High-resolution respirometry for measurement of mitochondrial function in PAD patients before and after revascularisation: a pilot study

Abstract

Introduction: Peripheral arterial disease (PAD) is characterized by hemodynamically relevant atherosclerotic lesions with subsequent low blood supply to affected muscle regions. Patients who are suffering from symptomatic PAD report a pain induced by walking in affected muscles with relief of symptoms after resting. This repeating ischemia-reperfusion situation leads to histomorphological and metabolic changes in affected muscle regions. Mitochondria are known to play a crucial role in this pathophysiological mechanism. The aim of this study is the evaluation of mitochondrial content and function in affected muscles of symptomatic PAD patients and the potential of mitochondrial regeneration six weeks after successful revascularisation. Methods: Ten patients suffering from PAD grade IIB – IV with isolated pathologies of the superficial femoral artery with planned revascularisation have been recruited into the study group. Ten participants known to be vascularly healthy have been included into the control group. Muscle biopsies of the medial belly of the gastrocnemius muscle have been obtained just before and six weeks after successful revascularisation in the study group, whereas within the control group biopsies have been taken at one instance. High- resolution respirometry has been performed to evaluate mitochondrial respiration and citrate synthase activity (CSA) has been measured to determine mitochondrial content. By correlation of values from high-resolution respirometry to values from CSA, mitochondrial function has been investigated. Results: Demographic data of the study group and the control group showed no statistically significant difference. CSA measurements in the study group showed a statistically significant increase of mitochondrial content after successful revascularisation coming close to those of healthy control subjects. Complex I- and complex I+II-related respiration normalized to CSA showed a statistically significant reduction of mitochondrial function six weeks after successful revascularisation compared to preoperative values. These results show increasing correspondence with the results of healthy control subjects. Conclusion: This study showed that mitochondria in PAD patients are reduced in number but they compensate with increased function ability. After successful revascularisation, mitochondrial content and function approach that of healthy control subjects. Demonstrating a regeneration of initially impaired mitochondria. High-resolution respirometry in combination with measurement of CSA seems therefore useful for determining mitochondrial impairments and may be used for investigating pathophysiology of PAD related myopathy.

Einleitung: Bei der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (pAVK) kommt es in Folge von hämodynamisch relevanten atherosklerotisch bedingten Stenosen oder Verschlüssen zu einer Minderversorgung von betroffenen Muskelabschnitten mit Sauerstoff. Als Symptomatik berichten Patienten über belastungsabhängige Schmerzen in den betroffenen Muskeln, welche sich nach einer Ruhepause bessern. Diese sich immer wiederholende Ischämie-Reperfusions-Situation führt zu histomorphologischen und metabolischen Veränderungen des betroffenen Muskels und Mitochondrien spielen bei diesem Mechanismus eine entscheidende Rolle. Ziel der Studie ist es, den Mitochondriengehalt sowie die Mitochondrienfunktion in betroffenen Muskelabschnitten von pAVK Patienten sowie die Regenerationsfähigkeit nach erfolgreicher Revaskularisation von Mitochondrien zu untersuchen. Methodik: Es wurden 10 Patienten im Stadium IIB – IV einer pAVK, mit isolierten Pathologien der Arteria femoralis superficialis sowie geplanter Revaskularisation in die Studiengruppe und 10 gesunde Probanden in die Kontrollgruppe eingeschlossen. Muskelbiospien wurden aus dem Musculus gastrocnemius entnommen, in der Studiengruppe unmittelbar vor sowie 6 Wochen nach erfolgreicher Revaskularisation, in der Kontrollgruppe erfolgte die Probenentnahme einmalig. Zur Beurteilung des Mitochondriengehaltes erfolgte die Messung der Citrat-Synthase Aktivität (CSA), die mitochondriale Respiration wurde anhand von hochauflösender Respirometrie bestimmt. Durch Korrelation der Werte der Respiration auf die Werte der CSA Messung erfolgte die Bestimmung der Mitochondrienfunktion. Ergebnisse: Die demographischen Daten der Patienten der Studiengruppe und der Probanden der Kontrollgruppe zeigten keine statistisch signifikanten Unterschiede. Bei der Bestimmung der CSA zeigte sich nach erfolgreicher Revaskularisation ein signifikanter Anstieg der Werte wobei dies einer Adaptierung an die Werte der Kontrollgruppe entsprach. Bei der Komplex I und Komplex I+II abhängigen Respiration normalisiert auf die CSA zeigte sich vor Revaskularisation eine signifikant erhöhte Mitochondrienfunktion mit postoperativer Angleichung der Werte an die Kontrollgruppe. Schlussfolgerung: Es konnte gezeigt werden, dass es in betroffenen Muskelabschnitten von pAVK Patienten zu einer Reduktion der Mitochondrienzahl und einer kompensatorischen Zunahme der Mitochondrienfunktion kommt. Nach erfolgreicher Revaskularisation zeigte sich mit der Zunahme der Mitochondrienzahl und der Abnahme der Mitochondrienfunktion eine Angleichung an die untersuchten gesunden Probanden und somit konnte eine Regerationsfähigkeit der Mitochondrien nachgewiesen werden. Die hochauflösende Respirometrie in Kombination mit der Bestimmung der CSA bieten somit eine gute Möglichkeit zur Untersuchung von mitochondrialen Veränderungen bei pAVK Patienten und ermöglichen ein besseres Verständnis der pathophysiologischen Veränderungen der mit dieser Erkrankung verbundenen Myopathie.