Nová role a renesance rozvětvených aminokyselin v intenzivní péči

Overview

Rozvětvené aminokyseliny valin, leucin, izoleucin patří mezi esenciální nutrienty, které mají větší než jen nutriční význam. Jsou důležitými mediátory a stavebními složkami v proteosyntéze, regulují hormonální funkce. Leucin je prekurzorem v syntéze cholesterolu a touto cestou hraje důležitou úlohu ve výstavbě svalové tkáně a při potlačení sarkopenie. V krátkém přehledu jsou demonstrovány starší i nová data opravňující širší využití rozvětvených aminokyselin, zejména v intenzivní péči.

Klíčová slova:
rozvětvené aminokyseliny – valin – leucin – izoleucin – sarkopenie – katabolismus – beta-hydroxy-beta-methyl-butyrát – kritické stavy

Úvod

Závažný katabolismus a proteino-energetická malnutrice je velmi častým projevem kritických pacientů na jednotce intenzivní péče [1]. Diagnostická hranice mezi proteino-energetickou malnutricí a proteinovou malnutricí (kwashiorkorovým typem) je sice neostrá, ale klinicky negativní důsledky obou typů jsou nepochybné a role esenciálních aminokyselin je zřetelná.

Přes určitý kritický přístup v minulosti se jeví rozvětvené aminokyseliny valin, leucin a izoleucin (VLI) velmi důležitým faktorem nejen jako esenciální substrát pro syntézu tělesných proteinů, ale také jako farmakonutrient, který zasahuje do několika metabolických směrů jak v oblasti syntézy a katabolismu bílkovin, tak do regulace lipidomu (syntéza cholesterolu a jeho prekurzorů). V oblasti syntézy a katabolismu proteinů se uplatňují rozvětvené aminokyseliny, zejména v proteosyntéze ve svalové tkáni, kde působí při přenosu aminoskupiny, vzniku alfa-ketoglutarátu a při tvorbě glutamátu a rozvětvených ketokyselin [2]. V tomto bodě se působení rozvětvených aminokyselin cestou glutamátu podílí na syntéze glutaminu, který je významnou součástí svalové bílkoviny [3, 4]. Transaminace postupuje dále, když za přítomnosti pyruvátu je enzymaticky aminoskupina poskytnuta rozvětvenými aminokyselinami k vytváření alaninu. Metabolismus VLI a ketokyselin je uveden na obrázku 1.

Oxidace tří rozvětvených aminokyselin (leucin, izoleucin a valin) se liší v základních energetických reakcích. Uhlíkový skelet každé z těchto aminokyselin sleduje specifickou metabolickou cestu, v níž leucin je výhradně ketogenický, izoleucin je ketogenický i glukogenický, zatímco valin směřuje pouze do glukoneogeneze. První krok oxidace rozvětvených aminokyselin VLI je vyjmutí aminoskupiny transaminací specifickými transaminázami (aminotransferázami). Leucin specifické transaminázy jsou rozdílné pro játra a mozek (izoenzym II a III), izoenzym I je obsažen ve všech tkáních. Zatímco izoenzym I a III zajišťuje transaminaci všech tří rozvětvených aminokyselin, izoenzym II je specifický pro leucin. Izoenzym II (leucin aminotransferáza) je v největší míře obsažen ve svalových buňkách a podílí se částečně na syntéze cholesterolu, který je nutný pro výstavbu membrány svalové buňky. Transaminace l-leucinu, l-izoleucinu a l-valinu vede ke vzniku kyseliny alfa-ketoizokapronové, alfa-keto-beta--metylvalerové a alfa-ketoizovalerové, jak je patrné z metabolismu těchto aminokyselin uvedených na obrázku 2. Schopnost tkání oxidovat rozvětvené aminokyseliny, zejména leucin, je v různých tkáních velmi odlišný.

