Alvorlig hepatocellulær dysfunksjon resulterer i en forstyrrelse i kroppens nitrogenhomøostase. Ammoniakk inngår normalt i mange av kroppens biokjemiske prosesser, men er cytotoksisk ved forhøyede plasmanivåer (1 ) og sterkt assosiert med utviklingen av hepatisk encefalopati hos både dyr og mennesker (2 ). Hahn og medarbeidere fra Pavlovs gruppe i St. Petersburg var de første som studerte hepatisk encefalopati systematisk (3 , 4 ). De observerte at hunder som hadde fått en Eck-fistel (portakaval shunt) utviklet stupor når de ble fôret med kjøtt, og konkluderte derfor med at det eksisterte en kausal relasjon mellom shunting av blod forbi leveren og utviklingen av cerebral dysfunksjon (4 ).
Den viktigste alternative metode for detoksifisering av ammoniakk går gjennom syntesen av glutamin. Enzymet glutaminsyntase (GS), som finnes i cellenes cytosol, katalyserer syntesen av glutamin fra ekvimolare mengder glutamat og ammoniakk (5 ). Glutaminsyntase finnes i mange av kroppens organer, og enzymaktiviteten økes av glukokortikoide hormoner, stress og glutaminmangel (6 ). Det intramitokondrielle fosfatavhengige enzymet glutaminase (PAG) katalyserer hydrolysen av glutamin slik at glutamat, ammoniakk, energi og substrater for nukleotidsyntesen dannes (fig 1) (7 ). Forstyrrelser i nitrogenmetabolismen ved akutt og kronisk leversvikt kan derfor ikke forstås uten at man samtidig studerer samspillet mellom glutamat-, glutamin- og ammoniakkmetabolismen i de enkelte organer og i organismen som helhet.
Figur 1 Glutaminbiosyntesen
Hensikten med denne oversiktsartikkelen er å beskrive patofysiologien bak forstyrrelsene i ammoniakkmetabolismen ved akutt og ved kronisk leversvikt samt å diskutere eksperimentelle og kliniske forskningsdata i forhold til etablerte og nye behandlingsprinsipper.
Materiale og metode
Artikkelen er basert på egne observasjoner i en grisemodell for akutt leversvikt (8 , 9 ) og på et ikke-systematisk litteratursøk i Medline. En nyere oversiktsartikkel inneholder de viktigste litteraturhenvisninger for perioden før 1966 (10 ). Litteratur fra perioden 1966 – 2006 ble søkt i Pubmed med kombinasjoner av søkeordene «hepatic encephalopathy», «ammonia», «ammonia metabolism», «interorgan ammonia metabolism». Referanselistene i de respektive artiklene ble gjennomgått og kryssjekket opp mot Medline-funnene. Både humane og eksperimentelle studier ble inkludert.
Ammoniakk, glutamin og glutamat
Ved fysiologisk pH finnes 99 % av ammoniakkmengden i form av ammoniumionet (NH₄+ ) som dannes fra ammoniakkgassen og vice versa i ekvilibriumreaksjonen NH₃ + H+ ↔ NH₄+ . I motsetning til ammoniakk (NH₃), som er en gass, kan ikke ammoniumionet (NH₄+ ) diffundere fritt gjennom cellemembraner, det må transporteres ved bærermedierte prosesser (11 ).
Ammoniakknivået er vanligvis kraftig forhøyet hos pasienter med akutt leversvikt (150 – 350 µmol/l) og i eksperimentelle dyremodeller (8 ). Hos personer med kronisk leversvikt er det vanligvis noe lavere nivåer, det avhenger av dekompensasjonsgrad (tab 1) (12 , 13 ). De arterielle nivåer av glutamin er vanligvis ikke høyere hos pasienter med kronisk leversvikt enn hos friske frivillige, men er kraftig økt hos mennesker og dyr med akutt leversvikt (9 , 12 ).
