Characterization of iron deficiency in COPD patiens: implications in exercise tolerance and redox balance in muscle and systemic compartments

Abstract

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients may present different types of systemic manifestations. Iron deficiency (ID) (Fe, an essential nutritional element) is common and can negatively affect exercise tolerance and, therefore, their quality of life. The objectives of this thesis were to study the effects of ID on exercise capacity and lung function in patients with severe COPD and muscle dysfunction. Forty COPD patients (n=20 without ID and n=20 with ID) were recruited, from whom blood and muscle specimens (vastus lateralis, VL) were obtained. Lung function, exercise capacity (6-minute walk test, 6MWT), and limb muscle strength were assessed in all patients. In addition, the levels of biomarkers of iron metabolism regulators, oxidative stress (blood and muscle) and muscle architecture was analyzed. Correlations between clinical and biological variables were performed. Besides, in the current thesis, another objective was to evaluate the effect of iron replacement on oxidative stress in ID COPD patients. For this study, 66 ID COPD patients were recruited (n=22 treated with placebo and n=44 treated with ferric carboxymaltose). Biomarkers of iron metabolism and oxidative stress were analyzed in the blood of these patients, before and after treatment. Among all COPD patients (with and without ID), serum ferritin levels correlated with FEV1. In ID COPD patients, their exercise capacity was reduced; likewise, the 6MWT distance was positively associated with iron metabolism regulators (ferritin, hepcidin, and muscle iron content). In the VL of ID patients, the percentage of type I fibers decreased, while the percentage of type II fibers increased. Moreover, in these patients the systemic and muscle levels of pro-oxidant markers were increased, meanwhile antioxidants were reduced. In ID COPD patients, after iron replacement therapy, systemic oxidative stress markers were attenuated. In conclusion, in COPD patients, exercise capacity and lung function are associated with the content of iron metabolism regulators. In addition, in these patients, oxidative stress levels seem to be related to iron availability, increasing in the case of iron deficiency and improving in the case of iron replacement treatment.

Los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) presentan manifestaciones sistémicas de diversa índole. El déficit de hierro (DH) (Fe, elemento nutricional esencial) es frecuente, y puede incidir negativamente en la tolerancia al ejercicio, y, por ende, en su calidad de vida. Los objetivos de esta tesis fueron estudiar los efectos de la depleción de hierro en la capacidad de ejercicio y función pulmonar en pacientes con EPOC grave y con disfunción muscular. Se reclutaron 40 pacientes EPOC (n=20 sin DH y n=20 con DH) de los que se obtuvieron muestras sanguíneas y musculares (vasto lateral, VL). Se evaluó la función pulmonar, la capacidad de ejercicio (prueba de marcha de 6 minutos, PM6M) y la fuerza muscular de las extremidades en todos los pacientes. Además, se analizaron los niveles de biomarcadores reguladores del metabolismo férrico, de estrés oxidativo (sangre y músculo) y la arquitectura del músculo. Se realizaron correlaciones entre variables clínicas y biológicas. Al mismo tiempo, en la presente tesis, se estableció como objetivo evaluar el efecto de la reposición de hierro en el estrés oxidativo en pacientes EPOC con DH. Para ello, se reclutaron 66 pacientes EPOC con DH (n=22 tratados con placebo y n=44 tratados con carboximaltosa férrica). En la sangre de estos pacientes se analizaron biomarcadores del metabolismo del hierro y de estrés oxidativo, antes y después del tratamiento. Entre todos los pacientes EPOC (con y sin DH), los niveles séricos de ferritina correlacionaron con su FEV1. En los pacientes EPOC con DH, su capacidad de ejercicio disminuyó; asimismo, la distancia recorrida en la PM6M se asoció positivamente con reguladores del metabolismo del hierro (ferritina, hepcidina y contenido muscular de hierro). En el VL de los pacientes con DH, el porcentaje de las fibras de tipo I disminuyó, mientras que el de las fibras de tipo II aumentó. Además, en estos pacientes los niveles sistémicos y musculares de marcadores prooxidantes aumentaron, mientras que los antioxidantes disminuyeron. En pacientes EPOC con DH, después de un tratamiento sustitutivo de hierro, los marcadores de estrés oxidativo sistémicos se atenuaron. En conclusión, en pacientes EPOC, la capacidad al ejercicio y la función pulmonar se asocian al contenido de reguladores del metabolismo del hierro. Además, en estos pacientes, los niveles de estrés oxidativo parecen estar relacionados con la disponibilidad del hierro, aumentando en caso de su déficit y mejorando en caso de tratamiento de reemplazo de hierro.