M.E.(cvs)-wetenschap

november 1, 2010

Oxidatieve fosforylatie na herhaalde inspanning bij CVS

Filed under: Celbiologie,Inspanning — mewetenschap @ 7:42 am
Tags: , , , , , ,

Dr. Ruud Vermeulen (gynecoloog en inspanning-fysioloog) is medisch directeur van het ‘CVS Centrum Amsterdam’. Prof. Visser is cardioloog bij hetzelfde centrum en internist dr. Kurk was degene die aldaar onderzoek voerde naar acetylcarnitine. Samen met enkele academici onderzocht hij de werking van enzyme-complexen (2 van de 5 in totaal, die de omzetting van voedingstoffen naar het energie-molekule ATP bewerkstelligen) in de mitochondrieën bij 2 opéénvolgende inspanning-testen.

Het mitochondriaal proces waarbij energie-rijke elektronen hun energie afgeven in een serie redox-reakties werd reeds behandeld in ‘M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte. Over het belang van het uitvoeren van twee opéénvolgende inspanning-testen kan de lezer zich informeren in Dubbele fietstest en Post-exertionele malaise bij vrouwen met CVS. Ook hier wordt nogmaals bevestigd dat de inspanning-capaciteit bij CVS lager ligt dan die van sedentaire controles en dat deze nog afneemt bij een tweede inspanning-test.

Hun conclusie is (in tegenstelling met wat sommige andere onderzoek-groepen vonden) dat er geen probleem is van deze ‘ATP-fabriekjes’ – er werd niets abnormaals gevonden bij het doorlopen via de enzymatische reakties van complex 1 en complex 2 (de belangrijkste en bepalende stappen) naar ATP, het systeem werkt normaal – maar dat er iets schort aan de toevoer van grondstoffen, waarschijnlijk door een verminderd bloedvolume.

De resultaten zijn echter deze van een beperkte groep CVS-patiënten waarvan de aandoening begon na een infektie…

Journal of Translational Medicine 2010, 8:93

Patients with Chronic Fatigue Syndrome performed worse than controls in a controlled repeated exercise study despite a normal oxidative phosphorylation capacity

Ruud CW Vermeulen1, Ruud M Kurk1, Frans C Visser1, Wim Sluiter2 & Hans R Scholte3

1 CFS/ME and Pain Research Centre Amsterdam, Waalstraat 25-31, 1078 BR Amsterdam, The Netherlands

2 Department of Neurology, Erasmus MC University Medical Centre, Rotterdam, The Netherlands

3 Department of Neuroscience, Erasmus MC University Medical Centre, Rotterdam, The Netherlands

Samenvatting

Achtergrond Het doel van deze studie was de mogelijkheid te onderzoeken dat een verminderde mitochondriale ATP-synthese musculaire en mentale vermoeidheid veroorzaakt, en een rol speelt bij de pathofysiologie van het Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS/ME).

Methodes Vrouwelijke patiënten (n=15) en controles (n=15) voerden een cardiopulmonaire inspanning-test (CPET) uit door te fietsen met een continu verhoogde werk-last tot maximale inspanning. De CPET werd 24 h later herhaald. Vóór de testen werd bloed afgenomen voor de isolatie van perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMC), die op een speciale manier werden verwerkt om hun oxidatieve fosforylatie te bewaren, welke later werd getest in aanwezigheid van ADP en fosfaat in gepermeabiliseerde cellen […] om de ATP-produktie via Complex I en II te meten. Plasma creatine-kinase (CK) werd bepaald als een vervangende meting voor een gedaalde oxidatieve fosforylatie in de spier, gezien de eerdere bevinding in een groep patiënten met externe oftalmoplegie [verlamming of zwakte van de oogspieren] waar het zuurstof-verbruik door geïsoleeerde spier-mitochondrieën negatief correleerde met plasma CK, 24 h na inspanning.

