Variaties in Pijn-perceptie zijn Genetisch bepaald

In het artikel van Light et al. (zie ‘Matige Inspanning verhoogt Expressie van Sensorische, Adrenerge en Immuun Genen bij CVS’) bleek dat het nog niet altijd even duidelijk is of de beschreven genetische defekten te wijten zijn aan het CVS of aan de overlappende FMS: “We kunnen nog niet kunnen onderscheiden of de geobserveerde responsen typisch zijn voor alle CVS-patiënten of slechts voor de subgroep die beide aandoeningen heeft.”.

In afwachting van verder onderzoek bekijken we hier de literatuur over één van de genen die al wat beter bestudeerd zijn: catechol-O-methyltransferase (COMT).

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

Variaties in Pijn-perceptie zijn Genetisch bepaald

Pijn helpt mensen beschermen door te waarschuwen voor bedreigingen maar ongecontroleerde chronische pijn kan het leven ook ondraaglijk maken. Hoeveel pijn iemand kan verduren verschilt van persoon tot persoon. Sommigen verdragen veel fysieke en psychologisch stress zonder klaarblijkelijke gevolgen terwijl anderen chronische pijn aandoeningen ontwikkelen.

Een team wetenschappers van de ‘University of North Carolina’, de ‘National Institutes of Health’, de ‘University of Adelaide’ en Attagene Inc. publiceerden in 2005 een aanzet voor een beter begrip hieromtrent.

Subtiele variaties in bepaalde genen kunnen iemand zeer gevoelig maken voor mijn pijn en meer vatbaar voor het ontwikkelen van chronische pijn aandoeningen, terwijl andere beschermend kunnen zijn: “Sommige mensen zijn zeer pijn-resistent alsof ze een klinische dosis morfine hebben genomen.”, “Mensen die minder gevoelig zijn voor pijnlijke stimuli zijn beschermd tegen het ontwikkelen van een een zeer courante en invaliderende pijn-aandoening genaamd ‘temporomandibular joint disorder’ (TMJD; aandoening van het scharniergewricht in de kaak gepaard gaan met pijn e.a. symtomen). Deze variaties in pijn-gevoeligheid zijn stabiel in de tijd, wat een genetische voorbestemdheid suggereert.”.

COMT, catechol-O-methyltransferase, een enzyme dat de concentraties aan epinefrine en andere stoffen controleert, en wordt afgegeven in respons op stress, bleek significante variaties in pijn-gevoeligheid te verklaren. Bij 202 gezonde vrouwen werden de COMT gen-varianten, de pijn-gevoeligheid en het risico op TMJD geanalyseerd. Molekulair biologische, cel-cultuur en dieren-gedrag experimenten werden ook uitgevoerd om de relatie aan te tonen tussen COMT-aktiviteit en pijn-gevoeligheid.: “We identificeerden drie genetische varianten van COMT die zeer prevalent zijn in de menselijke bevolking.”, “Een genetische variatie beïnvloedt de menselijke pijn-perceptie én het risico voor het ontwikkelen van een chronische pijn aandoening.”

De researchers geloven dat hun ontdekkingen ook toepasbaar zullen zijn op aandoeningen zoals fibromyalgie-syndroom, prikkelbare darm syndroom en meerdere andere chronische aandoeningen die ook worden gekenmerkt door verhoogde pijn-gevoeligheid. “De resultaten hebben brede vertakkingen betreffende het begrijpen van pijn-fysiologie en genetica, voor de ontwikkeling van genetische merkers voor pijn-aandoeningen en door het ontwerpen van nieuwe en betere strategieën voor het behandelen van pijn.”

Hum Mol Genet. 2005 Jan 1;14(1):135-43

Genetic basis for individual variations in pain perception and the development of a chronic pain condition

Diatchenko L, Slade GD, Nackley AG, Bhalang K, Sigurdsson A, Belfer I, Goldman D, Xu K, Shabalina SA, Shagin D, Max MB, Makarov SS, Maixner W

Comprehensive Centre for Inflammatory Disorders, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC 27599, USA

Pijn-gevoeligheid varieert substantieel bij mensen. Een significant deel van de meselijke bevolking ontwikkelt chronische pijn aandoeningen die worden gekarakteriseerd door verhoogde pijn-gevoeligheid. We identificeerden drie genetische varianten (haplotypes) van het gen coderend voor catecholamine-O-methyltransferase (COMT) die we benoemden als lage pijn-sensitiviteit (LPS), gemiddelde pijn-sensitiviteit (APS) en hoge pijn-sensitiviteit (HPS). We tonen aan dat deze haplotypes 96% van de menselijke bevolking omvatten en dat combinaties van deze haplotypes sterk geassocieerd (P=0.0004) zijn met variatie qua gevoeligheid voor experimentele pijn. De aanwezigheid van zelf één enkel LPS haplotype vermindert, tot 2,3 maal, het risico voor het ontwikkelen van myogeen ‘temporomandibular joint disorder’ (TMD), een courante musculoskeletale pijn aandoening. Het LPS haplotype produceert veel hogere waarden aan COMT enzymatische aktiviteit vergeleken met de APS of HPS haplotypes. Inhibitie van COMT bij ratten resulteert in een intense verhoging qua pijn-gevoeligheid. COMT-aktiviteit beïnvloedt dus substantieel de pijn-gevoeligheid en de drie belangrijke haplotypes bepalen COMT-aktiviteit, die omgekeerd correleert met pijn-gevoeligheid en het risico op het ontwikkelen van TMD.

————————-

In 2003 linkten researchers ook reeds verschillen in de manier waarop mensen met pijn omgaan – fysieke én emotionele stress – met het gen dat catechol-O-methyltransferase (COMT), een enzyme dat vitaal is voor het opruimen van dopamine, – maakt. Het team van Jon-Kar Zubieta aan de ‘University of Michigan’ vond dat mensen met een minder aktieve vorm van COMT meer acute pijn bleken te voelen.

Het COMT gen bestaat onder twee vormen die copieën maken die verschillen in één enkel aminozuur. Deze kleine variatie blijkt een groot effekt op de aktiviteit van COMT te hebben. Mensen met de meest luie vorm van het gen – met twee copieën van de methionine versie – maken enzymen die drie tot vier maal minder effektief zijn dan de andere varianten met enkel het aminozuur valine of één van beiden. De onderzoekers gebruikten beeldvorming van de hersenen om de hersen-aktiviteit in kaart te brengen van 29 mensen die werden blootgesteld aan een ‘verdraagbare’ pijn gedurende 20 minuten. (De vrijwilligers kregen een injektie met een zout-oplossing in hun kaak-spieren om een toestand gelijkaardig met ‘temporomandibular joint-pain disorder’ te simuleren. Ze scoorden elke 15 seconden zelf hun pijn tijdens de beeldvorming.)

Science. 2003 Feb 21;299(5610):1240-3

COMT val158met genotype affects mu-opioid neurotransmitter responses to a pain stressor

Zubieta JK, Heitzeg MM, Smith YR, Bueller JA, Xu K, Xu Y, Koeppe RA, Stohler CS, Goldman D

Department of Psychiatry and Mental Health Research Institute, University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109-0720, USA

Responsen op pijn en andere stressoren worden geregeld door interakties tussen meerdere hersen-gebieden en neurochemische systemen. We onderzochten de invloed van een courant funktioneel genetische polymorfisme, die het metabolisme van catecholaminen aantast, op de modulatie van responsen op aanhoudende pijn bij mensen. Individuen die homozygoot waren voor het met158 allel van het catechol-O-methyltransferase (COMT) polymorfisme (val158met) vertoonden verminderde regionale responsen van het mu-opioid systeem [produceert endogene opioïden, o.a. endorfinen; natuurlijke pijnstillers in de hersenen] op pijn vergeleken met heterozygoten. Deze effekten gingen vergezeld met hogere sensorische en affectieve [verbonden met stemming, gevoelens en gedragingen] pijn-scores en een meer negatieve interne affectieve toestand. Tegengestelde effekten werden geobserveerd bij val158 homozygoten. Het COMT val158met polymorfisme beïnvloedt dus de pijn-ervaring bij mensen en zou kunnen aan de basis liggen voor inter-individuele verschillen qua adaptatie aan en responsen op pijn en andere stressvolle stimuli.

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

Wat betreft FMS… Twee studies die elkaar lijken tegen te spreken…

Rheumatol Int. 2003 May;23(3):104-7. Epub 2002 Oct 22

Significance of catechol-O-methyltransferase gene polymorphism in fibromyalgia-syndrome

Gursoy S, Erdal E, Herken H, Madenci E, Alasehirli B, Erdal N

Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Gaziantep University Medical Hospital, 2700 Kolejtepe Gaziantep, Turkey

Fibromyalgie-syndroome (FMS) is geassocieerd met een neuro-endocriene aandoening gekarakteriseerd door abnormale funktie van de hypothalamus-hypofyse-bijnier (HPA) as, inclusief hyper-aktieve afgifte van adrenocorticotroop hormoon (ACTH) en hypo-responsiviteit van de bijnieren. Catechol-O-methyltransferase (COMT) inaktiveert catecholaminen en catecholamine-bevattende medicijnen. […] We bepaalden de betekenis van het COMT polymorfisme bij FMS. Er zijn drie polymorfismen van het COMT-gen: LL, LH en HH. De analyse van het COMT polymorfisme werd uitgevoerd gebruikmakend van polymerase ketting reaktie (PCR). 61 patiënten met FMS en 61 gezonde vrijwilligers werden opgenomen in de studie. Hoewel geen significant verschil werd gevonden tussen LL en LH afzonderlijk, waren de LL- en LH-genotypes samen meer vertegenwoordigd bij patiënten dan controles ( P=0.024). Daarenboven waren er significant minder HH-genotypes bij patiënten dan bij de controles ( P=0.04). […] Concluderend: COMT polymorfisme is van potentieel farmacologisch belang wat betreft individuele verschillen in het metabolisme van catechol-medicijnen en zou ook betrokken kunnen zijn bij de pathogenese en behandeling van FMS via adrenerge mechanismen zowel als genetische voorbestemdheid voor FMS.

Rheumatol Int. 2008 Jan 15

Polymorphisms of the serotonin-2A receptor and catechol-O-methyltransferase genes: a study on fibromyalgia susceptibility

Tander B, Gunes S, Boke O, Alayli G, Kara N, Bagci H, Canturk F

Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Ondokuzmayis University School of Medicine, 55139, Kurupelit, Samsun, Turkey

Genetische en omgeving-factoren worden verondersteld rollen te spelen in de etiopathologie van fibromyalgie-syndroom (FMS). De doelstelling van deze studie was de mogelijke effekten van ‘single nucleotide’ polymorfismen (SNPs) in catechol-O-methyltransferase (COMT) en 5-hydroxytryptamine (serotonine) 2A (5-HT2A) receptor genen op de vatbaarheid voor FMS te bepalen. 171 vrouwen (80 FMS, 91 controles) werden opgenomen in de studie. […] Analyses van genotypes en allel-frequenties werden uitgevoerd […]. Er waren geen verschillen qua frequenties van allelen en genotypes tusen patiënten en controles voor de COMT en twee 5-HT2A receptor gen polymorfismen (P > 0.05). Onze resultaten suggereren dat de onderzochte polymorfismen geen vatbaarheid-factoren zijn bij de etiologie van FMS.

————————-

CVS… Light et al. vonden dus hogere COMT gen-expressie bij de CVS-patiënten vs controles; maar zekerheid over de eventuele bijdrage van FMS hierbij is er nog niet.

Een team o.l.v. Benjamin N Goertzel (‘Virginia Tech, National Capital Region’) vroeg zich eerder af of de aanwezigheid van CVS nauwkeuriger kan worden voorspeld d.m.v. ‘single nucleotide’ polymorfisme (SNP) profielen. In de top drie van de genen die de SNPs bevatten die meest belangrijk zijn, stond o.a. catechol-O-methyltransferase. (zie: ‘NR3C1 – Glucocorticoid receptor geassocieerd met CVS‘)

Pharmacogenomics Volume 7, Number 3, Pages 475-483 (April 2006)

Combinations of single-nucleotide polymorphisms in neuro-endocrine effector- and receptor-genes predict Chronic Fatigue Syndrome

Benjamin N Goertzel [1,2,*], Cassio Pennachin [2], Lucio de Souza Coelho [2], Brian Gurbaxani [3], Elizabeth M Maloney [3] & James F Jones [3]

[1] Virginia Tech, National Capital Region, Arlington, VA, USA; [2] Biomind LLC, Rockville, MD, USA; [3] Centres for Disease Control and Prevention, Atlanta, GA, USA

Doelstelling: Dit artikel stelt de vraag of de aanwezigheid van Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) meer accuraat kan worden voorspeld via ‘single nucleotide’ polymorfisme (SNP) profielen.

Methoden: SNP-profielen van 43 CVS-patiënten en 58 controles werden gebruikt om regels te identificeren die voorspellen of een patient CVS heeft.

Resultaten: […]. De top drie genen met de SNPs die verantwoordelijk zijn voor de grootste belangrijkheid waren neuronaal tryptofaan-hydroxylase (TPH2), catechol-O-methyltransferase (COMT) en de nucleaire receptor subfamilie 3, groep C, lid 1 glucocorticoid receptor (NR3C1).

Matige Inspanning verhoogt Expressie van Sensorische, Adrenerge en Immuun Genen bij CVS

De studie hier wordt uitgebreid weergegeven voor degenen die er zich willen in verdiepen. Het betreft een uitbreiding van eerder aangehaald werk door Alan & Kathy Light. Leken worden verwezen naar de samenvatting en besluiten.

Korte omschrijving van dit onderzoek…

* Hypothesen:

25 minuten matige inspanning zou de gen-expressie verhogen van:

- Acid-sensing ion-channel [zuur-gevoelig ion-kanaal] (waarschijnlijk ASIC3)

- Purinerge type 2X receptoren (waarschijnlijk P2X4 en P2X5), en

- ‘Transient receptor potential vanilloid’ type 1 (TRPV1).

Dit werd getest 8, 24 en 48 uren na inspanning bij CVS-patiënten vs normale individuen.

* Resultaten:

— RT-PCR toonde dat 19 CVS-patiënten lagere expressie van beta-2 adrenerge receptoren hadden maar anders niet verschilden van 16 controle-individuen vóór inspanning.

— Na een volgehouden matige inspanning-test vertoonden CVS-patiënten grotere stijgingen qua gen-expressie voor:

- Metaboliet-detekterende receptoren ASIC3, P2X4 en P2X5

- Sympatisch zenuwstelsel (SZS) receptoren alfa-2A, beta-1, beta-2 en

- COMT en immuunsysteem (IS) genen IL10 en TLR4 van 0,5 tot 48 uur na inspanning.

— Deze verhogingen werden ook vastgesteld bij de CVS-subgroep met co-morbide fibromyalgie (FMS).

— Ze waren sterk gecorreleerd met fysieke vermoeidheid, mentale vermoeidheid en pijn.

— Deze nieuwe bevindingen suggereren ontregeling van metaboliet-detekterende receptoren zowel van het SZS en IS bij CVS en CVS-FMS.

Zie ‘Spier-metaboreceptoren’ voor meer achtergrond over ASIC3, P2X & TRPV1.

Adrenerge receptoren binden specifiek met en worden geaktiveerd door de catecholaminen adrenaline en noradrenaline; ze komen tussen bij het overbrengen van impulsen van zenuw naar eindorgaan. Er zijn vijf types, α-1 en α-2, en β-1, β-2 en β-3. Noradrenaline heeft een grotere affiniteit voor α; voor adrenaline hangt de gevoeligheid af van het subtype. Bloedvaten van skeletspieren bevatten zowel α als β.

COMT = catechol-O-methyltransferase; enzyme dat catecholaminen inaktiveert (ook dopamine is een catecholamine).

TLR4 = Toll-Like receptor die een rol speelt bij de herkenning van bakterieel lipopolysaccharide en het aangeboren immuunsysteem aktiveert.

IL10 = interleukine-10; een anti-inflammatoir cytokine; heeft effekten bij immuun-regulering en inflammatie.

J Pain. 2009 Jul 30. [Epub ahead of print]

Moderate Exercise Increases Expression for Sensory, Adrenergic and Immune Genes in Chronic Fatigue Syndrome Patients But Not in Normal Subjects

Alan R. Light^*†, Andrea T. White^‡, Ronald W. Hughen^* and Kathleen C. Light^*

^†Department of Neurobiology and Anatomy, University of Utah Salt Lake City, Utah, University of Utah Salt Lake City, Utah

^‡Department of Exercise and Sport Science, University of Utah Salt Lake City, Utah

^*Department of Anaesthesiology, University of Utah Salt Lake City, Utah, University of Utah Salt Lake City, Utah

Samenvatting

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) wordt gekenmerkt door invaliderende vermoeidheid, dikwijls vergezeld van wijd-verspreide spier-pijn die voldoet aan de criteria voor fibromyalgie-syndroom (FMS). Symptomen verergeren uitgeproken na inspanning. Eerdere studies toonden betrokkenheid van een ontregeling van het sympatisch zenuwstelsel (SZS) en het immuunsysteem (IS) bij CVS en FMS. Recent toonden we dat ‘acid sensing ion-channel’ (waarschijnlijk ASIC3), ‘purinergic type 2X’ receptoren (waarschijnlijk P2X4 en P2X5) en de ‘transient receptor potential vanilloid type 1’ (TRPV1) molekulaire receptoren zijn in sensorische neuronen van muizen die metabolieten detekteren die acute spier-pijn en mogelijks spier-moeheid veroorzaken. Deze molekulaire receptoren worden gevonden op menselijke leukocyten, samen met SZS en IS genen. Real-time kwantitatieve PCR [techniek uit de molekulaire genetica] toonde dat 19 CVS-patiënten een lagere expressie van beta-2 adrenerge receptoren hadden maar dat ze anderzijds niet verschilden van 16 controle-individuen vóór inspanning. Na een volgehouden milde inspanning-test, vertoonden CVS- patiënten grotere stijgingen dan controle-individuen qua gen-expressie van metaboliet-detekterende receptoren ASIC3, P2X4 en P2X5, van SZS receptoren alfa-2A, beta-1, beta-2 en COMT, en van IS-genen IL10 en TLR4; en dit van 0,5 tot 48 uur (P < .05) na inspanning. Deze stijgingen werden ook gezien in de CVS-subgroep met co-morbide FMS en waren sterk gecorreleerd met symptomen van fysieke vermoeidheid, mentale vermoeidheid en pijn. Deze nieuwe bevindingen suggereren ontregeling van metaboliet-detekterende, zowel als SZS- en IS-receptoren bij CVS en CVS/FMS.

[…] Eén van de meest voorkomende aandoeningen die co-morbide zijn met CVS is fibromyalgie […], tot 70% van de patiënten met CVS hebben ook FMS (gehad). Alle symptomen van CVS en FMS zijn subjectief, wat het stellen van een diagnose en de behandeling moeilijk maakt. Er is een duidelijke nood aan objectieve biomerkers voor deze syndromen.

Zoals bij andere ziekten met een onbekende etiologie is de strategie om aanwijzingen te vinden voor de oorzaken, het gebruik van gen-expressie micro-arrays om te genen met over- of onder-expressie aan te wijzen bij CVS-patiënten. Er zijn enkele pogingen ondernomen om zo biomerkers te vinden bij kleine CVS-populaties maar de resultaten tot op heden waren dubbelzinnig. [Aspler AL, Bolshin C, Vernon SD, Broderick G: Evidence of inflammatory immune-signaling in Chronic Fatigue Syndrome: A pilot-study of gene-expression in peripheral blood. Behav Brain Funct (2008) 4:44; Fang H, Xie Q, Boneva R, Fostel J, Perkins R, TongW: Gene-expression profile exploration of a large dataset on Chronic Fatigue Syndrome. Pharmacogenomics (2006) 7:429-440; Kerr JR, Petty R, Burke B, Gough J, Fear D, Sinclair LI, Mattey DL, Richards SC, Montgomery J, Baldwin DA, Kellam P, Harrison TJ, Griffin GE, Main J, Enlander D, Nutt DJ, Holgate ST: Gene-expression subtypes in patients with on Chronic Fatigue Syndrome / Myalgic Encephalomyelitis. J Infect Dis (2008) 197:1171-1184; Saiki T, Kawai T, Morita K, Ohta M, Saito T, Rokutan K, Ban N: Identification of marker-genes for differential diagnosis of on Chronic Fatigue Syndrome. Mol Med (2008) 14:599-607; Whistler T, Unger ER, Nisenbaum R, Vernon SD: Integration of gene-expression, clinical and epidemiologic data to characterize Chronic Fatigue Syndrome. J Transl Med (2003) 1:10] Eén verklaring voor het verschil zou kunnen zijn dat er meerdere types CVS bestaan, waarbij elk type een verschillende gen-expressie profiel heeft. Zo veel als 7 subtypes van CVS werden voorgesteld op basis van gen-expressie. [Kerr et al.] Andere onderzoekers hebben een meer gerichte benadering gebruikt door gebruik te maken van kwantitative mRNA metingen van genen gerelateerd aan immuun-funktie; evenzeer met weinig overéénkomst tussen de onderzochte genen. [Natelson BH, Zhou X, Ottenweller JE, Bergen MT, Sisto SA, Drastal S, Tapp WN, Gause WL: Effect of acute exhausting exercise on cytokine gene-expression in men. Int J Sports Med (1996) 17:299-302; Sorensen B, Jones JF, Vernon SD, Rajeevan MS: Transcriptional control of complement-activation in an exercise-model of Chronic Fatigue Syndrome. Mol Med (2009) 15:34-429]

Wij hebben een verschillende strategie gevolgd bij onze pogingen om gen-expressie te gebruiken om bruikbare biomerkers voor CVS en factoren bij de initiatie en het in stand houden van dit syndroom te bepalen. We focusten op genen die zouden kunnen bijdragen tot het primair symptoom van CVS – vermoeidheid – en op 2 van de meest gebruikelijke bijkomende symptomen, spier-pijn en langdurige post-exertionele verslechtering van symptomen.

Vermoeidheid heeft veel definities: van verlies van vrijwillige spier-samentrekking tot de perceptie van ‘moe voelen’. De symptomen beschreven bij CVS en gemeten met vermoeidheid-vragenlijsten benadert echter beter het laatste fenomeen. Deze ‘vermoeidheid’ is afkomstig van de spieren en van een unieke cognitieve toestand in de hersenen. Dit gevoel van vermoeidheid van spieren (dat voorkomt met of zonder spier-pijn) wordt veroorzaakt door metabolieten die worden geproduceerd tijdens spier-samentrekking en wordt versterkt na uitputtende inspanning bij normale individuen. Matige inspanning veroorzaakt echter weinig langdurige vermoeidheid na inspanning en gewoonlijk geen spier-pijn bij normale individuen, terwijl deze symptomen dikwijls verergerd zijn zelfs na matige inspanning bij CVS-patiënten.

Om meer te weten te komen over sensorische spier-moeheid en -pijn, voerden we muis-experimenten uit om te bepalen welke types sensorische neuronen die metabolieten geproduceerd bij spier-contractie coderen. We vonden ten minste 2 klassen sensorische neuronen. Deze 2 klassen vertegenwoordigen waarschijnlijk (1) sensorische neuronen die in staat zijn signalen die worden geïnterpreteerd als fysieke vermoeidheid te versturen en (2) sensorische neuronen die in staat zijn signalen die geïnterpreteerd worden als spier-pijn. Onze analyse suggereerde, gebruikmakend van antagonisten [stof die een biologische receptor blokkeert of geneesmiddel dat de werking of een specifieke bijwerking van een geneesmiddel afremt] en agonisten [stof die een biologische receptor aktiveert en zo een reaktie of aktiviteit in gang zet], dat ten minste 4 molekulaire receptoren synergistisch werken om de metabolieten geproduceerd bij spier-contractie te detekteren. Deze omvatten een zuur-voelend ion-kanaal – ook ‘amiloride-sensitive ion-channel’ of ASIC genaamd (waarschijnlijk ASIC3), 2 purinergische receptoren van het X-type (P2X5 en/of P2X4) die worden geaktiveerd door ATP en ‘transient receptor potential vanilloid’ type 1 (TRPV1) die wordt geaktiveerd door warmte, zuur of endocannabinoïden [Endogene cannabis-achtige substanties, groep neuro-modulerende stoffen die samen met hun receptoren betrokken zijn bij eetlust, pijn-gevoel, stemming en geheugen. De cannabinoid CB1 receptor komt veel voor in hersen-gebieden betrokken bij beweging-controle, cognitie, emotionele responsen, gemotiveerd gedrag en homeostase. Buten de hersenen is het endocannabinoid systeem één van de cruciale modulatoren van het autonoom zenuwstelsel, het immuun-systeem en de micro-circulatie.]. Het verschil qua codering tussen de ‘vermoeidheid’- vs de ‘nociceptieve’ [pijn-waarnemende] mechanismen leek te zijn verbonden met de P2X5 vs P2X4 receptoren, terwijl P2X5 de verhoogde sensitiviteit overbracht nodig om lage concentraties aan metabolieten geassocieerd met ‘vermoeidheid’ te detekteren. Het delen van de meeste (maar niet alle) molekulaire receptoren door ‘vermoeidheid’- en ‘nociceptieve’ spier-afferenten [afferente neuronen brengen prikkels van de spieren/organen naar het centraal zenuwstelsel] voorspelt ten minste enige overlapping tussen vermoeidheid-symptomen bij CVS en spier-pijn symptomen. Ander onderzoekers hebben gevonden dat ASIC3 sterk verhoogd wordt door spier- en gewricht-ontsteking, die hyperalgesie  [verhoogde gevoeligheid voor pijn] omvat. Dus suggereren we dat de primaire symptomen van CVS, vermoeidheid en spier-pijn, resulteren uit versterkte aktivatie van ‘vermoeidheid’- en ‘nociceptieve’ afferenten van spieren. Hieruit volgt dat verhoogde expressie van de molekulaire receptoren coderend voor metabolieten een merker zouden kunnen zijn voor verhoogde vermoeidheid en/of spier-pijn.

Het sympatisch zenuwstelsel (SZS), omwille van zijn belangrijke rol bij het reguleren van regionale doorbloeding in respons op de opstapeling van metabolieten in werkende spieren; en het immuunsysteem (IS), omwille van zijn vermogen om de gevoeligheid van perifere én centrale sensorische mechanismen te veranderen, zou ook kunnen bijdragen tot de symptomen van CVS en FMS. De hypothalamus-hypofyse-bijnier (HPA) as bleek ook betrokken bij de inductie en instandhouding van CVS. Dit zijn dezelfde systemen waarbij ontregelde genen werden gevonden gebruikmakend van micro-array analyse bij CVS-patiënten. [referenties: zie hierboven] Specifiek: (1) adrenerge receptoren kunnen veranderd zijn bij CVS en (2) immuun-cel cytokinen en receptoren zouden kunnen veranderd zijn bij CVS, alhoewel er veel tegenstellingen bestaan. (3) Ten slotte bleken polymorfismen in HPA-as receptor genen en ontregelde waarden van HPA-hormonen en expressie of HPA-as genen ook betrokken bij CVS.

Omdat circulerende immuun-cellen reageren op adrenerge agonisten en metaboliet-stijgingen in skelet-spieren, en omdat het IS betrokken is bij CVS, zochten we naar veranderingen in mRNA van metaboliet-detekterende, adrenerge en immuun-funktie genen uit leukocyten van CVS-patiënten en vergeleken die met mRNA-wijzigingen bij controle-individuen. Omdat vermoeidheid en spier-pijn bij CVS en FMS veel meer verergeren door fysieke inspanning dan bij controle-individuen, bekeken we gen-expressie vóór en na 25 minuten matige inspanning op tijdstippen vóór, tijdens en na, waar we verhoogde gen-expressie hadden gevonden in deze 3 systemen bij normale individuen bij maximale inspanning.

Initiële experimenten met normale individuen wezen er op dat mRNA voor metaboliet-detekterende (ASIC3, P2X4, P2X5, TRPV1), adrenerge (α-2A, β-1, β-2, COMT) en immune (IL6, IL10, TNF-α, TLR4, CD14) genen ge-upreguleerd waren 8 en 24 uur na ernstige inspanning. De mRNA-verhogingen keerden terug naar bijna normale waarden 48 uur na ernstige inspanning. [Light AR, Hughen RW, Zhang J, White A, Light KC, Jensen BT, Fitschen KL: Molecular receptors for pH found on sensory neurons are also found on mouse and human leukocytes and increase 8-48 hours post-exercise in both control-subjects and fibromyalgia and chronic fatigue patients. Soc Neurosci (2007) 510:3] Dit tijdsverloop van mRNA-stijgingen bevestigde de meldingen van ‘delayed onset muscle-soreness’ (DOMS) [spierpijn en/of stijfheid die met 24-48h tot 72h vertraging optreedt; wellicht veroorzaakt door micro-scheurtjes in spier-bindweefsel en cel-membraan] en vertraagde spier-moeheid bij deze normale individuen. CVS-patiënten rapporteren dat zelfs matige inspanning moderate die niet tot DOMS of spier-moeheid leidt bij normale individuen, fysieke moeheid en pijn van ten minste 48 uur of langer veroorzaakt. Daarom testten we de hypothesen dat 25 minuten matige inspanning de gen-expressie van eerder-genoemde genen zou verhogen, gemeten 8, 24 en 48 uur na inspanning bij CVS-patiënten maar niet bij normale individuen. Verder verzamelden we subjectieve metingen voor vermoeidheid en pijn, en maten enkele fysiologische inspanning-parameters om te bepalen of de wijzigingen qua gen-expressie gelinkt waren met vermoeidheid en/of pijn-symptomen bij CVS-patiënten en controle-individuen.

Methoden

Deelnemers

[…] Door het verlies van gegevens tijdens mRNA-analyses omvat het staal van jet huidige for rapport 19 CVS-patiënten (15 vrouwen) en 16 controle-individuen (11 vrouwen). […] Eén vrouwelijk controle-individu ontwikkelde fibromyalgie binnen het jaar na de testen en werd niet opgenomen analyses. Alle CVS-patiënten voldeden aan de CDC-criteria voor CVS (Fukuda et al. 1994). Voorafgaandelijk had de screening alle andere gekende oorzaken voor persistente of terugkerende vermoeidheid uitgesloten bij deze CVS-patiënten. Exclusie-criteria omvatten aktieve infekties van de bovenste luchtwegen; gebruik van corticosteroëden, SZS-agonisten of analgetica op voorschrift die het SZS, de HPA of cytokine-aktiviteit beïnvloeden; en/of ongecontroleerde cardiovasculaire of long-ziekte. Allen stopten dergelijke medicijnen 3 dagen vóór en 3 dagen tijdens het inspanning-protocol […]. Alle patiënten werden ook gescreend voor FMS met de ‘American College of Rheumatology’ (ACR) criteria […]. Dertien van de 19 CVS-patiënten (68%) voldeden ook aan de ACR-criteria voor FMS […]. Bij de primaire analysen werden alle 19 CVS-patiënten vergeleken met de 15 controle-individuen. In afzonderlijke secundaire analysen werden de 13 patiënten die voldeden aan CVS- én FMS-criteria vergeleken met controle-individuen. Omdat slechts 6 patiënten voldeden aan de criteria voor CVS zonder FMS ontbrak het ons staal aan voldoende statistische kracht om de effekten in deze subgroep te onderzoeken.

Protocol-overzicht

Alle deelnemers onthielden zich van formele inspanning buiten de vereiste inspanning-test gedurende een periode van 4 dagen, te beginnen 48 uur vóór de inspanning-test tot na de laatste (48 uur) bloed-afname. Veneus bloed (arm) werd afgenomen bij ‘baseline’ en 0,5 / 8 / 24 en 48 uur na inspanning. Om de ernst te bepalen van vooraf-bestaande en inspanning-gerelateerde vermoeidheid en myalgie-symptomen bij elke bloed-afname, tijdens en onmiddellijk na de inspanning, gaf elk individu numerieke waarden voor mentale vermoeidheid, fysieke vermoeidheid en algemene lichaamspijn op een schaal van 0 tot 100 […]. Meteen na de ‘baseline’ bloed-afname starten de deelnemers de inspanning.

Inspanning-protocol

[…] 25-minuten, ‘whole-body’ inspanning-test. Er werd de individuen gevraagd tijdens de eerste 5 minuten van de inspanning de pedaalslag te verhogen tot 70% van de leeftijd-voorspelde maximale hartslag was bereikt. Daarna werd de arbeid aangepast opdat deze hartslag gedurende het sub-maximale inspanning-protocol kon worden aangehouden. De ervaren inspanning [‘ratings of perceived exertion’, RPE] werd elke 5 minuten gemeten op een schaal van 1 tot 10; de hartslag werd elke minuut opgenomen en de bloeddruk bij ‘baseline’, elke 10 minuten gedurende de inspanning en bij het beëindigen van de inspanning. We kozen voor een volgehouden matige inspanning i.p.v. een maximale inspanning-test (die gewoonlijk slechts 5 tot 9 minuten duurt bij CVS-patiënten) omwille van de betere gelijkenis met de natuurlijke inspanning-ervaringen die in het dagelijks leven symptomen van CVS-patiënten verslechten. Onze 25 minuten durende sub-maximale inspanning-taak veroorzaakte consistente verergering van vermoeidheid en pijn-symptomen van 8 tot 48 uur na inspanning. In tegenstelling tot een kortere maximale inspanning-taak, waar meldingen van verslechtering van CVS-symptomen inconsistent of afwezig waren tot 5 dagen na de test, een patroon dat gewoonlijk niet wordt gezien in ‘real life’. Protocols met maximale inspanning hebben weinig verschillen aangetoond qua cardiorespiratoire en perceptuele responsen (bv. RPE) tussen CVS-patiënten en controle-individuen gematcht voor fitness. Het is echter opmerkelijk dat responsen op sub-maximale inspanning, inclusief VO₂, de inspanning-prestatie piek bij CVS-patiënten niet voorspellen.

mRNA Extraktie en Analyse

[…] Baseline-waarden voor elk gen werden berekend t.o.v. TF2B [Transcriptie-initatie-factor die een belanrijke rol speelt bij aktivatie van eukaryote genen; vertoont weinig intrinsieke variatie, stijgt of daalt niet door het inspanning-protocol.] en deze werden gebruikt als ijkpunt voor alle metingen na de inspanning-periode.

