M.E.(cvs)-wetenschap

juli 17, 2014

Mogelijke therapeutische interventies voor mitochondriale dysfunktie

Filed under: Behandeling,Celbiologie — mewetenschap @ 5:17 am
Tags: , , , , , , , ,

Professor Anne McArdle (Universitet van Liverpool) wordt door de Britse ‘Medical Researc Council’ gefinancierd voor een studie genaamd ‘Determination of mitochondrial function and cytokine-production in skeletal muscle of patients with CFS’. Een aantal studies hebben gesuggereerd dat er een defekt is bij de energie-produktie van spier-cellen (mitochondrieën) maar er is discussie over de aanwezigheid van abnormale mitochondrieën in spieren van CVS-patiënten. De tegenstrijdige bevindingen zijn wellicht te wijten aan de beperkte analyse-methodiek om de mitochondriale funktie op een directe manier in menselijke spier-vezels na te gaan. Belangrijke eigenschappen van mitochondrieën verschillen nl. in vivo en in vitro en het is dus nodig funktionele mitochondrieën op hun normale intracellulaire plaats, met bewaarde en essentiële interakties met andere organellen, te beoordelen. Haar team ontwikkelde een nieuwe techniek om menselijke mitochondrieën in situ (in de spier-vezels zelf, dus zonder ze er uit te isoleren) te bestuderen. Hun hypothese is dat skelet-spier mitochondrieën van CVS-patiënten dysfunktioneel zijn, wat resulteert in spier-vermoeidheid. De dysfunktionele mitochondrieën zouden een proces kunnen aktiveren dat tot een chronische, laag-gradige inflammatie leidt. Ze stellen voor dat chronische generatie vanvrije zuurstof-radikalen door spier-mitochondrieën resulteert in een chronische aktivatie van of NF-κB (zie o.a. Samenspel tussen de Glucocorticoid Receptor en Nuclear Factor-κB’, ‘NF-κB en Inspanning’ & Anthocyaninen & NF-κB, oxidatieve stress, inflammatie, inspanning’) en dit zou tot gevolg hebben dat spieren een bron van systemische pro-inflammatorire cytokinen worden.

We wachten de resultaten af. Ondertussen bekijken we even de mogelijke manieren hoe deze onderzoek-groep denkt dit te behandelen. Daartoe geven we hier een artikel weer dat handelt over de vermindering qua spier-massa en werking van skelet-spieren bij het ouder worden. Dit is natuurlijk niet hetzelfde als wat bij M.E.(cvs) gebeurt maar bij deze aandoening komen ook inflammatie, veranderingen in de produktie van vrije zuurstof-radikalen, slechtere mitochondriale werking en verstoorde regeneratieve processen voor. De aangehaalde mogelijke behandelingen moeten nog terdege worden beoordeeld. We willen onderzoekers dan ook aanmanen daar werk van te maken.

————————-

Curr Opin Pharmacol. 16C: 116-121 (pre-print Mei 2014)

Mechanisms of skeletal muscle ageing; avenues for therapeutic intervention

Lightfoot AP1, McCormick R1, Nye GA1, McArdle A2

1 Skeletal Muscle Pathophysiology Research Group, Institute of Ageing and Chronic Disease, Faculty of Health and Life Science, University of Liverpool, UK

2 MRC Arthritis UK Centre for Integrated Research into Musculoskeletal Ageing, UK

Samenvatting

Ouderdom-gerelateerd verlies aan spier-massa en -funktie, sarcopenie genaamd, is een rampzalig proces, dat een ernstige impact heeft op de levenskwaliteit van oudere mensen. De mechanismen die aan de basis liggen van sarcopenie zijn onduidelijk en de ontwikkeling van optimale therapeutische interventies blijft moeilijk bereikbaar. Een verstoorde regeneratieve capaciteit, een verminderd vermogen om te reageren op stress, een verhoogde aanmaak van reaktieve zuurstof soorten en laag-gradige systemische inflammatie zijn allemaal belangrijke bijdragende factoren tot sarcopenie. Farmacologische interventies die gebruik maken van molekulen zoals 17AAG, SS-31 en Bimagrumab of natuurlijk voorkomende polyfenolen die zich richten op specifieke mechanismen, hebben een mogelijk nut bij de strijd tegen sarcopenie; hoewel verder onderzoek vereist is, in het bijzonder wat betreft het identificeren van de mechanismen die er voor zorgen dat spier-vezels volledig verdwijnen bij het ouder worden.