Tabell 1 Nivåer i arterielt plasma av ammoniakk, glutamin og glutamat hos friske individer og hos pasienter med leversykdom (12, 13)
Pasientgruppe
Ammoniakk (µmol/l)
Glutamin (µmol/l)
Glutamat (µmol/l)
Friske frivillige
45
600
50 – 200
Kompensert kronisk leversvikt
60
600
50 – 200
Akutt dekompensert kronisk leversvikt
90 – 120
600
50 – 200
Akutt leversvikt
150 – 350
↑↑(> 1 000)
↓↓ (< 50)
Hos pasienter med cirrhose synes det ikke å være redusert glutamatnivå (14 ). Eksperimentelle data, derimot, tyder på at det eksisterer en relativ glutamatmangel hos dyr med akutt leversvikt, noe som er ugunstig for å kunne opprettholde en effektiv ammoniakkmetabolisme (9 ). Betydningen av dette funnet i relasjon til interorganmetabolismen av ammoniakk diskuteres senere.
Lever
Syntesen av urea foregår i periportale hepatocytter, mens glutaminsyntesen foregår i perivenøse hepatocytter som er lokalisert rundt de terminale hepatiske venyler i leveracini (15 ). På grunn av deres anatomiske lokalisasjon vil ammoniakk som unnslipper metabolismen i ureasyklus kunne bli tatt opp av de perivenøse hepatocyttene og bli metabolisert til glutamin. Glutaminase i leveren aktiveres av ammoniakk og har derfor en viktig rolle i å kontrollere ammoniakktilførselen til CPS-I (det hastighetskontrollerende enzymet i ureasyklus) (16 ). I normalsituasjonen er betydningen av glutaminsyntase og glutaminase omtrent lik, derfor er den arteriovenøse differansen for glutamin over leveren tilnærmet null.
Personer med cirrhose i leveren kan ha intra- og ekstrahepatiske portasystemiske shunter på opptil 50 % av portas blodstrøm (17 ). I tillegg er det hos disse pasientene redusert urea- og glutaminsyntesekapasitet på grunn av hepatocellulær dysfunksjon. Til tross for økt glutaminaseaktivitet unnslipper ammoniumionet clearance i leveren og bidrar derfor til økte ammoniakkverdier systemisk. Som oppsummering kan man derfor hevde at leveren bidrar til økte ammoniakknivåer i systemisk blod både på grunn av nedsatt urea- og glutaminsyntesekapasitet og gjennom intra- og ekstrahepatiske portakavale shunter.
Tarm
Ifølge eldre litteratur er bakteriefloraen i colon en viktig kilde til ammoniakkfrigjøring ved å splitte urea og aminosyrer (18 , 19 ). Men i flere studier er det vist at tynntarmen er en minst like viktig kilde til forhøyede ammoniakkverdier hos pasienter med leversykdom (20 , 21 ) og i friske dyr med øvre gastrointestinalblødning (22 ). Studier av kimfrie dyr har vist at signifikante mengder ammoniakk kommer fra nedbrytningen av aminosyrer (spesielt glutamin) i tynntarmen (20 , 23 ). I tynntarmen er det høy glutaminaseaktivitet, men relativt liten glutaminsyntaseaktivitet (5 , 23 ), noe som gjør tynntarmen til et netto glutaminkonsumerende organ. I vår modell fant vi at splanchnicusgebetet bidro til forhøyede ammoniakknivåer vesentlig ved økt portasystemisk shunting, ikke ved økt glutaminnedbrytning i tynntarmen (9 ). Det finnes relativt lite litteratur om glutamin- og ammoniakkmetabolismen i tarmene hos pasienter med kronisk leversvikt, men det som finnes, støtter observasjonene om at ammoniakk vesentlig frigjøres via eksisterende intra- og ekstrahepatiske portakavale shunter, ikke som et resultat av økt ammoniakkproduksjon fra glutamin (24 , 25 ).
