M.E.(cvs)-wetenschap

juni 26, 2020

Metabole dysfunktie bij M.E.(cvs) niet te wijten aan anti-mitochondriale antilichamen

Filed under: Celbiologie,Immunologie — mewetenschap @ 6:49 am
Tags: , , , ,

In verband met auto-immuniteit als ziekte-veroorzakend mechanisme bij M.E.(cvs) hadden we ’t hier al meerdere keren over het werk van Carmen Scheibenbogen en haar medewerkers. In een overzicht hieromtrent (Sotzny F et al. Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome – Evidence for an autoimmune disease. Autoimmun Rev. (2018) 17:601-9) werd besloten dat inspanningen om rol van auto-antilichamen af te lijnen noodzakelijk zijn.

Mensen van de onderzoeksgroep van onderstaande publicatie poneerden eerder al de hypothese dat een infektie een auto-reaktief proces (immunisatie tegen auto-antigenen) initieert, dat o.a. het energie-metabolisme (van hersenen en spieren) aantast. Hun model voor M.E.(cvs)-pathogenesie stelt dat patiënten met een genetische voorbestemming gradueel B-cel klonen ontwikkelen die geneigd zijn tot auto-reaktiviteit. (Blomberg J, Gottfries CG, Elfaitouri A, Rizwan M, Rosén A. Infection elicited autoimmunity and ME/CFS syndrome: an explanatory model. Front Immunol. (2018) 9:229). Lees ook bv. ‘Molecular mimicry’, auto-immuniteit & infektie’, ‘Auto-immuniteit-gerelateerde risico-varianten geassocieerd met M.E.(cvs) met infektueuze aanvang’ enz.

Hier werd nu onderzocht of er anti-lichamen aanwezig zijn tegen (componenten van) de mitochondrieën. Dit blijkt niet het geval. Geen erg: een verwerpen van een hypothese is ook een resultaat… Het kan dat er andere mechanismen verantwoordelijk zijn voor het verstoord energie-metabolisme bij M.E./CVS. Er zijn dus verdere studies vereist om de link tussen mitochondriale dysfunktie en ontregeling van de aangeboren immuniteit uit te klaren…

————————-

Frontiers in Medicine (2020) 7: 108

Metabolic dysfunction in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome not due to anti-mitochondrial antibodies

Isabell Nilsson (1), Jeremy Palmer (2), Eirini Apostolou (1), Carl-Gerhard Gottfries (3), Muhammad Rizwan (1), Charlotte Dahle (1) & Anders Rosén (1)

1 Division of Cell Biology, Department of Biomedical and Clinical Sciences, Linköping University, Linköping, Sweden

2 The Medical School, The University Newcastle upon Tyne, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

3 The Gottfries Clinic AB, Mölndal, Sweden

Samenvatting

Metabole profilering studies hebben dysfunktionele mitochondrieën aangegeven bij Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS). Dit omvat een verstoorde funktie van het pyruvaat-dehydrogenase complex (PDC), mogelijks aangestuurd door (een) serum-factor(en), wat leidt tot inadequate adenosine-trifosfaat generatie en overmatige lactaat-accumulatie. Er treedt waarschijnlijk een energie-blokkade op die doet denken aan die bij primaire biliaire cholangitis (PBC), veroorzaakt door anti-PDC auto-antilichamen. PBC is geassocieerd met vermoeidheid en post-exertionele malaise [PEM], wat ook tekenend is voor M.E./CVS. We onderzochten hier of M.E./CVS-patiënten auto-reaktieve antilichamen hebben die kunnen interfereren met de mitochondriale werking. We vouden dat slechts 1 op 161 onderzochte M.E./CVS-patiënten positief was voor anti-PDC, terwijl alle PBC-patiënten (15/15) significante IgM, IgG & IgA anti-PDC reaktiviteit vertoonden, zoals reeds eerder werd getoond. Geen enkele van de fibromyalgie-patiënten (0/14), Multipele Sclerose patiënten (0/29) en gezonde controles (bloed-donoren) (0/44) vertoonde reaktiviteiten. Anti-mitochondriale auto-antilichamen (binnenste en buitenste membraan) waren negatief in de M.E./CVS-groep. De waarden van anti-cardiolipine antilichamen [cardiolipine = belangrijk bestanddeel van het binnenste membraan van mitochondrieën; aanwezig in cellen die metabool aktief zijn, zoals hart- en spier-cellen] bij de patiënten verschilde niet significant van de gezonde bloed-donoren. Tot besluit: de mitochondriale/metabole dysfunktie, die wordt gezien bij M.E./CVS, kan niet worden verklaard door de aanwezigheid van circulerende auto-antilichamen tegen de geteste mitochondriale epitopen.

INLEIDING

[…] De biologie van M.E./CVS is complex en de diverse verklarende modellen die werden voorgesteld, omvatten auto-immuniteit, chronische infektie, energie-metabole defekten, onevenwicht in het autonoom zenuwstelsel en/of hormonen […].

Er is steeds meer bewijs dat wijst op een auto-immuun fenotype voor M.E./CVS. De aanwezigheid van zelf-reaktieve antilichamen in de bloedsomloop van patiënten omvatten kern- en membraan-strukturen, neurotransmitters en hun receptoren, auto-antigenen gevormd door oxidatieve of nitrosatieve schade, en auto-antilichamen gericht tegen mitochondriale componenten. Zowel de frequentie als de titers auto-antilichamen, en hun correlatie met ziekte-ernst of symptomen bleker echter beperkt reproduceerbaar over verschillende studies en patiënten-groepen. Toch ondervond een subgroep M.E./CVS-patiënten verbetering van de symptomen na behandeling door verwijdering van antilichamen [Scheibenbogen C et al. Immunoadsorption to remove b2 adrenergic receptor antibodies in Chronic Fatigue Syndrome CFS/ME. PLoS ONE (2018) 13: e0193672]. Specifieke veranderingen in het CSV [hersenvocht] -proteoom [verzameling van alle eiwitten van een organisme of een cel] van M.E./CVS-patiënten hadden betrekking met de accumulatie van complement-componenten [complement-systeem = onderdeel van de aangeboren immuun-respons dat antilichamen en fagocyterende cellen ‘complementeert’ (aanvult) in de strijd tegen pathogenen], die antilichaam-aktiviteit aanduiden [Schutzer SE, Natelson BH et al. Distinct cerebrospinal fluid proteomes differentiate post-treatment Lyme disease from Chronic Fatigue Syndrome. PLoS One 2011; 6:e17287; zie ook ‘CVS-gerelateerd proteoom in cerebrospinaalvocht]. In een publicatie door onze groep toonde het serologisch profiel van dezelfde M.E./CVS patiënten-groepen bewijsmateriaal van minieme wijzigingen qua antilichaam-reaktiviteiten tegen de overvloedige herpes-virussen vergeleken met gezonde controles [Blomberg J et al. Antibodies to human herpesviruses in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome patients. Front Immunol. (2019) 10: 1946]. Deze veranderingen kunnen tekortkomingen qua humorale responsen aangeven bij M.E./CVS die hoofdkenmerken van auto-immune ziekten zijn.

Rapporten wijzen naar een centraal metabool defekt bij M.E./CVS, wat de aërobe energie-produktie aantast via de TCA-cyclus in mitochondrieën, leidend tot een verminderde produktie van adenosine-trifosfaat (ATP) en overmatige lactaat-produktie na inspanning, wat mogelijks PEM verklaart [Fluge Ø., Mella O et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. JCI Insight (2016) 1: e89376 /// Naviaux RK et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2016) 113: E5472-80]. De transitie tussen anaërobe en aërobe energie-produktie wordt gekatalyseerd door het pyruvaat-dehydrogenase complex (PDC [geheel van enzymen (60 sub-units die 3 funktionele proteïnen vormen) die pyruvaat omzetten (oxideren) naar acetyl-CoA (een produkt van de aërobe cellulaire ademhaling): dit kan dan worden gebruikt in de citroenzuur-cyclus (ook TCA- of Krebs-cyclus genoemd) die energie levert]). Auto-antilichamen specifiek tegen PDC zijn een hoofdkenmerk van primaire biliaire cholangitis [of prim. bil. cirrhose] (PBC [auto-immune lever-aandoening]), een potentieel ziekte-model voor door auto-antilichamen gemedieerde energie-blokkade. Analoog met PBC, waarbij de energie-produktie wordt geïnhibeerd door antilichamen, werden ook circulerende energie-inhibitoren gedetekteerd bij M.E./CVS [zie Fluge O, Mella O et al. hierboven], maar hun molekulaire aard is echter onbekend. Het zou redelijk zijn te veronderstellen dat deze circulerende inhibitoren immunoglobulinen blijken te zijn, waarschijnlijk gericht tegen mitochondriale antigenen. We hebben daarom de aanwezigheid van anti-mitochondriale antilichamen en anti-PDC reaktieve auto-antilichamen onderzocht bij M.E./CVS-patiënten.

METHODES

Deelnemers

Alle M.E./CVS-patiënten opgenomen in deze studie kregen de diagnose op basis van de Canadese consensus criteria. […] 3 M.E./CVS-groepen. Groep 1 (n = 74): 46 M.E./CVS-patiënten, 17 M.E./CVS + fibromyalgie (FM) patiënten & 11 FM-patiënten. Deze groep omvatte ook 29 Multipele Sclerose (MS) patiënten. Groep 2 (n = 61): 61 M.E./CVS-patiënten. Groep 3 (n = 40): 18 M.E./CVS-patiënten, 19 M.E./CVS/FM-patiënten, 3 FM-patiënten & 15 voor leeftijd gematchte gezonde donoren. […] Plasma-stalen van 15 PBC-patiënten kwamen uit bloedbank van ‘The Medical School’ van de ‘University of Newcastle upon Tyne’, V.K. […]

Ethische verklaring

[…]

Detektie van anti-PDC antilichamen

ELISA om antilichamen tegen humaan PDC (hPDC) te meten […]. […]

Validatie van anti-PDC antilichamen

[…] Immunoblotting […].

Detektie van anti-mitochondriale auto-antilichamen (AMA)

Plasma-stalen van 29 willekeurig geselekteerde M.E./CVS-patiënten werden gescreend [indirecte immunofluorescentie testen voor semi-kwantitatieve bepaling van antilichamen]. […]

Detektie van anti-cardiolipine auto-antilichamen (ACA)

IgG & IgM anti-cardiolipine antilichamen […] fluoro-enzyme-immunoassay […].

Statistische analyse

[…] Statistisch significante verschillen p < 0.05.

RESULTATEN

Auto-antilichamen tegen mitochondriaal pyruvaat-dehydrogenase complex (PDC) niet gedekteerd bij M.E./CVS

In deze studie analyseerden we of dysfunktionele energie-generatie door mitochondrieën bij M.E./CVS verklaard kan worden door de aanwezigheid van reaktieve auto-antilichamen tegen het PDC-enzyme, analoog met wat werd gezien bij PBC. Er werden patiënten met M.E./CVS, PBC, FM, MS en gezonde bloed-donor controles geanalyseerd. De plasma-stalen van PBC-patiënten waren allemaal positief voor IgG, IgM & IgA anti-PDC antilichamen en waren dus statistisch verschillend (p < 0.0001). Bij verdere analyses bleven deze stalen positief tot verdunningen van 1:105-1:106. In tegenstelling met onze hypothese waren de M.E./CVS-stalen negatief voor auto-antilichamen tegen PDC, met uitzondering van 3 M.E./CVS-patiënten […] en één M.E./CVS-patient met FM co-morbiditeit […] die zwak/ intermediair positief bleek. Deze plasma-stalen werden bijkomend getest via immunoblot-analyse ter validatie. Enkel het staal van de M.E./CVS+FM patient was positief, terwijl de andere negatief waren. Auto-reaktiviteit werd geïdentificeerd tegen de majeure auto-reaktieve epitopen van het PDC-complex, dihydrolipoamide-acetyltransferase (E2) en het E3-bindend proteïne (E3BP).

AMA & ACA niet gedekteerd bij M.E./CVS-patiënten

De groep M.E./CVS-patiënten vertoonde geen AMAs; niet tegen het binnenste en buitenste mitochondriaal membraan, noch antilichamen tegen andere mitochondriale strukturen, noch andere strukturen (nucleair, gladde spier, gastrische pariëtale cellen [zorgen voor de neuro-hormonale stimulatie van maagzuur-sekretie]). De waarden van anti-cardiolipine antilichamen (IgG, IgM, IgA) waren niet significant verschillend in plasma van M.E./CVS- of FM-patiënten vergeleken met bloed-donoren.

BESPREKING

Uit de hier gepresenteerde resultaten besluiten we dat, in tegenstelling met onze initiële verwachting, M.E./CVS-patiënten geen auto-antilichamen tegen epitopen van mitochondriale componenten hebben. Dit sluit niet uit dat andere belangrijke indirecte of secundaire mechanismen bestaan die het complex mitochondriaal pyruvaat-metabolisme bij M.E./CVS blokkeren.

Een voorbeeld van auto-immuniteit met auto-reaktieve antilichamen tegen een belangrijke metabole factor is PBC. Er werd eerder aangetoond dat anti-PDC antilichamen bij deze patiënten voornamelijk gericht zijn tegen het binnenste lipoyl-domein van de PDC-E2 component, welke een alfa-liponzuur covalent gebonden heeft op een specifiek lysine-residu, wat een absolute vereiste is voor z’n enzymatische aktiviteit. Lipoylatie [binding met alfa-liponzuur] is een post-translationele modificatie [verandering in de eiwitten na de vertaling vanuit RNA], die ook voorkomt in bakteriën zoals E. coli of Novosphingobium sp. Er werden auto-reaktieve responsen bij PBC gesuggereerd ten gevolge infektie in de darm met deze bakterieën of beta-retrovirussen, of blootstelling aan omgeving-xenobiotica die het natuurlijk liponzuur-deel nabootsen. PBC-patiënten hebben een PEM die doet denken aan PEM bij M.E./CVS- & FM-patiënten [Newton JL et al. Autonomic dysfunction in primary biliary cirrhosis correlates with fatigue severity. Eur J Gastroenterol Hepatol. (2007) 19: 125-32: lees ook ‘Verder onderzoek van mitochondriale funktie in spieren bij M.E.(cvs)]. FM is een courante co-morbiditeit bij M.E./CVS (30-70% van de patiënten) én auto-immuniteit. Metabole stoornissen bij M.E./CVS met verminderde energie-voorziening en verhoogd lactaat kunnen verantwoordelijk zijn voor de malaise van PEM alsook cognitieve en lichamelijke stoornissen. Er werden in het bijzonder accumulatie van lactaat in het bloed en spieren na inspanning, tesamen met gestegen lactaat-concentraties in het cerebrospinaal vocht gevonden bij M.E./CVS [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 in Biomedicine (2012) 25: 1073-1087 /// Lien K et al. Abnormal blood lactate accumulation during repeated exercise testing in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Physiol Rep. (2019) 7: e14138]. Onze huidige vergelijkende analyse van AMA, anti-PDC en anti-cardiolipine auto-antilichamen van de 3 groepen leverde echter geen positieve of ziekte-specifieke resultaten op.

Er wordt een link tussen mitochondriale dysfunktie en ontregeling van de aangeboren immuniteit gesuggereerd die aantoont dat de energie-producerende organellen (mitochondrieën en peroxisomen) gekoppeld zijn via mitochondriale antivirale signalisering proteïnen (MAVS) aan het inflammasoom [inflammasomen = multi-proteïne molekulaire complexen die een brede waaier aan pathogenen ‘voelen’ en een rol spelen bij de inflammatoire respons]. Hypothetisch kunnen ‘danger-associated molecular patterns’ (DAMPs), zoals mitochondriaal DNA (mtDNA), ‘heat-shock’ proteïnen (Hsp) en cardiolipinen afgegeven worden door de mitochondrieën bij M.E./CVS en werken als auto-antigenen. We vonden eerder dat een subgroep M.E./CVS-patiënten hogere waarden IgM-antilichamen tegen epitopen van mitochondriaal en bakterieel Hsp-60 had (ondanks de afwezigheid van een infektueus pathogen) wat mogelijks zou leiden tot dysfunktionele mitochondrieën [Elfaitouri A, Gottfries CG et al. Epitopes of microbial and human heat shock protein 60 and their recognition in Myalgic Encephalomyelitis. PLoS ONE. (2013) 8: e81155]. Onze hypothese omtrent de aanwezigheid van auto-antilichamen tegen cardiolipine bij M.E./CVS-patiënten, gebaseerd op eerdere publicaties, kon hier niet worden bevestigd, mogelijks omwille van verschillende inclusie- en exclusie-criteria voor de patiënten in eerdere studies, waar de Canadese criteria niet werden gebruikt, maar die leukemie/lymfoma en type-1 diabetes patiënten omvatten. Er zijn verdere studies vereist ter analyse van unieke epitoop-wijzigingen zoals oxidatie-epitopen van cardiolipine, lengte en 3D-struktuur, die elk verschillend zouden kunnen signaliseren in dit complex immuun/metabool scenario.

De hypothese van een directe blokkiage van PDC door auto-reaktieve antilichamen is uitgesloten, op basis van onze huidige bevindingen, maar blokkage kan echter secundair zijn en een teken van compenserende inspanningen om enkele andere abnormaliteiten bij M.E./CVS in evenwicht te brengen, zoals werd gesuggereerd door Fluge O et al. [zie ref. hierboven]. Hun gegevens wijzen op een funktionele stoornis van PDC leidend tot verhoogd verbruik van ketogene [die kunnen worden omgezet tot acetyl-CoA] en anaplerotische aminozuren [anaplerotische reakties zijn er waar tussenprodukten van een metabool mechanisme worden gevormd; simpel uitgedrukt: “ze vullen de voorraden aan”] die alternatieve mechanismen voor ATP-produktie voeden, onafhankelijk van PDC. De resultaten werden ondersteund door toegenomen mRNA-expressie van pyruvaat-dehydrogenase kinasen die inhiberend zijn voor PDC. Studies tonen ook dat veel vetzuren acetyl-CoA zouden kunnen genereren, die de TCA-cyclus van brandstof voorzien, onafhankelijk van PDC [Germain A, Hanson MR et al. Comprehensive circulatory metabolomics in ME/CFS reveals disrupted metabolism of acyl lipids and steroids. Metabolites. (2020) 10: 34]. Gelijkaardige observaties omtrent een gewijzigd energie-metabolisme zouden kunnen optreden bij verschillende types cellulaire stress, zoals uithongering. Blokkage van PDC kan ook door andere mechanismen worden gegenereerd, inclusief redox-reakties waarvan is geweten dat ze het liponzuur-deel van het PDC moduleren. Daarom zou het van belang zijn in toekomstige studies de PDC redox-status bij M.E./CVS-patiënten te onderzoeken. Ten slotte: er zijn meerdere enzymen zoals mitochondriale pyruvaat-carrier [proteïne betrokken bij het transport van pyruvaat over het binnenste mitochondriaal membraan], pyruvaat-carboxylasen, pyruvaat-dehydrogenase-kinasen, pyruvaat-dehydrogenase-fosfatasen, die naast PDC, de globale pyruvaat-stroom moduleren.

mei 17, 2020

HHV-6 reaktivatie, mitochondriale fragmentatie en antivirale & metabole fenotypes bij M.E.(cvs)

Filed under: Celbiologie,Infektie — mewetenschap @ 6:44 am
Tags: , , , , , , , ,

Onderstaand onderzoek (o.a. gefinancierd door ‘Solve M.E. Initiative’) toont een connectie tussen het courant voorkomend humaan herpes virus-6 (dat DNA-materiaal achterlaat in de cellen) en veel van de symptomen van M.E.(cvs).

Een team researchers van de ‘University of California San Diego School of Medicine’ en drie Duitse universiteiten illustreert hoe de inspanningen die het lichaam levert om de bescherming door het immuunsysteem op te krikken, kunnen leiden tot fysiologische uitputting. Ze focusten daartoe op Humaan Herpes Virus 6 (HHV-6), dat kan sluimeren (virale latentie) door te integreren in de chromosomen.

Eén van de auteurs, Robert Naviaux (de bedenker van de ‘cell-danger response’) stelt voor dat cellen al hun energie aanwenden voor hun verdediging en overleving, zodat ze er niet genoeg over hebben voor een normale cellulaire aktiviteit) liet optekenen: “Deze bevindingen zijn belangrijk omdat ze voor ‘t eerst tonen dat er antivirale aktiviteit in het serum van M.E.(cvs)-patiënten werd aangetroffen die nauw verbonden is met een fragmentatie van het mitochondriaal netwerk en verminderde cellulaire energie (ATP-produktie).”. En “Het biedt een verklaring voor de observatie dat M.E.(cvs)-patiënten minder virale infekties ervaren nadat ze de ziekte kregen. Ons werk helpt ook de link met eerdere infektie met Humaan Herpes Virus-6 (HHV-6) of HHV-7 begrijpen.”.

90 % van de bevolking wordt vóór de leeftijd van drie blootgesteld aan HHV-6. Het virus-DNA nestelt zich dan in een chromosoom en blijft er jaren lang latent in slechts enkele cellen. Voor de meeste mensen geeft dit geen problemen.

Hier werd echter gevonden dat blootstelling aan nieuwe metabole of chemische stressoren de cellen (met een geïntegreerde copie van of HHV-6), aanzet om naburige cellen te waarschuwen voor een bedreiging. De aktiviteit (een substantie die door HHV-6 geïnfekteerde cellen wordt gesekreteerd) beschermt andere cellen tegen nieuwe infekties (“super-infektie”) met RNA- & DNA-virussen maar veroorzaakt ook een fragmentatie van het mitochondriaal netwerk en verlaagt hun intracellulaire ATP-reserve (energie-voorraad). De researchers dienden cultuur-medium van cellen met HHV-6 reaktivatie toe aan gezonde cellen: ze zagen wijzigingen in mitochondriale strukturen geassocieerd met een lage metabole toestand. Dezelfde strukturele veranderingen werden ook gevonden als gezonde cellen werden gekweekt in medium met serum van M.E.(cvs)-patiënten. Cellen zonder een geïntegreerde copie van of HHV-6 sekreteren die antivirale activiteit niet.

De resultaten tonen, volgens de auteurs, dat de cellulaire bio-energetische vermoeidheid en cellulaire verdediging twee zijden van hetzelfde muntstuk zijn bij M.E.(cvs): Wanneer energie wordt verbruikt voor de verdediging van de cellen, is die niet meer beschikbaar voor normale cel-funkties (groei, herstel, en de werking van het neuro-endocrien systeem en het autonoom zenuwstelsel).

De bevindingen belichten verder het concept (de ‘cell-danger response’ (CDR) theorie) dat Naviaux al jaren onderzoekt. Deze theorie stelt dat chronische ziekte het gevolg is van de blokkage van een cyclus van natuurlijk herstel door ontwrichtingen op metabool en cellulair niveau. Bij M.E.(cvs) leidt dit alles tot levenslange ziekte.

HHV-6 & HHV-7 spelen dus misschien een rol bij de ziekte maar of ze dé (enige) oorzaak zijn …? Er wordt getoond dat met HHV-6 geïnfekteerde of gereaktiveerde celllen een krachtige metabole en mitochondriale her-modelerende respons kunnen opwekken die zelfs de cellen die geen virus bevatten kunnen leiden naar een hypo- (abnormaal lage) metabole toestand. Dus: zelfs (virus-gereaktiveerde) cellen met een laag aantal copieën van het virus in het bloed hebben nog een impact op de energie-produktie van andere cellen bij M.E.(cvs). De auteurs geloven dat dit mechanisme ook geldt voor gevallen die getriggerd zijn geweest door andere virussen.

Er zijn nu grotere studies nodig om de resultaten te valideren. De vraag blijft ook waarom reaktivatie van latent HHV-6 DNA in slechts enkele cellen genoeg zou om een signaal af te geven dat andere cellen doet ‘slapen’ en waarom dat enkel bij M.E.(cvs) gebeurt? Is er misschien een genetische factor in het spel? Er dient ook te worden gezocht naar de substantie die de cellen in ‘alarm’ zet en hun energie-produktie ondermijnt; en naar manieren om het signaal (waarvan de auteurs denken dat het niet-geïnfekteerde cellen in de ‘cell danger’ modus zet) te blokkeren…

————————-

ImmunoHorizons Vol 4, #4, pp 201-215 (april 2020)

Human Herpesvirus-6 reactivation, mitochondrial fragmentation, and the coordination of antiviral and metabolic phenotypes in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome

Philipp Schreiner (1), Thomas Harrer (2), Carmen Scheibenbogen (3), Stephanie Lamer (4), Andreas Schlosser (4), Robert K. Naviaux (5), Bhupesh K. Prusty (1,5,6)

1 Lehrstuhl fur Mikrobiologie, Julius-Maximilians Universität Wurzburg, Germany

2 Medizinische Klinik 3, Universitatsklinikum Erlangen, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nurnberg, Germany

3 Institut fur Medizinische Immunologie, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Campus Virchow-Klinikum, Germany

4 Rudolf-Virchow-Zentrum fur Experimentelle Biomedizin, Julius-Maximilians Universität Wurzburg, Germany

5 Department of Medicine, School of Medicine, University of California, San Diego

6 Department of Pediatrics, School of Medicine, University of California, San Diego

Samenvatting

Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een multi-factoriële aandoening met veel mogelijke triggers. Humaan herpesvirus (HHV)-6 & HHV-7 zijn twee infektueuze triggers waarvoor het bewijsmateriaal omvangrijker werd. Om de mogelijke oorzakelijke rol van HHV-6 bij M.E./CVS te begrijpen, werden metabole en antivirale fenotypes van U2-OS cellen bestudeerd met en zonder chromosomaal geïntegreerde HHV-6, en met en zonder virus-reaktivatie gebruikmakend van de histoon-deacetylase inhibitor trichostatine-A [TSA]. Er werd proteoom-analyse uitgevoerd d.m.v. isotopen-labeling van aminozuren in cel-cultuur analyse. De door HHV-6 transaktivatie geïnduceerde antivirale eigenschappen werden bestudeerd in virus-naïeve A549 cellen belast door infektie met influenza-A (H1N1) of HSV-1. Fragmentatie van mitochondrieën, en 1-koolstof metabolisme, dUTPase en thymidylaat-synthase bleken sterk geïnduceerd door HHV-6 reaktivatie, terwijl superoxide-dismutase-2 en proteïnen vereist voor mitochondriale oxidatie van vetzuren, aminozuren en glucose-metabolisme, inclusief pyruvaat-dehydrogenase, sterk waren geïnhibeerd. Transfer van supernatanten van U2-OS cellen na reaktivatie van HHV-6A leidde tot een antivirale toestand in A549 cellen zodat superinfektie met influenza-A en HSV-1 werden voorkomen. Adoptieve transfer van serum van 10 patiënten met M.E./CVS veroorzaakte een gelijkaardige fragmentatie van mitochondrieën en de geassocieerde antivirale toestand in de A549 cel test. Tot besluit: HHV-6 reaktivatie bij M.E./CVS-patiënten aktiveert een multisystemische, pro-inflammatoire, ‘cell-danger’ respons die beschermt tegen bepaalde RNA- en DNA-virus infekties maar ten koste van mitochondriale fragmentatie en ernstig verstoord energie-metabolisme.

