M.E.(cvs)-wetenschap

juni 27, 2015

Computer-model voor inspanning-intolerantie bij M.E.(cvs)

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 7:26 am
Tags: , , , , , , ,

Onderstaande studie is géén onderzoek in vitro (in proefbuizen of petrischalen, in een lab) of in vivo (bij mensen, in een kliniek) maar ‘in silico’: via computer-simulatie. Een goed gekend metabool model dat verklaart wat er gebeurt met de mitochondrieën in skelet-spieren tijdens inspanning werd met enkele processen – accumulatie van lactaat en afbraak van purinen (met purinen – adenine (A) of guanine (G) – wordt hier bedoeld: één van de 2 types nucleotiden, stikstof-basen waaruit nucleïnezuren zijn opgebouwd) uitgebreid, omwille van bevindingen over verminderde ATP-aanmaak en piek zuurstofopname bij M.E.(cvs) die duiden op problemen met aërobe energie-produktie. Een gedaalde anaërobe drempel (overgang van aëroob naar anaëroob metabolisme; waar lactaat begint te accumuleren en aanleiding geeft tot verzuring van de spieren), verhoogde verzuring en het feit dat meer tijd nodig is om de zuurtegraad te herstellen, suggereert dat de anaërobe cel-ademhaling (minder efficiënte manier om energie te produceren) probeert te compenseren voor een gebrekkige aërobe cel-ademhaling.

De onderzoekers keken op basis van het model naar (enzyme-)reakties in de mitochondrieën bij ernstige M.E.(cvs) – waarbij de mitochondriale capaciteit fel was gereduceerd – en gezonde controles. Dan onderzochten ze wat er gebeurt bij 3 soorten inspanning: 30 seconden of intensieve inspanning, één uur milde inspanning en één uur milde inspanning verspreid over 2 dagen. Dan keken ze of de modellen overéénkomen met wat studies suggereren wat er gebeurt bij M.E.(cvs). Het kwam overéén. De simulaties geven aan dat bij M.E.(cvs) de ATP- concentraties kritisch lage waarden bereiken tijdens intensieve inspanning en dat de verzuring van de spieren verhoogt.

Meerdere studies geven aan dat de aanmaak van ATP ca. 65% is bij M.E.(cvs). Dit model suggereert dat gereduceerde mitochondriale capaciteit dit probleem kan veroorzaken, alsook de verhoogde acidose (abnormale verzuring; zie ‘Geen herstel van acidose na herhaalde inspanning bij CVS’) en lactaat-accumulatie. (Het eerste is problematisch, lactaat niet direct want dat wordt aangemaakt om de cel te beschermen tegen verzuring.).

Gezonde mensen kunnen de hoeveelheid ATP tijdens inspanning bewaren zodat hun mitochondrieën beschermd blijven. Het model geeft echter aan dat het minimum ATP bij inspanning door M.E.(cvs)-patiënten, significant lager is en wellicht zelfs tot cel-dood kan leiden. Deze bevinding wordt ondersteund door een studie van Sarah Myhill, die verhoogde waarden voor cel-vrij DNA vond. Wanneer de mitochondriale capaciteit van een cel uitgeput raakt (de vraag naar ATP overtreft de toevoer), spreekt de cel zijn reserves aan. De omzetting van 2 ADP-molekulen naar 1 ATP en 1 AMP, levert een beetje energie (ATP) op maar: het vermindert de totale adenine-voorraad in de cel (ATP & ADP). Het model geeft aan dat de gezonde controles inspanning konden leveren zonder purine-verlies terwijl personen met dysfunktie van de mitochondrieën significant purine-nucleotiden verloren.

Het model suggereert dat de verhoogde acidose bij M.E.(cvs) zorgt voor accumulatie van lactaat en verhoging van lactaat-efflux uit de cel. In het echt zou het nog erger kunnen zijn. De acidose en lactaat-accumulatie die worden gevonden bij M.E.(cvs)-studies liggen significant hoger dan bij het model.

De verminderde adenine-voorraad betekent dat spiercellen na inspanning meer tijd zullen nodig hebben om naar normale waarden terug te keren. Het model voorspelde dat 3 tot 5 maal langer zou duren tot dat de ATP-waarden in de spieren van M.E.(cvs)-patiënten weer normaal zouden zijn na inspanning. Het model voorspelde ook dat ze makkelijker van heel korte, intense inspanningen zouden herstellen. Een bijkomende inspanning vóór herstel zou dit herstel substantieel verlengen. ATP-uitputting is dus een mogelijke reden voor de post-exertionele malaise en het zou kunnen verklaren waarom een bijkomende fiets-test een dag na een eerste veel slechtere resultaten geeft. Daarnaast komen nog de mogelijke gevolgen van verhoogde cel-dood bij inspanning, ontregeling van het sympathisch zenuwstelsel en het immuunsysteem (niet opgenomen in het model).

Het blijft een (theoretisch) model maar het geeft toch aan dat mitochondrieën een belangrijke rol spelen bij M.E.(cvs).

————————-

Biophysical Chemistry 202: 21-31 [Pre-print april 2015]

In silico analysis of exercise intolerance in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome

Lengert N, Drossel B

‘Institute for Condensed Matter Physics’, Technische Universiteit Darmstadt, Duitsland

Samenvatting

Post-exertionele malaise wordt courant vastgesteld bij patiënten met Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom maar het mechanisme wordt nog niet goed begrepen. Een verminderde capaciteit voor mitochondriale ATP-synthese is geassocieerd met de pathogenese van CVS en wordt verondersteld een belangrijke bijdrage te bieden aan de inspanning-intolerantie van CVS-patiënten. Om het verband tussen een verminderde mitochondriale capaciteit en inspanning-intolerantie aan te tonen, presenteren we een model dat de dynamiek van metabolieten in skelet-spieren tijdens inspanning en herstel simuleert. CVS-simulaties bewijzen kritiek lage ATP-waarden, waarbij een verhoogde mate aan cel-dood zou worden verwacht. Om de energie-aanvoer te stabiliseren bij lage ATP-concentraties is de totale adenine-nucleotide voorraad substantieel gereduceerd, wat een langere herstel-tijd veroorzaakt – zelfs zonder andere factoren, zoals immunologische ontregelingen en oxidatieve stress, in overweging te nemen. Herhaalde inspanningen verergeren deze situatie aanzienlijk. Verder bewijzen CVS-simulaties een verhoogde acidose en lactaat-accumulatie die consistent is met experimentele observaties.