Artikel

Veroudering van skelet-spieren wordt gekenmerkt door een rampzalig verlies van spier-masse en -funktie

Leeftijd-gebonden verlies van spiermassa en -funktie is een belangrijke bijdragende factor tot fragiliteit bij oudere mensen. De definitie van dergelijke kwetsbaarheid is breed maar omvat een verminderde mobiliteit met een verhoogd risico op vallen. De effekten op de levenskwaliteit van de vergrijzende wereldbevolking en de daarmee gepaard gaande stijging van met ouderdom gerelateerde ziekten betekenen een belangrijke menselijke en financiële last voor de gezondheidszorg wereldwijd.

De spier-massa neemt af met ca. 1-2% per jaar, vanaf de leeftijd van 50 jaar. Bij stijgende leeftijd, wordt een vermindering van de spier-vezel dwars-doorsnede en een preferentieel verlies van glycolytische ‘fast-twitch’ type-II vezels gezien. [zie ‘Struktuur en funktie van skelet-spieren gewijzigd bij CVS’: “verschuiving qua vezel-type proportie bij CVS-patiënten, m.n. de aanwezigheid van meer snelle vezels en minder trage vezels”] De vermindering van het totaal aantal vezels en qua aandeel van ‘fast-twitch’ vezels resulteert in een trage spieren, wat zich ook manifesteert als verminderde maximale kracht-output en verminderde aktivatie-snelheid. De mechanismen die geassocieerd zijn met het leeftijd-gerelateerd verlies van spier-massa en -funktie worden niet goed begrepen. Verhoogde laag-gradige systemische inflammatie, veranderingen qua aanmaak van reaktieve zuurstof soorten, veranderde mitochondriale funktie [Calvani R et al. Mitochondrial pathways in sarcopenia of aging and disuse muscle-atrophy. Biol Chem (2013) 394:393-414], gewijzigde bezenuwing van spieren, verminderde regeneratieve processen en effekten van inaktiviteit worden voorgesteld als belangrijke factoren bij de veroudering van skelet-spieren.

Het doel van deze ‘review’ is om de belangrijkste mechanismen geassocieerd met veroudering van de skelet-spieren samen te vatten, de vooruitgang betreffende het begrip omtrent sarcopenie te schetsen en mogelijke therapeutische mogelijkheden om het verlichten aan te geven.

Impact van inflammatie op ouder-wordende spieren

Bij het ouder worden, ontwikkelen zoogdieren een verhoogd niveau van laag-gradige chronische systemische inflammatie. Dit wordt gekenmerkt door verhoogde circulerende niveaus van meerdere pro-inflammatoire cytokinen zoals interleukine-6 (IL-6), tumor necrose factor alfa (TNF-α) en c-reaktief proteïne (CRP), samen met een vermindering qua anti-inflammatoire factoren zoals interleukine-10 (IL-10). Er werd aangetoond dat skelet-spieren een potentiële bron van diverse cytokinen, myokinen [cytokinen afgegeven door spiercellen in respons op inspanning] genaamd [Nielsen S, Pedersen BK: Skeletal muscle as an immunogenic organ. Curr Opin Pharmacol (2008) 8: 346-351], zijn. De rol en impact van myokinen bij verouderende skelet-spieren werd nog niet uitgebreid onderzocht maar er de mogelijkheid bestaat dat myokinen de lokale spier-omgeving aanzienlijk kunnen beïnvloeden en dat spieren een belangrijke bron van cytokinen tijdens veroudering kunnen zijn. Er werd voorgesteld dat inflammatie een belangrijke motor voor de veroudering van skelet-spieren is en het effekt van inflammatoire cytokinen op skelet-spieren werd vaak bestudeerd. Gegevens tonen dat blootstelling van skelet-spieren aan TNF-α leidt tot een verlies van totale proteïnen in de spieren, wat wordt bewezen door een verhoogde ubiquitine-conjugerende aktiviteit [ubiquitine-conjugatie = merken van proteïnen zodat ze kunnen afgebroken worden] geassocieerd met verhoogde nucleaire factor kappa-B (NF-κB) aktivatie en gemedieerd door, ten minste gedeeltelijk, reaktieve zuurstof soorten (ROS) [Li YP et al. Skeletal muscle myocytes undergo protein-loss and reactive oxygen mediated NF kappa-B activation in response to tumor necrosis factor alpha. FASEB J (1998) 12: 871-880]. In tegenstelling daarmee wordt voorgesteld dat IL-6 uitéénlopende effekten heeft op skelet-spieren, met als bewijs een katabool effekt, leidend tot atrofie en met een sleutel-rol bij door satelliet-cellen gemedieerde hypertrofie. Zodoende kan de ontwikkeling van therapeutische interventies die zich richten op inflammatoire mechanismen een mogelijke behandeling bieden voor ten minste enkele aspecten van leeftijd-gerelateerde spier-dysfunktie.

