Evaluation of mitochondrial functional parameters of peripheral blood mononuclear cells in patients with chronic heart failure and type 2 diabetes mellitus

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: The hypothesis that mitochondrial dysfunction may accompany development of chronic heart failure (CHF), type 2 diabetes mellitus (T2DM), and their comorbid forms is supported by real-world clinical observations. In patients with CHF with preserved ejection fraction (CHF-pEF) and reduced ejection fraction (CHF-rEF), as well as in patients with T2DM, mitochondrial stress test to assess mitochondrial respiration of peripheral blood mononuclear cells shows a significant decrease in oxygen consumption by mitochondria of peripheral blood mononuclear cells.

AIM: The aim of the study was to evaluate an informative value of the mitochondrial stress test in patients with CHF with T2DM.

MATERIALS AND METHODS: A total of 23 patients (mean age 69.8±10.1 years) with CHF-pEF and CHF-rEF were included. Patients were divided into groups according to the presence or absence of concomitant T2DM. A mitochondrial stress test was performed using the Seahorse XFe96 analyzer (Agilent Technologies, USA). Mitochondrial respiratory function was assessed in adherent mononuclear cells by simultaneous measurement of oxygen consumption and extracellular proton current flow.

RESULTS: In patients with T2DM, the basal respiratory capacity was reduced 1.5-fold and the reserve respiratory capacity was reduced 3.5-fold compared to the control group. The most inhibitory effect of T2DM on mitochondrial respiration was observed in the CHF-rEF group: 2.1 to 3.0 times lower compared to the control group. Concomitant T2DM was associated with a lower reserve respiration capacity which was also 2.4–4.5 times lower in patients with CHF alone and 18.0 times lower in patients with T2DM alone. In addition, T2DM patients showed a 1.28-fold suppression of non-mitochondrial respiration compared to the control group.

CONCLUSION: Significant mitochondrial dysfunction detected in comorbid patients is associated with the rapid clinical progression of CHF with T2DM and high incidence of decompensation. A decrease in basal and reserve respiratory capacity is a key factor in development of CHF in patients with T2DM.

About the authors

Tatiana S. Sveklina

Military Medical Academy named after S.M. Kirov

Author for correspondence.
Email: Sveklinats@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9546-7049
SPIN-code: 3561-6503

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 63a Suvorovsky avenue, 191124 Saint Petersburg

Sergey B. Shustov

Military Medical Academy named after S.M. Kirov

Email: sbs5555@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9075-8274
SPIN-code: 5237-2036

MD, Dr. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 63a Suvorovsky avenue, 191124 Saint Petersburg

Svetlana N. Kolyubaeva

Military Medical Academy named after S.M. Kirov

Email: ksnwma@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2441-9394
SPIN-code: 2077-2557

Dr. Sci. (Biology), Professor

Russian Federation, 63a Suvorovsky avenue, 191124 Saint Petersburg

Vadim A. Kozlov

Chuvash State University

Email: pooh12@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7488-1240
SPIN-code: 1915-5416

Dr. Sci. (Biology), MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Cheboksary

Alexey N. Kuchmin

Military Medical Academy named after S.M. Kirov

Email: kuchmin.63@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2888-9625
SPIN-code: 7787-1364

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, 63a Suvorovsky avenue, 191124 Saint Petersburg

Polina D. Oktysyuk

Military Medical Academy named after S.M. Kirov

Email: polinaok99@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1956-2110
SPIN-code: 7889-6129
Russian Federation, 63a Suvorovsky avenue, 191124 Saint Petersburg

Vladislav V. Konyaev

Military Medical Academy named after S.M. Kirov

Email: konyaevvladislav@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8347-2286
SPIN-code: 3002-5668
Russian Federation, 63a Suvorovsky avenue, 191124 Saint Petersburg

Ruslan I. Glushakov

Military Medical Academy named after S.M. Kirov

Email: glushakovruslan@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0161-5977
SPIN-code: 6860-8990

MD, Dr. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 63a Suvorovsky avenue, 191124 Saint Petersburg