Muskulatur
Skjelettmuskulaturen er vårt viktigste glutaminsyntetiserende organ (26 ). Diskrepansen mellom et relativt stort opptak av ammoniakk og små arteriovenøse forskjeller i ammoniakknivå i muskulaturen er blitt tolket slik at skjelettmuskulaturen kontinuerlig forbruker og produserer ammoniakk (27 ). Videre vet vi at netto detoksifisering av ammoniakk bare kan skje ved at stoffet blir tatt opp samtidig som glutamin blir produsert. I vår modell fant vi at glutamin ble frigjort fra skjelettmuskulaturen, men ikke i mengder som avvek fra mengden hos friske kontrolldyr (9 ). Data fra pasienter med dekompensert kronisk leversvikt viser at ammoniakk tas opp, men at det fortsatt er tvil om dette reflekterer en netto detoksifikasjon eller om det bare dreier seg om endringer i muskelens totale mengde ammoniakk og glutamin (28 , 29 ). Det er likevel verdt å merke seg at man ved en simulert øvre gastrointestinalblødning (nitrogenbelastning) fant at skjelettmuskulaturen tok opp signifikante mengder ammoniakk, og relativt større mengder enn i leveren (30 ). Skjelettmuskulaturen spiller derfor en viktig rolle i detoksifiseringen av ammoniakk ved både akutt og kronisk leversvikt. Årsaken til dette er at enzymet glutaminsyntase er lokalisert her. Kvantitativt er dette den viktigste alternative metaboliseringsruten for ammoniakk i kroppen.
Nyrer
Nyrene inneholder både glutaminase og glutaminsyntase. De er derfor i stand til både å syntetisere og å degradere glutamin. Studier i dyr og mennesker har vist at nyrene produserer ca. 40 µmol/min ammoniakk til nyrevenene (70 %), mens ca. 30 % av den totale renale ammoniakkproduksjonen blir skilt ut i urinen (25 ). Nyrene er altså organer som netto bidrar med ammoniakk til den systemiske sirkulasjonen under normale fysiologiske forhold. I vår modell for akutt leversvikt fant vi at nyrene bidro signifikant til å øke ammoniakkverdiene systemisk, uten at det var tegn til økt ekskresjon i urinen (9 ). Kliniske studier har vist at både inntak av føde og simulert blødning hos pasienter med levercirrhose øker ammoniakkutslippet fra nyrene til den systemiske sirkulasjonen, men uten endret ammoniakkutslipp fra splanchnicusgebetet (30 ). Nyrene bidrar derfor til å opprettholde hyperammonemien ved akutt og ved kronisk leversvikt. I enkelte dyremodeller og hos mennesket er det derimot vist at nyrene kan tilpasse seg gjennom økt ammoniakkutskilling i urinen (30 ).
Lunger
Lungene inneholder både glutaminsyntase og glutaminase (31 ) og er derfor et potensielt viktig organ for alternativ ammoniakkmetabolisme. Vi fant tegn til at lungene er metabolsk aktive, men funnene er usikre pga. metodisk usikkerhet (9 ). Strømningen av glutamin og glutamat i lungene var ikke forskjellig fra null på noe måletidspunkt, men mengden ammoniakk i lungevevet var signifikant høyere hos dyr med akutt leversvikt enn hos friske kontrolldyr. Nyere data fra andre spesies støtter vår antakelse om at lungene spiller en viss rolle for ammoniakkhomøostasen (32 ). Det trengs flere studier.
Hjerne
Hjernen inneholder både glutaminase (nevroner) og glutaminsyntase (astrocytter). Det er vist netto ammoniakkopptak hos friske frivillige (33 , 34 ). Forutsatt konstant cerebral blodstrøm øker ammoniakktilførselen til hjernen ved arteriell hyperammonemi. Eksperimentelt er det vist at det foregår et netto forbruk av ammoniakk og en netto produksjon av glutamin i rotter med kronisk portakaval shunt og hos dyr med akutt iskemisk leversvikt (35 ). Nyere data indikerer dog at hjernen ikke kan øke ammoniakkmetabolismen. Årsaken til dette kan være mangel på substrat eller kofaktorer for enzymet eller en indirekte effekt av ammoniakk på ekspresjonen av glutaminsyntase (36 ).
