M.E.(cvs)-wetenschap

februari 9, 2018

Beperkt ruimtelijk zicht bij M.E.

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 7:48 am
Tags: , ,

Ruimtelijk zicht verwijst naar het vermogen om ruimtelijk gedefinieerde kenmerken te zien of te onderscheiden. De 2 voornaamste metingen voor ruimtelijk zicht zijn scherpte en contrast-gevoeligheid (sensitiviteit).

‘Static visual acuity’ (SVA; statische zicht-scherpte) betreft het vermogen om fijne details, typisch in stilstaande beelden met hoog contrast (bv. zwarte letters op een witte achtergrond op een kaart), te zien. Hierbij meet men enkel het kleinste detail dat kan worden gezien maar niet het vermogen om grotere zaken te zien. Door het meten van het vermogen om objecten van verschillende grootte (d.w.z. met verschillende ruimtelijke frequentie) te zien, biedt contrast-gevoeligheid een uitgebreidere test van het ruimtelijk zicht. Het wordt gemeten door het vinden van het laagste contrast dat nodig is om licht/donker roosters met variërend detail/fijnheid of ruimtelijke frequentie te zien. Ruimtelijke frequentie verwijst naar het aantal licht/donker cycli per graad (c/deg) van de gezichtshoek op het netvlies. De roosters worden gewoonlijk gedefinieerd door variaties in luminantie (licht-intensiteit/helderheid van een oppervlak) van graduele sinusoïdale golven.

De contrast-sensitiviteit-funktie (CSF) geeft de gevoeligheid van een waarnemer weer (d.w.z. 1/contrast-drempel) voor sinusoïdale staaf-roosters met sterk variërende ruimtelijke frequenties. De contrast-sensitiviteit bij volwassenen is het grootst bij intermediaire ruimtelijke frequenties (ongeveer 2 tot 4 c/graad). Lagere en hogere ruimtelijke frequenties vereisen meer contrast om te worden gedetekteerd. De hoogste ruimtelijke frequentie kan enkel worden gezien bij een zeer hoog contrast en komt overéén met het scherpte-niveau van de waarnemer.

Samengevat: bij het testen van de visuele contrast-sensitiviteit (VCS) meet men het vermogen om details te zien bij lage contrast-waarden; het wordt dikwijls gebruikt als een niet-specifieke test van de neurologische funktie. Bij een VCS-test krijgt men een reeks (computer)beelden met steeds verminderend contrast te zien waarbij patronen, vormen of objecten al dan niet kunnen worden geïdentificeerd. Metingen van de VCS zouden betere beoordelingen van visuele (dys)funktie opleveren dan traditionele metingen van de visuele scherpte met hoog-contrast stimuli.

————————-

Vision Vol 2, #1, p 2 (Jan. 2018)

Restricted spatial windows of visibility in Myalgic Encephalomyelitis (ME)

Nadia S. Ahmed, Irene Gottlob, Frank A. Proudlock, Claire V. Hutchinson

Department of Neuroscience, Psychology and Behaviour, College of Life Sciences, University of Leicester, UK

Samenvatting

Myalgische Encefalomyelitis (M.E.) is een slopende aandoening gekenmerkt door uitputtende vermoeidheid. Ze wordt niet goed begrepen en de diagnose is controversieel. Het is daarom zeer belangrijk dat betekenisvolle klinische karakteristieken worden onderzocht. Visuele symptomen bij M.E. vertegenwoordigen een groep afzonderlijke, kwantificeerbare, klinische kenmerken die de diagnose significant kunnen verbeteren en inzicht bieden omtrent de onderliggende pathologie. Het doel van de huidige studie was daarom het verkennen van het effekt van M.E. op het ruimtelijke zicht, gebruikmakend van de ruimtelijke contrast-sensitiviteit funktie. De contrast-sensitiviteit werd bepaald d.m.v. stilstaande luminantie-gedefinieerde sinusoïdale roosters met een bereik qua ruimtelijke frequenties van 5 octaven (0,5 tot 16 c/deg) bij een groep van 19 individuen met M.E. en een groep met 19 gematchte (leeftijd, geslacht) controles. In vergelijking met de controles vertoonde de M.E.-groep een beperkt ruimtelijk contrast-zicht. Dit werd hoofdzakelijk gekenmerkt door een gebrek aan contrast-sensitiviteit bij lagere ruimtelijke frequenties en een smallere band-breedte. Onze bevindingen suggereren dat gebreken qua contrast-sensitiviteit een visuele merker voor M.E. zouden kunnen vertegenwoordigen, en indicatief zijn voor abnormale visuele verwerking op het niveau van de retina [het netvlies] en in de corticale en subcorticale visuele mechanismen.

1. Inleiding

[…] De diagnose [van M.E.] is gebaseerd op het categoriseren van de door patiënten gerapporteerde symptomen en deze te differentiëren van symptomen van andere vermoeidheid-gerelateerde ziekten. Het is een uitsluiting-diagnose omdat er momenteel geen specifieke diagnostische test voor M.E. bestaat. Dit is problematisch omwille van het aantal symptomen die overlappen met andere ziekten en de afhankelijkheid van het feit dat patiënten hun symptomen accuraat rapporteren. Het resultaat is dat men dikwijls een verkeerde diagnose i.p.v. M.E. stelt (bv. depressie). Het is daarom zeer belangrijk dat betekenisvolle klinische kenmerken worden onderzocht.

Visuele symptomen bij M.E. vertegenwoordigen een groep van afzonderlijke, kwantificeerbare, klinische kenmerken die de diagnose significant kunnen verbeteren, inzichten kunnen bieden omtrent de onderliggende pathologie en een behandeling-kandidaat kunnen vertegenwoordigen, waardoor het dagelijks leven van de patiënten zal verbeteren. Courant gerapporteerde visuele symptomen omvatten foto-sensitviteit, moeilijk kunnen focussen op beelden, vervaging van beelden, halo’s rond beelden, slechte diepe-waarneming, pijn aan de ogen, verzwakte visuele aandacht, verhoogde vatbaarheid voor patroon-verblinding en zicht-gerelateerde hoofdpijn [Potaznick W, Kozol N. Ocular manifestations of Chronic Fatigue and Immune Dysfunction Syndrome. Optom. Vis. Sci. (1992) 69: 811-814 /// Leslie S. Chronic Fatigue Syndrome: Optometric clinical presentation and management. J. Behav. Optom. (1997) 8: 155-161 /// Vedelago LJ. Visual dysfunction in Chronic Fatigue Syndrome: Behavioural optometric assessment and management. J. Behav. Optom. (1997) 8: 149-154 /// Hutchinson CV, Maltby J, Badham SP, Jason L. Vision-related symptoms as a clinical feature of Chronic Fatigue Syndrome/Myalgic Encephalomyelitis? Evidence from the DePaul Symptom Questionnaire. Br. J. Ophthalmol. (2014) 98: 144-145 /// Loew S et al. Symptoms of Meares-Irlen/Visual Stress Syndrome in subjects diagnosed with Chronic Fatigue Syndrome. Int. J. Clin. Health Psychol. (2014) 14: 87-92]. Er werd ook een aantal visuele problemen objectief geïdentificeerd via experimentele metingen; deze omvatten verminderde visuele accommodatie [aanpassen van de sterkte van de ooglens om op de gewenste afstand scherp te zien] en slecht binoculair zicht [beide ogen gericht op hetzelfde voorwerp] [Caffery BE et al. The ocular signs and symptoms of Chronic Fatigue Syndrome. J. Am. Optom. Assoc. (1994) 65: 187-191 /// Godts D, Moorkens G, Mathysen DG. Binocular Vision in Chronic Fatigue Syndrome. Am. Orthopt. J. (2016) 66: 92-97], verhoogde vatbaarheid voor patroon-verblinding [Wilson RL et al. Increased vulnerability to pattern-related visual stress in Myalgic Encephalomyelitis. Perception (2015) 44: 1422-1426], niet-accurate oog-bewegingen [Badham SP, Hutchinson CV. Characterising eye movement dysfunction in Myalgic Encephalomyelitis/Chronic Fatigue Syndrome. Graefe’s Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. (2013) 251: 2769-2776] en verzwakte visuele aandacht, bijzonderlijk bij taken waar de prestaties steunen op het vermogen een object te detekteren/identificeren en irrelevante visuele afleiders te negeren (selektieve aandacht) [Hutchinson CV, Badham SP. Patterns of abnormal visual attention in Myalgic Encephalomyelitis (ME). Optom. Vis. Sci. (2013) 90: 607-614]. Visuele symptomen zijn een indringend deel van de aandoening, verergeren andere symptomen en tasten het vermogen aan om dagdagelijkse taken uit te voeren. Inderdaad: sommige studies rapporteren dat tot 25% van mensen die lijden aan M.E. minder gaan auto-rijden of er helemaal mee stoppen omwille van zicht-gerelateerde problemen.

Ondanks de gerapporteerde problemen gerelateerd met de waarneming van zelfs elementaire ruimtelijke informatie, blijven de effekten van M.E. op ruimtelijk zicht relatief ononderzocht en niet gekwantificeerd. Het doel van de huidige studie was daarom het verkennen hoe M.E. het ruimtelijk zicht beïnvloedt d.m.v. de ruimtelijke contrast-sensitiviteit funktie. De menselijke contrast-sensitiviteit funktie biedt een meting voor het bereik qua ruimtelijk detail dat zichtbaar (waarneembaar) is voor het visueel systeem en de relatieve sensitiviteit op een stimulus-contrast binnen dit bereik. Veranderingen qua contrast-sensitiviteit zijn goed gedocumenteerd bij ouder-worden en zijn evident bij een waaier aan netvlies-ziekten. Ze zijn ook aanwezig bij neurodegeneratieve ziekten zoals Parkinson’s en bij inflammatoire auto-immune ziekten zoals Multipele Sclerose. Tekorten aan contrast-sensitiviteit kunnen aanwezig zijn zelfs als er geen detekteerbare stoornis qua visuele scherpte is. Ze bieden een gevoelige klinische meting van de visuele funktie en kunnen aanwijzingen geven omtrent abnormale visuele verwerking op het niveau van de retina en in de corticale en subcorticale visuele mechanismen.

In de huidige studie werd contrast-sensitiviteit bepaald via stilstaande luminantie-gedefinieerde sinusoïdale roosters met een bereik qua ruimtelijke frequenties van 5 octaven (0,5 tot 16 c/deg) in een groep ME-patiënten en controles.

2. Materialen & Methodes

2.1. Deelnemers

20 M.E.-patiënten en 20 gematchte (leeftijd, geslacht, opleiding) controles werden gerecruteerd. Eén patient voltooide slechts 2 van de 6 ruimtelijke frequenties in het contrast-sensitiviteit experiment zodat de patient en de gematchte controle uit de analyse werden verwijderd. Alle patiënten hadden een medische diagnose van M.E., bevestigd via de ‘DePaul Symptom Questionnaire’ [ontwikkeld door Prof. Leonard Jason]. […] De deelnemers hadden geen oog-ziekten. De visuele scherpte (éénogig, dichtbij en vooraf) lag voor alle deelnemers binnen het normaal bereik. […] Er waren geen significante verschillen qua gecorrigeerde visuele scherpte tussen patiënten en controles. […]

2.2. Apparaat & Stimuli

De roosters besloegen 6 graden (deg) (horizontaal & verticaal) op een gezicht-afstand van 139 cm en werden gegenereerd op een computer-scherm (75 Hz). […] Monitor: voor precisie-controle van het contrast werd het aantal beschikbare intensiteit-niveaus van 8 op 14 bits gebracht […]. De gemiddelde luminantie [licht-intensiteit/helderheid van een oppervlak in een bepaalde richting] van het scherm was ~44 cd/m2 [eenheid = candela per vierkante meter] en de monitor was de enige licht-bron. De totale duur van de stimulus was 853 ms […].

[…]

2.3. Procedure

Metingen van de contrast-drempel werden uitgevoerd over een bereik qua ruimtelijke frequenties van 5 octaven (0,5 tot 16 c/deg) […]. Bij elke test kregen de deelnemers een fixatie-kruis te zien, gevolgd door het rooster, waarna ze de oriëntatie (vertikaal of horizontaal) moesten beoordelen. De deelnemers konden kort oefenen en de test werd uitgevoerd in het donker. […] De contrast-drempels werden omgezet naar contrast-sensitiviteit (1/contrast-drempel).

3. Resultaten

De gemiddelde contrast-sensitiviteit funkties voor elke groep vertoonde het verwachte frequentie-bereik. Globaal was de contrast-sensitiviteit funktie voor de M.E.-groep ietwat gezakt en leek het bereik smaller, suggestief voor een beperkt visibiliteit-venster bij M.E., vergeleken met controles. […] Statistische analyse toonde dat de contrast-sensitiviteit bij de laagste ruimtelijke frequenties (0,5 & 1 c/deg) significant slechter was bij patiënten t.o.v. controles […].

Om het ruimtelijk venster van visibiliteit voor elke groep preciezer te kwantificeren, werd de contrast-sensitiviteit bij elke frequentie omgezet naar relatieve sensitiviteit (dB [deciBel; geen eenheid maar een verhouding op een logaritmische schaal: elke verhoging met 10 decibel betekent een vergroting in vermogen of energie met een factor 10, 20 dB betekent een factor 100, enz.]) […] dit liet toe de laagste en hoogste frequenties voor elke groep te bepalen. […]

[…] [laagste – hoogste frequentie (c/deg): 0.99 – 5.09 (controles); 1.44 – 4.53 (M.E.)]. Statistische analyse toonde dat de laagste frequenties significant hoger waren in de M.E.-groep t.o.v. controles (p < 0.05). Er waren geen verschillen tussen de hoogste frequenties […]. De laagste frequenties in de M.E.-groep droegen bij tot smallere globale band-breedtes (p < 0.05).

4. Bespreking

We toonden hier dat een groep of M.E.-patiënten een beperkt ruimtelijk visibiliteit-venster voor stimulus-contrast vertoonde vergeleken met een controle-groep. Dit was voornamelijk gekarakteriseerd door een tekort qua contrast-sensitiviteit bij lagere ruimtelijke frequenties. Deze bevindingen suggereren dat contrast-sensitiviteit tekorten een visuele merker voor M.E. zouden kunnen zijn en mogelijks indicatief voor abnormale visuele verwerking op het niveau van de retina en in de corticale en subcorticale visuele mechanismen.

De bevindingen die hier worden gepresenteerd dragen bij tot de aangroeiende literatuur die aantoont dat zicht-gerelateerde problemen een meetbare klasse symptomen vertegenwoordigt die courant gerapporteerd worden door patiënten met M.E. Zelf-rapportering studies beklemtoonden reeds het bestaan van M.E.-gerelateerde visuele problemen (troebel zicht, diplopie [dubbelzien], ‘floaters’ [kleine vlekjes die door het zicht-veld drijven], fotofobie, droge/geïrriteerde & vermoeide ogen, brandende ogen en niet-specifieke oog-pijn, slechte controle van de oog-beweging, slechte diepte-perceptie, vlekken/lichtjes & halo’s in het zicht-veld, en zicht-gerelateerde hoofdpijn & migraines). Andere studies onthulden abnormaliteiten van het oog-oppervlak [zie Caffery BE et al. hierboven] en vasculaire pathologie in het oog [Frolov VM, Petrunia AM. Pathology of the organ of vision in Chronic Fatigue Syndrome. Vestnik Oftalmol. (2003) 119: 45-47]. Er is ook bewijs voor significant meer exoforie [scheel-zien], lagere funktionele vergentie [gelijktijdige beweging van beide ogen in tegengestelde richtingen om het binoculair zicht te behouden] (dichtbij en veraf), een verdere convergentie en minder traan-secretie en kortere ‘break-up time’ [maat voor verdamping van de traan-film] bij M.E.-patiënten, in vergelijking met gezonde controles [Mastropasqua L et al. Ocular manifestations in Chronic Fatigue Syndrome. Ann. Ophthalmol. (2000) 32: 219-224], verminderde accommodatie [zie Godts D et al. hierboven], verstoorde anti-saccadische oog-bewegingen [vrijwillige oog-bewegingen gemaakt in de richting tegengesteld aan die waar een stimulus wordt gepresenteerd] en ‘smooth pursuit’ [het staren richten op een soepel bewegend ‘target’] [zie Badham SP et al. hierboven], gebrekkige visuele aandacht […] en verhoogde vatbaarheid voor patroon-gerelateerde visuele stress.

Hoewel we in de huidige studie het verband tussen vatbaarheid voor migraine en contrast-sensitiviteit niet direct bekeken, valt op te merken dat enkele andere studies een relatie vonden tussen migraine en contrast-sensitiviteit tekorten. Van speciaal belang voor de hier gerapporteerde contrast-sensitiviteit gebreken is een studie die een contrast-sensitiviteit tekort vond bij lage ruimtelijke frequenties in een groep mensen met migraine t.o.v. controles. Het is goed gedocumenteerd dat mensen met M.E. sommige visuele patronen oncomfortabel vinden en een verhoogde vatbarheid voor fotosensitiviteit en migraine rapporteren. Toekomstige studies die het verband onderzoeken tussen zicht-gerelateerde hoofdpijn en migraines bij M.E. en tekorten qua contrast-sensitiviteit zijn van belang en kunnen inzicht bieden omtrent de effekten van M.E. op de neurofysiologie van het visueel systeem.

Onze bevindingen vertonen gelijkenis met contrast-sensitiviteit tekorten die werden gerapporteerd bij Multipele Sclerose (MS). MS is een inflammatoire, neurodegeneratieve auto-immuun ziekte. Zoals mensen met M.E., vertonen MS-patiënten een brede waaier aan visuele symptomen. Ontsteking van de oogzenuw is courant [bij MS] samen met meldingen over zicht-verlies, verstoord kleuren-zicht, pijnlijke ogen, troebel zicht en visuele vermoeidheid. Een aantal studies onderzocht contrast-sensitiviteit bij MS en hoewel de ruimtelijke frequentie specificiteit van de studies varieert, is er overéénkomst aangaande het feit dat slechte contrast-sensitiviteit geassocieerd is met de aandoening. MS en M.E. delen fenomenologische en neuro-immune kenmerken. De aanvang van M.E. werd in verband gebracht met infekties en auto-immune aandoeningen en, zoals MS-patiënten, vertonen mensen met M.E. een reeks immune abnormaliteiten die wijzen op ontregeling van het immuunsysteem. Tekorten qua contrast-sensitiviteit kunnen, naast het feit dat ze een mogelijke klinische merker voor M.E. vertegenwoordigen, ook gewicht geven aan de notie dat M.E., zoals MS, een aandoening van het auto-immuun systeem is.

Er zijn enkele kanttekeningen te maken met betrekking tot het klinisch nut van het type contrast-sensitiviteit testen dat in de huidige studie werd gebruikt. Het meten van de volledige ruimtelijke frequentie afhankelijke contrast-sensitiviteit funktie d.m.v. traditionele psychofysische technieken – wat we deden in de huidige studie – is typisch zeer tijd-verslindend, met als resultaat dat de klinische bruikbaarheid van dit type test-methode beperkt is. Contrast-sensitiviteit kan ook worden bepaald d.m.v. letter-kaarten waar het contrast van grote letters afneemt voor elke horizontale lijn. De meest courant gebruikte contrast-letter-kaart is die van Pelli-Robson. Pelli-Robson kaarten bieden niet zo’n gevoelige meting van de contrast-sensitiviteit als traditionele psychofysische contrast-drempel procedures, maar ze hebben het voordeel dat ze veel sneller en makkelijker af te nemen zijn in een klinische omgeving. Verder is het moeilijk de ruimtelijke frequenties van contrast-letter-kaarten te kwantificeren omdat de letter-identificatie afhangt van de samenstellende ruimtelijke frequenties die de drempel bereiken. De vraag blijft daarom of ze een voldoende gevoelige meting van de contrast-sensitiviteit kunnen betekenen om tekorten in de vroege fases van de ziekte te identificeren en of ze kleine veranderingen qua contrast-sensitiviteit met verloop van tijd (vóór en na behandeling) kunnen detekteren. We deden follow-up met de Pelli-Robson kaart (omtrent de hier gerapporteerde ruimtelijke frequentie specifieke contrast-sensitiviteit tekorten) en vonden dat onze M.E.-groep goed presteerde en op een zelfde niveau als controles.

Wat betreft de klinische waarde van het bepalen van contrast-sensitiviteit bij M.E., zijn de psychofysische methodes die we hier hebben gebruikt waarschijnlijk te tijd-verslindend en de Pelli-Robson Test is niet voldoende gevoelig. Ontwikkelingen met betrekking tot Bayesiaanse procedures [Bayesiaanse statistiek is een benaderingswijze die veel wordt gebruikt in de medische statistiek. De Bayesiaanse methodiek is gebaseerd op de stelling van Bayes die kwantificeert wat de nieuwe a posteriori onzekerheden zijn, gegeven een verzameling van a priori onzekerheden en nieuwe gegevens. Met behulp van de stelling van Bayes kunnen verschillende bronnen van informatie worden gecombineerd.] die een snelle meting van de contrast-sensitiviteit funktie bieden, zijn in deze context beloftevol. Deze procedures bleken goed overéén te komen met contrast-sensitiviteit funkties bepaald d.m.v. conventionele psychofysische methodes (zoals in de huidige studie aangewend) bij normaal en klinisch zicht. Dergelijke procedures werden succesvol geïmplementeerd voor het meten van contrast-sensitiviteit bij amblyopie [‘lui oog’]. Ze werden ook gesuggereerd als een middel om de contrast-sensitiviteit funkties te meten bij patiënten met verminderd zicht.

Eén beperking van onze studie betreft ons M.E.-staal. Onze visuele test-protocollen vereisen een zorgvuldig gecalibreerde uitrusting. Zodoende konden we enkel M.E.-patiënten testen die in staat waren om zich te verplaatsen nar de universiteit om aan de studie deel te nemen. Hoewel de deelnemers in onze studie significant waren aangetast door M.E., konden we de contrast-sensitiviteit in de ernstig zieken, bv. degenen die bedlegerig zijn, niet meten. Onze bevindingen betekenen daarom dus waarschijnlijk een ondervertegenwoordiging van de gebreken in deze groep.

Samengevat: omdat er nog geen oorzaak van M.E. werd vastgesteld, er geen doorslaggevende testen zijn om de aanwezigheid ervan vast te stellen en geen definitieve uiterlijke tekenen die de aandoening van andere onderscheiden, moeten klinici vertrouwen op de zelf-percepties en -rapporteringen van de patiënten. Het identificeren van afzonderlijke klinische kenmerken van M.E. is een belangrijke kwestie. We rapporteren hier tekorten qua contrast-sensitiviteit in een groep ME-patiënten. We stellen voor dat deze bevindingen, samen met andere visuele problemen die worden ervaren door mensen met M.E., implicaties kunnen hebben voor de diagnose inzichten kunnen bieden omtrent de etiologie. Ze geven ook aanleiding tot een aantal belangrijke vragen die verdere studie rechtvaardigen.

Advertenties

januari 25, 2018

Pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie bij CVS?

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 12:26 pm
Tags: , , , , , , ,

In het artikel ‘Metabolic profiling indicates impaired pyruvate-dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome’ (zie ‘Verstoorde werking van pyruvaat-dehydrogenase bij M.E.(cvs)’) rapporteerden de Noorse Ritixumab-onderzoekers Øystein Fluge & Olav Mella over een funktionele verstoring van het enzyme pyruvaat-dehydrogenase (PDH) op basis van biochemische veranderingen in het bloed van M.E.(cvs)-patiënten. Hun resultaten sluiten aan bij (gepubliceerd) werk van andere metabolisme-researchers.

Een Noorse arts/professor van de afdeling Medische Biochemie van het Universitair Ziekenhuis van Oslo, goed op de hoogte in zake de biochemische diagnose van pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie, publiceerde een commentaar/kritiek daarop in een landelijk tijdschrift (enkel in het Noors).

Fluge & Mella hebben het eerder over een PDH-inhibitie (suppressie/onderdrukking). Dit kan misschien een gevolg zijn van een andere dysfunktie in het energie-metabolisme. Nu wordt er geargumenteerd dat er geen deficiëntie is. Spreekt men hier over twee verschillende dingen? Het is bij wetenschappelijk onderzoek ook van belang kritiek in acht te nemen en daarom geven wij dit mee. Bij verder onderzoek kan zeker rekening worden gehouden met de aanbevelingen.

De auteur gaf als belangen-conflict aan dat hij een vergoeding heeft ontvangen voor een lezing op een professioneel forum van psychiaters, ondersteund door het farmaceutisch bedrijf Lundbeck.

————————-

Tidsskr Nor Laegeforen. (2017) 137: 23-24

Tenuous link between Chronic Fatigue Syndrome and pyruvate dehydrogenase deficiency

Yngve Thomas Bliksrud

In een studie van het energie-metabolisme bij patiënten met het Chronische Vermoeidheid Syndroom concludeerden onderzoekers verminderde pyruvaat-dehydrogenase aktiviteit bij patiënten, maar de metingen passen niet bij de veranderingen die we zien bij patiënten met primaire genetische pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie.

In een studie gepubliceerd in december 2016 werd een gewijzigd patroon van aminozuren in plasma gevonden bij patiënten met het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Bovendien werd veranderde gen-expressie gedetekteerd in witte bloedcellen en veranderde de energie-produktie in spiercellen [zie link in onze inleiding]. De auteurs interpreteren de resultaten als expressie van funktionele remming van het enzyme pyruvaat-dehydrogenase, en ze suggereren een ontregeling van dit enzyme-complex als mogelijke belangrijke factor in de pathogenese van het Chronische Vermoeidheid Syndroom.

Het onderzoek kreeg uitgebreide aandacht in de [Noorse] media en de link met pyruvaat-dehydrogenase werd openbaar gemaakt zonder voorbehoud. In ons laboratorium ontvingen we stalen voor de metabole screening van patiënten met mogelijk vermoeidheid-syndroom. Op basis van mijn ervaring met biochemische diagnose van pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie, wil ik wijzen op gebreken in de studie die moeten aansporen tot een aanzienlijk grotere mate van voorzichtigheid omtrent de conclusies.

Kritiek op methode en interpretatie

In het onderzoek werden aminozuur-concentraties in plasma van 200 patiënten en 102 gezonde controle-personen onderzocht. De onderzoekers vonden significante verschillen tussen de twee groepen maar de betekenis is onduidelijk omdat ze zich niet hebben gebaseerd op de gevestigde diagnose van pyruvate-dehydrogenase deficiëntie en omdat de stalen niet op een gestandaardiseerde manier zijn genomen.

AMINOZUREN-PATROON VOLDOET NIET AAN WAT WIJ ZIEN BIJ PATIËNTEN MET PRIMAIRE PYRUVAAT-DEHYDROGENASE DEFICIËNTIE

Pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie verhoogt de concentratie van pyruvaat in bijvoorbeeld spier- en zenuwcellen. Pyruvaat wordt omgezet in lactaat en het aminozuur alanine. Alanine is het enige aminozuur dat naar verwachting buiten het referentie-gebied valt in plasma en cerbrospinaal vocht bij primaire pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie (één tot twee keer de bovengrens van referentie). Het onderzoek meldde echter een neiging tot lagere alanine-spiegels bij de patiënten. Het is verrassend dat deze opvallende discrepantie niet in het artikel wordt genoemd.

VERKEERDE NORMALISATIE VOOR TESTEN KAN HET VERSCHIL TUSSEN DE GROEPEN VERKLAREN

Een vasten-test wordt sterk aanbevolen bij het bepalen van de plasma-concentratie van aminozuren, omdat de niveaus aanzienlijk variëren met het dieet en ook gedurende de dag tot 10-15%. In de studie worden niet-nuchtere aminozuur-patronen met kleine afwijkingen vergeleken. Het is heel vreemd dat de auteurs geen grotere bedenkingen hebben bij dieet als een verstorende factor wanneer ze zelf hebben aangetoond dat het dieet alleen de groep aminozuren beïnvloedt die argumenteren voor verstoord pyruvaat-dehydrogenase. De studie toonde significante verschillen tussen nuchtere en niet-nuchtere patiënten. De nuchtere patiënten werden daarom uitgesloten van verdere statistische analyse. De auteurs moeten ook duidelijker maken dat een mogelijke verborgen vertekening tussen de patiënten-groep en de controle-groep met betrekking tot voeding en staalname een alternatieve verklaring kan zijn voor de gevonden verschillen. Systematische verschillen in voeding tussen de groepen zijn niet ondenkbaar. […]

WAT MET DE PYRUVAAT/LACTAAT-RATIO EN EEN DIRECTE METING VAN DE PYRUVAAT-DEHYDROGENASE AKTIVITEIT?

De pyruvaat/lactaat-verhouding in het plasma kan patiënten met pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie van andere patiënten met hyperlactacidemie [verhoogd lactaat in het bloed] onderscheiden. Deze ratio heeft daarom een centrale plaats in de biochemische diagnostiek van pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie. In het onderzoek werd de pyruvaat/lactaat-verhouding niet bepaald. Dat is jammer: de verhouding had een belangrijke aanwijzing kunnen geven voor, mogelijk tegen, pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie. Een directe bepaling van de enzyme-aktiviteit in de cellen is ook de sleutel bij de routine-matige diagnostiek van pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie. Het is vreemd dat dit in de studie niet is gedaan in spiercellen die groeien in de aanwezigheid van serum van de patiënt.

SPECIFIEKE LINK MET CHRONISCHE VERMOEIDHEID SYDROOM VEREIST MEERDERE CONTROLE-GROEPEN

In de studie heeft de patiënten-groep een ander expressie-patroon dan de controle-groep met betrekking tot genen geassocieerd met het pyruvaat-dehydrogenase complex. Dit is een interessant resultaat maar de studie biedt geen basis voor het interpreteren van het verschil als specifiek voor het Chronische Vermoeidheid Syndroom.

Volgens de consensus-criteria hebben patiënten een “aanzienlijk verminderd aktiviteiten-niveau” gehad gedurende minimaal zes maanden. Het is bekend dat de expressie van genen geassocieerd met het volledige metabolisme (inclusief pyruvaat-dehydrogenase complex) verandert bij immobilisatie. Spieren groeien en verdwijnen naar gelang het aktiviteit-niveau, daarom zijn er in deze studie verschillende expressie-patronen te verwachten. Vooraleer het expressie-patroon specifiek kan worden gekoppeld aan het Chronische Vermoeidheid Syndroom, moet het niet alleen worden vergeleken met gezonde mensen maar met andere patiënten-groepen die een overeenkomstig verminderd aktiviteiten-niveau ervaren, zoals een beroerte, fracturen, nier-falen of ernstige depressie. In het onderzoek werd ook aangetoond dat in spiercellen in vitro het energie-metabolisme kan veranderen in de aanwezigheid van serum van patiënten met het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Het is interessant dat dit experimenteel kan worden aangetoond maar evenmin kan deze waarneming specifiek worden gekoppeld aan het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Nogmaals: meer controle-groepen van patiënten met verminderde aktiviteiten-niveaus zijn om andere redenen nodig. De studie laat bijvoorbeeld een verminderde produktie van hoge-energie fosfaten (ATP) in vitro zien. In een muizen-model waarin spiercellen worden gekweekt in aanwezigheid van serum van individuen met spier-atrofie en chronisch nierfalen, neemt de ATP-produktie ook af.

CHRONISCHE VERMOEIDHEID IS NIET TYPISCH VOOR PRIMAIRE GENETISCHE PYRUVAAT-DEHYDROGENASE DEFICIËNTIE

De auteurs suggereren dat pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie een sleutel is in de pathofysiologie van het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Chronische vermoeidheid is geen typisch symptoom bij patiënten met primaire genetische pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie, noch ernstig noch mild. Het vereist een opmerking maar wordt met geen woord vermeld.

Pragmatische beoordelingen gevraagd

Onderzoek naar metabole mechanismen voor het Chronische Vermoeidheid Syndroom is interessant, en het grote werk van Fluge en collega’s kan hypotheses genereren die verder onderzoek waard zijn. De auteurs komen echter al heel vroeg vast te zitten bij de opvallende pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie als onderdeel van de pathofysiologie van het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Momenteel is het verband tussen bewezen aminozuur-veranderingen en pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie te zwak, en de verandering in gen-expressie en energie-metabolisme is te onspecifiek voor een dergelijke harde conclusie.

————————-

De endocrinoloog Emeritus Professor Frank Comhaire (Universitair Ziekenhuis, Gent) staat bekend als specialist op het vlak van de behandeling van mannelijke infertiliteit en ondernemer (het op de markt brengen van testen en complementaire behandelingen). De voorbije jaren ontwikkelde hij ook een interesse voor M.E.(cvs)…

In een artikel getiteld ‘Chronic Fatigue Syndrome (CFS) or “systemic immune disorder” (SID)? (Internal Medicine 2016, 6: 225) rapporteerde hij dat er bewijs voor het feit dat “CVS te wijten” is “aan een systemische immuun-stoornis waarbij oxidatieve, immunologische en epigenetische mechanismen de aktiviteit van pyruvaat-dehydrogenase kinase (PDHK) kunnen verhogen en de pyruvaat-dehydrogenase aktiviteit inhiberen”. Op basis daarvan liet hij een ‘nutriceutical’ (voeding-supplement) testen dat bepaalde organische zuren van algen, vitamine-B1, alfa-liponzuur, acetyl-L-carnitine en oxidoreductase-ubiquinon Q10 bevat. Bij publicatie van een kleine piloot-studie (n = 10; patiënten gediagnosticeerd in Belgische CVS-referentie-centra (!???!)) (‘A Novel Nutriceutical Treatment of Myalgic Encephalitis/Chronic FatigueSyndrome (ME/CFS): “What it is and what it is not”; Internal Medicine 2017, 7:5) bleken er evenveel responders als niet-responders te zijn. Deze laatsten bleken uiteindelijk (na verdere diepgaande screening) aan een andere aandoening dan M.E.(cvs) te leiden. Op het moment van het verschijnen van het artikel was een patent hangende…

Er werd verder meegegeven dat een mogelijke diagnostische methode voor de detektie van deficiënte enzymatische aktiviteit van PDH is: het meten van de concentraties van pyruvaat en acetyl-coenzyme-A in monocyten. “Dit vergt geavanceerde laboratoriumtechnologie”…

Merk op: het tijdschrift Internal Medicine (met slechts een beperkte impact en niet opgenomen in PubMed of Web Of Science) is niet het gerenommeerde Journal of Internal Medicine of het befaamde Annals of Internal Medicine…

januari 12, 2018

Verhoogd BNP bij CVS – verband met cardiale dysfunktie

Filed under: Fysiologie — mewetenschap @ 12:18 pm
Tags: , , ,

BNP (‘brain natriuretic peptide) is een proteïne dat wordt gesekreteerd door de hart-ventrikels (aangemaakt in specifieke cellen van de hartspier), vooral wanneer sprake is van overbelasting van het hart (bv. bij hart-falen, verhoogde weerstand van bloedvaten). BNP corrigeert verhoogde bloeddruk en te veel vocht in de bloedvaten (uitscheiding van water en zout).