Verhoogde oxidatieve schade: mitochondrieën als een belangrijke bron van ‘ROS’

Er zijn belangrijke bewijzen die aangeven dat fundamentele veranderingen in de redox-signalering en homeostase optreden tijdens het verouderen. Skelet-spieren vertonen een significante leeftijd-gebonden verhoging van oxidatieve schade. Skelet-spieren van oude muizen vertonen diepgaande oxidatieve beschadiging van DNA, lipiden en proteïnen. De focus van ROS-gerelateerd onderzoek in ouder-wordende skelet-spieren was gericht op de mitochondrieën. Historisch gezien werd voorgesteld dat mitochondrieën de belangrijkste determinanten van het ouder-worden zijn en dat veroudering zich manifesteert door een leeftijd-gerelateerde afname van de mitochondriale aktiviteit. Uit gegevens van studies bij ratten bleek dat sarcopenie geassocieerd is met verlies van funktionele proteïnen verbonden aan het mitochondriale energie-metabolisme. Een opéénstapeling van mutaties in het mitochondriaal DNA (mtDNA) tijdens veroudering is goed gekarakteriseerd en suggereerde dat ROS afkomstig van de elektronen-transport-keten (ETC) de bron zijn van deze beschadiging. Mitochondriaal DNA is bijzonder gevoelig voor beschadiging door ROS omwille van de minder robuuste reparatie-mechanismen. Skelet-spieren van oude muizen vertonen verhoogde proteïne-carbonylisatie [proteïne-carbonyl concentraties zijn een maat voor proteïne-oxidatie; significant verhoogd in de sera of CVS-patiënten, vergeleken met controles (Smirnova and Pall 2003)] gelokaliseerd in de mitochondrieën. De rol van de accumulatie van dergelijke schade bij veroudering per se blijft echter controversieel.

Sommige interventie-studies hebben zich gefocust op de mitochondrieën in een poging om de leeftijd-gerelateerde afname skeletspier-funktie om te keren. De studies zijn te talrijk om op te noemen maar, bijvoorbeeld: in spieren bleek het nieuwe peptide SS-31, dat gelokaliseerd is in de inter-membranaire ruimte van mitochondrieën, een krachtig anti-oxidant vermogen te hebben [Min K et al.. Mitochondrial-targeted anti-oxidants protect skeletal muscle against immobilization-induced muscle-atrophy. J Appl Physiol (2011) 111: 1459-1466 (studie bij muizen)]. Studies op spieren van oude muizen die SS-31 peptide toegediend kregen, tonen een ommekeer in de leeftijd-gerelateerde daling van de ATP-synthese. Bovendien verminderde SS-31 aanzienlijk de H2O2-produktie en resulteerde in meer gereduceerd glutathion [Siegel MP et al. Mitochondrial targeted peptide rapidly improves mitochondrial energetics and skeletal muscle performance in aged mice. Aging Cell (2013) 12: 763-771; SS-31 bracht de energie in spieren van oude muizen binnen het uur terug naar de waarden van jonge muizen.]. Ook supplementering met polyfenolen voorkwam de leeftijd-gerelateerde verhogingen van ROS-produktie in skelet-spieren en resulteerde in het behoud van de mitochondriale funktie [Charles AL et al. Polyphenols prevent ageing-related impairment in skeletal muscle mitochondrial function through decreased reactive oxygen species production. Exp Physiol (2013) 98: 536-545 (studie bij ratten die 75mg/kg/dag extract uit rode wijn – bevat catechine, epicatechine, anthocyaninen en fenolische zuren – oraal werden toegediend gedurende 6 maand)]. Deze bevindingen wijzen erop dat het gebruik van plaats-specifieke gerichte anti-oxidanten of natuurlijke polyfenolen een nieuwe benadering kunnen betekenen voor behandeling tegen leeftijd-gerelateerde veranderingen in skelet-spieren.