INLEIDING

Humaan herpesvirus (HHV)-6A & -6B zijn neurotrope virussen [gericht op het zenuwstelsel] die reeksen telomeer- ‘repeats’ [herhaalde DNA-sequenties] dragen aan beide uiteinden van hun lineair genoom, wat hun genoom-integratie in menselijke chromosomen vergemakkelijkt en leidt tot latentie [virale latentie = de fase in de levenscyclus van een virus waarbij, na initiële infektie, de proliferatie van virus-partikels ophoudt]. Chromosomaal geïntegreerd HHV-6 (ciHHV-6) wordt nu en dan genetisch overgeërfd (iciHHV-6). Ca. 0,2-1% van de bevolking draagt iciHHV-6 en 90-100% is geïnfekteerd op de leeftijd van 3 jaar. HHV-7 is een ander lid van de beta-herpesvirus familie dat gelijkaardige genoom-integratie kenmerken heeft als HHV-6. HHV-6 & HHV-7 zijn dikwijls geassocieerd met meerdere menselijke ziekten, inclusief Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS), waar ook mitochondriale dysfunktie bij betrokken is. Er wordt al lang voorspeld dat mitochondriale dysfunktie een cruciale rol speelt bij de ontwikkeling van en/of progressie van M.E./CVS. Een gewijzigde mitochondriale dynamiek, deficiënte mitochondriale ATP-aanmaak en verhoogde oxidatieve stress werden bij M.E./CVS gerapporteerd. Biofysische veranderingen in cellen van M.E./CVS-patiënten die onder osmotische stress werden geplaatst werden gebruikt als een [mogelijke] vernieuwende diagnostische test voor M.E./CVS [Davis RW et al. A nanoelectronics-blood-based diagnostic biomarker for Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS). Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2019- 116: 10250-10257]. De exacte antecedent voor mitochondriale modulatie bij M.E./CVS is echter grotendeels onbekend. We hebben aangetoond dat HHV-6A reaktivatie mitochondriale fragmentatie induceert [Prusty BK et al. HHV-6 encoded small non-coding RNAs define an intermediate and early stage in viral reactivation. NPJ Genom. Med. (2018) 3: 25]. In deze studie hier onderzochten we potentiële infektueuze oorzaken en molekulaire mechanismen van mitochondriale dysfunktie, die wellicht resulteren in de ontwikkeling en/of progressie van M.E./CVS, gebuikmakend van HHV-6A reaktivatie als model. Onze resultaten tonen een serum-transfereerbare aangeboren immuun-aktiviteit bij M.E./CVS-patiënten die een toestand van lage mitochondriale aktiviteit gepaard met veranderingen qua mitochondriale dynamiek induceert, wat kan bijdragen aan de pathofysiologie van de ziekte.

MATERIALEN & METHODES

Cel-culturen en virale infektie

A549 [long-carcinoom] cellen […]. U2-OS [beender-osteosarcoom] cellen […] dragen latent HHV-6A.

[…]

Bloed-afname, DNA-extractie en kwantitatieve PCR van HHV-6 & HHV-7 DNA

[…]

RNA-extractie en kwantitatieve RT-PCR

[…]

ATP-test

[…]

Microscopie van de mitochondrieën en kwantificaties

[…] Meting van mitochondriale oppervlakte. […]

Fluorescentie in situ hybridisatie analyse

FISH [fluorescentie in-situ hybridisatie; techniek waarbij (delen van) chromosomen gekleurd worden en vervolgens onder een fluorescentie-microscoop worden bekeken] ter detektie van HHV-6A klein niet-coderend RNA-U14 (sncRNA-U14) [volgens Prusty BK et al. (zie hierboven), een merker voor virale reaktivatie].

Cytokine-analyse in PBMCs

De diagnose van M.E./CVS werd gesteld aan de Charité kliniek voor immunodeficiënties op basis van de Canadese Consensus Criteria en exclusie van andere medische of neurologische ziekten die vermoeidheid kunnen veroorzaken. Gezonde controles (HCs) gematcht voor leeftijd en geslacht werden gerecruteerd bij het personeel […].

Cytokine-produktie door monocyten […] en T-lymfocyten […]: kwantificatie van TNF-α & IL-1β in met LPS-gestimuleerde, en Il-5 & IFN-γ in met ConA gestimuleerde stalen, d.m.v. ELISA […].

Gepulseerde stabiele isotopen-labeling van aminozuren in cel-cultuur

[op massa-spectrometie gebaseerde techniek die verschillen qua hoeveelheden proteïnen detekteert gebruikmakend van labeling met niet-radioaktieve isotopen] […]

MS en MS gegevens-analyse

[…]

Statistiek

[…]

Toegankelijkheid van de gegevens

[…]

RESULTATEN

HHV-6A reaktivatie induceert mitochondriale dysfunktie

Verscheidene pathogene infekties wijzigen de mitochondriale dynamiek en funktie ten voordele van hun eigen vereisten. In het bijzonder virale infekties richten zich tegen mitochondrieën om de aangeboren immuniteit te ondergraven. Daarom dachten we dat een virale oorzaak achter de ontwikkeling van M.E./CVS zit, minstens bij een subgroep patiënten. Gebruikmakend van een uniek in-vitro model met menselijke U2-OS cellen, hebben we eerder getoond dat HHV-6A transaktivatie mitochondriale fissie [splijting] induceert, wat geassocieerd is met gewijzigingen van microRNAs (miRNA) alsook van het mRNA-transcriptoom van de gastheer. HHV-6 reaktivatie in U2-OS cellen is niet-produktief [Er worden geen infektueuze virussen aangemaakt.] en wordt gemarkeerd door de initiatie van transcriptie van meerdere virale kleine niet-coderende RNAs [sncRNA] in afwezigheid van substantiële virale DNA-replicatie en virale proteïne-synthese. Het viraal polymerase [enzyme dat DNA- of RNA-molekulen synthetiseert/copieert] is niet detekteerbaar, en er kunnen slechts heel weinig selektieve virale ‘onmiddellijk vroege’ (I.E.) [‘immediate-early’] en ‘vroege’ transcripten en proteïnen [van genen die (heel) vroeg worden overgeschreven] in deze cellen worden gedetekteerd na virus-reaktivatie.

Om de potentiële effekten van HHV-6A transaktivatie op de mitochondriale funktie in U2-OS cellen verder te begrijpen, voerden we onderzoek naar veranderingen in het gastheer-proteoom na virus-reaktivatie in deze cellen. Daartoe werd HHV-6A reaktivatie eerst geïnduceerd d.m.v. TSA [trichostatine-A; kan gen-expressie wijzigen (interfereren met histoon-deacetylasen) door de toegang van transcriptie-factoren tot DNA-molekulen te veranderen] en de mitochondriale fragmentatie werd gedocumenteerd d.m.v. microcopie: we zagen een overheersende gestippelde vorm van mitochondrieën na HHV-6A reaktivatie. Gebruikmakend van kwantitatieve proteomica (gebaseerd op isotopen-labeling van aminozuren in cel-cultuur), observeerden we een effekt van virus-reaktivatie op de proteïnen-dynamiek van de gastheer-cel. Gegevens afgeleid van twee biologische gerepliceerde experimenten toonden sterke reproduceerbaarheid van de identificatie van de proteïnen waarvan de expressie gewijzigd was na virale reaktivatie. We detekteerden veranderingen qua expressie-dynamiek van meerdere belangrijke cellulaire proteïnen. Omwille van onze interesse in HHV-6 gemedieerde mitochondriale dysfunktie, analyseerden we verder de mitochondrieën-specifieke proteïnen. Meerdere belangrijke mitochondriale proteïnen betrokken bij glycolytische mechansimen, foliumzuur- en 1-koolstof metabolisme [groep biochemische reakties die de the transfer van 1-koolstof groepen gemeenschappelijk hebben; speelt een belangrijke rol bij o.a. biosynthese, aminozuur-homeostase, enz.], vetzuur-oxidatie, en aminonozuren-metabolisme bleken gewijzigd na HHV-6A transaktivatie, suggestief voor een potentieel effekt op het cellulair alsook het mitochondriaal metabolisme. De meest interessante observatie was de downregulering qua expressie van de mitochondriale proteïnen [enzymen] pyruvaat-dehydrogenase fosfatase katalytische subunit 1 (PDP1) en mangaan-afhankelijk superoxide-dismutase-2 (SOD2). [zie bespreking] Verhoogde oxidatieve stress – waar dikwijls naar wordt verwezen als de oxidatieve bescherming respons [Naviaux RK. Oxidative shielding or oxidative stress? J. Pharmacol. Exp. Ther. (2012) 342: 608-618; oxidatieve stress is niet het resultaat van een falend anti-oxidant systeem maar een intentionele en beschermende respons] – en gewijzigde pyruvaat-dehydrogenase funktie [Fluge Ø. et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. JCI Insight (2016) 1: e89376] zijn sleutel-kenmerken van M.E./CVS. Verminderde SOD2-waarden kunnen bijdragen tot verhoogde reaktieve zuurstof-soorten (ROS) in de cel. In een eerdere studie hebben we verhoogde ROS getoond in HHV-6 geïnfekteerde cellen. Vandaar dat we speculeerden over een directe rol van HHV-6 infektie bij de pathofysiologie van M.E./CVS.

Om de gevolgen te begrijpen van HHV-6 gemedieerde mitochondriale veranderingen op het gastheer-metabolisme, focusten we op de verhoogde mitochondriale fissie in HHV-6 gereaktiveerde cellen. Verhoogde mitochondriale fissie vermindert de respiratoire capaciteit van de cel, met als gevolg verlaging van de cellulaire ATP-produktie. Lagere cellulaire energie kan ook mitochondriale fragmentatie induceren. Vandaar dat we ons afvroegen of HHV-6A transaktivatie ook leidt tot een lagere ATP-inhoud van de cel. We hebben de ATP-inhoud van U2-OS cellen gemeten in aan- of afwezigheid van latent HHV-6A. Bovendien reaktiveerden we HHV-6A in deze cellen d.m.v. de histoon-deacetylase inhibitor TSA en bestudeerden de ATP-inhoud na virus-reaktivatie. Om de mitochondriale ATP-generatie enkel in afwezigheid van de glycolytische ATP-machinerie te meten, vervingen we glucose-bevattende media met een galactose-bevattend in parallelle experimenten. Galactose kan niet efficiënt worden gemetaboliseerd naar pyruvaat op een anaërobe manier en dwingt cellen te verschuiven naar mitochondriale oxidatieve fosforylatie voor energie-metabolisme en overleving. Onze resultaten toonden een afname qua cytoplasmisch én mitochondriaal ATP na HHV-6A reaktivatie. De mogelijkheid van verlies van ATP omwille van een produktieve virale levenscyclus werd uitgesloten, aangezien HHV-6A een niet-produktieve levenscyclus heeft in deze cellen.

HHV-6A reaktivatie in U2-OS cellen zou leiden tot een aangeboren immuun-respons. Zoals veel andere virussen zou HHV-6A echter ook een mechanisme kunnen ontplooien om mitochondriale fissie te induceren. Mitochondriale fissie reduceert het vermogen van cellen om een aangeboren immuun-respons op te zetten. Om dit te controleren, evalueerden we de IFN-respons in U2-OS cellen na virus-reaktivatie via qRT-PCR: mRNA-waarden van IFN-β, IFN-responsief en viraal RNA-bindend gen IFIT-1 en TNF-α respons gen ICAM-1 werden gekwantificeerd. Er werden U2-OS cellen na transfektie met een RNA-sequentie van influenza-A (H1N1) virus gebruikt als positieve controle. Onze resultaten tonen een verminderde aangeboren immuun-respons in U2-OS cellen na virus-reaktivatie, met lagere waarden qua IFN-β en TNF-α mRNA. Interessant: we zagen in vergelijking hogere IFIT-1 mRNA waarden in aanwezigheid van latent HHV-6A vóór stimulatie met TSA. Een verhoogde ISG [IFN-gestimuleerd gen; proteïne-produkten van ISGs controleren pathogeen-infekties] -respons […] in latent virus bevattende cellen, versterkt ons argument dat mitochondriale fragmentatie een aanpassing van het virus kan zijn om aangeboren immuun-respons te vermijden op het moment van virale reaktivatie wanneer virale ‘I.E.’ RNAs vrij beschikbaar zijn in het gastheer-cytoplasma. Gefragmenteerde mitochondrieën zijn inefficiënt wat betreft het opwekken van een sterke aangeboren immunieit respons, aangezien ze de interaktie voorkomen tussen mitochondriaal antiviraal signalisering (MAVS) proteïne en stimulator van IFN-genen (STING) op mitochondriale membranen. De mogelijkheid van een produktieve virale levenscyclus in U2-OS cellen werden uitgesloten via het kwantificeren van P41 & U94 mRNAs in dezelfde mRNA-preparaties. HHV-6 P41, een ‘I.E.’ viraal proteïne dat betrokken bleek bij de vroege fases van de virale replicatie, werd gedetekteerd na TSA-behandeling, wat onze eerdere gegevens ondersteunt. Ter zelfder tijd werd het viraal proteïne U94 niet gedetekteerd 48 h na TSA-behandeling, wat aantoont dat de virus-reaktivatie incompleet was. We toonden eerder ook een ontbreken van U94 transcriptie na HHV-6A reaktivatie in U2-OS cellen. Zodoende tonen onze resultaten dat partiële reaktivatie van HHV-6A genoeg is om mitochondriale fragmentatie te induceren die leidt tot een lagere ATP-inhoud gepaard met een verlaagde aangeboren immune respons.

Pro-inflammatoire mitochondriale architectuur kan worden overgedragen via gesekreteerde factoren van HHV-6 gereaktiveerde cellen

Er werd gesuggereerd dat een dergelijke gewijzigde respiratoire toestand van de cel, vergezeld van een afname qua mitochondriale oxidatieve fosforylatie en gefragmenteerde mitochondriale architectuur (M1 mitochondrieën) de pro-inflammatoire ‘cell-danger’ respons (CDR) verhoogt [Naviaux RK. Incomplete healing as a cause of aging: the role of mitochondria and the cell danger response. Biology (2019) 8: E27 /// Naviaux RK. Metabolic features and regulation of the healing cycle – A new model for chronic disease pathogenesis and treatment. Mitochondrion (2019) 46: 278-297] en een kritische rol vervult in de cellulaire verdediging tegen microbiële pathogenen. Om deze hypothese te testen, ontwikkelden we een test-systeem gebruikmakend van menselijke A549 long-carcinoom cellen. A549 cellen werden voor-behandeld met cultuur-supernatant van U2-OS cellen met en zonder geïntegreerd HHV-6A gedurende 48 h. De cellen werden dan grondig gewassen en belast met een RNA- (influenza-A) of DNA-virus (HSV-1) infektie […]. 24 h na infektie werden de cellen verzameld en de virale infektie werd gekwantificeerd via qRT-PCR voor één van de vroeger virale RNAs. Viraal M1 RNA werd gebruikt als indicator voor influenza-virus infektie en ICP0 RNA als indicator voor HSV-1 infektie. Onze resultaten toonden dat cultuur-supernatanten enkel van cellen met ciHHV-6 DNA dat getransaktiveerd was, bescherming konden bieden tegen HSV-1 én influenza-A. Indirecte effekten van virale reaktivatie medicijnen werden uitgesloten door cellen te gebruiken die geen latent viraal genoom droegen maar wel behandeld waren met het reaktiverend agens (TSA). Deze resultaten tonen dat cellen die latent HHV-6A DNA bevatten dat was getransaktiveerd door TSA, een krachtige aktiviteit sekreteren die kan worden overgedragen en een mitochondriale fragmentatie en pro-inflammatoire CDR induceren in naïeve responder-cellen, en zo sterke bescherming tegen DNA- én RNA-virus infekties verlenen. Het is echter niet nodig dat zowel de mitochondriale fragmentatie als de antivirale bescherming fenotypes van elkaar afhankelijk zijn en worden veroorzaakt door dezelfde factor.

Op basis van de bovenstaande resultaten, stelden we ons de volgende vraag: kan een cel-vrij cultuur-supernatant van HHV-6A gereaktiveerde cellen gelijkaardige veranderingen veroorzaken in de mitochondriale architectuur van nabijgelegen cellen? Daartoe verzamelden we cel-vrij cultuur-supernatant van U2-OS cellen na 2 dagen virale reaktivatie en incubeerden ze met verse U2-OS cellen zonder enig virus maar met expressie van een oplosbaar mitochondriaal GFP (mitoGFP) [Groen Fluorescerend Proteïne; gebruikt om andere proteïnen te labelen en visualiseren; merker voor virale reaktivatie]. Oplosmiddel-gecontroleerd behandeld cel-vrij cultuur-supernatant én cel-vrij cultuur-supernatant van niet virus-dragende cellen dienden als controle. Bij analyse van de mitochondriale architectuur, detekteerden we significante wijzigingen qua mitochondriale morfologie na incubatie van gezonde cellen met cel-vrij cultuur-supernatant verkregen van HHV-6A gereaktiveerde cellen. Er werd verhoogde mitochondriale fragmentatie, leidend tot gedaalde gemiddelde mitochondriale oppervlakte gezien in de cellen die waren behandeld met cultuur-supernatant van HHV-6A gereaktiveerde cellen t.o.v. controles. Dit effekt van virale reaktivatie op de mitochondriale morfologie van nabijgelegen cellen biedt een interessant scenario dat kan worden aangewend om M.E./CVS-pathofysiologie te bestuderen. Een transfereerbaar hypo-metabool fenotype in responder-cellen werd verder ondersteund door observaties omtrent verminderde intracellulaire ATP-inhoud. Een potentiële rol van verhoogde immuun-respons in responder-cellen die dient als een antivirale factor werd uitgesloten door het kwantificeren van de IFN-respons in deze cellen. Er werd een zeer milde (2-3 voudige) toename van IFN-β & TNF-α respons gedetekteerd in de U2-OS cellen met latent virus, onafhankelijk van TSA. Een mogelijke door viraal RNA geïnduceerde immuun-respons werd echter uitgesloten in U2-OS én A549 cellen omwille van het ontbreken van geïnduceerd IFIT-1 mRNA. Deze resultaten suggereren dat een onbekende en IFN-onafhankelijke transfereerbare factor van HHV-6A gereaktiveerde cellen een hypo-metabool, gefragmenteerd mitochondriaal fenotype kan induceren in responder-cellen.

HHV-6 & HHV-7 als potentiële oorzakelijke factor voor M.E./CVS

Aangezien onze in-vitro HHV-6A reaktivatie studies wezen in de richting van mogelijke gelijkenissen tussen virale reaktivatie en M.E./CVS-pathofysiologie, bekeken we de mogelijkheid van een virale oorzaak achter M.E./CVS bij 25 M.E./CVS-patiënten (n = 25) en 10 controles (n = 10) gebruikmakend van DNA qPCR. We argumenteerden dat een hoge virale lading dient te worden gedetekteerd in het bloed van M.E./CVS-patiënten om virale infektie te to associëren met de ziekte. Patiënten met een M.E./CVS-diagnose gebaseerd op de Canadese Consensus Criteria werden willekeurig geselekteerd (leeftijd 21-59 jaar). De controles waren individuen zonder M.E./CVS alsook personen met andere klinische aandoeningen. Er werd DNA verkregen uit totaal bloed, geïsoleerde PBMCs, serum en haar-follikels van alle patiënten. De haar-folikels werden getest op viraal DNA om te zoeken naar potentiële iciHHV-6 [zie inleiding] gevallen, die een hoge virale lading dragen (één tot twee copieën per cel). Serum werd getest op extracellulair viraal DNA dat het resultaat zou kunnen zijn van viremie [aanwezigheid van virus in het bloed], suggestief voor een mogelijke virale aktivatie/infektie.

qPCR-studies detekteerden geen viraal DNA in geen enkel van de 25 M.E./CVS haar-follikel stalen. Twee controles hadden echter ca. 1 copie van HHV-6A of HHV-6B in hun haar-follikels, suggestief voor, respectievelijk, mogelijks iciHHV-6A en iciHHV-6B. Er werden gelijkaardige hoeveelheden viraal DNA gedetekteerd in bloed, PBMCs en serum van deze twee controles, wat latente virale integratie bevestigt. De afwezigheid van enig viraal mRNA bij deze twee gevallen bevestigde ook de latente virale toestand. Serum-stalen van deze twee werd gebruikt als controle in alle volgende experimenten. Drie M.E./CVS-patiënten bleken positief voor HHV-6 in totaal-bloed alsook PBMCs. Een andere M.E./CVS-patient bleek ook HHV-6 positief in PBMCs maar niet in totaal-bloed, dus slechts 16% (4 op 25) van de M.E./CVS-patiënten had HHV-6 DNA in het bloed. Een zeer lage hoeveelheid viraal DNA in het bloed kan te wijten zijn aan latent virus of potentiële virale aktivatie in zeer weinig cellen, die kunnen resulteren in het verminderen van viraal DNA en RNA in totaal-bloed. We hebben HHV-6 gecodeerd sncRNA-U14 geïdentificeerd als krachtige merker voor virale reaktivatie. Aangezien we verwachtten dat de hoeveelheid viraal RNA bij reaktivatie/infektie hoger kan zijn dan de hoeveelheid viraal DNA en dat het makkelijker detekteerbaar zou zijn, voerden we FISH-studies uit gebruikmakend van geconcentreerde PBMCs of bloedklonters van een deel van deze M.E./CVS-gevallen (n = 20). FISH-analyse verhoogde het aantal HHV-6 positieve gevallen tot 40% (8 op 20). FISH beeld-analyse bevestigde onze hypothese dat slechts een klein deel van de HHV-6 sncRNA-U14 droeg. Geen enkele van de controles, inclusief de twee iciHHV-6 gevallen, kleurde positief voor sncRNA-U14. 36% van de M.E./CVS-patiënten testte positief voor HHV-7 DNA, (gemiddeld 1.835-26.056 copieën viraal DNA per miljoen cellen). We karakteriseerden latente of aktieve HHV-7 infektie niet. Tot besluit: we detekteerden een zeer laag aantal copieën viraal genoom bij M.E./CVS-patiënten, niet genoeg om te duiden op een directe rol van aktieve virale infektie bij de ziekte.

Serum van M.E./CVS-patiënten maar niet van controles induceerde veranderingen in de mitochondriale architectuur van gezonde cellen

Een laag aantal copieën van virus-DNA en -RNA in het bloed van M.E./CVS-patiënten leidde tot een verwarrend scenario waarbij de oorzakelijke rol van deze virussen bij ziekte-progressie moeilijk te begrijpen is. Een plausibele verklaring kan gelokaliseerde virale infektie/aktivatie in afgelegen delen van het lichaam zijn, waarbij enige geïnfekteerde cellen die geaktiveerd virus dragen worden vrijgesteld of enkele aktivatie-gemedieerde cellulaire factoren in het bloed worden afgegeven. Interessant is dat eerder werk [Fluge Ø et al; zie hierboven] heeft getoond dat serum van M.E./CVS-patiënten met ernstige ziekte het mitochondriaal oxidatief metabolisme en respiratie verhoogt in gezonde spiercellen onder belasting. We vroegen ons zodoende af of serum van M.E./CVS-patiënten de mitochondriale morfologie in gezonde cellen op een zelfde manier kan wijzigen, zoals werd gezien bij HHV-6 infektie. We kweekten zodoende U2-OS cellen die oplosbaar mitoGFP hebben maar geen HHV-6, in aanwezigheid van serum van M.E./CVS-patiënten alsook van controles. De mitochondriale dynamiek werd geanalyseerd via microscopie. Onze resultaten toonden verhoogde mitochondriale fragmentatie (gekwantificeerd door gemiddelde mitochondriale oppervlakte) in gezonde gecultiveerde cellen na incubatie met serum van M.E./CVS-patiënten maar niét van gezonde controles. Directe kwantificatie van de mitochondriale oppervlakte in PBMCs van M.E./CVS-patiënten was niet nuttig, aangezien PBMCs kleiner zijn en een ronde vorm hebben, wat […] kwantificatie van de mitochondriale grootte hindert. Onze resultaten suggereren dat wijzigingen qua mitochondriale architectuur om een meer pro-inflammatoire vorm van de mitochondrieën te verkrijgen, een belangrijk kenmerk bij M.E./CVS-patiënten is en geen directe viral infektie in elke cel vereist.

Serum-transfereerbare aangeboren immuniteitbij M.E./CVS-patiënten

Aangezien verhoogde CDR een transfereerbaar kenmerk van HHV-6A reaktivatie in vitro was, testten we of een gelijkaardige pro-inflammatoire aktiviteit kon worden gemeten in het bloed of M.E./CVS-patiënten. Als test-systeem kweekten we A549 cellen in aanwezigheid van serum van 10 M.E./CVS-patiënten en 5 controles. Na 2 dagen blootstelling aan serum, werden de cellen gewassen en blootgesteld aan influenza-A of HSV-1 […]. Kwantificatie van virale infektie onthulde tot 99% afname van virale infektie voor zowel HSV-1 als influenza na behandeling met serum van M.E./CVS-patiënten. Slechts 1 van de 10 M.E./CVS-patiënten had geen negatief effekt van influenza-A infektie. In feite zagen we een toename van 2,5 maal qua influenza-infektie in aanwezigheid van serum van deze patient. 4 van de 5 controle-sera gaf geen negatief effekt op influenza-A infektie. Slechts 1 van de controle-sera verminderde influenza-infektie tot 50%. Deze afname was echter vergelijkbaar met de mate van bescherming die we zagen in aanwezigheid van M.E./CVS sera. In het geval van HSV-1 infektie gaf geen enkel van de controle-sera bescherming. Statistische analyse toonde sterke significantie en uitstekende prestatie-karakteristieken voor de diagnostische bruikbaarheid van dit test-systeem. De positieve voorspellende waarde voor de influenza-A inhibitie test om serum van M.E./CVS-patiënten te identificeren was 0.9 (95% CI = 0.6-0.99; p = 0.017). De positieve voorspellende waarde voor de HSV-1 inhibitie test was 1.0 (95% CI = 0.72-1.0; p = 0.0003). Om de mogelijkheid te testen van een hypo-metabole toestand in de responder A549 cellen, hebben we intracellulaire ATP-waarden gemeten in A549 cellen na incubatie met serum van M.E./CVS-patiënten of HCs. We zagen een lager intracellulair ATP in deze cellen. Omwille van de kleinere grootte van het staal konden we echter geen statistisch significant verschil qua ATP-inhoud zien.

Uitsluiten van TNF-α & IFN respons

Eén van de meest prominente kandidaat-molekulen die een sterke antivirale verdediging kan bieden, is IFN [interferon]. Vandaar dat we de IFN-respons testten in A549 cellen na behandeling met M.E./CVS- of HC-serum. We zagen een sterke afname qua mRNA-waarden van IFN-β, IFIT-1 & ICAM-1 in de A549 cellen in aanwezigheid van M.E./CVS-serum in vergelijking met HC-serum. Dan vroegen we ons af of de sekretorische IFN-respons in geïsoleerde PBMCs hoger is bij M.E./CVS-patiënten. Daartoe gebruikten we een andere groep van 22 M.E./CVS-patiënten en 22 HCs. Na behandeling met LPS vonden we lagere waarden qua gesekreteerd TNF-α (p < 0.01) & IFN-γ (p < 0.05) voor M.E./CVS-patient PBMCs vergeleken met die van HCs. Er werden geen significante verschillen gezien voor IL-1β & IL-5. Deze resultaten sluiten een potentiële rol uit voor IFN-respons wat betreft de mitochondriale fragmentatie en antivirale respons bij M.E./CVS-patiënten.

