abc Arquivos Brasileiros de Cardiologia Arq. Bras. Cardiol. 0066-782X 1678-4170 Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC São Paulo, SP, Brazil SnFMmNmn5Lssc8qHbVmGsjj 00019 S0066-782X2010001200019 S0066-782X(10)09500219 10.1590/S0066-782X2010005000099 Artigos Originais Avaliação do metabolismo dos fosfatos de alta energia em pacientes com doença de Chagas Leme Ana Maria Betim Paes Salemi Vera Maria Cury Parga José Rodrigues Ianni Bárbara Maria Mady Charles Weiss Robert G. Kalil-Filho Roberto São Paulo São Paulo Universidade de São Paulo Faculdade de Medicina Instituto do Coração Brazil Baltimore Johns Hopkins University Division of Cardiology Department of Medicine United States 08 2010 95 2 264 273 08 07 2009 28 12 2009 18 11 2009 This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

FUNDAMENTO: Anormalidades do metabolismo miocárdico têm sido observadas em pacientes com insuficiência cardíaca de diferentes etiologias. A espectroscopia por ressonância magnética (ERM) com fósforo 31 é uma técnica não invasiva que permite a detecção de alterações metabólicas miocárdicas. OBJETIVO: Determinar o metabolismo de repouso dos fosfatos de alta energia em pacientes portadores de doença de Chagas (DC) pela ERM com fósforo 31. MÉTODOS: Foram estudados 39 pacientes com DC, sendo 23 com função ventricular preservada (Grupo FP) e 16 com disfunção ventricular (Grupo DV), avaliados pela ecodopplercardiografia. A ERM da região anterosseptal foi realizada nos 39 pacientes e em 8 indivíduos normais (Grupo C), por meio de um aparelho Phillips de 1,5 Tesla, obtendo-se a relação fosfocreatina/trifosfato de adenosina beta (PCr/β-ATP) miocárdicos. RESULTADOS: Os níveis cardíacos de PCr/β-ATP estavam reduzidos no Grupo DV em relação ao Grupo FP, e estes apresentaram níveis reduzidos em relação ao Grupo C (Grupo DV: 0,89 ± 0,31 vs Grupo FP: 1,47 ± 0,34 vs Grupo C: 1,88 ± 0,08, p < 0,001). Houve correlação entre a fração de ejeção do ventrículo esquerdo e a PCr/β-ATP nos 39 pacientes estudados (r = 0,64, p < 0,001). Os pacientes em classe funcional I (n = 22) apresentaram PCr/β-ATP de 1,45 ± 0,35, e aqueles em classes funcionais II e III (n = 17), PCr/β-ATP de 0,94 ± 0,36 (p < 0,001). CONCLUSÃO: A ERM permitiu detectar de forma não invasiva alterações no metabolismo energético em pacientes com DC, mesmo sem disfunção sistólica; tais alterações estavam relacionadas com a gravidade do comprometimento cardíaco.

 Metabolismo energético doença de Chagas cardiomiopatia chagásica 30 07 2010

ARTIGO ORIGINAL

TOMOGRAFIA/RESSONÂNCIA

Avaliação do metabolismo dos fosfatos de alta energia em pacientes com doença de Chagas

Ana Maria Betim Paes LemeI; Vera Maria Cury SalemiI; José Rodrigues PargaI; Bárbara Maria IanniI; Charles MadyI; Robert G. WeissII; Roberto Kalil-FilhoI

IInstituto do Coração (InCor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP - Brasil

IIDivision of Cardiology, Department of Medicine, Johns Hopkins University, Baltimore, MD - USA

Correspondência

RESUMO

FUNDAMENTO: Anormalidades do metabolismo miocárdico têm sido observadas em pacientes com insuficiência cardíaca de diferentes etiologias. A espectroscopia por ressonância magnética (ERM) com fósforo 31 é uma técnica não invasiva que permite a detecção de alterações metabólicas miocárdicas.

OBJETIVO: Determinar o metabolismo de repouso dos fosfatos de alta energia em pacientes portadores de doença de Chagas (DC) pela ERM com fósforo 31.

MÉTODOS: Foram estudados 39 pacientes com DC, sendo 23 com função ventricular preservada (Grupo FP) e 16 com disfunção ventricular (Grupo DV), avaliados pela ecodopplercardiografia. A ERM da região anterosseptal foi realizada nos 39 pacientes e em 8 indivíduos normais (Grupo C), por meio de um aparelho Phillips de 1,5 Tesla, obtendo-se a relação fosfocreatina/trifosfato de adenosina beta (PCr/β-ATP) miocárdicos.

RESULTADOS: Os níveis cardíacos de PCr/β-ATP estavam reduzidos no Grupo DV em relação ao Grupo FP, e estes apresentaram níveis reduzidos em relação ao Grupo C (Grupo DV: 0,89 ± 0,31 vs Grupo FP: 1,47 ± 0,34 vs Grupo C: 1,88 ± 0,08, p < 0,001). Houve correlação entre a fração de ejeção do ventrículo esquerdo e a PCr/β-ATP nos 39 pacientes estudados (r = 0,64, p < 0,001). Os pacientes em classe funcional I (n = 22) apresentaram PCr/β-ATP de 1,45 ± 0,35, e aqueles em classes funcionais II e III (n = 17), PCr/β-ATP de 0,94 ± 0,36 (p < 0,001).

CONCLUSÃO: A ERM permitiu detectar de forma não invasiva alterações no metabolismo energético em pacientes com DC, mesmo sem disfunção sistólica; tais alterações estavam relacionadas com a gravidade do comprometimento cardíaco.

Palavras-chave: Metabolismo energético; doença de Chagas, cardiomiopatia chagásica.

Introdução

A doença de Chagas (DC) é uma das formas mais comuns de cardiopatia na América Latina, com estimativa de oito a dez milhões de indivíduos acometidos pela doença1. Cerca de 70% a 80% dos indivíduos permanecem na forma indeterminada por toda a vida, enquanto 20% a 30% deles progridem, após décadas, para cardiopatia. Esta é caracterizada por arritmias, fenômenos tromboembólicos e cardiomiopatia dilatada com insuficiência cardíaca1. Entretanto, mesmo os pacientes assintomáticos e com função sistólica preservada apresentam redução da capacidade de exercício2.

