M.E.(cvs)-wetenschap

augustus 26, 2018

Mogelijke rol van mest-cellen bij inflammatie in de hypothalamus bij M.E.(cvs)

We hadden in het op deze pagina’s al over de suggestie dat mest-cellen – mastocyten; een type immuun-cellen die een rol spelen bij allergie en overgevoeligheid, ook betrokken bij wond-heling en verdediging tegen pathogenen – mogelijks betrokken zijn bij de pathogenese van M.E.(cvs) en hoe het gebruik van natuurlijke flavonoïden, organische verbindingen uit planten, bepaalde symptomen zouden kunnen verlichten (zie Hersen-mist, inflammatie – behandeld met luteoline?’).

Anderen opperden dat mest-cel aktivatie betrokken kan zijn bij ander symptomen die voorkomen bij M.E.(cvs) (zie Mest-cel aktivatie aandoeningen bij POTS (& CVS?)’).

Theoharis C. Theoharides van het Laboratorium of Molekulaire Immunofarmacologie, Departement Immunologie van de ‘Tufts University School of Medicine’ in Boston is zowat dé specialist op het gebied van mest-cellen.

Prof. Theoharides heeft een aantal patenten aangevraagd en heeft het daarbij over “samenstellingen met anti-inflammatoire effekten die het resultaat zijn van de aktivatie en daaropvolgende degranulatie van mest-cellen met sekretie van inflammatoire molekulen”. Die omvatten “één of meerdere flavonen of flavonoïd-glycosiden, een sterk gesulfateerd proteoglycan, een ongerafineerde olijfpitten-extract […], een hexosamine-sulfaat zoals D-glucosamine-sulfaat, S-adenosylmethionine, een histamine-1 receptor antagonist, een histamine-3 receptor agonist, een antagonist van de werking van CRH, een lange-keten onverzadigd vetzuur, een fosfolipide, Krill-olie [omega-3 vetzuren], een polyamine, glutiramer-acetaat en interferon”. Onderzoeken daaromtrent lopen… Zoals eerder meegegeven creëerde Theoharides (bij het bedrijf Algonot Inc.) flavinoïd-rijke supplementen (zoals bv. Neuroprotek dat luteoline, quercetine en rutine bevat). Er zijn een aantal aanwijzingen voor een mogelijke werking maar nog geen échte wetenschappelijk bewijzen…

Dit overzicht geeft de context voor en de hypothese over het mogelijk ontstaan van hersen-inflammatie door toedoen van mest-cellen. De stukken over ‘Metabole onregelmatigheden’, ‘Het verband tussen M.E./CVS en metabole ziekte’ en ‘Mitochondriale dysfunktie’ laten we nu achterwege omdat dit hier al meermaals aan bod is gekomen. Als de geïnteresseerde lezer alsnog de tekst wil lezen, kan men deze aanvragen…

————————-

Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics (augustus 2018)

Myalgic Encephalomyelitis/Chronic Fatigue Syndrome – Metabolic Disease or Disturbed Homeostasis due to Focal Inflammation in the Hypothalamus?

Erifili Hatziagelaki, MD, PhD, Maria Adamaki, PhD, Irene Tsilioni, PhD, George Dimitriadis, MD, Theoharis C. Theoharides, MS, MPhil, PhD, MD

Second Department of Internal Medicine, Attikon General Hospital, Athens Medical School, Athens, Greece (EH, MA, GD)

Laboratory of Molecular Immunopharmacology and Drug Discovery, Department of Immunology, Tufts University School of Medicine, Boston, MA, USA (IT, TCT)

Sackler School of Graduate Biomedical Sciences, Tufts University School of Medicine, Boston, MA, USA (TCT)

Departments of Internal Medicine and Psychiatry, Tufts University School of Medicine and Tufts Medical Centre, Boston, MA, USA (TCT)

Samenvatting

Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een complexe ziekte die wordt gekenmerkt door invaliderende vermoeidheid, die voor minstens 6 maanden aanhoudt, samen met malaise, hoofdpijn, slaap-stoornissen en cognitieve problemen, met een ernstige impact op de levenskwaliteit. Een significant percentage M.E./CVS-patiënten krijgt geen diagnose, voornamelijk door de complexiteit van de ziekte en het gebrek aan betrouwbare objectieve biomerkers. M.E./CVS-patiënten vertonen een verminderd metabolisme en de ernst van de symptomen lijkt direct gecorreleerd met de graad van de metabole reductie die wellicht per individu verschilt. De precieze pathogenese is echter nog onbekend, wat de ontwikkeling van doeltreffende behandelingen bemoeilijkt. Het M.E./CVS-fenotype bleek geassocieerd met abnormaliteiten qua energie-metabolisme, klaarblijkelijk te wijten aan mitochondriale dysfunktie, in afwezigheid van mitochondriale ziekten, resulterend in een gedaald oxidatief metabolisme: mitochondrieën kunnen verder bijdragen tot de M.E./CVS-symptomatologie door de extracellulaire sekretie van mitochondriaal DNA, dat kan fungeren als een ‘aangeboren’ pathogen en een auto-inflammatoire toestand kan creëren in de hypothalamus. We stellen voor dat stimulatie van hypothalamische mest-cellen door neuro-immune pathogene en stress-triggers uit de omgeving microglia aktiveert, leidend tot focale inflammatie in het brein en tot verstoorde homeostase. Dit proces zou het doelwit kunnen worden voor de ontwikkeling van nieuwe doeltreffende behandelingen.

Inleiding

[…]

Er bleek een aantal mechanismen en molekulen betrokken bij de pathogenese van M.E./CVS. Auto-immune en metabole mechanismen lijken belangrijke rollen te spelen in de pathophysiologie van M.E./CVS. Neuro-immune en neuro-endocriene processen zouden ook betrokken maar die zijn nog grotendeels onbekend. Er werden klinische en sub-klinische virale infekties verdacht maar nooit bevestigd, als een mogelijke risico-factor voor de ontwikkeling van M.E./CVS. De betrokkenheid van neuro-inflammatie van de hersenen werd gesuggereerd zonder enig specifiek pathogeen mechanisme. Hier geven we een overzicht van de kennis omtrent de verbanden tussen M.E./CVS en metabole ziekte, en stellen voor dat focale inflammatie in de hypothalamus – te wijten aan de lolale aktivatie van mest-cellen en microglia – de homeostase kan wijzigen en een doelwit kan vormen voor nieuwe therapeutische benaderingen.

Metabole onregelmatigheden

[tekst beschikbaar op aanvraag]

Het verband tussen M.E./CVS en metabole ziekte

[tekst beschikbaar op aanvraag]

Mitochondriale dysfunktie

[tekst beschikbaar op aanvraag]

Focale inflammatie in de tussenhersenen en dysfunktionele HPA-as

Er werd gesuggereerd dat neuro-inflammatie [Nakatomi Y et al. Neuroinflammation in Patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: An 11C-(R)-PK11195 PET Study. J Nucl Med (2014) 55: 945-950] en immuun-dysfunktie [Nijs J et al. Altered immune response to exercise in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: a systematic literature review. Exerc Immunol Rev (2014) 20: 94-116 /// Trivedi MS et al. Identification of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome-associated DNA methylation patterns. PLos One (2018) 13: e201066] betrokken zijn bij de pathogenese van M.E./CVS maar de serum-waarden van pro-inflammatoire cytokinen werden niet bevestigd. Er is aanzienlijk bewijs dat aangeeft dat M.E./CVS wordt gekenmerkt door dysfunktie van de HPA-as en het is bekend dat de symptomen verergeren bij stress. Stress kan ook obesitas en cardiovasculaire voorvallen verergeren of precipiteren, door lokale inflammatie.

Corticotropine-afgevend hormoon (CRH) wordt gesekreteerd door de hypothalamus onder stress en stimuleert de HPA-as via aktivatie van 2 types of G-proteïne gekoppelde receptoren: CRHR-1 and CRHR-2 [signaaloverdracht via een trans-membranair systeem]. CRH dat wordt gesekreteerd bij acute stress bleek geïmpliceerd in de pathofysiologie van neuro-inflammatoire aandoeningen en myocard-infarct (MI).