BESPREKING

HHV-6 infektie en reaktivatie wijzigen het gastheer-cel transcriptoom, inclusief het miRNAoom. miRNAs reguleren de intra-organel mechanismen, waarbij ze de job uitoefenen van het fijnregelen van de funkties die vereist zijn om de metabole vereisten van een orgaan of cel-type te vervullen. Onze ‘deep-sequencing’ benadering eerder onthulde belangrijke veranderingen in de expressie van een groot panel menselijke miRNAs na HHV-6A reaktivatie dat wijst op een brede waaier aan effekten op mitochondrieën en geassocieerde metabole funkties na virale aktivatie. Hier bestudeerden we kwantitatieve veranderingen in cellulaire en mitochondriale proteomica na HHV-6A reaktivatie en vonden meerdere significante wijzigingen sterk lijkend op M.E./CVS-pathofysiologie. PDP1 was ge-downreguleerd in respons op HHV-6A reaktivatie. PDP1 helpt bij het terugdraaien van de negatieve effekten van pyruvaat-dehydrogenase kinasen op pyruvaat-dehydrogenase. Een afname van PDP1 suggereert een mogelijke daling qua funkties van pyruvaat-dehydrogenase, die ook wordt gerapporteerd bij M.E./CVS-patiënten [Fluge Ø et al; zie hierboven].We vonden ook een daling van de SOD2-waarde die kan leiden tot hoge hoeveelheden ROS in de cel. We hebben eerder getoond dat HHV-6 infektie ROS induceert in gastheer-cellen en de expressie van of glutathion-reductase wijzigt. Deze observaties ondersteunen sterk een pathologische link tussen HHV-6 reaktivatie en M.E./CVS.

Hypo-metabole toestand van bloedcellen is een kenmerk van M.E./CVS [Naviaux RK et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2016) 113: E5472-E5480]. Hoewel we geen metabole studies deden, heeft onze studie omtrent de mitochondriale architectuur in aanwezigheid van serum van M.E./CVS-patiënten maar niet van controles transfereerbare aktiviteit in M.E./CVS-serum onthuld die mitochondrieën fragmenteert en een gecoördineerde antivirale toestand in naïeve responder cellen in vitro. Deze test was zeer gevoelig (0.9-1.00; 95% CI = 0.6-1.0) en specifiek (0.8-1.0; 95% CI = 0.38-1.0) wat betreft de identificatie van serum van M.E./CVS-patiënten. In onze studies bleek virale reaktivatie alsook behandeling met serum van M.E./CVS-patiënten een typische (M1) toestand van de mitochondrieën te induceren [zie Naviaux RK (2016)& (2019) hierboven] in gastheer-cellen, wat ook gepaard ging met een sterke pro-inflammatoire toestand van de cel die de gastheer-cellen beschermde tegen binnenkomende DNA- én RNA-virussen, consistent met oxidatieve bescherming. Er zijn veel mogelijke manieren waarop een nabijgelegen gezonde cel een potentieel infektueus risico in de omgeving kan voelen. Een verhoogde IFN-respons van de virus-getransaktiveerde cellen kan resulteren in gesekreteerd IFN dat kan worden gevoeld door nabijgelegen cellen, leidend tot een hypo-metabole toestand. Er werd gerapporteerd dat meerdere type-I [o.a. IFN-α & IFN-β] en type-II [IFN-γ] IFNs [cytokinen], alsook IFN respons genen, sterk aanwezig zijn in het serum van M.E./CVS-patiënten [Montoya JG et al. Cytokine signature associated with disease severity in Chronic Fatigue Syndrome patients. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2017) 114: E7150-E7158 /// Moss RB et al. TNF-alpha and Chronic Fatigue Syndrome. J. Clin. Immunol. (1999) 19: 314-316]. We zagen echter geen toename qua IFN-γ in PBMCs van een kleine groep M.E./CVS-patiënten. Daarnaast zagen we een significante daling qua ISG-expressie na behandeling met M.E./CVS-serum. Vandaar dat het sterk antiviraal fenotype in ons test-systeem IFN-onafhankelijk lijkt te zijn. Gefragmenteerde mitochondrieën kunnen kapot mitochondriaal DNA in het cytoplasma en de extracellulaire ruimte afgeven, dat TLR-gemedieerde cytokine-produktie in nabijgelegen cellen kan induceren. Nieuw gesynthetiseerd, 8-hydroxyguanosine [biomerker voor oxidatieve stress] bevattend mitochondriaal DNA (ox-mtDNA) kan direct de assemblage van het NLRP3 inflammasoom [lees: ‘NLRP3 Inflammasoom geaktiveerd bij Fibromyalgie]. aktiveren. Interessant is dat een overmaat aan bepaalde cytokinen ook het mitochondriaal metabolisme kan veranderen om verdere groei van pathogenen te voorkomen. Bepaalde complexe aandoeningen, zoals Amyotrofe Laterale Sclerose, zijn geassocieerd met een hypo-metabole toestand die wordt gekenmerkt door een kleinere grootte en hoeveelheid mitochondrieën.

Auto-immuniteit is courant bij M.E./CVS [Sotzny F, Scheibenbogen C et al. Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome – evidence for an autoimmune disease. Autoimmun. Rev. (2018) 17: 601-609]. Meerdere auto-antilichamen zijn in staat een pro-inflammatoire toestand te induceren in doelwit-cellen. Interessant: HHV-6 is gelinkt met meerdere auto-immune ziekten, inclusief Multipele Sclerose en Hashimoto thyroïditis. Auto-antilichamen tegen β2-adrenerge receptoren (β2R) bleken ge-upreguleerd in een subgroep M.E./CVS-patiënten [Loebel M, Fluge Ø et al. Antibodies to β adrenergic and muscarinic cholinergic receptors in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Brain Behav. Immun. (2016) 52: 32-39]. Dergelijke antilichamen behoren tot een netwerk van natuurlijke antilichamen tegen adrenerge, acetylcholine (cholinerge) en andere GPCR-receptoren die dysfunktioneel bleken bij verscheidene auto-immune ziekten. [lees ook ‘Syndromen met chronische pijn/vermoeidheid gelinkt met auto-immune dysautonomie & ‘small-fibre’ neuropathie] Autonome ontregeling is een hoofdkenmerk van M.E./CVS. Er is bewijsmateriaal voor het feit dat de β2R-gemedieerde regulering van cytokinen door terbutaline [β₂-adrenerge receptor agonist] wordt verstoord in totaal-bloed immuuncellen van M.E./CVS-patiënten [Kavelaars A, Heijnen CJ et al. Disturbed neuroendocrine-immune interactions in Chronic Fatigue Syndrome. J. Clin. Endocrinol. Metab. (2000) 85: 692-696]. Een artikel toonde dat influenza-replicatie wordt geïnhibeerd door α2-adrenerge stimulatie via cAMP-inhibitie. In tegenstelling daarmee staat β2R-stimulatie bekend cAMP te stimuleren. Zodoende: een onevenwicht van adrenerge stimulatie die cAMP-downregulering begunstigt, zou ook een verklaring kunnen zijn voor onze bevindingen. Gelijkenissen tussen transfer van HHV-6A reaktivatie cultuur-supernatant en M.E./CVS-serum suggereert echter een potentiële metabole rol naast andere mogelijkheden.

Het ontbreken van een sterke HHV-6 en HHV-7 infektie bij M.E./CVS-patiënten in meerdere studies heeft twijfel gezaaid omtrent de betrokkenheid van deze virussen bij M.E./CVS. In deze studie tonen we echter dat onvolledige HHV-6 reaktivatie, zelfs in een klein aantal latent geïnfekteerde cellen, er de oorzaak van is dat gereaktiveerde cellen een aktiviteit sekreteren die kan worden getransfereerd in serum, en mitochondriale fragmentatie veroorzaakt en een krachtig programma coördineert in reagerende cellen. Onze studies toonden dat enkel ‘I.E.’-gebeurtenissen, zoals de transcriptie van meerdere kleine niet-coderende virale RNAs, nodig waren om de aanmaak en sekretie van de mitochondriale fragmentatie-factor en transfereerbare antivirale toestand te triggeren. Er worden geen HHV-6 proteïnen gemaakt tijdens de onvolledige reaktivatie die hier in dit artikel wordt beschreven. Specifiek: er werd geen belangrijke wijziging qua HHV-6 replicatie geobserveerd. Dit verklaart het falen van anti-herpesvirus medicijnen in een subgroep patiënten, omdat het HHV-6 polymerase niet tot expressie komt tijdens een onvolledige virus-reaktivatie, en medicijnen gericht tegen het viraal DNA-polymerase dus geen viraal doelwit hebben.

De virus-reaktivatie experimenten die in deze studie werden beschreven, tonen dat een antivirale toestand ontstaat zowel in cellen met ongereaktiveerd en gereaktiveerd HHV-6. Dit lijkt in te gaan tegen de virale groei en kan daarom dus de korte-termijn voordelen van virale reaktivatie vanuit pathogeen standpunt niet verklaren, tenzij passieve transmissie van viraal genoom naar dochter-cellen na mitose een belangrijke rol speelt in HHV-6 genoom propagatie. Een gedaalde IFN-respons in virus-gereaktiveerde cellen kan een voordeel bieden voor het overleven van ‘I.E.’ RNAs in het gastheer-cel cytoplasma. In deze studie hebben we echter enkel de niet-produktieve transaktivatie-toestand van het virus getest. Produktieve virale infektie, met virion [compleet virus-partikel met een buitenste proteïnen-omhulsel (capside) en in de kern nucleïnezuur] -aanmaak en -afgifte, zou bijkomende virale factoren kunnen binnenbrengen die het vermogen van de cel schaden om een hypo-metabole toestand te ondergaan om succesvolle virus-groei te bewerkstelligen. Bijkomend: mitochondriale fragmentatie laat het virus dikwijls toe een persistente of latente toestand onder hypo-metabole toestand te verwerven.

In deze studie vonden we dat geen enkele van de 25 patiënten met M.E./CVS bewijs van een volledig gereaktiveerde HHV-6 of HHV-7 infektie in het perifeer bloed had en slecht 8 op 20 (40%; 95% CI = 0.19-0.64) vertoonden partiële reaktivatie gemeten via FISH-analyse van HHV-6 klein niet-coderend RNA U14 in totaal-bloed. Gebruikmakend van een in-vitro reporter-cel test, toonden we echter dat serum van M.E./CVS-patiënten een aktiviteit bevatte die mitochondriale fragmentatie, gedaalde mitochondriale ATP-produktie verzaakt, en een krachtige antivirale toestand induceert. In 2016 onthulde een metaboloom-analyse bij ME./CVS-patiënten een chemische signatuur die gelijkaardig is met de evolutionair bewaarde, hypo-metabole toestand die bekend staat als ‘dauer’ [zie Naviaux RK (2016) hierboven]. Deze ‘dauer’-achtige toestand bleef behouden door versperringen van genezing, voortkomend uit een abnormale persistentie van CDR. De CDR bleek direct betrokken bij zowel genezing als de biologie van het ouder-worden. In dit eerder werk, was de hypothese dat de metabole kenmerken van de CDR bij M.E./CVS-patiënten kan beschermen tegen bepaalde infekties, maar de antivirale aktiviteit werd niet direct getest [zie Naviaux RK (2016)& (2019) hierboven] []. Onze huidige gegevens tonen dat slechts een klein deel cellen latent geïnfekteerd moet zijn met HHV-6 om een sekretorisch fenotype te triggeren dat sterk beschermt tegen sommige RNA- en DNA-virussen in nabij- en af-gelegen cellen zonder HHV-6 DNA. Er dienen in de toekomst grotere studies met meerdere groepen M.E./CVS-patiënten van verschillende leeftijden te worden uitgevoerd, en met methodes die zowel produktieve als non-produktieve (incomplete) virale reaktivatie gebeurtenissen detekteren en kwantificeren. Bovendien zouden potentiële factoren die de mitochondriale dynamiek bij M.E./CVS-patiënten aantasten systematisch moeten worden geëvalueerd wat betreft hun vermogen om een krachtige antivirale toestand te induceren. Ons mitochondriaal, reporter-gebaseerd cel-systeem zal de mogelijkheid bieden om een diagnostische test voor M.E./CVS te ontwikkelen alsook een platform te bieden voor verdere identificatie van potentiële factoren die M.E./CVS-pathofysiologie definiëren.

mei 3, 2020

Het effekt van de ernst van M.E.(cvs) op de cellulaire bioenergetische funktie

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 6:28 am
Tags: , , , ,

Onderstaande studie werd o.a. gefinancierd door ‘ME Research UK’. Het is een vervolg op een voorafgaande studie door dezelfde onderzoeksgroep (zie ‘Cellulaire bio-energetica verstoord bij patiënten met M.E.(cvs)’). Dit team deed ook al opmerkelijke vondsten wat betreft de cellulaire energie-produktie: o.a. een daling van de cellulaire energie (ATP-waarden) en problemen betreffende de AMPK-signalisering (verantwoordelijk voor het regelen van de energie in cellen; zie ‘Abnormale AMPK-aktivatie & glucose-opname in spiercellen bij CVS’).

De belangrijkste bevindingen zijn dat mensen met matige M.E.(cvs) een mitochondriale dysfunktie hebben en dat patiënten met ernstige M.E.(cvs) mitochondriale én glycolyse-stoornissen vertonen.

De onderzoekers her-onderzochten resultaten van hun eerder werk waarbij ze M.E.(cvs)-patiënten in twee groepen opdeelden: mensen die matig (huisgebonden) en ernstig (bedlegerig) ziek zijn. Ze maten de respiratie (cellulaire ademhaling) in bloedcellen van patiënten en controles om te bepalen of er een verschil was wat betreft de mitochondriale funktie en metabole mechanismen zoals glycolyse. Mitochondrieën voorzien in het grootste deel van de energieproduktie in cellen en glycolyse is het proces waarbij glucose wordt verbruikt om energie te leveren.

Ze vonden dat de mitochondriale funktie voor beide groepen patiënten in dezelfde mate verminderd was, vergeleken met gezonde individuen. De gereduceerde mitochondriale werking was dus niet gelinkt met de ernst van de ziekte, wat suggereert dat het dus een gevolg is van de M.E.(cvs) en niét van deconditionering. Beide groepen patiënten vertoonden ook gedaalde ATP-gelinkte respiratie, wat wijst op een mogelijk defekt van metabole mechanismen (zoals glycolyse en/of OXPHOS (oxidatieve fosforylatie in de mitochondrieën), allebei belangrijke manieren van ATP (energie)-produktie bij M.E.(cvs)-patiënten. De verminderde output was verbonden met de ernst van de ziekte: er was een grotere daling in de ernstig aangetaste groep.

In hun voorafgaande studie hadden de researchers geen verschil gevonden tussen controles en patiënten voor de glycolyse. Door de patiënten echter te verdelen op basis van de ernst van de ziekte, kon worden vastgesteld dat patiënten die ernstig ziek zijn eigenlijk gereduceerde glycolyse vertonen, wat niet het geval is bij patiënten die matig ziek zijn. Dus: degenen die matig aangetast zijn hebben een mitochondriale stoornis, deze die ernstig aangetast zijn hebben zowel een mitochondriale stoornis als problemen met de glycolyse.

Dit betekent dat de post-exertionele malaise en vermoeidheid bij M.E.(cvs) kan worden veroorzaakt door een defekt in – of gerelateerd met – één van de metabole mechanismen (zoals glycolyse of OXPHOS). De studie beklemtoont ook het belang van onderzoek bij patiënten met ernstige M.E.(cvs) – waar mogelijk.

————————-

PLoS One Vol 15 (2020): e0231136

The effect of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (M.E./CFS) severity on cellular bioenergetic function

Cara Tomas (1), Joanna L. Elson (1,2), Victoria Strassheim (3), Julia L. Newton (1,3), Mark Walker (1)

1 Translational and Clinical Research Institute, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

2 Centre for Human Metabolomics, North-West University, Potchefstroom, South Africa

3 Newcastle upon Tyne Hospitals, NHS Foundation Trust, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

Samenvatting

Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) bleek verbonden met abnormaliteiten qua mitochondriale funktie. In deze studie analyseerden we eerdere bio-energetica gegevens in perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMCs) gebruikmakend van nieuwe technieken om verschillen tussen groepen met M.E./CVS en gezonde controles verder op te helderen. We deelden onze M.E./CVS-groep op in twee aparte groepen met matig en ernstig aangetaste patiënten om te bepalen of ziekte-ernst geassocieerd is met de bio-energetische funktie in PBMCs. Beide M.E./CVS-groepen vertoonden een verminderde mitochondriale funktie t.o.v. een groep gezonde controles. Dit toont aan dat ziekte-graad niet correleert met mitochondriale funktie en dat zelfs degenen met een milde vorm van de ziekte mitochondriale dysfunktie blijken te vertonen. Vergelijkingen ontworpen door een andere research-groep hebben ons in staat gesteld de mate van ATP-gelinkte respiratie en glycolytische parameters te berekenen. Parameters van de glycolytische funktie werden berekend door respiratoire verzuring in rekening te brengen. Dit onthulde dat ernstige aangetaste M.E./CVS-patiënten een hogere mate van respiratoire verzuring hebben en toonde het belang aan van het meenemen van de respiratoire verzuring bij het berekenen van parameters van de glycolytische funktie. Analyse van eerder gepubliceerde glycolyse-gegevens, na het in rekenschap brengen van de respiratoire verzuring, toonde dat ernstig aangetaste patiënten gedaalde glycolyse hebben vergeleken met matig aangetaste patiënten en gezonde controles. De ATP-gelinkte respiratie werd ook berekend en bleek lager bij beide M.E./CVS-groepen. Deze studie toont dat ernstig aangetaste patiënten mitochondriale en glycolytische stoornissen hebben, wat hen onderscheidt van matig aangetaste patiënten die enkel een mitochondriale stoornis hebben. Dit kan verklaren waarom deze patiënten zich manifesteren met een ernstiger fenotype.

Inleiding

[…]. Onze groep heeft eerder extracellulaire flux analyse aangewend om te tonen dat PBMCs van M.E./CVS-patiënten een significant lagere mitochondriale funktie hebben dan gezonde controles [Tomas C, Newton J et al. Cellular bioenergetics is impaired in patients with Chronic Fatigue Syndrome. PLoS One (2017) 12: e0186802]. Bio-energetische profilering gebruikmakend van bloedstalen is geen nieuwe techniek en werd aangewend in andere studies die een reeks ziekte-types bekeken. De technieken vereist voor onderzoek van de mitochondriale funktie in bloedcellen zijn minimaal invasief maar leveren een weelde aan gegevens die toelaten de pathofysiologie van ziekte verder te begrijpen. Bloedcellen vindt men systemisch, daarom wordt gedacht dat het bio-energetisch profiel van deze cellen representatief is voor het ganse lichaam. Er dient echter nog te worden bepaald of mitochondriale veranderingen in het bloed een oorzaak of gevolg zijn van ziekte. De M.E./CVS-groep in onze eerdere studie omvatte matig en ernstig aangetaste M.E./CVS-patiënten maar bekeek niet of de achteruitgang qua bio-energetische funktie gecorreleerd was met ziekte-ernst. In deze studie voerden we een her-onderzoek uit van eerder gepubliceerde gegevens om de rol na te gaan van de mitochondriale en glycolytische funktie in perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMCs) omtrent de ziekte-ernst bij M.E./CVS. Er zijn eigenlijk zeer weinig studies op gebied van M.E./CVS-research die ernstig aangetaste patiënten omvatten. Dit is te wijten aan het feit dat dergelijke patiënten als ‘moeilijk te bereiken’ worden geacht, gezien ze aan huis gebonden of zelfs bedlegerig zijn. Het onvermogen van klinici en onderzoekers om toegang te krijgen tot deze patiënten, betekent dat ze uitgesloten blijven van de meerderheid van de M.E./CVS-studies ondanks de dringende klinische nood. Dit artikel is de eerste studie die de cellulaire bio-energetica bekijkt bij patiënten met ernstige M.E./CVS en onderzoek of ze verschillen van deze die matig aangetast zijn.

Deze studie bekijkt ook de relatieve bijdrage van glycolytische verzuring aan de algemene extracellulaire verzuring en hoe het een impact heeft op de berekening van glycolytische parameters. De glycolyse-stress-test van Agilent Technologies, die wordt gebruikt om de mate van extracellaire verzuring (ECAR) te meten en de glycolyse in cellen te berekenen, is gebaseerd op de veronderstelling dat de meerderheid van de protonen [H+; verhoging => verzuring] die naar het extracellulair milieu gaan, geproduceerd worden door de omzetting van pyruvaat naar lactaat en de daaropvolgende uitdrijving van protonen uit de cel. In sommige cel-types is dit wellicht echter niet het geval. Er werd eerder aangetoond dat het percentage bijdrage van respiratoire verzuring enorm kan variëren tussen cel-types met resultaten die een percentage bijdrage 0-100% voor verschillende cel-types tonen [Mookerjee SA et al. The contributions of respiration and glycolysis to extracellular acid production. Biochimica et Biophysica Acta (2015) 1487: 171-81]. Respiratoire verzuring wordt veroorzaakt door de produktie van CO2 bij substraat-oxidatie. Het CO2 wordt gehydrateerd tot koolzuur dat daarna dissocieert tot bicarbonaat en een proton. Bij de glycolyse-stress-test kan respiratoire verzuring verkeerdelijk worden toegeschreven een cellulaire glycolyse aangezien de glycolyse-stress-test geen onderscheid kan maken tussen glycolytische verzuring en respiratoire verzuring wanneer deze wordt aangewend zoals voorgeschreven door de producent. Het gebruik van een vergelijking beschreven door Mookerjee SA et al. Laat toe het percentage bijdrage van respiratoire en glycolytische verzuring in rekening te brengen bij het berekenen van glycolytische parameters bij de glycolyse-stress-test.

Bijkomend voerden we een berekening uit van de ATP-gelinkte respiratie in PBMCs van de M.E./CVS-groep en de gezonde controles, ontworpen door Mookerjee SA et al., die ons toeliet de individuele bijdrage van glycolyse en oxidatieve fosforylatie (OXPHOS) aan cellulaire ATP-gelinkte respiratie te bepalen [Mookerjee SA et al. Quantifying intracellular rates of glycolytic and oxidative ATP production and consumption using extracellular flux measurements. The Journal of Biological Chemistry (2017) 292: 7189-202]. We waren dan in staat te onderzoeken hoe extracellulaire glucose-concentraties het evenwicht tussen glycolytisch en OXPHOS-afgeleid ATP beïnvloedt.

Dit werk beschrijft nieuw onderzoek omtrent het funktioneren van energie-produktie mechanismen in M.E./CVS-cellen en is uniek omwille van de inclusie van een groep ernstig aangetaste patiënten in bio-energetica studies voor de eerste keer.

Materialen & methodes

Informatie over de deelnemers

De M.E./CVS-patiënten kregen de diagnose […] op basis van de Fukuda criteria maar alle patiënten voldeden ook aan de Canadese Consensus Criteria. […]

Er werden twee groepen M.E./CVS-patiënten met verschillende ziekte-graad opgenomen deze studie. De mild aangetaste groep had verminderde mobiliteit omwille van de ziekte maar ze waren in staat de lokale ‘fatigue clinic’ te bezoeken. De meeste van de matig aangetaste patiënten waren in staat zonder hulp naar de kliniek te wandelen maar een klein deel had ondersteuning (krukken of rolstoel) nodig. De ernstige aangetaste groep was aan huis gebonden of bedlegerig, en niet in staat de kliniek te bezoeken, zelfs niet met een rolstoel. […]. De ogenschijnlijk willekeurige categorieën worden gebruikt omwille van de afwezigheid van biomerkers  […].

[…] We waren er ons bewust van hoe vermoeiend een bloedafname/bezoek voor de patiënten kan zijn en besloten daarom, om het effekt op de patiënten minimaal te houden, dat er geen verdere informatie tijdens het bezoek zou worden verzameld. Daarom kunnen we de patiënten-demografie tussen de groepen niet vergelijken.

PBMC-preparatie

[…] Alle bloedstalen werden verwerkt binnen 4 uur na afname.

Extracellulaire flux analyse

[…] Voor de mitochondriale respiratie werd het zuurstof-verbruik (OCR) van cellen gemeten (Seahorse XFe96 extracellulaire flux analyser). […] Als glycolytische parameters werd de extracellulaire verzuring (ECAR) van cellen gemeten (Seahorse XFe96 extracellulaire flux analyser). […] [voor uitleg zie link in onze inleiding]

Extracellulaire verzuring analyse

Extracellulaire verzuring is toe te schrijven aan respiratoire of glycolytische aktiviteit. Deze twee parameters dragen bij tot de totale protonen-produktie (PPRtot) gemeten in cellen. PPR is ECAR gedeeld door de buffer-capaciteit van het milieu dat in het experiment wordt gebruikt […]. In deze studie hebben we rekening gehouden met de glycolytische verzuring bij het berekenen van cellulaire glycolytische parameters. De glycolytische verzuring werd berekend via de formule van Mookerjee SA et al. […]. De respiratoire verzuring (PPRresp) is de PPRtot gemeten via de extracellulaire flux analyser min de PPRglyc. Deze studie keek ook naar de ATP-gelinkte respiratie van cellen gebruikmakend van de stalen van het eerder gepubliceerd werk. We berekenden de totale ATP-gelinkte respiratie, glycolyse ATP-gelinkte respiratie, OXPHOS ATP-gelinkte respiratie en % bijdrage van glycolyse aan globale ATP-gelinkte respiratie in PBMCs van M.E./CVS-patiënten en gezonde controles. [ATPglyc & ATPOX werden ook berekend via formules van van Mookerjee et al.] ATPtot = ATPglyc + ATPOX

Statistiek

[…] Significantie: p < 0.01.

Resultaten

Mitochondriale funktie is verstoord bij M.E./CVS ongeacht de ziekte-ernst

De cellulaire respiratie gegevens getoond in Tomas C et al. [zie hierboven] werden opnieuw geanalyseerd om te bepalen of de ziekte-ernst de mitochondriale funktie beïnvloedt. Op basis van de eerder gepubliceerde gegevens maakten we een onderscheid tussen matig en ernstig aangetaste M.E./CVS-patiënten, en vergeleken mitochondriale parameters van de twee groepen en ook de twee patiënten-groepen met de gezonde controles cohort.

Voor de cellulaire respiratoire parameters bleken er verschillen tussen de groepen voor de parameters van de basale respiratie, ATP-gelinkte respiratie, proton-lek, maximale respiratie en reserve-capaciteit (p < 0.001). Wanneer we de groepen verder statistisch analyseerden, bleek dat de matig én ernstig aangetaste groepen significant lager waren wat betreft alle vijf de parameters dan de gezonde controles (p ≤ 0.05). Dit komt overéén met de eerder gepubliceerde gegevens die toonden dat de M.E./CVS-groep als geheel significant lagere waarden had voor deze vijf parameters.

De parameters gemeten via deze test zijn onderling afhankelijk omdat sommige uit andere worden berekend. Om te bekijken of de verbanden tussen de parameters verschillen tussen de groepen van deze studie, voerden we multi-variate analyse uit. […]

De correlatie tussen basale respiratie en ATP-gelinkte respiratie is zeer sterk voor alle drie de groepen. Dit toont dat de strakke koppeling tussen deze twee parameters wordt behouden, zelfs bij de ernstige aangetaste patiënten. Sommige parameters van de mitochondriale stress test worden berekend op basis van andere parameters, dus verbanden tussen sommige parameters kunnen worden verwacht, bv. basale respiratie bestaat uit ATP-gelinkte respiratie en proton-lek.

Te samen tonen de gegevens van de parameter-correlaties dat de verbanden tussen sommige parameters verschillen tussen de drie groepen waarbij de enige parameters die consistent gecorreleerd zijn in alle drie de groepen basale respiratie en ATP-gelinkte respiratie zijn. Er is meer experimenteel werk vereist om te onderzoeken waarom en hoe bepaalde verbanden ontregeld worden in M.E./CVS PBMCs.

Glycolytische verzuring is lager bij ernstige aangetaste M.E./CVS-patiënten

Het percentage bijdrage van glycolytische verzuring in PBMCs werd berekend voor de gezonde controles, de totale M.E./CVS-groep, en de matig en ernstig aangetasten.