1. Inleiding

Myalgische Encefalomyelitis, ook Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) genoemd, wordt gekenmerkt door een persistente uitputtende vermoeidheid en een waaier andere symptomen met een nog niet geïdentificeerde pathogenese. Aangezien er geen eenvoudige en ondubbelzinnige diagnostische testen bestaan en CVS-patiënten er dikwijls niet ziek uitzien, werd het meestal als een psychosociale aandoening behandeld. Maar publicaties hebben herhaaldelijk aangetoond dat er bewijs is voor lichamelijke abnormaliteiten die een complexe organische dysfunktie aangeven. Cognitieve gedrag-therapie graduele inspanning, die dikwijls worden aangewend om depressie te behandelen, bleken ondoeltreffend of zelfs schadelijk voor or CVS-patiënten. Verergering van de symptomen, zelfs na minimale inspanning, is een courant kenmerkpost-exertionele malaise (PEM) genaamd – bij CVS-patiënten, en omvat verhoogde vermoeidheid, spierpijn, hoofdpijn, misselijkheid en fysieke zwakte. Post-exertionele malaise bleek gelinkt met een verhoogde oxidatieve stress en met immunologische en adrenerge ontregelingen [zie referenties bij de bespreking] die voortduurden tot 48 h na inspanning. Oxidatieve stress wordt niet enkel geïnduceerd na inspanning maar er werd aangetoond dat deze ook aanwezig in rust en geassocieerd is met CVS-symptomen.

Zelfs al wordt PEM enkel als een optioneel symptoom beschouwd bij de Fukuda et al. criteria voor CVS, werd het als een vereiste opgenomen bij latere CVS-definities. De her-definitie door het ‘Institute of Medicine’ van de ‘National Academies’ ziet PEM als het tweede meest essentieel symptoom […].

Om de courant geobserveerde inspanning-intolerantie bij CVS-patiënten verder te onderzoeken, werden studies aangaande de prestaties tijdens inspanning uitgevoerd: deze rapporteerden dat de maximale piek arbeid, piek O2-opname en de aërobe ATP-synthese significant lager waren bij CVS-patiënten vergeleken met controles [zie ookMetabole veranderingen in spieren en hersenen bij CVS’, ‘M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte’ & ‘CVS & de regulering van het energie-metabolisme]. In andere studies was er geen duidelijk onderscheid tussen de groepen tijdens de inspanning-test. Een tweede test, herhaald na 24 uur, resulteerde echter in een doorslaggevende differentiatie [lees het werk door Van Ness JM et al. op deze pagina’s; o.a. ‘Dubbele fietstest], consistent met de verslechtering van de medische toestand door post-exertionele malaise. Verder werd een verhoogde verzuring, verminderde anaërobe drempel en verlengd pH-herstel gerapporteerd [zie ook ‘Verder onderzoek van mitochondriale funktie in spieren bij M.E.(cvs)], wat een compenserende upregulering van anaërobe ATP-synthese suggereert.

De gedaalde aërobe ATP-synthese geeft een deficiëntie van de mitochondriale oxidatieve fosforylatie [zorgt voor ATP, bron van cellulaire energie] aan, die gerelateerd zou kunnen zijn met observaties van ongewone mitochondriale DNA-deleties bij CVS-patiënten [Zhang C et al. Unusual pattern of mitochondrial DNA deletions in skeletal muscle of an adult human with Chronic Fatigue Syndrome. Hum. Mol. Genet. (1995) 4: 751-754]. Er is ook preliminair bewijs voor veranderingen in gen-transcripten die de mitochondriale funkties aantasten na Epstein-Barr virus infektie [Vernon SD, Whistler T, Cameron, B, Hickie IB, Reeves WC, Lloyd A: Preliminary evidence of mitochondrial dysfunction associated with post-infective fatigue after acute infection with Epstein Barr Virus. BMC Infect Dis (2006) 6: 15], wat geassocieerd is met de pathogenese van CVS, hoewel er geen doorslaggevend bewijs is voor de identificatie van één enkel virus als trigger voor CVS. Niettemin beklemtoont de rapportering van de aanvang van CVS na een virale infektie, de rol van ontregelde immunologische responsen op virussen bij de pathogenese van CVS.

[…]

Om de effekten van een verminderde mitochondriale capaciteit op de inspanning-respons aan te tonen en de herstel-tijd bij CVS-patiënten te voorspellen, presenteren we een model om de metaboliet-concentraties tijdens hoge-intensiteit inspanning te simuleren. Het model is gebaseerd op een bestaand model voor oxidatieve fosforylatie en glycolyse in skelet-spieren. Er werd aangetoond dat het oorspronkelijk model een gelijkaardig kwalitatief verloop vertoont als experimentele observaties. Bovendien bleken andere hierop gebaseerde modellen consistent met experimentele gegevens […]. Maar nog geen enkel model werd getest tegenover literatuur-gegevens van meerdere onafhankelijke metingen na hoge-intensiteit inspanning. Bovendien werden de afbraak en het daaropvolgend verlies van purine-nucleotiden niet eerder overwogen, daarom kunnen de vermelde modellen de verhoogde vermoeidheid en verlengde herstel-tijd na onderbroken trainingen of hoge-intensiteit inspanning niet verklaren.