Onderstaande studie, geleid door Prof. Julia Newton, geeft aan dat het meten van BNP een middel zou kunnen zijn om CVS-patiënten te identificeren die hart-problemen hebben.

Lees ook ‘Bloedvolume & verminderde hartfunktie bij CVS’…

————————-

Open Heart Vol 4, #2. e000697 (2017)

Elevated brain natriuretic peptide levels in Chronic Fatigue Syndrome associate with cardiac dysfunction: a case control study

Cara Tomas (1), Andreas Finkelmeyer (1,2), Tim Hodgson (2), Laura MacLachlan (1), Guy A MacGowan (1,3), Andrew M Blamire (1,2), Julia L Newton (1,4,*)

(1) Institute of Cellular Medicine, Newcastle University, Newcastle, Newcastle upon Tyne, UK

(2) Newcastle Magnetic Resonance Centre, Newcastle University, Newcastle, Newcastle upon Tyne, UK

(3) Cardiology, Newcastle upon Tyne Hospitals NHS Foundation Trust, Newcastle, Newcastle upon Tyne, UK

(4) CRESTA, Newcastle upon Tyne Hospitals NHS Foundation Trust, Newcastle, Newcastle upon Tyne, UK

Samenvatting

Doelstellingen Het verkennen van de waarden van het ‘brain natriuretic peptide’ (BNP) en onderzoeken hoe deze verband houden met cardiale abnormaliteiten bij Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS).

Methodes Er werden cardiale magnetische resonantie onderzoeken uitgevoerd m.b.v. een 3T Philips Intera Achieva scanner bij deelnemers met CVS (Fukuda) en een groep sedentaire controles die was gematcht voor leeftijd en geslacht. Het BNP in het plasma werd ook gemeten via een enzyme-immuno-assay bij 42 CVS-patiënten en 10 controles.

Resultaten De BNP-waarden waren significant hoger in de CVS-groep vergeleken met de gematchte controles (P = 0.013). Wanneer we de hart-volumes (eind-diastolisch & eind-systolisch) tussen deze met een hoog BNP (> 400 pg/ml) en een laag BNP (< 400 pg/ml) vergeleken, bleken er significant lagere hart-volumes bij een hoger BNP bij zowel eind-systolische en eind-diastolische volumes (P = 0.05). Er waren geen verbanden tussen vermoeidheid-graad, ziekte-duur en BNP-waarden (P = 0.2), wat suggereert dat het onwaarschijnlijk is dat onze bevindingen gerelateerd zijn met deconditionering.

Besluit Deze studie bevestigt een associatie tussen gedaalde hart-volumes en BNP bij CVS. Het ontbreken van een verband met ziekte-duur suggereert dat de bevindingen niet secundair zijn aan deconditionering. Er zijn verdere studies nodig ter verkenning van de bruikbaarheid van BNP als stratificatie-paradigma bij CVS dat gerichte behandelingen kan aangeven.

Inleiding

Studies uitgevoerd gebruikmakend van een waaier aan beoordeling-technieken hebben aangetoond dat Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) geassocieerd is met abnormaliteiten qua hart-funktie. Echocardiografische en impedantie-studies bevestigden verstoorde cardiale contractiliteit [Peckerman A et al. Abnormal impedance cardiography predicts symptom severity in Chronic Fatigue Syndrome. Am J Med Sci (2003) 326: 55-60 /// LaManca JJ, Peckerman A et al. Cardiovascular response during head-up tilt in Chronic Fatigue Syndrome. Clin Physiol (1999) 19: 111-20] en gereduceerde linker ventriculaire funktie. [Newton JL et al. Reduced cardiac volumes in Chronic Fatigue Syndrome associate with plasma volume but not length of disease: a cohort study. Open Heart (2016) e000381] Strukturele cardiale magnetische resonantie (MR) toonde lagere eind-diastolische afmetingen en cardiale output [hoeveelheid bloed die per minuut door het hart wordt voortgestuwd], en MR spectroscopie detekteerde een verstoorde cardiale bio-energetische funktie [Hollingsworth KG et al. Impaired cardiovascular response to standing in Chronic Fatigue Syndrome. Eur J Clin Invest (2010) 40: 608-15 /// Hollingsworth KG et al. Impaired cardiac function in Chronic Fatigue Syndrome measured using magnetic resonance cardiac tagging. J Intern Med (2012) 271: 264-70] met bevindingen die suggestief zijn voor een sub-klinische cardiomyopathie bij ca. een derde van de CVS-groep. De ernst van deze cardiale abnormaliteiten lijkt ook verband te houden met symptoom-ernst maar lijkt niet secundair aan deconditionering. Dit heeft geleid tot de suggestie dat CVS een klein-hart syndroom is [Miwa K, Fujita M. Cardiac function fluctuates during exacerbation and remission in young adults with Chronic Fatigue Syndrome and “small heart”. J Cardiol (2009) 54: 29-35 /// Miwa K, Fujita M. Small heart syndrome in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Clin Cardiol (2008) 31: 328-33] met MR-bevindingen die, bij sommige CVS-patiënten, consistent zijn met het beeld van hart-falen.

Het ‘brain natriuretic peptide’ (BNP) is een polypeptide van 32 aminozuren dat wordt gesekreteerd door de hart-ventrikels in respons op overmatige uitrekking van de hart-spier cellen. BNP bleek een nuttig screening- en prognostisch instrument bij patiënten met hart-falen en is typisch verhoogd bij patiënten met linker ventriculaire dysfunktie, met of zonder symptomen.

De fysiologische werking van BNP omvat vermindering qua systemische vasculaire resistentie [weerstand van de bloedvaten] en centrale veneuze druk, alsook een toename van de natriurese [uitscheiding van zouten (natrium) via de urine]. Het netto effekt is een daling van de bloeddruk door de daling van de systemische vasculaire resistentie en dus de ‘after-load’ [de druk waar het hart tegenin moet pompen]. Bijkomend resulteren de werkingen van BNP in een daling van de cardiale output omwille van een globale daling van de centrale veneuze druk en ‘pre-load’ [uitrekking van de hart-spier vóór de contractie; druk waarmee het hart zich vult] ten gevolge een daling van het bloed-volume dat volgt op natriurese en diurese [diurese = aanmaak van urine]. De bruikbaarheid van BNP als diagnostische en prognostische stratificatie-factor bij patiënten met hart-falen werd uitgebreid bestudeerd.

Het doel van deze studie was daarom het meten van BNP-waarden bij patiënten met CVS in vergelijking met controles en bepalen of BNP-waarden geassocieerd zijn met verstoorde cardiale funktie.

Methodes

Individuen

[..] De individuen dienden o.a. normale nier-funktie bloed-testen en een normale BMI te hebben. […] Fukuda diagnose van CVS, uitsluiting indien positief voor een majeure depressie episode (‘Structured Clinical Interview for the Diagnostic and Statistical Manual for Mental Disorders’. De vermoeidheid werd beoordeeld via de ‘Fatigue Impact Scale’.

[…] De controles voldeden aan dezelfde inclusie-/exclusie-criteria als de CVS-deelnemers, en ze waren sedentair […].

Meting van ‘brain natriuretic peptide’ (BNP)

[…] Enzyme-Immuno-Assay […]

We beschouwden een BNP-waarde van > 400 pg/ml al zijnde consistent met matige tot ernstige hart-ziekte (vooraf gedefinieerd).

Cardiale MR

[…] Cardiale MR cine beeldvorming [MRI-sequenties worden gesynchroniseerd en zo worden met gelijke tussenpauzes talrijke beeldjes van de hart-cyclus geproduceerd. Deze worden aan elkaar geregen tot een filmpje zodat de beweging van de wanden van de ventrikels, kleppen en bloedstromen in het hart en de grote vaten kunnen worden gevisualiseerd.] ter beoordeling van cardiale morfologie, en systolische en diastolische funktie. […].

Statistical analysis

[…] Statistische significantie P < 0.05.

Resultaten

Cardiale MR en BNP-metingen bij 42 patiënten met CVS en 10 sedentaire controles (gematcht voor leeftijd en geslacht). De ziekte-duur van de CVS-patiënten was gemiddeld 13,8 jaar (SD 9,8). […]

De BNP-waarden waren significant hoger in de CVS-groep vergeleken met de gematchte controles. [P = 0.013] Wanneer we de hart-volumes (eind-diastolisch en eind-systolisch) vergeleken tussen degenen met hoge BNP (> 400 pg/ml) en lage BNP (< 400 pg/ml) -waarden, waren er significant lagere cardiale volumes bij deze met hogere BNP-waarden bij zowel eind-systolische als eind-diastolische volumes.

Er waren geen verschillen qua leeftijd, vermoeidheid-graad of ziekte-duur tussen de 2 groepen. Er waren geen verbanden tussen vermoeidheid-graad, ziekte-duur en BNP-waarden (P = 0.2).

Bespreking

Studies bij een waaier aan aandoeningen hebben bevestigd dat BNP de prognose kan voorspellen en personen met hart-falen kan detekteren. Deze studie heeft aangetoond dat bij patiënten met CVS, een groep waarbij eerder veel sub-klinische cardiale abnormaliteiten werden getoond het BNP verhoogd is. Studies hebben ook geconcludeerd dat mensen met CVS verminderde hart-volumes hebben, waarvan de graad geassocieerd is met het plasma-volume. In de huidige studie bleken hogere BNP-waarden ook geassocieerd met kleinere hart-volumes. Het ontbreken van een verband tussen ziekte-duur en BNP-waarden suggereert dat het onwaarschijnlijk is dat onze bevindingen een gevolg zijn van deconditionering.

Het verband dat werd gevonden in deze studie is interessant. Het is mogelijk dat de kleinere hart-volumes die worden gezien bij CVS de verhoogde BNP-waarden veroorzaken. Dit is echter contra-intuïtief en BNP is gewoonlijk een teken van belasting/uitrekking van de ventriculaire hart-wand en volume-‘overload’. In onze studie is de BNP hoger in de groep met kleinere hart-volumes. Een andere verklaring is dat de hogere BNP-waarden diurese (of natriurese) veroorzaken en dat dit de plasma/bloed-volumes vermindert en leidt tot de kleinere hart-volumes. Studies door ons team en anderen hebben lagere plasma-volumes bij CVS aangetoond en studies bij patiënten met orthostatische hypotensie hebben hoge BNP-waarden bij sommige patiënten gerapporteerd [Krishnan B et al. Orthostatic hypotension of unknown cause: unanticipated association with elevated circulating N-terminal brain natriuretic peptide (NT-proBNP). Heart Rhythm (2015) 12: 1287-94], en er werd gesuggereerd dat deze mogelijks oorzakelijk zijn.

We geloven dat meting van het BNP een instrument kan zijn om de 1/3 van de CVS-patiënten te identificeren die in eerdere studies een verstoorde bio-energetische funktie bleken te vertonen. Op die manier kunnen CVS-patiënten mogelijks worden gestratificeerd voor meer gepaste interventies en kan dit research faciliteren die de eigen karakteristieken van een cardiaal fenotype binnen de globale CVS-groep identificeert. We geloven dat deze soort van stratificatie-benadering om specifieke fenotypes te identificeren en doelgerichte interventies te faciliteren, een belangrijpe stap is naar het begrijpen van de heterogene aard van CVS.

Deze studie bevestigt een associatie tussen verminderde hart-volumes en BNP bij CVS. Het ontbreken van een verband met ziekte-duur suggereert dat de bevindingen niet secundair zijn aan deconditionering. Verdere studies zijn vereist om het nut bij CVS te verkennen van BNP als stratificatie-paradigma dat doelgerichte behandelingen aanwijst.

december 27, 2017

‘Small-world’ netwerk analyse van hersenschors-connectiviteit bij CVS d.m.v. qEEG

Filed under: Diagnostiek,Neurologie — mewetenschap @ 7:40 am
Tags: , , , , ,

In onderstaand onderzoek werden bij een kleine groep CVS-patiënten hersengolven geregistreerd (kwantitatieve elektro-encefalografie), en d.m.v. eLORETA werd gekeken naar de oorsprong van de signalen in de hersenschors en de funktionele connectiviteit geanalyseerd (zie Abnormale funktionele connectiviteit (brein in rust) bij CVS’: “Funktionele connectiviteit in rust tussen verschillende hersen-gebieden weerspiegelt de herhaalde co-aktivatie patronen tussen deze gebieden, waarbij ze kunnen dienen als een maat voor de plasticiteit (wijzigingen in neurale mechanismen en synapsen door veranderingen in gedrag, omgeving, neurale processen, denken en emoties – alsook na lichamelijk letsel). Funktionele connectiviteit (iets anders dan anatomische connectiviteit) is de connectiviteit tussen hersen-gebieden die dezelfde funktionele eigenschappen delen. Er werd gesuggereerd dat het een expressie is van het netwerk-gedrag dat aan de basis ligt van cognitieve funkties van hoog niveau.”). LORETA (lage-resolutie elektromagnetische tomografie) is, eenvoudig gezegd een veel preciezere versie van het klassieke EEG dat hersengolven meet.

Op basis van de zgn. grafiek-theorie (‘graph-theory’) – in de wiskunde zijn grafieken strukturen die worden gebruikt om paarsgewijze relaties tussen objecten vorm te geven; in deze context bestaat een grafiek uit hoek- (of top-) punten en knooppunten waarvan sommige verbonden zijn door lijnen – werd een voorstelling van de netwerken van elke patient gemaakt. Een ‘small-world’ (kleine wereld) netwerk is een type wiskundige grafiek waarin de meeste knooppunten geen buren van elkaar zijn, maar de buren van een bepaald knooppunt waarschijnlijk buren van elkaar zijn en de meeste knooppunten vanuit elk ander knooppunt kunnen worden bereikt via een klein aantal sprongetjes of stappen. Een ‘small-world’ (kleine wereld) netwerk wordt gedefinieerd als een netwerk waarbij de afstand tussen twee willekeurig gekozen knooppunten (het aantal vereiste stappen, ‘pad-lengte’) evenredig groeit met de logaritme van het aantal knooppunten. De neiging tot groeperen (samen te klitten) van naburige knooppunten, noemt men ‘clusteren’ (korte pad-lengtes, weinig verbindingen).

Bassett DS & Bullmore E verklaarden hierover (in het artikel ‘Small-world brain networks’. The Neuroscientist (2006) 12: 512-523): “Het is een aantrekkelijk model voor het organiseren van anatomische en funktionele netwerken in de hersenen, omdat een ‘small-world’ topologie zowel gesegregeerde/ gespecialiseerde als verspreide/ geïntegreerde informatie-verwerking kan ondersteunen. Bovendien zijn ‘small-world’ netwerken economisch en hebben ze de neiging de kosten van de verbindingen zo laag mogelijk te houden terwijl ze een hoge dynamische complexiteit ondersteunen. […] ‘Small-world’ modellen zijn relevant voor het begrijpen van complexe gedragingen en de veerkracht van hersen-systemen bij een pathologische aanval (ziekte). Het is een krachtige en veelzijdige benadering voor het begrijpen van de struktuur en funktie van menselijke hersen-systemen.”.

De ‘clustering’-coëfficient is (bij grafiek-theorie) een maat voor de mate waarop knooppunten in een grafiek neigen samen te klitten. De globale versie geeft een algemene indicatie van de ‘clustering’ in het netwerk, de lokale geeft een indicatie over hoe ingebed afzonderlijke knooppunten zijn. Deze coëfficient en de pad-lengte zijn eigenschappen van het ‘small-world’ netwerk model. Om na te gaan of netwerken ‘small-world’ of niet zijn, wordt de ‘small-worldness’ index op basis hiervan berekend. Deze SW is een merker voor hoe het efficiënt het brein voor elke deelnemer werkt.

————————-

Neuroregulation Vol. 4, #3-4, 125-137 (2017)

Small-world network analysis of cortical connectivity in Chronic Fatigue Syndrome using quantitative EEG

Mark Alan Zinn, Marcie L. Zinn, Leonard A. Jason

Centre for Community Research, DePaul University, Chicago, Illinois, USA

Samenvatting

Het doel van deze studie was het verkennen van de relatie tussen complexe hersen-netwerken bij mensen met het Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) en hun neurocognitieve stoornissen. Er werd een kwantitatieve EEG (qEEG) opgenomen bij 14 CVS-patiënten en 15 gezonde controles (HCs) bij rust (met gesloten ogen). Er werd exacte lage-resolutie elektromagnetische tomografie (eLORETA) gebruikt om de corticale [van de hersenschors] bronnen in te schatten en een analyse van de funktionele connectiviteit uit te voeren. De ‘grafiek-theorie’ werd aangewend om netwerk-representaties voor elke deelnemer te karakteriseren en de ‘small-worldness’ index – een maatstaf voor het globaal homeostatisch evenwicht tussen lokale en lange-afstand verbondenheid – af te leiden. De resultaten tonen aan dat ‘small-worldness’ voor de delta-band significant lager was voor patiënten met CVS t.o.v. HCs. Daarnaast was de delta ‘small-worldness’ negatief geassocieerd met de score voor neurocognitieve stoornissen op de ‘DePaul Symptom Questionnaire’ (DSQ [zelf-rapportering over 54 symptomen gerelateerd met de CDC criteria van Fukuda, de Canadese Criteria voor M.E./CVS en de CVS Internationale Consensus Criteria; de cognitieve variabele is het samengevoegde gemiddelde van 9 items, zoals o.a.: problemen met het herinneren van dingen, met volgehouden aandacht, met het vinden van woorden of uiten van gedachten, met het begrijpen van zaken, met het focussen op meer dan één ding tegelijk, met visuele aandacht, enz.]). Ten slotte gaf de delta ‘small-worldness’ een groter risico op inefficiëntie van complexe hersen-netwerken voor de CVS-groep aan. Deze resultaten suggereren dat CVS-pathologie funktioneel ontregelend kan zijn voor ‘small-world’ netwerken. De ‘small-world’ karakteristieken zouden op hun beurt kunnen dienen als een neurofysiologische indicator voor het bevestigen van een biologische basis voor de cognitieve symptomen, behandeling-uitkomsten en neurofysiologische status van mensen met CVS.

Inleiding

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een complexe multi-systeem ziekte die wordt gekenmerkt door onverklaarde aanhoudende of terugkerende vermoeidheid, post-exertionele malaise, griep-achtige symptomen en neurocognitieve stoornissen die niet weggaan door rust, en verslechteren door lichamelijke of mentale aktiviteit. Neurocognitieve stoornissen zijn een kenmerkend symptoom van CVS en één van de voornaamste factoren die betrokken zijn bij de etiologie van de aandoening. Ongeveer 90% van de CVS-patiënten rapporteert cognitieve symptomen (‘hersen-mist’) die de gezondheid en levenskwaliteit diepgaand aantast [Ocon AJ. Caught in the thickness of brain fog: Exploring the cognitive symptoms of Chronic Fatigue Syndrome. Frontiers in Physiology (2013) 4: 63]. Een meta-analyse vond cognitieve gebreken bij CVS met betrekking tot geheugen, aandacht en snelheid van informatie-verwerking, bijzonderlijk tijdens taken die volgehouden werk-geheugen vergen [Cockshell SJ & Mathias JL. Cognitive functioning in Chronic Fatigue Syndrome: A meta-analysis. Psychological Medicine (2010) 40: 1253-1267]. Daarnaast vertoonden patiënten in veel studies tragere reaktie-tijden, bijzonderlijk bij toenemende taak-complexiteit. Benjamin Natelson et al. stelden in 1994 al voor dat de meeste geheugen-tekorten die bij de patiënten worden gezien; te wijten zijn aan tragere informatie-verwerking, eerder dan aan stoornissen aangaande opslag/terughaal-mechanismen. Funktionele MRI toonde dat CVS-patiënten tekenen van brein-compensatie vertonen in respons op verbale werk-geheugen taken [Lange et al. Objective evidence of cognitive complaints in Chronic Fatigue Syndrome: a BOLD fMRI study of verbal working memory. Neuroimage (2005) 26: 513-24]. Dit suggereert dat dynamische reorganisatie van hersen-netwerk topologie bij CVS met daaropvolgende verminderde neurale efficiëntie indirect zou kunnen bijdragen tot de cognitieve stoornissen. Zodoende zou het onderzoeken van veranderingen qua globale snelheid van informatie-verwerking in de hersenen en neurale efficiëntie bij CVS het verband tussen corticale hersenschors-ontregeling en cognitieve symptomen kunnen ophelderen.

Kennis betreffende de algemene principes van zelf-organisatie in ‘real-word’ systemen heeft een paradigma-verschuiving in de neurowetenschappen naar voren gebracht: weg van de plaatsbepaling van hersen-responsen, naar een diepgaander begrip van hersen-connectiviteit invloeden op informatie-verwerking efficiëntie [Sporns O. Structure and function of complex brain networks. Dialogues in Clinical Neuroscience (2013) 15: 247-262]. Gedurende de voorbije tien jaar werd in de neuro-wetenschappen grafiek-theoretische analyse steeds meer gebruikt als een kader voor het begrijpen hoe dynamische processen betrokken zijn bij cognitie en gedrag. Deze benadering heeft een aantal duidelijke voordelen die researchers toelaten om: 1) een brede waaier aan variërende netwerk eigenschappen te kwantificeren en te modeleren, 2) het evenwicht van lokale en globale compromissen te karakteriseren die binnen systemen opereren, 3) verzwakte elementen van het systeem en compenserende dynamieken in respons op pathologische processen te onderzoeken, en 4) simultaan verbanden tussen al de netwerk-elementen en een bepaalde cognitieve funktie verklaren. In deze betekenis kan de toepassing van grafiek-theoretische analyse ons begrip aangaande de kern-aspecten van de werking van het brein bij CVS-patiënten uitbreiden.

Complexe netwerken komen veelvuldig voor in de echte wereld (bv. sociale netwerken, luchtvaart-routes, elektriciteit-netten, proteïnen-netwerken) en de hersenen zelf zijn een complex netwerk bestaande uit vele sub-netwerken van verspreide hersen-gebieden die zelfs de meest basale gedragingen opwekken. De gecoördineerde aktiviteit binnen complexe netwerken van het brein geeft aanleiding tot fundamentele aspecten van neurocognitieve domeinen met betrekking tot aandacht, perceptie, geheugen, taal en motorisch verwerking. Er bestaat een homeostatisch evenwicht binnen complexe hersen-netwerken tussen willekeurige neuronale groei processen en aktiviteit-afhankelijke modificatie van deze processen [Minati L et al. From brain topography to brain topology: Relevance of graph theory to functional neuroscience. Neuroreport (2013) 24: 536-543]. Deze toestand kan verklaard worden in termen van ‘spaarzaamheid’; in het systeem is er een continue ‘drive’ om compromissen te onderhandelen betreffende de kost van het ondersteunen en creëeren van adaptief waardevolle funktionele connectiviteit. Het aantal verbindingen in het systeem wordt bepaald door de kost van de ‘bedrading’ [fysieke verbindingen] (biologische energie en bouwstenen) en er zijn evolutionaire redenen om het de vraag naar lange-afstand connecties, die ‘duurder’ zijn, tot een minimum te beperken. Bijzondere compromissen betreffende de topologische eigenschappen van complexe brein-netwerken kunnen daarom dienen als een merker voor specifieke neurobiologische aanpassingen aan CVS. Als afspiegeling voor afwijkende plasticiteit, globale efficiëntie van de informatie-verwerking, enz. kan dit helpen bij de klinische diagnose en zelfs het identificeren van klinische subtypes [Crossley NA et al. The hubs of the human connectome are generally implicated in the anatomy of brain disorders. Brain (2014) 137: 2382-2395].

Het “small-world” netwerk model werd geïntroduceerd in een historische studie door Watts & Strogatz, in 1998 [Collective dynamics of ‘small-world’ networks. Nature, 393: 440-442], waarbij voor het eerst werd aangetoond dat er ‘small-world’ eigenschappen bestaan in het centraal zenuwstelsel. De topologie van ‘small-world’ netwerken wordt gekenmerkt door hoge ‘clustering’ (segregatie) en korte pad-lengtes (integratie), wat een homeostatisch evenwicht tussen lokale en globale verwerking vertegenwoordigt om te voldoen aan tegengestelde vereisten die verwerking-snelheid maximaliseren bij een minimale neurobiologische energie-kost. Segregatie refereert naar de neiging van elementen van naaste buren om zich samen te groeperen [‘cluster’], terwijl integratie refereert naar de hoeveelheid onderlinge verbondenheid en efficiënte informatie-uitwisseling binnen het ganse netwerk. De ‘clustering’-coëfficient is een maat voor funktionele segregatie of lokale verbondenheid, terwijl de karakteristieke pad-lengte een maat is voor funktionele integratie die globale, grootschalige aktivteit en co-aktivatie van neuronale populaties binnen het netwerk beschrijft. De ‘clustering’-coëfficient en de karakteristieke pad-lengte maken de eigenschappen uit van het ‘small-world’ netwerk model. Tesamen zijn ze een indicator voor ‘small-worldness’, een index die het gepast evenwicht tussen funktionele integratie en segregatie van dynamische systeem-organisatie vertegenwoordigt.

Kim et al. [Altered resting-state functional connectivity in women with Chronic Fatigue Syndrome. Psychiatry Research (2015) 234: 292-297] toonden ‘small-world’ abnormaliteit bij CVS aan d.m.v. fMRI in rust (18 vrouwen met CVS en 18 voor leeftijd gematchte vrouwelijke controles). Ze beoordeelden globale efficiëntie, het omgekeerde van de gemiddelde kortste karakteristieke pad-lengte, in relatie tot de funktionele efficiëntie van de informatie-‘flow’ tussen twee gegeven knooppunten in het netwerk. Ze evalueerden ook de lokale efficiëntie die de fouten-tolerantie van het netwerk proportioneel kwantificeert t.o.v. de ‘clustering’-coëfficient. Ze vonden dat globale efficiëntie (integratie) lager was bij CVS in vergelijking met de HC-groep, terwijl er geen verschillen waren qua lokale efficiëntie (segregatie). Een verhoogde vraag naar lange-afstand connecties bij CVS suggereert dat er bijkomende ‘bedrading’-uitgaven zijn voor compenserende systemen die de globale efficiëntie van de informatie-verwerking van het netwerk negatief beïnvloeden. De mate van verstoring van de ‘small-world’ dynamieken was verbonden met de hoeveelheid neurocognitieve stoornissen bij de patiënten en de gecomprommiteerde hersen-processen waren een weerspiegeling van een onderliggende verstoring van de ‘small-world’ tendens. Deze onderzoekers keken echter niet naar ‘small-worldness’. Een globale indicator van het optimaal funktioneren van het brein, en neurale efficiëntie en neurocognitieve verstoring (bv. geheugen, aandacht, vertraagd denken, enz.) zouden een combinatie van de pathologie met de begeleidende zichtbare gedragmatige veranderingen van CVS kunnen vertegenwoordigen.

Kwantitatieve elektro-encefalografie (qEEG) omvat numerieke analyse van lokale potentialen die het resultaat zijn van de optelling van neuronale elektrische aktiviteit welke ontstaat in cel-lichamen en geassocieerde dendrieten van grote populaties synchroon aktieve corticale piramidale neuronen [piramidaal systeem = verzameling axonen die van de hersenschors via het verlengde merg tot in het ruggenmerg lopen]. De elektrische stroompjes zijn afhankelijk van de integriteit van de neurale natrium/kalium & calcium ion-pompen, een afspiegeling van de metabole aktiviteit en maken qEEG tot een nuttig instrument voor de kwantificatie en exploratie van elektrofysiologische correlaten van normale en abnormale neurologische werking. De frequentie, fase en amplitude van de EEG-oscillaties relateren met de specifieke informatie-verwerking die plaatsvindt op een gegeven moment. Cognitieve processen van hogere orde lijken zelfs aan te zetten tot meer precisie aangaande volgehouden neuronale aktiviteit tussen neuronale populaties. qEEG op een milliseconden tijdschaal laat verfijnde detektie van subtiele verschillen qua snelheid en efficiëntie toe […]. Dit is belangrijk gezien het feit dat zelfs de meest basale cognitieve processen afhankelijk zijn van een precieze timing van fase-verbanden die in de hersenen optreden via grote populaties van spontaan gesynchroniseerde neuronen die communiceren over verspreide hersen-gebieden.

Tomografische EEG-methodes (elektrische neuro-beeldvorming [gebaseerd op elektrische aktiviteiten]) gebruiken tegengestelde methodes om de densiteit van bronnen in een drie-diminensionaal hersen-volume accuraat in kaart te brengen, wat toelaat EEG-abnormaliteit in dieper gelegen brein-strukturen te visualiseren. Een groeiend aantal studies wenden elektrische neuro-beeldvorming methodes aan om informatie-verwerking in de hersenen en ‘small-world’ netwerk organisatie in respons op neurologische aandoeningen – inclusief epilepsie, Multipele Sclerose en Alzheimer’s – op te helderen. Wij publiceerden een uitgebreid overzicht over de rol van elektrische neuro-beeldvorming technieken voor het bestuderen van de hersenen bij CVS [Jason LA, Zinn ML & Zinn MA. Myalgic Encephalomyelitis: Symptoms and biomarkers. Current Neuropharmacology (2015) 13: 701-734].

Gebruikmakend van lage-resolutie elektromagnetische tomografie (LORETA) om 17 monozygote tweelingen waarvan één tweeling-helft met CVS te onderzoeken, toonden researchers [Sherlin L, Buchwald D et al. Low-resolution electromagnetic brain tomography (LORETA) of monozygotic twins discordant for Chronic Fatigue Syndrome. NeuroImage (2007) 34: 1438-1442] dat mensen met CVS verhoogde delta-bronnen hadden in diepere strukturen van het limbisch systeem […]. Ze vonden ook hogere theta-bronnen in de cingulate gyrus en rechter superior-frontale gyrus [gyrus = sterk gevouwen deel/’winding’ in de hersenschors]. D.m.v. eLORETA (waarbij de ‘e’ staat voor ‘exact’), vonden wij [Zinn MA, Zinn ML, Montoya JG et al. Cortical hypoactivation during resting EEG suggests central nervous system pathology in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Paper presented at the Symposium conducted at the meeting of IACFS/ME 2014 Biennial Conference, San Francisco, CA, USA] significant verhoogde delta-bronnen in een deel van de frontale en limbische lob alsook gedaalde beta-bronnen in de parietale lob bilateraal. Hogere delta-bronnen bleken ook geassocieerd met de gedaalde motivatie-scores van de ‘Multidimensional Fatigue Inventory’, een meting voor vermoeidheid-graad. Verhoogde delta in limbische strukturen is consistent met de bevindingen van Sherlin et al. [zie hierboven], en ritmische veranderingen in deze gebieden kunnen indicatoren zijn voor afgestompte emotionele verwerking bij CVS die mogelijks gerelateerd is met verminderde motivatie en aandacht-tekorten. Interessant is dat symptomen die zich manifesteren bij hersen-pathologie in de mediale pre-frontale cortex, anterieure cingulate en orbito-frontale cortex grotendeels niet worden gededekteerd via de meeste traditionele neuropsychologische testen. Ten slotte: […] Flor-Henry P et al. vonden [EEG source analysis of Chronic Fatigue Syndrome. Psychiatry Res (2010) 181: 155-64] bronnen die globaal gereduceerd waren in de alfa- en beta-banden bij mensen met CVS (delta-band niet onderzocht). Samen tonen de verscheidene qEEG en tomografische EEG onderzoeken die hier worden vermeld een verband tussen EEG en CVS, wat de fundamenten voor deze studie aangeeft.

Wij voerden een eLORETA funktionele connectiviteit analyse uit bij CVS [Zinn ML, Zinn MA & Jason LA. Intrinsic functional hypoconnectivity in core neurocognitive networks suggests central nervous system pathology in patients with Myalgic Encephalomyelitis: A pilot study. Applied Psychophysiology and Biofeedback (2016) 41: 283-300] om drie fundamentele neurocognitieve netwerken te onderzoeken, gebaseerd op het triple netwerk model voor hersen-pathologie [Menon V. Large-scale brain networks and psychopathology: A unifying triple network model. Trends in Cognitive Sciences (2011) 15: 483-506]. Dit model stelt dat er drie primaire grootschalige hersen-netwerken zijn die dynamisch opereren om verschuivingen in opwinding, aandacht en algemene toegang tot cognitieve capaciteiten te reguleren. Het omvat het centraal uitvoerend netwerk, het ‘salience’ netwerk [De ‘salience’ (of ‘saliency’) van iets/iemand is de toestand waarbij het opvalt t.o.v. zijn buren. De detektie ervan wordt beschouwd als een belangrijk aandacht-mechanisme dat het leren en overleven faciliteert, door organismen in staat te stellen hun beperkte waarneming en cognitie te focussen op de meest pertinente beschikbare gegevens.] en het ‘default mode’ [standaard-modus] netwerk [Netwerk van hersen-gebieden die aktief zijn wanneer een individu wakker is en rust. Het is een intern verbonden en anatomisch gedefinieerd brein-systeem dat aktief is wanneer individuen zich focussen op interne taken (dagdromen, zich de toekomst voorstellen, herinneringen ophalen en perspectieven van anderen aftoetsen). Het is negatief gecorreleerd met hersen-systemen die focussen op externe visuele signalen.] en voorspelt dat afwijkende aktiviteit binnen één van deze netwerken een significante impact zal hebben op de andere twee netwerken, resulterend in pathologische toestanden. Er werd bij CVS hypoconnectiviteit gevonden in de delta- en alfa-frequentie-banden tussen knooppunten voor de drie netwerken (vergeleken met gezonde controles). Deze bevinding is consistent met meerdere studies over funktionele connectiviteit (m.b.v. magnetische resonantie) die verminderde connectiviteit rapporteerden waarbij sleutel knooppunten van het ‘salience’ netwerk [Boissoneault et al. Abnormal resting-state functional connectivity in patients with Chronic Fatigue Syndrome: an arterial spin-labeling fMRI study. Magnetic resonance imaging (2016) 34: 603-8 /// Gay CW et al. Abnormal resting-state functional connectivity in patients with Chronic Fatigue Syndrome: results of seed and data-driven analyses Brain connectivity (2016) 6: 48-56 /// Wortinger LA et al. Aberrant resting‐state functional connectivity in the salience network of adolescent Chronic Fatigue Syndrome. PLoS One. (2016) 11: e0159351] betrokken zijn. Ontwrichtingen van het ‘salience’ netwerk kunnen aan de basis liggen van cognitieve symptomen bij CVS, waarbij aandacht voor interne/externe gebeurtenissen en adaptief engagement van systemen verantwoordelijk voor verwerking door het werk-geheugen en uitvoerende controle betrokken zijn. Bovenstaande bevindingen tonen dat funktionele connectiviteit benaderingen inclusief elektrische neuro-beeldvorming methodes beloftevol zijn bij het bestuderen van hersen-dysfunktie bij CVS.

