Verder onderzoek van mitochondriale funktie in spieren bij M.E.(cvs)

[zie ook: ‘M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte’]

Research uitgevoerd aan de ‘Newcastle University’ heeft aangetoond, zo werd aangekondigd op het ‘Fatigue Research Symposium’ (10 juni 2010), dat een significante subgroep M.E./CVS-patiënten stoornissen vertonen bij het opwekken van energie in spieren, en een over-produktie van melkzuur. (verslag door MEA’s adviseur Dr Shepherd)

Op biochemisch niveau speelt het pyruvaat-dehydrogenase complex (PDC; zie hierna) een sleutel rol bij de regulering van cellulaire energetica. Een verminderde funktie van PDC resulteert in verhoogd metabolisme van pyruvaat (ontstaat uit glucose bij de glycolyse) via het lactaat-dehydrogenase (enzyme dat de omzetting van pyruvaat naar lactaat katalyseert) mechanisme, met over-produktie van lactaat tot gevolg. Verstoorde energie-ontwikkeling door de spieren, een stijging van de lactaat/pyruvaat verhouding bij M.E.(cvs) en een neiging tot overmatige intra-musculaire acidose (‘verzuring’) na beperkte inspanning suggereert PDC-dysfunktie in spieren van M.E.(cvs)-patiënten, met implicaties voor het mechanisme dat leidt tot de expressie van vermoeidheid.

Dit team postuleerde dat patiënten met M.E.(cvs) een significante abnormaliteit vertonen in de zuurtegraad-controle (David EJ Jones et al. ‘Abnormalities in pH Handling by Peripheral Muscle and Potential Regulation by the Autonomic Nervous System in Chronic Fatigue Syndrome’. J Intern Med. 2010 Apr;267(4):394-401; zie ‘Abnormale zuur-verwerking in spieren bij CVS’) in hun spieren, gelinkt met de produktie van zuur én zijn verwijdering uit het weefsel. Dit, geloven zij, resulteert in het opwekken van een ‘stop’-signaal voor inspanning dat wordt waargenomen in de hersenen.

Het idee dat M.E.(cvs)-patiënten abnormaal acidotische spier-cellen zouden kunnen hebben werd in deze context bedacht door Professor David Jones van het ‘Institute for Cellular Medicine’, ‘Newcastle University’. Zijn uitgebreid onderzoek op dit gebied suggereerde een link tussen abnormaliteiten qua pH-verwerking in perifere spieren en mogelijke regulering via het autonoom zenuwstelsel bij M.E.(cvs). (Er zijn echter nog andere mechanismen die de zuurtegraad van weefsels controleren; zie: ‘Vacuolair APTase bij CVS (‘channelopathy’)’ en ‘Spier-metaboreceptoren’). Onderzoek specifiek naar de rol van pyruvaat-dehydrogenase bij M.E.(cvs) is nog niet gepubliceerd maar het onderzoek zou zijn opgestart…

In een artikel door o.a. Prof. Julia Newton & Prof. David Jones (‘Pilot study of peripheral muscle function in primary biliary cirrhosis: potential implications for fatigue pathogenesis’, Clin Gastroenterol Hepatol (2008) 6 (9):1041-8) werd de mitochondriale funktie bij patiënten met PBC, patiënten met primaire scleroserende cholangitis (ontsteking en uiteindelijk afsluiting van de galwegen), patiënten met M.E.(cvs) en normale controles vergeleken. De studie gaat hoofdzakelijk over de werking van de mitochondrieën bij PBC (waar de resultaten duidelijk op mitochondriale dysfunktie wijzen: overmatige spier-acidose bij inspanning), over M.E.(cvs)-patiënten wordt gezegd: “Het is interessant dat een verlenging van de tijd tot maximum proton-efflux ook werd gezien in de M.E.(cvs)-groep, wat er op duidt dat er aspecten van het controleren van de spier-pH zijn die abnormaal zijn bij deze groep.”.

Het pyruvaat-dehydrogenase complex is een complex van enzymen die pyruvaat omzetten (oxideren) naar acetyl-CoA (een product van de aërobe cellulaire ademhaling). Acetyl-CoA kan dan worden gebruikt in de citroenzuur-cyclus (ook TCA- of Krebs-cyclus genoemd) die energie levert; dit complex verbindt dus de glycolyse met de citroenzuur-cyclus. Deze pyruvaat-decarboxylatie staat ook bekend als de pyruvaat-dehydrogenase reaktie. PDC is een multi-enzyme complex: het omvat 60 sub-units die 3 funktionele proteïnen vormen.

