Cardiovascular Diabetology, 2006; 5: 2-2 (más artículos en esta revista)

Efectos cardio-protectores de la carnitina en streptozotocin inducida por las ratas diabéticas

BioMed Central
I John Malone (jmalone@hsc.usf.edu) [1], D David Cuthbertson (dcuthber@hsc.usf.edu) [2], A Michael Malone (malonemike@earthlink.net) [3], Douglas D Schocken ( Dschocke@hsc.usf.edu) [4]
[1] The Department of Pediatrics, University of South Florida, College of Medicine, Tampa, FL 33612, USA
[2] The Department of Pediatrics, University of South Florida, College of Medicine, Tampa, FL 33612, USA
[3] The Department of Internal Medicine, University of South Florida, College of Medicine, Tampa, FL 33612, USA
[4] The Department of Internal Medicine, University of South Florida, College of Medicine, Tampa, FL 33612, USA

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Resumen
Antecedentes

Streptozotocin inducida por la diabetes (STZ-D) en ratas ha sido asociado con deficiencia de carnitina, bradicardia ventricular izquierda y la ampliación.

Objetivo

El propósito de este estudio fue determinar si la administración de suplementos de carnitina oral sería normalizar los niveles de carnitina y de la función cardíaca en ratas STZ-D.

Métodos

Ratas Wistar (48) se hicieron hiperglucémicas por STZ a las 26 semanas de edad. La misma edad normal de las ratas Wistar (24) fueron utilizados para la comparación. Echocardiograms se realizaron en la línea de base 2, 6, 10, y 18 semanas después de STZ la administración en todos los animales. HbA1c, el suero de carnitina y ácidos grasos libres (FFA) se midieron en la misma época. Desde STZ-D convertirse en ratas con deficiencia de carnitina, 15 STZ-D ratas recibieron suplementación de carnitina oral durante 16 semanas.

Resultados

El corazón tasas de los ratas STZ-D (290 ± 19 bpm) fueron menos de las ratas control (324 ± 20 bpm) (p <0,05). Después de 4 semanas de la administración de suplementos de carnitina oral, las concentraciones de carnitina en suero y el corazón de las tasas de STZ-D ratas vuelto a la normalidad. Dobutamina estrés aumentado el corazón de todos los tipos de estudio de los animales, pero el aumento en las ratas STZ-D (141 ± 8 bpm) fue mayor que los controles (79 ± 8 bpm) (p <0,05). El corazón de los tipos de ratas STZ-D dado carnitina oral, sin embargo, no son diferentes que los controles (94 ± 9 bpm). La masa ventricular izquierda / peso vivo (LVM / BW), en los animales diabéticos (2,7 ± 0,5) fue mayor que el control de los animales (2,2 ± 0,3) (p <0,05) después de 18 semanas de la diabetes. En cambio, el LVM / BW (2,3 ±, 2) de la STZ-D animales que recibieron suplemento de carnitina era el mismo que el control de los animales en 18 semanas.

Conclusión

Así, en el suplemento de carnitina oral STZ-D ratas normalizado suero carnitina, la regulación y la frecuencia cardíaca del ventrículo izquierdo de tamaño. Estos resultados sugieren un mecanismo metabólico de la disfunción cardíaca observado en este modelo animal diabético.

Antecedentes

La enfermedad cardiovascular es la complicación seria más común de la diabetes mellitus. Aterosclerosis coronaria y miocardiopatía se producen como consecuencia de las anomalías metabólicas asociadas con la diabetes [1]. Estos cambios físicos requieren años para desarrollar en los seres humanos después de la aparición de hiperglucemia crónica [2]. Hemos demostrado anteriormente que se altera la función cardíaca después de 6 meses de la hiperglucemia en ratas Wistar [3]. Nosotros y otros [4, 5] han señalado bradicardia a ser una característica consistente en la evaluación de modelos de ratas diabéticas. La variabilidad del ritmo cardíaco en la diabetes es comúnmente atribuidas a la neuropatía asociada [6]. Se ha señalado, sin embargo, que la inducción de la hiperglicemia después de los 6 meses de vida en ratas Wistar no altera la función nerviosa periférica por un período adicional de 6 meses [7]. Déficit de carnitina es a menudo encontrado en la diabetes mellitus [7, 8]. Los cambios estructurales en las mitocondrias del miocardio se han asociado con la diabetes y la deficiencia de carnitina concomitante [3]. En el estudio actual, la evaluación de los cambios funcionales cardíacos en ratas Wistar se inició con la inducción de la hiperglicemia a los 6 meses de edad y se vigila en forma mensual por un período adicional de 18 semanas. El primer objetivo de este estudio era observar la evolución de la disfunción cardíaca en diabéticos streptozotocin (STZ-D) ratas para ayudar a comprender su patogenia. En segundo lugar, el efecto de la suplementación con carnitina a la disfunción cardíaca de la diabetes en estos animales se evaluó.