De huidige studie pakte de kwestie aan of fundamentele neurobiologische relaties en adapties aan de basis kunnen liggen van cognitieve symptomen bij CVS. Onze voornaamste hypothese was dat patiënten-netwerken afwijkingen zouden vertonen qua ‘small-world’ netwerk karakteristieken, gemeten via de ‘small-worldness’ index, waardoor een pathologisch onevenwicht zou worden aangetoond dat netwerk-efficiëntie en informatie-verwerking aantast – te wijten aan de compromissen geassocieerd met de adaptieve reconfiguratie van de netwerk-topologie – bij CVS. Gebruikmakend van grafiek-theoretische analyse van ‘small-world’ netwerken met via eLORETA verkregen connectiviteit-gegevens – aangewend voor de verkenning van de link tussen brein-topologie en de cognitieve stoornissen die courant worden gezien bij CVS. Ten tweede poneerden we de hypothese dat veranderingen qua ‘small-worldness’ index geassocieerd zouden zijn met subjectieve niveaus van cognitieve stoornissen te wijten aan maladaptieve reconfiguraties in netwerk-topologie die nodig zijn voor het ondersteunen van efficiënte hersen-verwerkinging bij CVS-patiënten. Ten laatste: de ‘small-worldness’ index werd getest als manier om te kijken naar het risico bij CVS-patiënten vergeleken met HC-deelnemers. Tot op heden is er geen fysiologische merker die het risico voor neurocognitieve stoornissen bij mensen met CVS vertegenwoordigt. Het beschikken over een accurate methode om het risico op cognitieve stoornissen bij CVS te identificeren, zou de bruikbaarheid van deze benadering voor de identificatie van epidemiologische factoren helpen vaststellen.

Methode

Deelnemers

[…] 14 individuen met CVS en 15 gezonde controles, tussen 20 en 80 jaar oud (gemiddeld 43,97 jaar). De effekten van leeftijd werden statistisch aangepast aangezien de gemiddelde leeftijd tussen de groepen significant verschilde en leeftijd een significante factor is bij het EEG . […] De deelnemers met CVS voldeden allemaal aan de Fukuda criteria […].

Procedure

EEG in rust (gesloten ogen) – 5 min via 19 elektrode-lokaties […]. Tijdens de voorbereiding werden de impedanties gemeten en op 5 kΩ gebracht. Daarna kregen de deelnemers hun ruwe EEG-signalen te zien en getraind om artefacten te minimaliseren door het zo goed mogelijk ontspannen van spieren in het voorhoofd, kaken en gezicht terwijl ze de corresponderende veranderingen observeerden. […].

Tijdens de EEG-opname zat elke deelnemer rechtop in een comfortabele zetel in een goed verlichte kamer. Ze kregen de instructie zo goed mogelijk te ontspannen en hun ogen te sluiten tot het einde. […] Procedures voor het verwijderen van artefacten […] Voor elke deelnemer werden de artefact-vrije gegevens dan gefragmenteerd in 2-sec EEG-segmenten. Alle analyses werden beperkt tot de delta (1-3 Hz), alfa-1 (8-10 Hz) & alfa-2 (10-12 Hz) frequentie-banden. […]

Materialen

[…]

De funktionele connectiviteit werd geanalyseerd door gebruik te maken van coherentie, een maatstaf voor de samenhang van fase-verschillen in de verscheidene lokaties. Coherentie wordt geïnterpreteerd als een indicator voor ‘connectiviteit’, die de mate kwantificeert waarin fase-verschillen tussen elektrode-plaatsen (bij EEG) of tussen 2 hersen-gebieden (bij eLORETA) met verloop van tijd stabiel blijven. Het voordeel van eLORETA is dat het een gespecialiseerde meting van funktionele connectiviteit gebruikt die rekening houdt met fysiologische artefacten […].

[…] Om een topografisch zicht van de ganse cortex te verkrijgen, werden de coördinaten van 42 afzonderlijke Brodmann gebieden [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.] […] in de linker en rechter hemisferen (84 in totaal) als ROIs [region of interest’ (interessant gebied)] aangeduid. […]

[…] Voor elke deelnemer werd een 84 x 84 coherentie-matrix voor elke frequentie-band opgesteld. De coherentie-matrix bevat de ganse set netwerk-connecties waarbij elk element de coherentie tussen elk paar knooppunten aangeeft. […]

Workflow voor de analyses: opnemen EEG-gegevens => definiëren van ROIs => coherentie-matrixen per individu => grafiek-analyse => statistiek

Grafiek Theoretische Analyse

De coherentie-matrix voor elke frequentie-band van elke deelnemer werd geanalyseerd […] en de ‘small-world’ karakteristieken berekend. De ‘clustering’-coëfficient’ rond een bepaald knooppunt varieert van 0 tot 1 en wordt bepaald door het aantal driehoeken gevormd door dat knoppunt en z’n naburige knooppunten. De karakteristieke pad-lengte wordt gedefinieerd als het gemiddelde kortste pad tussen twee knooppunten (de som van de individuele lengtes). […]. De waarden van de pad-lengten zijn geen fysieke afstanden maar vertegenwoordigen de graad van topologische separatie tussen twee knooppunten. De ‘small-worldness’ wordt als volgt berekend: de verhouding tussen de ‘clustering’-coëfficient en pad-lengte vergeleken met hun waarden voor gelijkwaardige willekeurig gegenereerde grafieken. De ‘small-worldness’ index variabele (SW) werd berekend als een vergelijkende merker voor efficiënt funktioneren van het brein van elke deelnemer.

Statistische Analyse

[…]

Resultaten

[…] De meeste patiënten met CVS waren ouder dan HCs en er werd gecontroleerd voor de potentieel storende factor van de leeftijd in alle modellen. Gezien het feit dat enkele secundaire uitkomsten werden beschouwd als corresponderend met de studie-hypotheses, wordt deze studie als verkennend gezien en de p-waarden als ‘beschrijvend’ beschouwd. […]

De primaire uitkomst was de bepaling of ‘small-world’ netwerk waarden afwijken bij een groep patiënten met CVS. Er werd Analyse van Variantie (ANOVA) uitgevoerd om vast te stellen of de netwerken van CVS-patiënten significant afweken van deze van HCs, na aanpassing voor leeftijd. We deden eerst een globale test […] en deze toonde een significant lagere’ small-worldness’ index waarde voor patiënten met CVS […] t.o.v. HCs […]. Om de verschillen te identificeren tussen ‘small-worldness’ binnen elke frequentie-band, werden follow-up testen uitgevoerd […]. Deze identificeerden SW delta als statistisch verschillend tussen CVS-patiënten en HCs (p = .014) maar de SW alfa-1 en SW alfa-2 waren echter niet significant verschillend (p = .622 & p = .099). Binnen de HC-groep werd een significant verschil gevonden tussen SW delta en SW alfa-1 (p = .001) maar niet tussen SW delta en SW alfa-2 (p = .177). Binnen de CVS-groep was er echter geen significant verschil tussen de SW frequentie-banden (p = .355).

Daarna werden regressie-technieken aangewend om het lineair verband tussen ‘small-world’ netwerk-organisatie (gemeten via SW delta, SW alfa-1 & SW alfa-2 gecombineerd) en neurocognitieve stoornissen te bepalen. Er bleken hiervoor twee modellen geschikt […] en deze vonden dat ‘small-worldness’ significant de scores voor neurocognitieve stoornissen voorspelt […]. De sterke effekt-groottes suggereren dat afwijkingen qua ‘small-worldness’ de neurocognitieve stoornissen beïnvloeden […].

De derde uitkomst van belang was de ontwikkeling van voorspellende modellen […] voor SW (delta, alfa-1 & alfa-2) bij patiënten met CVS. Logistische regressie liet ons op gepaste wijze toe het verband tussen groep-lidmaatschap en ‘small-world’ effekten voor elke frequentie-band aan te geven. Alle modellen werden aangepast voor leeftijd, een potentiële storende factor. Om verschillen tussen de patiënten met CVS in onze studie-groep na te gaan, werden de afwijkende ‘small-world’ waarden (‘small-worldness’ index variabele) in verband gebracht met verhoogd risico bij CVS van SW delta (OR 1.425) maar niet SW alfa-1 (OR 0.702) of SW alfa-2 (OR 0.786). Op basis van deze gegevens was ‘t dus voor de CVS-groep 1.425 keer meer waarschijnlijk dat er afwijkingen op de normale ‘small-worldness’ waren in de delta frequentie-band maar niet in de alfa-1 of alfa-2 band. Het globaal regressie-model was significant bij p = .05.

Bespreking

Naar ons weten is dit de eerste studie die een associatie evalueert tussen ‘small-world’ karakteristieken en cognitieve symptomen bij CVS. Deze bevindingen aangaande wijzigingen qua funktionele connectiviteit suggereren het belang van het toepassen van ‘graph-theory’ bij analyse op connectoom [complete kaart van de neurale verbindingen in de hersenen] -schaal van netwerk-topologie, om subtiele ontwrichtingen te detekteren die het gevolg zijn van CVS. Neurocognitieve stoornissen, gemeten d.m.v. de DSQ cognitieve samengestelde score, bleek negatief geassocieerd met de ‘small-worldness’ index voor de delta-band. Er werden ook verschillen op groep-niveau gevonden maar enkel voor ‘small-worldness’ in de delta-band. Ten slotte: het risico op ‘small-worldness’ afwijkingen in de delta-band is in toenemende mate hoger bij CVS.

‘Small-world’ modellen van de hersen-systemen verkennen het evenwicht tussen sterke ‘clustering’ van lokale systemen met korte pad-lengtes van globale systemen; deze eigenschappen worden als vitaal beschouwd voor de efficiëntie van de informatie-verwerking binnen neurocognitieve netwerken. Dit model benadrukt de morfologische adaptaties (bv. veranderingen qua axonale diameter, witte-hersenstof mechansismen, geleiding-snelheden en energie-transport mechanismen) gestuurd door compromissen/evenwichten en de compensatie die nodig is voor het behoud van de spatiaal-temporale [ruimte/tijd] patronen van de wering van het brein. Er werden verschillen qua verdeling van neurale bronnen gerapporteerd bij CVS in 3 fMRI-studies die de compenserende responsen bij cognitieve taken onderzochten [Caseras X et al. Probing the working memory system in Chronic Fatigue Syndrome: A functional magnetic resonance imaging study using the nback task. Psychosomatic Medicine (2006) 68: 947-955 /// Cook DB, Lange G, et al. Functional neuro-imaging correlates of mental fatigue induced by cognition among Chronic Fatigue Syndrome patients and controls. Neuroimage (2007) 36: 108-22 /// Lange et al. Objective evidence of cognitive complaints in Chronic Fatigue Syndrome: a BOLD fMRI study of verbal working memory. Neuroimage (2005) 26: 513-524]. De bevindingen van onze studie verklaren deze verschillen in termen van eigenaardigheden betreffende deze compromissen, met daaruitvolgende zwakte van de ‘small-worldness’ struktuur, die verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor gebrekkige cognitieve funktie bij mensen met CVS.

Ten tweede: er werd gevonden dat ‘small-worldness’ in de delta-band verantwoordelijk was voor de grootste variantie qua cognitieve samengestelde scores […]. Delta is een trage oscillatie die een sleutelrol speelt in de dynamische coördinatie van grootschalige hersenschors-netwerken […]. In het geval van inflammatoire aandoeningen van het centraal zenuwstelsel is de meest prominente verandering qua dynamieken in grootschalige netwerken: het optreden van corticale vertraging (bv. delta-aktiviteit) tijdens het waken. Bovendien kan delta corticale vertraging het resultaat zijn van een daling van de afferente aansturing door witte-stof of subcorticale letsels in dieper gelegen gebieden. Het vinden van abnormale ‘small-worldness’ in delta suggereert dat er gelijkenissen kunnen zijn tussen CVS en Alzheimer’s, Multipele Sclerose en Parkinson’s, waar abnormale delta-bronnen werden gedetekteerd.

Dit is de eerste studie die ‘small-world’ eigenschappen meet bij CVS via de ‘small-worldness’ index. Gebruikmakend van fMRI-gegevens in rust vonden Kim et al. [zie hierboven] dat de funktionele integratie (globale efficiëntie) verminderd was bij CVS en ontregeling van de globale efficiëntie suggereert dat, door minder biologisch ‘dure’ lange-afstand verbindingen, er een bijkomende belasting op het systeem komt wat betreft het bevredigen van tegengestelde vereisten. De ‘kosten’ van chronische gereduceerde funktionele integratie bij CVS omvatten: 1) een verminderd vermogen om snel gespecialiseerde informatie van verspreide hersen-gebieden te combineren, 2) vertraagde informatie-verwerking snelheid door de compenserende responsen en 3) een veralgemeende stoornis in domeinen van de cognitieve funktie. Onze studie vond echter verschillen gebruikmakend van de ‘small-worldness’ index als een verhouding van individuele ‘small-world’ eigenschappen (‘clustering’ & pad-lengtes) – een maatstaf voor zowel globale en lokale eigenschappen – die in het oog springen bij CVS, afhankelijk van de frequentie-band. Dit onderlijnt de noodzaak voor het overwegen van een combinatie van ‘graph-theory’ metingen voor een meer uitgebreid onderzoek van CVS.

Er zijn enkele beperkingen verbonden met de huidige studie. De resultaten van deze studie dienen omzichtig te worden geïnterpreteerd omwille van de beperkte grootte van het staal. Hoewel significante afwijkingen in de gerapporteerde ‘small-worldness’ fenomenen werden gevonden bij mensen met CVS, zijn neurologische aandoeningen constant geassocieerd met diffuse netwerk-wijzigingen. Het was echter niet de bedoeling van deze studie om te rapporteren over de individuele knooppunten, spillen en modules die betrokken zouden kunnen zijn bij de sub-optimale efficiëntie en gebreken qua informatie-verwerking bij CVS. Hoewel de uitkomst van hersen-funktie na individueel falen van een spilpunt wellicht verder zou reiken dan afzonderlijke lokale gebieden, kan toekomstige research een meer uitgebreide inspectie van de sterkte van de spilpunten, distributie en participatie binnen modulaire strukturen omvatten, om interessante gebieden (ROIs) te identificeren die dienen als potentiële doelwitten voor behandeling. Een andere beperking van deze studie was dat het onderzoeken van ‘small-world’ verschillen beperkt werd tot de delta, alfa-1 en alfa-2 frequentie-banden. Frequentie-afhankelijke veranderingen in corticale arrangementen die in andere frequentie-banden (bv. theta, beta) voorkomen, zouden ook verkend kunnen worden. Ten slotte: niet-significante bevindingen in alfa-1 en alfa-2 kunnen een weerspiegeling zijn van deficiëntie in de diagnostische criteria voor CVS, een deficiëntie in de meting zelf, een probleem met de manier waarop de ROIs werden gedefinieerd, en/of niet-verkende niveaus van complex netwerk analyse gebruikmakend van andere ‘graph-theory’ metingen. Funktionele connectiviteit EEG-merkers geassocieerd met neurocognitieve stoornissen en ‘small-worldness’ in andere frequentie-banden zouden in toekomstige studies moeten worden geverifieerd.

Besluiten

De huidige bevindingen ondersteunen het concept dat ‘small-worldness’ gewijzigd is bij CVS. Dit heeft belangrijke implicaties voor dit studie-gebied. Bijvoorbeeld: systeem-afhankelijke koppeling van oscillaties is fundamenteel belangrijk voor de werking van het centraal zenuwstelsel en kan sterk beïnvloed zijn door vertragingen van de geleiding-snelheid en myeline-plasticiteit. Er werden veranderingen in de witte-hersenstof gerapporteerd bij CVS [Puri et al. Regional grey and white matter volumetric changes in Myalgic Encephalomyelitis (Chronic Fatigue Syndrome): A voxel-based morphometry 3 T MRI study. British Journal of Radiology (2012) 85: e270-e273], ook geassocieerd met klinische metingen [Barnden LR et al. A brain MRI study of Chronic Fatigue Syndrome: evidence of brainstem dysfunction and altered homeostasis. NMR Biomed. (2011) 24: 1302-1312], en een toename qua myelinogenese [aanmaak van de myeline-schede rond axonen] die afhankelijk is van de ernst werd ook gevonden [Barnden LR et al. Evidence in Chronic Fatigue Syndrome for severity dependent upregulation of pre-frontal myelination that is independent of anxiety and depression. NMR in Biomedicine (2015) 28: 404-413]. Disruptie van witte-stof zou het verband tussen abnormale eLORETA coherentie-patronen van grootschalige complexe systemen bij CVS kunnen verklaren. Bovendien toont de link tussen cognitieve symptomen en ‘small-worldness’ het fundamenteel belang van timing, stabiliteit en adaptatie van complexe systemen bij CVS, welke gerelateerd kunnen zijn met bevindingen betreffende neuro-inflammatie bij patiënten [Nakatomi et al. Neuroinflammation in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: an 11C-(R)-PK11195 PET study. J Nucl Med. (2014) 55: 945-50]. Het begrijpen van netwerk-dynamieken bij CVS in termen van eLORETA coherentie is een belangrijke manier voor het begrijpen van compenserende mechanismen en zou kunnen dienden als een praktisch instrument voor het onderzoeken van grootschalig verlies van cognitieve funktie gerelateerd met adaptieve reconfiguratie van hersen-netwerken. Er is nood aan verder onderzoek dat de aktiviteit-afhankelijke modificaties van brein-connectiviteit bij CVS met disruptie van neurocognitieve processen vormgeeft.

————————-

In Gent, België, leidt Jan Ost – “pionier op het vlak van kwantitatieve EEG analyses en neuromodulatie” – de BRAI3N kliniek (Brain Research centre for Advanced, Innovative, Interdisciplinary and International Neuromodulation). Zijn team deed reeds onderzoek naar de connectiviteit bij fibromyalgie (PLoS One (2017) 12: e0178516: ‘Resting state electrical brain activity and connectivity in fibromyalgia’) maar nog niet bij M.E.(cvs). qEEG onderzoek is in België sinds 2012 door het RIZIV erkend en wordt terugbetaald op voorschrift van een (neuro)psychiater…

december 9, 2017

Diagnostisch biomerker-profiel voor fibromyalgie?

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 3:39 pm
Tags: , , , , ,

Metaboloom- (analyse van de kleine molekulen die resulteren uit metabole interakties of cellulaire processen) en metabolisme-studies aangaande M.E.(cvs) kwamen hier al aan bod (zie bv. ‘Metabole kenmerken van M.E.(cvs)’, ‘Metabole veranderingen in spieren en hersenen bij CVS’, ‘Cellulaire bio-energetica verstoord bij patiënten met M.E.(cvs)’, ‘Verstoorde werking van pyruvaat-dehydrogenase bij M.E.(cvs)’, ‘Dysfunktie van de TCA- & de ureum-cyclus bij CVS’). Dergelijke studies betreffende fibromyalgie (FM) zijn eerder zeldzaam. De resultaten van onderstaande studie – door researchers van de Univeristeit van de Zuid-Afrikaans provincie North West, in samenwerking met mensen van de Radboud Universiteit (Nijmegen, Nederland) – kunnen aanwijzigingen geven naar wat gemeenschappelijk en wat verschillend is voor beide (overlappende) aandoeningen…

Van de 6 meest belangrijke metabolieten werd nagegaan of hun waarden FM-patiënten konden differentiëren van gezonde controles. Eén van de door de onderzoekers gebruikte modellen suggereerde dat de waarden van slechts 3 metabolieten (creatine, barnsteenzuur – succinaat; gegenereerd in de TCA-cyclus in de mitochondrieën – & taurine) zeer sterk diagnostisch waren voor FM. Correlatie-analyse van door de patiënten gerapporteerde symptomen en de metabolieten gaf ook aan dat creatine en barnsteenzuur bijdragen tot de vermoeidheid en pijn bij FM.

De auteurs waren vooral geïnteresseerd in de neurologische implicaties van hun bevindingen maar het is interessant – gezien de overlap van FM met M.E.(cvs) en studies die wijzen in de richting van een problematische aanmaak van energie bij M.E.(cvs) – dat ook hier problemen met het energie-metabolisme naar voor komen.

Bevestiging is een volgende stap en misschien kunnen er dan vergelijkingen worden gemaakt tussen FM en M.E.(cvs)…

In een piloot-studie bij M.E.(cvs), uitgevoerd door Maureen R. Hanson et al. (‘Cornell University’, New York; gepubliceerd in het tijdschrift Molecular BioSystems) – ‘Metabolic profiling of a Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome discovery cohort reveals disturbances in fatty acid and lipid metabolism’ – werden 74 “differentieel accumulerende metabolieten” gevonden op een totaal van 361 onderzochte (35 significant gewijzigd na statistische correctie). Daarbij meerdere “essentiële energie-gerelateerde molekulen” die theoretisch gelinkt kunnen worden aan het algemeen gebrek aan energie dat wordt gezien bij M.E./CVS. Er werden “enkele mechanismen aangewezen met een hoge impact.”; daaronder het taurine-metabolisme. Verder maakten Niblett SH et al. (Hematologic and urinary excretion anomalies in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Exp Biol Med (2007) 232: 1041-1049) al melding van gedaalde urinaire excretie van de TCA-cyclus intermediairen barnsteenzuur (succinaat) en citroenzuur (citraat).

Conclusies omtrent de concrete betekenis van de wijzigingen val elk metaboliet worden hier niet echt getrokken. Het was vooral de bedoeling na te gaan of er (een combinatie van) merkers konden worden gevonden om het stellen van de diagnose te verbeteren.

————————-

BMC Neurology (2017) 17: 88

A diagnostic biomarker profile for fibromyalgia syndrome based on an NMR metabolomics study of selected patients and controls

Bontle G. Malatji (1), Helgard Meyer (2), Shayne Mason (1), Udo F.H. Engelke (3), Ron A. Wevers (3), Mari van Reenen (1) & Carolus J. Reinecke (1)

1 Centre for Human Metabonomics, Faculty of Natural Sciences, North-West University (Potchefstroom Campus), South Africa

2 Department of Family Medicine, Kalafong Hospital, University of Pretoria, South Africa

3 Radboud University Nijmegen Medical Centre, Translational Metabolic Laboratory, Department of Laboratory Medicine, Nijmegen, The Netherlands

Samenvatting

Achtergrond Fibromyalgie (FMS) is een chronische pijn syndroom. Er is onzekerheid over een plausibele pathogenese van de ziekte en het streven naar biomerkers voor een objectieve identificatie van aangetaste individuen blijft voortdurende inspanning vergen. Onze doelstelling was het uitvoeren van een exploratieve metabolomica-studie om (1) het globaal urinair metabolieten-profiel van FMS-patiënten te verhelderen en (2) het potentieel te exploreren van deze metabolieten-informatie om de diagnose van de ziekte te verbeteren.

Methodes We selekteerden patiënten met een medische geschiedenis van persistente FMS (n = 18), die hun recente ziekte-toestand beschreven d.m.v. de ‘Fibromyalgia Impact Questionnaire’ (FIQR) en een klinische vragenlijst (IHCQ [‘in-house clinical questionnaire’]). Er werden 3 controle-groepen gebruikt: eerste-graad familieleden [moeder/vader/zus/broer] van de patiënten (n = 11), leeftijd-gerlateerde individuen zonder aanwijzingen voor FMS of verwante aandoeningen (n = 10) en gezonde jonge (18-22 jaar) individuen (n = 20). Alle individuen waren vrouwen en de onderzochte biologische vloeistof was urine. Correlatie-analyse van de FIQR toonde dat de FMS-patiënten een goed gedefinieerde ziekte-groep voor deze metabolomica-studie vertegenwoordigden. Er werden spectrale analyses van urine uitgevoerd m.b.v. een 1H nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectrometer […].

Resultaten & discussie Multivariate analyses onderscheidden de 3 controle-groepen en de FMS-patiënten, en er werden significante toenames qua metabolieten gerelateerd met het darm-microbioom (hippuur-, barnsteen- & melkzuur) gezien. We ontwikkelden een algoritme voor de diagnose van FMS bestaande uit 3 metabolieten – barnsteenzuur, taurine & creatine – die een goede diagnostische accuraatheid gaven […] en wat betreft de pijn en vermoeidheid voor de geselekteerde FMS- patiënten groep.

Besluit Onze gegevens en vergelijkende analyses gaven een gewijzigd metabool profiel voor FMS-patiënten aan, dat analytisch detekteerbaar is in hun urine. Validatie-studies kunnen de bewijzen omtrent de urinaire metabolieten steviger onderbouwen en zo bijkomende informatie geven voor een betere objectieve diagnose van FMS.

Achtergrond

FMS is een courant chronische pijn syndroom dat wordt gekenmerkt door wijdverspreide musculo-skeletale pijn, geassocieerd met meerdere andere symptomen zoals cognitieve stoornissen, ontregelde slaap en chronische vermoeidheid. Het ‘American College of Rheumtology’ (ACR) publiceerde voor het eerst criteria voor FMS in 1990; die benadrukten chronische wijdverspreide musculo-skeletale pijn (inclusief pijn in het axiaal skelet [beenderen van het hoofd en de romp]) in aanwezigheid van minimum 11 van 18 specifieke gevoelige punten (‘tender-points’) bij het uitoefenen van een manuele druk van 4 kg/cm2.

De 2010 ACR criteria voor FMS worden toegepast via een 2-delige, zelf-rapportering vragenlijst en vereisen geen ‘tender-point’ beoordeling. Het eerste deel beoordeelt de aanwezigheid van pijn op 19 plaatsen op het lichaam (wijdverspreide pijn index) en deel twee meet de symptoom-ernst (score 0-3) van 3 kern-symptomen (slapeloosheid, vermoeidheid en cognitieve stoornissen) en een gemiddelde score (0-3) voor bijkomende somatische symptomen. FMS is de meest courante oorzaak van wijdverspreide en veralgemeende musculo-skeletale pijn en treft 2-8% van de volwassen bevolking met de hoogste prevalentie bij vrouwen tussen 30 en 55 jaar.

FMS wordt gezien als een centrale sensitiviteit syndroom geassocieerd met abnormale pijn-verwerking. Het wordt beschouwd als een “pijn-amplificatie syndroom” geassocieerd met verhoogde gevoeligheid van het zenuwstelsel en verminderde anti-nociceptie, resulterend in de klinische fenomenen van hyperalgesie [verhoogde pijngevoeligheid] en allodynia [ervaring van pijn bij een gewoonlijk niet-pijnlijke prikkel]. Dysfunktie van de centrale mono-aminerge neurotransmissie [gebuikmakend van mono-amine neurotransmitters] waarbij serotonine, norepinefrine, ‘nerve-growth’ factor, substantie-P en andere betrokken zijn, bleek geïmpliceerd bij de pathofysiologie van of FMS. FMS-patiënten vertonen dikwijls co-morbiditeiten met prikkelbare darm syndroom, interstitiële cystitis [chronische, niet-infektueuze inflammatie van de blaas] en stemming-aandoeningen.

In afwezigheid van een objectieve biomerker is de diagnose van FMS gebaseerd op een uitgebreide klinische beoordeling. Vóór 2010 was de diagnose gebaseerd op de 1990 ACR criteria […]. Hoewel de 2010 ACR criteria de ‘tender-points’ niet meer omvatten, blijft een musculo-skeletaal klinisch onderzoek aangewezen om andere oorzaken van wijdverspreide pijn uit te sluiten en ook de oorzaken van de perifere pijn (bv. myofasciale trigger-punten [fascia = bindweefsel-band onder de huid]) te identificeren. Selektief gebruik van laboratorium-testen wordt aangewend om andere oorzaken van wijdverspreide pijn (zoals polymyalgia rheumatica [spier-reuma; syndroom met ontstekingen aan bepaalde groepen spieren – nek, schouders of bekken] en hypothyroïdisme) uit te sluiten.

Het streven naar specifieke en meetbare biomerkers die kunnen helpen bij het objectief identificeren van vatbare individuen, het bevestigen van de diagnose en het versnellen van de behandeling, blijft een continue inspanning bij de research omtrent FMS. De ontwikkeling van ‘high-throughput’ metabole profilering en het bestuderen van het metaboloom bleken bijzonder toepasbaar bij neurologische research waar kleine molekulen belangrijk zijn bij het neurochemisch metabolisme en het spelen van een rol als neurotransmitters, signalisering-modulators en osmolyten [molekulen die bijdragen tot de (regulering van) osmotische druk in cellen en weefsels; spelen een rol bij het behouden van het cel-volume en het vloeistof-evenwicht, beschermen de cellen tegen osmotische stress, droogte, hoog zout-gehalte of hoge temperatuur]. Er wordt algemeen verwacht dat metabolomica profilering-methodes, gelinkt met systeem-biologische benaderingen, zullen opduiken bij goed gedefinieerde metabole fenotypes, en het begrijpen van het brein-metabolisme bij gezondheid en ziekte zullen verbeteren. Enkele metabolomica-studies hebben over fibromyalgie gerapporteerd, waarbij werd gewag gemaakt van potentiële nieuwe inzichten omtrent metabole verstoringen in de hersenen […].

In een piloot-studie (enkel als poster op een ‘Annual Meeting of the Rheumatologic Society of the UK’ (2001) [Richards SCM et al. Muscle metabolites detecte[d in urine in fibromyalgia and Chronic Fatigue Syndrome may suggest ongoing muscle damage]), rapporteerden de onderzoekers dat spier-metabolieten die werden gedetekteerd in de urine van fibromyalgie-patiënten suggestief kunnen zijn voor spier-schade. Hoewel dit niet per definitie een metabolomica-studie is, onthulde hun doelgerichte metabolieten-analyse van urine d.m.v. nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, significante waarden van creatine bij FMS-patiënten en gestegen (p < 0.05) urinaire excretie van choline [organische stof die belangrijk is voor de struktuur van cel-membranen en andere membraan-strukturen, en voor neurotransmissie], taurine [zwavel-bevattend organisch zuur met fundamentele biologische rollen waaronder anti-oxidatie, modulatie van calcium-signalisering, enz.], citraat & trimethylamine N-oxide (TMAO [osmolyt]) t.o.v. gematchte controles.

De eerste metabolomica-studie over FMS (2013) [Hackshaw KV et al. A bloodspot-based diagnostic test for fibromyalgia syndrome and related disorders. Analyst. (2013) 138: 4453-62], gebruikte 50 μl op ‘blood-spot’ kaartjes gecollecteerd bloed van FMS-patiënten (n = 14), osteoartritis (OA; n = 15) & Reumatoïde Artritis (RA; n = 12). Via mid-infrarood micro-spectroscopie (IRMS) en andere analyses bleken de RA- & OA-groepen metabool gelijkaardig maar verschillend van het metabolieten-profiel van FMS. De IRMS-benadering kon de metabolieten verantwoordelijk voor de diagnostische spectrale differentiatie niet conclusief identificeren, hoewel veranderingen in tryptofaan [essentieel aminozuur] -katabolisme betrokken bleken.

Een andere metabolomica-benadering voor FMS betrof vloeistof-chromatografie/‘quadrupole-time-of-flight’/massa-spectrometrie (LC/Q-TOF/MS) [uiterst gesofisticeerde scheiding-technieken] met multivariate statistische analyse met als doel het onderscheiden van FMS-patiënten (n = 22) en controles (n = 21) via bloed-plasma analyse [Caboni P et al. Metabolomics analysis and modeling suggest a Lysophosphocholines-PAF receptor interaction in fibromyalgia. PLoS One. (2014) 9: e107626 — Hypothese: oxidatieve fragmentatie van (cel-membraan) lipiden kan overvloedig lysoPCs generen die als PAF-achtige bio-aktivatoren gaan fungeren. (Bij M.E.(cvs) is er ook verhoogde oxidative stress.) Het PAF/PAFr systeem speelt een rol bij het moduleren van pijn-signalisering. PAF = ‘Platelet Activating Factor’ (1-alkyl-2-acetyl-sn-glycero-3-fosfocholine; ‘bloedplaatjes-aktiverende factor’)]. Lysofosfocholinen (lysoPCs [ook: lysofosfatidylcholinen (LPC) of lysolecithinen]), fosfocholine [(sfingo)lipide-molekule; wanneer een cel beschadigd is, bindt het met CRP waardoor fagocytose kan starten] & ceramide [(sfingo)lipide-molekule in het celmembraan waarvan bekend is dat het signalen door kan geven die leiden tot celdood; Naviaux rapporteerde bij M.E.(cvs) gedaalde waarden: ‘Metabole kenmerken van M.E.(cvs)] domineerden het metabolieten-profiel. De metabolieten die het best FMS-patiënten en controles onderscheidden, werden geïdentificeerd als 1-tetradecanoyl-sn-glycero-3-fosfofoline & 1-hexadecanoyl-sn-glycero-3-fosfocholine – wat suggereert dat lysoPCs potentiële biomerkers voor FMS kunnen zijn.

Naast deze metabolomica-bevindingen verstrekte een overzicht over biomerkers voor FMS bijdragen over genetische en proteoom-studies [Giacomelli C et al. Biomarkers in fibromyalgia: a review. Curr Biomark Find. (2014) 4: 35-41]. Hoewel werd dat getoond dat genetische factoren de voorbestemdheid voor FMS beïnvloeden, werden geen specifieke genen als zijnde betrokken bij deze ziekte bevestigd. Het overzicht lijstte ook meerdere proteïnen van de immuun-respons, cytoskelet-hermodelering en het inflammatoir proces bij FMS op. Hun rol bij FMS is echter nog controversieel.

