M.E.(cvs)-wetenschap

november 19, 2016

Inspanning-geïnduceerde mitochondriale dysfunktie

Filed under: Celbiologie,Inspanning — mewetenschap @ 8:02 am
Tags: , , , , , ,

Onderstaand literatuur-overzicht, geschreven door een professor/arts met een post-graduaat inspanning-geneeskunde -hij is o.a. directeur van het ‘Human Performance Laboratory’ van de univeristeit van Belgrado; zijn research focust op de fysiologische responsen op maximale en sub-maximale inspanning – handelt niet zo zeer over M.E.(cvs) maar geeft o.i. wel aanwijzingen over wat er mogelijks gebeurt in de mitochondrieën wanneer mensen met deze aandoening zich inspannen (oefenen/trainen) in een mate die hun grenzen overschrijdt. Het bevestigt naar onze mening dat oefen-therapie die niet om maat is van de patient wel degelijk nog meer schade kan aanrichten en dus niet is aangewezen. Een duidelijke boodschap naar de dames en heren kine-/fysiotherapeuten! De auteur geeft ook enkele behandel-strategieën mee om schade aan de mitochondrieën te voorkomen/herstellen…

Lees – onder andere – ook: ‘M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte’, ‘Verder onderzoek van mitochondriale funktie in spieren bij M.E.(cvs)’, ‘Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM?’, …

————————-

Clinical Science (2016) 130: 1407-16

Exercise-induced mitochondrial dysfunction: A myth or reality?

Sergej M. Ostojic

Faculty of Sport and Physical Education, University of Novi Sad, Serbia School of Medicine, University of Belgrade, Serbia

Samenvatting

De voordelige effekten van lichamelijke aktiviteit op mitochondriale gezondheid – waarbij regelmatige inspanning de kwaliteit en de kwantiteit van de mitochondrieën verbetert in de normale gezonde populatie – zijn goed onderbouwd in de wetenschappelijke literatuur, alsook bij cardiometabole en neurodegeneratieve aandoeningen, en ouder-worden. Meerder studies stelden echter vragen bij dit paradigma, suggererend dat extreem zware of uitputtende inspanning mitochondriale stoornissen bevordert die permanente schade kunnen toebrengen aan de werking ervan bij gezondheid en ziekte. Inspanning-geïnduceerde mitochondriale dysfunktie (‘exercise-induced mitochondrial dysfunction’, EIMD) zou een bepalende factor kunnen zijn voor negatieve gevolgen van uitputtende inspanning, als pathofysiologisch substraat van hart-abnormaliteiten, Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) of spier-degeneratie. Hier geven we een overzicht van de mogelijke factoren die negatieve effekten van uitputtende inspanning op de mitochondriale funktie en struktuur mediëren, en opperen we alternatieve oplossingen voor het management van EIMD.

Inleiding

Mitochondrieën worden al lang erkend als een sleutel-element van cellulaire levensvatbaarheid; het organel bleek betrokken bij een overvloed aan fundamentele levensprocessen. Het zijn de voornaamste cellulaire energie-bronnen (oxidatieve fosforylatie), belangrijke regulatoren van de redox-produktie en -signalisering, modulatoren van de calcium-homeostase, haem-biosynthese en gebruik van aminozuren, en belangrijke spelers bij de controle van stress-responsen en apoptotische cel-dood. Het behouden van de mitochondriale werking lijkt de belangrijkste determinant te zijn voor een lange levensduur, terwijl een dysfunktie myopathieën, neurodegeneratieve en cardiometabole aandoeningen, kanker en veroudering vergezelt of triggert. Het organel wordt zo een belangrijk doelwit voor verschillende farmacologische en niet-farmacologische interventies om mitochondriale dysfunktie aan te pakken, waarbij inspanning dikwijls gesuggereerd wordt als de te kiezen therapie. Veel studies hebben gerapporteerd over voordelige effekten van lichamelijke inspanning op mitochondriale inhoud en funktie, waarbij regelmatige inspanning tekenen en symptomen van mitochondriale dusfunktie bij veroudering, diabetes en hersen-aandoening verlicht. Meerdere studies stelden echter vraagtekens bij dit paradigma, suggererend dat extreem zware of langdurige inspanning eigenlijk mitochondriale stoornissen zou induceren die de werking permanent zouden aantasten. Een groep van de ‘University of Cape Town Medical School’ rapporteerden over een geval van een klaarblijkelijk gezonde top-atleet die een onomkeerbare mitochondriale dysfunktie ontwikkelde na jaren van uitputtende training. [St Clair Gibson et al. Exercise-induced mitochondrial dysfunction in an elite athlete. Clin. J. Sport Med. (1998) 8: 52-55] Daarnaast suggereerden meerdere studies bij knaagdieren dat uitputtende inspanning een inhibitie van mitochondriale fosforylatie-aktiviteit zou kunnen induceren en moeilijk te herstellen mtDNA-deleties en cel-dood. Het lijkt er op dat inspanning de mitochondriale struktuur en werking sterk aantast, maar toch blijft de richting en de graad van verandering open voor discussie. In dit artikel zal ik mogelijke factoren die de negatieve effekten van inspanning op mitochondriale funktie mediëren bespreken en alternatieve oplossingen voor het managen van inspanning-geïnduceerde mitochondriale schade naar voor brengen.

Voordelige effekten van inspanning op mitochondriale funktie

Eén van de klassieke responsen op inspanning is een verhoogd aantal en betere funktie van mitochondrieën, waarbij een verbeterde kwaliteit en kwantiteit nauw verband houdt met meerdere positieve gezondheid-effekten die worden gerapporteerd na training. Na de voorbijgaande daling qua mitochondriale prestaties die worden gezien onmiddellijk na een inspanning, verhoogt de mitochondriale biogenese – met gunstige veranderingen qua mitochondriaal volume en aantal [na 7 à 10 dagen 2u/dag fiets-training bij gezonde mensen!]. De organellen vermeerderen in grootte en densiteit, het verbruik van mitochondriale brandstof verschuift naar een toegenomen verbruik van lipiden en de capaciteit qua mitochondriale enzymen breidt uit [7 weken uithouding-training door gezonde mensen!]. Bijgevolg verhogen de oxidatieve capaciteit en de inspanning-prestaties. Het lijkt dat regelmatige inspanning een positieve invloed heeft op de expressie van PGC-1α [‘peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1-α’; lid van een familie van transcriptie co-aktivatoren die een centrale rol speelt bij de regulering van het cellulair energie-metabolisme], een belangrijke regulator van de mitochondriale biogenese en funktie. Uithouding-training lijkt hiervoor bijzonder doeltreffend: zelfs een enkele aërobe inspanning van 60 min induceert wijzigingen qua gen-expressie die de mitochondrieën in inspannende en niet- inspannende spieren van gezonde mannen positief beïnvloedt. Gunstige mitochondriale aanpassingen na regelmatige inspanningen werden ook gerapporteerd bij patiënten met verschillende aandoeningen [diabetes en Alzheimer’s & Parkinson’s] of ouder-wordenden [4-6 sessies/week van 30-40 min, gedurende 12 weken]. Na regelmatige aërobe inspanning verbetert zelfs de funktie van ernstig beschadigde mitochondrieën [mitochondriale myopathie]. Er is echter veel minder geweten over het dosis-respons verband tussen gunstige mitochondriale veranderingen en de intensiteit/volume inspanning. Meerdere studies brachten zeer intensieve inspanning naar voor als een doeltreffend model voor het verbeteren van de mitochondriale biogenese en funktie. Aan de andere kant rapporteerde een studie dat PGC-1α mRNA-expressie negatief gecorreleerd was met inspanning-intensiteit [Mille-Hamard L et al. Transcriptional modulation of mitochondria biogenesis pathway at and above critical speed in mice. Mol. Cell. (2015) Biochem. 405: 223-232], wat suggereert dat de transcriptie-aktiviteit van de mitochondriale biogenese signalisering-cascade gevoelig is voor inspanning-intensiteit. Optimalisatie van de inspanning-belasting kan van cruciaal belang zijn voor specifieke mitochondriale aanpassingen, maar of verschillende intensiteiten biologisch verschillende mechanismen betrokken bij ‘acclimatisatie aan inspanning’ opleveren, blijft momenteel nog onbekend.