Resultaten Tijdens beide inspanning-testen bereikten de patiënten de anaërobe drempel en de maximale inspanning bij een veel lager zuurstof-verbruik dan de controles en dit verslechterde bij de tweede test. Dit impliceert een stijging van lactaat – het produkt van anaërobe glycolyse – en een daling van de mitochondriale ATP-produktie bij de patiënten. In het verleden werd dit ook gevonden bij patiënten met defekten in de mitochondriale oxidatieve fosforylatie. De oxidatieve fosforylatie in PBMC bij CVS/ME-patiënten en controles was echter gelijkaardig. Plasma creatine-kinase waarden vóór en 24 h na inspanning waren echter laag bij patiënten en controles, wat suggereert dat de musculaire mitochondriale oxidatieve fosforylatie normaal is.

Besluit De daling qua mitochondriale ATP-synthese bij de CVS/ME-patiënten wordt niet veroorzaakt door een defekt in de enzyme-complexen die de oxidatieve fosforylatie katalyseren, maar door een andere factor.

Achtergrond

[…]

Meerdere groepen onderzoekers veronderstellen dat een defekte oxidatieve fosforylatie en de daaropvolgende produktie van vrije radikalen en oxidatieve stress een belangrijke rol spelen in de pathofysiologie van CVS/ME [bv. Lane RJM, Barrett MC, Taylor DJ, Kemp GJ, Lodi R. Heterogeneity in Chronic Fatigue Syndrome: evidence from magnetic resonance spectroscopy of muscle. Neuro Disorders (1998) 8:204-209: “Sommige CVS-patiënten vertonen verstoorde mitochondriale oxidatieve fosforylatie.” /// Barnes PRJ, Taylor DJ, Kemp GJ, Radda GK. Skeletal muscle bio-energetics in the Chronic Fatigue Syndrome. Journal of Neurology Neurosurgery and Psychiatry (1993) 56:679-683: “Er werden geen consistente abnormaliteiten qua glycolyse, mitochondriaal metabolisme of pH-regulering geïdentificeerd.” /// Bains W: Treating Chronic Fatigue states as a disease of the regulation of energy-metabolism. Medical Hypotheses (2008) 71:481-488: Ik stel voor dat patiënten met CVS een verminderd vermogen hebben om mitochondriale energie-produktie te verhogen wanneer inspanning dit vereist…” /// enz.]. Een goed aanvaarde manier om ATP-synthese bij verhoogde werk-last te testen, is de cardiopulmonale inspanning-test (CPET). De ATP-synthese wordt indirect gemeten door het bepalen van zuurstof-opname (V’O2) als een maat voor de zuurstof-consumptie (Q’O2) in een inspanning-protocol. Q’O2 kan beperkt zijn wanneer de mitochondrieën onvoldoende aktief zijn of door een beperkt aanbod van zuurstof (bepaald door de longen, zowel ventilatie en perfusie, de hart-pomp, de bloedvaten en de haemoglobine-concentratie in het bloed). Moderne apparatuur en algoritmen suggereerden de uitsluiting van deze laatste oorzaken voor een onvoldoende Q’O2 en ondersteunden de waarschijnlijkheid van inaktiviteit van de mitochondriale oxidatieve fosforylatie. Dit werd ook gesuggereerd door de bevinding van een verminderde anaërobe drempel bij de ME/CVS-patiënten, die wordt bepaald bij CPET. De anaërobe drempel is de snelheid van zuurstof-consumptie wanneer de werk-last waarop het bloed melkzuur begint te accumuleren, is bereikt en is te wijten is aan de ATP-synthese door de anaërobe glycolyse in de spieren. Bij patiënten met defekten in de oxidatieve fosforylatie wordt de anaërobe drempel ook bereikt bij een lagere zuurstof-consumptie dan in de controle-groep.

