M.E.(cvs)-wetenschap

juli 1, 2008

Molekulair mechanisme voor verminderde inspanningscapaciteit

Filed under: Celbiologie,Inspanning — mewetenschap @ 2:59 pm
Tags: , , ,

Begin 2008 kwam het bericht (o.a. http://www.sciencedaily.com/releases/2008/02/080211172606.htm), van een onderzoeksgroep van de Columbia University Medical Centre (New York, USA) dat men een medicijn aan het onwtikkelen is dat vermoeidheid na zware inspanning zou verlichten. Op het eerste zicht misschien niet onmiddellijk toepasbaar op CVS/ME maar toch de moeite van het bekijken waard.

Het team, geleid door Prof. Andrew Marks, M.D. (hoofd van het ‘Department of Physiology and Cellular Biophysics’ en directeur van het ‘Clyde and Helen Wu Centre for Molecular Cardiology at Columbia University Medical Centre’), vond dat vermoeidheid ten gevolge inspanning wordt veroorzaakt door calcium dat lekt binnenin spier-cellen. Deze theorie is tegensteld of minstens aanvullend aan wat jaren gangbaar was bij de meeste fysiologen die denken dat vermoeidheid door zware, volgehouden insapnning een gevolg is van accumulatie van melkzuur. Iets dat nu blijkbaar zal moeten worden bijgesteld.

Het onderzoek toont aan dat een minuscuul lek, dat calcium toelaat continu binnen te sijpelen in de spiercellen in de spiercellen verantwoordelijk is. Zo wordt de spierkracht verzwakt en wordt een proteîne-afbrekend enzyme geaktiveerd dat de spiervezels berschadigt. De researchers beklemtonen wel dat het lek enkel opgemerkt werd in mensen en muizen uitgeput door inspanning. Onder normale omstandigheden is het lichaam in staat om schade aan de spieren te herstellen.

Bij dit onderzoek gaf men muizen een experimenteel medicijn vooraleer ze te onderwerpen aan een weken-lang oefen-schema. Zonder waren ze na 3 weken uitgeput maar mét waren ze daarna nog energetisch en hun spieren vertoonden minder tekenen van beschadiging. Er zijn plannen om het medicijn in de toekomst te testen bij patiënten met hart-falen. Op het moment van dit onderzoek was het echter nog niet voor mensen beschikbaar.

Mocht blijken dat het medicijn – dat het calcium-lek dicht – de vermoeidheid van mensen met hart-falen verlicht en de hart-funktie verbetert, zou men ook kunnen overwegen hetzelfde te onderzoeken bij CVS/ME-patiënten (na te hebben nagegaan of hetzelfde mechanisme geldt bij CVS/ME). Meerdere onderzoekers hebben overigens CVS/ME nl. al vergeleken met chronisch hart-falen.

De ontdekking van dit calcium-lek in vermoeide dieren en atlteten is in elke geval de eerste keer dat iemand een precies mechanisme aanduidt voor de betrokkenheid van een defekt in de calcium-verwerking bij beperkingen in insapnningscapaciteit.

De resultaten werden gepubliceerd in het A1 tijdschrift ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’.

Ryanodine receptoren (RyR)/Ca2+ release kanalen, op het endoplasmatisch en sarcoplasmatisch reticulum van de meeste cel-types, zijn vereist voor intracellulaire Ca2+ release betrokken bij diverse cellulaire funkties, o.a. spiersamentrekking en neurotransmitter-afgifte.

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

PNAS 2008; 105(6):2198-202

Remodeling of ryanodine receptor complex causes ‘leaky’ channels: a molecular mechanism for decreased exercise-capacity

Andrew M. Bellinger, Steven Reiken, Miroslav Dura, Peter W. Murphy, Shi-Xian Deng, Donald W. Landry, David Nieman, Stephan E. Lehnart, Mahendranauth Samaru, Alain La Campagne & Andrew R. Marks