Mitochondriale dysfunktie geïnduceerd door inspanning

De term ‘dysfunktionele mitochondrieën’ wordt veel gebruikt in de cel-biologie, bio-energetische research en klinische geneeskunde. De precieze definitie is echter nogal moeilijk, en hangt af van het feit of dysfunktie bepaald dient te worden via geïsoleerde organellen, intacte cellen of in vivo, en welke biomerkers (klinische of experimentele) beschikbaar zijn voor de beoordeling van mitochondriale prestaties. Gewoonlijk wordt mitochondriale dysfunktie gedefinieerd als een verstoord vermogen van de mitochondrieën om ATP – de belangrijkste energie-drager in de cel – aan te maken, op de juiste manier in respons op energie-behoeften, hoewel abnormaliteit bij andere processen die worden bestuurd door mitochondrieën ook mitochondriale dysfunktie kunnen worden genoemd. Diagnostische strategieën voor mitochondriale aandoeningen/dysfunktie vereisen een multi-disciplinaire evaluatie, en steunen op een combinatie van klinische observaties, laboratorium-testen, beeldvorming van de hersenen en skeletspier-biopten, waarbij momenteel niet één enkele ‘golden standard’ test beschikbaar is om de diagnose van mitochondriale dysfunktie te stellen. Mitochondriale dysfunktie treedt vroeg op en werkt oorzakelijk bij veel ziekten en aandoeningen, waarbij meerdere factoren werden geïdentificeerd die de aandoening induceren, en het energie-metabolisme of vorming van vrije radikalen in het lichaam storen [statinen, sertraline, antibiotica]. Het begrijpen van de etiologie zou kunnen helpen bij de identificatie van kwetsbaarheid-eigenschappen en het vermijden van uitlokkende stoffen, inclusief verschillende medicijnen en toxische agentia of andere tegen mitochondrieën gerichte beschadigende interventies. Er is speculatie dat excessieve uithouding-training schadelijk kan zijn voor verscheidene biologische systemen en subcellulaire strukturen [O’Keefe JH et al. Potential adverse cardiovascular effects from excessive endurance exercise. Mayo Clin. Proc. (2012) 87: 587-595], waarbij mitochondriale dysfunktie een rol zou kunnen spelen [Feng Z et al. Mitochondrial dynamic remodeling in strenuous exercise-induced muscle and mitochondrial dysfunction: regulatory effects of hydroxytyrosol. Free Radical Biol. Med. (2011) 50: 1437-1446].

Ernstige modificaties van de mitochondriale struktuur in het myocard [hartspier(weefsel)] van honden onderworpen aan uitputtende inspanning werden al in 1966 gerapporteerd: frequent geobserveerde reuzen-mitochondrieën […] en ontwrichting van de cristae [instulpingen van het binnenste membraan in een mitochondrium]. De jaren daarna evalueerden andere onderzoekers de fijne struktuur van hart- en skeletspier na uitputtende inspanning in een reeks studies uitgevoerd bij ratten en mensen. De auteurs rapporteerden mitochondriale zwelling bij de ratten die ca. 450 h waren onderworpen aan uitputtend zwemmen, waarbij de veranderingen grotendeels normaliseerden door een herstel-periode van 15-18 h. Enkele mitochondrieën waren echter erg gezwollen en hadden verstoorde en gedegenereerde cristae (het meest prominent in myocardiale mitochondrieën), waarbij de metabole capaciteit van de dysfunktionele organellen op een nadelige manier leek te zijn veranderd na langdurige ernstige inspanning. Deze observaties suggereren dat uitputtende inspanning de mitochondriale funktie en/of struktuur sterk kan aantasten, ten minste in een bepaald gebied of weefsel. Anderen [Gohil K et al. Effects of training and exhaustive exercise on the mitochondrial oxidative capacity of brown adipose tissue. Biosci. Rep. (1984) 4: 987-993] bevestigden bovenstaande bevindingen: ze rapporteerden een inspanning-geïnduceerde afname van de mitochondriale aktiviteit in bruin vet-weefsel [vet-cellen met een grote hoeveelheid mitochondrieën] van ratten onderworpen aan een slopende loop-test, waarbij mitochondriale oxidatieve mechanismen meer gestresseerd waren bij ongetrainde ratten t.o.v. getrainde. De laatste 20 jaar rapporteerden meerdere studies gelijkaardige schadelijke effekten van extreem zware inspanning op mitochondriale prestaties, met permanente of langdurige inspanning-geïnduceerde mitochondriale dysfunktie (EIMD) die werd gevonden in de hersenen, skeletspieren, hart, lever en bloedcellen van knaagdieren en mensen [Bijvoorbeeld: Rasmussen UF et al. The effect of high-intensity exhaustive exercise studied in isolated mitochondria from human skeletal muscle. Pflugers Arch. (2001) 443: 180-187 /// Hsu TG et al. Leukocyte mitochondria alterations after aerobic exercise in trained human subjects. Med. Sci. Sports Exerc. (2002) 34: 438-442 /// Tuan TC et al. Deleterious effects of short-term, high-intensity exercise on immune function: evidence from leucocyte mitochondrial alterations and apoptosis. Br. J. Sports Med. (2008) 42: 11-15 /// Layec G et al. Impact of age on exercise-induced ATP supply during supramaximal plantar flexion in humans. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. (2015) 309: R378-R388 /// Layec G et al. Effects of exercise-induced intracellular acidosis on the phosphocreatine recovery kinetics: a 31P MRS study in three muscle groups in humans. NMR Biomed. (2013) 26: 1403-1411].

Uitputtende inspanning lijkt verschillende merkers voor mitochondriale gezondheid negatief te beïnvloeden, inclusief een verstoring van de aktiviteit en/of expressie van mitochondriale enzymen (cyclo-oxygenase, citraat-synthase, malondialdehyde), met mitochondrieën gerelateerde groei-factoren (PGC-1α, MAP (‘mitogen-activated protein’) -kinase [reageert op extracellulaire stimuli (mitogenen) en reguleert verscheidene cellulaire aktiviteiten, zoals gen-expressie, celdeling, differentiatie en cel-overleving/apoptose], BDNF), meer mtDNA-deleties [ontbrekende stukken in het mitochondriaal DNA], expressie van mitochondriale apoptotische factoren (DRPs [‘dynamin-related proteins’; betrokken bij mitochondriale splitsing], transcriptie-factor A [aktivator van mtDNA-transcriptie, verpakt mtDNA in DNA/proteïne-aggregaten (mitochondriale nucleoïden)]), een daling van het mitochondriaal membraan-potentiaal (ΔΨmt [het spanning-verschil tussen het buitenste en binnenste membraan]) en verhoogde aanmaak van mitochondriale reaktieve oxidatieve soorten (ROS). Anderzijds is het moeilijk om meerdere biomerkers voor de mitochondriale funktie in studies bij mensen te interpreteren: een daling qua leucocyten mitochondriaal trifunktioneel proteïne (mtMTP [enzyme op het binnenste mitochondriaal membraan dat 3 van de 4 stappen van de vetzuur-afbraak katalyseert]) of een toename van het NAD(P)H-oxidase [katalyseert de produktie van super-oxide] systeem van spier-mitochondrieën duidt niet noodzakelijk op mitochondriale schade na uitputtende inspanning. Tenslotte induceert een krachtige inspanning ernstige ultrastrukturele veranderingen in het organel, inclusief een onevenwichtige mitochondriale distributie […], en een hoge prevalentie van grote en gezwollen mitochondrieën met dense matrixen en ruwe of abnormale cristae. EIMD komt voor bij zowel mannen als vrouwen die verschillende vormen van inspanning tot uitputting krijgen te verwerken (bv. lopen, fietsen, zwemmen), bij zowel acute als chronische inspanning-modellen. Er zijn momenteel geen duidelijke richtlijnen betreffende diagnostische criteria voor EIMD. Het lijkt er op dat de ernst (en geïmpliceerde onomkeerbaarheid) van dit fenomeen een belangrijk aspect is dat zou moeten worden aangewend om het onderscheid te maken tussen voorbijgaande afname qua mitochondriale prestaties en ernstiger EIMD. Dit kan verband houden met cruciale veranderingen in het mtDNA of nucleair DNA (nDNA) (bv. grote deleties geïnduceerd door uitputtende inspanning) die de gen-expressie op het niveau van de transcriptie en/of translatie permanent wijzigen. Een extreme produktie van mitochondriale ROS en stikstof-soorten tijdens uitputtende inspanning lijkt inspanning-gerelateerde DNA-schade te induceren [Neubauer O et al. Exercise-induced DNA damage: is there a relationship with inflammatory responses? Exerc. Immunol. Rev. (2008) 14: 51-72], wat mtDNA bijzonder vatbaar maakt voor oxidatieve stress en een pathofysiologisch doelwit voor EIMD. mtDNA lijkt een veel hogere mutatie-graad te hebben in vergelijking met nDNA, aangezien het makkelijk wordt blootgesteld aan ROS-schade terwijl de beschermende histonen [histoon-proteïnen = kleine eiwitten met een hoog aantal positief geladen aminozuren die aan negatief geladen DNA binden; een nucleosoom is een complex van DNA en histoon-eiwitten dat de gen-expressie regelt] en andere DNA-herstel-mechanismen ontbreken. Daarom zou het monitoren van mtDNA-deleties in specifieke gebieden […] en wijzigingen in genetische profielen na inspanning (d.m.v. ‘hoge-resolutie digitale profilering’) kunnen worden gebruikt als nieuw instrument om de ernst en de progressie van EIMD te evalueren. Hoewel ROS-gemedieerde mtDNA-wijzigingen EIMD kunnen induceren, zouden ook andere mechanismen verantwoordelijk kunnen zijn. […]

