L-Carnitin und die mitochondriale Toxizität der Valproinsäure

Zu den wesentlichen Mechanismen mitochondrialer Schäden durch Arzneimittel zählen neben der Inhibierung der Fettsäure-β-Oxidation, Störungen der Membranpermeabilität und Membranintegrität (z. B. Cardiolipin, Permeabilitätsporen), die Depletion der mtDNA sowie die Inhibierung von Enzymkomplexen der mitochondrialen Atmungskette und die Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) [1].

Valproinsäure: Struktur und Metabolismus

Die Valproinsäure (VPS) ist eine verzweigtkettige Fettsäure mit acht Kohlenstoffatomen. Unter den Antiepileptika besitzt sie das breiteste Wirkspektrum. Indikationen für Valproinsäure sind vorwiegend primär generalisierte Epilepsien, daneben auch fokale, tonisch-klonische und myoklonische Anfälle. In der Kombination mit Carbamazepin wird Valproinsäure häufig bei Kindern eingesetzt.

Bei oraler Applikation wird Valproinsäure rasch resorbiert. Die orale Bioverfügbarkeit wird mit 90 bis 100 Prozent angegeben. Die Verteilung erfolgt vor allem ins Blut und die extrazelluläre Flüssigkeit, dagegen ist die Penetration ins Gewebe – vor allem ins Gehirn – bei Valproinsäure gering. Daher sind relativ hohe Blutspiegel an Valproinsäure erforderlich, um einen therapeutischen Effekt zu erzielen [5, 6, 7].

Die Metabolisierung der Valproinsäure erfolgt größtenteils in der Leber und ist im Allgemeinen auf die ungebundene Fraktion beschränkt. Obwohl Valproinsäure die einfache chemische Struktur einer verzweigtkettigen Carboxylsäure aufweist, unterliegt das Antiepileptikum komplexen metabolischen Transformationsprozessen. Bei Mensch und Tier sind über fünf parallel in der Leber ablaufende Metabolisierungswege beschrieben [2, 3, 23] (Tab. 1):

• Glucuronidierung (endoplasmatisches Retikulum),

• Beta-Oxidation (Mitochondrium),

• Omega-Oxidation (endoplasmatisches Retikulum, Zytoplasma)

sowie

• in geringem Umfang γ-Dehydrogenierung (Mitochondrium) und δ-Dehydrogenierung (Mikrosomen).

Alle Intermediärprodukte der mitochondrialen Beta-Oxidation der Valproinsäure sind Coenzym-Ester (Valproyl-CoA). Metaboliten der Beta-Oxidation sind 2-en-Valproinsäure und die Folgeprodukte 3-OH-Valproinsäure und 3-keto-Valproinsäure [8, 9, 23]. Zwischen diesen Metaboliten und den Intermediärprodukten des Fettsäure-Beta-Oxidationszyklus besteht eine strukturelle Analogie. Metabolite der γ-Dehydrogenierung sind 3-en-Valproinsäure und die doppelt ungesättigte 2,3’-dien-Valproinsäure [3]. Zu den in den Mikrosomen ohne Beteiligung von Coenzym A im Rahmen der Omega-Oxidation gebildeten Metaboliten gehören vor allem 4-en-Valproinsäure und die Folgeprodukte 5-OH-Valproinsäure und 2-Propylglutarsäure (PGA) [10, 23].

Neben der Konjugation mit Glucuronsäure bildet Valproinsäure vor allem Konjugationsprodukte mit L-Carnitin (Valproyl-Carnitin) und L-Glutathion sowie in geringerem Umfang auch mit L-Glutamin, AMP und L-Glycin [2, 4]. Im Plasma des Menschen bilden 2-en-Valproinsäure, 3-keto-Valproinsäure und 2,3’-dien-Valproinsäure die Hauptmetaboliten. Im Urin finden sich vor allem Valproinsäure-Glucuronide. Valproinsäure bildet wie die natürlichen Fettsäuren Acyl-Adenylat-Intermediate (Valproyl-AMP), Acyl-CoA-Derivate (Valproyl-CoA) und Carnitinester (Valproyl-Carnitin). Ähnlich den natürlichen Acyl-CoA-Verbindungen unterliegt auch Valproyl-CoA der mitochondrialen β-Oxidation und der peroxisomalen β-Oxidation [2, 8, 4].