Veranderde regeneratieve capaciteit in skelet-spieren bij oudere zoogdieren

Satelliet-cellen (SC) zijn endogene stamcellen in de skelet-spieren die verantwoordelijk zijn voor het intrinsieke regeneratie-vermogen van de spieren. SCs bevinden zich meestal in een rust-toestand maar tijdens myogenese en spier-regeneratie worden ze geaktiveerd in respons op prikkels. Eénmaal geaktiveerd proliferern de SCs, en ofwel differentiëren ze om schade te herstellen of om de rustende SC-populatie te vernieuwen repareren. Notch-signisalering [Notch = trans-membraan receptor; evolutionair bewaard gebleven inter-cellulair signalisering-mechanisme dat interakties tussen nabijgelegen cellen reguleert] is fundamenteel verantwoordelijk voor SC-aktivatie na spier-schade. SCs zijn essentieel voor het onderhoud en herstel van skelet-spieren, en aangezien het onvermogen van spieren om te regenereren tijdens veroudering ten grondslag ligt aan spier-veroudering, is een afname van het aantal en de aktiviteit van SCs een mogelijke bijdragende factor tot de schadelijke spier-veroudering. Tijdens veroudering is de notch-signalisering onderdrukt, waardoor er minder SC-aktiveratie in respons op letsel is; wat werd voorgesteld – in combinatie met de algemene daling van de SC-voorraad tijdens veroudering – te leiden tot de karakteristieke gedaalde capaciteit voor spier-regeneratie bij oude zoogdieren. Hoewel er enige controverse blijft over de rol van verminderde aantallen/funktie van SCs bij de leeftijd-gebonden falende spier-regeneratie: anderen suggereren dat de resterende capaciteit van de SCs voldoende is. Kruis-transplantatie van spieren tussen jonge en oude knaagdieren toonde aan dat een spier van een oude muis getransplanteerd naar een jonge muis in staat is te regenereren net zoals een jonge spier, en dat een spier-weefsel van jongere muizen getransplanteerd naar oude een verminderd vermogen tot regeneratie vertoont; wat het belang aangeeft van de leeftijd en de mogelijke remmende effekten van het milieu op SC-gemedieerde regeneratie.

Daarom zijn SCs een potentieel doelwit voor interventie. Gegevens tonen aan dat interventies die het aantal en de funktie van SCs verhogen, hebben geleid tot funktionele verbeteringen in de spieren, zoals verhoogde vezel-grootte [Cerletti M et al. Short-term calorie restriction enhances skeletal muscle stem cell function. Cell Stem Cell (2012) 10: 515-519 (studie bij muizen => significante upregulering van de aktiviteit van sateliet-cellen in spieren, verbeterd spier-herstel na calorie-restrictie (1 week à 20% & 11 weken à 40%)], verbeterde spier-regeneratie en kracht-ontwikkeling. […]