Verhoogde produktie van ROS en reaktieve stikstof-soorten (RNS) tijdens lichamelijke inspanning treedt op ten gevolge zuurstof-afhankelijke bio-energetica in de mitochondrieën, waarbij de elektronen-transport-keten en mitochondriale xanthine-oxidase [ROS-genererend enzyme] aktiviteit de voornaamste bronnen zijn. Een andere inspanning-gerelateerde bron van ROS is de inflammatoire respons op weefsel-letsels (zoals die worden geïnduceerd door achteréénvolgende spier-contracties) met aktivatie van neutrofielen en macrofagen-infiltratie. Hyperthermie, dehydratatie en osmotische stress werden ook geïdentificeerd als onconventionele bronnen van ROS gegenereerd tijdens inspanning, waarbij de effekten van inspanning op ROS-produktie intensiteit-afhankelijk lijkt te zijn. Hoewel matige inspanning de mitochondrieën-gerelateerde ROS-aanmaak in evenwicht blijkt te houden en gunstige ROS-geassocieerde aanpassingen induceert, stimuleert uitputtende of langdurige inspanning een over-produktie van ROS. Vandaar: te veel ROS kan subcellulaire bio-molekulen, zoals lipiden, proteïnen & DNA beschadigen [Powers SK & Jackson MJ. Exercise-induced oxidative stress: cellular mechanisms and impact on muscle force production. Physiol. Rev. (2008) 88: 1243-1276], en de mitochondriale funktie erg in gevaar brengen, leidend tot EIMD.

Hoewel EIMD bij alle leeftijden voorkomt, lijkt het er op dat een gevorderde leeftijd een voorbestemmende factor kan zijn voor EIMD. Ouder-worden per se induceert diepgaande veranderingen qua mitochondriale vorm en funktie, inclusief DNA-deleties, verhoogde oxidatieve stress en verstoorde mitochondriale bio-energetica. Bij blootstelling aan krachtige inspanning, lijkt het dat oudere individuen makkelijker mitochondriale dysfunktie en versneld verval ontwikkelen. Onderzoekers evalueerden de effekten van zware inspanning in skeletspieren van muizen van 2 maand (jonge groep) en 24 maand (oude groep), onderworpen aan 5 dagen inspanning (rennen in een gemotoriseerde loopband tot uitputting). Deze uitputtende inspanning resulteerde bij oudere muizen in een daling van zowel fusie- en splitsing- (respectievelijk mitofusine-2 & DNM1L) proteïnen [mitochondrieën ondergaan verlenging, fusie en splitsing; wat de recyclage van membranen toelaat en het herwinnen van onbeschadigd mtDNA om de mitochondriale funktie te behouden] die zouden kunnen bijdragen tot wijziging van mitochondriale morfologie, en verminderde PGC-1α nucleaire translocatie [verplaatsing naar de cel-kern]. Verder was er een 69% toename qua interleukine-1β (een belangrijke mediator van de inflammatoire respons) in de oude groep, terwijl uitputtende inspanning deze biomerker niet beïnvloedde in jonge muizen. De auteurs concludeerden dat uitputtende inspanning in verouderende spieren mitochondriale schade verergert en dat het een ongeschikte manier van inspannen is voor het behandelen van veroudering en ouderdom-gerelateerde mitochondriale ziekten.

Een andere factor die de vatbaarheid voor EIMD zou kunnen bepalen, is de voorafgaande training-status. EIMD treft zowel getrainde als ongetrainde individuen maar toch lijkt dit fenomeen frequenter bij over-getrainde mensen, wat een dosis-respons voor EIMD suggereert. Herhaalde blootstelling aan extreem zware of langdurige inspanning-aktiviteit kan bij vatbare individuen mitochondriale schade induceren die met verloop van tijd accumuleert, en uiteindelijk chronisch wordt en niet meer te herstellen, met lange-termijn implicaties voor inspanning-prestaties en gezondheid [St Clair Gibson A et al. Chronic exercise activity and the fatigued athlete myopathic syndrome (FAMS). Int. SportMed. J. (2000) 1: 1-7]. Er werd tot hier toe echter geen duidelijke blootstelling-respons verband tussen uitputtende inspanning-belasting (bv. frequentie, intensiteit, duur en type inspanning) en EIMD beschreven. Inspanning-intensiteit zou echter een cruciale rol kunnen spelen bij de etiolgie van EIMD, aangezien de expressie van het stress-proteïne ‘heat-shock’ proteïne (Hsp70) – dat de mitochondriale funktie mee reguleert – afhankelijk is van inspanning-intensiteit [Milne KJ & Noble EG. Exercise-induced elevation of Hsp70 is intensity dependent. J. Appl. Physiol. (2002) 93, 561-568]. Tenslotte blijkt EIMD weefsel-specifieke responsen te vertonen, waarbij myocardiale mitochondrieën het meest te lijden hebben van uitputtende inspanning, in vergelijking met die van de de hersenen, lever of skeletspieren. Dit zou te wijten kunnen zijn aan het hoger zuurstof-verbruik per milligram proteïnen in hart-mitochondrieën en de daaruitvolgende hyper-produktie van organel-beschadigende ROS.

Mogelijke gevolgen van EIMD voor de gezondheid

Hoewel regelmatige fysieke aktiviteit gezondheid-risico’s voor vele ziekten vermindert, hebben studies gedocumenteerd dat uitputtende inspanning – zelfs bij gezonde individuen – een waaier aan gevaren voor de gezondheid oplevert; een feit dat bezorgdheid opwekte omtrent de schadelijke gevolgen van dergelijke inspanning. Naast andere mogelijke factoren, zou EIMD een belangrijke factor kunnen zijn voor de negatieve resultaten van uitputtende inspanning, omwille van het feit dat het een pathofysiologisch substraat is voor hart-abnormaliteiten, chronische vermoeidheid en over-training syndroom of spier-degeneratie. Er werd [bij ratten] aangetoond dat belastende inspanning biochemische veranderingen in myocardiale mitochondrieën (bv. verminderde mitochondriale accumulatie van Ca2+) kan opleveren die de hart-funktie nadelig kan beïnvloeden na opéénvolgende uitputtende inspanningen. Anderen vonden opgezwollen mitochondrieën in cardiomyocyten van uitgeputte ratten, met mogelijke hart-ritme-verstorende veranderingen […]. Chinese researchers evalueerden door inspanning geïnduceerde hart-letsels bij ratten na herhaalde uitputtende inspanning. Er werd ook geschreven over significante mitochondriale veranderingen, vergezeld door ischemische wijzigingen, cellulaire schade aan het cytoskeleton en ‘gap-junctions’ [eiwit-kanalen die het cytoplasma van naburige cellen met elkaar verbinden, waardoor ionen en ‘boodschapper-molekulen’ kunnen stromen], en weefsel-fibrose in het cardiaal geleiding-systeem, waarbij de mitochondriale stoornissen hart-ritme-stoornissen induceren. Er werd ook gerapporteerd over dysfunktionele mitochondrieën-gerelateerde cardiale stress bij ratten die werden gedwongen 3 h te zwemmen, inclusief een ontregeling van het matrix metalloproteinase-systeem [matrix-metalloproteïnasen of MMPs zijn enzymen die in staat zijn de extracellulaire matrix (bindweefsel) af te breken], verhoogde nitro-oxidatieve stress en sporadische fragmentatie van de myocard-struktuur. Klinisch relevante stoornissen van de haemodynamiek (bv. verhoogd eind-systolisch volume, verminderde ejectie-fractie, gestoorde samentrekbaarheid en mechano-energetica van het linker-ventrikel na inspanning) gingen samen met histologische veranderingen. Er zijn ons geen studies bij mensen bekend die EIMD linken met cardiale dysfunktie maar sommige hart-ritme-stoornissen bij atleten zouden een mitochondriale oorsprong kunnen hebben en op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten kunnen een nieuwe anti-arythmische behandeling zijn [Yang KC et al. Mitochondria and arrhythmias. Free Radical Biol. Med. (2014) 71: 351-361].

