Herstel van kritiek zieke patiënten: rol van autofagie en epigenetica.

De ontwikkeling van intensieve zorgen over de laatste 50 jaar heeft ervoor gezorgd dat patiënten vandaag in staat zijn om de meeste acute levensbedreigende omstandigheden te overleven. Waar  het grootste deel van deze patiënten de intensieve zorgeenheid na enkele dagen kan verlaten, ontwikkelt een aanzienlijk deel van deze patiënten meervoudig orgaanfalen (MOF). Dit geeft aanleiding tot een verlengd verblijf op intensieve zorgen en leidt tot een belangrijke toename van de kosten voor de gezondheidszorg. Ondanks de grote vooruitgang in de intensieve zorgen is de mortaliteit en morbiditeit van patiënten die aan MOF lijden groot. De onderliggende oorzaak van dit MOF is complex en grotendeels ongekend. Recente studies hebben een mogelijk belangrijke rol voor mitochondriale dysfunctie en endoplasmatisch reticulum (ER) stress bij het ontwikkelen van MOF geïdentificeerd. Bijgevolg is het ontrafelen van moleculaire mechanismen en het indentificeren van medicatie die deze onderliggende cellulaire stress van MOF kan verminderen van groot belang, aangezien dit de uitkomst van deze patiënten op termijn zou kunnen verbeteren.

Kritieke ziekte wordt verder gekenmerkt door complexe hormonale en metabole veranderingen, zoals het ontwikkelen van hyperglycemie (hoge bloed suikerspiegels) en hypoaminoacidemia (lage spiegels van aminozuren in het bloed) die beiden  geassocieerd zijn met een slechte uitkomst voor de patiënt. De onderliggende mechanismen van deze veranderingen zijn grotendeels ongekend. Het is interessant om op te merken dat een aantal van deze hormonale en metabole veranderingen die kritieke ziekte kenmerken, de bovengenoemde cellulaire stress, cellulaire stress afweermechanismen en het resultaat van kritisch zieke patiënten kunnen beïnvloeden. Als dusdanig is meer inzicht krijgen in de onderliggende mechanismen van deze hormonale en metabole veranderingen belangrijk, aangezien dit ons toelaat om nieuwe therapeutische aanknooppunten te vinden.

De algemene doelstelling van dit doctoraatsproject was om meer inzicht te krijgen in de metabole mechanismen van orgaanfalen tijdens kritieke ziekte. Meer in het bijzonder hebben we de rol van autofagie, een cruciaal cellulair verdedigingsmechanisme, in de pathogenese van kritieke ziekte geïnduceerd orgaanfalen bestudeerd en de rol van FGF21 en glucagon in het beïnvloeden van cellulaire stress en metabole veranderingen tijdens kritieke ziekte.

Eerst onderzochten we de rol van autofagie in de lever op de leverfunctie tijdens kritieke ziekte. We onderzochten dit in een gevalideerd muizenmodel door het autofagie proces in de lever genetisch te manipuleren. Verstoorde autofagie tijdens kritieke ziekte verergerde de mitochondriale dysfunctie en onderdrukte de adaptieve unfolded protein response (UPR), een cruciaal afweermechanisme tegen ER stress. Dit resulteerde in een verergering van de geïncudeerde kritieke ziekte. Hieruit blijkt dat autofagie een belangrijk metabool mechanisme is in het voorkomen van kritieke ziekte geïnduceerd orgaanfalen. In een andere muizenstudie hebben we onderzocht of promethazine en carbamazepine, klinisch beschikbare farmacologische autofagie activatoren, in staat zijn om autofagie te stimuleren tijdens kritieke ziekte. Helaas echter, bleek de toediening van deze medicamenten niet in staat te zijn om autofagie in de lever gedurende kritieke ziekte te stimuleren.

Vervolgens onderzochten we een mogelijk rol van fibroblast growht factor 21 (FGF21), een recent ondekt hormoon, gedurende kritieke ziekte. We ondezochten of FGF21 verhoogd is gedurende kritieke ziekte, of het gemanipuleerd kan worden door metabole interventies gedurende kritieke ziekte en beoordeelden de rol ervan gedurende kritieke ziekte. Zowel in mensen als muizen waren FGF21 concentratiens in het bloed sterk toegenomen gedurende kritieke ziekte. Op basis van bevindingen in een gevalideerd konijnenmodel van kritieke ziekte is de stijging ervan hoogstwaarschijnlijk te wijten aan een toename van FGF21 expressie in de lever. Deze verhoogde expressie in de lever correleerde sterke met mitochondriale dysfunctie en merkers van de integrated stress response, dit is een belangrijke tak van de UPR. We onderzocht vervolgens of strikte glycemie controle, een therapie die cellulaire stress vermindert, FGF21 kon beïnvloeden en we onderzochten dit in een humane studie en in een konijnenstudie. Strikte glycemie controle verlaagde FGF21 concentraties in het bloed bij kritiek zieke menselijke patiënten en dit effect verklaarde statistisch gezien ten minste een deel van het mortaliteitsvoordeel van deze interventie. In de konijnenstudie vonden we dat strikte glycemiecontrole de FGF21 expressie in de lever deed zakken en dit ging gepaard met een sterke reductie in mitochondriale dysfunctie en merkers van de integrated stress response. Vervolgens onderzochten we de rol van FGF21 tijdens kritieke ziekte in een muizenmodel door genetisch te interferen met de FGF21 beschikbaarheid. FGF21 tekort verlaagde maar matig de hyperglycemie en had geen invloed op andere onderzochte hormonale en metabole assen. Intrigerend echter, FGF21 tekort tijdens kritieke ziekte remde de autofagie in de lever en verhoogde de merkers van de integrated stress response gedurende kritieke ziekte, wat suggereert dat FGF21 cellulaire stress tijdens kritieke ziekte vermindert door het stimuleren van autofagie. Als conclusie kunnen we dus stellen dat FGF21 een adaptief cellulaire stress-geïnduceerd hormoon is gedurende kritieke ziekte.

Als laatst onderzochten we een mogelijke role van glucagon gedurende kritieke ziekte. We onderzochten of glucagon verhoogd is gedurende kritieke ziekte, of het beïnvloed kan worden door parenterale voeding en we onderzochten de rol ervan in het moduleren van metabole en cellulaire stress. Kritieke ziekte verhoogde glucagon spiegels in het bloed, zowel bij muizen als bij mensen, en deze stijging correleerde met de ernst van ziekte. Het toedienen van glucose en insuline had geen effect op deze verhoogde plasma spiegels in kritiek zieke patiënten, in tegenstelling tot bij gezonde mensen. Het toedienen van parenterale voeding, dat aminozuren bevat, deed deze gestegen glucagon spiegels nog verder stijgen. Deze stijging werd verder onderzocht in een gevalideerd muizenmodel van kritieke ziekte, waaruit bleek dat de aminozuurcomponent van de parenterale voeding verantwoordelijk is voor de toename in glucagon concentraties in het bloed. In hetzelfde muismodel onderzochten wij vervolgens de rol van glucagon tijdens kritieke ziekte door glucagon te neutraliseren met behulp van speciaal ontworpen antistoffen. Glucagonneutralisatie had maar een kortstondig effect op FGF21, glucose en vethuishouding gedurende kritieke ziekte, terwijl het de toegenomen aminozuurafbraak in de lever sterk onderdrukte. Dit resulteerde in het omkeren van de hypoaminoacidemie, die typerend is voor kritieke ziekte. Glucagon neutraliseren had geen invloed op spierafbraak. Sterker nog, het toedienen van aminozuren, wat momenteel gedaan wordt in kritiek zieke patiënten met de bedoeling om spierafbraak gedurende kritieke ziekte tegen te gaan, stimuleerde enkel de toegenomen glucagonspiegels en de aminozuur afbraak in de lever, zonder enig effect op spierafbraak. Vervolgens toonden we in hetzelfde muismodel aan dat deze gestegen glucagonconcentraties geen effect hadden op autofagie in de lever gedurende kritieke ziekte, dat al van vroeg onderdrukt was.

Ter samenvatting, we hebben in dit doctoraatsproject aangetoond dat onvoldoende activatie van autofagie in de lever gedurende kritieke ziekte bijdraagt tot het ontstaan van leverschade/leverfalen, door het verhogen van mitochondriale dysfunctie en ER stress. Vervolgens hebben we FGF21 als een nieuw adaptief cellulaire stress-geïnduceerde hormoon tijdens kritieke ziekte geïdentificeerd, dat in staat is om autofagie in de lever gedurende kritieke ziekte te bevorderen en cellulaire schade te verminderen.Tenslotte hebben we aangetoond dat glucagon een sleutelrol speelt in de verstoring van het aminozuurmetabolisme gedurende kritieke ziekte door het stimuleren van aminozuurafbraak in de lever. Het vroeg opstarten van parenterale voeding en vooral aminozuren gedurende kritieke ziekte verhoogt enkel de aminozuurafbraak door het stimuleren van glucagon zonder spierafbraak tegen te gaan. Deze nieuwe gegevens dragen bij tot het ontrafelen van de pathophysiologie van kritieke ziekte en openen nieuwe perspectieven voor de behandeling van ernstig zieke patiënten.