We stellen voor dat stimulatie van hypothalamische mest-cellen door factoren in het milieu, neurale, immuun-pathogene (Lyme, mycotoxinen) of stress-triggers (CRH, somatostatine) microglia aktiveren, leidend tot focale inflammatie en verstoorde homeostase. [Samengevat: de voorgestelde mest-cell/microglia interakties in de hypothalamus dragen als volgt bij tot de pathogenese van M.E./CVS. Hypothalamische mest-cellen worden gestimuleerd door met stress geassocieerde triggers (zoals CRH, substantie-P & z’n homoloog hemokine-1) samen met mtDNA en IL-33. Gestimuleerde mest-cellen sekreteren dan molekulen zoals CXCL8, neurotensine, TNF, tryptase en mtDNA, die dan microglia aanzetten tot de afgifte van inflammatoire molekulen zoals IL-1β, IL-6 en CXCL8 die de homeostase verder ontregelen, mitochondriale dysfunktie veroorzaken en leiden tot de symptomen van M.E./CVS. Luteoline zou deze processen op meerdere niveaus kunnen inhiberen.] Mest-cellen en/of microglia triggers kunnen voortkomen uit de neus-holte of de hersenen bereiken door een verstoorde BBB [bloed-brein-barrière] of via de lymfevaten. Gestimuleerde mest-cellen zouden molekulen kunnen sekreteren die de homeostase op een directe manier kunnen wijzigen (via afgifte van CRH, urocortine [proteïne van de corticotropine-afgevende factor (CRF) familie; betrokken bij de stress-respons]) of microglia aktiveren (via sekretie van histamine, tryptase [enzyme] en mtDNA [mitochondriaal DNA]). Microglia geven dan meer inflammatoire molekulen (IL-1ß, IL-6 & CCL2 [cytokine/chemokine; chemokine (C-C motief) ligand 2 ook monocyten-aantrekkend proteïne 1 (MCP1) genoemd]) af, die de homeostase verder ontregelen, mitochondriale dysfunktie veroorzaken en bijdragen tot centrale én perifere vermoeidheid. Er werd gerapporteerd dat geaktiveerde microglia bijdragen tot de pathofysiologie van slaap-stoornissen. De betrokkenheid van meer dan één trigger kan leiden tot een significant verhoogde respons, en de trigger-drempel van mest-cellen én microglia verlagen, wat aanleiding geeft tot chronische symptomen.

Mest-cellen zijn unieke weefsel immuun-cellen betrokken bij allergische reakties maar die ook werken als sensoren voor omgeving- en psychologische stress. Zelfs indien we stimulatie van mest-cellen in de hypothalamus inroepen, betekent dit niet noodzakelijk dat mest-cellen noodzakelijkerwijs gestimuleerd zouden moeten zijn buiten het CZS. Niettemin zijn er rapporten geweest over een verband tussen M.E./CVS en acute rhinitis [ontsteking van het neusslijmvlies], inclusief significant hogere TNF & CXCL8 [chemokine; ook interleukine-8 (IL-8) of neutrofiel-aktiverende factor (NAF) genoemd] -waarden in lavage-vocht uit de neus. Daarnaast waren chronische rhinosinusitis symptomen significant erger bij patiënten met M.E./CVS [Chester AC. Symptoms of rhinosinusitis in patients with unexplained chronic fatigue or bodily pain: a pilot study. Arch Intern Med (2003) 163: 1832-1836], blijkbaar door niet-allergische rhinitis [Baraniuk JN & Ho LU The nonallergic rhinitis of Chronic Fatigue Syndrome. Clin Allergy Immunol 19 (2007): 427-447]. Het is goed bekend dat zowel allergische als aanhoudende rhinitis de aktivatie van mest-cellen omvatten. Er werd gerapporteerd dat de incidentie van M.E./CVS hoger lag bij patiënten met een voorgeschiedenis van atopie [de aanleg om immunglobuline (Ig)-E (antistoffen) aan te maken specifiek gericht tegen stoffen uit de omgeving] [Yang TY et al. Increased Risk of Chronic Fatigue Syndrome Following Atopy: A Population-Based Study. Medicine (Baltimore) (2015) 94: e1211]. Er werden overigens meer circulerende bloed mest-cel voorlopers gevonden bij M.E./CVS-patiënten [Nguyen T et al. Novel characterisation of mast cell phenotypes from peripheral blood mononuclear cells in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis patients. Asian Pac J Allergy Immunol (2017) 35: 75-81].

Mest-cellen zijn perivasculair [rond de bloedvaten] gelokaliseerd in de hypothalamus, de thalamus en het derde [hersen]ventrikel [omvat de ‘plexus chorioides’ waar hersenvocht aangemaakt wordt] van het diencefalon [tussenhersenen]. CRH kan mest-cellen stimuleren in de hypothalamus aangezien het CRHR-1 gen tot expressie komt op menselijke gecultiveerde mest-cellen: aktivatie daarvan induceert de aanmaak van vasculaire endotheliale groei-factor (VEGF) door de hersenen. Bovendien wordt CRH gesynthetiseerd door mest-cellen, wat impliceert dat het autocriene effekten [waarbij de uitgescheiden stoffen op de eigen cel inwerken] kan hebben. Interessant: zelfs somatostatine stimuleert mest-cellen. Mest-cellen worden ook gevonden in de pijnappelklier, hypofyse en schildklier, wat hun bijdrage tot de symptomen van M.E./CVS (zoals slaap-stoornissen, dysfunktionele HPA-as en vermoeidheid te wijten aan een dysfunktionele schildklier) verder uitbreidt. Mest-cellen zijn goed gekend voor hun rol bij allergie, wat de permeabileit van de bloed-brein-barrière (BBB) kan verhogen, leidend tot inflammatie-reakties; maar mest-cellen worden nu als belangrijk beschouwd bij aangeboren en verworven immuniteit, antigen-presentatie en inflammatie [Theoharides TC et al. Mast cells and inflammation. Biochim Biophys Acta (2010) 1822: 21-33].

Mest-cellen kunnen gestimuleerd worden door neuronen, hormonen, omgeving-, neuro-immune, pathogene en stress-triggers. [Stimuleren degranulatie: o.a. acetylcholine, adenosine, complement-fragmenten, IgE, IgG1, IgG4, histamine, serotonine, tryptase /// Stimuleren selektieve release van mediatoren zonder degranulatie: o.a. ATP, Borrelia burgdorferi, CRH, zware metalen, IL-33, mycotoxinen, LPS, virussen]. Reaktieve zuurstof soorten (ROS) kunnen mest-cellen ook stimuleren. Mest-cellen sekreteren ook leptine dat kan bijdragen tot cachexie [veralgemeende zwakte-toestand] en vermoeidheid. Mest-cellen sekreteren wel 100 verschillende mediatoren, dikwijls op een selektieve manier zonder degranulatie [Theoharides TC et al. Differential release of mast cell mediators and the pathogenesis of inflammation. Immunol Rev (2007) 217: 65-78] en gebruikmakend van verschillende sekretorische mechanismen. Mest-cellen kunnen ook ‘danger’-signalen [molekulen die attenderen op beschadiging/infektie] sekreteren [Theoharides TC. Danger Signals and Inflammation. Clin Ther (2016) 38: 996-999], inclusief veel chemokinen en cytokinen, en bijzonderlijk mitochondriaal DNA (mtDNA) (Zhang B et al. Stimulated human mast cells secrete mitochondrial components that have autocrine and paracrine inflammatory actions. PloS One (2012) 7:e49767] dat als een ‘aangeboren pathogen’ kan werken en leidt tot een plaatselijke auto-inflammatoire respons in de hersenen [Collins LV et al. Endogenously oxidized mitochondrial DNA induces in vivo and in vitro inflammatory responses. J Leukoc Biol (2004) 75: 995-1000 /// Theoharides TC et al. The “missing link” in autoimmunity and autism: Extracellular mitochondrial components secreted from activated live mast cells. Autoimmun Rev (2013) 12: 1136-1142]. Extracellulair mtDNA kan ofwel direct gesekreteerd worden in het diencefalon of het brein bereiken via lymfevaten. We rapporteerden dat mtDNA verhoogd is in het serum van kinderen met autisme spectrum aandoening (ASD). Van mest-cellen afkomstige mediatoren kunnen microglia dan stimuleren [Zhang X et al. Induction of Microglial Activation by Mediators Released from Mast Cells. Cell Physiol Biochem (2016) 38:1520-1531] om bijkomende pro-inflammatoire en homeostase-verstorende molekulen [de cytokinen IL-1β, IL-6 & TNF, en de chemokinen CCL2, CXCL8 & CCL5] te sekreteren, wat bijdraagt tot vermoeidheid en neuropsychiatrische symptomen [studie bij autisme spectrum stoornissen]. Het is interessant dat peptide-Y [stress-mediator] gestegen bleek te zijn in het plasma van patiënten met M.E./CVS en significant correleerde met stress [Fletcher MA et al. Plasma neuropeptide Y: a biomarker for symptom severity in chronic fatigue syndrome. Behav Brain Funct (2010) 6: 76], aangezien van dit peptide is geweten dat het mest-cellen stimuleert.

Een belangrijk onderdeel is dat de combinatie van triggers waarschijnlijk een belangrijker pathogenetische rol speelt dan individuele triggers. Bv.: we rapporteerden dat de combinatie van CRH en NT een synergistische werking vertonen bij het stimuleren van de VEGF-afgifte zonder tryptase van menselijke mest-cellen, alsook het induceren van de expressie van hun receptoren op menselijke mest-cellen. We toonden ook dat de combinatie van SP en IL-33 synergistisch werken bij het stimuleren van TNF-sekretie zonder tryptase door menselijke gecultiveerde mest-cellen [Taracanova A et al. SP and IL-33 together markedly enhance TNF synthesis and secretion from human mast cells mediated by the interaction of their receptors. Proc Natl Acad Sci USA (2017) 114: E4002-E4009].

CRH wordt dikwijls afgegeven tesamen met een ander peptide, neurotensine (NT) [neurotransmitter], dat vaso-aktief is en ook geïmpliceerd bleek bij inflammatie en neurologische ziekten. NT is verhoogd in de huid na acute stress en verhoogt de vasculaire doorlaatbaarheid, een effekt dat synergistisch is met CRH.

Mest-cellen worden ook gestimuleerd door het peptide Substantie-P (SP [neuropeptide dat funktioneert als een neurotransmitter en als een neuromodulator; zie ‘Mest-cellen & Substantie-P]) […] en er werd aangetoond dat het deelneemt in inflammatoire processen. IL-33 is een lid van de IL-1 familie van cytokinen en dook op als een vroeg waarschuwing-signaal (‘alarmine’ [alarminen zijn endogene molekulen die weefsel- en cel-schade signaliseren]) bij auto-immune of inflammatoire processen. IL-33 wordt afgegeven door fibroblasten en endotheliale cellen maar ook door mest-cellen. IL-33 verhoogt het effekt van IgE op de sekretie van histamine door mest-cellen en basofielen; maar er zijn geen rapporten over het effekt van IL-33 op zichzelf of in combinatie met SP op de sekretie van IL-1ß door menselijke mest-cellen. Substantie-P stimuleerde de afgifte van VEGF, een werking die wordt verhoogd door IL-33.

We toonden dat de stimulatie van menselijke mest-cellen door SP tesamen met IL-33 de sekretie en gen-expressie van het pro-inflammatoir cytokine TNF uitgesproken doet stijgen [zie Taracanova A et al. hierboven]. Interessant is dat chronische rhinosinusitis, wat (zoals eerder besproken) vrij courant voorkomt bij M.E./CVS, geassocieerd bleek met hoge waarden van nasaal IL-33, wat de hypothalamus kan bereiken via de cribriforme plexus [‘zeefvormig netwerk’; het hersenvlies rond de reukzenuw gaat door het zeefbeen (cribriforme plaat) en gaat over in lymfevaten die het hersenvocht door de lymfeknopen pompen].

Is er een behandeling die werkt?

Er zijn momenteel geen door de FDA goedgekeurde medicijnen drugs voor M.E./CVS, en de beschikbare psychologische, fysieke en farmacologische interventies lijken niet doeltreffend. Mitochondrieën lijken een aantrekkelijk doelwit voor medicijnen bij de behandeling van M.E./CVS, maar andere artikels rapporteerden geen klaarblijkelijke wijziging van de ATP-produktie [Shungu DC et al. Increased ventricular lactate in Chronic Fatigue Syndrome. III. Relationships to cortical glutathione and clinical symptoms implicate oxidative stress in disorder pathophysiology. NMR Biomed (2012) 25: 1073-1087]. Chemokinen en cytokinen werden voorgesteld als doelwitten voor neuro-inflammatoire aandoeningen maar die werden niet uitgeprobeerd bij M.E./CVS.

De peroxisoom proliferator geaktiveerde receptor (PPAR [peroxisoom proliferator geaktiveerde receptoren zijn een groep receptor-eiwitten in de cel-kern die als transcriptie-factoren de expressie van bepaalde genen reguleren]) agonist bezafibraat [bedoeld als vet-verlagend middel] verbeterde de mitochondriale funktie door stimulatie van mitochondriale biogenese en het verhogen van de efficiëntie van de oxidatieve fosforylatie in een aantal studies [Systemische Lupus Erythematosus, Huntington’s]. Er werd ook gesuggereerd dat – aangezien vermoeidheid geassocieerd is met hypotensie bij M.E./CVS-patiënten – het verhogen van de bloeddruk een doeltreffende therapeutische benadering kan betekenen voor dit symptoom. Alhoewel eerdere studies aangaande het gebruik van het mineralcorticoïd fludrocortison geen verbetering kon aantonen, heeft het aanwenden van de agonist midodrine [alfa-adrenerge agonist voor de behandeling van orthostatische hypotensie] om de bloeddruk te doen stijgen, enige verbetering van de vermoeidheid opgeleverd [Naschitz J et al. Midodrine treatment for Chronic Fatigue Syndrome. Postgrad Med J (2004) 80: 230-232]. Interessant is dat werd getoond dat angiotensine-II inhibitoren het mitochondriaal membraan potentiaal verhogen, mitochondriale funktie verbeteren en mitochondriale biogenese stimuleren. Inderdaad: er werd getoond dat blokkage van angiotensine-II de aanvang van T2DM [diabetes type-2] bij muizen voorkomt door het verhogen van de vet-oxidatie, triglyceriden in spieren vermindert en de glucose-tolerantie verbetert. De angiotensine-receptor blokker telmisartan [bloeddruk-verlagend middel] verbetert de mitochondriale dysfunktie door het versterken van mitochondriale biogenese en het beschermen tegen beschadiging van vasculaire en endotheliale cellen. Op dezelfde manier werd getoond dat de angiotensine-receptor blokker losartan [wordt gebruikt bij de behandeling van verhoogde bloeddruk] de werking van de mitochondriale respiratoire keten en co-enzyme-Q10 (CoQ10) inhoud verbetert bij hypertensieve dieren. Gezien de bloeddruk-verlagende effekten van deze middelen is het echter onwaarschijnlijk dat ze nuttig zouden zijn bij M.E./CVS, uitgezonderd bij een selekte groep patiënten misschien.

Meerdere natuurlijke stoffen kunnen een voordelig effekt hebben op de mitochondriale funktie. Magnesium-ionen spelen cruciale rollen bij het energie-metabolisme en het behouden van normale spier-funktie, als positief aktieve regulator van de glycolyse en van alle enzymatische reakties waarbij de transfer van fosfaat-groepen van ATP betrokken is. Meerdere studies hebben aangetoond dat magnesium-ion supplementen de spierkracht significant verhogen en optimale lichamelijke aktiviteit-prestaties bij mensen bewaren. Bij dieren lijkt deze verbetering van inspanning-prestaties te geschieden via het verhogen van de beschikbaarheid van glucose in de hersenen en spieren, en via het verminderen/vertragen van lactaat-accumulatie. Magnesium-sulfaat kan ook de mitochondriale respiratoire funktie verbeteren en de aanmaak van stikstof-oxide in het brein voorkomen.