Samenvatting Eerder werd voorgesteld dat, tijdens inspanning, defekten in calcium-release de spier-funktie kunnen schaden. Hier tonen we dat bij inspanning, in muizen en mensen, het belangrijkste Ca2+ release kanaal nodig voor excitatie-contractie koppeling (ECC) in skelet-spieren, de ryanodine receptor (RyR1), progressief is PKA-gehyperfosforyleerd, S-genitrosyleerd, en uitgeput in fosfodiesterase PDE4D3 en de RyR1 stabiliserende subunit calstabine-1 (FKBP12), wat resulteert in ‘lekkende’ kanalen die een verminderde inspanningstolerantie in muizen veroorzaken. Muizen met een skelet-spier-specifieke calstabin-1 deletie of PDE4D deficiëntie vertoonden significant aangestaste inspanningscapaciteit. Een kleine molekule (S107) die depletie van calstabine-1 van het RyR1-complex voorkomt, verbeterde kracht-ontwikkeling en insapnningscapaciteit, reduceerde Ca2+-afhankelijk neutraal protease calpain-aktiviteit en plasma creatine-kinase waarden. Alles tesamen suggereren deze gegevens een mogelijk mechanisme waarbij Ca2+-lekkage via calstabine-1-uitgeputte RyR1-kanalen leidt tot gebrekkige Ca2+-signalisatie, spier-schade en aangetaste inspanningscapaciteit.

——————–

Skeletspiersamentrekking wordt geaktiveerd door Ca2+ release via de type 1 skelet-spier ryanodine receptor (RyR1) in het sarcoplasmic reticulum (SR). […] Ca2+ bindt aan troponine-C om zo actine-myosine kruisbinding en sarcomeer-verkorting toe te laten. RyR1 Ca2+ release kanalen zijn samengesteld uit macromolekulaire complexen bestaande uit een homo-tetrameer van 560-kDa RyR1 subunits die stellages vormen voor proteïnen die de kanaal-funktie, met inbegrip van proteïne-kinase A (PKA) en het fosfodiesterase PDE4D3 […], PP1 […] en calstabine-1 (FKBP12) (1, 2), regelen.

De binding van calstabine-1 op RyR1 stabiliseert de gesloten toestand van het kanaal (d.w.z. voorkomt een ‘lek’) en vergemakkelijkt gekoppelde poortfunktie tussen aangrenzende kanalen die de doorgang van Ca2+ versterkt (1, 3). Farmacologische depletie van calstabine-1 van RyR1 […] ontkoppelt kanalen van hun ‘buren’ en veroorzaakt een ‘lek’ in de kanalen (1, 3) en kan, in intacte skelet-spieren, een verlies van depolarisatie-geïnduceerde samentrekking veroorzaken (4). Mutatie van RyR1 resulterend in het verlies van calstabine-1 binding veroorzaakt verslechterde ECC […] (5). […]

PKA fosforylatie op de S2844 van RyR1 dissocieert calstabine-1 van het kanaal en verhoogt zijn aktiviteit (8). RyR1-S2844A mutante kanalen kunnen niet door PKA gefosforyleerd worden […]. De rol van PKA fosforylatie van RyR1 blijft niettemin controversieel omdat andere groepen weinig of geen effekt op de kanaal-funktie hebben gevonden (10). In vitro S-nitrosylatie van niet-geïdentifieerde cysteïnes op RyR1 reduceert de affiniteit van calstabine-1 voor RyR1 (11). […]

[…] RyR1 dysfunktie in skelet-spieren leidt tot veranderde lokale subcellulaire Ca2+ release (15). We hebben verder aangetoond dat JTV519, een 1,4-benzothiazepine dat her-binding van calstabines op RyR veroorzaakt, toegediend aan knaagdieren met hart-falen na een myocardiaal infarct, resulteerde in verbeterde skelet-spier-funktie (16). We stellen voor dat het remodelleren van de RyR1 kanaal-complexen lekkende kanalen veroorzaakt en dit is een tot nu toe niet eerder gekarakteriseerd mechanisme dat insapnningscapaciteit reguleert.

Discussie

Onze gegevens suggereren dat het remodelleren van het RyR1 macro-molekulair complex tijdens inspanning, bestaande uit PKA hyper-fosforylatie op Ser-2844, RyR1 S-nitrosylatie, PDE4D3 depletie en calstabine-1 depletie, waarschijnlijk een rol speelt in het bepalen van inspanningscapaciteit. Inspanning bevordert talrijke positieve effekten: van vebetering in cardiovasculaire prestaties tot gestegen glucose-opname en normalisatie van het brandstof-metabolisme (21, 22). Aan de andere kant resulteert uitputtende inspanning, zoals bv. van een marathon-loper of een lange-afstand fietser, in significante spier-beschadiging en kan dit prestaties voor dagen of weken schaden (2325), hoewel de mechanismen die aan de basis liggen van deze verminderde inspanningscapiteit niet volledig duidelijk zijn.

We identificeerden biochemische veranderingen in het RyR1 macro-molekulair complex overeenkomend met lekkende RyR1/Ca2+ release kanalen. Spier-specifieke deficiëntie van calstabine-1 (cal1–/–) of PDE4D3 (PDE4D–/–) resulteerde in inspanningsdefekten in muizen, wat het geobserveerde remodelleren van het RyR1 complex, gekarakteriseerd door calstabine-1 en PDE4D3 depletie van het RyR1 complex, verbond met de verminderde inspannings-performantie. De Ca2+ kanaal stabilisator S107, die de binding van calstabine-1 op RyR1 tijdens inspanning bewaart, verbeterde inspanningscapaciteit […].

We stellen voor dat SR Ca2+ lekkage via RyR1 kanalen kan resulteren in spier-beschadiging tijdens intense inspanning door het aktiveren van calpaine. Inderdaad, calpaine-aktivatie en CPK-waarden waren verhoogd na inspanning en werden significant gereduceerd door behandeling met S107, wat suggereert dat correctie van lekkende RyR1 kan beschermen tegen spier-beschadiging tijdens inspanning. Onze gegevens sluiten de mogelijkheid niet uit dat andere Ca2+-afhankelijke mechanismen, zoals caspasen, bijdragen tot de schade veroorzaakt door lekkende RyR1 kanalen.

Samenvattend: tijdens inspanning resulteert het remodelleren van het RyR1 macro-molekulair complex in lekkende kanalen (door de depletie van calstabine-1 van het kanaal-complex) die een rol spelen in een beperking van de insapnningscapaciteit. […].

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

Deze researchers van het ‘Columbia University Medical Centre’ o.l.v. professor Andrew R. Marks hebben dus een medicijn (een nieuwe 1,4-benzothiazepine afgeleide, ‘JTV519’) ontwikkeld dat hart-arithmieën (gekenmerkt door snelle en onregelmatige hartkloppingen, wat – vooral in mensen met hart-falen – een plotse dood kan veroorzaken) kan tegengaan.

Ook het zogenaamde ‘S107’, een Ca2+ kanaal stabilisator, voorkomt depletie van calstabine-1 van het RyR1 complex. Hierop werd reeds een patent genomen door dezelfde Marks et al. als “middel ter voorkoming en behandeling van aandoeningen waarbij modulatie van de RyR receptoren is geïmpliceerd”.

Stefania Fulle en haar groep van de ‘Universita ‘G. d’Annunzio’ in Perugia, Italië (zie eerdere review) lieten al noteren: “Bij het Chronische vermoeidheids Syndroom zijn verschillende gerapporteerde veranderingen mogelijks betrokken bij specifieke oxidatieve modifikaties in spieren. Aangezien sarcoplasmatisch reticulum membranen de basis-strukturen zijn in excitatie-contractie-koppeling (ECC) en de thiol-groepen van Ca2+ kanalen van SR terminale cisternae specifieke doelwitten voor reaktieve zuurstof molekulen, is het mogelijk dat excitatie-contractie-koppeling betrokken is in deze pathologie.” Zij onderzochten in 2003 (jammer genoeg bij slechts 4 patiënten) de mogelijkheid dat abnormaliteiten op dit vlak betrokken zouden zijn bij de pathogenese van Chronische Vermoeidheids Syndroom en dus verantwoordelijk voor de kenmerkende vermoeidheid. Hun bevindingen ondersteunden deze hypothese en toonden dat het sarcolemmale geleidingssysteem en sommige aspekten van Ca2+ transport negatief beïnvloed zijn bij Chronische Vermoeidheids Syndroom: “Ontregeling van pomp-aktiviteiten (Na+/K+ and Ca2+ -ATPase) én verandering in de openingstoestand van ryanodine-kanalen kan resulteren uit verhoogde membraan-fluïditeit met betrekking tot sarcoplasmatisch reticulum membranen.”.

Ik stelde Prof. Marks de vraag, aangezien CVS./ME wordt gekenmerkt door een verhoogde inspannings-intolerantie, te speculeren over de relevantie van hun bevindingen voor onze aandoening. Ook omwille van zijn recent (2007) artikel waarin wordt betoogd voor een veranderde regulatie van SR Ca2+ release gedurende chronische stress [niet psychologisch]. Jammer genoeg mocht ik geen antwoord ontvangen. Misschien voeren zij wel reeds onderzoek naar de toepasbaarheid van hun therapeutica? Wellicht hebben academici meer succes mochten zij die vraag stellen…

Wordt vervolgd?

Reakties welkom…

Geef een reactie »

Nog geen reacties

RSS feed for comments on this post. TrackBack URI

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.

%d bloggers op de volgende wijze: