PMC

Discussie

Deze studie toont voor het eerst aan dat langdurige consumptie van ED’s, afzonderlijk of in combinatie met ethanol, biochemische en ultrastructurele veranderingen in de hartspieren veroorzaakt.

Onze resultaten toonden aan dat zowel Red Bull als ethanol de glucose- en glycogeenconcentraties in het myocardium verhoogden. In de RB groep werd de toename van de glucose- en glycogeenconcentraties veroorzaakt door twee ingrediënten van ED, cafeïne en taurine. Normaal gesproken veroorzaakt cafeïne het vrijkomen van calcium uit de intracytoplasmatische voorraden (22) en activeert het AMPK via calcium/Calmoduline-afhankelijke proteïnekinase-β (CaMKK) (23). AMPK bevordert de opname en het gebruik van glucose in de cardiomyocyten (24). Bovendien remt AMPK ofwel de glycogeensynthese via de fosforylering van glycogeensynthase, ofwel activeert het de glycogeendegradatie via de fosforylering van glycogeenfosforylase (25). Echter, de chronische activatie van AMPK, zoals waarschijnlijk in onze studie gebeurde, kan de glycogeensynthese verhogen door de glucose-opname en de vorming van glucose-6-fosfaat te verhogen. Dit induceert de allosterische activatie van glycogeensynthase die de remmende fosforylering door AMPK kan overwinnen (26). Bovendien is gerapporteerd dat taurine de glucose-opname, glycolyse en glycogeensynthese in het hart van volwassen ratten verhoogt (27).

In onze studie leidde ethanol tot een lichte toename van de glucose- en glycogeenconcentraties. Ethanol vermindert de gevoeligheid voor insuline, die in de hartspier wordt gemedieerd door tumor necrose factor-α (TNFα) en/of interleukine-6 (IL-6), waardoor de activering van Jun N-terminale kinasen wordt geïnduceerd, die de Akt-AS160-GLUT4 signaalroute remt (28). Als zodanig zou de glucoseconcentratie moeten zijn gedaald. Wij kunnen geen verklaring geven voor deze resultaten, en er is geen studie over dit onderwerp in de literatuur. Echter, de ultrastructurele wijzigingen weergegeven in figuur 4 leidde ons te overwegen dat de Krebs-cyclus niet correct functioneerde en, bijgevolg, het glucosemetabolisme in het myocard werd beïnvloed.

De gecombineerde toediening van Red Bull en ethanol produceerde een aanzienlijke stijging van de glucoseconcentratie, die werd verwacht omdat de onafhankelijke toediening van elk van deze componenten de glucoseconcentratie in het myocard verhoogde.

Glycogeen is een vitale molecule voor de normale werking van het myocard. Het is noodzakelijk voor de ontogenetische ontwikkeling van het hart, omdat het de nodige energie levert voor de groei en ontwikkeling van het orgaan (29). In het volgroeide orgaan wordt glycogeen in kleine hoeveelheden aangetroffen, als energiebron voor het excito-conductorsysteem. Een grote hoeveelheid glycogeen is alleen nuttig onder ischemische omstandigheden (30). Ophoping van glycogeen in het myocard bevordert het optreden van het pre-excitatie syndroom (31). Verschillende studies hebben een associatie gerapporteerd van ED’s en/of alcohol met het optreden van negatieve effecten op cardiovasculair niveau (hartkloppingen, hartritmestoornissen, hypertensie en zelfs plotse hartdood) (2, 32); daarom kunnen we de mogelijkheid niet uitsluiten dat deze effecten verband hielden met glycogeenophoping in het myocard.