Door het origineel model uit te breiden, nemen we ook de lactaat-accumulatie, een meer gedetailleerde omschrijving van acidose en de purine-nucleotide afbraak tijdens inspanning en de synthese tijdens herstel op. Zodoende waren we in staat onderzoek te verrichten naar de mechanismen die de inspanning-respons beïnvloeden en te tonen dat de herstel-duur verlengd is bij CVS-patiënten, bijzonderlijk bij scenario’s met herhaalde inspanning. Daarenboven demonstreren voorspellingen door het model aan hoe een gereduceerde mitochondriale capaciteit alleen, zonder overweging van andere pathologische factoren, volstaat om sommige van de belangrijkste symptomen van PEM veroorzaakt door lage ATP-waarden tijdens herstel, daaropvolgende sterkere apoptose en verhoogde verzuring van spier-weefsel na inspanning, te verklaren.

2. Methodes

Uitbreiding van een model voor oxidatieve fosforylatie en glycolyse d.m.v. computer-simulaties […]. Het model beslaat 2 compartimenten: het cytosol [intra-cellulaire vloeistof] en de mitochondriale matrix, afgescheiden door het binnenste mitochondriaal membraan met specifieke enzymen […]. Het buitenste mitochondriaal membraan en de ruimte tussen de membranen werd niet opgenomen. […]

[We laten de mathematische achtergrond van het model hier voor de specialisten.]

2.1. Intra-mitochondriale reakties

2.2. Extra-mitochondriale reakties

2.3. Een gedetailleerde simulatie van de pH kinetiek

2.4. ATP-consumptie tijdesn inspanning en parallele aktivatie

2.5. Model voor CVS tijdens inspanning

[…] Om de inspanning-respons bij CVS met die van gezonde controles te vergelijken, voerden we simulaties uit waarbij de reaktie-snelheden gerelateerd met oxidatieve fosforylatie waren gedaald door vermenigvuldiging met een factor tussen 0,6 en 1,0 – waarbij 1,0 correspondeert met gezonde controles en 0,6 met een zeer ernstige deficiëntie.

3. Resultaten

[…]

3.1. Herstel-tijden voor verscheidene inspanning-scenario’s

[…] 3 soorten inspanning: 30 sec intensief, 1 uur matig & 2 matige inspanningen van een uur met een interval van 24h. […] Het herstel van ATP naar de waarden bij rust was bij CVS met een mitochondriale capaciteit van 70% van de gezonde groep aanzienlijk langer. Ons model voorspelt dat een lange milde inspanning leidt tot een herstel van 49h (17h langer dan bij een korte intensieve inspanning bij CVS). Voor controles is dit omgekeerd: het herstel is 10,3h na een korte intensieve inspanning en 4,5h na 1 uur milde inspanning; zij bereiken de lage ATP-concentraties waar verlies van purine-nucleotiden onvermijdelijk is, bij matige inspanning niet. Het zeer lage ATP-minimum bij CVS (onder 50% van de waarde in rust) zou waarschijnlijk leiden tot cel-schade en er voor zorgen dat de CVS-patiënten de kracht in het 30 sec scenario niet zouden kunnen volhouden. De simulatie van herhaalde inspanning toont dat als er geen lange herstel-periode in acht wordt genomen, dit leidt tot cumulatieve effekten waarbij de PEM-symptomen worden versterkt.

3.2. Vergelijking van de simulaties voor gezonde individuen met experimentele gegevens

[…]. Er is een goede overéénkomst tussen experimenteel vastgestelde metaboliet-concentraties (30 sec); de bredere variatie is waarschijnlijk te wijten aan een verschillende lichaamsbouw en inspanning-intensiteit. […] De ATP-concentratie daalt en de concentraties van ADP, AMP stijgen continu tijdens inspanning omdat de totale ATP-synthese het ATP-verbruik niet volledig kan bijbenen. […] De sterke anaërobe glycolyse leidt tot een dalende pH tijdens inspanning. […] De verzuring na inspanning en de herstel-tijd (ca. 6 min tot pH 6,9) komen goed overéén met de metingen. […]

3.3. Dynamiek van het herstel na inspanning

[…] Wanneer, bij inspanning, de vraag naar ATP de toevoer overstijgt, zet het enzyme adenylaat-kinase 2 molekulen ADP om naar 1 ATP en AMP, waardoor de ATP/ADP ratio stabiel blijft. […]. Er wordt 1 H+ geabsorbeerd waardoor de verzuring wordt tegengegaan maar de afbraak-produkten inosine, hypoxanthine en ten slotte urinzeuur stijgen. Dit tijdelijk voordeel – essentieel voor overleving – reduceert echter de adenine-nucleotide voorraad; het herstel daarvan kan uren of dagen vergen (72h bij atleten). Bij het origineel model (Korzeniewski et al.), gaat het herstel sneller omdat de purine-nucleotide afbraak niet wordt meegenomen […] . Ons uitgebreid model neemt het purine-nucleotide verlies wel in overweging (9% van de ATP-concentratie in rust bij gezonde controles […]). Na 10h is de ATP-concentratie hersteld tot 97% van de waarden in rust (synthese van 0,6% van de totale adenine-nucleotide voorraad per uur). De experimenteel geobserveerde synthese ligt tussen 0,3 en 1,0% per uur.