De glycolytische verzuring in PBMCs van de M.E./CVS-groep als geheel werd vergeleken met die van de gezonde controles. Er werden significante verschillen gezien wat betreft het percentage bijdrage van glycolytische verzuring aan de globale extracellulaire verzuring tussen de twee groepen M.E./CVS-patiënten, met een lagere bijdrage van glycolytische verzuring t.o.v. gezonde controles (p < 0.001). Wanneer de M.E./CVS-groep echter wordt opgedeeld in matig en ernstig aangetaste groepen, wordt het duidelijk dat de resultaten voor de ganse M.E./CVS-groep worden scheefgetrokken door de resultaten van de ernstig aangetasten. Er is een afname van het percentage van de extracellulaire verzuring dat kan worden toegeschreven aan glycolytische verzuring in de PBMCs van de ernstig aangetaste M.E./CVS-patiënten vergeleken met de gezonde controles en de matig aangetaste M.E./CVS-patiënten (p ≤ 0.002). De afname qua bijdrage van glycolytische verzuring aan de globale extracellulaire verzuring in de ernstig aangetaste groep is te wijten aan een groter percentage respiratoire verzuring. De matig aangetasten en gezonde controles hebben vergelijkbare waarden qua glycolytische verzuring (p = 0.257). Er dient te worden opgemerkt dat het een subgroep van ernstig aangetaste patiënten is die een gedaalde glycolytische verzuring vertoont, waarbij veel van de ernstig aangetasten vergelijkbare waarden vertoont met de matig aangetasten. CO2 verzuring, of respiratoire verzuring, draagt substantieel bij tot de totale cellulaire verzuring in PBMCs van ernstig aangetasten en daarom dient daar rekening mee te worden gehouden wanneer men ECAR in PBMCs meet. Dit toont het belang aan van het onderscheid te maken tussen respiratoire en glycolytische verzuring […].

Glycolyse is lager bij ernstige aangetaste M.E./CVS-patiënten

Onze groep heeft eerder gegevens gepubliceerd op basis van PBMCs van M.E./CVS en gezonde controles om de glycolytische funktie van cellen te vergelijken. Glycolyse werd berekend via het meten van de extracellulaire verzuring na toediening van glucose aan de celllen, aangezien glycolyse protonen produceert die worden getransporteerd naar het extracellulair milieu. Onze eerdere publicatie toonde dat PBMCs van M.E./CVS-patiënten en gezonde controles een vergelijkbare glycolyse vertonen. We vonden hier hogere waarden qua respiratoire verzuring in een subgroep patiënten met ernstige M.E./CVS; wat betekent dat de oorspronkelijke resultaten de glycolytische aktiviteit in de cellen misschien niet accuraat weerspiegelen, aangezien een minimale bijdrage van respiratoire verzuring werd verondersteld. Her-analyse van de eerder gepubliceerde gegevens, om de echte bijdrage van glycolytische verzuring aan de globale ECAR in rekening te brengen, toonde dat er geen significante verschillen waren tussen de PBMCs van de ganse M.E./CVS-groep en de groep gezonde controles voor geen enkele van de glycolytische parameters berekend via een glycolyse stress test (p ≥ 0.263).

Er waren geen significante verschillen qua glycolyse tussen de groepen wanneer de M.E./CVS-groep werd opgedeeld in matig en ernstig aangetasten. Dit is consistent met de eerdere resultaten van ons team, waarbij geen significante verschillen qua glycolyse werden gevonden wanneer alle M.E./CVS-patiënten als één enkele groep werden geanalyseerd [ref. zie hierboven]. Wanneer de matig en ernstig aangetaste M.E./CVS-patiënten echter werden gescheiden en er rekening werd gehouden met de respiratoire verzuring, bleek de ernstig aangetaste groep significant lagere waarden qua glycolyse te hebben dan de matig aangetaste en de gezonde controles (p ≤ 0.036). Deze significante verschillen tussen groepen wordt veroorzaakt door de lagere waarden qua glycolytische verzuring die wordt gezien bij de ernstig aangetaste groep. Wanneer de M.E./CVS-groep werd opgedeeld in matig en ernstig aangetasten, en beoordeeld voor en na aanpassing voor respiratoire verzuring, waren er geen verschillen tussen de groepen voor de andere drie glycolyse-parameters – glycolytische capaciteit, glycolytische reserve en niet-glycolytische verzuring.

ATP-gelinkte respiratie

De ATP-gelinkte respiratie van PBMCs werd berekend voor cellen van gezonde controles, en patiënten met matige en ernstige M.E./CVS. Er werden vier aspecten gemeten van ATP-gelinkte respiratie in ingevroren PBMCs geïncubeerd in laag (1 mM) en hoog (10 mM) extracellulair glucose – totale ATP-gelinkte respiratie (ATPtot); glycolysie ATP-gelinkte respiratie (ATPglyc); OXPHOS ATP-gelinkte respiratie (ATPOX); % bijdrage van glycolyse aan globale ATP-gelinkte respiratie. Vergelijkingen tussen de drie groepen toonden dat ernstig aangetaste groep significant lagere waarden hadden dan de gezonde controles voor alle vier de parameters bij zowel laag- en hoog-glucose (p ≤ 0.024). De matig aangetasten bleken significant lager dan de gezonde controles voor drie van de vier parameters (ATPglyc; ATPOX; ATPtot) bij zowel laag- en hoog-glucose (p ≤ 0.007) maar de groepen waren niet verschillend wat betreft % bijdrage van glycolyse aan globale ATP-gelinkte respiratie (p = 0.271). In laag-glucose, wanneer de matig en ernstig aangetasten werden vergeleken, waren er geen significante verschillen (p ≥ 0.126). In hoog-glucose werden echter verschillen tussen de twee groepen gezien: de patiënten met ernstige M.E./CVS hadden een significant lagere ATPtot (p < 0.001), ATPglyc (p = 0.002) en % bijdrage (p = 0.007). Wanneer we keken naar het effekt van glucose-concentratie op ATP-gelinkte respiratie parameters bij de drie groepen, zagen we significante verschillen bij de gezonde controles en matig aangetasten. Bij de groep gezonde controles veroorzaakte de incubatie van cellen in laag-glucose dalingen qua ATPtot, ATPglyc en % bijdrage t.o.v. incubatie in hoog-glucose (p ≤ 0.018). De ATPOX nam toe in cellen van gezonde controles geïncubeerd in laag-glucose (p < 0.001). Bij de matige aangetaste M.E./CVS-patiënten bleken ATPglyc en % bijdrage significant verminderd in laag-glucose (p ≤ 0.049). De ernstig aangetaste groep vertoonde geen significante verschillen wat betreft ATP-gelinkte respiratie van cellen geïncubeerd in laag- en hoog glucose (p ≥ 0.744).

Bespreking

In deze studie analyseerden we gegevens die eerder door onze groep werden gepubliceerd, om te bekijken hoe ziekte-ernst bij M.E./CVS verbonden is met de mitochondriale en glycolytische funktie in PBMCs. We hebben ook ATP-gelinkte respiratie en glycolyse berekend gebruikmakend van nieuwe technieken. Eerdere studies hebben getoond dat er een correlatie is tussen bloedcel bio-energetische capaciteit en zowel aërobe als anaërobe aktiviteit [bij overgewicht en ouderen].

Er waren geen verschillen tussen de matig en ernstig aangetaste M.E./CVS-groepen voor enige cellulaire respiratoire parameters. Dit suggereert dat mitochondriale funktie van PBMCs niet correlereert met ziekte-ernst bij M.E./CVS en dat zelfs degenen die matig zijn aangetast een stoornis van de bio-energetische funktie hebben. Het ontbreken van een associatie tussen ziekte-ernst en mitochondriale funktie suggereert dat de eerder gerapporteerde vermindering qua mitochondriale funktie bij M.E./CVS niet te wijten is aan deconditionering. Als de bij M.E./CVS gerapporteerde gedaalde mitochondriale werking te wijten zou zijn deconditionering zou men verwachten een significant lagere mitochondriale werking te zien bij de ernstig aangetaste groep t.o.v. de matig aangetasten.

Noch is het te wijten aan de aanwezigheid van schadelijke mtDNA-varianten. Een artikel vond geen mtDNA-verschillen tussen matig en ernstig aangetaste patiënten ondanks verschillen tussen deze twee groepen en controles [Schoeman EM, Newton J et al. Clinically proven mtDNA mutations are not common in those with Chronic Fatigue Syndrome. BMC Medical Genetics (2017) 18: 29] Dit werk levert dus belangrijk experimenteel bewijsmateriaal ter ondersteuning van één van de weinige genetische studies uitgevoerd bij M.E./CVS-patiënten.

We onderzochten de relatieve bijdragen van glycolytische en respiratoire verzuring aan de globale extracellulaire verzuring in PBMCs van M.E./CVS-patiënten en gezonde controles. Glycolytische verzuring bleek significant lager in de M.E./CVS-groep. Dit suggereert dat de bijdrage van respiratoire verzuring bij M.E./CVS PBMCs significant hoger is dan bij controle-cellen. Wanneer de M.E./CVS-groep echter werd opgedeeld in matig en ernstig aangetaste patiënten, konden we tonen dat de ernstig aangetaste patiënten degenen waren met significant lagere glycolytische verzuring, terwijl de matig aangetaste groep glycolytische verzuring waarden had vergelijkbaar met deze van gezonde controles. Dit toont het belang van een accurate bepaling van glycolytische verzuring voor het berekenen van glycolytische parameters. We hebben getoond dat wanneer de glycolyse wordt berekend zoals de producent van de test aangeeft, er geen significante verschillen bestaan tussen controles, matige aangetaste patiënten en ernstig aangetaste patiënten. Wanneer we echter de respiratoire verzuring in rekening brengen, zien we dat glycolyse significant lager is bij de groep met ernstige M.E./CVS. De hier gepresenteerde gegevens komen overéén met een metabole profilering studie die een daling qua specifieke metabole merkers in bloed en urine van M.E./CVS-patiënten toonde, wijzend op een reductie qua glycolytische aktiviteit bij M.E./CVS [Armstrong CW et al. Metabolic profiling reveals anomalous energy metabolism and oxidative stress pathways in Chronic Fatigue Syndrome patients. Metabolomics (2015) 11: 1626-39]. Er dient echter voorzichtigheid geboden bij de interpretatie van deze resultaten aangezien de lagere glycolytische funktie representatief kan zijn voor deconditionering in de ernstig aangetaste groep. Om dit te bevestigen of verwerpen zijn verdere studies nodig.

Wanneer we de ATP-gelinkte respiratie in PBMCs van M.E./CVS-patiënten en gezonde controles onderzochten, en het effekt van de glucose-concentratie op de ATP-gelinkte respiratie, vonden we significante verschillen tussen de gezonde controles en de M.E./CVS-groepen. Er werd lagere ATP-gelinkte respiratie gezien bij de matig én de ernstig aangetaste M.E./CVS-groepen vergeleken met de controles. Dit weerspiegelt eerder gepubliceerd werk, dat berekeningen van een mitochondriale stress test gebruikte om ATP-gelinkte respiratie te benaderen. Deze resultaten geven aan dat er een defekt in de glycolyse en/of OXPHOS-mechanisme is dat patiënten-cellen verhindert voldoende ATP te produceren. Dit kan bijdragen aan de vermoeidheid en post-exertionele malaise die hoofdkenmerken zijn van M.E./CVS. De ernstig aangetaste groep had een significant lagere ATPglyc en ATPtot dan de matig aangetaste groep in hoog-glucose. De verschillen qua ATP-gelinkte respiratie tussen de twee patiënten-groepen kan verklaren waarom de ernstig aangetaste patiënten bedlegerig worden door de ziekte, aangezien ze een zelfs lagere ATP-gelinkte respiratie hebben dan de matig aangetasten. Of de verschillen een oorzaak of gevolg van de ziekte zijn, dient echter nog te worden bepaald.

We hebben getoond dat verschillen in glucose-concentratie de ATP-produktie uit glycolyse en OXPHOS beïnvloeden in cellen van gezonde controles. De veranderingen in controle PBMCs in laag-glucose volgden het patroon dat we hypothiseerden – een afname van de glycolyse en een toename van het OXPHOS-gebruik. Dit is omdat de lagere glucose-concentratie cellen dwingt om OXPHOS in grotere mate te gebruiken omwille van de hogere opbrengst van ATP per glucose-molekule t.o.v. bij glycolyse. De matig aangetaste patiënten vertonen dezelfde trends voor alle vier de parameters als de controles, hoewel niet alle verschillen significant waren. De ernstig aangetaste groep vertoonde heel weinig verschil tussen laag- en hoog-glucose. We hebben getoond dat PBMCs van controles en matig aangetasten glycolytisch gedragen in hoog-glucose maar verschuiven naar OXPHOS als overheersende energie-bron in laag-glucose. Cellen van ernstig aangetaste patiënten produceren hun ATP voornamelijk via cellulaire respiratie (OXPHOS) in zowel laag- als hoog-glucose met zeer weinig wijziging qua energie-produktie tussen de twee glucose-condities. Het kan zijn dat M.E./CVS-patiënten, bijzonderlijk de ernstig aangetaste groep, reeds maximaal ATP produceren bij hoog-glucose, daarom heeft het verlagen van de glucose-concentratie geen effekt van ATP-gelinkte respiratie. Dit kan duiden op abnormaliteiten in factoren zoals glucose-transport, glycolytische/ OXPHOS enzyme-aktiviteit of AMPK funktie, wat eerder werd aangetoond abnormaal te zijn in M.E./CVS skeletspier-cellen [Brown AE, Newton JL et al. Abnormalities of AMPK activation and glucose uptake in cultured skeletal muscle cells from individuals with Chronic Fatigue syndrome. PLoS One (2015) 10: e0122982]. Het kan ook zijn dat PBMCs van M.E./CVS-patiënten minder in staat zijn zich aan te passen of trager adapteren in laag-glucose.

Er zijn meerdere beperkingen omtrent deze studie. PBMCs zijn een zeer heterogene cel-populatie die bestaat uit een aantal verschillende cel-types met verschillende bio-energetische vereisten. Bij deze studie hebben we PBMCs gebruikt i.p.v. de populatie op te delen in subpopulaties. Dit omwille van het hoog aantal cellen dat vereist is om elke PBMC-subpopulatie te bekijken. Als echter ethische goedkeuring kan worden verkregen om genoeg cellen te verkrijgen, dan zou deze opdeling een voordeel kunnen bieden. Toekomstige studies zouden moeten kijken naar het lipiden-metabolisme (wat in andere studies gewijzigd bleek bij M.E./CVS [Fluge O et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. JCI Insight( 2016) 1: e89376 /// Naviaux RK et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc Natl Acad Sci USA (2016) 113: E5472-5480 /// Germain AR et al. Metabolic profiling of a Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome discovery cohort reveals disturbances in fatty acid and lipid metabolism. Molecular Biosystems (2017) 13: 371-9]), en of het verschilt tussen de groepen en hoe het verband houdt met de resultaten wat betreft glucose-metabolisme die we hier zagen. De beperking van het enkel onderzoeken van het glucose-metabolisme in deze cellen betekent dat een globale beoordeling van cellulaire bio-energetica nog niet kon gebeuren. Er zou waardevolle informatie kunnen worden verkregen via het herhalen van dit type experimenten en analyses in andere cel-types om te zien of deze veranderingen specifiek zijn voor PBMCs of meer systemisch. Dit werk zou ook voordeel kunnen halen uit het bestuderen van andere ziekte-groepen met vermoeidheid als kern-symptoom om te bepalen of de bio-energetische veranderingen een merker van de ziekte M.E./CVS of van het symptoom vermoeidheid zijn. Hoewel in deze studie duidelijke verschillen tussen de groepen werden geïdentificeerd, zelfs gebruikmakend van robuuste en conservatieve statistische technieken, zouden grotere aantallen deelnemers, inclusief stalen van meerdere internationale lokaties, de bevindingen nog meer kracht geven.

Besluiten

Het is van vitaal belang dat mensen met verschillende ziekte-graden worden opgenomen M.E./CVS-studies als we vooruitgang willen boeken naar een beter begrip omtrent de pathofysiologie van of M.E./CVS. De inclusie van de twee ziekte-ernst patiënten-groepen heeft ons toegelaten verschillen en gelijkenissen te identificeren tussen personen met een matige en ernstige vorm van de ziekte. Het ontbreken van een associatie tussen ziekte-ernst en mitochondriale funktie die hier werd getoond, geeft aan dat abnormaliteiten in mitochondriale funktie een kenmerk zijn van de ziekte, ongeacht de ernst. De verminderde glycolytische funktie bij de ernstig aangetaste patiënten-groep die we hebben geïdentificeerd is ook vitaal, aangezien het toont dat deze patiënten een glycolytische stoornis hebben naast de mitochondriale problemen, wat kan verklaren waarom deze patiënten een ernstiger fenotype vertonen. Lagere waarden wat betreft zowel mitochondriale als glycolytische funktie kunnen worden veroorzaakt door een hypo-metabole toestand bij M.E./CVS die gelinkt is met ziekte-ernst. Dit werk heeft ons begrip omtrent cellulaire energie-produktie abnormaliteiten bij M.E./CVS en hoe dit de ziekte-ernst beïnvloedt, uitgebreid.

oktober 5, 2019

Complex-V inefficiëntie & ontregelde mitochondriale funktie bij M.E.(cvs)

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 7:05 am
Tags: , , , , , , , ,

Een complex artikel waarvan de bespreking voor leken wellicht moeilijk te begrijpen is. We kunnen onmogelijk een cursus mitochondriale biochemie doceren. Veel termen kwamen al aan bod in onze eerdere stukken. Wij vragen de geïnteresseerde lezer de moeite te doen via het intikken van de zoekterm ‘Mitochondria’ (op deze website) zich verder te informeren…

Is er sprake van een mitochondriaal probleem bij M.E.(cvs)? Door de aanhoudende vermoeidheid en post-exertionele malaise lijkt een probleem qua cellulaire energie-voorziening (en dus de mitochondrieën) aannemelijk. Niettemin is (was) de wetenschappelijke literatuur (nog) niet éénduidig.

In een review (‘Pathological Mechanisms Underlying Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic fatigue Syndrome’ in Diagnostics (2019) 9) besprak de gerenommeerde onderzoeker professor Paul R. Fisher – specialist in neurodegeneratieve aandoeningen, mitochondriale biologie en de mitochondrieën bij ziekte – waarom mensen met M.E.(cvs) misschien niet adequaat reageren op hogere energie-vereisten. De regulering van het cellulair energie metabolisme draait rond twee stress-voelende enzyme, AMP-geaktiveerd proteïne kinase (AMPK) en ‘target of rapamycin’ (TOR). Chronische ontregeling van hun aktiviteiten zouden er toe kunnen leiden dat de bijkomende energie-eisen niet voldaan worden. “Er werd al melding gemaakt over contractie geïnduceerde ATP-depletie. Een dergelijke ongevoeligheid kan het gevolg zijn van het feit dat AMPK al in geaktiveerd is in de cellen of van z’n inhibitie door chronisch hyper-geaktiveerd TOR complex 1 (TORC1)”…

Onderstaand artikel (door een Australische groep, o.l.v. Fisher) heeft de kwestie op een alternatieve manier aangepakt: door gebruik te maken van onsterfelijk gemaakte immuuncellen, lymfoblasten (die veel beter lijken op in het lichaam metaboliserende cellen dan de bij andere studies gewoonlijke gebruikte immuuncellen: lymfocyten verkeren buiten het lichaam in een toestand van fysiologische inakiviteit/rust en zijn dus wellicht niet representatief voor metabool aktieve cellen; lymfocyten van M.E.(cvs)-patiënten sterven ook sneller dan die van controles.)…

Er lijkt wel degelijk spraken van een dysfunktie, nl. van Complex-V van de mitochondriale ademhaling keten (één van de stappen die leidt tot de aanmaak van de cellulaire energiebron, ATP). In rust blijkt dit echter te worden gecompenseerd door upregulering van TORC1-aktiviteit en expressie van mitochondriale proteïnen. De belangrijkste verhoogde parameters bleken allemaal gecorreleerd met klinische symptomen, wat bewijst dat de gevonden mitochondriale abnormaliteiten klinisch relevant zijn.

TOR Complex I (TORC1) is één van de belangrijkste regulatoren van de expressie van mitochondriale proteïnen. De auteurs vonden dat de aktiviteit er van verhoogd is bij M.E.(cvs). mTORC1 (‘mammalian target of rapamycin complex 1’ of ‘mechanistic target of rapamycin complex 1’, is een proteïnen-complex dat werkt als een sensor voor nutriënten/energie/redox-toestand en proteïnen-synthese controleert. Het mTOR Complex 1 (mTORC1) is samengesteld uit mTOR (een kinase-enzyme) zelf en ‘regulatory-associated protein of mTOR’. Torin2, een krachtige en selektieve mTOR inhibitor, bleek een effekt te hebben op de TORC1-aktiviteit…

We merken op dat het artikel niet ‘peer-reviewed’ is maar zover we kunnen oordelen is dit héél gedegen werk. Paul Fisher en zijn collega’s hebben bijkomende fondsen verkregen en starten verder onderzoek op (in samenwerking met de ‘Australian Registry and Biobank for Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome’)…

————————-

Preprints 2019090043 (september 2019)

An isolated Complex V inefficiency and dysregulated mitochondrial function in immortalized lymphocytes from ME/CFS patients

Daniel Missailidis, Sarah Annesley, Claire Allan, Oana Sanislav, Brett Lidbury, Don Lewis, Paul Fisher

Physiology Anatomy & Microbiology, La Trobe University, Melbourne, Australia

Samenvatting

Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een enigmatische aandoening die wordt gekenmerkt door vermoeidheid die niet wordt verholpen door rust en door verergering van symptomen na inspanning (post-exertionele malaise of ‘PEM’). Er is geen definitieve molekulaire merker of gekend onderliggend pathologisch mechanisme voor de aandoening. Er is steeds meer bewijsmateriaal voor een afwijkend energie-metabolisme, suggestief voor een rol voor mitochondriale dysfunktie bij M.E./CVS. Onze doelstelling was daarom het meten van de mitochondriale funktie en cellulaire stress voelende mechanismen in aktief metaboliserende cellen van patiënten. We immortaliseerden lymfoblasten geïsoleerd uit het bloed van 51 M.E./CVS-patiënten die de diagnose kregen op basis van de Canadese Consensus Criteria, en van een voor leeftijd en geslacht gematchte controle-groep. Parameters voor de mitochondriale funktie en het ‘voelen’ van energie-stress werden bepaald d.m.v. Seahorse extracellulaire flux analyse [voor beschrijving, zie ‘Mitochondriale complex aktiviteit in gepermeabiliseerde cellen bij CVS], proteomica en een waaier aan bijkomende biochemische testen. Als proportie van het basaal zuurstof-verbruik (OCR), bleek de mate van ATP-synthese door Complex-V significant gereduceerd in M.E./CVS-lymfoblasten, terwijl significante verhogingen werden geobserveerd wat betreft Complex-I OCR, maximum OCR, reserve respiratoire capaciteit, niet-mitochondriale OCR en ‘proton-lek’ als onderdeel van de basale OCR. Dit ging gepaard met een stijging van het mitochondriaal membraan-potentiaal, chronicsche hyper-geaktiveerde TOR Complex-I stress-signalisering en ge-upreguleerde expressie van mitochondriale respiratoire complexen, vetzuur-transporters en enzymen van de beta-oxidatie en TCA cycli. In tegenstelling daarmee bleken de mitochondriale massa en het genoom ‘copy-number’ [aantal copieën], alsook de mate van glycolyse en ‘steady-state’ [stabiele rust/evenwicht-toestand] ATP-waarden onveranderd. Onze resultaten suggereren een model waarbij M.E./CVS-lymfoblasten een Complex-V defekt hebben, vergezeld door compenserende upregulering van hun respiratoire capaciteit (de mitochondriale respiratoire complexen, membraan-transporters en enzymen betrokken bij vetzuur beta-oxidatie omvattend). Dit doet de ATP-synthese en ‘steady-state’ naar ‘normaal’ terugkeren in rustende cellen, maar kan er voor zorgen dat ze niet in staat zijn om adequaat te reageren op acute toenames van de energie-vereiste aangezien de relevante homeostatische mechanismen reeds geaktiveerd zijn.

1. Inleiding

Myalgische Encefalomyelitis (M.E.), ook Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) genoemd, is een aandoening die slecht wordt begrepen, met als kenmerken chronische, onverklaarde vermoeidheid en de invaliderende ‘payback’ bij over-inspanning – post-exertionele malaise (PEM). PEM kan optreden na een simpele dag-dagelijkse fysieke taak en kan gepaard gaan met symptomen die een reeks lichamelijke systemen aantasten. Het gebrek aan objectieve en accurate diagnostische criteria zorgt er voor dat patiënten gedurende lange tijd moeten wachten op een duidelijke diagnose of begrip voor de aandoening. Het is van het grootste belang dat er wordt gestreefd naar fundamentele molekulaire verklaringen voor de onderliggende pathofysiologie van M.E./CVS en betrouwbare biomerkers. Deze kunnen leiden tot een betrouwbare, snellere diagnose en, op langere termijn, rationele, doeltreffende behandelingen.

De mitochondriale funktie is van belang voor M.E./CVS-research aangezien een bio-energetische verklaring de terugkerende vermoeidheid en het groot aantal links tussen de karakteristieke immune inflammatie en de mitochondrieën. Er werd de laatste tien jaar bewijsmateriaal voor mitochondriale dysfunktie bij M.E./CVS gezocht maar dit blijft inconsistent. Er werd gedaalde mitochondriale biogenese gerapporteerd maar geen genormaliseerde respiratoire keten enzyme-aktiviteiten in de spieren van M.E./CVS-individuen. De mitochondriale biogenese in spieren wordt ge-upreguleerd door inspanning [studie bij muizen], dus wordt deze reductie waarschijnlijk veroorzaakt door de noodzakelijkerwijs verminderde inspanning die M.E./CVS-patiënten kunnen uitvoeren. Er werd gerapporteerd dat mitochondriale funktie in M.E./CVS-neutrofielen [gecontesteerde resultaten van Myhill S et al.] of respiratie in M.E./CVS perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMCs) [Tomas C et al. Cellular bioenergetics is impaired in patients with Chronic Fatigue Syndrome. PLoS One (2017) 12: e0186802] gereduceerd zijn maar toch lijken de Oxidatieve Fosforylatie (OXPHOS) complexen normaal [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 /// Lawson N et al. Elevated energy production in Chronic Fatigue Syndrome patients. J Nat Sci (2016) 2], terwijl de expressie van mitochondriale proteïnen in speeksel, bloedplaatjes en lymfocyten van patiënten gestegen zijn [Kaushik N et al. Gene expression in peripheral blood mononuclear cells from patients with Chronic Fatigue Syndrome. J Clin Pathol (2005) 58: 826-832 /// Ciregia F et al. Bottom-up proteomics suggests an association between differential expression of mitochondrial proteins and Chronic Fatigue Syndrome. Transl Psychiatry (2016) 6: e904].

