Empagliflozyna w kardiologii – mechanizmy działania i zastosowanie kliniczne

Empagliflozyna w kardiologii: co warto wiedzieć?

Empagliflozyna, inhibitor kotransportera sodowo-glukozowego 2 (SGLT2i), pierwotnie opracowana jako lek przeciwcukrzycowy, zyskuje coraz większe uznanie w kardiologii. Badania kliniczne, takie jak EMPA-REG OUTCOME, EMPRISE, EMPEROR-Reduced i EMPEROR-Preserved, wykazały istotną skuteczność empagliflozyny w poprawie wyników leczenia pacjentów z niewydolnością serca, niezależnie od współistniejącej cukrzycy. Najnowsze badania wskazują również na korzystne działanie empagliflozyny w fazie po zawale mięśnia sercowego oraz jej potencjał jako leku przeciwarytmicznego.

Empagliflozyna poprawia funkcję skurczową poprzez hamowanie aktywności inflammasomu, co jest szczególnie korzystne zarówno w niewydolności serca o etiologii niedokrwiennej, jak i nie-niedokrwiennej oraz w fazie po zawale mięśnia sercowego. Dodatkowo, efekt przeciwzapalny wzmacnia różne mechanizmy molekularne związane ze zwiększonym uwalnianiem tlenku azotu, zmniejszając stres oksydacyjny przy równoczesnym wzmocnieniu fosforylacji białek sarkomerycznych, co prowadzi do poprawy zdolności skurczowej miofibryli sercowych.

Jak empagliflozyna działa na poziomie molekularnym?

Choć korzyści kliniczne zostały udokumentowane, dokładne mechanizmy molekularne leżące u podstaw kardioprotekcyjnego działania empagliflozyny pozostawały dotąd nie w pełni wyjaśnione. Autorzy prezentowanego badania podjęli się kompleksowej analizy tego zagadnienia, stosując trójstopniowe podejście: meta-analizę badań klinicznych, eksperymenty in vitro na ludzkich kardiomiocytach oraz analizę porównawczą danych in silico.

Meta-analiza obejmująca 188 pacjentów z cukrzycą typu 2 (T2DM) wykazała, że SGLT2i znacząco zmniejszają poziom biomarkerów stanu zapalnego. Leczenie SGLT2i wiązało się z 47-procentową redukcją ryzyka wzrostu poziomu markerów zapalnych w osoczu. “Nasze badanie wykazało istotne zmniejszenie poziomów CRP i IL-6 u pacjentów leczonych, ze średnimi zmianami wynoszącymi odpowiednio −0,49 i −0,59” – piszą autorzy. Również poziom TNF-α uległ obniżeniu. Te wyniki jednoznacznie wskazują na korelację między stosowaniem SGLT2i a redukcją krążących markerów zapalnych u pacjentów z T2DM.

W badaniach in vitro na ludzkich kardiomiocytach autorzy wykazali, że ekspozycja na wysokie stężenie glukozy (HG) przez 2 dni prowadziła do istotnych zmian w ekspresji genów. Wśród genów o obniżonej ekspresji znalazły się ZFAND6, PFN2 i NUDT21, natomiast geny takie jak TRPV1, RYR1 i KLK14 wykazywały podwyższoną ekspresję. Co istotne, empagliflozyna przywracała poziomy ekspresji ZFAND6, PFN2 i SDCBP, odwracając zmiany wywołane przez wysokie stężenie glukozy. Dodatkowo, leczenie empagliflozyną prowadziło do wzrostu ekspresji genów związanych z funkcjami immunologicznymi (SYK i HLA-DRA) oraz genów odpowiedzialnych za stabilizację białek i procesy mitochondrialne (HSPA1B i PET117).

Czy empagliflozyna modyfikuje ekspresję genów?

Szczególnie interesujące okazało się porównanie uzyskanych danych z transkryptomem pacjentów z kardiomiopatią rozstrzeniową hipokinetyczną po niedokrwieniu u osób z T2DM. Analiza wykazała istotny zestaw genów o wysokiej ekspresji zarówno u zdrowych osób, jak i w kardiomiocytach leczonych empagliflozyną. Czy może to oznaczać, że empagliflozyna przywraca prawidłową funkcję kardiomiocytów poprzez normalizację ekspresji kluczowych genów? Wyniki badania sugerują, że tak właśnie jest – lek ten przywraca ekspresję genów takich jak PFN2 (łagodzący skutki zawału mięśnia sercowego), UGCG (zaangażowany w zdolność skurczową kardiomiocytów) oraz FAM3C (związany z zaburzeniami metabolicznymi i cukrzycą).