Jako hlavní místo degradace rozvětvených aminokyselin VLI jsou pokládána játra [5]. Zvláštní roli však v metabolismu VLI zaujímá svalstvo, a to jak z hlediska proteinového katabolismu, tak i z hlediska syntézy proteinů. Rozvětvené aminokyseliny slouží jako nespecifický substrát pro oxidaci a zejména jsou metabolitem určeným pro získání energie ve svalu, ale také pro svalovou proteosyntézu. Z tohoto hlediska Nieler a Holden [6] prokazují, že podstatná část aminokyselin VLI je oxidována extrahepaticky. Oxidace rozvětvených aminokyselin v bráničním svalu odpovídá pro izoleucin přibližně 60 % a valin 31 %. Svalová hmota, která zaujímá přes 40 % tělesné hmotnosti je hlavním místem pro oxidaci leucinu a z tohoto hlediska je leucin a zřejmě i ostatní rozvětvené aminokyseliny významným zdrojem energie pro svalový stah. V katabolických stavech rozvětvené aminokyseliny velmi významně redukují hypermetabolismus, tlumí katabolismus svalové tkáně a zvyšují proteosyntézu ve svalstvu. Navíc v rámci celotělové energetické rovnováhy jsou VLI konvertovány do alternativních energetických zdrojů, jako jsou ketolátky a glutamin (viz obr. 1) [7, 8].

Obecně z klinického hlediska, zejména u těžce katabolických, polytraumatizovaných a septických pacientů jsou prokázány následující příznivé účinky VLI v aminoroztocích pro parenterální výživu [4]:

1. Zlepšení dusíkové rovnováhy a retence proteinového dusíku.
2. Stimulace proteosyntézy.
3. Zlepšení bilance viscerálního proteinu ve smyslu převažující proteosyntézy a snížení proteinového katabolismu.
4. V důsledku zlepšení proteosyntézy posílení imunitních funkcí.
5. Normalizace plazmatického aminogramu.

Glutamin a metabolismus rozvětvených aminokyselin

Glutamin a alanin mají velmi důležitou roli v kritických stavech, kdy syntéza těchto aminokyselin je mimořádně stimulována a hraje důležitou roli pro energetickou rovnováhu organismu [4, 9]. Navíc glutamin je naprosto nezbytný pro tvorbu bílkovin a proliferaci buněk v aktivních tkáních, jako je střevo a kostní dřeň. Glutamin je rovněž důležitým pilířem v udržení acidobazické rovnováhy a umožňuje přenos energie mezi orgány. Alanin je mimo jiné důležitým prekurzorem v procesu glukoneogeneze v katabolickém stavu a při rozvoji systémové zánětlivé reakce. Je zřejmé, že v průběhu proteinového katabolismu a především při proteolýze v kosterním svalu se uvolňuje velké množství rozvětvených aminokyselin VLI, které jsou nepostradatelné pro syntézu glutaminu a alaninu. Provázání metabolických vztahů mezi rozvětvenými aminokyselinami – valinem, leucinem a izoleucinem na jedné straně a vznikem glutaminu a alaninu je prezentováno na obrázku 1. Zmíněné schéma zároveň ukazuje mechanismus, jakým je fixován NH₃ při jaterní insuficienci [10].

Metabolická odezva na stres je charakterizována významným poklesem syntézy proteinů a zvýšeným proteinovým katabolismem s celkově negativní dusíkovou bilancí.

Vliv VLI na aminogram a syntézu albuminu

Dostupnost VLI ve výživě ovlivňuje dysbalanci aminogramů a zároveň je důležitým regulátorem syntézy plazmatických proteinů, především albuminu. Aminokyseliny VLI mají schopnost spustit proteosyntézu v různých buňkách, především však v hepatocytu; klíčovou molekulou pro tento děj je mTOR (mammalian target of rapamycin). Aktivovaný mTOR spouští proteosyntézu albuminu za spoluúčasti inzulinu a stimuluje zejména proteosyntézu ve svalu a v játrech. Leucin podporuje syntézu proteinů přinejmenším dvěma signálními cestami, rapamycin senzitivní cestou a další, ne zcela objasněnou cestou stimulující proteosyntézu především ve svalové tkáni. Nejnověji bylo prokázáno, že silný vliv na syntézu nejen albuminu, ale také dalších proteinů jako transferinu, má leucin cestou stimulace a inhibice mTOR [11].

Schopnost stimulovat proteosyntézu mediátorovou cestou má z VLI v největší míře leucin, ale lehký stimulační účinek byl pozorován i u izoleucinu a valinu [12].