In deze studie vergeleken we de CPET met een directe test voor de oxidatieve fosforylatie in perifere mononucleaire cellen (PBMC) in een poging om een afwijking van dit proces bij de patiënten te bewijzen. Na 24 h werden deze testen herhaald.

Methodes

Patiënten die de ‘ME/CVS Kliniek Amsterdam’ consulteerden en gezonde sedentaire controles werden uitgenodigd voor de studie. Alle patiënten voldeden aan de criteria van Fukuda et al. voor ME/CVS en de aanvang van hun meldden na een infektie-ziekte. […]. Contra-indicaties voor de CPET waren voornamelijk hartziekten, hoge bloeddruk of het onvermogen om de oefening uit te voeren zoals bij artrose van de knie. Medicatie werd stopgezet te worden 2 weken voor de eerste test. […] De CPET werd herhaald na 24 uur De ‘Respiratory Echange Rate’ (RER) [verhouding tussen het volume afgegeven CO2 en het volume opgenomen O2] werd gebruikt voor de validatie van de herhaalde CPET.

Het inspanning-ECG van de proefpersonen werd geanalyseerd. De anaërobe drempel werd bepaald door de ‘V-slope’ methode. [Visuele manier om de AT te bepalen via een V’CO2 versus V’O2 grafiek; dus niet via de bepaling van lactaat.] De deelnemers vulden vragenlijsten in, onder andere over aanvullende symptomen van ME/CVS (‘CDC Symptom Inventory – Nederlandse versie). Het criterium voor de vermoeidheid vereiste dat ten minste 4 ME/CVS-symptomen ≥ 7,5 moesten bedragen.

[…]

ATP-synthese bepaling in PBMC

[…] Bepaling ATP-produktie via complex I of II [Oxidatieve fosforylatie zorgt voor ATP, bron van cellulaire energie. Het Ox-Fos systeem omvat meer dan 100 proteïnen, geordend in 5 enzym-complexen (I t/m V) gelokaliseerd in het mitochondriaal binnenste membraan: Complex I: NADH/ubiquinon oxidoreductase – krijgt elektronen van NADH en geeft deze door aan co-enzyme Q10 (ubiquinon); elektronen worden verder doorgegeven aan Complex II: succinaat-degydregenase, Complex III: ubiquinol/ferrocytochroom c oxidoreductase en Complex IV: cytochroom-c oxidase – ze reageren met zuurstof en vormen water; en Compex V: proton-transporterend ATPase gebruikt de protonen om ATP te vormen.]

[…] Citraat-synthase aktiviteit […]. [CS is het bepalend enzyme in de eerste stap van de citroenzuur- of Krebs-cyclus en bevindt zich in de mitochondriale matrix; het wordt courant gebruikt als een kwantitatieve enzyme-merker om te kijken of de mitochondrieën intact zijn.]

[…] Plasma creatine-kinase (CK) wordt meestal beschouwd als een merker voor niet-specifieke spier-schade. De aktiviteit van CK werd in het plasma gemeten als een vervangende meting voor een verlaagde oxidatieve fosforylatie in skelet-spieren. De rationale hiervoor kwam uit vroeger werk door Driessen-Kletter et al.: in een groep van zeven patiënten met chronische externe oftalmoplegie werd een hoge negatieve correlatie van (P = 0,0002) gevonden tussen plasma-CK 24 uur na inspanning en de aktiviteit van de oxidatieve fosforylatie via reductie van complexe I. […]

Statistische analyse

[…]

Resultaten

Patiënten

[…] Bij de screening voldeden 8 van de 23 patiënten aan de uitsluiting-criteria voor de studie. Bij de overige patiënten waren de resultaten van de mannelijke deelnemers significant verschillend van die van de vrouwelijke. Het gering aantal mannelijke patiënten liet een aparte statistische analyse niet toe, dus werden enkel de gegevens van de 15 vrouwelijke deelnemers gerapporteerd in deze studie, samen met die van 15 vrouwelijke gezonde controles. […]