Complete Blood Cell Counts

[…] Groep-verschillen waren klein en zouden de mRNA-resultaten die hier worden gerapporteerd niet mogen beïnvloeden.

Statistische Analyse

[…]

Waarden na inspanning werden voor elke meting van gen-expressie eerst genormaliseerd ten opzichte van de baseline-waarden van het individu (1,00 = baseline). Om vals-positieve resultaten bekomen bij het onderzoeken van multipele uitkomsten te minimaliseren, ondernamen we 2 stappen. Ten eerste: in plaats van groep-verschillen afzonderlijk te onderzoeken bij elke van de 4 tijdspunten na inspanning, combineerden we ze tot één enkele meting, genaamd ‘area under the curve’ (AUC) [gebied onder de curve]. De AUC na inspanning voor elke gen-expressie meting werd berekend door het totaliseren van de waarden na 0,5 / 8 / 24 en 48 uur […]. Ten tweede: […] we groepeerden eerst onze AUC-metingen in 3 categorieën (metaboliet-detekterende merkers, adrenerge merkers en immune merkers) en […] onderzochten of er betrouwbare groep-verschillen voor elke van deze 3 waren. Er waren significante globale groep-effekten in de richting van grotere mRNA-stijgingen na inspanning bij CVS-patiënten vs controle-individuen […], wat ons dan toeliet groep-effekten te onderzoeken op elke specifieke AUC-meting […].

We onderzochten of groep-verschillen gerelateerd waren met verschillen qua leeftijd, geslacht of ‘body-mas-index’ (BMI) […]. In geen enkel geval was leeftijd of geslacht een significante factor, Terwijl BMI significant was voor 2 metingen: β-1 en β-2 AUC; dus werden de resultaten vóór én na aanpassing voor BMI voor deze metingen gerapporteerd. […]

Resultaten

Primaire Analysen

[…] Groepen verschilden niet qua leeftijd, bloeddruk of hartslag bij baseline of tijdens de inspanning-taak. Beide groepen behaalden de vooropgestelde 70% van de maximum door leeftijd voorspelde hartslag tijdens inspanning. De CVS-patiënten hadden een significant hogere BMI dan controle-individuen en ze rapporteerden significant hogere gemiddelde waarden van ervaren inspanning (RPE) zelfs al leverden ze significant minder arbeid dan controle-individuen.

[…] CVS-patiënten hadden significant hogere waarden voor vermoeidheid (fysiek en mentaal) en pijn dan controle-individuen zelfs bij baseline en deze verschillen bleven op alle andere tijdpunten. Er waren ook verhogingen voor deze 3 symptomen tijdens en na inspanning, vergeleken met baseline. Midden in de inspanning vertoonden controle-individuen én CVS-patiënten verhoogde waarden voor fysieke vermoeidheid maar enkel de CVS-patiënten bleven verhoogde fysieke vermoeidheid vertonen 0,5 / 8 / 24 en 48 uur na inspanning. Ook enkel de CVS-patiënten vertoonden significant verhoogde waarden qua pijn 8 / 24 en 48 uur en verhoogde mentale vermoeidheid 8  en 48 uur na inspanning.

Gen-expressie Metingen

Bij baseline was de expressie van β-2 adrenerge receptor significant lager bij CVS-patiënten vs controle-individuen, terwijl de expressie van α-2A adrenerge receptor verwaarloosbaar hoger (P < .09) was. Geen enkele van de andere gen-expressie metingen verschilde bij baseline tussen de groepen.

Zoals eerder beschreven gaven AUC-metingen na inspanning initieel significante groep-effekten voor metaboliet-detekterende genen, adrenerge genen en immune genen. Daaropvolgende statistische testen per variabele voor metaboliet-voelende merkers gaven significante groep-verschillen na inspanning – CVS en controles – voor ASIC3, P2X4 en P2X5 maar niet voor TRPV1. […] CVS-patiënten vertoonden consistent grotere gemiddelde stijgingen voor ASIC3, P2X4 en P2X5 gen-expressie dan controle-individuen op alle tijdpunten na inspanning. TRPV1 verhogingen vertoonden ook een consistente hoewel niet-significante trend tot verhoging in de CVS-groep.

Significante groep-effekten werden ook gezien voor alle adrenerge AUC merkers na inspanning, te wijten aan consistent grotere gemiddelde verhogingen α-2a, β-1 en β-2 adrenerge receptor expressie en hogere COMT gen-expressie bij de CVS-patiënten vs controles […].

Voor β-1 en β-2, waarbij BMI een significante invloed bleek te hebben, werd de statistische analyse herhaald met opname van BMI in het model. Groep-verschillen in AUC β-2 receptor expressie na inspanning waren nog steeds significant. Verrassend was dat opname van BMI in het model, de AUC toename in β-1 receptor expressie na inspanning, waarvoor de gemiddelde groep-verschillen groter waren geweest dan om het even welke gen-expressie merker, het groep-effekt niet-significant (P = .19) deed worden.

Voor immuun-merkers na inspanning toonde statische analyse met één variabele, significante groep-verschillen in TLR4 en IL-10 AUC expressie maar niet in CD14, IL-6 of TNF-α AUC expressie. CVS-patiënten vertoonden grotere stijgingen in TLR4 en IL-10 na inspanning dan controle-individuen.

Correlaties tussen post-exertionele vermoeidheid en pijn, en de AUC gen-expressie metingen na inspanning; samen met de inter-correlaties bij de gen-expressie metingen wezen er op dat stijgingen in metaboliet-detekterende receptoren, adrenerge receptoren en bepaalde immuun-merkers na inspanning in parallel gebeurden; en grotere stijgingen bij al deze receptoren waren geassocieerd met grotere vermoeidheid. Pijn-symptomen na inspanning waren niet geassociaeerd met verhogingen in P2X4, P2X5, β-1 of TLR4 receptor expressie maar waren gelinkt met ASIC3, TRPV1, α2-A, β-2 en IL-10 stijgingen. Interessant was dat bij de CVS-patiënten de inspanning-arbeid niet correleerde met vermoeidheid, pijn of toename in eender welke metaboliet-detekterende of immuun-merker na inspanning, en omgekeerd was gerelateerd met de toename in β-1 en β-2 AUC receptor expressie.

Secundaire Analyses

Hoewel hartslag en percentage van door de leeftijd voorspelde maximum hartslag redelijk dicht bij elkaar lagen voor de groepen tijdens inspanning, leverden de controle-individuen meer arbeid dan CVS-patiënten. Wanneer we echter onze univariate statische analyse voor AUC gen-expressie na inspanning herhaalden – waarbij groepen met arbeid als een co-variabele werden vergeleken – vonden we dat het geen significante co-variabele voor om het even welke meting was uitgenomen voor β-1 receptor expressie (P < .02). Zoals met de inclusie van BMI als co-variabele, speelde arbeid een rol bij het significant worden van het groep-effekt voor β-1 AUC receptor expressie na inspanning. Dit patroon wijst er op dat een hoge BMI, lage verrichtte arbeid en stijgingen in β-1 receptor expressie na inspanning alle met elkaar zijn verbonden bij CVS.

Univariate statische analyse werd ook herhaald na weglaten van de 6 CVS-patiënten die niet voldeden aan de ACR criteria voor FMS. De bevindingen waren in essentie niet veranderd van deze gerapporteerd hierboven, uitgezonderd wat betreft de immuun-receptor, TLR4; verschillen tussen CVS/FMS-patiënten en controle-individuen waren marginaal verschillend (P=.07) voor dit gen. Voor alle andere metingen waar significante groep-verschillen werden gezien bij de primaire analyses, toonden dezelfde metingen significante verschillen tussen de CVS/FMS-patiënten en controle-individuen. Hoewel de grootte van de groep patiënten met CVS (n = 6) onvoldoende was om apart te onderzoeken, waren de gemiddelde AUC-metingen voor deze subgroep na inspanning in de meest gevallen gelijkaardig […] met die van de CVS/FMS-subgroep, met uitzondering van ASIC3 en TRPV1 stijgingen.

Om de kwestie van de verschillen qua fitheid te adresseren, werden statistische analyses die AUC-metingen na inspanning herhaald na weglating van de meest fitte controle-individuen en de minst fitte CVS-patiënten. De overblijvende 11 controle-individuen (9 vrouwen) en 10 patiënten (8 vrouwen) werden gematcht voor de geleverde arbeid nodig om 70% van de maximum voorspelde hartslag te bereieken. Deze subgroepen verschilden niet qua leeftijd, BMI, arbeid tijdens inspanning, of enige BP- of HR-meting vóór of tijdens inspanning. Niettemin vertoonden de voor fitness gematchte CVS-patiënten nog steeds grotere of marginaal grotere stijgingen dan controle-individuen na inspanning voor ASIC3 (P < .036), P2X4 (P < .07), P2X5(P < .028), β-1 (P < .045), β-2 (P < .002), COMT (P < .085) en IL-10 (P < .006), en enkel de TLR4 verschillen waren tenietgedaan. Ondanks inspanning met dezelfde arbeid, rapporteerden de patiënten ook nog steeds grotere waargenomen uitputting tijdens de taak (RPE = 4.65 vs 2.95, P < .001).

Om te onderzoeken of de tijd van staalname een belangrijke factor was, werden bijkomende statistische analyses uitgevoerd, met groep en tijd (0,5 / 8 / 24 en 48 uur na inspanning) als factoren […]. Dezelfde eerder gemelde groep-effekten werden met deze benadering bekomen, en geen effekten betreffende tijd waren significant, wat suggereert dat CVS-patiënten op dezelfde manier van controle-individuen verschilden bij alle staalnamen.

Bespreking

Belangrijkste Bevindingen

Baseline mRNA-waarden waren niet verschillend tussen controle-individuen en CVS-patiënten voor geen enkele van de metaboliet-detekterende of immuun-genen. Bij de adrenerge metingen was baseline β-2 lager en baseline α-2A had neiging tot hogere waarden bij de CVS-patiënten. Hoewel deze verschillen bij baseline bescheiden waren, zouden β-2 en verhoogde α-2A receptoren in de vasculatuur [het bloedvatenstelsel] kunnen leiden tot verhoogde totale vasculaire weerstand; zoals we rapporteerden [Light KC, Bragdon EE, Grewen KM, Brownley KA,Girdler SS, Maixner W: Adrenergic dysregulation and pain with and without acute beta-blockade in women with fibromyalgia and temporomandibular disorder. J Pain (2009) 10:542-552] voor patiënten met FMS. Geen enkele eerdere studie heeft metaboliet-detekterende gen-expressie onderzocht en vroegere studies die immuun-funktie gen-expressie vergeleken bij CVS-patiënten vs controle-individuen in rust hebben ook weinig consistente verhogingen gemeld van deze mRNAs met uitzondering van of TNF-α.

In tegenstelling tot de zeer weinige groep-verschillen bij baseline, vertoonden CVS-patiënten grotere mRNA stijgingen dan gezonde controle-individuen voor de meerderheid van de metaboliet-detekterende, adrenerge en immuun-funktie genen die hier werden onderzocht na 25 minuten matige’ whole-body’ inspanning (opgtelde waarden na 30 minuten, 8, 24 en 48 uur na inspanning). Bij deze milde inspanning vertoonden gezonde controle-indviduen geen significante verhogingen t.o.v. baseline qua expressie van deze genen, terwijl CVS-patiënten stijgingen openbaarden qua expressie van ASIC3, P2X4, P2X5, α-2A, β-1, β-2, COMT, IL10 en TLR4 die de responsen van de controle-individuen overstegen. TRPV1-expressie steeg bij CVS-patiënten significant boven baseline-waarden, terwijl de verschillen voor de controle-groep een niet-significant trend vertoonden voor deze meting.

Groepen verschilden ook niet qua verhoogde expressie van IL6 of TNF-α. Hoewel gen-expressie van IL6 en TNF-α boven baseline gestegen waren na inspanning in de CVS-groep, vertoonden controle-individuen gelijkaardige verhogingen na inspanning. Deze CVS-patiënten en controle-individuen vertoonden gelijkaardige verhogiugen qua circulerend IL6 en TNF-α [White AT, Light AR, Hughen RW, Bateman L, Martins TB, Hill HR, Light KC: Severity of symptom-flare after moderate exercise is linked to cytokine activity in Chronic Fatigue Syndrome. Psychophysiology (in press) 2009] in serum na inspanning – wat ook door anderen werd gerapporteerd. Andere studies hebben er op gewezen dat, hoewel serum-waarden van IL6 en TNF-α waren verhoogd na inspanning, mRNA-expressie in leukocyten niet was gestegen voor deze 2 cytokines. Cytokine mRNA uit spieren na inspanning (in tegenstelling tot leukocyten) vertoonde echter geen verhoogd TNF-α mRNA. Onze [hierboven aangehaalde] studie observeerde ook dat IL10 in het serum feitelijk daalde na inspanning bij controle-individuen (die geen veranderingen vertoonden qua IL10 mRNA) maar niet daalde bij CVS-patiënten (wiens IL10 mRNA steeg).

Verrassend was dat we een trend voor mRNA-stijgingen bij patiënten zagen al na 30 minuten na inspanning, meerdere uren eerder dan we stijgingen bij controle-individuen na inspanning aan hoge intensitieit hadden gezien [Light AR, Hughen RW, Zhang J, White A, Light KC, Jensen BT, Fitschen KL: Molecular receptors for pH found on sensory neurons are also found on mouse and human leukocytes and increase 8-48 hours post-exercise in both control-subjects and fibromyalgia and chronic fatigue patients. Soc Neurosci (2007) 510:3]. Verhogingen van mRNA, met uitzondering van β-1, werden niet beïnvloed door BMI of geleverde arbeid, en waren aanwezig bij CVS-patiënten met én zonder co-morbide FMS. Het volgende onderlijnt de relatie tussen de primaire symptomen die CVS definiëren: er werden sterke correlaties gevonden tussen de opgetelde scores voor fysieke en mentale vermoeidheid na inspanning, en de opgetelde verhogingen qua mRNA van de genen. Sterke correlaties werden evenzeer gevonden tussen opgetelde scores voor pijn na inspanning en ASIC3, TRPV1, α-2A, β-2 en IL10 stijgingen. Van ASIC3, TRPV1 en β-2 werd recent aangetoond dat ze een rol spelen bij spier-pijn.

Het feit dat 68% van de patiënten in ons staal voldeden aan de criteria voor CVS én FMS is ietwat problematisch omdat we nog niet kunnen onderscheiden of de geobserveerde responsen typisch zijn voor alle CVS-patiënten of slechts voor de subgroep die beide aandoeningen heeft. De huidige gegevens wijzen er op dat de groep patiënten die niet voldeden aan de criteria voor FMS (‘enkel CVS’ groep) gemiddele AUC en varianties hadden die gelijkaardig zijn met de CFS-FMS groep voor de meeste van de 13 genen die hier werden onderzocht. Opmerkelijke uitzonderingen waren ASIC3 en TRPV1, die de neiging hadden om kleinere stijgingen te vertonen bij de ‘enkel CVS’ groep. Hoewel de meeste van de gen-veranderingen toepasbaar zijn op beide groepen, zijn er dus mogelijks gen-veranderingen die deze 2 groepen onderscheiden. Onze huidige research heeft de bedoeling een uitgebreid sub-staal van patiënten met ‘alleen-CVS’ te onderzoeken om deze belangrijke kwestie op te helderen.

Het is van belang te melden dat ‘complete blood counts’ (CBC) werden afgenomen bij alle patiënten en controle-individuen op elk tijdpunt. Bij baseline, vóór inspanning, waren […] het totaal aantal witte bloed-cellen bij CVS-patiënten lichtjes hoger dan bij controle-indviduen en in het bijzonder: het aantal monocyten, eosinofielen en granulocyten was hoger voor de patiënten-groep. Tellingen bij patiënten en controle-individuen waren significant verhoogd, in vergelijking met ‘baseline’, 8 uur na inspanning maar keerden terug naar baseline-waarden na 24 en 48 uren. Haemoglobine-waarden waren echter lager bij patiënten dan bij controle-individuen en daalden na 8 uur. Deze tegenstrijdige effekten bij witte vs rode cel-tellingen wijst er op dat hydratatie-verschillen niet verantwoordelijk waren. Deze CBC-verschillen waren niet klinisch significant en gelijkaardige verschillen werden reeds eerder gemeld.

mRNAs als Biomerkers voor Vermoeidheid, Spier-pijn, CVS en FMS

De uitgesproken veranderingen qua gen-expressie in circulerende leukocyten van CVS-patiënten na inspanning suggereren dat deze zouden kunnen worden aangewend als objectieve merkers voor CVS. Kerr besprak potentiële biomerkers voor CVS inclusief meerdere micro-array experimenten die gen-expressie bekeken bij grote aantallen genen van leukocyten. Sakai et al. [Saiki T, Kawai T, Morita K, Ohta M, Saito T, Rokutan K, Ban N: Identification of marker-genes for differential diagnosis of Chronic Fatigue Syndrome. Mol Med (2008) 14:599-607] stelde ook dat mRNA-veranderingen in 9 leukocyten-genen (geselekteerd uit 1.400 stress-gerelateerde genen) mogelijke biomerkers voor CVS waren. Geen enkele van de genen geïdentificeerd als specifiek voor 1 of meerdere subtypes van CVS in deze publicaties waren deze die hier werden onderzocht. De funktionele groepen van genen gevonden met de micro-array experimenten waren echter gelijkaardig aan deze die hier werden gemeten. Immuniteit en verdediging, energie-metabolisme, signaal-transductie en ion-kanaal genen werden allemaal geïdentificeerd in vroegere experimenten. Al de genen in het huidige rapport kunnen worden ondergebracht in 1 of meerdere van deze groepen.

In de huidige populatie kon ca. 90% van de CVS-patiënten worden onderscheiden van controle-indivduen door gebruik te maken van 4 van de bestudeerde genen (P2X4, β-1, β-2, IL10). Als alle van de 9 genen die verhoogd waren bij CVS/FMS-patiënten vs controles werden gebruikt, bleken de resultaten gelijkaardig. We kunnen echter nog niet besluiten dat gen-expressie veranderingen na matige inspanning specifieke biomerkers zijn voor CVS.

Mogelijks kunnen enkele van de genen die hier werden gebruikt andere oorzaken van overdreven vermoeidheid na inspanning onderscheiden en/of andere genen zouden kunnen worden aangewend om gekende oorzaken van vermoeidheid, zoals virale infekties, abnormaliteiten van het metabolisme, enz. te vinden. Een eenvoudige bloed-test die een objectieve meting biedt voor overmatige en invaliderende vermoeidheid, zou diagnostisch waardevol zijn voor artsen en patiënten met CVS (of chronische vermoeidheid door andere oorzaken). Daarenboven zouden dergelijke testen subtypes van CVS, en de verschillende contribuerende ontregeling(en) betrokken bij elk van die subtypes, kunnen helpen afbakenen. Uiteindelijk zouden deze testen kunnen worden gebruikt om het succes van verscheidene behandelingen voor chronische vermoeidheid en fibromyalgie syndromen objectief te evalueren.

Funktie van Genen waarvan de Expressie was Gewijzigd bij CVS-patiënten vergeleken met Controle-individuen

We onderzochten het mRNA van meerdere receptoren die zelden werden beschreven bij witte bloed-cellen, vooral deze die essentieel zijn voor het detekteren van metabolieten geproduceerd door sensorische neuronen bij inspanning [zie ‘Spier-metaboreceptoren’]. ASIC3, P2X4, P2X5 en TRPV1 (telkens mRNA én proteïne) werden gevonden in monocyten. De funktie van ASIC3, P2X4 en TRPV1 receptoren in leukocyten is niet gekend maar zou verbonden kunnen zijn met de recrutering van monocyten en lymfocyten die voorkomt na inspanning. Het ontbreekt het P2X5-eiwit bij de meeste mensen aan het essentieel stuk van het porie-vormend deel van het kanaal, zo dat het niet in staat is om ionen te pompen en waarschijnlijk ook niet om te worden ingevoegd in het plasma-membraan. […]

β-Adrenerge receptoren zijn normal geassocieerd met cardiovasculaire funktie. Van aktivatie van β-1 receptoren is geweten dat het de hartslag en -samentrekbaarheid verhoogt, en aktivatie van β-2 receptoren zorgt voor dilatatie van arterieën en arteriolen die de skelet-spieren voeden. Deze receptoren spelen een belangrijke rol bij het onderhouden van een voldoende doorbloeding van skelet-spieren tijdens inspanning en vermijden overmatige accumulatie van metabolieten. β-2-adrenerge receptoren kunnen ook de SZS effekten op het IS mediëren. Minder zekerheid bestaat over effekten van α-adrenerge receptoren op circulerende immuun-cellen. Onze resultaten tonen dat leukocyten substantiële adrenerge α2-A, β-1 en β-2 receptor mRNAs hebben, zowel als hoge waarden aan COMT mRNA – een belangrijk enzyme betrokken bij de inaktivering van epinefrine and norepinefrine. Polymorfismen in COMT bleken betrokken bij depressie en een aantal pijn-aandoeningen. Inspanning verhoogde het mRNA van al deze genen met adrenerge funktie bij CVS-patiënten veel meer dan bij in controle-individuen. Deze uitermate versterkte upregulering suggereert krachtige upstream signalisering naar het IS bij CVS.

IL10 mRNA was ge-upreguleerd na inspanning bij CVS-patiënten vergeleken met controle-individuen. IL10 is een anti-inflammatoir cytokine dat de produktie van pro-inflammatoire cytokinen zoals TNF-α inhibeert. De toename van IL10 mRNA die hier werd geobserveerd is consistent met een melding die suggereert dat bij FMS-patiënten een anti-inflammatoir profiel tot expressie komt dat gerelateerd zou kunnen zijn met enkele van hun symptomen. Onze patiënten hadden gestegen serum-waarden voor anti-inflammatoir IL10 en IL13 8 uur na inspanning maar enkel bij deze met CVS die meer en langer vermoeidheid en pijn rapporteerden. Deze patiënten vertoonden echter ook verhogingen qua pro-inflammatoir IL1β, IL8 en IL12 zowel als IL6, wat algemene immuun-aktivatie suggereert. Het mRNA voor TLR4 was ook verhoogd door inspanning bij CVS-patiënten maar niet bij controle-individuen; hoewel dit verschil bij de subgroepen gematcht voor fitness afwezig was, wat suggereert dat het te wijten was aan de verminderde fitheid bij de CVS-groep. TLR4 is een immuun-funktie receptor die bakteriële invasie signaleert door het detekteren van de lipopolysaccharide-mantel van bakteriën. Het is van belang bij de preventie van infektie.

Implicaties van Ontregelde mRNAs voor CVS

Stijgingen in mRNA kunnen worden veroorzaakt door gestegen transcriptie en/of verhoogde stabiliteit van mRNA (verminderde afbraak). Transcriptie én stabiliteit kunnen worden gewijzigd door omgeving-factoren. Voor de meeste van de hier onderzochte genen zijn transcriptionele veranderingen via gekende transcriptie-factoren gedocumenteerd. Regulering van deze genen door RNA-modulerende factoren is ook aannemelijk. De correlaties tussen veranderingen in veel van de geteste genen suggereert dat courante upstream transcriptie-factoren [eiwit dat bindt op specifieke DNA-sequenties en de transcriptie regelt; upstream betekent dat ze binden vóór de initiatie-plaats] geaktiveerd kunnen zijn bij CVS-patiënten. Deze bevindingen ondersteunen ook eerdere studies die interaktieve wijzigingen tussen SZS, IS en sensorische systemen bij CVS suggereren.

Bewijs dat Metaboliet-detektie en Adrenerge Betrokkenheid bij Verhoogde Vermoeidheid bij CVS Ondersteunt

De snelle en aanhoudende verhogingen qua mRNA van sensorische genen (ASIC3, P2X4, P2X5) en adrenerge β-1 en β-2 receptoren zowel als sterke correlaties tussen deze receptoren bij CVS-patiënten na matige inspanning, suggereren een mogelijk mechanisme voor het kenmerkende symptoom van CVS, sensorische vermoeidheid, en zijn versterking na inspanning. Wijzelf en anderen ontdekten dat ASIC3 en P2X5, en mogelijks P2X4 en TRPV1, op sensorische neuronen van spieren, samenwerken om de metabolieten geproduceerd bij spier-samentrekking – die kunnen leiden tot de signalisering van spier-moeheid en pijn – te detekteren. Als het aantal van deze receptoren sterk verhoogd zou zijn in deze sensorische neuronen, zouden basale waarden van metabolieten sensorische vermoeidheid afferenten kunnen aktiveren, en zo een continu signaal van sensorische vermoeidheid in de spieren kunnen zenden naar het centrale SZS en ontregeling van SZS-reflexen veroorzaken, en naar het centraal zenuwstelsel – aanleiding gevend tot de cognitieve herkenning van versterkte vermoeidheid.

Ander werk in ons laboratorium suggereert dat β-adrenerge receptoren op sensorische neuronen een rol spelen bij sensorische vermoeidheid van de spieren én spier-pijn. Ten eerste: bij muizen met ontstoken spieren reageren afferente neuronen in de spieren op veel lagere concentraties metabolieten als β-agonisten samen met de metabolieten worden aangewend (Light AR, ongepubliceerde observaties). Ten tweede: adrenerge β-1 en β-2 receptor mRNAs waren ge-upreguleerd in ‘dorsal root ganglia’ [zie ‘Spier-metaboreceptoren’] van mannelijke muizen 24 uur tot 8 dagen na inflammatie van skeletspieren van de achterpoot door carrageenan [polysaccharide uit zeewier]. [Light AR, Hughen RW, Zhang J: Increases in receptor mRNA in mouse dorsal root ganglion (DRG) neurons following carrageenan induced inflammation of mouse hindlimb muscle. Soc Neurosci (2008) 174:16] Ten derde: klinische pijn werd snel verminderd bij patiënten met FMS of ‘temporomandibular disorder’ [TMD; aandoening van het scharniergewricht in de kaak gepaard gaan met pijn e.a. symtomen] wanneer de a-specifieke β-antagonist propranolol werd toegediend in lage dosissen. [Light KC, Bragdon EE, Grewen KM, Brownley KA, Girdler SS, Maixner W: Adrenergic dysregulation and pain with and without acute beta-blockade in women with fibromyalgia and temporomandibular disorder. J Pain (2009) 10: 542-552] Ten slotte sugeereerden Khasar et al. een mechanisme van het SZS en de hypothalamus-hyspofyse-bijnier as (HPA) waarbij stress zou kunnen bijdragen tot hyperalgesie gemedieerd door adrenerge en hormoon-receptoren op sensorische neuronen. Al deze gegevens suggereren dat β-adrenerge receptoren op sensorische afferenten van spieren de metaboliet-signalen kunnen versterken, in het bijzonder bij patiënten met FMS. Als de upregulering van mRNA voor sensorische en adrenerge receptoren geobserveerd in leukocyten bij CVS-patiënten ook voorkomt in de sensorische afferenten van hun spieren (sensorische vermoeidheid afferenten), kunnen CVS-patënten dus een versterkt sensorisch signaal voor vermoeidheid hebben dat verder wordt verhoogd na inspanning. De gelijkaardige transcriptionele controle voor al deze molekulaire receptoren kan ook verklaren waarom een groot percentage CVS-patiënten ook FMS hebben. Omdat de sensorische afferente neuronen die sensorische vermoeidheid van spieren en spier-pijn detekteren enigzins verschillende combinaties van molekulaire receptoren gebruiken die differentieel geregeld worden, zouden patiënten echter sensorische spier-vermoeidheid én spier-pijn, of elk symptoom onafhankelijk van elkaar kunnen ervaren.

Een andere mogelijkheid is dat leukocyten dezelfde sensorische receptoren gebruiken om metabolieten geproduceerd bij spier-samentrekking te detekteren. Als deze receptoren verhoogd zijn bij CVS-patiënten, is het mogelijk dat lage waarden aan metabolieten leukocyten kunnen aktiveren, en matige inspanning zou het signaal kunnen versterken, waarbij cytokine-waarden, die sensorische afferenten sensitiseren die vermoeidheid van spieren signaliseren, verhogen. Aanzienlijk bewijs voor cytokine-sensitisatie van sensorische afferenten bestaat. Dit en het voorgaande mechanisme kunnen samenwerken.

Versterking van perifere sensorische signalen, wat deze hypothesen ondersteunt, werd aangetoond bij patiënten met FMS en CVS. Omdat het signaal voor sensorische vermoeidheid van spieren waarschijnlijk de SZS-reflexen aktiveert, die normaal toereikende bloed-doorstroming naar de hersenen en de skelet-spieren onderhouden, kan een tonisch [tegengesteld van fasisch] signaal van vermoeidheid-afferenten leiden tot SZS-ontregeling omdat vasculaire adrenerge receptoren van gladde spieren desensitiseren door de aanhoudende afgifte van catecholaminen. Deze ontregeling zou kunnen leiden tot zuurstof-tekort in de spieren en perioden van verhoogde metabolieten die de sensorische receptoren verder zouden aktiveren. Het zou ook kunnen leiden tot orthostatische intolerantie die dikwijls geassocieerd is met CVS. Interessant is dat ASIC3, P2X en TRPV1 receptoren betrokken bleken bij versterkte signalen van de darm in dier-modellen voor prikkelbare darm syndroom en dat TRPV1 geassocieerd is met multipele chemische gevoeligheid. ASICs werden ook geassocieerd met veranderingen in het gehoor en hyperacusis werd ook geassocieerd met CVS en FMS. Misschien kan courante regulering van de transcriptie van deze receptoren voorkomen in een aantal weefsels, wat zou resulteren in enkele van de co-morbiditeiten die gewoonlijk voorkomen bij CVS.

Ten slotte kan langdurige aktivatie van sensorische receptoren leiden tot sensitisatie van ruggemerg- en hersen-systemen die vermoeidheid-signalen overbrengen, wat langdurige versterking van vermoeidheid in het CZS zou veroorzaken. Dergelijke wijzigingen in hersen-transmissie werden aangetoond bij chronische pijn en bij CVS en FMS.

Besluiten

De experimenten die hier worden gerapporteerd tonen dat 25 minuten matige inspanning grote en snelle stijgingen genereren qua gen-expressie in leukocyten van CVS-patiënten maar niet bij controle-individuen. Er werden stijgingen van mRNA gevonden voor genen die verhogingen kunnen detekteren in door spieren geproduceerde metabolieten (ASIC3, P2X4, P2X5), genen die essentieel zijn voor SZS-processen (adrenerge α-2A, β-1 en β-2, zowel als COMT) en immuun-funktie genen (IL10 en TLR4). Deze bevindingen bevestigen eerdere hypothesen die suggereren dat wijzigingen in alle delen van de HPA-as symptomen van CVS en FMS kunnen mediëren en bestendigen. Deze gen-veranderingen suggereren een mogelijke rol voor wijzigingen qua perifere sensorische signalisering bij de symptomen van CVS, zoals werd voorgesteld bij FMS. Ze suggereren ook dat een bloed-test zou kunnen worden ontworpen als een objectieve biomerker voor sensorische spier-vermoeidheid en spier-pijn bij CVS.

Nog even over de schijnbare tegenstrijdigheid (zie ‘Resultaten’:) “TRPV1 verhogingen vertoonden ook een consistente alhoewel niet-significante trend om hoger te zijn in de CVS-groep.”  versus (zie ‘Bespreking’:) TRPV1 expressie verhoogde enkel bij CFS-patiënten significant boven baseline.”… Prof. Light verduidelijkt (persoonlijke communicatie): “Het lijkt contradictorisch maar is het niet. TRPV1 verhoogde niet significant bij de CVS-patiënten (alle CVS-patiënten, met én zonder FMS) vergeleken met controles. TRPV1 verhoogde echter signficant boven baseline bij de CVS-patiënten (alle CVS-patiënten, met én zonder FMS). Uit de gegevens van het groter staal waarover we nu beschikken, blijkt dat de reden voor deze statistische anomalieën is dat de ‘enkel CVS’ patiënten bijna geen verschil vertonen qua TRPV1 verhogingen in vergelijking met controles. Alle verschillen lijken te wijten aan de toevoeging van fibromyalgie bij de ‘CVS+FMS’ patiënten.”

Acetylcarnitine – verminderde opname in de hersenen

Gezien de (eerdere en aangekondigde) studie(s) naar de doeltreffendheid van acetylcarnitine met betrekking tot de mentale vermoeidheid bij CVS, geven we hier de kern-boodschappen mee van een studie aangaande de opname daarvan in de hersenen. Het betreft een samenwerking van de teams van Kuratsune (Japan) en Evengård (Zweden).

We verwezen reeds eerder naar het werk van de Japanees [zie: ‘Specifieke correlaties tussen oxidatieve stress in de spieren en CVS’] en aangezien acetylcarnitine blijkt te worden gebruikt bij de synthese van glutamaat, houdt dit ook verband met het werk van Rönnsback en Hanssen dat we eerder verzamelden [zie ‘Gliale Cellen, Astrocyten en M.E.’, ‘Glia, glutamaat-transport en mentale vermoeidheid’ en ‘Glia, glutamaat-transport en chronische pijn’].

Neuroimage, 2002, 17, 3, 1256-1265

Brain-regions involved in fatigue-sensation: reduced acetylcarnitine uptake into the brain

Hirohiko Kuratsune, Kouzi Yamaguti, Gudrun Lindh, Birgitta Evengård, Gisela Hagberg, Kiyoshi Matsumura, Masao Iwase, Hirotaka Onoe, Mamoru Takahashi, Takashi Machii, Yuzuru Kanakura, Teruo Kitani, Bengt Långström and Yasuyoshi Watanabe

Department of Molecular Medicine, Haematology and Oncology, Osaka University Graduate School of Medicine, Japan

Department of Infectious Disease, Karolinska Institute, Huddinge Hospital, S-141 86 Stockholm, Sweden

SAMENVATTING

Vermoeidheid is een onmisbaar gevoel om rust te gelasten. De neuronale en molekulaire mechanismen van vermoeidheid blijven echter onduidelijk. CVS met zijn langdurig vermoeidheid-gevoel lijkt een goed model voor het bestuderen van deze mechanismen. Wij vonden reeds dat de meeste patiënten met CVS lage waarden van acetylcarnitine in het serum hebben en die correleerden goed met de vermoeidheid-score; en dat een aanzienlijke hoeveelheid van de acetyl-groep van serum-acetylcarnitine wordt opgenomen in de hersenen.

Hier tonen we via analyse van metabolieten in hersenen van muizen dat een acetyl-groep, opgnomen in het brein via acetylcarnitine, hoofdzakelijk wordt aangewend voor de biosynthese van glutamaat. Wanneer we de opname in de hersenen van acetylcarnitine bestudeerden gebruikmakend van radio-aktief gemerkt acetyl-L-carnitine bij 8 patiënten met CVS [CDC criteria 94, geen majeure depressie, allen met lage concentraties aan serum-acylcarnitine] en bij 8 normale controles gematcht voor leeftijd en geslacht, toonden de PET-scans een significante daling in meerdere hersen-gebieden bij de patiënten-groep […].

Deze bevindingen suggereren dat het niveau qua biosynthese van neurotransmitters via acetylcarnitine wellicht gereduceerd is in enkele hersen-gebieden bij chronisch vermoeide patiënten en dat deze abnormaliteit mogelijks één van de sleutels is bij het ontsluieren van de mechanismen van het vermoeidheid-gevoel.

INLEIDING

[…] We toonden aan dat een meerderheid van of Japanese en Zweedse CVS-patiënten een serum-acetylcarnitine tekort hadden en dat er een duidelijk verband was tussen de concentratie van acetylcarnitine in het serum en de vermoeidheid-score bij CVS-patiënten [‘Acylcarnitine deficiency in Chronic Fatigue Syndrome’, Clin Infect Dis.1994 Jan;18 Suppl 1:S62-7: “Acylcarnitine-deficiëntie zou een een energie-tekort en/of abnormaliteit van de intra-mitochondriale toestand in skelet-spieren kunenn induceren, resulterend in veralgemeende vermoeidheid, spier-pijn, spier-zwakte en post-exertionele malaise bij patiënten met CVS.”; zie ook: ‘Low levels of serum acylcarnitine in Chronic Fatigue Syndrome and chronic hepatitis type C, but not seen in other diseases’, Int J Mol Med. 1998 Jul;2(1):51-6]. Om de dynamiek van de acetylcarnitine-molekule bij mensen en primaten te volgen, werden PET [positron emissie tomografie] -studies uitgevoerd gerbuik makend van [radio-aktief] gelabeld acetylcarnitine. We vonden al dat zoogdieren een zeker regulerend mechanisme voor de transfer van serum-acetylcarnitine van de lever naar de bloedsomloop en vice versa hebben en dat de opname door de hersenen van radio-aktief gemerkt acetylcarnitine hoog was [totaal verschillend van bv. methylcarnitine].

De rol van carnitine en acetylcarnitine in neurale transmissie is een interessant onderwerp omwille van de overeenkomst van de molekulaire struktuur met die van choline en acetylcholine. Shug et al. suggereerden dat carnitine geen directe rol als neurotransmitter in de hersenen heeft maar mogelijks een belangrijke rol in biochemische mechanismen betrokken bij excitatorische en inhiberende funkties in de hersenen van zoogdieren kan spelen. Eerdere studies betreffende de opname in de hersenen van carnitine en acetylcarnitine uit het bloed gebruikten carnitine en acetyl-L-carnitine gemerkt met ¹⁴C [een bepaalde radio-aktieve vorm van koolstof] en de opname in de hersenen was laag. Toch toonden meerdere rapporten farmacologische effekten van acetylcarnitine op het centraal zenuwstelsel (CZS) [bij ratten: verbetering van ruimtelijk leren; van neurologische gebreken en energie-produktie veroorzaakt door zuurstof-tekort - bij mensen: significant mindere verslechtering zoals bepaald via de ‘Mini-Mental Status’ en ‘Alzheimer’s Disease Assessment Scale’ test in een dubbel-blinde placebo-gecontroleerde studie]. Oordelend op onze bevindingen zouden deze farmacologische effekten van acetylcarnitine verband kunnen houden met de overdracht van acetyl-groepen naar de hersenen via acetylcarnitine.

Het is echter onduidelijk waarom en hoe de acetyl-groepen worden opgenomen in het brein via acetylcarnitine. In de huidige studie, analyseerden we eerst de radio-aktieve metabolieten in de hersenen en het plasma van muizen en voerden dan PET-scans uit om de opname van met ¹¹C [een ander koolstof-isotoop] gemerkt acetylcarnitine in de hersenen en regionale cerebrale bloed-doorstroming te onderzoeken bij een groep CVS-patiënten vergeleken met een normale controle-groep.

[Allen moesten vasten - water wel toegelaten - gedurende ten minste 8 h vóór de studies, gezien de concentratie in het serum van acetylcarnitine snel verandert na inname van voedsel.]

RESULTATEN

Metabolieten-Analyse van [2-¹⁴C]Acetylcarnitine in het Brein van Muizen

[…] Wanneer het tijd-verloop van opname door de hersenen werd gevolgd van 1 tot 20 min na de injektie van [2-¹⁴C]acetylcarnitine in muizen, was er een graduele stijging gedurende 20 min. De daling van de radio-aktiviteit in het bloed daalde met verloop van tijd. […] Analyse toonde drie belangrijke neurotransmitters: glutamaat, aspartaat en GABA; waarbij glutamaat 60% van de radio-aktiviteit in de hersenen vertegenwoordigde […].

de rSUVacc en Regionale Cerebrale Bloed-Doorstroming bij CVS-Patiënten en Normal Controles

[…]

We gaven hier het eerste bewijs voor acetylcarnitine-opname in het menselijk brein […] De opname van radio-aktief acetylcarnitine werd gevonden in de hersen-schors en andere brein-strukturen, wat er op wijst dat de acetyl-groep van serum-acetylcarnitine wellicht wordt gebruikt voor de biosynthese van glutamaat, aspartaat en GABA in deze hersen-gebieden. De rSUVacc [regional standard uptake value of [2-¹¹C]-acetyl-L-carnitine; de standaard opname waarde is de concentratie radio-aktiviteit in het weefsel gedeeld door de verhouding van totaal toegdiende radio-aktiviteit en lichaamsgewicht.] bij de CVS-patiënten was hoger in de grijze hersen-stof dan in de witte hersen-stof maar bleek lager bij de CVS-patiënten dan bij de normale controles in meerdere hersen-gebieden. Wanneer de globale gestandardiseerde opname van radio-aktief acetylcarnitine in de hersenen werd geschat door het gemiddelde te maken van alle pixels in het brein 75 min na inspuiting, was er geen significant verschil. Het tijd-verloop van de radio-aktiviteit in het plasma en de hersenen waren hoofdzakelijk gelijkaardig tussen beide groepen. De opname van of [2-¹¹C]acetylcarnitine in de hersenen steeg rechtlijnig, wat betekent dat de opgenomen hoeveelheid niet werd beïnvloed door de beschikbare concentratie [2-¹¹C]acetylcarnitine in het plasma.

We bestudeerden ook de rCBF [regional cerebral blood-flow; bloed-doorstroming van hersen-gebieden] in dezelfde acht vrouwelijke CVS-patiënten en acht normale controles via PET met ¹⁵O-gelabeled [d.m.v. radio-aktief zuurstof] water. De rCBF was ook lager bij de CVS-patiënten dan bij de controle-groep in meerdere hersen-gebieden. Wanneer de globale bloeddoorstroming van de hersenen werd bepaald […] was dit 46,0 ± 5,8 (bij de controles) en 40,1 ± 5,2 (bij CVS) ml/min/100 ml; het verschil was significant (P < 0.05).

Gedaalde rSUVacc en rCBF bij de CVS-groep Vergeleken met de Waarden voor de Controles

[…]

Wat betreft de opname door het brein van acetylcarnitine, werd een duidelijke daling qua rSUVacc gevonden in enkele gebieden bij de CVS-groep, namelijk in Brodmann’s gebieden 4, 9/46d, 17, 18, 21, 24, 33 and 41. [Brodmann deelde de cerebrale cortex op in 52 gebieden (areas), die hij elk een latijnse naam gaf - op basis van cel-struktuur en ordening van de cellen van de hersen-schors - en een nummer van BA 1 tot en met BA 52. Het is de standaard aanduiding voor diverse hersengebieden.] Aangezien de globale doorstroming statistisch significant (P < 0.05) lager was bij de CVS-patiënten dan bij de controle-groep, was de rCBF in de CVS-groep lager in verscheidene gebieden van de hersenen. Bij de CVS-groep was er geen enkel hersen-gebied waarvan noch rCBF noch rSUVacc hoger was dan bij de controle-groep.

BESPREKING

Dit is de eerste studie die aantoont dat serum-acetylcarnitine wordt gebruikt voor de biosynthese van neurotransmitters zoals glutamaat, aspartaat en GABA. Wat betreft de metabole relatie tussen neurotransmitters en acetylcarnitine werd gemeld dat het gehalte aan GABA in de substantia nigra [pigment-houdende kern in de midden-hersenen, behorend tot de basale kernen, die dopamine produceert] significant was verhoogd wanneer hoge dosissen acetylcarnitine (5-100 mg/kg) werden toegediend aan muizen. Een dergelijke test met een grotere hoeveelheid acetylcarnitine was echter totaal verschillend van de fysiologische omstandigheden. Wij gebruikten een spoor-dosis [2-¹⁴C]acetylcarnitine vergeleken met de fysiologische waarde in het serum. Onze resultaten weerspiegelen de fysiologische omzetting van serum-acetylcarnitine naar glutamaat, aspartaat en GABA in de hersenen.

[…]

De resultaten van de metabolieten-analyse en PET-studies wijzen aan dat de vermindering in rSUVacc bij CVS-patiënten een abnormaliteit bij de neurotransmitter-synthese via acetylcarnitine zou kunnen weerspiegelen. Aangezien er een duidelijke correlatie tussen rCBF [bloed-doorstroming] en rSUVacc [acetylcarnitine] was in een aantal van Brodmann’s gebieden bij de vrijwilligersgroep, zou de gedaalde opname gedeeltelijk de hypo-perfusie [verminderde bloed-doorstroming] kunnen weerspiegelen. In het geval van de afname in rSUVacc en rCBF in de ‘anterior cingulate’ [een zenuw-bundel/-gordel in de hersen-schors], was de significante daling qua rSUVacc echter grotendeels beperkt tot Brodmann’s gebied 24 [area cingularis anterior ventralis], terwijl de verminderde rCBF was uitgebreid van de ‘anterior cingulate’ tot de ‘orbital gyrus’ [deel van de frontale hersen-kwab]. Daarom zou de daling in rSUVacc bij CVS-patiënten te wijten kunnen zijn aan cerebrale hypo-perfusie en ook op een bepaalde manier gerelateerd aan de verstoorde excitatorische neurotransmissie in de geaktiveerde hersen-gebieden, waar neuronen specifiek een groter aantal acetylcarnitine-transporters tot expressie zouden brengen […].

De hersen-gebieden die een laag rSUVacc vertonen, zouden enkele kenmerken van het vermoeidheid-gevoel kunnen verklaren: de onderverdeling van BA9, BA9/46d, is verantwoordelijk voor de uitvoerende funktie, zoals motivatie en planning van nieuwe dingen; BA24 is nauw verwant met concentratie, aandacht en enkele autonome funkties; BA21 is een deel van het ‘TE gebied’, verantwoordelijk voor integratie van of visuele informatie, visuele aandacht/geheugen, en associatie van stimulus en beloning; en het ‘dentate nucleus’ gebied van het cerebellum [grootse van de 4 kernen in de witte stof van de kleine hersenen] houdt verband met de vestibulaire [evenwicht] funktie. De dysfunktie van deze gebieden kan dus enkele van de karakteristieken van de vermoeidheid verklaren.

SPECT [single-photon emission-computed tomography, een beeldvorming-techniek] -studies m.b.v. ⁹⁹mTc-hexamethylpropyleneamine-oxime [radio-aktief gemerkte tracer] openbaarden dat de meeste CVS-patiënten cerebrale hypo-perfusie in een waaier aan hersen-gebieden – zoals de frontale, temporale, parietale en occipitale cortexen [delen van de hersen-schors], anteriere cingulaat, basale ganglia en de hersten-stam – vertoonden en suggereerden dat CZS-dysfunktie gerelateerd zou kunnen zijn met de neuropsychiatrische symptomen van of CVS-patiënten. Onze resultaten van deze eerste kwantitatieve rCBF studie bij CVS-patiënten d.m.v. PET komen goed overéén met de data van eerdere SPECT-studies.

Er werd al gerapporteerd dat de cerebrale hypo-perfusie bij patiënten met depressie voorkomt in de frontale, parietale, occipitale en temporale gebieden; in de linker dorsolaterale prefrontale cortex, antereure cingulaat en angular gyrus; en in de dorsolaterale prefrontale, rechter orbitofrontale en cingulate cortexen. Er werd gemeld dat er een significant verband was tussen de daling in de gemiddelde rCBF en de ernst van depressie. Cerebrale hypo-perfusie gevonden bij de CVS-patiënten in deze studie is echter wellicht niet gerelateerd met een depressieve toestand, gezien de CVS-patiënten hier klachten hadden over ernstige, langdurige en veralgemeende vermoeidheid maar zonder neerslachtige stemming, en alle acht patiënten hadden lage scores bij zelf-beoordeelde depressie-vragenlijst.

Regionaal cerebraal glucose-metabolisme (rCMRglu) gemeten via 2-[¹⁸F]fluoro-2-deoxyglucose [FDG; radio-aktieve molekule] en PET weerspiegelt op de één of andere manier de neurale aktiviteit. Een daling in rCMRglu in de prefrontale, temporale, insulaire en anterieure cingulate cortexen werd gemeld bij CVS-patiënten én mensen met depressie, suggererend dat de daling in neurale aktiviteit in deze gebieden zou kunnen verband houden met de abnormale toestand van deze ziekten. Er is echter een duidelijk verschil, symbolisch voor het metabolisme in de hersenen, tussen FDG en acetylcarnitine. Het is goed bekend dar FDG dat in de hersenen wordt opgenomen, snel wordt omgezet in FDG-6-P door hexokinase, maar FDG-6-P wordt slecht gemetaboliseerd binnenin de cellen. In tegenstelling daarmee wordt [2-¹⁴C]acetylcarnitine – dat wordt opgenomen in de cellen – gebruikt voor de biosynthese van neurotransmitters zoals glutamaat, aspartaat en GABA. Ze worden dan gemetaboliseerd naar intermediairen in de TCA-cyclus [‘Tri Carboxylic Acid’; Kreb’s cyclus of citroenzuur-cylus; complexe reeks biochemische processen betrokken bij het oxidatief metabolisme van glucose] en CO₂. Daarom weerspiegelt onze PET-studie niet enkel de opname in de hersenen maar ook het intracellulair metabolisme van de acetyl-groep. In een preliminaire studie verbeterde de toediening van acetylcarnitine aan CVS-patiënten de prestaties en de vermoeidheid-score [‘Acylcarnitine and Chronic Fatigue Syndrome’, Carnitine Today (1997) pp. 195-213].

Er werd lagere neuronale aktiviteit in de hersen-stam gemeld bij CVS-patiënten zonder psychiatrische aandoeningen dan bij patiënten met depressie, gebaseerd op de resultaten van een perfusie SPECT-studie [Costa et al. 1995: ‘Brainstem perfusion is impaired in Chronic Fatigue Syndrome’, QJM 88: 767-773]. PET met FDG toonde hypo-metabolisme in de hersen-stam van CVS-patiënten maar niet bij patiënten met depressie, suggererend dat de lagere neuronale aktiviteit in de hersen-stam een merker zou kunnen zijn voor een differentiële diagnose tussen CVS en depressie [Tirelli et al. 1998: ‘Brain positron emission tomography (PET) in Chronic Fatigue Syndrome: Preliminary data’, Am. J. Med. 105: 54S-58S]. Aangezien een PET-studie met FDG bij patiënten met Multipele Sclerose met ernstige vermoeidheid een daling vertoonden qua rCMRglu in de frontale, temporale en occipitale cortexen, maar geen daling in de hersen-stam, vergeleken met Multipele Sclerose patiënten met minder vermoeidheid, is hypo-metabolisme in de hersen-stam wellicht niet het hoofd-kenmerk van CVS. Er werd geen hypo-metabolisme van acetylcarnitine gevonden in de hersen-stam van CVS-patiënten in deze studie.

Carnitine is essentieel voor het energie-metabolisme van spieren, voor het transport van lange-keten vetzuren in spieren zowel als voor de regulering van energie-producerende chemische reakties in de mitochondrieën. Acetyl-L-carnitine, een lichaamseigen stof, vergemakkelijkt er de opname van acetyl-coenzyme-A tijdens vetzuur-oxidatie en verhoogt de produktie van acetylcholine. Enkele studies vonden geen verschillen tussen CVS en controles maar Dr Charles Shepherd (MEA) bv. vindt dat de positieve resultaten van behandel-proeven er op wijzen dat deze benadering een kans verdient en dat verder onderzoek het overwegen waard is.

Verschillende studies (meestal bij kleine groepen) rapporteren over supplementering met carnitine ter behandeling van vermoeidheid (bv. bij ouderen, mitochondriale myopathie) en (soms) CVS. Er zijn echter verschillende vormen waaronder dit aminozuur kan worden toegediend. L-carnitine en acetyl-L-carnitine (ALC of ALCAR) worden gebruikt om mitochondriale funktie te verbeteren. Ook propionyl-carnitine wordt soms aangewend. Dit kan alleen diverse uitkomsten opleveren.

In een artikel waar Prof. Kuratsune co-auteur was [‘Comparison of the effects of L-carnitine and acetyl-L-carnitine on carnitine levels, ambulatory activity and oxidative stress biomarkers in the brain of old rats’, Ann N Y Acad Sci. 2004; 1033:117-31] wordt gemeld dat carnitine en ALC gelijkaardig bleken wat betreft het stijgen van de carnitine-concentratie in het plasma en in de hersenen van ratten. Ze verhoogden ook allebei de aktiviteit. ALC bleek effektief bij het verminderen van oxidatieve schade (o.a. lipiden-perxidatie) maar L-carnitine niet. Ze stelden dat ALC wellicht een beter voeding-supplement is dan L-carnitine.

Dr Ruud Vermeulen van het M.E./CVS Research Centrum in Amsterdam noteerde in zijn publikatie ‘Exploratory Open Label, Randomized Study of Acetyl- and Propionyl-carnitine in Chronic Fatigue Syndrome’ (Psychosomatic Medicine 66 (2004):276-282) over een open studie: “Klinische globale indruk [subjektieve beoordeling ?] van verandering na behandeling toonde aanzienlijke verbetering bij 59 % van de CVS-patiënten met acetyl-L-carnitine (2 g/d) en 63 % van de groep die propionyl-L-carnitine (2 g/d) kreeg, maar slechts 37 % bij zij die een combinatie van beiden kregen. Acetylcarnitine verbeterde de mentale vermoeidheid en propionylcarnitine de algemene vermoeidheid. Aandacht en concentratie verbeterden in alle groepen, pijn-klachten namen niet af.”

Plioplys en Plioplys hadden eerder (1997) de orale toediening van carnitine onderzocht als een mogelijke behandeling voor CVS en zij zagen klinische verbeteringen bij 12 van 18 patiënten.

De ‘Wetenschapswinkel Geneesmiddelen’ van de Rijksuniversiteit Groningen verzamelde en besprak in 2001 een aantal van bovenvermelde studies en moest toen concluderen dat er nog geen éénduidig beeld was betreffende het carnitine-metabolisme bij M.E.(cvs)-patienten en de rol die afwijkingen in dit metabolisme kunnen spelen bij het ontstaan en/of. het voortduren van de aandoening. “De toepassing van acetylcarnitine bij M.E.(cvs) lijkt dus niet zinvol omdat de werkzaamheid ervan onvoldoende is aangetoond.”

Misschien kunnen studies bij grotere groepen goed gedefinieerde M.E.-patiënten en gebruikmakend van preparaten met ALC plus alfa-liponzuur ons meer leren…

TGF-beta in de hersenen

Op het ‘International Conference on Fatigue Science’ (31 januari 2005) in Japan warden 3 interessante presentaties voorgesteld aangaande een dier-model voor vermoeidheid en TGF-β in de hersenen:

* Mechanismen voor de manifestatie van een gevoel van vermoeidheid door TGF-β in de hersenen – Kazuo Inoue

* Effekten van of intra-craniale toediening van TGF-β op  neurotransmitter-release in de hypothalamus – Teppei Fujikawa

* Centrale vermoeidheid geïnduceerd door TGF-β: Lokalisatie van receptoren voor TGF-β in de hypothalamus – Shigenobu Matsumura

Het team o.l.v. Prof. Kazuo Inoue van de ‘Graduate School of Agriculture’ van de Kyoto University, Japan, onderzoekt reeds lange tijd het fenomeen vermoeidheid. Deze groep laat ratten zwemmen tot ze uitgeput zijn. Ze produceren dan een waaier aan substanties waarmee het lichaam communiceert met het brein. Dit genereert ‘Transforming Growth Factor ‘beta (TGF-β).

De TGF-β isoformen: TGF-β1, TGF-β2 and TGF-β3 komen tot expressie in meerdere cel-types van het CZS: neuronen, astrocyten en microglia. TGF-β2 en TGF-β3 mRNAs zijn ook aanwezig in alle hersengebieden: de cerebral cortex, hippocampus, striatum, cerebellum en hersen-stam. Er bestaat een pan-specifiek anti-TGF-β antilichaam, dat bindt met TGF-β1, -β2, -β3 en -β5.

Inoue’s onderzoeksgroep testte het cerebrospinaal vocht (CSF) van de uitgeputte ratten. Het bevat veel TGF-β. Als ze dit ruggemerg-vocht injekteerden in muizen – direct in een met CSF gevulde ruimte achter het cerebellum genaamd de ‘cisterna magna’ – dan verminderde hun motor-aktiviteit [fysieke aktiviteit van een organisme als gedragsfenomeen] tot zelf 75% (in vergelijking met muizen die ‘controle’-vloeistof zonder TGF-β. Ze werden VERMOEID.

Mensen produceren ook TGF-β. Inspanning induceerde significant verhoogde TGF-β concentraties; een bevinding die ook werd opgemerkt bij gezonde maar on-fitte mannen bij inspanning.

De onderzoeksgroep produceerde een antilichaam tegen TGF-β. Als ze dit injekteerden in uitgeputte muizen dan veerden die op en herstelden van de vermoeidheid. Het zou interessant zijn te bekijken of medicijnen kunnen worden ontwikkeld die interageren met TGF-β bij mensen en of biotechnologisch grote hoeveelheden van het antilichaam kunnen worden aangemaakt. Het zou ook interessant zijn te bestuderen of de vermoeidheid-categorieën, waar iedereen het over heeft (bv. gelokaliseerd, algemeen, cerebraal, enz.), kunnen ontleden en hun relatie met elkaar beter kunnen begrijpen. Inoue’s werk heeft het potentieel onze inzichten hieromtrent enorm te verbreden. Het zou een betekenisvolle ontwikkeling zijn voor het begrijpen van het ontstaan van vermoeidheid.

Prof. Inoue zegt: “TGF-β is een primaire kandidaat voor het moduleren van spontane motor-aktiviteit in de hersenen.”. Het zou mogelijk moeten zijn antilichamen te produceren tegen de menselijke variant en te beschikken over direct tegenmiddel voor onze vermoeidheid, op voorwaarde dat het dezelfde rol speelt bij mensen als bij muizen. We zijn ongeveer 90% genetisch gelijkaardig dus het lijkt een goeie gok.[Anderen betwisten dit dan weer...] We moeten afwachten. Het enige waar we zeker van zijn is dat het heel zeker duur zal zijn.

Vertrekpunt: Het brein coördineert de energie-behoeften van elk deel van het lichaam en reguleert het metabolisme van het ganse lichaam op gepaste wijze. De betrokkenheid van de bv. hypothalamus en het sympathisch zenuwstelsel bij energie-metabolisme bij inspanning met hoge intensiteit is bekend. Ook verhogingen van de expressie van corticotropine-releasing factor (CRF) mRNA werden aangetoond. Deze bevindingen impliceren dat inspanning met hoge intensiteit een soort stressor is.

Het cytokine ‘transforming growth factor’ β (TGF-β) reguleert cel-proliferatie, differentiatie en apoptose [zie: ‘TGF-beta - vermoeidheid, neuro-protektie’] en speelt een sleutel-rol bij de ontwikkeling en weefsel-homeostase. De fysiologische rol in de hersenen is echter onduidelijk.

De literatuur…

Physiol Behav. 1998 May;64(2):185-90

Release of a substance that suppresses spontaneous motor activity in the brain by physical exercise

Inoue K, Yamazaki H, Manabe Y, Fukuda C, Fushiki T

Division of Applied Life Sciences, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Japan

Injektie van het cerebrospinaal vocht (CSF) van (door verplicht zwemmen) vermoeide ratten in de cisterna magna van muizen onderdrukte de spontane motor-aktiviteit van de muizen. De onderdrukkende werking werd opgegeven door hitte-denaturatie van het CSF en we vonden dat de CSF-fraktie met een molekulair gewicht boven 10.000 na ultra-filtratie hier verantwoordelijk voor was. Deze bevindingen suggereren de aanwezigheid van (een) substantie(s), afgegeven door de hersenen van de vermoeide dieren, die hun spontane motor-aktiviteit onderdrukt en de sensatie van vermoeidheid genereert.

Brain Res. 1999 Nov 6;846(2):145-53

Transforming growth factor-beta activated during exercise in brain depresses spontaneous motor activity of animals. Relevance to central fatigue

Inoue K, Yamazaki H, Manabe Y, Fukuda C, Hanai K, Fushiki T

Laboratory of Nutrition Chemistry, Division of Applied Life Sciences, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Kyoto, Japan

Intra-cerebroventriculaire [in de hersenventrikels] toediening aan sedentaire muizen van de CSF-fraktie met een hoog-molekulair gewicht van door inspanning uitgeputte ratten resulteerde in een afname van de spontane motor aktiviteit [zie hierboven]. CSF van sedentaire ratten had dit effekt niet. Dit suggereert de aanwezigheid van een substantie die de bewegingsdrang als reaktie op moeheid reguleert. Een bio-assay systeem gerbuik-makend van hydra [een zoetwater-poliep van de klasse van de holtedieren] toonde een aktiviteit aan die niet te onderscheiden is van ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) in het CSF van door inspanning vermoeide ratten, terwijl dit ziet zo was in dat van sedentaire ratten. De toename in de concentratie van aktief TGF-β in het CSF van door inspanning vermoeide ratten werd ook bevestigd met een ander bio-assay systeem (gebruikmakend van epitheliale cellen uit de longen van nertsen, Mv1Lu). Injektie van TGF-β in de hersenen van sedentaire muizen veroorzaakte een gelijkaardige afname van spontane motor-aktiviteit op een dosis-afhankelijke wijze. Opvoeren van de inspanningsgraad voor de ratten verhoogde de waarden van aktief TGF-β én de onderdrukkende werking in het CSF van ratten op spontane motor-aktiviteit van muizen. Alles te samen, suggereren deze resultaten dat inspanning aktief TGF-β in het brein doet stijgen en het gevoel van vermoeidheid creëert, en dat zo spontane motor-aktiviteit wordt onderdrukt.

Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 2002 Feb;26(2):307-12

Effects of intracranial injection of transforming growth factor-beta relevant to central fatigue on the waking electroencephalogram of rats: comparison with effects of exercise

Arai M, Yamazaki H, Inoue K, Fushiki T

Division of Applied Life Sciences, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Japan

Om de werking van ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) in de hersenen, dat stijgt bij vorderende inspanning, in detail te onderzoeken, ondernamen de auteurs elektro-encefalogram (EEG) spectrale analyses van 2 h na intra-craniale injektie [in de schedel] van TGF-β bij ratten en vergeleken die met de effekten van inspanning door zwemmen. Relatieve ‘power-values (power-percent)’ van de theta frequentie-band (4-7 Hz) verhoogde en ‘power-percent’ van de alfa frequentie-band (7-13 Hz) daalde na intra-craniale injektie van TGF-β. [Absolute EEG-power van een frequentie-band geeft aan hoeveel variantie in het EEG-signaal toe te schrijven is aan cyclische variaties met frequenties die in die band vallen. Relatieve EEG-power drukt uit wat het relatieve belang van die frequentie-band is ten opzichte van de andere frequentie-banden.] De richtingen van deze EEG-veranderingen intra-craniale injektie van TGF-β waren consistent met deze na inspanning. Het EEG-patroon opgewekt door leucine-encefaline [Leu-enk; natuurlijke onstekingsremmer met morfine-achtige aktiviteit, vermindert pijn], een typisch brein-peptide verbonden met inspanning, was compleet verschillend van dat na inspanning. De resultaten suggereren dat de toename van de TGF-β concentratie in de hersenen is, ten minste gedeeltelijk, relevant voor de verandering van neuronale aktiviteit na inspanning.

Am J Physiol Endocrinol Metab. 2002 Sep;283(3):E536-44

Intracranial administration of transforming growth factor-beta3 increases fat oxidation in rats

Yamazaki H, Arai M, Matsumura S, Inoue K, Fushiki T

Laboratory of Nutrition Chemistry, Division of Food Science and Biotechnology, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Kyoto 606-8502, Japan

De effekten van intra-craniaal ‘transforming growth factor’ (TGF) -β3 op de spontane motor-aktiviteit en het energie-metabolisme werden onderzocht bij ratten. Na injektie van TGF-β3 in de cisterna magna van ratten, daalde de spontane motor-aktiviteit significant gedurende 1 h. De intra-craniale injektie van of TGF-β3 leverde een onmiddellijke daling van de ‘respiratory exchange ratio’ [RER; verhouding tussen het volume afgegeven CO₂ en het volume opgenomen O₂ = ca. 0,8 bij rust, kan groter dan 1 worden bij intense inspanning] op. Er werden geen significante verschillen geobserveerd in het energie-verbruik. TGF-β3 induceerde een significante stijging van de totale vet oxidatie en een daling van de totale koolhydraten oxidatie. Verder waren de serum-substraten geassocieerd met het vet-metabolisme significant veranderd bij ratten geïnjekteerd met TGF-β3. De aktiviteit van lipoproteïne-lipase [LPL; enzyme dat triglyceriden (vetten) uit de voeding helpt afbreken tot vrije vetzuren en zo energie voor de spieren genereert] in skelet-spieren én de concentratie van serum keton-lichamen [molekulen met C=O-groep (bv. aceton), die in het lichaam gemaakt worden als vet moet worden afgebroken als gevolg van een tekort aan koolhydraten (suikers)] stegen, suggestief voor het feit dat de verhoogde vet-oxidatie veroorzaakt door TGF-β3 wellicht gebeurde in de lever en de spieren. Intra-craniale injektie van TGF-β3 leek een omschakeling van de energie-substraten die worden aangesproken bij energie-verbruik op te roepen. Deze resultaten suggereren dat de afgifte van TGF-β3 in de hersenen door inspanning een signaal is voor het reguleren van de energie-consumptie.

[[[Uit de ‘discussie’: Het vermoeidheid-gevoel in de hersenen is wellicht niet enkel een ongemak maar het kan ook een verdedigingsmechanisme vormen tegen uitputting; de aktieve vormen van TGF-β in het brein zouden positief kunnen werken om perifere uitputting te voorkomen en herstel te bespoedigen.

De metabole veranderingen geïnduceerd door de injektie van of TGF-β3 lijken erg op de toestand van het energie-metabolisme na fysieke inspanning. Gezien het energie-verbruik niet veranderde, zou intra-craniale injektie van TGF-β3 een switch van energie-substraten kunnen veroorzaken. Tijdens langdurige inspanning vertoont het gebruik van energie-substraten een graduele overgang van koolhydraten naar vetten. Andere studies rapporteerden dat er een significante verschuiving naar vet-oxidatie na hoge-intensiteit inspanning. Dit is een gangbaar fenomeen in inspanning-fysiologie maar het volledige mechanisme van de omschakeling werd nog niet verduidelijkt. TGF-β3 vrijgegeven in de hersenen tijdens inspanning zou de vet-oxiatie kunnen verhogen om glucose te conserveren. We meldden ook al dat de veranderingen in EEG na intra-craniale injektie van TGF-β consistent waren met die na inspanning. Dit suggereert dat de toename in TGF-β in het brein gedeeltelijk relevant is voor de verandering van neuronale aktiviteit na inspanning. Het lijkt aannemelijk dat TGF-β3 afgegeven in de hersenen tijdens inspanning spontane motor-aktiviteit onderdrukt om rust aan te moedigen en een verandering veroorzaakt in de energie-substraten van het perifeer systeem.