Verschillen (patient vs. controle) qua serum- en urine-metabolomen werden toegeschreven aan gedaalde voorziening van acetyl-CoA aan de TCA-cyclus veroorzaakt door een defekt in de glycolyse [Armstrong CW et al. Metabolic profiling reveals anomalous energy metabolism and oxidative stress pathways in Chronic Fatigue Syndrome patients. Metabolomics (2015) 11: 1626-1639] of een defekt pyruvaat-dehydrogenase (PDH) [Fluge O et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. JCI Insight( 2016) 1: e89376]. Hoewel inconsistent, trekken beide voorstellen de aandacht naar een mogelijke rol voor verstoorde voorziening van reducerende equivalenten aan de mitochondriale OXPHOS (door de TCA-cyclus) bij M.E./CVS. Ondanks de gedeelde overtuiging dat M.E./CVS-cellen fundamentele problemen in het energie-metabolisme vertonen, zetten de tegenstrijdige rapporten aangaande de aard van deze problemen ons aan om de kwestie van de mitochondriale funktie en z’n regulering in M.E./CVS-cellen te her-onderzoeken.

Een belangrijke regulator van de mitochondriale funktie is TORC1 (‘Target of Rapamycin Complex-I’) die cel-groei en energetica reguleert bij verscheidene cellulaire stress voelende mechanismen. Dit mechanisme upreguleert de expressie of nucleair gecodeerde mitochondriale proteïnen, waaronder subunits van de OXPHOS-complexen. Ondanks deze connectie, en de tussenkomst van TORC1 binnen een complex regulerend netwerk dat reageert op intracellulaire stressoren (waaronder energie-voorziening), werd ontregeling van dit signalisering-mechanisme nog niet eerder onderzocht in M.E./CVS-cellen.

Om de rollen van afwijkende mitochondriale funktie en TORC1-signalisering bij M.E./CVS te verduidelijken, hebben we parameters van de mitochondriale funktie in geïmmortaliseerde lymfocyten (genaamd lymfoblasten) uit bloed van patiënten vergeleken met die van gezonde voor leeftijd en geslacht gematchte controles. We vonden dat de mitochondriale funktie in M.E./CVS-cellen inderdaad abnormaal is: een geïsoleerde Complex-V deficiëntie vergezeld van gestegen capaciteit van Complexen I tot IV, verhoogd membraan-potentiaal, upregulering van TORC1-aktiviteit en gestegen expressie van diverse mitochondriale proteïnen betrokken bij ATP-genererende katabole mechanismen. Dit patroon van veranderingen qua mitochondriale funktie in M.E./CVS-lymfoblasten is duidelijk verschillend van wat we observeerden als we gebruik maakten van dezelfde benadering bij andere neurologische aandoeningen (bv. de mitochondriale hyperaktiviteit in lymfoblasten bij Parkinson’s en Fragiel X syndroom [erfelijke aandoening] die we rapporteerden). Het suggereert een model waarbij een primaire deficiëntie qua Complex-V funktie is betrokken, gecombineerd met homeostatische, compenserende upregulering van TORC1-aktiviteit en expressie van mitochondriale proteïnen.

2. Materialen & Methodes

2.1. Deelnemers

Twee groepen: M.E./CVS-patiënten (n = 51, 86% vrouwen, mediane leeftijd 50, leeftijden 26-70) of gezonde controles (n = 22, 68% vrouwen, mediane leeftijd 41, leeftijden 21-58) zonder enige familiale geschiedenis van M.E./CVS of spierpijn en ook niet samenwonend met M.E./CVS-patiënten. […]

M.E./CVS-diagnose op basis van de Canadese Consensus Criteria. Beoordeling van post-orthostatisch tachycardie syndroom co-morbiditeit. ‘Depression, Anxiety and Stress Scale’ vragenlijst [angst, depressie en veralgemeende stress] & ‘Epworth Sleepiness Scale’ vragenlijst [slaap-patroon]. Beoordeling van M.E./CVS-ernst op basis van Richardson & Lidbury’s ‘Weighted Standing Time’ [Weighting of orthostatic intolerance time measurements with standing difficulty score stratifies ME/CFS symptom severity and analyte detection. J Transl Med (2018) 16: 97 => 20 min staan zonder hulp; hartslag, bloeddruk en zuurstof-saturatie meting vóór en om de 2 min + score van de ondervonden moeite]. […]

[…]

2.2. PBMC-isolatie uit bloedstalen en immortalisatie

[…]

2.3. Lymfoblast-culturen

[…]

2.4. Telling van levensvatbare cellen

[…]

2.5. Mitochondriale massa & mitochondriaal membraan potentiaal (MMP)

Testen met de mitochondriale kleurstoffen MitoTracker® Green FM & MitoTracker® Red CMXRos. Beide binden specifiiek op mitochondriale membranen, MitoTracker® Red binding is afhankelijk van het membraan-potentiaal (Δψm), MitoTracker® Green niet. […]

[…]

2.6. Mitochondriale Stress Test (Seahorse respirometrie)

[…] Het zuurstof-verbruik (‘oxygen consumption rate; OCR in pmol/min) werd gemeten vóór (basale OCR) en nadat 1 µM oligomycine (ATP-synthase inhibitor), 1 µM CCCP (carbonyl-cyanide m-chlorofenyl hydrazone, [chemische inhibitor van de oxidatieve fosforylatie, vernietigt het mitochondriaal membraan-potentiaal]), 1 µM rotenon (Complex-I inhibitor) & 5 µM antimycine-A (Complex-III inhibitor) werd toegevoegd. Dit levert OCR-waarden op voor respiratoire ATP-synthese (oligomycine-sensitief), de maximum OCR bij CCCP-ontkoppelde mitochondrieën en de rotenon-sensitieve OCR (toe te schrijven aan ontkoppelde Complex-I aktiviteit), de antimycine-sensitieve Complex-II/III aktiviteit, de OCR door mitochondriale werking (bv. proteïnen-import) buiten de ATP-synthese […] (zgn. ‘proton-lek’ [diffusie van protonen zodat die niet meer kunnen bijdragen tot de synthese van ATP, die energie gaat verloren], niet-respiratoire zuurstof-consumptie (bv. door cellulaire en mitochondriale oxygenasen & oxidasen), en de respiratoire ‘reserve-capaciteit’ (over-capaciteit van de respiratoire elektron-transport-keten die niet wordt gebruikt bij basale respiratie).

2.7. Glycolytische stress test

De extracellulaire verzuring (‘Extracellular Acidification Rate’, ECAR) van levende, intacte lymfoblasten werd gemeten via een gemodificeerde glycolyse stress-test in de ‘Seahorse XFe24 Extracellular Flux Analyzer’ […]. Via de injektie-poorten van het toetsel werden de volgende molekulen (chronologisch) tot de aangegeven finale concentraties toegediend: glucose (10 mM), oligomycine (2 μM), rotenon (1 μM) & antimycine-A (5 μM) (gecombineerd), 2-deoxyglucose (50 mM). De behandeling met rotenon/antimycine liet de bepaling toe van de impact van elektron-transport op de ECAR door respiratoire verzuring gekoppeld aan de passage van glycolytisch pyruvaat door de TCA-cyclus. […]

2.8. ‘Steady-state’ ATP-analyse

De ‘steady-state’ intracellulaire ATP-concentratie werd bepaald d.m.v. luciferine bioluminescentie.

2.9. Intracellulaire Reactive Zuurstof Soorsten Species (ROS)

[…]

2.10. Mitochondriaal of EBV genoom ‘copy-number’

Amplificatie en detektie van twee mitochondriaal gecodeerde genen (mtND1 & mtND4).

[…]

2.11. 4E-BP1 fosforylatie (TOR aktiviteit)

TOR inhibitie door 0,5 μM Torin2 […]

2.12. ‘Western blotting’

[…]

2.13. Cel-proteomica

[…]

2.14. Kwantificatie & statistische analyse

[…]

3. Resultaten

3.1. Ex vivo lymfocyten zijn metabool ‘quiescent’ en die van M.E./CVS-patiënten sterven sneller dan die van controles

Hoewel de expressie van mitochondriale proteïnen gestegen is in het speeksel, de lymfocyten en de bloedplaatjes bij M.E./CVS [zie hierboven], zijn fysiologische metingen van de respiratoire funktie en capaciteit in M.E./CVS lymfocyt-mitochondrieën naar verluidt gereduceerd [zie Myhill S et al. eerder]. Een mogelijke verklaring is dat de ex vivo [buiten het lichaam] M.E./CVS-lymfocyten dieper ‘quiescent’ [in een staat of periode van inakiviteit of rust] zijn (metabolisme meer onderdrukt) dan controle-cellen. We onderzochten dit door het vergelijken van de respiratie in geïmmortaliseerde lymfocyten (lymfoblasten) van M.E./CVS-patiënten en controles met deze van lymfocyten van een subgroep van dezelfde deelnemers-groep. Hoewel de M.E./CVS-lymfocyten lagere graad qua respiratie leken te hebben dan controles, was het verschil niet significant. De basale respiratie in patiënten- zowel als controle-lymfocyten lag 2 orden van grootte lager dan in de geïmmortaliseerde cellen, en benaderde de ondergrens van wat detekteerbaar is voor het instrument, zoals bij eerder gerapporteerde experimenten met dit cel-type [zie Tomas C et al. (2017) eerder]. Dit bevestigde dat ex vivo lymfocyten van zowel patiënten als controles in een toestand van fysiologische quiescentie verkeren en zodoende wellicht niet representatief voor metabool aktieve cellen in vivo.

Een andere mogelijke bijdragende factor tot de gerapporteerde daling qua mitochondriale aktiviteit in M.E./CVS-lymfocyten t.o.v. controles, is een verhoogde sterfte van M.E./CVS-lymfocyten vergeleken met controles. We bepaalden daarom de leefbaarheid met verloop van tijd voor M.E./CVS-lymfocyten versus gezonde controles. Er was een dramatisch grotere sterfte van de M.E./CVS-lymfocyten dan die van controles, suggererend dat eerder gerapporteerde reducties qua M.E./CVS-lymfocyten mitochondriale funktie wellicht het resultaat is van een hoger aandeel dode cellen bij de onderzochte populatie. Als dit de in vivo levensduur van ongeaktiveerde lymfocyten weerspiegelt, zou dit resultaat ook suggereren dat de ‘turn-over’ van ongeaktiveerde lymfocyten bij M.E./CVS-patiënten wellicht dramatisch gestegen is.

3.2. ATP-synthese door Complex-V is inefficiënt in M.E./CVS-lymfoblasten

De voornoemde resultaten suggereren dat lymfoblasten wellicht beter de funktie van aktief metaboliserende cellen in vivo weerspiegelen, inclusief geaktiveerde leukocyten zoals deze die betrokken kunnen zijn bij inflammatoire processen voorkomend bij M.E./CVS-patiënten. We gebruikten daarom in de rest van de studie lymfoblasten om de mitochondriale funktie in M.E./CVS-cellen te onderzoeken. De creatie van lymfoblasten omvat immortalisatie door EBV-infektie en integratie van het EBV-genoom in het lymfocyt-genoom. We bepaalden daarom de EBV-genoom ‘copy-numbers’ (d.m.v. qPCR) en vonden geen significant verschil tussen patiënten en controles [het genoom ‘copy-number’ van een EBV-gen is onveranderd]. Bovendien was er geen effekt van het EBV-genoom ‘copy-number’ op de parameters voor mitochondriale en cel stress-signalisering parameters die we maten, bij geen van de groepen ([…] p > 0.05).

In M.E./CVS-lymfoblasten, was de basale respiratie lichtjes verhoogd en de mate van O2-verbruik door ATP-synthese (oligomycine-sensitieve component van de basale respiratie) lichtjes onderdrukt, maar geen van beide veranderingen was statistisch significant. De mate van ATP-synthese door Complex-V, als deel [%] van de basale OCR, was echter significant gedaald (ca. 15% t.o.v. controles) in M.E./CVS-lymfoblasten, wat duidt op een inefficiëntie qua respiratoire ATP-synthese. Deze inefficiëntie, specifiek door Complex-V, impliceert een Complex-V defekt of inhiberende ontregeling.

Aangezien de absolute mate van ATP-synthese niet significant was gewijzigd, ondanks het Complex-V defekt, anticipeerden we dat rustende [‘steady state’] M.E./CVS-cellen homeostatisch normale ATP-waarden behouden. Om dit te verifiëren, bepaalden we de totale-cel ATP-waarden en vonden geen verschil tussen M.E./CVS- en controle-lymfoblasten.

3.3. M.E./CVS-lymfoblasten vertonen gestegen respiratoire capaciteit, aktiviteit en expressie van OXPHOS-complexen die funktioneel normaal zijn (uitgezonderd Complex-V)

Om een normale mate van ATP-synthese en ‘steady-state’ waarden te bereiken, kunnen M.E./CVS-lymfoblasten compenseren voor de verminderde efficiëntie van respiratoire ATP-synthese door het upreguleren van respiratoir elektronen-transport. Dit bleek het geval te zijn gezien de gestegen maximum OCR van de CCCP-ontkoppelde mitochondrieën [zie ‘methodes’] en de voornaamste bijdragen factor hieraan, ontkoppelde O2-consumptie door Complex-I (rotenon-sensitief) alsook de reserve respiratoire capaciteit die niet wordt aangewend bij basale respiratie. Deze verhoogde respiratoire capaciteit in M.E./CVS-mitochondrieën impliceert een toename van de expressie, import of aktiviteit van de proteïnen van deze complexen en de ondersteunende mechanismen. Om na te gaan of dit het geval was, gebruikten we semi-kwantitatieve ‘western blotting’ op ruwe lysaten van M.E./CVS- en controle-lymfoblasten om de relatieve expressie-waarden van indicatieve subunits van elk van de 5 mitochondriale respiratoire complexen te testen. We vonden significante stijgingen van de waarden voor Complex-I, -II & -IV subunits. Kleinere toenames van de waarden van subunits in de anderen complexen (III, V) waren niet statistisch significant.

Deze resultaten suggereren dat de expressie van de respiratoire complexen in M.E./CVS-cellen homeostatisch toegenomen is om te compenseren voor inefficiënte ATP-synthese. Om deze hypothese verder te testen, voerden we een totale-cel proteomica analyse uit van 16 controle- and 22 patient-lymfoblast cellijnen. Voor meerdere van de individuele subunits van zowel Complex-I en -V, overschreed de gemeten toename in expressie van die subunit alleen de drempel voor statistische significantie. 31 van de 44 Complex-I subunits werden gedetekteerd, 26 daarvan in meer dan 5 stalen, en de meeste vertoonden toenames van hun waarden in M.E./CVS-cellen vergeleken met de controles, significant meer dan wat door toeval zou worden verwacht. De gemiddelde expressie van de Complex-I subunits in M.E./CVS-cellen was significant hoger dan in de controles (1,48 maal, p = 6.3 x 10-3). 11 van de 12 Complex-V subunits waren ge-upreguleerd, een significant groter deel dan wat door toeval zou worden verwacht. De gemiddelde expressie-waarden waren ook significant gestegen voor de subunits van Complex-V (1,1 maal, p = 3.0 x 10-3). […]. Als we deze 10% hogere expressie van Complex-V subunits in acht nemen, is de relatieve inefficiëntie van Complex-V in de M.E./CVS-cellen zelfs groter dan gemeten via respirometrie – bijna 25% lager dan de controles.

De expressie van subunits van de andere respiratoire complexen was ook hoger in M.E./CVS-lymfoblasten in onze proteomica-analyse, maar de stijgingen bereikten geen statistisch significante waarden. Hoewel het klein aantal van Complex-II subunits onvoldoende statistische ‘power’ opleverde om significante upregulering te detekteren bij een dergelijke test, leken de waarden van elk van de gedetekteerde subunits gestegen, wat consistent is met de significante toename gezien via ‘western blotting’. Tesamen tonen deze resultaten dat waarden van de belangrijkste mitochondriale OXPHOS-proteïnen verhoogd zijn in M.E./CVS-cellen, wat de gestegen maximum OCR van de Seahorse respirometrie-testen verklaart.

De elekronen-flow van Complex-I naar Complex-III & -IV is de belangrijkste bijdragende factor aan het respiratoir elektronen-transport; de bijdragen van Complex-II in deze cellen is zeer klein. Bij de observatie dat Complex-V inefficiënt funktioneert, een kleinere fraktie bijdraagt aan de basale respiratie in M.E./CVS-cellen dan in controle-cellen, bepaalden we of Complex-I, -III & -IV normaal funktioneren.

In tegenstelling met de partiële bijdrage van Complex-V aan de basale respiratie, vonden we dat de partiële O2-consumptie bij ontkoppelde elekronen-flow van Complex-I [Complex I OCR als percentage van de ontkoppelde maximum OCR] door Complexen III & IV aan de molekulair zuurstof onveranderd was in M.E./CVS-cellen. Zodoende is het elekronen-transport functioneel normaal in M.E./CVS-cellen en de inefficiëntie qua oxidatieve fosforylatie geïsoleerd tot ATP-synthese door Complex-V. Dit kan worden besloten aangezien een defekt in Complex-I, -III of -IV zou resulteren in het feit dat de elektronen-flow door deze complexen proportioneel minder zou bijdragen aan de totale OCR, zelfs als compenserende upregulering van expressie de respiratie zou normaliseren of zelfs naar hoger dan normale absolute waarden zou brengen. We concludeeren dat elektronen-transport in de M.E./CVS-cellen functioneel normaal is maar qua capaciteit gestegen omwille van verhoogde expressie van de betrokken respiratoir complex proteïnen.

Een andere indicator voor abnormaliteiten qua elektronen-transport is de concentratie radikale zuurstof-soorten (ROS). Deze worden aangemaakt bij elektronen-‘lekkage’ op het punt waar elektronen normaal van Complex-I of -II naar Complex-III gaan. ROS-produktie kan gestegen zijn door een verhoogde flux van elektronen door de elektron-transport-keten of door een ‘downstream’ blokkage die de elektronen-flow afleidt. We hebben daarom de ROS-waarden gemeten in patiënten- en controle-cellen, en vonden geen verandering qua intracellulaire ROS in M.E./CVS-lymfoblasten vergeleken met controles. Dit is consistent met de niet-significante veranderingen qua basale respiratie en suggereert ook dat de elektron-transport-keten (ETC) funktioneel normaal is.

De compenserende stijging van de expressie en aktiviteit van mitochondriale respiratoire complexen aangetoond door onze gegevens, suggereert dat M.E./CVS-mitochondrieën verhoogde door ‘proton motive force’ (PMF [beweging van ionen door het membraan]) aangedreven transport-processen in het mitochondriaal membraan zou moeten vertonen, die mitochondriale biogenese en funktie ondersteunen en behouden. Bijvoorbeeld: de waarden van sleutel proteïnen van de mitochondriale proteïnen-import complexen waren gestegen in de M.E./CVS-proteomen, alsook de waarden van meerdere SLC25 transporters [mitochondriale transporter proteïnen] in het binnenste mitochondriaal membraan. Dergelijke ondersteunende transport-mechanismen dragen bij tot het zogenaamde ‘proton-lek’, dat refereert naar de depletie van de PMF door mitochondriale transport-processen buiten de ATP-synthese door Complex-V. Het proton-lek was significant verhoogd als aandeel van het basaal metabolisme in M.E./CVS-lymfoblasten bij vergelijking met controles.

De voornoemde gegevens duiden er op dat de mitochondriale respiratoire capaciteit in M.E./CVS-lymfoblasten ge-upreguleerd is, vermoedelijk in respons op de inefficiënte ATP-synthese. Dit is gekoppeld met verhoogde depletie van energie door transport-processen waarvan we hypothiseerden dat ze deze zouden omvatten die oxideerbare substraten leveren aan de mitochondrieën. We verwachten daarom dat de niet-mitochondriale katabole processen die deze substraten leveren ook verhoogd zijn. Onze gegevens ondersteunen een dergelijke verschuiving in het metabolisme aangezien de ‘niet-mitochondriale’ OCR, een indicator voor de katabole graad, significant verhoogd was in M.E./CVS-lymfoblasten.

3.4. Mitochondriale abnormaliteiten in M.E./CVS-lymfoblasten zijn gecorrelereerd met ziekte-ernst

Gelet op de voornoemde funktionele abnormaliteiten in M.E./CVS-mitochondrieën, testten we de belangrijkste verhoogde parameters wat betreft correlatie met ziekte-ernst (beoordeling via de ‘Richardson and Lidbury Weighted Standing Test’) [zie ‘methodes’]. We vonden dat ze allemaal gecorreleerd waren met de klinische uitkomsten. Dit levert sterk bewijsmateriaal voor het idee dat de gevonden mitochondriale abnormaliteiten klinisch relevant zijn.

3.5. Mitochondriaal genoom ‘copy-number’ en massa per cel zijn ongewijzigd in M.E./CVS-lymfoblasten maar het mitochondriaal membraan potentiaal is verhoogd

De mitochondriale massa refereert naar totaal mitochondriaal membraan binnen het dynamisch netwerk van mitochondrieën in de cel, terwijl het membraan-potentiaal de lading-gradient over het binnenste mitochondriaal membraan is – wat deel uitmaakt van de totale PMF, die de ATP-synthese door Complex-V (ATP-synthase) aandrijft. Aangezien de expressie van mitochondriale proteïnen ge-upreguleerd is in M.E./CVS-lymfoblasten, was het mogelijk dat dit zou worden weerspiegeld in een toename van de totale cellulaire mitochondriale inhoud. Om dit te beoordelen, hebben we zowel mitochondriaal genoom inhoud t.o.v. het nucleair genoom bepaald, alsook de mitochondriaal membraan ‘massa’ per cel en zagen geen verschillen tussen M.E./CVS- en controle-lymfoblasten. Dit suggereert dat de M.E./CVS-mitochondrieën een hogere concentratie mitochondriale respiratoire proteïnen dan controle-cellen bevatten.

De inefficiënte ATP-synthese door Complex-V betekent dat basale respiratie door M.E./CVS-mitochondrieën ook gereduceerd zou zijn, ware het niet van de compenserende upregulering van hun waarden van het respiratoir complex. Dit laat hen toe normale ATP-synthese te behouden en, zoals werd gezien, gaat dit gepaard met een gestegen respiratoire capaciteit van de elektron-transport-keten (hoofdzakelijke Complex-I aktiviteit). Dit zou resulteren in een overmatig proton-pompende capaciteit met de betrekking tot de gecombineerde vereisten van ATP-synthese door Complex-V en het ‘proton-lek’. De verwachte uitkomst van deze toegenomen reserve qua respiratoire capaciteit zou een verhoogd mitochondriaal membraan-potentiaal in M.E./CVS-cellen zijn, die we hebben bevestigd via het onderzoeken van de verhouding MitoTracker® Red op MitoTracker® Green fluorescentie in M.E./CVS-lymfoblasten.

3.6. De glycolyse in M.E./CVS-lymfoblasten is onaangetast maar waarden van enzymen betrokken bij vetzuur β-oxidatie en de TCA-cyclus zijn verhoogd

Gepubliceerd metabolomica-werk suggereert dat het metabolisme bij M.E./CVS ontregeld is, zodanig dat de voorziening van acetyl-CoA [intermediair voor de TCA-cyclus: pyruvaat + acetyl-CoA => citraat, enz.; levert energie] aan de TCA-cyclus via pyruvaat (afkomstig van de glycolytse) verminderd is en er in plaats daarvan een verschuiving weg van het koolhydraten-metabolisme is, naar alternatieve oxideerbare substraten [zie Armstrong CW et al. hierboven]. Ander werk suggereert dat de glycolyse zelf onverstoord is en dat gereduceerde omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA door PDH verantwoordelijk is voor een gelijkaardig ‘downstream’ gevolg [zie Fluge O et al. hierboven]. Tomas C et al. (2017) [zie eerder] vonden echter geen verschil qua glycolyse tussen lymfocyten van M.E./CVS- en controle-individualen, terwijl Nguyen T et al. [Reduced glycolytic reserve in isolated natural killer cells from Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome patients: A preliminary investigation. Asian Pac J Allergy Immunol (2018) 10] een daling van de glycolytische capaciteit rapporteerden voor een klein staal NK-cellen van M.E./CVS-patiënten. Om de glycolyse in intacte M.E./CVS-lymfoblasten te onderzoeken, ontwierpen we een geoptimaliseerde Seahorse test om de glycolytische produktie van of lactaat in ‘real-time’ in levende cellen te beoordelen, door het meten van de extracellulaire verzuring (ECAR) van het cultuurmedium. We vonden geen verschil tussen M.E./CVS- en controle-cellen wat betreft de mate, reserve of capaciteit van glycolyse.

Eerdere metaboloom-studies suggereerden dat het lipiden-metabolisme ontregeld is bij M.E./CVS [bv. Nagy-Szakal D et al. Insights into Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome phenotypes through comprehensive metabolomics. Sci Rep (2018) 8: 10056 /// Germain A et al. Metabolic profiling of a Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome discovery cohort reveals disturbances in fatty acid and lipid metabolism. Mol Biosyst (2017) 13: 371-379 /// Naviaux RK et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc Natl Acad Sci USA (2016) 113: E5472-5480]. Aangezien het vergroot ‘proton-lek’ en ‘niet-mitochondriale’ OCR consistent waren met een toename qua mitochondriale opname en katabolisme van alternatieve oxideerbare substraten, onderzochten we de expressie van mitochondriale vetzuur-transporters en enzymen verantwoordelijk voor vetzuur β-oxidatie in cel-proteomen van M.E./CVS- en controle-lymfoblasten. We vonden dat proteïnen bij beide groepen significant gestegen waren in de M.E./CVS-cellen. De waarden van alle drie de vetzuur-transport-proteïnen (carnitine-acyltransferase-I & -II alsook acyl-carnitine ‘carrier’-proteïne) gestegen waren, hoewel er dit enkel statistische significantie bereikte in het geval van carnitine-acyl-transferase-II. Bovendien waren 17 op 20 proteïnen betrokken bij mitochondriale β-oxidatie ge-upreguleerd (p = 2.6 x 10-3), met gemiddelde waarden 23 ± 13% hoger dan controles (p = 9.4 x 10-4). Alle 6 de centrale enzymen van de mitochondriale β-oxidatie cyclus waren ge-upreguleerd (p = 0.016) en de waarde van één ervan (enoyl-CoA hydratase) was significant verhoogd. Als de mate van mitochondriale β-oxidatie verhoogd was in M.E./CVS-cellen in overéénkomst met de expressie van de betrokken proteïnen, zouden deze mechanismen acetyl-CoA aan de TCA-cyclus leveren in een sneller tempo. In overéénstemming hiermee, vonden we dat de expressie van TCA-cyclus proteïnen ook was gestegen in M.E./CVS-cellen. Zodoende bleken 16 op 19 gedetekteerde proteïnen betrokken bij de TCA-cyclus overvloediger aanwezig in het M.E./CVS-proteoom (p = 2.2 x 10-3). De gemiddelde expressie-waarden van TCA-cyclus proteïnen in M.E./CVS-lymfoblasten lag 17 ± 10% hoger dan in controle-cellen (p = 1.0×10-3). Tesamen genomen tonen deze resultaten dat M.E./CVS-lymfoblasten een verhoogde capaciteit hebben om mitochondriale β-oxidatie aan te wenden, de oxidatieve fosforylatie aan te drijven met een hoger tempo dan anders het geval zou zijn.