Valproinsäure-induzierte Hepatotoxizität

Bis zum Jahr 1994 starben unter der antiepileptischen Therapie mit Valproinsäure weltweit über 130 Patienten an Leberversagen. Bei Patienten mit reversibler und irreversibler Hepatotoxizität werden unspezifische Symptome wie Anorexie, Übelkeit, Erbrechen, Müdigkeit, körperliches Unwohlsein, Lethargie, Schwächegefühl, Oberbauchbeschwerden, Hämatome, Nasenbluten, Zunahme von epileptischen Anfällen sowie erhöhte Leberfunktionswerte (z. B. Anstieg der Aminotransferaseaktivität) beobachtet. Fieber tritt nur bei etwa der Hälfte der reversiblen Fälle, aber bei fast allen fatalen Fällen auf [24]. Schwerwiegende oder tödliche Leberschäden sind vor allem unter einer antiepileptischen Kombinationstherapie bei Kleinkindern im Alter unter zwei Jahren mit schweren Epilepsien beschrieben.

Hinsichtlich der Symptome sollten Patienten, vor allem Säuglinge und Kleinkinder, ärztlich engmaschig überwacht werden.

Unter einer antiepileptischen Therapie mit Valproinsäure können schwerwiegende bis tödlich verlaufende Leberfunktionsstörungen auftreten. Dabei ist die Valproinsäure-induzierte Hepatotoxizität vor allem durch eine mikrovesikuläre Steatose gekennzeichnet, die häufig mit einer Nekrose einhergeht. Die Hepatozyten sind bei einer mikrovesikulären Steatose mit zahlreichen Lipidvesikeln (vor allem Triglyceride) gefüllt. Mitochondrien stellen ein Zielkompartiment der Valproinsäure-induzierten Leberschäden dar. Die Hemmung der Carnitin-Palmitoyl-Transferase I (CPTI) und starke Beeinträchtigung der mitochondrialen Fettsäure-Betaoxidation durch Valproinsäure scheint wesentlich zur Entwicklung der mikrovesikulären Steatose beizutragen [11, 12, 13]. In Fällen von fatalem Ausgang wurde ein hepatozellulärer Schaden mit mikrovesikulärer Steatose, Zellschwellung und Nekrose einzelner Zellen beobachtet. Valproinsäure löst strukturelle Veränderungen an der inneren Mitochondrienmembran aus, insbesondere der Proteinkonformation [18]. Elektronenmikroskopische Untersuchungen der Lebermitochondrien von epileptischen Kindern mit Valproinsäure-bedingten Leberschäden zeigen neben geschwollenen Lebermitochondrien desorganisierte Cristae und eine erhöhte Matrixdichte [14, 15, 16, 17].

Neben der Inhibierung der mitochondrialen Betaoxidation von mittel- und langkettigen Fettsäuren, dürfte auch die Öffnung von mitochondrialen Permeabilitätsporen mit nachfolgender Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung und dem nachfolgenden Verlust an ATP sowie die Depletion von Coenzym A eine pathophysiologische Bedeutung bei der Hepatotoxizität der Valproinsäure haben [18, 19, 20]. Das aus der Coenzym-A-Depletion resultierende erhöhte Verhältnis von Acyl-CoA zu CoA sowie die verringerte Verfügbarkeit von Acetyl-CoA in der Mitochondrienmatrix führt zu einer Hemmung der Beta-Oxidation der Fettsäuren, der Fettsäuresynthese, der Gluconeogenese (Aktivität der Pyruvat-Carboxylase sinkt), der Ketogenese und des Harnstoffzyklus [21, 22, 23] (siehe Kästen). Die Pyruvat-Aufnahme in die Mitochondrien wird durch Valproinsäure kompetitiv gehemmt. Die Depletion an mitochondrialem Acetyl-CoA und die verminderte Umwandlung von Ammoniak zu Harnstoff in der Leber können zudem eine Hyperammonämie begünstigen. Daneben spielt der hepatozelluläre Glutathion-Status als antioxidativer Schutzfaktor vor zytotoxischen Metaboliten der Valproinsäure eine wichtige Rolle. Es existieren zwei hepatozelluläre Glutathion-Poole. Der zytosolische enthält 85% und der mitochondriale 15 Prozent des totalen zellulären Glutathions. Da Mitochondrien die enzymatische Ausstattung fehlt L-Glutathion selber zu synthetisieren, muss das Tripeptid energieabhängig aus dem Zytoplasma aufgenommen werden [25]. Der mitochondriale Glutathion-Pool spielt eine kritische Rolle für den Zellschutz, da er einen direkten Einfluss auf die funktionelle Integrität der mitochondrialen Membranen und den Redoxstatus hat. Mit hepatotoxischen Konsequenzen ist zu rechnen, wenn dieser Pool um mindestens 50 Prozent entleert wird [26]. Da Mitochondrien darüber hinaus wahrscheinlich die Fähigkeit fehlt Glutathion-Disulfid (GSSG = oxidiertes Glutathion) auszuschleusen, reagieren sie wahrscheinlich empfindlicher als der Rest der Zelle auf eine Proteinthiol-Oxidation [27]. Valproinsäure löst eine moderate Glutathion-Depletion im Zytosol aus. Im Rahmen der Omega-Oxidation von Valproinsäure (z. B. 4-en-Valproinsäure) entstehen reaktive Zwischenprodukte, die in der Lage sind, den mitochondrialen Glutathion-Pool zu entleeren. Der Metabolit 4-en-Valproinsäure hemmt darüber hinaus die mitochondriale GSSG-Reduktase.

Tierexperimentelle und klinischen Studien belegen, dass Störungen in der mitochondrialen Glutathion-Homöostase die hepatotoxische Wirkung der Valproinsäure steigern. Im Rahmen der Inaktivierung und Detoxifikation der Valproinsäure-Metabolite (z. B. 4-en-Valproinsäure) spielt die Konjugation mit Glutathion eine wichtige Rolle. Eine zelluläre Glutathion-Depletion beeinträchtigt aufgrund der reduzierten Bildung von Glutathion-Konjugaten die hepatozelluläre Entgiftung und begünstigt daher das Risiko für Radikal-induzierte Leberschäden [29, 30]. Vitamin C, Vitamin E, N-Acetylcystein und L-Carnitin steigern die antioxidative Kapazität und wirken der erhöhten Lipidperoxidationsrate in Hepatozyten durch 4-en-Valproinsäure entgegen. Valproinsäure-bedingte Leberschäden konnten bei Patienten mithilfe des Glutathion-Prodrugs N-Acetylcystein erfolgreich behandelt werden [31].

L-Carnitin und Valproinsäure

Zu den zentralen ernährungsphysiologischen Funktionen des L-Carnitins zählen der oxidative Abbau und die mitochondriale Entgiftung von langkettigen Fettsäuren (LC), die Regulation der Verfügbarkeit von Coenzym A und der Gluconeogenese sowie der Abbau verzweigtkettiger Aminosäuren (z. B. Leucin). L-Carnitin ist für den Transport und die Einschleusung aktivierter langkettiger Fettsäuren (LC-Acyl-CoA) in die Mitochondrien, dem Ort der Beta-Oxidation, essenziell. Durch seine zentrale Stellung im Intermediärstoffwechsel besitzt L-Carnitin darüber hinaus wichtige protektive Funktionen gegen metabolische Störungen der Zelle [1]. Eine Carnitininsuffizienz ist mit einer Beeinträchtigung der Energie (ATP)-Bereitstellung aus der Fettsäureoxidation, der Inhibierung Coenzym-A-abhängiger Stoffwechselprozesse und einer erhöhten mitochondrialen Toxizität von Arzneimitteln (z. B. Antiepileptika, Nukleosid-/Nukleotid-Analoga, Zytostatika) assoziiert [1, 35].

Fettsäuren (Acyl-) werden vor dem Eintritt in die Beta-Oxidation außerhalb der Mitochondrien im Zytosol durch das Enzym Thiokinase unter Bildung eines energiereichen Thioesters (Acyl-CoA) mit Coenzym A (CoA) aktiviert. Acyl-CoA-Verbindungen können die innere Membran der Mitochondrien nicht passieren. Die Enzyme der Beta-Oxidation sind jedoch im mitochondrialen Matrixraum lokalisiert (Abb. 1). Mithilfe der Carnitin-Palmitoyl-Transferase I (CPT I), die an der Innenseite der äußeren Mitochondrienmembran sitzt, wird der Thioester reversibel zum Acyl-Carnitin umgeestert und CoA freigesetzt. Die Carnitin-Palmitoyl-Transferase I liegt in einer Muskel- und einer Leberform vor (Abb. 1, Punkt 1). Die mitochondriale CPT I reguliert den Einstrom von Fettsäuren in die Mitochondrien und damit die Energiegewinnung aus der Fettsäureoxidation. Die mikrosomale CPT I spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Lipidhomöostase insbesondere der Triglyceride durch die Leber. Malonyl-CoA ist der physiologische Inhibitor der CPT I. Im Gegensatz zu Acyl-CoA kann Acyl-Carnitin mittels der Carnitin-/Acyl-Carnitin-Translokase die mitochondriale Innenmembran passieren (Abb. 1, Punkt 2). Die Carnitin-/Acyl-Carnitin-Translokase reguliert die Einschleusung der Acyl-Carnitine jeglicher Kettenlänge in die Mitochondrien im stöchiometrischen Austausch gegen intramitochondriales Carnitin. Auf der Innenseite der Mitochondrienmembran findet der umgekehrte Vorgang statt. Der Fettsäurerest des Acyl-Carnitins wird durch die an der Matrixseite der inneren Mitochondrienmembran lokalisierten CPT II auf CoA übertragen, wobei Acyl-CoA entsteht und freies Carnitin regeneriert wird (Abb. 1, Punkt 3). Nach der Einschleusung in die mitochondriale Matrix erfolgt die energetische Umsetzung der aktivierten Fettsäuren (Acyl-CoA) im Rahmen der Beta-Oxidation (ATP-Produktion). Das bei der Beta-Oxidation entstehende Acetyl-CoA wird entweder im Citratzyklus abgebaut oder in der Leber in die Ketonkörper Acetacetat und β-Hydroxybutyrat metabolisiert. Die Carnitin-Acetyl-Transferase (CAT) reguliert die mitochondriale Entgiftung toxischer Acyl-Gruppen sowie die Verfügbarkeit von freiem Coenzym A (Abb. 1, Punkt 4) [1].

Valproinsäure reduziert die endogene Biosynthese von L-Carnitin. Zum einen durch den erhöhten Verbrauch an L-Methionin, der im Rahmen der mitochondrialen Betaoxidation von Valproinsäure auftritt und zum anderen durch eine verringerte Verfügbarkeit an alpha-Ketoglutarat [23, 36]. Die Carnitin-Palmitoyltransferase 1 wird durch Valproinsäure gehemmt sowie der zelluläre Carnitin-Uptake über eine Hemmung der Aktivität membranständiger Carnitin-Transporter, wie z. B. der Carnitin-Acylcarnitin-Translokase (CAT). Der Niere kommt für die Homöostase des Carnitinstoffwechsels eine zentrale Stellung zu. Über 95 Prozent des ultrafiltrierten Carnitins werden wieder rückresorbiert. Die renale Clearance für Acyl-Carnitin liegt signifikant höher (> 3-fach) als für freies Carnitin. Valproinsäure bindet L-Carnitin (Valproyl-Carnitin) und kann über die erhöhte Ausscheidung von Valproyl-L-Carnitin-Estern zu einem iatrogenen Carnitinmangel führen. Die Beta-Oxidation der Fettsäuren, d. h. die Fettverbrennung und Energiegewinnung in Form von ATP wird dadurch gestört, da Fettsäuren nur als Carnitin-Ester (Acyl-Carnitin) durch die innere Mitochondrienmembran transportiert werden können [1].

Eine Reihe von klinischen Studien belegt, dass eine Therapie mit Valproinsäure zu einem Carnitinmangel führt, der ebenfalls die Fettsäure-Betaoxidation hemmt und sich im Carnitinhaushalt durch folgende Symptome manifestiert: Erhöhte Bildung von Valproyl-L-Carnitin, Abfall des freien und totalen Carnitingehalts im Serum (< 35 µmol/l) und in der Leber, Anstieg der Acyl-Carnitinspiegel im Serum mit erhöhten renalen Verlusten an Acyl-Carnitin sowie Hemmung der renalen Reabsorption von filtriertem L-Carnitin. Ein valproinsäurebedingter Carnitinmangel steigert die Hepatotoxizität des Antiepileptikums und begünstigt die Entwicklung einer hyperammonämische Enzephalopathie [23, 36].

Valproinsäure wird in der Leber mittels Glucuronidierung, mitochondriale Beta-Oxidation und zytoplasmatische Omega-Oxidation metabolisiert. Unter normalen Bedingungen läuft neben der Glucuronidierung überwiegend die Beta-Oxidation unter der Bildung relativ untoxischer Metabolite ab. Nur eine geringe Menge der Valproinsäure wird über die Omega-Oxidation verstoffwechselt. Bei einer hohen Dosierung (z. B. suizidale Absicht) ist der Anteil, der über die Omega-Oxidation gebildeten toxischen Valproinsäure-Metaboliten entsprechend höher [34, 35, 23]. Dabei entstehen 5-OH-Valproinsäure, 4-en-Valproinsäure und Propionsäuremetaboliten, die unter anderem für die Valproinsäure-induzierte Hepatotoxizität und Hyperammonämie verantwortlich gemacht werden. 4-en-Valproinsäure ist ein potenter Inhibitor der Fettsäuren Beta-Oxidation [32, 36] und Induktor einer mikrovesikulären Steatose (Verfettung) [33, 36]. Die toxischen Valproinsäure-Metaboliten der Omega-Oxidation können zudem die Carbamyl-Phosphat-Synthase hemmen, welche den ersten Schritt des Harnstoffzyklus katalysiert. Die Beeinträchtigung der Harnstoffausscheidung mündet in einer Akkumulation von Ammoniak mit dem Risiko für eine hyperammonämische Enzephalopathie. Es wird postuliert, dass L-Carnitin die mitochondriale Beta-Oxidation der Valproinsäure steigert und hierüber die zytosolische Omega-Oxidation limitiert (Abb. 2). L-Carnitin wirkt somit der Produktion toxischer Valproinsäure-Metabolite, die bei der valproinsäureinduzierten Hepatotoxizität und Hyperammonämie eine pathogenetische Rolle spielen entgegen [36].

Unter Langzeittherapie mit Valproinsäure wurden vor allem bei Kindern, aber auch bei Erwachsenen erniedrigte L-Carnitin-Plasmaspiegel, eine erhöhte Acyl-Carnitin: Gesamt-Carnitin-Ratio im Urin sowie eine verminderte tubuläre Rückresorption von freiem L-Carnitin über die Nieren beobachtet [37]. Faktoren, die einen valproinsäureinduzierten Carnitinmangel begünstigen, sind neben der Langzeitmedikation auch die Kombinationstherapie mit anderen Antiepileptika wie Phenobarbital oder Phenytoin. Die Applikation von L-Carnitin (p. o., i. v.) bei Patienten mit Valproinsäure-induzierter Enzephalopathie senkt Studien zufolge nicht nur die erhöhten Ammoniumspiegel sondern verbessert bei hyperammonämischer Enzephalopathie deutlich die kognitiven und motorischen Funktionen der Betroffenen [36, 38, 39, 40].

Bei Patienten, die langfristig mit Valproinsäure behandelt werden, sollte neben den Leberfunktionsparametern regelmäßig der Carnitin-Status (z. B. AC/FC-Ratio, Carnitin-Plasmaspiegel) kontrolliert werden, insbesondere bei den ersten Anzeichen einer persistierenden körperlichen Schwäche (Fatigue), Hyperammonämie, Enzephalopathie, Myopathie und/oder Neuropathie. Ein Mangel an L-Carnitin ist dementsprechend durch Supplementierung (z. B. 100 mg L-Carnitin/kg KG, tgl., p. o. bzw. 2000 mg L-Carnitin in 250 ml 0,9% NaCl als Kurzinfusion, 2- bis 4-mal pro Woche) zu kompensieren. Bei Patienten mit einer akuten Überdosierung von Valproinsäure, die bereits Bewusstseinstörungen aufweisen, wird initial die intravenöse Applikation von 100 mg L-Carnitin pro kg KG gefolgt von 50 mg L-Carnitin pro kg KG alle acht Stunden bis zum Abfall der Ammoniumspiegel und Verbesserung des klinischen Symptomatik empfohlen [41]. Aktuell wird Valproinsäure auch als Therapiemöglichkeit für die spinale Muskelatrophie angesehen [42]. Im Rahmen einer derartigen Therapie sollte grundsätzlich auf eine adäquate Versorgung mit L-Carnitin geachtet werden.

Literatur

Autor
Uwe Gröber, Akademie für Mikronährstoffmedizin
www.mikronaehrstoff.de

DAZ 2011, Nr. 37, S. 55