A patogênese da cardiopatia chagásica ainda não está estabelecida, e os mecanismos propostos são3-6: agressão direta ao miocárdio pelo T. cruzi; hipótese neurogênica, baseada na intensa depopulação neuronal evidente nos diferentes estágios da doença; mecanismo autoimune, relacionado com o encontro de anticorpos dirigidos contra antígenos do T. cruzi presentes nos focos de reação inflamatória do miocárdio; agressão à microcirculação coronariana, com consequente desenvolvimento de isquemia miocárdica5-10.

Outro mecanismo que vem sendo apontado como fator que contribui para a deterioração da função miocárdica global em várias cardiopatias é o comprometimento da integridade do sistema energético celular11. O funcionamento adequado do referido sistema depende da presença, em quantidades adequadas, de substratos e enzimas envolvidos nas vias de síntese e da utilização do trifosfato de adenosina (ATP), que é a molécula responsável pelo fornecimento imediato de energia ao músculo cardíaco. Uma das principais enzimas envolvidas nesse processo é a creatina quinase (CK), responsável pela transferência de 40% a 70% dos fosfatos de alta energia entre a creatina e a molécula de ATP11,12. Modelos animais e estudos em humanos com insuficiência cardíaca demonstraram alterações nesse sistema bioenergético, com redução significativa da velocidade de ação da enzima CK e modificações na distribuição de suas isoenzimas, além de redução no conteúdo total de ATP e de fosfocreatina (PCr)13. Dessa forma, a espectroscopia por ressonância magnética (ERM) do fósforo 31 permite avaliar os fosfatos de alta energia do miocárdio, possibilitando, desse modo, identificar alterações metabólicas em pacientes com diferentes graus de comprometimento miocárdico14,15.

Assim, o objetivo deste estudo foi determinar o metabolismo de repouso dos fosfatos de alta energia em pacientes portadores de DC pela ERM com fósforo 31, buscando uma melhor compreensão da influência do metabolismo energético miocárdico na fisiopatologia da cardiopatia chagásica.

Métodos

Foram estudados prospectivamente 39 pacientes (20 homens, de 27 a 79 anos, 52 ± 12 anos) portadores da DC em acompanhamento ambulatorial e 8 voluntários (5 homens, 29 ± 4 anos, Grupo C). Todos os pacientes com DC estudados foram avaliados por meio de história clínica, exame físico completo, exames laboratoriais, eletrocardiograma de repouso, radiografia de tórax e ecodopplercardiograma. Os pacientes portadores da forma indeterminada também realizaram estudos contrastados de esôfago.

O diagnóstico de DC foi determinado pela presença de epidemiologia positiva e confirmado por, pelo menos, dois testes sorológicos positivos para detecção de anticorpos (fixação de complemento ou Machado-Guerreiro e imunofluorescência indireta)16.

Os pacientes foram considerados portadores da forma indeterminada da DC quando eram assintomáticos no que diz respeito aos aparelhos cardiovascular e digestivo e quando apresentavam eletrocardiograma, estudo radiológico de tórax e estudo contrastado de esôfago normais.

Os pacientes foram considerados portadores da forma crônica quando apresentavam pelo menos um dos seguintes sintomas e/ou sinais: palpitação, ortopneia, dispneia de esforço, dispneia paroxística noturna, desconforto torácico, tosse, fraqueza, tontura, síncope, ritmos de galope, sopros cardíacos, hepatomegalia, edema de membros inferiores ou estase jugular; na vigência de alterações eletrocardiográficas habitualmente encontradas na DC (bloqueio divisional anterossuperior, bloqueio completo de ramo direito do feixe de His, bloqueio atrioventricular de primeiro grau, alteração da repolarização ventricular, extrassístoles ventriculares, bloqueio completo do ramo esquerdo, sobrecarga ventricular esquerda); na presença de alterações radiológicas (estudo radiológico de tórax) e/ou ecocardiográficas; na ausência de outras doenças que pudessem ter influência sobre os achados deste estudo.

Os 39 pacientes estudados foram divididos em três grupos para a análise do metabolismo energético de repouso pela ERM do fósforo 31. Os grupos são apresentados a seguir:

• Cardiopatia chagásica com disfunção ventricular - Grupo DV: constituído por 16 pacientes (11 homens, de 27 a 72 anos, 49 ± 12 anos). Clinicamente, 12 pacientes (75%) se encontravam em classe funcional (CF) II da NYHA; 3 (18,75%) em CF III da NYHA e apenas 1 em CF I da NYHA. A alteração eletrocardiográfica predominante nesse grupo foi o bloqueio divisional anterossuperior, presente em 11 pacientes (69%), seguido pelo bloqueio completo de ramo direito do feixe de His em 9 (56%). A fração de ejeção foi de 39 ± 6%, e todos os pacientes desse grupo apresentavam fração de ejeção inferior a 50%.

• Cardiopatia chagásica com função ventricular preservada e eletrocardiograma alterado - Grupo ECGalt: constituído por 15 pacientes (6 homens, de 44 a 79 anos, 58 ± 10 anos). Clinicamente, 13 pacientes (86%) se encontravam em CF I da NYHA e apenas 2 (14%) em classe funcional II da NYHA. A alteração eletrocardiográfica predominante nesse grupo foi o bloqueio completo de ramo direito do feixe de His em 9 pacientes (60%), acompanhado ou não pelo bloqueio divisional anterossuperior presente em 5 (40%). A fração de ejeção média foi de 67 ± 8%, apresentando todos os pacientes do grupo fração de ejeção igual ou superior a 56%.

• Cardiopatia chagásica com função ventricular preservada e eletrocardiograma normal: forma indeterminada - Grupo Ind: constituído por 8 pacientes (3 homens, de 31 a 62 anos, 45 ± 11 anos). Clinicamente, todos eram assintomáticos do ponto de vista cardiológico. Todos os pacientes estudados apresentavam eletrocardiograma de repouso normal. A fração de ejeção foi de 68 ± 5%. O estudo contrastado de esôfago afastou megaesôfago em todos os pacientes.

