Revista Española de Cardiología Revista Española de Cardiología
Rev Esp Cardiol. 2002;55:1293-310. - Vol. 55 Núm.12

La mitocondria y el corazón

José Marín-Garcíaa, Michael J Goldenthala

a The Molecular Cardiology and Neuromuscular Institute. Highland Park, NJ. EE.UU.

Palabras clave

Mitocondria. Miocardiopatía dilatada. Miocardiopatía hipertrófica. Miocardiopatía isquémica. Cardiotoxicidad. Apoptosis. Células madre. Terapia génica.

Resumen

Para su correcto funcionamiento, el corazón depende estrechamente de la energía oxidativa generada en las mitocondrias, principalmente a partir de la betaoxidación de los ácidos grasos, de la cadena respiratoria de electrones y de la fosforilación oxidativa. Los defectos en la estructura y función mitocondriales se asocian a enfermedades cardiovasculares, como las miocardiopatías hipertrófica y dilatada, defectos en la conducción cardíaca y muerte súbita, miocardiopatías isquémicas y alcohólicas y miocarditis. Aunque una parte de estas anomalías mitocondriales tiene una base genética definida (p. ej., los cambios en el ADN mitocondrial que conducen a una disfunción de la fosforilación oxidativa, o los defectos de la betaoxidación de los ácidos grasos debidos a mutaciones específicas del ADN nuclear), otras anomalías parecen deberse a agresiones cardiotóxicas o ambientales más esporádicas o a causas todavía no identificadas. Esta revisión se centra en las anomalías de la función bioenergética mitocondrial y en los defectos del ADN mitocondrial asociados a enfermedades cardiovasculares, su significado en la patogenia cardíaca y las opciones diagnósticas y terapéuticas disponibles. También se describen de forma concisa los antecedentes relacionados con la biogénesis mitocondrial y con las vías bioenergéticas durante el crecimiento cardíaco, el desarrollo y el envejecimiento.

Artículo

INTRODUCCIÓN

Las anomalías en la función y estructura de las mitocondrias se han encontrado cada vez con mayor frecuencia asociadas a enfermedades cardiovasculares, como la miocardiopatía dilatada e hipertrófica, defectos en la conducción cardíaca y muerte súbita, miocardiopatía isquémica y alcohólica y miocarditis. Algunas anomalías mitocondriales pueden tener una base genética (p. ej., los cambios en el ADN mitocondrial [ADNmt], que producen una disfunción de la fosforilación oxidativa, o los defectos en la oxidación de los ácidos grasos debidos a mutaciones específicas del ADN nuclear), mientras que otras de estas anomalías parecen ser debidas a agresiones cardiotóxicas más esporádicas o ambientales, o a causas todavía no identificadas.

Para comprender mejor el papel que desempeñan las mitocondrias en la enfermedad cardiovascular, vamos a presentar un resumen de los antecedentes sobre la biogénesis y la función de las mitocondrias cardíacas durante el crecimiento normal, el desarrollo y el envejecimiento. En este contexto, estudiaremos la interacción y caracterización de las mitocondrias/anomalías mitocondriales en las enfermedades cardíacas, su diagnóstico y las opciones terapéuticas disponibles. Aunque las aberraciones en la función bioenergética de las mitocondrias están frecuentemente relacionadas con la disfunción cardíaca, los defectos específicos que causan la disfunción bioenergética a menudo residen en vías metabólicas no bioenergéticas, por ejemplo, en las vías de señalización entre las mitocondrias y el núcleo, o en el conjunto de la biogénesis mitocondrial y/o las vías de degradación. La comprensión de estas vías y el impacto que tienen los defectos mitocondriales en las enfermedades cardíacas es importante para mejorar el diagnóstico y el tratamiento de las afecciones cardíacas de causa mitocondrial.

LAS MITOCONDRIAS Y EL CORAZÓN NORMAL

Bioenergética mitocondrial

Las mitocondrias son muy abundantes en el corazón, donde constituyen un 20-40% del volumen celular, por ser un tejido de gran demanda energética. La producción energética mitocondrial depende de factores genéticos codificados por el núcleo y por el ADNmt, que modulan la función mitocondrial normal, incluyendo la actividad enzimática y la disponibilidad de cofactores, y de factores ambientales como la disponibilidad de combustibles (p. ej., azúcares, grasas y proteínas) y oxígeno. Diversas vías bioenergéticas interaccionan contribuyendo al metabolismo energético mitocondrial (que se exponen en la fig. 1), como la oxidación del piruvato, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la betaoxidación mitocondrial de los ácidos grasos y la vía final común de la fosforilación oxidativa que genera el 80-90% del ATP celular. La fosforilación oxidativa se lleva a cabo a partir de complejos de proteínas localizados en la membrana mitocondrial interna, que incluyen los complejos I-IV de la cadena respiratoria de transporte de electrones, la ATP sintasa (complejo V) y la translocasa de los nucleótidos de adenina (ANT). Los ácidos grasos son el principal sustrato energético para la producción de ATP en el músculo cardíaco a partir de la fosforilación oxidativa. Los ácidos grasos deben ser transportados de forma efectiva al interior del cardiomiocito primero, y luego al interior de la mitocondria para poder ser utilizados en la producción bioenergética a través de la betaoxidación mitocondrial, y este proceso de transporte requiere diversas proteínas que forman parte del transportador de carnitina (la aciltransferasa de carnitina y dos palmitoiltransferasas de carnitina, así como la carnitina). La betaoxidación de los ácidos grasos y la oxidación de los hidratos de carbono a través del ciclo de los ácidos tricarboxílicos genera la mayor parte del NADH y FADH intramitocondriales, que son la fuente directa de electrones para la cadena de transporte respiratoria. El aporte de ATP a partir de otras fuentes (p. ej., del metabolismo glucolítico) es limitado en el tejido cardíaco normal. Además de las vías bioenergéticas y de los intermediarios metabólicos, el corazón contiene también fosfatos de alta energía (p. ej., la fosfocreatina) producida por la creatincinasa mitocondrial a partir del ATP de la translocasa de nucleótidos de adenina estrechamente relacionada y de la sintasa de ATP mitocondrial.

Fig. 1. Vías bioenergéticas mitocondriales. Complejos respiratorios I-V (círculos sombreados) localizados en la membrana mitocondrial interna con los componentes asociados de la transferencia electrónica, coenzima Q (CoQ) y citocromo C (cytc). También se observan las vías de la oxidación del piruvato asociadas a la matriz, la betaoxidación de los ácidos grasos y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. El poro de transición de permeabilidad mitocondrial (PTP) asociado a la apoptosis se expone con dos de las muchas proteínas descritas: la translocasa de los nucleótidos de adenina (ANT) y la creatincinasa mitocondrial (CK). La vía de transporte de carnitina para el influjo mitocondrial de ácidos grasos, el transportador de piruvato, el canal de K+ y el transportador de Ca2+ se encuentran localizados en las membranas mitocondriales.

Descripción general de la biogénesis mitocondrial

Las mitocondrias humanas contienen su propia molécula circular de ADN en forma de doble cadena, que engloba 16.569 pares de bases que codifican 13 proteínas, las cuales constituyen una parte de los 5 complejos enzimáticos involucrados en el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa1. Los genes de ADNmt que codifican proteínas son transcritos en forma de ARNm específicos que se traducen en un complejo específico de síntesis ribosoma/proteína. El ADNmt también codifica parte de la maquinaria de síntesis proteica mitocondrial, como 2 ARN ribosómicos (ARNr) y 22 ARN de transferencia (ARNt), como se observa en la figura 2. En general, cada célula cardíaca contiene múltiples mitocondrias (50-100) y cada mitocondria contiene múltiples copias de ADNmt (1-10 moléculas/mitocondria). La biogénesis mitocondrial está aumentada durante la hipertrofia cardíaca, en el tratamiento con diversos agentes como, por ejemplo, la tirotoxina o los agentes xenobióticos, durante la estimulación eléctrica y en el ejercicio2. En la actualidad, todavía no han sido completamente caracterizados los mecanismos que regulan los niveles de ADNmt específicos del corazón, ni el número global de mitocondrias3. Sin embargo, está bien establecido que las mutaciones puntuales patogénicas y las deleciones a gran escala en el genoma mitocondrial, así como la depleción generalizada del ADNmt, tienen consecuencias graves en órganos como el corazón, en donde el ATP derivado de la fosforilación oxidativa es necesario para mantener la contractilidad miocárdica.

Fig. 2. Genoma mitocondrial humano. Se observa una representación lineal de la molécula circular humana de ADNmt con 16.569 pares de bases y la localización de 22 ARNt identificados por su aminoácido relacionado y representados con un código de una letra única (F, V, L, I, Q, M, W, A, N, C, Y, S, D, K, G, R, H, S, L, E, T, P), los 2 genes de ARNr (12s y 16s) y los 13 genes codificadores de proteínas (ND1-ND6, COI-COIII, cytb, ATPasa-6 y ATPasa-8). En el recuadro inferior se especifican las funciones (es decir, los complejos respiratorios y las funciones enzimáticas asociadas) desempeñadas por las proteínas codificadas por cada uno de los 13 genes estructurales. Las localizaciones relativas de las deleciones comunes de 5 y 7,4 kb, y las nuevas deleciones de 11,1 y 4,4 kb, se exponen en las regiones encuadradas. También se describen las posiciones del origen de la replicación para la cadena pesada (OH) que se encuentra dentro de la región no codificadora de la hélice D, y del origen de la replicación de la cadena ligera (OL). La numeración se ha escogido de acuerdo con Anderson et al1.

Por el contrario, el genoma nuclear codifica la dotación completa de proteínas involucradas en la replicación y transcripción del ADNmt, los componentes proteicos de los ribosomas mitocondriales, múltiples proteínas estructurales y transportadoras de las membranas mitocondriales y el resto de las subunidades peptídicas (actualmente se calcula que son 71) de los complejos respiratorios (las que no forman parte de las 13 subunidades peptídicas codificadas por el ADNmt). Estas proteínas codificadas por el núcleo son sintetizadas en ribosomas citosólicos, dirigidas a las mitocondrias e importadas por procesos complejos. La regulación cardíaca específica de una parte de los genes nucleares que codifican proteínas de la fosforilación oxidativa puede estar mediada por una expresión génica variable (p. ej., la subunidad beta de la sintasa de ATP se expresa más en el corazón que en otros tejidos) sensible a una gran variedad de estímulos fisiológicos y ambientales, y por la presencia de isoformas específicas de tejido para péptidos específicos (p. ej., existen isoformas específicas cardíacas para genes que codifican las subunidades VIa, VIIa y VIII de la oxidasa del citocromo C). Por tanto, puede esperarse que determinadas mutaciones en genes nucleares involucrados en la biogénesis mitocondrial contribuyan en parte a los defectos observados en las enzimas cardíacas mitocondriales y en el ADNmt, como el aumento de la incidencia de deleciones de ADNmt a gran escala, y depleción de ADNmt asociados a alteraciones cardíacas. Hasta el momento se han identificado unas pocas mutaciones en los genes nucleares que afectan a la biogénesis mitocondrial y que conducen a alteraciones cardíacas. Mientras que el genoma nuclear controla la biosíntesis mitocondrial, los genes de ADNmt presentan una tasa de mutaciones mucho más elevada, carecen de histonas, tienen un mecanismo de reparación de ADN limitado y se encuentran expuestos a especies reactivas del oxígeno generadas por la cadena de transporte electrónico. La búsqueda de mutaciones, tanto en el genoma nuclear como en el mitocondrial, así como las mutaciones que afectan a la intercomunicación entre los genomas, es actualmente un campo en expansión.

Cambios mitocondriales cardíacos durante el crecimiento y el desarrollo del corazón

En el corazón fetal, que funciona en un ambiente relativamente hipóxico, la glucosa y el lactato son los principales sustratos energéticos utilizados por la glucólisis y la oxidación del lactato, respectivamente. El gran aporte de glucógeno que existe en el corazón fetal y, en menor medida, en el corazón neonatal, constituye una fuente significativa de glucosa y ATP en el miocardio. La glucogenólisis es particularmente importante en situaciones de deprivación de oxígeno, y puede hacer que el corazón fetal sea más resistente a los efectos de la hipoxia y la isquemia que el corazón adulto4. Los corazones fetales tienen un menor contenido mitocondrial y, por tanto, menores grados de actividad del complejo respiratorio y del ciclo de los ácidos tricarboxílicos. La oxidación de los ácidos grasos proporciona una pequeña parte de la producción global de ATP debido a que los valores de ácidos grasos circulantes son bajos, y también como consecuencia de la inhibición de la oxidación de los ácidos grasos por los elevados valores de lactato presentes en el corazón fetal.

En el período posnatal se produce un cambio, de manera que los ácidos grasos se convierten en el principal sustrato energético del corazón5. La expresión de genes que codifican enzimas de ácidos grasos (p. ej., las enzimas e isoformas de la palmitoiltransferasa mitocondrial de carnitina [CPT]) experimenta un cambio importante durante el período posnatal temprano que va en paralelo con el aumento de la utilización de los ácidos grasos como sustrato energético en el corazón del neonato. Los grados de actividad específicos de la CPT-II aumentan durante el primer mes de vida, de igual forma que los valores de carnitina miocárdica6. De las otras 2 isoformas específicas de tejido de la CPT-I, el gen CPT-Ia tiene una elevada expresión en el corazón fetal y declina después del nacimiento, mientras que el gen CPT-Ib presenta una gran expresión durante todo el desarrollo cardíaco7. Las proteínas específicas asociadas a la membrana mitocondrial y las proteínas citoplasmáticas involucradas en la captación de los ácidos grasos de cadena larga se encuentran reguladas de forma coordinada durante el desarrollo del tejido cardíaco8.

La creatincinasa cardíaca mitocondrial (CKmt), que permanece indetectable en las fases iniciales del desarrollo fetal, presenta una activación de su expresión durante el desarrollo neonatal. El aumento de la expresión de la CKmt durante las primeras semanas después del nacimiento está acoplado a la disponibilidad de ADP en la mitocondria y a la reorganización estructural de las mitocondrias cardíacas, desde una disposición aleatoria (en el día 1) hasta la constitución de una red organizada en torno a las 3 semanas de vida posnatal9. La maduración del transportador de fosfocreatina está coordinada con el desarrollo de las propiedades contráctiles del miocardio10.

Es necesario establecer con claridad los valores posnatales de actividad de las enzimas mitocondriales cardíacas implicadas en la fosforilación oxidativa11. Por el momento, la información disponible está limitada por el reducido número de individuos estudiados con un corazón normal, y por la variabilidad de la actividad de estas enzimas en función de la dieta, el ejercicio y los estímulos hormonales.