De beschikbaarheid van biomerkers voor ondubbelzinnige en objectieve diagnose van FMS blijft zodoende moeilijk te bereiken in de klinische praktijk. Toch zouden metabolieten die worden geïdentificeerd als betrokken bij de etiologie en pathogenese van FMS ondertussen kunnen helpen inzicht te verwerven in de verscheidene vormen van FMS en ondersteunende diagnostische test-criteria bieden om algemene diagnostische procedures aan te vullen. We presenteren hier dus de resultaten van een 1H NMR metabolomica-studie bij FMS. Alle individuen waren vrouwen en leverden urine-stalen in voor de studie. Het onderzoek werd ontworpen als een ongerichte benadering en leverde informatie op over metabolieten met een voorspellend potentieel betreffende het onderscheiden van FMS-patiënten en gezonde jonge controles. De uitkomsten beklemtonen de veelzijdigheid van metabolomica om inzichten te verkrijgen betreffende de ziekte-pathofysiologie om potentiële nieuwe benaderingen te verkrijgen ter aanvulling van bestaande protocollen die worden voorgesteld aan de praktiserende klinicus om FMS vast te stellen en de behandeling ervan te monitoren.

Methodes

Invididuen, fysieke kenmerken, symptomen en klinische profielen

Patiënten eerder gediagnosticeerd met FMS door dezelfde klinische pijn-specialist (praktijk in Pretoria, Zuid-Afrika). […]

Voorbereiding van de stalen en 1H NMR analyse

NMR uitgevoerd in het ‘Translational Metabolic Laboratory’ van het ‘Radboud University Medical Centre’ in Nijmegen, Nederland. […]

Gegevens en statistische analyse

[…]

Resultaten

Karakeristieken van de FMS-patiënten

Het leeftijd-profiel van de patiënten valt samen met het idee dat FMS ongewoon is bij jonge individuen (< 25-30 jaar) en met de leeftijd stijgt tot een prevalentie-piek bij individuen van middelbare leeftijd, en dan terug afneemt. 88% van onze patiënten had een stabiele relatie met een mannelijke partner, 89% had één of andere dag-invulling of tewerkstelling en hun emotionele ervaring was niet ernstig aangetast door hun ziekte. De pijn-beleving en gebruikte medicatie kwam overéén met wat algemeen wordt voorgeschreven bij FMS. De gemiddelde scores voor de 21 FIQR-vragen [Bennett RM et al. The revised fibromyalgia impact questionnaire (FIQR): validation and psychometric properties. Arthritis Res Ther. (2009) 11: 415] werden vergeleken.

[FIQR-vragenlijst] […] Weinig overlappingen binnen de patiënten-groep met andere FMS-gerelateerde aandoeningen. We concluderen dat de FMS-patiënten een goed gedefinieerde groep vertegenwoordigt.

Genereren van gegevens en selektie van gevallen

[…] Nauwgezette inspectie van de NMR-spectra geeft aan dat er geen onmiddellijk waarneembare kwalitatieve verschillen waren tussen een representatief voorbeeld voor een FMS-patient en iemand uit de jonge controle groep. Dit suggereert dat FMS niet geassocieerd is met onderscheidende metabole afwijkingen (wat anders is dan wordt gezien bij monogenetische aandoeningen zoals aangeboren metabolisme-defekten). […]

Groep-karakteristieken

[Cluster-analyse; het klassificeren of groeperen in ‘clusters’ of klassen grond van de kenmerken, het doel is het vormen van deel-verzamelingen die elk hun eigen gedeelde kenmerken bevatten.] De voornaamste clusters gevormd tussen familieleden en de leeftijd-gematchte groep t.o.v. de FMS-patiënten bleken heterogeen wat betreft de verdeling van de gevallen. In tegenstelling daarmee vormden zich 2 goed definieerde clusters tussen de FMS-patiënten en de jonge controles, suggestief voor kenmerkende verschillen tussen deze 2 groepen.

[Groep-afscheidingen] Er werd een volledige afscheiding bekomen tussen alle 3 de controle-groepen en de FMS-patiënten. […]

Metabolieten-profiel van de FMS-patiënten groep

Er konden 21 metabolieten worden geïdentificeerd en gekwantificeerd uit de NMR-spectra. Daarvan selekteerden we 20 endogene [door het individu geprocudeerde] metabolieten en we namen 2-hydroxy-isoboterzuur [bakterieel afbraak-produkt van voeding-proteïnen] (van exogene oorsprong [ontstaan door het bakterie-gastheer co-metabolisme in de darm]) op […]. De endogene metabolieten omvatten 7 aminozuren (tyrosine, leucine, valine, histidine, alanine, threonine & lysine), 7 metabolieten die direct of indirect geassocieerd zijn met het energie-metabolisme (melkzuur, barnsteenzuur, citroenzuur, 3-hydroxy-isovaleriaanzuur [afbraak-produkt van proteïnen die leucine bevatten], creatine, carnitine & mierezuur), 3 osmolyten (taurine, TMAO & dimethylglycine [derivaat van het aminozuur glycine]), een belangrijk detoxificatie-produkt (hippuurzuur [afbraak-produkt van voeding-proteïnen]), histamine & een N-acetyl-afgeleide (N-acetyl-X [molekule met een acetyl-groep (O=C-CH3)]). […]

[Na verdere analyse en verfijning van de gegevens omtrent de variabelen die het onderscheid maken tussen FMS-patiënten en controles.] 6 informatieve metabolieten bleken belangrijk: barnsteenzuur, taurine, tyrosine, melkzuur, creatine & trimethylamine N-oxide (TMAO).

Belangrijke endogene metabolieten bij de FMS-patiënten

De lijst omvat dus 21 molekulen […] waarvan er 9 waren die konden gerelateerd worden met fysiologische funkties die geconnecteerd kunnen zijn met FMS.

De neurologische funkties van barnsteenzuur, tyrosine en melkzuur zijn wel-bekend: (respectievelijk) de aërobe mitochondriale energie-regeneratie, een voorloper voor neurotransmitters en een sleutel-metaboliet in de astrocyt-neuron lactaat-shuttle [ANLSH: astrocyten consumeren glucose via de anaërobe glycolyse naar pyruvaat en dan lactaat; dit lactaat wordt afgegeven in de extracellulaire ruimte waarna het wordt opgenomen door de neuronen voor verdere oxidatieve afbraak. M.a.w. neuronen kunnen in bepaalde gevallen lactaat gebruiken voor de energie-produktie.] [Pellerin L et al. Evidence supporting the existence of an activity-dependent astrocyte-neuron lactate shuttle. Dev Neurosci. (1998) 20: 291-9]. Taurine is een β-aminozuur – overvloedig aanwezig in het brein bij zoogdieren – bleek een neurotransmitter te zijn in de substantia nigra (SN [Pigment-houdende kern in de midden-hersenen, die dopamine produceert. De SN wordt ook soms tot de basale ganglia (kernen) gerekend (dit is echter niet algemeen aanvaard). Bij M.E.(cvs) werd verminderde aktivatie van de basale ganglia in verband gebracht met vermoeidheid.]). Er werd op basis van micro-dialyse experimenten bij ratten gesuggereerd dat osmoregulatie [de regulering van de osmotische druk om het vloeistof-evenwicht en de concentratie van elektrolyten (zouten) te behouden] van de niet-synaptische taurine-voorraad van de SN de kwetsbaarheid van cellen van de SN (gezien bij de pathogenese van Parkinson’s) kan beïnvloeden. Voeding-studies suggereren ook dat TMAO betrokken kan zijn in dieet-geïnduceerde variaties in het evenwicht van meerdere osmolyten (inclusief betaine, choline, creatinine & creatine) terwijl van creatine ook werd voorgesteld dat het betrokken is bij pijn ervaren in FMS. Zodoende evalueerden we naderhand de mogelijke diagnostische waarde van deze 6 metabolieten voor FMS. […]

Belangrijke exogene metabolieten bij de FMS-patiënten

Er werd gerapporteerd dat de pijn-intensiteit van patiënten met FMS correleert met de graad van dikke-darm bakteriële overgroei. Deze klinische observatie kan pathogenetische relevantie hebben voor FMS; bakteriële overgroei leidt tot blootstelling van immuun-cellen aan luminale antigenen [bakterieën en voedsel-componenten in de darmholte] en daaruitvolgende immuun-modulatie. Een NMR metabolomica-studie van coeliakie [chronische darm-aandoening door gluten-intolerantie], een multifactoriële immuun-gemedieerde darm-ziekte, suggereerde wijzigingen van het energie-metabolisme – een klinisch kenmerk FMS – terwijl urine-gegevens wezen op wijzigingen van de darm-microbiota. Minimum 3 metabolieten die werden gezien in de urine-stalen van onze FMS-patiënten suggereren verstoringen in hun darm-metaboloom: (1) Hippuurzuur is een normale en belangrijke component van urine en is bij mensen een verhoogd excretie-produkt via onnatuurlijke (detoxificatie) en natuurlijke (gastro-esofagale reflux bij kinderen) bronnen. (2) 2-Hydroxy-isoboterzuur, de meest onderscheidene variabele tussen onze FMS-groep en controles, is kennelijk een afbraak-produkt van darm-microbiotica en bleek statistisch gelinkt met Faecalibacterium prausnitzii [ook één van de bakterie-soorten die verschilden tussen de faecale metagenome profielen van M.E.(cvs) en controles…], een belangrijke commensale bakterie van de menselijke darm-flora (voorgesteld als indicator voor de dynamische basis van gastheer/microbioom symbiose. (3) Melkzuur is een belangrijk tussenprodukt bij veel biochemische processen en is een maatstaf voor zorgwekkende ziekte bij patiënten met een slechte prognose. Het kan endogeen (L-lactaat) of exogeen (D-lactaat) van oorsprong zijn en we stelden voor dat de bepaling van z’n enantiomeren [2 enantiomere molekulen van een verbinding zijn elkaars spiegelbeeld] bij infektueuze aandoeningen een basis kan bieden voor het onderbouwen van de klinische significantie van ziekte-merkers. De aanwezigheid van deze exogene merkers met oorsprong in de darm, geeft verdere indicaties omtrent de verbondenheid tussen stoornissen in darm-microbiële populaties en de metabole gevolgen van het gewijzigd microben/zoogdieren metabool evenwicht die ziekte bij de gastheer beïnvloedt (wat hieronder wordt besproken in de context van FMS).

Een vermeende biosignatuur voor FMS

Een combinatie van 3 selektie-methodes […] werd aangewend om de beste voorspellende metabolieten te identificeren. […] Het beste model was dat op basis van barnsteenzuur, taurine & creatine. […].

Het klassificatie-vermogen van elke model werd bepaald via ‘Receiver Operating Characteristic’ analyse [ROC-analyse is een statistische methode die internationaal gebruikt wordt als toets voor de voorspellende waarde van een variabele of instrument; de ROC-curve is een grafiek van de gevoeligheid tegen de specificiteit]. De waarden van de ‘area under the ROC curve’ (AUC [oppervlakte onder de curve; samenvattende maatstaf die in wezen het gemiddelde maakt van de diagnostische accuraatheid over het spectrum van de test-waarden]) zijn een maatstaf voor hoe goed de combinatie 2 groepen kan onderscheiden. Een AUC = 1 betekent een perfeke test; AUC = 0.90-1 is excellent (hoge sensitiviteit en hoge specificiteit), 0.80-0.90 is goed, 0.70-0.80 is redelijk, 0.60-0.70 is slecht en 0.50-0.60 betekent gefaald. […] [de AUC van het beste model was 0.897]

Correlatie tussen klinisch en metabole indicatoren

D.m.v. statische analyse werden de bivariate relaties tussen FIQR-antwoorden en de 3 endogene variabelen (biosignatuur voor FMS) vergeleken. […] De scores van de 21 FIQR-vragen corresponderen met een gemiddelde gebaseerd op subjectieve zelf-beoordeling […]. De gemiddelde waarden verschilden niet van de gegevens van een referentie-groep […].

[…] De resultaten wijzen op een betekenisvollere relatie tussen de metabolieten van de biosignatuur en klinische symptomen gerelateerd met biochemische verstoringen bij FMS. […] Er was een significant verband tussen creatine en de symptomen pijn en energie (p = 0.024 & 0.003, respectievelijk). Het verband tussen de biosignatuur-componenten met gevoeligheid voor aanraking […] was statistisch niet significant. […]

Bespreking

De resultaten van deze metabolomica-studie leidt tot 3 belangrijke discussie-punten: of FMS een unieke globaal metabool profiel vertoond dat deze zieke kenmerkt, of metabolomica-studies bijdragen tot een objectieve klinische diagnose van FMS en tot darm-microbiële/metabole verstoringen bij FMS.

Aangezien de globale gezondheid-toestand van individuen tot uiting komt in hun metabole status, bestaat het heersend inzicht dat metabolomica-resultaten globale biochemische veranderingen belichamen in een individu bij ziekte en neurologische aandoeningen; dit wordt ondersteund door onze resultaten en 2 andere NMR metabolomica-onderzoeken. Een eerste NMR metabolomica-studie evalueerde de diagnostische accuraatheid van biomerker-profielen bij 3 neurologische aandoeningen: idiopathische intracraniale hypertensie, Multipele Sclerose en cerebrovasculaire ziekte t.o.v. controles met of zonder gecombineerde neurologische ziekten. Het metabolomica-onderzoek bleek verschillen te identificeren qua metaboliet-profielen bij patiënten die lijden aan deze 3 aandoeningen. Een aanverwant besluit werd getrokken uit de tweede NMR metabolomica-studie bij FMS [zie Caboni P et al. hierboven]. Hoewel het een relatief klein aantal patiënten betrof, was de metabolomica-benadering succesvol wat betreft het identificeren van karakteristieke metabole profielen bij FMS-patiënten vergeleken met controles; wat het concept ondersteunt dat het ‘Platelet Activating Factor/Platelet Activating Factor Receptor’ (PAF/PAFr) systeem een rol speelt bij het in moduleren van pijn-signalisering. [zie hierboven] Onze resultaten gaven verder de differentiatie aan van de 3 controle-groepen (familieleden, een leeftijd-gematchte groep en jonge individuen) en de FMS-patiënten. Statistische beoordeling van de uitkomst van een model bevestigde de volledige afscheiding tussen de FMS- en de jonge controle-groepen. De resultaten substantieerden enkele unieke verschillen tussen de globale metabole profielen van de FMS-patiënten en de gezonde jonge controles. De metabolieten die voornamelijk verantwoordelijk zijn voor de differentiatie tussen onze FMS-patiënten en controles omvatten taurine & TMAO, waarvan ook werd gerapporteerd dat ze significant (p < 0.05) verhoogd waren bij FMS-patiënten in een preliminaire NMR studie [zie Richards SCM et al. hierboven]. Daarnaast zagen we verstoord barnsteenzuur, suggestief voor gewijzigd energie-metabolisme bij FMS. Dit resultaat is verbonden met een studie [zie Hackshaw et al. hierboven] waar er relatief verhoogd glucose, het glycolytisch tussen-produkt fosfo-enolpyruvaat, pyruvaat en nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD+) werd gezien in bloed van FMS-patiënten [Bij M.E.(cvs) werden ook problemen met de glycolyse gerapporteerd.]. Deze observatie werd eerder gerapporteerd bij patiënten met chronische wijdverspreide pijn. [Mäntyselkä P et al. Glucose regulation and chronic pain at multiple sites. Rheumatology. (2008) 47: 1235-8]

Een gemeenschappelijke draad in metabolomica-studies bij FMS die hier wordt besproken, is de bevestiging van het vermogen van metabolomica om afzonderlijke metabole profielen te identificeren voor FMS-patiënten vergeleken met controles. Sommige metabolieten/biomerkers zouden daarom kunnen bijdragen tot het ziekte-fenotype omwille van een rol in de pathogenese van FMS. De biomerkers die werden onthuld in deze metabolomica-studies leken echter niet metabool nauw verbonden, maar dit kan te wijten zijn aan de multi-factoriële aard van FMS. Het is ook opmerkenswaardig dat de 2 belangrijkste beperkingen van onze eigen en de andere 2 metabolomica-studies de onderzochte FMS-groepen en de gebruikte analytische methodes zijn. De meeste metabolomica-studies worden beperkt door het aantal beschikbare individuen, en daardoor is er uiteindelijk nood aan follow-up validatie-studies met grotere en beter gedefinieerde groepen. Verder: gezien de complexiteit van het menselijk metaboloom en de multi-dimensionele aard van biovloeistoffen en andere biologische stalen die beschikbaar zijn voor metabolomica-studies, kan niet één enkele analyse-technologie de informatie die in deze stalen ligt opgesloten onthullen. Niettemin reiken metabolomica veel verder dan de standaard technieken in de klinische chemie, omdat ze gedetailleerde karakterisatie van metabole fenotypes toelaten en leiden tot, uiteindelijk, de zogenaamde precisie-geneeskunde waarbij kennis van unieke metabole storingen de ziekte-toestand van de individuele patiënten verklaart. Een derde beperking van de huidige studie is het gebruik van de 1990 criteria voor FMS – de patiënten-selektie gebeurde vóór de publicatie van de herziene criteria in 2011. Het gebruik van deze laatste criteria is nu standaard praktijk in onze pijn-kliniek.

Dus: kunnen metabolomica-studies bijdragen tot de vooruitgang omtrent de objectieve klinische diagnose van FMS? De resultaten van de huidige en de 2 andere metabolomica-studies betreffende de ziekte impliceren dat dit het geval is, weliswaar met enkele aanpassingen. De analyses van de bloed-spots van FMS-patiënten leverde informatie via IRMS-technologie (differentiatie van de stalen van FMS-individuen van mensen met RA of OA => nul mis-klassificaties = 100% accuraatheid). De accuraatheid van de metabolomica-benadering was 75% maar het voordeel was het openbaren van een lijst metabolieten die aan de basis kunnen liggen van de geïdentificeerde verschillen. De mogelijke rol van lysoPCs als biomerkers of als bijdragers tot het FMS-fenotype en funktie in de pathogenese van deze aandoening suggereert dat ze potentiële nieuwe ziekte-biomerkers zijn en daardoor een nieuwe benadering openen voor de behandeling van FMS. Evenzo bleek het voorspellend potentieel van de combinatie van barnsteenzuur, taurine & creatine uitstekend voor het onderscheiden van gevallen met FMS en controles (AUC = 90%). De combinatie van creatine en barnsteenzuur vertoonde ook een significante correlatie met de kenmerkende symptomen (pijn en vermoeidheid) van FMS. De inclusie van deze voorspellende informatie omtrent deze 3 metabolieten zou mettertijd deel van de initiële evaluatie van patiënten die vermoedelijk aan de ziekte lijden kunnen uitmaken, in afwachting van validatie van diagnostische merkers voor FMS.

Ten slotte: de betrokkenheid van darm-microbiële/gastheer-metabole verstoringen bij FMS zou significant kunnen bijdragen tot het definiëren van het klinische profiel bij FMS. Brein/darm-interakties zijn cruciaal voor het behouden van de homeostase. Het lijkt er op dat met neuroplasticiteit gerelateerde systemen en neurotransmitter-systemen beïnvloed zijn door de darm/brein-as regulering en verstoorde homeostase kunnen bijdragen tot het risico op ziekte door wijzigingen in het gastro-intestinaal kanaal, centraal zenuwstelsel, autonoom zenuwstelsel en immuunsysteem. De frequent voorkomende co-morbiditeit van fibromyalgie met stress-gerelateerde aandoeningen (zoals Chronische Vermoeidheid Syndroom, prikkelbare darm syndroom en enkele CZS-gerelateerde abnormaliteiten) suggereren dat darm/brein-as regulering minstens een gedeeltelijke gemene deler is voor deze aandoeningen. Deze zienswijze kan mogelijks aan het licht kunnen worden gebracht door gegevens van een follow-up metabolomica-onderzoek met hoge sensitiviteit, zoals d.m.v. op technologieën op basis van massa-spectrometrie.

Besluiten

Een ongerichte 1H NMR metabolomica-analyse van urine-stalen verkregen bij een groep klinisch goed gedefinieerde vrouwelijke FMS-patiënten zonder psychiatrische co-morbiditeit differentieerde deze van een groep jonge gezonde vrouwen. De aanwezigheid van metabole indicatoren voor verstoringen van het darm-microbioom (hippuur-, 2-hydroxy-isoboter- en melk-zuur) ondersteunen het paradigma dat de regulering van de darm/hersenen-as aangetast is bij stress-gerelateerde aandoeningen, zoals FMS. 3 metabolieten-merkers (taurine, creatine & barnsteenzuur) bleken belangrijk voor de differentiatie van FMS-patiënten en controles, en waren significante indicatoren voor de pijn en vermoeidheid bij FMS. Statistische analsyses leverden bewijs omtrent het goede voorspellend potentieel van een combinatie van deze 3 metabolieten voor FMS bij de huidige patiënten-groep. Follow-up metabolomica-onderzoek op een groter aantal urine-stalen, inclusief die van individuen met een hoog risico op het ontwikkelen van de ziekte, alsook longitudinale studies bij FMS-patiënten tijdens behandeling, zijn noodzakelijk om de hier gepresenteerde bevindingen te valideren en mogelijks effekten te detekteren die grotere statistische ‘power’ vereisen. Deze merkers zouden mettertijd objectieve bijkomende info kunnen bieden om, samen met ‘tender-point’ metingen en FIQR vragenlijsten, FMS te bevestigen.

november 24, 2017

miRNA veranderingen na inspanning in het ruggemergvocht bij CVS & GWI

Op deze pagina’s hadden we ’t reeds over ‘MicroRNAs in plasma bij CVS/M.E.’, ‘MicroRNAs: Potentiële diagnostische biomerkers in NK-cellen bij M.E.(cvs)’ & ‘Cytotoxische lymfocyten microRNAs – merkers voor M.E.(cvs)?’. miRNAs beïnvloeden de expressie van genen en dus de aanmaak van proteïnen (aan- of afzetten).

Professor James Baraniuk (‘Georgetown University’) rapporteerde ook al over studies bij veteranen met Golf Oorlog Ziekte (‘Gulf War Illness,’ GWI) (zie ‘Verband hersen-dysfunktie & post-exertionele malaise bij Golf Oorlog Ziekte’) en M.E.(cvs) ‘zie ‘CVS-gerelateerd proteoom in cerebrospinaal vocht’.

In onderstaande studie vergeleken de auteurs miRNA-patronen in ruggemerg-vocht (cerobrespinaal vocht; CSV) bij deze ziekten, voor en na inspanning. Vóór een fiets-inspanning waren de miRNA-waarden bij alle deelnemers hetzelfde; erna waren er significante verschillen. Controles, GWI-veteranen en M.E.(cvs)-patiënten vertoonden afzonderlijke verandering-patronen. Bij M.E.(cvs) waren er bv. 12 miRNAs verlaagd na inspanning. De auteurs lieten noteren dat “deze door inspanning geïnduceerde miRNA-patronen wijzen op andere mechanismen voor post-exertionele malaise, niettegenstaande de overlappende symptomen”.

Opmerking: Baraniuk & Shivapurkar hebben enkele patenten omtrent deze materie op hun naam…

————————-

Scientific Reports 7, Article: 15338 (november 2017)

Exercise-induced changes in cerebrospinal fluid miRNAs in Gulf War Illness, Chronic Fatigue Syndrome and sedentary control subjects

James N. Baraniuk, Narayan Shivapurkar

Division of Rheumatology, Immunology and Allergy, Department of Medicine, Georgetown University, Washington, District of Columbia, United States of America

Samenvatting

Golf Oorlog Ziekte (GWI) en Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) hebben gelijkaardige profielen met pijn, vermoeidheid, cognitieve dysfunktie en exertionele uitputting. Post-exertionele malaise suggereert dat inspanning het funktioneren van het centraal zenuwstelsel verandert. Er werden lumbaal-punkties uitgevoerd bij GWI-, CVS- en controle-individuen na (i) overnacht rust (‘non-exercise’) of (ii) submaximale fiets-inspanning. Inspanning induceerde posturale tachycardie bij een derde van de GWI-individuen (‘Stress Test Activated Reversible Tachycardia’, START). De rest waren ‘Stress Test Originated Phantom Perception’ (STOPP) individuen. MicroRNAs (miRNA) in het cerebrospinaal vocht werden vermenigvuldigd d.m.v. kwantitatieve PCR. De concentratie waren gelijkwaardig voor de ‘non-exercise’ GWI (n = 22), CVS (n = 43) en controle (n = 22) -groepen. Na inspanning vertoonden de START (n = 22) significant lager miR-22-3p dan de controles (n = 15) en STOPP (n = 42), maar hoger miR-9-3p dan STOPP. Alle groepen hadden significant gedaald miR-328 en miR-608 na inspanning vergeleken met de ‘non-exercise’ groepen; dit zouden merkers kunnen worden voor inspanning-effekten op de hersenen. Er waren 6 miRNAs significant verhoogd en 12 verminderd bij START, STOPP en controles na inspanning t.o.v. de ‘non-exercise’ groepen. Bij CVS waren 12 miRNAs verlaagd na inspanning. Ondanks de overlappende symptomen bij CVS, GWI en andere ziekten, duiden door inspanning geïnduceerde miRNA-patronen in het cerebrospinaal vocht op onderscheidende mechanismen voor post-exertionele malaise bij CVS, en de START- en STOPP-fenotypes van GWI.

Inleiding

[intro over CVS en GWI – we focussen ons hier echter zo veel mogelijk op CVS (1994 Center for Disease Control criteria)]

We rapporteerden eerder dat GWI-veteranen kunnen worden onderverdeeld in 2 fenotypes op basis van responsen op de fysiologische stressor van een submaximale inspanning test [Rayhan RU et al. Exercise challenge in Gulf War Illness reveals two subgroups with altered brain structure and function. PLoS One (2013) 8: e63903 – lees dit stuk voor meer uitleg over de STAT- & STOPP-fenotypes van GWI].

Cerebrospinaal vocht [ruggemergvocht, verkregen via lumbaal- of ruggemerg-punktie] werd uitgebreid getest wat micro-RNAs (miRNA), proteomica [Baraniuk JN et al. A Chronic Fatigue Syndrome related proteome in human cerebrospinal fluid. BMC Neurol (2005) 5: 22], metabolomica en andere molekulen om de centrale neurotoxische pathologieën te onderzoeken die werden voorgesteld voor GWI en CVS [Barnden LR et al. Autonomic correlations with MRI are abnormal in the brainstem vasomotor centre in Chronic Fatigue Syndrome. Neuroimage Clin. (2016) 11: 530-7]. miRNAs zijn ca. 22 nucleotide lange, enkel-strengige RNAs overgeschreven van genomisch DNA. Ze vormen het ‘RNA-induced silencing complex’(RISC [een multi-proteïne complex met één streng van een klein interfererend RNA (‘small interfering’ siRNA) of microRNA (miRNA). Het gebruikt het siRNA of miRNA als een patroon voor het herkennen van complementair mRNA. Wanneer het een complementaire streng vindt, aktiveert het RNase.]) en binden op complementaire sequenties in het 3’-onvertaald gebied [‘untranslated region, UTR; RNA-gebied gelegen na de start van de ‘translatie’ dat instaat voor de regulering ervan): beïnvloeden dikwijls de gen-expressie] van mRNAs om translatie te onderdrukken of mRNA-afbraak te bevorderen [Door binding op specifieke plaatsen in het 3’ onvertaald gebied, kunnen miRNAs gen-expressie van meerdere boodschapper-RNAs doen dalen door het inhiberen van de translatie of het direct veroorzaken van degradatie van het transcript.]. miRNAs zorgen op een dynamische manier voor de afstelling van de expressie van de meeste cellulaire proteïnen. Er werd gebruik gemaakt van kwantitative polymerase-ketting-reaktie (QPCR) om miRNAs in het cerebrospinaal vocht te meten.

Onze eerste hypothese was dat CVS, GWI en sedentaire controle -individuen in rust (cvs0, gwi0 & sc0) onderling significante verschillen zouden vertonen qua cerebrospinaal vocht biomerkers. De ‘non-exercise’ groepen rustten overnacht en deden geen inspanningen vóór hun lumbaal-punktie. Er werd voorspeld dat de miRNA-patronen van de ‘non-exercise’ groepen verschillend zouden zijn van andere aandoeningen zoals depressie en fibromyalgie. Ten tweede: de verschillen zouden uitvergroot zijn bij SC, CVS en de via inspanning gedefinieerde START- en STOPP-fenotypes van GWI na inspanning wanneer ze onderling werden vergeleken. Ten derde: verschillen tussen de groepen na inspanning en hun overéénkomstige ‘non-exercise’ vergelijking-groep (SC vs. sc0, CVS vs. cvs0, START vs. gwi0, STOPP vs. gwi0) zouden de effekten van inspanning op het centraal zenuwstelsel en de pathologie van exertionele uitputting vormgeven.

Methodes

Klinische informatie

[…]

GWI en gezonde veteranen, en gezonde, niet-militaire, sedentaire controle (SC) individuen vulden vragenlijsten in aangaande de criteria voor GWI en CVS [‘Chronic Fatigue Syndrome Symptom Severity Questionnaire’], gemeenschappelijke symptomen bij CVS en GWI, levenskwaliteit [SF-36], ‘Generalized Anxiety Disorder’ [veralgemeende angst] screening en ‘Centre for Epidemiologic Studies’ Depressie Schaal scores. Fibromyalgie werd bepaald via pijn plus [‘tenderpoint’-]gevoeligheid (1990 [American College of Rheumatology] criteria). Voor klinische en methodologische details zie Rayhan RU et al. [hierboven]. Alle individuen voerden submaximale fiets-inspanning stress-testen uit op 2 opéénvolgende dagen met ervoor en erna magnetische resonantie beeldvorming, gevolgd door een lumbaal-punktie. De individuen fietsten aan 70% van de leeftijd-voorspelde maximum hartslag gedurende 25 min gevolgd door stapsgewijze toenames van de fiets-weerstand tot 85% van de leeftijd-voorspelde hartslag. De inspanning was vereist om de posturale tachycardie te induceren dat het START-fenotype definieert. […]

Kwantitatieve PCR

[…]

miRNA-selektie

Het eerste niveau van beperking vereistte dat miRNAs detekteerbaar zouden zijn via een PCR-cyclus-drempel (Ct [‘cycle-treshold’; aantal PCR-cycli waarbij het gegenereerd significant boven de ‘background’ komt: op dat punt wordt een detekteerbare hoveelheid van het te amplificeren stuk DNA/RNA gegenereerd. De Ct is omgekeerd evenredig met de oorspronkelijke expressie van het gen: hoe meer van het miRNA aanwezig, hoe minder PCR-cycli nodig om het detekteerbaar te maken]) ≤ 35. miRNAs met Ct > 35 werden bestempeld als “niet-detekteerbaar” en hun Ct werd als 35 ingebracht. Ten tweede: om te worden beschouwd als een bruikbare biomerker, moest een miRNA detekteerbaar zijn met een Ct ≤ 35 bij minstens twee derden van de individuen van een groep.

miRNA-normalisatie en ΔΔCt

[De 2 meest gebruikte methodes om gegevens van kwantitatieve PCR te analyseren zijn absolute en relatieve kwantificatie. De eerste bepaalt het ‘copy-number’ waarbij het PCR-signaal wordt uitgezet op een standaard-curve; de tweede bekijkt het PCR-signaal van het transcript in een groep t.o.v. dat van een ander staal (een controle). De 2(-Delta Delta C(T)) – 2−ΔΔCT – methode is een geschikte manier om de relatieve veranderingen in expressie te analyseren. ΔCt = Ct(een doelwit-gen) minus Ct(een referentie-gen); ΔΔCt = ΔCt(een doelwit-gen) minus ΔCt(een referentie-gen) – Δ staat voor verandering/verschil.]

Er werden 4 normalisatie-strategieën en ΔΔCt-berekeningen vergeleken.

N0-analyse (geen ‘normaliser’ [referentie]) gebruikte de volledige set gegevens (alle Ct > 35 ingebracht als 35). De gemiddelde ΔCt werd berekend voor elke groep, daarna werd ΔΔCt bepaald voor elk groepen-paar. […] Voor de andere ‘normalisers’ gebruikten 2 (N2), 3 (N3) en 6 (N6) miRNAs. Voor elk individu werd de ΔCt berekend: het verschil van de N2, N3 of N6 referenties minus de Ct voor elk van de andere miRNAs. […].

De uitkomsten waren: (i) verschillen tussen ‘non-exercise’ groepen (sc0, cvs0 en gwi0), (ii) verschillen tussen groepen na inspanning (SC, START, STOPP, CVS) en (iii) inspanning-geïnduceerde verschillen tussen elke ‘post-exercise’ groep en z’n overéénkomstige ‘non-exercise’ controle-groep. […].

Resultaten

Demografiek

In de CVS-groepen (cvs0, CVS) zaten meer vrouwen en in de GWI-groepen (gwi0, START, STOPP) meer mannen. De levenskwaliteit, vermoeidheid, cognitie, slaap en pijn waren significant verstoord bij de GWI- en CVS-groepen t.o.v. de sedentaire controles. [Baraniuk JN et al. A Chronic Fatigue Syndrome (CFS) severity score based on case designation criteria. Am. J. Transl. Res (2013) 5: 53-68] Fibromyalgie bleek meer prevalent bij CVS en GWI dan controles. De criteria voor GWI, CVS, veralgemeende angst en depressie hebben vermoeidheid, slaap, cognitie en het sympathisch zenuwstelsel als gemeenschappelijke symptomen. […]

‘Normalisers’

[…]

Voor N2 werd miR-489 & miR-490-3p als referentie gebruikt omdat ze (i) werden gedetekteerd in alle individuen met Ct ≤ 35, (ii) overvloedig aanwezig waren in het cerebrospinaal vocht, (iii) kleine varianties (25.2 ± 0.8 & 25.5 ± 0.9, respectievelijk) hadden met een enge reikwijdte voor Ct (minimum 22.8 – maximum 27.8, en minimum 22.3 – maximum 28.1, respectievelijk) en (iv) niet significant verschilden tussen de groepen […].

De N3 was het gemiddelde van miR-489, miR-490-3p & miR-127-3p (29.3 ± 1.2, minimum 24.2, maximum 35). […]

De N6 werd bekomen door toevoeging van miR-124-3p (30.6 ± 1.7), miR-183-3p (31.8 ± 1.0) & miR-433 (29.9 ± 1.5). […].

Alle miRNA-referenties hadden ΔΔCt < 1.0.