References

  1. Jirak P, Fejzic D, Paar V, et al. Influences of Ivabradine treatment on serum levels of cardiac biomarkers sST2, GDF-15, suPAR and H-FABP in patients with chronic heart failure. Acta Pharmacol Sin. 2018;39(7):1189–1196. doi: 10.1038/aps.2017.167
  2. Fox CS. Cardiovascular disease risk factors, type 2 diabetes mellitus, and the Framingham Heart Study. Trends Cardiovasc Med. 2010;20(3):90–95. doi: 10.1016/j.tcm.2010.08.001
  3. Kobalava ZD, Yeshniyazov NV, Medovchshikov VV, Khasanova ER. Type 2 diabetes mellitus and heart failure: innovative possibilities for management of prognosis. Kardiologiia. 2019;59(4):76–87. EDN: OLTUGV doi: 10.18087/cardio.2019.4.10253
  4. Kato T, Niizuma S, Inuzuka Y, et al. Analysis of metabolic remodeling in compensated left ventricular hypertrophy and heart failure. Circ Heart Fail. 2010;3(3):420–30. doi: 10.1161/CIRCHEARTFAILURE.109.888479
  5. Purwowiyoto SL, Prawara AS. Metabolic syndrome and heart failure: mechanism and management. Med Pharm Rep. 2021;94(1):15–21. doi: 10.15386/mpr-1884
  6. Ingwall JS, Weiss RG. Is the failing heart energy starved? On using chemical energy to support cardiac function. Circ Res. 2004;95:135–145. doi: 10.1161/01.RES.0000137170.41939.d9
  7. Knowlton AA, Chen L, Malik ZA. Heart failure and mitochondrial dysfunction: the role of mitochondrial fission/fusion abnormalities and new therapeutic strategies. J Cardiovasc Pharmacol. 2014;63(3):196–206. doi: 10.1097/01.fjc.0000432861.55968.a6
  8. Zhao L, Feng Z, Yang X, et al. The regulatory roles of O-GlcNAcylation in mitochondrial homeostasis and metabolic syndrome. Free Radic Res. 2016;50(10):1080–1088. doi: 10.1080/10715762.2016.1239017
  9. Gupte AA, Hamilton DJ. Mitochondrial function in non-ischemic heart failure. Adv Exp Med Biol. 2017;982:113–126. doi: 10.1007/978-3-319-55330-6_6
  10. Keceli G, Gupta A, Sourdon J, et al. Mitochondrial creatine kinase attenuates pathologic remodeling in heart failure. Circ Res. 2022;130(5):741–759. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.121.319648
  11. Li AL, Lian L, Chen XN, et al. The role of mitochondria in myocardial damage caused by energy metabolism disorders: From mechanisms to therapeutics. Free Radic Biol Med. 2023;208:236–251. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2023.08.009
  12. Quiles JM, Gustafsson ÅB. The role of mitochondrial fission in cardiovascular health and disease. Nat Rev Cardiol. 2022;19(11):723–736. doi: 10.1038/s41569-022-00703-y
  13. Guo CA, Guo S. Insulin receptor substrate signaling controls cardiac energy metabolism and heart failure. J Endocrinol. 2017;233(3):R131–R143. doi: 10.1530/JOE-16-0679
  14. Kolwicz SC Jr, Purohit S, Tian R. Cardiac metabolism and its interactions with contraction, growth, and survival of cardiomyocytes. Circ Res. 2013;113(5):603–616. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.113.302095
  15. Julián MT, Pérez-Montes de Oca A, Julve J, Alonso N. The double burden: type 1 diabetes and heart failure-a comprehensive review. Cardiovasc Diabetol. 2024;23(1):65. doi: 10.1186/s12933-024-02136-y
  16. Bagriy AE, Suprun YeV, Mykhailichenko IS, Golodnikov IA. Heart failure and type 2 diabetes: current state of the problem. Russian Journal of Cardiology. 2020;25(4):79–85. EDN: LHZQHI doi: 10.15829/1560-4071-2020-3858
  17. Dabkowski ER, Baseler WA, Williamson CL, et al. Mitochondrial dysfunction in the type 2 diabetic heart is associated with alterations in spatially distinct mitochondrial proteomes. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2010;299(2):H529–H540. doi: 10.1152/ajpheart.00267.2010
  18. Chiu J, Farhangkhoee H, Xu BY, et al. PARP mediates structural alterations in diabetic cardiomyopathy. J Mol Cell Cardiol. 2008;45(3):385–393. doi: 10.1016/j.yjmcc.2008.06.009
  19. Tsvetkov VA, Krutikov ES, Chistyakova SI. Subclinical left ventricular dysfunction in patients with type 2 diabetes mellitus. Problems of Endocrinology. 2020;66(1):56–63. EDN: VUFURM doi: 10.14341/probl12359
  20. Shcherbatyuk OV, Tyrenko VV, Belevitin AB, Svistov AS. Brain natriuretic peptide — the genetic code of heart failure. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2006;(2):100–107. (In Russ.) EDN: KWZOIZ
  21. Cocco G, Jerie P. Assessing the benefits of natriuretic peptides-guided therapy in chronic heart failure. Cardiol J. 2015;22(1):5–11. doi: 10.5603/CJ.a2014.0041
  22. Vasyuk YuA, Shupenina EYu, Namazova GA, Dubrovskaya TI. Novel algorithms for diagnosing heart failure with preserved ejection fraction in patients with hypertension and obesity. Cardiovascular Therapy and Prevention. 2021;20(1):65–69. EDN: VNLTTK doi: 10.15829/1728-8800-2021-2569
