M.E.(cvs)-wetenschap

mei 23, 2009

Verhoogde neutrofiel apoptose bij CVS

Filed under: Immunologie — mewetenschap @ 2:00 pm
Tags: , , , ,

Het BMJ (British Medical Journal) dat gewoonlijk niet echt belangstelling heeft voor research aangaande een fysieke oorzaak voor M.E.(cvs) schreef op 21 augustus 2004 (bmj.bmjjournals.com) over onderstaand artikel: “Er komt steeds meer bewijs dat mensen met Chronische Vermoeidheid Syndroom een detekteerbare immunologische abnormaliteit zouden kunnen hebben. Ze melden dikwijls symptomen die verenigbaar zijn met een onderliggende virale ziekte, en verhoogde apoptose (geprogrammeerde cel-dood) bij neutrofielen (een type witte bloedcel) wordt gevonden bij patiënten met infektie. […]”

Op een opmerking als zou neutrofiel-apoptose te wijten zijn aan een primaire psychologische aandoening laten de auteurs van onderstaand artikel in het BMJ noteren dat er geen studies zijn die aantonen dat neutrofielen bij depressieve patiënten significant apoptotisch zouden zijn en dat deze een verhoogd TGF-β1 zouden vertonen. De CVS-patiënten in de studie waren overigens niet depressief, noch overdreven angstig. Kennedy et al. laten ook weten dat de CVS-patiënten in deze studie zelfs accurater zouden kunnen worden omschreven als lijdend aan Myalgische Encefalomyelitis (M.E.) zoals gedefinieerd door Ramsay [Ramsay M.A. (1988). Myalgic Encephalomyelitis and post-viral fatigue states: The saga of Royal Free disease (2nd ed.). Hampshire, UK: Gower].

Neutrofielen of neutrofiele granulocyten zijn kort-levende witte bloedcellen die zowel in het bloed als weefsels voorkomen. Ze maken deel uit van de primaire immuun-respons die snel infekties onder controle probeert te krijgen. Neutrofielen fagocyteren (= ‘opeten’, d.w.z. opnemen en intracellulair doden) bakterieën en schimmels en zorgen ervoor dat deze vernietigd worden. Neutrofiele granulocyten hebben het vermogen zich te verplaatsen in ons lichaam naar de plaats van een infektie, kunnen micro-organismen binden aan receptor-eiwitten op hun buiten-membraan om deze dan in een afgesloten pakketje (fagosoom) binnen de cel op te nemen en ze te doden d.m.v. van toxische eiwitten en zuurstof-produkten. Dat deze ‘a-specifieke’ tak van de immunologische afweer heel belangrijk is, blijkt duidelijk uit de levensbedreigende infekties die optreden bij patiënten met ernstig tekort aan neutrofielen (neutropenie) of met stoornissen in de funktie van deze cellen.

Een cel kan op twee manieren sterven. Necrose is het proces waarbij een cel op een abrupte manier doodgaat. Hierbij wordt de inhoud van de cel, het cytoplasma, in het omringende weefsel vrijgelaten (zogenaamde ‘cel-lyse’ door membraan-schade). Dit aktiveert het immuunsysteem, waardoor er een ontstekingsreaktie kan ontstaan. Apoptose is een voor een cel meer georganiseerde manier van sterven. Dit wordt ‘geprogrammeerde cel-dood’ (soms ook ‘cel-zelfmoord’) genoemd omdat in elke cel de mechanismen aanwezig zijn die apoptose mogelijk maken. Als een cel signalen van zijn omgeving krijgt die de cel tot apoptose aanzetten of als de cel zoveel schade heeft opgelopen dat verder bestaan niet mogelijk is, wordt een intracellulair mechanisme geaktiveerd. Door het tot expressie komen van een specifieke set genen wordt de cel aangezet om dood te gaan. Dit mechanisme leidt uiteindelijk tot de aktivatie van eiwit-splitsende enzymen (proteasen), de zogenaamde caspasen (cysteine-aspartyl-proteasen). Deze en andere enzymen zetten de cel aan tot het afbreken van proteïnen maar ook van DNA in de celkern en het cytoplasma. Een cel die apoptose ondergaat, vertoont een aantal kenmerken. Er worden kleine bolletjes cytoplasma (apoptotische lichaampjes) met cel-inhoud (mitochondrieën en cel-organellen) afgesplitst. Het erfelijk materiaal (DNA) van apoptotische cellen wordt in stukken geknipt (ladder-vorming) door het enyme endogeen-endonuclease. Cellen die apoptose ondergaan verliezen hun oppervlakte-strukturen en de cel-cel verbindingen worden verbroken (ze krimpen). Ze vertonen ook negatief geladen fosfolipiden op hun cel-oppervlak. die door fagocyten (‘etende cellen’) herkend worden. Na herkenning verwijdert de fagocyt de apoptotische cel en recycleert de bouwstenen.

Voor de lezer die niet geïnteresseerd is in de technische uitleg: lees de benadrukte passages…

Journal of Clinical Pathology 57:891-893 (2004)

Increased neutrophil apoptosis in Chronic Fatigue Syndrome

G Kennedy, V Spence, C Underwood and JJF Belch

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

SAMENVATTING

Achtergrond/Doelstellingen: Veel patiënten met Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) hebben symptomen die consistent zijn met een onderliggende virale of toxische ziekte. Omdat gestegen neutrofiel apoptose voorkomt bij patiënten met infektie, onderzocht deze studie of dit fenomeen ook voorkomt bij patiënten met CVS.

Methoden: Apoptose werd bepaald bij patiënten met CVS samen met concentraties van het anti-inflammatoir cytokine, ‘transforming growth factor-β1’ (TGF-β1).

Resultaten: De 47 patiënten met CVS hadden hogere aantallen apoptotische neutrofielen, lagere aantallen levensvatbare neutrofielen, verhoogde annexine-V binding en verhoogde expressie van de ‘dood’-receptor, tumor necrose factor receptor-I op hun neutrofielen dan de 34 gezonde controles. Patiënten met CVS hadden ook verhoogde concentraties aktief TGF-β1 (p<0.005).

Besluiten: Deze bevindingen leveren nieuw bewijs dat patiënten met CVS een onderliggende detekteerbare abnormaliteit in hun immuun-cellen hebben.

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een invaliderende aandoening zonder gekende etiologie of pathofysiologie. Bij de zoektocht naar een diagnostische test, heeft gen-profielering research de heterogene aard van CVS bevestigd, wat de nood illustreert voor volgehouden klinische screening gebaseerd op de uitsluiting van andere ziekten, te samen met de aanwezigheid van specifieke symptomen. Enkele van deze symptomen suggereren een onderliggende virale of toxische ziekte geassocieerd met aanhoudende infektie en immuun-aktivatie. Er zijn verscheidene rapporten geweest van immunologische stoornissen en virale infekties bij de ziekte.

50-60% van de totale circulerende witte bloed-cellen zijn neutrofielen. Het zijn kort-levende, reaktieve cellen die fundamenteel zijn voor het funktioneren van een intact immuunsysteem. Minieme veranderingen qua werking van neutrofielen kunnen diepgaande immunologische consequenties hebben: amplificatie van de inflammatoire respons en produktie van cytokinen. Als onderdeel van het antwoord op inflammatie, worden geaccumuleerde neutrofielen verwijderd via apoptose, een proces waarbij ongewenste of beschadigde cellen worden geëlimineerd zonder hun toxische inhoud af te geven en de inflammatoire respons aan te wakkeren. Het is ook een proces geassocieerd met de release van anti-inflammatoire mediatoren; in het bijzonder de produktie van ‘transforming growth factor-beta-1’ (TGF-β1) [Fadok VA, Bratton DL, Konowal A et al. Macrophages that have ingested apoptotic cells in vitro inhibit pro-inflammatory cytokine-production through autocrine/paracrine mechanisms involving TGF-beta, PGE2 and PAF. J Clin Invest 1998;101:890-8], wat reeds betrokken is gebleken bij de pathogenese van CVS.

Hoewel verhoogde neutrofiel-apoptose aanwezig is bij patiënten met infektie, zijn er geen meldingen geweest over de funktie van neutrofielen bij patiënten met CVS. Het doel van onze studie was elementen van neutrofiel-apoptose en TGF-β1 bij patiënten met CVS te vergelijken met een controle-groep gezonde individuen van dezelfde leeftijd en geslacht.