Er werd aangenomen dat de permeabiliteit van TGF-β door de bloed-hersen-barrière wellicht heel laag of vrijwel onbestaande is. Daarom kan worden gesteld dat TGF-β3 vrijgegeven door de hersenen direct de spontane motor-aktiviteit en de energie-status beïnvloedt. Dit impliceert dat de effekten van TGF-β3 op perifere weefsels qua energie, worden gemedieerd door het CZS.]]]

Am J Physiol Endocrinol Metab. 2006 Dec;291(6):E1151-9.

Transforming growth factor-beta in the brain regulates fat metabolism during endurance exercise

Ishikawa T, Mizunoya W, Shibakusa T, Inoue K, Fushiki T

Laboratory of Nutrition Chemistry, Division of Food Science and Biotechnology, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Sakyo, Kyoto, Japan 606-8502

We hebben eerder gemeld dat de concentratie van ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) verhoogt in het cerebrospinaal vocht van ratten tijdens inspanning en dat er een stijging is in ‘whole body’ vet-oxidatie an de toediening van TGF-β in de cisterna. Deze resultaten leidden er ons toe te postuleren dat TGF-β in de hersenen de verhoging van vetzuur-oxidatie tijdens inspanning reguleert. Om deze hypothese te testen, voerden we analyses uit van respiratoire gassen tijdens loopband-inspanning na de inhibitie van de TGF-β aktiviteit in rat-hersenen door toediening van anti-TGF-β antilichaam of SB-431542, een inhibitor van de type 1 TGF-β receptor [TβR1] in de cisterna. We vonden dat elk reagens de verhoging van de vetzuur-oxidatie gedeeltelijk blokkeerde. We vergeleken ook de plasma-concentraties van energie-substraten in de groep die anti-TGF-β antilichaam kreeg toegediend met de controle-groep tijdens het lopen. We vonden dat de plasma-concentraties van niet-veresterde vetzuren [non-esterified fatty acids, NEFA; vrije vetzuren, afgegeven door vetweefsel als metabole brandstof] en keton-lichamen in de groep die anti-TGF-β antilichaam kreeg, lager waren dan in de controle-groep bij het einde van het lopen. Op dezelfde manier voerden we analyses van respiratoire gassen uit tijdens een loopband-inspanning na het onderdrukken van de aktiviteit van corticotropine-releasing factor [CRF of CRH (hormoon); vrijgegeven door de hypothalamus bij stress; expressie verhoogt bij inspanning] gebruikmakend van intra-cisternale toediening van astressine [CRF-antagonist, blokkeert CRF-receptoren 1 & 2, inhibeert de HPA-as], een inhibitor van de corticotropine-releasing factor receptor. Er waren echter geen significante verschillen qua RER of zuurstof-verbruik bij gematigde inspanning (60% maximum zuurstof-consumptie) [om de lactaat-drempel niet te overschrijden] [CRF houdt dus wellicht geen verband met de regulering van het energie-metabolisme.]. Deze resultaten suggereren dat TGF-β in de hersenen een rol speelt bij het verhogen van de vetzuur-oxidatie tijdens uithoudingsinspanning en dat deze regulering zich, ten minste gedeeltelijk, voltrekt via het type 1 TGF-β receptor signaal-transductie-systeem.

[[[Uit de ‘discussie’: Hoe beïnvloedt de toename van TGF-β in de hersenen de perifere weefsels en verhoogt het ’t vet-verbruik? Gezien de plasma-concentraties aan insuline en glucagon [hormonen die de glucose-spiegel regelen] niet veranderden door de inhibitie van TGF-β aktiviteit in het brein (via intra-cisternale toedeining van anti-TGF-β antilichaam), lijkt het effekt van TGF-β in de hersenen niet te worden doorgegeven via deze 2 hormonen. Het is goed bekend dat catecholaminen via β-adrenoreceptoren werken in vetweefsel en lipolyse [afbraak van triglyceriden] induceren tijdens uithoudingsinspanning. Ons laboratorium toonde eerder aan dat intra-cisternale toediening van TGF-β niet resulteert in significante veranderingen van de concentraties adrenaline en noradrenaline in serum in een sedentaire toestand. Hoewel de catecholaminen in deze studie niet werden bepaald, vertoonde glucagon en insuline – die gelijkaardige effekten hebben op catecholaminen – geen verandering. Dit suggereert dat de aktie van TGF-β in de hersenen wordt doorgegeven via het autonoom zenuwstelsel en niet via humorale factoren [antistoffen, component, enz.].]]]

Biomed Res. 2006 Dec;27(6):297-305

The physiological and behavioural effects of subchronic intracisternal administration of TGF-beta in rats: comparison with the effects of CRF

Shibakusa T, Iwaki Y, Mizunoya W, Matsumura S, Nishizawa Y, Inoue K, Fushiki T

Laboratory of Nutrition Chemistry, Division of Food Science and Biotechnology, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Japan

We bestudeerden de fysiologische en gedragsmatige effekten van sub-chronische intra-cisternale toediening van ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) gedurende 7 dagen. Dergelijke toediening van TGF-β inhibeerde significant de toename aan lichaamsgewicht van ratten maar beïnvloedde de voedsel-inname niet. De locomotor-aktiviteit [LMA; beweging van plaats naar plaats; bij dier-proeven wordt dit dikwijls gemonitord om de gedrag-effekten van medicijnen te bepalen] na de laatste intra-cisternale toediening op dag 7, steeg voor een meet-periode van 1,5 h significant in de TGF-β groep vergeleken met de controle-groep. Die voor een meet-periode van 10 h was echter niet verschillend tussen beide groepen. [7 dagen TGF-β veroorzaakt dus wellicht niet het chronisch gevoel van vermoeidheid] Verder werden significante verhogingen van het zuurstof-verbruik geobserveerd in de TGF-β groep tijdens lichte én donkere fase. Sub-chronische TGF-β behandeling induceerde een significante daling van het aantal totale leukocyten en lymfocyten, het relatieve gewicht van de thymus [thymus-atrofie, oor zaak van het verminderd aantal lymfocyten], en een significante stijging van het gewicht aan vet-weefsel. Corticotropine-releasing factor (CRF) is de primaire neuro-endocriene factor die wordt afgegeven in respons op stress. [CRF werkt als een neuro-endocriene factor in de HPA-as waar ’t ACTH vrijgeeft, én als een neurotransmitter in verscheidene hersengebieden om het sympathisch zenuwstelsel te stimuleren] Sub-chronische behandeling met CRF, als positieve controle, beïnvloedde significant het lichaamsgewicht, de voedsel-inname, zuurstof-consumptie, totaal aantal leukocyten en lymfocyten, en het gewicht van thymus en bijnieren. Sub-chronische toediening van TGF-β imiteerde gedeeltelijk de stress-responsen, wat een rol voor TGF-β in de hersenen bij stress impliceert.

[[[Uit de ‘discussie’: Sub-chronische intra-cisternale toediening van TGF-β gedurende 7 dagen gaf geen aanleiding tot hypertrofie van de bijnieren en het resultaat van acute TGF-β toediening suggereert dat TGF-β in de hersenen de HPA-as niet aktiveert. TGF-β is verschillend van CRF en aktiveert wellicht enkel het sympathisch zenuwstelsel maar de details zijn nog onduidelijk.

Thymus-atrofie door chronische stress of CRF-behandeling wordt beschouwd te wijten te zijn aan chronisch verhoogd corticosteron, ten gevolge langdurige stimulatie van de HPA-as. Anderzijds werd ook al aangetoond dat de thymus sterk sympatisch bezenuwd is…]]]

Neuroscience. 2007 Feb 9;144(3):1133-40

Increase in transforming growth factor-beta in the brain during infection is related to fever, not depression of spontaneous motor activity

Matsumura S, Shibakusa T, Fujikawa T, Yamada H, Inoue K, Fushiki T

Laboratory of Nutrition Chemistry, Division of Food Science and Biotechnology, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Oiwakecho, Kitashirakawa, Sakyo-ku, Kyoto, Japan 606-8502

Bij virale infektie wordt deze informatie doorgegeven naar de hersenen, en symptomen zoals koorts en moeheid worden opgewekt. Eén van de oorzaken van deze symptomen is de secretie van pro-inflammatoire cytokinen in het bloed en het brein. In deze studie werd de intra-peritoneale [IP; injektie in de buikholte] toediening van of poly-inosine:poly-cytidine zuur (poly I:C), een synthetisch dubbel-strengig RNA, aan ratten gebruikt als infektie-model. Poly I:C deed de spontane motor-aktiviteit (SMA) dalen 2 h na intra-peritoneale toediening, en deze daling bleef daarna behouden. De concentratie aan aktief ‘transforming growth factor’ (TGF-β) in cerebrospinaal vocht (CSF) steeg 1 h na de toediening [maar niet in het bloed]. Deze toename gebeurde vroeger dan deze van de concentraties van andere pro-inflammatoire cytokinen, zoals interleukine-6 (IL-6) en tumor necrose factor alfa (TNF-α), in serum. De intra-cisternale toediening van een anti-TGF-β antilichaam inhibeerde gedeeltelijk koorts geïnduceerd door de toediening van poly I:C; deze behandeling beïnvloedde de daling van de SMA echter niet. Verder deed intra-cisternale toediening van TGF-β de lichaamstemperatuur stijgen. Deze resultaten wijzen er op dat TGF-β in de hersenen, dat was verhoogd door toediening van poly I:C, geassocieerd is met koorts maar niet met een daling qua SMA.

Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2007 May;292(5):R1851-61

Transforming growth factor-beta in the brain is activated by exercise and increases mobilization of fat-related energy substrates in rats

Shibakusa T, Mizunoya W, Okabe Y, Matsumura S, Iwaki Y, Okuno A, Shibata K, Inoue K, Fushiki T

Laboratory of Nutrition Chemistry, Division of Food Science and Biotechnology, Graduate School of Agriculture, Kyoto Univ, Kitashirakawa, Sakyo, Kyoto, Japan

We rapporteerden dat inhibitie van ‘ transforming growth factor’ (TGF) beta in de hersenen de concentraties van vet-gerelateerde energie-substraten reduceerde in respons op inspanning. We onderzochten de relevantie tussen de mobilisatie van vet-gerelateerde energie-substraten (niet-veresterde vetzuren en keton-lichamen) tijdens inspanning en de effekten van TGF-β in de hersenen. Lage-intensiteit inspanning [in tegenstelling tot uithouding op bv. een loopband; melkzuur lager dan de lactaat-drempel] werd gesimuleerd door samentrekking van de achterpoten, geïnduceerd via elektrische stimulatie bij 2 Hz in verdoofde ratten [Sim-Ex = ‘simulated exercise’]. Zoals bij eigenlijke inspanning, werd bevestigd dat mobilisatie van koolhydraten-gerelateerde energie-substraten (glucose en melkzuur) onmiddellijk na het begin van Sim-Ex gebeurde, en mobilisatie van vet-gerelateerde energie-substraten volgde daarna. De timing van de mobilisatie van vet-gerelateerde energie-substraten correspondeerde met die van de toename in TGF-β in cerebrospinaal vocht (CSF) in Sim-Ex. Het niveau van TGF-β in CSF verhoogde significant na 10 min Sim-Ex en bleef gestegen tot 30 min Sim-Ex. Intra-cisternale toediening van TGF-β veroorzaakte snelle mobilisatie van vet-gerelateerde energie-substraten. Ondertussen waren er geen effekten op de veranderingen in koolhydraten-gerelateerde substraten. De waarden van catecholaminen waren lichtjes verhoogd na toediening van TGF-β en, hoewel niet statisch significant, denken we dat ten minste een deel van het TGF-β signaal werd doorgegeven via het sympathisch zenuwstelsel omwille van deze verhogingen. Deze gegevens wijzen er op dat TGF-β in de hersenen  nauw verwant is met de mobilisatie van vet-gerelateerde energie-substraten tijdens inspanning met lage intensiteit. We hypothiseerden dat het centraal zenuwstelsel een rol speelt bij de regulering van het energie-metabolisme [over het ganse lichaam] tijdens lage-intensiteit inspanning en dat dit mogelijks gemedieerd wordt door TGF-β.

[[[Uit de ‘discussie’: TGF-β in het CSF steeg significant 10 min na het begin van Sim-Ex... Het is onduidelijk wat die toename aan TGF-β induceerde. We overwegen meerdere mogelijkheden: 1) de veranderingen in de plasma-concentraties van energie-substraten (bv. verhoogd melkzuur of verminderde concentratie keton-lichamen), 2) de veranderingen in de weefsel-waarden van of hoog-energisch fosfaat, de aktiviteit van AMP-geaktiveerd kinase of de concentratie glycogeen in werkende spieren, of 3) de veranderingen in de intensitiet of duur van de spier-contractie.]]]

Brain Res. 2007 Oct 10;1173:92-101

Transforming growth factor-beta in the brain enhances fat oxidation via noradrenergic neurons in the ventromedial and paraventricular hypothalamic nucleus.

Fujikawa T, Matsumura S, Yamada H, Inoue K, Fushiki T

Laboratory of Nutrition Chemistry, Division of Food Science and Biotechnology, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Kyoto 606-8502, Japan

We hebben gemeld dat intra-cisternale toediening van TGF-β een stijging van de vet-oxidatie induceert en dat intra-cisternale toediening van anti-TGF-β antilichaam gedeeltelijk een verhoging van de vet-oxidatie tijdens een loopband-inspanning bij ratten inhibeert. Deze resultaten wijzen op een regulerende rol van TGF-β in de hersenen op vet-oxidatie tijdens inspanning. Het is echter niet duidelijk hoe TGF-β in het brein vet-oxidatie verhoogt. We hypothiseerden dat TGF-β in het brein zijn regulerende effekten op vet-oxiatie opwekt via hypothalamische noradrenergische neuronen, omdat sommige rapporten de belangrijke rol van hypothalamische noradrenergische neuronen bij de regulering van vet-oxidatie tijdens en na inspanning hebben aangetoond. Om deze hypothese te onderzoeken, maten we de extracellulaire noradrenaline (NA) concentraties in de paraventriculaire hypothalamische nucleus (PVH), de ventromediale hypothalamische nucleus (VMH) en het lateraal hypothalamisch gebied – die vooral belangrijk zijn bij de regulering van het energie-metabolisme – na intra-cisternale toediening van TGF-β, door middel van in vivo hersen-microdialyse [Een procedure om chemische stoffen te analyseren die aanwezig zijn in het hersenvocht, via een klein buisje gemaakt uit een semi-permeabel membraan, dat in de hersenen wordt ingeplant. De vloeistof die uit het dialyse-buisje komt wordt dan geanalyseerd.]. Microdialyse-onderzoek reveleerde dat intra-cisternale toediening van TGF-β3 stijgingen van de NA-waarden in de PVH en VMH veroorzaakte. Dan onderzochten we de impact van de verstoring van noradrenerge neuronen in de PVH en VMH door neurotoxine 6-hydroxydopamine micro-injektie (NA-letsel) op de werking van intra-cisternaal toegediend TGF-β. Het NA-letsel deed het regulerend effect van TGF-β op vet-oxidatie volledig teniet. Deze resultaten suggereren dat TGF-β in de hersenen vet-oxidatie verhogen via noradrenerge neuronen in de PVH en VMH.

Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2008 Jan;294(1):R266-75

Intracisternal administration of transforming growth factor-beta evokes fever through the induction of cyclooxygenase-2 in brain endothelial cells

Matsumura S, Shibakusa T, Fujikawa T, Yamada H, Matsumura K, Inoue K, Fushiki T

Division of Food Science and Biotechnology, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Kyoto, Japan

[[[Uit de ‘inleiding’: Koorts is een courante manifestatie bij infektueuze ziekte. Tijdens infektie aktiveren verscheidene types pyrogenen [koorts-verwekkers] monocyten of macrofagen om pro-inflammatoire cytokinen af te geven als endogeen pyrogeen. Pro-inflammatoire cytokinen induceren cyclo-oxygenase-2 (COX-2) en microsomaal PGE synthase-1 in de microglia rond de bloedvaten, macrofagen in de meninges [membranen/vliezen die het centraal zenuwstelsel omgeven] en endotheliale cellen van of hersen-bloedvaten in het centraal zenuwstelsel, en long- en lever-macrofagen in perifeer weefsel. Deze enzymen synthetiseren uiteindelijk PGE2 uit arachidon-zuur. PGE2 werkt op het warmte-regelend centrum in de hypothalamus en veroorzaakt een stijging van de lichaamstemperatuur. Een hoge lichaamstemperatuur (koorts) onderdrukt virale proliferatie en bakteriële groei, en aktiveert en induceert de proliferatie van of immuun-cellen. Koorts heeft dus een beschermende rol tegen infektie.

TGF-β vermindert de produktie en aktiviteit van pro-inflammatoire cytokinen in perifere weefsels en onderdrukt de aktivatie van of lymfocyten en microglia. Op basis van die funkties wordt TGF-β beschouwd als een anti-inflammatoir cytokine. Er werd echter gesuggereerd dat TGF-β macrofagen aktiveert en inaktiveert, én nucleaire factor-κB (NF-κB), een lid van het pro-inflammatoir signaal-transductie mechansime, aktiveert. Dit wijst er op dat de effekten van TGF-β bidirectioneel zijn [zie: ‘TGF-beta - vermoeidheid, neuro-protektie’], d.w.z. pro-inflammatoir of anti-inflammatoir naar gelang het type en de status van de cel.]]]

‘Transforming growth factor’ beta (TGF-β), een pleiotroop cytokine [met meerdere effekten op verschillende celsoorten of verschillende biologische funkties beïnvloedend], reguleert cel-proliferatie, differentiatie en apoptose, en speelt een sleutel-rol bij ontwikkeling en weefsel-homeostase [vermogen van het lichaam, een weefsel of een cel om het interne milieu in evenwicht te te houden]. TGF-β werkt als een anti-inflammatoir cytokine omdat het de funktie van microglia en B-lymfocyten onderdrukt, alsook de produktie van pro-inflammatoire cytokinen. We toonden echter al aan dat de intra-cisternale toediening van TGF-β koorts, zoals die voorkomt door pro-inflammatoire cytokinen, induceert. In dit onderzoek bestudeerden we het mechanisme van door TGF-β geïnduceerde koorts. De intra-cisternale toediening van TGF-β verhoogde de lichaamstemperatuur op een dosis-afhankelijke manier. Voor-behandeling met een cyclo-oxygenase-2 (COX-2) selektieve inhibitor [nimesulide of NS398] onderdrukte significant door TGF-β geïnduceerde koorts. COX-2 staat bekend als één van de beperkende enzymen [‘rate-limiting’ => Bij elk metabool mechanisme is er ten minste één reaktie die, in de cel, ver verwijderd is van het evenwicht omwille van de relatief lage aktiviteit van het enzyme die de reaktie katalyseert. De reaktie is niet beperkt door de beschikbaarheid van het substraat maar enkel door de aktiviteit van dit enzyme. De reaktie wordt dan ‘enzyme-beperkt’ genoemd en omdat deze stap de ganse reaktie-sequentie beperkt, wordt het de ‘rate-limiting’ stap genoemd. Het is veelal de stap die de meeste energie vergt.] van het PGE(2)-synthese mechanisme, wat suggereert dat koorts geïnduceerd door TGF-β afhankelijk is van COX-2 en PGE(2). TGF-β verhoogde PGE(2)-waarden in het cerebrospinaal vocht en de expressie van of COX-2 in de hersenen. Dubbele immuno-kleuring voor COX-2 en von Willebrand factor (vWF, een endotheliale cel-merker) reveleerde dat cellen met COX-2 expressie hoofdzakelijk endotheliale cellen waren [niet in astrocyten, microglia of macrofagen]. Hoewel niet alle COX-2-immuno-reaktieve cellen de TGF-β receptor tot expressie brengen, brengen ze de ‘activin receptor-like kinase-1’ (ALK-1, een endotheliale cel-specifieke TGF-β receptor) tot expressie; wat suggereert dat TGF-β direct of indirect een uitwerking heeft op endotheliale cellen en COX-2 expressie induceert. Deze bevindingen suggereren dat een nieuwe funktie voor TGF-β als een pro-inflammatoir cytokine in het centraal zenuwstelsel.

[[[Uit de ‘discussie’: De Bevindingen wijzen er op dat TGF-β waarschijnlijk wordt geaktiveerd in de hersenen (hoogstwaarschijnlijk in het CSF) en dat het werkt op de endotheliale cellen [bedekkende cellen van bloed-/lymfe-vaten en lichaamsholten] van hersen-bloedvaten vanaf het basis-membraan i.p.v. langs de kant van het lumen. […] Hoewel expressie van de TGF-β receptor (ALK-1) en inductie van COX-2 werden gezien in de vasculaire endotheliale cellen, lijken factoren in het bloed niet betrokken te zijn. Daaarom kunnen andere factoren mogelijks het brein signaleren wat betreft perifere inflammatie of infektie. Eén kandidaat daarvoor zou de nervus vagus kunnen zijn [zie: ‘Het Cholinergisch Anti-inflammatoir Mechanisme’]. Perifere informatie zou kunnen worden doorgegeven via de nervus vagus en and TGF-β in de hersenen zou als een mediator kunnen fungeren.

TGF-β aktiveert NF-κB en MAPK [zie: ‘Samenspel tussen de Glucocorticoid Receptor en Nuclear Factor-κB’] in verscheidene cel-types. […] Het is waarschijnlijk dat TGF-β COX-2 expressie in de endotheliale cellen van de hersen-bloedvaten induceert via aktivatie van NF-κB en MAPK mechanismen.

Doelgerichte deletie van het TGF-β gen resulteert in bovenmatige inflammatoire responsen, en verhoogt sterfte van neuronale cellen en ernstige microgliose [zie: ‘Gliale Cellen, Astrocyten en M.E.’]. Meerdere in vitro studies hebben aangetoond dat TGF-β de aktivatie van microglia onderdrukt. In al deze studies leken de effekten van TGF-β in het centraal zenuwstelsel direct tegenstrijdig te zijn met de effekten van of pro-inflammatoire cytokinen.

TGF-β werkt als een pro-inflammatoir cytokine op de endotheliale cellen van de hersen-bloedvaten. Het is zeldzaam dat een cytokine zijn werking verandert naar pro-inflammatoir of anti-inflammatoir afhankelijk van het cel-type waarop het werkt of van variaties in andere factoren; het blijft gissen naar het waarom van fenomeen. [zie: ‘TGF-beta - vermoeidheid, neuro-protektie’ … T_h17 ?] Sommige van de bidirectionele effekten van of TGF-β kunnen te wijten zijn aan de diversiteit van de TGF-β receptor.

Bij neurodegeneratieve ziekten – zoals ischemie, Alzheimer’s en Multipele Sclerosie; waarbij de inflammatoire reaktie problematisch is – werd gerapporteerd dat TGF-β expressie in de hersenen én de TGF-β concentratie in CSF verhoogd zijn. Dit kan het begrip van pro-inflammatoire akties van TGF-β ondersteunen. Anderzijds werd aangetoond dat het feit dat TGF-β neuro-protektieve rol speelt bij dergelijke aandoeningen en impairment vanTGF-β signalisering ernstige pathologie veroorzaakt, in een vitro studie én een dier-model. […] TGF-β speelt dus zeer uitéénlopende rollen in het centraal zenuwstelsel. Verduidelijking van het werkingsmechanisme van TGF-β zal niet enkel leiden tot het begrijpen van de fysiologische rol van dit cytokine maar ook tot de ontwikkeling van behandelingen voor verscheidene ziekten.]]]

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

<<Wat betreft M.E.(cvs), werd een directe link tussen TGF-β [nog] niet bewezen. Enkele groepen toonden echter wel een verhoging van TGF-β in sera van patiënten. We weten echter niet of dit een gevolg of een oorzaak is. Wij verduidelijkten dat de stijging van TGF-β in cerebrospinaal vocht (CSF) inspanning met medium-intensiteit vereist en dat emotionele stress zonder fysieke inspanning geen TGF-β stijging veroorzaakt in CSF. Over de betrokkenheid van TGF-β bij centrale vermoeidheid in bij niet aan inspanning gerelateerde stress weten we [nog] niets.>> (Prof. Kazuo Inoue; persoonlijke communicatie 2009)

TGF-beta – vermoeidheid, neuro-protektie

Onder de TGF (‘transforming growth factor’) familie valt een aantal polypeptiden die een rol spelen bij het reguleren van de groei en differentiatie van cellen. De veelvuldig onderzochte TGF-β (drie isotopen: TGF-β1, TGF-β2 en TGF-β3) komt tussen in het aanzetten van cellen tot groei en differentiatie voor vele weefsels in het lichaam. De naam is niet helemaal correct want deze groeifactor zorgt niet altijd voor transformatie en is niet de enige groeifactor die cel-transformatie veroorzaakt. Bovendien heeft het daarnaast nog meer funkties, waaronder voor sommige celtypen zelfs ook remming van groei en differentiatie, bijvoorbeeld bij B-lymfocyten.

TGF-β is een multi-funktioneel cytokine dat in het CZS in verhoogde concentraties aanwezig is bij inflammatie en een belangrijke rol speelt bij de vorming van astrogliose (zie: ‘Gliale Cellen, Astrocyten en M.E.’); daarnaast is het ook betrokken bij apoptose en immunosuppressie. (zie: ‘Verhoogde neutrofiel apoptose bij CVS’) We leerden al dat gliale cellen (astrocyten) de belangrijkste bron van TGF-β zijn in de hersenen.

Het heeft hoofdzakelijk een anti-inflammatoire, immuun-onderdrukkende werking Het wordt geproduceerd door mononucleairen/fagocyten en ligt ook opgeslagen in granules van circulerende bloedplaatjes. ‘Transforming growth factor’ (TGF)-β inhibeert sterk de ontwikkeling van T_h1 én T_h2 cellen, en inhibeert de release van TNF-α.

In de PBMC’s of serum van M.E.(cvs)-patiënten is het verhoogd [Peterson et. al. 1994, Bennett et. al. 1997, Kennedy et. al. 2004]. Deze upregulering zou een poging van het individu kunnen zijn om een over-aktieve of ongepaste immuun-respons te beheersen, of zou kunnen geïnduceerd zijn door pathogenen die de gastheer-respons proberen te overwinnen.

TGF-β staat ook bekend als oorzaak van acuut ziekte-gedrag (zwakte, malaise, lusteloosheid en moeilijkheden qua concentratie) [Dantzer R. Cytokine-induced sickness-behaviour: Where do we stand? Brain Behav Immunol 2001;15:7-24].

Een overzicht van de meeste relevante wetenschappelijke literatuur…

Cytokine. 1991 Jul;3(4):292-8

Altered cytokine release in peripheral blood mononuclear cell cultures from patients with the Chronic Fatigue Syndrome

Chao CC, Janoff EN, Hu SX, Thomas K, Gallagher M, Tsang M, Peterson PK

Department of Medicine, Hennepin County Medical Centre, Minneapolis, MN 55415

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een ziekte die geassocieerd is met een reeks immunologische abnormaliteiten. Om potentiële pathogene mechanismen te onderzoeken, evalueerden we serum-waarden en produktie door perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMC) van geselekteerde cytokinen en immunoglobulinen. De concentraties van bio-aftief ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) in serum waren hoger (P < 0.01) bij patiënten met CVS (290 +/- 46 pg/ml) dan bij controle-individuen (104 +/- 18 pg/ml) maar waarden van de andere cytokinen die werden getest verschilden niet. Lipopolysaccharide-gestimuleerde release [LPS = grote molekulen in het buitenste membraan van bepaalde bakterieën die als endotoxinen werken en een sterke immuun-respons opwekken] van interleukine-1β (IL-1β), IL-6 en tumor necrose factor alfa waren verhoogd (P < 0.05) in PBMC-culturen van patiënten met CVS vergeleken met controle-individuen; verhoogde (P < 0.01) IL-6 afgifte na fytohaemagglutinine [PHA; plantaardige tof met effekten op het cel metabolisme: het induceert cel-deling (mitogeen), en beïnvloedt het cel-membraan qua transport and doorlaatbaarheid voor proteïnen] werd ook geobserveerd. In tegenstelling daarmee was de TGF-β release in respons op lipopolysaccharide onderdrukt (P < 0.01) in PBMC-culturen van patiënten met CVS. Er werden geen verschillen qua IL-2 en IL-4 of immunoglobuline-produktie vastgesteld. De verhoogde release van inflammatoire cytokinen door gestimuleerde PBMC van patiënten met CVS suggereert dat deze cellen werden aangezet tot een gestegen respons op immune stimuli. Deze data suggereren ook een verband tussen abnormale regulering van TGF-β produktie in vivo en in vitro met de immunologische gevolgen van CVS.

Clin Diagn Lab Immunol. 1994 Mar;1(2):222-6

Effects of mild exercise on cytokines and cerebral blood flow in Chronic Fatigue Syndrome patients

Peterson PK, Sirr SA, Grammith FC, Schenck CH, Pheley AM, Hu S, Chao CC

Department of Medicine, Hennepin County Medical Centre, Minneapolis, MN 54415, USA

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) gekarakteriseerd door vermoeidheid die uitgesproken verergerd bij fysieke inspanning. In deze studie hebben we de hypothese getest dat matige inspanning (wandelen 1 mph [1 mile = 1,609 km] gedurende 30 min) abormaliteiten qua serum-cytokine en cerebrale bloed-doorstroming zou kunnen opwekken die van potentieel pathogeen belang zijn bij CVS. Interleukine-1β, interleukine-6 en tumor necrose factor alfa waren niet-detekteerbaar in sera van CVS-patiënten (n = 10) en gezonde controle-individuen (n = 10) voor en na inspanning. In rust waren serum ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) waarden verhoogd in de CVS-groep vergeleken met de controle-groep (287 +/- 18 versus 115 +/- 5 pg/ml, respectievelijk; P < 0.01). Serum TGF-β en abnormale cerebrale bloed-doorstroming, gedetekteerd via ‘single-photon emission-computed tomographic’ [PET] scanning, waren aangescherpt na inspanning in de CVS-groep. Alhoewel deze bevindingen niet significant verschillend waren van deze bij de controle-groep, leek het effekt van inspanning op serum TGF-β en cerebrale bloed-doorstroming vergroot bij de CVS-patiënten. Resultaten van deze studie moedigen toekomstig onderzoek aan naar de interaktie van fysieke inspanning, serum-cytokinen en cerebrale bloed-doorstroming in bij CVS met gebruik van een meer rigoreus inspanning-programma dat wat in deze studie werd gebruikt.

J Clin Immunol. 1997 Mar;17(2):160-6

Elevation of bioactive transforming growth factor-beta in serum from patients with Chronic Fatigue Syndrome

Bennett AL, Chao CC, Hu S, Buchwald D, Fagioli LR, Schur PH, Peterson PK, Komaroff AL

Chronic Fatigue Syndrome Cooperative Research Centre, Brigham and Women’s Hospital, Boston, Massachusetts, USA

De concentratie aan bio-aktief ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) werd gemeten in serum van patiënten met Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS), gezonde controle-individuen, en patiënten met majeure depressie, systemische lupus erythematosis (SLE) en multipele sclerose (MS) van het ‘relapsing/remitting’ (R/R) [afwisselend herval en symptoom-vrije perioden] én het chronisch progressieve (CP) type. Patiënten met CVS hadden significant hogere waarden bio-aktief TGF-β vergeleken met de andere groepen (P < 0.01). Er werden daarenboven geen significante verschillen gevonden tussen de gezonde controle-individuen en de ziekte-vergelijkingsgroepen. De bevinding dat TGF-β significant verhoogd is bij patiënten met CVS ondersteunt de bevindingen van twee eerdere studies waarbij kleinere aantallen of CVS-patiënten werden onderzocht. We besluiten dat TGF-β waarden significant hoger waren bij CVS-patiënten vergeleken met patiënten met verscheidene ziekten die gepaard gaan met immunologische abnormaliteiten en/of pathologische vermoeidheid. Deze bevindingen doen interessante vragen rijzen omtrent de mogelijke rol van TGF-β bij de pathogenese van CVS.

Naast deze studies van Peterson et al., Bennett et al. waar verhogingen in ‘transforming growth factor’ werden gerapporteerd, waren er een paar die normale waarden meldden: een ‘case-control’ studie door Reeves et al. (Immune responses associated with Chronic Fatigue Syndrome: a case-control study. J. Infect. Dis. 1997; 175:136-141) en één van de groep ‘Bleijenberg’ uit Nijmegen (‘Lymphocyte-subsets, apoptosis and cytokines in patients with Chronic Fatigue Syndrome. J. Infect. Dis. 1996; 173:460-463), die wel eens een niet zo strikte CVS-definitie gebruiken…

Later kwamen nog meer rapporteringen van gestegen TGF-β bij CVS:

White et al. (2004) observeerden zelfs verhoogde concentraties aan ‘transforming growth factor’ β bij (negen) CVS-patiënten nadat deze voor hun piloot-studie (‘Immunological changes after both exercise and activity in Chronic Fatigue Syndrome’) de trip van thuis naar het ziekenhuis maakten; dit bleef ook zo na een inspanningstest. Ze noemden de verhoogde afgifte van dit anti-inflammatoir cytokine tijdens een normale aktivitet “onverwacht” en stelden ook dat het mogelijks klinisch betekenisvol kan zijn. Het team van White en Pinching noteerde ook dat “veranderd cytokine-evenwicht…de drempel kan aanpassen waarbij cytokine-release gebeurt bij inspanning of aktiviteit, waarbij een vicieuze cirkel ontstaat. Deze processen zouden kunnen bijdragen tot de post-exertionele malaise, spierpijn en centrale vermoeidheid die CVS karakteriseren”. De (preliminaire) data suggereren in elk geval dat ‘gewone’ aktiviteit (m.n. opstaan een zekere afstand reizen) al een anti-inflammatoire release van TGF-β kan induceren bij CVS. (JCFS, 12, 2, 51-66)

J Clin Pathol. 2004 Aug;57(8):891-3

Increased neutrophil apoptosis in Chronic Fatigue Syndrome

Kennedy G, Spence V, Underwood C, Belch JJ

Vascular Diseases Research Unit, University Department of Medicine, Ninewells Hospital and Medical School, Dundee DD1 9SY, UK

Zie: ‘Verhoogde neutrofiel apoptose bij CVS’: […] Patiënten met CVS hadden ook gestegen concentraties aan aktief TGF-β1 (p < 0.005). […]

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

TGF-β aktiviteit in de hersenen blijkt tevens betrokken te zijn bij (bescherming tegen) neuro-degeneratie.

Neurobiol Dis. 2001 Aug;8(4):636-46

Involvement of GDNF in neuronal protection against 6-OHDA-induced parkinsonism following intracerebral transplantation of fetal kidney tissues in adult rats

Borlongan CV, Zhou FC, Hayashi T, Su TP, Hoffer BJ, Wang Y

Cellular Neurobiology Branch, National Institute on Drug Abuse, Baltimore, Maryland 21224, USA

Exogene toepassing van proteïnen van de ‘transforming growth factor’-beta (TGF-β) familie, inclusief ‘glial cell line-derived neurotrophic factor’ (GDNF) [klein eiwit dat krachtig de overleving van vele types neuronen bevordert], neurturine [neurotrofe factor van de GDNF-familie die beschadigde en afstervende hersencellen kan herstellen], activine [behoort tot de TGF-β super-famile] en ‘bone morphogenetic proteins’ [subgroep van de TGF-groep (BMP’s)], bleek neuronen te beschermen in vele modellen van neurologische aandoeningen. Het vinden van een weefsel-bron die een verscheidenheid van deze proteïnen bevat, kan optimale gunstige gevolgen bevorderen voor behandeling van neurodegeneratieve ziekten. Omdat foetale nieren vele TGF-β trofische factoren tot expressie brengen, transplanteerden we deze direct in de substantia nigra [deel van de hersenen dat bij mensen met de ziekte van Parkinson’s] na een éénzijdig 6-hydroxydopamine letsel [neurotoxine dat symptomen opwekt vegelijkbaar met Parkinson’s]. We vonden dat dieren die foetaal nier-weefsel transplanten kregen (1) significant verminderd hemi-parkinsoniaans asymmetrisch gedrag vertoonden, (2) een bijna normale tyrosine-hydroxylase immuno-reaktiviteit in de beschadigde nigra en striatum hadden, (3) K⁺-geïnduceerde dopamine-release in het beschadigd striatum behielden en (4) hoge waarden aan GDNF-proteïne in het transplant vertoonden. [m.a.w. de Parkinson-symptomen verdwenen] In tegenstelling vertoonden dieren met het letsel die transplanten van volwassen nier-weefsel ontvingen, significante gedragsmatige stoornissen, dopaminerge depletie, gereduceerde K⁺-gemedieerde striatale dopamine-release en lage waarden aan GDNF-proteïne in de transplanten. Deze studie suggereert dat transplantatie van foetaal nier-weefsel het nigrostriatale dopaminerge systeem kan beschermen tegen een door een neurotoxine geïnduceerd parkinsonisme, waarschijnlijk via de synergistische afgifte van GDNF en meerdere andere neurotrofische factoren.

Cell Transplant. 2005;14(1):1-9

Transplantation of foetal kidney cells: neuroprotection and neuroregeneration

Chiang YH, Borlongan CV, Zhou FC, Hoffer BJ, Wang Y

Tri-Service General Hospital, National Defense Medical Centre, Taiwan

Van verscheidene trofische factoren van de ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) superfamilie werd gemeld dat ze neuro-protektieve en neuro-regeneratieve effecten hebben. Intracerebrale toediening van ‘glial cell line-derived neurotrophic factor’ (GDNF) of ‘bone morphogenetic proteins’ (BMPs), allebei leden van de TGF-β familie, verminderen letstels door ischemie of 6-hydroxydopamine (6-OHDA) in de hersenen van volwassen ratten. Omdat BMPs en GDNF sterk tot expressie komen in foetale nier-cellen, zou transplantatie van foetaal nier-weefsel kunnen dienen als een cellulair reservoir voor dergelijke molekulen en bescherming kunnen bieden tegen neuronaal letsel geïnduceerd door ischemie, neurotoxinen of reaktieve zuurstof molekulen. In dit overzicht, bespreken we pre-klinisch bewijs voor de doeltreffendheid van transplantatie van foetale nier-cellen in modellen van neuro-protektie en neuro-regeneratie.

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

Psychiatry Res. 2005 Mar 30;134(1):101-4

Cytokine production and modulation: comparison of patients with Chronic Fatigue Syndrome and normal controls

Tomoda A, Joudoi T, Rabab el-M, Matsumoto T, Park TH, Miike T

Department of Child Development, School of Medicine, Kumamoto University, Kumamoto, Japan

We bestudeerden de cytokine-produktie bij 15 patiënten met Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) en 23 controles. Perifeer bloed mononucleaire cellen van CVS-patiënten werden gecultiveerd met lipopolysaccharide of fytohaemagglutinine. Cytokine-concentraties werden gemeten via enzymatische immuno-assays in de culturen. CVS-patiënten vertoonden significant lagere mRNA waarden en ‘transforming growth factor’ beta-1 (TGF-β1) produktie. Cytokine-ontregeling beïnvloedt de pathogenese van CVS. TGF-β1 zou kunnen bijdragen tot de behandeling omdat het de inflammatoire karakteristieken van CVS beïnvloedt.

[Het resultaat van deze studie bleek een significant onderdrukte produktie van TGF-β1 in LPS-gestimuleerde PMBC’s van CVS-patiënten te zijn, hoewel eerdere studies verhoogde serum-waarden van TGF-β1 of hogere aantallen TGF-β1 positieve bij CVS-patiënten werden vastgesteld. Deze tegenstrijdigheden zouden het resultaat kunnen zijn van verschillen qua experimentele benadering. Discrepanties tussen data betreffende cytokine-concentraties geproduceerd in vitro door gecultiveerde PBMC’s en in vivo gemeten in het bloed komen dikwijls voor.

De auteurs concluderen dat TGF-β1 beschouwd kan worden als een indicator voor verbetering van de toestand van CVS-patiënten. TGF-β1 zou, als multi-funktioneel anti-inflammatoir cytokine, betrokken kunnen zijn bij immuun-funkties; gebreken betreffende dit cytokine zouden bij CVS kunnen bijdragen tot inflammatie.]

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

Naast zijn inhiberende effekten op T_h1 en T_h2 cellen (anti-inflammatoir), werd ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) ook geïdentificeerd als een cytokine dat noodzakelijk is voor ontwikkeling van T_h17 (Weaver CT et al.: ‘Transforming growth factor-beta induces development of the T_h17 lineage’; Nature. 2006 May 11;441(7090):231-4 * ‘T_h17: an effector CD4 T-cell lineage with regulatory T-cell ties’; Immunity. 2006 Jun;24(6):677-88). T_h17 heeft ook een pro-inflammatoire werking via IL-6 en IL-23. TGF-β lijkt dus op het kruispunt te staan en te kunnen kiezen voor een anti- of pro-inflammatoir mechanisme (G.E. Katsifis: ‘Imbalance Between Pro- and Anti-Inflammatory Roles of TGF-β in Sjögren’s Syndrome’; American College of Rheumatology Annual Scientific Meeting 2006: “Onevenwicht tussen pro- en anti-inflammatoire krachten kunnen auto-immuniteit bestendigen.”). De normale anti-inflammatoire effekten van TGF-β blijken onder bepaalde omstandigheden (ernstige acute inflammatie) tevens onvoldoende te zijn en daarbij speelt oxidatieve stress (via NF-κB) een rol (Xiao YQ, Freire-de-Lima CG, Janssen WJ, Morimoto K, Lyu D, Bratton DL, Henson PM: ‘Oxidants selectively reverse TGF-β suppression of pro-inflammatory mediator production’; J Immunol 2006, vol.176, 2, 1209-1217)! Het teniet toen van het door TGF-β gemedieerd inhiberend effekt op de produktie van pro-inflammatoire mediatoren door oxidatieve stress lijkt volgens hen ook onafhankelijk te zijn van het type cel en stimulus…

Het is duidelijk dat TGF-β een complex gegeven is bij M.E.(cvs)… Sommigen spreken van een “klaarblijkelijk selektieve ineffektiviteit van TGF-β als an anti-inflammatoir cytokine”.

Trends Immunol. 2006 Aug;27(8):358-61

TGF-beta-1, a ‘Jack of all trades’: the link with pro-inflammatory IL-17-producing T-cells

Veldhoen M, Stockinger B

Division of Molecular Immunology, MRC National Institute for Medical Research, London NW7 1AA, UK

‘Transforming growth factor’ (TGF) beta wordt over het algemeen beschouwd als een anti-inflammatoir cytokine, een standpunt dat duidelijk niet overeenkomt met de beschrijving van de rol voor TGF-β1 bij de differentiatie van T-helper (T_h)17 cellen – een nieuwe, sterk inflammatoire T-cel subset die interleukine (IL)-17 produceert. Deze bevindingen bevestigen echter vroegere studies, van vóór de ontdekking van T_h17-cellen, die een schijnbaar paradoxale pro-inflammatoire rol voor TGF-β beschreven. In dit artikel stellen we voor dat de toediening van neutraliserende anti-TGF-beta antilichamen, in doelwitten van chronische inflammatie, ziekte zou verbeteren of opheffen omdat dit de differentiatie van T_h17-cellen zou beperken. In tegenstelling hiermee zouden gelijkaardige interventies op mucosa [slijmvliezen], waar T_h17-cellen een beschermende rol lijken te hebben, ziekte in experimentele modellen van colitis [ontsteking van de dikke darm] kunnen verergeren. Een overmatige produktie van T_h17-cellen -cellen in respons op infektie of trauma zou kunnen resulteren in lekkage in perifere weefsels en een auto-immune pathologie veroorzaken.

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

Op de ‘9th International IACFS/M.E. Research and Clinical Conference’ (Reno, Nevada, USA; March 2009) rapporteerde dr Ritchie Shoemaker een associatie te hebben gevonden tussen verhoogde auto-immune abnormaliteiten en gestegen TGF-β bij kinderen (8-17 jaar) met duidelijk geïdentificeerde CVS. Losartan, een angiotensine-II type 1 receptor (AT1) blokker die wordt gebruikt bij de behandeling van hypertensie, zou TGF-β verlagen en dit wellicht door een werking op T_h17-cellen die op hun beurt T_reg cellen beïnvloeden. Losartan zou een rol kunnen spelen bij de abormaliteiten van het aangeboren immuunsysteem.

Henson et al. (zie hoger) stelden dat omwille van de talrijke homeostatische funkties van of TGF-β, het blokkeren van TGF-β signalisering ernstige nadelige gevolgen zou kunnen hebben. Anderzijds zou specifieke inhibitie inhibitie van bepaalde signalisering-mechansimen de fibrotische responsen [fibrose = overmatige vorming van bindweefsel] kunnen voorkomen terwijl de anti-inflammatoire effekten van TGF-β onveranderd blijven. Het mag echter duidelijk zijn dat een dergelijk specifiek ingrijpen heel erg moeilijk zal zijn daar TGF-β op een kruispunt van meerdere mechanismen staat en verschillende uitwerkingen kan hebben op ander celtypes…

TGF-β signalisering kan ook worden voorkomen door TGF-β antagonisten zoals TGF-β neutraliserend antilichaam. Hieromtrent bekijken we ook het werk van de groep rond Prof. Inoue uit Japan…

Glia, glutamaat-transport en chronische pijn

De hypothese over de mogelijke rol van glutamaat-transport bij mentale vermoeidheid (hiervoor beschreven in ‘Glia, glutamaat-transport en mentale vermoeidheid’) werd verder uitgebreid naar chronische pijn…

De kennis van de biologie van glia-cellen en neuronale gliale signalisering die hier wordt beschreven, is voortgekomen uit experimenteel werk met gecultiveerde cellen. De auteurs stellen dat het verleidelijk is om te speculeren dat de beschreven gebeurtenissen zelfs in vivo voorkomen en dat het astrogliaal netwerk zou kunnen bijdragen tot de efficiënte neurotransmissie van glutamaat.

Deze mogelijke verklaring voor de mentale vermoeidheid en chronsiche pijn oogt zeer ‘elegant’ en zou wel eens heel belangrijk kunnen zijn bij M.E.(cvs)… Hopelijk krijgen we hier meer aanwijzingen over…

Neurochemical Research, Vol. 29, No. 5, May 2004, pp. 989-996

Altered Neuronal – Glial Signaling in Glutamatergic Transmission as a Unifying Mechanism in Chronic Pain and Mental Fatigue*

Elisabeth Hansson and Lars Rönnbäck

Institute of Clinical Neuroscience, Göteborg University, SE 405 30 Göteborg, Sweden

[Samenvatting: zie ‘Gliale Cellen, Astrocyten & M.E.’]

INLEIDING

Waarom wordt persistente, neuropathische pijn chronisch? Er bestaan veel verklaringen; de meeste van hen nemen neuronale aktivatie of over-aktivatie in rekening. Farmacologische behandeling focust op neuronale hyper-aktiviteit maar dat is toch meestal onvoldoende, en ons inzicht in de cellulaire en molekulaire mechanismen aan de basis van chronische pijn is beperkt. Biologische gebeurtenissen, waarbij bijkomende cellulaire en neurochemische mechanismen betrokken zijn, moeten in overweging worden genomen om het instandhouden van pijn-signalisering te verklaren. Glia zou één zo’n ‘speler’ kunnen zijn.

CZS Glia

Er zijn verscheidene types glia-cellen in het central zenuwstelsel (CZS). Astroglia-cellen, of astrocyten, behoren tot de meeste talrijke. Die cellen zijn ster-vormig, met ongeveer 12-15 µm in diameter, en voeren een massa processen uit. In een intact brein, zijn er, op morfologisch vlak, twee types astrocyten. Protoplasmische astrocyten zijn belangrijk in de grijze hersenstof, terwijl fibrillaire astrocyten talrijk voorkomen in de witte hersenstof. Interessant is dat protoplasmische astrocyten talrijker te vinden zijn in de cerebrale cortex bij hoger-ontwikkelde soorten. Bij mensen overtreffen astroglia-cellen de neuronen met een factor van 3-5 in de cerebrale cortex. Naast hun strukturele en metabole ondersteuning voor neuronen, spelen astroglia-cellen belangrijke en diverse rollen. Deze omvatten: begeleiden van cyto-architekturale [opbouw van de cel] ontwikkeling tijdens CZS-rijping; regeling van de extracellulaire concentraties aan ionen, metabolieten en neurotransmitters; en ondersteuning van neuronale en synaptische funkties. Hun gecompliceerde set-up van membraan-receptoren gekoppeld met ‘tweede boodschapper’-systemen [Methode van cellulaire signalisering waarbij een signalisering-molekule snel wordt geproduceerd/gesecreteerd, die dan effector-proteïnen in de cel kan aktiveren om een cellulaire respons op te leveren. Een secundaire boodschapper is een component van signaal-transductie mechansismen. De aktivatie kan gebeuren via enzymen of door het openen van ion-kanalen.] [Hansson, E. and Rönnbäck, L. 2004. Astrocytic receptors and second messenger systems. Hertz, L. (ed.), in Advances in Molecular and Cell Biology. 31: 475-501] maakt het waarschijnlijk dat astrocyten synaptische aktiviteit monitoren. De cellen zijn in netwerken verbonden door middel van ‘gap-junctions’ [zie ‘Gliale Cellen, Astrocyten & M.E.’], gevormd door het connexin-43 proteïne [Cx43; Connexinen zijn een familie membraan-proteïnen die intercellulaire kanalen vormen die die samenklitten bij ‘gap-junctions’]. Ca²⁺-signalisering en uitwisseling van substanties met een laag molekulair gewicht zijn dus mogelijk binnen deze netwerken. Resultaten van experimenten hebben de afgifte aangetoond van excitorische aminozuren zoals glutamaat en aspartaat door astrocyten, in respons op neuronale aktiviteit waar Ca²⁺-oscillaties worden teweeggebracht in het netwerk. Deze bevindingen zijn bijzonder interessant en van belang gezien ze zouden kunnen dienen als een neurobiologische basis voor het feit dat astroglia het prikkelbaarheid-niveau van synapsen en neuronen beïnvloeden en waarschijnlijk regelen.

Microglia worden beschouwd als macrofagen gevestigd in het CZS. Er is echter enige controverse betreffende hun oorsprong; nl. of ze primair afgeleid zijn van het CZS of originerend uit het bloed. Het is waarschijnlijk dat beide types microglia bestaan maar deze die de hersenen binnenkomen uit het bloed zijn talrijker na een hersen-letsel. De cellen worden makkelijk geaktiveerd en in die conditie doen ze aan fagocytose en geven zelfs cytotoxische substanties zoals vrije zuurstof radikalen of stikstof-oxide (NO) af. Microglia participeren ook in inflammatoire reakties door de produktie en afgifte van cytokinen. In rust synthetiseren microglia-cellen trofische factoren, en samen met door astroglia afgegeven neuro-aktieve substanties werken ze als neurochemische modulatoren van de synaps-vorming en andere plastische opbouw van het CZS.

CHRONISCHE PIJN EN GLIA-AKTIVATIE IN HET RUGGEMERG:

ONTSTAAN VAN EEN VICIEUZE CIRKEL DIE PIJN-SIGNALISERING INSTANDHOUDT

Als een pijnlijke stimulus wordt waargenomen, worden perifere zenuwen van de types A-δ en C geprikkeld. Signalen worden overgebracht naar de pre-synaptische uiteinden in de dorsale hoorn van het ruggemerg [zie ook ‘Spier-metaboreceptoren’]. Er worden reflex-bogen geaktiveerd die onmiddellijke en adequate reakties op de oorzaak van de pijnlijke stimulus toelaten. Bijkomend is er een simultane aktivatie van neuronen […] voor identificatie en herkenning van de pijnlijke stimulus. Ter hoogte van het ruggemerg zijn glutamaat en substantie-P twee neurotransmitters die worden afgegeven en de post-synaptische receptoren aktiveren in de dorsale hoorn. Bij toestanden van langdurige pijn-signalering, worden de N-methyl-D-aspartaat (NMDA) receptoren op de post-synaptische neuronen in de dorsale hoorn geaktiveerd met een Ca²⁺-influx via het cel-membaran. Stikstof-oxide synthetase (NOS) zal worden geaktiveerd en stikstof-oxide (NO) gevormd uit L-arginine. Dit proces gebeurt in het post-synaptisch neuron. NO diffundeert op z’n beurt snel door de het post-synaptisch membraan en overschrijdt het pre-synaptisch membraan, waardoor het een verhoogde release van excitatorische neurotransmitters en substantie-P uit het pre-synaptisch uiteinde veroorzaakt. Het resultaat zal een langdurige prikkeling van het post-synaptisch neuron zijn.

Bijkomend aan deze neuronale gebeurtenissen, toonden Watkins en collega’s een gliale aktivatie in de dorsale hoornen na langdurige pijn-signalisering in experimentele situaties. De gliale aktivatie bleek te worden gevolgd door de release van NO, reaktieve zuurstof molekulen, prostaglandinen, pro-inflammatoire cytokinen zoals interleukine-1 (IL-1) en IL-6, tumor necrose factor (TNF), ATP en andere neuro-aktieve substanties. Van vele van deze substanties is geweten dat ze astrogliale glutamaat-opname capaciteit schaden en daarbij een verhoging van extracellulaire glutamaat-waarden veroorzaken. Het resultaat zou een verdere overdrijving van pijn-signalisering kunnen zijn, leidend tot een vicieuze cirkel die het voortduren van pijn-signalisering naar het brein aanmoedigt [Lees ev. het werk van Watkins, L. R. et al. over pathologische pijn-toestanden en gliale aktivatie.].

GLUTAMAAT, ASTROGLIA EN INFORMATIE-VERWERKING IN DE HERSENEN

Glutamaat is de meest uitgebreid bestudeerde excitatorische neurotransmitter in het CZS. Glutamaat neurotransmissie is onontbeerlijk voor informatie-opname en -verwerking in het brein. Nadat glutamaat werd afgegeven door het pre-synaptisch membraan, en zijn effekten op de post-synaptische en omliggende gliale membraan-receptoren heeft uitgeoefend, verwijderen de astroglia-cellen overtollig glutamaat uit de ruimte tussen de cellen. De extracellulaire concentratie van glutamaat moet laag zijn, 1-3 µM, opdat de glutamaat neurotransmissie effektief zou zijn [Hansson, E. and Rönnbäck, L. 1995. Astrocytes in glutamate neurotransmission. FASEB J. 9:343-350]. Astrogliale cel-processen omringen glutamaat-synapsen. De astrogliale membranen brengen de glutamaat-opname transporters GLAST en GLT-1 tot expressie […].

[…] Het ‘gap-junction’ gekoppeld astrogliaal netwerk moet intact zijn om het transport en de redistributie van K⁺ en andere laag-molekulair-gewicht neuro-aktieve substanties in het astrogliaal netwerk toe te laten. Rothstein et al. verhinderden de synthese van elk glutamaat-transporter sub-type […] en demonstreerden dat inhibitie van de astrogliale glutamaat-transporters GLAST of GLT-1 verhoogde extracellulaire glutamaat-waarden opleverde. Alles te samen werd het fysiologisch belang van astrogliale opname dat was afgeleid op basis van studies met astrocyten in primaire culturen, bevstigd in de hersenen in situ.

NEURONALE-GLIALE SIGNALISERNG IN HET CZS ALS EEN NEUROBIOLOGISCH CORRELAAT

VOOR HET INSTANDHOUDEN VAN PIJN-SIGNALEN,

VOOR PIJN-GEHEUGEN EN VOOR VERHOOGDE PIJN-GEVOELIGHEID

Glutamaat is een belangrijke transmitter bij centrale pijn-signaliserng en verwerking van pijn-informatie in het brein. Glutamaat-neuronen signaliseren niet enkel naar elkaar, maar ook naar de gliale cellen [22. Hansson, E. and Rönnbäck, L. 2003. Glial neuronal signaling in the central nervous system. FASEB J. 17:341-348]. Deze signalen informeren de astrogliale netwerken omtrent neuronale aktiviteit en stellen hen in staat de neuronen metabool en trofisch te ondersteunen, naargelang hun specifieke behoeften. De astrogliale cellen signaliseren ook terug naar de neuronen, ten minste gedeeltelijk door een afgifte van gliaal glutamaat, en moduleren synaptische aktiviteit.

ATP wordt gevormd en afgegeven in de extracellulaire ruimte. We weten dat astroglia, geholpen door ATP, lange-afstand signalisering kunnen bevorderen, van één astroglia-netwerk naar een ander, zelfs als de twee netwerken niet via ‘gap-junction’ zijn gekoppeld. […] Astroglia-netwerken zonder cellulaire bruggen zouden kunnen worden geaktiveerd en excitatorische transmitters zouden kunnen worden afgegeven door astroglia. Deze release zou kunnen leiden tot een verhoogd prikkelbaarheid-niveau van neuronale circuits die niet synaptisch zijn gekoppeld of verbonden via astroglia-netwerken.

Daarnaast aktiveert ATP microglia via de stimulatie van of purinerge receptoren [zie ook ‘Spier-metaboreceptoren’]. Microglia en astroglia produceren en releasen neuro-aktieve substanties, zoals ‘basic’ fibroblast groei-factor, ‘nerve growth-factor’, neutrofine-3, ‘ciliary neurotrophic factor’ en S-100β, die synaps-vorming en heropbouw van het CZS ondersteunen.

Rekening houdend met deze kennis, zouden we het verhoogde prikkelbaarheid-niveau te wijten aan glutamaat- en aspartaat-afgifte in neuronale circuits alsook in neuronen en synaps-gebieden die niet primair door glutamaat geaktiveerd zijn kunnen uitleggen. Dit zou kunnen verklaren waarom personen die chronische pijn ervaren, een verhoogde pijn-gevoeligheid in lichamelijke gebieden verschillend van deze die primair zijn aangetast door de pijn-stimulus. De lang-termijn glutamaat neurotransmissie zou een heropbouw van het CZS kunnen stimuleren, inclusief de vorming van nieuwe synapseen, te wijten aan de produktie en afgifte van neurotrofische factoren door astroglia en microglia. Dit geeft ons een eerste glimp van de cellulaire gebeurtenissen aan de basis van de heropbouw van het zenuwstelsel te wijten aan de ‘pathologische’ lang-durige pijn-signaliserng die de vorming van een ‘pijn-geheugen’ zou kunnen tot stand brengen.

CHRONISCHE PIJN EN MENTALE VERMOEIDHEID

Personen met chronische pijn lijden dikwijls onder mentale vermoeidheid, ervaren moeilijkheden met concentratie en geheugen. Met verloop van tijd kan het probleem zich manifesteren als een verminderd vermogen om informatie op te nemen en te verwerken. De symptomen worden duidelijk als de persoon verwacht wordt cognitieve taken uit te voeren gedurende lange perioden zonder onderbreking. Gelijkaardige symptomen worden frequent gezien bij vele organische hersen-processen, zoals tijdens revalidatie na beroerte of een traumatisch hersen-letsel of bij Multipele Sclerose. Het zou moeten worden opgemerkt dat deze symptomen ook verschijnen in afwezigheid van een bewezen hesren-letsel. Mentale vermoeidheid kan zodoende prominent zijn na een hersenschudding of in gevallen van post-traumatische stress aandoening. De symptomen duiken ook op tijdens zware psychologische belasting, zoals ernstige en langdurige stress of angst. Alle psychologische belastingen verergeren eigenlijk de symptomen van mentale vermoeidheid, inclusief post-traumatische of post-infektueuze symptomen, milde cognitieve stoornis of neurasthenie (ICD-10). Volgens de diagnostische klassificatie van Lindqvist en Malmgren maken deze symptomen deel uit van het astheno-emotioneel syndroom.

CHRONISCHE PIJN, MENTALE VERMOEIDHEID

EN ASTROGLIALE STOORNIS VAN DE GLUTAMAAT-OPRUIMING:

EEN HYPOTHESE

We stellen dat één onderliggend mechanisme op cellulair niveau voor mentale vermoeidheid secundair aan chronische pijn, een verminderde capaciteit van astrocyten om glutamaat te verwijderen uit de extracellulaire ruimte [zie ook ‘Glia, glutamaat-transport en mentale vermoeidheid’] zou kunnen zijn. Tijdens langdurige neuronale aktiviteit zal deze gedaalde astrogliale glutamaat-opname capaciteit geleidelijk aan leiden tot verhoogde glutamaat-waarden rond de neuronen, en zo tot verminderde synaptische efficiëntie en minder precieze transmissie-signalen, en na enige tijd een gereduceerde glutamaat-release na stimulatie. Een dergelijke gedaalde afgifte zou kunnen het gevolg zijn van een verminderde opbrengst aan glutamaat-voorloper in de glutamaat-glutamine cyclus [In de astrocyten wordt glutamaat omgezet tot glutamine (d.m.v. glutamine-synthase). Glutamine wordt terug getransfereerd naar het pre-synaptische uiteinde waar het naar glutamaat wordt geconverteerd (d.m.v. een glutaminase) om als neurotransmitter hergebruikt te worden.]. Experimentele resultaten, die een gliale aktivatie in de dorsale hoornen van het ruggemerg bij langdurige pijn aantonen, zouden onze hypothese kunnen ondersteunen. Gelijkaardige cellulaire reakties zouden kunnen opduiken in de hersenen door langdurige pijn-signalisering. Angst en stress ten gevolge chronische pijn zou de produktie van substanties en veranderde omstandigheden kunnen versterken. Dergelijke substanties kunnen zijn: vrije zuurstof radikalen, arachidonzuur, melkzuur, cytokinen en leukotriënen, NO, peroxynitraat en glucocorticoïden. De veranderde omstandigheden zouden kunnen zijn: verstoord energie-metabolisme met verlaagde ATP-concentraties of acidose [‘verzuring’]. Deze factoren inhiberen astrogliale glutamaat-opname of verstoren astrogliale ‘gap-junction’ communicatie en, volgens onze hypothese, houden de symptomen voor lange perioden instand.

Voorts werd er aangetoond dat groei-hormoan (GH) waarden verhoogd zijn tijdens acute stress reakties terwijl GH gedaald is bij chronische stress toestanden. Interessant is dat GH de verspreiding van lage-molekulair-gewicht substanties in astroglia-aangerijkte primaire culturen bleek te verhogen, wat wijst op een verhoogde ‘gap-junction’ communicatie. Aan de andere kant verminderden gedaalde GH-waarden ‘gap-junction’ verspreiding van lage-molekulair-gewicht substanties. Gestegen glucocorticoid-waarden zouden kunnen voorkomen bij toestanden van chronische pijn met secundaire angst en stress. Dergelijke verhoogde glucocorticoid-waarden zouden kunnen leiden tot de produktie en afgifte van interleukine-1β en TNF-α. De eerste doet astrogliale ‘gap-junction’ communicatie dalen, terwijl TNF-α bekend staat om astrogliale glutamaat-opname capaciteit te doen dalen.

Onze hypothese zou kunnen dienen als een biologische basis voor ons begrip van de symptomen van mentale vermoeidheid, die sociaal invaliderend zijn en dikwijls het vermogen van de patient om te werken doet dalen. Deze symptomen worden echter als a-specifiek beschouwd en worden dikwijls onderschat in de klinische praktijk.

TESTEN VAN DE HYPOTHESEN

Het is momenteel niet mogelijk om uiteindelijk te bepalen of de beschreven neuronale gliale interakties bij glutamaat-aktiviteit al dan niet zouden kunnen dienen als een model om onderliggende cellulaire mechanismen te verklaren voor de langdurige handhaving van pijn-signalen, verhoogde pijn-sensitiviteit in het primair aangetaste gebied en in gebieden buiten de onmiddellijk aangetaste, ‘pijn-geheugen en mentale vermoeidheid gerelateerd aan chronische pijn. Er zouden experimenten moeten worden uitgevoerd bij mensen die lijden aan chronische pijn. Beeldvorming van de hersenen met de mogelijkheid om de extracellulaire concentraties aan glutamaat, K⁺, ATP en neurotrofe of neuro-aktieve factoren te identificeren, te bepalen en bij voorkeur in de tijd te volgen, zouden geschikt zijn.

Dergelijke methoden zijn echter momenteel nog niet voor handen omwille van technische redenen. In plaats daarvan moeten we gebruikmaken van experimentele systemen om de biologie van glia-cellen, en neuron-glia-neuron signalisering en interakties te bestuderen. Specifieke delen van de hypothese zouden echter kunnen worden getest. Neuro-aktieve substanties geproduceerd door of veranderde omstandigheden gelinkt aan chronische pijn, zouden kunnen worden geëvalueerd met betrekking tot hun effekten op astrogliale glutamaat-transport capaciteit, in het bijzonder na de produktie van zo’n substanties. De rol van het intact astroglia-netwerk bij hogere hersen-funkties (cognitie) zou kunnen worden bestudeerd in dier-modellen. Effekten van astroglia dysfunktie met betrekking tot glutamaat-transport capaciteit zijn van bijzonder belang. Zelfs klinische studies met verschillende behandel-strategieën zouden belangrijk kunnen zijn om wat licht te werpen op de juistheid van de hypothese.

STRATEGIEËN VOOR BEHANDELING VAN CHRONISCHE PIJN

EN BIJBEHORENDE MENTALE VERMOEIDHEID

Bij het afwegen van een behandeling voor chronische pijn, is het belangrijk om de patient te informeren over de oorzaak van de pijn en de prognose van de ziekte. Gezien de aard van neuron-glia signalisering, moet dergelijke informatie zo spoedig mogelijk aangeboden worden omdat langdurige pijn-signalisering kan leiden tot het heropbouwen van neuronale netwerken, met als gevolg dat de hersenen zich ‘aanpassen’ aan de nieuwe situatie van het constant waarnemen van pijn. Het is ook belangrijk om secundaire angst en stress-reaktie te reduceren. Dergelijke reakties leiden, samen met de pijn zelf, makkelijk tot mentale vermoeidheid. Er ontstaat gemakkelijk een vicieuze cirkel: pijn – verhoogde pijn-gevoeligheid – pijn-geheugen – mentale vermoeidheid – angst – stress – gevoel van verhoogde pijn. De symptomen van mentale vermoeidheid vormen een verborgen invaliditeit en zorgen makkelijk voor bijkomende angst en stress voor de patient. Het verstrekken van informatie aangaande de oorzaken van de pijn en de prognose, of het nu een ziekte, een trauma of andere oorzaak betreft, is belangrijk om de vicieuze cirkel te doorbreken. Deze cyclus is zelf een risico-factor voor secundaire angst en depressie. Door de plasticiteit van het brein, met zijn vermogen om neuronale netwerken her op te bouwen, is accurate informatie cruciaal om pathologische heropbouw ten gevolge blijvende pijn-signalisering te vermijden.

