Der pathologische Phospholipid-Metabolismus der Leber bei Mukoviszidose: Stoffwechseluntersuchungen mittels [Methyl-D9]Cholinchlorid und Tandemmassenspektrometrie

Abstract

Hintergrund der vorliegenden Studie ist, dass bei Cystischer Fibrose (CF) die Leberfunktionsstörung nach der Lungen- und Pankreas-Problematik die bedeutendste Rolle spielt, ihre Pathophysiologie jedoch nur inkomplett verstanden ist: Die hohe biliäre Sekretion von Phosphatidylcholin (PC) und sein enterohepatischer Kreislauf bedingen in Kombination mit einer insuffizienten enteralen Spaltung und Rückresorption von PC eine erhöhte Ausscheidung cholinhaltiger Komponenten über die Fäzes. Der resultierende Cholinmangel und die Störung der hepatischen PC-Homöostase könnten dann eine verminderte Lipoproteinsekretion („very low densitiy lipoprotein“, VLDL) durch die Leber zur Folge haben, um den enterohepatischen Kreislauf des Galle-PCs aufrecht zu erhalten. Neben einer gestörten Versorgung der extrahepatischen Gewebe mit Cholin und essentiellen Fettsäuren aus dem PC der VLDL kommt es zu einer Akkumulation von Triglyceriden in der Leber (Lebersteatose). In schweren Fällen, bei denen die Leber nicht genug PC bildet, um die eigene Membranhomöostase aufrecht zu erhalten, kann dies die Ursache von Steatohepatitiden bis hin zum terminalen Leberversagen sein.

In der durchgeführten Studie wurde die zuvor an gesunden Probanden etablierte Technik der [Methyl-D9]Cholin-Markierung zusammen mit Tandemmassenspektrometrie verwendet. Diese Markierungstechnik stellt einen „pulse-chase“-Versuch in vivo dar, mit dem die Kinetiken des Cholin- und PC-Stoffwechsels erfasst werden. Sie erlaubt die differenzierte Untersuchung der Stoffwechselwege des Leber-PCs ohne radioaktive Belastung bei Patienten anhand von sequenziell entnommener Plasma-Proben. Die Studie war eine Pilotstudie mit 4 Kontrollprobanden und 3 CF-Patienten. Die Studienteilnehmer bekamen eine intravenöse [Methyl-D9]Cholininfusion über drei Stunden. Zu verschiedenen Zeitpunkten (0 – 72 h) wurde EDTA-Blut entnommen und zur Analytik mittels Massenspektrometrie (MS) sowie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) und Gaschromatographie (GC) aufgearbeitet.

Die Studie zeigte zunächst eine Verminderung der endogenen Konzentrationen von Cholin und seinen Metaboliten Betain und Phosphocholin bei CF-Patienten. Die Kinetiken von [Methyl-D9]Cholin und [Methyl-D9]Betain waren bei Gesunden und CF-Patienten identisch, ein Indikator für primär ungestörte Aufnahme und Metabolismus von Cholin. [Methyl-D9]Phosphocholin war verzögert bis zum Ende der Untersuchung (72 h) nachweisbar, beweisend für die nachhaltige Anreicherung von Cholin im Gewebe, welche eine effiziente Substitution zur Auffüllung der Gewebe-Pools ermöglicht. Die nativen Phospholipid- und PC-Konzentrationen im Blutplasma der CF-Patienten waren vermindert, ohne wesentliche Unterschiede im molekularen Pattern des PC im Vergleich zu den Kontrollen. Die Sekretion neu synthetisierter PC-Komponenten war bei CF erniedrigt, die Triglyceridkonzentrationen und deren Fettsäurezusammensetzung hingegen waren bei beiden Studiengruppen gleich, sodass man bei CF von einer selektiven Störung der PC-Homöostase und hepatischen Sekretion sprechen kann.