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS), een complexe medische aandoening met aanhoudende post-exertionele malaise, wijdverspreide musculoskeletale pijn, en mentale en fysieke uitputting die niet substantieel verbetert door rust, is een aandoening met onbekende etiologie, die wereldwijd tot 5% van de algemene bevolking treft. Meerdere studies suggereren dat mitochondriale dysfunktie betrokken is bij de pathofysiologie van CVS [Myhill S, Booth NE & McLaren-Howard J]. Daarnaast kan langdurige zware inspanning CVS induceren bij atleten of uitputting aanzwengelen bij CVS-patiënten [Staud R et al. Evidence for sensitized fatigue pathways in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Pain (2015) 156: 750-759], wat suggereert dat EIMD een co-factor zou kunnen zijn die CVS triggert. Over-training is een andere aandoening die gerelateerd kan zijn met EIMD. Over-training wordt gewoonlijk beschreven als een langdurige excessieve belasting met ontoereikend herstel die gepaard gaat met verminderde prestaties. De diagnose blijft moeilijk te stellen en omwille van de ongekende oorzaak zo ook het management. Een bepalend artikel door St Clair Gibson et al. [zie hierboven] beschreef meerdere gevallen van mitochondriale pathologie in schijnbaar gezonde maar over-trainde top-atleten, met schadelijke veranderingen qua skeletspier-struktuur en -funktie geassocieerd met vele jaren excessieve training en competitie. De auteurs suggereerden dat de spier-regeneratie na uitputtende inspanning wel eens niet eindig zou kunnen zijn en dat die, wanneer die wordt overschreden, over-training en verslechtering van de atletische prestaties initieert. Anderen [Wang X et al. Mitochondrial dysfunction-associated OPA1 cleavage contributes to muscle degeneration: preventative effect of hydroxytyrosol acetate. Cell Death Dis. (2014) 5, e1521] suggereerden daarom ook dat mitochondriale dysfunktie kan bijdragen tot de ontwikkeling van spier-aandoeningen, inclusief wegkwijnen van spieren, spier-atrofie en -degeneratie. Vorming van ROS en oxidatieve stress in de skeletspieren zijn cruciaal voor mitochondriale dysfunktie die wordt gekenmerkt door downregulering van OPA1 (een belangrijk proteïne bij de regulering van fusie en her-modelering van het mitochondriaal binnenste membraan) en verlies van myosine zware-keten proteïne [‘myosin heavy chains’, MyHC; van belang bij spier-samentrekking], dat uiteindelijk leidt tot significante morfologie-wijzigingen in myotubes [zich ontwikkelende skelet-spier-vezels] en spiercel-degeneratie. De rol van mitochondrieën bij spier-beschadigende inspanning werd bevestigd via een andere proef [zie Feng Z et al. hierboven] – waarbij door krachtige inspanning geïnduceerde spier-dysfunktie gepaard ging met verhoogde mitochondriale splitsing, gestegen merkers voor spier-atrofie […] en cel-autofagie triggerede. Interessant is dat in deze studie meer mitochondriale splisting in beschadigde myocyten na zware inspanning (geëvalueerd via een toename van DRP1 [‘dynamin-related protein 1’, enzyme dat zorgt voor de splisting in 2 dochter-mitochondrieën]) gelijkaardig was met de DRP1-respons in skeletspieren na een dieet met een hoog vet-gehalte [muizen], wat misschien suggestief is voor een gelijkaardig mechanisme van mitochondriale dysfunktie in een inspanning-geïnduceerd model en obesitas. Ondanks het beperkt begrip aangaande mechanismen verantwoordelijk voor met mitochondrieën gerelateerde spier-aandoeningen, zou EIMD echter verder moeten worden onderzocht als een mogelijk pathogene factor voor myocyten-schade in vivo. Hoewel EIMD meer voorkomt in skeletspieren, rapporteerden andere onderzoekers dat uitputtende inspanning ook mitochondriale dysfunktie in de hersenen bevordert [bij muizen], waarschijnlijk omwille van inspanning-geïnduceerde inhibitie van de BDNF-produktie in de frontale cortex. Dit kan de cognitieve stoornissen verklaren die worden gezien bij CVS en over-training syndroom. Er zijn echter meer studies nodig om een link tussen EIMD en gevolgen voor de gezondheid van uitputtende inspanning bij atleten en de klinische populaties op lange-termijn vast te stellen.

Management-strategieën voor EIMD

Naast inspanning-interventies, die waarschijnlijk het sleutel-element vertegenwoordigen bij de preventie van en het omgaan met dysfunktionele mitochondrieën, kunnen wellicht meerdere op mitochondrieën gerichte agentia worden overwogen om EIMD te overwinnen of minstens te verminderen. Het ondersteunen van mitochondriale bio-energetica en het helpen herstellen van mtDNA na uitputtende inspanning, en het behouden van een hoog anti-oxidant vermogen om toxische ROS in het organel op te ruimen, zijn mogelijke behandel-opties voor mitochondriale dysfunktie geïnduceerd door extreem zware of langdurige inspanning. Anti-oxidanten en verwante ‘nutraceuticals’ worden alom besproken in de klinische en voeding-literatuur. Er zijn echter slechts een beperkt aantal studies die de doeltreffendheid van op mitochondrieën gerichte interventies bij EIMD evalueerden d.m.v. organel-specifieke biomerkers. De beschermende effekten van salidroside, een molekule uit de plant Rhodiola rosea op mitochondriale dysfunktie en cardiomyocyten-beschadiging (geïnduceerd door een uitputtend zwem-inspanning) bij ratten werd gëevalueerd. Toediening van salidroside (100-300 mg/kg per dag gedurende 2 weken) verminderde myocard-letsels en ultrastrukturele mitochondriale misvormingen, bewaarde de mitochondriale respiratoire funktie, en ging onaangepaste gen-expressie van PGC-1α en nucleaire respiratoire factoren (NRF-1 & NRF-2) [regelen cel-groei en nucleaire genen die vereist zijn voor de cellurlaire ademhaling] tegen, vergeleken met de controle-groep die een placebo kreeg. In een andere studie rapporteerden over de beschermende effekten van hydroxytyrosol, een natuurlijk polyfenol uit olijven, bij spier- en mitochondriale dysfunktie (geïnduceerd door krachtige inspanning) in ratten. Behandeling met hydroxytyrosol (25 mg/kg per dag gedurende 8 weken) inhibeerde de toename van autofagie en mitochondriale splitsing, en de afname van PGC-1α expressie geïnduceerd door excessieve inspanning. Daarnaast versterkte hydroxytyrosol mitochondriale fusie en aktiviteiten van mitochondriaal complex-I & -II. Een studie onderzocht de effekten van Galdieria sulphuraria microalgen op EIMD opgewekt door acute krachtige inspanning (6 h zwemmen) bij ratten. Behandeling met G. sulphuraria (10 g/kg per dag gedurende 10 dagen) verminderde de door inspanning toegenomen protiëne-carbonyl inhoud, een indicator voor oxidatieve schade, in mitochondrieën van het hart en de spieren van ratten na zware inspanning. Daarnaast werden gunstige effekten gerapporteerd van oraal quercetine (100 mg/kg per dag gedurende 4 weken) op myocardiale mitochondriale oxidatieve stress en dysfunktie bij muizen onderworpen aan zware inspanning; waarschijnlijk door z’n anti-oxidatief effekt en aconitase [enzyme dat citraat naar isocitraat omzet; inhibitie ervan vermindert de cellulaire energie-voorraad] -aktivatie, wat een beloftevolle strategie voor EIMD door dit natuurlijk flavonoïd benadrukt. Een Chinees team meldde gunstige effekten van een mitochondriale cocktail van nutriënten (α-liponzuur, acetyl-L-carnitine, biotine, nicotinamide, riboflavine, pyridoxine, creatine, coenzyme-Q10, resveratrol & taurine) op de mitochondriale gezondheid bij ratten na uitputtende inspanning. Supplementering met nutriënten verhoogde de proteïnen-expressie van mitochondriaal complex-I, -II & -III, mtDNA-aantal en transcriptie-factoren betrokken bij mitochondriale biogenese en funktie in skeletspieren. Dezelfde groep rapporteerde gelijkaardige resultaten met een combinatie van nutriënten gericht op mitochondrieën (α-liponzuur, creatine, B-vitaminen, polyfenolen) die verbetering van complex-V en aktiviteit van een FAD-bindend flavoproteïne enzyme brachten, en versterking van de aktiviteiten van complex-I & -IV in lever-mitochondrieën van ratten die gedurende 4-weken werden onderworpen aan krachtige inspanning. Deze 2 studies suggereren dat supplementering met een multi-component nutriënten-preparaat EIMD kan verminderen, hoewel de bijdrage van elk nutrient onbekend blijft. Aan de andere kant rapporteerden bleek een L-arginine-rijk dieet (2%) geen significante impact te hebben op courante mtDNA-deleties in spier- en lever-mitochondrieën van ratten na uitputtende inspanning. Er zijn geen studies beschikbaar betreffende andere op mitochondrieën gerichte nutraceuticals bij EIMD, inclusief kleine anti-oxidante molekulen (bv. mitoquinon [MitoQ of MitoQ10], mito-tocopherol [MitoVitE; “beschermt mitochondrieën tegen oxidatieve stress via inhibitie van lipiden-peroxidatie”], mito-apocynin [Mito-Apo; “beschermt tegen oxidatieve schade en glia-gemedieerde inflammatie”]) en molekulaire waterstof, die werden ontworpen om zich op te stapelen in de mitochondrieën in vivo [Ostojic SM. Targeting molecular hydrogen to mitochondria: barriers and gateways. Pharmacol. Res. (2015) 94, 51-53]. Daarom zijn verdere studies vereist om alle op mitochondrieën gerichte interventies voor EIMD – inclusief nieuwe behandelingen (bv. ketogeen dieet, sirtuinen [klasse van HDACs – histoon-deacetylasen, enzymen die acetyl-groepen (O=C-CH3) verwijderen; van belang bij de vertaling van RNA], protopanaxadiol [molekule uit ginseng]) [Rai PK et al. Potential compounds for the treatment of mitochondrial disease. Br. Med. Bull. (2015) 116: 5-18] – te evalueren.