Una de las consecuencias derivadas de la producción bioenergética mitocondrial es la generación de radicales libres del oxígeno, como los radicales de superóxido e hidroxilo y el peróxido de hidrógeno (H2O2). El anión superóxido se genera directamente como consecuencia de las reacciones colaterales de la cadena de transporte electrónico con el oxígeno. Los lugares principales de generación de radicales libres del oxígeno en la mitocondria son los complejos I y III de la cadena respiratoria; tanto un exceso como una disminución del flujo de electrones en estos puntos puede estimular la autooxidación de las flavinas y las quinonas (incluida la coenzima Q), produciendo radicales superóxido. Éstos pueden convertirse en H2O2 (en presencia de la superóxido dismutasa) que, a su vez, puede reaccionar para formar radicales de hidroxilo. Normalmente, estos subproductos tóxicos con un gran poder oxidante capaz de dañar la célula son neutralizados por enzimas antioxidantes, algunos de los cuales están localizados en las mitocondrias, por ejemplo, la Mn-superóxido dismutasa (MnSOD) y la glutatión peroxidasa (fig. 3), y otros son citosólicos, por ejemplo, la Cu-superóxido dismutasa y catalasa, o son eliminados por el glutatión. El aumento de la generación de radicales libres del oxígeno como consecuencia de la isquemia/reperfusión miocárdicas, la inflamación, el mal funcionamiento de las defensas antioxidantes y el envejecimiento pueden causar profundos efectos en las células cardíacas, como un aumento de la peroxidación lipídica que afecta principalmente a los fosfolípidos y proteínas de la membrana. El anión superóxido es particularmente nocivo para la mitad Fe-S de las enzimas (p. ej., el complejo I, la aconitasa y la succinato deshidrogenasa12). El daño oxidativo también ocurre en los ácidos nucleicos (sobre todo el ADNmt) e incluye la inducción de roturas de la cadena, una alta incidencia de modificación de bases (formación de 8-oxoguanosina) y subsiguientes mutaciones puntuales y deleciones. Las mitocondrias, por ser el principal lugar de generación de radicales libres del oxígeno, son la diana crítica de su efecto nocivo; la localización de la cadena respiratoria en la membrana interna de la mitocondria hace que a menudo resulte dañada, lo que a su vez produce un aumento de la generación de radicales libres del oxígeno que conduce a un círculo vicioso de deterioro de la función mitocondrial. Además del bien conocido papel de los radicales libres del oxígeno en la inducción de daño celular, evidencias recientes han aportado una visión alternativa en relación con la generación de radicales libres del oxígeno y el estrés oxidativo y su papel como un mecanismo importante de regulación13. Las especies oxidativas (como el H2O2) pueden actuar también como potentes mecanismos de señalización emitidos por las mitocondrias a otros sitios de la célula, desencadenando un despliegue rápido y reversible de cascadas intracelulares con diferentes objetivos fisiológicos en los cardiomiocitos (p. ej., apoptosis, necrosis, cardioprotección o proliferación celular).

Fig. 3. Vía mitocondrial de la apoptosis. Las señales celulares del tipo de generación de radicales libres del oxígeno, o daño del ADN inducido por UV, y una variedad de «señales de muerte», desencadenan la vía apoptósica a través de la modulación de la unión de las proteínas proapoptósicas (como la BAX) al PTP, provocando su apertura. Como se observa, los valores elevados de calcio mitocondrial, así como la producción excesiva de radicales libres del oxígeno (generados en los complejos respiratorios I y III) también promueven la apertura del PTP. Este fenómeno se continúa con la liberación de citocromo C y del factor inductor de apoptosis (AIF) desde la mitocondria al citosol, con la consiguiente activación de las caspasas que inician la autodigestión celular y la fragmentación del ADN nuclear, provocando la muerte celular apoptósica. La asociación de BAX a la mitocondria se previene por la familia de proteínas antiapoptósicas Bcl. La neutralización de los radicales libres del oxígeno ocurre en los 2 lugares intramitocondriales por las enzimas antioxidantes superóxido dismutasa de manganeso (MnSOD) y glutatión peroxidasa (GPx), y en el citosol por la CuSOD, GPx y catalasa. También se representan las principales proteínas de que consta el PTP, en los lugares de unión de las membranas mitocondriales interna y externa, como la hexocinasa (HK), la translocasa de los nucleótidos de adenina (ANT), la creatincinasa (CK), la ciclofilina D (CpD), la porina y el receptor de benzodiacepinas (IBP), así como el fosfolípido de la membrana interna cardiolipina (CL).

Cambios mitocondriales cardíacos durante el envejecimiento y la senescencia

Entre los múltiples cambios metabólicos que tienen lugar en el músculo cardíaco en la edad avanzada se encuentran las modificaciones en la composición de ácidos grasos y lípidos de la membrana como, por ejemplo, un aumento de los valores de ácidos grasos saturados14 y una reducción de las concentraciones de ácidos grasos poliinsaturados15 y de cardiolipina16. La cardiolipina, que es el fosfolípido insaturado celular más abundante, es el principal componente de la membrana mitocondrial interna, y desempeña un papel integral en la función de transporte de la membrana mitocondrial cardíaca, en su fluidez y estabilidad, además de facilitar la función de las enzimas bioenergéticas que se encuentran en la membrana. Se ha descrito una importante reducción en los valores de carnitina y acetilcarnitina en individuos ancianos17.

Con el envejecimiento también se produce un aumento de la tasa de deleciones a gran escala y de mutaciones puntuales del ADNmt cardíaco, y una reducción de las actividades enzimáticas mitocondriales18-20. Se ha sugerido que estas anomalías mitocondriales pueden ser debidas en gran parte al aumento de la producción mitocondrial de radicales libres del oxígeno asociado al envejecimiento12,21. Sin embargo, el efecto del envejecimiento sobre la función de las enzimas implicadas en la fosforilación oxidativa cardíaca ha sido revaluado recientemente y se ha cuestionado el grado y el papel que desempeña el declive de la función bioenergética mitocondrial11,22. Las discrepancias entre los diferentes hallazgos pueden estar basadas en las distintas metodologías empleadas para medir la actividad mitocondrial. Si consideramos las mitocondrias cardíacas que forman parte de distintas poblaciones (lo que requiere una separación física de las poblaciones de estas organelas in vitro), las mitocondrias interfibrilares localizadas entre las miofibrillas y las mitocondrias subsarcolemales, localizadas debajo de la membrana plasmática, las reducciones asociadas a la edad de las actividades de los complejos enzimáticos respiratorios III y IV se encuentran en las mitocondrias interfibrilares y no en las mitocondrias subsarcolemales23. Una gran cantidad de cambios/parámetros fisiológicos puede tener influencia sobre las actividades enzimáticas mitocondriales. Así, por ejemplo, el grado de ejercicio y condicionamiento, así como el aumento del estrés isquémico, pueden ejercer un gran impacto sobre la actividad de las enzimas mitocondriales24.

DISFUNCIÓN MITOCONDRIAL EN LAS ENFERMEDADES CARDIOVASCULARES

ADNmt y enfermedad cardiovascular

En las miocardiopatías se han documentado defectos discretos de la fosforilación oxidativa mitocondrial o deficiencias en la cadena respiratoria. Tanto la miocardiopatía dilatada como la hipertrófica se encuentran acompañadas frecuentemente por niveles defectuosos de las actividades enzimáticas de la fosforilación oxidativa y la cadena respiratoria25-28.

Las miocardiopatías (sobre todo la hipertrófica) se asocian a menudo a mutaciones puntuales patogénicas específicas del ADNmt29-35 (en la tabla 1 se presenta un listado actualizado). Las mutaciones patogénicas del ADNmt se encuentran localizadas generalmente en nucleótidos altamente conservados a lo largo de la evolución, y a menudo tienen una presentación heteroplásmica (una población mixta de genomas de ADNmt mutante y silvestre), aunque evidencias recientes indican que las mutaciones patogénicas de ADNmt pueden ser también homoplásmicas36. Estas mutaciones se suelen acompañar por niveles reducidos de la actividad de enzimas respiratorias específicas.

Se han identificado mutaciones patogénicas de ADNmt en varios genes de ARNt mitocondriales que están asociadas a miocardiopatías. Algunos genes específicos de ARNt, como el LEU, el ILE y el LYS, parecen ser zonas calientes de mutación en pacientes con miocardiopatías. El lugar donde se producen las mutaciones dentro de la estructura en hoja de trébol del ARNt genérico puede tener un gran impacto sobre la severidad del fenotipo y, posiblemente, sobre su especificidad tisular37. En general, las mutaciones patogénicas de ARNt mitocondrial afectan negativamente a la síntesis proteica de las mitocondrias y la actividad de múltiples enzimas respiratorias. Se ha descrito también una mutación de ADNmt asociada a miocardiopatía en el ARNr38. Asimismo, otras mutaciones puntuales de ADNmt que se encuentran en otras localizaciones del ADNmt (algunas en genes de ARNt, otras en genes del ADNmt codificadores de proteínas), que no están presentes en individuos normales se han asociado a pacientes con miocardiopatía dilatada. Estas mutaciones potencialmente patogénicas son heteroplásmicas, y se encuentran en secuencias altamente conservadas39-41. Además, se han descrito mutaciones con pérdida de sentido en el citocromo b en un amplio espectro de miocardiopatías, entre las que se incluyen la miocardiopatía dilatada, la hipertrófica, la histiocitoide y la miocardiopatía posparto (tabla 1). Es importante remarcar que el citocromo b, la única subunidad del complejo III codificada por la mitocondria, también representa una zona caliente de mutaciones en pacientes con miocardiopatía.

Las enfermedades multisistémicas mitocondriales con afección cardíaca se describen asociadas a un espectro creciente de manifestaciones clínicas. Algunas de ellas se heredan por vía materna (debido a mutación del ADNmt) y pueden presentarse con un fenotipo cardíaco variable (hipertrofia ventricular, cardiomegalia y disritmias) junto con síndromes neurológicos como el de Leigh (retraso en el desarrollo, debilidad muscular, oftalmoplejía y necrosis de los ganglios basales), el de MELAS (miopatía mitocondrial, encefa-lopatía, acidosis láctica y episodios de tipo ictus) y el de MERRF (epilepsia mioclónica y desorganización de las fibras rojas)42-44. Las mutaciones específicas de ADNmt, encontradas en asociación con miocardiopatía primaria, también pueden estar presentes en pacientes con diversas combinaciones de fenotipos clínicos. La variabilidad entre el genotipo mitocondrial y el fenotipo puede explicarse por la implicación de cofactores genéticos o ambientales no identificados capaces de modular el efecto de las mutaciones de ADNmt. De la misma forma, determinados síndromes o fenotipos pueden estar causados por mutaciones completamente diferentes del ADN nuclear o mitocondrial. Por ejemplo, el síndrome de Leigh puede estar causado por mutaciones en la subunidad de la ATPasa-643, por mutaciones puntuales en el gen LYS del ARNt mitocondrial45, por mutaciones del ADN nuclear de la piruvato deshidrogenasa46, por mutaciones nucleares que afectan a las subunidades del complejo II47 o por depleción del ADNmt48. Sin embargo, todavía no se ha podido establecer la correlación entre la afección cardíaca de la enfermedad de Leigh y los loci afectados (tanto nucleares como mitocondriales).

También se han asociado a alteraciones cardíacas los reagrupamientos esporádicos a gran escala del ADNmt. En el síndrome de Kearns-Sayre (KSS), las anomalías de la conducción cardíaca coexisten típicamente con deleciones somáticas a gran escala del ADNmt49,50. La mayoría de las deleciones de ADNmt en el KSS es de un único tipo, no se heredan y se detectan principalmente en el músculo cardíaco y de manera más rara en la sangre. Existe un estudio que ha demostrado una prevalencia localizada de deleciones de ADNmt en tejidos del sistema de conducción cardíaco, por ejemplo, en el nodo sinoauricular y auriculoventricular, en comparación con el miocardio circundante51. En cambio, el fenotipo de deleción múltiple de ADNmt asociado a la miocardiopatía dilatada se debe a defectos genéticos en loci nucleares autosómicos no identificados que pueden heredarse tanto de forma dominante como recesiva52,53. Los casos de deleción de ADNmt detectados en el KSS y en alteraciones autosómicas tienden a ser muy abundantes (alcanzando hasta un 95% del ADNmt total), tanto en forma de deleciones discretas de una única zona como en forma de agregados, y se detectan por la técnica del Southern blot54. Además, aunque menos abundantes, las deleciones a gran escala de ADNmt se detectan a menudo por análisis con PCR en el tejido cardíaco de muchas miocardiopatías primarias. Este tipo de deleciones son el reflejo de un daño específico del ADNmt (presumiblemente como consecuencia de los radicales libres del oxígeno), son dependientes de la edad54,55 y sigue sin esclarecerse su papel en las enfermedades cardíacas.

Se ha descrito la depleción en los valores de ADNmt cardíaco en pacientes con una miocardiopatía aislada, tanto dilatada como hipertrófica56. Además, la depleción del ADNmt cardíaco puede ser inducida específicamente por zidovudina (AZT), que inhibe tanto la polimerasa de ADN del VIH como la polimerasa gamma del ADNmt, lo que interfiere con la replicación de ADNmt. En humanos y en animales tratados con AZT57,58 se han encontrado valores reducidos de ADNmt cardíaco asociados a una marcada disminución de la actividad de las enzimas respiratorias y un fenotipo clínico de disfunción cardíaca. La depleción de ADNmt parece ser reversible, ya que el cese de la terapia con AZT se ha asociado a una mejoría de la función ventricular izquierda.

Defectos en proteínas mitocondriales codificadas por ADN nuclear y enfermedad cardiovascular

Las mutaciones en un amplio grupo de genes nucleares que codifican proteínas mitocondriales pueden causar miocardiopatías. Por ejemplo, una miocardiopatía es a menudo una consecuencia de mutaciones en proteínas transportadoras mitocondriales (p. ej., la translocasa de la carnitina-acilcarnitina) que facilitan el paso de metabolitos críticos a través de la membrana mitocondrial interna59, y también de mutaciones en la frataxina, una proteína de transporte mitocondrial implicada en la acumulación mitocondrial de hierro que causa la ataxia de Friedreich (a menudo se presenta con miocardiopatía hipertrófica)60. También se han implicado en algunas enfermedades de base mitocondrial, como el síndrome de Leigh, algunas mutaciones de genes nucleares que codifican factores necesarios para el ensamblaje y el funcionamiento de las múltiples subunidades que conforman los complejos enzimáticos respiratorios. En este sentido, las mutaci ones en el gen SCO2 que codifica una chaperona de cobre involucrada en el ensamblaje del complejo IV (COX), pueden dar lugar a una miocardiopatía61. Es interesante señalar que el fenotipo clínico en pacientes con mutaciones en SCO2 es distinto del que se ha encontrado en otras mutaciones que afectan a otros factores del ensamblaje de COX (p. ej., el SURF1), que normalmente se presentan sin afección cardíaca62.

La miocardiopatía es la manifestación clínica primaria de diversas alteraciones hereditarias de la betaoxidación mitocondrial de los ácidos grasos63. Se han descrito como causas de miocardiopatía en niños las deficiencias en la acil-CoA deshidrogenasa de cadena muy larga64, en la 3-hidroxilacil-CoA deshidrogenasa de cadena larga65 y en la acil-CoA deshidrogenasa de cadena corta66. También se han encontrado asociados a miocardiopatía los defectos en el transporte de carnitina al interior de las células, así como defectos en el mecanismo de transporte carnitina-acilcarnitina, responsable del transporte de ácidos grasos al interior de la mitocondria67. Los defectos en la proteína mitocondrial trifuncional que afectan a la proteína de cadena larga L-3 hidroxilacil-CoA están asociados frecuentemente a la miocardiopatía dilatada68. La patogenia cardíaca de estas alteraciones hereditarias que afectan a la betaoxidación de los ácidos grasos y el metabolismo de la carnitina incluyen probablemente dos factores: un deficiente aporte bioenergético al corazón y la acumulación de concentraciones tóxicas de ácidos grasos con la subsiguiente disfunción cardíaca. Este tipo de alteraciones ocurre principalmente durante la infancia y a menudo se pone de manifiesto por enfermedades infecciosas o por el ayuno, en una situación en la que el corazón presenta una dependencia aumentada de la oxidación de los ácidos grasos para la obtención de energía. Muchas de las alteraciones hereditarias del metabolismo de los ácidos grasos que se han descrito con anterioridad pueden acabar en muerte súbita neonatal.