Coenzyme-Q10 deficiëntie werd gerapporteerd bij patiënten met M.E./CVS. De toediening van CoQ10 aan M.E./CVS-patiënten gaf echter geen voordeel [Campagnolo N et al. Dietary and nutrition interventions for the therapeutic treatment of Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: a systematic review. J Hum Nutr Diet (2017) 30: 247-259]. [Een Spaans onderzoeksteam rapporteerde “een significante verbetering qua vermoeidheid”; zie ‘Oraal Co-enzyme Q10 plus NADH voor M.E.(cvs)]

In de natuur voorkomende flavonoïden hebben krachtige anti-oxidante, anti-inflammatoire en neuroprotectieve werkingen en worden over het algemeen als veilig beschouwd. Het flavonoïd genisteïne verlicht spier-vermoeidheid bij mensen door het downreguleren van oxidatieve stress en het versterken van de aktiviteit van anti-oxidante enzymen. De flavonoïden epigallocatechine, naringine [polyfenol anti-oxidant] en curcumine kunnen M.E./CVS-symptomen verbeteren in experimentele modellen [ratten & muizen]. Andere rapporten documenteerden gelijkaardige chronische vermoeidheid verlichtende effekten voor de Astragalus [belangrijk kruid in de traditionele chinese geneeskunde] flavonoïden [ononine, formononetine & demethylhomopterocarpine] [Kuo YH et al. Astragalus membranaceus flavonoids (AMF) ameliorate Chronic Fatigue Syndrome induced by food intake restriction plus forced swimming. J Ethnopharmacol (2009) 122: 28-34] en olijven-extract [Gupta A et al. Possible role of oxidative stress and immunological activation in mouse model of Chronic Fatigue Syndrome and its attenuation by olive extract. J Neuroimmunol (2010) 226: 3-7]. Van de isoflavonen genisteïne en daidzeïne werd een omkering getoond van de effekten van poly-inosine:poly-cytidine zuur (poly I:C) [synthetisch dubbel-strengig RNA] op locomotor-aktiviteit bij muizen en expressie van brein-inflammatie mediator in een muizen-model voor vermoeidheid [Vasiadi M et al. Isoflavones inhibit poly(I:C)-induced serum, brain, and skin inflammatory mediators – relevance to chronic fatigue syndrome. J Neuroinflammation (2014) 11: 168]. Quercetine [flavonoïd; zie ook ‘Quercetine – Effekt op mitochondriale biogenese & inspanning-tolerantie] lijkt de inspanning-tolerantie te verhogen door het verlichten van oxidatieve stress in muizen-hersenen, en ter zelfder tijd een anti-oxidante en anti-inflammatoire werking te verlenen [Davis JM et al. Quercetin increases brain and muscle mitochondrial biogenesis and exercise tolerance. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol (2009) 296: R1071-R1077].

Luteoline onderdrukt de adipocyten [vet-cellen] -aktivatie van macrofagen en inflammatie, terwijl het de insuline-sensitiviteit van het endothelium verhoogt [Deqiu Z et al. Luteolin inhibits inflammatory response and improves insulin sensitivity in the endothelium. Biochimie (2011) 93: 506-512]. Luteoline inhibeert ook mest-cellen [Weng Z et al. The novel flavone tetramethoxyluteolin is a potent inhibitor of human mast cells. J Allergy Clin Immunol (2015) 135: 1044-1052] en microglia. In deze context is het interessant dat luteoline verbetering gaf van symptomen van ASD, post-Lyme syndroom en hersen-mist; in open-label testen. We toonden dat tetramethoxyluteoline krachtiger is dan luteoline wat betreft het vermogen om menselijke gecultiveerde microglia en mest-cellen te inhiberen [Patel AB & Theoharides TC. Methoxyluteolin Inhibits Neuropeptide-stimulated Proinflammatory Mediator Release via mTOR Activation from Human Mast Cells. J Pharmacol Exp Ther (2017) 361: 462-471]. Intranasale toediening van selekte flavonoïden kunnen inflammatie in de hypothalamus reduceren en de centrale pathogenese van M.E./CVS corrigeren. Er zijn nieuwe behandelingen nodig om de centrale pathogene processen aan te pakken. Bv.: er werd getoond dat intranasale toediening van curcumine ingekapseld in microvesikels inflammatie van het brein in een muizen-model inhibeert [Sun D et al. A novel nanoparticle drug delivery system: the anti-inflammatory activity of curcumin is enhanced when encapsulated in exosomes. Mol Ther (2010) 18: 1606-1614].

Besluiten

Over het geheel genomen bleek het M.E./CVS-fenotype verband te houden met klaarblijkelijke abnormaliteiten in het metabool profiel, mogelijks te wijten aan lokale inflammatie in de hypothalamus. Molekulen die de inflammatie in het brein zouden kunnen inhiberen, zoals tetramethoxy-luteoline of het anti-inflammatoir cytokine IL-37 [Mastrangelo F et al. Low-grade chronic inflammation mediated by mast cells in fibromyalgia: role of IL-37. J Biol Regul Homeost Agents (2018) 32: 195-198.] kunnen potentiële behandel-opties zijn.

Advertenties

augustus 12, 2018

Identificatie van M.E.(cvs) DNA-methylatie patronen

Filed under: Genetica — mewetenschap @ 6:47 am
Tags: , , , , ,

Methylatie van genen – het toevoegen van/ binden met methyl (CH3)-groepen (op een cytosine (C) nucleotide van DNA) – verandert hoe onze genen tot expressie komen. Eenvoudig uitgedrukt: de werking van een gen wordt gewijzigd zonder dat de onderliggende DNA-sequentie verandert. Veel/meer methylatie kan gen-expressie verminderen/stilleggen en geen methylatie betekent dat gen-expressie wordt aangezet (transcriptie van DNA naar mRNA). DNA-methylatie komt dus voornamelijk voor op de cytosinen van CpG dinucleotide ‘sites’.

CpG-eilanden zijn gebieden/ DNA-fragmenten waar veel CpG-‘sites’ voorkomen; formeel: een gebied van minstens 200 baseparen (bp) met een GC (cytosine-guanosine dinucleotiden) -percentage > 50%. Meestal liggen die ‘upstream’ (vóór) van genen. Ze komen voor in ongeveer de helft van gen-promoters, zijn resistent voor methylatie en veelal geassocieerd met genen die frequent ‘aan’ staan.

Een promoter is een nucleotide-sequentie vóór een gen dat dient als startplaats, aanknopingspunt voor DNA-transcriptie; waarop RNA-polymerase kan binden met behulp van transcriptie-factoren, om transcriptie – vrij vertaald ‘overschrijving’ naar RNA – te starten.

————————-

PLoS One Vol 13, #7, p e0201066 (juli 2018)

Identification of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome-associated DNA methylation patterns

Malav S. Trivedi (1), Elisa Oltra (2), Leonor Sarria (3), Natasha Rose (1), Vladimir Beljanski (4), Mary Ann Fletcher (3,5), Nancy G. Klimas (3,5), Lubov Nathanson (3)

1 College of Pharmacy, Nova Southeastern University, Fort Lauderdale, United States of America

2 School of Medicine and Dentistry, Catholic University of Valencia, Valencia, Spain

3 Institute for Neuro Immune Medicine, Dr. Kiran C. Patel College of Osteopathic Medicine, Nova Southeastern University, Fort Lauderdale, United States of America

4 Cell Therapy Institute, Dr. Kiran C. Patel College of Allopathic Medicine, Nova Southeastern University, Fort Lauderdale, United States of America

5 Miami VAMC, Miami, Florida, United States of America

Samenvatting

Achtergrond Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een complexe aandoening waarbij meerdere orgaan-systemen betrokken zijn en die wordt gekenmerkt door aanhoudende uitputtende vermoeidheid, immuun-dysfunktie, neurologische problemen en andere symptomen, gedurende minstens 6 maanden. Verstoring van DNA-methylatie patronen werd reeds gelinkt met verscheidene immuun- en neurologische ziekten; de status van M.E./CVS blijft echter onzeker. Onze studie probeerde wijzigingen van de DNA-methylatie patronen te identificeren die verband houden met M.E./CVS.

Methodes We haalden genomisch DNA uit perifeer bloed mononucleaire cellen van 13 M.E./CVS studie-deelnemers en 12 gezonde controles, en bekeken de globale DNA-methylatie d.m.v. een op ELISA lijkende methode en de plaats-specifieke methylatie-status d.m.v. ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays [‘genen-chips’]. Een validatie d.m.v. pyro-sequentie-bepaling omvatte 33 M.E./CVS-patiënten en 31 controles van 2 geografisch uitéénliggende lokaties.

Resultaten De globale DNA-methylatie waarden van M.E./CVS-individuen waren gelijkaardig met die van controles. De micro-array benadering liet echter toe de detektie toe van 17.296 differentieel gemethyleerde CpG-plaatsen op 6.368 genen (regulerende elementen en binnen coderende gebieden van genen). Analyse van de DNA-methylatie in promoter-gebieden onthulde 307 differentieel gemethyleerde promoters. ‘Ingenuity Pathway Analysis’ gaf aan dat genen die geassocieerd zijn met differentieel gemethyleerde promoters voorkwamen in ten minste 15 verschillende mechanismen, meestal gerelateerd met cel-signalisering en met een sterke immune component.