Kardiomiopatia cukrzycowa i kardiomiopatia rozstrzeniowa po niedokrwieniu u pacjentów z cukrzycą dzielą kluczowe cechy patofizjologiczne, w tym: (i) zaburzony metabolizm glukozy i insulinooporność prowadzące do zwiększonego utleniania kwasów tłuszczowych i toksycznego gromadzenia lipidów; (ii) wysoki stres oksydacyjny i ogólnoustrojowy stan zapalny uszkadzające komórki mięśnia sercowego; (iii) przewlekła hiperglikemia powodująca włóknienie i przebudowę, usztywniając mięsień sercowy; (iv) dysfunkcja śródbłonka ograniczająca wazodylatację; oraz (v) uszkodzenie mitochondriów prowadzące do deficytów energetycznych. W obu przypadkach stan cukrzycowy przyspiesza dysfunkcję, jednak przypadki po niedokrwieniu są dodatkowo skomplikowane przez uszkodzenie niedokrwienne wynikające z choroby wieńcowej, co bardziej dotkliwie wpływa na rokowanie.

Analiza wzbogacania zestawów genów potwierdziła szkodliwy wpływ wysokiego stężenia glukozy na kardiomiocyty i korzystne działanie empagliflozyny. Ekspozycja na wysokie stężenie glukozy przez 2 dni prowadziła do aktywacji procesów zapalnych i zmniejszonej odpowiedzi na insulinę, a także obniżenia potencjału mięśnia sercowego i szlaków różnicowania kardiomiocytów. Empagliflozyna odwracała te niekorzystne zmiany, zwiększając zwijanie białek, potencjał sercowy, różnicowanie, utrzymanie telomerów oraz procesy oddechowe. “Nasze dane wskazują, że empagliflozyna odwraca profil ekspresji genów indukowany przez wysokie stężenie glukozy, łagodząc stan zapalny tkanek i procesy starzenia komórkowego, które mogą przyczyniać się do postępującego spadku funkcji serca” – podkreślają badacze.

Czy empagliflozyna łagodzi stan zapalny?

Reakcję zapalną wywołaną przez wysokie stężenie glukozy potwierdzono, mierząc uwalnianie cytokin z kardiomiocytów. Wysokie stężenie glukozy powodowało stały wzrost poziomów cytokin, szczególnie cytokin prozapalnych, takich jak IL-1β, IL-4 i IL-6. Jednak w obecności empagliflozyny sekrecja cytokin zmniejszała się. “Nasze wyniki jednoznacznie pokazują, że empagliflozyna redukuje wydzielanie cytokin prozapalnych, co może tłumaczyć jej korzystne działanie w kontekście niewydolności serca” – komentują autorzy badania.

Badacze ocenili również poziomy ekspresji NLRP3 i ASC, kluczowych składników kompleksu inflammasomu. Po 2 dniach ekspozycji na wysokie stężenie glukozy, NLRP3 wykazywał niewielką regulację w górę, a leczenie empagliflozyną wpływało na jego ekspresję. To odkrycie potwierdza aktywację procesu zapalnego podczas hiperglikemii i podkreśla skuteczność empagliflozyny w łagodzeniu stanu zapalnego. GLUT1, marker sieci zapalenia, starzenia i dysregulacji metabolicznej, wzrastał w warunkach wysokiego stężenia glukozy, podczas gdy leczenie empagliflozyną promowało jego redukcję.

Badacze ocenili również stan zapalny indukowany przez wysokie stężenie glukozy, badając całkowite i fosforylowane formy NF-κB, kluczowego regulatora procesu zapalnego, w warunkach ostrej (2 dni) i przewlekłej (7 dni) hiperglikemii. Podawanie empagliflozyną zmniejszało aktywację NF-κB zarówno w leczeniu krótko-, jak i długoterminowym.

Wpływ wysokiego stężenia glukozy i empagliflozyny na funkcje komórkowe został potwierdzony przez badanie dynamiki wewnątrzkomórkowej Ca²⁺ i kwasów tłuszczowych. Poziomy wewnątrzkomórkowego Ca²⁺, traktowane jako odczyt stresu komórkowego, wykazywały znaczący wzrost, głównie po długotrwałej stymulacji wysokim stężeniem glukozy, podczas gdy przedłużone leczenie empagliflozyną znacząco zmniejszało poziomy wewnątrzkomórkowego Ca²⁺. Całkowita ilość kwasów tłuszczowych wzrosła po 2 dniach ekspozycji na wysokie stężenie glukozy, a wzrost ten i efekt równoważący wywołany przez empagliflozyną były jeszcze bardziej wyraźne po 7 dniach.

