Mechanisms of Statin-Induced Myopathy

De komst van de HMG-CoA reductase remmers, of statines, in de jaren tachtig als zeer effectieve middelen voor de verlaging van lage-densiteit lipoproteïne-cholesterol (LDL-C) bracht een revolutie teweeg in de behandeling van hypercholesterolemie, een lang gevestigde risicofactor voor vroegtijdige coronaire hartziekten. Uit een recente prospectieve meta-analyse van gegevens van meer dan 90.000 deelnemers aan 14 gerandomiseerde klinische onderzoeken is inderdaad gebleken dat een statine-gemedieerde vermindering van 1 mmol/L (40 mg/dL) in LDL-C die gedurende 5 jaar wordt volgehouden, een proportionele vermindering van belangrijke vasculaire voorvallen van ongeveer 23% kan opleveren.1 Grotere verlagingen van LDL-C, die kunnen worden bereikt met intensieve statinetherapie zoals geïllustreerd in de recente PROVE IT-TIMI 22 (Pravastatin or Atorvastatin Evaluation and Infection Therapy-Thrombolysis in Myocardial Infarction), TNT (Treating to New Targets) en REVERSAL (Reversal of Atherosclerosis with Aggressive Lipid Lowering)-onderzoeken waarbij atorvastatine (80 mg/d) wordt gebruikt, leiden tot grotere verlagingen van het risico op vasculaire aandoeningen.2-4 Belangrijk is dat de risicovermindering evenredig is met de absolute vermindering van LDL-C1, en bovendien kan een intensieve statinebehandeling bij patiënten met acuut coronair syndroom al 30 dagen na de start klinisch voordeel opleveren, met een aanzienlijke daling van de cardiovasculaire morbiditeit.5

Statines vertonen niet alleen een opmerkelijk hoge baten/risicoverhouding, maar worden ook gekenmerkt door een veiligheidsprofiel met uitstekende tolerantie.6,7 Niettemin kunnen statines toxische effecten hebben op de skeletspieren, die in het algemeen worden aangeduid als myopathie en waarvan de totale incidentie gewoonlijk <0,1% bedraagt bij patiënten die monotherapie met statines krijgen.6 Hoewel myopathie kan verwijzen naar elke spierziekte, werd in het recente klinische advies over het gebruik en de veiligheid van statines een onderscheid gemaakt tussen myalgie als spierpijn of zwakte in afwezigheid van verhoging van creatinekinase (CK), en myositis als ongunstige spiersymptomen geassocieerd met verhoogde CK-spiegels.7 Rhabdomyolysis is een ernstige vorm van myositis met myoglobulinurie, die kan leiden tot acuut nierfalen. Hoewel rhabdomyolysis in verband met de behandeling met statines zeer zeldzaam is (minder dan één fataal geval per 5 miljoen patiënten), komen spierpijn en -zwakte desalniettemin vaker voor en kunnen 7% van de patiënten die een monotherapie met statines volgen, last hebben van spierpijn, waarbij myalgie tot 25% bijdraagt aan alle ongewenste voorvallen bij het gebruik van statines.8 De effecten van deze subklinische spierbijwerkingen mogen echter niet onderschat worden, omdat ze de therapietrouw van de patiënt verminderen met mogelijk staken van de therapie, fysieke activiteit beperken, de kwaliteit van leven verminderen, en het belangrijkste, uiteindelijk de dyslipidemische patiënt met een hoog CV-risico het klinische voordeel van statinebehandeling kunnen ontnemen. Dergelijke spiersymptomen worden vooral relevant in de context van recente klinische studies die een optimale vermindering van CV morbi-mortaliteit hebben gevalideerd door gebruik te maken van hooggedoseerde statine therapie, en in het bijzonder omdat verhoging van de statine dosering nauw geassocieerd is met een verhoogd risico op spierbijwerkingen.6,8 Ondanks het wijdverbreide gebruik van statine therapie wereldwijd, blijven de mechanismen die ten grondslag liggen aan statine-geïnduceerde myopathie controversieel en worden slecht begrepen.9 Het is in dit scenario dat Urso en collega’s in dit nummer van Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology, door zich te richten op het vermogen van statines om de spierrespons op inspanningsbelasting te wijzigen en door state-of-the-art microarray technologie toe te passen op spierbiopsieweefsel van gezonde vrijwilligers, ons het nieuwe concept bieden dat versterkte eiwitafbraak via de ubiquitine proteasoom route een sleutelmechanisme kan zijn dat ten grondslag ligt aan statine myalgie.10

Het experimentele protocol verdient speciale aandacht. Genprofielen in skeletspieren (vastus lateralis) van jonge normolipidemische mannelijke vrijwilligers (n=8) gerandomiseerd naar placebo of hoge-dosis atorvastatine (80 mg/d) behandeling gedurende 4 weken werden vergeleken op een microarray die 14 500 goed gekarakteriseerde genen vertegenwoordigt. Dit protocol werd aangevuld met een programma van excentrische beenoefeningen op de basislijn en na de behandeling of placebo; bilaterale spierbiopsies werden genomen 8 uur na de oefening op de basislijn en na 4 weken, waarbij één been werd getraind en het andere niet werd getraind en als controle diende. Op deze wijze werden in totaal 4 biopsies per proefpersoon genomen, zowel van de niet-geoefende als van de geoefende biopsie op de basislijn en na de behandeling of placebo; elke patiënt fungeerde als zijn eigen controle, waardoor de variabiliteit tussen de verschillende personen werd beperkt. Alle proefpersonen waren vrij van spiersymptomen en vertoonden normale CK niveaus gedurende het protocol.

Op de specifieke basis van vergelijking van genprofielen in niet-getrainde benen op basislijn en 4 weken, was de expressie van slechts 2 genen significant veranderd, waardoor steun werd verleend aan de hypothese van de auteurs dat lage fysiologische variabiliteit in genexpressie optrad met de tijd en tussen benen. Bij vergelijking van getrainde en niet-getrainde benen, kwamen talrijke genen (80) verschillend tot expressie tussen benen en waren voornamelijk betrokken bij celcyclus en groei, signaaltransductie, transcriptie, en eiwitmetabolisme. Behandeling met statine zonder training werd geassocieerd met slechts 5 verschillend tot expressie gebrachte genen, waarvan 2 calmoduline en een tumorsuppressoreiwit met ubiquitineconjugerende enzymactiviteit waren; daarentegen werd dit expressieprofiel door excentrische spierbeschadigende training plus statine 11-voudig verhoogd. Gegroepeerd naar functionele categorieën werden de meest uitgesproken effecten van statine op genexpressie waargenomen op transcriptie en eiwitafbraak via de ubiquitine proteasoom (UP) route (toenames van respectievelijk 14% tot 23% en van 8% tot 18%). De expressiepatronen van 4 genen in deze laatste route (FBX32, FBX03, RNF128, en UBE2M) werden vervolgens onderzocht door middel van QRT-PCR bepaling van weefsel-mRNA niveaus, met bevestiging van de upregulatie van FBX03 (E3 ligase), RNF128, en UBE2ML (E2 conjugerend enzym). Veelzeggend is dat eerder al stijgingen in mRNA’s voor componenten van de UP pathway in menselijke skeletspieren werden gerapporteerd na excentrische inspanning in afwezigheid van behandeling met statines.11,12 Wat is dan de invloed van statinebehandeling op veranderingen in eiwitomzet in skeletspieren gestimuleerd door excentrische training met myofibrillaire schade?

In zoogdiercellen katalyseert de ubiquitine-proteasoom-afhankelijke proteolytische route de selectieve afbraak van abnormale en kortlevende eiwitten (bijv. oncoproteïnen, tumorsuppressoren, transcriptiefactoren, regulatoren van de celcyclus).13 In de skeletspieren is deze route ook verantwoordelijk voor de afbraak van langlevende myofibrillaire eiwitten, waaronder actine en myosine.14 Er zijn 2 belangrijke stappen in deze route. Ten eerste worden substraten gepolyubiquitineerd in een proces dat strak gecontroleerd wordt door ubiquitinatie-enzymen.13 Polyubiquitinatie vereist de sequentiële betrokkenheid van ubiquitine-activerend enzym (E1), ubiquitine-conjugerend enzym (E2), en ten slotte ubiquitine-eiwitligase (E3) die substraten van het ubiquitinesysteem herkennen en er ubiquitine aan conjugeren. Deze ubiquitineligasen vormen een uitzonderlijk grote eiwitfamilie, met >500 verschillende E3-ligasen in zoogdiersoorten. In een tweede stap worden gepolyubiquitineerde substraten selectief herkend en afgebroken door het 26S proteasoom.14

Op grond van de regulering van de niveaus van intracellulaire eiwitten, medieert ubiquitine-afhankelijke proteolyse (degradatie) een grote verscheidenheid van cellulaire en metacellulaire (organismale) functies, met inbegrip van celgroei, deling, differentiatie, signaaltransductie, stressrespons, geprogrammeerde celdood, embryogenese, immuniteit, en activiteiten van het zenuwstelsel. Het is nu inderdaad duidelijk dat eiwitafbraak in betekenis wedijvert met, en vaak de klassieke regulering van eiwitmassa door transcriptie en translatie overtreft.14