Besluiten Dit is de eerste studie die genoom-brede epigenetische veranderingen heeft onderzocht die geassocieerd zijn met M.E./CVS, gebruikmakend van de geavanceerde ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays die ca. 850.000 CpG-sites beslaan en dit in 2 geografisch verwijderde of M.E./CVS-groepen en gematchte controles. Onze resultaten komen overéén met eerdere studies die een ontregeling van het immuunsysteem aangaven bij M.E./CVS. Ze suggereren ook een mogelijke rol van epigenetische ontregeling bij de pathobiologie van M.E./CVS. We stellen screening van grotere M.E./CVS-groepen voor om de externe validiteit van deze epigenetische wijzigingen te bepalen, om ze ev. te implementeren als potentiële diagnostische merkers in een klinische setting.

Inleiding

[…]

Een beter begrip van de molekulaire mechanismen van M.E./CVS en de dysfunktie binnen regulerende systemen zal zich vertalen in geschikte diagnostische methodes en management-strategieën, en meer gerichte behandel-benaderingen bieden.

Verstoring van epigenetische mechanismen is gelinkt met verscheidene immuun-, neurologische en endocriene ziekten. Bovendien werd gevonden dat DNA-methylatie patronen gewijzigd waren bij meerdere ziekten waarvan dikwijls wordt gemeld dat ze co-morbide met M.E./CVS zijn, zoals fibromyalgie (FM) en prikkelbare darm syndroom (IBS) [Ciampi de Andrade D et al. Epigenetics insights into chronic pain: DNA hypomethylation in fibromyalgia-a controlled pilot-study. Pain (2017) 158: 1473-80 /// Mahurkar S et al. Genome-wide DNA methylation profiling of peripheral blood mononuclear cells in irritable bowel syndrome. Neurogastroenterol Motil. (2016) 28: 410-22]. Met betrekking tot M.E./CVS, hebben we weet van slechts enkele studies, waar verschillen in DNA-methylatie patronen werden onderzocht tussen individuen met M.E./CVS en controles [de Vega WC et al. DNA methylation modifications associated with Chronic Fatigue Syndrome. PloS one (2014) 9: e104757 /// de Vega WC et al. Epigenetic modifications and glucocorticoid sensitivity in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS). BMC Medical Genomics (2017) 10: 11 /// Brenu EW et al. Methylation Profile of CD4+ T Cells in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Clin Cell Immunol. (2014) 5: 228]. Deze studies maakten gebruik van ‘Illumina Human Methylation450 BeadChip’ micro-arrays, die de analyse van meer dan 450.000 methylatie-sites per staal (‘single-nucleotide’ resolutie) toelaten. Twee andere bijkomende studies beperkten de analyse tot specifieke gen-promoter-gebieden d.m.v. een plaats-specifieke benadering voor het meten van DNA-methylatie bij M.E./CVS [Vangeel E et al. Chronic Fatigue Syndrome and DNA Hypomethylation of the Glucocorticoid Receptor Gene Promoter 1F Region: Associations With HPA Axis Hypofunction and Childhood Trauma. Psychosomatic medicine (2015) 77: 853-62 /// Falkenberg VR et al. Acute psychosocial stress-mediated changes in the expression and methylation of perforin in Chronic Fatigue Syndrome. Genet Epigent. (2013) 5: 1-9]. De ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays laten toe DNA-methylatie veranderingen te analyseren op meer dan 850.000 CpG-‘sites’. Deze grotere omvang zou het blootleggen van bijkomende wijzigingen qua transcriptie-regulering bij M.E./CVS-patiënten moeten faciliteren. Door validatie van DNA-methylatie patronen geassocieerd met M.E./CVS bij 64 deelnemers van 2 geografisch uitéénliggende plaatsen d.m.v. pyro-sequentie-bepaling [‘pyro-sequencing’ = moderne vorm van sequentie-bepaling], konden we bovendien consensus CpG hypo-gemethyleerde plaatsen identificeren die kunnen worden gebruikt bij toekomstige screenings aangaande verbanden van deze epigenetische wijzigingen bij M.E./CVS. Het was dan ook de intentie van deze om de eerdere analyse van genomische DNA-methylatie veranderingen bij M.E./CVS te valideren en uit te bouwen, en dergelijke bevindingen uit te breiden door gebruik te maken van meer CpG-sites. Toekomstige validatie-studies bij grotere groepen M.E./CVS-patiënten zijn gerechtvaardigd om betrouwbare epigenetische merkers voor M.E./CVS te vinden.

Materialen & methodes

Staal-afname &-verwerking

Recrutering. 2 lokaties: Miami/Fort Lauderdale (Florida) en Valencia, Spanje […]. Alle individuen hadden een vergelijkbare leeftijd en BMI. […] enkel vrouwelijke deelnemers […]. We gebruikten de Fukuda en Canadese definities. […]

All M.E./CVS-individuen zaten voor de ‘Medical Outcomes Study 36-item short-form survey’ (SF-36) samengevatte lichamelijke score onder het 50e percentiel […]. Alle individuen waren tussen 30 & 60 jaar oud.

Exclusie-criteria: […]

[…]

Isolatie van PBMCs & DNA-extracties. […]

Genomische DNA-methylatie profilering

Globale epigenetische metingen: ‘MethylFlash Methylated DNA 5-mC Quantification Kit’ (EpiGentek) & ‘MethylFlash Methylated DNA 5-hmC Quantification Kit’ (EpiGentek). […]

Beoordeling DNA-methylatie over het ganse genoom […] Bisulfiet-conversie van genomisch DNA [ongemethyleerd cytosine wordt omgezet naar uracil in DNA, gemethyleerd cytosine niet; via direct sequentie-bepaling kan dan de plaats van ongemethyleerde cytosinen en 5-methylcytosinen worden bepaald] d.m.v. de ‘EZ DNA Methylation Kit’ (Zymo Research) […] hybridisatie van het DNA op ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays.

Analyse van de genomische DNA-methylatie gegevens

[…]

De analyse van differentiële methylatie werd uitgevoerd gebruikmakend van 2 strategieën: op basis van genomisch gebied en op basis van de plaats. Terwijl de op genoom-gebied gebaseerde benadering kijkt naar het gemiddeld methylatie-niveau van het genoom-gebied (CpG-eilanden, promoters, genen en ‘tiling-regions’ [overlappende gebieden]) en dan de methylatie-toestand van de gebieden voor de stalen vergelijkt, worden bij de op plaats (‘site’) gebaseerde benadering de CpG-loci één per één geanalyseerd. Om gebieden of loci [meervoud van locus = waar een gen of een reeks nucleotiden zich in het DNA bevindt] te detekteren die differentieel gemethyleerd zijn bij M.E./CVS t.o.v. controles, gebruikten we [gespecialiseerde] software voor de analyse van DNA-methylatie gegevens. CpG-plaatsen werden als differentieel gemethyleerd beschouwd als ze voldeden aan de volgende selektie-criteria: het verschil qua absolute beta-waarde [onderscheidend vermogen] tussen de gemiddelde waarden van patiënten en controles > 0.05, en de ‘false discovery-rate’ (FDR [aantal vals positieve resultaten]) ≤ 0.05 […] voor micro-array analyse en p ≤ 0.05 […] voor pyro-sequentie-bepaling. Promoter-gebieden (1.500 bp ‘upstream’ van de transcriptie-start-plaats (TSS) en 500 bp ‘downstream’ van de TSS) werden als differentieel gemethyleerd beschouwd als ze voldeden aan de volgende criteria: FDR ≤ 0.1 […] en het verschil qua absolute beta-waarde tussen de gemiddelde waarden van patiënten en controles > 0.05. […]

[…]

Validatie van differentieel gemethyleerde promoters via pyro-sequentie-bepaling

De gegevens verkregen uit de ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays werden gevalideerd via pyro-sequentie-bepaling […]. Methylatie van het DNA wordt gekwantificeerd d.m.v. bisulfiet-behandeling van het DNA en simultane PCR. […]. De resultaten worden gerapporteerd als percentage gemethyleerde cytosinen t.o.v. totaal (gemethyleerde & on-gemethyleerde) cytosinen. […]

