Frontiere în Endocrinologie

Introducere

Boala cardiovasculară (MCV) este cea mai frecventă și severă complicație a diabetului zaharat, care duce la decese și dizabilități substanțiale la pacienții cu diabet zaharat de tip 2 . Pacienții cu T2DM prezintă un risc de două până la trei ori mai mare de MCV decât cei fără T2DM (3, 4). În comparație cu factorii tradiționali, cum ar fi tensiunea arterială, lipidele și indicele de masă corporală , compușii endogeni cu molecule mici detectați prin abordări metabolomice sunt mai susceptibili de a reflecta starea celulară legată de efectele comune ale nutriției celulare, ale medicamentelor, ale poluanților din mediu și ale altor factori externi (7). Metaboliții de acilcarnitină sunt un grup de substanțe esterice formate prin combinarea carnitinei libere cu acil-coenzima A (acil-CoA) produsă de acizii grași (8). Un studiu de cohortă a constatat că concentrațiile plasmatice ale anumitor acilcarnitine au fost mai mari la pacienții cu T2DM decât la populația non-T2DM (9). Mai mult, concentrația de acilcarnitine și de 4-hidroxynonenal mitocondrial în țesutul cardiac al șoarecilor hrăniți cu fructoză a fost mai mare decât cea din grupul de control (10). Deoarece 4-hidroxinonenalul este produs de peroxidarea lipidelor, creșterea 4-hidroxinonenalului poate sugera un stres oxidativ ridicat (11). Cu toate acestea, doar câteva studii clinice au investigat asocierile dintre acilcarnitine și MCV în T2DM. Într-adevăr, rămâne neconcludent dacă există asocieri între acilcarnitine și MCV în T2DM.

Prin urmare, am efectuat un studiu transversal bazat pe spital pentru a estima asocierea dintre metaboliții de acilcarnitină și MCV la pacienții chinezi cu T2DM.

Materiale și metode

Modalitatea și populația studiului

Acest studiu a folosit un design de studiu transversal pentru a explora asocierea dintre acilcarnitine și CVD în T2DM. Am recuperat fișele medicale electronice a 2.554 de pacienți internați cu date disponibile privind metaboliții din baza de date electronică principală a primului spital afiliat al Universității medicale Liaoning (LMUFAH), Jinzhou, China, care au fost internați în spital în perioada mai 2015 – august 2016 (12).

Cerințele de includere au fost stabilite după cum urmează: (1) vârsta ≥ 18 ani; (2) au fost diagnosticați ca T2DM; și (3) au fost disponibili metaboliți de acilcarnitină: acetilcarnitină (C2), propionilcarnitină (C3), butirilcarnitină (C4), hidroxilbutirilcarnitină (C4-OH), succinilcarnitină (C4DC), izovalerilcarnitină (C5), 3-hidroxiizovalerilcarnitină (C5-OH), glutarilcarnitină (C5DC), tigrilcarnitină (C5:1), hexanoilcarnitină (C6), octanoilcarnitină (C8), decanoilcarnitină (C10), lauroilcarnitină (C12), myristoilcarnitină (C14), 3-hidroxil-tetradecanoilcarnitină (C14-OH), tetradecanoildiacilcarnitină (C14DC), tetradecenoilcarnitină (C14:1), palmitoilcarnitină (C16), 3-hidroxipalmitoilcarnitină (C16-OH), 3-hidroxipalmitoleilcarnitină (C16:1-OH), octadecanoilcarnitină (C18), carnitină arahidică (C20), carnitină behenică (C22), carnitină tetracosanoică (C24), carnitină hexacosanoică (C26). Criteriile de excludere au fost: (1) diagnosticat ca diabet de tip 1; (2) sarcină. Un total de 741 de pacienți cu T2DM care au îndeplinit criteriile de includere și nu au avut criteriile de excludere au fost incluși în analiză.

Aprobarea etică a studiului a fost obținută de la Comitetul de Etică pentru Cercetare Clinică al LMUFAH și s-a renunțat la consimțământul informat de către Comitetul de Etică pentru Cercetare Clinică al LMUFAH din cauza naturii retrospective a studiului transversal.