Die vorliegende Studie zeigte, dass die Anreicherung von [Methyl-D9]Cholin im Plasma-PC unverändert war, die Absolutkonzentrationen des markierten PCs jedoch erniedrigt. Dies bedeutet, dass bei CF weniger die Synthese als die PC-Sekretion ins Plasma, d. h. die Sekretion von VLDL gestört ist. Durch den Cholinmangel steht nicht genügend PC für die VLDL-Bildung und den Triglycerid-Export sowie für die Membranhomöostase der Leber zur Verfügung. Damit sind pathophysiologisch sowohl Hepatosteatose als teilweise auch strukturelle und funktionelle Schäden der CF-Leber (Steatohepatitis, Cholestase) aus dem Cholinmangel erklärbar. Diese Ergebnisse implizieren daher die Perspektive einer Cholin-Substitution, um die Hepatosteatose und ggfs. schwere Schäden an der CF-Leber zu verhindern bzw. rückgängig zu machen.

Background of the present study is that in cystic fibrosis (CF) liver dysfunction plays the most important role besides problems with lung and pancreas, but the pathophysiology still remains incompletely understood: the high biliary secretion of phosphatidylcholine (PC) and its enterohepatic circulation combined with insufficient fragmentation and reabsorption of PC cause an increased excretion of choline-containing components via faeces. The consequent lack of choline and the disruption of hepatic PC-homeostasis may result in a reduced hepatic secretion of lipoproteins (“very low density lipoprotein”, VLDL) to maintain the enterohepatic circulation of biliary PC. The supply of extrahepatic tissues with choline and essential fatty acids from the PC of VLDL is impaired additionally triglycerides accumulate in the liver (liver steatosis). In severe cases, when the liver can not produce enough PC to hold up its own homeostasis of membranes, steatohepatitis can be the consequence potentially culminating in terminal liver failure.

In this study the method of [methyl-D9]choline labeling, which had been established in healthy volunteers was applied in combination with tandem mass spectrometry. This labeling technique constitutes a “pulse-chase” experiment in vivo, which detects the kinetics of choline and PC metabolism. It allows the distinct analysis of the metabolic pathways of liver PC avoiding radioactive contamination of patients on the basis of sequentially drawn plasma samples. The study was a pilot study including 4 healthy volunteers and 3 CF patients. The participants of the study received an infusion of [methyl-D9]choline over three hours. EDTA-blood samples were collected at different points of time (0 – 72 h) and processed for analysis with mass spectrometry (MS), high pressure liquid chromatography (HPLC) and gas chromatography (GC).

This study showed a decrease of the endogenous concentrations of choline and its metabolites betaine and phosphocholine in CF-patients. The kinetics of [methyl-D9]choline und [methyl-D9]betaine were equal in healthy volunteers and CF patients, indicating a primarily undisturbed absorption and metabolism of choline. Prolonged plasma levels of [methyl-D9]phosphocholine detectable until the end of the study (72 h) proof the sustained accumulation of choline in the tissue, which serves as an efficient substitute for filling-up the tissue-pool. The native phospholipid- and PC-concentrations in blood plasma of CF-patients were reduced without substantial differences in molecular pattern of PC compared to the healthy controls. The secretion of newly synthesized PC-components was decreased in CF, but the concentration of triglycerides and their composition of fatty acids were equal in both study groups, suggesting a selective disruption of PC-homeostasis and hepatic secretion in CF.

The present study showed that the accumulation of [methyl-D9]choline in plasma-PC was unchanged, however the absolute concentrations of labeled PC were reduced. This suggests an unimpaired PC-synthesis in CF whereas PC-secretion into the plasma, i.e. VLDL-production, is disrupted. Due to the lack of choline there is not enough PC available for the VLDL-production, the export of triglycerides and the homeostasis of liver membranes, pathophysiologically explaining both hepatosteatosis and partly structural and functional damage of the CF-liver (steatohepatitis, cholestasis). The present results therefore illustrate the prospect of choline substitution to prevent or reverse hepatosteatosis and serious damage of the CF-liver.