Métodos

Hombre rata Wistar a las 26 semanas de edad se introdujeron en este estudio. Hubo un animal por jaula, y cada uno tiene libre acceso a los alimentos y el agua. Las botellas de agua se llenaron dos veces cada día y los animales se pesaron una vez a la semana para asegurar la ganancia de peso y la hidratación adecuada. La hiperglucemia fue inducida en 48 animales a las 26 semanas de edad mediante la inyección de STZ (35 mg / kg) en el búfer fría citrato de sodio (pH 4.5). La presente investigación se ajusta a la Guía para el Cuidado y Uso de animales de laboratorio [9], y fue aprobada por el Consejo Institucional de Cuidado y Uso de animales Comité en la Universidad del Sur de la Florida. Siete días después de la inyección STZ, la hiperglucemia fue documentado por medir el contenido de glucosa en la vena de la cola de sangre con una Ames Glucometer 2 (Laboratorios Bayer, Elkhart, IN, EE.UU.). La hiperglucemia se define como glucosa en plasma mayor de 16,7 mmol / L. Posteriores pruebas de la hiperglicemia se realizaron a las 2, 6, 10 y 18 semanas con niveles de glucosa en sangre y de hemoglobina Glycosylated mediciones. Hemoglobina glicosilada (GHb) se determinó por cromatografía de afinidad utilizando Gly-Affin GHb columnas (Isolab, Inc, Akron, OH, EE.UU.). Además, se obtuvo el plasma, al mismo tiempo, para la medición de carnitina libre y total por una modificación de un método enzimático-radio [10] y no esterificados ácidos grasos libres (FFA) se midió por el método de Duncombe y Rising [11] . Lente Ultra insulina (Eli Lilly Co, Indianápolis, IN, EE.UU.) se inyecta por vía subcutánea tres veces por semana a una dosis (3-5 unidades / kg), destinada a promover el aumento de peso, pero insuficiente para producir niveles normales de glucosa en la sangre. Después de 2 semanas de la hiperglucemia, dieciséis de los cuarenta y ocho animales diabéticos habían L-carnitina (1 mg / ml) (Sigma Tau, Roma, Italia) que se añade al agua de bebida, para la duración del estudio. Ecocardiográfico se registraron mediciones que se describió anteriormente [3] en la línea de base, 2, 6, 10, y 18 semanas. Veinticuatro normal de los animales de la misma edad sirvieron como controles comparativos. Uno de los diabéticos + carnitina animales murieron durante las primeras 2 semanas del protocolo. Doce de los 32 animales diabéticos no reciben carnitina fallecieron entre el 10 y 18 semanas mediciones. Seis animales de cada grupo (control, diabéticos, diabéticos carnitina +) a 25 semanas antes de las mediciones ecocardiográfico y 5 minutos después de la administración intravenosa de dobutamina (10 μ g / kg / min). Todos los resultados se expresan como media ± SEM. Grupo de medios se compararon, a causa de múltiples medidas, por Bonferroni procedimiento [12]. Coeficientes de correlación de Pearson se utilizaron para evaluar la relación de los parámetros metabólicos al corazón de los tipos de estos animales.

