Nel sistema cardiovascolare i mitocondri sono gli organelli bersaglio degli insulti ischemici ma anche gli effettori per la cardioprotezione. Come indicato da Jennings e Ganote oltre 30 anni fa, il cuore è strettamente aerobico e quindi vulnerabile ad una ridotta fornitura di ossigeno (Jennings e Ganote , 1976). Di conseguenza, un’ ischemia miocardica causa squilibri mitocondriali profondi e immediati. Questi includono la cessazione della sintesi di ATP, l’inibizione della respirazione, e la depolarizzazione della membrana mitocondriale (ΔΨm). Tutto questo è accompagnato da un cambiamento cellulare, specialmente un aumento di calcio e fosfato durante l’ischemia, e un grosso aumento delle ROS che originano dalla catena respiratoria durante la riperfusione (Turrens , 2003). Nell’ottica di una prospettiva terapeutica, è importante notare che sono specialmente i canali ionici mitocondriali a giocare un ruolo chiave. Un aumento del flusso di K+ mitocondriale, per esempio, nei cuori trattati con composti che aprono i canali del K+ , attivando i canali mitoKATP o quelli mitoKCa, è stato visto ridurre significativamente la dimensione dell’infarto e migliorare la ripresa funzionale dopo l’ischemia/riperfusione. Dall’altra parte, l’inibizione dell’mPTP può prevenire la perdita della funzione mitocondriale, causa della morte cellulare necrotica o apoptotica. Dato che la cardioprotezione coinvolge l’attivazione dei canali mitoKATP
o mitoKCa ed una riduzione dell’apertura dell’mPTP, è ragionevole ipotizzare che questi due fenomeni facciano parte della stessa via di segnalazione(Fig.10). Infatti, questa connessione è stata già dimostrata in un precedente lavoro (Costa et al.,
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Fig.10 Rappresentazione schematica del meccanismo di protezione mediato dai canali ionici mitocondriali.
Circa 25 anni fa Lamping et al. hanno mostrato che gli agenti farmacologici capaci di aprire i canali del K+ avevano un effetto cardioprotettivo contro il danno da ischemia/riperfusione (Lamping et al., 1984). I primi studi naturalmente supponevano che il target di questi composti era il canale del potassio sarcolemmale ATP-sensibile (sarcKATP). Tuttavia, fu aperta una nuova porta nel 1991, con la
scoperta dei canali mitoKATP nella membrana interna mitocondriale del fegato (Inoue et al., 1991). Queste scoperte furono rafforzate dall’evidenza che una varietà
di attivatori e inibitori del canale del potassio influenzavano la funzione mitocondriale (Garild et al., 1996; Paucek et al., 1992; Szewczyk et al., 1993;
Garild et al., 1997), stabilendo così un collegamento tra il canale mitoKATP e la cardioprotezione contro il danno da ischemia/riperfusione nei cuori intatti (Garild
et al., 1997) e nei miociti isolati (Liu et al., 1998).
I canali mitoKATP sono considerati gli effettori finali della cardioprotezione, responsabili dell’attenuazione del danno cellulare (Wang et al., 2001b). Queste conclusioni si basano sul fondamento logico che i mitocondri agiscono come organelli di vita o di morte. Questi canali, essendo abbondanti nei mitocondri, riducono l’accumulo di Ca2+
al loro interno, riducono l’apoptosi e aumentano la sintesi di ATP, preservando così la struttura e la funzione dei mitocondri. Tutte
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queste caratteristiche contribuiscono alla protezione cardiaca contro il danno ischemico.
Fig.11 Meccanismi di attivazione precondizionamento-indotta dei canali sarcKATP e mitoKATP nella cardioprotezione.
Una delle maggiori caratteristiche fisiologiche dei mitocondri è la generazione di un grosso potenziale transmembrana attraverso la membrana interna mitocondriale. Questa è una diretta conseguenza delle reazioni biochimiche che costituiscono la catena respiratoria. Così, i substrati forniti ai mitocondri quali il piruvato, prodotti di β-ossidazione degli acidi grassi, e qualche amminoacido partecipano al ciclo TCA e mantengono lo stato ridotto delle coppie NADH/NAD+ e FADH2/FAD. Queste sostanze forniscono elettroni alla catena respiratoria, i quali eventualmente vengono trasferiti all’ossigeno. Il processo trasferisce anche protoni attraverso la membrana interna mitocondriale, generando un gradiente protonico, una forza motrice protonica che è espressa come ΔΨm, stimato usualmente a -180mV.
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L’uptake del Ca2+
nei mitocondri è guidato principalmente da questo ampio potenziale elettrico negativo della matrice (Gunter e Pfeiffer, 1990). Pertanto, la parziale depolarizzazione del ΔΨm attraverso l’apertura dei canali del K+
mitocondriali riduce la driving force per l’influsso del Ca2+ attraverso il suo uniporter, e ciò previene il sovraccarico mitocondriale di questo catione durante l’ischemia. Ishida et al. hanno riportato che nei cardiomiociti di ratto, il selettivo attivatore del canale mitoKATP diazossido depolarizza la membrana mitocondriale e
attenua il sovraccarico mitocondriale di Ca2+ sperimentalmente evocato dall’ouabaina (Ishida et al., 2001). L’ouabaina, un inibitore della Na+
/K+-ATPasi, altera l’estrusione del Na+
e conseguenzialmente previene l’estrusione del Ca2+ attraverso lo scambio Na+/Ca2+. L’aumento della concentrazione citosolica di Ca2+ risulta quindi nell’accumulo di Ca2+ a livello mitocondriale.
In maniera simile, l’influsso di K+ attraverso i canali mitoKATP e quelli mitoKCa accelera il trasferimento di elettroni attraverso la catena respiratoria e porta alla netta ossidazione dei mitocondri se non compensata da donatori di elettroni, e attenua il sovraccarico mitocondriale del Ca2+ accompagnato da depolarizzazione del ΔΨm (Sato et al., 2005; Nishida et al., 2008).
Un precedente studio ha mostrato che l’apertura dei canali mitoKCa è modulata da
PKA e conferisce cardioprotezione contro il danno da ischemia/riperfusione nel cuore di coniglio (Sato et al., 2005).
Come precedentemente detto, NS1619, un attivatore del canale mitoBKCa , ha un
effetto cardioprotettivo nella cavia , e la protezione è bloccata invece dal bloccante paxillina (Xu et al., 2002; Cao et al., 2005).
I meccanismi innescati dalla presunta apertura dei mitoBKCa attraverso NS1619 includono la regolazione della produzione delle specie reattive dell’ossigeno (ROS) e la capacità di ritenzione del calcio (CRC). Nei mitocondri isolati di cervello e cuore, è riconosciuto che il mitoBKCa riduce la produzione di ROS all’attivazione con NS1619 e CGS7184 (Heinen et al., 2007a; Kulawiak et al., 2008), mentre nei mitocondri di cervello l’apertura dell’mPTP attraverso il Ca2+
è accelerata dal blocco dei mitoBKCa con l’iberiotossina (Cheng et al., 2008). Inoltre, nei cuori
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isolati, il precondizionamento con NS1619 riduce le ROS ed il Ca2+ mitocondriale
(Stowe et al., 2006). Così, è allettante ipotizzare che la ridotta attività dei canali
mitoBKCa favorisce l’apertura dell’mPTP e viceversa. Coerentemente con questa idea, la presunta inibizione dei mitoBKCa con paxillina, induce il rilascio del
citocromo c, un segnale di apertura dell’mPTP e inizio dell’apoptosi. Il fatto che l’inibizione dei mitoBKCa favorisca l’apertura dell’mPTP e l’apoptosi, è
ulteriormente confermata dal fatto che la proteina pro-apoptotica Bax può direttamente inibire l’attività del singolo canale mitoBKCa registrata nei mitoplasti
di astrociti (Cheng et al., 2011). Al contrario, l’apertura dei mitoBKCa con NS11021 migliora la funzione mitocondriale cardiaca potenziando l’uptake del K+ senza un cambiamento significativo nel potenziale di membrana mitocondriale (ΔΨm) e migliorando la sua performance energetica (Aon et al., 2010).