Luennon sisältö METABONOMIIKKA, LIPIDIT JA LIPOPROTEIINIT JA NIIDEN MERKITYS ATEROSKLEROOSISSA SKKY:n ja sairaalakemistit ry:n koulutuspäivä Helsingin Messukeskus 24.3.2011 Taustaa Liporoteiinit, lipidit ja apoliporoteiinit Metabolomiikka ja lipidomiikka uutena välineenä lipidi ja lipoproteiinianalytiikassa Liporoteiinien ja lipidien merkitys ateroskleroosin ja sydän ja verisuonitautien kehittymisessä Terho Lehtimäki, Professori, ylilääkäri terho.lehtimaki@uta.fi Kliinisen kemian yksikkö PSHP Laboratoriokeskus ja Tampereen yliopisto Lääketieteen laitos Sydän ja verisuonitautikuolleisuus maailmanlaajuisesti: Taustaa Sydän ja verisuonitautikuolleisuus Suomessa: Taustaa Tulehdukselliset 2 % Korkea verenpaine 5 % Muut 14 % Aivohalvaus 33 % Reumaattiset 2 % Sepelvaltimotauti 43 % Yhteensä: 16,7 miljoonaa kuolemantapausta (2002) Sepelvaltimotauti aiheuttaa vuosittain noin 15.000 kuolemaa Suomessa. Sitä sairastaa noin 300.000 (180.000 kela) suomalaista. Aivoverenkierohäiriöihin sairastuu maassamme vuosittain 13.000 14.000 ja kuolee 5000 6000 henkilöä 600.000 syö statiineja Lähde: Maailman terveysjärjestö WHO. The atlas of heart disease and stroke. Www osoite: http://www.who.int/cardiovascular_diseases/resources/atlas/ en/print.html. Ladattu 7.2.2006. Lipoproteiinit ovat pallomaisia proteiini lipidi komplekseja Hydrofobiset lipidit ytimessä Hydrofiiliset kuoressa (kolesteroli, fosfolipidit) Mitä liporoteiinit ovat? Apolipoproteiineja Fosfolipidejä Triglyseridejä ja kolesteroliestereitä Kolesteroli Mitä liporoteiinit tekevät? Toimivat rasvaliukoisten aineiden kuljettajina eri kudosten välillä ja sisältävät energia aineenvaihdunnan substraatteja (TG) keskeisiä solujen osia (PL, C) Apolipoproteiineja eikosanoidisynteesin esiasteita lipidiliukoisia vitamiineja kolesteroli on sappihappojen, D Fosfolipidejä vitamiinin ja hormonien esiaste OH Triglyseridejä jakolesteroliestereitä Kolesteroli O O Š HO HO OH Cholesterol HO Vitamin D Bile acids cholate 1
Elektroforeesi Liikkuvuus Ultrasentrifugaatio Tiheys Lipoproteiinien pääluokat FFA Lipoproteiinien tärkeimmät lipidit Triglyseridit Fosfolipidit Kolesteroli/ Kolesteroliesterit Tärkeät lipoproteiinien aineenvaihdunnan säätelijät apolipoproteiinit Apo B 100 (maksa) Rakenneproteiini VLDL synteesissä; LDL reseptorin ligandi. Korreloi voimakkaasti LDL:n kanssa ja on sepelvaltimotudin (ST) ja ST kuolleisuuden riskitekijä Apo B 48 (ohutsuoli) Rakenneproteiini kylomikroni synteesissä; syntyy apo B 100 mrna:sta spesifisen editoinnin jälkeen. Apo E (maksa, makrofagit, aivot) ApoE reseptorin (LRP1) ligandi (on IDL, VLDL, HDL, kylomikroni remnantit); osllistuu solujen sisäisen kolesterolin mobilisointiin. E2, E3, E4 alamuotoja. Tärkeät lipoproteiinien aineenvaihdunnan säätelijät apolipoproteiinit Apo C I (maksa) Lesitiinikolesteroliasyylitransferaasin (LCAT) aktivaattori Apo C II (maksa) LPL aktivaattori Apo C III (maksa) LPL inhibiittori Tärkeät lipoproteiinien aineenvaihdunnan säätelijät apolipoproteiinit Apo A I (maksa, ohutsuoli) Rakenneproteiini; Lesitiinikolesteroliasyylitransferaasin (LCAT) aktivaattori Kemiallisia ominaisuuksia jotka kiinnittävät sen tiukasti eri lipideihin, esim. fosfolipideihin ja kolesteroliin, mikä selittää sen kykyä kerätä kolesterolia soluilta. Korreloi voimakkaasti HDL:n kanssa ja suojaa sepelvaltimotaudilta (ST) ja ST kuolleisuudelta Apo A II (maksa) Rakenneproteiini; estää maksalipaasia; toimii osana HDL:n sitoutumisessa Apo A IV (ohutsuoli) Lesitiinikolesteroliasyylitransferaasin aktivaattori Moduloi lipoproteiinilipaasia (LPL) 2