• Grupo controle - Constituído por 8 voluntários saudáveis (5 homens, de 22 a 34 anos, 29 ± 4 anos) sem antecedentes de cardiopatia. Todos os voluntários apresentavam eletrocardiograma de repouso normal e provas funcionais para isquemia negativas.

Os critérios de exclusão foram: classe funcional IV da NYHA, diabete melito, hipertensão arterial grave, hipertrofia miocárdica ao ecodopplercardiograma, insuficiência coronariana, história pregressa de alcoolismo, outras cardiopatias preexistentes, gestantes e portadores de marca-passo definitivo.

Todos os pacientes participantes foram esclarecidos quanto ao estudo e assinaram o Termo de Consentimento Pós-Informação.

Eletrocardiografia

A análise do eletrocardiograma obedeceu a critérios clássicos de normalidade, e, para as alterações encontradas, foram considerados os seguintes parâmetros17: bloqueio de ramo direito do feixe de His (BCRD), bloqueio de ramo esquerdo do feixe de His (BCRE), bloqueio divisional anterossuperior de ramo esquerdo do feixe de His (BDAS), bloqueio atrioventricular de primeiro grau (BAV 1º), alteração da repolarização ventricular (ARV), sobrecarga ventricular esquerda (SVE) e extrassístoles ventriculares (EV).

Ecocardiografia

Os pacientes realizaram ecocardiograma transtorácico por meio das técnicas modo M, bidimensional e Doppler. As medidas de dimensões internas do ventrículo esquerdo (VE) foram obtidas por meio do modo M, ao final da sístole e ao final da diástole, com auxílio de registro eletrocardiográfico simultâneo, e realizadas conforme recomendações da Sociedade Americana de Ecocardiografia18. Tais medidas permitiram os cálculos dos volumes diastólico e sistólico finais, bem como os cálculos da fração de encurtamento e da fração de ejeção.

Protocolo de espectroscopia por ressonância magnética do fósforo 31

Todos os pacientes foram submetidos à ERM do fósforo 31 através de um aparelho Gyroscan ACS (Phillips Medical Systems) com campo magnético efetivo de 1,5 Tesla. Os pacientes foram colocados em posição supina e monitorizados por eletrodos colocados na região precordial para deflagração e aquisição de imagens e da espectroscopia19.

Uma bobina de 10 cm de diâmetro (P-100) sintonizada na frequência de ressonância do fósforo 31 (63,3-83 MHz), para recepção e transmissão, foi localizada sobre o íctus cardíaco. A bobina foi mantida em posição durante todo o exame através de uma faixa de velcro colocada ao redor da região torácica do paciente. O paciente foi posicionado dentro do magneto supercondutor de forma a que o centro da bobina correspondesse ao isocentro longitudinal do magneto.

Inicialmente, nove cortes transversais (espessura de 10 mm) foram obtidos nos períodos de dois a três minutos, com imagens pesadas em T1, spin-echo, acopladas ao eletrocardiograma com o objetivo de permitir a localização precisa do centro da bobina de superfície em relação à parede anterior do ventrículo esquerdo do paciente. Com a bobina localizada sobre a parede anterior do ventrículo esquerdo, definiu-se um volume de aproximadamente 35 cm3, o qual era posicionado paralelamente à bobina de superfície. O volume selecionado contém, predominantemente, músculo cardíaco da região anteroapical do ventrículo esquerdo. Os cortes contaminados por músculo esquelético da parede torácica e/ou por porções do diafragma e do fígado foram excluídos.

A técnica de localização utilizada foi a image-selected in vivo spectroscopy (ISIS), caracterizada por alta resolução espacial19 e originalmente descrita em 198520. Trata-se de uma técnica que permite a escolha de uma região de interesse retilínea sob a forma de um paralelepípedo que é selecionada a partir das imagens de ressonância geradas pelo sinal do próton. É realizada pela aplicação de três pulsos adiabáticos na presença do mesmo gradiente do campo magnético utilizado para a obtenção da imagem. Cada pulso de inversão inverte o plano selecionado de magnetização com a região de interesse definida pela intersecção de três planos ortogonais. Uma sequência de oito diferentes aquisições com diferentes combinações de pulsos de inversão é somada para obter o espectro final. Assim, sinais de dentro da região de interesse são somados, ao passo que sinais vindos de fora do volume de interesse, mas ainda dentro da região captada pela bobina de superfície, são somados com sinais opostos e, portanto, cancelados.

O tempo de aquisição do espectro foi de aproximadamente 16 minutos (384 medidas). O tempo de repetição utilizado foi de 2.500 ms e o trigger delay de 200 ms. O tempo total de duração do exame foi de cerca de 60 a 70 minutos, durante os quais os pacientes foram mantidos na mesma posição dentro do aparelho. Após o processamento do espectro (transformação matemática de Fourier) e a impressão em papel, a área sob cada espícula foi calculada por meio de digitação manual auxiliada por computador e obteve-se a relação PCr/β-ATP. O fosfato inorgânico não foi medido devido à sua baixa concentração e sobreposição com a espícula do 2,3-difosfoglicerato.

Correções para a saturação parcial dos núcleos foram realizadas pela seguinte fórmula:

SF = [1 - exp(-TR/T1)].sina/[1-exp(-TR/T10.cosa]

onde SF = o fator de saturação, TR = o tempo de repetição, T1 = o tempo de relaxamento e a = o ângulo de inclinação (90º).

Os valores de T1 da fosfocreatina e do b-ATP miocárdico são estimados em 4,18 e 1,7 segundos, respectivamente.

Os valores normais da relação PCR/β-ATP foram obtidos em 8 voluntários saudáveis, em repouso.

Análise estatística

Inicialmente, todas as variáveis foram analisadas de modo descritivo. Para as variáveis quantitativas (idade, fração de ejeção, frequência cardíaca, relação PCr/β-ATP), a análise foi feita por meio da observação dos valores mínimos e máximos, e do cálculo de médias e de desvio padrão. Para as variáveis qualitativas (sexo, classe funcional), calcularam-se as frequências absolutas e relativas.

