Charakterisierung des muskulären Metabolismus von Patienten mit familiärer partieller Lipodystrophie mittels 31P- und 1H-Magnetresonanzspektroskopie

Abstract

Die familiäre partielle Lipodystrophie Typ Dunnigan-Köbberling (FPLD) ist eine seltene genetische Erkrankung und stellt aufgrund der Ähnlichkeit der Symptome mit denen des metabolischen Syndroms (Syndrom X) eine Modellerkrankung für das Verständnis der Pathogenese der Hyperlipidämien, insulinresistentem Diabetes und Adipositas dar. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, durch Untersuchungen zum Muskelstoffwechsel und Fettverteilungsmuster sowie leistungsphysiologische Tests das Krankheitsbild der FPLD weiter zu charakterisieren und mögliche pathophysiologische Zusammenhänge auf molekularer Ebene abzuleiten. Untersucht wurden 19 Patienten mit dem klinischen Bild einer FPLD und 17 gesunde, männliche Vergleichsprobanden. Bei allen Patienten wurde ein genetisches Screening bzgl. typischer Mutationen für eine FPLD durchgeführt. Die Untersuchungen zum Muskelstoffwechsel und Fettverteilungsmuster der Beinmuskulatur erfolgten für alle Probanden mittels Magnetresonanzspektroskopie (MRS), einem modernen Verfahren zur kontinuierlichen, nichtinvasiven Erfassung metabolischer Zustände und Veränderungen in der (arbeitenden) Muskulatur. Die Konzentrationsverhältnisse der Metabolite des Energiestoffwechsels (Phosphokreatin, beta-ATP, anorganisches Phosphat sowie Phosphomono- und Phosphodiester) wurden phosphorspektroskopisch 31P-MRS), das intra- und extrazelluläre Fettverteilungsmuster protonenspektroskopisch 1H-MRS) ermittelt. Zusätzlich wurden 31P-Spektren bei zeitgleicher Belastung der Wadenmuskulatur im Tomographen und in der Nachbelastungsphase akquiriert. Der aerob-alaktazide Stoffwechsel wurde im 5-min-Test mit moderater Belastung, der anaerob- laktazide mittels rampenförmigem Ausbelastungstest erfasst. Die Leistungsfähigkeit wurde im Rahmen einer Fahrradspiroergometrie ermittelt. Die kerspinspektroskopischen Ergebnisse wurden auf korrelative Zusammenhänge mit den leistungsphysiologischen und bereits erhobenen klinischen Parametern geprüft. Bei 17 Patienten wurde eine Mutation im LMNA- oder PPAR-gamma-Gen als Ursache für die FPLD gefunden. In der Phosphorspektroskopie zeigten sich in Ruhe und in allen Belastungs- und Nachbelastungsspektren signifikant höhere Konzentrationen der Phosphodiester (PDE) bei den FPLD-Patienten im Vergleich zu den gesunden Vergleichsprobanden. Zudem wiesen die Patienten über den Belastungs- und Erholungsverlauf konstante Quotienten zwischen Phosphokreatin und PDE auf, während es bei den Vergleichsprobanden zu einem Absinken dieses Parameters unter Belastung mit Wiederanstieg auf den Ausgangswert in der Nachbelastungsphase kam. Im Ausbelastungstest kam es in der Patientengruppe zu geringem Absinken des intrazellulären pH-Wertes und verzögerter Regeneration des Phosphokreatinpools in der Erholungsphase. Protonenspektroskopisch fanden wir für die FPLD-Patienten signifikant höhere Konzentrationen sowohl intra- (IMCL) als auch extramyozellulärer (EMCL) Lipide im Vergleich zu den Kontrollprobanden. Das Verhältnis EMCL/IMCL war ebenfalls signifikant erhöht. In der Fahrradspiroergometrie wiesen die FPLD-Patienten bei normaler absoluter und relativer Leistungsfähigkeit eine um 23% gegenüber der Norm verminderte