SC-therapie (de injektie van SCs of myoblasten [voorlopers van spiercellen]) is relatief succesvol gebleken in muizen, waar het heeft geresulteerd in enige toename van de kracht-ontwikkeling, hypertrofie en het behoud van type II-vezels bij oude muizen, en heeft enige positieve effekten gehad bij de behandeling van spieren van dystrofische [dystrofie = progressieve verzwakking van de skelet-spieren] patiënten [Duchenne musculaire dystrofie; een aangeboren en erfelijke vorm van spier-dystrofie]. Niettemin zijn er nog een aantal uitdagingen wat betreft het gebruik van SC-therapie om spier-afname te behandelen: er zijn een groot aantal SCs nodig; de geïmplanteerde cellen sterven snel af en er is nood aan een beter begrip; immune afstoting is ook een probleem en er werd aangetoond dat er verschillende SC-populaties zijn die niet allemaal zorgen voor regeneratie van de spieren. Daarenboven werden bij studies die gebruik maken van SC-therapie enkel gunstige effekten gezien in de geïnjekteerde spieren en niet op verder verwijderde plaatsen, wat doet vermoeden dat dit een beperking is voor het gebruik van SC-therapie als behandeling van spier-verlies over het gehele lichaam, tot dat deze tekortkomingen worden overwonnen.

Gebrekkige stress-proteïne responsen bij het ouder worden

Skelet-spieren bevatten een netwerk van cel-beschermende en anti-oxidante enzymen ter bescherming tegen cellulaire schade. ‘Heat-shock’ proteïnen (Hsp’s) zijn molekulaire chaperones [proteïnen die helpen bij het vouwen of ontvouwen en het op- of afbouwen van macromolekulaire strukturen (proteïnen/DNA)] die een belangrijke component vormen van de adaptieve respons van skelet-spieren op een verscheidenheid van zowel schadelijke als niet-schadelijke stressoren. In respons op een contractie-stimulus, vertonen spieren van oude muizen een significant verzwakte produktie van Hsp’s vergeleken met spieren van volwassen muizen. Het vermogen van skelet-spieren om een cyto-protectieve respons op te roepen vermindert dus bij veroudering.

In een model met transgene muizen, beschermde levenslange over-expressie van het stress-induceerbaar Hsp70 [zie ‘CVS * Oxidatieve Stress en Hsp bij inspanning’ & ‘‘Heat-shock’ proteïnen en inspanning bij CVS] tegen het leeftijd-gerelateerd tekort qua spierkracht-ontwikkeling en bleef de regeneratieve capaciteit van de spieren na langere contracties behouden [McArdle A et al. Over-expression of Hsp70 in mouse skeletal muscle protects against muscle-damage and age-related muscle-dysfunction. FASEB J (2004) 18: 355-357]. Een farmacologische interventie om de Hsp-expressie te verhogen gebruikmakend van een gekende Hsp-inductor, 17-(allylamino)-17-demethoxygeldanamycine (17AAG), resulteerde in een significante toename van de Hsp70-inhoud van de spieren van volwassen en oude muizen, en een gelijkaardig verbeterde capaciteit tot spier-regeneratie na contracties bij oude muizen [McArdle’s team. Enhanced recovery from contraction-induced damage in skeletal muscles of old mice following treatment with the heat-shock protein inducer 17-(allylamino)-17-demethoxygeldanamycine. Rejuvenation Res (2008) 11: 1021-1030]. Van een alternatief Hsp70-inducerend geneesmiddel, arimoclomol [experimenteel medicijn bedoeld voor ALS; zou proteïne-aggregaten in de motorische zenuwen verminderen door het ‘boosten’ van de expressie van Hsp70 & Hsp90], werd aangetoond dat het de ontwikkeling van pathologie vermindert in een model van amyotrofe laterale sclerose, wat suggereert dat behandeling gericht op het verhogen van Hsp70 in spieren te potentiële therapeutische interventie zou kunnen zijn bij de behandeling van leeftijd-gerelateerde spier-dysfunktie.

Op een gelijkaardige manier resulteerde transgene over-expressie van mitochondriaal Hsp10 in een behouden ontwikkeling van spier-kracht en vezel-doorsnede bij oude muizen, en dit was geassocieerd met bewijs voor verminderde oxidatieve schade in spier-mitochondrieën van oude muizen [McArdle’s team. Over-expression of Hsp10 in skeletal muscle of transgenic mice prevents the age-related fall in maximum tetanic force generation and muscle cross-sectional area. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol (2010) 299: R268-R276]. Zodoende zijn er aanwijzingen dat specifieke Hsp’s een fundamentele rol spelen bij skelet-spier dysfunktie en het onvermogen om individuele Hsp’s te induceren zou verschillende effekten op spieren kunnen hebben.

Nieuwe interventies om sarcopenie te reduceren

In een poging om spier-atrofie te overwinnen, hebben sommige muizen-studies zich gericht op interventies met het moduleren van myostatine, een negatieve regulator van de spier-massa, als middel ter bevordering van spier-hypertrofie, met name op oudere leeftijd. Inhibitie van myostatine resulteert in spier-hypertrofie; dit correleert echter niet met enige belangrijke positieve effekten op kracht-produktie. Een nieuwe myostatine-remmer, Bimagrumab [BYM338] (een monoklonaal antilichaam dat binding verhindert op type-2 activine-receptoren [behoren tot de TGF-β super-familie; van kritiek belang bij het reguleren van de grootte van skelet-spieren]), induceerde spier-hypertrofie en verminderde de door glucocorticosteroïden gïnduceerde zwakte in een muis-model [Lach-Trifilieff E et al. An antibody blocking activin type-II receptors induces strong skeletal muscle hypertrophy and protects from atrophy. Mol Cell Biol (2014) 34 :606-18; studie op gecultiveerde humane skelet-spier cellen en bij muizen => BYM338 versterkt de differentiatie van myoblasten, voorkomt door myostatine geïnduceerde spier-atrofie en verhoogt de skelet-spier massa van muizen dramatisch; therapeutisch potentieel voor behandeling van atrofie]. Een belangrijke studie heeft beender morfogeen proteïne (BMP) [BMP’s = subgroep van de ‘transforming growth factor’s; signaal-molekulen die weefsel-architectuur dirigeren] als belangrijkste regulator van myostatine-gemedieerde spier-hypertrofie geïdentificeerd, een proces dat wordt versterkt door de SMAD-proteïne familie [intracellulaire proteïnen die signalen van buiten de cel overbrengen naar de cel-kern waar ze gen-transcriptie aktiveren]. BMP/SMAD-geassocieerde mechanismen als doelwit nemen zou dus een nieuwe therapeutische benadering voor spier-atrofie kunnen bieden.

Training als een niet-farmacologische aanpak is de focus geweest van talrijke studies in een poging om leeftijd-gebonden spier-atrofie te bestrijden. Weerstand-training verhoogt spiermassa en kracht-produktie, en vermindert inflammatie in de spieren tijdens de veroudering. Bovendien werd training beschreven als anti-inflammatoir, waarbij acute inspanning aan hoge intensiteit leidt tot verhoging van de belangrijke anti-inflammatoire merkers IL-4, IL-10 en IL-1ra in afwezigheid van pro-inflammatoire stimuli; een proces dat wordt voorgesteld als zijnde gemedieerd door IL-6 afgifte door skelet-spieren. [Bij M.E.(cvs) is er voor oefentherapie de serieuze beperking door post-exetionele malaise.]

Opmerkingen tot besluit

Deze ‘review’ illustreerde enkele van de belangrijke mechanismen die worden voorgesteld betrokken te zijn bij sarcopenie en doelgerichte therapeutische interventies. Ondanks de aanzienlijke inspanning, werd echter slechts matige vooruitgang geboekt.

Het begrijpen van het veroudering-proces verbetert en daardoor werd een golf van nieuwe mogelijke therapeutische opties en medicijnen getest in knaagdier-modellen en vertaling naar proeven bij mensen zou vitaal kunnen blijken bij de behandeling van leeftijd-verlies aan spier-massa.

De meerderheid van de interventies (training) richten zich op het verbeteren van de werking van de overblijvende spier-vezels op latere leeftijd en er is bijkomende research vereist om de mechanismen te bepalen die er voor zorgen dat spier-vezels compleet verloren gaan.

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: