Ciała ketonowe w farmakoterapii

Pojęcie „ciała ketonowe” ma charakter ugruntowanego w nazewnictwie biochemicznym określenia zwyczajowego i nie odnosi się ściśle do chemicznego rozumienia ketonów. Do tej grupy bowiem obok acetooctanu (AcAc) oraz produktu jego dekarboksylacji – acetonu, należy także niebędący ketonem (R)-3-hydroksymaślan (3HB), powstający w wyniku enzymatycznej redukcji AcAc.

Ciała ketonowe, będące produktami zachodzącej w wątrobie ketogenezy, są wykorzystywane przez większość tkanek pozawątrobowych jako dogodne substraty energetyczne, dostępne niezależnie od regulacyjnego wpływu insuliny. Równocześnie związki te mogą zostać zużytkowane jako substraty do syntezy cholesterolu, endogennych kwasów tłuszczowych, a nawet niektórych aminokwasów i wywodzących się z nich amin biogennych. Sprawia to, iż podejmowane są próby wykorzystania ciał ketonowych w terapii niektórych zaburzeń czynnościowych mięśnia sercowego i centralnego układu nerwowego, a także w postępowaniu resuscytacyjnym w ratownictwie medycznym. Stosowany jest tu zwykle 3HB jako substancja trwalsza, niepodatna na dekarboksylację, wykazująca wysoką rozpuszczalność w wodzie.

Terapia padaczki
Pierwszym, nie do końca świadomym, wykorzystaniem procesu ketogenezy w celach terapeutycznych była zaproponowana i wprowadzona na początku XX wieku, początkowo we Francji, póśniej także w USA, terapia padaczki z zastosowaniem wielodniowej głodówki. Obserwowane pozytywne efekty w postaci zmniejszenia częstości, a nawet ustąpienia ataków epileptycznych wynikały, co zbadano dużo póśniej, z pozytywnego oddziaływania na mózg ciał ketonowych, których synteza ulegała nasileniu w toku głodzenia. Konsekwencją dalszych badań było zastosowanie w terapii padaczki tzw. diety ketogennej opartej o proporcję: lipidy 4 części, białka 1 część, przy braku węglowodanów. Kompozycja diety, obejmująca dużą zawartość lipidów, prowadziła do nasilonej ß-oksydacji kwasów tłuszczowych oraz wzmożonej ketogenezy, czemu sprzyjał brak w diecie głównego, konkurencyjnego w stosunku do lipidów, substratu energetycznego – cukru. Obok pożądanego istotnego zmniejszenia częstości napadów padaczkowych, u pacjentów poddanych tej terapii stwierdzano wzrost stężenia triacylogliceroli oraz cholesterolu całkowitego w osoczu krwi z równoczesnym obniżeniem udziału frakcji HDL i wzrostem frakcji LDL, co świadczyło o wydatnym zwiększeniu ryzyka rozwoju zmian miażdżycowych. W konsekwencji stosowanie diety ketogennej ograniczono do przypadków niepoddającej się innemu leczeniu padaczki u dzieci i młodzieży poniżej 17. roku życia, kiedy to promiażdżycowe zmiany w składzie osocza są najsłabiej zaznaczone, oraz do pacjentów z objawami padaczkowymi w przebiegu genetycznie uwarunkowanego deficytu GLUT 1 – głównego transbłonowego nośnika glukozy w tkance nerwowej.

3HB a glukoza i insulina
Eksperymenty prowadzone na perfundowanych sercach szczurzych wykazały, iż infuzja 3HB w obecności glukozy i insuliny istotnie poprawia aktywność skurczową mięśnia sercowego. Wykazano ponadto, iż w obecności 3HB ograniczeniu ulega regulacyjny wpływ insuliny na gospodarkę energetyczną w komórkach mięśnia sercowego, co potwierdza preferencyjne wykorzystanie 3HB jako substratu energetycznego, z następczym wydatnym zmniejszeniem dynamiki katabolizmu glukozy. Wpływ insuliny na energetykę miocytów sprowadza się do nasilania katabolizmu glukozy w procesie glikolizy, przy równoczesnym zahamowaniu lipolizy, co ogranicza możliwość wykorzystania kwasów tłuszczowych jako substratów energetycznych. Katabolizm 3HB, realizowany preferencyjnie w stosunku do katabolizmu glukozy, wymaga zaangażowania układów enzymatycznych ketolizy, nie podlegających bezpośredniemu oddziaływaniu regulacyjnemu ze strony insuliny.