Als onze hypothese correct is, zou het, ten minste theoretisch, mogelijk zijn de symptomen te behandelen door de neuro-aktieve substanties die worden geproduceerd en afgegeven in het CZS tegen te werken. Pro-inflammatoire cytokine-antagonisten bestaan, maar niet in een vorm die bruikbaar is als medicijn (enkel als proteïne-receptor antagonisten, oplosabre receptoren en antilichamen. Twee andere soorten substanties zouden interessanter kunnen zijn: p38 ‘mitogen activated protein’ (MAP) kinase [‘MAPK’ reageren op extracellulaire stimuli (mitogenen) en reguleren verscheidene cellulaire aktiviteiten, zoals gen-expressie, celdeling, differentiatie en cel-overleving/apoptose.] inhibitoren en xanthine-derivaten [zie: Glia, glutamaat-transport en mentale vermoeidheid’]. P38 MAP-kinase inhibitoren zouden waarschijnlijk de produktie van pro-inflammatoire cytokinen en signaal-transductie kunnen blokkeren. Van enkele p38 MAP-kinase inhibitoren is ook aangetoond dat ze de bloed-hersen-barrière kunnen overschrijden. Xanthine-derivaten, in het bijzonder pentoxifylline en propentofylline, hebben interessante aktie-profielen. Ze onderdrukken de produktie van pro-inflammatoire cytokinen, reaktieve zuurstof molekulen en stikstof-oxide. Daarenboven verhogen ze gliale glutamaat-opname. Zelfs inhibitoren van microglia-aktivatie zouden een waardevolle aanvulling kunnen zijn op het therapeutisch arsenaal. Minocycline is een andere substantie met een interessant aktie-profiel en het zou farmacologisch kunnen worden veranderd om nuttig te zijn in de klinische praktijk.

OPMERKINGEN TOT BESLUIT EN PERSPEKTIEVEN

Dit kort overzicht toont dat we nog maar net zijn begonnen aan een opwindende ontwikkelingsperiode op het gebied van neuron-glia signalisering en interaktie die meer inzicht in verband met cellulaire mechanismen onderliggend aan neuronale prikkelbaarheid en neuroplasticiteit zou kunnen opleveren. Daarenboven, en uiterst belangrijk vanuit klinisch standpunt, maakt deze nieuwe kennis het voor ons mogelijk de pathofysiologische gebeurtenissen door ‘nieuwe ogen’ te zien.

Tot op heden zijn veel van de symptomen behorende bij een toestand van chronische pijn voor ons moeilijk te begrijpen geweest. Chronische pijn werd bestudeerd vanuit vele perspektieven, meestal omdat het subjectief is en moeilijk te kwantificeren. Door echter de hierboven beschreven recente kennis toe te passen op neuronale gliale interaktie, kunnen we ten minste een eerste glimp krijgen van deze cellulaire mechanismen aan de basis van de verspreiding van pijn, verhoogde pijn-gevoeligheid, pijn-geheugen en mental vermoeidheid tijdens chronische pijn. Het belang van het informeren van de patient over de oorzaak van de pijn om secundaire angst, stress of depressie te verminderen, is reeds lang goed-bekend bij pijn-specialisten en -researchers. […] We beginnen te begrijpen dat het vermogen tot synaptische heropbouw in het normaal CZS kan bijdragen tot pathologische pijn-signalisering.

Prof. Devulder van de Pijnkliniek van de Universiteit Gent zegt hierover: “Microglia zullen zeker een rol spelen bij vele soorten pijn en dus ook bij M.E.(cvs) en fibromyalgie. De rol van de vermoeidheid is heel onduidelijk en waarschijnlijk niet microglia gebonden. Er zijn hopen literatuur omtrent studies maar geen enkele die voor een doorbraak zorgt.”.

Glia, glutamaat-transport en mentale vermoeidheid

Dieper ingaand op het werk van Rönnbäck & Hansson volgt hier een hypothese die mentale vermoeidheid (ook, maar niet uitsluitend, bij M.E./cvs) zou kunnen verklaren…

Journal of Neuroinflammation 2004, 1:22

Hypothese

Over de mogelijke rol van glutamaat-transport bij mentale vermoeidheid

Lars Rönnbäck en Elisabeth Hansson

Institute of Clinical Neuroscience, Göteborg University, Göteborg, Sweden

Samenvatting

[zie ‘Gliale Cellen, Astrocyten & M.E.’]

Achtergrond

Mentale vermoeidheid met verminderde capaciteit qua aandacht, concentratie en leren, zowel als daaropvolgende stoornissen van het korte-termijn geheugen, is een courant symptoom in ziekten met algemene of fragmentarische neuro-inflammatie, zoals Multipele Sclerose (MS), en neurodegeneratieve ziekten, zoals Alzheimer’s en Parkinson’s. De mentale vermoeidheid verschijnt dikwijls voorafgaandelijk aan andere, meer opvallende mentale, cognitieve of fysieke symptomen betreffende het zenuwstelsel bij deze ziekten. Mentale vermoeidheid is ook gebruikelijk tijdens de revalidatie na meningitis of encefalitis (post-infektueuze mentale vermoeidheid), beroerte of hersen-trauma (post-traumatische mentale vermoeidheid); en bijzonder lastig wanneer de belangrijkste neurologische symptomen zijn verdwenen en de patient terug onderweg is naar werk. Volgens de ‘International Classification of Diseases, 10th revision’ (ICD-10), valt mentale vermoeidheid onder de diagnosen ‘milde cognitieve stoornis’ of ‘neurasthenie’ en volgens de ‘Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, 4th edition’, wordt mentale vermoeidheid opgenomen in de groep van ‘milde neurocognitieve stoornissen. Volgens de diagnostische klassificatie door Lindqvist en Malmgren [8], is mentale vermoeidheid één van de symptomen van het ‘astheno-emotioneel syndroom’.

Hoewel mentale vermoeidheid niet exact hetzelfde is als depressie (waarbij de patient het gevoel heeft niet in staat te zijn iets te ondernemen), zijn er overlappingen en beide aandoeningen manifesteren zich gedragsmatig (bv. verminderde motivatie) […]. Zelfs het ‘ziekte-gedrag [geïnduceerd door cytokinen] heeft een vermoeidheid-component. Mentale vermoeidheid is ook prominent na slaap-deprivatie. Naast de vermoeidheid zelf, lijdt de patient met mentale vermoeidheid dikwijls aan overgevoeligheid voor geluid en licht, prikkelbaarheid, emotionele labiliteit, stress-intolerantie en hoofdpijn.

Mentale vermoeidheid manifesteert zich als een verminderd vermogen om informatie op te nemen en te verwerken. De mentale uitputting wordt uitgesproken als cognitieve taken langer moeten worden volgehouden zonder pauzes (cognitieve belasting). Dikwijls zijn de symptomen afwezig of mild in een ontspannen en stress-vrije omgeving. Om de mogelijke cellulaire neurobiologie van mental vermoeidheid te exploreren, beginnen we met te kijken naar enkele componenten die belangrijk zijn voor informatie-opname en -verwerking in het centraal zenuwstelsel, namelijk glutamaat neurotransmissie, en focussen we op de verwijdering van extracellulair glutamaat ([Glu]_ec).

Glutamaat neurotransmissie is onontbeerlijk voor informatie-opname

en -verwerking in het centraal zenuwstelsel

Glutamaat-overdracht is ook cruciaal bij de vorming van ‘long-term potential’ (LTP), de cellulaire component bij geheugen-vorming [zie ‘Chronische Microglia Aktivatie’ & ‘CVS en het zenuwstelsel’].

In de hersenen moet de [Glu]_ec worden geconserveerd op ongeveer 1-3 µM om een hoge precisie (hoge signaal : achtergrond verhouding) te verzekeren bij normale glutamaat neurotransmissie en ook om excitotoxiciteit van glutamaat op neuronen te vermijden. De verwijdering van glutamaat uit de extracellulaire ruimte wordt bekomen d.m.v. natrium (Na⁺)-afhankelijke opname-transporters met hoge affiniteit. De glutamaat-aspartaat-transporter (GLAST) en glutamaat-transporter 1 (GLT-1) zijn het meest overvloedig gelokaliseerd op astrocyten die de synapsen van glutamaat-dragende neuronen omgeven. In feite hebben GLAST en GLT-1 verschillende expressie-patronen. GLAST is de belangrijkste transporter vior glutamaat-opname tijdens de ontwikkeling, terwijl expressie van GLT-1 verhoogt met de maturatie van het zenuwstelsel. De expressie van glutamaat-transporter-1 lijkt de vorming en rijping van synapsen en in het bijzonder synaptische aktiviteit te volgen. Zelfs nog meer overtuigend voor de rol van astroglia bij het laag houden van [Glu]_ec, is het feit dat werd aangetoond […] dat het verliezen van GLT1 of GLAST een verhoogde [Glu]_ec en neurodegeneratie, kenmerkend voor excitotoxiciteit, oplevert, terwijl het verlies van neuronale glutamaat-transporter [Glu]_ec niet doet stijgen.

Regulering van astrogliale glutamaat-transporter capaciteit

- rol van pro-inflammatoire cytokinen

Van een groot aantal factoren werd aangetoond dat ze de aktiviteit en expressie van de glutamaat-transporters GLT-1 en GLAST beïnvloeden. Bijvoorbeeld: GLT-1 wordt gestimuleerd via fosforylatie door proteïne-kinase C (PKC), terwijl GLAST wordt geïnhibeerd door PKC […]. De synthese van GLT-1 bleek te worden gestimuleerd door factoren die werken via receptor tyrosine-kinasen [enzymen die een fosfaat-groep aanbrengen op het aminozuur tyrosine van een eiwit] en mechanismen afhankelijk van fosfatidylinositol-3-kinase [PI3K; enzyme dat deel uit maakt van een signaaltransductie-mechanisme dat een cruciale rol speelt in de celgroei en -overleving] en de nucleaire transcriptie-factor NFκB. Eén mechanisme voor regulatie van GLT-1 is verbonden met de vorming van cysteïne-bruggen [cysteïne is een aminozuur met een atoom zwavel; het kan als anti-oxidant fungeren]. […] Oxidatieve molekulen zoals waterstof-peroxide kunnen vlot de funktionele sulfhydryl-groepen van of cysteïnen oxideren om disulfide-bruggen te vormen die een inhiberend effekt uitoefenen op glutamaat-transporten. Voorbeelden van factoren of veranderde omstandigheden die astrogliaal glutamaat-transport schaden, zijn arachidon-zuur, melkzuur, cytokinen, en leukotrienen, stikstof-oxide (NO), ß-amyloid proteïne, peroxynitraat en glucocorticoïden De veranderde condities kunnen verstoord energie-metabolisme met verlaging van adenosine-trifosfaat (ATP) of van pH zijn. Opmerkelijk is de bevinding dat vele van deze substanties of condities ook astrogliale ‘gap-junction’ [eiwitkanalen die het cytoplasma van naburige cellen met elkaar verbinden, waardoor ionen - K⁺ en Cl^- - en ‘boodschapper-molekulen’ - zoals Ca²⁺, cAMP en cGMP - kunnen stromen] communicatie verminderen en zelfs de bloed-hersen-barrière (BBB) desintegreren, waardoor de astrogliale ondersteuning van de glutamaat neurotransmissie wordt geschaad [Hansson E, Rönnbäck L: Altered neuronal-glial signaling in glutamatergic transmission as a unifying mechanism in chronic pain and mental fatigue. Neurochem Res 2004, 29:989-996].

De pro-inflammatore cytokinen tumor necrose factor-α (TNF-α), interleukine (IL)-1ß en IL-6 staan reeds lang bekend voor het schaden van astrogliale glutamaat-opname, zelfs al worden de mechanismen niet volledig begrepen. De inhiberende werking van TNF-α werd reeds in de jaren 1990 vastgesteld, toen werd aangetoond dat TNF-α astrogliale glutamaat-opname inhibeert. Hu et al. rapporteerden een dosis-afhankelijke inhibitie van glutamaat-opname door astrocyten via een mechanisme waarbij stikstof oxide is betrokken. Een studie door Liao en Chen toonde dat TNF-α door glutamaat gemedieerde oxidatieve stress versterkt, wat resulteert in een daling van glutamaat-transporter aktiviteit. Wang et al. toonden een gereduceerde expressie van GLT-1 en GLAST, en ook een gestoord glutamaat-transport in menselijke primaire astrocyten door TNF-α. Er werd ook gesuggereerd dat nucleaire factor NFκB betrokken is bij deze regulering. Zelfs IL-1ß en IL-6 bleken betrokken bij storingen van de astrogliale glutamaat-opname via oxidatieve stress of NO.

Zelfs deregulering van de bloed-hersen-barrière wordt gezien in een vroeg stadium bij neuro-inflammatie en dit loopt parallel met de release van pro-inflammatoire cytokinen. Mechanismen voor verstoring van de BBB bij neuro-inflammatie worden nog niet helemaal begrepen maar er schijnen directe effekten van cytokinen op endotheliale regulatie van de BBB-componenten bij betrokken te zijn. Blootstelling van het endothelium aan TNF-α verbreekt de BBB door het desorganiseren van cel-cel verbindingen. Tevens werd aangetoond dat TNF-α calcium- (Ca²⁺) signalisering tussen endotheliale cellen van de barrière onderdrukt door het reduceren van gap-junction koppeling en het inhiberen van ATP-afgifte.

Zou glutamaat neurotransmissie dynamisch geregeld

kunnen worden door extracellulair glutamaat?

Zoals eerder vermeld: reeds wanneer de [Glu]_ec ca. 3-5 µM overschrijdt; wordt de efficiëntie van de glutamaat-signalisering beschouwd als zijnde gereduceerd. Er is verlengde aktivatie van post-synaptische en aanliggende gliale receptoren, met een verminderde precisie (gedaalde signaal-ruis verhouding) in de glutamaat-transmissie. Ten gevolge daarvan zal de informatie die het brein binnenkomt minder duidelijk zijn. Daarenboven zou aktivatie van astrogliale netwerken, met inductie van Ca²⁺-oscillaties, binnenin én tussen de gap-junction gekoppelde astrogliale syncytia [syncytium = toestand waarin cytoplasma en nuclei van verschillende cellen, na versmelten van de individuele plasmamembranen tot één gemeenschappelijke, samen voorkomen], en met daaropvolgende astrogliale glutamaat-release het exciteerbaarheid-niveau in naburige neuronale circuits kunnen doen stijgen. Het algemeen resultaat kan zijn dat meer en grotere neuronale circuits zouden worden geaktiveerd na verloop van tijd. Deze conclusie wordt verder ondersteund door studies die aantonen dat inhibitie van GLT-1 neurotransmissie in de hippocampus zou kunnen vergemakkelijken en kunnen leiden tot verhoogde neuronale exciteerbaarheid […].

Verhoogd [Glu]_ec zou ook leiden tot zwelling van astrogliale cellen, resulterend in een daling van het volume van de extracellulaire ruimte, en plaatselijk verder gedaald [Glu]_ec [o.a. Hansson E: Metabotropic glutamate receptor activation induces astroglial swelling. J Biol Chem 1994, 269:21955-21961]. De astrogliale zwelling zou leiden tot relatieve depolarisatie van het astrogliaal cel-membraan, met een verdere daling van de capaciteit van de astrogliale glutamaat-opname en daarenboven een gedaalde capaciteit van de astrocyten om [K⁺]_ec te verwijderen. Zelfs matig verhoogde (tot 8-10 mM) [K⁺]_ec bleken in experimentele systemen glutamaat-release te inhiberen.

Data wijzen op een dynamische fijn-regeling van de glutamaat-transmissie. Eén mechanisme waarbij neuronen prikkel-overdracht regelen, is door het veranderen van het aantal en de samenstelling van glutamaat-receptoren op het post-synaptisch plasma-membraan. Dit werd aangetoond voor de NMDA [N-methyl-D-aspartaat] -receptor in experimentele systemen en zou uiterst belangrijk kunnen zijn voor dynamische processen zoals leren en geheugen. Van groot belang in deze context zijn ook de studies waarbij stimulatie van metabotrope glutamaat-receptoren (mGluR3 en mGluR5) [ionotrope receptoren (iGlu: NMDA, AMPA en kainate receptoren) funktioneren als ion-kanalen; in tegenstelling tot de iGlu receptoren moduleren de mGlu receptoren de neuronale aktiviteit op een wijze die vergelijkbaar is met die van neurotransmitters zoals dopamine en serotonine] de expressie van glutamaat-transporters kritisch en differentieel bleken te moduleren; en zodoende een substraat creëeren voor een ‘fine-tuning’ van de glutamaat neurotransmisse. Zelfs het pro-inflammatoir cytokine IL-1ß zou als een regulator van de glutamaat-transmissie kunnen werken, aangezien werd aangetoond dat dit cytokine glutamaat-afgifte inhibeert en LTP reduceert ten gevolge van de vorming van of reaktieve zuurstof radikalen [ROS].

Verder werd, bij toestanden met gedaalde capaciteit van astrogliale glutamaat-opname, zelfs een verminderde astrogliale glucose-opname en daaropvolgende verminderde toevoer van metabole substraten [‘voedingsstoffen’] aan de neuronen gerapporteerd; en er zou een relatieve energie-insufficiëntie op cellulair niveau in neuronale circuits kunnen zijn. Daarenboven zou glutamaat-afgifte door de pre-synaptische uiteinden kunnen verminderen door factoren zoals een gedaalde glutamine-toevoer aan de neuronen.

Experimentele onderzoeken bij ratten en apen hebben een feedback-lus aangetoond van de linker basale frontale cortex [hersenschors], met een inhiberende invloed, op de locus coeruleus [centrale hoofdkern; betrokken bij de regulatie van emoties, de aktivatie-toestand van de hersenen en het slaap/waak-ritme] in de hersen-stam. Als deze ‘loop’ ook bestaat bij mensen, zou een lichte verhoging van het neuronaal ‘vuren’ [‘overbrengen van signalen’], te wijten aan een lichtjes gestegen [Glu]_ec in de basale frontale cortex, kunnen leiden tot een daling van noradrenaline en serotonine (5-HT) -afgifte in de cerebrale cortex; wat ook de glucogenolyse [omzetting van glycogeen (‘energie-voorraad’) in glucose (‘cellulaire brandstof’)] zou doen dalen en tevens de metabole substraten voor corticale neuronen schaden.

Het zou dus kunnen dat glutamaat neurotransmissie wordt gereguleerd door de astrogliale glutamaat-transporter capaciteit te veranderen en zodoende zouden stijgingen van [Glu]_ec één factor kunnen zijn die glutamaat-transmissie schaadt.

Pro-inflammatoire cytokinen en neuro-inflammatoire & degeneratieve ziekten,

majeure depressie, ‘ziekte-gedrag’ en slaap-deprivatie

Er is uitgebreide literatuur over inflammatoire respons met microgliale aktivatie en de produktie van pro-inflammatoire cytokinen (TNF-α, IL-1ß en IL-6) bij neuro-inflammatire/infektueuze en neurodegeneratieve ziekten zowel als bij beroerte en trauma. De inflammatoire aktivatie begint vroeg bij sommige neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer’s en Parkinson’s, […] en ook bij neuro-inflammatoire ziekten, meningitis, encefalitis en bij trauma of beroerte.

[…]

Verder zijn pro-inflammatoire cytokinen geaktiveerd bij slaap-ontbering, een toestand waarbij mentale vermoeidheid dikwijls aanzienlijk is.

In toestanden met angst en stress, dikwijls ervaren secundair aan mentale vermoeidheid, werden verhoogde glucocorticoid waarden aangetoond. Interessant is dat werden aangetoond dat langdurige verhogingen aan glucocorticoïden resulteren in de produktie van én TNF-α én IL-1ß.

Zou mentale vermoeidheid het gevolg kunnen zijn

van een dysfunktie in een specifiek hersen-gebied?

Bij de zoektocht naar pathofysiologische correlaten voor vermoeidheid bij MS, toonden Roelcke et al. een gereduceerd glucose-metabolisme in de frontale cortex en basale ganglia [hersenstructuren die betrokken zijn bij de controle van bewegingen] in MS-patiënten met vermoeidheid. Een hypothese door Chaudhuri en Behan [Fatigue and basal ganglia. J Neurol Sci 2000, 179:34-42] focuste op basale ganglia als een deel van de hersenen dat cruciaal is bij mentale vermoeidheid. Bij patiënten met Chronische Vermoeidheid Syndroom, dat echter niet hetzelfde is als mentale vermoeidheid, werd ontdekt dat prefrontale en temporale cortexen, anterieure cingulaat en cerebellum gebieden zijn die mogelijks betrokken zijn bij vermoeidheid [Kuratsune H, Yamaguti K, Lindh G, Evengård B, Hagberg G, Matsumura K, Iwase M, Onoe H, Takahashi M, Machii T, Kanakura Y, Kitani T, Langstrom B, Watanabe Y: Brain regions involved in fatigue-sensation: reduced acetylcarnitine-uptake into the brain. NeuroImage 2002, 17:1256-1265]. Interessant is dat deze studies ook wezen op een mogelijk verband tussen glutamaat-transmissie en vermoeidheid. […]. Tot op heden is er geen bewijs voor betrokkenheid van een specifiek hersen-gebied bij mentale vermoeidheid. In tegendeel: het lijkt er op dat mentale vermoeidheid zou kunnen voortkomen uit stoornissen in verschillende neuronale systemen. We zullen daarom een hypothese voorstellen waarbij de funktionele stoornis bij mentale vermoeidheid op cellulair niveau wordt gekoppeld met de fine-tuning van de glutamaat neurotransmissie.

Mentale vermoeidheid

- een stereotypische reaktie na verstoring van de hersen-funktie

- een hypothese die focust op gestoorde glutamaat neurotransmissie

Het kan zijn dat mentale vermoeidheid een stereotypische reaktie is op verstoring van ‘hogere’ hersen-funkties. Het brein, met zijn miljoenen gespecialiseerde neuronen en ondersteunende glia-cellen, funktioneert als ‘één geheel’ orgaan. Elke verstoring van de hersen-homeostase, waar die ook anatomisch gelokaliseerd is, zou daarom de brein-capaciteit voor informatie-verwerking en, als een gevolg daarvan, informatie-opname verminderen. Eén manier om informatie-opname en -verwerking op cellulair niveau te reduceren, zou kunnen zijn de glutamaat neurotransmissie te schaden door beperking van de gliale ondersteuning en in het bijzonder het doen dalen van de astrogliale capaciteit om [Glu]_ec op te ruimen. Het initiële gevolg zou een lichtjes verhoogde [Glu]_ec zijn, met minder precisie in glutamaat-transmissie. Dit zou de ‘filter’, die normaal informatie selekteert en voorkomt dat het de cerebrale cortex bereikt, desintegreren. We kunnen het geluid van een ventilator als voorbeeld nemen. Dit geluid wordt normaal weggefilterd nadat men het een tijdje heeft gehoord. Als het geluid met minder precisie door gehoor-herkenning-systemen wordt aangepakt, zal het continu als ‘nieuwe’ informatie door hersen-centra worden herkend en worden verwerkt in de cerebrale cortex zolang het geluid op staat. De ‘filter’ die normaal reeds herkende informatie verhindert om hogere hersen-centra te bereiken, werd ‘geopend’. Vanuit een fysiologisch standpunt, lijkt het gepast dat het individu, en niet het brein op synaptisch niveau, zou bepalen welke informatie de cerebrale cortex zou moeten bereiken en er worden verwerkt. De verminderde aandacht, verhoode geluid- en licht-gevoeligheid, en prikkelbaarheid zouden fysiologische manieren kunnen zijn om over-stimulatie van hogere corticale centra te vermijden. In het geval dat individuen zichzelf niet kunnen beschermen tegen te veel sensorische stimulatie, leidt het openen van de filter tot over-stimulatie van de cerebrale cortex. De uiteindelijke opheffing van de glutamaat-transmissie zou een mechanisme kunnen zijn dat aan de basis van mentale uitputting ligt.

Overeekomstig met deze theoretische voorstellen, werd verhoogde [Glu]_ec aangetoond bij MS, meningitis en encefalitis, Alzheimer’s, ischemie en traumatische hersen-letsel. Voorts werd aangetoond in experimentele studies dat zelfs extracellulair K⁺ betrokken is bij de post-traumatische hyper-exciteerbaarheid en een studie heeft voorgesteld dat de grotere extracellulaire K⁺-stijging opgewekt door neuronale aktiviteit een gevolg is eerder dan het primaire mechanisme onderliggend aan post-traumatische hyper-exciteerbaarheid.

De theorie omvat ook de mogelijkheid van een verstoorde noradrenaline/serotonine turn-over in de cerebrale cortex te wijten aan hyper-exciteerbaarheid in de frontale cortex. […]

Testen van de hypothese

Het is momenteel niet mogelijk om het ultiem bewijs te leveren dat de veranderde neuronale-gliale interakties bij glutamaat-transmissie geïnduceerd door pro-inflammatoire cytokinen al dan niet zou kunnen dienen als een model om cellulaire mechanismen onderliggend aan mentale vermoeidheid te verklaren. Beeldvorming-technieken van de hersenen die in staat zijn [Glu]_ec en [K⁺]_ec in de tijd te bepalen en te volgen, zouden belangrijk zijn voor het gebruik bij mensen die lijden onder mentale vermoeidheid. Op dit moment is dit niet mogelijk omwille van technische redenen. In de plaats daarvan, moeten we gebruikmaken van experimentele systemen om gliale cel-biologie en neuron-glia-neuron signalisering en interakties te bestuderen, en zo specifieke delen van de hypothese te testen. Neuro-aktieve substanties aangemaakt door, of veranderde condities gelinkt met, de produktie van pro-inflammatoire cytokinen zouden kunnen worden geëvalueerd met het oog op hun effekten op astrogliale ondersteuning van glutamaat-transmissie en in het bijzonder glutamaat-transport capaciteit. De rol van de intacte astrogliale netwerken bij hogere hersen-funkties (cognitie en gedrag) zou kunnen worden bestudeerd in dier-modellen. Effekten van astrogliale dysfunktie met betrekking tot glutamaat-transport capaciteit is van uitzonderlijk belang. Zelfs klinische studies met verschillende behandel-strategieën zouden belangrijk kunnen zijn om wat licht te werpen op de accuraatheid van de hypothese. Van uiterst belang bij alle dergelijke studies zou zijn batterijen te testen die het mogelijk maken om de graad aan mentale vermoeidheid te objectificeren en zelfs te kwantificeren.

Waarom houden de symptomen aan bij sommige patiënten?

Normaliter verdwijnen mentale vermoeidheid en de daarmee verbonden symptomen als de hersen-dysfunktie voorbij is. Bij sommige patiënten houden de symptomen aan. We hebben hiervoor momenteel geen verklaring maar als onze hypothese correct is, zou er een genetische fout kunnen zijn die de upregelering van astrogliale glutamaat-transporters belemmert. Een andere verklaring waarom de symptomen aanhouden zou kunnen zijn dat nieuwe neuronale netwerken worden gecreëerd door de pathologische stimulatie via brein-plasticiteit [veranderingen in de organisatie van de hersenen].

Aspekten van behandeling

Zorgen voor informatie aangaande mentale vermoeidheid, zijn oorzaak en de prognose, is van uiterst belang om de vicieuze cirkel, die het risico meebrengt voor secundaire angst en depressie, te doorbreken. Verder is het belangrijk voor de patient zich voor te stellen en te leren hoeveel sensorische stimulatie men kan tolereren vooraleer men zich te uitgeput voelt. Wegens resultaten aangaande veranderingen in cel-signalisering en neuronale plasticiteit, kan het belangrijk zijn de symptomen te identificeren en ze zo vroeg mogelijk te behandelen om vorming van nieuwe en funktioneel storende neuronale circuits te wijten aan over-stimulering van of neuronale-gliale eenheden te vermijden. Als onze hypothese correct is, kan het mogelijk zijn de symptomen verder te verbeteren door onderdrukking van de produktie van pro-inflammatoire cytokinen en, daardoor, de normale astrogliale glutamaat-opname te herstellen. In deze context zouden xanthine-afgeleiden [bv. propentofylline (PPF) onderdrukt de vorming van of reaktieve zuurstof intermediairen aangemaakt door macrofagen; inhibeert inflammatoire processen alsook overmatige aktivatie van microglia, produktie van cytokinen en abnormale amyloid precursor proteïnen; interfereert direct met het neurodegeneratieve proces en reduceert de schade aan brein-strukturen in dier-experimenten] nuttig kunnen zijn [Schubert P, Rudolphi K: Interfering with the pathologic activation of microglial cells and astrocytes in dementia. Ahlzheimer Dis Assoc Disord 1998, 12(suppl 2):S21-S28]. Een andere substantie die het overwegen waard is, zou minocycline kunnen zijn; een synthetisch tetracycline-derivaat waarvan werd aangetoond dat het microgliale aktivatie vermindert en, bijgevolg, de aanmaak van pro-inflammatoire cytokinen [Tikka T, Fiebich BL, Goldsteins G, Keinanen R, Koistinaho J: Minocycline, a tertracycline derivative, is neuroprotective against excitotoxicity by inhibiting activation and proliferation of microglia. J Neurosci 2001, 21:2580-2588]. Tijdens de voorbije jaren werden stoffen die glutamaat-opname versterken geïdentificeerd. Nicergoline [Nishida A, Iwata H, Kudo Y, Kobayashi T, Matsuoka Y, Kanai Y, Endou H: Nicergoline enhances glutamate-uptake via glutamate-transporters in rat cortical synaptosomes. Biol Pharm Bull 2004, 27:817-820], verschillende groei-factoren met inbegrip van ‘pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide’ (PACAP) [Figiel M, Maucher T, Rozyczka J, Bayatti N, Engele J: Regulation of glial glutamate-transporter expression by growth-factors. Exp Neurol 2003, 183:124-135], sommige lage-molekulair-gewicht factoren [Su Z-z, Leszczyniecka M, Kang D-c, Sarkar D, Chao W, Volsky DJ, Fisher PB: Insights into glutamate-transport regulation in human astrocytes: Cloning of the promoter for excitatory amino-acid transporter 2 (EAAT2). Proc Natl Acad Sci 2003, 100:1955-1960], zowel als metabotrope glutamaat-agonisten zijn allen in staat glutamaat-transport in experimentele systemen te stimuleren en zouden van belang kunnen zijn bij de farmacotherapie van mentale vermoeidheid. Zelfs AMPA-receptor [alfa-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionaat; een type glutamaat-receptor; antagonisten zouden excitotoxiciteit verminderen] modulators bleken cognitieve versterkers [Lynch G: AMPA-receptor modulators as cognitive enhancers. Curr Opin Pharmacol 2004, 4:4-11].

Commentaar:

“Deze hypothese zou kunnen verklaren hoe en waarom mentale vermoeidheid de perifere vermoeidheid, die wordt gezien bij CVS, vergezeld. We geloven sterk dat astrocyten en microglia een rol spelen bij in mentale vermoeidheid én bij het amplificeren van het vermoeidheid-signaal (lees bv. onze vroegere artikels over astrocyten en microglia). We zijn echter net nog niet in staat geweest om de twee verhalen samen te brengen, maar anderen ondernemen experimenten die hen daar mogelijks toe in staat stellen, door gebruik te maken van beeldvorming-technieken van de hersenen die selektief kijken naar de aktivatie en conditie van astrocyten en microglia.

Klinische proeven met glia-modulatoren zijn aan de gang voor een aantal aandoeningen; jammer genoeg niet voor CVS of fibromyalgie. Ik probeer om klinische onderzoekers geïnteresseerd te krijgen om zo’n trial op poten te zetten. Trials voor patiënten met Multipele Sclerose werden reeds ondernomen en de resultaten lijken veelbelovend. Er werden echter geen  metingen van de pijn of vermoeidheid gedaan, dat zou ons nog meer hebben geholpen.

Beeldvorming van de hersenen bij of CVS- en FM-patiënten is aan de gang maar de resultaten werden nog niet vrijgegeven…”

Prof. Alan Light (Depts. of Anesthesiology and Neurobiology and Anatomy, University of Utah)

Hij wijst ook op het veelbelovend agens, de gliale cel regulator, AV411 (avigen.com)…

Gliale Cellen, Astrocyten en M.E.

Gliale Cellen, Astrocyten & M.E.

In Chaudhuri en Behan’s artikel ‘In vivo magnetic resonance spectroscopy in Chronic Fatigue Syndrome’ (Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 2004 Sep;71(3):181-3) werd reeds geopperd dat de gestegen choline in hersenen van CVS-patiënten kan worden beschouwd als een merker voor verhoogde cel-membraan turn-over verbonden met gliosis. [zie ‘Metabole veranderingen…’]

Er bleken eerder al aanwijzingen voor verbanden tussen gliale cellen en CVS-dysfunkties/-symptomen. Tijd dus om hier wat aandacht aan te besteden en mogelijks enkele onderzoekers op ideëen te brengen…

Glia-cellen zijn niet-neuronale componenten van het centraal zenuwstelsel die nauw interageren met neuronen (en met mekaar). Ze omvatten astrocyten, oligodendroctyen en microglia-cellen; ze spelen een belangrijke rol bij neuro-protektie. Door hun detoxificatie van glutamaat bv. beschermen ze cellen tegen beschadiging. Glia-cellen secreteren ook trofische factoren die bescherming blijken te bieden tijdens cerebraal zuurstof-gebrek. Doordat ze in staat zijn overmatig kalium van neuronen over te hevelen, reguleren ze ook het kalium-niveau.