Resultados

Cardíaco en reposo tasas se redujeron en las ratas diabéticas (292 ± 10 bpm) en comparación con los controles (314 ± 9 bpm) (p <0,05) después de 2 semanas de la diabetes. Después de 18 semanas de diabetes de los ritmos cardíacos (290 ± 19 bpm) sigue siendo inferior al encontrado en el grupo de control no diabéticos (324 ± 20 bpm). Los niveles de carnitina libre de las ratas diabéticas (19,1 ± 1,3) fueron inferiores a las que se encuentran en los animales de control (43,7 ± 1,4) (p <0,01). De la administración de suplementos de carnitina en ratas diabéticas, durante 16 semanas como resultado normal de los niveles séricos de carnitina (54,8 ± 4,4 nmol / ml) y de las tasas de corazón (297 ± 22 bpm). La disminución de la frecuencia cardiaca se observó en primer lugar 2 semanas después de la diabetes fue inducida con STZ. La diferencia significativa se mantuvo durante las 18 semanas de seguimiento en la STZ-D animales. Sin embargo, la mayor diferencia en las tasas de corazón se señaló después de 10 semanas de la diabetes (259 ± 16 bpm) en comparación con los controles (307 ± 19 bpm). Doce de los animales diabéticos murieron durante los próximos 8 semanas y los ritmos cardíacos supervivientes de la 20 (290 ± 17 bpm) sigue siendo inferior a los animales no diabéticos (324 ± 20 bpm), pero no diferente de los animales diabéticos tratados con suplemento de carnitina (297 ± 22 bpm). Los 12 animales que murieron entre 10 y 18 semanas corazón tasas mucho más bajas (222 ± 19 vs 281 ± 16) (p <0,008) y el suero de carnitina libre (9,6 ± 3,3 vs 24,2 ± 3,4) (p <0,008 ) A las 10 semanas que las ratas STZ-D sobrevivientes 18 semanas. El STZ-D que reciben los animales de carnitina en el agua de bebida ha corazón significa tasas comienzan a aumentar después de la semana 2 y regresó a los no diabéticos de control de los niveles de la semana 10 (figura 1]. Dobutamina stress testing en 6 animales de cada grupo como consecuencia un aumento de las tasas de corazón. El aumento de la frecuencia cardíaca con la administración de la dobutamina en las ratas diabéticas (141 ± 8 bpm) fue mayor que los controles (79 ± 9 bpm) (p <0,05), pero el aumento de la frecuencia cardíaca de las ratas diabéticas que reciben suplemento de carnitina (94 ± 9 bpm) no difieren de los animales control.

La masa ventricular izquierda / peso vivo LVM / BW de los animales diabéticos (2,7 ± 0,5 g / kg) fue mayor que el control de los animales (2,3 ± 0,4 g / kg) (p <0,05) después de 18 semanas de la diabetes. El peso de los animales después de 18 semanas de la diabetes fue de menos de los animales del grupo control. Los animales diabéticos que reciben carnitina oral pesaba lo mismo que los animales diabéticos que no recibían carnitina (cuadro 1], pero el LVM / BW (2,3 ± 0,2 g / kg) era el mismo que el control de los animales. El aumento de la masa ventricular izquierda en relación a la masa corporal de los animales diabéticos no reciben carnitina fue mayor durante las 18 semanas de observación, pero el aumento de peso de los animales diabéticos fue de menos de los animales del grupo control. El aumento de la masa ventricular izquierda en los animales diabéticos orales de carnitina no era tan grande como la ONU-complementado animales diabéticos y es más coherente con el aumento de la masa corporal de los animales. El LVM / BW fue superior a los valores de control sólo para los animales diabéticos con bajos niveles de carnitina en suero (figura 2]. El control de los animales había una media de la HbA1c durante el experimento de 18 semanas de duración de 5,9% ± 0,8 y los animales diabéticos HbA1c media fue del 10,9% ± 1,9 (p <0,0001). El promedio de HbA1c de los animales diabéticos tratados con carnitina oral (10,6% ± 2,5), fue similar a los animales diabéticos no reciben carnitina. El corazón de todos los tipos de las ratas en este estudio no reciben suplemento de carnitina son inversamente correlacionada con la HbA1c (r = -0,45, p = 0,0001) y directamente correlacionada con el suero de los niveles de carnitina libre (r = 0,36, p <0,0001) . Los niveles séricos de carnitina libre del control de los animales diabéticos y sin la administración de suplementos de carnitina son inversamente relacionada con la HbA1c (r = -0,33, p <0,04); séricos de carnitina libre en el estudio de todos los animales inversamente correlacionada a la de ácidos grasos libres (FFA ), Los niveles (r = -0,37, p <0,02). El ritmo cardíaco asociación a la HbA1c carnitina libre y el suero no se encontró en el control normal o animales diabéticos recibir suplementos de carnitina. El corazón de las tasas de STZ-D animales, sin embargo, correlacionado directamente con los niveles de carnitina libre (r = 0,41, p <0,0001), y inversamente a la HbA1c (r = -0,34, p = 0,0002), con pasos de regresión que indica que el libre Carnitina fue el de mayor influencia en la frecuencia cardíaca.