3.4. Inspanning-respons en traag herstel bij CVS

We voerden simulaties uit met verschillende ernst qua CVS door het verminderen van de snelheid van de mitochondriale reakties tot 60% van de controle-waarde (op basis van experimentele observaties). […] De gereduceerde capaciteit qua aërobe ATP-synthese leidt tot een veel lagere minimum ATP-concentratie tijdens inspanning. […] Eén van de redenen voor een verminder kracht-output is de gedaalde ATP/ADP-ratio, die leidt tot een minder doeltreffende omzetting van ATP naar ADP. […] Het stabiliseren van de ATP/ADP-ratio heeft het nadelige effekt dat dit een aanzienlijk hogere AMP-concentratie oplevert bij CVS-simulaties vergeleken met controles. Deze veroorzaakt dan een verhoogd verlies qua purine-nucleotiden, wat leidt tot een lager ATP hoger ADP & AMP na inspanning. Een feedback-inhibitie van belangrijke of enzymen veroorzaakt een langere herstel-tijd van de totale adenine-nucleotide voorraad. Er is 31,9h rust nodig om de the ATP-concentratie terug te brengen tot 97% van de waarde in rust (CVS-factor 0,7) en tot 45h is voor nog ernstiger CVS. […] Dit mechanisme zou één van de redenen kunnen zijn voor post-exertionele malaise (houdt typisch enkele dagen aan na inspanning die verder gaat dan de energie-grenzen) bij CVS. Het vertraagd herstel werd ook geobserveerd bij CVS-patiënten via meting van de kracht geleverd via maximum vrijwillige contracties: er waren significante verschillen met de initiële kracht tot 24h na inspanning [Behan WM et al. Demonstration of delayed recovery from fatiguing exercise in Chronic Fatigue Syndrome. Eur. J. Neurol. (1999) 6: 63-69].

3.5. Acidose tijdens inspanning

De CVS-simulaties geven verhoogde acidose tijdens inspanning aan: maximaal pH-verschil t.o.v controles = 0,056 en een lichtjes langer pH-herstel; wat samenvalt met de experimentele observaties [bv. Arnold D et al. Excessive intracellular acidosis of skeletal muscle on exercise in a patient with a post-viral exhaustion/fatigue syndrome: a 31P nuclear magnetic resonance study. Lancet (1984) 323: 1367-1369]. Ten gevolge de lagere pH waren de accumulatie van lactaat en de lactaat-efflux tijdens herstel verhoogd tot respectievelijk 15% en 20% t.o.v. controles. […]. Het verband tussen geaccumuleerd lactaat en de pH bleek ongeveer lineair tijdens herstel na inspanning [in experimenten]. Ons model reproduceert deze gepubliceerde lineariteit […].

4. Besluiten

We presenteerden een deterministisch model [met vaststaande wetmatigheden] gebaseerd op de reaktie-vergelijkingen voor de relevante reakties en processen om de metaboliet-concentraties te simuleren tijdens inspanning in skelet-spieren, en waren in staat experimenteel geobserveerde dynamieken tijdens en na een hoge-intensiteit inspanning van 30 sec te reproduceren. Via simulatie van een gereduceerde mitochondriale ATP-synthese bij CVS-patiënten, leidt het model naar voorspellingen over de herstel-duur na inspanning en toont het aan dat lange milde inspanningen meer uitputtend zijn dan korte intensieve inspanningen – in tegenstelling met de resultaten voor gezonde controles. Verder werd aangetoond dat ATP kritiek lage concentraties bereikt tijdens hoge-intensiteit inspanning bij CVS-simulaties en de verzuring in spier-weefsel verhoogt vergeleken met controle-simulaties.

Parallele aktivatie van ATP-consumptie en -synthese werd gebruikt om de spier-stimulatie te modelleren. Zelfs al is dit een simplistische benadering om een complex en nog niet begrepen mechanisme te beschrijven, is er bewijs voor een parallele aktivatie in vivo.

De verminderde mitochondriale capaciteit bij CVS resulteert in een verhoogde acidose en lactaat-accumulatie, die niet zo uitgesproken was als werd gerapporteerd [zie bv. Lane RJM, Barrett MC, Taylor DJ, Kemp GJ, Lodi R. ‘Heterogeneity in Chronic Fatigue Syndrome: evidence from magnetic resonance spectroscopy of muscle’ (Neuromusc. Disord. (1998) 8: 204-209: “Sommige CVS-patiënten vertonen verstoorde mitochondriale oxidatieve fosforylatie.”]. Dit kan ten dele worden verklaard door de experimentele opzet van herhaalde inspanningen [zie ‘ Geen herstel van acidose na herhaalde inspanning bij CVS] en de heterogeniteit van de CVS-groep, waar sommigen mogelijks een verschillende parallelle aktivatie-dynamiek met een hogere aktivatie van de glycolyse vertonen.

Bij het onderzoeken van de mitochondrieën in neutrofielen van CVS-patiënten werden 2 subgroepen gerapporteerd, die werden gedifferentieerd door de manier waarop de mitochondriale deficiëntie wordt gecompenseerd [werk S. Myhill en medewerkers]. Er werd voorgesteld dat één van de groepen de lagere aërobe ATP-synthese compenseert door het upreguleren van de glycolyse; de andere leek echter een alternatief mechanisme te gebruiken, waarschijnlijk door de afbraak van purine-nucleotiden te verhogen. Ons model reproduceert de kenmerken van beide groepen en de verhouding tussen beide compenserende mechanismen kan worden veranderd door het modificeren van de aktivatie-dynamiek van de glycolyse en het reaktie-verloop van de purine-nucleotide afbraak. In de voorgestelde simulaties werden de corresponderende parameters echter bepaald door experimentele waarden van gezonde individuen.

Een belangrijk verschil tussen de simulaties voor gezonde controles en CVS-patiënten was de minimum ATP-concentratie tijdens inspanning: deze daalde onder 50% van de concentratie in rust voor een arbeid hoger dan 2,45 ATP/sec in de CVS-simulaties. Waarden onder 55% van die in rust werden niet gemeten na hoge-intensiteit inspanning door gezonde individuen. Zelfs als de minimum ATP-concentratie nog goed boven de Km-waarde [maat voor de affiniteit van een enzym voor z’n substraat] voor de meeste van de ATP-afhankelijke enzymen ligt, bleek een tijdelijke 3-voudige reductie van ATP de kans op cel-dood immens te verhogen. CVS-patiënten zouden dus waarschijnlijk niet in staat zijn de kracht-output aan te houden, en de verhoogde necrose zou de symptomen van post-exertionele malaise kunnen versterken. De hoeveelheid cel-vrij DNA in plasma, dat vrijkomt bij necrose, was tot 3,5 maal de normale referentie-waarde verhoogd bij CVS-patiënten, wat een bevestiging is voor een verhoogde cel-dood [Myhill S et al. Mitochondrial dysfunction and the pathophysiology of Myalgic Encephalomyelitis/Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS). Int. J. Clin. Exp. Med. (2012) 5: 208]. De hoeveelheid cel-vrij DNA was sterk omgekeerd gecorreleerd met de capaciteit voor oxidatieve fosforylatie, wat aangeeft dat de hogere cel-dood frequentie het resultaat kan zijn van ATP-concentraties die onder de drempel dalen bij inspanning. Dit effekt zou de herstel-tijd vertragen, die (zoals onze simulaties tonen) al vertraagd is.

