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Hochauflösende Respirometrie zur Beurteilung der Mitochondrienfunktion bei PAVK

High-resolution respirometry for assessment of mitochondrial function in peripheral artery disease

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Gefässchirurgie Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Hintergrund

Bei Patienten mit peripherer arterieller Verschlusskrankheit (PAVK) kommt es zu einer ischämiebedingten Myopathie mit Veränderung der Mitochondrienfunktion. Mit hochauflösender Respirometrie (HRR) kann die Mitochondrienfunktion untersucht werden.

Fragestellung

Überblick über In-vivo- und In-vitro-Untersuchungsmethoden der Mitochondrienfunktion. Ausführliche Beschreibung der Methodik der HRR. Darstellung der mitochondrialen Veränderungen bei PAVK.

Material und Methode

Für die HRR wird eine Muskelbiopsie von PAVK-Patienten mit Indikation zur invasiven Behandlung oder von gesunden Probanden entnommen. Der Mitochondriengehalt im M. gastrocnemius und im M. vastus lateralis wird durch die Citrat-Synthase-Aktivität bestimmt. Die HRR zeigt die Aktivität der mitochondrialen Atmungskette durch Messung der Abnahme der Sauerstoffkonzentration in der Reaktionskammer. Durch Zugabe von Inhibitoren oder Substraten können die einzelnen Komplexe der Atmungskette untersucht werden.

Ergebnisse

Bei Patienten mit PAVK im Stadium IIb nach Fontaine kommt es im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe zu einem verminderten Mitochondriengehalt im Versorgungsgebiet der kompromittierten Arterie bei gleichzeitig erhöhter Aktivität. Diese Veränderungen sind durch Revaskularisation reversibel.

Schlussfolgerungen

HRR erlaubt die differenzierte, quantitative Untersuchung der mitochondrialen Atmungskette. Bei PAVK kommt es zu pathologischen Veränderungen der Mitochondrienfunktion, die in vitro trotz Überangebot von Sauerstoff und Substraten bestehen und die durch eine erfolgreiche Revaskularisation reversibel sind. Die HRR kann zur Aufklärung der Pathophysiologie der PAVK beitragen.

Abstract

Background

Patients with peripheral arterial disease (PAD) develop ischemia-induced myopathy with alteration of mitochondrial function. High-resolution respirometry (HRR) can be used to study mitochondrial function.

Objective

Overview of in vivo and in vitro investigation methods to study mitochondrial function. Detailed description of the HRR procedure. Portrayal of mitochondrial alterations in PAD.

Material and methods

For HRR a muscle biopsy is taken from patients with PAD with indications for invasive treatment or from healthy volunteers. The mitochondrial content in the gastrocnemius and vastus lateralis muscles is determined by citrate synthase activity. The HRR detects the activity of the mitochondrial respiratory chain by measuring oxygen depletion in the reaction chamber. Individual components of the respiratory chain can be examined by adding inhibitors or specific substrates,

Results

In comparison to healthy volunteers, patients with PAD Fontaine stage 2b show a reduced amount of mitochondria with concurrently increased mitochondrial activity in the area supplied by the compromised artery. These changes are reversible by revascularization.

Conclusion

The HRR enables a differentiated quantitative investigation of the mitochondrial respiratory chain. A PAD leads to pathological changes in mitochondrial function, which persist in vitro despite excess oxygen and substrates and which are reversible with successful revascularization. The HRR can contribute to clarification of the pathophysiology of PAD.

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Authors and Affiliations

  1. Klinik für Gefäßchirurgie, Charité Universitätsmedizin Berlin, Hindenburgdamm 30, 12203, Berlin, Deutschland

    J. P. Frese, A. Gratl, B. Raude & F. Speichinger

  2. Institut für Klinische Diabetologie, Deutsches Diabetes-Zentrum, Leibniz Institut für Diabetesforschung, Heinrich Heine Universität Düsseldorf, Düsseldorf, Deutschland

    D. Pesta & A. Greiner

  3. Universitätsklinik für Gefäßchirurgie, Universitätskliniken Innsbruck, Innsbruck, Österreich

    A. Gratl

Authors
  1. J. P. Frese
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  2. A. Gratl
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  3. B. Raude
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  4. F. Speichinger
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  5. D. Pesta
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  6. A. Greiner
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Correspondence to J. P. Frese.

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Interessenkonflikt

J.P. Frese, A. Gratl, B. Raude, F. Speichinger, D. Pesta und A. Greiner geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Alle beschriebenen Untersuchungen am Menschen oder an menschlichem Gewebe wurden mit Zustimmung der zuständigen Ethikkommission, im Einklang mit nationalem Recht sowie gemäß der Deklaration von Helsinki von 1975 (in der aktuellen, überarbeiteten Fassung) durchgeführt. Von allen beteiligten Patienten liegt eine Einverständniserklärung vor.

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Frese, J.P., Gratl, A., Raude, B. et al. Hochauflösende Respirometrie zur Beurteilung der Mitochondrienfunktion bei PAVK. Gefässchirurgie 25, 226–231 (2020). https://doi.org/10.1007/s00772-020-00652-1

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