Discusión

La función cardíaca en ratas se altera en asociación con la hiperglucemia [3 - 5]. El corazón en reposo de los tipos de ratas STZ-D se ha tomado nota de que deben reducirse. Este hallazgo ha sido inexplicable, pero el mecanismo de aceptación general es la neuropatía diabética [13 - 15]. La hiperglucemia se cree que causa la disfunción del nervio periférico [6]. Los animales en este estudio tenían diabetes inducida a las 26 semanas de vida y había una reducción inmediata de sus tasas cardíaco en reposo después de 2 semanas de la hiperglucemia. Hemos demostrado anteriormente en ratas Wistar que la hiperglucemia inicio a las 26 semanas de edad no induce alterado la función nerviosa periférica para los próximos 6 meses [7]. Por otra parte, aquellos con alteraciones de la función nerviosa periférica a las 26 semanas no mejoró en respuesta a la suplementación con carnitina después de 26 semanas [16]. La disminución de la frecuencia cardíaca de los animales diabéticos avanzado en medidas de 6 y 10 semanas después de streptozotocin diabetes inducida (figura 1]. Entre las 10 semanas y 18 semanas mediciones, el 12 de los 32 animales de este grupo murió, y la media de la frecuencia cardíaca para el resto de los miembros de este grupo aumentó, pero sigue siendo inferior a la de control de los animales en 18 semanas. Es interesante observar que los animales diabéticos que murieron entre 10 y 18 semanas fueron los que tienen los más bajos niveles de carnitina libre y de las tasas de corazón en la 10 semana de medición. Este hallazgo sugiere que la reducción drástica de los niveles de carnitina puede haber contribuido a la desaparición de los animales. Aunque los animales diabéticos sobrevivir sin la administración de suplementos de carnitina en 18 semanas sigue teniendo tasas de corazón inferior a la normal de control de animales, y sus ritmos cardíacos eran más estrechos niveles de carnitina a la normalidad (figura 1].

El miocardio utiliza tanto la glucosa y los ácidos grasos para el metabolismo de energía. Una anormalidad en el metabolismo energético del miocardio [17] es un factor informó en el desarrollo de la diabetes inducida por disfunción del corazón. Se ha señalado que el miocardio de ratas STZ-D ha reducido el transporte de glucosa [18], y la oxidación [19], así como la reducción de la oxidación de ácidos grasos [20] y la reducción de la producción de ATP [21]. Bajo circunstancias normales, la oxidación de ácidos grasos representa el 60% - 70%, glucosa 40% - 30% del suministro de energía de miocardio. Bajo condiciones aeróbicas los ácidos grasos son el sustrato preferido de energía para el corazón [22]. El transporte de ácidos grasos de cadena larga a través de la membrana mitocondrial al sitio de la beta-oxidación depende de carnitina [23]. La importancia de la carnitina se ha demostrado en estudios clínicos que muestran deficiencia de carnitina miocárdica que se asocia con hipertrofia biventricular [24] y [25] cardiomiopatía. Déficit de carnitina ha reportado en sujetos con diabetes tipo 1 [28]. El mecanismo probable es excesiva pérdida urinaria en sujetos con alto nivel de glucosa en sangre y orina excesivo volumen, que contiene grandes cantidades de ácidos orgánicos como los ésteres de carnitina. Esterificación de carnitina renal normal reduce la reabsorción tubular de carnitina libre, lo que aumenta la pérdida diaria. La reducción de los niveles de carnitina límite de la disponibilidad de los ácidos grasos en la mitocondria para generar ATP. Se ha demostrado que proprionyl-carnitina aumenta el metabolismo mitocondrial de piruvato asociado con la mejora de la función en la aislados perfundidos corazón de las ratas STZ-D [26]. La secundaria sustrato disponible para generar ATP de la función miocárdica es la glucosa. La disponibilidad de este sustrato para la myocyte está limitada por la dosis fija de insulina administrarse cada día a los animales con deficiencia de insulina. La evidencia de que estos importantes sustratos intracelulares ha limitado la disponibilidad de la elevación de la HbA1c fue [extracelular elevados de glucosa] y elevación de los ácidos grasos libres se encuentran en los animales diabéticos. Cuando los animales tuvieron mayor hiperglucémicas niveles de carnitina libre y niveles más bajos de ácidos grasos libres, su función cardiaca normalizado. La carnitina tratados y los animales diabéticos no tratados en este experimento había el mismo grado de la hiperglucemia como lo indican sus niveles de HbA1c al final del experimento. La dosis de insulina exógena para ambos grupos de animales fue el mismo, pero los niveles de carnitina libre fueron mayores en los animales STZ-D con suplementos de carnitina oral. Estos animales también tenían niveles más bajos de ácidos grasos libres extracelular. Esas ratas STZ-D receptor de carnitina oral ha corazón tasas que no difieren de los no diabéticos de control de animales. Dobutamina estrés en estos animales diabéticos producido una exagerada respuesta de la frecuencia cardíaca sólo en los animales sin carnitina. Esta observación sugiere que la disponibilidad de energía para el miocardio sustrato juega un papel importante en el ritmo cardíaco más allá de la regulación autonómica tono. Aislado disfunción del nervio periférico que parece ser una explicación poco probable para los ritmos cardíacos anormales en reposo y con el estrés, como se señala en estas ratas STZ-D. Centralizada o local mediada SA nodo efectos en animales diabéticos son las posibles explicaciones para estas observaciones, pero la función de corrección de carnitina mecanismo que hace poco clara.

