PMC

Discussion

This study shows, for the first time, that the long-term consumption of EDs, individually or in combination with ethanol, causes biochemical and ultrastructural alterations in the heart muscles.

Our results revealed that both Red Bull and ethanol increased glucose and glycogen concentrations in the myocardium. W grupie RB wzrost stężenia glukozy i glikogenu był spowodowany przez dwa składniki ED, kofeinę i taurynę. Normalnie kofeina powoduje uwolnienie wapnia z magazynów wewnątrzcytoplazmatycznych (22) i aktywuje AMPK poprzez kinazę białkową zależną od wapnia/kalmoduliny-β (CaMKK) (23). AMPK promuje wychwyt i wykorzystanie glukozy w kardiomiocytach (24). Ponadto AMPK albo hamuje syntezę glikogenu poprzez fosforylację syntazy glikogenu, albo aktywuje degradację glikogenu poprzez fosforylację fosforylazy glikogenu (25). Jednakże przewlekła aktywacja AMPK, jak to prawdopodobnie miało miejsce w naszym badaniu, może zwiększać syntezę glikogenu poprzez zwiększenie wychwytu glukozy i tworzenie glukozo-6-fosforanu. To indukuje allosteryczną aktywację syntazy glikogenu, która może pokonać hamującą fosforylację przez AMPK (26). Ponadto stwierdzono, że tauryna zwiększa wychwyt glukozy, glikolizę i syntezę glikogenu w sercu dorosłych szczurów (27).

W naszym badaniu etanol prowadził do niewielkiego wzrostu stężenia glukozy i glikogenu. Etanol zmniejsza wrażliwość na insulinę, w czym w mięśniu sercowym pośredniczy czynnik martwicy nowotworów-α (TNFα) i/lub interleukina-6 (IL-6), indukując aktywację N-końcowych kinaz Jun, co hamuje szlak sygnałowy Akt-AS160-GLUT4 (28). W związku z tym stężenie glukozy powinno było ulec zmniejszeniu. Nie potrafimy wyjaśnić tych wyników, a w literaturze brak jest badań na ten temat. Jednak zmiany ultrastrukturalne przedstawione na rycinie 4 skłoniły nas do przypuszczenia, że cykl Krebsa nie funkcjonował prawidłowo, a w konsekwencji metabolizm glukozy w mięśniu sercowym był zaburzony.

Połączone podawanie Red Bulla i etanolu spowodowało znaczący wzrost stężenia glukozy, co było oczekiwane, ponieważ niezależne podawanie każdego z tych składników zwiększało stężenie glukozy w mięśniu sercowym.

Glikogen jest ważną cząsteczką dla prawidłowego funkcjonowania mięśnia sercowego. Jest on niezbędny do rozwoju ontogenetycznego serca, ponieważ dostarcza niezbędnej energii do wzrostu i rozwoju tego narządu (29). W dojrzałym narządzie glikogen występuje w niewielkich ilościach, dostarczając energii do systemu ekscytoprzewodzącego. Duża ilość glikogenu jest korzystna tylko w warunkach niedokrwienia (30). Nagromadzenie glikogenu w mięśniu sercowym sprzyja wystąpieniu zespołu preekscytacji (31). W kilku badaniach odnotowano związek ED i/lub alkoholu z występowaniem negatywnych skutków na poziomie sercowo-naczyniowym (kołatanie serca, zaburzenia rytmu serca, nadciśnienie tętnicze, a nawet nagły zgon sercowy) (2, 32), dlatego nie można wykluczyć, że skutki te były związane z akumulacją glikogenu w mięśniu sercowym.