Een ander controversieel aspect van het eventueel gebruik van anti-oxidanten bij EIMD dient ook te worden besproken. Er is steeds meer bewijsmateriaal dat eerder schadelijke effekten van supplementering met anti-oxidanten bij training suggereert, waarbij een hoge dosis anti-oxidanten nadelig zou kunnen interfereren met belangrijke door ROS gemedieerde fysiologische processen (zoals proteïne-signalisering, mitochondriale biogenese of vasodilatie. Er werden negatieve uitkomsten van supplementering met anti-oxidanten gevonden bij fietsers, trialeten, marathon-loper, kayakers en ongetrainde individuen die verschillende anti-oxidanten – zowel water- als vet-oplosbare – kregen toegediend. Aangezien het potentieel voor langdurende schade van supplementering met anti-oxidanten bestaat, dient het gebruik van hoge dosissen anti-oxidanten bij EIMD misschien te worden beperkt tot dat er ‘evidence-based’ richtlijnen zijn.

Besluit

Mitochondrieën kunnen zichzelf doeltreffend beschermen tegen de accumulatie van externe en interne stress via verscheidene mechanismen. Wanneer de bescherming-mechanismen echter uitgeput raken door of gewijzigd omwille van repetitieve herhaalde inspanning en onvoldoende herstel na inspanning, kan EIMD ontstaan. Hoewel er geen studie bestaat die de mitochondriale gezondheid (en herstel na inspanning) op lange termijn volgde na één enkele sessie uitputtende inspanning, is het zeer onwaarschijnlijk dat één enkelvoudige inspanning tot onherstelbare mitochondriale stoornissen leidt – ten minste bij ongetrainde individuen. Frequente uitputtende inspanningen laten mitochondrieën echter misschien wel niet toe zich volledig te herstellen van inspanning-stress, en ernstige DNA-deleties en ultrastrukturele schade (voornaamste merkers voor EIMD) te repareren. Hypothetisch gezien kan uitputtende inspanning een regelmatige mitochondriale levenscyclus – bestaande uit ca. 5 fusie/splitsing-cycli per uur per mitochondrion – in gevaar brengen, leidend tot langdurige slechte mitochondriale prestaties en gevolgen voor de gezondheid. Dit literatuur-overzicht identificeerde mogelijke verbanden tussen uitputtende inspanning en mitochondriale dysfunktie bij mensen; de bevindingen waren echter beperkt tot ‘cross-sectionele’ studies [analyse van gegevens van een populatie op één specifiek tijdstip] (geen longitudinale effekt-studies), waarbij de definitie van uitputtende inspanning soms onduidelijk is. Er zijn in vivo inspanning-studies nodig bij klinische en atletische populaties die de drempel – die moet worden overschreden om het organel onomkeerbaar te beschadigen – beschrijven.

Klinische Perspectieven

Extreem zware of uitputtende inspanning bevordert mitochondriale stoornissen die de werking ervan permanent kunnen beschadigen. Inspanning-geïnduceerde mitochondriale dysfunktie kan een belangrijke factor zijn voor hart-abnormaliteiten, chronische vermoeidheid en over-training syndroom, of spier-degeneratie bij atleten. Het ondersteunen van mitochondriale bio-energetica en het helpen om mitochondriaal DNA te herstellen na uitputtende inspanning, en het behouden van een optimaal anti-oxidant vermogen om toxische reaktieve zuurstof-soorten in het organel op te ruimen, omvat mogelijke behandel-opties voor inspanning-geïnduceerde mitochondriale dysfunktie.

Advertenties

november 4, 2016

Dysfunktie van de TCA- & de ureum-cyclus bij CVS

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 1:36 pm
Tags: , , , , , ,

Een team Japanse researchers onderzocht het metaboloom – het geheel van molekulen in ons bloed die ontstaan in de verscheidene stappen en als bijprodukten van ons metabolisme – bij M.E.(cvs). Ze bekeken meerdere onderdelen: de glycolyse (glucose => pyruvaat => lactaat), de glutamine-glutamaat-cyclus, de TCA-cyclus (citroenzuur- of Krebs-cyclus; pyruvaat + acetyl-CoA => citraat, enz.; levert energie) en de ureum-cyclus (vorming van ureum uit ammoniak, stelt ons in staat de overtollige stikstof uit te scheiden via de urine). Bij de laatste 2 vonden ze afwijkingen en gebruikten telkens (de verhouding van) 2 molekulen: pyruvaat/isocitraat als indicator voor de werking van de TCA-cyclus, en ornithine/citrulline als indicator voor de werking van de ureum-cyclus. Als deze ontregelingen onafhankelijk worden bevestigd worden, dan zou de combinatie van de verhoudingen pyruvaat/isocitraat- en ornithine/citrulline een goede diagnostische biomerker voor M.E.(cvs) kunnen worden.

We rapporteerden hier ook al over het werk van Robert Naviaux. Deze vond dat de waarden van citrulline, ornithine, proline, glutamine & glutamaat allemaal normaal waren (met een andere scheidingsmethode dan hieronder weliswaar)…

————————-

Scientific Reports Vol. 6, p. 34990 (October 2016)

Index markers of Chronic Fatigue Syndrome with dysfunction of TCA and urea cycles

Emi Yamano (1), Masahiro Sugimoto (2), Akiyoshi Hirayama (2), Satoshi Kume (3), Masanori Yamato (3), Guanghua Jin (3), Seiki Tajima (3,4), Nobuhito Goda (5), Kazuhiro Iwai (6), Sanae Fukuda (1,7), Kouzi Yamaguti (1,8), Hirohiko Kuratsune (7,8), Tomoyoshi Soga (2), Yasuyoshi Watanabe (1,9), Yosky Kataoka (1,3)

1 Department of Physiology, Osaka City University Graduate School of Medicine, Osaka, Japan

2 Institute for Advanced Biosciences, Keio University, Tsuruoka Yamagata, Japan

3 Cellular Function Imaging Team, Division of Bio-function Dynamics Imaging, RIKEN Centre for Life Science Technologies, Kobe, Japan

4 Hyogo Children’s Sleep and Development Medical Research Centre, Hyogo Rehabilitation Centre Central Hospital, Kobe, Japan

5 Department of Life Science and Medical Bio-Science, School of Advanced Science and Engineering, Waseda University, Tokyo, Japan

6 Department of Molecular and Cellular Physiology, Graduate School of Medicine, Kyoto University, Kyoto, Japan

7 Department of Health Science, Kansai University of Welfare Sciences, Osaka, Japan

8 Department of Endocrinology, Metabolism and Molecular Medicine, Osaka City University Graduate School of Medicine, Osaka, Japan

9 Pathophysiological and Health Science Team, RIKEN Centre for Life Science Technologies, Kobe, Japan

Samenvatting

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een aanhoudende en onverklaarde pathologische toestand die wordt gekenmerkt door ernstig invaliderende vermoeidheid, met/zonder infektueuze of neuropsychiatrische symptomen, die minstens 6 opéénvolgende maanden duren. De pathogenese wordt niet volledig begrepen. Hier voerden we uitgebreide metaboloom-analyses uit op 133 plasma-stalen verkregen van CVS-patiënten en gezonde controles om een objectieve diagnose van CVS te stellen. De CVS-patiënten vertoonde significante verschillen qua concentraties van metabolieten uit de TCA- en ureum-cycli. De combinatie van ornithine/citrulline en pyruvaat/isocitraat verhoudingen onderscheidde CVS-patiënten van gezonde controles, wat ROC- [‘receiver operating characteristic’; statistische analyse waarbij men in een grafiek de gevoeligheid (sensitiviteit) in funktie van de specificiteit uitzet; gebruikt als toets voor de voorspellende waarde van een variabele of instrument] waarden opleverde van 0,801 en 0,750 voor de training- (n = 93) en bevestiging- (n = 40) datasets, respectievelijk. Deze bevindingen bieden overtuigend bewijs dat een klinisch diagnostisch instrument voor CVS kan worden ontwikkeld op basis van de verhoudingen van metabolieten in het plasma.