‘Ingenuity pathway analysis’

De ‘Ingenuity Pathway Analysis’ software (IPA [software om expressie-profielen te analyseren om overheersende mechanismen en het betrokken interaktie-netwerk te bepalen]) werd aangewend om genen met differentieel gemethyleerde promoters (DMPs) en de rangschikking van de geassocieerde kanonieke mechanismen aan te geven Analyse van de kanonieke mechanismen identificeert de mechanismen uit de IPA mechanismen-bibliotheek die meest significant zijn voor de set genen met DMPs. De significantie van het verband tussen de genen-set en een kanoniek mechanisme wordt gemeten via het bepalen van de verhouding tussen het aantal genen in de lijst die wordt in kaart gebracht, gedeeld door het totaal aantal van alle bekende genen van dat mechanisme. […]

Resultaten

Studie-ontwerp en demografie

[…] Genomisch DNA van 13 M.E./CVS-patiënten en 12 controles (‘experimentele groep’) werd gehybridiseerd [hybridisatie = samenvoegen van twee complementaire DNA-strengen] op de ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays. deze kunnen testen voor meer dan 850.000 CpG-‘sites’ en beslaan verschillende gebieden van meerdere genen, inclusief promoter-, 5’UTR- [‘untranslated region’, onvertaald gebied; sequentie vóór het translatie start-codon], eerste exon [exon = deel van een gen dat codeert voor een deel van het uiteindelijk RNA/proteïne; het eerste exon omvat ook het 5’UTR], ‘gene-body’ [geheel van coderend stukken van een gen] & 3’UTR- [sequentie volgend op het translatie start-codon], alsook afgelegen gebieden. […]. Na analyse van de gegevens werden de verkregen resultaten gevalideerd d.m.v. pyro-sequentie-bepaling van de stalen van de experimentele groep, alsook (bijkomend) 8 M.E./CVS-patiënten & 8 controles uit de Miami/Fort Lauderdale regio en 12 M.E./CVS-patiënten & 11 controles uit Valencia.

Het is het vermelden waard dat eerdere studies (met ‘Illumina Human Methylation450’ micro-arrays) een gelijkaardig aantal patiënten en controles gebruikten: Brenu et al. [zie referentie in de inleiding] bepaalden de methylatie van T-cellen bij 25 M.E./CVS- patiënten & 18 controles; De Vega et al. (2014) [zie referentie in de inleiding] bepaalden de methylatie-status in PMBCs bij 12 M.E./CVS-patiënten & 12 controles. […] Bovendien ligt het belangrijkste sterkte-punt van de huidige bevindingen in de validatie van specifieke CpG-‘sites’ bij een uitgebreide groep M.E./CVS-patiënten en controles van verschillende geografische lokaties. […].

[…] Energie-status, sociaal funktioneren, emotionele rol en mentale gezondheid waren significant lager bij M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. Daarnaast werden statistisch significante verschillen qua lichamelijk gezondheid geconstateerd (SF-36 scores). […]

Globale methylatie bij M.E./CVS

We vonden geen statistisch significante verschillen qua globale DNA-methylatie levels […] in PBMCs […]. Deze analyse toont echter algemene cytosine-modificaties maar blijft beperkt tot de detektie van specifieke schommelingen op afzonderlijke lokaties in het genoom.

Aangezien voorgaande studies plaats-specifieke methylatie-verschillen bij M.E./CVS hadden getoond, gingen we over tot de evaluatie van deze mogelijkheid bij onze experimentele groep maar we gebruikte echter een opgewaardeerde versie van de micro-arrays voor humane genoom-methylatie. Deze nieuwe technologie heeft bijna een 2 maal groter bereik en laat validatie en uitbreiding van eerdere bevindingen toe bij onafhankelijke, geografisch verwijderde groepen M.E./CVS-individuen.

Differentieel gemethyleerde CpG-sites bij M.E./CVS

De gegevens toonden hypo-methylatie van differentieel gemethyleerde ‘sites’ (DMS) (98%) in PBMCs van M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. Er bleven 649.836 ‘probes’ [sondes; sequenties die kunnen hybridiseren] over voor verdere analyse na filtering en voor-verwerking van de ruwe genomische DNA-methylatie gegevens […]. Analyse van deze ‘probes’ leidde tot de vondst van 17.296 DMS gelegen in 6.368 genen, wijzend op epigenetische verschillen tussen de M.E./CVS-patiënten en controles […]. Bovendien toonde ‘Principal Component Analysis’ (PCA) [Statistische analyse-methode een grote hoeveelheid gegevens te beschrijven met een kleiner aantal relevante grootheden, de hoofd- of principale componenten.] van de volledige methylomen duidelijke differentiatie tussen M.E./CVS en controles. Daarnaast toonde ongecontroleerde hiërarchisch groeperen van de 500 meest variabele ‘CpG-sites’ duidelijke afscheiding tussen M.E./CVS-patiënten en controles, wat bevestigt dat DNA-methylatie patronen in PBMCs van M.E./CVS-individuen verschillen van deze van controles.

Van de 17.296 DMS, werd in het totaal 14.261 DMS (82%) gevonden binnen of in de nabijheid van genen (t.t.z. gen-lokaties), wijzend op het feit dat ze een rol kunnen spelen bij de regulering van gen-expressie. Ca. 98% van de DMS binnen de gen-gebieden vertoonden hypo-methylatie en 2% hyper-methylatie. Deze DMS waren meestal gelijk verdeeld tussen gen-lichamen (43,68%) en gen-regulerende elementen (TSS1500, TSS200 [1.500 – 200 nucleotiden ‘upstream’ van transcriptie-start-‘sites’], 5’UTR & 3’UTR) (43,84%). Er werd hypo-methylatie van M.E./CVS DNA gezien op 21,87% van DMS gelokaliseerd in TSS-gebieden; 17,21% in 5’UTRs; 3,08% in eerste exonen en 4,25% in 3’UTRs. Anderzijds kwam hyper-methylatie voor op 0,16% van DMS gelokaliseerd in TSS-gebieden, 0,34% in 5’ en 3’UTRs, en 0,79% in gen-lichamen. Wat betreft de lokalisatie t.o.v. CpG-eilanden: van de 17.296 DMS waren er 46,8% gelokaliseerd in CpG-eilanden, terwijl 53,2% (8.089 DMS) in de nabijheid van CpG-eilanden lagen. De plaatsbepaling van 8.089 DMS t.o.v. hun lokatie CpG-eilanden toont dat 99,3% van deze 8.089 DMS hypo-methylatie vertoonden en slechts 0,7% hyper-methylatie. Van deze 8.089 DMS waren er 25,25% gelokaliseerd binnen CpG-eilanden, 61,9% 2 kb ‘upstream’ & ‘downstream’ van CpG-eilanden (‘N, S shores’ [‘oevers’, gebieden kort (0-2 kb) bij CpG-eilanden]), en 12,8% in gebieden 2 kb ‘upstream’ & ‘downstream’ van CpG-‘shores’ (‘N, S shelves’ [‘klippen’, gebieden verder (2-4 kb) van CpG-eilanden]). Binnen deze gebieden vertoonden 74,1% van de ‘shores’ & ‘shelves’ hypo-methylatie, terwijl slechts 0,63% van de CpG-eiland-‘shores’ & -‘shelves’ hyper-methylatie vertoonden; wat consistent is met de globale bevinding dat hypo-methylatie geassocieerd is met M.E./CVS. Minder strenge criteria (FDR ≤ 0.1 & gemiddelde beta-verschillen > 0.05) lieten toe 27.129 DMS te identificeren.