Los defectos en la conducción cardíaca y las arritmias están presentes frecuentemente en pacientes con defectos específicos en la oxidación de los ácidos grasos69. Tanto las arritmias ventriculares como las auriculares se han asociado a deficiencias en el CPT-II, en la translocasa de la carnitina y en la proteína trifuncional. En cambio, no se han descrito arritmias cardíacas en pacientes con deficiencias en el CPT-I, en el transportador de carnitina y en el MCAD, lo que sugiere que la acumulación de metabolitos arritmogénicos (p. ej., las acilcarnitinas de cadena larga) promueve las arritmias y contribuye potencialmente a la insuficiencia cardíaca y la muerte súbita. Hace mucho tiempo que se sabe que las acilcarnitinas de cadena larga poseen propiedades de tipo detergente y pueden modificar en gran manera las proteínas y los lípidos de membrana, ejerciendo efectos tóxicos sobre las funciones electrofisiológicas de las membranas cardíacas, como el transporte iónico y la función de las gap junctions. Además, la acumulación de metabolitos de ácidos grasos de cadena larga (p. ej., la acilcarnitina de cadena larga) desempeña un papel fundamental en el desarrollo de arritmias ventriculares que tienen lugar durante la isquemia miocárdica70. La acumulación de ésteres de cadena larga potencialmente tóxicos durante la hipoxia/isquemia puede prevenirse bloqueando selectivamente la actividad del CPT-I con perhexilina o amiodarona, lo que resulta en una reducción del riesgo de anomalías electrofisiológicas de membrana y de la incidencia de arritmias letales71.

La presencia de mitocondrias anormales y de miocardiopatía dilatada aguda también se ha descrito en el síndrome de Barth, una alteración ligada al cromosoma X que se caracteriza por una neutropenia cíclica de comienzo neonatal. Las arritmias y la insuficiencia cardíaca también están frecuentemente presentes. La proteína tafazzina, responsable del síndrome de Barth72, está codificada por el gen G4.5 y probablemente pertenece a una familia de aciltransferasas involucradas en la síntesis de fosfolípidos. En pacientes con mutación en el G4.5 se produce un aumento de l os valores de ácidos grasos saturados, mientras que los ácidos grasos insaturados y la cardiolipina están marcadamente reducidos73,74. Una función defectuosa de la aciltransferasa puede resultar en un aumento de la saturación de los ácidos grasos, lo que perjudica la fluidez y la función de las membranas cardíacas.

Los genes que codifican importantes proteínas estructurales y del citoesqueleto han estado frecuentemente implicados en la patogenia de las miocardiopatías. Las mutaciones específicas del ADN nuclear que afectan a proteínas estructuales y contráctiles, como la actina, la desmina, el sarcoglicano y la distrofina, han sido identificadas como agentes causales en muchos casos de miocardiopatía dilatada e insuficiencia cardíaca. De la misma forma, algunos casos de miocardiopatía hipertrófica familiar son debidos a mutaciones patogénicas concretas de proteínas cardíacas implicadas en la generación de la fuerza contráctil, como la cadena pesada de la betamiosina, la troponina T, la tropomiosina y la proteína C que se une a la miosina. Es importante remarcar la relación que existe entre los defectos mitocondriales y las proteínas estructurales codificadas por el núcleo. Algunos pacientes con mutaciones específicas de la cadena pesada de la betamiosina pueden desarrollar un número anormal de mitocondrias y una marcada reducción de la función respiratoria mitocondrial75,76. Se ha sugerido una interacción potencial entre estas mutaciones nucleares patogénicas y las mutaciones de ADNmt a partir de estudios que demuestran la coexistencia de mutaciones de la cadena pesada de la betamiosina y del ADNmt en pacientes con miocardiopatía hipertrófica77. Además, la distribución intracelular de las mitocondrias puede estar profundamente alterada en pacientes con proteínas estructurales defectuosas (p. ej., la desmina)78, ya que tanto la posición intracelular como el movimiento de las mitocondrias están mediados por las proteínas del citoesqueleto. Las localizaciones celulares defectuosas de las mitocondrias pueden desempeñar un papel crítico en la fisiopatología cardíaca, al modificar la función bioenergética cardíaca.

Isquemia miocárdica

Cuando el suplemento de oxígeno es limitado, como ocurre durante la isquemia miocárdica, la fosforilación oxidativa y el flujo del transporte electrónico declinan, se produce una depleción rápida de las reservas de creatina fosfato, disminuye la oxidación del piruvato y de los ácidos grasos y se deteriora la producción de ATP. La hidrólisis del ATP derivado de la glucólisis y la acumulación de lactato conducen a una disminución del pH intracelular y al desarrollo de acidosis intracelular, lo que ejerce un efecto inhibitorio directo sobre la función contráctil. El AMP y otros metabolitos se acumulan, y esto da lugar a la aparición de edema mitocondrial y degeneración progresiva. Además, la isquemia miocárdica produce una disminución de los valores de los complejos respiratorios IV79 y V80 y un aumento de las deleciones de ADNmt81. La isquemia sostenida acaba por producir depleción de ATP y muerte celular necrótica.

Paradójicamente, las mitocondrias funcionales pueden exacerbar el daño isquémico, especialmente al comienzo de la reperfusión. Durante la reperfusión se produce un aumento del influjo de ácidos grasos y un desequilibrio de la oxidación de los ácidos grasos, lo que da lugar a un exceso de acetil-CoA que satura el ciclo de los ácidos tricarboxílicos a expensas de la oxidación de glucosa y piruvato, y que al final resulta inhibido. El aumento de la fosforilación oxidativa causa un incremento de la acumulación de radicales libres del oxígeno con un aumento de la peroxidación lipídica; esto produce una disminución de la concentración de cardiolipina en la membrana interna, con el subsiguiente efecto sobre la actividad del complejo IV. La actividad normal respiratoria puede ser restablecida con la adición de cardiolipina exógena82. En la actualidad, existe evidencia de que el daño por reperfusión implica la existencia de muerte celular apoptótica, mientras que el daño isquémico consiste principalmente en muerte celular necrótica83.

El estrés hipertérmico puede proteger contra la disfunción miocárdica secundaria al daño por isquemia-reperfusión84. En los corazones sometidos a estrés por calor se alcanzan valores superiores de actividad de los complejos I-IV, de la expresión de las proteínas heat shock (p. ej., la Hsp32, 60 y 72) y mejora la función ventricular. En comparación con el miocardio reperfundido no tratado, en el que las mitocondrias estaban gravemente dañadas, se ha descrito que el miocardio reperfundido sometido a estrés por calor presenta una actividad superior de los complejos respiratorios y un mayor número de mitocondrias con membranas intactas y crestas paralelas. Estas observaciones han proporcionado evidencias de que el aumento de la capacidad energética mitocondrial mediado por estrés hipertérmico está asociado a un aumento de la tolerancia al daño por isquemia-reperfusión.

Existe un mecanismo cardioprotector de autodefensa en el corazón isquémico que implica la apertura de unos canales mitocondriales de K+ sensibles al ATP. Este efecto cardioprotector puede estar mediado por una mejoría de la producción de ATP, por una disminución de la sobrecarga de Ca2+ en la matriz mitocondrial y por un aumento de la generación de radicales libres del oxígeno, que dan lugar a una activación de la proteincinasa C. Se dispone de varios fármacos que funcionan activando específicamente la apertura de los canales de K+ mitocondriales como, por ejemplo, el diazóxido. Existen evidencias en humanos que demuestran que los canales de K+ mitocondriales son los efectores del precondicionamiento85.

Apoptosis y muerte celular en la enfermedad cardíaca

Existen evidencias que demuestran que la apoptosis (muerte celular programada), que conduce a la pérdida de células cardíacas y al remodelamiento del ventrículo izquierdo, constituye un hecho significativo de la insuficiencia cardíaca en pacientes con miocardiopatía dilatada y en modelos animales. Cada vez existe mayor acuerdo en el reconocimiento de que las mitocondrias desempeñan un papel fundamental en las fases tempranas de la apoptosis.

En la vía mitocondrial de la apoptosis, la liberación desde la mitocondria al citosol de proteínas proapoptósicas, citocromo C y factor inductor de apoptosis (AIF) es un hecho crucial en la puesta en marcha de la subsiguiente cascada de cambios citoplasmáticos, incluida la activación de las cisteína-aspartato proteasas (caspasas) y las endonucleasas nucleares que desencadenan la muerte celular86,87. La liberación de péptidos mitocondriales se encuentra facilitada por la apertura de un megacanal, el poro de transición de permeabilidad mitocondrial (PTP), un complejo multiproteico dinámico localizado en los puntos de contacto entre la membrana interna y la membrana externa, que se activa por la unión de proteínas proapoptósicas como la Bax (fig. 3). La proteína antiapoptósica Bcl2 (una proteína mitocondrial) previene la asociación de Bax con el PTP e interfiere con la liberación de péptidos proapoptósicos desde la mitocondria (p. ej., el citocromo C y el AIF). Evidencias recientes han establecido que la apertura del PTP es un eslabón temprano crítico de la apoptosis que precede a la cascada de caspasas. La apertura del PTP está promovida por el influjo de Ca2+ hacia la mitocondria y por la producción excesiva de radicales libres del oxígeno en la mitocondria88. Existen otros segundos mensajeros proapoptósicos, como los prooxidantes y el óxido nítrico, que también inducen la apertura del PTP. Además de su implicación en la muerte celular apoptósica, la apertura del PTP se ha relacionado con la muerte celular clínica de cardiomiocitos inducida por las excitotoxinas (como el glutamato), así como en la muerte celular necrótica que tiene lugar durante la anoxia y la isquemia89. Estas observaciones apoyan la idea, cada vez más aceptada, de que los cambios mitocondriales constituyen un paso fundamental en el desarrollo de los dos tipos de muerte celular, la apoptosis y la necrosis.

La apertura del PTP produce una disipación del potencial transmembrana mitocondrial (ΔΨ m)88 y una despolarización de la membrana mitocondrial. Los cambios en el potencial de membrana pueden ser una causa o una consecuencia de la apertura de PTP, ya que se acompañan de un influjo masivo de protones. La disminución de la actividad de las enzimas respiratorias mitocondriales (particularmente del complejo III) y de la fosforilación oxidativa pueden contribuir al comienzo de la apoptosis. El PTP representa un lugar crítico donde la fosforilación oxidativa puede integrarse con los estímulos de la señalización celular y las respuestas. La disminución del contenido de ATP promueve la transferencia de la proteína Bax al PTP. Sin embargo, existe un equilibrio dinámico continuo entre los factores proapoptósicos Bax y los factores antiapoptósicos Bcl, que modulan los acontecimientos que tienen lugar en el PTP. Debido a que la apoptosis es un proceso que requiere energía, el bloqueo de la fosforilación oxidativa que causa la apertura del PTP o que resulta como consecuencia de la misma no es completo. Es importante señalar que la desenergización mitocondrial completa no favorece el desarrollo de apoptosis, sino más bien el de necrosis. No debería sorprendernos que los acontecimientos iniciales de la apoptosis incluyan la modulación de los valores de ATP, dada la estrecha proximidad que hay entre el PTP y los complejos respiratorios en la membrana mitocondrial interna, así como su implicación en la pérdida de citocromo C, una molécula crítica de la cadena de transporte electrónico. En el lugar del PTP está presente también un gran número de moléculas mitocondriales asociadas a energía, como el intercambiador de nucleótidos de adenina, la enzima glucolítica hexocinasa, el canal de aniones dependiente de voltaje de la membrana externa (VDAC o porina), la creatincinasa mitocondrial y la cardiolipina.

Mitocondria y cardiotoxicidad

Cada vez hay mayor número de fármacos/toxinas con efectos deletéreos conocidos sobre la función mitocondrial cardíaca. El lector puede consultar dos excelentes revisiones generales sobre las mitocondrias como dianas farmacológicas90,91. Nosotros vamos a limitar nuestra discusión a dos toxinas relativamente bien caracterizadas con efectos cardíacos asociados a las mitocondrias.

Hace mucho tiempo que se sabe que los fármacos anticancerosos de tipo glucósido antraquinona (p. ej., la adriamicina-doxorrubicina) afectan a la función miocárdica. En la miocardiopatía inducida por doxorrubicina se producen cambios moleculares y bioquímicos en el miocardio que se acompañan de sorprendentes cambios en la estructura y función mitocondriales. Los cambios mitocondriales incluyen un gran aumento de la producción de radicales libres debido a una actividad anormal de la deshidrogenasa de NADH; un incremento del daño del ADNmt, del tipo de acumulación de 8 OHdG y deleciones a gran escala de ADNmt; alteraciones en la homeostasis del Ca2+ mitocondrial; cambios en la actividad de las enzimas implicadas en la oxidación de los ácidos grasos (p. ej., el CPTI) y aumento de la actividad de la translocasa de nucleótidos de adenina92-96. La mayor parte de los efectos bioquímicos deletéreos de la doxorrubicina puede ser contrarrestada con la suplementación de alguno de los siguientes factores: MnSOD, carnitina, adenosina o metalotioneína, capaces de aportar grados variables de cardioprotección97-99. También existe evidencia de que la doxorrubicina actúa sobre el PTP mitocondrial, modulando el flujo de Ca2+, la generación de radicales libres del oxígeno, la actividad de la translocasa de nucleótidos de adenina, el transporte y metabolismo de carnitina y la integridad del ADNmt. La posible implicación de la doxorrubicina en la inducción de la vía apoptósica en el corazón es consistente con la estimulación que ejerce sobre la liberación de citocromo C en cardiomiocitos100. En este sentido, vale la pena señalar que los pacientes con una miocarditis viral también presentan una disminución del contenido y actividad de la translocasa de nucleótidos de adenina101, lo que sugiere que el PTP mitocondrial puede constituir una diana común de actuación de agentes cardíacos tóxicos o infecciosos. Además, existen evidencias que demuestran que el PTP de la vía apoptósica puede ser el lugar de acción de agentes tóxicos (como el salicilato y el valproato) implicados en la fisiopatología del síndrome de Reye88.

La ingestión de cantidades moderadas de alcohol puede ejercer efectos beneficiosos sobre el sistema cardiovascular102; esto puede manifestarse por un aumento moderado en la bioenergética mitocondrial del miocardio (p. ej., un incremento de la actividad de las enzimas respiratorias y del ADNmt), lo que sugiere un incremento de la biogénesis mitocondrial específica del corazón103. Por el contrario, se ha observado que el consumo de grandes dosis de alcohol ejerce efectos deletéreos sobre el tejido miocárdico que, en las subcélulas, consisten en anomalías de la estructura y función mitocondriales y en depleción del ADNmt104-106.