Inleiding

[…] De pathogenese van CVS wordt niet volledig begrepen maar er wordt gedacht dat het multi-factorieel is, met inbegrip van abnormaliteiten van het centraal zenuwstelsel, het immuunsysteem en de hypothalamus-hypofyse-bijnier as.

[…] Het feit dat de diagnose van CVS niet objectief en op een betrouwbare manier kan worden gesteld, resulteert in incorrecte of vertraagde diagnostisering, wat een behoorlijke last op de psychologische en fysieke gezondheid van de patiënten, alsook op hun economisch welzijn, is. Omwille van het feit dat we de etiologie niet volledig begrijpen en de diagnostische onzekerheid, zijn er geen degelijk bewezen behandelingen voor CVS. In de praktijk zijn behandelingen – farmacologisch of niet-farmacologisch – gericht op het verlichten van de symptomen en het verbeteren van de funktie. Daarom is de ontwikkeling van objectieve diagnostische criteria voor CVS noodzakelijk.

Eerdere studies hebben geprobeerd biomerkers te identificeren [Vernon SD & Reeves WC. Evaluation of auto-antibodies to common and neuronal cell antigens in Chronic Fatigue Syndrome. J Autoimmune Dis (2005) 2: 5 /// Shishioh-Ikejima N. et al. The increase of alpha-melanocyte-stimulating hormone in the plasma of Chronic Fatigue Syndrome patients. BMC Neurol (2010) 10: 73 /// Fletcher MA. et al. Biomarkers in Chronic Fatigue Syndrome: evaluation of natural killer cell function and dipeptidyl peptidase IV/ CD26. Plos One (2010) 5: e10817] of geaktiveerde virussen (inclusief enterovirussen, Epstein-Barr virus en humaan herpes virus) die zouden kunnen worden gebruikt voor de objectieve diagnose van CVS; tot op heden werd echter geen betrouwbaar diagnosticum gevonden.

Meerdere studies hebben zich gefocust op de metabole veranderingen die optreden bij lichamelijke of mentale vermoeidheid bij gezonde individuen. Wanneer fysieke vermoeidheid werd geïnduceerd door uitputtende of aangehouden inspanning, waren de waarden van vertakte-keten aminozuren (BCAAs) in het bloed gedaald na inspanning t.o.v. vóór de inspanning. Daarnaast waren de waarden van BCAAs en tyrosine, cysteine, methionine, lysine & arginine gedaald bij mentale vermoeidheid. Deze bevindingen toonden echter metabole wijzigingen geïnduceerd door acute vermoeidheid onder experimentele omstandigheden bij gezonde individuen; het is geen weerspiegeling van de pathofysiologie van CVS (exertionele en ernstig invaliderende vermoeidheid van minsten 6 opéénvolgende maanden). Daarom is het noodzakelijk het specifieke metabolieten-profiel bij CVS te verduidelijken om een ‘evidence-based’ strategie voor de objectieve diagnose en behandeling van deze ziekte te ontwikkelen.

Metabolieten-profilering biedt directe funktionele informatie over metabole fenotypes en indirecte funktionele informatie over een waaier aan fenotypes die worden bepaald door kleine molekulen. Daarom werd de uitgebreide analyse van metabolieten aangewend om de pathofysiologie van ziekte-toestanden te karakteriseren en zodoende te helpen bij het vinden van medicijnen, diagnostieken en behandelingen. Daarnaast kan de opheldering van het metabool profiel bijdragen tot de preventie van chronische vermoeidheid veroorzaakt door metabole dysfunktie, via een dieet dat op maat gemaakt is van het individu. We valideerden eerder de bruikbaarheid van plasma metaboloom-analyse in een rat-model voor relatief langdurige vermoeidheid d.m.v. capillaire elektroforese massa-spectrometrie [ultra-geavanceerde scheiding- en detektie-methoden] (CE-MS), en vonden een daling van het energie-metabolisme samen met wijzigingen in de ureum-cyclus, alsook wijzigingen wat betreft de waarden van of aminozuren met ingebrip van BCAAs. [Kume S. et al. Potential biomarkers of fatigue identified by plasma metabolome analysis in rats. Plos One (2015) 10: e0120106] Andere eerdere studies rapporteerden aminozuren stoornissen bij CVS d.m.v. nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, wat nuttig is voor een eenvoudige screening met een beperkt aantal gedetekteerde metabolieten. [Armstrong CW et al. NMR metabolic profiling of serum identifies amino-acid disturbances in Chronic Fatigue Syndrome. Clin Chim Acta (2012) 413: 1525-1531 /// McGregor NR., Butt H.L et al. Metabolic profiling reveals anomalous energy-metabolism and oxidative stress pathways in Chronic Fatigue Syndrome patients. Metabolomics (2015) 11: 1626-1639] Deze studies hadden een aantal beperkingen: m.n. een klein aantal bestudeerde individuen en het ontbreken van bevestiging via datasets van meerdere groepen.

In de huidige studie voerden we een metaboloom-analyse uit met plasma verkregen van CVS-patiënten en gezonde controles d.m.v. CE-MS, een zeer gevoelige methode voor de detektie van metabolieten. Deze benadering maakte een uitgebreide analyse van het metabool profiel van verschillende mechanismen mogelijk met een hoge reproduceerbaarheid. De doelstellingen van onze studie waren het uitgebreid onderzoeken van het metaboloom-profiel bij CVS, samen met een bevestiging-proces, en het karakteriseren van z’n pathofysiologie, met als doel het vastleggen van een objectieve index om patiënten met CVS te onderscheiden van gezonde controles.

Methodes

Individuen. 133 Japanse volwassenen: 67 CVS-patiënten & 66 gezonde controles [allen 20-60 jaar oud] – 47 CVS-patiënten & 46 gezonde controles voor de training-set, 20 CVS-patiënten & 20 gezonde controles voor de bevestiging-set. […] CVS-diagnose […] CDC-criteria. Individuen met psychiatrische aandoeningen of met chronische ziekten die soms gepaard gaan met vermoeidheid (bv. kanker, diabetes) en personen die medicijnen namen waarvan is geweten dat ze het autonoom zenuwstelsel beïnvloeden, werden uitgesloten. […]

Verwerking biologische stalen. […]

Metaboloom-studie. […]

CE-TOFMS condities. […]

Verwerking van gegevens en statistische analyse. […]

Om metabolieten te selekteren met een sterk potentieel om CVS-patiënten te onderscheiden van gezonde controles, werden metabolieten gekozen die een hoge signaal/ruis verhouding (10) hadden bij zowel de training- als de bevestiging-gegevens, en met weinig ontbrekende waarden. Van deze metabolieten werden deze die consistent bleken bij zowel de training- als de bevestiging-gegevens gebruikt als biomerker-kandidaten. Er werd dan SVM-FS (‘support vector machine’ [algoritme op het gebied van gecontroleerd machinaal/automatisch leren] – ‘feature selection[selektie van een bepaald kenmerk]) [methode om een klassement op te stellen wat betreft het onderscheidend vermogen van biomerker-kandidaten] aangewend: uit de top-metabolieten werden er 2 (een substraat en een produkt) geselekteerd (op basis van hun metabool pad) en gebruikt als indexen om de aktiviteit te beoordelen in het deel van het pad tussen de 2 metabolieten. We gebruikten de verhoudingen van 2 metabolieten om de diurnale [de dagelijkse cyclus volgende] variatie van de concentratie van de metabolieten te elimineren.

Er werd een MLR [‘multipele logistische regressie’; een statische methode] -model ontwikkeld gebruikmakend van deze indexen. […] Dit model moest toelaten voorspellingen te doen voor een onafhankelijke bevestiging-groep. Het onderscheidend vermogen van het model werd beoordeeld d.m.v. ROC-analyse [zie samenvatting]. De veelzijdigheid van het model werd gevalideerd d.m.v. 200 testen met 10-voudige ‘cross-validation’ (CV [‘kruis-validatie’; een techniek om na te gaan welke resultaten de statistische analyse van een voorspellend model zal hebben voor onafhankelijke gegevens]): (1) De gegevens-sets werden willekeurig opgesplitst in groepen met 90% & 10% van de individuen. (2) Deze werden gebruikt voor de ontwikkeling van het model en de bevestiging, respectievelijk. (3) Deze procedure werd 10 maal herhaald en de accuraatheid van het model werd geëvalueerd d.m.v. de voorspellingen van de bevestiging-gegevens. Om optimistische vooringenomenheid bij de voorspelling te elimineren, deden we ook 200 testen met 10-voudige CV […].

Resultaten

We analyseerden het metaboloom-profiel van de gegevens 2 groepen: één voor training (n = 93) en één voor validatie (n = 40). […] Capillaire elektroforese ‘time-of-flight’ massa-spectrometrie (CE-TOFMS) identificeerde en kwantificeerde op een succesvolle manier 144 metabolieten. Om de metabolieten te identificeren die CVS-patiënten zouden kunnen onderscheiden van gezonde controls, selekteerden we metabolieten met een grote signaal/ruis verhouding (10) en weinig ontbrekende waarden. Dit resulteerde in 53 en 33 metabolieten in de training- en bevestiging-groep, respectievelijk. Daarvan werden 31 metabolieten consistent geobserveerd en gebruikt voor verdere analyses.