Differentieel gemethyleerde promoters bij M.E./CVS

Aangezien methylatie van promoter-gebieden op een directe manier het niveau van gen-expressie beïnvloedt, gingen we verder met het analyseren van differentieel gemethyleerde promoters (DMPs) in onze experimentele groep. Zoals beschreven werden promoters gedefinieerd als gebieden gelegen binnen de 1.500 bp ‘upstream’ van TSS en 500 bp ‘downstream’ van TSS. De criteria voor DMPs waren FDR ≤ 0.1 en de gemiddelde beta-verschillen > 0.05. Op basis van deze criteria vonden we 307 DMPs in PBMCs van M.E./CVS-individuen. 306 van deze DMPs vertoonden hypo-methylatie bij de M.E./CVS-groep […]. We bekeken de verdeling van deze promoters volgens gen-biotype. Bijna de helft van de geïdentificeerde DMPs behoren tot de proteïne-coderende genen (47,6%) en meer dan de helft (52,1%) behoren tot de regulerende RNA-genen. Deze laatste bestaan uit korte niet-coderende RNAs (inclusief miRNAs, kleine nucleaire [van de cel-kern] RNAs, kleine nucleolaire RNAs [nucleolus, kern-lichaampje]) (10,1%), lange niet-coderende RNAs (inclusief anti-sense RNAs [sequenties die het mRNA inaktiveren] en inter-gen RNAs) (30,6%) en pseudo-genen [genen met een gelijksoortige DNA-struktuur als normaal funktionerende genen maar die niet tot expressie kunnen komen] (11,4%). Deze verdeling van DMPs ondersteunt onze hypothese dat de differentiële methylatie die we vaststellen kan leiden tot ontregeling van gen-expressie bij M.E./CVS. We identificeerden ook 144 DMPs met striktere criteria (FDR ≤ 0.05 en de gemiddelde beta verschillen > 0.05 […]; en dit vertegenwoordigt gelijkaardige gen-funktie patronen als de DMPs geïdentificeerd met FDR ≤ 0.1.

Analyse van funktionele mechanismen van DMPs

Om de mogelijke funkties en interakties tussen de 307 genen die worden gecontroleerd door DMPs beter te begrijpen binnen de context van cel-biologische mechanismen, voerden we een Gen Ontologie [gestandardiseerde weergave van de eigenschappen van genen en gen-produkten] analyse uit d.m.v. ‘Ingenuity Pathway Analysis’ (IPA). Deze analyse onthulde veranderingen in talrijke immuun-regulerende/ stress-respons mechanismen zoals het p38MAPK mechanisme (betrokken bij de respons op een waaier omgeving-stressoren en op inflammatoire cytokinen), de IL-10, IL-17A, Il-1 & IL-8 signalisering-mechanismen (allen met belangrijke immuun-regulerende rollen), het AMPK-mechanisme (belangrijkste regulator van de cellulaire energie-homeostase die wordt geaktiveerd in respons op stressoren die de cellulaire ATP-voorraden uitputten [zie ‘Abnormale AMPK-aktivatie & glucose-opname in spiercellen bij CVS & ‘Aktivatie van AMPK & glucose-opname in M.E.(cvs) spiercellen]) en metabole mechanismen zoals PPARα/RXRα [nucleaire receptoren] -aktivatie, en uracil- & thymine [DNA-basen] -afbraak mechanismen. Verder onthulde funktionele analyse van talrijke individuele genen hypo-methylatie in promoters van de IGHJ1, IGHJ1P, IGHJ4, IGHJ5, IGHJ6, IGHJ3P, IGHV3-7, IGHD7-27, IGLL1 & LRMP genen die gerelateerd zijn met de B-cel immuun-respons, differentiatie, proliferatie en overleving. Op dezelfde manier vertoonden M.E./CVS-patiënten verminderde DNA-methylatie in promoters van genen verantwoordelijk voor T-cel generatie en aktiviteit, zoals ZCCHC11, CAPN5, IL21R, P2RX5, TREML2, AKNA & CD248. Samen met een robuuste impact op immuun-respons mechanismen, vertoonden PMBCs van M.E./CVS-patiënten verminderde methylatie van promoters van genen geassocieerd met cel-groei die gericht waren op de MAP-kinase, NF-kB & TGF signalisering-mechansimen. Daarnaast werd een onderscheidend patroon van hypo-methylatie van gen-promoters betrokken bij miRNA-expressie (miR-4435, miR-181, miR-148a, miR-193b, miR-1284, miR-10A, miR-1203, miR-3934, miR-4487 & miR-4710) [zie o.a. ook ‘MicroRNAs in plasma bij CVS/M.E.] en bij bio-metaal regulering – inclusief metaal-transporter SLC39A13 (ZIP-transporter) en meerdere ‘zinc-finger’ [‘zinc-finger’ proteïnen zijn een super-familie van proteïnen die op DNA kunnen binden] genen (ZCCHC8, ZCCHC11, ZBTB18, BAZ2B, ZNF225 and ZNF732) – geïdentificeerd.

Validatie van de ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-array resultaten d.m.v. pyro-sequentie-bepaling

Om de resultaten van onze analyse-resultaten van de ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays te valideren, selekteerden we 2 DMPs met een hoge densiteit aan CpG-‘sites’ en mogelijke rol in de neuro-immune signalisering bij M.E./CVS. De eerste, het ‘Zinc Finger and BTB Domain Containing 18’ (ZBTB18), is een ‘zinc-finger’ transcriptie-onderdrukker met een cruciale rol in hersen-ontwikkeling en neuronale differentiatie. De tweede, TABPB, codeert voor een trans-membraan glycoproteïne dat de interaktie medieert tussen nieuw geassembleerd majeur histocompatibiliteit complex (MHC) klasse-I molekulen en de transporter geassocieerd met antigen-verwerking, die vereist is bij het transport van antigen-peptiden door het endoplasmatisch reticulum. ZBTB18 zit in het bovenste deel van de lijst met DMPs […] (positie 8 op 307); terwijl TABPB in het onderste deel zit (positie 246 op 307); zodat we bij de validatie-stap DMPs opnamen met waarden aan beiden uiteinden van het spectrum. Voor elk van de 2 geselekteerde genen, bepaalden we het DNA-methylatie niveau van 6 CpG-‘sites’ in het promoter-gebied. Voor ZBTB18 correspondeerden 3 van de CpG-‘sites’ met oligonucleotiden op de ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays en 3 bijkomende CpG-‘sites’ – niet opgenomen op de micro-array maar gelegen in het gen promoter-gebied tussen cg15896892 & cg19698993 – werden ook getest. In het geval van TABPB correleerden alle geteste CpG-‘sites’ met probes van de ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays. Pyro-sequentie-bepaling analyse valideerde de richting van methylatie-verschillen tussen M.E./CVS-individuen en controles sterk (p < 0.01) […] voor alle geteste CpG-‘sites’. Belangrijk: we zagen dat de methylatie-niveaus gedetekteerd via pyro-sequentie-bepaling bij M.E./CVS-patiënten gelijkaardig waren met deze vastgesteld d.m.v. ‘MethylationEPIC’ micro-arrays voor alle DMS, en dat de verschillen qua methylatie-niveaus bepaald via pyro-sequentie-bepaling zelfs meer uitgesproken waren dan dezelfde verschillen bepaald d.m.v. micro-arrays.

Bespreking

DNA-methylatie speelt een belangrijke rol bij de wisselwerking tussen externe (omgeving) en interne (gen-expressie) factoren en kan zodoende de late of door een stimulus getriggerde aanvang van complexe multi-systeem ziekten zoals M.E./CVS verklaren. Slechts enkele studies hebben echter gerapporteerd over wijzigingen qua DNA-methylatie geassocieerd met M.E./CVS. Hier gebruikten we een nieuwere en verbeterde technologie – ontwikkeld door Illumina Inc.; die nog niet beschikbaar was ten tijde dat de voorafgaande studies werden uitgevoerd – met de bedoeling de eerdere bevindingen uit te breiden. ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays beslaan bijna 2 maal zoveel CpG-‘sites’ als de oudere ‘Illumina HumanMethylation450’ micro-arrays, inclusief 333.265 bijkomende CpGs gelegen regulerende gebieden […].

We identificeerden hier differentieel gemethyleerde CpG-‘sites’ en promoters in PBMCs van M.E./CVS-individuen vergeleken met controles in groepen van twee uitéénliggende geografische lokaties. De associatie van hypo-methylatie van DMPs met immuun-regulerende mechanismen komt overéén met eerdere studies. Deze eerdere studies vonden bij immuun-cel regulering de grootste gecoördineerde aanrijking qua differentieel gemethyleerde mechanismen en rapporteerde genomisch DNA hypo-methylatie van genen in immuun-mechanismen in PBMCs geïsoleerd bij M.E./CVS-patiënten [zie de Vega WC et al. hierboven] en ook in CD4+ T-cellen bij M.E./CVS [zie Brenu EW et al. hierboven]. Specifiek: we vonden significante verschillen qua DNA-methylatie tussen M.E./CVS en controles op 17.296 CpG-‘sites’ in 6.368 genen globaal (FDR ≤ 0.05), in promoters alsook andere gen-regulerende elementen en binnen coderende gen-gebieden. Er werd DNA hypo-methylatie gevonden in 98% van deze plaatsen bij M.E./CVS, terwijl slechts 2% hyper-methylatie vertoonden, t.o.v. controles.

Differentiële methylatie van promoters [in de gebruikte software beschreven als gebieden 1500 bp ‘upstream’ en 500 bp ‘downstream’ van TSS] kan een invloed hebben op de expressie van de corresponderende aangetaste genen. Interessant genoeg houden minder dan de helft van de DMPs (47,6%) verband met proteïne-coderende genen; terwijl meer dan 50% aangetaste niet-proteïne-coderende DMPs overéénkomen met promoters van regulerende gen-elementen, inclusief korte niet-coderende RNAs (inclusief miRNAs, kleine nucleaire RNAs, kleine nucleolaire RNAs) (10,1%), lange niet-coderende RNAs (inclusief ‘anti-sense’ RNAs en ‘inter-gen’ RNAs) (30,6%) en pseudo-genen (11,4%). Kleine nucleaire RNAs en kleine nucleolaire RNAs participeren in RNA-‘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], terwijl lange niet-coderende RNAs en pseudo-genen belangrijke rollen spelen bij de regulering van transcriptie en mRNA-stabiliteit […]. Het is belangrijk op te merken dat het grootste beta-verschil (hypo-methylatie 14%) in de DMP-lijst werd gezien voor de promoter van het gen dat verband houd met de werking van ‘natural killer’ (NK) cellen.

Op het niveau van enkelvoudige genen, tonen onze resultaten hypo-methylatie van promoters van genen gerelateerd met die van referentie-studies, zoals sommige ‘solute carriers’ [membraan-transport-proteïnen], RNA-bindende proteïnen, ‘homeobox’ [binden op DNA en beïnvloeden zo de expressie van genen] en ‘PHD-finger’ [betrokken bij gen-regulering] -proteïnen [zie Brenu EW et al. hierboven]. Bij deze vonden we het MED13L gen [codeert voor een sub-unit van een groot transcriptioneel co-aktivator complex waarvan wordt gedacht dat het vereist is voor de expressie van bijna alle genen] dat geassocieerd is met verlaagde spier-spanning en neurocognitieve stoornissen, symptomen die verbonden zijn met M.E./CVS. We vonden ook DMPs gelinkt met de expressie van ribosomale proteïnen (RPL23A & RPL7) alsook met de 5S-ribosomale RNA pseudo-genen (RNA5SP245, RNA5SP77 & RNA5SP97) suggestief voor mogelijke verstoring van proteïne-synthese. Met betrekking tot de methylatie-status van de met glucocorticoïde respons geassocieerde genen, vonden we significante hypo-methylatie van de SGK3 (serum glucocorticoid gereguleerd kinase [o.a. rol bij regulering van verscheidene transporter-systemen]) gen-promoter [zie de Vega WC et al. hierboven].

Transcriptie-profilering studies bij M.E./CVS-patiënten gaven verstoringen aan van T- & B-cel aktivatie en ontregeling van gen-expressie die gerelateerd is met immuun-responsen in brede zin, en dergelijke veranderingen passen bij andere studies die een gewijzigde aanmaak van interleukine en interferon cytokinen aantoonden als kenmerken voor M.E./CVS immuun-dysfunktie [Broderick G et al. A formal analysis of cytokine networks in Chronic Fatigue Syndrome. Brain, behavior and immunity. (2010) 24: 1209-17]. In de huidige studie, rapporteren we hypo-methylatie van DMPs van genen waarvan bekend is dat ze de adaptieve immuun-respons zoals immunoglobulinen en pseudo-genen (bv. IGDCC3, IGHD7-27, IGHJ1, IGHJ3 en andere) reguleren, wat overéénkomt met de gemelde verbetering van M.E./CVS-patiënten na B-cel depletie-therapie. We zagen ook hypo-methylatie van promoters van MMP14, MAP4K4, MAPK12 & CREB5 die mogelijks het TNF-signalisering mechanisme aktiveren, wat past bij de gerapporteerde over-expressie van pro-inflammatoire cytokinen bij M.E./CVS. Daarnaast toonden we ook hypo-methylatie van miRNA-148a promoter die mogelijks kan bijdragen tot over-expressie. Het is bekend dat de miRNA-148-152 familie de aangeboren immuun-respons en antigen-presentatie […] kan verstoren. Bovendien kan miRNA-148a bijdragen tot DNA hypo-methylatie CD4+ T-cellen bij lupus [systemische lupus erythematosus; een auto-immune aandoening] door het onderdrukken van de expressie van DNA-methyltransferase-1 [DNA-methyltransferasen zijn enzymen die een methyl-groep toevoegen aan de 5’ positie]. Het is meldenswaardig dat bij de DMPs die in deze studie geassocieerd zijn met miRNA-expressie, ook werd gemeld dat miRNA-10a, miRNA-181 & miRNA-4710 aangetast waren op DNA-methylatie niveau in minstens één eerdere M.E./CVS-studie [zie Brenu EW et al. hierboven]. Specifiek: miRNA-10a bleek geassocieerd met M.E./CVS in NK-cellen [Brenu EW et al. Cytotoxic lymphocyte microRNAs as prospective biomarkers for Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Affect Disord. (2012) 141: 261-9] en miR-181 gerelateerd met de TLR-gemedieerde inflammatoire respons, dat geassocieerd is met M.E./CVS [Gambuzza ME et al. The Role of Toll-Like Receptors in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: A New Promising Therapeutic Approach? CNS Neurol Disord Drug Targets (2015) 1: 903-14].

Hypo-methylatie van de IL21R gen-promoter kan wijzen op verhoogde expressie van de IL21-receptor. De ligand-binding van deze receptor leidt tot de aktivatie van meerdere ‘downstream’ signalisering-molekulen, inclusief JAK1, JAK3, STAT1 & STAT3. ‘Studies suggereren een rol voor dit gen bij het reguleren van de immunoglobulinen-produktie. IL21 reguleert aangeboren én adaptieve immuun-responsen, en oefent ook belangrijk effekten uit op inflammatoire responsen die de ontwikkeling van auto-immune ziekten en inflammatoire aandoeningen bevorderen. Belangrijk: IL21-signalisering is cruciaal voor de inductie van spontane experimentele auto-immune encefalomyelitis. De in onze studie gerapporteerde DMPs zijn niet enkel consistent en valideren de eerdere studies betreffende gen-regulerende elementen in genen binnen de immuun-cel regulering cluster maar ze bieden ook een beter begrip door het gebruik van geavanceerde technologie alsook de validatie via groepen van verwijderde geografische lokaties.

Het is meldenswaardig dat het nog te vroeg is om te besluiten uit eerdere studies of onze huidige studie, of de significante epigenetische modificaties die geassocieerd bleken met M.E./CVS op een compenserend homeostatisch mechanisme wijzen of het resultaat zijn van een adaptieve immuun-respons op inductoren uit de omgeving. Deze resultaten geven echter aan dat DNA-methylatie een potentieel gen-regulerend mechanisme vormt dat in staat is langdurige veranderingen bij M.E./CVS-patiënten te mediëren, zoals eerder opgemerkt door andere auteurs. Samengevat: de associatie van differentiële DNA-methylatie met M.E./CVS suggereert zeker een potentiële rol voor epigenetische wijzigingen in de pathofysiologie van M.E./CVS.

Besluiten

Naar ons weten is dit de eerste studie die epigenetische veranderingen in relatie tot M.E./CVS over gans het genoom heeft onderzocht gebruikmakend van ‘Illumina MethylationEPIC’ micro-arrays die meer dan 850.000 CpG-‘sites’ beslaan en die de resultaten heeft gevalideerd in 2 geografisch van elkaar gelokaliseerde groepen M.E./CVS-patiënten. Onze bevindingen bouwen verder op eerdere preliminaire rapporten die een verband tonen tussen gewijzigde methylatie-profielen van genen met immuun-funkties en DNA-methylatie bevestigen als een epigenetisch regulerend mechanisme geassocieerd met M.E./CVS. Er zijn toekomstige validatie-studies bij grotere groepen M.E./CVS-indviduen nodig om deze bevindingen te bevestigen en de effekten van dergelijke methylatie-patronen op gen-expressie te evalueren.

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.