Diskusjon
Ved normal tilstand produseres det ammoniakk i tarm og nyrer, mens leveren konsumerer stoffet (fig 2). Ved svikt i leverfunksjonen kan kroppen omdanne ammoniakk gjennom alternative metabolske veier i skjelettmuskulaturen (kvantitativt viktigst) og i hjernen. Avhengig av etiologi og type leversvikt utvikler pasientene hyperammonemi (tab 1), som er nær forbundet med utviklingen av hepatisk encefalopati. Dette er et nevropsykiatrisk syndrom som rammer pasienter med akutt og pasienter med kronisk leversvikt. Det har meget forskjellig klinisk manifestasjon. Pasienter med akutt leversvikt utvikler ofte hjerneødem, med fare for herniering, mens de med dekompensert kronisk leversvikt (acute-on-chronic) ikke utvikler intrakranial hypertensjon. Klinisk er symptomene på encefalopati vanligvis mildere ved dekompensert kronisk leversvikt, og tilstanden omtales gjerne som «minimal hepatisk encefalopati» i engelskspråklig litteratur (37 ).
Figur 2 Ammoniakk produseres i tarm og nyrer, mens leveren netto konsumerer ammoniakk. Stiplede linjer indikerer alternative metabolske veier for ammoniakk ved leversvikt
Kliniske implikasjoner
Målet for terapianbefalinger for hepatisk encefalopati er å redusere pasientens ammoniakkverdier. Strategien er hovedsakelig basert på å redusere ammoniakkproduksjonen og absorpsjonen fra colon ved bruk av ikke-absorberbare perorale antibiotika og laktulose. Dessuten anbefales redusert inntak av proteiner. Som det fremgår av det foregående kan det settes spørsmålstegn ved rasjonalet for en slik behandlingsstrategi (38 ). Innføringen av laktulose var basert på ideen om at ved leversvikt var hovedprodusenten av ammoniakk i kroppen bakterier i colon (18 ). Nå vet vi at dette ikke er tilfellet, og i en nylig publisert Cochrane-oversikt konkluderte forfatterne med at det ikke finnes vitenskapelig grunnlag for verken å anbefale eller fraråde bruk av laktulose (39 ). For å redusere bakteriefloraen synes antibiotika å være mer effektivt enn laktulose, men det finnes ingen sikre holdepunkter for at dette påvirker dødeligheten (40 ), og rasjonalet for slik bruk er heller tvilsomt (41, 42).
Proteinrestriksjon er den tredje hovedpilaren i behandlingen av hepatisk encefalopati. Denne anbefalingen er enda dårligere dokumentert (39 ). Personer med kronisk leversvikt lider av malnutrisjon og trenger et høyere proteininntak enn det som er vanlig for å oppnå positiv nitrogenbalanse. Det er nylig vist at en diett med normalt proteininnhold kan administreres sikkert til pasienter med cirrhose (43 ). Graden av hepatisk encefalopati ble ikke påvirket, og man begrenset i tillegg katabolismen hos disse pasientene (43 ).
I de senere år har man i eksperimentelle og kliniske studier konsentrert seg om å redusere ammoniakknivået via alternative metabolske veier. Mest kjent er LOLA-behandlingen (L-ornithin L-aspartate), som virker ammoniakksenkende ved å øke tilgjengeligheten av glutamat slik at skjelettmuskulaturen kan danne glutamin fra ammoniakk og glutamat (fig 1). Ved hjelp av denne strategien har man kunnet redusere hjerneødem eksperimentelt (44 ). Klinisk er behandlingen ennå ikke implementert – av ulike årsaker (38 ). Ved vårt laboratorium tester vi ut ulike andre ammoniakksenkende strategier, som så langt virker lovende, men det vil ennå ta flere år før disse kan prøves ut i randomiserte kliniske forsøk.
Konklusjon
Behandling av pasienter med hepatisk encefalopati er utfordrende og krever inngående kjennskap til glutamin-, glutamat- og ammoniakkmetabolismen og hvordan dette samspillet er endret ved akutt og ved kronisk leversvikt. Tidligere terapianbefalinger om proteinrestriksjon og bruk av antibiotika og laktulose er dårlig dokumentert i litteraturen. Nye, lovende behandlingskonsepter er under utprøvning.