3.7. Stress-voelende mechanismen bij M.E./CVS zijn verstoord – TORC1 is chronisch gehyperaktiveerd

De compenserende werking om ATP-waarden terug naar normaal te brengen in M.E./CVS-lymfoblasten, ondanks de Complex-V inefficiëntie, wordt waarschijnlijk aangedreven door de signalisering-netwerken die diverse soorten cellulaire stress ‘voelen’ en er homeostatisch een antwoord op bieden. Een centraal element bij deze mechanismen, onderling verbonden met alle andere, is het proteïne-kinase TORC1 (‘Target of Rapamycin Complex-I’), dat zorgt voor de coördinatie de translationele upregulering van belangrijke funktionele groepen proteïnen, inclusief nucleair gecodeerde mitochondriale proteïnen. We hebben de aktiviteit ervan gemeten in M.E./CVS- en controle-lymfoblasten door de fosforylatie-toestand te meten van één van z’n belangrijke substraten, 4E-BP1 (‘Eukaryotic translation initiation factor 4E-Binding protein 1’). 4E-BPs worden gefosforyleerd door TORC1, waarvan de katalytische subunit mTOR (‘mechanistic Target Of Rapamycin’) is. Samen met S6-kinase (S6K), medieert 4E-BP1 de rollen van TORC1 bij het reguleren van de translatie van mRNAs coderend voor belangrijke funktionele groepen proteïnen (in het cytosol). Als één van de sleutel-substraten van TORC1 betrokken bij het reguleren van de proteïne-synthese, wordt 4E-BP1 dikwijls gebruikt als een merker van TORC1-aktiviteit. We vonden dat de waarden van 4E-BP1 fosforylatie significant gestegen waren in M.E./CVS-lymfoblasten en vergezeld gingen van een corresponderende verhoogde respons op de mTOR-inhibitor Torin2. Deze chronische toename van TORC1-aktiviteit zou de verhoogde expressie van mitochondriale proteïnen en respiratoire capaciteit die we vonden in M.E./CVS-lymfoblasten kunnen verklaren.

4. Bespreking

Eerdere ‘steady-state’ metingen en metabole flux metingen van de mitochondriale respiratoire funktie in M.E./CVS-lymfocyten hebben gesuggereerd dat er in M.E./CVS-cellen een veralgemeende reductie qua mitochondriale aktiviteit en respiratoire capaciteit is [zie Tomas C et al. (2017) hierboven]. Het is paradoxicaal dat funktioneel normale OXPHOS complex-I tot -IV aktiviteit [Tomas C et al. Mitochondrial complex activity in permeabilised cells of Chronic Fatigue Syndrome patients using two cell types. PeerJ (2019) 7: e6500] en gestegen niet-mitochondriale ATP-produktie [zie Lawson N et al. hierboven] ook werden gerapporteerd voor M.E./CVS-lymfocyten, terwijl de expressie van mitochondriale proteïnen ge-upreguleerd bleek in speeksel, bloedplaatjes en lymfocyten van patiënten [zie hierboven].

In dit werk hebben we deze inconsistenties opgelost door de kwestie van mitochondriale funktie en capaciteit in geïmmortaliseerde lymfocyten (lymfoblasten) te herbekijken. Zoals we hier toonden zijn ongeaktiveerde ex vivo lymfocyten ‘quiescent’ en stervend, zodat een verschil tussen patiënten- en controle-groepen van deze quiescentie en/of de mate van cel-dood de eerder gerapporteerde reductie qua mitochondriale aktiviteiten in M.E./CVS-lymfocyten kunnen verklaren. We vonden dat in cultuur-medium M.E./CVS-lymfocyten dramatisch sneller sterven dan controle-lymfocyten. Het is waarschijnlijk dat de M.E./CVS-lymfocyten waarvan de mitochrondriale aktiviteit werd getest in eerdere studies, een groter deel dode cellen omvatte dan de controles. De hogere mortaliteit voor M.E./CVS-lymfocyten is niet verrassend gezien het feit al lang geweten is dat farmacologische inhibitie van mitochondriale respiratie, inclusief Complex-V stoornis, resulteert in apoptotische cel-dood in ex vivo lymfoïde cellen.

In tegenstelling daarmee, zijn de lymfoblasten die in ons werk werden gebruikt metabool aktieve lymfoïde cellen die geaktiveerde lymfocyten, die neuro-inflammatie in vivo aandrijven, beter vertegenwoordigen. Onze resultaten tonen dat M.E./CVS-lymfoblasten een geïsoleerde Complex-V inefficiëntie vertonen die vergezeld gaat wordt door upregulering van mitochondriale proteïnen expressie, inclusief mitochondriale respiratoire complexen en enzymen betrokken bij de TCA-cyclus, vetzuur-opname en β-oxidatie. Deze bevindingen bevestigen dat M.E./CVS-cellen inderdaad een mitochondriale deficiëntie qua generatie van ATP vertonen maar onthullen dat deze specifiek Complex-V omvatten i.p.v. een veralgemeende reductie van alle mitochondriale funkties. Dit profiel van mitochondriale dysfunktie in intacte M.E./CVS-lymfoblasten is anders dan deze die we eerder vonden bij Parkinson’s lymfoblasten, dus kan het geen simpele weerspiegeling zijn van de neuro-inflammatoire processen waarvan wordt geloofd dat ze optreden bij beide ziekten.

Wat kan de oorzaak zijn van een dergelijke mitochondriale Complex-V inefficiëntie? Er zijn drie mogelijkheden: een mutatie in één van de subunits van Complex-V of assemblage-proteïnen, een ontregeling van Complex-V of een vermeerdering van het relatief gebruik van de ‘proton motive force’ voor andere doeleinden (‘proton-lek’) waardoor er minder beschikbaar is voor ATP-synthese. Een mutatie-defekt in Complex-V lijkt onwaarschijnlijk gezien het feit dat eerdere onderzoeken geen ‘single nucleotide’ polymorfisme konden aantonen in Complex-V genen dat verband houdt met de ziekte-toestand [Schlauch KA et al. Genome-wide association analysis identifies genetic variations in subjects with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Transl Psychiatry (2016) 6: e730 /// Billing-Ross P et al. Mitochondrial DNA variants correlate with symptoms in with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. J Transl Med (2016) 14: 19]. Ontregelende inhibitie van Complex-V is een tweede mogelijkheid. Het is geweten dat mitochondriale ATP-synthase aktiviteit door een waaier aan proteïnen, kleine molekulen en signalisering-mechanismen kan gereguleerd worden, waarvan sommige werken via Complex-V’s eigen inhiberende subunit AIF1. De derde mogelijkheid, dat Complex-V inefficiënt is in M.E./CVS-cellen omwille van het gestegen gebruik van de ‘proton motive force’ door andere processen, wordt gesuggereerd door het vergroot proton-lek dat we hebben gemeten in M.E./CVS-lymfocyten. De M.E./CVS-mitochondrieën vertonen echter een overmaat aan onbenutte respiratoire capaciteit en een gestegen ‘proton motive force’. Dit zou suggereren dat het membraan-potentiaal en de elektron-transport capaciteit in M.E./CVS-cellen meer dan voldoende zijn om toe te laten dat Complex-V met een normale efficiëntie funktioneert. Deze mogelijke oorzaken voor Complex-V inefficiëntie in M.E./CVS-mitochondrieën dient te worden onderzocht.

De verhoogde maximum respiratoire capaciteit, mitochondriale Complex-I aktiviteit en het proton-lek die we vonden in M.E./CVS-lymfoblasten zijn consistent met de hogere expressie van mitochondriale proteïnen die we in deze cellen zagen (beoordeeld via zowel semi-kwantitatieve ‘western blots’ en cel-proteomica. Consistent hiermee werd eerder gerapporteerd dat mitochondriale proteïnen ge-upreguleerd zijn in de M.E./CVS-proteomen van speeksel, lymfocyten en bloedplaatjes [zie hierboven], terwijl verhoogde translocase-aktiviteit [translocasen = transporter-proteïnen] naar de mitochondriale matrix ook werd gerapporteerd [Myhill S]. Alles tesamen suggereren onze resultaten een model waarbij het Complex-V defekt een proximale aktivator is van compenserende upregulering van de expressie van mitochondriale proteïnen.

De gestegen waarden van diverse mitochondriale proteïnen in M.E./CVS-cellen suggereren de mogelijkheid dat mitochondriale biogenese breder geaktiveerd is in deze cellen. We vonden echter dat de mitochondriale membraan ‘massa’ per cel (Mitotracker Green fluorescentie) en het ‘copy-number’ van het mitochondriaal genoom t.ov. het nucleair genoom ongewijzigd waren. Dienoveréénkomstig lijken M.E./CVS-mitochondrieën hogere concentraties van mitochondriale respiratoire proteïnen en katabole enzymen te hebben.

Eén van de belangrijkste ‘upstream’ regulatoren van mitochondriale proteïne expressie is TOR Complex I (TORC1 waarvan de katalytische subunit mTOR (‘mechanistic Target Of Rapamycin’) is. We vonden dat TORC1 aktiviteit gestegen is in M.E./CVS-cellen. Het is geweten dat de expressie van mitochondriale enzymen betrokken bij elektron-transport ge-upreguleerd wordt door TORC1 via selektieve aktivatie van translatie via inhiberende fosforylatie van het TORC1 ‘target’ 4E-BP1. Naast zijn werkingen op de translatie van nucleair-gecodeerde mitochondriale proteïnen, zorgt TORC1 voor upregulering van de expressie van transcriptie-factoren 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] […] & TFAM [mitochondriale transcriptie-factor A; aktivator van mtDNA-transcriptie] (translationeel), wat respectievelijk de transcriptie van nucleaire en mitochondriale genen coderend voor mitochondriale proteïnen induceert. Het meest opmerkelijk bij de mitochondriale proteïnen waarvan de translatie ge-upreguleerd wordt door TORC1 zijn de nucleair-gecodeerde subunits van Complexen I & V, de twee respiratoire complexen waarvan de expressie het meest evident verhoogd bleek in de cel-proteomen van M.E./CVS-lymfoblasten.

Mitochondriale enzymen betrokken bij de β-oxidatie van vetzuren behoren tot de vele proteïnen waarvan de expressie ge-upreguleerd wordt door PGC1α en dus indirect door TORC1. Vetzuur β-oxidatie levert acetyl-CoA aan de TCA-cyclus, net zoals de glycolyse, maar het levert meer ATP op. Thermodynamisch klinkt dit logisch, gezien de hogere reductie-toestand van vetzuur-ketens vergeleken met suiker-molekulen. M.E./CVS-cellen zouden hun metabolisme kunnen verschuiven ten voordele van vetzuur β-oxidatie omwille van een deficiëntie van de glycolyse [zie Armstrong CW et al. eerder] of pyruvaat-dehydrogenase die gedeeltelijk pyruvaat oxidieert en acetyl-CoA levert aan de TCA-cyclus [zie Fluge O et al. eerder]. Er werd ook gesuggereerd dat het metabolisme in M.E./CVS-cellen verschuift weg van de glycolyse ten voordele van het pentose-fosfaat pad [proces waarbij o.a. NADPH gegenereerd wordt] dat suikers in het cytosol kan oxideren om reducerende kracht te genereren die kan worden getransporteerd in de mitochondrieën om elektronen-transport aan te drijven [zie Germain A et al. eerder]. Onze resultaten ondersteunen het bestaan van een dergelijke verschuiving maar we vonden geen deficiëntie qua glycolyse-graad, glycolytische reserve of glycolytische capaciteit. Hoewel er rapporten zijn geweest omtrent verminderde mate van glycolyse in M.E./CVS-lymfocyten [zie Nguyen T et al. eerder], contrasteert dit met meldingen van anderen [zie Tomas C et al. (2017) eerder]. In plaats van gereduceerde glycolytische capaciteit die de verschuiving in het metabolisme aandrijft, suggereren onze resultaten dat de veranderingen kunnen worden aangedreven door verhoogd verbruik van alternatieven zoals de β-oxidatie van vetzuren. Er werd eerder gerapporteerd dat de mate van vetzuur-gebruik ongewijzigd was in gepermeabiliseerde M.E./CVS-lymfocyten [zie Tomas C et al. (2019) eerder]. Het permeabilisatie-proces (met verlies van cytoplasmatische cellulaire inhoud, bv. metabolieten) of de metabole quiescentie en hogere sterfte van M.E./CVS-lymfocyten kan echter de resultaten in die eerdere studie hebben verdoezeld. Het zou waardevol zijn om bij toekomstige experimenten de mate van vetzuur-verbruik in M.E./CVS- en controle-lymfoblasten te meten.

TORC1 is niet het enige cellulaire stress waarnemende proteïne dat expressie van proteïnen betrokken bij cellulair metabolisme en mitochondriale funktie reguleert. Het werkt in overleg met AMPK als onderdeel van een complex stress-‘voelend’ netwerk. AMPK wordt geaktiveerd door een waaier aan cellulaire stressoren inclusief ATP-insufficiëntie, verhoogde cytosol Ca2+-concentraties en oxidatieve stress. Als primaire ATP-sensor is AMPK betrokken bij mitochondriale ziekte en aktiveert meerdere katabole mechanismen die alternatieve oxideerbare substraten aan de mitochondrieën leveren – inclusief aminozuren en vetzuren. In M.E./CVS-cellen, met hun chronisch inefficiënte ATP-synthese, wordt verwacht dat AMPK chronisch geaktiveerd is en deelneemt aan de compenserende upregulering van de mitochondriale respiratoire capaciteit die we observeren. Ondanks lagere ‘steady-state’ ATP-waarden, was de AMPK-aktivatie toestand echter niet significant verschillend tussen gecultiveerde spiercellen van CVS-patiënten (Fukuda criteria) en gezonde controles [Brown AE et al. Abnormalities of AMPK activation and glucose uptake in cultured skeletal muscle cells from individuals with Chronic Fatigue Syndrome. PLoS One (2015) 10: e0122982]. Toekomstig werk zou daarom de hypothese moet testen dat AMPK chronisch geaktiveerd is in M.E./CVS-lymfoblasten.

5. Besluiten

Onze resultaten tonen dat in M.E./CVS-lymfoblasten er een geïsoleerde Complex-V inefficiëntie is voor ATP-synthese in de laatste stap van de mitochondriale oxidatieve fosforylatie. Dit gaat gepaard met meerdere homeostatische compensaties, inclusief verhoogde respiratoire capaciteit, Complex-V expressie en capaciteit voor vetzuur β-oxidatie. Tesamen lijken deze compenserende veranderingen voldoende om te voldoen aan de normale noden van een aktief metabolisme ondanks de inefficiëntie van ATP-synthese door Complex-V. Zodoende bleken de ‘steady-state’ ATP-waarden en absolute ATP-synthese beiden bijna normaal in M.E./CVS-cellen. Dit kan er echter voor zorgen dat cellen minder in staat zijn te reageren op verdere acute toenames qua ATP-vereisten, omdat de betrokken signalisering en metabole mechanismen al chronisch ge-upreguleerd zijn. Er werd gerapporteerd dat AMPK-aktiviteit in gecultiveerde spiercellen van CVS-patiënten (Fukuda criteria) niet reageren op door elektrische puls geïnduceerde contractie in vitro, maar niet omdat AMPK zelf niet responsief is voor aktivatie door een inhibitor van mitochondriaal Complex-I (metformine) of een directe AMPK-activator (‘compound 991’) [Brown AE et al. Pharmacological activation of AMPK and glucose uptake in cultured human skeletal muscle cells from patients with ME/CFS. Biosci Rep (2018) 38]. De auteurs suggereerden dat het feit dat CVS-cellen niet reageren op bijkomende energie-vereisten elders ligt. Een mogelijkheid is de reeds gestegen TORC1-aktiviteit, aangezien TORC1 een inhibitor is van de upstream mechanismen die AMPK aktiveren. In elk geval kan deze ‘cellulaire chronische vermoeidheid’ bijdragen tot de onverklaarde vermoeidheid die wordt ervaren door M.E./CVS-patiënten, zoals wordt gesuggereerd door het feit dat alle door ons geobserveerde mitochondriale abnormaliteiten gecorreleerd waren met de ernst van de symptomen (gemeten via de ‘Weighted Standing Time’). Deze correlaties verifiëren ook dat de mitochondriale abnormaliteiten die we hebben gevonden klinisch relevant zijn voor de onderliggende cytopathologische mechanismen en kunnen dienen als biomerkers voor de ziekte.

augustus 2, 2019

Post-exertionele malaise is geassocieerd met hypermetabolisme, hypoacetylering & purine-metabolisme ontregeling bij M.E.(cvs)

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 5:51 pm
Tags: , , , , , , , , ,

Het mag nu wel duidelijk zijn dat er bij M.E.(cvs) sprake is van een probleem met de cellulaire energie-voorziening/produktie. De voorbije jaren zijn er meerdere rapporten geweest over een verstoord metabolisme. Het werk van de Australische metaboloom-specialisten Prof. Neil McGregor & Christopher Armstrong kwam hier dan ook al meermaals ter sprake.

Op het EMERGE 2019 ‘ME/CFS International Research Symposium’ kondigde McGregor onderstaande studie al aan. De bevindingen van McGregor suggereerden nogmaals dat glycolyse – de vroege stap in het proces van energie-produktie – bij M.E.(cvs) uit de hand loopt. Er zijn flink wat enzymen bij glycolyse betrokken dus er kan heel wat mis gaan. Hier wordt weer een stukje van de puzzel ontrafeld…

McGregor gelooft dat een chronische depletie van essentiële metabolieten een cruciale rol speelt bij M.E.(cvs) en aanleiding geeft tot post-exertionele malaise, inflammatie, enz. Het probleem bij de glycolyse zou verband kunnen houden met veranderingen in de acetylering, wat een effekt heeft op de DNA-transcriptie, resulterend in de brede en systemische problemen.

————————-

Diagnostics Vol 9, #3, p 70 (juli 2019)

Post-Exertional Malaise is associated with hypermetabolism, hypoacetylation and purine metabolism deregulation in M.E./CFS cases

Neil R. McGregor (1), Christopher W. Armstrong (2), Donald P. Lewis (3), Paul R. Gooley (2)

1 Faculty of Medicine, Dentistry and Health Sciences, University of Melbourne, Parkville VIC 3010, Australia

2 Department of Biochemistry and Molecular Biology, Bio21 Molecular Science and Biochemistry Institute, 30 Flemington Road, Parkville VIC 3010, Australia

3 CFS Discovery, Donvale Medical Centre, Donvale VIC 3111, Australia

Samenvatting

Post-exertionele malaise (PEM) is een fundamenteel voorspellend symptoom voor de definitie van Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS). Als de patiënten zich te veel inspannen, ondervinden ze wat ‘payback’ wordt genoemd, resulterend in een verslechtering van de symptomen of een terugval die dagen, weken of zelfs maanden kan aanslepen. Het doel was het beoordelen van de veranderingen in de biochemie geassocieerd met de door de patiënten zelf-gerapporteerde PEM-scores over een periode van 7 dagen en de frequentie waarmee die worden gerapporteerd over een periode van of 12 maanden. 47 M.E./CVS-gevallen en voor leeftijd/geslacht gematchte controles werden klinisch onderzocht, vulden vragenlijsten in, werden onderworpen aan standaard serum-biochemie testen, en hun serum- en urine-metabolomen werden geanalyseerd in een observationele studie. 35 van de 46 M.E./CVS-patiënten rapporteerden PEM in de laatste 7 dagen en deze werden toegewezen aan de PEM-groep. De voornaamste biochemische verandering gerelateerd aan de PEM-ernst van deze 7 dagen was de daling van het purine-metaboliet, hypoxanthine. [purinen = bouwstenen, organische basen van DNA/RNA] Deze afname correleerde met wijzigingen van de glucose/lactaat-verhouding die zeer suggestief is voor een glycolytische anomalie. Verhoogde excretie van urine-metabolieten in de 7-daagse respons-periode geven een hyper-metabole gebeurtenis aan. Er werden stijgingen van de urine-excretie van methylhistidine (spier-proteïne afbraak), mannitol (ontregeling van de intestinale barrière) en acetaat opgemerkt bij het hyper-metabool voorval. Deze gegevens duiden er op dat hypo-acetylatie aan de gang was, wat ook gerelateerd kan zijn met ontregeling van meerdere cytoplasmatische enzymen en DNA-histoon regulering. [Histonen zijn specifieke eiwitten die samen met het DNA in de celkern het chromatine vormen. Een nucleosoom is een complex van DNA en histoon-eiwitten dat de gen-expressie regelt.] Deze bevindingen suggereren dat de primaire gebeurtenissen die gepaard gaan met PEM te wijten zijn aan hypo-acetylering [acetyleren = (enzymatisch) plaatsen van acetyl-groepen (O=C-CH3) op proteïnen; in het geval van histoon-eiwitten regelt dit de vertaling van DNA (dat rond de histonen is gewikkeld) naar RNA] en verlies van metabolieten tijdens de acute PEM-respons.

1. Inleiding

Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een medisch onverklaarde aandoening die overwegend voorkomt bij vrouwen. Ze wordt gekenmerkt door persisterende of terugkerende vermoeidheid en veranderde responsen op inspanning, en wijzigingen in de normale slaap-struktuur. Post-exertionele malaise (PEM) komt 10,4 keer frequenter voor bij M.E./CVS-patiënten vergeleken controles [Brown A & Jason LA. Meta-analysis investigating post-exertional malaise between patients and controls. J. Health Psychol. (2018)]. Er is echter weinig bekend omtrent de onderliggende pathofysiologie van PEM.

Er werd gerapporteerd dat vrouwen met M.E./CVS biochemische veranderingen vertonen die consistent zijn met de ontregeling van glycolyse en ureum-cyclus aktiviteit [Armstrong CW et al. Metabolic profiling reveals anomalous energy metabolism and oxidative stress pathways in Chronic Fatigue Syndrome patients. Metabolomics (2015) 11: 1626-1639]; deze werden aangegeven door stijgingen van de nuchtere serum metaboloom glucose ‘s morgens vroeg en dalingen qua lactaat en acetaat. De ontregeling van de glycolyse op het niveau van pyruvaat-dehydrogenase werd door andere researchers bevestigd [Fluge O et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. JCI Insight (2016) 1: e89376]. Deze ontregeling van de glycolyse resulteert in afnames qua acetaat en aktivatie van histoon-deacetylatering, alsook ontregeling van acetylering van cytoplasmatische en mitochondriale enzymen. Belangrijk: histoon-deacetylase 2 (HDAC2) bleek 4 maal hoger en HDAC3 2 maal hoger bij M.E./CVS-patiënten vergeleken met controles [Jason L et al. Increased HDAC in association with decreased plasma cortisol in older adults with Chronic Fatigue Syndrome. Brain Behav. Immun. (2011) 25: 1544-1547]. Ter verdere ondersteuning: een studie van gen-upregulering bij M.E./CVS-patiënten, na een inspanning-test, onthulde dat twee histoon-genen ge-upreguleerd waren [Whistler T et al. Exercise responsive genes measured in peripheral blood of women with Chronic Fatigue Syndrome and matched control subjects. BMC Physiol. (2005) 5: 5]. Analyse van HDAC binding-plaatsen binnen de genen van die studie, toonde dat 19 van de 20 ge-upreguleerde genen binding-plaatsen hadden voor HDAC1 & HDAC2 maar ook leden van de SMAD transcriptie-factor familie [intracellulaire proteïnen die signalen van buiten de cel overbrengen naar de cel-kern waar ze gen-transcriptie aktiveren] die het signaal overbrengen van de ‘transforming growth factor’ beta (TGF-β) receptor, – namelijk SMAD1, SMAD4 & SMAD5. De studie door Whistler et al. [zie hierboven] ondersteunt ook de hypothese dat wijzigingen qua acetylering kunnen optreden wanneer M.E./CVS-patiënten PEM hebben. Er werden ook anomalieën in TGF-β geïdentificeerd in enkele M.E./CVS-studies [bv. Montoya JG et al. Cytokine signature associated with disease severity in Chronic Fatigue Syndrome patients. Proc. Natl. Acad Sci. USA (2017), 114: E7150-E7158; zie ook ‘TGF-β1 expressie in PBMCs bij CVS] maar niet bij alle. Geen enkele daarvan werden echter beoordeeld in funktie van PEM-aktiviteit. Deze gegevens duiden er op dat de verandering qua glycolyse bij M.E./CVS gerelateerd kan zijn met op z’n minst één of een combinatie van effekten: (1) histoon-deacetylering; (2) een chronische daling van de acetaat-produktie via glycolyse; (3) ontregeling van cytoplasmatische en mitochondriale enzyme acetylering.

Er werden ook dalingen van het purine-metaboliet, hypoxanthine, gevonden in de serum-metabolomen van vrouwen in ochtendlijke nuchtere stalen [zie Armstrong CW et al. hierboven] en die wezen mogelijks op reducties van de capaciteit om ATP aan te maken. Tijdens inspanning gebeurt de afgifte van hypoxanthine door spieren gedeeltelijk via een hyper-metabole gebeurtenis wanneer de waarden van mitochondriaal/cytoplasmatisch ATP dalen. De hyper-metabole gebeurtenis van de afgifte van metabolieten door de spieren gaat gepaard met inhibitie van proteïne-synthese in spieren op het moment dat de inspanning start. Die zelfde gebeurtenis treedt op in lymfocyten wanneer de glycolyse geïnhibeerd wordt. Hoewel er meerdere immune kwesties werden ontdekt bij M.E./CVS-patiënten, werd het onderliggende mechanisme achter de veranderingen nog niet geïdentificeerd. Aktivatie van glycolyse en histoon-acetylering zijn essentiële stappen bij in immuun-aktivatie, in het bijzonder voor T-cellen en NK-cellen. Een interessante studie [niet specifiek over M.E.(cvs)] met lymfocyten toonde dat wanneer de ATP-waarden daalden na inhibitie van de glycolyse en de adenosine afbraak-produkten stegen, het inbouwen van leucine [aminozuur] in proteïnen dramatisch werd geïnhibeerd. Dus: de immuunsysteem-kwesties bij M.E./CVS kunnen het resultaat zijn van glycolyse- en acetylering-ontregeling, resulterend in een verminderd vermogen om DNA te vertalen naar proteïnen en daardoor proteïne-synthese. Er is ook bewijsmateriaal dat een switch aangeeft naar het gebruiken van vertakte-keten aminozuren als energiebron, bijzonderlijk tijdens uitputtende omstandigheden [Georgiades E et al. Chronic Fatigue Syndrome: New evidence for a central fatigue disorder. Clin. Sci. (2003) 105, 213-218].

Acetaat [zout of ester van azijnzuur] wordt geassocieerd met controle van meerdere enzymen binnenin de cel, die cruciaal kunnen zijn voor de biochemische veranderingen bij M.E./CVS. Er werden in het totaal of 1.750 cellulaire proteïnen geïdentificeerd met het kenmerk acetaat te binden en de proteïne-funktie te wijzigen; deze omvatten DNA-replicatie (52 proteïnen), DNA-herstel (72 proteïnen), cel-cyclus omschakeling (132 proteïnen), nucleotide uitwisseling factoren (55 proteïnen), en acetylering en deacetylering (21 proteïnen). De biochemie van deze door acetaat gereguleerde gebeurtenissen kan secundair zijn aan de afname van acetaat maar hebben waarschijnlijk diepgaande effekten op de cellulaire funktie bij M.E./CVS.

De doelstelling voor dit artikel was het beoordelen van de 7-dagen PEM-ernst en 12-maanden symptoom-frequentie scores, en gerelateerde biochemie (bloed & urine) bij M.E./CVS-patiënten en controles. Verbanden tussen de PEM-scores werden onderzocht gebruikmakend van standaard serum-biochemie, beoordeling van 24uurs urine, en een bloed- en urine-metaboloom.

2. Methodes

Er werden 46 M.E./CVS-patiënten en 26 individuen voor leeftijd en geslacht gematcht, zonder vermoeidheid gerecruteerd. […] De M.E./CVS-groep had de diagnose gekregen op basis van de Canadese richtlijnen en bijbehorende exclusie-criteria. De ‘Depression Anxiety Stress assessment’ (DASS) werd gebruikt ter beoordeling van de psychiatrische co-morbiditeit. […]

2.1. Klinische metingen

De individuen ondergingen een volledig klinisch onderzoek […] criteria voor de Canadese M.E./CVS-richtlijnen. Ze vulden allemaal meerdere vragenlijsten in. […]

2.2. Biochemie

[…] Bloedafname voor standaard serum-biochemie […] of een metaboloom. Tweede urine-staal na het opstaan […]. Binnen 6 h bloedstaal […] opslag -80 °C […] voor NMR-analyse […]. Er werden 29 metabolieten per serum-staal en 30 per urine-staal geïdentificeerd.

