M.E.(cvs)-wetenschap

november 29, 2014

Oraal Co-enzyme Q10 plus NADH voor M.E.(cvs)

Filed under: Behandeling — mewetenschap @ 7:00 pm
Tags: , , , , ,

Bij onze zoektocht naar therapeutische middelen die de oxidatieve stress bij M.E.(cvs) – en daardoor hopelijk ook de post-exertionele malaise – kunnen voorkomen of verlichten (zodat misschien de drempel om tot inspanning te komen kan worden verlaagd), komen we steeds meer mogelijkheden of aanpassingen op bestaande behandelingen tegen – hier de combinatie van Co-enzyme Q10 met NADH. Deze dienen nog steeds te worden onderzocht bij grotere groepen.

Lees ook andere verwante stukken op deze pagina’s (bv. ‘CoQ10 & inflammatie – mitochondriale dysfunktie (FM – inspanning)’, ‘Rol van mitochondriale dysfunkties bij pijn (CVS & FM)’, enz.).

Onderstaand werk – ondersteund door de firma die het middel op de markt brengt – werd uitgevoerd door het team van de CVS Research Eenheid van het Vall d’Hebron Universitair Ziekenhuis in Barcelona dat al meerdere publicaties hieromtrent op z’n naam heeft.

————————-

Antioxid Redox Signal. 2014 [pre-print]

Does oral Coenzyme Q10 plus NADH supplementation improve fatigue and biochemical parameters in Chronic Fatigue Syndrome?

Castro-Marrero J, Cordero MD, Segundo MJ, Saez-Francas N, Calvo N, Román-Malo L, Aliste L, Fernandez de Sevilla T, Alegre-Martin J

Vall de Hebron Univ Hospital Research Institute, CFS Research Unit, Barcelona, Spain

Samenvatting

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een chronische en zeer invaliderende ziekte die wordt gekenmerkt door langdurige vermoeidheid en meerdere symptomen met een ongekende oorzaak; zonder diagnostische test of doeltreffende behandeling. Inflammatie, oxidatieve stress, mitochondriale dysfunktie en CoQ10-deficiëntie werden goed gedocumenteerd bij CVS. We voerden een 8 weken durende gerandomiseerde, dubbel-blinde, placebo-gecontroleerde proef uit om de voordelen van oraal CoQ10 (200 mg/dag) plus NADH (20 mg/dag) te evalueren, wat betreft vermoeidheid en biochemische parameters bij 73 Spaanse CVS-patiënten. Deze studie werd geregistreerd bij ClinicalTrials.gov (NCT02063126). Er werd een significante verbetering qua vermoeidheid (reductie van de FIS totale score; p < 0.05) gerapporteerd voor de behandelde groep vs. placebo. Daarnaast werd ook een herstel van de biochemische paramters gerapporteerd. NAD+/NADH (p < 0.001), CoQ10 (p < 0.05), ATP (p < 0.05) en citraat-synthase (p < 0.05) waren significant hoger en lipoperoxiden (p < 0.05) significant lager in bloed mononucleaire cellen (BMCs) van de behandelde groep. Deze observaties leiden tot de hypothese dat orale toediening van CoQ10 plus NADH potentiële therapeutische voordelen zou kunnen opleveren wat betreft vermoeidheid en biochemische parameters bij CVS. Proeven bij grotere groepen om deze bevindingen te bevestigen zijn gerechtvaardigd.

INLEIDING

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) […] De etiologie blijft onduidelijk; studies hebben echter aangetoond dat oxidatieve stress en mitochondriale verstoringen naar energie-behoeften toe geassocieerd kunnen zijn met de pathogenese [Castro-Marrero J, Cordero MD, Sáez-Francàs N, Jimenez-Gutierrez C, Aguilar-Montilla FJ, Aliste L, Alegre-Martin J. Could mitochondrial dysfunction be a differentiating marker between Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia? Antioxid Redox Signal (2013) 19: 1855-1860; zie ‘Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM?]. Het is onzeker of oxidatieve stress en mitochondriale abnormaliteiten het gemeenschappelijke eindpunt is voor alle dysfunkties aanwezig bij de aandoening. Behandelingen voor CVS zijn grotendeels gericht op symptoom-beheersing. […] Er is een dringende noodzaak aan nieuwe behandelingen. Een beter begrip van de multifactoriële etiologie en pathofysiologie-mechanismen zal inzicht bieden naar geschikte behandelingen toe. CVS is ook geassocieerd met meerdere gerelateerde biochemische en immune abnormaliteiten in multipele inflammatoire, en oxidatieve en nitrosatieve stress (O&NS) mechanismen. Deze mechanismen omvatten: 1) immuun-aktivatie; 2) intracellulaire inflammatie; 3) dysfunktionele mitochondrieën; 4) verlaagde anti-oxidante status; 5) verhoogde oxidatieve en nitrosatieve stress (O&NS), resulterend in schade aan het DNA, essentiële vetzuren (lipiden), proteïnen, mitochondrieën en zelfs rode bloedcellen; en 6) verhoogde translokatie van gram-negatieve bakterieën (lekke darm). Al deze belangrijke processen bleken betrokken bij de ontwikkeling en progressie van de aandoening, en kunnen een instrument vormen voor toekomstige behandeling van CVS. Gegevens suggereren dat CoQ10- en NADH-deficiënties betrokken zijn bij CVS en fibromyalgie (FMS) [Alegre J, Roses JM, Javierre C, Ruiz-Baques A, Segundo MJ, De Sevilla TF. Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Rev Clin Esp (2010) 210: 284-288 /// Cordero MD, Alcocer-Gomez E, De Miguel M, Culic O, Carrion AM, Alvarez-Suarez JM, Bullon P, Battino M, Fernandez-Rodriguez A, Sanchez-Alcazar JA. Can co-enzyme Q10 improve clinical and molecular parameters in fibromyalgia? Antioxid Redox Signal (2013) 19: 1356-1361]. Zowel CoQ10 en NADH spelen een kritieke rol bij mitochondriale ATP-produktie en homeostase van het cellulair metabolisme. Er werd gesuggereerd dat combinaties van natuurlijke anti-oxidante supplementen significant de vermoeidheid kunnen verminderen en zelfs de mitochondriale funktie op lange termijn kunnen herstellen bij CVS-patiënten met onhandelbare vermoeidheid. Preliminaire gegevens tonen een opmerkelijke klinische verbetering na het inzetten van orale supplementering met NADH of CoQ10 bij patiënten met CVS en FMS. Daarom was het onze bedoeling een 8-weken gerandomiseerde, dubbel-blinde, placebo-gecontroleerde proef (RCT) uit te voeren, om het nu te evalueren van oraal CoQ10 plus NADH wat betreft vermoeidheid en biochemische parameters geassocieerd met oxidatieve stress, bio-energetische status en mitochondriale dysfunktie bij 73 Spaanse CVS-patiënten.

RESULTATEN

Deelnemers aan de studie

[…] Diagnose van CVS volgens de 1994 CDC Fukuda criteria […]. 73 vrouwen met CVS kwamen in aanmerking voor de studie en werden gerandomiseerd (kregen CoQ10 plus NADH of placebo) (gemiddelde leeftijd: 49,3 ± 7,1 jaar). […].

[Exclusie-criteria: acute infektueuze ziekten 4 weken voorafgaand aan de studie; neurologische, psychiatrische (depressie/angst), metabole, auto-immune, met allergie verwante ziekten; dermale of chronische inflammatoire aandoeningen; ongewenste gewoontes (bv. roken, alkohol-misbruik); orale ziekten (bv. periodontitis); aandoeningen behandeld met glucocorticoïden, statinen of antidepressiva/anxiolytica; borstvoeding. Alle patiënten hadden een sedentaire levensstijl. Behandeling met eenvoudige analgetica (NSAIDs, aspirine en COX-2 inhibitoren) was toegelaten tijdens de studie. Slechts 2 patiënten rapporteerden het gebruik van analgetica (paracetamol/ibuprofen).]

[39 CVS-patiënten kregen oraal 200 mg/dag Coenzyme-Q10 plus 20 mg/dag NADH (Vitae Natural Nutrition) in soft-gel capsules – in 2 dosissen per dag gedurende 8 weken.]

[Uitkomst-metingen: verandering (baseline – 8 weken behandeling) qua vermoeidheid-index en waarden van biochemische parameters in BMCs geassocieerd met oxidatieve stress status en mitochondriale dysfunktie. De vermoeidheid-index werd bepaald via de symptomen-vragenlijst FIS-40 (0 tot 160); een hogere totale score wijst op meer ernstige symptomen.]

Effekt van CoQ10 plus NADH op klinische symptomen bij CVS-patiënten

Er werd een significante verbetering van de vermoeidheid geobserveerd bij CVS-patiënten na 8 weken CoQ10 plus NADH vs. placebo: een reductie van de FIS totale score (p < 0.05) […]. Er werden geen nadelige effekten gerapporteerd.