Modelos animales de enfermedades cardiovasculares asociadas a las mitocondrias

La ablación génica en el ratón (es decir, la generación de mutaciones sin sentido o de genes knock-out) dirigida a un espectro relativamente amplio de genes que codifican proteínas mitocondriales resulta en una disfunción cardíaca grave. Estos genes incluyen el ANT107, el MnSOD108,109, los factores involucrados en el metabolismo de los ácidos grasos, como el PPAR, las subunidades MTP110,111, el factor de transcripción mitocondrial TFAmt (también llamado TFAM)112 y la frataxina, la proteína responsable de la ataxia de Friedreich113. Además de permitir el examen de los efectos específicos sobre la función cardíaca que se derivan de la eliminación de genes implicados en la función mitocondrial, los ratones knock-out específicos de tejido con una miocardiopatía mitocondrial se han utilizado para identificar los genes modificados con potencial valor terapéutico114. Hasta el momento disponemos de una información limitada sobre el impacto que tiene en el miocardio la eliminación de genes nucleares involucrados directamente en la fosforilación oxidativa mitocondrial. Un estudio reciente ha descrito la existencia de disfunción cardíaca en ratones que carecen de la subunidad VIa-H de la citocromo C oxidasa, la isoforma cardíaca115. Hay poca información disponible relacionada con la ablación génica de ADNmt, ya que la generación de knock-out para genes de ADNmt constituye un reto tecnológico que requiere una aproximación novedosa para la creación de animales transgénicos mitocondriales; algunos de estos enfoques se discuten más adelante.

Un avance reciente en la construcción de animales transgénicos mitocondriales ha sido la creación de una cepa de ratones que contiene valores altos de una deleción única de ADNmt a gran escala (4.696 pb)116. Las mitocondrias miocárdicas de ratones con valores elevados (> 85%) de deleción en el ADNmt4696 tenían una tendencia a desarrollar crestas anormales y una marcada deficiencia en la COX117; no obstante, y a diferencia de los pacientes con KSS y su deleción análoga en el ADNmt, los ratones con una alta proporción de deleción en el ADNmt fallecían por enfermedad renal. Estudios posteriores realizados con ratones que albergaban la deleción ADNmt4696 han revelado también que las células individuales (de la mayoría de tejidos) contenían uno de los 2 tipos de mitocondrias, las mutantes o las normales; ambos tipos de mitocondrias no coexistían en la misma célula118. Se ha propuesto que la existencia de complementación intermitocondrial imposibilita la expresión del fenotipo de deleción en presencia del ADNmt silvestre de longitud completa. Si el modelo murino es relevante en relación con las enfermedades humanas de deleciones de ADNmt, este hallazgo puede tener importantes implicaciones en el potencial tratamiento del síndrome KSS basado en deleción utilizando ADNmt de cadena completa.

El uso de la sobreexpresión específica en el corazón de determinados genes también ha tenido un gran valor informativo en nuestra comprensión del papel de las mitocondrias en la disfunción cardíaca. Esta técnica consiste en fusionar una región reguladora de un gen específico del corazón con un gen candidato de interés y su posterior introducción en el ratón transgénico, que expresará el gen candidato específicamente en las células musculares cardíacas. La sobreexpresión de un gran número de genes que participan en la expresión y control del metabolismo energético cardíaco (p. ej., el PGC1, el PPAR, el TNF-alfa) es capaz de producir una miocardiopatía con disfunción cardíaca grave y cambios pronunciados en la estructura y función mitocondriales119,120.

El desarrollo de modelos animales con una disfunción cardíaca basada en alteraciones mitocondriales ofrece la posibilidad de probar de una manera directa la efectividad de potenciales tratamientos. Por ejemplo, la demostración de que los animales deficientes en MnSOD desarrollan toxicidad por radicales libres del oxígeno y miocardiopatía dilatada permite especular que el tratamiento con antioxidantes puede mejorar el fenotipo cardíaco; de hecho, la inyección peritoneal del antioxidante MnTBAP en ratones deficientes de MnSOD fue capaz de eliminar la disfunción cardíaca y de revertir la acumulación de radicales libres del oxígeno121.

Diagnóstico y tratamiento de enfermedades cardíacas producidas por alteraciones mitocondriales

El diagnóstico de la disfunción mitocondrial en la enfermedad cardíaca procede en gran parte de estudios de biopsias endomiocárdicas que han utilizado análisis histoquímicos, ultraestructurales y de la actividad de las enzimas de la fosforilación oxidativa y de la respiración celular. Recientemente se ha demostrado la utilidad diagnóstica del análisis de las enzimas de músculo esquelético en pacientes con miocardiopatía122, y la biopsia muscular puede reemplazar la necesidad de utilizar biopsia endomiocárdica en la evaluación y seguimiento de la miocardiopatía basada en alteraciones mitocondriales. También puede ser informativo el análisis de ADN utilizado para identificar mutaciones patogénicas específicas del ADNmt, el análisis de las deleciones a gran escala del ADNmt y la evaluación de los niveles de ADNmt; sin embargo, según nuestra experiencia, la incidencia global de mutaciones patogénicas de ADNmt es baja en pacientes con enfermedad cardíaca, incluyendo aquellos que presentan defectos de las enzimas de la fosforilación oxidativa. Una vez que las mutaciones específicas de ADNmt han sido identificadas, su significado funcional puede ser confirmado utilizando tecnología «cíbrida». Según esta metodología, los citoplastos de los pacientes (células enucleadas que contienen las mitocondrias y el ADNmt de los pacientes) son fusionadas con células rhoº receptoras deficientes en ADNmt (células nucleadas en cultivo cuyo ADNmt ha sido eliminado mediante crecimiento prolongado en bromuro de etidio). La línea celular híbrida citoplásmica resultante («cíbrida»), que se puede hacer crecer bajo condiciones apropiadas, posee un bagaje nuclear silvestre derivado de las células receptoras rhoº y un ADNmt derivado enteramente del paciente, y puede ser utilizada para el estudio del crecimiento, consumo de oxígeno, producción de ATP, síntesis proteica mitocondrial y evaluación de las actividades enzimáticas específicas123. Para aquellos pacientes en los que se sospecha la existencia de defectos genéticos nucleares, los cíbridos también pueden ser construidos a partir de un genoma mitocondrial silvestre y el genoma nuclear del paciente.

Aunque la evaluación de los ácidos grasos utilizando un perfil de las concentraciones sanguíneas de acilcarnitina por espectroscopia de masas parece ser el método más fiable de probar la existencia de una alteración mitocondrial asociada a su metabolismo124, se puede usar análisis bioquímicos alternativos para determinar los valores de otros intermediarios mitocondriales clave, como la coenzima Q10, la cardiolipina y la carnitina.

Un conocimiento preciso de los defectos bioquímicos y moleculares puede permitir el tratamiento con intermediarios metabólicos (p. ej., el succinato), coenzimas y vitaminas que sirvan como donadores de electrones, transportadores y cofactores del transporte electrónico (p. ej., vitamina K, tiamina, ascorbato y riboflavina) que permitan obviar los defectos específicos en la fosforilación oxidativa y aumentar la producción de ATP125. Por ejemplo, la coenzima Q10 ha demostrado tener efectos beneficiosos en el tratamiento de episodios de tipo ictus, acidosis láctica y fatiga del síndrome de MELAS, en los trastornos de la conducción cardíaca asociados al síndrome KSS125, y en el tratamiento de otras miocardiopatías126. Recientemente, la idebenona, un análogo sintético de la coenzima Q, ha demostrado ser efectiva en el tratamiento de la miocardiopatía asociada a la ataxia de Friedreich127,128. La coenzima Q también es potencialmente útil como antioxidante125.

