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Diskussion

Diese Studie zeigt zum ersten Mal, dass der langfristige Konsum von EDs, einzeln oder in Kombination mit Ethanol, biochemische und ultrastrukturelle Veränderungen im Herzmuskel verursacht.

Unsere Ergebnisse zeigten, dass sowohl Red Bull als auch Ethanol die Glukose- und Glykogenkonzentrationen im Herzmuskel erhöhten. In der RB-Gruppe wurde der Anstieg der Glukose- und Glykogenkonzentration durch zwei Inhaltsstoffe von ED, Koffein und Taurin, verursacht. Normalerweise bewirkt Koffein die Freisetzung von Kalzium aus den intrazytoplasmatischen Speichern (22) und aktiviert AMPK über die Kalzium/Calmodulin-abhängige Proteinkinase-Kinase-β (CaMKK) (23). AMPK fördert die Aufnahme und Verwendung von Glukose in den Kardiomyozyten (24). Außerdem hemmt AMPK entweder die Glykogensynthese über die Phosphorylierung der Glykogensynthase oder aktiviert den Glykogenabbau über die Phosphorylierung der Glykogenphosphorylase (25). Die chronische Aktivierung der AMPK, wie sie wahrscheinlich in unserer Studie erfolgte, kann jedoch die Glykogensynthese durch eine erhöhte Glukoseaufnahme und die Bildung von Glukose-6-Phosphat steigern. Dies führt zu einer allosterischen Aktivierung der Glykogensynthase, die die hemmende Phosphorylierung durch AMPK überwinden kann (26). Außerdem wurde berichtet, dass Taurin die Glukoseaufnahme, die Glykolyse und die Glykogensynthese im Herzen erwachsener Ratten erhöht (27).

In unserer Studie führte Ethanol zu einem leichten Anstieg der Glukose- und Glykogenkonzentrationen. Ethanol verringert die Empfindlichkeit gegenüber Insulin, die im Herzmuskel durch Tumornekrosefaktor-α (TNFα) und/oder Interleukin-6 (IL-6) vermittelt wird, was die Aktivierung von Jun N-terminalen Kinasen induziert, die den Akt-AS160-GLUT4-Signalweg hemmen (28). Folglich sollte die Glukosekonzentration gesunken sein. Eine Erklärung für diese Ergebnisse können wir nicht liefern, und in der Literatur gibt es keine Studie zu diesem Thema. Die in Abbildung 4 gezeigten ultrastrukturellen Veränderungen haben uns jedoch zu der Annahme veranlasst, dass der Krebszyklus nicht richtig funktionierte und folglich der Glukosestoffwechsel im Myokard beeinträchtigt war.

Die kombinierte Verabreichung von Red Bull und Ethanol führte zu einem signifikanten Anstieg der Glukosekonzentration, was zu erwarten war, da die unabhängige Verabreichung jeder dieser Komponenten die Glukosekonzentration im Myokard erhöhte.

Glykogen ist ein lebenswichtiges Molekül für die normale Funktion des Myokards. Es ist für die ontogenetische Entwicklung des Herzens notwendig, da es die notwendige Energie für das Wachstum und die Entwicklung des Organs liefert (29). Im reifen Organ ist Glykogen in geringen Mengen vorhanden und liefert Energie für das Erregungsleitungssystem. Eine große Menge an Glykogen ist nur unter ischämischen Bedingungen von Vorteil (30). Eine Glykogenanreicherung im Herzmuskel begünstigt das Auftreten des Präexzitationssyndroms (31). In mehreren Studien wurde ein Zusammenhang zwischen ED und/oder Alkohol und dem Auftreten negativer Auswirkungen auf kardiovaskulärer Ebene (Herzklopfen, Herzrhythmusstörungen, Bluthochdruck und sogar plötzlicher Herztod) festgestellt (2, 32); daher können wir nicht ausschließen, dass diese Auswirkungen mit der Glykogenansammlung im Myokard zusammenhängen.