CPET1 en CPET2

De V’O2 max [aërobe capaciteit om zuurstof te transporteren en gebruiken tijdens inspanning; weerspiegeld de lichamelijke fitheid] van de CPET1 en CPET2 in de controle-groep waren nauw verwant. […] Bij rust waren de ‘Forced Vital Capacity’ [FVC; het volume lucht, uitgedrukt in liter, dat krachtig kan worden uitgeblazen na volledige inademing], het ‘Forced Expiratory Volume’ [FEV1; uitgeademd volume tijdens de eerste seconde], de hartslag, het zuurstof-verbruik en de CO2-productie niet verschillend tussen de patiënten- en controle-groep. Bij de anaërobe drempel bleken de twee groepen verschillend qua arbeid (58,6 ± 24,2 W bij patiënten versus 82,9 ± 29,1 W; P = 0,019), zuurstof-opname (12,8 ± 3,0 ml/kg versus 16,7 ± 4,0 ml/kg; P = 0,006) en het ventilatoir equivalent voor CO2 [hoeveelheid lucht die uitgeademd moet worden om een bepaalde hoeveelheid CO2 kwijt te raken] (29,3 ± 2,3 versus 26,9 ± 1,5 in de controlegroep; P = 0,002). Bij maximale arbeid waren vergelijkbare verschillen te zien: arbeid (132 ± 30 W versus 188 ± 46 W, P = 0,001), zuurstof-puls [zuurstof-opname per hartslag] (9,19 ± 2,18 ml/hartslag versus 12,43 ± 5,25; P = 0,036) en zuurstof-opname (22,3 ± 5,7 ml/kg versus 31,2 ± 7,0; P = 0,001). De resultaten van de tweede test vertoonden dezelfde verschillen tussen de patiënten en controles. De arbeid, zuurstof-puls en zuurstof-opname bij de anaërobe drempel en bij maximale inspanning bij de eerste en de tweede test waren nauw gecorreleerd (P < 0,001). De zuurstof-puls bij rust in de eerste test correleerde met zuurstof-opname bij maximale arbeid in de eerste test (P < 0,001) en in de tweede proef (P < 0,001). De resultaten van de CPET1 en CPET2 vertoonden significante correlaties voor alle metingen bij de 2 testen (P < 0,001).

De verschillen tussen de CPET2 en CPET1. De FVC, de FEV1 en de resultaten hartslag in rust, zuurstof-verbruik en de CO2-productie veranderden niet in de patiënten- en controle-groep. Bij de anaërobe drempel presteerden de groep patiënten slechter en de controles verbeterden. De arbeid bedroeg 4,40 ± 9,66 W minder in de patiënten-groep en 7,67 ± 19.50 W hoger in de controle-groep (P = 0,002). Dergelijke verschillen werden ook gevonden voor de zuurstof-puls (-0,67 ± 0,93 ml/hartslag versus 0,25 ± 1,09; P = 0,014) en zuurstof-opname (-0,87 ± 1,07 ml/kg versus 1,07 ± 2,63; P = 0,001). Vergelijkbare veranderingen werden gevonden bij maximale arbeid. De arbeid was 6,33 ± 11,5 W minder in de patiënten-groep en 11,1 ± 18,3 W hoger in de controle-groep (p <0,001). En de veranderingen qua zuurstof-opname waren vergelijkbaar (-1,33 ± 1,68 ml/kg versus 0,73 ± 1,39; P <0,001). De verbetering van de prestatie van de controles is waarschijnlijk te wijten aan het training-effekt. In de groep patiënten is de prestatie het resultaat van een soortgelijk effekt dat wordt tegengewerkt door het effekt van de post-exertionele malaise.

ATP-synthese in PBMC

[…] De cellen werden geïsoleerd vóór de inspanning-testen. De hoeveelheid mitochondrieën in PBMC werd geraamd via de bepaling van citraat-synthase en die aktiviteit was niet verschillend tussen de vier groepen (patiënten en controles bij CEPT1 en 2).

De ATP-synthese bepaald via de vermindering van complex I, uitgedrukt op basis van proteïne was vergelijkbaar in de groepen; ook wanneer ATP-synthese werd uitgedrukt op basis van citraat-synthase. Hetzelfde werd gevonden voor ATP-synthese via complexe II.

In de huidige studie was plasma-CK laag en niet verhoogd vóór en 24 uur na inspanning in de patiënten-groep, en niet verschillend van de controle-groep, wat suggereert dat er geen spier-schade en geen grote intrinsieke afwijkingen van oxidatieve fosforylatie in de spieren bij CVS/ME-patiënten was.

Bespreking

In rust toonden de cardiopulmonale inspanning-test 1 en 2 geen verschil tussen patiënten en controles. Bij toenemende arbeid bleken de verschillen duidelijk. De lagere V’O2 bij de anaërobe drempel wees er op dat het verschil qua V’O2 bij maximale arbeid niet te wijten was aan een verminderde bereidheid in de ME/CVS-groep om te presteren.

Het FEV1 en de FVC waren niet verschillend maar het hoger ventilatoire equivalent voor CO2 bij de anaërobe drempel wees op de mogelijkheid van een ventilatie/perfusie wanverhouding in de patiënten-groep. De reproduceerbaarheid van de CPET was hoog: zij die relatief slecht presteerden bij de eerste test, bleken een laag gerangschikt bij de tweede proef. Er waren [op dat vlak] significante verschillen tussen de patiënten en controles. Gebaseerd op de zuurstof-opname test, presteerden de patiënten niet alleen slechter dan de controles bij de eerste test maar het herstel na 24 uur was tevens nog niet voltooid is in deze groep. Dit duidt op een verminderd herstel [Paul L, Wood L, Behan W et al.. Demonstration of delayed recovery from fatigueing exercise in Chronic Fatigue Syndrome. European Journal of Neurology (1999) 6: 63-69; zie ‘Vertraagd herstel na Inspanning bij CVS], zoals verwoord in het criterium ‘post-exertionele malaise’ van de CDC Symptoom-score.

Een beperkte mitochondriale ATP-synthese was de werk-hypothese voor dit onderzoek. Dit is waarschijnlijk niet waar, aangezien de energie-produktie ook beperkt kan zijn door andere mechanismen. De inspanning-testen met een toenmende werk-last suggereerden de mogelijkheid dat de mitochondriale ATP-synthese was afgenomen omdat de anaërobe drempel bereikt werd. Dan waren de mitochondrieën niet meer in staat om voldoende ATP produceren om de inspanning vol te houden en de anaërobe glycolyse in de spieren moest de extra benodigde ATP produceren, wat wordt weerspiegeld door de lactaat-produktie. Dit is ook het geval bij patiënten met defekten in de oxidatieve fosforylatie. Perifeer bloed mononucleaire cellen worden vaak gebruikt om de gen-expressie bij CVS/ME te beoordelen [zie categorie ‘Genetica] en de expressies van de verschillende genen die betrokken zijn bij mitochondriale proteïne-synthese, energie-metabolisme en de vrije radikalen stofwisseling bleken te zijn veranderd. De resultaten van de huidige studie ondersteunen een fysiologisch effekt van deze veranderingen niet en toonden aan dat de oxidatieve fosforylatie in PBMC van ME/CVS-patiënten volledig normaal is. En het is waarschijnlijk dat ook hun spier-mitochondriën normaal zijn, aangezien 24 uur na de zware inspanning CK niet naar het bloed lekte, zoals het geval is bij patiënten met een defekte oxidatieve fosforylatie.