2.3. Data-analyse

De metaboloom-gegevens werden voorbereid in µM en als % (metaboliet-concentratie gedeeld door totale concentratie of metabolieten in elk staal). […]

3. Resultaten

3.1. Demografie

Om de PEM biochemie te onderzoeken, kozen we voor een opdeling van de M.E./CVS-groep op basis van aan-/afwezigheid van significante PEM-responsen gedurende de laatste 7 dagen (PEM, NoPEM – d.w.z. degenen zonder huidige symptomen, controles (C)). […] Er werden geen verschillen gevonden voor plotse vs graduele aanvang of triggers bij aanvang (bv. infekties) (significantie p < 0.01). […] Los va de PEM-scores waren er geen verschillen qua symptoom-profielen tussen de NoPEM- en PEM-groepen. Beiden groepen vertoonden hogere scores t.o.v. controles.

3.2. Biochemie

[…] De M.E./CVS-groepen hadden significante dalingen qua serum-hypoxanthine (NoPEM 4,4 maal lager, PEM 2,4 maal lager vs controles), serum-lactaat (NoPEM 1,9 maal lager, PEM 1,6 maal lager vs controles), fenylalanine [aminozuur] (zowel NoPEM als PEM 1,3 maal lager vs controles). Glucose was gestegen bij de M.E./CVS-patiënten (zowel NoPEM als PEM 1,2 maal hoger vs controles). In de urine was de daling van acetaat het grootst (NoPEM 2,5 maal lager, PEM 1,5 5 maal lager vs controles) en dit was statistisch verschillend tussen de NoPEM- and PEM-subgroepen (p < 0.01). De excretie van methylhistidine was hoger in de PEM-subgroep (1,6 maal) en controle-groep (1,3 maal), respectievelijk, vergeleken met de NoPEM-subgroep. In het faecaal metaboloom was het % butyraat [boterzuur; een neven-produkt van fermentatie met een voordelige impact op de werking van de intestinale barrière en anti-inflammatoire effekten] verhoogd in de NoPEM-groep vergeleken met zowel de PEM- als controle-groep. […]

[…] Uit de correlatie-analyse van de totale groep bleek dat de 7-dagen PEM score en 12-maanden frequentie van PEM scores positief gecorreleerd waren met serum-glucose en negatief gecorreleerd met hypoxanthine, fenylalanine, lactaat en threonine. […] De absolute urine-waarden toonden een significante correlatie tussen de 7-dagen PEM score met mannitol, serine, acetaat, methylhistidine en glucose. De 12-maanden frequentie van PEM correleerde enkel met een afname qua acetaat. De gegevens omtrent urine-percentage toonden afnames qua ureum, pyruvaat en acetaat met zowel de 7-dagen PEM ernst als 12-maanden frequentie scores. De enige faecale component die statistische significantie bereikte, was het percentage uracil [RNA-base]. Deze gegevens tonen dat een significante renale concentrering kwestie speelt bij de M.E./CVS-groep tijdens een PEM-gebeurtenis en dit was hoofdzakelijk gerelateerd met afnames qua ureum en acetaat. Om dit na te gaan, berekenden we de serum/urine-verhoudingen van meerdere metabolieten. De 7-dagen PEM van PEM correleerde met de volgende verhoudingen: serum-acetaat/urine-acetaat (r = -0.44, p < 0.002), serum-tyrosine/urine-tyrosine (r = -0.40, p < 0.006), serum-serine/urine-serine (r = -0.39, p < 0.008), serum-creatine/urine-creatine (r = -0.38, p < 0.009) en serum-leucine/urine-leucine (r = -0.37, p < 0.01). Dus: de 7-dagen ernst van PEM was geassocieerd met een gestegen urinaire excretie van metabolieten in de M.E./CVS-groep en dit was geassocieerd met een reductie van meerdere serum-metabolieten inclusief het belangrijk proteïne-synthese regulerend aminozuur leucine.

De serum glucose/lactaat verhouding is zeer vergelijkbaar met de veranderingen in de urine glucose/lactaat verhouding, die consistent is met de verandering die wordt gezien in de serum-acetaat/urine-acetaat verhouding. Dit suggereert dat de serum en urine veranderingen zeer vergelijkbaar zijn. Het beschikbaar acetaat in het serum lijkt dus significant gereduceerd en is het laagst bij de NoPEM-patiënten.

3.3. Purine-metabolisme veranderingen

Aangezien serum-hypoxanthine de voornaamste voorspellende variabele voor wijzigingen van de PEM-scores was, beoordeelden we de verbanden tussen serum-hypoxanthine en de purine-gerelateerde metabolieten. Serum- en urine-hypoxanthine waren lager in de PEM-subgroep vs controles. Hoewel er geen verschil was qua serum-uraat waarden, was de merker voor purine-degradatie in de lever, de serum hypoxanthine/uraat verhouding lager in de M.E./CVS-groep. De verhouding in de NoPEM-subgroep was 5,4 maal lager terwijl in de PEM-groep ze 3,5 maal lager lag. De hypoxanthine/uraat verhouding was negatief gecorreleerd met serum-glucose (p < 0.001), en positief gecorreleerd met serum-lactaat (p < 0.001), de purine-ring precursor aminozuren (p < 0.001), acetaat (p < 0.001) en de totale serum aminozuren (p < 0.006). De correlatie tussen serum-hypoxanthine en de purine-ring precursoren, indicatief voor purine-synthese, was niet verschillend tussen de M.E./CVS-patiënten en de controles […]. De verhouding was echter was significant lager in de M.E./CVS-groep en de purine-ring precursor aminozuren correleerden positief met serum-acetaat (p < 0.001). Zodoende waren de synthese en mogelijks hergebruik van hypoxanthine gereduceerd terwijl purine-afbraak binnen de normale grenzen lag. De waarden van hypoxanthine in het serum waren geassocieerd met de beschikbaarheid van de purine-ring precursoren, de glucose/lactaat verhouding en acetaat. Dit suggereert dat acetylering een belangrijke factor voor de verandering in het purine-metabolisme ontregeling bij M.E./CVS is. De toename van het verlies qua urine-metabolieten tijdens inspanning bij M.E./CVS-patiënten resulteert dus in een verlies van purine-ring precursoren en een daling qua acetaat en hypoxanthine.

4. Bespreking

Dit artikel identificeerde dat de post-exertionele malaise die wordt ervaren door een Australische groep M.E./CVS-patiënten, geassocieerd is met een ontregeling van het purine-metabolisme en lage acetaat-concetraties. Deze ontregeling van het purine-metabolisme gaat gepaard met een wijziging qua glycolytische aktiviteit en een omschakeling naar de ureum-cyclus creatine-fosfaat energie-verbruik [zie Armstrong CW et al. hierboven]. Dit heeft het effekt van het reduceren van de beschikbaarheid van acetaat en upregulering van de histoon-deacetylase aktiviteit. Een 4- en 2-voudige toename van HDAC2 & HDAC3, respectievelijk, werden bevestigd bij M.E./CVS [zie Jason L et al. hierboven], en een zeer hoge waarde van HDAC1 & HDAC2 binding-plaatsen treedt op in de genen die ge-upreguleerd zijn bij M.E./CVS na inspanning [zie Whistler T et al. hierboven]. Hypoxanthine-fosforibosyltransferase is een belangrijk enzyme voor het hergebruik van purinen, adenosine en guanine. Het coderend gen (HPRT1) ligt op het X-chromosoom en geeft aanleiding tot een ongewoon probleem qua regulering. Acetylering en methylatie van één X-chromosom leggen de aktiviteit bij vrouwen stil, wat resulteert in het feit dat slechts één X-chromosoom aktief is voor transcriptie, zoals bij mannen. Dit vormt een mogelijks belangrijk probleem als er een verlies is wat betreft het stilleggen van het tweede X-chromosoom. Deze studie omvatte te weinig mannen om dit behoorlijk te kunnen beoordelen. Ontregeling van het stilleggen van een of X-chromosoom kan gerelateerd zijn met de daling qua hypoxanthine-hergebruik en het feit dat vrouwen ernstiger ziek zijn dan mannen [zie Brown A & Jason LA. hierboven]. Studies om deze interessante mogelijkheid te onderzoeken, zijn gerechtvaardigd.

Er is verhoogde urine-excretie van metabolieten geassocieerd met de 7-dagen PEM scores, in het bijzonder van mannitol, methylhistidine, acetaat en glucose. Deze gestegen metabolieten-uitscheiding correleert met de door M.E./CVS-patiënten gerapporteerde 7-dagen ernst van PEM-symptomen. De beoordeling van de relatieve hoeveelheid toont dat de uitstroom van metabolieten geassocieerd is met dalingen qua urinair ureum, pyruvaat en acetaat, suggestief voor een energie- en renale concentrering -kwestie, mogelijks geassocieerd met hypo-acetylering, die hoogstwaarschijnlijk optreedt op het tijdstip van het metabolieten-verlies. Bij diabetische nefropathie [langdurig verhoogde glucose-waarden zijn nefast voor de filter-funktie van de nieren], zorgen de renale tubulaire cellen [tubuli = nierbuisjes, onderdelen van de nefronen (filter-eenheden)] voor upregulering van de glycolyse en lactaat-produktie. Dit zou ook het geval kunnen zijn bij deze studie, aangezien de uitscheiding van glucose & acetaat positief gecorreleerd waren met 7-dagen PEM-ernst. Belangrijk: acetaat was negatief gecorreleerd met de 12-maanden frequentie van PEM. Deze wijziging qua renale retentie [al dan niet uitscheiding via de nieren] van acetaat wordt ook ondersteund door de negatieve correlatie tussen de 7-dagen PEM score en de serum-acetaat/urine-acetaat verhouding. Dus: hoe hoger de frequentie aan PEM-gebeurtenissen, hoe groter het verlies aan acetaat. Renale glomerulaire podocyten [glomeruli = groepje capillairen die zorgen voor filtratie van het bloed in de nieren; podocyten = cellen met uitsteeksels die tussenliggende poriën open laten] raken beschadigd door verhogingen van het bloed-glucose bij diabetes-patiënten en dit werd gelinkt aan deacetylering van nefrine [proteïne dat een belangrijk bestanddeel vormt van de filtratie-spleten] en microRNA-aktiviteit. In deze studie lijkt de reductie qua serum-acetaat te resulteren in een conditionele renale hypo-acetylering die verhoogd metabolieten-verlies via de nieren zal toelaten. Renale veranderingen bij diabetes nefropathie gaan ook gepaard met downregulering van beender morfogeen proteïne (BMP [BMP’s = subgroep van de ‘transforming growth factor’s; signaal-molekulen die weefsel-architectuur dirigeren]) receptor funktie en TGF-β gemedieerde transcriptie-factor produktie, en het aanvoeren van BMP-7 herstelt de werking. Hoewel de renale veranderingen gelijkaardig zijn met deze die worden gezien bij centrale diabetes insipidus [stoornis in de produktie van anti-diuretisch hormoon door de hypofyse waardoor het lichaam teveel water gaan verliezen via de urine], proteïne-calorie restrictie en infektie/inflammatoir-gemedieerde gebeurtenissen, waren er geen individuen met diabetes insipidus of met proteïne-calorie restrictie, en ze hadden allemaal een gemiddeld BMI. Deze renale veranderingen bieden bijkomende ondersteuning voor ofwel een inflammatoire oorsprong of mogelijks een energie/acetylering of zelfs een transcriptie-factor probleem. Belangrijk: meerdere studies vonden dat de niveaus van serum-cytokinen niet significant verschillen tussen M.E./CVS en controles, en niet correleren met symptoom-expressie. Daarom zijn studies ter beoordeling van de aktiviteiten van HDAC en BMP transcriptie-factoren bij M.E./CVS aangewezen.

De verandering qua renaal metabolieten-verlies is geassocieerd met gestegen mannitol-excretie, wat suggereert dat een probleem met de gastro-intestinale barrière zou kunnen optreden. NoPEM M.E./CVS-patiënten hadden een 3,2 maal lager urinair mannitol [een suiker-alkohol], anders dan wat wordt gezien bij Multipele Sclerose patiënten. De waarde van urinair mannitol steeg echter met de 7-dagen PEM-scores. Deze toename van mannitol geeft een mogelijke verandering van de intestinale barrière aan, wat consistent is met de bevinding van bakteriemie [aanwezigheid van bakteriën in de bloedbaan] na inspanning bij M.E./CVS [Shukla SK et al. Changes in Gut and Plasma Microbiome following Exercise Challenge in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS). PLoS ONE (2015) 10: e0145453]. De aanwezigheid van bakteremie wordt ondersteund door de correlatie tussen faecaal uracil en de 7-dagen PEM-score. De stijging qua faecaal uracil was ook gecorreleerd met de serum-hypoxanthine waarde in de PEM-groep, die aantoont dat ze samen stegen als onderdeel van de PEM-geassocieerde hyper-metabole gebeurtenis. Uracil is een afbraak-produkt van RNA maar kan ook van bakteriële oorsprong zijn. Of dit een afbraak in enterocyten [darmcellen] aangeeft of een wijziging in de faecale flora of hun metabotoxinen/toxinen, is niet geweten. Verder onderzoek van deze veranderingen is gewenst.

Er werd ook een toename van 1,6 maal gezien qua urinaire excretie van methylhistidine bij de PEM-subgroep vergeleken met de NoPEM-subgroep. Methylhistidine is een afbraak-produkt van spier-samentrekking proteïnen, volgend op een kortdurende weerstand-inspanning. De synthese van spier-proteïnen wordt gecontroleerd door het beschikbaar leucine & fenylalanine [aminozuren], en door BMP proteïne receptor aktiviteit. In deze studie was urinair methylhistidine positief gecorreleerd met urinair creatine (p < 0.001), leucine (p < 0.001), fenylalanine (p < 0.001) & acetaat (r = +0.47, p < 0.001) voor alle groepen. Een daling qua beschikbaar acetaat tijdens inspanning is geassocieerd met een vermindering qua fosfocreatine-afbraak en is daardoor geassocieerd met verhoogd fosfocreatine [creatine-fosfaat; een gefosforyleerde creatine-molekule die een belangrijke energie-voorraad in spieren en in de hersenen vertegenwoordigt] en mitochondriale energie-voorziening, wat consistent is met de glycolyse/ureum-cyclus energie omschakeling die bij deze M.E./CVS-groep werd geïdentificeerd [zie Armstrong CW et al. hierboven]. Interessant: 3-methylhistidine in niet-geacetyleerde vorm wordt veel meer uitgescheiden wanneer ratten worden blootgesteld aan bakteriële lipopolysacchariden. Het is waarschijnlijk dat de toegenomen excretie van 3-methylhistidine, die we zagen tijdens de 7-dagen PEM-respons, het resultaat is van de verminderde energie-voorziening en de afname van aminozuren, die gemedieerd kan zijn door acetylering. De respons zou echter ook kunnen worden verslechterd door anomalieën van de gastro-intestinale barrière die wordt gesuggereerd door de gestegen bakteremie die wordt gezien bij M.E./CVS-patiënten [zie Shukla SK et al. hierboven]. Een alternatief: er kan ook een anomalie in de BMP-regulering betrokken zijn bij de verhoogde uitscheiding van 3-methylhistidine. Dus: een combinatie van minstens drie verschillende gebeurtenissen kan bijdragen tot de gestegen 3-methylhistidine excretie en dit kan worden weerspiegeld in verschillende genetische vatbaarheden binnen verschillende individuen.

De bevindingen dat de PEM geassocieerd is met een verlies aan metabolieten, daling van de acetylering, ontregeling van het purine-metabolisme, verhoogde afbraak van spier-samentrekking proteïnen en bakteremie geassocieerd met inspanning, suggereert dat behandeling zoals graduele inspanning meer schadelijk dan nuttig (wat in sommige studies wordt geclaimd) zijn. Tot het moment dat deze biologische veranderingen verder kunnen worden onderzocht, zou het gebruik van graduele inspanning als therapie voor mensen met een ernstige vorm van M.E./CVS als potentieel schadelijk worden beschouwd. Ter ondersteuning hiervan: het gebruik van graduele inspanning therapie heeft significant protest uitgelokt vanwege M.E./CVS-patiënten die het als nadelig ervaren [zie bv. Geraghty KJ. & Blease C. Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome and the biopsychosocial model: A review of patient harm and distress in the medical encounter. Disabil. Rehabil. (2018) 1-10].

Deze studie werd opgezet om metabole veranderingen te onderzoeken bij M.E./CVS-individuen op basis van een ontdekking-hypothese en niet een specifieke hypothese-gestuurde methode om specifieke biochemische gebeurtenissen te beoordelen. De studie, met deze beperkingen, resulteerde in de ontwikkeling van een hypothese die nu dient te worden nagegaan via een typisch hypothese-gestuurd proces. Hoewel de grootte van de studie-groep klein is, reproduceerde het toch eerdere bevindingen maar die dienen te worden bevestigd bij een grotere groep of via meerdere centra. Het gebruik van zelf-gerapporteerde symptomen kan een herinnering-bias introduceren bij de individuen subjects en in een grotere studie moet elke van de variabelen waarvan wordt gevonden dat ze geassocieerd zijn met de ernst van de symptomen (en de verdeling ervan) worden geëvalueerd via andere methodes. Studies die acetylering en z’n gerelateerde DNA-transcriptie veranderingen, en de wijziging van cytosol enzyme-aktiviteit onderzoeken, zouden moeten toelaten meer kennis te krijgen omtrent de mechanismen van het ontstaan van PEM en geschikte therapieën te vinden op basis van de onderliggende biochemie.

5. Besluiten

Deze studie onthulde dat post-exertionele malaise geassocieerd is met veranderingen in glycolyse en acetylering bij M.E./CVS. Deze wijzigingen zijn consistent met een toestand van hypo-acetylering en veranderen waarschijnlijk op een significante manier de histoon-acetylering, en de werking van acetylering en deacetylering bij het controleren van cellulaire enzymatische gebeurtenissen. Gedegen ontworpen studies die deze belangrijke factoren evalueren, zijn aangewezen.

maart 30, 2019

Mitochondriale complex aktiviteit in gepermeabiliseerde cellen bij CVS

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 9:09 am
Tags: , , , ,

Onderstaand artikel is een vervolg op ‘Cellular bioenergetics is impaired in patients with Chronic Fatigue Syndrome’ uit 2017 (zie ‘Cellulaire bio-energetica verstoord bij patiënten met M.E.(cvs)’), waar werd aangetoond dat er statistisch significante verschillen zijn in het bio-energetisch profiel van perifeer bloed mononucleaire cellen van M.E.(cvs)-patiënten t.o.v. controles. Wanneer deze cellen fysiologische stress ondervinden, blijken ze minder capabel om hun respiratie (mitochondriale ademhaling) te verhogen om de stijgende stress te compenseren en niet in staat te voldoen aan de cellulaire energie-behoeften.

In het huiding artikel (studie gefinancierd door van de ‘Medical Research Council’, ‘Action for ME’, ‘ME research UK’ & de ‘ME Association’) probeerden de onderzoekers na te gaan waaraan de mitochondriale dysfunktie zou kunnen gelegen zijn, door te kijken hoe ’t is gesteld met de aktiviteit van individuele complexen van de mitochondriale respiratoire keten in dezelfde soort cellen (waar de mitochondrieën direct bereikbaar zijn gemaakt) en in ‘voorlopers van spiercellen’.

Ter herinnering: Oxidatieve fosforylatie (OXPHOS) zorgt voor ATP, bron van cellulaire energie. Het Ox-Fos systeem omvat meer dan 100 proteïnen, geordend in 5 enzym-complexen (I t/m V) gelokaliseerd in het mitochondriaal binnenste membraan: Complex I: NADH/ubiquinon oxidoreductase – krijgt elektronen van NADH en geeft deze door aan co-enzyme Q10 (ubiquinon); elektronen worden verder doorgegeven aan Complex II: succinaat-degydregenase, Complex III: ubiquinol/ferrocytochroom-c oxidoreductase en Complex IV: cytochroom-c oxidase – ze reageren met zuurstof en vormen water; en Complex V: proton-transporterend ATPase gebruikt de protonen om ATP te vormen.

Het lijkt er op dat de mitochondriale dysfunktie bij M.E.(cvs) (waar de al eerder over rapporteerden – zie bv. M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte en elders) te wijten is aan verstoorde cellulaire mechanismen ‘upstream’ (stroomopwaarts) van de werking van de mitochondrieën, m.a.w. niet de mitochondrieën zelf maar systemen die ze sturen zouden zijn aangetast…

—————

PeerJ Vol 7, paper e6500 (March 2019)

Mitochondrial complex activity in permeabilised cells of Chronic Fatigue Syndrome patients using two cell types

Cara Tomas (1), Audrey E. Brown (1), Julia L. Newton (1,2), Joanna L. Elson (3,4)

1 Institute of Cellular Medicine, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

2 NHS Foundation Trust, Newcastle upon Tyne Hospitals, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

3 Institute of Genetic Medicine, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

4 Centre for Human Metabonomics, North-West University, Potchefstroom, South Africa

Samenvatting

Er werden eerder abnormaliteiten qua mitochondriale funktie bij patiënten met Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) aangetoond, wat impliceert dat mitochondriale dysfunktie kan bijdragen tot de pathogenese van de ziekte. Deze studie bouwt verder op eerder werk dat aantoonde dat mitochondriale ademhaling parameters verstoord zijn in cellen van CVS-patiënten en dit via het onderzoeken van de aktiviteit van individuele complexen van de mitochondriale respiratoire keten. Er werden twee verschillende cel-types gebruikt in deze studies, om de aktiviteit te bepalen van individuele complexen lokaal – in skeletspier (myotubes [zich ontwikkelende skeletspier-vezels]) (n = 6) – en systemisch – perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMCs) – bij controles (n = 6) en CVS (n = 13). De aktiviteiten van complex-I, -II & -IV, en respiratoire aktiviteit ondersteund door vetzuur-oxidatie en glutaminolyse [reeks biochemische reakties waarbij het aminozuur glutamine wordt omgezet naar o.a. pyruvaat/lactaat] werden gemeten gebruikmakend van extracellulaire flux analyse. De cellen werden doorlaatbaar gemaakt, en er werden voor de bepalingen combinaties van substraten en inhibitoren toegvoegd om toe te laten de toestand van de mitochondriale respiratie na te gaan en de aktiviteit van specifieke aspecten van de respiratoire aktiviteit te meten. De resultaten toonden geen significante verschillen qua individuele mitochondriale complexen aktiviteit of respiratoire aktiviteit ondersteund door vetzuur-oxidatie of glutaminolyse tussen groepen gezonde controles en CVS-patiënten, noch voor skeletspier (p ≥ 0.190) of PBMCs (p ≥ 0.065). Dit is de eerste studie die extracellulaire flux analyse [flux = doorstroming van het ene naar het andere mitochondriale enzyme-complex] aanwendt om de aktiviteit van individuele mitochondriale complexen te onderzoeken in gepermeabiliseerde cellen in de context van CVS. De afwezigheid van verschillen qua complex-aktiviteit in CVS PBMCs suggereert dat de eerder geobserveerde mitochondriale dysfunktie in totale PBMCs te wijten is aan oorzaken ‘upstream’ van de mitochondriale admhaling-keten.

INLEIDING

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS), ook gekend als Myalgische Encefalomyelitis (M.E.), is een uitputtende ziekte die 0,2-0,4% van de bevolking in het V.K. aantast. CVS heeft een significante impact op de levenskwaliteit van patiënten met symptomen zoals ernstige vermoeidheid en post-exertionele malaise. De mechanismen achter de etiopathogenese van CVS moeten nog opgehelderd worden. Het gebrek aan kennis omtrent de mechanismen achter de ziekte draagt bij tot de moeilijkheden bij het vormen van een consensus aangaande diagnostische criteria en de ontwikkeling van doeltreffende behandelingen.

Er werden eerder verscheidene aspecten van mitochondriale dysfunktie gepostuleerd als bijdragende factor tot CVS [referenties beschikbaar]. Vermoeidheid bleek courant bij patiënten met primaire mitochondriale ziekte maar er dient echter te worden opgemerkt dat patiënten met CVS geen primaire mitochondriale mutaties dragen [Schoeman EM et al. Clinically proven mtDNA mutations are not common in those with Chronic Fatigue Syndrome. BMC Medical Genetics (2017) 18: 29]. Andere onderzoekers toonden dat bepaalde wijzigingen in het mitochondriaal genoom de kans vergroten op specifieke symptomen bij CVS-patiënten (gastro-intestinale, neurologische en inflammatoire) [Billing-Ross P, Hanson MR et al. Mitochondrial DNA Variants Correlate with Symptoms in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome’’. Journal of Translational Medicine (2016) 14: 19]; deze genomische veranderingen maken de patiënten echter niet vatbaarder voor het ontwikkelen van de ziekte. Eerdere studies hebben aangetoond dat de energie-produktie, inclusief mitochondriale aktiviteit, van totale PBMCs van CVS-patiënten significant verstoord is in vergelijking met een groep gezonde controles [Fluge OM et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Journal of Clinical Investigation (2016) 1: e89376 /// Tomas C et al. 2017; zie onze inleiding]. Eén studie, gebruikmakend van extracellulaire flux analyse van complete cellen, toonde dat CVS PBMCs significant verstoorde mitochondriale funktie hebben onder zowel basale omstandigheden als bij maximale stimulatie, bij een aantal experimentele condities [Tomas C et al. 2017; zie onze inleiding]. Dit suggereerde dat CVS-patiënten niet in staat waren om mitochondriale energie-produktie in dezelfde mate aan te wenden als gezonde controles en impliceerde dat mitochondriale dysfunktie kan bijdragen tot de pathogenese van de ziekte. De studie die hier wordt gepresenteerd, werd uitgevoerd om verder te onderzoeken of de mitochondriale dysfunktie die werd gezien in CVS PBMCs te wijten was aan a-typische aktiviteit van individuele mitochondriale complexen, door gebruik te maken van dezelfde techniek als de eerdere studie (extracellulaire flux analyse) maar met gepermeabilseerde cellen i.p.v. complete cellen. Het gebruik van doorlaatbaar gemaakte cellen laat toe om mitochondrieën direct toegankelijk te maken voor substraten zonder cellulaire interferentie in termen van substraat-transport of intracellulaire interakties. De permeabilisatie van cellen laat ook toe om de enzymatische aktiviteit van individuele respiratoire keten complexen te meten wat niet makkelijk is complete cellen. Deze studie onderzoekt de aktiviteit van individuele complexen en componenten van de mitochondriale respiratoire keten in myotubes en PBMCs – myotubes werden gebruikt om de mitochondriale aktiviteit lokaal in skeletspier te onderzoeken, terwijl PBMCs werden gebruikt om de aktiviteit van mitochondriale complexen systemisch te bekijken. Dit werd bewerkstelligd door het permeabiliseren van cellen om er zeker van te zijn dat de mitochondrieën intact blijven en het aanwenden van extracellulaire flux analyse om de zuurstof-consumptie van cellen te registreren na opéénvolgende behandeling met mitochondriale aktivitet veranderende molekulen. Respiratoire parameters werden berekend en vergeleken tussen spiercellen en PBMCs van controles en CVS-patiënten.

