Endogenní kardiotonické steroidy (endogenous cardiotonic steroids, ECS) představují skupinu látek zahrnující na straně jedné „klasické“ digoxinu-podobné imunoreaktivní substance (kardenolidy, ze současného pohledu endogenní ouabain) a nově identifikované bufodienolidy. Jedná se heterogenní skupinu látek, které vykazují podobné efekty jako srdeční glykosidy odvozené z rostlinných zdrojů a používané pro léčbu srdečního selhání a dalších kardiovaskulárních chorob. Skupina těchto látek je nejednotná terminologicky, strukturálně i funkčně. Z hlediska terminologie se používají názvy endoxin, OLF, tj. ouabain-like factor (substance), DLF nebo DLIF, tj. digoxin-like immunoreactive factor (substance), kardiotonické steroidy, kardenolidy (podle schopnost vazby s kardenolidovým receptorem), bufodienolidy a další, více nebo méně frekventované pojmy. Podobně jako mají kardiotonické steroidy různé strukturální vlastnosti, nemají asi stejné fyziologické účinky a nemusejí se nutně zúčastňovat stejných regulačních procesů. O těchto látkách se spekulovalo dlouhou dobu, protože kardenolidovým receptorem zprostředkovaný efekt digoxinu musel mít z hlediska fylogenetického vývoje nějaký endogenní důvod pro existenci. Další doklad existence kardiotonických steroidů u živočichů vychází z tradiční čínské medicíny, kdy se stovky let používaly u osob s městnavým srdečním selháním sušené kůže ropuch (Bufo), později se prokázaly účinné látky - bufodienolidy.
Endogenní kardiotonické steroidy (ECS) inhibují sodíkovou pumpu ve všech buňkách. Hlavním důsledkem je porucha reabsorbce sodného kationtu v ledvinách a rozvoj vazokonstrikce ovlivněním sodíkové pumpy v hladkých svalových buňkách (hlavní rozdíl proti natriuretickým peptidům ANP a BNP, které mají natriuretický a vazodilatační efekt).
Endogenní kardiotonické steroidy se podle struktury dělí na
|
Rostlinné kardiotonické steroidy |
Steroidní glykosidy a polární monoglykosidy (kardenolidy) |
Digoxin (Digitalis lanata, C41H64O14, m.h. 780,938)
3-[(O-2,6-dideoxy-beta-D-ribohexopyranosyl(1›4)-O-2,6-dideoxy-beta-D-ribohexopyranosyl-(1›4)-2,6-dideoxy-beta-D-ribohexopyranosyl)oxy]-5beta,20(22)-kardenolid-3beta,12beta,14-triol |
|
Digitoxin (Digitalis purpurea, C41H64O13, m.h. 764,939)
3-[(O-2,6-dideoxy-beta-D-ribohexopyranosyl(1›4)-O-2,6-dideoxy-beta-D-ribohexopyranosyl-(1›4)-2,6-dideoxy-beta-D-ribohexopyranosyl)oxy]-5beta,20(22)-kardenolid-3beta,14-diol |
||
|
Ouabain (Strofantin G, Strophanthus gratus, Acocanthera ouabaio, C29H44O12 . 8H2O, m.h. 584,652, heptahydrát 728,8 g/mol)
4-[1,5,11,14-tetrahydroxy-10-(hydroxymethyl)-13-methyl-3-(3,4,5-trihydroxy-6-methyl- |
||
|
Endogenní kardiotonické steroidy obratlovců |
„Digitalis-like“ faktory, strukturální podobnost s digoxinem nepotvrzena, ale vykazují stejnou reaktivitu (včetně zkřížené imunoreaktivity při stanovení digoxinu) |
|
|
Ouabain nebo „Ouabain-like“ faktory (zřejmě se jedná o strukturálně identické molekuly, nebo jde o 11beta-hydroxyizomer ouabainu) |
||
|
Bufalin, 19-norbufalin 3-beta,14-beta dihydroxy bufodienolide |
||
|
Marinobufagenin (Bufo marinus) 3-beta,5-beta dihydroxy 14,15-epoxy bufodienolide |
||
|
Resibufagenin (Bufo viridis) 3-beta hydroxy 14,15-epoxy bufodienolide |
||
|
Placentární bufadienolid 3beta hydroxy,14alfa,20:21-bufadienolid |
||
|
Telecinobufagin (marinobufagenin obohacený o 2 vodíkové atomy) |
||
|
(arginin suberoyl ester marinobufageninu) |
||
|
Bufotrienolidy |
Proscillaridin A nebo Inhibitor A (zřejmě identické molekuly), je rovněž rostlinného původu 3-beta rhamnosido-14-beta-hydroxy bufotrienolide |
Dělení na kardenolidy a bufadienolidy má vysoké logické opodstatnění. Pojem DLF nebo OLF se zřejmě bude ještě používat i nadále.
Místem syntézy ECS je kůra nadledvin, konkrétně zona fasciculata. Byl popsán nadledvinový tumor produkující ouabain (ouabainom), u pacienta došlo po extirpaci tumoru k normalizaci krevního tlaku. Sekrece v hypothalamu a další skladování v hypofýze není vyloučeno, syntéza v dalších tkáních se považuje za méně pravděpodobnou – může se spíše jednat o kontaminaci nebo akumulaci kardiotonických steroidů z potravy nebo vytvořených v nadledvinách. Vyvolávajícím stimulem je změna tonusu sympatiku, adrenalin a angiotenzin II (prostřednictvím aktivace AT2 receptorů a signalizace cestou cyklického GMP). Z uvedených důvodů je koncentrace ECS silně závislá na fyzické aktivitě a stresu. Koncentrace se rovněž zvyšují při hypernatrémii a hypokalémii.
Endogenní kardiotonické steroidy se zpočátku syntetizují stejně jako cholesterol a statiny tedy blokují jejich syntézu. Na úrovni cholesterolu (C27) se metabolická dráha větví na cestu steroidních hormonů odštěpením šestiuhlíkové jednotky za vzniku pregnenolonu (C21). U živočichů není jasné, zda je pregnenolon nebo progesteron prekurzorem kardiotonických steroidů. Pro endogenní ouabain tomu tak pravděpodobně je (a prekurzorem může být rovněž progesteron), v případě bufadienolidů zřejmě nikoli. Na syntéze se nepodílí cytochrom P450 (jako u steroidů rostlinného původu). Předpokládaná dráha syntézy endogenních kardiotonických steroidů v kůře nadledvin vychází z představy souhry působení tří nebo čtyř enzymů, jejichž postupným působením je cholesterol přeměněn do konfigurace cis-trans-cis, vytvořen pětičlenný laktonový kruh, připojen sacharidový zbytek (za vzniku didoxin-like immunoreactive factor, DLIF) a případně modifikována struktura na Dh-DLIF (dihydrodigoxin-like) (Qazzaz, 2004). Pro DLIF a Dh-DLIF se tedy připouští vznik z pregnenolonu nebo progesteronu, bufadienolidy s šestičlenným laktonovým kruhem vznikají z cholesterolu postranní dráhou, mimo pregnenolon. Představiteli živočišných kardiotonických steroidů ze skupiny kardenolidů je ouabain, ze skupiny bufadienolidů jsou to marinobufagenin (MBG, C24), marinobufotoxin (MBT) a 19-norbufalin.
Kardiotonické steroidy byly prokázány ve více tkáních, v některých se ale spekuluje o exogenním zdroji (z potravy) a následné akumulaci ve tkáni (např. v hypothalamu, v sarkolemě a cytoplazmě kardiomyocytů). Důležitý byl průkaz cyklu receptoru s ligandem, kdy dochází k internalizaci sodíkové pumpy s navázanými kardiotonickými glykosidy s vytvořením struktur s molekulami klathrinu na povrchu. Tímto mechanismem lze vysvětlit například akumulaci imunoreaktivity kardiotonických steroidů v oblasti Z-linií, T-tubulů a interkalátních disků kardiomyocytů. Vliv endogenních kardiotonických steroidů na funkci kardiomyocytů je dán uspořádáním sodíkové pumpy a dalších membránových proteinů. V plazmatické membráně myocytů mimo endoplazmatické retikulum převažuje sodíková pumpa, jejíž katalytická podjednotka je tvořena izoformou alfa-1. Ve stejné lokalizaci se může vyskytovat kalciová pumpa (obě závislé na ATP). Naproti tomu v místech, kde k membráně přiléhá sarkoplazmatické retikulum, vytváří se funkční komplex nazývaný plasmerosom (plasma membrane-junctional sarcoplasmic/endoplasmic reticulum). V tomto komplexu jsou sodíkové pumpy vybaveny alfa-2 nebo alfa-3 izoformami, kolokalizován je výměnný transportér NCX (Na+/Ca2+), kotransportér SOC (store-operated channel Ca2+/Na+), sarkoplazmatické retikulum obsahuje komplexy receptorů inositoltrifosfátu (IP3) a receptory RyR. Intracelulární koncentrace vápenatého kationtu není rovnoměrná, v oblasti plasmerosomu je zvýšena.
V plazmě se vyskytují za fyziologických okolností velmi nízké koncentrace kardiotonických steroidů. Předpokládanými vazebnými proteiny jsou imunoglobuliny nebo imunoglobulinům podobné molekuly se strukturou přinejmenším analogickou s lidským imunoglobulinem, zřejmě minoritní variantou typu A nebo Fc fragmentem IgG (vytvořeným plasminem a ikoli papainem). Zajímavá je vysoká specifičnost vazby endogenních kardiotonických steroidů na tento typ vazebného proteinu, vazba digoxinu je 100x slabší. Předpokládá se, že kardiotonické steroidy navázané na imunoglobulinové molekuly tvoří určitý rezervoár a transportní systém pro zajištění fyziologického účinku na sodíkovou pumpu (Parhami-Seren, 2002).
Receptory kardiotonických steroidů jsou katalytické alfa-podjednotky sodíkové pumpy. Pro různé kardiotonické steroidy je různá afinita izoforem alfa1, alfa-2 nebo alfa-3 a tedy i různá fyziologická odpověď. Také lokalizace izoforem v buňce může být odlišná. Pro signální transdukci se více uplatňují izoformy alfa-1, v dlouhodobé regulaci tlaku se více uplatňují podjednotky alfa-2.
Efekty kardiotonických steroidů jsou krátkodobé a dlouhodobé. Příkladem krátkodobého efektu je zvýšení ouabainu při fyzické zátěži. Dlouhodobé efekty zahrnují rozvoj hypertenze, buněčnou proliferaci a diferenciaci a další.
Situace se zvýšením kardiotonických steroidů
|
Klinická situace |
Patofyziologická poznámka |
|
Esenciální hypertenze |
Zvýšení u 30 – 45 % pacientů, inhibice NKP v (kardio)vaskulárním systému a zvýšení [Ca2+]i |
|
Srdeční selhání |
Zvýšení jako příčina nebo jako následek selhání, zejména městnavého |
|
Hypertrofická kardiomyopatie |
Zvýšení pravděpodobně jako důsledek tlakového a objemového přetížení, ale zvýšení může být i příčinou |
|
Gravidita |
Zvýšení ve třetím trimestru, s možným vlivem na vývoj hypertenze, event. preeklampsie |
|
Preeklampsie |
Zvýšení produkce kardiotonických steroidů v placentě, může jít o marinobufagenin nebo jiné deriváty bufadienolidů |
|
Restrikce soli |
Modulační efekt některých kardiotonických steroidů u hypertoniků s restrikcí soli, „obrana“ proti hypotenzi? |
|
Zvýšený příjem soli |
Zvýšení v rámci regulační natriurézy |
|
Hyperaldosteronismus |
Zvýšení jako důsledek objemové expanze |
|
Akutní a chronická objemová expanze |
Modulační efekt většiny kardiotonických steroidů, využití natriuretického efektu může fixovat hypertenzi |
|
Plody a novorozenci |
Zejména u nezralých novorozenců |
|
Akutní infarkt myokardu |
Souvisí s oběhovými změnami |
|
Akutní a chronické selhání ledvin |
Oběhové přetížení |
|
Hepatopatie |
Cirhóza s hypoalbuminémií a retencí tekutin |
|
Hormonální poruchy |
Diabetes mellitus, akromegalie, hyperaldosteronismus, hypotyreóza, příčinou je vesměs oběhová expanze |
|
Fyzická zátěž |
Zvýšení jako důsledek aktivace sympatiku a katecholaminů (ouabain) |
|
Hypoventilace |
Zvýšení u dobrovolníků (bufadienolidy) |
|
Ostatní |
Obezita, plicní onemocnění (chronická obstrukční choroba bronchopulmonální s retencí tekutin) |
Základní dvě funkce kardiotonických steroidů, které jsou výsledkem interakce mezi ligandem a receptorem, tj. příslušnou podjednotkou sodíkové pumpy, jsou
· inhibice sodíkové pumpy,
· aktivace signálních drah.
Inhibice sodíkové pumpy je nejdéle pozorovaný efekt kardiotonických steroidů. Podkladem tohoto pozitivně inotropního a hypertenzního účinku je a) snížení koncentrace draselného kationtu v cytosolu, b) akumulace sodného kationtu v cytosolu a c) zvýšení koncentrace vápenatého kationtu v cytosolu. Výsledkem je porucha gradientu Na+ a depolarizace buněčné membrány, v případě buněk hladkého svalstva cév a kardiomyocytů dochází k aktivaci výměnného transportéru Na+/Ca2+ (NCX, typu 1) a výsledkem je zvýšení koncentrace intracelulárního Ca2+ ([Ca2+]i) a vazokonstrikce. Další zvýšení [Ca2+]i je podmíněno vazbou kardiotonických steroidů na ryanodinový receptor (RyR) sarkoplazmatického retikula, které dále přispěje ke kontrakci svalové buňky. Aktivace RyR je nezávislé na vazbě digoxinu nebo endogenních kardiotonických steroidů na sodíkovou pumpu a slouží jako amplifikační proces zvýšení cytosolového kalcia. Ke zvýšení intracelulárního kalcia přispívá také zvýšená syntéza kyslíkových radikálů vlivem aktivace signální dráhy MAP kinázy. Vzestup koncentrace intracelulárního kalcia o méně než 10 % vede k mnohonásobnému zvýšení sekvestrovaného intracelulárního kalcia uvedeným amplifikačním mechanismem.
Řízení procesu činnosti sodíkové pumpy je zajištěno internalizací sodíkové pumpy s částí membrány (část poolu NKP je lokalizována v dutinách membrány – kaveolách, caveolae). Endocytózu aktivuje ouabain, proces je souhrou mezi buněčnou membránou s cytoskeletem a podílí se na něm kinázy c-SRC a PI3 (PI3K, phosphoinositid-3 kinase) a kaveolin-1.
V případě buněk renálních tubulů je bazolaterální inhibice sodíkové pumpy spojena s natriurézou, na které se podílí také inhibice výměnných transportérů Na+/H+ (izoforma 3, NHE3) na apikální membráně tubulů (proximální tubulus a tlusté ascendentní raménko Henleho kličky). NHE3 je ovlivněn minimálně dvojím mechanismem – jednak je pod vlivem ouabainu translokován z apikální membrány do cytosolu současně s inhibicí sodíkové pumpy, jednak dochází ke snížení exprese NHE3 při poklesu aktivity transkripčního faktoru Sp1. Tento transkripční faktor je výsledkem působení kaveolárního signálního komplexu (NKP signalosom). Předpokládá se, že pod vlivem ouabainu dochází k formování multiproteinového komplexu zahrnujícího sodíkovou pumpu, receptor EGFR (epidermal growth factor receptor), kinázy c-Src a PI3K (Oweis, 2006).
Aktivace signálních drah se považuje za významný efekt kardiotonických steroidů, který nastává při relativně nízkých (tj. běžně se vyskytujících) koncentracích ligandů, nezasahuje do změny transportu sodného a draselného kationtu a vede k ovlivnění růstu a proliferace buněk zejména kardiomyocytů, vaskulárních hladkých svalových buněk a buněk renálního parenchymu (proximálních tubuluů). Významnou roli hraje zastoupení izoforem alfa-podjednotek sodíkové pumpy. U kardiomyocytů se na signální transdukci více podílí pool sodíkové pumpy s alfa-1 izoformou, která je lokalizována v kaveolách, zatímco pool sodíkové pumpy zodpovídající za iontový transport a pozitivně inotropní efekt je představován type alfa-2 izoformy s lokalizací na T-tubulech s možným, ale nikoli nutným uložením v kaveolách. Předpokládaný zásah do signální transdukce zahrnuje kaskádu MAPK (mitogen-activated protein kinase, ERK1/2), která se aktivuje po vazbě kardiotonického steroidu na alfa-podjednotku NKP. Tato kaskáda je dále ovlivněna receptorem EGFR (epidermal growth factor receptor), společná dráha zahrnuje SRC-EGFR (sarcoma kinase), PLC (fosfolipázu C) a PKC (proteinkinázu C). MAPK je ovlivněna také kinázou renin-angiotenzinového systému (RAF, renin-angiotensin factor kinase). MAPK aktivuje produkci volných kyslíkových radikálů v mitochondriích s výslednou aktivací NF-kB (nuclear factor kappa B) který zasahuje do genové exprese v jádře a buněčné proliferace. Podobné účinky na jádro má MAPK přímo. Dalším faktorem, který ovlivňuje expresi genů, je AP-1 (transcription activator protein 1).
Ouabain, ale spíše marinobufagenin (MBG) je schopen aktivace signální dráhy i prostřednictvím vazby na alfa-1 podjednotku sodíkové pumpy, která je z hlediska transportu iontů na ouabain resistentní (Dmitrieva, 2003). Fyziologická role kardiotonických steroidů se tedy může odvíjet o různé senzitivity izoforem podjednotek NKP na ligandy. Prostřednictvím signální dráhy MAPK po aktivace kardiotonickými steroidy je ovlivněn růst a proliferace na straně jedné a apoptotické procesy na straně druhé. Toto zjištění by kardiotonické steroidy stavělo do role modulátorů, které zajišťují rovnováhu mezi těmito protichůdnými procesy. V případě renálního parenchymu je růst a proliferace možnou odpovědí na přetížení reziduálních nefronů a následné volumové expanze, která je stimulem pro tvorbu kardiotonických steroidů v nadledvině.
O proapoptotické roli kardiotonických steroidů se spekulovalo s ohledem na pozorování pacientek s karcinomem prsu léčených digoxinem, u kterých byl zjišťován příznivější průběh onemocnění, méně maligní morfologie nebo lepší přežívání po léčbě (Dmitrieva, 2002). Apoptóza se týká více některých transformovaných buněčných linií, je selektivní a specifická například pro buněčnou linii akutní T-lymfoblastické leukémie a naopak neprojevuje se u buněčných linií jiného typu (chronická myelogenní erytroblastoidní leukémie nebo mononukleární buňky zdravých dobrovolníků). Mechanismus ovlivnění apoptózy je kombinovaný. Kromě zvýšení intracelulární koncentrace Ca2+, který je důsledkem inhibice NKP, se může uplatnit aktivace signální transdukce MAPK, zvýšení exprese proapoptotických proteinů (kaspáza 3, systém Fas/FasL), snížení exprese antiapoptotických proteinů (Bcl-1, Bcl-2) nebo změna exprese proteinů v dráze syntézy volných kyslíkových radikálů. Digoxinu-podobné imunoreaktivní substance se tak mohou stát součástí protinádorové terapie, jejich terapeutická koncentrace je v tomto případě v oblasti netoxických (nanomolárních) koncentrací (Ihenetu, 2007). Indukce apoptózy byla specificky popsána u bufalinu a předpokládá se podobný efekt pro ostatní bufodienolidy.
Endogenní srdeční glykosidy hrají roli v rozvoji arteriální hypertenze. Původní představa vycházela z primární poruchy v ledvinách (geneticky podmíněná neschopnost eliminovat sodný kationt s následnou objemovou expanzí) a sekundární role digoxinu podobných substancí, které vyvoláním natriurézy sice upraví objem extracelulární tekutiny k normě, ale inhibicí sodíkové pumpy a retencí intracelulárního Ca2+ fixují hypertenzi. Nově formulovaná hypotéza vychází naopak z primární poruchy renální exkrece endogenního ouabainu a jeho zvýšeného vlivu na sympatikus a tím vyvolané trvalé zvýšení krevního tlaku.
Další účinky se týkají střeva (snížení absorpce Na+ ve střevě), metabolismu glukózy (inzulinová rezistence a hyperinzulinémie s rozvojem poruchy glukózové tolerance, platí i pro těhotné ženy). Endogenní kardiotonické steroidy mají slabou estrogenní aktivitu.
Další informace
Antonín Jabor (2008-07-22)