De meeste glia-cellen zijn astrocyten die de uiteinden van synapsen omgeven en endotheliale cellen in de capillaire bloedvaten omranden. Ze helpen voedingsstoffen en metabolieten uit het bloed in de neuronen te verplaatsen en spelen een belangrijke rol bij het reguleren van de extracellulaire concentraties ionen, metabolieten en neurotransmitters, en bij het ondersteunen van neuronale funktie. Olidgodendrocyten vormen myeline, een substantie die de opbouw vergemakkelijkt van aktie-potentialen [prikkels], betrokken bij transmissie van zenuw-impulsen. Door het continu monitoren van de neurale micro-omgeving, reageren microglia snel op pathologische veranderingen in hun micro-milieu door produktie van cytokinen en/of trofische factoren. [Hansson E & Rönnbäck L; ‘Glial neuronal signaling in the central nervous system; FASEB (2003) 17, 341-348]

Herstelling of aktivatie van glia-cellen gebeurt dikwijls in respons op weefsel-beschadiging in de hersenen. Geaktiveerde glia-cellen (zoals astrocyten en de microglia) produceren meerdere cytokinen die, ten minste in het begin, de neuronale schade lijken te verbeteren. Chronische glia-cel aktivatie schijnt echter een cascade van gebeurtenissen te veroorzaken die resulteert in neuro-degneratie. Gliale aktivatie en cytokine-produktie zijn bv. betrokken bij de progressie van Alzheimer’s. Terwijl voorbijgaande gliale aktivatie bij veel virale encefalopathieën voorkomt, vindt chronische glia-cel aktivatie, om onbekende redenen, plaats bij bv. AIDS [Mrak RE & Griffin S; ‘The role of chronic self-propagating glial response in neurodegeneration: implications for long-lived survivors of human deficiency virus’; Journal of NeuroVirology (1997) 3: 241-246]. De geprocudeerde neurotrofe en immune cytokinen (interleukine-1 door microglia en S100beta door astrocyten) in respons op neuronale cel-dysfunktie of -dood, zouden cellulaire en molekulaire reakties kunnen opwekken resulterend in verdere aktivatie van glia en gliale cytokine-secretie. Een cytokine-cyclus die zichzelf in stand houdt en tot verdere neurodegeneratie leidt, enz. De suggestie dat neuro-degeneratie zou kunnen “doorzetten of progressie maken, zelfs na het succesvol uitroeien van het virus” is intrigerend gezien de viraal-achtige presentatie van symptomen die dikwijls wordt gezien bij het begin van CVS. Ietwat onheilspellend wordt de vraag gesteld of chronische glia-aktivatie een risico op Alzheimer’s kan betekenen…

Chaudhuri en Behan suggereren dus dat schade aan de hersenen deze belangrijke neuro-protektieve cellen in het brein van M.E.(cvs)-patiënten hebben geaktiveerd.

Ander bewijsmateriaal suggereert dat Chaudhuri en Behan wel eens juist zouden kunnen zijn bij hun vaststelling dat herstellende gliose voorkomt. Gliale cellen zijn de belangrijkste bron van TGF-β (transforming growth factor beta, anti-inflammatoir cytokine, inhibeert de release van TNF-α, downreguleert microgliale cytotoxiciteit), dat verhoogd is in serum van M.E.(cvs)-patiënten. Er blijkt ook een effekt van inspanning op serum TGF-beta… [Peterson et. al. 1994, Bennett et. al. 1997, Kennedy et. al. 2004]. TGF-β aktiviteit blijkt in de hersenen dus betrokken te zijn bij (bescherming tegen) neuro-degeneratie [Borlongan et. al. 2001].

Astrocyten maken ook deel uit van de cellen in de hersenen die helpen de bloed-hersen-barrière en de uitwisseling tussen de extracellulaire ruimten in de hersenen en de bloed-capillairen regelen. Zo bepalen ze mee welke stoffen in de hersenen worden toeglaten of niet. Deze eigenschap wordt algemeen gezien als een mechanisme voor het beschermen van de hersenen tegen ongewenste substanties die in het bloed circuleren.

In Zweden bestuderen de researchers Elisabeth Hansson en Lars Rönnbäck van het ‘Institute of Clinical Neuroscience’ (Göteborg) al enkele jaren gliale cellen. Ze stelden een hypothese op waarbij kan worden afgeleid dat ze mogelijks betrokken zijn bij M.E.(cvs). We weten van geen concrete studies in de internationale research-literatuur noch op M.E.-conferenties. De vraag werd (tot op heden zonder antwoord – misschien willen ze hier in stilte aan verder werken) voorgelegd aan deze onderzoekers. Ondertussen volgt hier – om te beginnen – een overzicht van relevante artikels…

FASEB J. 2003 Mar;17(3):341-8

Glial neuronal signaling in the central nervous system

Hansson E, Rönnbäck L

Glia-cellen staan bekend extensief te inter-ageren met neuronale elementen in de hersenen, waarbij ze hun aktiviteit beïnvloeden. Astrocyten verbonden met synapsen integreren neuronale input en geven transmitters af die synaptische gevoeligheid moduleren. Glia-cellen nemen deel aan de vorming en het in heropbouwen van synapsen, en spelen een prominente rol in de bescherming en het herstel van zenuw-weefsel na beschadiging. Opdat glia-cellen aktief zouden deelnemen aan plastische veranderingen bij fysiologische veranderingen en pathologische stoornissen, is uitgebreide specifieke signalisering vereist, zowel binnen enkelvoudige cellen als tussen cellen. De voorbije jaren heeft intensieve research geleid tot onze eerste inzichten i.v.m. deze signalisering. We weten dat er aktieve verbindingen bestaan tussen astrocyten onder de vorm van netwerken die Ca²⁺- en ATP-signalisering bevorderen; we weten ook dat er intense signalisering plaatsvindt tussen astrocyten, microglia, oligodendrocyten en neuronen, met een serie molekulen die fungeren als signalisering-substanties. De cellen moeten funktioneel geïntegreerd zijn om de enorme dynamieken van en capaciteit voor reconstructie in het zenuwstelsel te vergemakkelijken. In dit artikel, vatten we basis-gegevens over gliale neuronale signalisering samen om inzicht te verstrekken in synaptische modulatie en reconstructie in fysiologie en bescherming en herstel na beschadiging.

Journal of Neuroinflammation 2004, 1:22

On the potential role of glutamate transport in mental fatigue

Lars Rönnbäck and Elisabeth Hansson

Mentale vermoeidheid, met verminderde concentratie-capaciteit, is gebruikelijk bij neuro-inflammatoire en neurodegeneratieve ziekten, en gaan dikwijls vooraf aan andere belangrijke mentale of fysieke neurologische symptomen. Mentale vermoeidheid maakt revalidatie moeilijker na beroerte, hersen-trauma, meningitis of encefalitis. Aangezien bij deze aandoeningen verhoogde waarden aan pro-inflammatoire cytokinen worden gerapporteerd, wilden we onderzoeken of pro-inflammatoire cytokinen mentale vermoeidheid kunnen induceren of niet en zo ja, via welke mechanismen.

Het is goed bekend dat pro-inflammatoire cytokinen stijgen bij depressie, ‘ziekte-gedrag’ [zie o.a. ‘Identifikatie en behandeling van symptomen geassocieerd met inflammatie’] en slaap-deprivatie; welke aandoeningen zijn die worden geassocieerd met mentale vermoeidheid. Bovendien werd een invloed van specifieke pro-inflammatoire cytokinen, zoals interleukine (IL)-1, op leer- en geheugen-capaciteiten geobserveerd in verscheidene experimentele systemen. Aangezien glutamaat-signalisering cruciaal is voor opname van en informatie-verwerking in de hersenen, en wegens de centrale rol van glutamaat in het hersen-metabolisme, zouden dynamische veranderingen in de glutamaat-transmissie van pathofysiologisch belang kunnen zijn bij mentale vermoeidheid. Gebaseerd op deze literatuur en waarnemingen in ons eigen laboratorium en dat van anderen, aangaande de rol van astroglia-cellen bij de fijnregeling van glutamaat-neurotransmissie, stellen we de hypothese voor dat de pro-inflammatoire cytokinen tumor necrose factor-α, IL-1ß en IL-6 zouden kunnen betrokken zijn bij de pathofysiologie van mentale vermoeidheid door hun vermogen de opruiming van extracellulair glutamaat door astroglia te verminderen, hun desintegratie van de bloed-hersen-barrière, en effekten op astroglia-metabolisme en metabole toevoer voor de neuronen, waardoor glutamaat-overdracht vermindert. Om te testen of onze hypothese valabel is of niet, zouden beeldvormingstechnieken van de hersenen moet worden toegepast met de capaciteit de extracellulaire concentraties van glutamaat en kalium (K⁺), in de tijd en bij oplopende cognitieve belasting, te registreren bij mensen die lijden onder mentale vermoeidheid. Dit is (nog) niet mogelijk omwille van technische redenen. Daarom is meer kennis van neuronale-gliale signalisering in dier-experimenten en in vitro systemen belangrijk.

Samengevat: we geven een hypothetische verklaring voor een algemeen neurobiologisch mechanisme, op cellulair niveau, achter één van de meest voorkomende symptomen tijdens neuro-inflammatie en andere langdurige aandoeningen van de hersen-funktie. Het begrijpen van de pathofysiologische mechanismen voor mentale vermoeidheid zou kunnen leiden tot een betere behandeling.

Neurochem Res. 2004 May;29(5):989-96

Altered neuronal-glial signaling in glutamatergic transmission as a unifying mechanism in chronic pain and mental fatigue

Hansson E, Rönnbäck L

Resultaten van experimenten hebben een gliale aktivatie aangetoond bij langdurige pijn die cytokinen, vrije zuurstof radikalen, stikstof-oxide en andere neuro-aktieve substanties produceert en afgeeft in de dorsale hoornen van het ruggemerg. Een dergelijke aktivatie zou een vicieuze cirkel kunnen genereren door het verhogen van het neuronale exciterbaarheid-niveau te wijten aan een verlaagde glutamaat-opname door de astroglia en daardoor pijn-signalen versterken die zich verplaatsen naar de thalamus en verder naar de parietale cortex voor identificatie en interpretatie. In dit artikel, passen we nieuwe kennis toe op neuronale-gliale signalisering in het CZS om voorlopige verklaringen op cellulair niveau te ontwikkelen voor het onderhouden van pijn-signalen in de hersenen, voor vorming van ‘pijn-geheugen’ en zelfs voor de verhoogde pijn-gevoeligheid die personen met chronische pijn dikwijls ervaren in lichamelijke gebieden buiten deze die oorspronkelijk waren aangetast. We suggereren ook een hypothetisch mechanisme op cellulair niveau onderliggend aan de mentale vermoeidheid waaraan personen met chronische pijn kunnen lijden. Deze hypothese steunt op de verstoorde glutamaat-opname capaciteit van astroglia te wijten aan de produktie van neuro-aktieve substanties, veranderde condities van de chronische pijn, en de angst- en stress-reakties die secundair aan pijn kunnen voorkomen. Neuronale aktiviteit bij dysfunktie van het astroglia-netwerk leidt na verloop van tijd tot een stijging van extracellulaire glutaamat-waarden in de nabijheid van glutamaat-synapsen. Op zijn beurt leidt deze stijging na verloop van tijd tot minder precisie in glutamaat-transmissie. De verhoogde extracellulaire glutamaat-waarden leiden tot verhoogde exciteerbaarheid en verhoogde energie-behoeften. Als de cellulaire energie daalt, vermindert de glutamaat-overdracht en, volgens onze hypothese, is dit één oorzaak van mental vermoeidheid. Nieuwe strategieën voor behandeling van chronische pijn en de daaraan verbonden mentale vermoeidheid worden geformuleerd en zouden moeten worden onderzocht.

J Neurochem. 2005 Jun;93(5):1327-33

Lactate induces tumour necrosis factor-alpha, interleukin-6 and interleukin-1beta release in microglial- and astroglial-enriched primary cultures

Andersson AK, Rönnbäck L, Hansson E

Hyper-ammonemie heeft schadelijke effekten op het CZS bij patiënten met lever-dysfunktie. Cellulaire mechanismen aan de basis van de effekten van hyper-ammonemie zijn grotendeels onbekend, hoewel astrocyten het overgrote deel van de aandacht kregen. Deze studie onderzocht hoe behandeling met NH₄Cl en lactaat, die ten gevolge hyper-ammonemie steigen in de hersenen, cellen in primaire rat culturen verrijkt aan óf astrocyten óf microglia beïnvloeden. Morfologische veranderingen werden bestudeerd d.m.v. licht-microscopie. Afgifte van de pro-inflammatoire cytokinen tumor necrose factor-alfa (TNF-alfa), interleukine (IL)-6 en IL-1beta werd gemeten d.m.v. ELISA. NH₄Cl induceerde, zo bleek, vacuole-vorming in beide cultuur-systemen. Lactaat-behandeling veranderde het uitzicht van astrocyten, wat resulteerde in een grotere ruimte tussen individuele cellen. Microglia namen een ronde morfologie aan bij NH₄Cl- of lactaat-behandeling. Lactaat, maar niet NH₄Cl, induceerde release van TNF-alfa en IL-6 in astroglia- en microglia-aangerijkte culturen, terwijl IL-1beta enkel werd afgegeven in microglia culturen. Cytokine-release was hoger in de microglia- dan in de astroglia-aangerijkte culturen. Daarenboven gaven de astroglia-aangerijkte culturen met ca. 10% microglia-cellen meer cytokinen af dan culturen met ongeveer 5% microglia-cellen. Alles te samen suggereren onze gegevens dat de meeste TNF-alfa, IL-6 en IL-1beta release van microglia komt. Dus: microglia kunnen een belangrijke rol spelen in het pathologisch proces van hyper-ammonemie.

[zie ‘Lactaat in Ventriculair Cerebrospinaal Vocht is verhoogd bij CVS’]

Eur J Neurosci. 2006 Aug;24(4):1063-70

Microglial glutamate uptake is coupled to glutathione synthesis and glutamate release

Persson M, Sandberg M, Hansson E, Rönnbäck L

De fysiologische funktie van microglia glutamaat-opname staat ter discussie aangezien deze ongeveer 10% is van die gemeten bij astrocyten. Deze studie richt zich op hoe glutamaat, opgenomen uit de extracellulaire ruimte, wordt gebruikt door microglia. Er werd gevonden dat aangerijkte rat microglia die 60 min. werden geïncubeerd met ³H-glutamaat een verhoogde intracellulaire accumulatie van ³H-glutamaat hadden na 12 h incubatie met tumor necrose factor alfa (TNF-alfa) maar niet na incubatie met lipopolysaccharide (LPS). Verder vertoonden LPS maar niet TNF-alfa behandelde cellen een gestegen afgifte van ³H-gelabelde componenten; glutamaat – via het X_c^-systeem [glutamaat ⁄ cystine uitwisselaar; kan bijdragen aan excitotoxiciteit en neuronale sterfte door afgifte van glutamaat] en behandeling met LPS of TNF-alfa – verhoogde waarschijnlijk de microglia glutathion-concentraties en leidde tot een gestegen incorporatie van ³H-glutamaat in glutathion. Afhankelijk van de stimuli, werd 3-6% van de totale gelabelde inhoud gevonden onder de vorm van glutathion en 25-35% onder de vorm van glutamaat. Deze resultaten tonen aan dat glutamaat-opname door microglia direct gekoppeld is met glutathion-synthese en release van glutamaat en/of glutamaat-metabolieten. Bovendien waren de verhoogde glutathion-inhoud na LPS of TNF-alfa behandeling in staat om microglia cel-dood te verminderen na H₂O₂, wat een potentieel (zelf)-beschermende funktie voor microglia glutamaat-transporter expressie en glutathion-synthese aantoont.

Nat Rev Neurosci. 2006 Jan;7(1):41-53

Astrocyte-endothelial interactions at the blood-brain barrier

Abbott NJ, Rönnbäck L, Hansson E

De bloed-hersen-barrière, die wordt gevormd door de endotheliale cellen die cerebrale micro-vaatjes omzomen, heeft een belangrijke rol bij het in stand houden van een precies gereguleerd micro-milieu voor betrouwbare neuronale signalisering. Er is grote interesse voor het verband tussen cerebrale micro-vaatjes, astrocyten en neuronen om funktionele ‘neurovasculaire units’ te vormen en recente studies hebben het belang van hersen endotheliale cellen in deze modulaire organisatie beklemtoond. Hier exploreren we specifieke interakties tussen het brein-endothelium, astrocyten en neuronen die mogelijks de funktie van de bloed-hersen-barrière reguleren. Het begrijpen van hoe deze interakties zijn verstoord in pathologische aandoeningen zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe beschermende en herstellende behandelingen.

Läkartidningen (104) 14-15:1137-42, 2007

Disturbed glutamate-regulation can explain inadequate information-filtrering

‘tired in the brain’ – invisible disabilities that can give big problems

Rönnbäck L, Persson M, Olsson T

Cognitieve stoornissen met verminderde concentratie-capaciteit en mentale vermoeidheid maken revalidatie na beroerte, hersen-trauma, meningitis of neuro-inflammatie moeilijk, en hinderen dikwijls de terugkeer naar het werk. Volgens onze hypothese is downregulering van het glutamaat-transporter eiwit GLT-1 in de hippocampus en cerebrale cortex een pathogene factor onderliggend aan mentale vermoeidheid. Glutamaat is een belangrijke signaal-molekule voor het opnemen en verwerkenvan informatie in de hersenen. Het GLT-1 proteïne, gelokaliseerd in astrocyten en, na aktivatie, ook microglia-cellen, wordt beschouwd sleutelrollen te spelen bij de regulering van extracellulair glutamaat. Een kleine verstoring van de astroglia regulering van extracellulair glutamaat zou kunnen leiden tot plaatselijke microglia-aktivatie met produktie van pro-inflammatoire cytokinen, zwelling van astrocyten en, te wijten aan die zwelling, kleinere extracellulaire ruimte. Bij een dergelijke toestand is er en daling van de glutamaat-release en de neuronale transmissie. We stellen voor dat deze verminderde transmissie een factor op cellulair niveau zou kunnen zijn bij de mentale uitputting die de persoon kan ervaren. Farmacologische behandeling treatment, wellicht met glia-cellen als doelwit, zou de dysfunktie in de glutamaat-transmissie kunnen herstellen en er voor zorgen dat de persoon minder vatbaar is voor pathologische mentale vermoeidheid.

Neurochem Res (2009) 34:556-565

Lactate Contributes to Ammonia-Mediated Astroglial Dysfunction During Hyperammonemia

Anna K. Andersson, Louise Adermark, Mikael Persson, Anna Westerlund, Torsten Olsson, Elisabeth Hansson

Hoewel ammoniak wordt verondersteld aan de basis te liggen van dysfunktie-ymptomen van het zenuwstelsel tijdens hyper-ammonemie, zou lactaat, dat stijgt als metabool gevolgd van verhoogde ammoniak-waarden, ook een bijdragende factor kunnen zijn. De gegevens die hier worden voorgesteld tonen dat NH₄Cl (5 mM) tussenkomt bij de zwelling van astrogliale cellen en dat behandeling met NH₄Cl of lactaat (25 mM) herschikkingen van actine-filamenten veroorzaakt en de capaciteit van astrogliale glutamaat-opname reduceert. Samen met BaCl₂, dat astrogliale opname van NH₄⁺ blokkeert, voorkomt NH₄Cl-gemedieerde cel-zwelling en herschikking van actine-filamenten, maar verminderen ze de inhibitie van NH₄Cl-geïnduceerde glutamaat-opname capaciteit. Noch NH₄Cl noch lactaat beïnvloeden glutamaat-opname of proteïne-expressie in microglia-culturen, wat er op wijst dat astroglia-cellen meer vatbaar zijn voor de neurotoxische invloeden van ammoniak. Onze resultaten suggereren dat ammoniak aan de basis ligt van hersen-oedeem maar dat lactaat kan bijdragen tot enkele van de cellulaire dysfunkties verbonden met gestegen waarden van ammoniak in de hersenen.

To be continued…

Metabole veranderingen in spieren en hersenen bij CVS

Verminderde oxidatieve capaciteit in de spieren en verhoogd choline in hersen-gebieden…

Een ietwat ouder maar goed overzicht-artikel door twee gerenommeerde M.E.-specialisten (de neurlogen Prof. Peter Behan & Dr Abhijit Chaudhuri) over metabole veranderingen in spieren en hersenen.

N.B.

Spieren * aanwijzingen een verminderde beschikbaarheid van ATP en gestoord energie-metabolisme

Brein * de link met gliale cellen waar we het elders reeds over hadden en nog zullen hebben…

Speculatie:

hersenbeschadiging => aktivatie gliale cellen => cytokinen => communicatie perifere – hersen- immuniteit ?????

Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 2004 Sep;71(3):181-3

In vivo magnetic resonance spectroscopy in Chronic Fatigue Syndrome

Chaudhuri A, Behan PO

Division of Clinical Neurosciences, Institute of Neurological Sciences, Southern General Hospital, University of Glasgow

1. Inleiding

[…]

Magnetische resonantie spectroscopie (MRS) is een niet-invasieve beeldvormingstechniek die kan worden toegepast om metabole veranderingen in spieren en in het brein in vivo te bestuderen. ³¹P MRS wordt aangewend om spieren bij inspanning van CVS-patiënten te bestuderen. ¹H MRS van hersen-gebieden die van belang zijn werden zorgvuldig onderzocht bij goed gedefinieerde CVS-patiënten. Dit artikel heft een kort overzicht van MR spectroscopische gegevens bij CVS en de implicaties van deze waarnemingen of met betrekking tot het ziekte-mechanisme en mogelijke behandeling.

[Conventionele magnetische resonantie beeldvorming verstrekt hoofdzakelijk anatomische informatie, terwijl in magnetische resonantie spectroscopie (MRS) metabolieten die slechts in een lage concentratie in weefsel voorkomen worden gemeten. Het unieke voordeel van MRS is dat het niet-invasief en onschadelijk is voor de proef-persoon. Er werd aangetoond dat er tijdens diverse ziekten zoals kanker, hersen-infarct, epilepsie, multipele sclerose biochemische, enz. veranderingen plaatsvinden die zich manifesteren als variaties in de concentraties van bepaalde metabolieten. ³¹P en ¹H zijn enkele van de mogelijke radioaktieve isotopen die kunnen worden gedetekteerd.]

2. MRS van skelet-spieren bij CVS

Eerdere MRS-studies bij patiënten met CVS concentreerden zich op de skelet-spieren omwille van de opinie van de researchers dat pijn en vermoeidheid bij CVS grotendeels een myopathie weerspiegelden. ³¹P MRS is een excellente methode voor het continu, in vivo, monitoren van het intracellulair energie-metabolisme in skelet-spieren. MRS-studies van skelet-spieren hebben een significante vermindering qua inspanningscapaciteit bij CVS aangetoond, vergezeld door bovenmatig vroege intracellulaire verzuring. Het eerste positieve rapport [D.L. Arnold, P.J. Bore, G.K. Radda, P. Styles, D.J. Taylor, Excessive intracellular acidosis of skeletal muscles in exercise in a patient with a post-viral exhaustion fatigue syndrome, Lancet (1984) 1367-1369] van een geval van CVS werd gevolgd door werk van dezelfde groep die gelijkaardige kenmerken aantoonde in vijf van de zes gevallen [D.L. Arnold, P.J. Bore, G.K. Radda, P. Styles, D.J. Taylor, Excessive intracellular acidosis of skeletal muscle on exercise in the post-viral exhaustion/fatigue syndrome: a ³¹P NMR study, Proceedings of the Third Annual Meeting of the Society for Magnetic Resonance in Medicine, New York, 1984, pp. 12-13] en dan, later, hadden 12 van 46 patiënten abnormaal gereduceerde fosfocreatine (PCr): adenosine-trifosfaat (ATP) verhoudingen en hoger adenosine-difosfaat (ADP) na inspanning bij ³¹P MRS van hun skelet-spieren [P.R.J. Barnes, D.J. Taylor, G.J. Kemp, G.K. Radda, Skeletal muscle bio-energetics in the Chronic Fatigue Syndrome, J. Neurol. Neurosurg. Psychiat. 56 (1993) 679-683]. [Fosfocreatine of creatine-fosfaat is een gefosforyleerde creatine-molekule die een belangrijke energie-voorraad in skelet-spieren en in de hersenen vertegenwoordigt. Het wordt aangewend om anaëroob ATP te regenereren uit ADP.] Andere onderzoekers hebben ook bevestigd dat patiënten met CVS relatief gedaalde ATP-concentraties in hun werkende spieren hebben. Een significante daling van het aëorob metabolisme werd genoteerd bij PCr recovery in de spieren tijdens inspanning [R. Wong, G. Lopsachuk, G. Zhu et al., Skeletal muscle metabolism in Chronic Fatigue Syndrome. In vivo assessment by ³¹P nuclear magnetic resonance spectroscopy, Chest 102 (1992) 1716-1722]. Een andere studie vergeleek 22 CVS-patiënten met normale sedentaire individuen vóór en 2 dagen na een maximale loopband test [K.K. McCully, B.H. Natelson, S. Iotti, S. Sisto, J.S. Leigh Jr., Reduced oxidative muscle-metabolism in Chronic Fatigue Syndrome, Muscle Nerve 19 (1996) 621-625]. De oxidatieve capaciteit van de spieren werd met ³¹P MRS gemeten als de maximale hoeveelheid PCr her-synthese na inspanning in kuit-spieren. De oxidatieve capaciteit (maximale hoeveelheid ATP-synthese) was significant verminderd bij CVS-patiënten, in tegenstelling tot controles. Er werden echter geen verdere veranderingen gezien tijdens de periode na inspanning. De metabole abnormaliteiten gebruikelijk bij dergelijke observaties zijn een verminderde beschikbaarheid aan ATP in de spieren, waarschijnlijk door een versnelde afbraak naar ADP.

Een sub-groep CVS-patiënten bleek consistent een overmaat aan lactaat te produceren na sub-anaërobe inspanning [R.J.M. Lane, D. Woodrow, L.C. Archard, Lactate-responses to exercise in Chronic Fatigue Syndrome, J. Neurol. Neurosurg. Psychiat. 57 (1994) 375-376]. Gegevens van MRS van spieren wijzen er op dat bij CVS-patiënten die een abnormale lactaat-respons hebben na sub-anaërobe inspanning, er mogelijks een metabole component bij hun spier-vermoeidheid is [R.J.M. Lane, M.C. Barnett, D.J. Taylor, G.J. Kemp, R. Lodi, Heterogeneity in Chronic Fatigue Syndrome: evidence from magnetic resonance spectroscopy of muscle, Neuromuscular Disord. 8 (1998) 204-209].

3. MRS in syndrome X and CFS

[…]

4. MRS van hersen-gebieden bij CVS

Er werd gerapporteerd dat ¹H MRS bij zeven CVS-patiënten toonde dat de waarden van of N-acetyl aspartaat (NAA) [zie ook ‘CVS en het Centraal Zenuwstelsel’] in de rechter hippocampus waren gedaald [J.C.W. Brooks, N. Roberts, G. Whitehouse, T. Majeed, Proton magnetic resonance spectroscopy and morphometry of hippocampus in Chronic Fatigue Syndrome, Br. J. Radiol. 73 (2000) 1206-1208]. In een studie met ¹H MRS bij acht CVS-patiënten zonder psychiatrische symptomen werd een relatieve stijging van de choline (Cho): creatine (Cr) verhouding geobserveerd in de occipitale cortex en dit met hoge statistische significantie [B.K. Puri, S.J. Counsell, R. Zaman et al., Relative increase in choline in the occipital cortex in Chronic Fatigue Syndrome, Acta. Psychiatr. Scand. 106 (2002) 224-226]. Gelijkaardig was de observatie dat de choline-resonantie verhoogd was bij ¹H MRS van de linker basale ganglia bij acht volwassen CVS-patiënten zonder psychiatrische co-morbiditeit. Of er water of andere metabolieten als referentie werd gebruikt: de piek van de choline-bevattende stoffen in de basale ganglia vertoonde significante stijgingen in de CVS-groep vergeleken met de gezonde controles. De statistische kracht van deze associatie was extreem hoog (P<0.001) [A. Chaudhuri, B.R. Condon, J.W. Gow, D. Brennan, D.M. Hadley, Proton magnetic resonance spectroscopy of basal ganglia in Chronic Fatigue Syndrome, Neuroreport 14 (2003) 225-228]. In de enige ¹H MRS studie bij pediatrische CVS (11-13 jaar) werd ook een beduidende verhoging van de Cho:Cr ratio geobserveerd in de basale ganglia [A. Tomoda, T. Miike, E. Yamada et al., Chronic Fatigue Syndrome in childhood, Brain Dev. 22 (2000) 60-64]. Geen enkele van de bestudeerde gevallen vertoonde focale strukturele abnormaliteiten in de hersenen via MRI.

¹H MRS is een relatief nieuw instrument voor de beeldvorming van metabole hersen-funktie. NAA-waarden correleren met de regionale neuronale funktie, terwijl Cr over het algemeen wordt beschouwd als een constante metabole merker, wat de reden is voor zijn gebruik als referentie bij ¹H MRS. De Cho piek is grotendeels afgeleid van de cel-membraan fosfolipiden (fosfatidylcholine en fosfoglycerylcholine) door fosfolipasen in een door ATP aangestuurde enzymatische reaktie. In afwezigheid van inflammatie en weefsel-necrose, wordt gestegen Cho resonantie beschouwd als een merker voor verhoogde cel-membraan turn-over verbonden met gliosis [A. Brand, C. Reichter-Landsberg, D. Leibfritz, Multinuclear NMR studies on the energy-metabolism of glial and neuronal cells, Dev. Neurosci. 15 (1993) 289-298] of veranderde intra-membraan signalisering [C.M. Moore, J.L. Breeze, S.A. Gruber et al., Choline, myoinositol and mood in bipolar disorder: a proton magnetic resonance spectroscopic imaging study of the anterior cingulated cortex, Bipolar Disord. 2 (2000) 207-216].

[Gliosis is een proliferatie van astrocyten - ze ondergaan hypertrofie en hyperplasie - in beschadigde gebieden van het CZS (CNS). Dit leidt gewoonlijk tot de vorming van een gliaal litteken. Dit is het meest belangrijke histopathologisch teken van CZS-letsel. Het gliaal litteken is het mechanisme ter bescherming en voor het starten van het herstel-/genezingsproces van het zenuwstelsel. Er is groeiend bewijs voor een nuttige rol voor dit litteken-weefsel als onderdeel van de endogene lokale immuun-regulatie. Het onderdrukt verdere fysieke schade maar er worden door de cellen binnen het litteken echter veel inhibitor-molekulen gesecreteerd die de axonale groei, en een compleet fysiek en funktioneel herstel verhinderen.

Willis CL, Davis TP. ‘Chronic inflammatory pain and the neurovascular unit: a central role for glia in maintaining BBB integrity?’ Curr Pharm Des. 2008;14(16):1625-43:

Pijn is een complex fenomeen waarbij een perifere aangeboren immuun-respons én een CZS-respons is betrokken, alsook aktivatie van de HPA-as. De perifere aangeboren immuun-respons op beschadiging omvat de snelle produktie en plaatselijke afgifte van pro-inflammatoire cytokinen zoals TNF-alfa, interleukine-1 en IL-6. Recente studies aangaande de CZS-respons op perifere chronische inflammatoire pijn impliceren sterk een rol voor glia en lokale synthese van pro-inflammatoire cytokinen en groei-factoren. Een karakteristiek kenmerk van CZS-inflammatie is gliosis, waarbij inflammatoire mediatoren glia-cellen aktiveren (bv. astrocyten en microglia, macrofagen en leukocyten) waarvan werd aangetoond dat ze hyperalgesie induceren en in stand houden. Daarenboven induceert inflammatoire pijn veranderingen in de doorlaatbaarheid van de bloed-hersen-barrière (BBB) en verandert het transport naar de hersenen van klinisch relevante medicijnen die gebruikt worden om pijn te behandelen. Ondanks de groter wordende hoeveelheid bewijsmateriaal voor de betrokkenheid van glia bij chronische pijn en hun rol bij het instandhouden van de BBB, zijn er weinig studies naar gliale/endotheliale interakties en de mechanismen waarmee glia de BBB mogelijks reguleren bij inflammatoire pijn.]

5. Bespreking en besluiten

MRS studies in spieren bij CVS lijken mogelijks te wijzen op een verminderde beschikbaarheid van ATP in de weefsels; door een verhoogde ATP-afbraak of een beperkte ATP re-synthese. Verminderde benutting van ATP kan voorkomen door geaktiveerde fosfolipasen en gestegen Cho resonantie bij cerebrale ¹H MRS kan dit proces weerspiegelen. Alle neurotransmitters en groei-factoren aktiveren één of meerdere fosfolipasen. Cytokinen aktiveren ook membraan fosfolipasen en het is geen verrassing dat symptomen van vermoeidheid vergelijkbar met CVS worden ervaren door patiënten met een brede waaier aan infektueuze en inflammatoire aandoeningen. Er is verder bewijs dat een aantal virussen op een direkte manier fosfolipase-funkties kunnen beïnvloeden. Viraal membraan-glycoproteïne en viroporine [Viroporines of virale ion-kanalen zijn een groep eiwitten die participeren in verscheidene virale functies, inclusief de promotie van het afscheiden van virale deeltjes van de cel. Verhoogde membraan-permeabiliteit veroorzaakt door viroporines, glycoproteïnen en proteasen is een typisch kenmerk van bepaalde virus-infekties.] induceren veranderingen in de membraan-doorlaatbaarheid van de gastheer, wat leidt tot de aktivatie van fosfolipasen met daaropvolgende afgifte van een aantal fosfolipide-onderdelen, waaronder choline.

Fosfolipase signaal-transductie mechanismen zijn ingewikkeld en kunnen een hele reeks membraan-funkties en receptor-gevoeligheid van de cellen aantasten. Tijdens het proces van fosfolipiden signaal-transductie waabij de fosfolipasen tussenkomen, worden veel belangrijke molekulen met diverse effekten op de cel-funktie vrijgegeven. Het werd reeds voorgesteld dat CVS-symptomen gerelateerd kunnen zijn met veranderde ion-kanaal funktie [A. Chaudhuri, W.S. Watson, J. Pearn, P.O. Behan, Symptoms of Chronic Fatigue Syndrome are due to abnormal ion-channel function, Med. Hypotheses 54 (2000) 59-63] en ¹H MRS studies suggereren dat het neuronaal fosfolipiden-metabolisme een belanrijke rol kan spelen bij CVS. Op het niveau van de spieren zal de verminderde beschikbaarheid van ATP waarschijnlijk het aëroob metabolisme schaden en de inspanningstolerantie beperken. Dit wordt ondersteund door een abnormale lactaat-respons op inspanning wat een gestoord energie-metabolisme in de spieren reflekteert in een deel van de CVS-patiënten. […].