Effekt van CoQ10 plus NADH op NAD+/NADH bij CVS-patiënten

NADH is een co-enzyme dat de energie-produktie kan stimuleren via het aanvullen van de uitgeputte cellulaire ATP-voorraad. De verhouding NAD+/NADH speelt een alomtegenwoordige rol bij het reguleren van de intracellulaire redox-status, en daarom vertegenwoordigt het een funktie van de metabole toestand. Gezien de belangrijke funktie van deze 2 nucleotiden bij het behouden van normale cellulaire homeostase tijdens inflammatie, zouden verdere studies naar de biologische rollen van NAD+/NADH ons begrip omtrent de potentiële rol in relatie met therapieën bij CVS en andere chronische vermoeiende ziekten kunnen vergroten. Naar ons weten is er geen goed gedocumenteerde informatie betreffende de rol van de NAD+/NADH status bij de pathogenese van CVS. We hebben NAD+/NADH waarden gemeten in BMCs van 73 CVS-patiënten behandeld met CoQ10 plus NADH en placebo. Alle patiënten zaten in een klinisch stabiele fase. Na 8 weken behandeling, vertoonden patiënten behandeld met een combinatie van CoQ10 plus NADH significant lagere waarden aan NAD+ vergeleken met placebo (86,9 ± 1,4 vs. 189,4 ± 8,9 pmol/106 cellen; p < 0.001). We observeerden ook significant hogere waarden aan NADH (247,3 ± 5,1 vs. 98,2 ± 4,6 pmol/106 cellen; p < 0.001) en een significant lagere NAD+/NADH ratio (0,36 ± 0,009 vs. 1,92 ± 0,038 pmol/106 cellen; p < 0.001) bij CVS-patiënten na toediening van CoQ10 plus NADH vs. placebo, respectievelijk. Deze resultaten tonen dat NAD+/NADH-waarden in BMCs geassocieerd zijn met verstoring van de bio-energetische status en mitochondriale dysfunktie bij CVS. Gezien het belang van de NAD+/NADH-homeostase bij het behouden van een normale cellulaire werking, is het waarschijnlijk dat deze molekule van therapeutisch belang is bij CVS en andere chronische vermoeiende aandoeningen. Volgens de resultaten van deze studie, kan een verstoord pyridine-nucleotide metabolisme een gevolg zijn van verstoorde mitochondriale respiratoire funktie en kan, ten minste gedeeltelijk, toegeschreven worden aan een verhoogde NAD+/NADH-ratio die aanleiding heeft tot aanmaak van vrije radikalen. Samengevat: deze resultaten geven duidelijk aan dat er een verband is tussen NAD+ en NADH in BMCs bij CVS. Als we de vitale rol van NAD+ (niet enkel voor het behoud van mitochondriale energie-produktie maar ook voor genomische integriteit) in overweging nemen, is het zeer waarschijnlijk dat dit pyridine-nucleotide pathogenisch belangrijk kan zijn bij CVS. De voornaamste vraag of gewijzigd NAD+/NADH bij CVS aktief en direct geassocieerd is met de pathogenese van de ziekte, of een epi-fenomeen van mitochondriale dysfunktie en verstoorde of immuun-cel gemedieerde mechanismen vertegenwoordigt, blijft onduidelijk. De resultaten van deze studie geven duidelijk significante systemische energie-uitputting aan in BMCs van CVS-patiënten.

CVS-patiënten behandeld met CoQ10 plus NADH vertonen uitgesproken toename van de CoQ10-waarden

CoQ10-deficiëntie bleek reeds geassocieerd met een waaier aan menselijke aandoeningen, waarvan enkel werden veroorzaakt door een direct defekt van de CoQ10-biosynthese genen of als een secundair gevolg van andere ziekten. Aangezien werd gesuggereerd dat CoQ10-waarden een potentieel bruikbare biologische merker kunnen zijn voor mitochondriale dysfunktie [Cordero MD, Alcocer-Gomez E, Culic O, Carrion AM, De Miguel M, Diaz-Parrado E, Perez-Villegas EM, Bullon P, Battino M, Sanchez-Alcazar JA. NLRP3 Inflammasome Is Activated in Fibromyalgia: The Effect of Co-enzyme Q. Antioxid Redox Signal (2014) 20: 1169-1180; zie ‘NLRP3 Inflammasoom geaktiveerd bij Fibromyalgie: effekt van Coenzyme Q10], hebben we CoQ10-waarden gemeten in BMCs van behandelde CVS-patiënten versus placebo. Er werd een significante toename van de CoQ10-waarden gezien bij patiënten behandeld met de combinatie van CoQ10 plus NADH vergeleken met de placebo-groep (361,8 ± 37 vs. 155,1 ± 26 pmol/mg proteïnen, p < 0.05 respectievelijk).

CoQ10 plus NADH toont significant gewijzigde mitochondriale werking bij CVS-patiënten

Als indicator voor cellulaire bio-energetische status, hebben we totaal ATP in BMCs van alle CVS-patiënten gemeten. Gemiddeld vertoonden CVS-patiënten behandeld met CoQ10 plus NADH significant hogere ATP-produktie dan placebo (119,24 ± 31,43 vs. 67,45 ± 15,1 nmol/mg proteïne, p < 0.05 respectievelijk). Daarnaast hebben we de citraat-synthase aktiviteit, een enzyme-merker voor mitochondriale massa, in BMCs van CVS-patiënten gemeten in beide interventie-groepen. Interessant is dat we een significante toename qua citraat-synthase aktiviteit bij behandelde CVS-individuen versus placebo observeerden (77,4 ± 22 vs. 46,9 ± 14,1 μmol/min/mg proteïne, p < 0.05 respectievelijk). Deze gegevens tonen een interessante verbetering van de mitochondriale funktie en massa bij CVS-patiënten na 8 weken behandeling met een combinatie met 2 belangrijke bio-energetische co-factoren (CoQ10 & NADH).

CoQ10 plus NADH verminderen oxidatieve schade door de reductie van lipoperoxiden bij CVS-patiënten

Het is geweten dat mitochondriale dysfunktie dikwijls gepaard gaat met een verhoogde aanmaak van mitochondriale ROS/RNS. Aan de andere kant werd voorgesteld dat oxidatieve stress een relevante gebeurtenis is in de pathogenese van CVS en FMS [Cordero MD, Cotan D, Del-Pozo-Martin Y, Carrion AM, De Miguel M, Bullon P, Sanchez-Alcazar JA. Oral co-enzyme Q10 supplementation improves clinical symptoms and recovers pathologic alterations in blood mononuclear cells in a fibromyalgia patient. Nutrition (2012) 28: 1200-1203]. Omdat zowel CoQ10 als NADH een belangrijke anti-oxidante kracht bleken te hebben, hebben we het effekt bepaald van de combinatie bij schade door oxidatieve stress, vergeleken met placebo. Om de oxidatieve stress te bepalen, werden lipoperoxiden geanalyseerd in BMCs van behandelde CVS-patiënten vs. placebo. CVS-patiënten behandeld met CoQ10 plus NADH vertoonden significant lagere waarden qua lipiden-peroxidatie vs. placebo (7,9 ± 2,7 vs. 14,9 ± 3,9 nmol/106 cellen, p < 0.05 respectievelijk).

[Lipiden-peroxidatie werd bepaald via meting van Thiobarbituurzuur Reaktieve Substanties (TBARS) in BMCs].

BESPREKING & TOEKOMSTIGE RICHTINGEN

CoQ10 & NADH zouden 2 potentiële kandidaat-medicijnen kunnen zijn bij de behandeling van CVS en misschien andere chronische vermoeiende ziekten; omwille van 3 belangrijke redenen. Ten eerste: CoQ10 & NADH zijn bio-energetische co-factoren met het potentieel de mitochondriale funktie aan te zwengelen. Ten tweede: CoQ10 plus NADH zijn krachtige opruimers van vrije radikalen die lipiden-peroxidatie en DNA-schade veroorzaakt door oxidatieve stress kunnen verlichten; en ten slotte: het is plausibel dat de potentiële voordelen die via deze studie werden aangetoond (energie-produktie en verbetering van vermoeidheid) ten dele te wijten kan zijn aan hun krachtige anti-oxidante eigenschappen. De huidige studie toont voor de eerste keer aan dat NAD+ en NADH in BMCs significant gewijzigd kunnen zijn bij CVS-patiënten. Eén van de belangrijkste bijdragende factoren tot NADH-depletie bij CVS is chronische oxidatieve stress en een slechte mitochondriale funktie die leidt tot verminderde cellulaire levensvatbaarheid. Oxidatieve stress kan worden gemedieerd door verhoogde reaktieve zuurstof/stikstof soorten (ROS/RNS) en daaropvolgend verslechteren wanneer de cellulaire capaciteit tot detoxificatie van de ROS/RNS gecompromitteerd is. Meerdere pathofysiologische gebeurtenissen bij CVS werden opgehelderd. Aangroeiend bewijs impiceert oxidatieve schade, mitochondriale dysfunktie en stoornissen van het bio-energetisch metabolisme in de pathogenese van CVS. In lijn met deze resultaten rapporteren we voor de eerste keer dat supplementering met oraal CoQ10 plus NADH kan resulteren in een veilige en doeltreffende therapie om de vermoeidheid te reduceren, de mitochondriale funktie en bio-energetisch metabolisme kan helpen herstellen, en oxidatieve schade bij CVS verbeteren. We kunnen ons een centrale rol indenken voor de combinatie van natuurlijk anti-oxidanten (CoQ10 plus NADH) ter aanbeveling, als nuttig voor en tot inzicht van de pathogenese van deze aandoening. Volgens onze resultaten kunnen de veranderingen qua NAD+/NADH inhoud, CoQ10-waarden, lipiden-peroxidatie, intracellulair ATP en aktiviteit van mitochondriaal citraat-synthase echter verklaren dat cellulaire bio-energetische stoornissen, oxidatieve stress en van mitochondriale dysfunktie afhankelijke mechanismen courant voorkomen bij CVS-patiënten en betrokken kunnen zijn bij de ernst van de symptomen. Daarom kunnen CoQ10 plus NADH worden gebruikt als een mogelijke alternatieve en complementaire therapie voor deze aandoening en zelfs voor andere chronische ziekten geassocieerd met vermoeidheid. Er is echter verder onderzoek vereist om de precieze mechanismen op te helderen waarmee de combinatie van anti-oxidante supplementen zouden kunnen bijdragen tot de pathogenese en potentiële therapeutische mechanismen bij CVS en andere chronische ziekten.