Een publikatie [Myhill et al.] beweerde een defekte oxidatieve fosforylatie te hebben gevonden in neutrofielen van ME/CVS-patiënten maar de flux door dit proces werd niet gemeten [Flux = doorstroming van het ene naar het andere mitochondriale enzyme-complex; ‘flux-balance analysis’ (FBA) bepaalt de maximale ATP-produktie in mitochondrieën. Er wordt bekeken hoeveel ATP wordt geproduceerd uit glucose, lactaat, enz. FBA kan het metabool gedrag bepalen te wijten aan genetische defekten (bv. mutaties in de TCA-cyclus.]. Deze onderzoekers voerden een zogeheten ‘ATP-profiel’ test uit en bepaalden ATP onder vijf verschillende omstandigheden, en de som van deze bleek abnormaal zijn bij 70 van 71 patiënten. Eén van ons (WS) was betrokken bij een onderzoek dat duidelijk toonde dat neutrofielen oxidatieve fosforylatie niet katalyseren en de resterende complexen van de respiratoire keten behouden het mitochondriale membraan-potentiaal. Hun mitochondrieën zijn alleen aktief bij apoptose.

Overéénkomstig het huidig werk, ontdekten Mathew et al. [zie Lactaat in Ventriculair Cerebrospinaal Vocht is verhoogd bij CVS’ & ‘Verhoogd ventriculair lactaat & mentale vermoeidheid bij CVS] d.m.v. proton magnetische resonantie spectroscopie beeldvorming dat ventriculair cerebrospinaal lactaat 3,5-voudig was verhoogd bij ME/CVS-patiënten. McCully en Natelson [Impaired oxygen-delivery to muscle in Chronic Fatigue Syndrome. Clinical Science (1999) 97:603-608] toonden aan, d.m.v. gecombineerde nabij-infrarood spectroscopie en 31P magnetische resonantie spectroscopie, dat tijdens de inspanning de zuurstof-toelevering aan skelet-spieren werd vertraagd. Neary et al. [Pre-frontal cortex oxygenation during incremental exercise in Chronic Fatigue Syndrome. Clin Physiol Funct Imaging (2008) 28: 364-372; zie ‘Verminderde zuurstof-voorziening in de hersenen tijdens inspanning] stelden, d.m.v. nabij-infrarood spectrometrie, vast dat de zuurstof-voorziening van de prefrontale hersen-kwab was afgenomen bij zich inspannende patiënten, tot 67% van die in de controle-groep; wat de resultaten van een studie door Streeten en Bell [Circulating blood volume in Chronic Fatigue Syndrome. JCFS (1998) 4: 3-11] en Hurwitz et al. [Chronic Fatigue Syndrome: Illness-severity, sedentary lifestyle, blood-volume and evidence of diminished cardiac function. Clinical Science 2010, 118:125-135] bevestigt en in lijn is met een verlaagd bloed-volume bij CVS-patiënten.

Besluiten

De daling van de mitochondriale ATP-produktie bij stijgende werk-last, gedetekteerd door de CPET-testen bij de huidige, goed gekarakteriseerde, hoewel kleine groep ME/CVS-patiënten, is een secundair fenomeen. Dit werd aangetoond door de normaliteit van de oxidatieve fosforylatie in perifeer bloed mononucleaire cellen. De keten van mechanismen die (externe) pulmonale met (interne) cellulaire ademhaling koppelen, vertoonde geen abnormale verschillen in deze studie tussen CVS-patiënten en gezonde controles op het niveau van de longen, het hart en de bloedsomloop. Twee mogelijke verklaringen voor de onvoldoende energie-produktie bij CVS bleven over: een lagere transport-capaciteit voor zuurstof zoals bij bloedarmoede of een mitochondriale insufficiëntie. We toonden aan dat de mitochondriale ATP-produktie geen defekt vertoont. Dan moet de conclusie zijn dat de transport-capaciteit voor zuurstof beperkt is bij CVS-patiënten.

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

Blog op WordPress.com.

%d bloggers op de volgende wijze: