Detailliertes Bild des Kraft- und Nährstoffverbrauchs des Herzens publiziert

Was treibt das schlagende Herz an? Eine aktuelle Studie zeigt, welche Nähr- und Brennstoffe von normalen und insuffizienten Herzen verwendet werden.

Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Perelman School of Medicine an der University of Pennsylvania hat ein detailliertes Bild des Kraftstoff- und Nährstoffverbrauchs des menschlichen Herzens erstellt. Die Studie, die vergangene Woche in “Science” veröffentlicht wurde, war die erste ihrer Art, bei der Dutzenden von menschlichen Teilnehmern gleichzeitig Blut aus verschiedenen Teilen des Kreislaufsystems entnommen wurde, um die Spiegel verwandter Moleküle aufzuzeichnen, die in das schlagende Herz ein- bzw. austreten.

Die resultierenden Daten haben Schlüsselmerkmale des Kraftstoffverbrauchs sowohl im normalen Herzen als auch im Herzversagen aufgedeckt und damit ein neues Rahmenwerk für die Untersuchung des Herzens in Bezug auf Gesundheit und Krankheit geschaffen.

“Auf dieser Detailebene zu verstehen, wie das Herz mit Kraftstoff und Nährstoffen umgeht, sollte die Entwicklung zukünftiger Behandlungen für Herzinsuffizienz und verwandte Erkrankungen beeinflussen”, sagte der leitende Autor der Studie, Dr. Zoltan Arany, Professor für Medizin und Direktor des Programms für den kardiovaskulären Stoffwechsel bei Penn Medicine. “Jetzt, da wir ein klares Bild davon haben, wie sich das Herz befeuert, können wir uns überlegen, wie wir den Herzstoffwechsel bei Herzinsuffizienz verbessern können.”

Für die Studie nahmen Arany und sein Team bei 87 Probanden gleichzeitig Proben von Blut, das in das Herz ein- und aus dem Herzen austritt – Männer und Frauen, die sich bereits einem Verfahren zur Behandlung des Vorhofflimmern unterzogen, aber keine Herzinsuffizienz hatten. Die Forscher führten eine ähnliche Probenahme bei 23 Patienten mit Vorhofflimmern durch, die eine Herzinsuffizienz hatten. Bei allen Patienten nahmen die Forscher zum Vergleich auch Proben von Blut, das in das Bein hinein- und hinausfließt.

Das Team verwendete dann modernste Instrumente, um die Konzentrationen von Hunderten verschiedener Metaboliten in den Blutproben zu quantifizieren. Das Hauptziel war es, im Detail aufzudecken, welche Metaboliten das arbeitende Herz im Gleichgewicht verbraucht und welche es als Nebenprodukte liefert.

Die Analyse war vor allem wichtig, um ein erstes klares und detailliertes Bild der normalen Aufnahme und Freisetzung von Metaboliten im Herzen zu erhalten – eine Momentaufnahme, die zukünftige Studien erweitern können.

Insgesamt entdeckten die Forscher 277 Metaboliten zuverlässig im Blut menschlicher Teilnehmer und stellten fest, dass sich bei 65 von diesen die aus dem Herzen kommenden Konzentrationen signifikant von den eingehenden Konzentrationen unterschieden.

Das Herz habe hauptsächlich Fettsäuren und unerwarteterweise wenig Glukose verbraucht, heißt es im Abstract. Es habe Glutamin und andere stickstoffreiche Aminosäuren sekretiert, was auf einen aktiven Proteinabbau hinweise, mit einer Geschwindigkeit, die ~ 10-mal so hoch ist wie die des Beins. Zudem habe es Zwischenprodukte des Citratzyklus freigesetzt, was die Anaplerose aus dem Aminosäureabbau ausgleiche. Sowohl Herz als auch Bein hätten Ketone, Glutamat und Acetat in direkter Proportionalität zu den zirkulierenden Spiegeln verbraucht, was darauf hinweise, dass die Verfügbarkeit ein Schlüsselfaktor für den Verbrauch dieser Substrate ist.

Das insuffiziente Herz habe mehr Ketone und Laktat verbraucht und höhere Proteolyse-Raten gezeigt, so die Autoren. Diese Daten lieferten ein umfassendes und quantitatives Bild des Verbrauchs an Brennstoff im menschlichem Herzen, bilanzieren sie.

“Ob dieser erhöhte Proteinabbau bei Herzinsuffizienz adaptiv oder maladaptiv ist, erfordert weitere Studien”, sagte Arany. “Die nächsten Schritte erfordern strenge Tests dieser und anderer ähnlicher Fragen in Modellorganismen. Danach können wir mit einem viel tieferen Verständnis und neuen Erkenntnissen zur Verbesserung der Herzfunktion bei Herzinsuffizienz zu Studien am Menschen zurückkehren.”

Publikation: Murashige D et al. Science 16 Oct 2020:Vol. 370, Issue 6514, pp. 364-368; DOI: 10.1126/science.abc8861; Comprehensive quantification of fuel use by the failing and nonfailing human heart. https://science.sciencemag.org/content/370/6514/364