Potřeba aminokyselin je nejvyšší u pacientů s výrazným stresem (polytrauma, sepse, rozsáhlý chirurgický výkon, ozáření). Vzhledem k tomu, že těžký katabolismus proteinů je současně spojen s imunosupresí, je velmi důležitá syntéza glutaminu a alaninu, které jsou vytvořeny transaminací uhlíkového skeletu s aminoskupinami z rozvětvených aminokyselin valinu, leucinu a izoleucinu. Tyto rozvětvené aminokyseliny jsou při stresové zátěži ireverzibilně degradovány a v tomto procesu nemohou být znovu utilizovány pro nezbytnou proteosyntézu. Je též dobře známo, že degradace svalového proteinu je řízená prozánětlivými mediátory – cytokiny.

Vedle regulačního účinku rozvětvených aminokyselin VLI, zejména v potlačení sarkopenie a při proteosyntéze svalových bílkovin, má význam suplementace leucinu na sekreci prolaktinu a inzulinu. Rozvětvené aminokyseliny jsou zcela nepostradatelné v katabolismu a při hladovění u pacientů s diabetem, kdy oxidace glukózy je potlačena. Během hladovění mají rozvětvené aminokyseliny i mediátorový účinek na uvolnění alaninu a glutaminu jako hlavních prekurzorů pro glukogenezi v játrech a ledvinách. Předpokládá se, že pyruvát je nevhodný akceptor aminoskupiny, a proto jej zastupuje alfaketoglutarát.

Schopnost tkání oxidovat rozvětvené aminokyseliny, zejména leucin, se velmi liší. Potenciál pro oxidaci aminokyselin VLI a především leucinu postupuje v řadě: ledviny > mozek > tuková tkáň > sval > játra [4].

Význam VLI pro pozitivní proteinovou bilanci a potlačení sarkopenie

Preference mastných kyselin svalovou buňkou k získání energetické rovnováhy a významná anapleróza využívající ketolátky má za následek lepší utilizaci tuku a úsporu VLI pro syntézu bílkovin. Toto je jeden z více mechanismů, který je zaměřen na ochranu svalové hmoty v průběhu různých akutních i chronických onemocnění a v průběhu stárnutí. Schopnost leucinu stimulovat syntézu svalové bílkoviny se však s postupujícím věkem výrazně snižuje, přinejmenším klesá schopnost leucinu stimulovat mTOR metabolický mechanismus. Tento mechanismus vede k závěru, že dieta bohatá na leucin může stimulovat syntézu svalového proteinu a pomáhá zachovat svalovou hmotu v katabolismu a ve stáří. Zejména v poslední době je tento mechanismus zdůrazňován v boji proti sarkopenii ve stáří a kritických stavech [3, 13, 14].

Podávání rozvětvených aminokyselin VLI na noc má příznivý význam nejen na zlepšení poruch centrálního nervového systému, ale zároveň snížený odpad trimetylhistidinu v nočním období, jasně svědčí o potlačení katabolismu a zpomalení procesu sarkopenie. Recentní studie tak ukazují zlepšení klinické situace, zejména u malnutričních pacientů s poruchou proteosyntézy. Role rozvětvených aminokyselin VLI stoupá, zejména u osob se sníženou tolerancí proteinů při jaterním selhání v kombinaci s malnutricí a katabolickým stavem.

Metabolismus VLI a lipidů v katabolickém stavu

Sepse je dobře známá příčina katabolismu proteinů a aminogram v sepsi se pravidelně vyznačuje deplecí VLI. Podání endotoxinu v experimentu vytvoří septický obraz včetně poklesu koncentrací aminokyselin v plazmě s výraznou deplecí leucinu. V experimentu aktivace imunitního systému antigeny, které pocházejí z bakterií, virů a sójového proteinu, mají negativní vliv na proteosyntézu a růst tkání, avšak zvyšují tělesné zásoby tuku. Tento obraz se podobá situaci při nízkoproteinové dietě. Podobně je dobře známý mechanismus, kdy při nízkobílkovinné dietě dochází ke zvýšené akumulaci tělesného tuku a tato situace může být obrácena zvýšeným přívodem biologicky hodnotného proteinu. Tímto způsobem reaguje organismus také při nádorové kachexii a při urémii, kde dochází k významnému zvýšení oxidace VLI, poklesu rozvětvených aminokyselin v aminogramu a k rychlému úbytku svalové hmoty. Zvýšená stimulace tyreoidálními hormony podporuje proteosyntézu v játrech, ale potlačuje tvorbu bílkovin ve svalové tkáni. Potlačení oxidace VLI patří mezi významné faktory zlepšující proteosyntézu a regeneraci tkání. Z hlediska energetické rovnováhy hrají zvláštní a důležitou úlohu triacylglyceroly se středním řetězcem (MCT). Představují substrát, který zvyšuje oxidaci leucinu, tím jeho spotřebu, a snižuje dostupnost leucinu pro syntézu bílkovin. Z klinického hlediska proto MCT v kombinaci se sacharidy selhávají v prevenci kardiomyopatie, rabdomyolýzy, svalové slabosti a sarkopenie.

Nutriční a farmakologická role leucinu, jeho metabolitů HMB (beta-hydroxy- -beta-methyl-butyrátu) v ovlivnění lipidomu a potlačení sarkopenie

Leucin je významným prekurzorem, který zasahuje do syntézy cholesterolu. Role leucinu se uplatňuje zejména při syntéze a metabolismu beta-hydroxy-beta-methyl-butyrátu (HMB), kterému se přičítá významný imunomodulační účinek a také zásadní úloha v tvorbě svalové tkáně. U osob podrobených svalovému tréninku suplementace HMB vedla ke zvýšení svalové hmoty o 50 % s podobným zvýšením svalové síly ve srovnání s kontrolní skupinou. Vedle příznivého účinku na vzestup svalové hmoty bylo pozorováno snížení svalového poškození při spojení s intenzivním cvičením. Efekt je vysvětlován vzestupem syntézy hydroxy-metyl-butyryl-koenzymu-A vlivem HMB jako prekurzoru. Zvýšená tvorba HMB z leucinu zvyšuje syntézu cholesterolu ve svalové tkáni, která je nezbytným předpokladem pro tvorby myocytů a jejich buněčných membrán. HMB vzniká výhradně z leucinu a je nezbytným prekurzorem cholesterolu pro strukturu a správnou funkci myocytů [2]. Model účinku leucinu a jeho metabolitu hydroxy-methyl-butyrátu znázorňuje obrázek 3.

Leucin tímto způsobem významně zasahuje do struktury a funkce lipidomu, je obligatorním metabolitem lipidového metabolismu a je pravděpodobně i klíčem, jakými inhibitory syntézy cholesterolu mohou působit toxicky na příčně pruhovaný sval a být zdrojem poruch od minimální svalové léze až po rabdomyolýzu.

VLI a jaterní funkce

Použití VLI u jaterního selhání a dekompenzované jaterní cirhózy sice prodělalo několik vln kritiky, ale dnes se názor na použití VLI v parenterální i enterální výživě poměrně ustálil. Etiopatogeneze jaterního selhání je široká a složitá. Jaterní selhání zaujímá různé typy toxického poškození jater akutního charakteru, důsledky akutního i chronického postižení jaterního parenchymu v průběhu hepatitid a konečně metabolické a klinické důsledky omezení jaterních funkcí při cirhóze jater a její dekompenzaci [15].

Na celkovém obrazu jaterní cirhózy, která se klinicky manifestuje rozvojem portokavální encefalopatie, se podílí celá skupina vlivů.

Klíčovou roli v patogeneze portokavální encefalopatie sehrává hyperamonémie. Amonný iont vznikající výhradně v průběhu intracerebrální syntézy glutaminu má za následek poškození astrocytů a gangliových buněk CNS. Poškození mozkových buněk je způsobeno přímo nebo nepřímo (excitotoxicky) a energetickým deficitem [10]. Dalším mechanismem je porucha aminogramu. S tím souvisí glutamát-ergický a GABA-ergický přenos nervového vzruchu [17].

V současné době se pokládá za odůvodněné podání VLI v parenterální výživě i v enterální výživě v situacích jaterního selhání, které se vyvíjí do portokavální encefalopatie. Podobně je podání VLI indikováno jako léčba již vzniklé encefalopatie při akutním poškození jaterního parenchymu i při dekompenzaci jaterní cirhózy. Podání přípravků VLI je zdůvodněno v doporučeních Evropské společnosti parenterální a enterální výživy a je klasifikováno stupněm doporučení „A“ [17].