Cholesterolconcentratie daalde aanzienlijk in alle groepen. Dit effect kan op zijn beurt een oorzaak zijn van de myocardiale disfuncties die gerapporteerd worden bij chronisch gebruik van EDs en alcohol. Een rol van cholesterol is de verstijving van de celmembranen en het behoud van de vorm van de cellen door de vorming van “bruggen” (lipid rafts) in de gebieden waar de membraaneiwitten tot expressie komen (33). Bovendien regelt cholesterol de vloeibaarheid van het membraan en speelt het bijgevolg een belangrijke rol in de verhouding tussen cholesterol en fosfolipiden (34). De molaire verhouding tussen cholesterol en fosfolipiden in plasmamembranen wordt gewoonlijk net onder de eenheid gehouden (35). Daarom kan verlaging van de cholesterolconcentratie leiden tot destabilisatie van het membraan, wat op zijn beurt het celmetabolisme in het myocard kan beïnvloeden.

De daling van de cholesterolconcentratie geïnduceerd door Red Bull kan te wijten zijn aan het verhoogde gehalte aan taurine en/of niacine aanwezig in het ED. Deze verandering is enigszins te verwachten omdat zowel taurine als niacine worden gebruikt bij de preventie en genezing van atherosclerose (36, 37). Meer precies, taurine verlaagt serum cholesterol (38) en niacine verlaagt serum cholesterol en triglyceriden en verhoogt HDL concentratie (39).

Verlaagd cholesterol in het myocardium na chronische ethanol behandeling is ook gemeld door Godfrey et al. (40) en Hu et al. (41), maar niemand heeft deze resultaten ooit verklaard en de fysiologische betekenis van het fenomeen is onbekend.

De gecombineerde toediening van Red Bull en ethanol induceerde een nog grotere vermindering van cholesterol in het myocard dan de onafhankelijke toediening van de twee componenten.

Onze resultaten tonen een lichte toename van de myocardiale eiwitconcentratie in alle behandelde groepen, die significant was in de E groep. De lichte toename van de eiwitconcentratie waargenomen na de toediening van Red Bull zou te wijten kunnen zijn aan het hoge gehalte aan vitamine B6. Een dosis Red Bull die in Roemenië wordt verkocht, bevat 250% van de aanbevolen dagelijkse dosis B6. Vitamine B6 is een essentiële cofactor in de werking van meer dan 140 enzymen die nodig zijn voor de synthese, afbraak, en interconversie van aminozuren (42).

De vorming van eiwitadducten zou een verklaring kunnen zijn voor de significante toename in de eiwitconcentratie in de E groep die in onze studie werd waargenomen. Onderzoek heeft aangetoond dat alcohol de accumulatie van eiwitadducten in het lever-, zenuw- en spierweefsel veroorzaakt, waardoor de door ethanol veroorzaakte toxiciteit in deze weefsels wordt verergerd (43). In een studie van Worrall e.a. (44) werden verhoogde hoeveelheden gereduceerde acetaldehyde-eiwitadducten, niet-gereduceerd acetaldehyde en malondialdehyde-acetaldehyde gevonden in het hartweefsel van ratten na 6 weken alcoholbehandeling. Bovendien heeft een eerdere studie aangetoond dat adducten gevormd door acetaldehyde met eiwitten de vorming van mRNA stimuleren dat verantwoordelijk is voor de synthese van collageen en de expressie van bindweefseleiwitten (45).

AST en ALT activiteiten stegen in het myocard en daalden in het serum na alle behandelingen. Volgens de ultrastructurele veranderingen veroorzaakt door Red Bull en ethanol, werd verwacht dat de activiteiten van deze membraan integriteits markers verhoogd zouden zijn in het serum. Onze resultaten komen echter overeen met die van Mihailovic e.a. (46), die een toename van de AST activiteit rapporteerden met een onveranderde ALT activiteit in de hartspier na een 10-daagse behandeling met ethanol. Onze resultaten tonen aan dat Red Bull dezelfde nadelige effecten had als ethanol, althans in de hartspier. Bovendien had de combinatie van Red Bull en ethanol synergetische en/of complementaire effecten op de AST activiteit.