METHODEN

Zevenenveertig patiënten die na klinisch onderzoek voldeden aan de ‘Centres for Disease Control’ klassificatie voor CVS en 34 gezonde individuen van dezelfde leeftijd en geslacht namen vrijwillig deel aan de studie. Alle individuen gaven schriftelijk hun geïnformeerde toestemming en de het plaatselijk medisch-ethisch comité gaf toelating voor de studie.

Neutrofielen werden geïsoleerd uit bloed […]. Ze werden onmiddelijk geïncubeerd met annexine-V en/of propidium-jodide (PI). Blootstelling aan fosfatidylserine op de buitenste laag van het cytoplasmisch membraan is kenmerkend voor vroege apoptose en is verbonden met preferentiële binding van annexine-V. Cellen met een intact plasma-membraan stoten PI uit en deze eigenschap blijft gehandhaafd in die cellen die zich in de vroege stadia van apoptose bevinden. In tegenstelling hiermee hebben necrotische cellen hun membraan-integriteit verloren en kleuren ze met PI. Neutrofielen die positief waren voor annexine-V werden als vroeg-apoptotisch beschouwd, neutrofielen die positief waren voor annexine-V én PI werden laat-apoptotisch en/of necrotisch genoemd, en neutrofielen die positief waren voor geen van beide werden geklassificeerd als leefbare cellen.

[M.a.w. Annexine-V bindt specifiek met fosfatidylserine, een molekule aan de buitenkant van het celmembraan dat al vroeg in het apoptose-proces verschijnt; door annexine-V te labelen met een fluorescerende kleurstof kan met behulp van flow-cytometrie het percentage annexine-V-positieve – dus vroeg-apoptotische – cellen worden bepaald. PI bindt aan de celkern en dus aan laat apoptotische, permeabele cellen; zo kan een onderscheid worden gemaakt tussen vroeg en laat-apoptotische cellen: drie populaties cellen kunnen worden onderscheiden: levend (annexine V en PI), vroeg-apoptotisch (annexine V+, PI) en laat-apoptotisch (annexine V+ en PI+)]

Expressie van tumor necrose factor receptor 1 (TNFR-1) op het oppervlak van leucocyten werd gemeten op een tweede bloed-staal d.m.v. een fluorescent gelabeld antilichaam […].

Het overblijvende bloed-staal werd gebruikt om bloedplaatjes-arm plasma (PPP) te bereiden en geaktiveerd TGF-β1 werd gemeten in het PPP d.m.v. ‘enzyme linked immunosorbent assay’ [ELISA, een immunologische techniek]. TGF-β1 is aanwezig in de granulen van bloedplaatjes en wordt afgegeven na aktivatie van de bloedplaatjes; daarom zijn de waarden in het PPP representatief voor concentraties in de circulatie. [Grainger DJ, Mosedale DE, Metcalf JC. TGF-beta in blood: a complex problem. Cytokine Growth Factor Rev 2000;11:133-45]

Alle bloedstalen werden op hetzelfde tijdstip van de dag genomen en alle testen uitgevoerd bij dezelfde persoon. De data waren normaal verdeeld […].

RESULTATEN

Kleuring met annexine-V en PI toonde dat patiënten met CVS significant (p = 0.002) meer apoptotische en significant (p = 0.002) minder leefbare neutrofielen hadden dan gezonde controles. Er was een trend bij patiënten met CVS tot het hebben van later-apoptotische/ necrotische neutrofielen (p = 0.075).

De neutrofielen van patiënten vertoonden ook verhoogde annexine-V binding (p = 0.001; 37,4% vergeleken met 22,8% in de controle-group). De gemiddelde expressie van annexine-V in de controle-groep (22,8%) was gelijkaardig met die gemeld door anderen (12,3-35,0%). De relatief brede spreiding is een resultaat van de methodologische verschillen in verscheidene laboratoria; er is ‘good laboratory practice’ vereist om te verzekeren dat alle stalen identiek worden behandeld. De expressie van neutrofielen TNFR-1 was ook significant hoger in de patiënten-groep (p = 0.004).