Czy empagliflozyna i SIRT1 działają synergistycznie?

Jaką rolę odgrywa sirtuina 1 (SIRT1) w działaniu empagliflozyny? Badacze testowali w czasie rzeczywistym synergistyczny efekt empagliflozyny na funkcję metaboliczną tlenową i beztlenową w kardiomiocytach eksponowanych na wysokie stężenie glukozy po aktywacji SIRT1, jako efektora stresu metabolicznego. Ekspozycja na wysokie stężenie glukozy zwiększała podstawowe oddychanie i glikolizę, podczas gdy empagliflozyna znacząco przeciwdziałała temu efektowi. Co ciekawe, podstawowe oddychanie zwiększało się niezależnie od leczenia empagliflozyną po aktywacji SIRT1 w warunkach wysokiego stężenia glukozy, podczas gdy podstawowa glikoliza była zmniejszona po podaniu empagliflozyny.

Fenotyp metaboliczny został zdefiniowany przy użyciu wartości szybkości zużycia tlenu i zewnątrzkomórkowego zakwaszenia. Globalnie, leczenie empagliflozyną głównie zmniejszało aktywność glikolityczną, a efekt ten był wzmocniony po aktywacji SIRT1, co skutkowało zwiększeniem oddychania tlenowego i silnym zmniejszeniem funkcji glikolitycznej. Rzeczywiście, maksymalne oddychanie nie zmieniało się w wyniku leczenia empagliflozyną po aktywacji SIRT1 w warunkach wysokiego stężenia glukozy, podczas gdy kompensacyjna glikoliza i zakwaszenie po 2-deoksyglukozie były znacząco zmniejszone. Całkowita produkcja ATP nie zmieniała się znacząco, podobnie jak zapasowa pojemność oddechowa, zużycie tlenu poza mitochondriami, wyciek protonów i wydajność sprzęgania.

Czy oznacza to, że empagliflozyna i SIRT1 działają synergistycznie? Wyniki badania sugerują, że tak – empagliflozyna poprawia funkcję mitochondrialną poprzez zmniejszenie glikolizy, a aktywator SIRT1, gdy jest obecny, wywiera dodatkowy lub synergistyczny efekt.

Jak empagliflozyna redukuje stres komórkowy?

Analiza Western blot ujawniła zwiększoną ekspresję fosforylowanej formy eIF2α, kluczowej dla inicjacji translacji w odpowiedzi na stres środowiskowy, w warunkach wysokiego stężenia glukozy, wskazując na podwyższony stres. Z kolei leczenie empagliflozyną zmniejszało fosforylację, przywracając warunki podobne do grupy kontrolnej. Aby dalej potwierdzić rolę SIRT1 w adaptacji do stresu odżywczego, użyto znanego inhibitora SIRT1, EX-527, samodzielnie lub w połączeniu z empagliflozyną. Wyniki pokazały, że EX-527 przeciwdziałał efektom leczenia empagliflozyną, prowadząc do zwiększonych poziomów fosforylacji eIF2α. To odkrycie podkreśla funkcjonalne współdziałanie między empagliflozyną a SIRT1, uwypuklając ich współpracującą rolę w łagodzeniu stresu retikulum endoplazmatycznego.

W odpowiedzi na zwiększone poziomy fosforylowanego eIF2α (p-eIF2α), które upośledzają inicjację translacji, tworzą się ziarnistości stresowe (SG), składające się z nieprzełożonych mRNA i związanych białek. Badacze ocenili produkcję SG za pomocą mikroskopii konfokalnej i immunofluorescencji, monitorując kluczowe markery tworzenia SG – G3BP1 i TIAR. Warunki wysokiego stężenia glukozy nie przyczyniały się do akumulacji SG, niezależnie od ostrej czy przewlekłej ekspozycji. Jednakże dane dotyczące aktywności metabolicznej i odpowiedzi na stres komórkowy silnie sugerują, że empagliflozyna pozytywnie łagodzi szkodliwe skutki hiperglikemii. Dodatkowo, leczenie empagliflozyną, wzmocnione przez aktywację SIRT1, wykazuje potencjał do przywracania równowagi metabolicznej po stresie wywołanym warunkami hiperglikemicznymi.

Czy wyniki badań zmienią praktykę kliniczną?