Para a análise da hipótese de igualdade de médias entre os dois grupos, utilizou-se o teste t de Student. Para a comparação entre proporções, usou-se o teste qui-quadrado ou o teste exato de Fisher.

Para a comparação de várias médias, utilizaram-se a análise de variância e um fator com comparações múltiplas, realizadas por meio do teste de Bonferroni. Ao rejeitar a suposição de normalidade, usou-se o teste não paramétrico de Kruskal-Wallis, com comparações múltiplas realizadas pelo teste de Dunn.

Utilizou-se o coeficiente de correlação de Pearson para o estudo da correlação entre duas variáveis quantitativas (fração de ejeção e PCr/β-ATP).

Os testes foram realizados pelo SAS, versão 6.11. O nível de significância utilizado para os testes foi de 5%.

Resultados

Análise do metabolismo cardíaco

No Grupo C, a PCr/β-ATP foi de 1,88 ± 0,08; no Grupo DV, de 0,89 ± 0,31; no Grupo ECGalt, de 1,52 ± 0,30; e no Grupo Ind, de 1,40 ± 0,37; todos menores em relação ao Grupo C (p < 0,001). Na figura 1, observam-se exemplos de espectros do fósforo 31.

Estudamos, comparativamente, o metabolismo energético de repouso dos pacientes com disfunção ventricular (Grupo DV) e daqueles com função ventricular preservada (Grupo FP), unindo, para tanto, os pacientes dos grupos ECGalt e Ind em apenas um grupo.

• Análise clínica - Não houve diferença significativa, entre os dois grupos analisados, em relação à idade ou à distribuição entre os sexos masculino e feminino. Houve diferença significativa entre os dois grupos apenas em relação à fração de ejeção, e o Grupo DV apresentou redução em relação ao Grupo FP (p < 0,001).

• Análise comparativa da PCr/b-ATP entre os grupos e com a fração de ejeção: os níveis cardíacos de PCr/β-ATP estavam reduzidos no Grupo DV (0,89 ± 0,31), quando comparados com o Grupo FP (1,47 ± 0,34, gráfico 1), e eles apresentavam níveis reduzidos em relação ao Grupo C (1,88 ± 0,08) (p < 0,001). Houve correlação positiva entre a fração de ejeção do ventrículo esquerdo e a PCr/β-ATP nos 39 pacientes estudados (r = 0,64, p < 0,001, gráfico 2).

• Análise comparativa entre classe funcional da NYHA e PCr/b-ATP - Os pacientes em classe funcional I (22 pacientes) apresentaram PCr/β-ATP de 1,45 ± 0,35, e aqueles em classes funcionais II e III (17 pacientes), PCr/β-ATP de 0,94 ± 0,36 (p < 0,001, gráfico 3). Neste estudo, houve boa correlação entre a classe funcional da NYHA e a fração de ejeção ao ecocardiograma (15 dos 16 pacientes estudados com disfunção ventricular encontravam-se em CF II ou III da NYHA; 21 dos 23 pacientes com função ventricular preservada encontravam-se em CF I da NYHA).

Discussão

A ERM permite a caracterização não invasiva da composição bioquímica e do estado metabólico do miocárdio. Não requer exposição à radiação ionizante ou o uso de contraste intravenoso14,15,19.

A aplicação inicial in vivo da ERM ocorreu em 197620, e a primeira aplicação clínica ocorreu em 198521. Desde então, tornou-se uma ferramenta importante para a avaliação não invasiva das vias metabólicas múltiplas no coração. As moléculas mais importantes são o ATP e a PCr. Enquanto o primeiro é o substrato para todas as reações que consomem energia do miocárdio, a última age como um reservatório de energia e pode servir como molécula transportadora de energia. O equilíbrio da CK favorece grandemente a síntese de ATP sobre a PCr. Portanto, quando a demanda de ATP excede a síntese de ATP, os níveis de PCr caem primeiro, o que leva à redução da relação PCr/ATP. Os níveis de ATP caem apenas quando os níveis de PCr estão muito reduzidos13,14.

O espectro do fósforo 31 no coração humano é mostrado como amplitudes ou picos na ERM (fig. 1), e o pico de PCr, por convenção, é considerado pico de referência de 0,0 ppm. Os valores são negativos à direita e representam picos de ATP (g, α, β), e são positivos do lado esquerdo, como fosfomonoéster, fosfato inorgânico e fosfodiester19-23 (fig. 1).

Em nosso estudo, foi utilizado o pico do β-ATP que é considerado o mais útil dos três por não ser contaminado por outros sinais19. Dessa forma, avalia-se a relação entre a PCr e o ATP, e não a concentração absoluta de cada componente. Assim, o valor do primeiro é de aproximadamente 10 mmol/kg de peso seco, enquanto, no segundo, é de 5 a 6 mmol/kg de peso seco.

A técnica usada em nosso estudo possibilita a análise da reserva do metabolismo energético miocárdico, permitindo, assim, estudar a patogênese de várias cardiopatias24. Em pacientes com insuficiência cardíaca, observam-se redução dessa relação e reversão após o uso de betabloqueador25,26. Em nosso estudo, observou-se que o metabolismo energético de repouso dos fosfatos de alta energia encontra-se alterado nos pacientes com cardiopatia chagásica, como demonstrado pelos níveis reduzidos de PCr/β-ATP, e tal redução é proporcional ao grau de disfunção ventricular e à CF da NYHA. Dados semelhantes de relação entre a CF pela NYHA e a PCr/β-ATP foram previamente documentados em 19 pacientes portadores de cardiopatia dilatada, mostrando relação entre a gravidade da insuficiência cardíaca com o metabolismo energético miocárdico25. Os valores de PCr/β-ATP do Grupo C, encontrados em nosso estudo, foram semelhantes aos da literatura, os quais oscilam em torno de 1,6 a 2,027,28.