INNOVATIE

Klinische rapporten over CVS suggereren een rol voor van mitochondriale dysfunktie afhankelijke gebeurtenissen en oxidatieve schade op cellulair niveau. De tot hier toe gebruikte medicijnen zijn weinig doeltreffend, ze zijn allemaal gericht op het management van ziekte-symptomen. Volgens deze studie zouden het samen toedienen van CoQ10 plus NADH een nieuwe alternatieve en complementaire therapie voor CVS-patiënten kunnen zijn. Bovendien induceerde de combinatie CoQ10 plus NADH een significante vermindering van de vermoeidheid, afname van de oxidatieve schade, verbetering van de mitochondriale funktie een verhoogde energie; wat de potentiële rol in de fysiopathologie van de aandoening aantoont. De hier beschreven resultaten kunnen dienen als een nieuwe manier om experimenten te ontwerpen die kunnen leiden tot een beter begrip van de doeltreffendheid van op mitochondrieën gerichte therapie bij de behandeling van CVS, FMS en zelfs andere chronische aandoeningen.

november 15, 2014

Mitochondriaal anti-oxidant MitoQ

Filed under: Behandeling — mewetenschap @ 7:42 pm
Tags: , , , ,

In 2013 publiceerde een team van het ‘Neurogenetics Laboratory’ van de ‘Oregon Health & Science University’ een artikel (Mao P et al. ‘MitoQ, a mitochondria-targeted antioxidant, delays disease progression and alleviates pathogenesis in an experimental autoimmune encephalomyelitis mouse model of Multiple Sclerosis’. Biochim Biophys Acta. 1832: 2322-31) over het bestudeerden van de effekten van MitoQ (een anti-oxidant specifiek op mitochondrieën gericht, afgeleid van co-enzyme Q10 bij muizen met auto-immune encefalomyelitis (EAE) – een aandoening die op Multipele Sclerose lijkende symptomen geeft. Men rapporteerde dat “behandeling met MitoQ beschermend werkt op neuronen, en axonale inflammatie en oxidatieve stress reduceert”. Deze “nieuwe kandidaat voor de behandeling van M.S.” kreeg vanzelfsprekend veel aandacht in de pers.

Niettegenstaande de aanwijzingen door studies bij dieren werd tot hier toe weinig vooruitgang geboekt qua therapeutisch gebruik bij mensen. Het zou bv. geen effekt hebben bij Parkinson (zie artikel). Meerder researchers rapporteerden echter dat MitoQ een anti-oxidante rol heeft en aangezien reaktieve zuurstof-soorten (ROS) betrokken bleken bij de pathologie van M.S. werd dit getest.

In een muis-model voor amyotrofe laterale sclerose (ALS; neurodegeneratieve aandoening gekenmerkt door aftakeling van de motorische neuronen waartoe ook mitochondriale dysfunktie en oxidatieve stress zou bijdragen) bleek MitoQ de aftakeling van de mitochondriale funktie in het ruggemerg en de quadriceps te vertragen. Deze studie door Miquel E et al. van de Faculteit Geneeskunde van de ‘Universidad de la República’ van Montevideo, Uruguay (‘Neuroprotective effects of the mitochondria-targeted antioxidant MitoQ in a model of inherited amyotrophic lateral sclerosis’) werd gepubliceerd in Free Radic Biol Med. (2014) 70: 204-13).

Wat betreft M.E.(cvs) zijn er ook studies die aangeven dat oxidatieve stress en mogelijks mitochondriale dysfuntie ook een rol spelen. Het lijkt ons daarom niet absurd na te gaan of MitoQ hierbij therapeutisch een rol van betekenis zou kunnen spelen. We geven onderstaand artikel mee om onderzoekers in te lichten en aan te sporen dit na te gaan. Wij willen patiënten geenszins aanzetten dit middel zomaar te gaan gebruiken. Te meer omdat de auteurs patenten hebben op gebied van op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten en consultanten zijn voor Antipodean Pharmaceuticals die het produceert en op de markt brengt (en tevens voor een deel van de financiering zorgde). Er zijn overigens nog andere zgn. ‘rechargeable mitochondria-targeted anti-oxidants’ (RMA) naast MitoQ, nl. de SkQ types (plastoquinon) die ook als veelbelovend als potentieel medicijn worden aangekondigd door Russische onderzoekers…

Ter herinnering: 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.

Lees ook onze eerdere artikels (M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte / Rol van mitochondriale dysfunkties bij pijn (CVS & FM) / Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM? / Mogelijke therapeutische interventies voor mitochondriale dysfunktie / Quercetine – Effekt op mitochondriale biogenese & inspanning-tolerantie) en andere…

————————-

Ann N Y Acad Sci. 2010 Jul;1201:96-103

Animal and human studies with the mitochondria-targeted anti-oxidant MitoQ

Robin A.J. Smith (1) and Michael P. Murphy (2)

1 Department of Chemistry, University of Otago, Dunedin, New Zealand

2 MRC Mitochondrial Biology Unit, Wellcome Trust-MRC Building, Hills Road, Cambridge, United Kingdom

Aangezien mitochondriale oxidatieve schade bijdraagt tot een brede waaier aan ziekten bij de mens, werden anti-oxidantia ontwikkeld die ontworpen werden om te accumuleren in mitochondrieën in vivo. Het meest uitgebreid bestudeerde op mitochondrieën gerichte anti-oxidant is MitoQ, dat het anti-oxidant quinon bevat, dat is gebonden aan een lipofiel trifenylfosfonium kation [TPP; positief geladen molekule die mitochondrieën als het ware lijkt op te zoeken]. MitoQ werd gebruikt in een groot aantal in vivo studies bij ratten en muizen en in 2 fase-II proeven [om bij een beperkte groep de veiligheid controleren en na te gaan of het beoogde effekt op korte termijn wordt bereikt] bij mensen. Hier maken we een overzicht van wat werd geleerd uit deze dieren- en mensen-studies met MitoQ.

Inleiding

Mitochondrieën zijn een belangrijke bron van reaktieve zuurstof soorten (ROS) en ze zijn ook bijzonder kwetsbaar voor oxidatieve schade. Bijgevolg stapelt oxidatieve schade zich in mitochondrieën op, wat bijdraagt tot mitochondriale dysfunktie en cel-dood, en dit is gerelateerd aan een waaier van ziekten. Om mitochondriale oxidatieve schade te verminderen, werden een aantal op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten gebruikt [Q10/ tocoferol (vitamine-E)/ cel-doorgankelijke kleine (Szeto-Schiller) peptiden die selektief naar het binnenste mitochondriaal membraan gaan en intrinsieke mito-protektieve eigenschappen hebben/ plastoquinon] en de basis vormen voor nieuwe farmaceutica. Idealiter zouden op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten farmaceutisch handelbare en stabiele kleine molekulen met een aanvaardbare orale bio-beschikbaarheid moeten zijn, die selektief worden opgenomen door de mitochondrieën in organen waar ze oxidatieve schade controleren en, in de ideale situatie, terug kunnen worden gerecycleerd naar de aktieve anti-oxidante vorm. Het best gekarakteriseerde op mitochondrieën gericht anti-oxidant tot op heden is MitoQ, dat bestaat uit een quinon-deel verbonden met een trifenylfosfonium-deel door een 10 koolstof-atomen lange alkyl-keten. We schetsen hier de in vitro eigenschappen van MitoQ vooraleer de kennis verkregen uit in vivo studies met deze molekule te bespreken.