Andere factoren die bijdragen tot de verminderde efficiëntie voor herstel zijn immunologische en adrenerge ontregelingen [zie ‘Matige Inspanning verhoogt Expressie van Sensorische, Adrenerge en Immuun Genen bij CVS & Expressie van metaboliet-detekterende, adrenerge & immune genen na inspanning (CVS, FM, MS)], waarbij de complexe wisselwerking met door inspanning geïnduceerde veranderingen van het metabolisme nog niet goed wordt begrepen. Ook oxidatieve stress bleek verhoogd na inspanning [Jammes Y, Steinberg JG, Mambrini O, Brégeon F, Delliaux S. Chronic Fatigue Syndrome: assessment of increased oxidative stress and altered muscle excitability in response to incremental exercise. J Int Med (2005) 257:299-310; zie ook ‘Oxidatieve stress] alsook in rust [zie o.a. Fulle et al. Specific oxidative alterations in vastus lateralis muscle of patients with the diagnosis of Chronic Fatigue Syndrome. Free Radic Biol Med (2000) 29: 1252-9; zie ook: ‘Specifieke correlaties tussen oxidatieve stress in de spieren en CVS /// Kennedy G, Spence VA, McLaren M, Hill A, Underwood C, Belch JJF. Oxidative stress levels are raised in Chronic Fatigue Syndrome and are associated with clinical symptoms. Free Radic Biol Med (2005) 39(5):584-589; zie ook: ‘Oxidatieve stress], wat verband houdt met de oxidatieve fosforylatie capaciteit, aangezien de reductie van belangrijke anti-oxidanten zoals ubiquinol [coenzyme-Q10], coenzyme-c [aktieve coenzyme-vorm van foliumzuur] en NADH afhankelijk is van de mitochondriale ademhaling.

Een mogelijkheid ter verkorting van de herstel-tijd is het versterken van de synthese [van adenine-nucleotiden] door het verhogen van de concentratie van D-ribose [Adenine nucleotide synthesis in exercising and endurance-trained skeletal muscle. Am. J. Physiol. (1991) 261: C342-C347], wat ook nuttig bleek als supplementering voor CVS-patiënten [Teitelbaum JE et al. The use of d-ribose in Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia: a pilot study. J. Altern. Complement. Med. (2006) 12: 857-86]. Maar langdurige behandeling met D-ribose heeft waarschijnlijk nadelen omwille van zijn snelle glycatie [niet-enzymatische glycosylatie; binden van suiker-molekulen] van proteïnen, wat betrokken is bij fysiologische neurodegeneratieve ziekten [D-ribose geeft aanleiding tot de vorming van ‘advanced glycation end products’ (AGEs); sommige zijn betrokkenen bij cardiovasculaire, Alzheimer’s, kanker, perifere neuropathie]. Zolang dat de pathogenese van CVS onduidelijk blijft, is een redelijke therapeutische benadering het meten van belangrijke co-factoren bij mitochondriale ademhaling (ubiquinol, NAD, L-carnitine en andere) en het aanbieden van individuele supplementen [75,76].

Tot besluit: het voorgestelde model is in staat om meerdere onafhankelijke experimentele observaties te reproduceren en helpt om het onderliggend mechanisme voor inspanning-intolerantie bij CVS te begrijpen door rekening te houden met een verminderde mitochondriale capaciteit. Het mechanisme voor herstel na inspanning kan worden onderzocht door het opnemen in het model van de afbraak van purine-nucleotiden en verlies tijdens inspanning. Ten gevolge de dynamiek van het systeem tijdens inspanning, neemt de ATP-concentratie af tot een zeer laag minimum en het verlies aan purine-nucleotiden stijgt, wat een langere herstel-tijd veroorzaakt en de ernst van de post-exertionele malaise verhoogt.

juni 12, 2015

SNPs in in Acetylcholine Receptoren bij CVS

Filed under: Genetica — mewetenschap @ 11:31 am
Tags: , , , , ,

Onderstaand artikel is een vervolg op ‘SNPs in TRP ion-kanalen bij CVS’.

De acetylcholine-receptor (AChR) is een membraan-proteïne dat als een receptor werkt. De neurotransmitter acetylcholine is de belangrijkste stof die er op bindt en voor fysiologische responsen zorgt. Er zijn 2 types acetylcholine-receptoren (op basis van hun affiniteit en gevoeligheid voor andere molekulen): de nicotinerge acetylcholine-receptor (nAChR) en de muscarine acetylcholine-receptor (mAChR). De eerste (ook bekend als ‘ionotrope’ acetylcholine-receptoren) zijn responsief op nicotine en werken als ion-kanalen (wijzigen de doorlaatbaarheid van de cel). De tweede (ook bekend als ‘metabotrope’ acetylcholine-receptoren – ze werken via een ‘tweede boodschapper’ om signalen naar de cel te geven) zijn responsief op muscarine.

We schreven hier al over een suggestie van cholinergische anti-inflammatoire signalisering (zie Het Cholinergisch Anti-inflammatoir Mechanisme). Dr Vance Spence en zijn collega’s aan de Dundee University maakten ook al gewag van “verhoogde cholinergische aktiviteit in de perifere micro-circulatie aan bij patiënten met CVS” en “cerebrale hypo-perfusie gelinkt met abnormaliteiten in het cholinergisch metabolisme” (zie ‘Bloed-circulatie abnormaal bij mensen met CVS’). De research-groep van Stefania Fulle (Universiteit van Chieti in Italië) vond ook dat het belangrijk was dat “de expressie van een gen coderend voor een component van de nicotine-cholinergische receptor-bindingsplaats verminderd” bleek (zie ‘Transcriptie-profiel van spieren bij CVS’).