Las alteraciones mitocondriales de la oxidación de los ácidos grasos de cadena larga (entre los que se incluye la deficiencia de CPT II) pueden ser tratadas de forma efectiva con terapia dietética a largo plazo, mediante el reemplazo de las grasas normales de la dieta por triglicéridos de cadena media e incremento de
la ingestión de hidratos de carbono, especialmente en la miocardiopatía aguda asociada a deficiencias de VLCAD y LCHAD129,130. La prevención de estas alteraciones incluye también evitar de forma estricta el ayuno, sobre todo durante la infancia. Los pacientes con miocardiopatía secundaria a deficiencia a pueden ser tratados con L-carnitina oral. En muchos casos de tratamiento con carnitina la miocardiopatía se resolvió y se previno la incidencia de recurrencias durante más de 5 años131. Asimismo, cada vez hay mayor evidencia de que los ácidos grasos libres poliinsaturados en la dieta pueden proporcionar un efecto cardioprotector contra la fibrilación ventricular secundaria a la isquemia y las arritmias, aumentan el contenido de cardiolipina mitocondrial y mejoran la tolerancia cardíaca a la isquemia y reperfusión132.

Las deficiencias en CPT-II, translocasa de carnitina-acilcarnitina o MTP que resultan en un aumento de la incidencia de defectos en la conducción cardíaca y arritmias, pueden ser tratadas con fármacos capaces de aumentar la utilización de glucosa y la energía derivada de la oxidación de piruvato, a costa de la oxidación de los ácidos grasos, y así prevenir la acumulación de acilcarnitinas de cadena larga133. Otros casos de intervención metabólica consisten en revertir el aumento de la oxidación de los ácidos grasos que tiene lugar durante la reperfusión utilizando trimetazidina y ranolazina. El tratamiento con dicloroacetato se presenta como una estrategia prometedora para contener el aumento de la acidosis láctica y revertir la disminución de la actividad de la deshidrogenasa de piruvato que se producen en el daño por isquemia/reperfusión miocárdicos.

La terapia con carnitina también puede ser utilizada para disminuir la acumulación de acil-CoA. Además, los pacientes con insuficiencia cardíaca tratados con carvedilol, un bloqueador de los receptores adrenérgicos de tipo beta, presentan una mejoría notoria en la eficiencia energética del miocardio, debido a que se induce un cambio en los sustratos oxidativos empleados, desde los ácidos grasos a la glucosa134.

El camino por delante: células madre embrionarias y terapia génica

La formación de células miocárdicas funcionantes en el ratón y en los humanos se ha conseguido con el uso de células madre embrionarias (ES) derivadas de estadios blastocitarios en fases preembrionarias135-137. Esta tecnología tan prometedora tiene numerosas aplicaciones potenciales en el tratamiento de muchas enfermedades cardíacas, como las miocardiopatías, mediante el aumento, la regeneración o el reemplazo de cardiomiocitos defectuosos. También puede ser utilizada en pruebas farmacológicas para la evaluación de compuestos cardiotóxicos138. Por el momento, disponemos de una información limitada en relación con la estructura y función mitocondriales en células ES, y no existen datos sobre su utilidad en las enfermedades cardíacas que presentan anomalías mitocondriales extensas, ni sobre pruebas realizadas para probar la cardiotoxicidad mitocondrial.

Recientemente, el ADNmt procedente de una línea celular murina con deficiencias respiratorias y resistente al cloramfenicol (CAPR) fue introducido en forma de citoplastos enucleados en células ES (tratadas con rodamina 6G para eliminar sus mitocondrias) utilizando la técnica de fusión celular; los cíbridos resultantes fueron inyectados en blastocitos y se obtuvieron ratones quiméricos139. El fenotipo de la línea celular CAPR, que se debe a una mutación puntual del ADNmt en el nucleótido próximo al extremo 3' del gen del ARNr 16S, fue transmitido por vía materna a la descendencia. Los ratones quiméricos CAPR desarrollaron un gran número de anomalías oculares, incluyendo cataratas congénitas y disminución de la función de la retina, así como retraso grave en el crecimiento, miopatía y miocardiopatía dilatada. Las mitocondrias estaban anormalmente agrandadas en el músculo esquelético y cardíaco de los ratones CAPR y contenían numerosos gránulos electrodensos. Aunque todavía no se ha podido entender completamente el mecanismo cardiopatógeno de CAPR, vale la pena señalar que la mutación que presenta produce una gran deficiencia en la síntesis proteica mitocondrial y comparte la gravedad y la patogenicidad cardíaca manifestada en otras mutaciones del ADNmt que afectan a la síntesis proteica de las mitocondrias (p. ej., las mutaciones patogénicas de ARNt y ARNr mencionadas anteriormente).

Mientras que los enfoques experimentales basados en el uso de células ES de ratón cíbridas son un medio potencial para generar y examinar modelos animales de enfermedad mitocondrial, todavía no se ha intentado utilizar la tecnología de las células ES para estudiar las mutaciones patogénicas del ADNmt implicadas en las enfermedades cardíacas humanas. Un estudio reciente ha propuesto la posibilidad de introducir células ES con «ADNmt reparado» en un paciente que presentaba un defecto en el ADNmt, con la idea de transformar el miocardio enfermo en uno sano140. La célula con el «ADNmt reparado» debería derivarse del propio paciente (para evitar el rechazo inmunológico), después de recibir tratamiento con bromuro de etidio para eliminar el genoma de ADNmt endógeno y defectuoso, debería ser sometida a un proceso de reincorporación de los genes de ADNmt en su forma silvestre. De una manera parecida, el tratamiento de los defectos de ADN nuclear en los pacientes debe incluir un reemplazo genético específico del defecto nuclear (la recombinación homóloga sitio específica puede realizarse fácilmente en células ES) o, si el lugar preciso del defecto genético no se conoce, el reemplazo del núcleo completo del paciente por un núcleo silvestre y la subsiguiente generación de un constructo obtenido a partir de células ES. El desarrollo de la ingeniería celular basada en la terapia con células ES puede tener un importante impacto en el tratamiento de las enfermedades cardíacas basadas en defectos mitocondriales.

El uso eficaz de la terapia génica para el tratamiento de los defectos derivados del ADNmt en la fosforilación oxidativa está pendiente de una metodología basada en el reemplazo génico mitocondrial en células humanas. Mientras avanzamos hacia ese futuro, varios laboratorios han he cho público sus progresos en la creación de vectores catiónicos (p. ej., liposomas), capaces de transportar secuencias dirigidas a péptidos, covalentemente unidas a oligonucleósidos mitocondriales, al interior de las mitocondrias de células vivas141-143. Este tipo de aproximación basada en la transfección mitocondrial puede combinarse con una estrategia antisentido encaminada a reducir la expresión del alelo mitocondrial defectuoso en el tejido del paciente. Además, se acaba de publicar la corrección genética de una deficiencia específica en el ADNmt que afectaba a la sintasa de ATP144. Utilizando una tecnología que se basa en la expresión de un gen de ADNmt en el núcleo (el gen de la ATPasa-6) en cíbridos humanos, se ha conseguido corregir el fenotipo bioquímico y el crecimiento del alelo mutante 8993. Un enfoque genético similar puede resultar exitoso en el tratamiento de las alteraciones cardíacas debidas a mutaciones puntuales definidas del ADNmt.




Correspondencia: Dr. J. Marín-García.
The Molecular Cardiology and Neuromuscular Institute.
75 Raritan Ave. Highland Park, NJ 08904-EE.UU.
Correo electrónico: tmci@att.net

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