Verhoogde choline-resonantie bij ¹H MRS van basale ganglia en de occipitale cortex kan een klinische diagnose van CVS en differentiatie met andere aandoeningen met chronische vermoeidheid ondersteunen. Er wordt echter niet enkel bepleit dat het nodig is om grotere studies te ondernemen maar ook om resultaten te vergelijken met patiënten met depressie vooraleer ¹H MRS kan worden aanbevolen voor klinisch gebruik bij CVS-patiënten. ³¹P MRS van spieren en ¹H MRS hersen-gebieden van kan ook potentieel hebben om te worden gebruikt als waarnemer-onafhankelijke uitkomst-metingen bij interventionele studies van CVS. Als oxidatieve stress wordt beschouwd als het uiteindelijk gemeenschappelijke mechanisme voor verhoogde fosfolipase-aktiviteit en gedaald ATP leidend tot vermoeidheid, dan zou het redelijk zijn therapeutische strategieën aan te wenden om dit proces te beheersen. Anti-oxidantia, inclusief ‘highly unsaturated fatty acids’ (HUFA) [hoog-onverzadigde vetzuren], zijn opties die met goede reden kunnen worden gebruikt bij CVS totdat meer specifieke kennis omtrent de neurobiologie en het cellulair mechanisme van deze complexe aandoening aan het licht komt. De bruikbaarheid van eender welk biologisch model hangt van het feit of het leidt tot een effektieve behandeling of niet. Het is noodzakelijk degelijk ontworpen therapeutische testen bij CVS te overwegen met objectieve merkers zoals ¹H MRS van bepaalde hersen-gebieden.

Chronische microglia aktivatie na overmatige immuun-stimulatie

Het ‘review’-artikel dat volgt heeft niet direct met M.E.(cvs) te maken. Het begint er echter steeds meer op te lijken dat M.E.(cvs) een chronische inflammatoire toestand van de hersenen impliceert, die werd ‘vertaald’ vanuit de periferie nadat de initiële ‘boosdoener’ is verdwenen. Deze ‘vertaling’ zou kunnen gebeuren via cytokinen en microglia. Het onderstaand stuk beschrijft hoe dit zou kunnen gebeuren bij het Golfoorlog Syndroom – verwant aan M.E.(cvs) – en autisme…

Het blijft voorlopig allemaal hypothetisch en zal door sommigen als controversieel worden bestempeld. Toch geven we het hier mee 1) omdat vaccinaties door M.E.(cvs)-patiënten zeer dikwijls worden aangeduid als aanzet voor hun ziekte maar vooral 2) om eventueel een aanzet te geven voor denkpistes in de richting van een rol voor microglia in de pathofysiologie van M.E.(cvs).

Journal of American Physicians and Surgeons Volume 9 Number 2 Summer 2004 (46-51)

Chronic Microglial Activation and Excitotoxicity Secondary to Excessive Immune Stimulation: Possible Factors in Gulf War Syndrome and Autism

Russell L. Blaylock, M.D.

[Een gepensioneerd neurochirurg; nu ‘President of Advanced Nutritional Research’ (Jackson, Mississipi)]

SAMENVATTING

Er is aanzienlijk en groeiend bewijs dat chronische microglia [zie ‘ Cytokine polymorfismen & respons op infektie’] aktivatie een belangrijke rol speelt bij talrijke neurologische aandoeningen inclusief Alzheimer’s dementie, ziekte van Parkinson, ALS [Amyotrofische Lateraal Sclerose of Ziekte van Lou Gehrig], beroerte en inflammatoire hersen-ziekten. De release van toxische elementen door geaktiveerde microglia, zoals cytokinen en excitotoxinen, is gekend voor het voortbrengen van neuro-degeneratie. Er werd aangetoond dat perifere immuun-stimulatie microglia in het centraal zenuwstelsel [CZS] aktiveren, en bij overmaat kan dit leiden tot neuro-degeneratie en cognitieve defekten, zoals deze die gebruikelijk geassocieerd zijn met ‘Gulf War’ Syndroom (GWS) en autisme. Dit artikel vat het mechanisme samen dat deze twee aandoeningen verbindt met overmatige immuun-stimulatie secundair aan over-vaccinatie.

Klinische Kenmerken van ‘Gulf War’ Syndroom en Autisme

[…]

In menig opzicht lijken gedragsproblemen geassocieerd met dit syndroom [GWS] op ‘astheno-emotional disorder’ [neuropsychiatrische aandoening; asthenie = veralgemeende lichaamszwakte, krachteloosheid], die wordt gekenmerkt door vermoeidheid bij langdurige mentale aktiviteit, stress-intolerantie, verminderde concentratie en korte-termijn geheugen, hoofdpijn bij mentale verwerking, prikkelbaarheid en gevoeligheid voor geluid en licht. Het anatomisch substraat voor dit syndroom – toegeschreven aan de hippocampus [gelegen aan de binnenzijde van de slaapkwab, deel van het limbisch systeem], limbische verbindingen [limbisch- systeem = hersen-strukturen betrokken bij emotie, motivatie, genot, geheugen, informatie-verwerking, stress,…; omvat naast de hippocampus o.a. ook de hypothalamus en de amygdala], temporale kwabben en delen van de frontale kwabben – overlapt met degenen die het meest beschadigd zijn door neuro-inflammatie en begeleidende excitotoxiciteit.

In het geval van autisme liep de significante en onverklaarde stijging beginnend in de jaren-80 parallel met de introduktie van een schare nieuwe vaccins: hoewel vaccinatie-authoriteiten een oorzakelijk verband niet aanvaarden. Bij de neurologische dysfunktie die wordt gezien bij autisme en de aandoeningen van het autisme-spectrum, net als die bij GWS, zijn de limbische connecties betrokken. Door de snelle ontwikkeling van de hersenen van het kind en de onrijpheid van verscheidene biochemische systemen, worden symptomen bij het autistisch kind gezien die niet zouden worden verwacht bij volwassenen (echolalia [letterlijk herhalen van woorden en zinnen zonder ze volledig te begrijpen], ongepast lachen en giechelen, en verschillende taal-gerelateerde symptomen. Zoals bij GWS, wordt significante immuun-dysfunktie waargenomen bij autisme-gevallen.

Het Effekt van Immuun-Stimulatie op het Centraal Zenuw Stelsel

Er is meer en meer bewijs dat over-stimulatie van het immuunsysteem kan leiden tot schadelijke effekten op de werking van het zenuwstelsel, inclusief neurodegeneratie. Terwijl de meeste mensen zich er van bewust zijn dat auto-immuniteit kan voorkomen wanneer componenten van het zenuwstelsel betrokken zijn bij immuun-reakties – bv. bij post-vaccinale encefalitis en sub-acute scleroserende panencefalitis [blijvende beschadiging van het brein na een hersen-ontsteking] – weten weinigen van chronische neurodegeneratie zónder auto-immuniteit. Recent bewijs wijst er op dat verschillende reakties kunnen voorkomen die mogelijks van belang zijn, niet enkel bij aandoeningen van het autisme-spectrum en GWS, maar ook bij neuro-trauma, ischemie [zuurstof-tekort] en verscheidene neurodegeneratieve ziekten.

McGeer en co [Local neuro-inflammation and the progression of Alzheimer’s disease. J Neurovirol 2002;8:529-538] hebben een immuun-proces gedefinieerd waarbij niet auto-immuniteit is betrokken, maar eerder een niet-specifieke immunologische vernietiging van neuronen, neurieten [zenuw-uitlopers] en synaptische verbindingen [synaps = spleet tussen zenuwecellen waar de ‘boodschap’ wordt doorgegeven], genaamd auto-toxiciteit. Bij dit proces kunnen ofwel systemische immuun-factoren (cytokinen) of lokale immuun-factoren zoals ß-amyloïd [eiwit waarvan de onoplosbare vorm zich bij Alzheimer tussen de hersencellen ophoopt als ‘plaques’] of virale componenten, het immuunsysteem van het brein stimuleren via aktivatie van astrocyten en microglia. In beide gevallen worden complement, cytokinen, reaktieve zuurtsof- en stikstof-species, cellulaire immuun-componenten, proteasen, adhesie-molekulen, excitotoxinen, arachidonzuur en andere chemokinen afgegeven. Deze toxische stoffen veroorzaken ‘bystander injury’ [schade aan omstaanders] aan de omliggende normale neurale elementen.

De Rol van de Microglia

Het immuunsysteem van het centraal zenuwstelsel wordt gecontroleerd door de microglia, een diffuse groep van normaal-gezien rustende cellen die zich bij aktivatie amoeboïde [met dunne, sterk vertakte uitlopers] gaan manifesteren en talrijke cytokinen, chemokinen, eicosanoïden [bepaalde groep hormonen die zijn afgeleid van essentiële vetzuren; omvat prostaglandinen, leukotrieënen, tromboxanen e.a.; bepalen het ontstaan en in stand houden van ontstekingen en de daarmee gepaard gaande pijn], proteasen, complement en ten minste twee excitotoxinen secreteren. Onder de meest acute omstandigheden en tijdens neuronale ontwikkeling, kunnen de immuun-cytokinen ageren als neurotrofische substanties die de groei van neurieten beschermen en bevorderen. Bij intense aktivatie en bij chronische aktivatie kunnen deze cytokinen en andere secretoire componenten van de microglia zeer destruktief zijn.

Hoge concentraties of interleukine-1ß (IL-1ß) geïnjekteerd in de hersenen kunnen lokale inflammatie en degeneratie van neuronen veroorzaken, en zelfs lage concentraties kunnen – in aanwezigheid van ß-amyloïd, ischemie, trauma of excitotoxinen – destruktieve reakties triggeren.

De sleutel-rol van de microglia wordt aangetoond door het feit dat gemengde culturen van neuronen en microglia intense destruktie van de neuronen veroorzaken als lipopolysaccharide [een endotoxine; belangrijkse component van de celwand van Gram-negatieve bakterieën; zit soms in vaccins om de immuun-respons te verhogen] wordt toegevoegd. Dit gebeurt niet in afwezigheid van microglia.

Er werd aangetoond dat aktivatie van microglia een vroege gebeurtenis is – in experimentele modellen én in bij mensen met Parkinson en Alzheimer. Gedragsmatige veranderingen en klinische effekten komen – in geval van Alzheimer -vóór het verschijnen van amyloïde plaques en neurofibrillaire knopen. Dat deze inflammatoire processen kunnen worden verergerd door systemische aktivatie van microglia werd aangetoond in proeven met experimentele amyloid-beta (A-beta) vaccins bij vrijwillge Alzheimer-patiënten bij wie meerdere gevallen van encefalitis werden gezien.

Microglia-aktivatie als een centraal destruktief proces werd aangetoond in een groeiende lijst aandoeningen, inclusief Multipele Sclerose (MS), Alzheimer-dementie, Parkinson, Amyotrofische Lateraal Sclerose (ALS), Ziekte van Huntington, glaucoma, trauma, beroerte, virale encefalopathie, humaan immunodeficiëntie virus (HIV)-geassocieerde dementie, prion-aandoeningen [bv. Creutzfeld-Jakob of gekke-koeien-ziekte, BSE] e.a. Het is ook bekend dat IL-1ß experimentele allergische encefalitis (EAE) kan verergeren wanneer het wordt geïnjekteerd in het ruggemerg, en dat blokkage van tumor necrose factor-alfa (TNF-alfa) en IL-1ß significant de vernietiging bij EAE kunnen verminderen.

Veel dingen kunnen de microglia immuun-cytokinen aktiveren, inclusief zware metalen, aluminium, geoxidieerd LDL, amyloïd, virussen, Mycoplasma’s, bakterieën en glutamaat. Het ingangspunt op het microglia-membraan is het ‘mitogen-activated protein kinase’ (MAPK) en zijn stress-proteïne enzyme (SAPK).

Eens microglia zijn geaktiveerd, wordt ook de eicosanoïd-produktie verhoogd: primair door het cyclo-oxygenase-1 (COX-1) enzyme. Ter zelfder tijd is er een verhoogde afgifte van arachidonzuur en produktie van prostaglandine-E2, een kreachtig inflammatoir cytokine. Release van deze destruktieve elementen in de aanvalszone verspreidt naar de omliggende gebieden, wat de zogenaamde ‘bystander-damage’ veroorzaakt. De mate daarvan hangt af van de intensiteit van de microglia-aktivatie en hoe lang deze aanhoudt. In de meeste gevallen stopt de aktivatie van microglia snel, waardoor de schade aan de omliggende cellen minimaal blijft. In geval van chronische microglia-aktivatie kan ‘bystander-damage’ extensief zijn. Dat is wat lijkt te gebeuren bij autisme-aandoeningen en GWS.

Verhogingen van IL-1ß in de hersenen bleken te interfereren met ‘long-term potentiation’ [LTP, langdurige verbetering van de communicatie tussen twee neuronen, resulterend uit hun gelijktijdige stimulatie], een kritiek proces bij de ontwikkeling van het geheugen. IL-2 en IL-6 zijn ook betrokken bij veranderingen van geheugen en leren. Dit is in het bijzonder zo in stressvolle situaties, zoals bv. bij oorlogssituaties. Andere studies hebben verminderde neurogenese [ontstaan van nieuwe neuronen] van de hippocampus aangetoond met chronische verhoogd IL-6 en tumor necrose factor-alfa (TNF-alfa). Dat is van bijzonder belang bij peuters en jonge kinderen.

Microglia-aktivatie komt voor bij alle virale encephalopathieën en zelfs spongiforme encephalopathieën [sponsachtige hersenziekte zoals bij BSE]. Dit is bijzonder belangrijk, overwegende dat de persistentie van het mazelen-virus in de hersenen voorkomt bij 20 percent van de gevallen die zijn blootgesteld aan het virus. Dit is veel meer dan wat klinisch evident is. Het is zelfs niet nodig dat het virus neuronen binnenkomt, zoals bij HIV-1 dementie. In dit geval is een viraal proteïne-fragment (gp41) voldoende om hersen-microglia te aktiveren. Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) staat ook bekend brein-degeneratie te veroorzaken via hetzelfde mechanisme.

De Rol van Excitotoxiciteit

Schade aan neuronale mechanismen is niet beperkt tot directe cytokine-effekten. De excitotoxiciteit die wordt geïnitieerd door microglia-aktivatie is zelfs belangrijker. In gevallen van HIV-1 dementie, kan quinolinezuur, een excitotoxine gesecreteerd door geaktiveerde microglia, meer dan 300-voud stijgen. Daarenboven wordt glutamaat afgegeven in concentraties die bekend staan neuronen en/of synaptische vrbindingen te vernietigen.

Omdat glutamaat ook microglia kan aktiveren en cytokine-geïnduceerde neurodegenerative kan versterken, wordt een vicieuze cirkel gecreëerd waarbij immuun-cytokinen de release van glutamaat kunnen stimuleren, en glutamaat versterkt op zijn beurt de cytokine-produktie en -afgifte. Bovendien inhiberen cytokinen glutamaat-transporters die een kritische rol spelen in de verwijdering van overtollig extra-cellulair glutamaat. Nauw verbonden met excitotoxiciteit is de vorming van destruktieve vrije radikalen, in het bijzonder de reaktieve stikstof soorten zoals peroxynitriet en nitrosoperoxycarbonaat. Veel van de schade aan dendrieten, synapsen en neuronen, door cytokinen én excitotoxiciteit, wordt veroorzaakt door vrije radikalen.

De reaktieve stikstof species zijn verantwoordelijk voor nitratie van DNA-residuen, tyrosine, tryptofaan, aminen en metalloproteïnen, waarbij wijdverspreide disruptie van talrijke biochemische processen wordt veroorzaakt. Peroxynitriet speelt in het bijzonder een belangrijke rol bij de onderdrukking van mitochondriale energie-produktie. Dit interfereert niet enkel met hersen-funktie maar versterkt ook uitermate de excitotoxiciteit. Het werd aangetoond dat als de neuronale energie-voorraden uitgeput zijn, zelfs fysiologisch normale concentraties excitatorische [tegengestelde van inhibitorische] aminozuren excitotoxisch kunnen worden.

Excitotoxiciteit wordt ook ten zeerste versterkt door lage magnesium-concentraties, die werden gerapporteerd in de meeste gevallen van autisme en die frequent voorkomen in gevallen van stress, zoals bij ‘Gulf War’ veteranen. Door het verwijderen van magnesium uit een cultuur van cerebraal weefsel, wordt de excitotoxische sensitiviteit 100-voud verhoogd, net zoals bij energie-depletie. Daarenboven verhogen lage magnesium-waarden de release van inflammatoire cytokinen.

Injektie van excitotoxinen in de hersenen bleek de expressie van IL-1ß messenger-RNA en zijn proteïne te verhogen en wanneer excitotoxinen én IL-1ß via infusie in het striatum [bepaalde struktuur in het brein, van belang bij Parkinson] van de hersenen komen en bleek dat er significante vernietiging optreedt op een afstand in de cortex [hersenschors], alsook op de plaats van injektie. Deze bevinding demonstreert de uitgebreide aard van de schade veroorzaakt door combinatie van immuun-stimulatie en excitotoxiciteit; wat het effekt is van chronische microglia-aktivatie.

Een ander bijzonder destruktief produkt is 4-hydroxynonenal (4-HNE), een aldehyde lipiden-peroxidatie produkt dat overvloedig wordt gevonden in gevallen van neurodegeneratie. Interessant is dat peroxylnitriet en 4-HNE in dezelfde neuronen worden gevonden. Dit lipiden-peroxidatie produkt is bijzonder vernietigend voor synaptische verbindingen en mitochondriale enzymen, en kan significant glutamaat-transport-proteïnen inhiberen. Het wordt enkel geneutraliseerd door alfa-liponzuur, glutathion en bepaalde flavonoïden [organische verbindingen uit planten - bessen, druiven, thee, cacao; dus. ook in chocolade en rode wijn].

Stijgingen van brein-glutamaat en -aspartaat verstoren het behouden van het geheugen en beschadigen hypothalamische neuronen bij muizen (jong en volwassen). Dit kan worden verkaard door het feit dat de hippocampus en amygdala talrijke receptoren van het glutamaat-type, waarvan wordt gedacht dat ze een centrale rol spelen bij het leren en geheugen via LTP, bevatten. Daarenboven spelen hun limbische verbindingen – frontale en die van de cingularis [deel van de hersenschors], een belangrijke rol bij emotionele verwerking. Micro-injekties van excitotoxinen in het ventrale subiculum [specifiek deel] van de hippocampus verhogen bovendien locomotor-aktiviteit [beweging van een plaats naar een andere], erg vergelijkbaar met wordt gezien bij sommige autistische kinderen en ‘attention deficit hyperactivity disorder’ (ADHD). Hyper-responsiviteit op stressvolle stimuli kan worden veroorzaakt door excitotoxische schade aan de ventrale hippocampus op een zeer jonge leeftijd, iets dat zou worden verwacht in gevallen van autistische hyper-immune responsen.

Het gevolg van schade aan de synapsen, dendrieten en cel-lichamen zou verschillend zijn in ontwikkelende hersenen, in het bijzonder tijdens de periode van de groei van de hersenen (laatste trimester van de zwangerschap tot de leeftijd van twee jaar). Er werd aangetoond dat excitotoxiciteit niet enkel neurale elementen en funktie kan verstoren maar ook de ontwikkeling van hersen-netwerken kan veranderen, wat resulteert in een ‘mis-wired’ brein [met gestoorde circuits]. Bij volwassenen zou men stoornissen qua aandacht/geheugen, depressie en sociale terugtrekking met gelijkaardige letsels aan het limbisch systeem verwachten.

Neurologische en Gedragsmatige Effekten van Cytokinen

Van de beste informatie die we hebben betreffende cytokine-effeken op hersen-funktie komt van hun gebruik bij de behandeling van hepatitis- en kanker-patiënten. De effekten van deze stoffen worden onderverdeeld in acuut en chronisch. De acute effekten lijken op griep en duren één tot drie weken. Chronische effekten kunnen voorkomen bij alle dosages, toedieningswijzen en schema’s. Hogere dosissen zullen wellicht meer diepgaande en aanhoudende effekten veroorzaken.

Een groeiend aantal studies bij mensen hebben dramatische veranderingen qua leren, geheugen, aandacht en gevoelstoestand alsook waarneming en bewegingsfunkties na cytokine-behandelingen getoond. ALS-patiënten behandeld met interferon vertoonden significante verstoring van het verbaal geheugen en reken-mogelijkheden. In een andere studie bij 44 kanker-patiënten die IL-2 kregen, werd gevonden dat 71 percent die een hoge dosis kreeg milde tot ernstige gedragsveranderingen ontwikkelde, inclusief cognitieve dysfunktie. Al deze gedragsmatige symptomen verdwenen binnen de drie dagen dat de behandeling werd gestopt.

Patiënten die meer dan 1 miljoen eenheden interferon-alfa kregen, vertoonden enkele constitutionele symptomen. Chronische symptomen worden bij alle dosissen gezien maar zijn meer waarschijnlijk bij dosissen groter dan 18 tot 20 miljoen eenheden. Renault et al. verdeelden de gedragsmatige symptomen in drie categorieën: ‘organic personality syndrome’ [psychische stoornis gekenmerkt door een korte of langdurige persoonlijkheidsstoornis grotendeels te wijten aan de hersenen-dysfunctie], ‘organic affective syndrome’ [veranderingen van stemming en emoties, gewoonlijk vergezeld van veranderingen in aktiviteit, depressie, enz., maar ten gevolge een organische aandoening] en delirium [verwardheid, hallucinaties].

Eén groep symptomen is blijkbaar gelijkaardig aan die van autisme-spectrum patiënten: oncontroleerbare over-reaktie op kleine frustraties, uitgesproken prikkelbaarheid en een slecht humeur. ‘Gulf War’ veteranen vertonen gewoonlijk ‘organic affective’ symptomen zoals depressie, gevoelens van hopeloosheid en oncontroleerbare huil-buien. Verward bewustzijn, disoriëntatie, prikkelbaarheid en stemmingswisselingen gelijkaardig aan deze die worden gezien bij autisme-patiënten en ‘Gulf War’ veteranen werden ook vastgesteld. Daarenboven ontwikkelden patiënten die de interferon-alfa kregen perioden van ernstige agitatie of ze werden slechtgezind en trokken zich dikwijls terug – andere bevindingen die ze gemeenschappelijk hebben met autistische kinderen.

Psychomotorische vertraging werd gezien bij 47 tot 80 percent van de patiënten behandeld met interferon-alfa, tesamen met sociale afzondering. Cognitieve veranderingen kwamen ook voor, met een verkorte aandachtsspanne, gestoord korte-termijn geheugen en ‘hersen-mist’. Andere rapporten beschrijven patiënten die perioden van stilte vertonen en die zonder verwittiging in de verte staren, zelfs midden in een zin.

De meeste cognitieve veranderingen bleken omkeerbaar maar sommige meldingen beschrijven aanhoudende cognitieve problemen die tot twee jaar na het beëindigen van de behandeling voortduren. In zeldzame gevallen, worden patiënten volledig dement. Dit is begrijpbaar als we ons herinneren dat interferon excitotoxiciteit kan aktiveren en ernstige schade door vrije radikalen aan synapsen en neuronen kan veroorzaken. Van interferon-gamma wordt gemeld dat het superoxide-waarden doet stijgen. Vertraagde denk-processen, verwarring en zelfs Parkinson-symptomen werden gerapprorteerd bij patiënten die interferon-gamma gebruiken.

IL-2, aangewend om infektueuze ziekten en kanker te behandelen, resulteert in veranderingen van de mentale status, agitatie, strijdbaarheid, hallucinaties, concentratie-problemen en waan-beelden. IL-1 werd geassocieerd met waan-ideëen, aanvallen, agitatie en slaperigheid, terwijl TNF-alfa verbijgaand geheugenverlies, hallucinaties en zelfs afasie [verworven taalstoornis die veroorzaakt wordt door een hersenletsel en waarbij het begrijpen en het uiten van gesproken en geschreven taal gestoord is] kan veroorzaken.

IL-1ß én TNF-alfa kunnen glutamaat-heropname blokkeren, wat resulteert in hoge waarden aan toxisch extra-cellulair glutamaat. Cognitieve defekten zijn ook courant na IL-1ß gebaseerd op inhibitie van LTP, wat essentieel is voor het verwerven van geheugen.

De Rol van Vaccins

Zoals eerder vermeld: perifere immuun-stimulatie aktiveert vlot het immuunsystem van de hersenen. In de meeste gevallen is dit kortstondig en is neuronale schade minimaal. Chronische aktivatie van microglia kan echter leiden tot substantiële verstoring van de neuronale funktie en zelfs neurodegeneratie.

Twee basis-processen lijken verantwoordelijk voor de chronische stimulatie van hersen-immuniteit: herhaalde, kort op elkaar volgende inentingen zonder het brein toe te laten te herstellen, en inenting met levende virussen of contaminerende organismen die voortbestaan in de hersenen. ‘Gulf War’ veteranen kregen tot 17 inentingen zeer kort na elkaar. Kinderen krijgen dikwijls vijf tot zeven inentingen tijdens één pediatrisch consult, meerder als combinatie-vaccins, zoals mazelen-bof-rubella (‘MMR’).

[…]

Excitotoxinen dragen bij tot de schade bij infekties van het CZS. Glutamaat-concentraties in het cerebrospinaal vocht stijgen bij in bakteriële meningitis en de waarden correleren rechtsreeks met de prognose. Extracellulaire glutamaat-concentraties zijn verhoogd bij alle gevallen van virale encefalopathieën, inclusief die bij of AIDS. Glutamaat- en aspartaat-concentraties in het plasma bleken ook verhoogd bij 11 van 14 autistische kinderen. Er is ook bewijs dat virussen de toxiciteit van glutamaat kunnen versterken.

Injektie van het immuun-adjuvant lipopolysaccharide (LPS) is nauw verwant met het vaccinatie-proces. In een bepaalde studie werd voor het eerst aangetoond dat perifeer toegediend LPS het leergedrag bij muizen verminderde. De dosis die werd gebruikt, leidde niet tot observeerbare letsels aan de neuronen maar benadeelde de dieren significant bij testen van het ruimtelijk geheugen die een funktionele hippocampus vereisen. Associatief leren was het meest aangetast. Geheugen bleef behouden. LPS-injektie, zo werd aangetoond, veranderde norepinefrine- en serotonine-concentraties in de hippocampus (via het verhogen van IL-1 concentraties), en deed ook de glutamaat-waarden stijgen. Verhoogde serotonine-niveaus werden ook beschreven bij autisme.

Langdurige aanhoudende immuun-aktivatie en lichte brein-inflammatie werden ook gemeld bij drie kinderen die herstelden van Herpes simplex encefalitis voor de leeftijd van twee jaar. De kinderen vertoonden allemaal overvloedig geaktiveerde microglia in hersen-biopten en bleven achteruitgaan na virale behandeling, wat wijst op blijvende microglia-aktivatie. Virale fragmenten, zonder aktieve infektie, kunnen aanleiding geven tot dit fenomeen.

Niet alle aanhoudende virale infekties zijn geassocieerd met onmiskenbare inflammatoire responsen. Door gebruik te maken van een neurotrofe [die het centraal zenuwstelsel kunnen aantasten] mazelen-stam bij hamsters, werd gevonden dat een niet-inflammatoire encefalopathie kan gepaard gaan met vernietiging van de CA1- en CA3-segmenten van de hippocampus [zgn. ‘Cornu Ammonis’ gebieden met pyramidale cellen]. Dit zou nog meer kunnen lijken op de situatie bij autistische kinderen en sommige gevallen van GWS, aangezien duidelijke klinische en laboratorium-tekenen van inflammatie afwezig zou zijn. Neurodegeneratie veroorzaakt door dit neurotrofisch mazelen-virus kon worden geblokkeerd gebruikmakend van de NMDA-receptor antagonist, MK-801 [niet-competitieve antagonist die bindt binnenin het ion-kanaal van de receptor; gebruikt mij researh-experimenten; geeft psychotrope effekten], wat wijst op een excitotoxisch mechanisme. (De NMDA-receptor is de post-synaptische receptor voor L-glutamaat die kan worden geaktiveerd door het medicijn N-methyl-D-aspartaat.)

Het pokken-vaccin is verbonden met post-vaccinale encefalitis bij 1 op 110.000 vaccinaties. Dit omvat enkel de flagrante gevallen van encefalitis; meer chronische, subtiele gevallen met slecht-gedefinieerde neurologische symptomen lang na de vaccinatie kunnen over het hoofd worden gezien. De meeste vaccin follow-up studies gaan niet verder dan twee weken. Het blijkt duidelijk uit bovenstaande studies dat deze follow-up periode veel te kort is. Meer aanhoudende neurotropische virussen die nu worden ontdekt lijken gerelateerd met chronische neurodegeneratie. Deze omvatten HSV-1, coronavirus, mazelen-virus, en human herpes viruse 6 and 7 (HHV-6 en HHV-7). Een post-vaccinale encephalopathie werd ook beschreven bij kinderen jonger dan twee jaar na pokken-vaccinatie. De meeste daarvan komen voor als chronische aandoeningen.

Een Multi-factorieel Probleem

Enkel een deel van de bevolking die wordt blootgesteld aan deze pathogene factoren hebben symptomen en niet iedereen wordt op dezelfde manier aangetast. Er is een kritieke interaktie tussen vele factoren, inclusief blootstelling aan kwik, aan andere toxinen (pesticiden, chemische oorlogswapens en insekten-afweermiddelen) en aan andere infektueuze agentia, voeding, status van het anti-oxidant systeem en immuun-funktie.

Tekorten aan bepaalde voedingsstoffen blijken courant bij autistische kinderen: magnesium, pyridoxine (vitamine-B6) en docosahexaeenzuur (DHA, een essentieel omega-3 vetzuur). Zo’n tekorten kunnen excitotoxiciteit versterken. Van vitamine-B6 has werd getoond dat het de concentraties van glutamaat in het bloed en in hersenweefsel verlaagt. Magnesium werkt ter hoogte van de NMDA-receptor om calcium-toegang in de neuronen te downreguleren. DHA speelt een bijzonder belangrijke rol bij de funktie van cellulaire membranen – vooral mitochondriale membranen – en reduceert excitotoxiciteit. Recente studies hebben ook getoond dat het ook een belangrijke rol speelt bij synaptische membranen.

Immuun-dysfunktie in GWS, Autisme en Andere Gedragsaandoeningen

Er is groeiend bewijs dat immunologische dysfunktie een belangrijke rol heeft bij autisme en GWS. Verschuiving van het immuunsysteem van een Th1 profiel naar een Th2 pro auto-immuun profiel werd beschreven bij ‘Gulf War’ veteranen en bij autistische kinderen. Er is ook overtuigend bewijsmateriaal dat GWS gerelateerd is met blootstelling aan vaccin-adjuvant squaleen. Veel waarnemers hebben een stijging van oor-infekties en infekties van de bovenste luchtwegen genoteerd bij autistische kinderen.

Er is groeiend bewijs voor auto-immuniteit bij autisme en andere mogelijks gerelateerde aandoeningen (bv. ADHD). Warren et al. hebben een gemeenschappelijke link beschreven tussen autisme, ADHD en dyslexie, en een verhoogd voorkomen van het the ‘C4B null’ gen (dat géén complement-proteïne C4B produceert). Anderen hebben melding gemaakt van een stijging in antilichamen tegen myeline-eiwit en neuronale axon-filamenten [vertakkingen van zenuwcellen] in het brein. Verhogingen van TNF-alfa werden ook beschreven bij autisme.

Deze set immuun-deficiënties zou leiden tot directe cytokine-aktivatie van microglia via auto-immuun geïnduceerde cytokine-stimulatie van microglia-receptoren. De immuun-deficiëntie veroorzaakt door lage waarden aan C4B-complement, belangrijk voor het elimineren van virussen, Mycoplasma’s en schimmels zou de waarschijnlijkheid op virale en Mycoplasma persistentie in de hersenen kunnen verhogen. In beide gevallen zou chronische aktivatie van microglia kunenn voorkomen. Bij veel gevallen van autisme en GWS is geen auto-immuniteit betrokken maar is er eerder ‘bystander injury’.

Besluiten

Het bewijs suggereert dat over-stimulatie van het systemisch immuunsysteem, zoals bij herhaalde inentingen kort na elkaar, kan resulteren in chronische aktivatie van microglia in de hersenen, het immuun-mechanisme van het zenuwstelsel.

Er is overvloedig experimenteel en klinisch bewijs dat stijgingen in cytokinen kunnen resulteren in ontwrichting van de hersen-funktie, door het genereren van talrijke types vrije radikalen én door de release van de excitotoxinen glutamaat en quinolinezuur door geaktiveerde microglia. Een complexe interaktie van zuurstof- en stikstof-stress, excitotoxiciteit en immuune-cytokinen verandert, eens de microglia zijn geaktiveerd, synaptische verbindingen, conservatie van dendrieten en neuron-funktie, wat leidt tot een veelheid aan symptomen zoals deze die worden gezien bij GWS en autisme.

Beide syndromen vertonen een verstoord perifeer immuunsysteem, een mogelijk gevolg van de buitensporige vaccinatie zelf, neurotoxische vaccin-addititieven (aluminium en kwik) en immuun-suppressieve virussen zoals het mazelen-virus. Dit zou moeten een waarschuwing zijn voor degenen die zelfs meer vaccins in een schema – dat al vol zit – willen stoppen, alsook als een indicatie om de huidige schema’s te her-evalueren.