Die Cholesterinkonzentration nahm in allen Gruppen deutlich ab. Dieser Effekt kann wiederum eine Ursache für die bei chronischem Konsum von EDs und Alkohol berichteten Myokardfunktionsstörungen sein. Eine Rolle des Cholesterins besteht darin, die Zellmembranen zu versteifen und die Form der Zellen aufrechtzuerhalten, indem es „Brücken“ (Lipid Rafts) in den Regionen bildet, in denen die Membranproteine exprimiert werden (33). Darüber hinaus steuert Cholesterin die Fluidität der Membran und spielt daher eine wichtige Rolle für das Verhältnis von Cholesterin zu Phospholipiden (34). Das molare Verhältnis von Cholesterin zu Phospholipiden in Plasmamembranen liegt in der Regel knapp unter eins (35). Daher kann eine Verringerung der Cholesterinkonzentration zu einer Destabilisierung der Membran führen, was sich wiederum auf den Zellstoffwechsel im Herzmuskel auswirken kann.

Der durch Red Bull induzierte Rückgang der Cholesterinkonzentration könnte auf den erhöhten Gehalt an Taurin und/oder Niacin in der ED zurückzuführen sein. Diese Veränderung ist in gewisser Weise zu erwarten, da sowohl Taurin als auch Niacin bei der Vorbeugung und Heilung von Atherosklerose eingesetzt werden (36, 37). Genauer gesagt senkt Taurin das Serumcholesterin (38) und Niacin senkt das Serumcholesterin und die Triglyceride und erhöht die HDL-Konzentration (39).

Eine Verringerung des Cholesterins im Herzmuskel nach einer chronischen Ethanolbehandlung wurde auch von Godfrey et al. (40) und Hu et al. (41) berichtet, aber niemand hat diese Ergebnisse je erklärt, und die physiologische Bedeutung des Phänomens ist unbekannt.

Die kombinierte Verabreichung von Red Bull und Ethanol induzierte eine noch stärkere Reduktion des Cholesterins im Myokard als die unabhängige Verabreichung der beiden Komponenten.

Unsere Ergebnisse zeigen einen leichten Anstieg der Myokardproteinkonzentration in allen behandelten Gruppen, der in der E-Gruppe signifikant war. Der leichte Anstieg der Proteinkonzentration, der nach der Verabreichung von Red Bull beobachtet wurde, könnte auf den hohen Gehalt an Vitamin B6 zurückzuführen sein. Eine in Rumänien verkaufte Dosis Red Bull enthält 250 % der empfohlenen B6-Tagesdosis. Vitamin B6 ist ein wesentlicher Kofaktor für das Funktionieren von über 140 Enzymen, die für die Synthese, den Abbau und die Umwandlung von Aminosäuren erforderlich sind (42).

Die Bildung von Proteinaddukten könnte eine Erklärung für den in unserer Studie beobachteten signifikanten Anstieg der Proteinkonzentration in der E-Gruppe sein. Untersuchungen haben gezeigt, dass Alkohol die Anhäufung von Proteinaddukten im Leber-, Nerven- und Muskelgewebe verursacht, was die ethanolinduzierte Toxizität in diesen Geweben verschlimmert (43). In einer Studie von Worrall et al. (44) wurden im Herzgewebe von Ratten nach sechswöchiger Alkoholbehandlung erhöhte Mengen an reduzierten Acetaldehyd-Proteinaddukten, nicht reduziertem Acetaldehyd und Malondialdehyd-Acetaldehyd gefunden. Darüber hinaus hat eine frühere Studie gezeigt, dass die von Acetaldehyd mit Proteinen gebildeten Addukte die Bildung von mRNA stimulieren, die für die Synthese von Kollagen und die Expression von Bindegewebsproteinen verantwortlich ist (45).

Nach allen Behandlungen stiegen die Aktivitäten vonAST und ALT im Myokard an und nahmen im Serum ab. Aufgrund der durch Red Bull und Ethanol verursachten ultrastrukturellen Veränderungen war zu erwarten, dass die Aktivitäten dieser Membranintegritätsmarker im Serum erhöht sein würden. Unsere Ergebnisse stimmen jedoch mit denen von Mihailovic et al. (46) überein, die einen Anstieg der AST-Aktivität bei unveränderter ALT-Aktivität im Herzmuskel nach einer 10-tägigen Behandlung mit Ethanol berichteten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Red Bull zumindest im Herzmuskel die gleichen schädlichen Auswirkungen hat wie Ethanol. Darüber hinaus hatte die Kombination von Red Bull und Ethanol synergistische und/oder komplementäre Auswirkungen auf die AST-Aktivität.