De statistische significantie van de verschillen tussen CVS-patiënten en gezonde controles werd bepaald. Eerst selekteerden we metabolieten met een grote marge tussen CVS en gezonde controles […] (SVM-FS [zie methodiek]), en vervolgens maakten we indexen op basis van de verhoudingen van 2 metabolieten om de 2 groepen te onderscheiden. Dan werd – op basis van deze indexen – een MLR-model [zie methodiek] ontwikkeld m.b.v. de gegevens van de training-groep en dit werd gevalideerd via gegevens van een onafhankelijke groep.

Representatieve metabolieten uit de training-gegevens werden gevisualiseerd in ‘paden’ [glycolyse, TCA-cyclus, ureum-cycus, glutamine-metabolisme]. Er werd geen significant verschil gezien wat betreft glucose-concentratie bij vergelijking van de 2 groepen. Bij glycolyse vertoonde de mediane concentratie van pyruvaat [ontstaat uit glucose] van de CVS-patiënten een neiging tot verhoging (P < 0.10) in verhouding tot deze van de gezonde controles. Tijdens de eerste stappen van de TCA-cyclus, vertoonden de concentraties van organische zuren bij de CVS-patiënten significante dalingen in verhouding tot deze van de gezonde controles: citraat (P < 0.05) & isocitraat (P < 0.05); cis-aconitaat bij CVS-patiënten neigde te dalen (P < 0.10). Het volgende metaboliet in de TCA-cyclus, malaat daalde significant (P < 0.05) bij CVS-patiënten. De verhouding pyruvaat/isocitraat was significant hoger bij CVS-patiënten dan bij gezonde controles (P < 0.01), wat een verstoring van de link tussen glycolyse en de TCA-cyclus weerspiegelt. In de ureum-cyclus waren er een significante daling van de concentraties van ureum (P < 0.01) en citrulline (P < 0.01) t.o.v. die bij gezonde controles, en een significante verhoging van de ornithine-concentratie (P < 0.05) bij CVS-patiënten. De verhouding ornithine/citrulline, die de metabole aktiviteit in de ureum-cyclus weerspiegelt, was significant hoger bij CVS-patiënten t.o.v. gezonde controles (P < 0.001). De verschillen van deze verhoudingen tussen CVS-patiënten en gezonde controles waren consistent bij de training- en bevestiging-datasets.

Bij het glutamine-metabolisme vertoonden glutamaat en glutamine geen significant verschil tussen de 2 groepen. De BCAAs (inclusief valine, leucine & isoleucine) bij CVS-patiënten vertoonden geen significant verschil t.o.v. deze bij gezonde controles.

SVM-FS rangschikte ornithine, citrulline, lactaat, isocitraat en pyruvaat als de top-5 metabolieten voor het onderscheiden van CVS-patiënten van gezonde controles. Van deze molekulen zijn ornithine en citrulline respectievelijk het substraat en het produkt van [het enzyme] ornithine-carbamoyl-transferase in de ureum-cyclus, dus gebruikten we de ornithine/citrulline verhouding als een index om de aktiviteit van dit mechanisme te bepalen. Op dezelfde manier gebruikten we ook de pyruvaat/isocitraat verhouding als een andere index om de aktiviteit van de glycolyse en de TCA-cyclus te bepalen. Een MLR-model dat deze indexen combineert, toonde ROC-analyse waarden van 0,801 [95% confidentie-interval (CI [zie bespreking]): 0,711-0,890; P < 0.0001] & 0,750 (95% CI: 0,584-0,916; P = 0.0069) voor de training- en bevestiging-datasets, respectievelijk. […] De 200 testen 10-voudige CV die we deden voor een rigoureuze validatie, leverden een hoge mediane waarde op voor de ROC: 0,784 (95% CI: 0,783-0,785), en ook 200 precisie-testen leverden ook hoge waarden op: 0,790 (95% CI: 0,783-0,796) en 0,758 (95% CI: 0,741-0,768) voor de training- en bevestiging-datasets, respectievelijk. Deze resultaten geven aan dat de combinatie van de ornithine/citrulline en pyruvaat/isocitraat verhoudingen CVS-patiënten duidelijk onderscheidde van gezonde controles.

Bespreking

In deze studie onthulden metaboloom-analyses van CVS-patiënten en gezonde controles dat de concentraties van organische zuren gerelateerd met de TCA-cyclus en het energie-metabolisme (zoals citraat, isocitraat en malaat), significant lager waren bij CVS-patiënten dan bij gezonde controles, hoewel de concentratie van glucose niet significant verschilde tussen de 2 groepen. Wat betreft de ureum-cyclus was de concentratie van ornithine bij CVS-patiënten significant hoger dan bij gezonde controles, terwijl die van citrulline significant lager was bij CVS-patiënten dan bij gezonde controles. De metabolieten van het glutamine-metabolisme en de BCAAs vertoonden geen significante verschillen tussen de CVS-patiënten en de gezonde controles. De gedaalde concentraties van organische zuren gerelateerd met de TCA-cyclus en het energie-metabolisme bij de CVS-patiënten suggereert dat ze gebreken hebben wat betreft de aanmaak van adenosine-trifosfaat (ATP), secundair aan ontregeling van de flow van pyruvaat naar citraat via acetyl-CoA; en abnormaliteiten bij de omzetting van citraat naar isocitraat door aconitase [enzyme]. Er wordt gedacht dat dit profiel de pathofysiologie weerspiegelt van het energie-metabolisme bij CVS. Aangezien meer dan 90% van de cellulaire energie wordt geproduceerd via de elektronen-transport-keten, wat een proces is waarmee ATP wordt gegenereerd gebruikmakend van O2 en elektron-donoren (zoals NADH2+) in de mitochondrieën, suggereren dalingen van de concentraties van organische zuren die betrokken zijn bij de TCA-cyclus een deficiëntie van de ATP-aanmaak bij CVS-patiënten [zie bv. Vermeulen RC et al. Patients with Chronic Fatigue Syndrome performed worse than controls in a controlled repeated exercise study despite a normal oxidative phosphorylation capacity. J Transl Med (2010) 8: 93]. Aconitase-aktiviteit is nauw verbonden met ATP-produktie; de inhibitie van aconitase vermindert de cellulaire energie-voorraad en induceert cel-dood. Aconitase bevat een 4Fe-4S cluster [motief van 4 ijzer- en 4 zwavel-ionen dat substraten kan binden] en is kwetsbaar voor oxidatieve stress. Naast een eerdere studie [Kennedy G et al. Oxidative stress levels are raised in Chronic Fatigue Syndrome and are associated with clinical symptoms. Free Radic Biol Med (2005) 39: 584-589] ondersteunen de bevindingen – dat CVS-patiënten (gerecruteerd via hetzelfde ziekenhuis als in deze studie hier) hogere oxidatieve stress vertonen t.o.v. gezonde controles [Fukuda S. et al. A potential biomarker for fatigue: Oxidative stress and anti-oxidative activity. Biological Psychology (2016) 118, 88-93] – de hypothese dat de daling van isocitraat kan voortvloeien uit de inaktivatie van aconitase via chronische oxidatieve stress. Inderdaad: er werd gerapporteerd dat spierpijn, één van de belangrijke symptomen van CVS, wordt geïnduceerd door oxidatieve stress. [Jammes Y. Chronic Fatigue Syndrome: assessment of increased oxidative stress and altered muscle excitability in response to incremental exercise. Journal of Internal Medicine (2005) 257: 299-310] De gedaalde concentraties van metabolieten in de eerste stappen van de TCA-cyclus bij CVS-patiënten weerspiegelen waarschijnlijk de pathofysiologie van vermoeidheid, wat de funktionele ontregeling van de flow van pyruvaat naar citraat aantoont. De plasma pyruvaat/isocitraat verhouding zou dus een geschikte merker voor dit type ontregeling kunnen zijn.

Wat betreft de BCAAs: er was geen significant verschil bij CVS t.o.v. gezonde controles. We rapporteerden al dat een model met vermoeide dieren stijgingen qua BCAAs (valine, leucine & isoleucine) toonde, wat zou kunnen worden geïnduceerd door de proteolyse van skelet-spieren na het ontzeggen van rust. [Jin G et al. Changes in plasma and tissue amino acid levels in an animal model of complex fatigue. Nutrition (2009) 25: 597-607] Dit in acht nemenende zou het kunnen dat aanhoudende spier-stress niet betrokken is bij CVS.