Zastosowanie 3HB jako składnika płynów infuzyjnych podawanych osobom długotrwale głodzonym prowadzi do zmniejszenia ilości wydalanych z moczem związków azotowych, co wskazuje na spowolnienie zmian degeneracyjnych tkanek obwodowych, w tym zwłaszcza mięśni. Potwierdzeniem tego faktu może być wykazane doświadczalnie zmniejszenie uwalniania alaniny z miocytów mięśni szkieletowych do krwi.

Zastosowanie w leczeniu choroby Alzheimera
W literaturze wskazuje się na celowość stosowania indukowanej dietą umiarkowanej ketozy lub podawania 3HB w przebiegu choroby Alzheimera. W neuronach objętych zmianami typowymi dla tej jednostki chorobowej stwierdza się bowiem istotne obniżenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej (MtPDC, E. C. 1.2.4.1) na skutek jego fosforylacji przy udziale kinazy syntazy glikogenowej 3ß (E. C. 2.7.1.37), zaktywowanej przez fragment Aß 1-42 łańcucha ß amyloidu. Wobec zahamowania aktywności MtPDC wykorzystanie przez neurony glukozy lub mleczanu jako substratów energetycznych ulega istotnemu ograniczeniu, co wpływa na rozwój pogłębiającego się deficytu energetycznego. Równocześnie zahamowanie MtPDC prowadzi do obniżenia podaży Ac-CoA na rzecz lipogenezy oraz wewnątrzkomórkowej acetylacji, co wykazano doświadczalnie w kulturach neuronów cholinergicznych eksponowanych na działanie Aß 1-42, gdzie dochodziło do zahamowania syntezy acetylocholiny. W tych warunkach AcAc i 3HB stanowić mogą podstawowe substraty energetyczne dla neuronów, gdyż ich katabolizm nie wymaga aktywności MtPDC, pozwalając na uzyskiwanie ATP z pominięciem upośledzonego etapu katalitycznego. Równocześnie odpowiednio duża pula ciał ketonowych pozwala na wykorzystanie części z nich jako donorów reszt acetylowych na rzecz syntezy acetylocholiny oraz własnej lipogenezy neuronów. We wspomnianym wyżej eksperymencie przeprowadzonym na kulturze neuronów cholinergicznych, dodatek 4 mM 3HB chronił neurony przed indukowaną przez Aß 1-42 śmiercią.

Zastosowanie w terapii choroby Parkinsona
Korzystne efekty wykazują również ciała ketonowe w przebiegu choroby Parkinsona. Choć szczegółowy mechanizm ich działania w tym przypadku nie został jeszcze zbadany, to wiadomo, iż dodatek 4 mM 3HB działa protekcyjnie, wydłużając średni czas życia neuronów dopaminergicznych śródmózgowia w kulturze komórkowej, stanowiącej model przebiegu choroby Parkinsona. Sugerowany jest także wpływ ciał ketonowych na wydłużenie efektu terapeutycznego dopaminy.

Ciała ketonowe w innych dolegliwościach
W przebiegu zespołów chorobowych związanych ze skrajnym brakiem pobudliwości receptorów insulinowych
(zespół Robsona-Mendenhalla, leprechaunizm) oraz z zaburzeniami szlaku sygnalizacji insulinowej (lipodystrofia cukrzycowa, choroba LaFora) ciała ketonowe, będące substratami energetycznymi transportowanymi i katabolizowanymi niezależnie od insuliny, decydują o istotnej poprawie stanu pacjentów. Badania nad składem płynów stosowanych do resuscytacji w ratownictwie medycznym wskazują, iż dodatek 3HB do zawierającego mleczan roztworu Ringera ogranicza, a niekiedy wręcz znosi niepożądany efekt działania tego roztworu w postaci apoptozy komórek miąższu płuc.