In vitro eigenschappen van MitoQ

Lipofiele TPP-kationen kunnen makkelijk door fosfolipide dubbel-lagen [Een membraan bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden, waarbij de hydrofobe staarten naar elkaar toe liggen in het midden en de hydrofiele koppen aan de twee oppervlakte-lagen.] passeren omdat hun lading doeltreffend wordt opgegeven en omgeven door een beschermende organische chemische ‘laag’ die hun accumulatie in de mitochondriale matrix in respons op het mitochondriaal membraan-potentiaal [De belangrijkste funktie van het binnenste membraan van de mitochondrieën is het elektronen-transport van de oxidatieve fosforylatie. Dit binnenste membraan is nl. ondoordringbaar voor molekulen waardoor het mogelijk is om een zeer sterk membraan-potentiaal te vormen.] toelaat. […] De TPP van MitoQ laat zo zijn accumulatie in mitochondrieën toe. Eens binnen in de mitochondrieën wordt bijna al het geaccumuleerde MitoQ geadsorbeerd op het matrix-oppervlakte van het binnenste membraan, waar het continu wordt gerecycleerd naar de aktieve quinol anti-oxidante vorm door complex-II in de ademhaling-keten [reductie van quinon geeft hydroquinon of quinol]. MitoQ kan de ademhaling in mitochondrieën zonder coenzyme-Q niet herstellen omdat de gereduceerde quinol-vorm van MitoQ niet wordt geoxideerd door complex-III en daarom niet als een elektron-drager kan werken; bijgevolg zijn de meeste van de effekten van MitoQ in vitro waarschijnlijk te wijten aan de accumulatie van de anti-oxidante quinol-vorm, hoewel de quinon-vorm ook direct kan reageren met superoxide. Wanneer de quinol-vorm van MitoQ als een anti-oxidant werkt, wordt het geoxideerd tot de quinon-vorm, die dan snel wordt her-gereduceerd door complex-II, waardoor zijn anti-oxidante werkzaamheid wordt hersteld. Aangezien MitoQ grotendeels wordt gevonden geadsorbeerd op het mitochondriaal binnenste membraan en zijn verbinding-keten toelaat zijn aktieve quinol anti-oxidante component diep te penetreren in de membraan-kern, werd er een doeltreffende anti-oxidante werking tegen lipiden-peroxidatie verwacht, wat werd bevestigd voor geïsoleerde mitochondriën. MitoQ bleek ook te beschermen tegen peroxynitriet-schade hoewel, zoals bij andere quinolen, de reaktiviteit met waterstof-peroxide verwaarloosbaar is.

De opname van MitoQ door cellen in cultuur werd uitgebreid bestudeerd en bleek adequaat te worden beschreven door de Nernst-vergelijking [verband tussen het potentiaal-verschil en de concentraties van de betrokken componenten]. Deze studies geven aan dat er een snelle equilibratie is van MitoQ over het plasma-membraan, aangedreven door het plasma-membraan potentiaal, gevolgd door de accumulatie van MitoQ in mitochondriën in de cellen. […] Zoals verwacht door zijn opname en aktivatie in gecultiveerde cellen, werd MitoQ gebruikt bij een groot aantal cel-modellen voor mitochondriale oxidatie [overzicht: Murphy MP & Smith RA. Targeting antioxidants to mitochondria by conjugation to lipophilic cations. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. (2007) 47: 629-656], waar werd getoon dat het beschermt tegen schade. Deze bevindingen dat MitoQ beschermend werkt in en reeks van studies op geïsoleerde mitochondrieën en cellen leidde er toe dat dit werd uitgebreid tot studies in vivo, zoals hieronder beschreven.

MitoQ bij mitochondrieën in vivo en de effekten op het dierlijk metabolisme

Om te kunnen werken als een potentieel therapeutisch, op mitochondrieën gericht anti-oxidant in vivo, moet worden aangetoond dat MitoQ langdurig veilig, zonder toxiciteit, kan worden toegediend aan dieren en dat het in vivo accumuleert in mitochondrieën aan voldoende concentraties om beschermend te werken. De eertse studies bepaalden de intraveneuze (IV) toxiciteit van MitoQ bij muizen. Er was geen toxiciteit bij 750 nmol MitoQ/muis (~20 mg MitoQ/kg) maar de toxiciteit was evident bij 1.000 nmol MitoQ/muis (~27 mg MitoQ/kg). Om orale toxiciteit bij muizen te meten, kregen ze MitoQ toegediend in hun drink-water en er werd getoond dat het goed werd getolereerd tot 500 µM, maar toxisch bleek bij hogere concentraties. Sinds dan werd MitoQ aan muizen toegediend in hun drink-water aan 500 µM zonder evidente toxiciteit, zelfs na 28 weken. In deze studie correspondeert de gebruikte hoeveelheid MitoQ met een orale dosis van ~3.2 µmol MitoQ/dag/muis, of 95-138 µmol MitoQ/dag/kg. Dus kunnen substantiële hoeveelheden MitoQ worden toegediend aan muizen via intraveneuze of orale weg zonder nadelige toxische effekten.

De opname van MitoQ in verscheidene weefsels werd initieel bekeken via [radioaktief gelabeld met 3H] MitoQ en IV injektie. Deze experimenten toonden dat MitoQ snel uit het plasma werd verwijderd en accumuleert in het hart, de hersenen, skelet-spieren, lever en nieren. Oraal toegediend [3H] MitoQ werd opgenomen in het plasma en van daaruit in het hart, brein, de lever, nieren en spieren. Gelijkaardige studies gaven aan dat MitoQ werd uitgescheiden in de urine en de gal als onveranderd MitoQ maar ook met sulfatie en glucuronisatie [binding van afvalstoffen om uitscheiding te vergemakkelijken] van de quinol-ring, zonder aanwijzing voor andere metabolieten.

Met de [vloeistof-chromatografie tandem massa-spectrometrie (LC/MS/MS)] techniek kon 0,1 pmol MitoQ/100 mg weefsel worden gedetekteerd. Bij muizen die 500 µM MitoQ in hun drink-water kregen gedurende 4-6 maanden, was de accumulatie ~113 pmol MitoQ/g in het hart, ~20 pmol MitoQ/g in de lever en ~2 pmol/g in de hersenen. In andere studies waar ratten 2 weken MitoQ kregen was dat ~20 pmol MitoQ/g in het hart; en na 12 weken ~40 pmol MitoQ/g in het hart en ~200 pmol MitoQ/g in de lever. Dus: langdurige toediening van MitoQ in het drink-water leidde tot substantiële accumulatie van MitoQ (bij muizen) in het hart en de lever, significant minder in het brein.

De effekten van langdurige ad libitum [vrij beschikbaar] orale toediening van MitoQ op het gedrag, metabolisme, de gen-expressie en accumulatie van merkers voor oxidatieve schade bij jonge muizen werd onderzocht. Er waren geen veranderingen qua fysieke aktiviteit, O2-verbruik, voedsel-consumptie en respiratoir quotient [RQ = geëlimineerd CO2 / geconsumeerd O2] bij muizen die 500 µM MitoQ kregen gedurende 24-28 weken […]. Uit studie van het effekt van MitoQ op beweging-coördinatie en evenwicht was bleek een kleine, globale verbetering qua prestaties. Toediening van MitoQ leidde niet tot verschillen qua gewicht maar er was een daling van het percentage lichaamsvet te wijten aan een daling van sommige vet-depots. Analyse toonde aan dat er geen effekt van MitoQ was op beender-densiteit of mineralen-inhoud. Toediening van MitoQ leidde tot een daling van de triglyceriden in de lever en ook verminderde adipocyten [vet-cellen]. Consumptie van MitoQ wijzigde het plasma-cholesterol of vrije vetzuren niet, maar verminderde de plasma-triacylglyceriden significant. MitoQ-toediening veranderde de glucose- of insuline-waarden niet (al dan niet na vasten), en de glucose- en insuline-tolerantie testen toonden ook geen verschillen.

Om te bepalen hoe orale toediening van MitoQ de gen-expressie beïnvloedde, werden RNA-waarden in hart- en lever-weefsel vergeleken bij met MitoQ behandelde (~20 weken) en controle-muizen voor 28.853 genen. De globale gen-expressie in beide weefsels was niet aanzienlijk veranderd door MitoQ. Uit het bestuderen van het klein aantal wijzigingen dat voorkwam […], bleek dat er geen biologische processen significant over-vertegenwoordigd waren. De veranderingen qua gen-expressie in het hart en de lever na langdurige blootstelling aan MitoQ waren relatief miniem en leken geen verband te houden met bepaalde cellulaire processen. Belangrijk: er waren verwaarloosbare wijzigingen qua mitochondriale of anti-oxidante gen-expressie. De afwezigheid van veranderingen qua gen-expressie na MitoQ-toediening stelt ons ook in staat de mogelijkheid te elimineren dat langdurig gebruik van een anti-oxidant zou leiden tot een compenserende daling van de expressie van de endogene anti-oxidante verdediging. Zodoende kunnen we ook uitsluiten dat de beschermende effekten van MitoQ die worden gezien in vivo, te wijten zouden kunnen zijn aan hormese [biologische effekt dat een stof die in hoge dosis schadelijk is, bij lage dosis positieve effekten kan hebben], waarbij een stijging qua ROS-produktie de expressie van genen van de anti-oxidante verdediging upreguleert. Deze bevindingen zijn consistent met het feit dat MitoQ een relatief kleine impact heeft op de anti-oxidante verdeding in vivo bij jonge muizen na toediening aan concentraties die beschermen tegen een reeks pathologieën.