Een eerdere NMR metaboloom studie bij CVS rapporteerde een toename van het bloed-glucose en -lactaat alsook een daling van het urine-pyruvaat en -alanine bij CVS-patiënten, suggestief voor een mogelijke inhibitie van de glycolyse door de verminderde voorziening van adequate hoeveelheden acetyl-CoA vereist voor de citroenzuur-cyclus. [zie McGregor NR., Butt H.L et al. hierboven] Er waren enkele verschillen tussen deze studies en die van ons, waarschijnlijk te wijten aan de verschillende analytische methodes die werden gebruikt, t.t.z. NMR en CE-MS detekteren verschillende types metabolieten op basis van hun chemische eigenschappen. De ziekte-ernst bij individuen met CVS is een andere factor die verschillende wijzigingen van de metabolieten kan veroorzaken. Ondanks deze discrepanties, gaf de eerdere studie aan dat een dysfunktioneel energie-metabolism via de citroenzuur-cyclus een vermoeidheid-fenotype is. [zie ook McGregor NR., Butt H.L et al. hierboven] Deze hypothese is in overéénstemming met onze bevindingen dat de getoonde funktionele ontregeling van de flow in de TCA-cyclus de pathofysiologie van vermoeidheid zou kunnen weerspiegelen.

Onze bevindingen kunnen worden toegeschreven aan een kenmerkend metabool mechanisme bij een vermoeide toestand: de metabole flow van ornithine en glutamine naar succinaat in de TCA-cyclus via gamma-aminoboterzuur (GABA). Verhoogd ornithine in de ureum-cyclus bij vermoeidheid zou de upregulering van de flow van glutamaat naar de TCA-cyclus via GABA en het succinaat-pad kunnen veroorzaken. In de huidige studie waren de concentraties van citraat en isocitraat in de eerste stappen van de TCA-cyclus (gerelateerd met het energie-metabolisme) verminderd bij CVS-patiënten t.o.v. deze bij gezonde controles. Er was geen significant verschil qua succinaat-concentratie, die deze metabolieten van de TCA-cyclus volgt, tussen CVS-patiënten en gezonde controles. Dit suggereert dat aktivatie van het vermoeidheid-metabolisme bijdraagt tot de gedaalde energie-voorziening bij vermoeidheid.

Een eerdere studie rapporteerde dat de ornithine/citrulline verhouding een merker is die kan worden gebruikt om de aktiviteit van de ureum-cyclus te evalueren. [na hart-chirurgie]. Een toename van de ornithine/citrulline verhouding geeft een vertraging aan bij het start-punt van de ureum-cyclus waar ornithine wordt omgezet tot citrulline […], wat het eerste tussen-produkt is in deze cyclus […]. Onze resultaten tonen ook dat de ornithine/citrulline verhouding significant hoger was bij CVS-patiënten dan bij gezonde controles. Dit kan de enzymatische dysfunktie van carbamoyl-fosfaat-synthetase-I [enzyme in de mitochondrieën betrokken bij de aanmaak van ureum] […] of ornithine-transcarbamylase weerspiegelen bij CVS. Ornithine en citrulline (aangemaakt uit ornithine en carbamoyl-fosfaat door ornithine-transcarbamylase) zijn betrokken bij de detoxificatie in de lever – een belangrijke funktie. Er werd eerder [bij ratten] gerapporteerd dat citrulline ook wordt aangemaakt uit arginine via het NO-produktie pad en wordt gekatalyseerd door stikstof-oxide-synthase, dat ge-upreguleerd wordt door AMP-geaktiveerd (proteïne)-kinase [AMPK; een energie-voelend alarm-proteïne dat een dreigende energie-crisis in de cel voorkomt] in respons op een ADP/ATP-onevenwicht. Er zijn ook meldingen [patiënten met diabetes mellitus] dat het metabool evenwicht van citrulline en arginine de waarden van intracellulaire en extracellulaire lipiden-peroxidatie beïnvloedt. Een eerdere studie bij vermoeide ratten vond dat stikstof-oxiden en oxidatieve waarden in het plasma waren gestegen. Een andere studie rapporteerde dat thiobarbituurzuur-reaktieve lipoperoxiden verhoogd waren in lever-weefsel van vermoeide dieren. [Tanaka M. et al. Effects of epigallocatechin gallate in liver of an animal model of combined (physical and mental) fatigue. Nutrition (2008) 24: 599-603] Als men deze bevindingen tesamen beschouwt dan zouden de hogere waarden oxidatieve stress in het plasma & serum bij CVS een metabole ontregeling (zoals de inaktivatie van aconitase) kunnen veroorzaken, wat waarschijnlijk resulteert in de daling van isocitraat in de TCA-cyclus en de inhibitie van de metabole flow van ornithine naar citrulline in de ureum-cyclus.

Met ROC-waarden van 0,801 & 0,750 voor the training- en bevestiging-datasets, kunnen de 2 verhoudingen (pyruvaat/isocitraat & ornithine/citrulline in plasma) gebruikt worden om een onderscheid te maken tussen CVS-patiënten en gezonde controles. [De statistische analyses – kruis-validatie & precisie-testen – toonden een goede 95% CI (confidentie/betrouwbaarheid-interval; interval van betrouwbare waarden (schattingen) voor een bepaalde parameter) … wat de veelzijdigheid van het model bevestigt. De ROC-waarden van één enkele index (pyruvaat/isocitraat of ornithine/citrulline) … lagen lager dan deze van de 2 gecombineerde indexen.] We suggereren dat deze 2 verhoudingen objectieve index-merkers vertegenwoordigen die de snelle screening voor CVS kunnen vergemakkelijken.

In de huidige studie onthulde metaboloom-analyse gedaalde aktiviteit in de TCA-cyclus en de ureum-cyclus bij CVS-patiënten. Toepassing van de 2 verhoudingen (pyruvaat/isocitraat & ornithine/citrulline) welke een dergelijke ontregeling in deze 2 cycli bij CVS-patiënten kunnen weerspiegelen, maakten een onderscheid tussen CVS-patiënten en gezonde controles. Omdat onze bevindingen de pathofysiologische toestand van CVS zouden kunnen weerspiegelen, zouden ze kunnen bijdragen tot de objectieve diagnose maar ook tot de behandeling van tussen CVS-patiënten door het aanduiden van geschikte nutriënten (in te nemen via de voeding of supplementen).

Er waren meerdere beperkingen bij deze studie. Er zouden aanvullende studies met meer patiënten moeten worden uitgevoerd om de metabole ontregeling in de TCA-cyclus en de ureum-cyclus bij CVS te bevestigen. Het hier ontwikkelde onderscheiding-model dient verder te worden bevestigd bij een grotere populatie. Daarnaast zijn longitudinale metingen nodig om de veralgemeenbaarheid te bewijzen. Om CVS-patiënten te onderscheiden van gezonde controles, is het mogelijk dat andere combinaties van gemeten metabolieten ook kunnen worden gebruikt. Het gebruik van de verhouding van 2 metabolieten als een index, i.p.v. één enkele metaboliet-concentratie, zou echter de inconsistentie wat betreft globale concentratie (diurnale variatie) elimineren. In deze studie gebruikten we enkel de gegevens die werden geïdentificeerd via onze standaard ‘bibliotheek’ [de gevonden massa-spectrometie (MS) pieken werden vergeleken met die van gekende molekulen] terwijl TOF-MS ‘onbekende’ gegevens biedt. De pieken waar geen ‘gekende’ molekule voor bekend is maar die wel potentieel onderscheidend kunnen zijn, zouden ook moeten worden geanalyseerd in toekomstige studies, om andere merkers te identificeren en een accurater onderscheid te bieden. Het aantal pieken met signaal/ruis ≥ 10 verschilde tussen de training- en bevestiging-gegevens. […] Verschillende factoren [technische instellingen van de instrumenten] kunnen de gevoeligheid [van de MS-detektie] van de gegevens beïnvloeden. Er zou een meer rigoureuze kwaliteit-controle moeten worden toegepast bij toekomstige studies. Tijdsverloop-analyses van het metaboloom-profiel bij individuele patiënten gedurende korte en lange periodes kunnen helpen om de diagnose accurater te stellen.

Samengevat: onze studie toonde een abnormaal energie-metabolisme profiel voortvloeiend uit deficiënties qua aconitase-aktiviteit in de TCA-cyclus en ontregeling in de ureum-cyclus bij CVS-patiënten. Twee verhoudingen (pyruvaat/isocitraat & ornithine/citrulline), waarvan de veranderingen inaktiviteit van de 2 vermelde cycli bij CVS kunnen weerspiegelen, zouden bruikbare index-merkers kunnen zijn om CVS-patiënten van gezonde controles te onderscheiden. Hoewel een verder grootschalig onderzoek nodig is, biedt de index die werd geïdentificeerd in deze studie overtuigend bewijs dat een klinisch diagnostisch instrument voor CVS kan worden ontwikkeld op basis van de verhoudingen van kleine molekulen in het plasma.

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.