Oczywistym kierunkiem wykorzystania 3HB jest terapia objawowa genetycznie uwarunkowanych deficytów enzymów szlaków ketogenezy (deficyty: T2, mHS, HL) oraz układów enzymatycznych i nośnikowych dostarczających substratów dla ketogenezy (deficyty: HSL, CPT I, karnityny, CACT, CPT II, VLCAD, MCAD, SCAD, LCHAD, SCHAD).

Scharakteryzowane wyżej kierunki aktywności biologicznej ciał ketonowych stanowią obszary objęte intensywnymi procedurami badawczymi i wdrożeniowymi, gdyż wskazują na zróżnicowane aspekty potencjalnego szerszego wykorzystania tych związków w farmakoterapii. Równocześnie przedstawione obserwacje oraz wyniki eksperymentów dokumentują rozległe znaczenie fizjologiczne ciał ketonowych i ich metabolitów.

Ciała ketonowe a mechanizmy działania leków
Znaczenie ciał ketonowych w farmakoterapii wykracza poza zakres zastosowania tych związków jako substancji leczniczych. Mogą one bowiem niekiedy spełniać rolę czynników uczestniczących w mechanizmie działania farmakologicznego leków, powstając w zwiększonych ilościach pod wpływem indukowanych przez leki procesów metabolicznych. W innych przypadkach ciała ketonowe wchodzić mogą w interakcje z lekami oraz ich metabolitami.

Niektóre leki wpływają na nasilenie ketogenezy poprzez oddziaływanie na receptor PPARalfa, co prowadzi m.in. do wzmożonej ekspresji genów HMGSC 2 i MLYCD, kodujących odpowiednio: mHS i MCD. Do leków takich należą niektóre fibraty, np. selektywny ligand PPARalfa– gemfibrozil. Są w tej grupie także leki antyepileptyczne, np. kwas walpronowy i jego analogi, które będąc rozgałęzionymi krótkołańcuchowymi kwasami tłuszczowymi, z natury rzeczy aktywują PPARalfa. Fakt, iż stopień aktywacji PPARalfa przez te związki w badaniach in vitro koreluje w badaniach in vivo ze stopniem nasilenia efektu farmakologicznego w postaci tłumienia ataków epileptycznych, wskazuje, iż istotnym mechanizmem działania tych leków jest wzmaganie ketogenezy, zwłaszcza lokalnie w astrocytach neurogleju, a co za tym idzie, pośrednio, poprawa metabolizmu energetycznego neuronów.

Konsekwencją działania kwasu walpronowego i jego pochodnych poprzez receptor PPARalfa jest m.in. zwiększone wydzielanie neuroprzekaśnika hamującego – 4-aminomaślanu (GABA) w c.u.n. Jeden z prowadzących do tego mechanizmów wiąże się z nasiloną w tych warunkach ketogenezą. Cytowane już wcześniej badania przeprowadzone na zwierzętach wskazują, iż ciała ketonowe, a zwłaszcza 3HB, mogą być wykorzystywane przez astrocyty oraz neurony mózgu jako substraty do syntezy L-glutaminianu, który stanowi m.in. podstawowy substrat do syntezy GABA przy udziale GAD.

Na podkreślenie zasługuje fakt, iż mechanizm działania leków będących agonistami PPARalfa nie ogranicza się jedynie do pośrednich skutków wzmożonej ketogenezy. Równolegle bowiem aktywacja PPARalfa wzmaga także ekspresję genów odpowiedzialnych za syntezę ważnych neuroprzekaśników hamujących, m.in. GABA, oraz neuromodulujących: dopaminy, glicyny, histaminy, serotoniny. Aktywacja PPARalfa oraz siostrzanego PPARgamma prowadzi także do hamowania aktywności czynników transkrypcyjnych NF-kappaB oraz AP-1, odpowiedzialnych za prozapalne mechanizmy przekazywania sygnałów w komórkach neuronów i innych tkanek z udziałem m.in. tlenku azotu 1. W ten sposób prawdopodobnie ograniczany jest neurozapalny komponent, postulowany jako jeden z mechanizmów rozwoju chorób: Alzheimera, Parkinsona oraz Huntingtona.