Er waren significant grotere hoeveelheden geaktiveerd TGF-β1 in het PPP van patiënten met CVS dan bij de gematchte gezonde controle-individuen (p = 0.005).

BESPREKING

We hebben aangetoond dat er een groter deel apoptotische cellen is bij de neutrofielen van patiënten met CVS en dat deze cellen significant minder leefbaar zijn vergeleken met deze van gezonde indviduen. Dezelfde neutrofielen brachten meer TNFR-1 ‘dood’-receptor molekulen tot expressie en vertoonden meer binding van annexine-V, wat wijst op fosfatidylserine-blootstelling.

[De TNF receptor (TNFR) super-familie is verdeeld in drie verschillende subgroepen: ‘dood’-receptoren, ‘afleider’-receptoren en aktiverende receptoren. De aktivatie van TNFR zorgt voor aktivatie van hun intracellulaire signalen door een aantal adaptor-eiwitten, ‘TNF receptor-associated factors’ (TRAFs). In het kort: De TNFR en TNF super-families reguleren het leven en de dood van geaktiveerde cellen van het immuunsysteem.

Dood-receptoren zijn receptoren op het cel-oppervlak die apoptotische signalen geïnitieerd door specifieke liganden (o.a. TNF-α) doorgeven. Ze spelen een belangrijke rol bij apoptose en kunnen de caspase-cascade zeer snel aktiveren.

TNF wordt aangemaakt door T-cellen en geaktiveerde macrofagen in respons op een infektie. Door zijn receptor TNFR-1 te aktiveren, kan TNF meerdere effekten uitoefenen. In sommige cellen zorgt dit voor aktivatie van NF-κB en AP-1 (zie: ‘Samenspel tussen de Glucocorticoid Receptor en Nuclear Factor-κB) wat leidt tot de inductie van een brede waaier aan genen. Soms kan TNF ook apoptose induceren – naast het mediëren van inflammatie en immuniteit. Binding van TNF-α aan TNFR-1 resulteert in receptor-trimerisatie en clusteren van intracellulaire ‘dood’-domeinen.

Het ‘death domain’ (DD) ontleent zijn naam aan het feit dat het betrokken is bij signalisering-processen die uiteindelijk leiden tot geprogrammeerde cel-dood via apoptose. Dit ‘dood-domein’ is een gebied binnen bepaalde proteïnen (o.a. TNFR) waardoor ze met zichzelf of met andere kunnen associëren.]

Apoptose wordt getriggerd door signalen die worden op gang gebracht door externe stimuli én interne sensoren. Het mechanisme gemedieerd door de ‘dood’-receptor, ook bekend als het extrinsieke mechansime, begint met de binding van liganden uit de TNF-familie op de ‘dood’-receptor TNFR-1. Dit resulteert in de recrutering van een adaptor-proteïne: ‘TNFR geassocieerd dood-domein’, dat op zijn beurt een andere adaptor-molekule recruteert: ‘Fas-geassocieerd dood-domain’. Dit recruteert dan pro-caspase 8 of pro-caspase 10 om een ‘dood’-inducerend signaal-complex te vormen. Tijdens de vorming van dit signaal-complex, worden pro-caspase vormen gesplitst en omgezet, zodat geaktiveerd caspase 8 of caspase 10 wordt afgegeven, die direct andere pro-caspasen converteren naar hun aktieve vormen, waardoor apoptose in werking wordt gesteld. Er is echter communicatie tussen de extrinsieke en intrinsieke (mitochondrieën-afhankelijke) mechanismen, en splitsing van het pro-apoptotisch proteïne ‘Bid’, door caspase 8, kan gebeuren. Deze splitsing kan resulteren in de release van cytochroom-C [eiwit in de respiratoire keten van cellen, voorafgaand aan apoptose begint het te lekken uit de mitochondrieën; eens dat lekken goed op gang komt, is de cel ten dode opgeschreven: cytochroom-C aktiveert in de celvloeistof proteasen die de grootschalige eiwitafbraak op gang brengen] en het triggeren van verdere apoptotische mechanismen. In onze studie hebben we getoond dat de neutrofielen van patiënten met CVS verhoogde expressie van TNFR-1 vertonen en we kunnen enkel veronderstellen dat de versnelde apoptose van deze cellen een gevolg is van extrinsieke factoren die apoptotische mechansimen beïnvloeden.