N0 selekteerde 31 miRNAs die voldeden aan de de significantie-criteria […]. N2 identificeerde er 21, N3 24 en N6 vond 23 significante miRNAs. De doorsnede van de 4 ‘normalisers’ identificeerde 18 miRNAs met minimum 1 significant verschil tussen de groepen. […] Er was een uitstekende overéénkomst qua grootte-ordes van ΔΔCt tussen de 4 ‘normalisers’. N0 selekteerde 9 bijkomende miRNAs die niet werden gevonden met N2, N3 & N6. Deze werden als vals-positieven beschouwd.

‘Non-exercise’ groepen

Op basis van onze strikte criteria waren geen enkele van de miRNAs significant verschillend bij de ‘non-exercise’ groepen. De ΔCt-waarden voor miR-22-3p waren hoger bij cvs0 dan bij sc0 maar de verschillen bleken niet significant […].

‘Post-exercise’ groepen

miR-22-3p & miR-9-3p waren de enige miRNAs die significant verschilden tussen de ‘post-exercise’ groepen. miR-22-3p bleek een anomalie omwille van het breed Ct-bereik in alle groepen. miR-22-3p was praktisch niet detekteerbaar bij START en dus waren die niveaus bij START significant verminderd in vergelijking met SC en STOPP. De daling bij START maar relatieve toename bij STOPP ondersteunde de aanwezigheid van 2 GWI-fenotypes. Specificiteit en sensitiviteit was 0.76 voor START versus SC (Ct-drempel 29) en START versus STOPP (Ct-drempel 33).

miR-9-3p vertoonde een andere trend. Enkel de START-groep had detekteerbare niveaus (Ct ≤ 35) bij meer dan twee derden van de individuen. Het verschil tussen START en STOPP was klein maar significant. De lage specificiteit en sensitiviteit van 65% bij een Ct-drempel van 33 weerspiegelt de lage niveaus van miR-9-3p in het cerebrospinaal vocht.

miRNAs verhoogd na inspanning vergeleken met ‘non-exercise’ groepen

Inspanning verhoogde de niveaus van meerdere miRNAs in vergelijking met de overéénkomstige ‘non-exercise’ groepen. SC hadden hogere waarden dan sc0 voor miR-22-3p, miR-30d-5p, miR-204-5p, miR-425-3p & miR-99b-5p. De specificiteiten en sensitiviteiten voor miR-204-5p & miR-22-3p waren 0.80 bij drempels van 31 en 32, respectievelijk.

START hadden verhoogde waarden van miR-425-3p & miR-99b-5p in vergelijking met gwi0. miR-370 werd in bijna alle cerebrospinaal vocht stalen gedetekteerd maar enkel START vertoonden een significante stijging t.o.v. ‘non-exercise’ (ΔΔCt = 1.7 ± 2.1 versus gwi0). STOPP vertoonden ook de inspanning-geïnduceerde stijging van miR-99-5p zoals bij SC en START. De specificiteiten en sensitiviteiten voor miR-99b-5p waren ca. 0.75 bij Ct-drempels van 33 voor SC, START en STOPP t.o.v. hun ‘non-exercise’ controls.

Bij CVS waren er geen stijgingingen van miRNA-waarden in vergelijking met cfs0.

miRNAs verlaagd na inspanning vergeleken met ‘non-exercise’ groepen

miR-328 & miR-608 waren significant gedaald door inspanning bij SC, CVS, START en STOPP t.o.v. de ‘non-exercise’ sc0, cfs0- en gwi0-groepen. Deze miRNAs waren detekteerbaar in bijna alle cerebrospinaal vocht stalen in deze studie. De specificiteiten en sensitiviteiten voor miR-328 varieerden van 0.74 bij Ct = 23 voor SC, 0.84 voor CVS, 0.86 voor STOPP en 0.91 voor START (Ct-drempels van 23 tot 25). De specificiteiten en sensitiviteiten voor miR-608 varieerden van 0.78 tot 0.83 (drempels = 28). Verlaagd miR-328 & miR-608 kan een gevolg zijn van inspanning die alle individuen beïnvloedt ongeacht hun ziekte-status.

miR-let-7i-5p, miR-200a-5p & miR-93-3p waren significant gedaald bij START, STOPP en CVS in vergelijking met hun gwi0 en cvs0 ‘non-exercise’ controles. Ze bleben onveranderd tussen SC en sc0.

CVS onderscheidde zich van de andere groepen op basis van significante dalingen van miR-126-5p, miR-186-3p, miR-19b-3p, miR-92a-3p & miR-505-3p t.o.v. de ‘non-exercise’ cvs0groep. De specificiteiten en sensitiviteiten waren ca. 0.82 voor miR-328, miR-608 & miR-92a-3p. Het groot aantal door inspanning geïnduceerde dalingen qua miRNAs differentieerde CVS van SC en de GWI-fenotypes.

Geslacht

miRNA-waarden in het cerebrospinaal vocht was voor vrouwen en mannen in de ‘non-exercise’ en de ‘post-exercise’ groepen gelijkwaardig, uitgezonderd voor een significant hogere waarde van miR-9-3p bij START t.o.v. STOPP-mannen (ΔΔCt = 1.7 ± 1.4).

De enige door inspanning geïnduceerde verandering bij vrouwen was een daling qua miR-328 in de STOPPgroep vergeleken met gwi0 (5.7 ± 0.8). De groepen ‘post-exercise’ SC- en STARTvrouwen (n = 3 elk) waren te klein om betekenisvolle verschillen te betekenen.

De ‘post-exercise’ mannelijke controles hadden significant verhoogde miR-204-3p (4.4 ± 2.8), miR-30d-5p (3.4 ± 2.3) & miR-30a-5p (2.9 ± 2.0) t.o.v. ‘non-exercise’ mannen.

miR-328 was gedaald na inspanning bij mannelijke START (7.2 ± 5.4), STOPP (6.9 ± 4.8) en CVS (5.7 ± 3.7) in vergelijking met ‘non-exercise’ mannen. Mannelijke controles hadden een gelijkaardige magnitude-verandering die niet significant was. STOPP-mannen hadden significant verminderd miR-608 (4.6 ± 3.2) & miR-200a-5p (3.7 ± 2.1).

Deze verschillen waren consistent met de algemene groep-effekten.

Bespreking

Dit is de eerste beschrijving van de effekten van inspanning op miRNA-expressie in het cerebrospinaal vocht bij gezonde individuen. Inspanning verminderde miR-328 & miR-608 bij alle individuen, wat een algemeen effekt op het brein suggereert. Inspanning veroorzaakte afzonderlijke patronen van miRNA-veranderingen bij CVS en de START- & STOPP-fenotypes van GWI, wat wijst op significante pathofysiologische verschillen tussen de aandoeningen.

Anders dan onze start-hypothese waren er geen verschillen qua miRNA-waarden tussen de ‘non-exercise’ groepen controle-, CVS- en GWI-individuen. Daarom zijn ‘baseline’ waarden van cerebrospinaal vocht miRNAs wellicht niet bruikbaar voor diagnose van CVS of GWI.

De enige significante verschillen tussen groepen na inspanning waren verminderd miR-22-3p bij START vergeleken met SC en STOPP, en gestegen miR-9-3p bij START vergeleken met STOPP. Deze verschillen tussen START en STOPP ondersteunen onze 2 GWI-fenotypes [zie Rayhan RU et al. hierboven].

De meest opvallende bevindingen waren de veranderingen tussen ‘post-exercise’ groepen en hun overéénkomstige ‘non-exercise’ vergelijking-groepen. SC hadden 5 verhoogde miRNAs na inspanning, vergeleken met 3 voor START, 1 voor STOPP, en geen bij CVS.

[…]

miR-let-7i-5p, miR-93-3p & miR-200a-5p waren significant verminderd na inspanning bij START, STOPP en CVS, maar niet bij SC. Dit was consistent met een kardinale bevinding bij CVS en GWI: het funktioneren mag normaal lijken in rust maar zal verslechteren na een fysiologische stressor. miR-let-7i was gereduceerd in het plasma na inspanning bij atleten [Nielsen S. et al. The miRNA plasma signature in response to acute aerobic exercise and endurance training. PLoS One (2014) 9: e87308]. De expressie van miR-let-7i is gedaald in de pre-frontale cortex van ratten-model voor depressie. IL6 is een doelwit van miR-let-7i en, zoals voorspeld, was dit cytokine significant gestegen in de hersenen van deze ratten. Wanneer deze ratten toegang tot een loop-rad kregen, verhoogde hun miR-let-7i expressie en daalde hun IL6. Modulatie van miR-let-7i en IL-6 kan bijdragen tot inspanning-geïnduceerde voordelen bij ‘inflammatoire’ depressie. miR-let-7i draagt ook bij tot de regulering van acetylcholine’s muscarine en α4β2 nicotine receptoren [mediëren de fysiologische funkties van de neurotransmitter acetylcholine (ACh)], en de epigenetische regulering van acetylcholinesterase [enzyme dat de afbraak van ACh in choline en acetaat katalyseert]. Deze dieren-modellen zijn wellicht niet geschikt voor CVS of GWI omdat menselijke individuen exertionele inspaning na inspanning ontwikkelen en het is onwaarschijnlijk dat ze spontaan hun inspanning-niveau significant zouden verhogen als ze een loop-band kregen [Keller BA, Pryor JL & Giloteaux L. Inability of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome patients to reproduce VO2peak indicates functional impairment. J. Transl. Med. (2014) 12: 104].

In de CVS-groep waren 12 miRNAs gereduceerd na inspanning. miR-186-3p was gedaald bij ouder-wordende muizen waar het zich richt op ‘β-site amyloid precursor protein-cleaving enzyme 1’ (BACE1 [beta-secretase-1; enzyme dat van belang is bij de vorming van de myeline-schede van perifere zenuwen]) mRNA. Verminderd miR-186-3p laat verhoogde BACE1 mRNA translatie en splitsing van amyloïde peptiden (dat het risico op hersen-ziekte verhoogt) toe. miR-19b-3p bleek gereduceerd in het serum van patiënten met Alzheimer’s, en had ‘signal transduction and activator of transcription 3’ (STAT3 [een transcriptie-factor]) mRNA als doelwit in een muizen-model. miR-92a-3p bleek verhoogd bij glioblastoma [type hersen-kanker] en richtte zich op BCL2L11 [het proteïne gecodeerd door dit hen behoort tot de BCL-2 familie, die werken als anti- of pro-apoptotische regulatoren] om tumor-apoptose te verminderen. De daling ervan na inspanning kan apoptose bij CVS bevorderen. In endotheliale cellen kwam miR-126-5p sterk tot expressie; waar het vasculair (VCAM), intercellulair (ICAM) en geaktiveerd leukocyten (ALCAM) cel-adhesie molekule boodschapper-RNAs als doelwit heeft en dus trans-endotheliale migratie reduceert. Dit is relevant voor immuun-cel influx in de hersenen en hypothesen van neuro-inflammatie bij CVS-pathogenese.

Neuronen kunnen de bron zijn van miR-124-3p, miR-127-3p, miR-433 & miR-323b-5p. Er was weinig overlap met de miRNAs gesynthetiseerd in astrocyten, oligodendrocyten en microglia.

Het epithelium [‘dekweefsel’] van de plexus chorioideus [gebieden aan de rand van hersen-ventrikels waar hersenvocht wordt aangemaakt] kan een primaire bron zijn van miRNAs in het cerebrospinaal vocht. Epitheel-cellen vormen een ééncellige laag verbonden met ‘tight-junctions’ [membranen van cellen komen samen en vormen een soort barrière zodat substanties verplicht worden de cel binnen te dringen om door het weefsel te raken, zodat er controle is over welke toegelaten worden en welke niet] die de strakke cellulaire barrière rond gefenestreerde capillairen [met fenestraties; kleine openingen, poriën] creëeren. Interferon-gamma en andere mediatoren die opgewekt worden door inspanning, inflammatie en andere stressoren, werken op een directe manier op de plexus chorioideus om barrière-permeabiliteit, plasma proteïnen-transport, proteïne-synthesis en sekretie van nutrienten in het cerebrospinaal vocht te moduleren. miR-328, dat bij alle individuen aanwezig was en daalde na inspanning, bindt op de 3’-onvertaalde gebieden [zie hierboven] van bepaalde boodschapper-RNAs om extracellulaire barrière funkties te moduleren. Plexus chorioideus miRNAs worden verpakt in extracellulaire vesikels en afgegeven in het cerebrospinaal vocht. Doelwitten omvatten subventriculaire neurale stamcellen, rijpe neuronen, astrocyten, oligodendrocyten, microglia, meningeale en centrale immuun-cellen. Blokkage van extracellulaire vesikel sekretie door [epitheel]cellen van de plexus chorioideus verminderden hersen-inflammatie in een muizen-model met lipopolysaccharide-geïnduceerde inflammatie. Plexus chorioideus miRNAs kunnen nieuwe doelwitten zijn om acuut ziekte-gedrag, koorts en chronische pijn bij systemische ziekten te moduleren.

De plexus chorioideus is dysfunktioneel bij de ziekte van Alzheimer. Dit levert de rationale om de rol van de barrière bloed/cerebrospinaal vocht te overwegen bij de cognitieve dysfunktie van CVS en GWI. Er zijn talrijke rapporten over gestegen en gedaalde miRNAs in het cerebrospinaal vocht bij Alzheimer’s maar geen enkele kwam overéén met de patronen van onze groepen hier. miR-let-7i-5p was verhoogd bij de ziekte van Alzheimer maar de waarden waren gelijkwaardig met de de ‘non-exercise’ groepen.

Depressie behoort bij de differentiële diagnose omwille van de gemeenschappelijke diagnostische criteria. Majeure depressie wordt gedefinieerd als “affectieve dysfunktie met droevigheid, afgevlakte emoties en anhedonie als essentiële kenmerken”, gevolgd door secundaire criteria zoals vermoeidheid, cognitieve problemen, slaap-stoornissen en somatische dysfunktie. De vraaglijsten naar depressie beklemtonen echter de somatische symptomen. Klachten omtrent vermoeidheid, slaap en cognitieve dysfunktie zullen de totale scores opdrijven en kunnen leiden tot vals-positieve conclusies van majeure depressie zelfs als anhedonie of affectieve klachten afwezig zijn. Dit is bijzonderlijk problematisch bij CVS en GWI waar deze kenmerken behoren tot de diagnostische criteria. Ten gevolge daarvan waren de ‘Centre for Epidemiology-Depression’ (CESD) scores significant verhoogd voor GWI (78,3%), CVS (64,0%) en controles (25,0%).

Kwantitatieve PCR van miRNAs biedt een objectievere oplossing. miR-16 in het cerebrospinaal vocht was significant lager bij patiënten met majeure depressie dan bij controle-individuen. Dit werd echter niet bevestigd bij een onafhankelijke groep die een verschillende patroon (11 significant verhoogde en 5 gedaalde miRNAs) had. Onze gegevens bevestigden geen enkele van deze bevindingen omdat slechts 3 van de miRNAs gedetekteerd werden met Ct ≤ 35 bij meer dan twee derden van onze ‘non-exercise’ groep. miR-425-3p was significant gereduceerd bij depressie-patiënten en werd gedetekteerd bij ongeveer de helft van alle ‘non-exercise’ individuen. Het was verhoogd na inspanning bij SC, START en STOPP maar niet bij CVS. Het gebrek aan reproduceerbaarheid [bij depressie] benadrukt de noodzaak miRNA-bevindingen onafhanhelijk te verifiëren en ondersteunt onze rationale voor strikte statistische criteria om potentiële miRNA-biomerkers te definiëren.

De pijn en gevoeligheid van GWI-individuen gaf systemische hyperalgesie [verhoogde pijngevoeligheid] aan en suggereerde parallellen met fibromyalgie. Er waren 9 miRNAs virtueel ondetekteerbaar bij 10 vrouwen met fibromyalgie vergeleken met 8 gezonde vrouwelijke controles. miR-99b-5p & miR-29a-3p waren afwezig bij fibromyalgie maar werden gedetekteerd bij meer dan twee derden van onze deelnemers. miR-99b-5p was significant verhoogd na inspanning bij SC, START en STOPP. De andere 7 miRNAs werden gedetekteerd bij minder dan de helft van onze specimen. Dit suggereert dat GWI en CVS verschillen van fibromyalgie.

Beperkingen voor het diagnostisch gebruik van kwantitatieve miRNA-analyse in cerebrospinaal vocht omvatten het opmerkelijk gebrek aan consensus omtrent miRNA-waarden bij controle-individuen. Dit kan worden verholpen d.m.v. standardisatie van reagentia en protocollen, ‘open-source’ delen van studie-uitkomsten en meta-analyse van ruwe gegevens. De opbrengst van geëxtraheerd miRNA en detekteerbaarheid werden verbeterd door het gebruik van 0,5 ml i.p.v. 0,2 ml cerebrospinaal vocht. QPCR zonder Ct ‘cut-offs’ ≤ 35 cycli deed het aantal amplificatie-artefacten [sequenties die niet natuurlijk aanwezig zijn maar het kunstmatig gevolg zijn van de methodologie] dalen. De brede ‘range’ van miR-22-3p Ct-waarden kan te wijten zijn aan commerciële wijzigingen aan de reagentia ontworpen voor het verbeteren van miRNA-detektie. Zeer overvloedige miRNAs die werden gedetekteerd met Ct < 35 bij alle individuen werden gebruikt als ‘normalisers’ […]. Er werd gefocust op miRNAs die werden gedetekteerd bij meer dan twee derden van de individuen per groep die succesvolle biomerker-kandidaten voor gebruik in de algemene populatie kunnen zijn. De leeftijden waren vergelijkbaar tussen de groepen en er waren geen verschillen qua expressie tussen vrouwen en mannen. ‘Next-generation’ sequentie-bepaling is een uitstekend instrument maar heeft zorgvuldige interne standardisatie nodig om net zo gevoelig te zijn als QPCR. Voldoende grote stalen waren essentieel omdat onze initiële bevindingen met ca. een dozijn individuen per groep verschillen tussen START en STOPP na inspanning toonden [Baraniuk JN & Shivapurkar N. Cerebrospinal fluid MicroRNA (miRNA) in CFS and Gulf War Illness (GWI). International Association for Chronic Fatigue Syndrome/Myalgic Encephalomyelitis (IACFSME). Fort Lauderdale, 2016] maar deze verschillen kwamen tenslotte terug naar het gemiddelde naar gelang meer individuen werden geanalyseerd. Dit is bijzonder pertinent voor kleinere studies die de differentiële diagnose van CVS en GWI onderzoeken [bv. Bjersing JL et al. Profile of cerebrospinal microRNAs in fibromyalgia. PLoS One (2013) 8: e78762 /// Brenu EW et al. High-throughput sequencing of plasma microRNA in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. PloS One (2014) 9: e102783].

Beperkingen van het test-paradigma omvatten de intensieve aard van de inspanning en MRI-karakterisatie van GWI-individuen om hun fenotypes te bepalen. Er was een lumbaal-punktie vereist voor het verkrijgen van de cerebrospinaal vocht miRNA-biomerkers maar deze procedure is geen contra-indicatie voor het stellen van een objectieve diagnose van. Integendeel: magnetische resonantie beeldvorming met cerebrospinaal vocht QPCR miRNA-profiliering kunnen complementaire instrumenten zijn voor de diagnose van of CVS, GWI en hun subtypes.

Besluiten

De waarden van miRNA in het cerebrospinaal vocht waren gelijkwaardig tussen SC-, CVS- en GWI-individuen die hadden gerust voor inspanning (‘non-exercise’ groepen). De miRNA-waarden waren verschillend van deze die gewijzigd bleken bij depressie, fibromyalgie en Alzheimer’s, wat suggereert dat dit allemaal afzonderlijke ziekten zijn, of dat de gegevens van deze kleinere studies niet konden worden gerepliceerd in deze grotere studie. De miRNA-waarden waren gelijkwaardig tussen de ‘post-exercise’ SC, CVS en GWI-fenotypes (START & STOPP) met uitzondering van miR-22-3p & miR-9-3p die START en STOPP significant onderscheidden. Dit voegt een andere vorm van bewijs toe ter ondersteuning van een neurotoxische pathologie voor GWI en deze 2 GWI-fenotypes. De ‘post-exercise’ waren significant verhoogd (n = 6) of verlaagd (n = 12) t.o.v. de ‘non-exercise’ vergelijking-groepen. miR-328 en miR-608 waren gestegen bij SC, CVS, START en STOPP, en kunnen een globale merker zijn voor de inspanning-stressor op de plexus chorioideus en de hersenen.

CVS had 12 verminderde en 0 vermeerderde miRNAs na inspanning, wat er op wijst dat z’n pathofysiologie en responsen op inspanning uniek zijn in vergelijking met GWI en controless. Ondanks de overlap van symptomen van CVS, GWI en andere ziekten bij de differentiële diagnose, impliceren de afzonderlijke inspanning-geïnduceerde miRNA-patronen in het cerebrospinaal vocht afzonderlijke mechanismen voor post-exertionele malaise bij deze ziekten.

november 10, 2017

Cellulaire bio-energetica verstoord bij patiënten met M.E.(cvs)

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 7:36 am
Tags: , , , ,

Julia Newton en haar collega’s van de ‘Newcastle University’ rapporteren hier dat PBMCs (type witte bloedcellen in het circulerend bloed) van M.E.(cvs)-patiënten niet in staat zijn om voldoende energie te produceren. Bij bevestiging (bij grotere groepen en andere types cellen) zou dit een indicatie kunnen zijn voor een elematair probleem bij de aandoening.

Ze bestudeerden het oxidatieve fosforylatie systeem (‘elektronentransportketen’, mitochondriaal mechanisme voor de produktie van energie (ATP) en de glycolyse (omzetting van glucose waarbij ook energie vrijkomt) onder basale omstandigheden en onder ‘stress’ (belasting), en concludeerden dat de cellen bij fysiologische stress (lees: hogere nood aan glucose) minder in staat zijn om de cellulaire (mitochondriale) ademhaling op te drijven en zo tegemoet te kunen komen aan de energie-behoeften. Een zoveelste aanwijzing dat er iets mis is met de cellulaire energie-produktie bij M.E.(cvs) – zie referenties/links in de tekst.

Bij de mitochondriale stress test wordt d.m.v. de toevoeging van bepaalde chemische stoffen aan het cultuur-milieu van de cellen enkele parameters gemeten waaruit de ATP-produktie, de reserve-capaciteit, het ‘proton-lek’ (mitochondriale ontkoppeling; diffusie van protonen zodat die niet meer kunnen bijdragen tot de synthese van ATP, de energie gaat verloren als warmte), de niet-mitochondriale respiratie, de maximale respiratie (= reserve-capaciteit + ATP-produktie), de basale respiratie (= ATP-produktie + proton-lek) en de koppeling-efficiëntie (graad waarop nuttige energie wordt gemaakt uit de cellulaire brandstof; mate waarop de mitochondriale systemen op elkaar zijn afgestemd) worden berekend.

Voor de glycolyse stress test worden de cellen ‘behandeld’ (ten einde hen glucose te ontzeggen en zo te ‘dwingen’ andere paden aan te wenden om energie te produceren) om de glycolyse, de glycolytische reserve, de glycolytische capaciteit (som van de eerste 2) en de niet-glycolytische verzuring te berekenen.

Het feit dat PMBCs van M.E.(cvs)-patiënten hun energie-output niet kunnen verhogen om aan de behoeften te voldoen voor routine taken lijkt er op te wijzen dat ze metabool uitgeput zijn. Het is een belangrijke bevinding maar de vraag blijft of dit enkel in deze witte bloedcellen is of ook in andere weefsels voorkomt. Het research-team liet optekenen dat ze ook spiercellen op dezelfde manier wil testen…

————————-

PLoS ONE (2017) 12: e0186802

Cellular bioenergetics is impaired in patients with Chronic Fatigue Syndrome

Cara Tomas (1), Audrey Brown (1), Victoria Strassheim (2,3), Joanna L. Elson (4,5), Julia Newton (1,3), Philip Manning (1)

1 Institute of Cellular Medicine, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

2 Faculty of Medical Sciences, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

3 Newcastle upon Tyne Hospitals, NHS Foundation Trust, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

4 Institute of Genetic Medicine, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

5 Centre for Human Metabolomics, North-West University, Potchefstroom, South Africa

Samenvatting

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een zeer uitputtende ziekte met een ongekende etiologie. Abnormaliteiten qua bio-energetische funktie werden genoemd als een mogelijke oorzaak voor CVS. Er werden preliminaire studies uitgevoerd om cellulaire bio-energetische abnormaliteiten bij CVS-patiënten te onderzoeken. Er werd een reeks testen uitgevoerd op perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMCs) van CVS-patiënten en gezonde controles.

Deze experimenten onderzochten cellulaire patronen met betrekking tot de oxidatieve fosforylatie (OX-FOS) en glycolyse. De resultaten toonden consistent lagere metingen van de OX-FOS-parameters in PBMCs van CVS-patiënten vergeleken met gezonde controles. Er werden 7 sleutel-parameters van de OX-FOS berekend: basale respiratie, ATP-produktie, protonen-lek, maximale respiratie, reserve-capaciteit, niet-mitochondriale respiration en koppeling-efficiëntie. Hoewel veel van de parameters verschilden tussen de CVS- en controle-groep, werd maximale respiratie aangeduid als sleutel-parameter met betrekking tot de mitochondriale funktie die verschilde tussen CVS- en controle-PBMCs omwille van de consistentie van de stoornis bij CVS-patiënten die werd gevonden doorheen de studie (p ≤ 0.003). De lagere maximale respiratie in CVS-PBMCs suggereert dat wanneer de cellen fysiologische stress ondervinden, ze minder in staat zijn om hun respiratie te verhogen om te compenseren voor stijgende stress en niet in staat te voldoen aan de cellulaire energie-behoeften. De ontdekte metabole verschillen benadrukken het overmogen van CVS-patient PBMCs om de cellulaire energetische eisen te bevredigen onder basale omstandigheden zowel als wanneer de mitochondrieën onder druk komen te staan tijdens periodes met hoge metabole behoeften.

Inleiding

[…]

Er werd voorgesteld dat abnormaliteiten in de bio-energetische werking de oorzaak kan zijn van de ernstige vermoeidheid die wordt ervaren door CVS-patiënten. Factoren zoals mitochondriale dysfunktie, adenosine-monofosfaat geaktiveerd proteïne-kinase (AMPK [een energie-voelend alarm-proteïne dat een dreigende energie-crisis in de cel voorkomt]) verstoring, oxidatieve stress en skeletspier-cel acidose [‘verzuring’] werden allemaal in verband gebracht met het CVS-fenotype [Brown AE, Jones DE, Walker M, Newton JL. Abnormalities of AMPK activation and glucose uptake in cultured skeletal muscle cells from individuals with Chronic Fatigue Syndrome. PLoS ONE (2015) 10 /// Myhill S, Booth NE, McLaren-Howard J. Chronic Fatigue Syndrome and mitochondrial dysfunction. International Journal of Clinical and Experimental Medicine (2009) 2: 1-16 /// Kennedy G, Spence VA et al. Oxidative stress levels are raised in Chronic Fatigue Syndrome and are associated with clinical symptoms. Free Radical Biology and Medicine (2005) 39: 584-9]. Een abnormaal energie-metabolisme werd geïdentificeerd als een belangrijk interesse-gebied in de CVS-research, met een aantal studies die plasma- en serum-metabolomica onderzochten en wijzigingen qua metabolieten toonden, en de hypothese dat CVS een hypometabool syndroom is [Armstrong CW, McGregor NR et al. Metabolic profiling reveals anomalous energy metabolism and oxidative stress pathways in Chronic Fatigue Syndrome patients. Metabolomics (2015) 11: 1626-39 /// Yamano ES et al. Index markers of Chronic Fatigue Syndrome with dysfunction of TCA- and urea-cycles. Scientific Reports (2016) 6 /// Naviaux RN et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. PNAS (2016) 113 /// Germain AR, Levine SM; Hanson MR. Metabolic profiling of a Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome discovery cohort reveals disturbances in fatty acid and lipid metabolism. Molecular Biosystems (2017) 13: 371-9 /// Fluge OM et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Journal of Clinical Investigation (2016) 1].

Verworven mitochondriale dysfunktie (bv. post-virale infektie) is ook een research-gebied van belang [o.a. Booth NE, Myhill S, McLaren-Howard J. Mitochondrial dysfunction and the pathophysiology of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS). International Journal of Clinical and Experimental Medicine (2012) 5: 208-20 /// Smits B et al. Mitochondrial enzymes discriminate between mitochondrial disorders and Chronic Fatigue Syndrome. Mitochondrion (2011) 11: 735-8]. Mitochondrieën fungeren als het energie-overdracht centrum van de cel en zijn verantwoordelijk voor de produktie van cellulair ATP via respiratie [‘ademhaling’; metabole reakties en processen in de mitochondrieën die de energie uit voedingsstoffen omzetten naar ATP]. Mitochondriale respiratie kan door meerdere factoren worden geïnhibeerd: van cytokine-veranderingen tot oxidatieve stress. Studies omtrent CVS hebben sleutel-indicatoren voor mitochondriale dysfunktie zoals verlaagde aanmaak van ATP [Myhill S, Booth NE, McLaren-Howard J. Targeting mitochondrial dysfunction in the treatment of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS) – A clinical audit. International Journal of Clinical and Experimental Medicine (2013) 6: 1-15 /// Castro-Marrero J, Cordero MD et al. Could mitochondrial dysfunction be a differentiating marker between Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia? Antioxidants and Redox Signaling (2013) 19: 1855-60] en een verstoring van de oxidatieve fosforylatie (OX-FOS [zorgt voor ATP, bron van cellulaire energie; het Ox-Fos systeem omvat meer dan 100 proteïnen, geordend in 5 enzym-complexen in de mitochondrieën]) mechanismen getoond. Bijkomend komen cruciale symptomen die geassocieerd zijn met CVS (zoals vermoeidheid, inspanning-intolerantie en spierpijn) ook voor bij patiënten met primaire mitochondriale ziekten waarvan is geweten dat ze worden veroorzaakt door mitochondriale dysfunktie die het resultaat is van mutaties van het kern- of mitochondriaal DNA (mtDNA) [Newton JL et al. Perceived fatigue is highly prevalent and debilitating in patients with mitochondrial disease. Neuromuscular Disorders. (2015) 25: 563-6]. Er werd gesuggereerd dat mitochondriale dysfunktie voorkwam bij een subgroep van de CVS-populatie. Door een gebrek aan definitief bewijs voor gans de CVS-populatie hebben anderen echter gesuggereerd dat een dergelijk verband niet significant is [o.a. Vermeulen RCW et al. Patients with Chronic Fatigue Syndrome performed worse than controls in a controlled repeated exercise study despite a normal oxidative phosphorylation capacity. Journal of Translational Medicine (2010) 8]. Twee research-groepen hebben onafhankelijk van elkaar getoond dat klinisch gevalideerde pathogene mtDNA-mutaties waarschijnlijk zeer zeldzaam zijn in CVS-groepen [Hanson MR et al. Mitochondrial DNA variants correlate with symptoms in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Journal of Translational Medicine (2016) 14 /// Schoeman EM et al. Clinically proven mtDNA mutations are not common in those with Chronic Fatigue Syndrome. BMC Medical Genetics (2017) 18]. Eén studie vond geen enkele klinisch gevalideerde mtDNA-mutatie die voldoende significant heteroplasmie [aanwezigheid van meer dan één type mitochondriaal genoom] vertoont, terwijl de andere er slechts één vond: een LHON (‘Leber hereditary optic neuropathy’ [LHON; mitochondriale neurodegeneratieve ziekte die de oogzenuw aantast]) mutatie. Daarnaast verschillen de sub-klinische waarden van gekende mtDNA-mutaties niet van deze in de algemene bevolking.

De studie hier richtte zich specifiek op het onderzoeken van sleutel-parameters van de mitochondriale funktie, inclusief de twee belangrijkste energie-producerende mechanismen in de cel – glycolyse en OX-FOS. Veranderingen in deze parameters kunnen wijzen op een mitochondriale basis voor CVS, en mechanismen in de etiopathogenese van de ziekte ophelderen en mogelijke doelwitten voor toekomstige studie identificeren.

De doelstelling van deze studie was het detekteren en vaststellen van veranderingen qua mitochondriale funktie en cellulaire energie-profielen (in PBMCs) van patiënten met Chronische Vermoeidheid Syndroom en gezonde controles. PBMCs kunnen relatief makkelijk worden verkregen via bloed-afname en werden gebruikt om systemisch de mitochondriale funktie na te gaan in controles en CVS-patiënten omwille van hun systemische blootstelling.

Abnormale PBMC bio-energetica werden al onderzocht bij andere chronische ziekten zoals obesitas, type-2 diabetes mellitus (T2DM) en Reumatoïde Arthitis. Er werd een hogere basale respiratie en maximale respiratie getoond bij T2DM-patiënten. Zoals CVS-patiënten ervaren patiënten met T2DM dikwijls vermoeidheid. Eerdere research heeft getoond dat maximale respiratie en reserve-capaciteit in PBMCs correleert met lichamelijk funktioneren en kracht [bij obesitas]. De symptomen beschreven in die studie (zoals spierpijn, zwakte en inspanning-intolerantie zijn ook courante symptomen bij CVS-patiënten. Gezien de gelijkenissen qua symptoom-profielen van deze 2 ziekten, hadden we in deze studie tot doel te onderzoeken of er ook PBMC-abnormaliteiten qua bio-energetische funktie bestaan bij CVS.

Methodes

[…] patiënten voldeden aan de Fukuda diagnostische criteria voor CVS […]

Bereiding van PBMCs

[…]

Extracellulaire flux-analyse

[Flux = doorstroming van het ene naar het andere mitochondriale enzyme-complex]

Werking van OX-FOS en glycolyse werden bepaald gebruikmakend van een ‘extracellular flux analyser’ […] De mitochondriale respiratie wordt gemeten via de afname van de zuurstof-concentratie in het test-medium. […] Veranderingen qua zuurstof- en proton-concentratie worden gedetekteerd. De glycolyse in de cellen wordt gemeten via de daling van de protonen-concentratie in het test-medium (ook gekend als ‘extracellular acidification [verzuring] -rate’, ECAR). Zuurstof-verbruik (OCR) werd gebruikt als een indicator voor OX-FOS, terwijl ECAR werd gebruikt als een indicator voor glycolytische omzetitng van glucose naar lactaat.