Om te bepalen of toediening van MitoQ de oxidatieve stress wijzigde, werd de accumulatie van een aantal merkers voor mitochondriale oxidatieve schade gemeten in lever- en hart-mitochondrieën van muizen di MitoQ kregen gedurende ~20 weeks. Deze omvatten de meting van oxidatieve schade aan het fosfolipide cardiolipine [belangrijk bestanddeel van het binnenste membraan van mitochondrieën; aanwezig in cellen die metabool aktief zijn, zoals hart- en spier-cellen], de accumulatie van proteïne-carbonylen [proteïne-carbonyl concentraties zijn een maat voor proteïne-oxidatieverhoogd bij M.E.(cvs)-patiënten, wijzend op oxidatieve stress], de aktiviteit van mitochondriale ademhaling complexen, mtDNA ‘copy-number’ en schade aan het mtDNA (via PCR). Deze gegevens gaven aan dat langdurige blootstelling aan MitoQ geen effekt op een reeks merkers voor oxidatieve schade bij muizen. Langdurig gebruik van MitoQ had ook geen effekt op de expressie van het mitochondriaal matrix enzyme mangaan-superoxide-dismutase, MnSOD. Aangezien expressie van het gen dat hiervoor codeert gevoelig wordt ge-upregueerd in respons op verhoogde mitochondriale ROS-aanmaak, geeft dit aan dat MitoQ oxidatieve stress of de flux van ROS in mitochondrieën in vivo niet verhoogt.

Het aantonen dat MitoQ niet pro-oxidant was in vivo is belangrijk, aangezien alle quinolen mogelijks superoxide kunnen produceren. [James AM, Smith RA, Murphy MP. Anti-oxidant and pro-oxidant properties of mitochondrial Co-enzyme Q. Arch Biochem. Biophys. (2004) 423: 47-56] […] Hoewel pro-oxidante reakties van MitoQ en andere quinonen meetbaar zijn in vitro, komen ze in vivo niet voor.

Deze bevindingen geven aan dat MitoQ langdurig en veilig kan worden toegediend aan jonge muizen aan concentraties die beschermend werken in pathologische modellen. Dit suggereert dat de effekten van MitoQ in vivo te wijten zijn aan hun anti-oxidante eigenschappen en niet aan andere factoren, een stevige basis bieden voor het gebruik van MitoQ bij het onderzoek van het mitochondriaal ROS-metabolisme in vivo.

Beschermende effekten van MitoQ in dier-modellen voor menselijke ziekte

De hierboven besproken studies geven aan dat langdurige toediening van MitoQ aan muizen veilig is. De volgende stap is: bepalen of de accumulatie van MitoQ in de mitochondrieën van deze dieren in vivo kan werken als een beschermende behandeling in dier-modellen voor ziekten waarbij mitochondriale oxidatieve schade betrokken is. Een aantal in vivo studies met MitoQ werden uitgevoerd [cardiopathie/ sepsis/ ischemie-reperfusie letsel].

De eerste studie naar de beschermende effekten van MitoQ was bij cardiaal ischemie/reperfusie (I/R) letsel [weefselschade veroorzaakt wanneer de bloed-toevoer wordt hersteld na een periode van zuurstof-gebrek]. Hierbij werd gedurende 2 weken 500 µM MitoQ toegediend aan ratten via hun drink-water, hun hart werd geïsoleerd en blootgesteld aan I/R lestel. Er werd aangetoond dat MitoQ bescherming gaf tegen hart-dysfunktie, weefsel-schade en mitochondriale werking vergeleken met methyl [CH3] -TPP of korte-keten quinol als onafhankelijke controles voor de 2 verschillende funktionele groepen MitoQ. Daarna toonde een gelijkaardige studie ook aan dat MitoQ beschermend was voor I/R letsel in het hart.

MitoQ beschermde tegen de schade aan endotheliale cellen in vivo gassocieerd met chronische blootstelling aan nitroglycerine, te wijten aan de bescherming tegen oxidatieve schade van nitroglycerine-metaboliserende enzymen in mitochondrieën. MitoQ was beschermend tegen een toename van de bloeddruk in een rat-model voor spontane hypertensie waarvan wordt gedacht dat de toename van de bloeddruk voortkomt uit verhoogde mitochondriale oxidatieve schade in endotheliale cellen.

Sepsis is een andere pathologie waarbij er aanzienlijk bewijs is dat mitochondriale oxidatieve schade bijdraagt tot de weefsel-schade geassocieerd met de aandoening. Voorafgaande toediening van MitoQ aan ratten of muizen vóór de inductie van sepsis door endotoxine leidde tot uitgebreide bescherming tegen hart-schade. Dit was geassocieerd met minder apoptose, verhoogde merkers voor oxidatieve schade aan proteïnen, alsook significante bescherming tegen beschadiging van de mitochondriale funktie. In een studie door een andere groep die een lipopolysaccharide-model voor sepsis gebruikte, leidde infusie van MitoQ op het moment dat sepsis werd veroorzaakt tot significante bescherming tegen lever-schade.

Intraperitoneaal toegediend MitoQ was beschermend tegen hart-schade geassocieerd met de anti-kanker molekule adriamycine. In een knaagdier-model voor 1-methyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) toxiciteit, beschermde MitoQ tegen beschadiging van de substantia nigra, behield locomotor-aktiviteit en dopamine-inhoud en verminderde de mitochondriale merkers voor oxidatieve schade. Een aantal andere studies suggereren dat MitoQ ook bescherming zou kunnen bieden andere dier-modellen van ziekten waarbij mitochondriale oxidatieve schade is betrokken, inclusief vette-lever ziekte [aandoeningen waarbij vet zich opstapelt in de lever-cellen], nier-schade bij type-I diabetes, nier ischemie-reperfusie letsel en neurodegeneratie. Alles te samen suggereren deze bevindingen dat MitoQ bescherming biedt tegen pathologische veranderingen in een aantal dier-modellen voor mitochondriale oxidatieve schade die relevant zijn voor ziekten bij mensen.

Studies met MitoQ bij mensen

De positieve dier-studies geven aan dat MitoQ een aantrekkelijke kandidaat is voor interventies bij menselijke ziekten. Bijgevolg ontwikkelde Antipodean Pharmaceuticals Inc. (antipodeanpharma.com) MitoQ als farmaceutisch middel. Er werd gevonden dat voor een stabiele formulering het voordelig is MitoQ te maken gebonden aan het anion methaansulfonaat en dit te complexeren met β-cyclodextrine [ringvormige molekule bestaande uit 5 of meer suiker-eenheden; zorgt ervoor dat stoffen met ‘neutrale’ lading toch oplossen in water]. Dit preparaat werd snel als tabletten gemaakt die voldeden bij conventionele dier-toxiciteit studies. De orale bio-beschikbaarheid werd bepaald op ca. 10% en belangrijke metabolieten in de urine waren glucuroniden en sulfaten van de gereduceerd quinol-vorm samen met gedemethyleerde afgeleiden. In menselijke Fase-1 proeven vertoonde MitoQ goede farmacokinetische eigenschappen bij een orale dosering van 80 mg (1 mg/kg), resulterend in een maximale plasma-concentratie van 33,15 ng/ml na ~1h.

Aangezien er bewijsmateriaal is dat wijst op mitochondriale oxidatieve stress als een mogelijke pathogene oorzaak voor Parkinson’s disease (PD), werd MitoQ beproefd om te zien of het de ziekte-progressie kom vertragen. Deze studie was geregistreerd op clinicaltrials.gov als NCT00329056. In 13 centra in Nieuw-Zeeland en Australië 128 werden nieuw gediagnosticeerde, onbehandelde patiënten met PD opgenomen in een dubbel-blinde studie van 2 dosissen MitoQ (40 & 80 mg/dag) vergeleken met placebo, om te zien of, na 12 maanden, MitoQ de progressie van PD zou vertragen […]. Deze studie toonde geen verschil tussen MitoQ en placebo wat betreft PD-progressie. [Snow BJ et al. A double-blind, placebo-controlled study to assess the mitochondria-targeted antioxidant mitoQ as a disease modifying therapy in Parkinson’s disease. Movement Disord (2010) 25: 1670-4] Er zijn meerdere mogelijke verklaringen voor deze bevinding, hoewel methodologische problemen zoals onvoldoende grootte van het staal of ongeschikte uitkomstmetingen onwaarschijnlijk lijken. De meest waarschijnlijke verklaring voor het ontbreken van een effekt is dat van zodra Parkison’s klinisch duidelijk is, ca. 50% van de dopaminerge neuronen verloren zijn. Het is mogelijk dat bij de diagnose het lot van de overblijvende neuronen reeds is bepaald en neuron-bescherming in deze fase hun dood niet meer kan voorkomen. Het gebrek aan doeltreffendheid van MitoQ zou ook kunnen te wijten zijn aan de onvoldoende penetratie in de hersenen. Wanneer MitoQ echter oraal wordt toegediend aan knaagdieren accumuleert het toch enigermate in het brein. Hoedanook kan het zijn dat er te weinig was om brein-mitochondrieën te beschermen tegen oxidatieve schade en we kunnen deze mogelijkheid niet geheel uitsluiten. In een knaagdier-model voor MPTP-toxiciteit beschermde MitoQ wel tegen substantia nigra schade, hielp het locomotor-aktiviteit en dopamine-inhoud te bewaren, alsook mitochondriale merkers voor oxidatieve schade te verminderen. Hoewel er geen therapeutische efficiëntie werd gevonden, leverde deze studie wel belangrijke veiligheid-gegevens op wat betreft de langdurige toediening van MitoQ aan mensen en werd aangetoond dat MitoQ veilig aan patiënten kan worden toegediend als dagelijkse orale tablet gedurende een jaar.

