Toxicitatea mitocondriala a analogilor nucleozidici

Toxicitatea mitocondriala a analogilor nucleozidici

Introducere

Doi ani dupa introducerea inhibitorilor de proteaza in terapia antiretrovirala, au inceput sa apara raportari de indivizi infectati HIV prezentand modificari relevante ale metabolismului. Aceste simptome "metabolice" au fost initial reunite sub numele de "lipodistrofie" (Carr 998). Astazi, noua ani dupa introducerea terapiei HAART, acest sindrom de "lipodistrofie" este din ce in ce mai mult inteles ca rezultat al suprapunerii, dar ca efect distinct, ale diferitelor medicamente componente al HAART, cocteilul antiretroviral. Principalul mecanism patogenetic, prin care se considera ca analogii nucleozidici contribuie la schimbarile metabolice si toxicitati de organ, este toxicitatea mitocondriala (Brinkman 1999).

Patogeneza toxicitatii mitocondriale

NRTI-iurile sunt PRODRUGS (Kakuda 2000) pentru ca trebuie sa fie activate in celula prin fosforilizare inainte de a fi capabile sa inhibe tinta lor, cum ar fi revers transcriptaza HIV. Mai mult, pentru a afecta mecanismul de replicare a HIV, NRTI- trifosfati de asemenea inhiba a POLYMERASE HUMAN numita "GAMMA-POLYMERASE" (enzima) care este responsabila de replicarea AND-ului mitocondrial (mtADN). De aceea, inhibarea a GAMMA-POLYMERASE de catre NRTI-iuri conduce catre o epuizare a mtADN, o mica molecula circulara prezenta in mod normal in multiple copii in fiecare mitocondrie si in sute de copii din majoritatea celulelor umane. Singura sarcina biologica a mtADN este de a codifica pentru subunitatile enzimatice ale RESPIRATIRY CHAIN, care sunt localizate in membrana mitocondriala interioara. De aceea, NRTI prin determinarea epuizarea mtADN de asemenea conduce catre un defect in functionarea RESPIRATORY CHAIN.

Un RESPIRATORY CHAIN intact este conditia esentiala pentru numeroase METABOLIC PATHWAYS. Principala sarcina a RESPIRATORY CHAIN este to OXIDATIVELY SYNTHESIZE ATP, moneda noastra chimica de energie (OUR CHEMICAL CURRENCY OF ENERGY). . Mai mult, RESPIRATORY CHAIN consuma NADH si FADH ca produse finale ale FATTY ACID OXIDATION. Acest fapt explica acumularea miro si macroveziculara de trigliceride intracelulare, care adesea insoteste toxicitatea mitocondriala. In cele din urma din urma, o functie normala respiratorie este de asemenea normal pentru sinteza ADN, pentru ca THE DE NOVO sinteza a PYRIMIDINE NUCLEOSIDES depinde de enzimele aflate in membrana interioara mitocondriala . Aceasta enzima este numita DIHYDROOROTATE DEHYDROGENASE (DHODH)( Lӧffler). Implicatiile clinice ale acestui fapt sunt detaliate mai jos.

Inceputul/Atacul toxicitatii mitocondriale urmeaza anumite principii (Walker 2002b):

Toxicitatea mitocondriala depinde de concentratie. O concetratie mare de NRTI determina o mai accentuata epuizare/saracire a mtAND-ului in comparatie cu concentratia scazuta. Dozele clinice a unor analogi nucleozidici este aproape de limita de tolerare privitor la toxicitatea mitocondriala.

Inceputul/Atacul toxicitatii mitocondriale pretinde un timp prelungit. Modificari in metabolismul mitocondrial sunt observate doar daca marimea epuizarii mtADN depaseste un anumit prag/ limita, un efect observat numai la o expunere prelungita la NRTI. Ca o consecinta la acest efect, inceputul/ atacul a toxicitatii mitocondriale nu este in mod caracterstic observant in primele cateva luni de HARRT. In plus, o expunere prelungita la NRTI s-ar putea sa conduca la efecte mitocondriale in ciuda concentratiei relative scazute de NRTI.

Exista diferente semnificative in puterea de influenta relativa a analogilor NUCLEOSIDE si nucleozidici, in capacitatea lor de a interactiona cu GAMMA-POLYMERASE. Organizarea ierarhica a inhibarii A GAMMA-POLYMERASE pentru THE ACTIVE NRTI METABOLITIES a fost de determinat precum urmeaza: zalzitabine (HIVID T) > didanosine (VIDEX T) > stavudine (ZERITT) > lamivudine (EpivirT) > abacavir (ZiagenT) = tenofovir (VireadT).

Zidovudine poate fi deosebit/neobisnuit deoarece trifosfatul sau activ este doar un slab inhibitor a GAMMA-POLYMERASE. Totusi acest NRTI este o toxina mitocondriala printr-un alt mecanism. Interesant, a fost recent demonstrat ca zidovudine nu poate fi convertit enzimatic in stavudine in corp, cel putin in unele celule (Becher 2003, Bonora 2004). Acest efect poate conta pentru faptul ca epuizarea mtADN a fost de asemenea descrisa/ observata sub tratamentul cu zidovudine de unii cercetatori.

Toxicitatea mitocondriala depinde de tesut. Specificitatea data de tipul tesutului este explicata de faptul ca absorbtia a NRTI-PRODRUGS in celule si mitocondriile lor, ca si activarea prin fosforilizare poate fi diferite printre tipurile de celule.

Ar putea exista toxicitatea mitocondriala cumulativa sau sinergica daca doua sau mai multe NRTI-uri sunt folosite in combinatie.

Manifestari clinice

Epuizarea mtADN se poate manifesta clinic in una sau cateva tesuturi -tinta principale (Fig1).

In ficat toxicitatea mitocondriala este asociata cu depozite crescute de grasimi rezultand o steatoza micro sau macroveziculara. Steatoza poate fi insotita de transaminaze marite. Asemenea steatoze hepatice poate progresa in insuficienta hepatica si acidoza lactica, o potential fatala, dar din fericire rara complicatie. Cu toate ca steatoze hepatice si acidoze lactice au fost deja descrise la inceputul anilor '90 la pacienti care au primit monoterapia cu didanosine (Lambert 1990), toxicitatea mitocondriala hepatica este acum observata sub tratament cu toate NRTI-urile care au un potential relativ puternic de a inhiba GAMMA-POLYMERASE, in special cu asa numitele "medicamente-D" didanosine (VIDEX T), stavudine (ZERITT), zalzitabine (HIVID T). Cu toate acestea, complicatiile la ficat au fost de asemnea descrise cu zidovudine (RetrovirT). A fost demonstrat ca in timp fiecare dintre "medicamentele -D" conduce catre epuizare a mtADN in tesutul hepatic al pacientilor cu HIV. La microscopul electronic, au fost observate mitocondrii anormale morfologic.

O complicatie tipica a toxicitatii mitocondriale este o marire/crestere IN SERUM LACTATE.

Astfel de hiperlactemie a fost mult mai frecvent descrisa in tratamentul prelungit cu stavudine (Saint-Marc 1999, Car 2000), in special cand a fost combinata cu didanosine. Toxicitatea a didanosine este de asemenea crescuta de interactiunea cu ribavirina si HYDROXYUREA. Semnificatia hiperlactemiei asimptomatice este neclara. Cand nivele crescute de acid lactic (LACTATE) sunt asociate cu simptome, acestea sunt adesea nespecifice, precum senzatia de greata, durere abdominala la atingere in partea dreapta sus sau mialgii. In majoritatea cazurilor, nivele de bicarbonate si anion (ANION) GAP (Na⁺ -[HCO3^-+Cl^-] sunt normale, desi transaminazele hepatice sunt usor crescute in majoritatea cazurilor (Lonergan 2000a). De aceea, dignosticul se bazeaza pe o determinare logica decat pe determinare impovaratoare directa de SERUM LACTATE. Pentru a evita ARTIFACTS, sangele trebuie recoltat fara utilizarea/uzul a TOURNIQUET de la pacientii RESTING. Sangele trebuie sa fie colectat in FLUORIDE TUBES si transportat la laborator cu gheata pentru analize imediate. Cauze non-mitocondriale trebuie luate in considerare la diagnosticul diferentiat de acidoza lactica ( Tabel 1) si ar trebui sa fie cautata toxicitatea de organ, de baza.

Tipul A acidoza lactica Tipul B acidoza lactica

(Hypoxia tesutului)

Soc

Intoxicarea cu monoxid de carbon

Insuficienta cardiaca
( Alte mecanisme)

Deficienta de tiamina

Alcaloizi (pH>7.6)

Epilepsie

Adrenalina (IATROGENIC, endogen)

Insuficienta hepatica

Neoplasm (limfom, SOLID TUMORS)

Intoxicatie (NITROPRUSSIDE, methanol metilin glycol, salicilati)

Fructoza

Rare deficiente de enzime

Mutatii de mtADN

O miopatie mitocondriala la pacientii cu HIV tratati antiretroviral a fost prima data descrisa la terapia cu doze mari de zidovudine (Arnaudo 1991). Slabiri ale sistemului muscular se pot manifesta la exercitii dinamice sau statice. Serum-ull CK este adesea normal sau doar usor crescut. Histologia musculara ajuta la distingerea acestei forme de toxicitate NRTI de miopatia HIV care adesea se pot produce in acelasi timp. La examinarea histochimica, fibrele musculare in cazul celei dintai sunt frecvent negative pentru CYTOCHROME C-OXIDE si CARRY ULTRASTRUCTURALLY mitocondrii anormale. In timp ce acelea ale celui din urma sunt tipic infiltrate de CD8- pozitiv T-limfocite. Testele prin exercitii ar putea detecta o un prag limita/punct de plecare scazuta de LACTATE si o REDUCED LACTATE CLEARANCE dar in experienta clinica aceste modificari sunt dificil de distins la lipsa de exercitiu aerobic (lipsa de antrenament fizic)

Tratamentul prelungit cu medicamente-D poate conduce si la o predominant, simetrica polineuropatie senzoriala si DISTAL la extremitatile de jos.(Simpson 1995, Moyle 1998) .Un nivel ridicat de SERUM LACTATE poate ajuta la distingerea acestei neuropatie axonala de fenocopia asociata HIV-ului. Dignosticul diferentiat poate lua in considerare faptul ca polineuropatia mitocondriala are loc de cele mai multe ori saptamani si luni dupa initierea medicamentelor -D. In contrast cu aceasta, polineuropatia asociata HIV-ului in general nu se inrautateste si se poate intr-adevar imbunatati la tratamentul antiretroviral.

Pe scurt, termenul de "lipodistrofie " denota o schimbare in distribuirea grasimii in corp. Unii subiecti afectati de "lipodistrofie " pot prezenta o acumulare anormala de grasimi in anumite parti ale corpului ( mai ales in zona abdomenului sau regiuni dorso-cervicale), in timp ce altii pot dezvolta pierdere de grasimi (Bichat's FAT PAD in obraji, TEMPORAL FAT, sau grasimi subcutanate ale extremitatilor). Atat acumularea cat si pierderea de grasimi se poate din cand in cand sa aiba loc simultan la aceiasi indivizi. Pierderea de grasimi (de asemenea numita lipotrofie) este partial reversibila si in general constatata nu mai devreme de un an dupa initierea terapiei antiretrovirale. In tesutul subcutanat afectat , anormalitatile ultrastructurale ale mitocondriilor si reducerea nivelelor de mtADN au fost identificate, in special la subiecti tratati cu stavudine (Walker 2002a). Analizele in vitro si in vivo a celulelor grase au demonstrat diminuarea lipidelor intracelulare, REDUCED EXPRESSION OF ADIPOGENIC TRANSCRIPTION FACTORS (PPAR-gamma si SREBP-1) si indici crescuti de apoptoza. Tratamentul NRTI poate pune in primejdie anumite functii endocrine ale adipocitelor. De exemplu , ele ar putea cauza secretia de adipodictina si prin acest mecanism poate promova contribui la rezistenta la insulina. Stavudine a fost identificat ca un factor de risc , dar alte NRTI-uri , precum zidovudine ar putea si el sa contribuie. Cand stavudine este inlocuit cu un alt NRTI, nivelele de mtADN si indicii de apoptoza cresc, impreuna cu o mica crestere ALBEIT obiectiv masurabila a tesutului adipos (McComsey 2004s). In contrast cu aceasta , SWITCHING AWAY de la inhibitorii de proteaza nu amelioreaza lipoatrofia sau apostaza adipocitelor. Luate impreuna, datele avute la dispozitie sunt consistente cu un efect predominant al toxicitatii mitochondriale in patogeneza lipoatrofiei.

Unele studii au sugerat un efect al NRTI-urilor asupra nivelelor de mtADN in sange ( Cote 2003, Miro 2003). Consecintele functionale unei astfel de toxicitati mitocondriale asupra limfocitelor este deja cunoscuta. In acest context este important de a preciza ca o pierdere amanata de limfocite CD4 si CD8 a fost constatata/ observata, cand nivelele din plasma ale didanosine au fost crescute de administrarea impreuna cu tenofovir sau cu o subgreutate (Negredo 2004). Recent investigatiile in vitro cu expunere a MITOTICALLY STIMULATE limfocite-T la concentratii usor supraterapeutice de didanosine a detectat o substantiala epuizare/saracire mtADN cu un inceput de declin tarziu subsecvent proliferarii a limfocitelor si cu o crescuta APOPTOSIS (Setzer 2005a, Setzer 2005b). De aceea toxicitatea mitocondriala este cel mai probabila explicatie pentru inceputul de declin tarziu al limfocitelor observat la diadosine. Datele sugereaza ca toxicitatea mitocondriala a NRTI-URILOR asupra limfocitelor are proprietati imunosupresive ( IMMUNOSUPRESSIVE).

Cresteri asimptomatice IN SERUM LIPASE nu sunt neobisnuite sub HAART, dar fara nicio valoare in prevederea aparitiei pancreatitelor (Maxson 1992). Frecventa generala a pancreatitelor a fost calculate ca 0.8 cazuri/ 100ani de HAART continand NRTI. Pancreatita clinica este asociata cu folosirea de didanosine in special. Reexpunerea la didanosine ar putea cauza o recadere si ar trebui evitata. Un mecanism mitocondrial a fost citat pentru a explica inceputul pancreatitei, dar aceasta ipoteza ramane nedovedita.

Noi studii au pus problema daca sau nu zidovudine poate fi folosit in siguranta pentru a reduce riscul de transmitere vertical a HIV. Maimute gestante au fost tratate cu zidovudine si lamivudine pentru o perioada de 10 saptamani inainte de nastere si zidovudine a fost gasit incorporate in mtAND. Combinatia NRTI a fost de asemenea asociata cu epuizarea mtADN-ului in muschii scheletici, inima si creier (Gerschenson 2004).

Simptomele mitocondriale au fost descoperite cu o frecventa crescuta la INFANTS PERINATALLY expusi la NRTI-uri (Blanche 1999). Hiperlactemia este observata rar si e posibil sa persiste pentru cateva luni dupa nastere. (Noguera 2003). Foarte scazute nivele de mtADN au fost masurate in placenta, ca si in sangele PERIPHERAL CORD ale nounascutilor (Shiramizu 2003). Alte cercetari clinice in contrast nu au detectat un crescut risc PERINATAL in asociere cu profilaxia zidovudine desi parametrii cheie a disfunctionalitatii mitocondriale nu au fost evaluate. O urmarire in timp a informatiilor este necesara urgent. Informatiile actuale cu toate acestea nu justifica devierea de la strategia actuala de folosire zidovudine pentru a preveni transmiterea verticala a HIV.