Hier wordt nu een mogelijke kadering voor aangereikt…

 

————————-

Immunology and Immunogenetics Insights 2015: 7

Examination of Single Nucleotide Polymorphisms in Acetylcholine Receptors in Chronic Fatigue Syndrome Patients

Sonya Marshall-Gradisnik (1,2), Peter Smith (2), Bernd Nilius (3) & Donald R. Staines (2)

1 School of Medical Science, Griffith University, Gold Coast, Australia

2 The National Centre for Neuroimmunology and Emerging Diseases, Menzies Health Institute, Griffith University, Gold Coast, Australia

3 Department of Cellular and Molecular Medicine, Laboratory of Ion Channel Research, KU Leuven, Belgium

SAMENVATTING

DOELSTELLING: Chronische Vermoeidheid Syndroom/ Myalgische Encefalomyelitis (CVS/ME) is een aandoening gekenmerkt door uitputtende vermoeidheid vergezeld van pijn en stoornissen van het geheugen, de cognitie en concentratie. Acetylcholine (ACh) heeft een groot aantal rollen bij neuronale en neuromusculaire transmissie. Er zijn 2 types Ach-receptoren, muscarine and nicotinerge, bestaande uit 17 verschillende subunits van de nicotinerge Ach-receptor (nAChR) en 5 verschillende subtypes van de muscarine receptor (mAChR) die bij mensen werden geïdentificeerd. Het doel van deze studie was om de rol van ACh receptor (nAChRs and mAChRs) ‘single’ nucleotide polymorfismen (SNPs) bij CVS/ME-patiënten te bepalen.

METHODES: 115 CVS/ME-patiënten (leeftijd = 48,68 ± 1,06 jaar) en 90 niet-vermoeide controles (leeftijd = 46,48 ± 1,22 jaar) nemen deel aan deze studie, waar de CVS/ME-patiënten werden gedefinieerd volgens de 1994 CDC criteria. Er werd een totaal aantal van 464 SNPs in 9 Ach-receptor genen (M1, M2, M3, M4, M5, alfa- 2, 5, 7 & 10) onderzocht.

RESULTATEN: 17 SNPs waren significant geassocieerd met CVS/ME-patiënten vergeleken met de controles. 9 van deze SNPs waren geassocieerd met mAChRM3 […], terwijl de rest the geassocieerd waren met nAChR alfa-10 […], alfa-5 […] en alfa-2 […].

BESLUIT: De gegevens van deze piloot-studie suggereren een verband tussen Ach-receptoren (voornamelijk M3) en CVS. Ach-receptor SNPs zouden kunnen bijdragen tot het pathomechanisme van CVS/ME.

Inleiding

De fysiologische funkties van acetylcholine (ACh) worden gemedieerd door 2 membraan-proteïnen: de muscarine (mAChR) en nicotinerge (nAChR) receptoren. Beide receptor-types hebben meerdere subtypes en zijn gelokaliseerd in het centraal en perifeer zenuwstelsel, inclusief het autonoom zenuwstelsel. ACh heeft ook een funktie in gladde spieren, zweetklieren, pancreatische β-cellen, gliale cellen, lymfocyten, cellen van de oog-lens, hersenen, het vasculair endotheel en het centraal zenuwstelsel (CZS). De afbraak van ACh in choline en acetaat wordt gekatalyseerd door het enzyme acetylcholinesterase (AChE).

Er zijn 5 mAChR subtypes: M1, M2, M3, M4 & M5, waarbij M2 & M4 inhiberende receptoren zijn, en M1, M2 & M3 stimulerende receptoren. Eens ze geaktiveerd zijn, heeft elk subtype kenmerkende funkties. Aktivatie van M1, M3 & M5 receptoren resulteert in verhoogde intracellulair calcium signalisering. In tegenstelling daarmee inhiberen geaktiveerde M2 & M4 receptoren adenylaat-cyclase [ACs; enzymen van belang bij het energie-metabolisme] aktiviteit en mediëren de werking van niet-seleltieve kation-kanalen, ‘transient receptor potential’ [TRP; zie ‘SNPs in TRP ion-kanalen bij CVS] kanalen en kalium-kanalen.

nAChRs zijn snelle ionotrope nicotinerge receptor kanalen die de influx van kationen zoals kalium-, calcium- en natrium-ionen in de cel toelaten. Naar gelangd de combinatie van verschillende subunits, kunnen AChRs heteromeren of homomeren vormen [combinatie van verschillende of identieke subunits].

Chronische Vermoeidheid Syndroom/ Myalgische Encefalomyelitis (CVS/ME) is een aandoening die wordt gekenmerkt door uitputtende vermoeidheid gepaard met stoornissen qua geheugen, cognitie en concentratie, alsook pijn en ontregeling van de gastro-intestinale, cardiovasculaire en immuun-systemen. [Lees o.a. onze meldingen over het werk van Ekua Brenu, Don Staines & Sonya Marshall-Gradisnik op deze pagina’s]