Ciała ketonowe, zwłaszcza 3HB, są stosowane obecnie rutynowo, m.in. w USA, jako składnik płynów do resuscytacji. W 2001 roku z inspiracji działającej w USA firmy BTG promującej komercjalizację postępu technologicznego, we współpracy z japońskim koncernem Shimizu Pharmaceutical Co. Ltd., powołana została firma KetoCytonyx, której celem stało się wprowadzenie 3HB i AcAc do farmakoterapii przewlekłych chorób neurodegeneracyjnych oraz udarów mózgowych. Przedsięwzięciu patronuje prof. G. Cahill (Uniwersytet Harwarda), czołowy specjalista w zakresie metabolizmu ciał ketonowych i jego implikacji medycznych, oraz od strony
technologicznej dr R. Veech.

tekst:
dr n. farm. Piotr Tomaszewski
prof. dr. hab. n. farm. Jan Pachecka
Katedra i Zakład Biochemii i Chemii Klinicznej Akademii Medycznej w Warszawie

Bibliografia dostępna u autorów.

#Wykaz skrótów

• 3HB – (R)-3-hydroksymaślan
• Abeta1-42 – fragment łańcucha b amyloidu zawierający aminokwasy 1-24.
• AcAc– acetooctan
• Ac-CoA – acetylo-CoA
• ATP – adenozynotrifosforan
• CACT – translokaza karnityna – acylokarnityna (ang. carnitine-acylcarnitine transporter)
• CPT I i II palmitoilotransferaza karnitynowa I i II (E. C. 2.3.1.21)
• GABA – kwas 4-aminomasłowy, syn. kwas g-aminomasłowy
• GAD – dekarboksylaza L-glutaminianowa (E. C. 4.1.1.15)
• GLUT – rodzina transbłonowych nośników glukozy
• HDL – lipoproteiny o wysokiej gęstości (ang. high-density lipoproteines)
• HL – liaza HMG-CoA (E. C. 4.1.3.4)
• HSL – hormonozależna lipaza triacyloglicerolowa (E. C. 3.1.1.79)
• LCHAD – dehydrogenza długołańcuchowych (S)-3-hydroksyacylo-Co (ang. long-chain (S)-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, E. C. 1.1.1.211)
• LDL – lipoproteiny o niskiej gęstości (ang. low-density lipoproteines)
• MCAD – dehydrogenaza acylo-CoA o pośredniej długości łańcucha (ang. medium-chain acyl-CoA dehydrogenase, E. C. 1.3.99.3)
• MCD – dekarboksylaza malonylo-CoA (E. C. 4.1.1.9)
• mHS – mitochondrialny izoenzym syntazy HMG-CoA (E. C. 2.3.3.10, dawniej E. C. 4.1.3.5)
• MtPDC – kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (E. C. 1.2.4.1.)
• NF-kappaB – jądrowy czynnik transkrypcyjny kB (ang. nuclear factor kB)
• PPAR – rodzina receptorów jądrowych uczestniczących m. in. w nasilaniu proliferacji peroksysomów w komórkach zwierzęcych (ang. peroxisome proliferator-activated receptor)
• SCAD – dehydrogenaza krótkołańcuchowych acylo-CoA (ang. short-chain acyl-CoA dehydrogenase, E. C. 1.3.99.2)
• SCHAD – dehydrogenza krótkołańcuchowych (S)-3-hydroksyacylo-CoA (ang. short-chain (S)-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, E. C. 1.1.1.35)
• T2 – acetylotransferaza acetylo-CoA (E. C. 2.3.1.9), syn. tiolaza 2
• VLCAD – dehydrogenaza acylo-CoA o bardzo długich łańcuchach (ang. very-long-chain acyl-CoA dehydrogenase, E. C. 1.3.99.)