Stężenie cholesterolu istotnie zmniejszyło się we wszystkich grupach. Efekt ten może być z kolei przyczyną dysfunkcji mięśnia sercowego opisywanych w przypadku przewlekłego spożywania EDs i alkoholu. Rolą cholesterolu jest usztywnianie błon komórkowych i utrzymywanie kształtu komórek poprzez tworzenie „mostków” (raftów lipidowych) w rejonach, w których dochodzi do ekspresji białek błonowych (33). Dodatkowo, cholesterol kontroluje płynność błony, a co za tym idzie, odgrywa ważną rolę w stosunku cholesterolu do fosfolipidów (34). Stosunek molowy cholesterolu do fosfolipidów w błonach plazmatycznych jest zwykle utrzymywany nieco poniżej jedności (35). Dlatego obniżenie stężenia cholesterolu może prowadzić do destabilizacji błon, co z kolei może wpływać na metabolizm komórkowy w mięśniu sercowym.

Zmniejszenie stężenia cholesterolu wywołane przez Red Bulla mogło być spowodowane podwyższoną zawartością tauryny i/lub niacyny obecnych w ED. Zmiana ta jest poniekąd spodziewana, ponieważ zarówno tauryna, jak i niacyna są stosowane w profilaktyce i leczeniu miażdżycy (36, 37). Dokładniej, tauryna obniża stężenie cholesterolu w surowicy (38), a niacyna obniża stężenie cholesterolu i trójglicerydów w surowicy oraz zwiększa stężenie HDL (39).

Zmniejszenie stężenia cholesterolu w mięśniu sercowym po przewlekłym leczeniu etanolem odnotowali również Godfrey i wsp. (40) oraz Hu i wsp. (41), ale nikt nigdy nie wyjaśnił tych wyników, a fizjologiczne znaczenie tego zjawiska nie jest znane.

Połączone podawanie Red Bulla i etanolu indukowało jeszcze większą redukcję cholesterolu w mięśniu sercowym niż niezależne podawanie tych dwóch składników.

Wyniki naszych badań wskazują na niewielki wzrost stężenia białka w mięśniu sercowym we wszystkich leczonych grupach, istotny w grupie E. Niewielki wzrost stężenia białka obserwowany po podaniu Red Bulla może być spowodowany wysoką zawartością witaminy B6. Porcja Red Bulla sprzedawana w Rumunii zawiera 250% zalecanej dziennej dawki B6. Witamina B6 jest niezbędnym kofaktorem w funkcjonowaniu ponad 140 enzymów wymaganych do syntezy, degradacji i interkonwersji aminokwasów (42).

Tworzenie adduktów białkowych może być wyjaśnieniem znaczącego wzrostu stężenia białka w grupie E obserwowanego w naszym badaniu. Badania wykazały, że alkohol powoduje akumulację adduktów białkowych w tkance wątrobowej, nerwowej i mięśniowej, pogłębiając toksyczność indukowaną etanolem w tych tkankach (43). W badaniu Worrall i wsp. (44), w tkance sercowej szczurów po 6 tygodniach leczenia alkoholem stwierdzono zwiększoną ilość zredukowanych adduktów białkowych aldehydu octowego, nieredukowanego aldehydu octowego i malondialdehydu octowego. Ponadto, we wcześniejszym badaniu wykazano, że addukty tworzone przez aldehyd octowy z białkami stymulują powstawanie mRNA odpowiedzialnego za syntezę kolagenu i ekspresję białek tkanki łącznej (45).

AktywnościAST i ALT wzrosły w mięśniu sercowym i zmniejszyły się w surowicy po wszystkich zabiegach. Zgodnie z ultrastrukturalnymi zmianami wywołanymi przez Red Bulla i etanol, należało się spodziewać wzrostu aktywności tych markerów integralności błon w surowicy. Nasze wyniki są jednak zgodne z wynikami Mihailovica i wsp. (46), którzy wykazali wzrost aktywności AST przy niezmienionej aktywności ALT w mięśniu sercowym po 10-dniowym leczeniu etanolem. Nasze wyniki pokazują, że Red Bull miał tak samo szkodliwy wpływ jak etanol, przynajmniej w mięśniu sercowym. Co więcej, kombinacja Red Bulla i etanolu miała synergistyczny i/lub komplementarny wpływ na aktywność AST.

Najpoważniejsze zmiany ultrastrukturalne obserwowane w tkance sercowej szczurów leczonych etanolem (ryc. 4c i and4d)4d) są tymi, które wskazują na początek kardiomiopatii alkoholowej. Jak podkreślają De Leiris i wsp. (47), u ludzi i w modelach zwierzęcych narażonych na przewlekłe spożywanie etanolu dochodzi do zmian czynnościowych i strukturalnych w tkance sercowej. Stres oksydacyjny indukuje peroksydację lipidów, utlenianie białek, zmniejsza zawartość GSH w mitochondriach oraz zaburza homeostazę wapnia, upośledzając kurczliwość mięśnia sercowego. Organelle wykazują również zmodyfikowaną strukturę z nieuporządkowanymi cristae, co skutkuje zmienionym metabolizmem oksydacyjnym. W znakomitej pracy Tsiplenkovej i wsp. (48) szczegółowo opisano uszkodzenia spowodowane przez etanol w kardiomiopatii alkoholowej, takie jak zmiany w błonie mitochondrialnej, w tym obrzęk organelli i utrata cristae. Autorzy ci zauważyli również wzrost liczby mitochondriów w miocytach, w których przestrzeń zajmowana przez mitochondria była większa niż ta zajmowana przez miofibryle. Jest to zgodne z naszą obserwacją powiększonych przestrzeni międzymiofibrylarnych wypełnionych mitochondriami. Co ciekawe, stwierdziliśmy również, że podarkolemalna populacja mitochondriów była zredukowana, podczas gdy obecne były liczne obszary lizy.

Dodatkowo zauważyliśmy złogi kolagenu w przestrzeni międzykomórkowej, co zostało również opisane przez Urbano-Marquez i Fernandez-Sola (49) u ludzkich pacjentów z kardiomiopatią alkoholową.

Czy tak zmienione kardiomiocyty mogą kończyć się apoptozą czy martwicą pozostaje niejasne; jednakże apoptoza, a nawet połączenie apoptozy i martwicy, wydaje się powodować utratę miocytów w kardiomiopatii alkoholowej (50).

Pomimo, że zmiany w kardiomiocytach wywołane spożyciem alkoholu są dobrze udokumentowane, istnieje bardzo mało dowodów, jeśli w ogóle, dotyczących zmian ultrastrukturalnych wywołanych przez ED w mięśniu sercowym. W niektórych miocytach grupy RB, ułożenie miofibryli wykazywało luźną strukturę, a przestrzeń między nimi była zajęta przez kilka dużych (obrzękniętych) mitochondriów wykazujących rozrzedzoną macierz i poszerzone krysty, co pozwoliło przypuszczać, że metabolizm oksydacyjny był zaburzony. Wszystkie te morfologiczne zmiany korelowały z biochemicznymi zmianami w stężeniu glukozy, glikogenu i cholesterolu oraz aktywnością AST i ALT, opisanymi w naszym badaniu. Przesadna proliferacja mitochondriów („mitochondriosis”) pomiędzy zwężonymi miofibrylami została również opisana przez Tsiplenkovą i wsp. (48) jako cecha kardiomiopatii alkoholowej.

W miocytach grupy RBE skumulowane działanie ED i etanolu było jeszcze bardziej dramatyczne, z powiększeniem obszarów lizy, większością miofibryli bez regularnego (równoległego) ułożenia, miofibrylami z częścią fragmentaryczną oraz kilkoma mitochondriami o rozrzedzonych strukturach i poszerzonych cristae. W przestrzeniach miofibrylarnych obecne były liczne pęcherzyki, prawdopodobnie wypełnione glikogenem, jak to już wcześniej opisywano (49) w kardiomiopatii alkoholowej. Te zmiany strukturalne potwierdzają również zmiany biochemiczne mierzone w naszym badaniu. Kilka miocytów miało hipochromiczne jądra z nieregularnymi granicami, a tarcze międzykomórkowe były pofragmentowane i dehiscent.