Belangrijk: er werd opgemerkt dat de perifere cholinerge werking abnormaal is bij CVS/ME-patiënten die worden blootgesteld aan Ach, waarbij het langer duurt voor bloeddoorstroming-pieken naar normale waarden terugkeren. Er werd ook verhoogde gevoeligheid voor ACh in het perifeer vasculair endotheel gemeld. [Khan F, Kennedy G, Spence VA, Newton DJ, Belch JJ. Peripheral cholinergic function in humans with Chronic Fatigue Syndrome, Gulf War syndrome and with illness following organophosphate exposure. Clin Sci (2004) 106: 183-189 /// Spence VA, Khan F, Kennedy G, Abbot NC, Belch JJ. Acetylcholine mediated vasodilatation in the microcirculation of patients with Chronic Fatigue Syndrome. Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids (2004) 70: 403-407; zie ook ‘Bloed-circulatie abnormaal bij mensen met CVS] ACh beïvloedt de funktie van immuun-cellen en wordt aangemaakt en gesecreteerd door een brede waaier immuun-cellen, inclusief lymfocyten. Wij hebben, samen met anderen, gerapporteerd over veranderingen in immuun-cel fenotype en funktie, alsook cardiale en neurologische effekten bij de ziekte aangestipt. Daarnaast hebben we gerapporteerd over ‘single’ nucleotide polymorfismen (SNPs) in ‘transient receptor potential’ (TRP) ion-kanalen bij CVS/ME-patiënten. [zie SNPs in TRP ion-kanalen bij CVS] SNPs komen voor in de coderende sequenties, niet-coderende gebieden of inter-genitische regionen, waarbij deze SNPs – afhankelijk van hun locatie en de invloed van bijkomende ‘splicing’-mechanismen [Splicing: tijdens het verwerken van RNA (na de transcriptie van DNA) worden de niet-coderende stukken (intronen) uit het pre-mRNA geknipt en de exonen van het pre-mRNA aan elkaar geplakt.] – kunnen leiden tot ziekte. Gezien deze rapporten, en de rol van TRPs en AChRs bij cellulaire funkties, was het doel van de huidige studie om SNPs in AChRs te onderzoeken bij dezelfde groep CVS/ME-patiënten waarbij we eerder TRP SNP-anomalieën hadden gerapporteerd.

Methodologie

Individuen. […] 1994 CDC criteria voor CVS. 115 CVS/ME-patiënten en 90 niet-vermoeide controles. […]

DNA-extractie. […]

SNP-genotypering studies. […]. Er werden aangepaste testen ontwikkeld voor 464 SNPs over 9 (zoogdier) acetylcholine receptor genen (M1, M2, M3, M4, M5 alfa 2, 5, 7 & 10) […].

Statistische analyse. […] significantie P-waarde 0.05.

Resultaten

Deelnemers. Er werd een totaal van 115 CVS/ME-patiënten (leeftijd = 48,68 ± 1,06 jaar) – 84 (73,04%) vrouwen en 31 (26,96%) mannen – gerecruteerd. De 90 niet-vermoeide controles (leeftijd = 46,48 ± 1,22 jaar) omvatten 59 (65,56%) vrouwen en 31 (34,44%) mannen. Alle deelnemers waren van Europese afkomst. Alle deelnemers waren tussen 25 en 65 jaar, en sommigen werden uitgesloten op basis van symptomen en antwoorden op vragenlijsten (medicatie, co-morbide chronische ziekte, psychose of epilepsie, zwangerschap/borstvoeding, roken). […]

SNP-associatie studies. Van de 464 SNPs onderzocht in deze studie, werden er 393 succesvol geïdentificeerd bij beide deelnemende groepen. Van de 393 bleken er 17 significant geassocieerd met CVS. 9 van deze SNPs waren geassocieerd met mAChRM3 […], terwijl de rest geassocieerd was met nAChR alfa-10 […], alfa-5 ([…] en alfa-2 […].

Bespreking

Deze piloot-studie onthulde een aantal AChR SNP-variaties bij CVS/ME-patiënten. Specifiek: binnen de coderende sequenties van 9 AChR-genen (op 464 onderzochte SNPs), werden 17 allelen gevonden die significant geassocieerd zijn met CVS/ME vergeleken met niet-vermoeide controles. Bovendien waren deze allelen gelegen in de gen-sequentie van één van de muscarine acetylcholine receptoren (mAChRM3) en 3 nicotinerge acetylcholine alfa receptoren (nAChRa2, nAChRa5 & nAChRa10). Interessant was dat we, in onze eerdere studie, een aantal SNPs identificeerden in de TRP-familie, nl. TRPM3. Het belang van SNPs in mAChRM3 en TRPM3 is dat de laatste met mAChRM3 koppelt en geaktiveerd kan worden door ACh.

Er is weinig informatie beschikbaar over de rol van deze AChR SNPs. Gewijzigde ‘splicing’ in de niet-coderende sequenties zou echter een significante, onverwachte uitkomst van het ‘splicing’-mechanisme van de gen-transcripten kunnen hebben. ‘Splicen’ van genetische varianten die intron-varianten zijn, speelt een rol bij gewijzigde ‘splicing’-mechanismen, resulterend in diverse proteïne-isoformen [verschillende vormen van één proteïne]. […] Belangrijk is dat een aantal intron-varianten in de SNPs geassocieerd was met de werking van gladde spieren en de ademhaling […], neurocognitieve funktie […], neuropathische pijn […] en maag-funktie […]. Daarnaast rapporteren we hier het SNP rs6669810, verantwoordelijk voor het gen ART1, een ADP-ribosyltransferase dat de ADP-ribosylering [De biologische funktie van ADP-ribosylering is gerelateerd met DNA-herstel, apoptose en ziekte-respons. Een hypothese stelt dat oxidanten en vrije radikalen het DNA beschadigen, oxidatieve stress zou via het ADP-ribosylering mechanisme DNA-herstel kunnen initiëren.] van arginine-residuen in proteïnen katalyseert, bij CVS/ME-patiënten. Mono-ADP-ribosylering is een post-translationele modificatie [verandering in de eiwitten na de vertaling vanuit RNA] van proteïnen aangetast door een waaier aan bakteriële toxinen, inclusief cholera, kinkhoest en hitte-labiele enterotoxinen van Escherichia coli. Interessant is dat researchers melding hebben gemaakt van verhoogde virale ladingen, met ademhaling geassocieerde ziekten, neurocognitieve veranderingen en neuropathische pijn bij CVS/ME-patiënten. [Meeus M, Nijs J. Central sensitization: a biopsychosocial explanation for chronic widespread pain in patients with fibromyalgia and Chronic Fatigue Syndrome. Clin Rheumatol (2007) 26: 465-473 /// Ocon AJ, Messer ZR, Medow MS, Stewart JM. Increasing orthostatic stress impairs neurocognitive functioning in Chronic Fatigue Syndrome with postural tachycardia syndrome. Clin Sci (2012) 122: 227-238; zie ‘Neurocognitie & cerebrale bloeddoorstroming bij CVS+POTS’ /// Smith AP, Thomas M, Borysiewicz L, Llewelyn M. Chronic Fatigue Syndrome and susceptibility to upper respiratory tract illness. Br J Health Psychol (2010) 4: 327-335]