De ernstigste ultrastructurele veranderingen die werden waargenomen in het hartweefsel van ratten die met ethanol waren behandeld (Fig. 4c en en4d)4d) zijn die welke wijzen op het begin van alcoholische cardiomyopathie. Zoals opgemerkt door De Leiris et al. (47), ondergaan menselijke proefpersonen en dierlijke modellen blootgesteld aan chronische ethanolconsumptie functionele en structurele veranderingen in het hartweefsel. Oxidatieve stress induceert lipide peroxidatie, eiwit oxidatie, vermindert het GSH gehalte van mitochondria, en verstoort de calcium homeostase, waardoor de contractiele capaciteit van de hartspier wordt aangetast. De organellen vertonen ook gewijzigde structuren met ongeorganiseerde cristae, wat resulteert in een gewijzigd oxidatief metabolisme. Een uitstekend werk van Tsiplenkova et al. (48) geeft een gedetailleerd overzicht van de schade veroorzaakt door ethanol in alcoholische cardiomyopathie, zoals de verandering van de mitochondriale membranen met inbegrip van organelzwelling en verlies van cristae. Deze auteurs constateerden ook een toename van het aantal mitochondriën bij myocyten, waarbij de door mitochondriën ingenomen ruimte groter was dan de door myofibrillen ingenomen ruimte. Dit is in overeenstemming met onze waarneming van vergrote intermyofibrilaire ruimten gevuld met mitochondriën. Interessant genoeg vonden we ook dat de subsarcolemale mitochondriapopulatie was verminderd, terwijl er talrijke lysisgebieden aanwezig waren.

Daarnaast zagen we collageenafzettingen in de intercellulaire ruimte, wat ook is gerapporteerd door Urbano-Marquez en Fernandez-Sola (49) bij menselijke patiënten met alcoholische cardiomyopathie.

Of dergelijke veranderde cardiomyocyten kunnen eindigen in apoptose of in necrose blijft onduidelijk; maar apoptose, of zelfs een combinatie van apoptose en necrose, schijnt myocytenverlies te veroorzaken in alcoholische cardiomyopathie (50).

Hoewel cardiomyocyteveranderingen geïnduceerd door alcoholgebruik goed gedocumenteerd zijn, is er weinig of geen bewijs betreffende ultrastructurele veranderingen geïnduceerd door EDs in de hartspier. In sommige myocyten van de RB groep vertoonden de myofibrillen een losse structuur en werd de ruimte tussen de myofibrillen ingenomen door verschillende grote (gezwollen) mitochondriën met een ijle matrix en verwijde cristae, wat leidde tot de veronderstelling dat het oxidatieve metabolisme was aangetast. Al deze morfologische veranderingen correleerden met de gemeten biochemische veranderingen in glucose, glycogeen, en cholesterolconcentraties en AST en ALT activiteiten die in onze studie werden gerapporteerd. De overdreven proliferatie van mitochondriën (“mitochondriosis”) tussen vernauwde myofibrillen werd ook gemeld door Tsiplenkova et al. (48), als een kenmerk van alcoholische cardiomyopathie.

In de myocyten van de RBE groep waren de gecumuleerde effecten van ED en ethanol nog dramatischer, met een toename van de lysisgebieden, het merendeel van de myofibrillen zonder een regelmatige (parallelle) ordening, myofibrillen waarvan een deel gefragmenteerd is, en verscheidene mitochondriën met ijle structuren en verwijde cristae. Talrijke blaasjes waren aanwezig in de intermyofibrillaire ruimten, waarschijnlijk gevuld met glycogeen, zoals eerder is gerapporteerd (49) in alcoholische cardiomyopathie. Deze structurele veranderingen ondersteunen ook de biochemische veranderingen die in onze studie werden gemeten. Verscheidene myocyten hadden hypochrome kernen met onregelmatige randen, en de tussenliggende schijven waren gefragmenteerd en dehiscent.