Lipoproteiinien aineenvaihdunta A. Ravintoperäisen rasvojen kuljetus suolesta, vaputtaminen kudoksiin ja kulkeutuminen maksaan B. Maksassa syntetisoituvien rasvojen kuljetus kudoksiin ja takaisin maksaan C. HDL metabolia: apolipoproteiinien siirtyminen, kolesteroliesterin kuljetus, kolesterolin käänteiskuljetus takaisin maksaan D. Kolesterolin ja sappihappojen eritys sapen kautta suoleen ja enterohepaattinen kierto A. Ravintoperäisen rasvojen kuljetus suolesta, vaputtaminen kudoksiin ja kulkeutuminen maksaan Triglyseridi (TG) rikkaat: Kylomikronit Surface Monolayer Phospholipids (5%) Free Cholesterol (1%) Protein (1%) Hydrophobic Core Triglyceride (93%) Cholesteryl Esters (1%) A. Kylomikronikatabolia Ravinnosta tulevat pitkäketjuiset rasvahapot uudelleen esteröidään triglyseridiksi suolen seinämän soluissa ja pakataan apo48:aa, apoa I:tä ja apoa IV:ää sisältäviksi kylomikroneiksi, jotka siirtyvät imunesteteiden kautta verenkiertoon A. Kylomikronikatabolia Verenkierrossa kylomikronit saavat HDL:ltä apoc II ja apoe:tä Myös ApoA I ja apoa IV voi siirtyä kylomikroneihin HDL:ltä verenkierrossa A. Kylomikronikatabolia ApoC II aktivoi rasvaja lihaskudoksen hiussuonten endoteelin pinalla olevan LPL. LPL pilkkoo kylomikronien triglyseridejä vapaiksi rasvahapoiksi ja glyseroliksi. A. Kylomikronikatabolia ApoC:t (osin) ja apoa I ja A IV siirtyvät takaisin HDL:lle (Cholesterol and Atherosclerosis, Grundy) 3
A. Kylomikronikatabolia Kylomikronien apoe:tä sisältävä jäänne siirtyy apoe (LRP1) ja LDL reseptorien kautta verenkierrosta maksaan B. Maksassa syntetisoituvien rasvojen kuljetus kudoksiin ja takaisin maksaan: TG Rikas VLDL Surface Monolayer Phospholipids (12%) Free Cholesterol (14%) Protein (4%) Hydrophobic Core Triglyceride (65%) Cholesteryl Esters (8%) B. Maksa: VLDL:n synty ja eritys verenkiertoon B. VLDL Metabolia Microsomal TG transfer protein (MTP) Facilitates the translocation, folding of apob and addition of lipids to lipid binding domains ApoB100:tä TG:tä ja kolesterolia sisältävät VLDLpartikkelit muodostuvat maksassa Verenkierrossa HDL:ltä siirtyy apoc II:a ja apoe:tä sekä kolesteroliesteriä (CETP) VLDL:lle. B. Rasvahappojen kuljetus ja vapautuminen VLDL:n ApoC II aktivoi LPL:ia joka pilkkoo triglyseridejä vapaiksi rasvahapoiksi ja glyseroliksi. ApoC III inaktivoi LPL joten hiukkasen apoc II/C III suhde on tärkeä LPL säätelyssä B. VLDL IDL Metabolia LPL pilkkoessa VLDL hiukkasten triglyseridejä rasvahapoiksi ja glyseroliksi syntyy IDL hiukkanen (VLDL remnantti) Apoliporoteiinit siirtyvät takaisin HDL:lle 4
B.VLDL Remnanttien (IDL) siirtyminen maksaan VLDL:n apoe:tä sisältävä jäänne IDL voi siirtyä apoe (LRP1) ja LDL reseptorien kautta verenkierrosta maksaan B. IDL:n konversio LDL:ksi Maksan lipaasin tai/ja LPL jatkaessa IDL:n triglyseridien pikkomista IDL menettää mm, apoe:n (HDL:lle) ja syntyy yhden apob 100 molekyylin sisätämä kolesterolirikas LDL partikkeli B. CE Rikas: LDL Surface Monolayer Phospholipids (25%) Free Cholesterol (15%) Protein (22%) LDL:n apob 100 tunnistaa maksan parenkyymisolujen (muut kudoksen) LDL reseptorin ja siirtyy maksaan B. LDL Metabolia Hydrophobic Core Triglyceride (5%) Cholesteryl Esters (35%) Hepatic Lipase Cholesteryl ester transfer protein B. LDL:n siirtyminen kudoksiin C. CE Rikas: HDL Surface Monolayer Phospholipids (25%) Free Cholesterol (7%) Protein (45%) X LDL reseptorin defekti johtaa familiaaliseenhyperkolesterolemiaan X Hydrophobic Core Triglyceride (5%) Cholesteryl Esters (18%) Cholesterol and Atherosclerosis, Grundy Cholesterol and Atherosclerosis, Grundy 5