aerobe Kapazität auf. Die anaerobe Kapazität lag im hochnormalen Bereich. Der individuelle anaerobe Übergangsbereich (aerob-anaerobe Schwelle) trat bei den Patienten bei 40% der maximalen Leistungsfähigkeit und somit verfrüht ein. Wir fanden hohe korrelative Zusammenhänge zwischen relativer PDE-Konzentration und der Plasmalipidkonzentration sowie dem EMCL/IMCL-Quotienten und der Plasmalipid- sowie -LDL-Konzentration und dem BMI. Für den fahrradergometrischen Leistungstest fanden wir moderate bis hohe negative korrelative Zusammenhänge zwischen relativer PDE-Konzentration in Ruhe und unter Belastung und den Parametern der absoluten und relativen Leistungsfähigkeit, der relativen Sauerstoffaufnahme sowie der Herzfrequenz und Laktatkonzentration an der individuellen anaeroben Schwelle. Durch die dargestellten Untersuchungen konnten wir den klinischen Phänotyp von Patienten mit familiärer partieller Lipodystrophie Typ Dunnigan-Köbberling weiter charakterisieren. Die kernspinspektroskopischen Untersuchungen und Korrelationsanalysen haben entscheidende Hinweise zu möglichen pathophysiologischen Mechanismen geliefert: 1\. Der genetische Defekt führt vermutlich direkt über Reduktion der PPAR-gamma-Aktivität und Down-Regulation des GLUT-4-Transporters zur Störung der insulinvermittelten Glukoseaufnahme, was die gestörte Belastungs- und Regenerationskinetik im Tomographen unabhängig von der Ausprägung des Krankheitsbildes und das Auftreten der Insulinresistenz vor den übrigen Stoffwechselveränderungen erklärt. 2\. Die erhöhten PDE- und IMCL-Konzentrationen spiegeln vermutlich Zwischenprodukte des Fettstoffwechsels bei gestörter Triglyceridsynthese bzw. beta-Oxidation wider. Diese intrazellulären Lipidablagerungen führen über eine Störung intrazellulärer Signalkaskaden, chronische Entzündungsreaktionen durch Radikalbildung sowie Störung der Mitochondrien- und Membranfunktionen zu den klinisch apparenten Stoffwechselpathologien, was als Lipotoxizität bezeichnet wird. Extrazellulär kommt es ebenfalls zur Akkumulation von Zwischenprodukten des Fettstoffwechsels, was die hohen EMCL-, Plasmalipid- und -LDL- Konzentrationen erklärt. Die Lipidakkumulation nimmt im Verlauf der Erkrankung zu und korreliert mit den klinischen Parametern. Genetisch bedingt kommt es bei der FPLD zu einer Störung der Adipozytendifferenzierung mit allmählicher Reduktion des subkutanen Fettgewebes. Die Stoffwechselveränderungen treten sekundär aufgrund des Verlustes der Speicherkapazität sowie der endokrinen und antiinflammatorischen Funktionen des Fettgewebes auf. Beim metabolischen Syndrom kommt der Organismus hyperalimentär bedingt an die Grenze der Speicherkapazität bzw. der Umsatzraten für Lipide. Die Auswirkungen auf den Fett- und Glukosestoffwechsel sind die gleichen wie bei der FPLD. Die Zellverfettung im Alter oder die medikamentös induzierte Lipoatrophie, z.B. bei HIV, unterliegen vermutlich den gleichen intrazellulär gestörten Signalkaskaden wie bei der FPLD. Die ähnlichen pathophysiologischen Mechanismen bei Erkrankungen unterschiedlicher Entitäten eröffnen neue therapeutische Strategien, die insbesondere an Schlüsselstellen des intrazellulären Lipidmetabolismus und der Lipidspeicherung ansetzen. Die Magnetresonanzspektroskopie stellt ein einzigartiges diagnostisches Verfahren dar, den Erfolg dieser Strategien zu verifizieren.

The familial partial lipodystrophy type Dunnigan-Köbberling (FPLD) is a rare genetic disease and represents due to similarity in the symptoms with the metabolic syndrome (syndrome X) a model for the understanding of the pathogenesis of hyperlipidemias, insulin-resistant diabetes and adipositas. Aim of the presented study was to further characterise the FPLD with studies about muscular metabolism and lipid tissue distribution as well as performance physiology to detect possible pathophysiological pathway on a molecular basis. We analysed 19 patients with the clinical phenotype of FPLD and 17 healthy male probands. In all patients a genetic screening for typical mutations for FPLD was performed. The analyses focusing on muscular metabolism and lipid tissue distribution of the leg musculature were performed for all probands with the use of magnetic resonance spectroscopy (MRS), a modern method to detect metabolic conditions and differences in the (working) muscle continuously and non-invasively. The ratio of metabolites of the energetic metabolism (phosphocreatine, beta-ATP, anorganic phosphate as well as phosphomono- and phosphodiester) were detected phosphospectroscopically (31P- MRS), and the intra- and extracellular lipid tissue distribution with 1H-MRS. In addition 31P-spectra were acquired in a tomograph under load of the gastrocnemius muscle and during the recovery phase. The aerobic-alacticide metabolism was detected in a 5-min-test with moderate load, the anaerobic- lacticide with incrementally increased load up to the individual maximum load. The physical working capacity was detected by bicycle ergometry. The spectroscopic results were tested for correlations with physiologic performance and clinical parameters. In 17 patients a mutation in LMNA- or PPAR-gamma-gene was found as the cause for FPLD. 31P-MRS results showed a significantly higher concentration of phosphodiester (PDE) in FPLD-patients than in the healthy probands. In addition, the patients had constant quotients of phophocreatine and PDE during the entire exercise test in the tomograph, whereas in probands a decrease of these parameters during the exercise and increase during recovery phase could be seen. During the maximum load test a small decrease of intracellular ph-values and a delayed regeneration of the phosphocreatine pool could be observed. Significantly higher concentrations of intra- (IMCL) as well as extramyocellular (EMCL) lipids could be found in FPLD-patients in comparison to probands. The EMCL/IMCL ratio was significantly higher as well. In the bicycle ergometry the FPLD-patients showed a by 23% reduced aerobic capacity with normal absolute and relative performance. The anaerobic capacity was in a high normal level. The individual anaerobic threshold (aerobic-anaerobic) was reached early in the patients at 40% of maximal performance. We found a high correlation between relative PDE- concentrations and plasmalipide-concentration as well as EMCL/İMCL-quotients and the plasmalipide- as well as –LDL-concentration and the BMI. For the physical working capacity test we found a moderate to high negative correlation between relative PDE-concentrations at rest and during exercise and the parameters of the absolute and relative performance, relative oxygen absorption as well as heart rate and lactate concentration at each individual anaerobic threshold. We could characterise the clinical phenotype of patients with familial partial lipodystrophy type Dunnigan-Köbberling. The MRS analyses and correlation analyses provided important information for the pathophysiologic mechanisms: 1\. The genetic defect probably led to interference of the glucose absorption directly by reduction of PPAR-gamma- activity and down-regulation of GLUT-4-transporter. This explains the disturbed exercise- and regeneration kinetics in the tomograph independent from the progress of the disease and the appearance of insulin resistance prior to the other metabolic disorders. 2\. The high PDE- and IMCL- concentrations probably represent pre-products of the lipid metabolism in disturbed triglyceride syntheses or beta-oxidation. These intracellular lipid droplets lead to the clinical apparent metabolic pathologies via malfunction of the intracellular signal cascade, chronic inflammation due to free radicals as well as malfunction of the mitochondrial and membrane function, which are summarized as lipotoxicity. Extracellular an accumulation of pre-products of the lipid metabolism could be seen, which explains the high concentration of EMCL, plasma lipids and LDL. The accumulation of lipid increases during the progress of the disease and correlates with the clinical parameters. Genetically the FPLD leads to a disturbance of differentiation of adipocytes with reduction of subcutaneous tissue. The metabolic changes appear due to a loss of accumulation as well as endocrine and anti-inflammatory functions of the fat tissue. In the metabolic syndrome the organism reaches hyperalimentarly the limit of storage capacity and metabolic rate for lipids. Consequences on the lipid and glucose metabolism are the same as for the FPLD. The fatty degeneration of cells in older patients as well as the lipoatrophy, e.g. in HIV, are based on the same intracellular cascades as in FPLD. Similar pathophysiological mechanisms in diseases of different entities may lead to new therapeutic strategies, which might have an effect on intracellular lipid metabolism and lipid accumulation. The MRS represents a powerful diagnostic tool to detect the efficiency of these strategies.