Mechanisms of the 3- hydroxyl-3-methylglutaryl-coenzyme a reductase inhibitor- induced myotoxicity in human skeletal muscle cell cultures

Mechanismus der durch 3- Hydroxyl-3-Methylglutaryl-coenzyme a reduktase inhibitor verursachten Myotoxizitat in Kulturen menschliche Skelettmuskelzelle

  • Die Hydroxymethylglutaryl-CoenzymA-(HMG-CoA)-Reduktaseinhibitoren Simvastatin, Lovastatin, Atorvastatin, Pravastatin, Fluvastatin und Pitavastatin wurden im Hinblick auf ihre Wirkungen auf humane Skelettmuskelzellen untersucht. Wir waren in der Lage zu zeigen, dass Statine oxidativen Stress (Dichlorofluoresceindiacetat, Glutathion-Depletierung, Thiobarbitursäure-reaktive Substanzen), Apoptose (mitochondriales Membranpotential DeltaPsim, Caspase-3, Kernmorphologie) und Nekrose (Laktatdehydrogenase (LDH)-Verlust) in humanen Skelettmuskelzellen auslösen können. Die Abfolge der zellulären Ereignisse nach Inkubation mit Statinen begann mit erhöhter Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) (30 Min.), gefolgt von Caspase-3-Aktivierung (2-4 Std.) und Nekrose (LDH -Verlust) und kondensierten und fragmentierten Kernen nach 24-72 Std. Es konnte gezeigt werden, dass Antioxidantien (N-Acetylcystein, Dithiothreitol, DL-8-Tocopherol-polyethylenglykol-1000-succinat, die Fluvastatin-Metabolite M1 und M3) und die von im Signalweg der HMG-Co A-Reduktase abwärts gelegenen Enzymen gebildeten Metabolite (Mevalonsäure, Farnesol, Farnesylpyrophosphat, Geranylgeraniol und Geranylgeraniolpyrophosphat) eine Schutzwirkung gegen die statin-induzierte ROS-Bildung, Caspase-3-Aktivierung und teilweise auch gegen die beobachtete Nekrose haben. Der eingesetzte Caspase-3-Inhibitor schützt die Zellen ebenfalls partiell gegen Nekrose. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die statin-induzierte Nekrose ein HMG-Co A-Reduktase abhängiger Sekundärprozess der Apoptose ist, wobei Adenosintriphosphat (ATP)-Depletion das Gleichgewicht in Richtung der Nektrose verschieben kann. Die Erhöhung des ATP-Levels, die bei niedrigen Konzentrationen und frühen Zeitpunkten beobachtet wurde, ist ein Hinweis auf erhöhte glykolytische Aktivität. Dies wurde durch erhöhte Pyruvatdecarboxylase-Kinase-4(PDK-4) Genexpression und erhöhte Phosphofruktokinase2/Fruktose-2,6-bisphosphatase-Expression bestätigt, die beide eine erhöhte glykolytische Aktivität auslösen können. Die Konsequenz der PDK-4-vermittelten Pyruvatdehydrogenase-Inaktivierung ist die metabolische Umstellung der Energierquellen von Fettsäuren hin zu Aminosäuren aus dem Proteinabbau. Die Hypothese, dass oxidativer Stress beteiligt ist, wurde weiterhin durch die Induktion des Transkriptionsfaktors Forhead box O3A auf mRNA-Ebene untermauert, der an der Regulation der Mangan-Superoxiddismutase-2 beteiligt ist. Der Mechanismus, wie Statine ROS produzieren können, ist noch nicht geklärt. Es gibt indirekte Hinweise- sowohl aus unseren Experimenten als auch aus der Literatur –, dass unmittelbar nach Statin-Behandlung intrazelluläres Calcium mobilisiert wird, wodurch nach einer stattgefundenen mitochondrialer Aufnahme es zu erhöhter ROS-Bildung kommen könnte.
  • The HMG-CoA reductase inhibitors SIM, LOV, ATV, PRA, FV and NKS were investigated for their effects on human SkMCs. We were able to demonstrate that statins can induce oxidative stress (ROS formation, GSH-depletion, TBARS), apoptosis (, caspase-3 activity, nuclear morphology) and necrosis (LDH-leakage) in hSkMCs. After incubation with statins, the sequence of cellular events starts by the increased formation of ROS (30 min) followed by caspase-3 activation (2-4 hours) and necrosis (LDH-leakage) and formation of condensed and fragmented nuclei after 24-72 hours. It was shown that, antioxidants (NAC, DTT, TPGS, M-2 and M-3) and the HMG-CoA reductase downstream metabolites (MVA, F, FPP, GG and GGPP) protected against statin-induced ROS formation, caspase-3 activation and partially from necrosis. The caspase-3 inhibitor Ac-DEVD-CHO rescues cells partially from necrosis. These results suggest that the statin-induced necrosis is HMG-CoA dependent and occurs secondary to apoptosis, which by decrease of ATP is driven into necrosis. The increase of ATP observed at low concentrations and early time points suggest an increased glycolytic activity. This was confirmed by increased PDK-4 gene expression and increased PFK2/F-2,6-BPase expression both activator of glycolysis. Glycolysis was also confirmed for some statins by increased cellular lactate concentations. The consequence of PDK-4 mediated pyruvate dehydrogenase inactivation is the metabolic switching from fatty acid to amino acid from proteins as energy source. The oxidative stress hypothesis was further supported by the induction of the FOXO3A transcription factor, which is involved in regulating MnSOD-2 expression in the mitochondrium. The mechanism by which statins produce ROS is still not resolved. There is an indirect evidence from our experiments as well as from the literature, that immediately after the statin treatment, intracellular Ca2+ is mobilized due to HMG-CoA reductase inhibition, which after mitochondrial uptake could lead to increased ROS formation.

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Metadaten
Author:Léopold Ndountse Tchapda
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-18692
Advisor:Wolfgang E. Trommer
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2005
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2005/07/26
Tag:Apoptosis ; Nekrose ; Reaktive Sauerstoffspezies ; Rhabdomyolyse; Skelettmuskel ; Statine
ROS; apoptosis; necrosis; rhabdomyolysis; skeletal muscle cells; statin
GND-Keyword:Apoptosis ; Nekrose ; Reaktive Sauerstoffspezies ; Rhabdomyolyse; Skelettmuskel ; Statine
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften

$Rev: 12793 $