C. HDL ja kolesterolin takaisinkuljetustiet HDL reseptori (apoa, SR BI) LDL reseptori: HDL CETP VLDL VLDL (apoe) LDL (apob) Maksalipaasi: HDL 3 HDL 2 HDL 3 rengas Metabolomiikka ja lipidomiikka uutena välineenä lipidi ja lipoproteiinianalytiikassa YFS study metabonomics Soininen P et al. Analyst. 2009;134:1781 5. Wurtz P et al. Mol Biosyst 2011;7:385 93. Lipoproteiini alaluokat (NMR) Cardiovascular Risk in Young Finns study 2007, n = 2160 6
Human Lipidome High throughput Shotgun Lipidomics The LIPID MAPS Structure Database is a relational database encompassing structures and annotations of biologically relevant lipids, the largest public lipid only database in the world. Number of lipids per category (21.4.2010) Fatty acyls 3562 Glycerolipids 3036 Glycerophospholipids 1960 Sphingolipids 3909 Sterol lipids 2134 Prenol lipids 1177 Sacccharolipids 13 Polyketides 6709 Tissue Cells Biofluids Robotic lipid extraction Hamilton Star Automated sample infusion Advion NanoMate Triversa Multiple Precursor Ion Scanning QSTAR Elite Lipid identification and quantification LipidView Univariate and multivariate data analysis LipidView & other tools TOTAL 22,500 lipid structures http://www.lipidmaps.org/data/structure/index.html Ekroos, K. Book chapter: Unraveling Glycerophospholipidomes by Lipidomics. Vol. Biomarker Methods in Drug Discovery and Development, Methods in Pharmacology and Toxicology, Humana Press, March 2008. TVS lipidomics:in depth Characterization of the Lipidome of atherosclerosis Molecular lipids CE TAG DAG CER PG PA PE PS PI PC SM LPE LPC LPG LPA LPI LPS CE 14:0 CE 15:0 CE 16:2 DAG 16:0/16:0 DAG 16:0/18:0 DAG 18:1/18:1 PG 16:0/16:0 PG 18:1/18:2 PG 18:0/20:4 PE 16:0/16:0 PE 18:1/18:2 PE 18:0/20:4 PI 16:0/16:0 PI 18:1/18:2 PI 18:0/20:3 SM 16:0 SM 18:1 SM 20:4 LPC 16:0 LPC 18:1 LPC 20:4 LPA 16:0 LPA 18:1 LPA 20:4 LPS 16:0 LPS 18:1 LPS 20:4 TAG 14:0/16:0/16:0 Cer d18:1/18:0 PA 16:0/16:0 PS 16:0/16:0 PC 16:0/16:0 LPE 16:0 LPG 16:0 LPI 16:0 TAG 16:0/18:0/18:0 Cer d18:1/24:0 PA 18:1/18:2 PS 18:1/18:2 PC 18:1/18:2 LPE 18:1 LPG 18:1 LPI 18:1 TAG 18:1/18:1/20:4 Cer d18:1/24:1 PA 18:0/20:4 PS 18:0/20:4 PC 18:0/20:4 LPE 20:4 LPG 20:4 LPI 20:4 Shotgun Lipidomics: µg of >1000 lipids Lipidome characterization extended by using Targeted Lipidomics CER SPH CERBRO ST GANG oxpl EICO PIP ENDO ACoA Cer d18:1/24:1 GluCer d18:1/24:1 GM1 d18:1/24:0 PGE 2 AEA Cer t18:1/h18:0 LacCer d18:0/h24:0 GD1 d18:1/18:0 TXA 2 2 AG CerPh d18:1/16:0 GluCer d18.1/h24;0 GT1b d18:1/h24:0 LTB 4 2 OA Sphingosine ST d18:1/18:0 PGPC PIP2 16:0/20:4 16:0 CoA Sphinganine ST d18:1/24:0 KOdiA PC PIP 16:0/18:0 24:0 CoA Sphingosine 1 phosphate ST d18:1/24:1 KDdiA PC PIP318:0/20:4 18:1n9 CoA Lipidomes are composed ofmolecular Lipids, NOT Brutto Lipids Molecular Lipids are found in Lipid related Disorders and Dysfunctions, therefore, it is the information inmolecular Lipids that will generate biological insightfor these diseases? No information on the fatty acid tails! Only total # of carbon and double bonds Shotgun & Targeted Lipidomics: µg of >1000 lipids Tampere Vascular study (TVS) Cholesteryl Esters Aorta samples from 11 patients from TVS Aorta intima and media layers were dissected and analyzed separately and combared 7
Eicosanoids Eicosanoids With the current method approximately 85 different eicosanoids are monitored PGA PGB 6 keto PGF 1 PGF 2 PGE PGD ATEROSKLEROOSIN KEHITTYMINEN Liporoteiinien ja lipidien merkitys ateroskleroosin ja sydän ja verisuonitautien kehittymisessä Vaahto solut Rasvajuoste Välimuotoinen leesio Aterooma Fibroottinen Komplisoitu leesio/ plakki repeämä Ensimmäinen vuosikymmen Endoteelidysfunktio Kolmas vuosikymmen Neljäs vuosikymmen Adapted from Pepine CJ. Am J Cardiol. 1998;82(suppl 104). Lumen Intima Aterooman kehittyminen LDL, VLDL, Lp(a) CD36 SR A Lamina elastica interna Monosyytti Endoteelisolut Adheesiomolekyylija kemotaksisinduktio Hapettuminen Makrofagi Adheesio VCAM 1 ICAM 1 P selektiini E selektiini Erilaistuminen (GM CSF) Vaahtosolu Migraatio MCP 1 CCR 2 oxldl Sytokiinit MMP:t? Endoteliini 1 T lymfosyytti CD40 IFN gamma HDL kolesteroli estää adheesiomolekyylien ja MCP 1:n ilmaantumista endoteelisolujen Endoteelisolut pintaan HDLkolesteroli estää LDLkolesterolin hapettumista HDL kolesterolin antiaterogeeniset vaikutukset Lumen Intima LDL, VLDL, Lp(a) Lamina elastica interna Monosyytti Adheesiomolekyylejä ja kemotaksis Hapettuminen CD36 SR A Makrofagi Adheesio VCAM 1 ICAM 1 P selektiini E selektiini Erilaistuminen (GM CSF) Vaahtosolu Migraatio MCP 1 CCR 2 oxldl Sytokineesi MMP:itä Endoteliini 1 T lymfosyytti CD40 IFN gamma Lähde: Fan J, Watanabe T. J Atheroscler Thromb. 2003;10: 63 71. Sileälihassoluja Lähde: Fan J, Watanabe T. J Atheroscler Thromb. 2003; 10:63 71. HDL kolesteroli edistää kolesterolin kulkeutumista vaahtosoluista Sileälihassoluja 8
Käänteinen kolesterolinkuljetus: nykyteoria HDL:n tehtävästä kolesterolitasapainossa Maksa Kypsä HDL Apo A I Kehittyvä, kiekkomainen HDL Apo A I Ateroskleroosisairauden kliiniset ilmentymät FC CE SR B1 CE TG LCAT FC ABCA1 FC Makrofagi Tukos oikeassa sepelvaltimossa Irronnut pala aivoihin hapenpuute Normaali valtimo Ateroskleroottinen valtimo Leesiosta irronnut pala FC = Vapaa kolesteroli; CE = kolesteroliesteri; SR B1 = SR B1 reseptori Apo A 1 = apolipoproteiini A 1; TG = triglyseridit; LCAT = lesitiinikolesteroliasyylitransferaasi; ABCA1 = ATP:ta käyttävä kuljetin Lähde: Cuchel M, Rader DJ. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2003; 23: 1710 1712. Plakkirepeämä jossa trombi Thrombus Fibrous cap MOT: Verisuonikirugi kollega esitti näytteen millainen oli hänen poistamansa tukkeutuneen verisuonen rakenne. Hän kertoi, että hekilöllä, jolta näyte oli, ei löytynyt kolesterolia, vaan kalkkeutumaa. Lisäksi potilaana olleella ei ollut liiallista kolesterolia. 1 mm Illustration courtesy of Frederick J. Schoen, M.D., Ph.D. Lipid core Lipids Online 9
Millä tavalla valtimotautivaaraa arvioidaan? Kiitos mielenkiinnosta HDL:n heterogeenisyys Particle Shape Apolipoprotein Composition ApoC II puutos Discoidal Hypertriglyseridemia > 12.0 mmol/l Spherical Particle Size A I HDL A I/A II HDL A II HDL Lipid Composition Pankreatiitti Hepatomegalia Eruptiiviset Xantoomat TG, CE, and PL HDL 2b HDL 2a HDL 3a HDL 3b HDL 3c Rye KA et al. Atherosclerosis 1999;145:227 238. 10