Die schwerwiegendsten ultrastrukturellen Veränderungen, die im Herzgewebe der mit Ethanol behandelten Ratten beobachtet wurden (Abb. 4c und and4d)4d), sind solche, die auf das Auftreten einer alkoholischen Kardiomyopathie hinweisen. Wie De Leiris et al. (47) feststellten, kommt es bei Menschen und Tiermodellen, die einem chronischen Ethanolkonsum ausgesetzt sind, zu funktionellen und strukturellen Veränderungen des Herzgewebes. Oxidativer Stress führt zur Lipidperoxidation, zur Oxidation von Proteinen, zur Verringerung des GSH-Gehalts der Mitochondrien und zu einer Störung der Kalziumhomöostase, wodurch die Kontraktionsfähigkeit des Herzmuskels beeinträchtigt wird. Die Organellen zeigen auch veränderte Strukturen mit desorganisierten Cristae, was zu einem veränderten oxidativen Stoffwechsel führt. In einer ausgezeichneten Arbeit von Tsiplenkova et al. (48) werden die durch Ethanol verursachten Schäden bei der alkoholischen Kardiomyopathie detailliert aufgeführt, wie z. B. die Veränderung der mitochondrialen Membranen, einschließlich der Schwellung der Organellen und des Verlusts der Kristae. Diese Autoren stellten auch eine Zunahme der Anzahl der Mitochondrien in den Myozyten fest, wobei der von den Mitochondrien belegte Raum größer war als der von den Myofibrillen. Dies deckt sich mit unserer Beobachtung vergrößerter intermyofibrillärer Räume, die mit Mitochondrien gefüllt sind. Interessanterweise stellten wir auch fest, dass die subsarcolemale Mitochondrienpopulation reduziert war, während zahlreiche Lysebereiche vorhanden waren.

Zudem bemerkten wir Kollagenablagerungen im interzellulären Raum, was auch von Urbano-Marquez und Fernandez-Sola (49) bei menschlichen Patienten mit alkoholischer Kardiomyopathie berichtet wurde.

Ob solche veränderten Kardiomyozyten in Apoptose oder Nekrose enden, bleibt unklar; allerdings scheint Apoptose oder sogar eine Kombination aus Apoptose und Nekrose bei alkoholischer Kardiomyopathie zu einem Myozytenverlust zu führen (50).

Während die durch Alkoholkonsum induzierten Veränderungen der Kardiomyozyten gut dokumentiert sind, gibt es, wenn überhaupt, nur sehr wenige Hinweise auf ultrastrukturelle Veränderungen, die durch EDs im Herzmuskel induziert werden. In einigen Myozyten der RB-Gruppe wies die Myofibrillenanordnung eine lockere Struktur auf, und der Raum zwischen den Myofibrillen wurde von mehreren großen (geschwollenen) Mitochondrien eingenommen, die eine verdünnte Matrix und erweiterte Cristae aufwiesen, was zu der Annahme führte, dass der oxidative Stoffwechsel beeinträchtigt war. Alle diese morphologischen Veränderungen korrelierten mit den gemessenen biochemischen Veränderungen der Glukose-, Glykogen- und Cholesterinkonzentrationen sowie der AST- und ALT-Aktivitäten, die in unserer Studie festgestellt wurden. Die übermäßige Vermehrung von Mitochondrien („Mitochondriose“) zwischen verengten Myofibrillen wurde auch von Tsiplenkova et al. (48) als ein Merkmal der alkoholischen Kardiomyopathie beschrieben.

In den Myozyten der RBE-Gruppe waren die kumulativen Auswirkungen von ED und Ethanol noch dramatischer, mit einer Zunahme der Lysisbereiche, einer Mehrheit von Myofibrillen ohne regelmäßige (parallele) Anordnung, Myofibrillen mit einem Teil von ihnen fragmentiert, und mehrere Mitochondrien mit verdünnten Strukturen und dilatierten Cristae. In den intermyofibrillären Räumen befanden sich zahlreiche Bläschen, die wahrscheinlich mit Glykogen gefüllt waren, wie bereits früher (49) bei alkoholischer Kardiomyopathie berichtet wurde. Diese strukturellen Veränderungen unterstützen auch die in unserer Studie gemessenen biochemischen Veränderungen. Mehrere Myozyten hatten hypochrome Kerne mit unregelmäßigen Rändern, und die Interkalationsscheiben waren fragmentiert und dehiszent.