In tegenstelling tot de UP pathway, verhoogt upregulatie van genen van eiwitkatabolisme, die typisch gericht zijn op complexe spierstructuren, de splitsing van grote structurele eiwitten waarvan de afbraak kan worden voltooid door het UP-systeem. Om veranderingen in eiwitafbraakmachines te verklaren die versterkt worden door spierstress, gesuperponeerd op een achtergrond van statinebehandeling, stellen de auteurs de hypothese voor dat het inbrengen van een statine in het myocyte celmembraan een zekere mate van instabiliteit kan induceren wanneer het wordt blootgesteld aan excentrische trainingsstress, waardoor intracellulaire proteolytische cascades worden geactiveerd.15 Een dergelijke hypothese is consistent met de waargenomen verhoging in een reeks genen die betrokken zijn bij eiwitkatabolisme, naast die van het UP systeem. De mate waarin een dergelijke instabiliteit van het celmembraan kan worden gerelateerd (1) aan de lipofiliteitsindex van statines, (2) aan de statinedosis, (3) aan de halfwaardetijd van statines in plasma en farmacokinetische kenmerken, en (4) aan cumulatieve blootstelling van spierweefsel aan individuele statines en hun metabolieten, blijft onbepaald.

Naast veranderingen in expressieprofielen van genen die betrokken zijn bij eiwitomzet, werden duidelijke reducties in apoptotische (4-voudige) en inflammatoire genexpressie met toename in transcriptionele genen eveneens geïnduceerd door statinebehandeling op een achtergrond van spierschade. Deze bevindingen doen de mogelijkheid rijzen dat statine plus lichaamsbeweging de geprogrammeerde spiercelsterfte vermindert in vergelijking met lichaamsbeweging alleen, waardoor processen van cellulair herstel worden versterkt, terwijl tegelijkertijd genen van de ontstekingsreactie worden onderdrukt, een mogelijk synergetisch beschermend effect.

De elegante studies van Urso et al10 laten geen evaluatie toe van de mogelijkheid dat mechanismen naast de UP pathway kunnen bijdragen aan de effecten van statines op het metabolisme van de skeletspieren. Inderdaad, het kleine aantal proefpersonen en de hoge striktheid toegepast op veranderingen in genexpressie kunnen het potentieel ondermijnd hebben om modulatie van belangrijke biologische paden te detecteren. Dit is het geval voor genen die coderen voor mitochondriale proteïnen, aangezien 4 genen gedownreguleerd werden in een bereik van 1,1 tot 1,4 maal, waarbij het strikte criterium van 1,5 maal verandering niet gehaald werd met P<0,005. Evenzo werden kleine effecten van statine plus lichaamsbeweging waargenomen voor genen van het cholesterolmetabolisme (bijv. 1,25-voudige downregulatie van het LDL-receptorgen). Deze bevindingen zijn niet inconsistent met gegevens in de literatuur over het effect van hoge-dosis statinetherapie op het cholesterol- en ubiquinonmetabolisme in de menselijke skeletspier en op de mitochondriale functie. Zo blijkt uit de gegevens van Paiva et al16 dat statines het sterolmetabolisme van de skeletspieren veranderen, wat wordt waargenomen als een duidelijke daling (tot 66%) in de verhouding lathosterol:cholesterol, een marker van cholesterologenese, maar soms ook als een verlaagde ubiquinonspiegel in de spieren. Bovendien wijst de accumulatie van lipidedruppels in spierbiopten van patiënten met spierklachten op een toename van zowel het sterol- als het lipidegehalte bij behandeling met statines.17 Bovendien suggereert de interpretatie van mitochondriale functietests dat er een afname optreedt van het aantal of het volume van de mitochondriën, of beide, wat op zichzelf een verklaring kan zijn voor door statines veroorzaakte myalgie zonder CK-verhoging16 ; dergelijke pathologie kan voorafgaan aan ernstiger spiersymptomatologie.

Hoewel de modulatie van genen van de UP pathway als belangrijke doelwitten van inspanningsstress en spierschade geassocieerd met statinebehandeling wordt benadrukt, dienen de studies van Urso et al10 om nogmaals onze gedeeltelijke begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de potentiële myotoxiciteit van statines te benadrukken, met name bij hoge doses18,19 (figuur). Aangezien ubiquitin-ligases zoals FBX03 een hoge substraatspecificiteit vertonen voor de gecoördineerde eiwitafbraak door de UP-route, is het van bijzonder belang zijn eiwitdoelwit(en) te bepalen; op deze wijze kan het interactieve raakvlak tussen door inspanning veroorzaakte spierschade en statinebehandeling worden geïdentificeerd.

Ten slotte moet worden benadrukt dat er dringend nieuwe onderzoeksinitiatieven nodig zijn op dit belangrijke therapeutische gebied; dergelijke inspanningen moeten worden gericht op de invloed van statines op de mitochondriale functie en biogenese, op de stabiliteit van het membraan, op het metabolisme van lipiden en sterolen, op de omzet van eiwitten, op de omzet van cellen en op signaalcascades in spierweefsel.

Voetnoten