Er werden SNPs gevonden in mAChR receptoren die verantwoordelijk zijn voor het initiëren van de samentrekking van gladde spieren, zoals in het gastro-intestinaal en genito-urinair kanaal, alsook voor effekten in immuun-cellen, epitheliale, ovariële en ooglens-cellen, en klieren. Daarnaast werden ook nAChRs gerapporteerd op T- en B-lymfocyten. Menselijke T-lymfocyten brengen de α3, α4, α7, ß2 & ß4 receptor-subunits tot expressie, terwijl bij muis en mens thymus mAChR expressie een rol bleek te spelen bij T-lymfocyten ontwikkeling en proliferatie. Er werden ook α4 of α7 subunits gerapporteerd op B-lymfocyten en die bleken proliferatie te stimuleren en antilichaam-produktie te doen dalen. Dergelijke bevindingen bieden mogelijks inzicht betreffende de hier gevonden SNPs, want eerdere onderzoeken hebben melding gemaakt van gecompromitteerde immuun-funktie bij CVS/ME. Belangrijk: veranderingen qua aantallen en werking van lymfocyten, zoals ‘natural killer’ (NK) lymfocyten en T- & B-lymfocyten, suggereren een verhoogde influx van Ca2+.

De mAChRM3 receptoren bevinden zich in het maag-darm-kanaal en worden ten dele gecontroleerd door het parasympathisch zenuwstelsel via de nervus vagus. Bovendien tonen klinische gegevens dat nAChRs betrokken zijn bij inflammatoire darm-ziekte. CVS/ME-patiënten vertonen dikwijls gastro-intestinale klachten, zoals prikkelbare darm syndroom en constipatie.

Ontregeling van mAChRM3 receptoren kan metabole en cardiale responsen beïnvloeden. In een normale alvleesklier spelen mAChRM3 receptoren een rol bij het reguleren van de insuline- en glucagon-secretie. Er werd gerapporteerd dat muscarine ACh receptoren tot expressie gebracht door pancreatische ß-cellen een significante rol spelen bij het handhaven van gepaste insuline-afgifte en glucose-homeostase. Veranderingen in Ca2+-gemedieerde kanalen kan resulteren in nadelige uitkomsten qua glucose-metabolisme bij CVS/ME-patiënten. Pancreatische ß-cellen zijn afhankelijk van kortstondige veranderingen in Ca2+ om de complexe sequentie gebeurtenissen te initiëren die resulteert in insuline-afgifte na blootstelling aan glucose. Zodoende kan worden geargumenteerd dat afwijkende intracellulaire Ca2+-concentraties omwille van de plooibare AChR-aktiviteit, de gebruikelijke en noodzakelijke opéénvolgende gebeurtenissen die vereist zijn om de insuline-respons op glucose te initiëren, zal verhinderen bij CVS/ME-patiënten.

Cardiale mAChRM3 receptoren hebben een ganse reeks pathologische en fysiologische funkties. mAChM2 is niet de enige muscarine receptor betrokken bij de werking van het hart. De mAChRM3 parasympathische controle van de cardiale funktie is goed gekend. […] Er zijn bevindingen die impliceren dat gebruik van een muscarine receptor agonist [stof die de mAChR aktiveert] een effekt kan hebben op de werking van de sino-atriale (SA) knoop [belangrijkste pacemaker van het hart; een groep cellen in de wand van de rechter-boezem die het hart er periodiek toe aanzet om een contractie uit te voeren], waarbij verstoringen van de gepaste cardio-regulerende mechanismen verergert, in het bijzonder in een omgeving waar intracellulaire Ca2+-concentraties waarschijnlijk gewijzigd zijn door de directe effekten van receptor-aktiviteit. Er zouden klinische gevolgen zoals gewijzigde orthostatische cardiovasculaire responsen voorspeld kunnen worden en dit kan overéénkomen met de symptomen van CVS/ME.

In het vasculair systeem, bevat het endotheel nAChRs, inclusief α3, α5, α7, α10, ß2, ß3 & ß4. Afhankelijk van het type gladde-spier, is een specifiek subtype nAChR aanwezig: α3 en α5 worden gevonden in arterieën, terwijl α7 wijdverspreid is (hoewel niet aanwezig in de bloedcirculatie van de nieren). nAChR α5, α7, ß2 & ß3 werden gevonden in endotheliale cellen van de hersenen en zijn een belangrijke component van de bloed-hersen-barrière. Deze studie identificeerde SNPs in de α5 en α3 nAChR subunits, wat anomalieën van de signaal-transductie in onze patiënten-groep impliceert. Er werd gerapporteerd dat nAChRs betrokken zijn bij waken, slaap en vermoeidheid, alsook die funkties die verantwoordelijk zijn voor het verwerken van pijn, geheugen en cognitie.

Besluit

We rapporteren voor de eerste keer over de aanwezigheid van SNPs in receptoren voor ACh bij patiënten met CVS/ME. Er zijn vele schadelijke gevolgen voor de fysiologische homeostase mogelijk door de afwijkende werking AChR bij deze patiënten. Deze scenario’s vergen verder onderzoek om vast te stellen of de in deze studie geïdentificeerde AChR SNPs resulteren in een gewijzigde funktie en geassocieerd zouden kunnen zijn met de pathomechanismen en symptomatologie van CVS/ME.

Blog op WordPress.com.