De OCR en ECAR werden gemeten na de opéénvolgende toevoeging van test-reagentia. Voor de mitochondriale stress test: oligomycine [ATP-synthase inhibitor; zorgt ervoor dat het enzyme ATP-synthase geen ATP meer kan aanmaken], carbonyl-cyanide-4-(trifluoromethoxy)fenylhydrazon (FCCP [ontwricht de ATP-synthese door het wegleiden van protonen zodat deze geen energie kunnen leveren via OX-FOS]), en rotenon [blokkeert het enzyme NADH-dehydrogenase en zodoende de respiratoire keten] en antimycine-A [inhibeert de cellulaire respiratie]. Daaruit werden de basale respiratie, ATP-produktie, proton-lek, maximale respiratie, reserve-capaciteit, niet-mitochondriale respiratie en koppeling-efficiëntie berekend. Voor de glycolyse stress-test: glucose, oligomycine en 2-deoxyglucose [stopt de glycolyse]. Dit liet toe glycolyse, glycolytische capaciteit, glycolytische reserve en niet-glycolytische verzuring te berekenen. […]

Trypaan-blauw

Na toevoeging van [de kleurstof] trypaan-blauw worden dode cellen blauw om dat ze doorlaatbaar zijn voor de kleurstof en levende cellen blijven ongekleurd. Het percentage levende cellen (t.o.v. het totaal aantal cellen) geeft de cel-viabiliteit.

Statistiek

[…]

Resultaten

[…]

Effekt van het invriezen op PBMC-OCR

De afname van bloedstalen van de patiënten gebeurde sporadisch en was onvoorspelbaar, daarom werd het nodig geacht dat de stalen werden ingevroren om ze op hetzelfde moment te kunnen testen en de variatie te niet te doen. Om die reden werden mitochondriale stress testen uitgevoerd op vers geïsoleerde en ingevroren (-80˚C) PBMCs om het effekt na te gaan van het invriezen (omwille van eerdere tegenstrijdige resultaten). […]

Er werden significante verschillen gezien tussen CVS-patiënten en controles voor zowel verse als ingevroren PBMCs voor dezelfde 4 parameters: basale respiratie (p ≤ 0.043), proton-lek (p ≤ 0.013), maximale respiratie (p ≤ 0.003) en reserve-capaciteit (p ≤ 0.012).

Wanneer we verse en ingevroren PBMC-stalen van CVS-patiënten vergeleken, verschilden de basale respiratie (p = 0.006), ATP-produktie (p = 0.003), maximale respiratie (p < 0.001) en reserve-capaciteit (p < 0.001) significant. Ook bij de gezonde controles werden significante verschillen gezien voor basale respiratie (p = 0.008), ATP-produktie (p = 0.047), maximale respiratie (p < 0.001) en reserve-capaciteit (p < 0.001) tussen verse en ingevroren stalen. Er wordt gedacht dat de consistent significante afname qua basale respiratie en maximale respiratie voor de ingevroren stalen t.o.v. de verse PMBCs freshly isolated PBMCs te wijten is aan de stress ten gevolgde het invries-proces.

Effekt van glucose-concentratie op PBMCs

OCR mitochondriale stress testen werden uitgevoerd in medium met laag (1 mM) en hoog (10 mM) glucose, met de bedoeling te kijken of veranderingen qua cellulaire ATP-produktie konden worden gedetekteerd bij deze 2 concentraties. De hypothese was dat inculatie van PBMCs in laag-glucose de cellen van energie-transductie via glycolyse zou sturen in de reichting van het OX-FOS-mechanisme, en zo een toename qua mitochondriale respiratie zou veroorzaken. Deze hypothese voorspelt een hogere zuurstof-consumptie bij laag-glucose t.o.v. van hoog-glucose. Laag-glucose werd aangewend om een natuurlijke stressor (hypoglycemie) na te bootsen die PBMCs in vivo kunnen ondervinden (en die anders is dan de stress van het invriezen, wat niet voorkomt in vivo).

Bij laag-glucose vertoonde de CVS-populatie significant lagere resultaten dan de controles voor 6 van de 7 parameters: basale respiratie (p < 0.001), ATP-produktie (p < 0.001), maximale respiratie (p < 0.001), reserve-capaciteit (p < 0.001), niet-mitochondriale respiratie (p < 0.001) en koppeling-efficiëntie (p < 0.001). Wanneer cellen werden geïncubeerd in hoog-glucose, verschilden CVS- en controle-PBMCs voor 5 van de 7 parameters: basale respiratie (p < 0.001), ATP-produktie (p < 0.001), proton-lek (p = 0.013), maximale respiratie (p < 0.001) en reserve-capaciteit (p < 0.001).

De parameters die significante verschillen vertoonden wanneer de resultaten werden vergeleken tussen laag- en hoog-waren ATP-produktie (p < 0.001), proton-lek (p < 0.001), maximale respiratie (p = 0.025), niet-mitochondriale respiratie (p = 0.004) en koppeling-efficiëntie (p < 0.001). Deze verschillen werden echter enkel in de controle-groep gevonden. De glucose-concentratie had geen enkel effekt op de parameters in de CVS-groep.

[Leeftijd bleek geen verstorende factor voor mitochondriale funktie. Ook geslacht kon worden geëmlimineerd als verstorende factor.]. De duur van het invriezen correleerde niet met de cell-viabiliteit (p = 0.100) of maximale respiratie (p = 0.722) en is dus geen verstorende factor. Zelfs een korte periode invriezen veroorzaakt veranderingen qua OX-FOS-funktie, wat bewijst dat het proces van invriezen/ontdooien deze veranderingen veroorzaakt en niet de duur van het invriezen.

[…]

Glycolytische aktiviteit

De resultaten van een glycolyse stress test met PBMCs vertoonden geen verschillen qua glycolyse tussen de patiënten en controles. Geen enkele van de 5 berekende parameters verschilde significant tussen CVS- en controle-stalen (p ≥ 0.075).

De cel-viabiliteit van verse en ingevroren stalen verschilde niet significant en er was geen significant verschil wat betreft de viabiliteit van de CVS- en controle-stalen, vers noch ingevroren (p ≥ 0.346).

Bespreking

Ondanks de grote aantallen mensen met CVS in de bevolking, blijven de oorzaken er van onverklaard. Dit is de eerste studie die gevallen-controle gebruikt om de mitochondriale funktie te onderzoeken in PBMCs bij CVS. Er werden PBMCs gebruikt in deze preliminaire studie aangezien het toelaat potentiële abnormaliteiten te bekijken op systemsch niveau.

Significant gewijzigde mitochondriale stress test parameters in de CVS-groep t.o.v. de gezonde controle groep suggereren dat CVS-patiënten systemische abnormaliteiten qua energie-overdracht kunnen vertonen, bijzonderlijk wanneer geïsoleerde PBMCs onder mitochondriale stress komen te staan. De lagere reserve-capaciteit die wordt gezien bij CVS-patiënten wijst er op dat hun cellen al hun capaciteit aanwenden onder normale omstandigheden (zonder stress) dan gezonde controles. De verlaagde maximale respiratie suggereert dat de PBMCs van CVS-patiënten niet in staat zijn tot dezelfde mate van respiratie als gezonde controles. De resultaten tonen dat CVS-patiënten hun respiratoire capaciteit slechts met 47% (± 37%) kunnen verhogen (van baseline tot maximaal gestimuleerd door FCCP), wat significant (p < 0.001) lager is dan de 98% (± 32%) toename qua respiratoire capaciteit bereikt door controle-PBMCs. De consistent lagere maximale respiratie in de CVS-groep toont het onvermogen van CVS-patiënten tot dezelfde mate van respiratie als de controle-groep onder cellulaire stress. De lagere reserve-capaciteit suggereert dat wanneer CVS-PBMCs onder stress komen te staan, ze minder in staat zijn hun respiratie te verhogen om te compenseren voor de toegenomen stress waardoor patiënten minder in staat zijn om te voldoen aan de cellulaire energie-vereisten. Er wordt gedacht dat gelijkaardige abnormaliteiten qua reserve-capaciteit bijdragen aan een waaier van andere ziekte-pathologieën zoals hart-ziekte, neurodegeneratieve ziekten bij het ouder-worden en gladde-spiercel sterfte.

Het invries-proces had een significante impact op de cellulaire bio-energetica van PBMCs bij zowel de controle- als de CVS-groep. Vier van de onderzochte parameters vertoonden significante verschillen tussen de verse en ingevroren stalen in beide groepen: basale respiratie, ATP-produktie, maximale respiratie en reserve-capaciteit. De resultaten tonen dat het invries-proces dezelfde invloed op beide groepen had, met dezelfde dalingen van elk van de vermelde parameters. Het invriezen van PBMCs kan talrijke cellulaire wijzigingen veroorzaken die verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de gedaalde OCR die in deze experimenten werd opgetekend. Mogelijke veranderingen veroorzaakt door invriezen omvatten oxidatieve schade, een verlies qua membraan-integriteit door de vorming van ijs-kristallen en wijzingingen in de ion-homeostase.

Hoewel bleek dat invriezen een impact had op bepaalde parameters, werd gezien dat dezelfde parameters significant verschillend waren tussen de controle- en de CVS-groep bij verse en ingevroren stalen. Dit toont aan dat zelfs al zijn de absolute waarden van sommige parameters beïnvloed door het invries-proces, het patroon in beide groepen kan worden gezien en dat daarom verse of ingevroren stalen kunnen worden gebruikt om verschillen te detekteren tussen controles en CVS-patiënten. Voor toekomstige studies waarbij men wil kijken naar de absolute OCR-waarden zouden verse stalen moeten worden gebruikt, voor andere experimenten volstaan echter ingevroren stalen om adequaat de verschillen tussen groepen te tonen cohorts. Er werden ingevroren stalen gebruikt voor de hoge- en lage-glucose experimenten omwille van de sporadische staalnames gedurende een relatief lange periode maar deze bevinding valideert het gebruik van ingevroren stalen voor deze experimenten en suggereert dat het invriezen van stalen het vermogen om groepen te vergelijken niet verandert. Er dient te worden opgemerkt dat tijdens eerdere analyse met ≤ 12 stalen, het moeilijk was om verschillen tussen de 2 groepen te detekteren met ingevroren stalen, daarom is voor een kleiner aantal stalen het gebruik van verse stalen gewenst.

De hypothese was dat PBMC-incubatie in laag-glucose de energie-transductie van cellen van glycolyse zou leiden naar het OX-FOS-mechanisme, wat een toename van de mitochondriale respiratie veroorzaakt. Deze hypothese voorspelt een hogere basale respiratie en maximale respiratie in laag-glucose. Een hogere maximale respiratie in laag-glucose werd enkel gezien in de controle-groep maar niet in de CVS-groep, terwijl de basale respiratie niet significant steeg in om het even welke groep bij lage-glucose omstandigheden. Daarenboven steeg in de controle-groep de ATP-produktie, de niet-mitochondriale respiratie en de koppeling-efficiëntie, en daalde het proton-lek, bij laag-glucose. De CVS-groep vertoonde geen verschillen tussen laag- en hoog-glucose condities voor om het even welke parameter. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat de controle-cellen zich beter kunnen aanpassen aan hun omgeving en beschikken over het vermogen om hun ATP-produktie te verhogen via mitochondriale respiratie indien nodig – iets waar de CVS-cellen wellicht niet toe in staat zijn.

Vier van de parameters bleken verschillend tussen de controle- en CVS-groepen bij zowel laag- als hoog-glucose: basale respiratie, ATP-produktie, maximale respiratie en reserve-capaciteit. Dit toont aan dat de verschillen voor deze parameters tussen de 2 groepen die hier werden gezien, kunnen worden gereproduceerd in verschillende glucose-condities en bevestigt het onvermogen van de CVS-PBMCs om hun respiratoire capaciteit te verhogen tot het niveau van de controle-PBMCs zowel bij ‘baseline’ als wanneer ze tot het maximum worden gestimuleerd (door FCCP), zelfs bij laag-glucose wanneer de cellen worden naar ATP-produktie via mitochondriale respirate worden gepusht en weg van de glycolyse als energie-bron. Niet-mitochondriale respiratie en koppeling-efficiëntie verschilden enkel tussen de controle- en CVS-groepen bij laag-glucose, terwijl het proton-lek enkel verschilde bij hoog-glucose.

De koppeling-efficiëntie toonde dat ATP-produktie enkel efficiënter werd in de controle-groep wanneer er stress ontstond door laag-glucose, en niet in de CVS-groep. Er werden verschillen qua koppeling-efficiëntie gezien tussen de controle- en CVS-groepen bij laag-glucose, wat suggereert dat de CVS-cellen reeds aan de maximum efficiënctie zitten wat betreft de aanmaak van ATP wanneer controle-cellen nog in staat zijn die efficiëntie te verhogen en ATP produceren wanneer dit vereist is (bv. bij laag-glucose).

[…] De statistische significante resultaten wijzen op robuste statistische gegevens, ondanks de relatief beperkte grootte van de groepen.

Deze experimenten helpen bij het identificeren van de richting die toekomstige research omtrent cellulaire bio-energetica bij CVS zou moeten nemen voor het detekteren van verschillen betreffende sommige, maar niet alle, parameters van de mitochondriale funktie. Verschillen qua mitochondriale parameters tonen het onvermogen van CVS-PBMCs om het OX-FOS-mechanisme aan te wenden om energie te produceren in dezelfde mate als controle-PBMCs dat doen, zowel onder basale omstandigheden als wanneer ze worden gedwonen tot maximale respiratie. De consistent significante verschillen tussen de 2 groepen bij basale respiratie en maximale respiratie tonen hun belang aan als potentiële merkers voor CVS, een bevinding die kan worden gebruikt om richting te geven aan toekomstig onderzoek omtrent de mitochondriale dysfunktie bij CVS.

In tegenstelling tot eerdere literatuur [zie bv. Armstrong et al. hierboven] die suggereerde dat abnormaliteiten qua PBMC ATP-concentraties kunnen worden veroorzaakt door glycolyse, tonen resultaten van de glycolyse stress test dat glycolyse bij CVS-patiënten niet significant verschilt van de gezonde groep. Dit kan te wijten zijn aan de relatief kleine groepen die in deze studie werden gebruikt. De combinatie van de detektie van significante verschillen in OX-FOS naast het ontbreken van detekteerbare verschillen in glycolyse heeft mogelijks een voorheen ongekend fenotype van CVS-PBMCs blootgelegd, hoewel grotere stalen nodig zullen zijn om dit te bevestigen. Hoewel de belangrijkste beperking van deze studie de grootte van het staal was, resulterend in een minder krachtige analyse (bijzonderlijk voor de vers geïsoleerde controle-groep), dient te worden opgemerkt dat de hier gepresenteerde gegevens enkel preliminaire bevindingen zijn. Grotere stalen en longitudinale afnames zijn nodig om de hier verkregen reulstaten te valideren en te zorgen voor de statistische ‘power’ die vereist is om verschillen in andere parameters te detekteren. Een andere beperking van deze studie is het gebrek aan karakteristieken van de CVS-groep. Demografische, antropometrische en symptoom-gegevens zouden nuttig zijn om te kijken naar links met de mitochondriale abnormaliteiten die in deze studie werden geobserveerd. Het zou interessant zijn om te analyseren of CVS-symptomen – in het bijzonder vermoeidheid-graad – correleerden met de gemeten mitochondriale parameters. Er zouden bijkomende experimenten en technieken kunnen worden gebruikt voor het bepalen van de mitochondriale inhoud en morfologie, mitochondriale funktie in doorlaatbaar-gemaakte cellen en geïsoleerde mitochondrieën, en metingen van het mitochondriaal membraan potentiaal om deze resultaten verder te valideren. Stratificatie van PBMCs op basis van fluorescentie-gektiveerde cel-sortering (FACS) is een techniek die kan worden aangewend om de cel-types PBMCs verder onder te verdelen om te identificeren welke specifieke cel-populaties verantwoordelijk zijn voor de geobserveerde OX-FOS-verschillen. Het is momenteel nog niet geweten of factoren zoals recente aktiviteit en dieet voor de bloed-afname een effekt heeft op PBMC bio-energetica en dit is iets dat dient te worden onderzocht. Het gebruik van sedentaire controles en aktiviteit-monitors zou nuttig zijn om het effket op PBMC bio-energetica te tonen. Deze studie maakte gebruik van PBMCs als een voorspeller voor de systemische mitochondriale funktie maar er zounden andere cel-types kunnen worden gebruikt om te onderzoeken of de hier geoberveerde verschillen kunnen worden gezien in andere weefel-types bij CVS-patiënten.

De resultaten van deze studie weerspiegelen de resultaten gevonden bij T2DM-patiënten (een link tussen een andere ziekte met vermoeidheid als kern-symptoom en OX-FOS-parameters: basale respiratie en maximale respiratie. Dit geeft aan dat de PBMC bio-energetische abnormaliteiten een consistente link met vermoeidheid vertonen, maar of de abnormaliteiten optreden ten gevolge de vermoeidheid of de oorzaak van de ziekte zijn blijft onbekend.

Deze preliminaire research heeft duidelijk statistisch significante verschillen in het bio-energetisch profiel van PBMCs van CVS-patiënten getoond in vergelijking met cellen van gezonde controles. Belangrijk: deze resultaten leggen niet vast of de verschillen qua PBMC energie-mechanismen een oorzaak of gevolg van CVS zijn; deze gegevens impliceren echter duidelijk dat deze cellen een rol kunnen spelen in het ziekte-mechanisme. Verder kan het gerbuik van PBMCs een nieuw en waardevol model zijn voor het ontwerpen van nieuwe therapeutische benaderingen ter behandeling van CVS.

oktober 27, 2017

Fibromyalgie en microgliaal TNF-α

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 7:05 am
Tags: , , , , , , , ,

Microglia – we hebben het op deze pagina’s al veelvuldig over dit specifiek type of brein-immuuncellen (de “macrofagen van het CZS”) gehad. Een Japanese groep researchers ontwikkelde een techniek om deze aan te maken uit witte bloedcellen uit het bloed zodat ze hun cellulaire eigenschappen bij ziekte kunnen onderzoeken. Ze rapporteren hier over initieel werk dat ze deden bij fibromylagie (niet hetzelfde als M.E.(cvs) maar zoals men weet overlappend).

Wellicht kunnen deze resultaten aanwijzingen geven voor verder onderzoek bij M.E(cvs)…

De met deze technologie gecreëerde microglia van fibromyalgie-patiënten blijken hyper-responsief voor ATP (‘energie-molekule’ maar ook neurotransmitter met een effekt op o.a. microglia) te zijn en meer van het pro-inflammatoir cytokine TNF-α tot expressie te brengen en af te geven (d.w.z. dat ze naburige cellen beïnvloeden). Dit cytokine was ook gelinkt met (subjectieve) pijn en er was een negatief verband met levenskwaliteit. De vraag blijft of de respons op ATP specifiek is voor deze aandoening… Anderzijds werd al gerapporteerd dat een ontoereikende adenosine-trifosfaat (ATP) produktie verband kan houden met de pathofysiologie van M.E.(cvs) door een inadequate ATP-generatie via oxidatieve fosforylatie (zie bv. ‘Oxidatieve fosforylatie na herhaalde inspanning bij CVS’ en ‘Verstoorde werking van pyruvaat-dehydrogenase bij M.E.(cvs)’)

Lees (o.a.) ook ‘Gliale aktivatoren: doelwit voor de behandeling van centrale sensitisatie (chronische pijn)?’.

————————-

Sci Rep. (2017) 7: 11882

Fibromyalgia and microglial TNF-α: Translational research using human blood induced microglia-like cells

Ohgidani M1, Kato TA2, Hosoi M3, Tsuda M4, Hayakawa K1, Hayaki C5, Iwaki R3, Sagata N1, Hashimoto R6, Inoue K4, Sudo N3,5, Kanba S1

1 Department of Neuropsychiatry, Graduate School of Medical Sciences, Kyushu University, Maidashi 3-1-1, Higashi-ku, Fukuoka, 812-8582, Japan

2 Department of Neuropsychiatry, Graduate School of Medical Sciences, Kyushu University, Maidashi 3-1-1, Higashi-ku, Fukuoka, 812-8582, Japan

3 Department of Psychosomatic Medicine, Kyushu University Hospital, Maidashi 3-1-1, Higashi-ku, Fukuoka, 812-8582, Japan

4 Department of Life Innovation, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Kyushu University, Maidashi 3-1-1, Higashi-ku, Fukuoka, 812-8582, Japan

5 Department of Psychosomatic Medicine, Graduate School of Medical Sciences, Kyushu University, Maidashi 3-1-1, Higashi-ku, Fukuoka, 812-8582, Japan

6 Research Centre for Children’s Mental Development, United Graduate School of Child Development, Osaka University, Yamadaoka 1-1, Suita, Osaka, 565-0871, Japan

Samenvatting

Fibromyalgie is een hardnekkige ziekte die wordt gekenmerkt door chronische oncontroleerbare pijn en psychologisch lijden, en waarvan de oorzaak nog niet werd opgehelderd omwille van de complexe pathologie. Aktivatie van immuun-cellen in de hersenen – microglia genaamd – heeft de aandacht getrokken als een potentieel onderliggend pathologisch mechanisme bij chronische pijn. Technologische en ethische bezwaren hebben echter het vermogen om research met menselijke microglia uit te voeren beperkt. Om deze beperking te overwinnen, hebben we een techniek ontwikkeld om menselijke ‘induced microglia-like’ (iMG) [geïnduceerde mircroglia-achtige] cellen te creëren vertrekkende van menselijke perifeer bloed monocyten. In deze studie creëerden we iMG-cellen van 14 patiënten met fibromyalgie en 10 gezonde individuen, en vergeleken de aktivatie van iMG-cellen tussen de 2 groepen op cellulair niveau. De expressie van tumor necrose factor (TNF)-α was qua mRNA- en proteïne-waarden significant verhoogd in ATP-gestimuleerde iMG-cellen van patiënten met fibromyalgie in vergelijking met cellen van gezonde individuen. Interessant: er was een matige correlatie tussen ATP-geïnduceerde upregulering van de TNF-α expressie en klinische parameters van subjectieve pijn en andere mentale manifestaties van fibromyalgie. Deze bevindingen suggereren dat microglia van patiënten met fibromyalgie hypersensitief zijn voor ATP. TNF-α van microglia kunnen een sleutel-factor zijn die aan de basis ligt van de complexe pathologie van fibromyalgie.

Rapport

Fibromyalgie, een vorm van niet-organische pijn, is een chronische ziekte die ernstige systemische pijn met psychologisch lijden veroorzaakt, resulterend in funktie-beperkingen en een verminderde levenskwaliteit. Het klinisch beeld werd sinds lang gedocumenteerd; toch blijft fibromyalgie tot op heden een hardnekkige ziekte met ongekende etiologie. In een klinische studie die gebruik maakte van fMRI vertoonden patiënten met fibromyalgie hyper-responsiviteit op stimuli t.o.v. gezonde deelnemers. Daarnaast suggereren rapporten dat neuro-inflammatie veroorzaakt door immuun-cellen en inflammatoire cytokinen gerelateerd is met de pathofysiologie van fibromyalgie. Er werd gesuggereerd dat fibromyalgie wordt veroorzaakt door ingewikkelde bio-psycho-sociale factoren met het centraal zenuwstelsel (CZS) als de pathologische basis.

Microglia zijn immuun-cellen in het CZS en zijn gekend voor hun inflammatoire funkties via de afgifte van pro-inflammatoire cytokinen zoals as tumor necrose factor (TNF)-α en interleukine (IL)-1β. Op basis van studies bij knaagdieren rapporteerden we over de abnormaliteiten van microglia als pathologicshe basis van chronische pijn [Tsuda M et al. P2X(4) receptors induced in spinal microglia gate tactile allodynia after nerve injury. Nature. (2003) 424: 778-783 /// Masuda T. et al. Transcription factor IRF5 drives P2X4R(+)-reactive microglia gating neuropathic pain. Nat Commun. (2014) 5: 3771]. Deze knaagdieren-studies wezen op de over-aktivatie van microgliale cellen bij patiënten met chronische pijn, klinische molekulaire gegevens ontbreken echter omwille van ethische en technische kwesties. Zodoende zijn technieken ter ontwikkeling van menselijke microglia-achtige cellen uit niet-hersen weefsels gerechtvaardigd. Er werd gerapporteerd over een techniek om microglia-achtige cellen te induceren uit menselijke pluripotente [die kunnen uitgroeien tot bijna alle celtypes] stamcellen (iPS). De iPS-technologie maakt cel-gebaseerde testen mogelijk in gebieden zoals de embryologie, de farmacologie en de regeneratieve geneeskunde; de iPS-technologie heeft echter enkele beperkingen wat betreft het modelleren van niet-genetische ziekten en vereist veel tijd en uitgaven. Anderzijds hebben we een nieuwe techniek ontwikkeld om microglia-achtige (iMG) cellen te induceren direct uit menselijk perifeer bloed (monocyten) door gebruik te maken van de 2 cytokinen IL-34 en ‘granulocyte macrophage colony stimulating factor’ (GM-CSF) [fungeert als een groeifactor voor witte bloed-cellen, stimuleert stamcellen tot vorming van granulocyten/monocyten], binnen de 2 weken en zonder enige gen-modificiaties. Vergeleken met de iPS-cellen is onze iMG-techniek eenvoudiger en heeft de voordelen van tijd- en kosten-beheersing. Een andere verdienste is dat we iMG-cellen kunnen produceren zonder enige gen-modificatie. Er is vers bloed vereist om iMG-cells te produceren en we kunnen de iMG-cellen nu nog niet stockeren, wat een belangrijke beperking is. We hebben reeds abnormaliteiten bevestigd qua cellulaire responsen van iMG-cellen van patiënten met ziekte van Nasu-Hakola [zeldzame erfelijke aandoening met neurodegeneratie die leidt tot dementie en vroegtijdige dood], wat een gekende primaire microglia ziekte is. Verder hebben we de gen-expressie patronen geanalyseerd van iMG-cellen in de manische en depressieve fase van patiënten met bipolaire aandoeningen, en onthulden fase-afhankelijke microgliale experessie-patronen. Gen-expressie analyse door een andere research-groep legde bloot dat iMG-cellen de meeste gelijkaardige kenmerken vertonen met primaire menselijke microglia in vergelijking met andere cel-types zoals onsterfelijk gemaakte menselijke microglia en menselijke macrofagen. Onze eerdere studies en dit rapport suggereren sterk dat de iMG-techniek een krachtig instrument is voor het analyseren van dynamische molekulaire pathofysiologieën van microglia, niet enkel bij genetische ziekten maar ook niet-organische ziekten (inclusief fibromyalgie en meerdere psychiatrische aandoeningen).

Hier creëerden we iMG-cellen van gezonde vrijwilligers als controle-groep (HC) en patiënten met fibromyalgie [1990 ‘American College of Rheumatology’ klassificatie-criteria; duur van de pijn = 87 (59-146) maand] om de hypothese te testen dat microglia hyperaktief zijn in patiënten met fibromyalgie.

Het is geweten dat extracellulair ATP als een neurotransmitter en/of neuromodulator funktioneert in het CZS en verscheidene fysiologische funkties van microglia moduleert [Illes P, Ribeiro JA. Molecular physiology of P2 receptors in the central nervous system. Eur J Pharmacol. (2004) 483: 5-17]. We rapporteerden eerder een verband tussen chronische pijn en ATP in dieren-modellen [zie Tsuda M et al. hierboven] en ATP bleek geïmpliceerd in het chronische pijn mechanisme [Milligan ED, Watkins LR. Pathological and protective roles of glia in chronic pain. Nat Rev Neurosci. (2009) 10: 23-36]. We vergeleken door ATP uitgelokte responsen in iMG-cellen van gezonde vrijwilligers en patiënten met fibromyalgie. De gen-expressie van TNF-α was significant hoger in iMG-cellen van patiënten met fibromyalgie. Daarnaast bleken de TNF-α proteïne-waarden ook significant hoger in het cultuur-supernatant van iMG-cellen van patiënten met fibromyalgie. In tegenstelling daarmee waren er geen statistisch significante verschillen qua gen-expressie van IL-1β. De proteïne-waarden van IL-1β waren echter significant hoger in het cultuur-supernatant van iMG-cellen van patiënten met fibromyalgie. Daarnaast waren er geen significante verschillen tussen de 2 groepen qua secretie van de pro-inflammatoire cytokinen IL-6 en IL-8, en van het anti-inflammatoir cytokine IL-10. Op basaal niveau lag de TNF-α gen-expressie significant lager in iMG-cellen van patiënten met fibromyalgie. Anderzijds waren er geen significante verschillen qua fagocytische aktiviteit, en gen-expressie van TNF-α en IL-1β tijdens fagocytose [in de hier gebruikte test nemen de cellen latex-parels (als ‘vreemd’ lichaam) op] tussen gezonde vrijwilligers en patiënten met fibromyalgie. Deze resultaten suggereren dat microglia van patiënten met fibromyalgie hyper-responsief zijn voor ATP-stimulatie, wat kan resulteren in verhoogde afgifte van TNF-α in het CZS.

We voerden verder correlationele analyses uit tussen TNF-α gen-expressie in ATP-gestimuleerde iMG-cellen en verscheidene klinische parameters, inclusief de pijn-graad. We vonden een matig positieve correlatie tussen TNF-α expressie en subjectieve pijn-intensiteit [Visuele Analoge Schaal; FM: 79,1 ± 18,2 vs. controle: 5,6 ± 8,8]. De pijn-intensiteit [FM: 7,2 ± 1,7 vs. controle: 0,5 ± 0,8] en pijn-interferentie [‘BPI Interference Scale’; bepaalt de mate waarop pijn interfereert met aktiviteiten, stemming en slaap; FM: 7,1 ± 2,3 vs. controle: 0,3 ± 0,8] waren ook matig positief gecorreleerd met de TNF-α expressie. Fibromyalgie is een ziekte die dikwijls co-morbide is met psychiatrische aandoeningen. In het bijzonder werd een verband tussen fibromyalgie en psychiatrische symptomen zoals depressie en angst gerapporteerd. Hier tonen we een matig positieve correlatie tussen TNF-α expressie en ernst van angst en depressie. In tegenstelling daarmee was IL-1β niet significant gecorreleerd met eender welke klinische score. Anderzijds werd een matig negatieve correlatie geobserveerd tussen TNF-α expressie en levenskwaliteit. Deze bevindingen suggereren de mogelijkheid dat de ernst van de subjectieve pijn, psychiatrische symptomen (depressie en angst) en levenskwaliteit bij patiënten met fibromyalgie gecontroleerd wordt door de waarden van microglia TNF-α. Inderdaad: studies met knaagdieren hebben getoond dat TNF-α een belangrijke factor bij neuropathische pijn is en we toonden eerder aan dat TNF-α pijn-gerelateerd gedrag opwekt wanneer het wordt toegediend in de hersenen van ratten. TNF-α wordt ook beschouwd als een belangrijke factor in psychiatrische aandoeningen zoals depressie. Daarnaast wordt gesuggereerd dat modulatie van microgliaal TNF-α één van de therapeutische doelwitten is bij psychiatrische aandoeningen [Kato TA et al. Neurotransmitters, psychotropic drugs and microglia: clinical implications for psychiatry. Current medicinal chemistry. (2013) 20: 331-344 /// Sato-Kasai M et al. Aripiprazole inhibits polyI: C-induced microglial activation possibly via TRPM7. Schizophr Res. (2016) 178: 35-43]. Fibromyalgie is dikwijls co-morbide met psychiatrische aandoeningen (in het bijzonder depressie) omwille van de gedeelde pathologische karakteristieken.

Dit is de eerste studie die abnormale aktivatie van microglia bij fibromyalgie op cellulair niveau bij mensen suggereert. De huidige gegevens geven een positief verband aan tussen microgliale abnormaliteiten en klinische symptomen van fibromyalgie. Interessant is dat iMG-cellen van fibromyalgie-patiënten hyper-responsiviteit voor extracellulair ATP en verhogingen qua pro-inflammatoir cytokine TNF-α vertonen. IL-1β is een belangrijk pro-inflammatoir cytokine in het proces van microgliale aktivatie via inflammasoom-signalisering [inflammasomen = multi-proteïne molekulaire complexen die een brede waaier aan pathogenen ‘voelen’ en een rol spelen bij de inflammatoire respons]. In de huidige studie is de gen-expressie van IL-1β (mRNA) onveranderd, terwijl de proteïne-concentratie van IL-1β in het supernatant gestegen is. Deze gegevens suggereren dat microgliaal IL-1β geaktiveerd wordt in eerdere stadia vergeleken met TNF-α. Gelijkaardig met iMG-cellen was de TNF-α expressie versterkt door ATP-stimulatie in uit PBMC afgeleide macrofagen. Daarom zou ‘t kunnen dat de versterkte TNF-α expressie door iMG-cellen van patiënten door ATP misschien niet specifiek is voor iMG-cellen. Er dient verder onderzoek te worden uitgevoerd om de responsen op ATP tussen iMG-cellen en uit PBMC afgeleide macrofagen te vergelijken. Anderzijds werd gerapporteerd dat fractalkine ([chemokine] CX3CL1) betrokken is bij chronische pijn [zie ‘Systemische inflammatie & neuro-inflammatie bij fibromyalgie] alsook ATP. Het zou dus kunnen dat niet enkel ATP maar ook fractalkine iMG-cellen moduleren. Er zijn verdere studies nodig om op te helderen hoe fractalkine iMG-cellen moduleert bij patiënten met fibromyalgie. Daarnaast dient verdere research op te helderen of inflammasoom-gerelateerde molekulen zoals IL-18 en oppervlakte-expressie van HLA-DR, CD80 en CD86 worden gemoduleerd in iMG-cellen van patiënten met fibromyalgie. Van bijzonder belang is dat statistisch matige correlaties worden gezien tussen ATP-geïnduceerde TNF-α expressie en meerdere subjectieve parameters van pijn, depressie, angst en levenskwaliteit. Tot besluit: microgliaal TNF-α kan een mogelijke belangrijke modulerende factor zijn bij fibromyalgie en er is research nodig om een nieuw diagnostisch systeem en therapeutische strategieën aangaande fibromyalgie vast te stellen. We konden het oorzaak/effekt via het huidig studie-ontwerp niet bekrachtigen, dus zijn er prospectieve studies nodig. Bijvoorbeeld: het met verloop van tijd testen, bij verschillende pijn-gradaties in dezelfde patient, kan onthullen of iMG-analyse kan worden gebruikt als een instrument voor de beoordeling van de ernst van de pijn. We geloven dat de iMG-technolgie een nieuw licht werpt op de dynamische molekulaire pathologieën van microglia en op het ontwikkelen van objectieve meet-instrumenten bij een waaier van niet-organische [“zonder lichamelijke oorzaak”] hersen-ziekten [Jammer dat de auteurs deze gedateerde term gebruiken. Het verwijst naar “funktionele” of “psychogene” neurologische aandoeningen waarbij de neurologische symptomen te wijten zouden zijn aan een psychologische dysfunktie i.p.v. een onderliggend neurologisch probleem. Dit is voorbijgestreefd: de consensus is/zou moeten zijn dat non-organische aandoeningen niet onafhankelijk zijn van hersen-processen of brein-funktie.], en verdere studies zijn gerechtvaardigd.

oktober 14, 2017

PEA verhoogt de aktiviteit van microglia als doeltreffende beschermers van het brein

Filed under: Behandeling — mewetenschap @ 6:52 am
Tags: , , , ,

We hadden ‘t op deze paginas reeds over PEA (palmitoylethanolamide) – ziePalmitoylethanolamide, een natuurlijk middel tegen neuropathische pijn– als mogelijk analgeticum tegen neuropathische (zenuw-) pijn. Veel onderzoek daaromtrent is er nog niet op het gebied van M.E.(cvs). Voor fibromyalgie lijkt  het blijkbaar wel ingeburgerd in sommige landen (Nederland, Italië). Een mede-patient signaleert ons dat het ook in de pijnkliniek van het UZ Gent soms wordt aanbevolen. We bekeken de relevante literatuur en geven hier enkele stukken mee uit een artikel waar melding wordt gemaakt van z’n aktiviteit als immunomodulator met effekt op microglia. Het artikel gaat eigenlijk over de bescherming van de hersenen tegen infekties. We benadrukken hier de stukken betreffende PEA en laten de referenties naar onderzoekwerk aangaande de research naar brein-infekties (vooral dieren-modellen) voor wat het is… Deze lichaam-eigen stof zou bij M.E.(cvs) ook wel es van nut kunnen zijn naar pijn en inflammatie toe (via z’n effekt op microgliale cellen). Research!!??