Een deficiëntie van het enzyme pyruvaat-dehydrogenase bij M.E.(cvs) werd in 1999 reeds door Prof. Wilhelmina Behan van de ‘Glasgow University’ en haar team geopperd (‘In vitro Study of Muscle Aerobic Metabolism in Chronic Fatigue Syndrome’). Bij die studie werden myoblast-culturen opgezet van spier-biopten afkomstig van 16 patiënten met M.E.(cvs) en 10 gezonde controles. De lactaat/pyruvaat (L/P) verhouding (maat voor de redox-status van de cellen: hoge L/P ratios worden gevonden als de respiratoire keten defekt is), en de aktiviteiten van de enzymen cytochroom-oxidase, COX en lactaat-dehydrogenase, LDH (minder specifieke testen voor de respiratoire keten) werden bepaald. De resultaten toonden dat de myoblasten van 10 op 16 M.E.(cvs)-gevallen een gebrekkig aëroob metabolisme vertoonden: twee hadden verhoogde L/P ratios (suggestief voor een defekt in de oxidatieve fosforylatie) en acht hadden verlaagde ratios (consistent met een pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie). Er werd besloten dat er overtuigend bewijs is voor milde aërobe defekten in skelet-spieren in sommige gevallen van M.E.(cvs)  (heterogene populatie!) maar het beeld dat hier naar voor komt is niet zoals bij typische mitochondriale aandoeningen.

(Ook te onthouden: L-carnitine reduceert de intra-mitochondriale acetyl-CoA / CoA verhouding, waardoor de aktiviteit van pyruvaat-dehydrogenase wordt geaktiveerd en de oxidatie van pyruvaat wordt verhoogd.)

————————-

J Hepatol. (2010) 53: 155-61

Loss of capacity to recover from acidosis in repeat exercise is strongly associated with fatigue in primary biliary cirrhosis

Kieren G Hollingworth¹, Julia L Newton^2,3, Lisa Robinson³, Roy Taylor¹, Andrew M Blamire¹, David EJ Jones^2,3

1 Newcastle Magnetic Resonance Centre, Newcastle University, UK

2 Institute for Ageing and Health and Institute of Cellular Medicine, Newcastle University, UK

3 NIHR Biomedical Research Centre in Ageing Liver Theme, Newcastle University, UK

Samenvatting

Achtergrond & Doelstellingen: Bij inspanning, blijkt primaire biliare cirrhose [PBC, een auto-immune lever-aandoening gekenmerkt door anti-mitochondriale auto-antilichamen tegen de E2 sub-unit van het pyruvaat-dehydrogenase complex (PDC).] geassocieerd met significante acidose in perifere spieren, waarbij een herstel van acidose sterk is geassocieerd met vermoeidheid. PBC-patiënten beschrijven in het bijzonder problemen bij herhaalde inspanning waarbij verdere inspanning-episodes worden beperkt door waargenomen effekten van de eerste. We bekeken daartoe het pH-herstel tijdens 3 gekoppelde inspanning-episodes d.m.v. magnetische resonantie spectroscopie (MRS).

Methodes: Het zuur-verwerkend vermogen van spieren werd bestudeerd na 3 x 3 min inspanning bij 35% van de ‘maximum voluntary capacity’ in gematchte vermoeide PBC, niet-vermoeide PBC en gezonde controles (8 per groep).

Resultaten: De tijd tot pH-herstel na de initiële inspanning was verlengd bij PBC vergeleken met controles (160 s vs. 25, p=0.005) waarbij de langste herstel-tijd werd gezien bij de vermoeide patiënten (mediaan 210 s). bij alle individuen verkorte de herstel-tijd tussen inspanning-periodes 1 en 2 (controles: gemiddeld -28%, niet-vermoeide PBC: -29% en vermoeide PBC: -30%. Normale controles vertoonden een verder verkorten van het herstel tussen inspanning-periodes 2 en3 (-18%) maar deze adaptieve respons ging echter verloren bij niet-vermoeide PBC (+3%) en keerde zelfs om bij vermoeide patiënten (+19%).

Besluiten: [De resultaten spreken voor zich maar zijn natuurlijk niet noodzakelijk te extrapoleren naar M.E.(cvs). Het is inderdaad wel het onderzoeken waard of dit inderdaad ook zo is.]

*************************

Ondertussen wordt de research verder gezet: een project getiteld ‘Development of Intracellular Nanosensors to Investigate Muscle Bioenergetic Abnormalities Potentially Associated with Myalgic Encefalomyelitis / Chronic Fatigue Syndrome (M.E./CFS)’ zou één en ander verder moet verduidelijken… Dit zal worden gesponsord door het britse ‘MEA Ramsay Research Fund’. (Een aansluitende studie zal de expressie onderzoeken van de belangrijke energie-genererende enzymen en cel-proteïnen die zuur-opstapeling in de cel helpen controleren; gefinancierd door de ‘M.E. Research UK’)

Uit de project-omschrijving:

“Myalgische Encefalomyelitis (M.E.) / Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) wordt gekenmerkt door diepgaande vermoeidheid die frequent een significante impact heeft op de levenskwaliteit. Ons onderzoek heeft aangetoond dat bij een significante subgroep van M.E.(cvs)-patiënten een verstoring van de energie-ontwikkeling in de spieren optreedt.

Het pyruvaat-dehydrogenase complex (PDC) speelt een sleutel-rol bij de regulering van cellulaire energetica. Verminderde funktie van PDC resulteert in verhoogd metabolisme van pyruvaat via het lactaat-dehydrogenase mechanisme, met daaropvolgende over-produktie van melkzuur. Verstoorde energie-opwekking in spieren, een stijging van de lactaat/pyruvaat verhouding en een neiging tot overmatige intra-musculaire acidose na beperkte inspanning suggereert PDC-dysfunktie in spieren bij of M.E.(cvs)-patiënten, met implicaties voor het mechanisme dat vermoeidheid tot expressie brengt.

We stellen dat patiënten met M.E.(cvs) significante abnormaliteiten bij de controle van de zuurtegraad in hun spieren vertonen, gerelateerd met zuur-produktie én het verwijderen daarvan uit de weefsels wat, naar wij denken, resulteert in het opwekkenvan een centraal waargenomen ‘stop-signaal voor inspanning.

We ontwikkelen daartoe intracellulaire nano-sensoren [ultra-kleine onderzoek-sondes die binnenin de cel kunnen werken] specifiek ontworpen om in ‘real-time’ stromen van sleutel-molekulen, die geassocieerd zijn met kritieke bio-energetische mechanismen, te monitoren binnenin de cel. Op die manier zal het mogelijk zijn biochemische veranderingen met hoge gevoeligheid te identificeren, wat uiteindelijk zal leiden tot het M.E.(cvs)-fenotype. Dergelijke sensoren zullen parameters zoals pyruvaat, melkzuur, zuurtegraad en ATP (maar niet enkel deze) omvatten. Verder zal modificatie van het oppervlakte van de nano-sensoen selektieve positionering ervan binnenin de cel vergemakkelijken, waardoor het mogelijk wordt de metabolieten-stroom van bepaalde cel-organellen in ‘real time’ te meten.

Deze zeer ingewikkelde medische technologie werd reeds gebruikt bij intracellulaire chemische analyses, getuigde de publicaties van Philip Manning’s ‘Diagnostic & Therapeutic Technologies’ team aan de ‘Newcastle University’ betreffende sensoren voor reaktieve zuurstof soorten (ROS) en superoxide. Om een idee te geven van de complexiteit: een ROS-responsieve nano-sensor omvatte een ROS-gevoelige fluorescente molekule ingekapseld in een polymeer die via fagocytose werd opgenomen in macrofagen, zodat na stimulatie de produktie van ROS in de cel kan worden bekeken; de generatie van superoxide kon in geïsoleerde mitochondria (één van de belangrijkste bronnen van ROS bij zoogdieren) in ‘real time’ worden gemonitord via de toepassing van een amperometrische sensor (detekteert en meet de molekule die van belang is via veranderingen in redox-toestand die elektrochemisch wordt omgezet naar een signaal onder de vorm van een stroompje; de grootte-orde daarvan is proportioneel met de hoeveelheid) op basis van cytochroom-c (essentieel onderdeel van de mitochondriale elektron-transport keten).

Deze technologie zou dus ook kunnen worden gebruikt bij evaluatie van de intracellulaire pH (zuurtegraad) in myoblasten (cellen die zich ontwikkelen tot spiercellen).