierząt doświadczalnych [3, 9].
Prowadzone obecnie badanie z randomizacją być może potwierdzi kliniczne korzyści wynikające ze stosowania cyklosporyny A w zespołach ostrego niedokrwienia serca przed stosowanym leczeniem interwencyjnym.
Zastosowanie związków antyoksydacyjnych
Wykrycie drobnocząsteczkowych białek obdarzonych dodatnim ładunkiem elektrycznym, przenikających do mitochondriów – organelli, w których procesy utlenienia są niezwykle intensywne, zapoczątkowało badania nad możliwością ich zastosowania w blokowaniu uszkadzającego wpływu ROS w warunkach stresu oksydacyjnego. Do peptydów poddawanych takim badaniom należy Bendavia (MTP-131), której skuteczność, wyrażająca się zmniejszeniem uszkodzenia kardiomiocytów przez reperfuzję, wykazano u zwierząt doświadczalnych, u których zmniejszała ona strefę zawału serca od kilkunastu do około 30% [13].
W przeprowadzonych badaniach stwierdzono brak protekcyjnego wpływu tego białka w okresie niedokrwienia. Największą efektywność wykazywało ono w okresie stresu oksydacyjnego spowodowanego przez reperfuzję po okresie niedotlenienia, wówczas gdy generowanie ROS jest wysokie [13]. Skuteczność białka polegała na neutralizowaniu ROS lub blokowaniu ich w miejscu powstawania – w mitochondriach. We wcześniejszych badaniach przeanalizowano dynamikę generowania ROS pod wpływem stresu oksydacyjnego i wykazano narastanie ich poziomu w pierwszych 5 min reoksygenacji i zanikanie po 20 min reperfuzji [10, 13].
Najintensywniejszy rozpad ROS stwierdzono w ciągu 20 min od początku reperfuzji, co pociągało za sobą obserwowaną w tym samym czasie największą intensywność obumierania komórek. Bendavia nie blokuje mPTP bezpośrednio – jak wykazano to dla wcześniej omówionej cyklosporyny A. Jej protekcyjne działanie w stosunku do kardiomiocytów polega głównie na wpływie antyoksydacyjnym i utrzymaniu elektrochemicznego potencjału błony mitochondrialnej na właściwym poziomie poprzez neutralizację powstających ROS. Tym samym jest ona neutralizatorem ROS [10]. O wymiataczach (scavengers) wolnych rodników tlenowych mówi się od dawna, ale próby ich stosowania w praktyce klinicznej dotychczas nie przyniosły oczekiwanych rezultatów.
Protekcyjne działanie Bendavii w stosunku do mitochondriów podtrzymuje ich funkcję – produkcję ATP – i zapobiega uszkodzeniu kardiomiocytów [10]. Badania z randomizacją z zastosowaniem tego białka u ludzi właśnie się rozpoczynają.Podsumowanie
Problemem łączącym wszystkie wymienione interwencje zmierzające do zmniejszenia uszkodzenia reperfuzyjnego jest „bardzo wąskie okno czasowe”, wymuszające stosowanie ich na początku przywrócenia przepływu. W przypadku stosowania środków farmaceutycznych należy je podać przed uzyskaniem reperfuzji.
Wspólnym elementem łączącym wymienione interwencje są mPTP, które ulegają otwarciu w pierwszych minutach reperfuzji [4]. Ich otwarcie należy uznać za moment generujący w sposób nieodwracalny wywołaną reperfuzją śmierć komórki. Dlatego trudna do osiągnięcia, skuteczna interwencja musi wyprzedzać ten moment.
Drugi mechanizm, częściowo niezależny, ale współuczestniczący w uszkodzeniu błony mitochondrialnej, wiąże się z działaniem ROS. Najprawdopodobniej ROS uczestniczą w uszkodzeniu komórek, wpływając na funkcję mPTP w mitochondriach. Prawdopodobny jest jednak także wpływ uszkadzający błonę mitochondrialną w innym mechanizmie, niezależnym od mPTP [10, 13].
Jeśli potwierdzi się znaczenie kliniczne wymienionych związków, to nie można wykluczyć ich synergistycznego działania chroniącego przed reperfuzyjnym uszkodzeniem niedokrwionych tkanek, nie tylko miokardium.
Czy i w jakim stopniu ta zarysowująca się, nowa perspektywa leczenia poprawi wczesne i odległe rokowanie chorych z ostrymi zespołami wieńcowymi, w tym po NZK, pokażą przyszłe lata. Piśmiennictwo
1. Piot C, Croisille P, Staat P i wsp. Effect of cyclosporine on reperfusion injury in acute myocardial infarction. N Engl J Med 2008, 359; 473-481.
2. Yellon DM, Hausenloy DJ. Myocardial reperfusion injury. N Engl J Med 2007; 357: 1121-1135.
3. Cour M, Loufouat J, Paillard M i wsp. Inhibition of mitochondria permeability transition to prevent the post-cardiac arrest syndrome: a pre-clinical study. Eur Heart J 2011; 32: 226-235.
4. Mewton N, Croisille P, Gahide G i wsp. Effect of cyclosporine on left ventricular remodeling after reperfused myocardial infarction. J Am Coll Cardiol 2010; 55: 1200-1205.
5. Podolecka E. Czy można zmniejszyć uszkodzenie reperfuzyjne w ostrym zawale serca? Kardiol Pol 2010; 68: 1385-1390.
6. Reichek N, Parcham-Azad K. Reperfision injury. Am Coll Cardiol 2010; 55: 1206-1208.
7. Han F, Da Tong, Riobo NA i wsp. Early mitochondrial dysfunction in electron transfer activity and reactive oxygen species generation after cardiac. Crit Care Med 2008; 36 (11 Suppl.): 447-453.
8. Griffith EJ, Halestrap AP. Mitochondrial non-specific pores remain closed during cardiac ischemia but open upon reperfusion. Biochem J 1995; 307: 93-98.
9. Oka N, Wang L, Mi W i wsp. Cyclosporine A prevents apoptosis-related mitochondria dysfunction after neonatal cardioplegic arrest. J Thorac Cardiovasc Surg 2008; 135: 123-130.
10. Kloner RA, Hale SL, Dai W i wsp. Reduction of ischemia/reper- fusion injury with Bendavia, a mitochondria-targeting cytopro- tective peptide. J Am Heart Assoc 2012; 1: e 001644, doi: 10.1161/JAMA.112.001644.
11. Radhakrishnan J, Wang S, Ayoub IM i wsp. Circulating levels of cytochrome c after resuscitation from cardiac arrest: a marker of mitochondrial injury and predictor of survival. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2007; 292: 767-775.
12. Cheng Z, Volkers M, Din S i wsp. Mitochondrial translocation of Nur 77 mediates cardiomyocyte apoptosis. Eur Heart J 2011; 32: 2179-2188.
13. Brown DA, O’Rourke B. Cardiac mitochondria and arrhythmias. Cardiovasc Res 2010; 88: 241-249.
14. Staat P, Rioufol G, Piot C i wsp. Postconditioning the human heart. Circulation 2005; 112: 2143-2148.
15. Youn TJ, Piao H, Kwon JS i wsp. Effects of the calcineurin dependent signaling pathway inhibition by cyclosporine A on early and late cardiac remodeling following myocardial infarction. Eur J Heart Fail 2002; 4: 713-718.
16. Oie E, Bjo/rnerheim R, Clausen OP i wsp. Cyclosporin A inhibits cardiac hypertrophy and enhances cardiac dysfunction during postinfarction failure in rats. Am J Physiol Heart Circ 2000; 278: 2115-2123.