Voor meer info over ‘glia’: geef de term in op onze zoek-robot.

————————-

Front Cell Neurosci (2014) 22: 138

Strategies to increase the activity of microglia as efficient protectors of the brain against infections

Nau R1, Ribes S2, Djukic M1, Eiffert H3

1 Department of Neuropathology, University Medical Centre Göttingen Göttingen, Germany; Department of Geriatrics, Evangelisches Krankenhaus Göttingen-Weende Göttingen, Germany

2 Department of Neuropathology, University Medical Centre Göttingen Göttingen, Germany

3 Department of Clinical Microbiology, University Medical Centre Göttingen Göttingen, Germany

Samenvatting

Bij gezonde individuen zijn infekties van het centraal zenuwstelsel (CZS) betrekkelijk zeldzaam. Op basis van het vermogen microgliale cellen om pathogenen te fagocyteren en te doden, en op klinische bevindingen in immuun-gecomprommiteerde patiënten met CZS-infekties, hypothiseren we dat een intacte microgliale funktie cruciaal is om het brein te beschermen tegen infekties. Fagocytose van pathogenen door microgliale cellen kan worden gestimuleerd door agonisten van receptoren van het aangeboren immuunsysteem. Versterking van dit mechanisme om de weerstand van de hersenen tegen infekties te verhogen, houdt het risico in van de inductie van collaterale schade van het zenuw-weefsel. De diversiteit van microgliale cellen opent wegen om sub-populaties verantwoordelijk voor de verdediging tegen pathogenen selektief te stimuleren, zonder de stimulatie van sub-populaties die verantwoordelijk zijn voor collaterale beschadiging van het zenuw-weefsel. Palmitoylethanolamide (PEA), een endogeen lipide, verhoogt fagocytose van bakterieën door microgliale cellen in vitro zonder een meetbaar pro-inflammatoir effekt. Het werd klinisch getest klaarblijkelijk zonder ernstige bijwerkingen. Glatiramer-acetaat verhoogde fagocytose van latex-parels door microglia en monocyten, en dimethyl-fumaraat versterkte de eliminatie van HIV uit geïnfekteerde macrofagen zonder een inductie van de afgifte van pro-inflammatoire stoffen. Daarom lijkt de ontdekking van molekulen die de eliminatie van pathogenen stimuleren zonder collaterale schade aan neuronale strukturen een haalbaar doel. PEA en, zonder beperkingen, glatiramer-acetaat en dimethyl-fumaraat lijken veelbelovende kandidaten.

INLEIDING

[…]

We hypothiseren dat het binnendringen van een pathogeen in het CZS waarschijnlijk niet ongewoon is. Toch worden, in een immunocompetente gastheer, de grote meerderheid aan pathogenen (die mogelijkerwijs het hersen-weefsel bereiken) ofwel geëlimineerd of gecontroleerd in een latente vorm door de immuuncellen van de het hersen-parenchym [funktioneel orgaan-weefsel], m.n. de microgliale cellen.

De immune verdediging van het CZS wordt vergeleken met een middeleeuws kasteel. De bloed/hersenen- en bloed/CSV- [cerebrospinaal vocht] barrières dienen als de buitenmuren. De slotgracht wordt vertegenwoordigd door de CSV-ruimte. De tweede muur wordt vertegenwoordigd door de glia limitans [membraan op de hersenschors dat de migratie van cellen en grote molekulen uit het bloed naar het CZS voorkomt] en residente macrofagen. Binnenin het kasteel (het CZS parenchym) verblijft de ‘koninlijke familie’ van sensitieve neuronen beschermd door (micro)gliale cellen. Er werd bewijs gevonden voor beschermende en herstellende funkties van microgliale cellen in het CZS bij verscheidene neurologische ziekten (Alzheimer’s, beroerte, excitotoxisch hersen-letsel). Men begint de gunstige aspecten van de immuun-respons in het zenuwstelsel te appreciëren en hun potentieel als farmacologische doelwitten wordt verkend. […].

[…] Microglia zijn de meest overvloedige immuun-cellen van het CZS. In hun ‘rust’-toestand, overzien ze continu hun omgeving via zeer mobiele processen. Microglia zijn geen “beruchte schurken die op de loer liggen” in het CZS die er op uit zijn neuronen bij elke gelegenheid te schaden. […] Ze spelen een belangrijke rol bij het elimineren (of minstens controleren van de replicatie) van pathogenen die de hersenen en het ruggemerg zijn binnengedrongen ondanks de ‘vestingwerken’ rondom het zenuw-weefsel.

Bij gezonde individuen vertrouwt de bescherming van het CZS tegen infekties op de integriteit van de bloed/CSV- en bloed/hersenen-barrières, en op de resident fagocyten, in het bijzonder microgliale cellen, en perivasculaire [rond de bloedvaten gelegen] en meningeale [meninges = hersenvliezen] macrofagen.

PATHOFYSIOLOGISCHE ASPECTEN VAN ACUTE OF CHRONISCHE CZS INFEKTIES

[…]

WEERSTAND VAN HET GEZONDE BREIN TEGEN INFEKTIES

[…] Aangezien circulerende leukocyten over het algemeen meerdere uren nodig hebben om naar de centrale zenuw-compartimenten te migreren, is het vermogen van de gastheer om binnengedrongen pathogenen te elimineren in de eerste uren afhankelijk van de plaatselijke immuun-defensie, t.t.z. de aktiviteit van microgliale cellen.

[…]

Microglia maken bij zoogdieren deel uit van het aangeboren immuunsysteem en brengen ‘pattern-recognition receptors’ (PRRs) [patroon-herkeninning receptoren; herkennen molekulaire patronen die tot expressie zijn gekomen bij binnendringende pathogenen] tot expressie die cruciaal zijn voor de herkenning van pathogenen. [bv. ‘Toll-like receptoren’ (TLRs; receptoren op het oppervlak van leukocyten), dienen als PRRs die verschillende microbe-strukturen, de zgn. ‘pathogen-associated molecular patterns (PAMPs)’ herkennen]. […]

De weerstand van het CZS van gezonde individuen tegen infektie […] berust op het vermogen van microgliale cellen en residente macrofagen om pathogenen te fagocyteren en te doden, wat wordt versterkt door de communicatie met circulerende immuun-cellen.

MICROGLIA KUNNEN WORDEN GESTIMULEERD OM BAKTERIEËN EN SCHIMMELS TE FAGOCYTEREN EN TE DODEN

[…] De toename van fagocytose door stimulatie van microgliale cellen via agonisten van receptoren van het aangeboren immuunsysteem gaat gepaard met een afgifte van NO en pro-inflammatoire cytokinen.

[…]

Microglia kunnen worden gestimuleerd door verschillende stoffen om pathogenen in vitro te fagocyteren en te doden. Preliminaire gegevens suggereren dat de toediening van deze molekulen ook de weerstand van het brein tegen infekties kan verhogen. Deze benadering kan echter het risico op de inductie van collaterale schade aan het zenuw-weefsel betekenen.

MICROGLIALE CYTO- EN CHEMOKINE RELEASE HANGT AF VAN DE PRO-INFLAMMATOIRE STIMULUS EN DE SUBGROEP VAN GEAKTIVEERDE MICROGLIALE CELLEN

De microgliale respons na contact met produkten van infektueuze agentia of hun synthetische analogen is niet uniform. […] In vitro en in vivo is de synthese van TNFα geen gemeenschappelijk kenmerk van alle microglia, maar beperkt tot een specifieke subgroep. […]

[…] De verdeling van de subgroepen cellen die cyto- en chemokinen afgeven dient nog te worden bepaald. Onze gegevens tonen echter aan dat data microgliale cellen niet uniform reageren op infektueuze stimuli, maar in staat zijn een genuanceerde reaktie op te zetten.

[…] Voor de immuun-respons van microgliale cellen lijkt het ook van belang welke TLR en welke co-receptor(en) worden gestimuleerd.

Anders dan eerst werd gedacht, toont steeds meer bewijsmateriaal de diversiteit van microgliale cellen. Dit opent de weg naar selektieve stimulatie van sub-populaties die verantwoordelijk zijn voor de verdediging tegen pathogenen zonder stimulatie van sub-populaties die verantwoordelijk zijn voor collaterale beschadiging van het zenuw-weefsel.

DE EFFICIËNTIE VAN MICROGLIA OM CZS-INFEKTIES TE VOORKOMEN HANGT AF VAN SAMENWERKING MET CIRCULERENDE IMMUUN-CELLEN

Microglia en CZS-macrofagen communiceren via meerdere mechanismen met circulerende bloed-cellen: (a) de bi-directionele passage van circulerende cytokinen of pro-inflammatoire pathogeen-molekulen door lekken in de bloed-hersen-barrière […], (b) de aktivatie van endotheliale cellen en perivasculaire macrofagen […], (c) via de nervus vagus. […]

De beschermende werking van microglia tegen infekties hangt sterk af van de communicatie met circulerende granulocyten en monocyten in de eerste uren, vooraleer circulerende leukocyten de hersenen en het CSV binnenkomen. Daarom dragen immunosuppressieve maatregelen die alle of specifieke subgroepen circulerende leukocyten beïnvloeden, waarschijnlijk het risico om ook de microgliale funktie aan te tasten door het verstoren van deze communicatie.

FAGOCYTOSE EN HET DODEN VAN PATHOGENEN DOOR MICROGLIA VEREIST NIET NOODZAKELIJK DE AFGIFTE VAN STIKSTOF-OXIDE OF CYTOKINEN

[…]

Momenteel is het onduidelijk of alle microgliale cellen of slechts een fraktie betrokken bij de fagocytose en inaktivatie van pathogenen. […] Het is aannemelijk dat een subgroep microgliale cellen fagocytische aktiviteit heeft tegen pathogenen. Selektieve stimulatie van de aktiviteit van de subgroep(en) microgliale cellen die pathonenen fagocyteren, lijkt een haalbaar doel voor toekomstige research.

Aangezien de afgifte van NO waarschijnlijk de hoofd-oorzaak is van collaterale schade aan zenuw-weefsel na microgliale aktivatie, is de bevinding dat de eliminatie van pathogenen niet noodzakelijk afhankelijk is van de afgifte van NO bemoedigend voor de zoektocht naar stimulanten die de pathogenen helpen opruimen zonder schade aan het zenuw-weefsel te induceren.

BEHANDELING MET ANTIBIOTICA: REDUCEREN VAN DE AFGIFTE VAN PRO-INFLAMMATOIRE MOLEKULEN OM OVERMATIGE MICROGLIALE AKTIVATIE TE VOORKOMEN

[…] Microgliale cellen gestimuleerd door bakteriële stoffen kunnen neuronen doden in vitro. Reductie van de hoeveelheid pro-inflammatoire/toxische pathogenen-produkten voorkomt over-stimulatie van residente en migrerende immuun-cellen, inclusief microglia, en beschermt het zenuw-weefsel. Daarom blijkt het wenselijk tijdens infektie en behandeling de concentraties pro-inflammatoure produkten van pathogenen laag te houden in het CZS. […]

In de klinische praktijk, hangt een gunstige uitkomst af van het snel opstarten van antibiotica-behandeling. Hoewel veel antibiotica die gewoonlijk worden gebruikt […] lyse van de bakterieën veroorzaken en daaropvolgend release van pro-inflammatorire of cytotoxische molekulen, stopt een snelle antibiotica-behandeling de bakteriële replicatie en de aanmaak van deze stoffen in het CZS. […]

[…]

De reductie van potentieel schadelijke pathogenen-molekulen door een snelle initiatie van een doeltreffende antibiotia-therapie of het kiezen van stoffen die geen grote hoeveelheden pathogenen-produkten afgeven is een beloftevolle strategie ter bescherming tegen over-stimulatie van microgliale cellen en het verminderen van neuronaal letsel.

PLEIOTROPE MOLEKULEN DIE DE MICROGLIALE FUNKTIE INHIBEREN

[pleiotroop = met meerdere effekten op verschillende cel-soorten of verschillende biologische funkties beïnvloedend]

De rol van corticosteroïden bij infekties van het CZS is al tientallen jaren het onderwerp van discussie.

Dexamethason inhibeert de afgifte van TNFα en IL-1β door microglia na blootstelling aan LPS [lipopolysacchariden; aktiveren het immuunsysteem] in vitro. Na toediening van dexamethason werden uitgesproken effekten op de transcriptie gezien in microglia […]. De meerderheid van de genen is gerelateerd met de immuun-funktie. […] Dexamethason reduceerde de densiteit van de cellen dramatisch en vele kregen een rond uitzicht. Microglia behandeld met corticosteroïden vertonen een verminderde migratie-capaciteit […]. Of corticosteroïden ook fagocytose en intracellulaire inaktivatie van pathogenen door microglia inhiberen, dient te worden onderzocht.

[…]

Cytostatica [geneesmiddelen die deling van cellen stoppen] (bv. cyclofosfamide) werken op een waaier aan prolifererende cellen en als immunosuppressiva remmen ze waarschijnlijk ook de proliferatie en werking van microgliale cellen. […]

Het langdurig gebruik van pleiotrope stoffen die de microgliale funktie beïnvloeden, verhoogt het risico op CZS-infekties. […] Corticosteroïden en andere pleiotrope immunosuppressiva zijn wellicht geen ideale agentia voor dit doel omdat ze het vermogen van microglia aantasten om pathogenen op te ruimen. […]

MOLEKULEN DIE FAGOCYTOSE DOOR MICROGLIALE CELLEN STIMULEREN ZONDER EEN INFLAMMATOIRE REAKTIE TE INDUCEREN

Palmitoylethanolamide (PEA) is klein endogeen lipide dat wijdverspreid aanwezig is in cellen, waaronder microglia, weefsels en lichaamsvochten. Het heeft analgetische, anticonvulsieve, neuroprotectieve, antipyretische en anti-inflammatoire eigenschappen. De werking ervan hangt voornamelijk af van de ‘peroxisome proliferator-activated’ receptor (PPAR)α [PPARs, peroxisoom proliferator geaktiveerde receptoren, zijn een groep receptor-eiwitten in de cel-kern die als transcriptie-factoren de expressie van bepaalde genen reguleren] maar het is ook een ligand van de ‘transient receptor potential vanilloid’ (TRPV1 [ionkanaal dat tot expressie komt in nociceptieve neuronen]) en de ‘orphan G-protein coupled receptor GPR55’ [vermeende cannabinoïd receptor] [Esposito E, Cuzzocrea S. Palmitoylethanolamide in homeostatic and traumatic central nervous system injuries. CNS Neurol. Disord. Drug Targets (2013) 12: 55-61]. […].

[…] PEA bleek niet toxisch voor microgliale cellen tot zelfs een concentratie van 1000 nM. Door PEA gemedieerde toename van bakteriële opname door microglia ging niet gepaard met een afgifte van pro-inflammatoire cyto-/chemokinen (TNFα, IL-6, CXCL1), waardoor het risico op vergezellend neuronaal letsel wordt vermeden. […] Meer dan 3.600 patiënten kregen dagelijkse dosissen PEA van 600 tot 1.800 mg en er werden geen nadelige effekten gerapporteerd [Keppel Hesselink JM, de Boer T, Witkamp RF. Palmitoylethanolamide: a natural body-own anti-inflammatory agent, effective and safe against influenza and common cold. Int. J. Inflam. (2013) 151028] Deze eigenschappen illustreren dat PEA een echte immunomodulator is en geen immunosuppressor, en maken het een beloftevol agens om de weerstand van de hersenen tegen infektie te verhogen zonder het risico op het induceren van neuronaal letsel.

Glatiramer-acetaat [immunomodulerend middel] verhoogde ook de fagocytose in vitro: […] het is een willekeurig polymeer van vier aminozuren […] een relatief molekule […] die in tegenstelling to PEA waarschijnlijk moeilijk door bloed/hersen- en bloed/CSV-barrière gaat. Het dient te worden bestudeerd of de glatiramer-acetaat concentraties in het CZS hoog genoeg zijn om de fagocytische aktiviteit van microglia te beïnvloeden.

Dimethyl-fumaraat [immunomodulator en inducer van de anti-oxidante respons] is een kleine lipofiele molekule. […] Lymfocytopenie [gering aantal lymfocyten in het bloed] en eosinofilie [verhoogd aantal eosinofiele granulocyten] zijn frequent voorkomende nevenwerkingen […].

De gegevens omtrent PEA […] onderstrepen dat de zoektocht naar modulators i.p.v. inhibitors van de microgliale aktiviteit beloftevol blijkt.

BESLUIT

Fagocytose van pathogenen door microgliale cellen kan worden gestimuleerd door agonisten van receptoren van het aangeboren immuunsysteem. Het gebruik van dit signalisering-mechanisme om de weerstand van het brein tegen infekties te verhogen, houdt het risico in op de inductie van collaterale schade aan het zenuw-weefsel. Tengevolge de microgliale diversiteit, blijkt het mogelijk molekulen te identificeren die de opname en elimintatie van pathogenen verhoogt, en die kunnen bijdragen tot de bescherming van de hersenen zonder een vergezellend meetbaar pro-inflammatoir effekt. In deze context blijkt PEA, een endogeen lipide dat klinisch werd getest in de jaren 70 en blijkbaar […] zonder ernstige nevenwerkingen, blijkt het meest beloftevol. […]

————————-

Lees ook ‘Palmitoylethanolamide Is a Disease-Modifying Agent in Peripheral Neuropathy: Pain Relief and Neuroprotection Share a PPAR-Alpha-Mediated Mechanism’ door Di Cesare Mannelli L (University of Florence) et al., in Mediators of Inlammation (2013):

Neuropathische syndromen die ontstaan door letsels in het perifeer of centraal zenuwstelsel zijn ontzettend moeilijk te behandelen en de beschikbare medicijnen hebben meestal niet samen anti-hyperalgetische én neuro-restoratieve effekten. N-Palmitoylethanolamine (PEA) heeft anti-nociceptieve effekten in meerdere dieren-modellen en inhibeert perifere inflammatie bij knaagdieren. […] De resultaten [muizen-model met schade aan de heup-zenuw (sciaticus)] suggereren sterk dat PEA direct kan tussenkomen bij veranderingen in het zenuw-weefsel die verantwoordelijk zijn voor pijn. [anti-neuropathische eigenschappen]

september 29, 2017

Gliale aktivatoren: doelwit voor de behandeling van centrale sensitisatie (chronische pijn)?

Filed under: Behandeling — mewetenschap @ 11:32 am
Tags: , , , , , , ,

We gaven hier al informatie mee die wees op de mogelijke betrokkenheid van gliale cellen bij chronische pijn (zie ‘Bewijs voor gliale aktivatie in de hersenen bij chronische pijn’ & ‘Glia, glutamaat-transport en chronische pijn’) maar ook bij neuro-inflammatie (zie ‘Microglia en geheugen’ & ‘Cerebrale inflammatie? TNF-α, Microglia, Bloed-Hersen-Barrière’), vermoeidheid (zie ‘Glia, glutamaat-transport en mentale vermoeidheid’) en M.E.(cvs) (zie ‘Microglia & CVS – Hypothesen & Onderzoek’ & ‘Gliale Cellen, Astrocyten en M.E.’).

Fysio-/kinesitherapeut Jo Nijs en z’n team hebben nu blijkbaar ook deze piste ontdekt. Wellicht in afwachting van de resultaten van hun studie aangaande de epigenetica van het BDNF gen en z’n relevantie voor pijn (zie ook literatuurstudie ‘BDNF – neuroplasticiteit bij neuropathische pijn & centrale sensitisatie’) geven ze hier een overzicht over de research aangaande “afwijkende aktiviteit van glia als mogelijk onderliggend, zelfs etiologisch (oorzakelijk) mechanisme voor centrale sensitisatie (ook voorkomend bij M.E.(cvs); zie ‘Centrale sensitisatie & pijn-behandeling’).

Er volgt ook een opsomming van mogelijke farmacologische behandelingen om deze problematiek aan te pakken maar hun ‘Pain in Motion International Research Group’ blijft dus ook focussen op beweging en inspanningtherapie. Het artikel gaat inderdaad niet per se over M.E.(cvs) maar er wordt niet aangegeven dat een dergelijke (op training gebaseerde) behandeling hiervoor nefast kan zijn (zoals veelvuldig door patiënten wordt aangegeven en door onderzoek wordt benadrukt).

————————-

Expert Opin Ther Targets (2017) 12: 1-10

Sleep disturbances and severe stress as glial activators: key targets for treating central sensitization in chronic pain patients?

Nijs J1,2,3, Loggia ML4, Polli A1,2, Moens M5,6, Huysmans E1,2, Goudman L1,2,5, Meeus M1,7,8, Vanderweeën L1,2,9, Ickmans K1,3, Clauw D10

1 Department of physiotherapy, human physiology and anatomy, Pain in Motion International Research Group, Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium

2 Department of Physiotherapy, Human Physiology and Anatomy, Faculty of Physical Education & Physiotherapy, Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium.

3 Department of Physical Medicine and Physiotherapy, University Hospital Brussels, Brussels, Belgium

4 MGH/HST A. A. Martinos Centre for Biomedical Imaging, Department of Radiology, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Charlestown, MA, USA

5 Department of Neurosurgery and Radiology, University Hospital Brussels, Brussels, Belgium

6 Department of Manual Therapy, Faculty of Medicine and Pharmacy, Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium

7 Department of Rehabilitation Sciences and Physiotherapy, Ghent University, Ghent, Belgium

8 Department of Rehabilitation Sciences and Physiotherapy, University of Antwerp, Antwerp, Belgium

9 Private Practice for Spinal Manual Therapy, Schepdaal-Dilbeek, Belgium

10 Chronic Pain and Fatigue Research Centre, University of Michigan, Ann Arbor, USA

Samenvatting

Inleiding: Het mechanisme voor sensitisatie van het centraal zenuwstelsel verklaart gedeeltelijk de chronische pijn die door veel patiënten wordt ervaren maar de etiologische mechanismen van deze dysfunktie van het centraal zenuwstelsel worden niet goed begrepen. Een stijgend aantal studies suggereert dat afwijkende gliale aktivatie deel uitmaakt van het tot stand komen en/of onderhouden van centrale sensitisatie.

Domeinen: Dit overzicht focust op pre-klinisch werk en voornamelijk op de neurobiochemie bestudeerd bij dieren, met beperkte beschikbaarheid van studies bij mensen. Gliale over-aktivatie resuleert in een laag-gradige neuro-inflammatoire toestand, gekenmerkt door hoge waarden BDNF [Jason et al. rapporteerden in ‘Brain derived neurotrophic factor’ is gedaald bij CVS & MS’ over een onverwacht verminderde aanmaak], IL-1β, TNF-α, die op hun beurt de prikkelbaarheid van neuronen van het centraal zenuwstelsel verhogen door mechanismen zoals ‘long-term potentiation’ [LTP, langdurige versterkte communicatie tussen neuronen, resulterend uit hun gelijktijdige stimulatie; draagt in belangrijke mate bij aan chronische pijn] en verhoogde synaptische efficiëntie. Afwijkende gliale aktiviteit bij chronische pijn kan getriggerd zijn geweest door blootstelling aan ernstige stress, en/of slaap-stoornissen, die elk vastgestelde initiërende factoren zijn voor de ontwikkeling van chronische pijn.

Expert-opinie: Mogelijke behandel-paden omvatten meerdere farmacologische opties voor het verminderen van gliale aktiviteit, alsook conservatieve interventies zoals slaap-management, stress-management en inspanning-therapie. De farmacologische opties omvatten propentofylline, minocycline, β-adrenerge receptor antagonisten en cannabidiol. Vooraleer deze bevindingen te vertalen van basis-wetenschap naar klinische settings, zijn studies bij mensen nodig die de geschetste mechanismen verkennen bij patiënten met chronische pijn.

1. Inleiding

Moderne pijn-neurowetenschap heeft het begrijpen van pijn doe vooruitgaan, inclusief de rol van centrale sensitisatie (CS, of centrale hyper-exciteerbaarheid) bij aanwezigheid en amplificatie van (persistente) pijn-ervaringen. CS wordt gedefinieerd als een ‘amplificatie van neurale signalisering binnen het centraal zenuwstelsel die pijn hyper-sensitiviteit opwekt’ en ‘verhoogde responsiviteit van nociceptieve [nociceptie = pijn-waarneming] neuronen in het centraal zenuwstelsel voor normale of laag-drempelige afferente [signalen naar de hersenen] input’. Bij veel patiënten met chronische pijn ontbreekt een duidelijke oorzaak voor de nociceptieve input of ze is niet ernstig genoeg om de ernstige pijn en andere symptomen die door de patient worden ervaren, te verklaren. Bij dergelijke patiënten is CS dikwijls aanwezig en kan het klinisch beeld verklaren. Het is goed vastgesteld dat het mechanisme voor sensitisatie van het centraal zenuwstelsel gedeeltelijk de chronische pijn verklaart, inclusief bij mensen met neuropathische pijn, ‘whiplash’, chronische lage-rug pijn, osteoartritis, hoofdpijn, pijn na kanker-behandeling, fibromyalgie [Price DD, Staud R et al. Enhanced temporal summation of second pain and its central modulation in fibromyalgia patients. Pain. (2002) 99: 49-59], chronische schouder-pijn, Chronische Vermoeidheid Syndroom [Nijs J, Meeus M et al. In the mind or in the brain? Scientific evidence for central sensitisation in Chronic Fatigue Syndrome. Eur J Clin Invest. (2012) 42: 203-212; zie ook: ‘Centrale sensitisatie & pijn-behandeling], Reumatoïde Artritis, enz.

CS beslaat verscheidene gerelateerde dysfunkties binnen het centraal zenuwstelsel, die allemaal bijdragen tot gewijzigde, dikwijls verhoogde responsiviteit voor een waaier aan stimuli zoals mechanische druk, chemische substanties, licht, geluid, koude, warmte, stress en elektriciteit. Dergelijke dysfunkties van het centraal zenuwstelsel omvatten sensitisatie van ruggemerg-neuronen, veranderde sensorische verwerking in het brein met verhoogde hersen-aktiviteit in gebieden die bekend staan om hun betrokkenheid bij het voelen van acute pijn […]), betrokkenheid van meerdere hersenstam-kernen […], gewijzigde brein-neurochemie, slecht funktioneren van dalende anti-nociceptieve mechanismen en verhoogde aktiviteit van door de hersenen georkestreerde nociceptieve faciliterende mechanismen. Deze faciliterende mechanismen houden waarschijnlijk verband met de verhoogde hersen-aktiviteit zoals hierboven beschreven en ze kunnen (verder) worden geaktiveerd door cognitief-emotionele factoren zoals pijn-katastrofering, stress, hypervigilantie, gebrek aan aanvaarding, depressieve gedachten en maladaptieve ziekte-percepties (bv. ervaren onrechtvaardigheid, lage zelf-doeltreffendheid).

CS gaat ook gepaard met een overdreven respons van het centraal zenuwstelsel op nociceptieve of zelfs niet-nociceptieve input, resulterend in pijn die disproportioneel is met de stimulus. CS is dikwijls geassocieerd, niet enkel met ernstige pijn, maar ook met verscheidene andere symptomen zoals slaap-stoornissen en stress-intolerantie. Ondanks ons beter begrijpen van de mechanismen die (hyper-sensitiviteit) symptomen verklaren bij patiënten met chronische pijn, valt er veel te leren over de ontwikkeling van chronische pijn, inclusief de etiologische mechanisme die aan de basis van CS liggen. Waarom ontwikkelen sommige patiënten CS-pijn terwijl dat bij andere niet zo is?

Glia zijn niet-neuronale cellen in het zenuwstelsel. Een subgroep gliale cellen, in het bijzonder microglia en astrocyten, lijken fysiologisch op immuuncellen en kunnen daarom worden gezien als immuun-achtige of immuun-competente cellen. Al te lang hebben neurowetenschappers gefocust op neuronen en de glia verwaarloosd, waarschijnlijk omwille van het feit dat de basis-neurowetenschap historisch ontwikkelde uit methodes om de elektrische signalisering in (tussen) neuronen te monitoren. Toch zijn er veel meer glia dan neuronen en hebben ze een veel hogere cellulaire diversiteit en meer funkties dan neuronen.

Steeds meer pre-klinische studies suggereren dat afwijkende glia-aktivatie het bewerkstelligen en/of onderhouden van CS en persistente pijn kan verklaren [bv. Loggia ML et al. Evidence for brain glial activation in chronic pain patients. Brain: J Neural. (2015) 138: 604-615], en dat slechte slaap en ernstige stress [bv. Wohleb ES et al. Monocyte trafficking to the brain with stress and inflammation: a novel axis of immune-to­ brain communication that influences mood and behavior. Front Neurosci. (2014) 8: 447] elk kunnen resulteren in dergelijke gliale aktivatie. Hier geven we een update over het huidig begrip van de potentiële rol van afwijkende gliale aktiviteit bij het verklaren van (de aanvang van) CS bij patiënten met chronische pijn, samen met ernstige of langdurige stress en slaap-stoornissen als triggers voor afwijkende gliale aktivatie.

Ten slotte worden mogelijke farmacologische en niet-farmacologische behandel-paden voor deze neuro-immune interakties besproken. Deze ‘review’ focust op pre-klinisch werk en voornamelijk op de neurobiochemie bestudeerd bij dieren, waarbij menselijke studies beperkt beschikbaar zijn.

2. Gliale aktivatie, neuro-inflammatie en de etiologie van CS pijn

De 3 voornaamste gliale cel-types zijn microglia, astrocyten en oligodendrocyten. Hoewel oligodendrocyten ook geïmpliceerd bleken bij de ontwikkeling van centrale pijn, zullen we ons hier voornamelijk focussen op de eerste twee glia-klassen, aangezien hun rol bij pijn is meer gevestigd is. Er wordt soms naar microglia gerefereerd als de residente macrofagen in het brein: bij een letsel of infektie worden ze geaktiveerd en werken ze samen om de schade te herstellen en de brein-homeostase te herstellen. Om microglia toe te laten deze belangrijke fysiologische funktie uit te voeren, is het cruciaal dat het geen statische cellen zijn maar eerder een hoge graad van mobiliteit binnen het centraal zenuwstelsel hebben. Hoewel in het verleden auteurs microglia kenmerkten als in ‘rust-toestand’ of ‘geaktiveerde toestand’ vertoevend, accepteren de meeste nu dat microgliale cellen, wanneer ze niet geaktiveerd zijn, in een ‘surveillance’ eerder dan ‘rust’ toestand verkeren. Microglia zijn in feite continu hun processen aan het uitbreiden en terugtrekken om het molekulair en cellulair micro-milieu, inclusief synapsen, in hun nabijheid te scannen.

Daarnaast spelen microglia een cruciale rol bij synaps-vorming, synaps-eliminatie (bv. microglia kunnen hippocampus-synapsen fagocyteren) en verfijning van neuronale circuits met complement [onderdeel van de aangeboren immuun-respons dat antilichamen en fagocyterende cellen ‘complementeert’ (aanvult) in de strijd tegen pathogenen] -proteïnen (C1q en C3) als cruciale mediatoren. Synaps-vorming/-eliminatie is een belangrijk mechanisme voor veel funkties, inclusief leren (‘long-term potentiation’ en langdurige depressie) en bescherming tegen letsels. De REM-slaap is belangrijk bij het selektief elimineren en onderhouden van nieuw gevormde synapsen, wat op z’n beurt bijdraagt tot het leren en consolidatie van het geheugen. De mobiliteit van microglia wordt ook gereguleerd via verschillende manieren van neurotransmissie: verhoogd door glutamaterge neurotransmissie en verlaagd door GABAerge neurotransmissie. Vandaar dat microglia en neuronen bidirectioneel interageren en elkaar constant ‘fine-tunen’.

Na aktivatie transformeren microglia morfologisch van een vertakt (rustend) naar een amoeboïd (fagocyterend) fenotype. Niet elke geaktiveerde microglia vertoont een pro-inflammatoir patroon. Inflammatoire akties van microglia hangen af van het aktivatie-subtype. Het pro-inflammatoire subtype (M1) sekreteert pro-inflammatoire cytokinen (bv. tumor necrose factor α (TNF­α), interleukine-1β (IL-β), IL-6), neurotrofe factoren (bv. ‘brain­derived neurothrophic factor’, BDNF) en vrije radicalen toxisch die zijn voor de omringende cellen. Het anti-inflammatoire subtype (M2) sekreteert anti-inflammatoire cytokinen (bv. IL-10) voor het oplossen van inflammatie en trofe factoren voor het bevorderen van weefsel-genezing. Een dergelijk genereren van inflammatoire responsen wordt gemedieerd via de aktivatie van p38 mitogen-aktiverend kinase (MAPK [‘mitogen activated protein’ (MAP) kinasen reageren op extracellulaire stimuli (mitogenen) en reguleren verscheidene cellulaire aktiviteiten, zoals gen-expressie, celdeling, differentiatie en cel-overleving/apoptose]) in ruggemerg-microglia, ten minste bij mannelijke (maar niet bij vrouwelijke) dieren; dit speelt een centrale rol bij een brede dynamische waaier van neuronale hyper-exciteerbaarheid. M1-M2 polarisatie van microglia heeft ook verschillende effekten op de synaptogenese [ontstaan van synapsen]: M2-microglia stimuleren synaptogenese, terwijl M1-microglia in inflammatoire toestand resulteert in synaps-eliminatie (synaptische ‘stripping’, een mechanisme gelinkt met leer-processen). Er is discussie over het concept M1 versus M2 polarisatie van microglia, aangezien het een continu proces kan betekenen eerder dan verschillende subtypes. Ook het feit dat gliale cellen verschillende dynamieken vertonen en een verschillende mate van aktivatie na een stimulus kan verschillen bij patiënten verklaren, mogelijks zelfs gedeeltelijk waarom sommige mensen chronische pijn ontwikkelen na een gebeurtenis (bv. lichamelijk trauma), terwijl dat bij anderen niet het geval is.

In de acute of sub-acute fasen van een letsel of pijn, speelt gliale aktivatie waarschijnlijk een adaptieve rol, aangezien het weefsel-genezing en herstel begunstigt. Wanneer gliale aktivatie niet verdwijnt, en chronisch wordt, kan het pathogeen worden en leiden tot collaterale schade van nabijgelegen neuronen en andere glia. De resulterende laag-gradige chronische neuro-inflammatie is een onderliggend kenmerk van veel neurologische aandoeningen (zoals majeure depressie, Alzheimer’s, Parkinson’s, schizophrenie, traumatisch hersen-letsel, enz.). Gelijkaardige chronische neuro-inflammatie zou ook betrokken kunnen zijn bij de pathogenese van chronische pijn.

Afwijkende gliale aktiviteit heeft het potentieel CS te initiëren via meerdere mechanismen. Geaktiveerde microglia werden geïdentificeerd als een belangrijke bron voor de synthese en afgifte van BDNF dat verantwoordelijk is voor verhoogde neuronale prikkelbaarheid via het veroorzaken van ontremming in dorsale hoorn neuronen van het ruggemerg. Deze microglia-naar-neuron communicatie omvat niet enkel verzwakking van de pijn-inhiberende werking van gamma­aminoboterzuur (GABA) maar ook van glycine-receptor [één van de meest voorkomende neurotransmissie-inhiberende receptoren in het centraal zenuwstelsel] gemedieerde inhibitie. Verhoogde gliale synthese van BDNF in de nociceptieve mechanismen bij patiënten met CS pijn kan worden beschouwd als een pathofysiologische respons [Nijs J, Meeus M, Versijpt J et al. Brain-derived neurotrophic factor as a driving force behind neuroplasticity in neuropathic and central sensitization pain: a new therapeutic target? Expert Opin Ther Targets. (2015) 19: 565-576].

Gestegen IL-1 gen-expressie in microglia werd gelinkt aan de inductie en het onderhouden van ‘long-term potentiation’ (en bijgevolg met leren, angst en geheugen-processen). Zo ook gaat gliose [verhoogd aantal gliale cellen in een beschadigd gebied van de hersenen; de non-specifieke neuropathologische reaktie van het brein op verschillende neurologische ziekten] vergezeld van TNF-α beschikbaarheid, die op z’n beurt ‘long-term potentiation’ induceert en daardoor versterkte synaptische werkzaamheid en pijn-sensitisatie. ‘Long-term potentiation’ en versterkte synaptische werkzaamheid zijn (deels overlappende) sleutel-mechanismen die aan de basis liggen van verhoogde exciteerbaarheid van centraal zenuwstelsel pijn en de vorming van (maladaptief) pijn-geheugen bij patiënten met chronische pijn en CS, mogelijks gecoördineerd door gliose. Zo aktiveren ook pro-inflammatoire mediatoren, aangemaakt door geaktiveerde microglia tijdens neuro-inflammatie, op directe wijze nabijgelegen neuronen (die receptoren voor deze pro-inflammatoire cytokinen tot expressie brengen) die op hun beurt hyper-exciteerbaar worden.

Hoewel struktureel en funktioneel heel verschillend van microglia werd van astrocyten overtuigend aangetoond dat ze een sleutel-rol spelen in de pathogenese van aanhoudende pijn in dieren-modellen. Astrocyten zijn in staat de aanwezigheid van een aanval, zoals een inflammatoire belasting of zenuw-letsel, te detekteren, waarop ze reageren met hypertrofie en verhoogde expressie van een reeks molekulen die bijdragen tot hyperalgesie [verhoogde pijngevoeligheid] en allodynia [ervaring van pijn bij een gewoonlijk niet-pijnlijke prikkel], zoals het enzyme stikstof-oxide synthase, het pro-inflammatoir cytokine IL-1 en het chemokine CXCL1.

Naast de hierboven uitgelegde mechanismen, zouden andere mechanismen afwijkende gliale aktivatie en CS pijn kunnen linken. Dit omvat de expressie en funktie van de adenosine A1 receptor (A1AR) op microglia [Luongo L et al. The A1 adenosine receptor as a new player in microglia physiology. Glia. (2014) 62: 122-132]. Ca2+-influx geïnduceerd door ATP-behandeling en microgliale cellen voorbehandeld met een A1AR agonist [agonist = molekule die bindt op een receptor, deze aktiveert en een biologische respons opwekt], vertonen een lagere capaciteit om spinale [van het ruggemerg] nociceptieve neuronen te faciliteren. Daarnaast zijn er proteinase-geaktiveerde receptoren, een familie van G-proteïne-gekoppelde receptoren [na aktivatie van G-proteïne gebonden receptoren ontstaan er intracellulair zogenaamde ‘second messengers’ die, na een aantal biochemische tussenstappen, zorgen voor de uiteindelijke signaal-overdracht] in neuronen, microglia en astrocyten. Ze worden geaktiveerd door proteasen [eiwit-splitsende enzymen] en initiëren een reeks intracellulaire signalisatie mechanismen die resulteren, niet enkel in sensitisatie van pijn-mechanismen maar ook in de aktivatie van de nucleaire factor NF-κB [transcriptie-factor; regelt genen voor apoptose, viral replicatie, inflammatie en auto-immune ziekten], die belangrijk is voor neurale plasticiteit in het zenuwstelsel, inclusief synaptogenese. Geaktiveerd NF-κB heeft het vermogen de expressie van BDNF in centrale neuronen te verhogen.

Belangrijk: farmacologische ontwrichting van de astrogliale en microgliale funktie, of van de werking van hun produkten, kan nocifencief [gerelateerd met pijn en ongemak] gedrag in dieren reduceren, omkeren of voorkomen. Alles te samen tonen deze studies aan dat astrocyten, net zoals microglia, een belangrijke rol spelen in de pathogenese van persistente pijn bij dieren.

In feite werd bijna al het bewijsmateriaal aangaande het feit dat microglia een belangrijke rol kunnen spelen bij het onderhouden van chronische pijn afgeleid van dieren-modellen. De eerste menselijke studie aangaande gliale aktiviteit gebruikte een gevoelige in vivo merker voor gliale cel aktivatie, gemonitord d.m.v. positron-emissie-tomografie (PET), om aan te tonen dat denervatie van ledematen (n = 7) gliale aktivatie induceert […]. Enkel die ene patient met bilaterale zenuw-beschadiging vertoonde bilaterale microglia-aktivatie in de thalamus, terwijl de andere 6 patiënten slechts contra-laterale [aan de andere kant] aktivatie vertoonden. Een andere studie bij mensen (gebruikmakend van PET magnetische resonantie beeldvorming) identificeerde een patroon consistent met gliale aktivatie in de hersenen bij patiënten met chronische lage-rug pijn, een aandoening waarvan is geweten dat ze gerelateerd is met CS. Andere studies bij mensen (gebruikmakend van cerebrospinaal vocht) ondersteunen ook een mogelijke rol voor wijzigingen qua centrale cytokinen en neurotrofe factoren, consistent met afwijkende gliale aktivatie en gerelateerde neuro-inflammatie, bij een aantal toestanden met chronische pijn, ondanks variërende etiologieën. Vandaar: het beschikbare bewijsmateriaal ondersteunt een associatie tussen afwijkende gliale aktiviteit en neuro-inflammatie bij mensen met chronische pijn, maar direct bewijs dat aantoont dat afwijkende gliale aktiviteit en neuro-inflammatie leiden tot de ontwikkeling van CS bij mensen is nog niet beschikbaar en vereist verder onderzoek.

Als afwijkende gliale aktivatie of gliose de aanvang van CS verklaart, zal de volgende vraag zijn: wat triggert afwijkende gliale aktivatie? Neurowetenschap heeft ons voorzien van een aantal mogelijke antwoorden, inclusief ernstige stress en slaap-stoornissen die voornamelijk het brein als doelwit hebben. In het ruggemerg wordt gliale aktivatie voornamelijk getriggerd door inflammatie van perifeer weefsel of zenuw-beschadiging. In sommige gevallen is afwijkende gliale aktivatie wellicht niet voldoende voor pijn hyper-sensitiviteit, waardoor het nodig is verder te kijken dan door glia getriggerde neuro-inflammatie, naar de gevolgen van dergelijke afwijkende gliale aktivatie en gerelateerde neuro-inflammatie op de morfologie en de funktie van de hersenen.

3. Stress als een trigger voor gliale aktivatie en daaropvolgende morfologische hersen-veranderingen

Stress kan worden gedefinieerd als de continue strijd van levende organismen om te een interne dynamische toestand van evenwicht (homeostase) te behouden. Elke factor, fysiek, psycho­sociaal of emotioneel, die een uitdaging betekent voor de homeostase, wordt gelabeld als een stressor. Hoge waarden voor angst in de periode rond een traumatisch musculoskeletaal letsel voorspelt de ontwikkeling en het onderhouden van matig-tot-ernstige chronische pijn. Ook mishandeling tijdens de kindertijd (inclusief emotioneel misbruik) is niet alleen geassocieerd met een verhoogd risico op chronische (lage-rug) pijn, het houdt ook verband met langdurige CS voor nociceptieve stimuli – zoals wordt gezien in een subgroep van (zeer verzwakte) mensen met chronische lage-rug pijn.

In respons op langdurige stress wordt het lichaam blootgesteld aan hoge concentraties glucocorticoïden. Glucocorticoïden coördineren de expressie van subsets genen die betrokken zijn bij signaal-transductie, neuronale struktuur, dynamiek van vesikels [kleine membraan-blaasjes die kunnen versmelten met het cel-membraan zodat de stof die ze bevatten kan vrijkomen], neurotransmitter-katabolisme, codering van neurotrofe factoren en hun receptoren. Dit samen genomen resulteert stress in een zeer gecoördineerde set wijzigingen qua gen-expressie die aan de basis ligt van neuronale plasticiteit, gliale aktivatie en daaropvolgende neuro-inflammatie met verhoogde IL-1β en IL-6 mRNA expressie. Inderdaad: stress en de resulterende noradrenaline plus glucocorticoïden aktiveren microglia (die α1, α2, β1 en β2-adrenerge en glucocorticoid-receptoren tot expressie brengen), resulterend in neuro-inflammatie (met verhoogde beschikbaarheid van pro-inflammatoire cytokinen zoals IL-1, TNF-α en IL-6) /gliose. Stress aktiveert glia op zo’n manier dat ze transformeren naar het pro-inflammatoir subtype, wat dan CS kan induceren. Lang vooraleer ze geaktiveerd werden, zouden microglia kunnen zijn ‘voorbereid’ door een traumatische gebeurtenis zodat een tweede ‘hit’ (bv. een ander trauma of stress) een overdreven gliale respons induceert (de ‘double-hit’ hypothese zoals beschreven bij andere neuro-inflammatoire aandoeningen).

Het is niet verrassend dat, in respons op stress, microglia in meerdere hersen-gebieden geaktiveerd blijken te worden, inclusief de pre-frontale cortex, de laterale, baso-laterale, centrale en baso-mediale kernen van de amygdala, en in de [delen van de] hippocampus. Deze hersen-gebieden ondergaan morfologische wijzigingen in respons op stress en spelen ook een kardinale rol bij chronische pijn. Microglia zouden, via meerdere mechanismen, inclusief de aanmaak van BDNF [McEwen BS et al. Stress and anxiety: structural plasticity and epigenetic regulation as a consequence of stress. Neuropharmacology. (2012) 62:3-12], dergelijke stress-geïnduceerde morfologische veranderingen in de hersenen en zelfs CS kunnen verklaren. De pro-inflammatoire mediatoren geproduceerd door geaktiveerde microglia tijdens neuro-inflammatie aktiveren op directe wijze receptoren op nabijgelegen neuronen, en induceren hun hyper-exciteerbaarheid.

Verrassend is dat de morfologische brein-veranderingen in respons op chronische stress ietwat plaats-specifiek zijn i.p.v. diffuus, en voornamelijk hypertrofie in de amygdala, en atrofie in de pre-frontale cortex en hippocampus betrokken zijn. Dit kan ten dele gerelateerd zijn met de verdeling van glucocorticoid-receptoren, die wijdverspreid tot expressie komen in de hersenen maar hoge densiteiten hebben in de mediale pre-frontale cortex, en specialiteit hebben in de hippocampus en amygdala. Initiële experimenten betreffende de morfologische wijzigingen in belangrijke hersen-gebieden in respons op chronische stress werden uitgevoerd bij dieren, later bij mensen […]. Deze morfologische veranderingen kunnen worden geïnduceerd door herhaalde blootstelling aan milde stressoren of kortstondige maar intense stress. Het is belangrijk om te benadrukken dat deze stress-geïnduceerde morfologische wijzigingen omkeerbaar kunnen zijn en dus geen weerspiegeling zijn van echte hersen-schade maar eerder van een vorm van plasticiteit. Deze morfologicsche veranderingen zouden hersen-gebieden kunnen beschermen tegen permanente excitotoxische beschadiging [excitotoxicitet = pathologisch proces waarbij zenuwcellen worden beschadigd of gedood door overmatige stimulatie door neurotransmitters] en daarom adaptief kunnen zijn.

4. Slaap als een trigger van gliale aktivatie en neuro-inflammatie

In afwezigheid van andere intrinsieke slaap-aandoeningen en ploegen-arbeid, wordt insomnia [slapeloosheid] gedefinieerd als > 30 min slaap-latentie en/of minuten wakker na aanvang van de slaap > 3 dagen/week gedurende > 6 maanden. Stress, slaap en pijn zijn nauw met elkaar verbonden. Slapeloosheid is zeer prevalent bij patiënten met chronische pijn, waarbij 53-90% van de patiënten met chronische pijn lijden aan een klinische significante mate van slapeloosheid. Dit kan gedeeltelijk worden toegeschreven aan de rol van stress. Ten eerste: dagelijkse levens-stress (bv. piekeren over naar het werk gaan de volgende morgen) kan de slaap verstoren. Ook belangrijke stressvolle levens- en/of traumatische gebeurtenissen zoals natuurrampen, oorlogvoering of een verkeersongeval resulteren in wijzigingen qua slaap-architectuur die slechte slaap weerspiegelen. Meer ontwakingen en verminderde slaap-efficiëntie zijn de meest gevoelige slaap-architectuur variabelen in respons op stress. Ten tweede: slechte slaap (bv. ‘s nachts wakker liggen of de slaap niet kunnen vatten) kan een stressor zijn. Ten derde: de gevolgen van slechte slaap (bv. zich prikkelbaar en vermoeid voelen) resulteren in een uitgesproken verminderd vermogen om om te gaan met de dagdagelijkse stressoren. Om al deze redenen lijkt het logisch dat slaap-management dikwijls wordt opgenomen als onderdeel van stress-management programma’s.

Bij het aanpakken van slaap-problemen in de context van pijn-neurowetenschap, is het belangrijk om te benadrukken dat één enkele nacht van totale slaap-deprivatie bij gezonde mensen veralgemeende hyperalgesie kan induceren en angst verhogen. Deze bevindingen suggereren dat slaap-problemen niet enkel de hyper-exciteerbaarheid van het centraal zenuwstelsel kunnen bestendigen bij patiënten met chronische musculoskeletale maar ook dienen als een initiërende factor. Ons huidig begrip van slaap neuro-immunologie biedt potentiële links tussen slaap-problemen en (de aanvang van) pijn.

Melatonine is een neurohormoon dat cruciaal is voor (diepe) slaap en analgesie. Pre-klinische studies onthulden dat selektieve […] agonisten [binden en aktiveren een receptor] voor de MT2 melatonine-receptor [komt tot expressie in het netvlies; bindt melatonine] analgetische eigenschappen hebben via modulatie van […] dalende anti-nociceptieve systemen, in modellen voor neuropathische pijn.

Andere neurale mechanismen zouden kunnen bijdragen tot de nauwe interaktie tussen chronische pijn en slechte slaap. Terwijl een behoorlijke slaap de immune gezondheid faciliteert, resulteert slaap-deprivatie in laag-gradige inflammatoire responsen. Deze laag-gradige inflammatoire respons als een gevolg van slaap-deprivatie omvat verhoogde waarden van IL-6, prostaglandine-E2 en stikstof-oxide, mogelijks gemedieerd door cerebrale microglia. Zelfs lage waarden inflammatoire cytokinen staan er om bekend de hersen-funktie aan te tasten, wat correleert met observaties van verhoogde sensitiviteit voor pijnlijke stimuli na slaap-beperking. Slaap-apneu, soms gediagnostiseerd bij patiënten met chronische pijn, wordt gekenmerkt door periodieke hypoxie [zuurstof-tekort], wat op z’n beurt hersen-microglia aktiveert in de richting van een geaktiveerde, pro-inflammatoire toestand. Samengevoegd: slaap-ontbering geeft een glia-gemedieerde laag­gradige inflammatoire respons die leidt naar verhoogde gevoeligheid voor pijn, zoals typisch wordt gezien bij mensen die lijden onder chronische pijn.

Het begrijpen dat afwijkende gliale aktivatie of gliose mogelijks de aanvang van CS verklaart, doet de vraag rijzen hoe deze bevindingen te vertalen naar therapeutische doelwitten? Zo ook roept het begrijpen dat afwijkende gliale aktivatie te wijten kan zijn aan chronische stress en/of slaap-stoornissen de vraag op hoe er rekening mee te houden in de klinische praktijk? De studie van de rol van glia bij mensen met chronische pijn en het mechanisme van CS in het bijzonder, staat nog in de kinderschoenen, wat maakt dat het te vroeg is om deze bevindingen naar de klinische praktijk te vertalen. Nadenken over mogelijke therapeutische doelwitten biedt echter nieuwe innovatieve padden voor het experimenteel testen van deze ideeën bij mensen met CS en chronische pijn binnen een research-setting.

5. Behandeling die het potentieel hebben gliale aktiviteit te normaliseren

Farmacologische behandelingen zoals minocycline, een antibioticum, hebben theoretisch het vermogen om afwijkende gliale aktiviteit aan te pakken bij patiënten met CS en chronische pijn. Werk bij dieren heeft aangetoond dat (post-operatieve) minocycline microglia en astrocyten onderdukt, en TNF-α en IL-1β mRNA waarden in de hippocampus reduceert. Ook inhibeert minocycline spinale microgliale aktivatie en verzacht pijn in ratten met experimenteel geïnduceerde diabetes. Een kleine gerandomiseerde klinische proef heeft getoond dat een korte behandeling met minocycline geassocieerd was met een kleine maar statistisch significante vermindering van de pijn bij patiënten met lumbale radiculopathie [pijn veroorzaakt in de lage-rug en heup die uitstraalt naar de dij en het been]. Aangezien dergelijke patiënten verhoogde gliale aktiviteit vertonen, is het mogelijk dat minocycline bij mensen de pijn reduceert via inhibitie van microglia, aangezien het dit doet bij dieren.

Een ander therapeutisch pad omvat voorbehandeling met β­adrenerge receptor antagonisten (bv. propranolol [bloeddruk-verlager]), waarvan werd getoonde dat het microgliale aktivatie reduceert in een dieren-model. In vitro werk toonde dat ketamine [verdovingsmiddel en recreatieve drug] sommige van de inflammatoire responsen van zowel astrocyten en microgliale cellen inhibeerde. Daarnaast remt cannabidiol, een belangrijk niet-psychotomimetisch [zonder de symptomen van psychose, inclusief waanbeelden en/of delirium] bestanddeel van Cannabis sativa [hennep], microgliale aktivatie en daaropvolgende neuro-inflammatie [Gomes FV et al. Decreased glial reactivity could be involved in the antipsychotic-like effect of cannabidiol. Schizophr Res. (2015) 164: 155-163]. Toch dient voor al deze behandeling nog te worden vastgesteld of ze in staat zijn gliale aktiviteit bij mensen te normaliseren en indien dit het geval is: of dergelijke gliale effekten gepaard gaan met analgetische effekten.

Daarnaast werden inhibitoren van cytokine-synthese (die nauw verwant zijn met gliale aktiviteit), inclusief propentofylline [xanthine-derivaat, onderdrukt de produktie van pro-inflammatoire cytokinen, reaktieve zuurstof molekulen en stikstof-oxide], onderzocht op het gebruik als therapeutische agentia voor de behandeling van neuropathische pijn. Menselijke microglia waren minder responsief voor propentofylline-behandeling, wat twijfel deed rijzen omtrent het feit of directe microgliale inhibitie een relevant therapeutisch doelwit is voor patiënten met chronische pijn. Bezorgdheden omtrent de methodologie bij deze studies (duur van de proef, gebruikte dosering, specifieke doelwit-populatie en mogelijke interakties met andere medicijnen en voedsel-inname) beperkten de significantie van deze negatieve studie-uitkomsten.

Ook: bij de hierboven geschetste redenering aangaande de mogelijke rol van afwijkende gliale aktiviteit en neuro-inflammatie met betrekking tot CS werd primair gefocust op de aanvang van CS. Als CS geïnitieerd is en de afwijkende gliale aktiviteit en neuro-inflammatie gedurende enkele maanden of langer aanwezig is, heeft dit waarschijnlijk geresulteerd in neuroplastische veranderingen, inclusief enkele van de eerder besproken wijzigingen qua brein-morfologie of connectiviteit. Wanneer neuroplastische veranderingen reeds gevestigd zijn, kan het aanpakken van afwijkende gliale aktiviteit te laat zijn of op z’n best kan het verdere versnelling van CS bij patiënten met chronische pijn voorkomen, i.p.v. dienst te doen als een nieuwe potentiële behandeling voor chronische pijn. Deze redenering wordt ondersteund door werk bij dieren, dat toont dat – na afbinding van een ruggemerg-zenuw – dorsale hoorn microglia eerst worden geaktiveerd, gevolgd door aktivatie van astrocyten, vergezeld van een daling van microgliale aktiviteit. Vandaar dat het aanpakken van afwijkende gliale aktiviteit een nieuw therapeutisch pad kan zijn voor de preventie van de ontwikkeling, eerder dan de behandeling, van CS en chronische pijn. Een pre-klinische studie gaf positieve uitkomsten wanneer glia-onderdrukkende medicijnen worden toegediend in de vroege post-operatieve fase maar dit idee vereist experimentele testen bij mensen. De mogelijkheid van gliale aktivatie beeldvorming in vivo kan helpen patiënten te identificeren die het meest waarschijnlijk voordeel kunnen halen uit deze therapeutische benadering, en om optimaal behandel-venster, -duur of -dosering te identificeren.

6. Besluit

Een steeds groter wordende hoeveelheid gegevens van research bij dieren ondersteunt het idee van afwijkende gliale aktiviteit als een potentieel onderliggend, zelfs etiologisch, mechanisme voor CS. Dergelijke gliale over-aktivatie resulteert in een laag-gradige neuro-inflammatoire toestand, gekenmerkt door hoge waarden BDNF, IL-1β en TNF-α, wat op z’n beurt de exciteerbaarheid van neuronen van het centraal zenuwstelsel verhoogt via mechanismen zoals ‘long-term potentiation’ en verhoogde synaptische efficiëntie. Andere mechanismen die afwijkende gliale aktiviteit linken met de ontwikkeling van CS omvatten verzwakking van de nociceptieve inhiberende werking van GABA en glycine-receptor gemedieerde inhibitie. Daarnaast zou afwijkende gliale aktiviteit bij chronische pijn worden getriggerd door ernstige stress en/of slaap-stoornissen, die elk initiërende factoren bleken voor de ontwikkeling van chronische pijn. Mogelijke behandel-paden omvatten meerdere farmacologische opties voor het verminderen van gliale aktiviteit, alsook conservatieve interventies zoals slaap-management, stress-management en inspanning-therapie. Vooraleer deze bevindingen te vertalen van basis-wetenschap naar klinische settings, zijn meer studies bij mensen nodig die de geschetste mechanismen bij patiënten met chronische pijn onderzoeken.

Dit werk hier focust op de rol van de glia. Er bestaan nog andere neuro-immune mechanismen. Bijvoorbeeld: naast stress en slaap-problemen, suggereert research bij dieren dat neuro­trauma resulteert in afwijkende gliale aktiviteit. Ook: neuro-inflammatie geobserveerd bij dieren in respons op stress zou niet enkel aan gliale aktivitie kunnen worden toegeschreven: stress induceert ook monocyten-‘trafficking’ [het zich verplaatsen van immuun-cellen] naar de hersenen (bv. van het beenmerg naar de amygdala), resulterend in inflammatie (d.i. IL-1β gemedieerd angstig gedrag). Deze verhoogde monocyten-recrutering naar het brein is een uniek mechanisme waarbij het immuunsysteem communiceert met de hersenen. Daarnaast onthulde onderzoek bij dieren geslacht-verschillen, inclusief een microglia-onafhankelijk mechanisme dat pijn hyper-sensitiviteit medieert. Volgens deze studies zijn microglia niet vereist voor de ontwikkeling van mechanische pijn hyper-sensitiviteit bij vrouwelijke muizen, aangezien ze gelijkaardige niveaus bereiken qua pijn hyper-sensitiviteit via adaptieve immuun-cellen, waarschijnlijk T-lymfocyten. Monocyten-‘trafficking’ zou het gepreferreerd mechanisme kunnen zijn voor het medieren van pijn hyper-sensitiviteit bij vrouwen.

Deze ‘review’ focuste op het verklaren van onderliggende mechanismen voor CS, een mechanisme waarvan is vastgesteld dat het bedraagt aan een brede waaier aan pathologieën. Het is moeilijk bevindingen van veel verschillende of pathologieën, studies op verschillende molekulaire niveaus en van verscheidene types experimenten in één artikel te combineren. Het artikel heeft echter als doel een brug te creëeren tussen pre-klinische en klinische gegevens, om bij te dragen tot translationele inspanningen in dit onderzoekgebied (of ten minste translationeel werk [vertaling wetenschap naar kliniek] in dit gebied te stimuleren).

7. Expert opinie: niet-farmacologische behandel-opties om gliale aktiviteit te normaliseren

We benadrukten de rol van ernstige stress en slaap-stoornissen bij het triggeren van afwijkende gliale aktiviteit, implicerend dat afwijkende gliale aktiviteit niet de oorzaak is maar in plaats daarvan een onderdeel van een lange keten van gebeurtenissen die CS initiëren. Vandaar dat conservatieve interventies zoals stress- en slaap-management gerechtvaardigd lijken.

Binnen het onderzoekgebied van de conservatieve interventies, is inspanning ook een interventie die nuttig is bij veel chronische pijn toestanden en ook zou kunnen werken (ten dele) via gliale mechanismen. Inspanning verhoogt de expressie van ‘glial fibrillary acidic protein’ [GFAP; cytoskeletale component van o.a. astrocyten] in hippocampus-astrocyten, meer specifiek in het ‘stratum radiatum’, een gebied dat talrijke astrocyten bevat en belangrijk is voor leren en geheugen. De verhoogde expressie van de astrocyten-merker ‘glial fibrillary acidic protein’ impliceert dat inspanning resulteert in een substantiële toename qua astrogliaal metabolisme en proteïnen-synthese, consistent met een gezonde cellulaire hypertrofie in respons op verhoogde fysiologische vereisten. Deze notie wordt ondersteund door de geobserveerde wijziging qua morfologie van de astrocyten in respons op inspanning. Deze astrocyten-aktivatie in respons op inspanning kan worden verklaard door de toegenomen aanmaak van groeifactoren zoals ‘nerve growth-factor’, ‘fibroblast growth-factor’, ‘glial cell line-derived neurotrophic factor’ & BDNF in respons op inspanning [bv. Spielman U, Little JP, Klegeris A. Physical activity and exercise attenuate neuro-inflammation in neurological diseases. Brain Res Bull. (2016) 125:19-29] – bv. ‘nerve growth-factor’ en ‘fibroblast growth-factor’ zijn in staat astrocyt-proliferatie te induceren. Astrocyten-aktivatie in respons op inspanning impliceerde versterkte ‘tripartite’ synapsen [funktionele integratie van pre- & post-synaptisch membraan met glia], aangezien astrocyten nodig zijn (en hun morfologie wijzigen) rond gepotentieerde synapsen om neuronale plasticiteit te begeleiden, zoals wordt gezien tijdens ‘long-term potentiation’.

De immuun-modificerende, meer specifiek ‘whole-body’ anti­inflammatoire, effekten van milde fysieke aktiviteit/inspanning zijn goed gekend. Inspanning staat er om bekend de inflammatoire toestand te veranderen en anti-inflammatoir of neuroprotectief te worden bij meerdere neuro-inflammatoire ziekten zoals Multipele Sclerose en Systemische Lupus Erythematosus. Belangrijk: nieuwe research-bevindingen suggereren dat inspanning ook anti-inflammatoire effekten kan hebben op het centraal zenuwstelsel. Meer specifiek: het lijkt plausibel dat inspanning(therapie) de nadelige en niet-specifieke aktivatie van of gliale cellen (gliose) – zoals typisch wordt gezien bij chronische neuro-inflammatie kan verminderen. Op het niveau van de gliale cellen reduceert fysieke aktiviteit/inspanning microgliale proliferatie en triggert het een switch naar een anti-inflammatoir fenotype. Een dergelijke fenotype-verschuiving gaat gepaard met een dramatische verandering qua produktie van cytokinen (d.i. van pro- naar anti-inflammatoir). Dit biedt een plausibele verklaring voor hoe regelmatige en milde inspanning de gliale aktiveit binnen de gezonde perken houdt, wat op z’n beurt zou kunnen bijdragen tot de gedaalde incidentie van hersen-ziekte (gekenmerkt door chronische neuro-inflammatie) bij mensen die regelmatig trainen. Toch is er nog geen bewijsmateriaal beschikbaar dat fysieke aktiviteit/inspanning de gliale aktiviteit in menselijke hersen-gebieden (betrokken bij pijn-integratie en -perceptie) wijzigt en dit impliceert een belangrijke focus voor toekomstige research.

Het blijft onzeker of we deze redenering betreffende anti-neuro-inflammatoire effekten van inspanning-therapie kunnen toepassen op de behandeling van CS bij patiënten met chronische pijn. Eén studie bij muizen ondersteunt dit idee: fysieke training (zwemmen) na zenuw-letsel zorgde voor een omkering van mechanische hyper-sensitiviteit, normaliseerde door zenuw-letsel geïnduceerde ‘nerve growth factor’ en BDNF-expressie in de dorsale wortel ganglia, en zorgde voor een omkering van astrocyten en microglia hyper-aktiviteit in de dorsale hoornen; welke genormaliseerd bleven na het stoppen van de training [Almeida C et al. Exercise therapy normalizes BDNF upregulation and glial hyperactivity in a mouse model of neuropathic pain. Pain. (2015) 156: 504-513]. En andere pre-klinische studie toonde dat langdurige inspanning de vroege, door microglia- en astrocyten gemedieerde hersen-inflammatie na een myocard-infarct normaliseert. Ook de mogelijke anti-neuro-inflammatoire effekten van inspanning-therapie op de behandeling van CS bij patiënten met chronische pijn worden ondersteund door studies die gedaalde pijn-sensitiviteit na inspanning-therapie tonen bij patiënten met chronische pijn. Ten slotte nog een mechanisme waarbij inspanning voordelig kan zijn voor de gliale gezondheid: de stimulatie van gliale ‘heat-shock’ proteïne 72 [Hsp72, zou cellen beschermen tegen cellulaire stress; de ‘heat-shock’ respons is een universeel en essentieel adaptief mechanisme dat cellen toelaat te reageren op een brede waaier van schadelijke condities] expressie. Inspanning induceerde verhoogde neuronale en astrogliale waarden qua ‘heat-shock’ proteïne 72 in normaal ruggemerg-weefsel, wat het funktioneel herstel na experimenteel ruggemerg-letsel faciliteerde. Onderzoek bij dieren informeerde ons dat verhoogde gliale expressie van ‘heat-shock’ proteïne 72 anti-inflammatoire effekten heeft en beschermt tegen astrogliale apoptose.

————————-

De eerste auteur (Prof. Jo Nijs) drukt in het artikel zijn dankbaarheid uit ten aanzien van psychiater Boudewijn Van Houdenhove (gekend als adept van de psychiatrische school m.b.t. chronische vermoeidheid en als voorstander van cognitieve gedrag therapie en graduele oefen therapie als behandeling voor ‘cvs’) “om hem te motiveren en te inspireren om de rol van stress met betrekking tot chronische pijn te verkennen”. Zeer onthullend!

Jo Nijs geeft ook aan houder te zijn van de ‘Chair exercise immunology and chronic fatigue in health and disease’ opgericht door de Nederlandse ‘Berekuyl Academy/European College for Decongestive Lymphatic Therapy’ (doel: “stimuleren van het wetenschappelijk onderzoek naar de inspanning-immunologie van chronische vermoeidheid”). Een neuroloog die meeschreef aan dit artikel (Maarten Moens; neurochirurg en pijnspecialist, UZ Brussel) geeft aan de ‘Lyrica Independent Investigator Research Award (LIIRA)’ te hebben ontvangen als ook ooit te zijn betaald door Medtronic (bedrijf dat medische technologieaanbiedt, o.a. voor het verlichten van pijn) & Pfizer (farmaceutisch bedrijf dat Lyrica produceert).

Volgende pagina »

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.