W podsumowaniu, badanie to dostarcza przekonujących dowodów na to, że empagliflozyna wywiera korzystny wpływ na kardiomiocyty poprzez różnorodne mechanizmy molekularne, w tym modulację ekspresji genów, zmniejszenie stanu zapalnego, poprawę funkcji metabolicznej i łagodzenie stresu komórkowego. Te efekty mogą wyjaśniać obserwowane klinicznie korzyści z stosowania empagliflozyny u pacjentów z niewydolnością serca, zarówno z cukrzycą, jak i bez niej.

Badanie przeprowadzono z wykorzystaniem trójstopniowego podejścia (jak pokazano w streszczeniu graficznym). Po pierwsze, wykonano meta-analizę badań klinicznych badających wpływ empagliflozyny u pacjentów z T2DM. Po drugie, dokładnie zbadano wpływ empagliflozyny na zmiany strukturalne i funkcjonalne w ludzkich kardiomiocytach AC16 eksponowanych na wysokie stężenie glukozy, symulując zarówno ostre (2 dni), jak i przewlekłe (7 dni) warunki cukrzycowe. Na koniec, wyniki skrzyżowano z dostępnym publicznie zestawem danych pacjentów z T2DM z niewydolnością serca. To podejście integracji danych podkreśliło pozytywną korelację między różnicowo wyrażanymi genami a przeciwzapalnymi efektami empagliflozyny, odzwierciedlając to, co zaobserwowano w meta-analizie dla pacjentów z T2DM leczonych tym SGLT2i.

Ograniczenia badania obejmują skupienie się wyłącznie na kardiomiocytach, co może upraszczać złożoność interakcji systemowych, oraz brak dostępnych komercyjnie ludzkich linii komórkowych kardiomiocytów poza AC16, co ogranicza możliwość walidacji wyników w różnych modelach in vitro. Ponadto, literatura zawiera głównie dane z biopsji płynnych lub nieleczonych tkanek, z ograniczoną liczbą badań dostarczających profile ekspresji kardiomiocytów eksponowanych na hiperglikemię w próbkach ex vivo pacjentów.

Zaobserwowane bezpośrednie efekty specyficznych organów na ogólnoustrojowy stan zapalny podkreślają potrzebę bardziej wyrafinowanego modelu badawczego niż ten, który został zastosowany. Badacze ograniczyli swoją uwagę do kardiomiocytów i przewlekłej patologii cukrzycy, potencjalnie upraszczając złożoność interakcji systemowych. Ponadto, brak komercyjnie dostępnych ludzkich linii komórkowych kardiomiocytów, poza AC16, ogranicza możliwość walidacji wyników w różnych modelach in vitro u ludzi. Dodatkowo, literatura zawiera głównie dane z biopsji płynnych lub nieleczonych tkanek, z tylko ograniczoną liczbą badań dostarczających profile ekspresji kardiomiocytów eksponowanych na hiperglikemię w próbkach ex vivo pacjentów. Ta rzadkość odpowiednich danych utrudnia bardziej kompleksowe analizy porównawcze.

Jakie są implikacje kliniczne tych odkryć? Czy empagliflozyna powinna być szerzej stosowana u pacjentów z niewydolnością serca, niezależnie od statusu cukrzycowego? Czy możemy oczekiwać nowych wskazań dla tego leku w przyszłości? Te pytania wymagają dalszych badań klinicznych, ale przedstawione wyniki dostarczają solidnych podstaw mechanistycznych dla potencjalnego rozszerzenia zastosowań empagliflozyny w kardiologii.

Podsumowanie

Empagliflozyna, inhibitor SGLT2, wykazuje znaczące działanie kardioprotekcyjne, co potwierdzają liczne badania kliniczne. Lek skutecznie poprawia funkcję skurczową serca poprzez hamowanie aktywności inflammasomu oraz wykazuje działanie przeciwzapalne. Na poziomie molekularnym empagliflozyna normalizuje ekspresję kluczowych genów w kardiomiocytach, redukuje wydzielanie cytokin prozapalnych oraz łagodzi stres komórkowy. Badania wykazały, że lek działa synergistycznie z SIRT1, poprawiając funkcję mitochondrialną poprzez zmniejszenie glikolizy. Empagliflozyna skutecznie redukuje markery stanu zapalnego u pacjentów, w tym CRP i IL-6, oraz przywraca prawidłową funkcję kardiomiocytów. Szczególnie istotna jest jej skuteczność w leczeniu niewydolności serca, zarówno u pacjentów z cukrzycą, jak i bez niej, co sugeruje możliwość rozszerzenia wskazań terapeutycznych w kardiologii.