Použití VLI po transplantaci kostní dřeně

Částečná parenterální výživa v časném posttransplantačním období a úplná parenterální výživa neprokázala celkově při standardním použití zlepšení nutričního stavu. Výjimku tvoří speciální parenterální výživy obohacené VLI, kde byl výsledek lepší, než u standardní parenterální výživy [18].

Rozvětvené aminokyseliny VLI u operačního a popáleninového traumatu

Rozvětvené aminokyseliny jsou oxidovány převážně v periferních tkáních, zejména ve svalové tkáni, více než v játrech. Valin, leucin a izoleucin vychytaný v kosterním svalstvu představují primárně přenos dusíku cestou transaminace pro tvorbu glutaminu a alaninu. Spotřeba glutaminu hraje zásadní úlohu u stresovaných jedinců a alanin je důležitý jako zdroj energie pro glukoneogenezi v játrech, zvláště tehdy, když jsou po traumatu zásoby glykogenu v játrech vyčerpány. Oxidace ketokyselin značí, že lidský kosterní sval zásobují VLI jak energií, tak dusíkem. V reakci na těžké popáleninové trauma je transfer dusíku do glutaminu a alaninu klíčovým dějem spíše než pouhá tvorba energie. Vzhledem k tomu, že experimentální studie i klinické studie jsou v některém ohledu rozporné, je nutné doplnit tato data před definitivním závěrem o účinku VLI v léčbě popáleninového traumatu [19, 20].

Závěr

Nejnovější studie věnované roli VLI, zejména však leucinu v parenterální i enterální výživě u závažných a kritických stavů vedou evidentně k revizi přístupu v jejich použití. V metaanalýze provedené ESPEN v roce 2009 sice podávání VLI zlepšilo stav vědomí u nemocných s hepatálním selháním, avšak neovlivnilo celkovou mortalitu tohoto typu nemocných. To vedlo k dočasnému odklonu od VLI. Ani tomuto bodu však není dosud jasný závěr a je nutné jej revidovat. Podávání aminokyselin VLI při portokavální encefalopatii tak jednoznačně zůstává podle směrnic ESPEN jako doporučení stupně A [17].

Zcela nová a mimořádně důležitá situace se však objevila v poslední době, pokud jde o užitečnost aminokyselin VLI při potlačení sarkopenie v kritickém stavu, polytraumatu, při nádorové kachexii a při sepsi. Leucin jako prekurzor beta-hydroxy-beta-methyl-butyrátu se jeví významným metabolicko-nutričním faktorem nezbytným k udržení energetické rovnováhy i svalové hmoty a imunitní odpovědi (viz obr. 3), takže je důležitým faktorem při zvládnutí katabolického stavu kritického pacienta.

Jedním z důvodů pro intenzivní katabolismus proteinů ve stresovém stavu a infekci je vystupňovaná imunitní aktivita, která je závislá na dostatečném přívodu glutaminu a alaninu. Jejich produkce vyžaduje přenos aminoskupiny z aminokyselin VLI, které jsou pro tento účel nevratně katabolizovány, nemohou být reutilizovány pro výstavbu svalů a musí být nahrazeny jinou cestou.

Rozvětvené aminokyseliny VLI významným způsobem snižují riziko progrese toxické jaterní léze různé etiologie, předcházejí jaternímu selhání a snižují tím mortalitu.

Role VLI, především leucinu, se jeví jako nepostradatelná v tvorbě ketolátek (leucin, izoleucin) a glukózy v procesu glukoneogeneze (izoleucin, valin) – viz obr. 1. Vedle toho ovlivnění tryptofan-niacinové cesty a regulační efekt na působení inzulinu a prolaktinu demonstruje i metabolickou důležitost VLI, především leucinu.

Renesance použití a případně vývoj nových formulí rozvětvených aminokyselin se jeví jako nezbytné.

Práce byla podpořena projektem (Ministerstva zdravotnictví) koncepčního rozvoje výzkumné organizace „00179906“ a grantem Ministerstva průmyslu a obchodu FR-TI3/496.

Do redakce došlo 4. 5. 2012.

Do tisku přijato 30. 6. 2012.

Adresa pro korespondenci:

Prof. MUDr. Zdeněk Zadák, CSc.

Centrum pro výzkum a vývoj FN

Sokolská tř. 581

500 05 Hradec Králové

e-mail: zadak@fnhk.cz