Na literatura, a relação entre a fração de ejeção do ventrículo esquerdo e o metabolismo energético miocárdico em pacientes com cardiomiopatia dilatada é controversa25,26,29,30. Porém, em nosso estudo, houve clara correlação positiva entre a fração de ejeção do ventrículo esquerdo e os níveis de PCr/β-ATP na doença de Chagas, demonstrando um maior comprometimento da reserva energética miocárdica de repouso nesses pacientes.

Em nosso estudo, os pacientes portadores da DC sem disfunção ventricular mostraram, diferentemente dos trabalhos realizados em pacientes com cardiopatia dilatada idiopática leve25,30,31, alterações no metabolismo energético de repouso. Tais alterações foram de menor intensidade que aquelas apresentadas pelos pacientes com disfunção miocárdica, mas ainda com significância estatística. Uma possível explicação para esse achado é a presença de comprometimento degenerativo miocárdico já nos estágios iniciais da doença de Chagas6,32, demonstrado pelas alterações presentes nos núcleos dos miócitos, no sistema de túbulos T e nas mitocôndrias, bem como pelas alterações nas funções das enzimas miosina ATPase, monoamina oxidase e succinato desidrogenase, envolvidas no processo de manutenção da homeostase energética celular32. O processo inflamatório na cardiomiopatia chagásica é também mais intenso e persistente que na cardiopatia dilatada idiopática, sendo responsável pelo maior grau de fibrose e de comprometimento microcirculatório detectado pelos estudos comparativos, realizados com biópsia nessas duas patologias33.

O comprometimento da integridade do sistema energético celular do miocárdio vem sendo apontado como fator que contribui para a deterioração da função miocárdica global em várias cardiopatias23. Um dos primeiros estudos clínicos com ERM do fósforo 31 mostrou pequenas alterações no metabolismo energético cardíaco de pacientes com cardiopatia dilatada31. Posteriormente, demonstrou-se, em 20 pacientes com cardiopatia dilatada (9 de origem isquêmica e 11 de origem idiopática), uma redução significativa dos níveis de PCr/β-ATP em relação aos níveis do grupo controle (PCr/β-ATP de 1,46 ± 0,07 na cardiopatia dilatada vs PCr/β-ATP de 1,80 ± 0,06 no grupo controle, p < 0,001)30. Observou-se, ainda, uma tendência para a presença de níveis mais reduzidos de PCr/β-ATP nos pacientes portadores de disfunção miocárdica mais acentuada, evidenciando, assim, relação entre o comprometimento do sistema energético miocárdico e a função cardíaca. Outro estudo também mostrou níveis reduzidos de PCr/β-ATP nos indivíduos portadores de graus avançados de insuficiência cardíaca secundária à cardiopatia dilatada, não se constatando diferença nos indivíduos com graus mais leves da doença25.

Conclusão

Nosso estudo comprova a presença de alterações no metabolismo cardíaco de repouso dos pacientes com cardiopatia chagásica, relacionadas com a gravidade do comprometimento cardíaco.

Perspectivas futuras

Sistemas de ERM com 7T permitirão a melhora da relação sinal-ruído, com aumento da resolução espacial e/ou temporal, possibilitando, assim, avaliar alterações dinâmicas das concentrações dos metabólitos em todo o coração.

Correspondência:

Vera Maria Cury Salemi

Avenida Jandira, 185/41 B - Indianópolis

04080-000 - São Paulo, SP - Brasil

E-mail:

verasalemi@cardiol.br,

verasalemi@uol.com.br

Artigo recebido em 08/07/09; revisado recebido em 18/11/09; aceito em 28/12/09.

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BACKGROUND: Abnormalities in myocardial metabolism have been observed in patients with heart failure of different etiologies. Magnetic resonance spectroscopy (MRS) with phosphorus-31 is a noninvasive technique that allows detection of myocardial metabolic changes. OBJECTIVE: To determine the resting metabolism of high-energy phosphates in patients with Chagas' disease (CD) by MRS with phosphorus-31. METHODS: We studied 39 patients with CD, 23 with preserved ventricular function (PF Group) and 16 with ventricular dysfunction (VD Group), assessed by Doppler echocardiography. MRS of the anterosseptal region was performed in 39 patients and 8 normal subjects (C Group) through a Phillips 1.5 Tesla device, obtaining the phosphocreatine/beta-adenosine triphosphate myocardial ratio (PCr/β-ATP). RESULTS: The levels of cardiac PCr/β-ATP were reduced in VD Group in relation to PF Group, and the latter presented reduced levels compared to C Group (VD Group: 0.89 ± 0.31 vs PF Group: 1.47 ± 0.34 vs C Group: 1.88 ± 0.08, p < 0.001). A correlation was found between left ventricular ejection fraction and PCr/β-ATP in 39 patients (r = 0.64, p < 0.001). Patients under functional class I (n = 22) presented PCr/β-ATP of 1.45 ± 0.35, and those in functional classes II and III (n = 17), PCr/β-ATP of 0.94 ± 0.36 (p < 0.001). CONCLUSION: The 31-phosphorus MRS was able to detect non-invasively changes in the rest energy metabolism of patients with Chagas' disease, with and without systolic dysfunction. These changes were related to the severity of heart impairment.

 Energy metabolism Chagas' disease chagas cardiomyopathy

Evaluation of the metabolism of high energy phosphates in patients with chagas' disease

Ana Maria Betim Paes LemeI; Vera Maria Cury SalemiI; José Rodrigues PargaI; Bárbara Maria IanniI; Charles MadyI; Robert G. WeissII; Roberto Kalil-FilhoI

IInstituto do Coração (InCor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP - Brazil

IIDivision of Cardiology, Department of Medicine, Johns Hopkins University, Baltimore, MD - USA

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ABSTRACT

BACKGROUND: Abnormalities in myocardial metabolism have been observed in patients with heart failure of different etiologies. Magnetic resonance spectroscopy (MRS) with phosphorus-31 is a noninvasive technique that allows detection of myocardial metabolic changes.

OBJECTIVE: To determine the resting metabolism of high-energy phosphates in patients with Chagas' disease (CD) by MRS with phosphorus-31.

METHODS: We studied 39 patients with CD, 23 with preserved ventricular function (PF Group) and 16 with ventricular dysfunction (VD Group), assessed by Doppler echocardiography. MRS of the anterosseptal region was performed in 39 patients and 8 normal subjects (C Group) through a Phillips 1.5 Tesla device, obtaining the phosphocreatine/beta-adenosine triphosphate myocardial ratio (PCr/β-ATP).

RESULTS: The levels of cardiac PCr/β-ATP were reduced in VD Group in relation to PF Group, and the latter presented reduced levels compared to C Group (VD Group: 0.89 ± 0.31 vs PF Group: 1.47 ± 0.34 vs C Group: 1.88 ± 0.08, p < 0.001). A correlation was found between left ventricular ejection fraction and PCr/β-ATP in 39 patients (r = 0.64, p <0.001). Patients under functional class I (n = 22) presented PCr/β-ATP of 1.45 ± 0.35, and those in functional classes II and III (n = 17), PCr/β-ATP of 0.94 ± 0.36 (p < 0.001).

CONCLUSION: The 31-phosphorus MRS was able to detect non-invasively changes in the rest energy metabolism of patients with Chagas' disease, with and without systolic dysfunction. These changes were related to the severity of heart impairment.

Key words: Energy metabolism; Chagas' disease; chagas cardiomyopathy.

Introduction

Chagas' disease (CD) is one of the most common forms of heart disease in Latin America, with roughly eight to ten million individuals affected by the disease1. About 70% to 80% of individuals remain in the indeterminate form throughout their lives, while 20% to 30% of them progress, after decades, to heart disease. This is characterized by arrhythmias, thromboembolic events and dilated cardiomyopathy with heart failure1. However, even asymptomatic patients and those with preserved systolic function have reduced exercising capacity2.

The pathogenesis of Chagas' heart disease is not established, and the proposed mechanisms are3-6: direct aggression to the myocardium by T. cruzi; neurogenic hypothesis based on intense neuronal depopulation found in the different stages of the disease; autoimmune mechanism related to the finding of antibodies directed against antigens of T. cruzi present in foci of myocardial inflammation; damaged coronary microcirculation with consequent development of myocardial ischemia5-10.

Another mechanism that has been pointed out in contributing to the deterioration of global myocardial function in various heart diseases is the impairment of the integrity of the cell energy system11. The proper operation of this system depends on the presence in adequate amounts of substrates and enzymes involved in synthesis and the use of adenosine triphosphate (ATP), which is the molecule responsible for the immediate supply of energy to the heart muscle. One of the key enzymes involved in this process is the creatine kinase (CK), responsible for the transfer of 40% to 70% of high-energy phosphates from creatine and ATP molecule11,12. Animal models and studies in humans with heart failure have shown changes in this bioenergetic system, with significant reduction in the speed of action of CK and changes in the distribution of its isoenzymes, in addition to reduction in the total content of ATP and phosphocreatine (PCr)13. Thus, phosphorus-31 magnetic resonance spectroscopy (MRS) enables the evaluation of high-energy phosphates found in the myocardium, allowing the identification of metabolic changes in patients with different degrees of myocardial impairment14,15.

The objective of this study is to determine the resting high-energy phosphates' metabolism in patients with CD using phosphorus-31 MRS seeking a better understanding of the influence of myocardial energy metabolism in the pathophysiology of Chagas' disease cardiomyopathy.

Methods

We prospectively studied 39 CD patients (20 men, 27 to 79 years old, 52 ± 12 years) in outpatient clinic monitoring and 8 volunteers (5 men, 29 ± 4 years, C Group). All CD patients studied were evaluated by clinical history, physical examination, laboratory tests, resting electrocardiogram, chest radiography and echocardiography. Patients with the indeterminate form of the disease also performed esophageal contrast studies.

The diagnosis of CD was determined by the presence of positive epidemiology and confirmed by at least two positive serological tests for antibodies (complement fixation or Machado-Guerreiro and indirect immunofluorescence)16.

Patients were considered to have the indeterminate form of CD when they were asymptomatic with respect to cardiovascular and digestive systems and when they presented normal electrocardiogram, chest radiography and esophageal contrast study.

Patients were considered to have chronic CD when they had at least one of the following symptoms or signs: palpitations, orthopnea, exertional dyspnea, paroxysmal nocturnal dyspnea, chest discomfort, cough, weakness, dizziness, syncope, galloping rhythms, heart murmurs, hepatomegaly, lower limb edema or jugular stasis; electrocardiographic alterations usually found in CD (anterosuperior divisional block, right bundle branch block, first degree atrioventricular block, alterations in ventricular repolarization, ventricular premature beats, left bundle branch, left ventricular hypertrophy); radiological alterations (chest radiography) and/or echocardiography; absence of other diseases that could influence our findings.

The 39 patients were divided into three groups for analysis of resting energy metabolism by MRS of phosphorus-31. The groups are presented below:

• Chagas' heart disease with left ventricular dysfunction - VD Group: consisting of 16 patients (11 men, 27 to 72 years old, 49 ± 12 years old). Clinically speaking, 12 patients (75%) were under functional class (FC) II of NYHA; 3 (18.75%) in functional class III of NYHA and only 1 under functional class I of NYHA. The electrocardiographic alterations prevailing in this group were the anterosuperior block, present in 11 patients (69%), followed by right bundle branch block in 9 (56%). Mean ejection fraction was 39 ± 6%, and all patients in this group had an ejection fraction below 50%.

• Chagas' heart disease with preserved ventricular function and EKG alterations - EKGalt Group: consisting of 15 patients (6 men, 44 to 79 years old, 58 ± 10 years old). Clinically speaking, 13 patients (86%) were in functional class I of NYHA and only 2 (14%) in functional class II of NYHA. Electrocardiographic alterations prevailing in this group were the right bundle branch block in 9 patients (60%), accompanied or not by anterosuperior divisional block present in 5 (40%). Mean ejection fraction was 67 ± 8%, with all patients in the group presenting an ejection fraction equal to or greater than 56%.

• Chagas' heart disease with preserved ventricular function and normal electrocardiogram: indeterminate - Ind Group: consisting of 8 patients (3 men, 31 to 62 years old, 45 ± 11 years old). All patients were clinically asymptomatic. All patients had normal resting electrocardiograms. The mean ejection fraction was 68 ± 5%. Esophageal contrast study discarded megaesophagus in all patients.

• Control group - consisting of 8 healthy volunteers (5 men, 22 to 34 years old, 29 ± 4 years old) without history of heart disease. All volunteers had normal resting electrocardiogram and functional tests for ischemia.

Exclusion criteria were: functional class IV of NYHA, diabetes mellitus, severe hypertension, myocardial hypertrophy on Doppler echocardiography, coronary heart disease, history of alcoholism, other pre-existing heart diseases, pregnancy and patients with permanent pacemaker.

All participating patients were informed about the study and signed an Informed Consent.

Electrocardiography

The analysis of the electrocardiogram followed the traditional criteria of normality, and for the alterations found, we considered the following parameters17: right bundle branch block, left bundle branch block, anterosuperior divisional block, first degree atrioventricular block, alteration of ventricular repolarization, left ventricular hypertrophy, ventricular extrasystoles.

Echocardiography

Patients underwent transthoracic echocardiography using the M-mode, two-dimensional and Doppler techniques. Measurements of left ventricular internal dimensions were obtained through the M-mode, at the end of systole and at the end of diastole, with the aid of simultaneous electrocardiographic recording, performed as recommended by the American Society of Echocardiography18. Such measures have enabled the calculation of diastolic and systolic volumes, and the calculation of fractional shortening and ejection fraction.

Protocol of magnetic resonance spectroscopy of phosphorus 31

All patients underwent MRS of phosphorus-31 through a Gyroscan ACS device (Phillips Medical Systems) with effective magnetic field of 1.5 Tesla. The patients were placed in the supine position and monitored by electrodes placed in the precordial region for the generation and acquisition of images and spectroscopy19.

A 10 cm diameter coil (P-100) tuned to phosphorus-31 resonance frequency (63.3-83 MHz), for reception and transmission, was located on the heart ictus. The coil was kept in place throughout the exam via a Velcro band placed around the patient's thoracic region. The patient was placed inside the superconducting magnet so that the center of the coil corresponded to the longitudinal axis of the magnet isocenter.

Initially, nine cross-sections (thickness 10 mm) were obtained in periods of two to three minutes with T1-weighted images, spin-echo, EKG-gated in order to allow the precise placement of the surface coil in relation to the patient's left ventricular anterior wall. With the coil located on the left ventricular anterior wall, we set up a volume of approximately 35 cm3, which was placed parallel to the surface coil. The volume selected contains, predominantly, cardiac muscle of the left ventricular anterior apical region. Cuts contaminated by skeletal muscle of the chest wall and/or portions of the diaphragm and liver were excluded.

The localization technique used was the image-selected in vivo spectroscopy (ISIS), characterized by high spatial resolution19 and originally described in 198520. This is a technique that allows the choice of a rectilinear region of the heart muscle in the shape of a parallelepiped, which is selected from the resonance images generated by the proton signal. It is performed by applying three adiabatic pulses in the presence of the same magnetic field gradient used to obtain the image. Each pulse inversion reverses the magnetization area selected with the region defined by the intersection of three orthogonal planes. A sequence of eight different acquisitions with different combinations of pulse inversion is added to obtain the final spectrum. Thus, signals within the region concerned are added, while signals from outside the region concerned, but still within the region captured by the surface coil, are added with opposite signs and therefore cancelled.

The spectrum acquisition time was approximately 16 minutes (384 measures). The repetition time used was 2 .500 ms and the trigger delay 200 ms. The test total duration time was about 60 to 70 minutes, during which the patients were kept in the same position. After the spectrum processing (Fourier transform mathematics) and paper printing, the area under each spike was calculated by means of manual, computer-aided typing, which delivered the ratio PCr/β-ATP. Inorganic phosphate was not measured due to its low concentration and overlapping with the 2.3-diphosphoglycerate spike.

Corrections for the partial saturation of the nucleus were made by the following formula:

SF = [1 - exp(-TR/T1)].sina/[1-exp(-TR/T10.cosa]

where SF = saturation factor, TR = repetition time, T1 = time of relaxation and a = angle of inclination (90º).

Phosphocreatine T1 and myocardial β-ATP values are estimated at 4.18 and 1.7 seconds, respectively.

Normal values for the PCR/β-ATP ratio were obtained in 8 healthy volunteers at rest.

Statistical analysis

Initially, all variables were analyzed descriptively. For quantitative variables (age, ejection fraction, heart rate, PCr/β-ATP), the analysis was done by observing the minimum and maximum values, and calculating the average and standard deviation. For qualitative variables (sex, functional class) absolute and relative frequencies were calculated.

For the analysis of the hypothesis of equal averages between the two groups, Student's t test was used. To compare proportions, we used the chi-square or Fisher's exact test.

To compare several averages, we used the analysis of variance and a factor with multiple comparisons, performed using the Bonferroni test. By rejecting the assumption of normality, we used the nonparametric Kruskal-Wallis test with multiple comparisons performed by Dunn test.

We used Pearson's correlation coefficient to study the correlation between two quantitative variables (ejection fraction, and PCr/β-ATP).

The tests were performed by SAS, version 6.11. The level of significance applied to the tests was 5%.

Results

Analysis of cardiac metabolism

In C Group, the PCr/β-ATP ratio was 1.88 ± 0.08; in VD Group, 0.89 ± 0.31; in EKGalt Group, 1.52 ± 0.30, and in Ind Group, 1.40 ± 0.37, all of which were found to be smaller comparing to C Group (p < 0.001). Figure 1 shows examples of phosphorus-31 spectra.

We performed a comparative study of the resting energy metabolism in patients with ventricular dysfunction (VD Group) and those with preserved ventricular function (PF Group), by joining the patients from EKGalt groups and Ind Group.

• Clinical analysis - There was no significant difference between the two groups analyzed in relation to age or gender. There was a significant difference between the two groups only in relation to ejection fraction, VD Group presented a decrease value compared to PF Group (p <0.001).

• Comparative analysis of PCr/b-ATP ratios and ejection fraction - Cardiac PCr/β-ATP ratio levels were reduced in VD Group (0.89 ± 0.31) compared with the PF Group (1.47 ± 0.34, Graphic 1), and both had reduced levels compared to C Group (1.88 ± 0.08) (p <0.001). There was a positive correlation between left ventricular ejection fraction PCr/β-ATP ratios in a all 39 patients investigated (r = 0.64, p < 0.001, Graphic 2).

• Comparative analysis of NYHA functional class and PCr/b-ATP - patients in functional class I (22 patients) had PCr/β-ATP of 1.45 ± 0.35, and those in class II and III (17 patients), PCr/β-ATP of 0.94 ± 0.36 (p <0.001, Graphic 3).In this study, there was a good correlation between NYHA functional class and ejection fraction on echocardiography (15 out of the 16 patients studied with ventricular dysfunction were in class II or III of NYHA, 21 out of the 23 patients with preserved ventricular function were in NYHA class I).

Discussion

MRS allows the noninvasive characterization of the biochemical composition and metabolic state of the myocardium. It does not require exposure to ionizing radiation or intravenous contrast14,15,19.

The initial in vivo application of MRS was in 197620, and the first clinical application occurred in 198521. Since then, it has become an important tool for noninvasive evaluation of multiple metabolic ways in the heart. The most important molecules are ATP and PCr. While the former is the substrate for all reactions that consume energy from the myocardium, the latter acts as a reservoir of energy and can serve as an energy-carrying molecule. The CK equilibrium greatly favors the synthesis of ATP on PCr. Therefore, when the demand for ATP exceeds the synthesis of ATP, PCr levels fall first, which leads to a reduction in the PCr/ATP ratio. ATP levels fall only when PCr levels are very low13,14.

The phosphorus-31 spectrum in the human heart is shown as amplitudes or peaks in MRS (Figure 1), and the PCr peak, by convention, is considered the reference peak at 0.0 ppm. The values are negative on the right and represent ATP peaks (g, α, β), and are positive on the left, and represent phosphomonoester, inorganic phosphate and phosphodiester19-23 (fig 1).

In our study, we used the β-ATP peak, which is considered the most useful of the three because it is not contaminated by other signals19. Thus, we evaluated the relationship between PCr and ATP, rather than the absolute concentration of each component. Thus, the value of the first is approximately 10 mmol/kg dry weight, while the second is 5 to 6 mmol/kg dry weight.

The technique used in our study enables the analysis of the myocardial energy metabolism, as was previously done in the study of the pathogenesis of other heart diseases24. For instance, in patients with heart failure, there is a reduction of the PCr/ATP ratio and after the use of beta blockers there is a reversal of this ratio25,26. In our study, we observed that the resting energy metabolism of high-energy phosphates is altered in patients with Chagas' disease, as demonstrated by the reduced levels of PCr/β-ATP, and this reduction is proportional to the degree of ventricular dysfunction and NYHA functional classes. Similar data for the relationship between the NYHA class and PCr/β-ATP have previously been documented in 19 patients with dilated cardiomyopathy, showing a relation between the severity of heart failure and myocardial energy metabolism25. The PCr/β-ATP values of Group C, found in our study, were similar to those found in literature, which range from 1.6 to 2.027,28.

In literature, the relationship between left ventricular ejection fraction and myocardial energy metabolism in patients with dilated cardiomyopathy is controversial25,26,29,30. However, our study found a clear positive correlation between left ventricular ejection fraction and PCr/β-ATP levels in Chagas' disease, demonstrating a greater impairment of myocardial energy reserves at rest in these patients.

In our study, patients with CD without ventricular dysfunction showed, unlike the work done in patients with mild idiopathic dilated cardiomyopathy25,30,31, alterations in energy metabolism at rest. Such alterations were less severe than those presented by patients with myocardial dysfunction, but still statistically significant. A possible explanation for this finding is the presence of myocardial degenerative impairment in the early stages of Chagas' disease6,32 demonstrated by the alterations found within the myocyte nucleus, in the T-tubule system and in mitochondrias, as well as by the alterations in the functions of ATPase myosin, monoamine oxidase and succinate dehydrogenase enzymes, involved in the maintenance of cellular energy homeostasis32. The inflammatory process in Chagas cardiomyopathy is also more intense and persistent than in idiopathic dilated cardiomyopathy, accounting for the highest degree of fibrosis and microcirculatory impairment detected by comparative studies performed by biopsy in these two pathologies33.

The impairment of the integrity of the myocardial cellular energy has been considered as a contributing factor to the deterioration of global myocardial function in various heart diseases23. One of the first clinical studies with phosphorus-31 MRS revealed small alterations in the cardiac energy metabolism of patients with dilated cardiomyopathy31. Later, it was demonstrated in 20 patients with dilated cardiomyopathy (9 of ischemic origin and 11 of idiopathic origin), a significant reduction in PCr/β-ATP levels in relation to the control group (PCr/β-ATP of 1.46 ± 0.07 vs dilated cardiomyopathy vs. PCr/β-ATP of 1.80 ± 0.06 in the control group, p < 0.001)30. We also found a tendency for the presence of lower levels of PCr/β-ATP in patients with more severe myocardial dysfunction, which is an evidence of the relation between the impairment of the myocardial energy system and cardiac function. Another study also found reduced levels of PCr/β-ATP in individuals with advanced degrees of heart failure secondary to dilated cardiomyopathy, and no difference was found in individuals with milder degrees of the disease25.

Conclusion

Our study confirms the presence of alterations in the cardiac energy metabolism at rest in patients with Chagas' disease that are related directly to the severity of cardiac involvement.

Future prospects

MRS systems with 7T will enable an improved signal to noise ratio, with increased spatial and/or time resolution, making it possible to evaluate dynamic alterations in metabolite concentrations across the heart.

References