Colectarea datelor și definiția clinică

Datele demografice și clinice au fost preluate din baza de date electronică principală a spitalului, incluzând vârsta, sexul, durata diabetului, complicațiile diabetului, utilizarea medicamentelor (medicamente antidiabetice, medicamente antihipertensive și medicamente hipolipemiante), IMC, tensiune arterială sistolică (SBP), tensiune arterială diastolică (DBP), hemoglobină glicată (HbA1c), trigliceride (TG), colesterol cu lipoproteine cu densitate mică (LDL-C) și colesterol cu lipoproteine cu densitate mare (HDL-C).

CVD a fost definit ca având boală coronariană (CAD) anterioară, insuficiență cardiacă (HF) sau accident vascular cerebral. IMC a fost calculat ca greutate corporală în kilograme împărțită la pătratul înălțimii corporale în metri, exprimată în kg/m2. Supraponderabilitatea a fost definită ca IMC ≥ 24,0 kg/m2, dar <28,0 kg/m2, iar obezitatea a fost definită ca IMC ≥ 28,0 kg/m2, conform recomandărilor Asociației chineze de diabet pentru utilizarea în China (13). Sfigmomanometrul cu mercur calibrat a fost utilizat pentru a măsura SBP și DBP după ce pacienții s-au odihnit timp de 5-10 min. Sângele la post peste noapte (cel puțin 8 h de post) a fost prelevat de la pacienții T2DM. Măsurătorile de HbA1c, TG, HDL-C și LDL-C au fost efectuate în laboratorul de biochimie al LMUFAH. În funcție de numărul de atomi de carbon din lanțul grupului acil, acilcarnitinele au fost clasificate în trei grupe: acilcarnitine cu lanț scurt, incluzând C2, C3, C4, C4-OH, C5, C5, C5-OH, C5DC, C5:1 și C6; acilcarnitine cu lanț mediu, inclusiv C8, C10, C12, C14, C14-OH, C14DC și C14:1; acilcarnitine cu lanț lung, inclusiv C16, C16-OH, C16:1-OH, C18, C20, C22, C24 și C26 (14).

Cantificarea acilcarnitinei

Metoda de analiză metabolomică a fost descrisă în studii anterioare (15). Pe scurt, probele de sânge uscat recoltate prin puncție cu degetul după 8 h de post au fost utilizate testul metabolomic. Metabolomii din petele de sânge uscate au fost măsurate cu ajutorul tehnologiei de spectrometrie de masă (MS). Analiza metabolomică MS a fost efectuată cu ajutorul unui sistem AB Sciex 4000 QTrap (AB Sciex, Framingham, MA, SUA). Sursa de ionizare prin electrospray a fost sursa de ionizare. Tensiunea de pulverizare a ionilor a fost de 4,5 kV. Modul pozitiv a fost efectuat pentru a scana analiții. Faza mobilă care a purtat componenta care urma să fie testată a fost o soluție apoasă de acetonitril 80%. Pentru cuantificarea absolută au fost utilizați etaloane interne de acilcarnitină marcate cu izotopi de la Cambridge Isotope Laboratories (Tewksbury, MA, SUA).

Analiză statistică

Analiza statistică a fost efectuată cu ajutorul Statistical Analysis System Release 9.4 (SAS Institute Inc., Cary, NC, SUA). Un P < 0,05 a fost considerat ca fiind semnificativ din punct de vedere statistic. Datele categoriale între două grupuri au fost comparate prin testul Chi-pătrat sau testul exact al lui Fisher, după caz, și au fost exprimate ca cantitate și procent. Graficul P-P sau graficul Q-Q a fost utilizat pentru testele de normalitate atunci când variabila de analiză a fost o variabilă continuă. Variabilele continue conforme cu distribuția normală au fost prezentate ca medie ± abatere standard (SD) și comparate prin testul t al lui Student, sau ca mediană cu interval intercuartilic (IQR) în caz contrar și comparate prin testul Wilcoxon Signed Rank Test.