De tweede test met MitoQ bij mensen was de proef bij patiënten met chronische hepatitis-C virus (HCV). [Gane EJ et al. The mitochondria-targeted antioxidant mitoquinone decreases liver damage in a phase-II study of hepatitis-C patients. Liver Int. (2010) 30: 1019-1026] Deze studie werd op clinicaltrials.gov geregistreerd als NCT00433108. HCV-patiënten die niet reageerden op conventionele behandelingen tegen HCV werden gekozen omdat er bij deze groep patiënten bewijs is voor verhoogde oxidatieve stress en daaropvolgende mitochondriale schade (die een belangrijke rol speelt bij lever-schade). Daarom werd het effekt van oraal MitoQ op serum-aminotransferasen [lever-enzymen, de mate en duur van de verhoging van het gehalte aan ALAT en het ASAT, en de onderlinge verhouding geven een aanwijzing van de soort lever-ziekte] en HCV RNA-niveaus in met HCV geïnfekteerde patiënten bepaald in een dubbel-blinde, gerandomiseerde, parallel ontworpen test van 2 verschillende dosissen MitoQ (en placebo) bij patiënten met een gedocumenteerde geschiedenis van chronische HCV-infektie. De deelnemers werden 1:1:1 gerandomiseerd en kregen 40 mg, 80 mg of placebo gedurende 28 dagen. Beide behandel-groepen vertoonden significante dalingen qua serum alanine-transaminase (ALT) van baseline tot dag 28. Er was geen effekt van MitoQ op virale lading, wat er op wijst dat het op mitochondrieën gericht anti-oxidant enkel de lever-schade geassocieerd met HCV-infektie beïnvloedde en de mogelijkheid van het virus om te repliceren in de lever niet inhibeerde. Deze gegevens suggereren dat MitoQ lever-schade bij HCV-infektie kan reduceren. Meer algemeen is deze studie is de eerste die rapporteert over een mogelijk klinisch nut van het gebruik van op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten bij mensen. Gekoppeld aan de veiligheid-gegevens betreffende MitoQ in de Parkinson’s studie, suggereert dit dat de doeltreffendheid van MitoQ voor andere chronische lever-ziekten (waarvan wordt gedacht dat mitochondriale oxidatieve schade betrokken is), zoals niet-alkoholische vette-lever ziekte, de moeite waard zijn om te bestuderen.

Vanuit het standpunt van de farmaceutische ontwikkeling is het belangrijk dat geen ernstige nadelige gebeurtenissen werden gerapporteerd. Het meest courante met behandeling gerelateerd nadeel was matige misselijkheid die dosis-afhankelijk was. Aangezien er geen dosis-afhankelijkheid naar efficiëntie toe werd vastgesteld in de lever-studie, zou het in toekomstige studies mogelijk moeten zijn de misselijkheid te beperken met behoud van efficiëntie door de MitoQ dosis te verlagen. Het is mogelijk dat het toediening-protocol met overnacht vasten voor inname en daaropvolgende 1 h zonder voedsel de misselijkheid heeft verergerd; daarom zou het bij toekomstige studies te prefereren zijn het met wat voedsel in te nemen en daarbij zorgvuldig na te gaan hoe dit de bio-beschikbaarheid beïnvloedt.

Besluiten

Dier-experimenten hebben aangegeven dat MitoQ doeltreffend is als anti-oxidant in een aantal weefsels in vivo. Er werd ook aangetoond dat MitoQ kan worden aangeboden als een doeltreffend farmaceutisch middel dat met succes oraal kan worden toegediend aan mensen. Studies bij mensen tot nu geven aan dat MitoQ veilig kan worden toegediend aan patiënten, zelfs tot een jaar lang en dat deze dosissen doeltreffend zijn bij het verminderen van lever-schade. Deze bevindingen openen de weg voor het gebruik van MitoQ gedurende langere tijd en grotere fase-IIB studies bij lever-aandoeningen zoals vette-lever ziekte. Meer algemeen suggereren deze bevindingen dat oraal toegediend MitoQ en verwante op mitochondrieën gerichte anti-oxidantia ook toepasbaar kunnen zijn bij een brede waaier menselijke pathologieën waarbij mitochondriale oxidatieve schade betrokken is. Hopelijk zal nieuw werk aangeven of MitoQ en verwante stoffen mitochondriale oxidatieve schade kunnen doen dalen bij een aantal ziekten en of dit de uitkomst voor de patient verbetert.

november 1, 2014

Gebruik van SNPs om gen-expressie te onderscheiden bij M.E.(cvs)-subtypes

Filed under: Genetica — mewetenschap @ 8:10 am
Tags: , , ,

Prof. Jonathan Kerr, destijds verbonden aan de afdeling Cellulaire & Molekulaire geneeskunde van de St. George’s University of London, publiceerde in 2008, samen met onderzoekers van andere universiteiten en ziekenhuizen het artikel: Gene expression subtypes in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis (in J Infect Dis (2008) 197: 1171-84; en zie ook Curr Rheumatol Rep (2008) 10: 482-491). Daarin werd gen-expressie in perifeer bloed van 25 M.E.(cvs)-patiënten onderzocht. De genen met veranderde expressie (t.o.v. gezonde bloed-donoren) werden via een tweede methode verder geanalyseerd bij 55 M.E.(cvs)-patiënten. Er werd differentiële expressie gevonden voor 88 genen. Veel voorkomende funkties waren hematologische aandoeningen, immunologische ziekte, kanker, cel-dood, immuun-respons en infektie. De patiënten konden worden onderverdeeld in 7 subtypes.

In een bijkomend artikel (Kerr JR, Burke B, Petty R et al. Seven genomic subtypes of Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: a detailed analysis of gene networks and clinical phenotypes. J Clin Pathol (2008) 61: 730-9) wordt gerapporteerd hoe van elk M.E.(cvs)-subtype die genen werden geïdentificeerd waarvan de expressie significant verschilde van normale bloed-donoren, en hoe gen-interakties, associaties met ziekten en molekulaire & cellulaire funkties van die genen-sets werden bepaald. Er werden enkele gemeenschappelijke (neurologische, hematologische, kanker) en enkele afzonderlijke (metabole, endocriene, cardiovasculaire, immunologische, inflammatoire) ziekte-associaties voor subtypes gevonden.

Gegevens uit de eerste studie werden later – door een team waartoe hij zelf ook behoorde – bevestigd bij 62 nieuwe M.E.(cvs)-patiënten (Microbial infections in eight genomic subtypes of Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Clin Pathol (2009) 63:156-64).

Ook de Schotse onderzoekers John Gow, Peter Behan & Abhijit Chaudhuri (A Gene Signature for Post-Infectious Chronic Fatigue Syndrome. BMC Medical Genomics (2009) 2:38) vonden “verschillen in gen-expressie verspreid over het ganse genoom tussen post-infektueuze, niet-psychiatrische mannelijke patiënten met CVS en gezonde controles” (zie Gen-signatuur voor Post-Infektie CVS’) maar zijn merkten op dat er een “gebrek aan correlatie tussen verschillende publikaties over gen-arrays” is. Zij stipten aan: “een micro-array is een moment-opname en niet noodzakelijk het chronische biologische proces inherent aan de aandoening weerspiegelt”.

Het bleef geruime tijd stil rond dit alles maar hier rapporteert Prof. Kerr over zijn vervolg-onderzoek met een andere, wellicht meer reproduceerbare techniek. Hij onderzocht kleine mutaties – ‘single-nucleotide’ polymorfismen (SNPs) – in genen met differentiële expressie bij M.E.(cvs) en vond er die significant geassocieerd zijn met de ziekte en met afzonderlijke subtypes. Het vinden van deze SNPs zou kunnen leiden tot het ontwikkelen van een subtype-specifieke diagnostische test. Over de betekenis van de ‘aangetaste’ genen / transcriptie-factoren wordt (nog) niet gespeculeerd.

Het onderzoek werd mede gefinancierd door ‘ME Research UK’.

————————-

J Clin Pathol (Publicatie September 2014)

Use of single-nucleotide polymorphisms (SNPs) to distinguish gene expression subtypes of Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis (CFS/ME)

Nana Shimosako (1), Jonathan R Kerr (1,2)

1 CFS Group, Department of Cellular & Molecular Medicine, St George’s University of London, London, UK

2 Escuela de Medicina y Ciencias de Salud, Universidad del Rosario, Bogota, Colombia

Samenvatting

Doelstellingen We rapporteerden eerder over gen-expressie veranderingen bij patiënten met Chronische Vermoeidheid Syndroom/ Myalgische Encefalomyelitis (CVS/M.E.) en het feit dat dergelijke gen-expressie gegevens kunnen worden gebruikt om subtypes van CVS/M.E. met afzonderlijke klinische fenotypes te identificeren. Omwille van moeilijkheden bij het gebruik van een vergelijkende gen-expressie methode als hulpmiddel bij de diagnose van CVS/M.E. en de subtypes, hebben we geprobeerd een dergelijke methode gebaseerd op ‘single-nucleotide’ polymorfisme (SNP) analyse te ontwikkelen.

Methodes Om SNP-allel associaties met CVS/M.E. en CVS/M.E.-subtypes te identificeren, hebben we genomisch DNA getest van patiënten met CVS/M.E. (n = 108), patiënten met endogene depressie (n = 17) en normale bloed-donoren (n = 68) op 504 menselijke SNP-allelen gelokaliseerd in 88 met CVS geassocieerde menselijke genen gebruikmakend van een SNP genotypering test. 360 ‘afkomst informatieve merkers’ (AIM) werden ook onderzocht.

Resultaten 21 SNPs bleken significant geassocieerd met CVS/M.E. vergeleken met depressie en normale controle. 148 SNP-allelen vertoonden een significant verband met één of meer CVS/M.E.-subtypes. Voor elk subtype hadden de geassocieerde SNPs de neiging zich te groeperen in afzonderlijke genen. AIM SNPs gaven aan dat 4 individuen van Aziatische origine waren en de rest Kaukasisch. Hiërarchisch clusteren van de AIM-data onthulde het verwantschap tussen 2 koppels patiënten met CVS en bevestigde de globale heterogeniteit van alle individuen.

Besluiten Deze studie levert bewijs dat menselijke SNPs gelokaliseerd in met CVS/M.E. geassocieerde genen gerelateerd zijn met afzonderlijke genomische subtypes van CVS/M.E. Er is verder werk vereist om dit te ontwikkelen tot een klinisch bruikbare subtype-specifieke diagnostische test.

Inleiding

[…] De precieze onderliggende ziekte-mechanismen en manieren waarop de abnormaliteiten verband houden bij patiënten met CVS/M.E. moeten nog worden opgehelderd.

We hebben eerder gerapporteerd over de differentiële expressie van 88 menselijke genen bij CVS/M.E. die werden geïdentificeerd m.b.v. een omvangrijke micro-array [‘gen-chips’] studie met bevestiging van de of genen via ‘real-time’ PCR. [Kerr JR, Petty R, Burke B et al. Gene expression subtypes in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis (CFS/ME). J Infect Dis (2008) 197: 1171-84] Deze gegevens werden later geconfirmeerd in een follow-up studie. [Zhang L, Goudh J, Christmas D et al. Microbial infections in eight genomic subtypes of Chronic Fatigue syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Clin Pathol (2009) 63:156-64] Clusteren van gen-expressie gegevens onthulde 8 genomische CVS/M.E.-subtypes met duidelijke verschillen qua Short Form-36 (SF-36) scores, klinische fenotypes, ziekte-graad en geografische distributie.

Het werd al erkend dat CVS/M.E.-subtypes bestaan en er wordt gedacht dat dergelijke subtypes, ten minste gedeeltelijk, de afzonderlijke etiologische factoren kunnen weerspiegelen. [Jason LA, Corradi K, Torres-Harding S et al. Chronic Fatigue Syndrome: the need for subtypes. Neuropsychol Rev (2005) 15: 29-58] Een op symptomen gebaseerde benadering heeft wat succes gekend wat betreft de identificatie van musculoskeletale, inflammatoire en neurologische subtypes; deze groepen vertoonden echter slechts kleine verschillen in algemene funktionele ernst in tegenstelling met deze van onze gen-expressie studies.

Hoewel het intrigerend is dat dergelijke subtypes kunnen worden geïdentificeerd door gebruik te maken van gen-expressie methodes, is het onwaarschijnlijk dat zo’n benadering bruikbaar zou kunnen zijn in de klinische praktijk om dergelijke subtypes te identificeren, aangezien het moeilijk is referentie-waarden te definiëren voor elk gen bij elk subtype. Daarom probeerden we zo’n test te bekomen gebruikmakend van ‘single-nucleotide’ polymorfismen (SNPs) gelokaliseerd in de 88 met CVS/M.E. geassocieerde genen. Deze studie toont aan dat er 148 menselijke SNPs waren die significante associaties hadden met één of meer CVS/M.E. genomisch subtype. Hoewel deze studie geen robuust subtype-differentiërende test voorstelt, bieden de resultaten bewijs dat zo’n benadering haalbaar is.

Methodes

Recrutering van indviduen en klinische karakterisatie

CVS/M.E.-patiënten (n = 108) Fukuda diagnostische criteria. 6 na Q-koorts; de rest idiopathisch. Majeure psychiatrische ziekte uitgesloten, alsook drug- of alkohol-misbruik […]. De patiënten maakten deel uit van een eerder gepubliceerde studie over gen-expressie waar ze een genomisch subtype was toegewezen. [zie Zhang et al. hierboven]

[…]

[…] Lichamelijke en mentale vermoeidheid werd bepaald d.m.v. de Chalder vermoeidheid-schaal [niet de meest geschikte voor M.E.(cvs)], mate van invaliditeit vai de ‘Medical Outcomes Survey SF-36’; symptomen werden gekarakteriseerd d.m.v. de ‘Somatic and Psychological Health Report’; slaap-abnormaliteiten d.m.v. de ‘Pittsburgh Sleep Questionnaire’; en type en ernst van de pijn d.m.v. de ‘McGill Pain Questionnaire’.

[…]

Bloed-afname en DNA-extractie

[…]

Totaal-genoom amplificatie

[…]

Afkomst informatieve merkers

Om de DNA-stalen te screenen op test-prestaties vóór het uitvoeren van de genotypering en wat informatie te verkrijgen betreffende de afkomst van elk individu, gebruikten we 360 SNPs gekozen als genomische controles die wellicht niet met ziekte geassocieerd zijn.

SNPs in CVS/M.E.-geassocieerde menselijke genen

We zochten naar SNPs in de promoter- en coderende gebieden (inclusief introns [overbodige, niet-coderende stukken] in 88 menselijke genen die eerder differentiële expressie bleken te vertonen bij CVS/M.E.-patiënten vergeleken met normale bloed-donoren. Zo selekteerden we 504 SNPs voor de analyse: 1-8 SNPs per CVS/M.E.-geassocieerd menselijk gen.

SNP-genotypering test

Van de te testen SNPs (360 afkomst informatieve merkers (AIM) SNPs & 504 CVS/M.E.-geassocieerd gen SNPs) werd het waarschijnlijk succes van elk SNP voor het ontwikkelen van een test bepaald. Enkel SNPs met een goede waarschijnlijkheid op succes werden verder bekeken.

[…]

Mogelijke invloed van CVS/M.E.-geassocieerde SNPs op eerdere gen-expressie resultaten

[voor techneuten:] We onderzochten elk van de SNPs die geassocieerd bleken met CVS/M.E. op hun positie t.o.v. de zogenaamde ‘interrogatie-positie’ van de sondes die worden gebruikt in de gen-expressie array. Deze ‘interrogatie-positie is het nucleotide dat doelbewust werd gemuteerd in de ‘mismatch’ sonde-sequentie vergeleken met de perfect gematchte sonde. De mogelijkheid bestaat dat bij een SNP in deze positie, de ‘mismatch’ sonde sterker bindt dan de perfect gematchte sonde […].

Vergelijkende sequentie-analyse voor het detekteren van gewijzigde transcriptie-factor binding-plaatsen

Elk van de 21 SNP loci die CVS/M.E. van depressie / normaal of CVS/M.E. van normaal differentieerden werd onderzocht op mogelijke lokalisatie binnen binding-plaatsen van CVS/M.E.-geassocieerde transcriptie-factoren en mogelijke effekten op CVS/M.E.-geassocieerde transcriptie-factor (TF) binding op CVS/M.E.-geassocieerde genen. […] (NFKB1 [nucleaire factor NF-kappa-B], NHLH1 [helix-lus-helix proteïne 1], GABPA [GA-bindende proteïne alfa keten], REPIN1 [replicatie initiator 1], EGR1, EGR3 [EGR = ‘early growth response’ proteïne], ETS1 [ETS = familie transcriptie-factoren]) […]

Gegevens-analyse en visualisering

Voor de patiënten met CVS/M.E., werden de CVS/M.E.-geassocieerde SNP haplotypes [genetische varianten; combinaties van allelen zoals die voorkomen op een chromosoom] omgezet naar nummers (AA=1, AB=2, BB=3, waar A = allel A en B is allel B) en geanalyseerd d.m.v. grafische programma’s […]

Statistische analyse

[…]

Resultaten

Individuen

Deze studie omvatte 108 CVS/M.E.-patiënten, 17 patiënten met endogene depressie en 68 normale bloed-donoren. […]

Afkomst informatieve merkers

Er werden gegevens betreffende AIM SNP-allelen verkregen voor alle CVS/M.E.-patiënten, alle patiënten met endogene depressie en 29 van de 68 normale bloed-donoren. Deze gaven aan dat alle normale bloed-donoren en depressie-patiënten van Europese origine waren; alsook alle CVS/M.E.-patiënten, uitgezonderd 4 die van Aziatische origine waren.