Daarnaast vonden we dat de concentraties aan geaktiveerd TGF-β1 significant waren verhoogd in het PPP van patiënten met CVS. Een stijging van geaktiveerd TGF-β1 samen met neutrofiel-apoptose is een belangrijk proces bij de downregulering van cytokinen en produktie van eicosanoïden [zie o.a. ‘Chronische microglia aktivatie na overmatige immuun-stimulatie] tijdens het chronisch inflammatoir proces. TGF-β1 is ook cruciaal bij het apoptotisch proces omdat het leukocyten-adhesie en trans-migratie [cytokines, vrijgelaten door geaktiveerde macrofagen, induceren adhesie-molekulen op de wanden van vasculaire endotheelcellen waardoor neutrofielen, monocyten en lymfocyten aangetrokken worden voor ze uit het bloedvat treden, via een proces dat extravasatie genoemd wordt, naar het aangedane weefsel] intoomt [Smith WB, Noack L, Khew-Goodall Y et al. Transforming growth factor-beta 1 inhibits the production of IL-8 and the transmigration of neutrophils through activated endothelium. J Immunol 1996;157:360-8] en deze stoornis van het transmigratie-proces van neutrofielen kan onafhankelijk apoptose bevorderen. Neutrofielen die transmigreren door het endothelium verliezen TNF-receptoren en dit verlies aan receptor-densiteit is nodig voor het overleven van de neutrofielen.

[Onder de TGF (‘transforming growth factor’) familie valt een aantal polypeptiden die een rol spelen bij het reguleren van de groei en differentiatie van cellen. De veelvuldig onderzochte TGF-β met zijn drie isotopen TGF-β1, TGF-β2 en TGF-β3 heeft een funktie in het aanzetten van cellen tot groei en differentiatie voor vele weefsels in het lichaam. Bovendien heeft het daarnaast nog meer fuknkies, waaronder voor sommige celtypes zelfs ook remming van groei en differentiatie, bijvoorbeeld bij B-lymfocyten.. TGF-beta-1 is een cytokine dat in het CZS in verhoogde concentraties aanwezig is bij inflammatie en een belangrijke rol speelt bij de vorming van astrogliose (zie: ‘Gliale Cellen, Astrocyten en M.E.’); daarnaast is het ook betrokken bij apoptose en immunosuppressie.]

Het feit dat neutrofielen van patiënten met CVS verhoogde oppervlakte-expressie van TNFR-1 vertonen is een bijkomende indicatie dat die cellen meer vatbaar zijn voor apoptose.

De neutrofielen van patiënten met CVS vertonen meer apoptose en dit kan het aangeboren immuunsysteem van deze patiënten beïnvloeden, gezien het feit dat neutrofielen de belangrijkste effector-cellen van dit systeem zijn. De controle van apoptose is ingewikkeld en de stijging van apoptose bij patiënten met CVS kan een gevolg zijn van meerdere factoren. Versnelde apoptose wijst op een persistente of reaktiverende virale infektie of een toxische toesatnd, herprogrammering van apoptotische mechanismen door een infektueus of toxisch agens of snellere neutrofiel-turnover, secundair aan een abnormale gastheer-respons op schadelijke stimuli.

Met de komst van gen-profielering is de zoektocht naar causatieve agentia bij CVS van start gegaan. De gegevens die hier worden gepresenteerd zijn consistent met het feitt dat vele patiënten met CVS een onderliggende, detekteerbare abnormaliteit in het gedrag van hun immuun-cellen hebben, overeenkomend met een geaktiveerd inflammatoir proces.

mei 17, 2009

Glia, glutamaat-transport en chronische pijn

Filed under: Neurologie — mewetenschap @ 7:01 am
Tags: , , , , ,

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

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

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

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

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

Elisabeth Hansson and Lars Rönnbäck

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

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

INLEIDING

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

CZS Glia

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

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

CHRONISCHE PIJN EN GLIA-AKTIVATIE IN HET RUGGEMERG:

ONTSTAAN VAN EEN VICIEUZE CIRKEL DIE PIJN-SIGNALISERING INSTANDHOUDT

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

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

GLUTAMAAT, ASTROGLIA EN INFORMATIE-VERWERKING IN DE HERSENEN

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

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

NEURONALE-GLIALE SIGNALISERNG IN HET CZS ALS EEN NEUROBIOLOGISCH CORRELAAT

VOOR HET INSTANDHOUDEN VAN PIJN-SIGNALEN,

VOOR PIJN-GEHEUGEN EN VOOR VERHOOGDE PIJN-GEVOELIGHEID

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

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

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

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

CHRONISCHE PIJN EN MENTALE VERMOEIDHEID

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

CHRONISCHE PIJN, MENTALE VERMOEIDHEID

EN ASTROGLIALE STOORNIS VAN DE GLUTAMAAT-OPRUIMING:

EEN HYPOTHESE

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

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

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

TESTEN VAN DE HYPOTHESEN

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

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

STRATEGIEËN VOOR BEHANDELING VAN CHRONISCHE PIJN

EN BIJBEHORENDE MENTALE VERMOEIDHEID

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

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

OPMERKINGEN TOT BESLUIT EN PERSPEKTIEVEN

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

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

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

mei 10, 2009

Glia, glutamaat-transport en mentale vermoeidheid

Filed under: Immunologie,Neurologie — mewetenschap @ 2:38 pm
Tags: , , , , ,

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

Journal of Neuroinflammation 2004, 1:22

Hypothese

Over de mogelijke rol van glutamaat-transport bij mentale vermoeidheid

Lars Rönnbäck en Elisabeth Hansson

Institute of Clinical Neuroscience, Göteborg University, Göteborg, Sweden

Samenvatting

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

Achtergrond

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

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

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

Glutamaat neurotransmissie is onontbeerlijk voor informatie-opname

en -verwerking in het centraal zenuwstelsel

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

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

Regulering van astrogliale glutamaat-transporter capaciteit

– rol van pro-inflammatoire cytokinen

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

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

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

Zou glutamaat neurotransmissie dynamisch geregeld

kunnen worden door extracellulair glutamaat?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[…]

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

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

Zou mentale vermoeidheid het gevolg kunnen zijn

van een dysfunktie in een specifiek hersen-gebied?

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

Mentale vermoeidheid

– een stereotypische reaktie na verstoring van de hersen-funktie

– een hypothese die focust op gestoorde glutamaat neurotransmissie

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

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

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

Testen van de hypothese

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

Waarom houden de symptomen aan bij sommige patiënten?

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

Aspekten van behandeling

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

Commentaar:

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

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

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

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

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

mei 3, 2009

Gliale Cellen, Astrocyten en M.E.

Filed under: Immunologie,Neurologie — mewetenschap @ 2:53 pm
Tags: , , , ,

Gliale Cellen, Astrocyten & M.E.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

FASEB J. 2003 17: 341-8

Glial neuronal signaling in the central nervous system

Hansson E, Rönnbäck L

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

————————-

Journal of Neuroinflammation (2004) 1: 22

On the potential role of glutamate transport in mental fatigue

Lars Rönnbäck and Elisabeth Hansson

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

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

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

————————-

Neurochem Res. (2004) 29: 989-96

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

Hansson E, Rönnbäck L

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

————————-

J Neurochem. (2005) 93: 1327-33

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

Andersson AK, Rönnbäck L, Hansson E

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

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

————————-

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

Microglial glutamate uptake is coupled to glutathione synthesis and glutamate release

Persson M, Sandberg M, Hansson E, Rönnbäck L

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

————————-

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

Astrocyte-endothelial interactions at the blood-brain barrier

Abbott NJ, Rönnbäck L, Hansson E

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

————————-

Läkartidningen (2007) 104: 1137-42

Disturbed glutamate-regulation can explain inadequate information-filtrering

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

Rönnbäck L, Persson M, Olsson T

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

————————-

Neurochem Res (2009) 34: 556-565

Lactate Contributes to Ammonia-Mediated Astroglial Dysfunction During Hyperammonemia

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

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

To be continued…

Blog op WordPress.com.