Combination antiretroviral therapy -associated lipodystrophy : insights into pathogenesis and treatment

Introduction: Combination antiretroviral therapy (cART) has decreased morbidity and mortality of individuals infected with human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1). Its use, however, is associated with adverse effects which increase the patients risk of conditions such as diabetes and coronary heart disease. Perhaps the most stigmatizing side effect is lipodystrophy, i.e., the loss of subcutaneous adipose tissue (SAT) in the face, limbs and trunk while fat accumulates intra-abdominally and dorsocervically. The pathogenesis of cART-associated lipodystrophy is obscure. Nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NRTI) have been implicated to cause lipoatrophy via mitochondrial toxicity. There is no known effective treatment for cART-associated lipodystrophy during unchanged antiretroviral regimen in humans, but in vitro data have shown uridine to abrogate NRTI-induced toxicity in adipocytes. Aims: To investigate whether i) cART or lipodystrophy associated with its use affect arterial stiffness; ii) lipoatrophic SAT is inflamed compared to non-lipoatrophic SAT; iii) abdominal SAT from patients with compared to those without cART-associated lipoatrophy differs with respect to mitochondrial DNA (mtDNA) content, adipose tissue inflammation and gene expression, and if NRTIs stavudine and zidovudine are associated with different degree of changes; iv) lipoatrophic abdominal SAT differs from preserved dorsocervical SAT with respect to mtDNA content, adipose tissue inflammation and gene expression in patients with cART-associated lipodystrophy and v) whether uridine can revert lipoatrophy and the associated metabolic disturbances in patients on stavudine or zidovudine based cART. Subjects and methods: 64 cART-treated patients with (n=45) and without lipodystrophy/-atrophy (n=19) were compared cross-sectionally. A marker of arterial stiffness, heart rate corrected augmentation index (AgIHR), was measured by pulse wave analysis. Body composition was measured by magnetic resonance imaging and dual-energy X-ray absorptiometry, and liver fat content by proton magnetic resonance spectroscopy. Gene expression and mtDNA content in SAT were assessed by real-time polymerase chain reaction and microarray. Adipose tissue composition and inflammation were assessed by histology and immunohistochemistry. Dorsocervical and abdominal SAT were studied. The efficacy and safety of uridine for the treatment of cART-associated lipoatrophy were evaluated in a randomized, double-blind, placebo-controlled 3-month trial in 20 lipoatrophic cART-treated patients. Results: Duration of antiretroviral treatment and cumulative exposure to NRTIs and protease inhibitors, but not the presence of cART-associated lipodystrophy, predicted AgIHR independent of age and blood pressure. Gene expression of inflammatory markers was increased in SAT of lipodystrophic as compared to non-lipodystrophic patients. Expression of genes involved in adipogenesis, triglyceride synthesis and glucose disposal was lower and of those involved in mitochondrial biogenesis, apoptosis and oxidative stress higher in SAT of patients with than without cART-associated lipoatrophy. Most changes were more pronounced in stavudine-treated than in zidovudine-treated individuals. Lipoatrophic SAT had lower mtDNA than SAT of non-lipoatrophic patients. Expression of inflammatory genes was lower in dorsocervical than in abdominal SAT. Neither depot had characteristics of brown adipose tissue. Despite being spared from lipoatrophy, dorsocervical SAT of lipodystrophic patients had lower mtDNA than the phenotypically similar corresponding depot of non-lipodystrophic patients. The greatest difference in gene expression between dorsocervical and abdominal SAT, irrespective of lipodystrophy status, was in expression of homeobox genes that regulate transcription and regionalization of organs during embryonal development. Uridine increased limb fat and its proportion of total fat, but had no effect on liver fat content and markers of insulin resistance. Conclusions: Long-term cART is associated with increased arterial stiffness and, thus, with higher cardiovascular risk. Lipoatrophic abdominal SAT is characterized by inflammation, apoptosis and mtDNA depletion. As mtDNA is depleted even in non-lipoatrophic dorsocervical SAT, lipoatrophy is unlikely to be caused directly by mtDNA depletion. Preserved dorsocervical SAT of patients with cART-associated lipodystrophy is less inflamed than their lipoatrophic abdominal SAT, and does not resemble brown adipose tissue. The greatest difference in gene expression between dorsocervical and abdominal SAT is in expression of transcriptional regulators, homeobox genes, which might explain the differential susceptibility of these adipose tissue depots to cART-induced toxicity. Uridine is able to increase peripheral SAT in lipoatrophic patients during unchanged cART.

Johdanto: Ihmisen immuunikatoviruksen (HIV) hoitoon käytetyt lääkeyhdistelmät ovat vähentäneet HIV-positiivisten henkilöiden sairastuvuutta ja kuolleisuutta. Yhdistelmähoitoon liittyy kuitenkin vakavia sivuvaikutuksia, jotka lisäävät potilaiden riskiä sairastua mm. diabetekseen ja sepelvaltimotautiin. Yksi leimaavimpia sivuvaikutuksia on lipodystrofia eli ihonalaisen rasvakudoksen häviäminen (lipoatrofia) kasvoista, raajoista ja vatsalta samalla kun rasvaa kertyy ylen määrin vatsaonteloon ja niskaan. Ilmiön syyt ovat epäselvät. Useiden HIV:ta vastaan suunnattujen lääkeaineiden on epäilty aiheuttavan lipodystrofiaa mm. tuhoamalla mitokondrioita, solujen energiatehtaita . Lipodystrofiaan ei ole tehokasta hoitoa, ellei HIV-lääkitystä muuteta, mutta esim. uridiini on ollut lupaava apu solumallitutkimusten valossa. Tavoitteet: Tutkia liittyykö yhdistelmähoitoon tai sen käyttöön liittyvään lipodystrofiaan verisuonien jäykistymistä, onko lipoatrofinen rasvakudos tulehtunutta verrattuna ei-lipoatrofiseen rasvakudokseen, eroaako lipoatrofinen ei-lipoatrofisesta rasvakudoksesta mm. mitokondriomäärän ja aineenvaihduntaan vaikuttavien geenien ilmentymisen suhteen sekä poikkeaako lipodystrofiassa paremmin säilyvä niskan rasva häviävästä vatsan ihonalaisrasvasta ja onko se mahdollisesti ruskeata rasvaa. Lisäksi tutkimme, voiko ravintolisänä käytetty uridiini parantaa lipoatrofiaa ja siihen liittyviä aineenvaihduntahäiriöitä, kuten rasvamaksaa ja heikentynyttä insuliiniherkkyyttä. Menetelmät: Tutkimuksiin osallistui 64 HIV-positiivista yhdistelmähoidettua potilasta, joista 45:lla oli ja 19:lla ei ollut kehittynyt lääkitykseen liittyviä rasvakudoksen muutoksia. Verisuonijäykkyys tutkittiin pulssiaaltoanalyysilla, kehon koostumus mitattiin kaksienergisella röntgenabsorptiometria- sekä magneettikuvaantamisella ja maksan rasvapitoisuus protonispektroskopialla. Rasvakudosnäytteet otettiin potilaiden vatsan ja niskan ihoalaisrasvasta ja niistä mitattiin eri geenien ilmentymistä sekä mitokondrioiden ja tulehdussolujen määrää mm. DNA:n monistustekniikalla ja kudosleikevärjäyksin. Uridiinin tehoa lipoatrofian hoidossa arvioitiin 3kk satunnaistetussa lumelääkekontrolloidussa tutkimuksessa, johon osallistui 20 HIV-positiivista yhdistelmähoidettua lipoatrofista henkilöä. Tulokset: HIV-lääkityksen kesto, mutta ei lipodystrofia, altistaa verisuonien jäykistymiselle iästä ja verenpainetasosta riippumatta. Lipoatrofisessa rasvakudoksessa tulehdukseen liittyvien geenien ilmentyminen ja tulehdussolujen määrä ovat lisääntyneet, kun taas mitokondriomäärä sekä rasvasolujen muodostumiseen ja toimintaan liittyvien geenien ilmentyminen vähentyneet verrattuna ei-lipoatrofiseen rasvakudokseen. Lipodystrofiassa säilyvä/lisääntyvä niskan rasva on vähemmän tulehtunutta kuin herkemmin häviävä vatsan ihonalaisrasva eikä se ole ruskeata rasvaa. Lipodystrofisten henkilöiden niskan rasvassa on vähemmän mitokondrioita kuin ei-lipodystrofisten henkilöiden niskan rasvassa, vaikka kudokset ovat ulkoisesti samannäköisiä. Niskan ja vatsan alueen ihonalaisrasva eroaa eniten ns. homeobox-geenien ilmentymisessä eli sellaisten geenien, jotka määrittelevät kudosten sijainnin ja ominaisuudet sikiökehityksen varhaisvaiheessa. Uridiini lisää ihonalaisrasvan määrää lipoatrofisilla potilailla, mutta ei vaikuta maksan rasvapitoisuuteen tai insuliiniherkkyyteen. Johtopäätökset: HIV:n hoitoon käytettyjen lääkkeiden pitkäaikaiskäyttö lisää verisuonien jäykkyyttä ja siten potilaiden riskiä sairastua sydän- ja verisuonitauteihin. Lipoatrofinen rasva on tulehtunut ja sen mitokondriovarannot vähentyneet. Koska mitokondrioiden vähyys on todettavissa niskarasvassa myös sellaisilla lipodystrofisilla henkilöillä, joilla se on säilynyt atrofialta, mitokondriokatoa ei voida pitää lipoatrofiaa suoraan aiheuttavana tekijänä. Niskan ja vatsan ihonalaisrasvan merkittävin ero on elinkehitystä ohjaavissa geeneissä, mikä voi selittää kudosten erilaisen alttiuden lääkkeiden sivuvaikutuksille. Uridiini on tehokas hoito HIV-potilaiden lipodystrofiaan muuttumattoman yhdistelmähoidon aikana.