Existenta vatamarii mitocondriale la rinichi este controversata. Supradozele terapeutice de inhibitor de revers transcriptaza nucleozidica tenofovir ( VireadT) au indus un sindrom Fanconi cu o pierdere TUBULAR PHOSPHATE si osteomalcia consecutiva la animale ( TENOFOVIR REVIEW TEAM 2001). Tenofovir IS TAKEN UP in RENAL TUBULES prin intermediul a unui transportator ANION si nu poate BE RULED OUT ca concentratia intracelulara excesiv de mare a medicamentului poate conduce la o inhibare GAMMA-POLYMERASE relevanta clinic si saracirea mtADN, in ciuda faptului ca tenofovir are doar o capacitate scazuta de a impiedica replicarea mtADN. Desi cateva cazuri de pierdere renala de fosfati au fost raportate sub tratamentul cu tenofovir, trebuie remarcat ca nici cercetarile conduse pentru aprobarea medicamentului, nici datele subsecvente au fost capabile sa furnizeze dovada ca toxicitatea mitocondriala a tenofovir -ului la RENAL TUBULES.

Monitorizare si diagnostic

Nu exista nicio metoda actual de predictie sigura a riscului mitocondrial la un pacient luat individual. Screening-ul de rutina a subiectilor asimptomatici tratati cu NRTI cu nivele LACTATE nu este sigur , deoarece nivele crescute de LACTATE la pacienti asimptomatici nu prevad toxicitatea mitocondriala (Mc Comsey 2004b).Spre deosebire de aceasta, ar trebui sa existe o limita scazuta pentru o verificare promta a nivelelor LACTATE la subiecti care prezinta simptome serioase cu toxicitatea mitocondriala. Determinarea de nivele mtADN la PBMCs este subiect de erori sistematice si mare variabilitate; metoda nu a fost standardizata international. Cuantificarea mtADN in tesuturile afectate este probabil sa fie mult mai precis; cu toate acestea aceasta forma de monitorizare este invaziva si nu evaluata in perspectiva privitor la CLINICAL ENDPOINTS.

Odata simptomele stabilite, examinarea histologica a unei biopsii poate contribui la un corect diagnostic. Urmatoarele descoperiri in biopsiile tesuturilor indica catre o etiologie mitocondriala: anormalitati ultrastructurale a mitocondriilor, activitati histochimice diminuate ale CYTOCHROME C-OXIDASE, activitate crescuta a succinat DEHYDROGENASE, detectarea de steatoza intracelulara si mai ales de microveziculara, si de asa numite RAGGED-RED FIBERS.

Tratamentul si profilaxia toxicitatii mitocondriale

Interactiunea medicamentelor poate precipita simptomele mitocondriale si trebuie luate in calcul. Toxicitatea mitocondriala a diadosine (VidexT) de exemplu este sporita prin interactiunea medicamentelor cu ribavirina, HYDROXYUREA si ALLOPURINOL (Ray 2004). Cand diadosine este combinat cu tenofovir (VireadT) diadosine trebuie redus cu 250mg QD. Un pericol asupra metabolismului mitocondrial poate de asemenea rezulta din comedicatia cu ibuprofen, acidul valproic si acidul acetil salicylic -aceste substante inhiba utilizarea mitocondriala a acizilor grasi. Au fost descrise numeroase cazuri, in care acidoza lactica ce a pus in primejdie viata, au fost cauzate de acidul valproic, atat la pacienti infectati cu HIV cat si la pacienti cu mutatii congenitale de mtADN. Acidul acetil salicylic poate afecta mitocondriile si produce daune a ORGANELLES a ficatului poate conduce la sindromul lui Reye. Amiodarone si tamoxifen de asemenea inhiba sinteza mitocondriala de ATP. Acetaminophen si alte medicamente impiedica apararea antioxidanta ( GLUTATHIONE) a mitocondriilor, permitand vatamarea mediata radicala a lor. Antibioticele AMINOGLYCOSIDE si cloramfenicolul nu numai ca inhiba sinteza proteinelor a bacteriilor, dar in anumite circumstante pot de asemenea pune in primejdie THE PEPTIDE TRANSCRIPTION a mitocondriilor precum bacteriile noastre ENDO SYMBIONTS. Adefovir si cidofovir sunt de asemnenea inhibitori ai gamma- polymerase. Alcoolul ca toxina mitocondriala este interzis.

Cea mai importanta interventie clinica este probabil the DISCONTINUATION A a NRTI-urilor responsabila pentru toxicitatea mitocondriala. Studii aleatorii au demonstrate ca schimband stavudine ( Zerit T) pentru o alternativa mai putin toxica a condus catre o imbunatatire progresiva in lipoatrofie (Martin 2004). Spre deosebire de aceasta, o schimbare a inhibitorilor de proteaza la NRTI-uri a fost asociata cu o imbunatatire a lipoatrofiei. Aceste descoperiri accentueaza importanta toxicitatii mitocondriale in patogeneza a acestui sindrom al distributiei grasimii.

Suplimentarea cu uridine este o noua, dar promitatoare strategie. Asa cum am subliniat mai sus, orice punere in primejdie a RESPIRATORY CHAIN conduce la inhibarea de DHODH, o enzima esentiala pentru sinteza de uridine si DERIVED PYRIMIDINES (Fig 2). Aceasta scadere a PYRAMIDINE intracelulare POOLS conduce catre un relative EXCESS A ANALOGS NUCLEOSIDE PYRIMIDINE, cu care ei completeaza la GAMMA-PLYMERASE. Un cerc vicios este inchis si contribuie la saracirea mtADN. Prin suplimentarea de uridine EITHER profilactic cat si therapeutic, acest cerc vicios poate fi interrupt, rezultand cresteri ale nivelelor de mt DNA. Intr-adevar, uridine abolished in HEPATOCYTES toate efectele a saracire a mtADN si a normalizat productia de LACTATE, proliferarea celulelor , rata mortii celulelor si steatoza intracelulara.(Walker 2003). Spre deosebire de aceasta, cocteilurile de vitamine nu au fost benefice in acesta formula. Noile informatii arata ca uridine este capabil de a preveni pierderea de mtADN, lipide si functii mitocondriale in adipocitele expuse la stavudine (Walker 2004a) APOPTOSIS adipocitara poate fi de asemenea prevenita.

Substitutia orala a URIDINE ca PYRAMIDINE precursor este bine tolerat de oameni, chiar si in doze mari (Van Groeningen 1986, Kelsen 1997). Nu exista exista interactii negative cunoscute cu eficacitatea tratamentului antiretroviral (Sommadoss 1988, Koch 2003). S-a aratat ca un supliment alimentar numit mitocnol creste concentratia de URIDINE in SERUM URIDINE la nivele care sunt protective in vitro ( Venhoff 2004). Informatii clinice despre mitocnol ( cunoscut si ca NucleomaxXT) au devenit recent diponibile si sunt incurajatoare (Walker 2004b). Mai multe informatii sunt la dispozitie pe www.mitocnol.com si www.nucleomaxX.com.

In hiperlactemia asimptomatica > 5MMOl/l hiperlactemia simptomatica si desigur in acidoza lactica , toate NRTI-urile ar trebui fi imediat intrerupte (Brinkman 2000). Suplimentarea cu coctailuri de vitamine au fost recomandate, dar nu exista date care sa demonstreze eficacitatea interventiei privitor la saracirea mtADN (Walker 1995, Venhoff 2002). Normalizarea spontana a LACTATE poate cere cateva saptamani. NRTI-uri mai prietenoase mitocondrial pot fi apoi introduse dar pacientii ar trebui indeaproape monitorizati (lonergan 2003). Tratamentul de sustinere propus in hiperlactemie si acidoza lactica este sintetizat in Tabelul 2.

LACTATE 2-5 mmol/L+simptome  LACTATE >5mmol/L sau acidoza lactica

Toxine mitocondriale DISCONTINUE

Luarea in consirerare a vitaminelor si NucleomaxX (36g TID pe 3 zile/ saptamani consecutive)
Toxine mitocondriale DISCONTINUE

Ingrijire intensiva

Mentinerea hemoglobinei > 100g/L

Evitarea agentilor vasoconstrictivi

Oxigen

Corectarea hipoglicemiei

Bicarbonat CONTROVERSIAL- 50- 100 mmol daca pH < 7.1

Coenzima Q10 (100mg TID)

Vitamina C (1g TID)

Tiamina (Vit B1, 100 mg TID)

Riboflavina (Vit B2, 60mg QD)

Piridoxina (Vit B6, 60mg QD)

L- ACETYL CARNITINE (1g TID)

NucleomaxX (36g TID pana LACTATE <5mmol/L)