La masa ventricular izquierda / peso vivo de los animales diabéticos fue mayor que la que se encuentra en los animales del grupo control. Este hallazgo podría interpretarse como indicativa de la hipertrofia ventricular izquierda en estos animales. La izquierda de los ventrículos animales diabéticos, sin embargo, el aumento de tamaño al mismo ritmo que los de los animales del grupo control, la aparente diferencia de LVM / BW fue el resultado de la reducción de la ganancia de peso corporal en los animales diabéticos. El hecho de no ganar peso es un hallazgo frecuente en animales diabéticos, que es el resultado de la insuficiencia de insulina para aumentar la masa corporal. Si LVM es normalmente relacionadas con el aumento de la masa corporal, la diabetes animales mostraron aumento excesivo de LVM durante el período de observación. Esto fue confirmado por la observación de que los animales diabéticos recibir suplementos de carnitina oral obtenida de peso corporal al mismo ritmo que la reducción de la deficiencia de carnitina en ratas diabéticas, pero su LVM / BW es el mismo que el normal de los animales. Así, la insulina limitado animales diabéticos con abundantes niveles de carnitina libre pueden haber utilizado el aumento de metabolismo de los ácidos grasos para promover LVM aumento de una relación normal con el animal de masa corporal.

La administración de suplementos de carnitina oral, en un grupo de ratas STZ-D con el mismo grado de hiperglucemia (HbA1c 10,9% vs 10,6%) plantearon sus niveles séricos de carnitina más de 2 veces la restauración de la carnitina a los valores de control (cuadro 1]. Estos animales repleta-carnitina normal cardíaco en reposo tasas después de 8 semanas de la administración de suplementos y un ritmo cardíaco normal de respuesta a estrés dobutamina después de 16 semanas de la administración de suplementos. La carnitina-complementado STZ-D animales también tuvo un aumento de la masa ventricular izquierda más coherente con el aumento de peso observado en el control de los animales. Este hallazgo sugiere que el aumento de la masa ventricular se encuentra en la deficiencia de carnitina en animales diabéticos fue excesivo. Los niveles de ácidos grasos libres fue mayor y los niveles de carnitina libre eran más bajos en los animales diabéticos que los animales del grupo control. Por lo tanto, parece que una deficiencia de carnitina libre puede manifestarse como elevación de los ácidos grasos libres, lo que sugiere una reducción de entre el transporte celular. Al elevar los niveles de carnitina libre en la insulina agotado animales diabéticos con un fijo y relativamente insuficiente disponibilidad de la glucosa como combustible de miocardio aparentemente corregido los defectos en la función miocárdica a través de una mayor intracelular de los ácidos grasos como sustrato energético.

Este modelo experimental que parece ser un ejemplo de los diabéticos disfunción cardíaca causada por la falta de sustrato intracelular en un medio de la excesiva concentración de extra-celular de glucosa y ácidos grasos. Este fenómeno puede ocurrir en la medicina clínica. Carnitina deben medirse los niveles en los pacientes diabéticos que han de asegurar un nivel suficiente para proporcionar abundante sustrato para la función cardiaca, particularmente en momentos de estrés físico. Se requieren nuevos trabajos para determinar la prevalencia contemporánea de déficit de carnitina, en pacientes diabéticos. El uso terapéutico de carnitina en esta y otras formas de evaluación de las necesidades también cardiomiopatía.

Abreviaturas

Streptozotocin diabetes inducida (STZ-D)

Hemoglobina A1c (HbA1c)

Ácidos grasos libres (FFA)

Latidos por minuto (bpm)

De masa ventricular izquierda / Peso corporal (LVM / BW)

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Contribuciones de los autores

JIM concebido y diseñado el estudio, así como la redacción del manuscrito.

DDC realiza todos los de la bioestadística y gráficos en este estudio, el MAM realizó experimentos con animales, DDS participó en el diseño del estudio y la interpretación de los análisis de datos. Todos los autores leído y aprobado el manuscrito final.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado en parte por la Parroquia Julia Diabetes Research Institute (# 253036) y una Beca de la Asociación Americana del Corazón (6119G61915)