Pentru a face față comparațiilor multiple, s-a utilizat analiza factorială pentru a reduce un număr mare de acilcarnitine corelate la un număr mai mic de factori necorelați. Testele de sfericitate Kaiser-Meyer-Olkin (KMO) și Bartlett au fost utilizate pentru a evalua adecvarea pentru analiza factorială (16). Un coeficient KMO < 0,5 este considerat inacceptabil, în timp ce valori în jurul valorii de 0,8 au fost considerate meritorii. Analiza componentelor principale a fost utilizată pentru a extrage factorii și pentru a obține matricea corespunzătoare de încărcare a factorilor. Rotația Varimax a rotit matricea inițială de încărcare a factorilor pentru a obține o soluție care este mai concisă și mai ușor de interpretat decât extracția inițială a factorilor (17). Acilcarnitinele individuale care au avut încărcarea maximă pentru un factor au fost utilizate ca și componente relevante ale factorului. Scree plot este o diagramă liniară a valorilor proprii ale factorilor în analiza factorială (18). Axa orizontală a graficului Scree este numărul de factori, iar axa verticală este valoarea proprie a factorilor. Numărul de factori de acilcarnitină a fost determinat de valoarea proprie, comunitățile și graficul scree: valoarea proprie > 1, comunitățile ≥ 50%, numărul de factori localizați pe panta abruptă a graficului scree.

Regresia logistică binară multivariabilă a fost utilizată pentru a estima raporturile de probabilitate (OR) și intervalele de încredere (CI) de 95% ale acestora ale factorilor de acilcarnitină extrași pentru MCV în T2DM. S-a aplicat o schemă de ajustare structurată pentru a controla efectele de confuzie ale variabilelor demografice și clinice. Mai exact, modelul 1 a fost un model univariabil; modelul 2 a fost ajustat pentru orice alți factori de acilcarnitină; modelul 3 a fost ajustat suplimentar pentru vârsta, sexul, IMC, durata diabetului, HbA1c, SBP, DBP, TG, LDL-C, HDL-C; iar modelul 4 a fost ajustat suplimentar pentru utilizarea medicamentelor, inclusiv medicamente antidiabetice, medicamente antidiabetice și medicamente hipolipemiante, în plus față de variabilele ajustate în modelul 3.

Rezultate

Descrierea subiecților studiului

Vârsta medie a pacienților din studiu a fost de 57,9 (SD: 14,1) ani, iar durata medie a diabetului a fost de 5 (IQR: 0-10) ani. Dintre aceștia, 391 (52,8%) erau de sex masculin și 288 (38,9%) sufereau de boli cardiovasculare (87 doar cu CAD, 109 doar cu accident vascular cerebral, 6 doar cu IC, 51 atât cu CAD cât și cu accident vascular cerebral, 53 atât cu CAD cât și cu IC, 18 atât cu accident vascular cerebral cât și cu IC și 18 cu toate) (Tabelul 1, Fișa de date 1).

În comparație cu grupul fără MCV, pacienții cu T2DM cu MCV au fost mai predispuși să fie mai în vârstă și au avut o durată mai lungă a diabetului, o TAS mai mare, o HbA1c mai mică și mai puțin predispuși să utilizeze insulină. Acești pacienți au avut tendința de a avea un LDL-C mai mic, rate mai mici de utilizare a medicamentelor antidiabetice, rate mai mari de utilizare a medicamentelor hipolipemiante și a medicamentelor antihipertensive. Nu au existat diferențe semnificative în ceea ce privește sexul, IMC, DBP, HDL-C și TG între cele două grupuri. C2, C4, C6, C6, C8, C10, C12, C14, C14-OH și C14:1 au fost mai mari, în timp ce C5-OH și C24 au fost mai mici la pacienții cu MCV decât la omologii lor fără MCV. Alte acilcarnitine au fost similare în cele două grupuri (tabelul 2).

Factori extrași ai acilcarnitinelor

Rezultatele analizei factoriale au fost acceptabile, așa cum sugerează un coeficient KMO ridicat de 0,898 și o valoare P foarte semnificativă a testului de sfericitate Bartlett de <0,0001. Factorii 1-5 au avut valori proprii mai mari de 1 și au fost localizați pe panta abruptă a graficului scree (Figura 1). Astfel, am extras cinci factori, iar încărcările de acilcarnitine pe cei cinci factori după rotația varimax au fost enumerate în tabelul 3. Factorul 1 a inclus C2, C4, C4-OH, C5DC, C6, C8 și C14DC; factorul 2 a inclus C10, C12, C14, C14-OH, C14:1 și C16-OH; factorul 3 a inclus C16, C16:1-OH, C18, C20 și C3; factorul 4 a inclus C22, C24 și C26; factorul 5 a inclus C4DC, C5, C5, C5-OH și C5:1. Cei cinci factori au explicat 65,9% din varianța totală.

Asocieri între factorii extrași și riscul de MCV în T2DM

Factorii 1, 2 și 4 au fost toți asociați pozitiv cu riscul de MCV în T2DM în analiza univariată. După ajustarea pentru alți factori, aceste asocieri pozitive au fost încă semnificative (modelul 2). Cu toate acestea, numai factorul 1 (OR: 1,42, IC 95%: 1,03-1,95) și factorul 2 (OR: 1,24, IC 95%: 1,03-1,49) au fost încă asociate pozitiv cu riscul de MCV după ajustarea suplimentară pentru vârstă, sex, IMC, durata diabetului, HbA1c, SBP, DBP, TG, LDL-C și HDL-C. După ajustarea finală pentru utilizarea medicamentelor, mărimea efectului factorului 1 (OR: 1,45, 95% CI: 1,03-2,03) și a factorului 2 (OR: 1,23, 95% CI: 1,02-1,50) a rămas în mare parte neschimbată (Tabelul 4).

Analiză de sensibilitate

După imputarea medie și imputarea multiplă a valorilor lipsă în HbA1c (n = 200), dimensiunile efectului factorilor 1 și 2 pentru riscul de boală cardiovasculară în T2DM au rămas stabile și semnificative în analizele uni- și multi-variabile (tabelul S1).

Discuție

Acest studiu a arătat că unele acilcarnitine, de ex, C2, C4, C4-OH, C5DC, C6, C8 și C14DC în factorul 1 și C10, C12, C14:1, C14, C14, C14-OH și C16-OH în factorul 2, au fost asociate cu riscul de boli cardiovasculare în T2DM, iar asocierile au fost independente de alți factori de acilcarnitine și de factorii de risc tradiționali de boli cardiovasculare. Acești metaboliți de acilcarnitină extrași în factorul 1 și 2 au fost în principal acilcarnitine cu lanț scurt și mediu.

Calea de alimentare cu energie a oxidării acizilor grași cu lanț lung la om este următoarea. În celule, acidul gras cu lanț lung (FA) se combină cu coenzima A (COA) pentru a forma acil-coenzima A cu lanț lung (acil-COA) (19). Carnitina se combină cu grupul acil al acil-COA cu lanț lung pentru a forma acilcarnitină cu lanț lung prin intermediul carnitinei palmitoiltransferaza 1 situată în membrana mitocondrială externă (20). Acilcarnitina este transportată în mitocondrii prin intermediul carnitin acilcarnitinei translocazei (CATC) (21). Acilcarnitina cu lanț lung este descompusă în acil-CoA cu lanț lung și carnitină de către carnitina palmitoiltransferaza 2 din membrana mitocondrială internă (22). Acil-COA cu lanț lung este dehidrogenat sub acțiunea de acil-COA dehidrogenazei cu lanț foarte lung pentru a forma enoil-COA (23). Enoil-COA produce 3-hidroxiactil-CoA prin hidratare sub controlul enoil-CoA hidratazei (23). 3-hidroxiacil-CoA este dehidrogenată de către 3-hidroxiacil-CoA-dehidrogenaza cu lanț lung pentru a forma 3-cetoacil-CoA (24). 3-cetoacil-CoA este supus tiolizei de către letoacil-CoA tiolază cu lanț lung pentru a produce un acetil-CoA și un acil-CoA cu lanț de două atomi de carbon scurtat (25). COA scurtat reintră în acest ciclu metabolic până la care intră în calea de oxidare a acizilor grași cu lanț scurt. În comparație cu acizii grași cu lanț lung, acizii grași cu lanț mediu și scurt pot intra direct în mitocondrii fără ajutorul CACT. La fel ca acizii grași cu lanț lung, acizii grași cu lanț mediu și scurt produc COA scurtat comparat și acetil-CoA sub cataliza combinată a unor enzime similare. COA scurtat reintră în ciclul acizilor grași cu lanț scurt până când este transformat în acetil-CoA. În cele din urmă, acetil-CoA produs în oxidarea acidului gras furnizează energie prin participarea la ciclul acidului tricarboxilic (figura 2A).

Diverse studii au raportat scăderea ratelor de oxidare a glucozei, creșterea ratelor de oxidare a FA și a consumului de oxigen miocardic la șoarecii ob/ob și db/db (26, 27). O echipă de cercetare americană a ajuns la o concluzie similară prin măsurarea repetată a șoarecilor de mai sus la diferite săptămâni de vârstă (28). Echipa a suspectat, printr-un experiment PCR suplimentar, că expresia genică implicată în absorbția și oxidarea FA a fost dezechilibrată, ceea ce a dus la faptul că FA intrată în cardiomiocite a depășit capacitatea oxidativă mitocondrială. În plus, alte câteva studii au constatat că cardiomiocitele șobolanilor Zucker nu au avut o creștere semnificativă a oxidării în comparație cu creșterea FA cu lanț lung în cardiomiocite (29, 30). Un studiu a determinat nivelurile de FA la om și a constatat că, deși rata de oxidare a FA a crescut, procentul cantității de oxidare a acizilor grași a fost mai mic din cauza consumului crescut (31). În plus, acil-CoA se poate acumula în citoplasmă dacă se impune o supraîncărcare cu FA (32). În mod consecvent, analiza metabolomică a constatat că, în comparație cu pacienții care nu suferă de T2DM, oxidarea acizilor grași cu lanț lung la pacienții cu T2DM a fost incompletă, ceea ce a dus la creșterea semnificativă a nivelurilor plasmatice de C6, C8, C10, C12 și C14 (33). Unii cercetători au arătat că procentul de grăsime corporală s-a corelat pozitiv cu nivelurile serice de C2, C3, C4, C5, C6, C8:1 și C16:1 (34). Era probabil ca o grăsime corporală mai mare să fie corelată cu o oxidare beta incompletă a acizilor grași, ceea ce a condus predominant la cantități mai mari de acilcarnitină cu lanț scurt sau mediu. Aceștia au constatat, de asemenea, că nivelurile serice de C2, C6, C8, C10, C12, C12, C14, C14:1 și C14-OH au fost crescute în starea prediabetică (34).

Prin urmare, bănuim că o rată ușor crescută de oxidare a acizilor grași din cardiomiocite la pacienții cu T2DM nu poate oxida în mod adecvat acizii grași liberi cu lanț lung, acumulați în cardiomiocite. AG libere acumulate induc cardiotoxicitate. Pe de altă parte, calea de oxidare a acizilor grași cu lanț mediu și scurt poate fi inhibată din cauza ratei crescute de oxidare a acizilor grași cu lanț lung. Din cauza acestei inhibiții, coenzima A cu lanț mediu și scurt nu este suficient convertită în acetil-CoA. În cele din urmă, acumularea cumulativă de carnitină care se leagă de acil-CoA duce la o creștere a acilcarnitinelor cu lanț mediu și scurt (Figura 2B).

Au existat mai multe limitări observate în studiul nostru. În primul rând, studiul nostru a fost un studiu transversal și nu a putut stabili relații de cauzalitate între acilcarnitine și MCV în T2DM. În al doilea rând, subiecții noștri au fost pacienți internați. T2DM-ul lor a fost mai sever decât cel al pacienților cu T2DM în general. Astfel, constatările noastre nu pot fi extrapolate la populația generală de pacienți cu T2DM. În al treilea rând, studiul nostru nu a colectat factori dietetici, iar obiceiul alimentar poate fi unul dintre factorii de confuzie majori în analiza noastră (35). Cu toate acestea, am ajustat cu atenție efectele potențial confuze ale altor metaboliți de acilcarnitină, precum și factorii demografici și clinici, inclusiv, dar fără a se limita la vârstă, IMC, BP, HbA1c și profilul lipidic. Ca „rezultate” ale dietei, ajustarea pentru acei metaboliți de acilcarnitină și factori clinici ar fi putut elimina parțial efectele de confuzie ale obiceiului alimentar. Cu toate acestea, am recunoscut că, în ciuda ajustării atente pentru acești factori de confuzie, nu putem exclude faptul că au existat efecte de confuzie neajustate. Prin urmare, rezultatele noastre trebuie să fie interpretate cu prudență. În al patrulea rând, nu am determinat nivelurile de rezistență la insulină și de acil-CoA. În cele din urmă, 200 de cazuri de HbA1c au lipsit la subiecții noștri. Cu toate acestea, aceste asocieri au rămas stabile după imputația medie și imputațiile multiple, sugerând că este puțin probabilă o prejudecată majoră.

Rezultatele cercetării noastre au avut implicații importante pentru sănătatea publică. MCV este o complicație comună și gravă în T2DM, care este asociată în mod semnificativ cu decesul prematur în T2DM. Deși gestionarea intensivă a hiperglicemiei, a hipertensiunii și a lipidelor anormale este capabilă să reducă riscul de MCV în T2DM, riscul rezidual de MCV rămâne substanțial ridicat (36). Este important să se înțeleagă mai bine mecanismele de apariție a bolilor cardiovasculare în T2DM. Studiul nostru oferă o nouă perspectivă asupra căilor de la tulburările metabolice în T2DM la MCV.

În concluzie, studiul nostru a constatat că nivelurile plasmatice ridicate ale unor metaboliți de acilcarnitină extrași în factorii 1 și 2, și anume C2, C4, C6, C6, C8, C10, C12, C14, C14OH și C14:1, au fost asociate cu riscul de MCV la pacienții chinezi internați cu T2DM. Având în vedere natura studiului transversal, sunt necesare studii prospective de cohortă pentru a replica constatările noastre în viitor.

Declarație privind disponibilitatea datelor

Seturile de date generate pentru acest studiu pot fi găsite în Metabolights, cu identificatorul unic MTBLS1427, accesibil prin http://www.ebi.ac.uk/metabolights/MTBLS1427.

Declarație de etică

Studiile care au implicat participanți umani au fost analizate și aprobate de Comitetul de etică pentru cercetare clinică al primului spital afiliat al Universității medicale Liaoning. Consimțământul în cunoștință de cauză scris pentru participare nu a fost necesar pentru acest studiu, în conformitate cu legislația națională și cerințele instituționale.

Contribuții ale autorilor

Z-ZF, SZ și XY au conceput studiul. SZ și X-FF au analizat datele și au redactat proiectul. H-HL și MG au colectat datele. JL, Y-FC și X-YS au făcut comentarii critice și au contribuit la redactarea acestui manuscris. SZ, TH, J-XC, JZ și DS au participat la revizuirea acestui manuscris.

Finanțare

Această lucrare a fost susținută de proiectul pentru Programul Național de Cercetare și Dezvoltare Cheie (2019YFA0802300), Fundația de Științe Naturale a Provinciei Liaoning (20170540364), Proiectul general de cercetare științifică al Departamentului Provincial de Educație din Liaoning (L2015326), Programul de Cercetare și Dezvoltare Cheie al Provinciei Liaoning (2019JH8/10300036), al treisprezecelea plan de 5 ani și proiectul de talente TMU (11601501/2016KJJ0313), diagnosticul și tratamentul individualizat al cancerului colorectal (LNCCC-B05-2015), Fundația Comitetului pentru știință și tehnologie din Tianjin (15JCYBJC54700), Fundația chineză de științe postdoctorale (2016M590210), Proiectul-cheie al Fundației de știință a Biroului de sănătate din Tianjin (16KG154) și Proiectul Tianjin al celor o mie de tineri talentați.

Conflict de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

Recunoștințe

Autorii mulțumesc tuturor medicilor, asistentelor și personalului de cercetare de la LMUFAH din Jinzhou, pentru participarea lor la acest studiu.

Material suplimentar

Materialul suplimentar pentru acest articol poate fi găsit online la adresa:

Material suplimentar

: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fendo.2020.00212/full#supplementary-material

.