Bij onderzoek naar de graad van verwantschap tussen de deelnemers aan de studie bleek dat – met uitzondering van 6 individuen – ze niet nauw verwant waren met elkaar […].

CVS/M.E.-gessocieerd gen SNP-allelen bij CVS/M.E., depressie en normale controles

We vonden dat 21 CVS/M.E.-geassocieerd gen SNPs een frequentie-distributie over de CVS/M.E-., depressie- en normale groepen hadden, die niet als toevallig kan worden beschouwd en die significant was. Interessant was dat 7 van deze SNPs in het BMP2K gen [coderend voor een kinase-enzyme dat een rol speelt bij skelet-ontwikkeling] & 2 in het IL6ST gen [interleukine-6 signaal-transducer; deel van het cytokine receptor complex] lagen. Wat betreft CVS/M.E.-geassocieerd gen SNPs die een onverwachte distributie tussen CVS/M.E. en normalen vertoonden, waren er 10 die significant bleken [Deze worden genoemd maar er wordt verder niet over uitgewijd.].

SNP-allelen bij CVS/M.E.-subtypes

Er waren 148 SNPs met een distributie over de CVS/M.E.-subtypes die niet alles toevallig kan worden beschouwd. Alle 148 werden geïdentificeerd door de allel-distributie in één subtype te vergelijken met deze in alle andere subtypes gecombineerd. […]. De distributie van afzonderlijke SNP-allelen over afzonderlijke CVS/M.E.-subtypes is interessant en toont dat elk subtype geassocieerd is met afzonderlijke SNP-allelen en dat deze SNP-allelen gegroepeerd zijn in afzonderlijke genen voor elk CVS/M.E.-subtype, op die manier dat bv. SNP-allelen in ACTR3 [actine-gerelateerd proteïne 3; maakt deel uit van een complex dat essentieel is voor cel-vorm en -beweeglijkheid] geassocieerd zijn met subtype-F, terwijl SNP-allelen AKAP10 [codeert voor A-kinase anker-proteïne dat gelokaliseerd is in mitochondrieën] geassocieerd zijn met subtype-G [De rest wordt ook opgesomd maar er wordt verder niet over uitgeweid.].

Mogelijke invloed van CVS/M.E.-geassocieerde SNPs op eerdere gen-expressie resultaten

We vonden dat slechts 1 SNP zich in de interrogatie-positie van een sonde-sequentie van één van de 88 CVS/M.E.-geassocieerde menselijke genen bevond. Dit SNP was rs2228431 in het ARSD gen […]. Bij het her-bekijken van de eerder gepubliceerde data-set over gen-expressie bij CVS/M.E. versus normale controles, zagen we dat deze sonde deze resultaten niet beïnvloedde aangezien het werd uitgesloten van de analyse omwille van zijn gebrek aan specificiteit voor het ARSD gen.

Vergelijkende sequentie-analyse voor het detekteren van gewijzigde transcriptie-factor binding-plaatsen

Vergelijkende sequentie-analyse voorspelde dat 4 van de 21 CVS/M.E.-geassocieerde SNPs gewijzigde CVS/M.E.-geassocieerde transcriptie-factor binding met CVS/M.E.-geassocieerde menselijke genen vertoonden. [NHLH1, GABPA, REPIN1, ETS1]

Gegevens-analyse en visualisering

[…] Gebruikmakend van de SNP-haplotype gegevens kwam er enige mate van afscheiding van de verschillende CVS/M.E.-subtypes naar voor […]. Deze subgroepen vertoonden 73% correlatie met de gen-expressie subtypes (gegevens niet getoond).

Bespreking

Deze studie werd ondernomen om CVS/M.E.-geassocieerde SNPs te identificeren die voorkomen in de promoter- en coderende sequenties van 88 CVS/M.E.-geassocieerde menselijke genen. Deze 88 menselijke genes werden oorspronkelijk geïdentificeerd via analyse van het perifeer bloed van 55 CVS/M.E.-patiënten en 75 normale bloed-donoren gebruikmakend van uitgebreide gen-expressie micro-array (en bevestiging van de resultaten via ‘real-time’ PCR.

Het is belangrijk te bevestigen dat er geen significante verwantschap onder de individuen – die de resultaten zou verstoren – in de studie werd vastgesteld; dit werd geconfirmeerd via de AIM SNP-allel gegevens van het DNA test-panel. Het is ook belangrijk te verzekeren dat elke gevonden SNP-allel associaties niet het resultaat zijn van een significante over-vertegenwoordiging van een ras vergeleken met de andere in een groep, en dit werd ook uitgesloten door de resultaten van de AIM SNP gegevens.

We hebben getoond dat de allel-frequentie voor elk van de 21 SNPs een statistisch significante en onverwachte verdeling over de CVS-M.E./ depressie/ normale groepen heeft en dat voor 10 van deze 21 SNPs, afzonderlijke allelen geassocieerd zijn met CVS/M.E. vergeleken met normale controles. Hoewel SNP-allel associaties eerder werden gerapporteerd bij CVS/M.E., kan deze lage opbrengst (21 van 504) verrassend lijken gezien het feit dat deze SNP-loci voorkwamen in genen waarvoor differentiële expressie werd gevonden bij CVS/M.E. Deze observatie is echter waarschijnlijk te verklaren door de gekende heterogeniteit van CVS/M.E. in het algemeen en het bestaan van subtypes in deze CVS/M.E.-groep, die werden onthuld gebruikmakend van clustering van de gen-expressie gegevens [zie Zhang L et al.]. Deze subtypes hadden een apart klinisch fenotype en ernst-graad. Deze veronderstelling wordt verder ondersteund door de vondst van 148 SNP-allelen die geassocieerd bleken met één of meer CVS/M.E.-subtypes. De verdeling van afzonderlijke SNP-allelen over afzonderlijke CVS/M.E.-subtypes is interessant. Dit hield echter geen waarneembaar verband met de gen-expressie gegevens voor elk van deze subtypes (gegevens niet getoond) in.

Het is geruststellend dat onze analyse van de lokatie van deze SNPs t.o.v. de sonde-sets van de gen-array, die oorspronkelijk werd gebruikt om de differentiële expressie van deze genen te identificeren, geen significante invloed van de gen-expressie gegevens in het algemeen ondersteunde.

Het feit dat werd voorspeld dat 4 van de SNP-allelen die geassocieerd bleken met CVS/M.E. verminderde binding met CVS/M.E.-geassocieerde transcriptie-factoren zou vertonen [Deze worden genoemd maar er wordt hier verder niet over uitgewijd.], suggereert dat dergelijke mutaties wel eens de gen-expressie signaturen die werden gevonden bij patiënten met CVS/M.E. zouden kunnen beïnvloeden; in het bijzonder omdat bij 3 van de 4, het allel geassocieerd was met de ganse CVS/M.E.-groep en niet enkel één subtype en aangezien deze transcriptie-factoren talrijke binding-plaatsen hebben in de promoter-gebieden van deze genen.

Een mogelijke toepassing van de kennis dat deze SNPs significant verschillende distributie vertonen over de CVS/M.E.-subtypes, is de ontwikkeling van een subset SNPs voor een subtype-specifieke diagnostische test. Dit kan nuttig zijn eens het bestaan van de eerder gepubliceerde gen-expressie CVS/M.E.-subtypes onafhankelijk werd bevestigd en wanneer we meer over ze weten in termen van natuurlijke geschiedenis, triggers, respons op verschillende behandelingen, enz. Een dergelijk op SNPs gebaseerde test is zeer wenselijk vergeleken met een op gen-expressie gebaseerde test aangezien dit robuust en makkelijk reproduceerbaar is; anders dan de vergelijkende gen-expressie methode die werd gebruikt om deze 88 menselijke genen te identificeren. Dit zal echter uitgebreide verdere testen en validering vereisen vooraleer het kan worden aanbevolen voor dit doel.

Tot besluit: in dit artikel rapporteren we over 21 SNP-allelen die significant geassocieerd zijn met CVS/M.E. vergeleken met depressie-patiënten en normale controles, en over 148 SNP-allelen die geassocieerd zijn met één of meer CVS/M.E.-subtypes – waarvan er 27 een p-waarde ≤ 0.05 vertoonden. De grootte van de groep in deze studie, en bijzonderlijk de grootte van elk gen-expressie subtype, is te klein om stevige conclusies te trekken. Als we echter veronderstellen dat deze resultaten kunnen worden gerepliceerd, zou het mogelijk moeten zijn om een subtype-specifieke diagnostische test te ontwikkelen gebruikmakend van een SNP-subset, wat het onderzoek en klinisch management van patiënten met CVS/M.E zou kunnen helpen.

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.