  23. Pagel P, Tawil J, Boettcher B, et al. Heart failure with preserved ejection fraction: a compre- hensive review and update of diagnosis, pathophysiology, treat ENT, and perioperative implications. J Cardiothorac Vasc Anesth. 2021;35(6):1839–1859. doi: 10.1053/j.jvca.2020.07.016
  24. Larina VN, Oynotkinova OSh, Larin VG, et al. Heart failure with preserved left ventricular ejection fraction: a comprehensive phenotype-based approach to diagnosis and treatment. Russian Journal of Cardiology and Cardiovascular Surgery. 2022;15(6):627–636. EDN: TQLABZ doi: 10.17116/kardio202215061627
  25. Mohebi R, Wang D, Lau ES, et al. Effect of 2022 ACC/AHA/HFSA criteria on stages of heart failure in a pooled community cohort. J Am Coll Cardiol. 2023;81(23):2231–2242. doi: 10.1016/j.jacc.2023.04.007 Erratum in: J Am Coll Cardiol. 2023;82(10):1051. doi: 10.1016/j.jacc.2023.07.009
  26. Golla MSG, Shams P. Heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF). StatPearls. 2024.
  27. Grievink HW, Luisman T, Kluft C, et al. Comparison of three isolation techniques for human peripheral blood mononuclear cells: cell recovery and viability, population composition, and cell functionality. Biopreserv Biobank. 2016;14(5):410–415. doi: 10.1089/bio.2015.0104
  28. Kalantar GH, Saraswat S, SantaCruz-Calvo S, et al. Fasting and glucose metabolism differentially impact peripheral inflammation in human type 2 diabetes. Nutrients. 2024;16(10):1404. doi: 10.3390/nu16101404
  29. Tereshchenko SN, Galyavich AS, Uskach TM. et al. 2020 Clinical Practice Guidelines for Chronic Heart Failure. Russian Journal of Cardiology. 2020;25(11):311–374. EDN: LJGGQV doi: 10.15829/1560-4071-2020-4083
  30. Dedov II, Shestakova MV, Mayorov AYu, et al. Standards of specialized diabetes care / edited by Dedov I.I., Shestakova M.V., Mayorov A.Yu. 11th edition. Diabetes Mellitus. 2023;26(2S):1–157. EDN: DCKLCI doi: 10.14341/DM13042
  31. Altintas MM, DiBartolo S, Tadros L, et al. Metabolic changes in peripheral blood mononuclear cells isolated from patients with end stage renal disease. Front Endocrinol (Lausanne). 2021;12:629239. doi: 10.3389/fendo.2021.629239
  32. Connolly NMC, Theurey P, Adam-Vizi V, et al. Guidelines on experimental methods to assess mitochondrial dysfunction in cellular models of neurodegenerative diseases. Cell Death Differ. 2018;25(3):542–572. doi: 10.1038/s41418-017-0020-4
  33. Kubota M, Shui YB, Liu M, et al. Mitochondrial oxygen metabolism in primary human lens epithelial cells: Association with age, diabetes and glaucoma. Free Radic Biol Med. 2016;97:513–519. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2016.07.016
  34. Scott SR, Singh K, Yu Q, et al. Sex as biological variable in cardiac mitochondrial bioenergetic responses to acute stress. Int J Mol Sci. 2022;23(16):9312. doi: 10.3390/ijms23169312
  35. Divakaruni AS, Paradyse A, Ferrick DA, et al. Analysis and interpretation of microplate-based oxygen consumption and pH data. Methods Enzymol. 2014;547:309–354. doi: 10.1016/B978-0-12-801415-8.00016-3
  36. Masuzawa A, Black KM, Pacak CA, et al. Transplantation of autologously derived mitochondria protects the heart from ischemia-reperfusion injury. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2013;304(7):H966–H982. doi: 10.1152/ajpheart.00883.2012
  37. Ikeda G, Santoso MR, Tada Y, et al. Mitochondria-rich extracellular vesicles from autologous stem cell-derived cardiomyocytes restore energetics of ischemic myocardium. J Am Coll Cardiol. 2021;77(8):1073–1088. doi: 10.1016/j.jacc.2020.12.060
  38. Patent RUS No. 2818454 C1/04.06.2023. Byul. No. 13. Sveklina TS, Koliubaeva SN, Koniaev VV, et al. Method for assessing effectiveness of drug therapy in patients with chronic heart failure. Available from: https://fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2818454&TypeFile=html EDN: GFMFQC
  39. Lange M, Zeng Y, Knight A, et al. Comprehensive method for culturing embryonic dorsal root ganglion neurons for Seahorse Extracellular Flux XF24 analysis. Front Neurol. 2012;3:175. doi: 10.3389/fneur.2012.00175
  40. Hill BG, Benavides GA, Lancaster JR Jr, et al. Integration of cellular bioenergetics with mitochondrial quality control and autophagy. Biol Chem. 2012;393(12):1485–1512. doi: 10.1515/hsz-2012-0198

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Mitochondrial stress test. FCCP, carbonyl cyanide-4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone; Ротенон–антимицин А, a solution of rotenone and antimycin A [40]; АТФ, adenosine triphosphate. Arrows indicate addition of various respiratory chain uncouplers and metabolically active substances to the incubation medium during the experiment.

Download (427KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».