Voor deze studie werd saponine aangewend om het cel-membraan doorlaatbaar te maken. Saponine is een cel-permeabilsator die werkt door het vormen van complexen met cholesterol, wat leidt tot een vermindering van de integriteit van het cel-membraan, terwijl de mitochondriale membranen intact blijven. Wanneer mitochondrieën uit cellen geïsoleerd worden, wordt de architectuur en de morfologie van de mitochondrieën gewijzigd, maar permeabilisatie van het cel-membraan laat toe om de architectuur en morfologie van de mitochondrieën normaal te houden, een voordeel van het gebruik van geïsoleerde mitochondrieën, aangezien de mitochondriale funktie eerder een sterk verband met struktuur bleek te vertonen. Permeabilisatie van het cel-membraan laat toe het effekt van substraten op mitochondriale aktiviteit uitgebreid na te gaan doordat endogene substraten toegang krijgen tot mitochondrieën. De toediening van verschillende substraten en inhibitoren wijzigt de mitochondriale ademhaling en laat toe de aktiviteit van individuele componenten van mitochondriale respiratie te meten. In 1955 werd al beschreven dat de mitochondriale ademhaling aktiviteit kan worden gemeten in termen van meerdere respiratoire ‘toestanden’. Toestand-3 respiratie, toestand-4 respiratie en respiratoire controle ratio (RCR) worden dikwijls gebruikt als merkers voor mitochondriale respiratoire aktiviteit. Toestand-3 respiratie is wanneer mitochondrieën een hoge concentratie ADP extern hebben, en een hoge zuurstof-consumptie en ATP-synthese waardoor een toestand ontstaat waarbij door ADP gestimuleerde ademhaling kan worden gemeten. Toestand-4 respiratie, anderzijds, is wanneer mitochondrieën een zeer lage externe ADP-concentratie hebben, en weinig of geen ATP-synthese omwille van de complete fosforylatie van ADP naar ATP. De respiratoire controle ratio (RCR) is een maatstaf voor het koppelen van ATP-synthese en elektron-flux, en toont de capaciteit van mitochondrieën om ATP te synthetiseren via de oxidatie van respiratoire substraten.

Dit werk had tot doel te bepalen of de enzymatische aktiviteit van verschillende complexen van de mitochondriale respiratoire keten verschillen tussen CVS-patiënten en gezonde controles, en dit lokaal (skeletspier) of systemisch (PBMC)s.

MATERIALEN & METHODES

Deelnemers aan de studie

Primaire myoblasten werden verkregen via spier-bioptie […]. Alle CVS-patiënten voldeden aan de Fukuda diagnostische criteria […].

[…]

Reagentia

[…]

Cel-culturen & voorbereiding

Myotubes

[…]

PBMCs

[…]

Extracellulaire flux analyse

XFe96 analyser (Agilent Technologies) […]. Zuurstof-consumptie (OCR) werd op 12 tijdstippen gemeten. Drie basale metingen vóór de eerste toevoeging met een mix van de substraten van belang, ADP, FCCP [carbonyl-cyanide-4-(trifluoromethoxy)fenylhydrazon; ontwricht de ATP-synthese door het wegleiden van protonen zodat deze geen energie kunnen leveren via OX-FOS] & saponine. Nog drie volgende metingen en dan de tweede toevoeging, met oligomycine [ATP-synthase inhibitor; zorgt ervoor dat het enzyme ATP-synthase geen ATP meer kan aanmaken]. Daarna nog drie metingen van de OCR en dan de laatste toevoeging met ofwel rotenon [blokkeert het enzyme NADH-dehydrogenase en zodoende de respiratoire keten] of kalium-azide [inhibeert cytochroom-c oxidase (complex-IV)], en de laatste finale drie OCR-metingen. De concentratie van saponine werd geoptimaliseerd voor myotubes en PBMCs, en de schade aan de mitochondrieën veroorzaakt door saponine werd bepaald gebruikmakend van cytochroom-c. De optimale concentratie van saponine voor myotubes werd bepaald op 25 mg/ml, voor PBMCs 2,5 mg/ml. […]

Voorbereiding van de molekulen

[pyruvaat/malaat => complex-I gemedieerde respiratie /// succinaat => complex-II gemedieerde respiratie /// tetramethylfenylendiamine(TMPD)/ascorbaat => complex-IV aktiviteit /// palmitoyl-l-carnitine => respiratoire aktiviteit ondersteund door vetzuur-oxidatie /// glutamine/malaat => respiratoire aktiviteit ondersteund door glutaminolyse /// ADP => toestand-3 respiratoire aktiviteit /// FCCP => maximale respiratoire aktiviteit /// oligomycine => toestand-4 respiratoire aktiviteit / rotenon => metabole inhibitor / kalium-azide => metabole inhibitor]

Berekening van de parameters

[…]

Toestand-3 respiratie = (gemiddelde van de metingen 4-6) – (gemiddelde van de metingen 10-12)

Toestand-4 respiratie = (gemiddelde van de metingen 7-9) – (gemiddelde van de metingen 10-12)

RCR = Toestand-3 respiratie/ Toestand-4 respiratie.

Data-analyse

[…]

RESULTATEN

Respiratoire keten complex aktiviteit in myobutes

[…] Complex-II respiratie (succinaat) en complex-IV aktiviteit (TMPD [tetramethylfenylendiamine; staat elektronen af aan cytochroom-c] & ascorbaat) bleken niet significant verschillend tussen de controle- (n = 6) en CVS- (n = 6) groep voor toestand-3 respiratie, toestand-4 respiratie of RCR […] (p ≥ 0.190).

Er werd geprobeerd complex-I gemedieerde respiratie (gebruikmakend van pyruvaat en malaat), respiratoire aktiviteit ondersteund door vetzuur-oxidatie (toevoeging van palmitoyl-l-carnitine) en respiratoire aktiviteit ondersteund door glutaminolyse (toevoeging van glutamine en malaat) te meten. De resultaten voor alle drie de experimenten gaven consistent negatieve waarden voor OCR bij zowel CVS- (n = 6) als controle- (n = 6) myotubes en daarom was het onmogelijk toestand-3, toestand-4 en RCR voor deze experimenten te berekenen.

Respiratoire keten complex aktiviteit in PBMCs

Er werden PBMCs van gezonde controles en CVS-patiënten gebruikt om verschillende aspecten van mitochondriale respiratoire keten aktiviteit te onderzoeken. De resultaten toonden dat er geen verschil voor toestand-3 respiratie, toestand-4 respiratie of RCR was tussen PBMCs van CVS-patiënten (n = 13) en gezonde controles (n = 6; succinaat controles n = 4) voor geen enkele van de substraat/inhibitor-combinaties (p ≥ 0.065).

BESPREKING

De aktiviteit van verschillende aspecten van de mitochondriale respiratoire keten funktie werden onderzocht via het toedienen van verscheidene substraten en inhibitoren. Het effekt van de verschillende substraten op toestand-3 respiratie, toestand-4 respiratie en respiratoire controle ratio (RCR) werd gemeten.

Er werden vijf verschillende combinaties van substraten onderzocht omtrent hun effekten op myotubes en PBMCs – glutamine & malaat; palmitoyl-l-carnitine; pyruvaat en malaat; succinaat; TMPD & ascorbaat. Deze werden toegediend om respiratie ondersteund door glutaminolyse, respiratie ondersteund door vetzuur-oxidatie, complex-I aktiviteit, complex-II aktiviteit, en complex-IV aktiviteit (respectievelijk) te onderzoeken. Ondanks het ontbreken van een verschil qua OXPHOS tussen de controle- en CVS-groepen aangetoond in complete myotubes [Rutherford G. Investigating the biochemical basis of muscle cell dysfunction in Chronic Fatigue Syndrome. PhD thesis, Newcastle University, Newcastle upon Tyne (2016)], hadden deze experimenten tot doel te onderzoeken of meer subtiele en specifieke verschillen optraden in individuele complexen. Er werden PBMCs gebruikt om te bekijken of de specifieke lokatie van eerder gerapporteerde abnormaliteiten geïdentificeerd in totale cellen kon worden vastgepind op specifieke complexen of mechanismen [Tomas C et al. 2017; zie onze inleiding].

In myotubes gaven slechts twee van de substraten-combinaties nuttige resultaten. De toevoeging van pyruvaat & malaat, palmitoyl-l-carnitine, en glutamine & malaat leverde negatieve waarden op voor OCR bij zowel CVS- (n = 6) als controle-myotubes (n = 6). De toevoeging van de molekulen leek een effekt te hebben op de OCR, maar niet het geanticipateerd effekt. Het resulteerde slechts in meer negatieve OCR-metingen bij elke toediening en gaf niet de verwachte toename na de eerste toediening. Deze experimenten werden een aantal keer herhaald met elke keer gelijkaardige vaststellingen. Dit suggereert dat deze techniek voor het meten van mitochondriale complex aktiviteit in gepermeabiliseerde cellen misschien wel niet geschikt is voor het gebruik in myotubes. Er waren wel succesvolle metingen van het effekt van succinaat, en TMPD & ascorbaat voor controle- en CVS-myotubes. Er werd geen verschil gezien qua toestand-3 respiratie, toestand-4 respiratie of RCR tussen de controle- en CVS-groepen. Dit geeft aan dat er geen abnormaliteiten zijn qua respiratoire aktiviteit gelinkt aan glutaminolyse of complex-IV aktiviteit in CVS-myotubes. Dit stemt overéén met eerdere research waarbij, gebruikmakend van 3 carboxyl-14C gelabelde substraten, werden gevonden dat er geen verschil is tussen CVS en controle skeletspier-cel complex-I, complex-II+III, complex-III of complex-IV aktiviteit [Smits B et al. Mitochondrial enzymes discriminate between mitochondrial disorders and Chronic Fatigue Syndrome. Mitochondrion (2011) 11: 735-738]. Echter: gezien de inconsistentie tussen substraten-metingen bij deze studie, waarbij enkele substraten succesvolle metingen gaven en andere niet, en de grote fouten-marges aangegeven voor elk van de substraten (inclusief deze waarvoor we toestand-3 & -4 respiratie succesvol konden afleiden), dient het gebruik van deze techniek in vraag te worden gesteld wat betreft accuraat meten van de aktiviteit van specifieke aspecten van de mitochondriale ademhaling in gepermeabiliseerde myotubes. Andere technieken zoals fosforescentie zuurstof-sensitieve probes en spectrofotometrische enzyme-testen zouden moeten worden aangewend om dezelfde stalen in toekomstige experimenten te analyseren, om te bepalen of ze meer accurate resultaten kunnen geven dan deze die hier met de XFe96 werden bekomen en de consistentie ertussen te bekijken. Er zijn slechts zeer weinig eerder gepubliceerde studies die gebruikmaakten van extracellulaire flux analyse om de mitochondriale aktiviteit in gepermeabiliseerde myotubes te detekteren. Eén studie gebruikte extracellulaire flux analyse en hoge-resolutie respirometrie [HRR of oxygrafie; gestandardiseerde metingen van de mitochondriale respiratoire funktie] om de verschillen tussen de technieken te bepalen [bij obese mensen]. De studie toonde dat de metingen van de Seahorse XFe24 hogere waarden qua variabiliteit hadden voor elk gegevens-punt, wat de hier gerapporteerde gegevens ondersteunt en aantoont dat extracellulaire flux analyse misschien niet de meest geschikte techniek is voor het detekteren van veranderingen in de aktiviteit van mitochondriale complexen in gepermeabiliseerde myotubes.

In PBMCs waren er succesvolle metingen voor alle vijf de substraten-combinaties. We vergeleken toestand-3 respiratie, toestand-4 respiratie en RCR van controle- (n = 6, succinaat-controles n = 4) & CVS- (n = 13) PBMCs. Er werd geen verschil gezien tussen de twee groepen voor geen enkele van de onderzochte substraten. Dit suggereert dat de aktiviteit van complex-I, -II & -IV, en de respiratie ondersteund door vetzuur-oxidation of glutaminolyse niet verschillend is in CVS-PBMCs vergeleken met gezonde controles. Deze resultaten zijn in overéénstemming met een studie door Lawson N et al. [Elevated energy production in Chronic Fatigue Syndrome patients. Journal of Nature and Science (2016) 2: e221] waar spectrofotometrische technieken gebruikten om te tonen dat gepermeabiliseerde CVS-PBMCs niet verschillen van gezonde controles in termen van complex-I, complex-II+III of complex-IV aktiviteit. De consistentie van de resultaten tussen de verschillende research-groepen, gebruikmakend van verschillende technieken, versterkt de bewijskracht die suggereert dat er geen abnormaliteiten zijn qua individuele mitochondriale complex aktiviteiten in CFS-PBMCs. Het ontbreken van verschillen PBMCs kan suggereren dat de eerder gevonden abnormaliteiten in complete cellen zijn niet te wijten aan abnormaliteiten qua complexen van de mitochondriale respiratoire keten maar eerder aan andere aspecten van het respiratie-mechanisme zoals transport van glucose in de cellen, AMPK-abnormaliteiten of gewijzigd funktioneren van andere mitochondriale enzymes [Tomas C et al. 2017; zie onze inleiding]. Er dient echter omzichtigheid in acht te worden genomen bij het interpreteren van deze resultaten op zich, gezien de verschillen in OXPHOS die worden gezien in complete PBMCs [Tomas C et al. 2017; zie onze inleiding], aangezien de resultaten van complete cellen een weerspiegeling is van een natuurlijker en fysiologisch relevanter milieu voor de mitochondrieën. Hoewel in deze studie relatief kleine groepen werden gebruikt, verhoogt de samenhang van de bevindingen van deze studie met eerdere studies, die andere technieken voor het meten van mitochondriale complex aktiviteit in myotubes en PBMCs van CVS-patiënten, de deugdelijkheid van de resultaten [Lawson N et al. (2016) & Smits B et al. (2011); zie hierboven].

BESLUITEN

Deze studie onderzocht de aktiviteit van specifieke componenten van de mitochondriale ademhaling door te kijken naar individuele complex aktiviteit en mechanismen in myotubes en PBMCs. Op basis van een cel-permeabilisatie protocol en gebruikmakend van de XFe96 extracellular flux analyser werd aangewend om deze experimenten uit te voeren. Dit is de eerste studie die extracellulaire flux analyse gebruikt om individuele mitochondriale complex aktiviteit na te gaan in gepermeabiliseerde cellen in de context van CVS. Uiteindelijk werd een normale mitochondriale funktie opgetekend in CVS-myotubes & -PBMCs; er werden echter relatief kleine groepen gebruikt en daarom dienen de resultaten omzichtig te worden geïnterpreteerd. De bevinding van een normale mitochondriale werking van CVS-myotubes ondersteunt de resultaten van ongepubliceerde gegevens van complete cellen [zie Rutherford G 2016; hierboven]. De resultaten waar geen verschil qua mitochondriale aktiviteit in gepermeabiliseerde PBMCs werden gevonden, waren onverwacht gezien het feit dat de mitochondriale funktie in PBMCs eerder significant lager bleek bij CVS [Tomas et al. 2017; zie onze inleiding]. Het ontbreken van een verschil qua complex-aktiviteit in CFS-PBMCs is echter in overéénstemming met resultaten die door andere groepen werden gerapporteerd – die normale mitochondriale respiratoire keten complex-aktiviteiten toonden [Lawson N et al. (2016); zie hierboven] en postuleerden dat wijzigingen qua mitochondriale ATP-synthese dient te worden toegeschreven aan andere oorzaken zoals de transport-capaciteit van zuurstof [Vermeulen RCW et al. Patients with Chronic Fatigue Syndrome performed worse than controls in a controlled repeated exercise study despite a normal oxidative phosphorylation capacity. Journal of Translational Medicine (2010) 8: 93]. Gezien onze resultaten hier, moeten toekomstige bio-energetische studies bij CVS zich concentreren op mechanismen ‘upstream’ van de mitochondriale respiratoire keten.

februari 23, 2019

Hoge energie-kost bij laag-gradige inflammatie

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 8:18 am
Tags: , , , , , , ,

Prof. Jacoba (Cobi) Heijnen is een belangrijk figuur in het gebied van de psychoneuro-immunologie. Haar research focust op de cellulaire en molekulaire mechanismen van neuronale schade, motorisch gedrag en neuroprotectanten. Ze combineert brein/immuunsysteem-communicatie om de invloed van het neuro-endocrien systeem op de immuunrespons van patiënten met auto-immuunziekten te bestuderen. Samen met Prof. Robert Dantzer richtte ze het ‘Neuroimmunology Laboratory’ aan de universiteit van Texas op; waar onderzoek wordt verricht omtrent pijn, vermoeidheid, neuropathie en cognitieve stoornissen. Dantzer lanceerde het nu het nu aanvaarde idee dat het immuunsysteem de symptomen van ‘sickness-behaviour’ (ziekte-gedrag; vermoeidheid, hoofdpijn, spierpijn, keelpijn, enz.) bepaalt en dat deze fungeren als een manier om het energie-verbruik te reduceren (om, zo wordt gesteld, de verspreiding van pathogenen te voorkomen). Lees ook ‘Identifikatie en behandeling van symptomen geassocieerd met inflammatie’.

In onderstaand ‘review’-artikel focust hun team op twee zaken die op deze pagina’s al veelvuldig aan bod kwamen: de problematische energie-voorziening en de laag-gradige (neuro)inflammatie. Op basis van de literatuur (grotendeels door M.E.(cvs)-researchers) stellen ze voor dat deze inflammatie problemen met de energie-produktie veroorzaakt.

Vroeger had Heijnen het over cognitieve gedrag therapie als hulpmiddel maar daar wordt nu blijkbaar niets meer over geopperd…

————————-

Front Behav Neurosci. (2018) 12: 78

The High Costs of Low-Grade Inflammation: Persistent Fatigue as a Consequence of Reduced Cellular-Energy Availability and Non-adaptive Energy Expenditure

Lacourt TE, Vichaya EG, Chiu GS, Dantzer R, Heijnen CJ

Neuroimmunology Laboratory, Symptom Research Department, The University of Texas MD Anderson Cancer Institute, Houston, TX, United States

Samenvatting

Chronische of persisterende vermoeidheid is een courant, uitputtend symptoom bij meerdere ziekten. Persistente vermoeidheid bleek geassocieerd met laag-gradige inflammatie in meerdere modellen voor vermoeidheid (inclusief kanker-gerelateerde vermoeidheid [CRF] en Chronische Vermoeidheid Syndroom). Het is echter onduidelijk hoe laag-gradige inflammatie tot het ervaren van vermoeidheid leidt. We presenteren hier een model voor een onevenwicht qua energie-beschikbaarheid en energie-verbruik als een gevolg van laag-gradige inflammatie. In dit verhalend overzicht, bespreken we hoe laag-gradige inflammatie kan leiden tot verminderde beschikbaarheid van cellulaire energie. Laag-gradige inflammatie induceert een metabole omschakeling van energie-efficiënte oxidatieve fosforylatie naar snel-werkende, maar minder efficiënte, aërobe glycolytische energie-produktie; doet reaktieve zuurstof soorten verhogen en reduceert insuline-sensitiviteit. Deze effekten resulteren in gedaalde glucose-beschikbaarheid en, daardoor, verminderde cellulaire energie. Daarnaast suggereert nieuw bewijsmateriaal dat chronische laag-gradige inflammatie verbonden is met de bereidheid om inspanning te leveren onder specifieke omstandigheden. Veranderingen in het circadiaans ritme en slaap-stoornissen kunnen de effekten van inflammatie op de beschikbaarheid van cellulaire energie en niet-adaptief energie-verbruik mediëren. In het tweede deel van deze bespreking, presenteren we bewijs voor deze metabole mechanismen in modellen voor aanhoudende vermoeidheid, waarbij we focussen op Chronische Vermoeidheid Syndroom en kanker-gerelateerde vermoeidheid. Het meeste bewijsmateriaal voor gedaalde beschikbaarheid van cellulaire energie met betrekking tot vermoeidheid komt van studies over het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Hoewel het mechanistisch bewijs uit de literatuur omtrent kanker-gerelateerde vermoeidheid nog beperkt is, wijzen de beperkte resultaten ook naar gereduceerde beschikbaarheid van cellulaire energie. Er is ook groeiend bewijs voor het feit dat het energie-verbruik voor aktiviteiten de verminderde beschikbaarheid van cellulaire energie bij patiënten met persisterende vermoeidheid overstijgt. Dit suggereert dat een onvermogen om energie-verbruik aan te passen aan de beschikbare bronnen één mechanisme kan zijn dat aan de basis ligt van persistente vermoeidheid.

Inleiding

Chronische of persisterende vermoeidheid is een courant, uitputtend symptoom van meerdere ziekten. Het is één van de meeste frequent gerapporteerde symptomen bij kanker en kanker-behandeling, en is zeer sterk aanwezig bij meerdere chronische ziekten, zoals Multipele Sclerose, diabetes en Reumatoïde Artritis. Daarnaast is ‘t het kenmerkend symptoom van het Chronische Vermoeidheid Syndroom, een aandoening waarbij ernstige persistente vermoeidheid wordt ervaren in afwezigheid van een gediagnostiseerde ziekte. Aanhoudende vermoeidheid is anders dan acute vermoeidheid. Acute vermoeidheid is een gezonde, adaptieve respons op fysieke of mentale inspanning, die metabole signalisering induceert om verdere energie-consumptie te vermijden. Acute vermoeidheid verdwijnt typisch na rust of slaap. In tegenstelling daarmee is persisterende vermoeidheid dikwijls disproportioneel met de uitgeoefende aktiviteiten en wordt over het algemeen niet volledig verlicht door rust. Er zijn geen behandelingen voor aanhoudende vermoeidheid die goedgekeurd werden door de Amerikaanse ‘Food and Drug Administration’, ten dele omdat de onderliggende mechanismen nog niet goed worden begrepen.

Er werd gesuggereerd dat aktivatie van inflammatoire mechanismen aan de basis ligt van persistente vermoeidheid bij veel patiënten-populaties [bv. Montoya JG et al. Cytokine signature associated with disease severity in Chronic Fatigue Syndrome patients. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2017) 114: E7150-E7158] en dieren-modellen. Inderdaad: het is goed bekend uit experimentele studies dat acute ernstige inflammatie, zoals deze geïnduceerd door lipopolysaccharide (LPS), acuut ziekte-gedrag, inclusief vermoeidheid, veroorzaakt. Deze respons werd geïnterpreteerd als een adaptief proces dat leidt tot het behoud van energie en reductie van het risico op verdere verspreiding van pathogenen (bv. door het zich terugtrekken uit sociale interakties) [Dantzer R et al. The neuroimmune basis of fatigue. Trends Neurosci. (2014) 37: 39-46]. Bovendien is, bij auto-immune ziekten zoals Multipele Sclerose, diabetes en Reumatoïde Artritis, het vermoeidheid-niveau geassocieerd met een toename van plasma-cytokinen, bijzonderlijk bij opflakkering van symptomen. Verbanden tussen kleine, langdurige verhogingen qua inflammatoire cytokinen en chemokinen in het plasma, en persisterende vermoeidheid werden ook gerapporteerd bij kanker-overlevers; en bij individuen met het Chronische Vermoeidheid Syndroom [zie Montoya JG et al. hierboven]. Bij deze patiënten zijn de waarden van plasma-cytokinen over het algemeen veel lager dan deze die worden gedetekteerd bij patiënten met auto-immune ziekten. De mechanismen waarmee subtiele verhogingen qua inflammatie vermoeidheid induceren zijn nog onduidelijk en zouden verschillend kunnen zijn van wat werd aangetoond voor acute ernstige inflammatie. Het aantal in de literatuur gerapporteerde associaties suggereert echter dat het effekt biologisch significant is.

We stellen voor dat chronische laag-gradige inflammatie persistente vermoeidheid induceert en/of bestendigt door het induceren van een onevenwicht tussen beschikbaarheid van cellulaire energie en cellulair & aktiviteiten energie-verbruik. Inflammatie verhoogt de noodzaak van immuun-cellen om snel cellulaire energie te genereren. Om hieraan te voldoen verschuiven immuun-cellen naar aërobe glycolyse voor energie-produktie, een minder efficiënt maar snel-werkend mechanisme. Tijdens chronische laag-gradige inflammatie wordt verwacht dat het uitgebreid vertrouwen op aërobe glycolyse zal leiden tot gedaalde beschikbaarheid van nutriënten en dus tot minder energie-beschikbaarheid voor de noodlijdende orgaan-systemen. Het energie-evenwicht van het organisme kan verder belast raken door veranderingen qua circadiaanse ritmes en slaap. Daarnaast is er bewijs dat suggereert dat laag-gradige of chronische inflammatie (maar niet acute ernstige inflammatie) gelinkt kan worden aan verhogingen qua energie-verbruik bij aktiviteiten, wat bijdraagt tot het onevenwicht tussen energie-beschikbaarheid en -verbruik en, daardoor, leidt tot vermoeidheid.

Effekten van laag-gradige inflammatie op energie-produktie en -verbruik

Adenosine-trifosfaat (ATP) is de voornaamste vorm van energie-‘munteenheid’ die door de cellen wordt gebruikt. Het genereren van ATP omvat het katabolisme van macronutriënten (koolhydraten, lipiden en proteïnen), elk startend van een uniek metabool mechanisme, maar dat uiteindelijk leidt tot ATP-produktie door de cellen. Factoren die ATP-produktie negatief kunnen beïnvloeden omvatten gedaalde intracellulaire glucose-beschikbaarheid (door veranderingen in het metabolisme van macronutriënten of verminderde glucose-opname door de cellen), gedaalde funktie van de mitochondrieën wat betreft aërobe energie-produktie en daaropvolgende afhankelijkheid van minder-efficiënte aërobe glycolyse.

Energie-produktie tijdens langdurige inflammatie

Inflammatie vereist een verandering qua metabolisme en deze wijzigingen verschillen voor acute en chronische of langdurige inflammatie. Bij acute inflammatie is snelle ATP-produktie door de immuun-cellen vereist voor de ganse reeks immuun-responsen. Immuun-cellen (lymfocyten en leukocyten) wisselen van oxidatieve fosforylatie naar een groter vertrouwen op aërobe glycolyse voor snelle ATP-produktie. Deze verschuiving is in het voordeel van overhaaste ATP-produktie terwijl de katabole efficiëntie wordt opgeofferd, resulterend in verminderde mitochondriale werking en gestegen aanmaak van lactaat.

Bijkomend is langdurige inflammatie geassocieerd met verhoogde insuline-resistentie en gedaalde glucose-tolerantie, wat leidt tot verminderde glucose-opname door de immuun-cellen en, bijgevolg, minder globale ATP-produktie uit glucose. Tijdens persistente laag-gradige inflammatie worden daarom energie en glucose afgeleid van andere systemen om de immuun-respons te ondersteunen. Ter compensatie doet het lichaam het lipiden- en proteïnen-metabolisme stijgen voor de produktie van ATP. Het lipiden-metabolisme is een traag proces en kan dus niet voldoen aan de snelle energie-vereisten. Daarnaast betekent een verhoogd betrouwen op het proteïnen-metabolisme dat andere funkties, zoals het bevorderen van groei-stimulatie, gecompromitteerd raken. Inflammatie leidt ook tot meer reaktieve zuurstof soorten (ROS) om binnendringende pathogenen te bestrijden. ROS kunnen echter schadelijk zijn voor mitochondrieën en mitochondriaal DNA, en dus draagt langdurige blootstelling aan ROS tijdens chronische inflammatie bij tot mitochondriale dysfunktie.

De effekten van chronische inflammatie zijn bijzonder schadelijk voor neuronen die sterk afhankelijk zijn van oxidatieve fosforylatie voor hun ATP-behoeften. Bij normaal brein-metabolisme vertrouwen neuronen sterk op astrocyten. Astrocyten gebruiken glycolyse om lipiden en glucose om te zetten naar pyruvaat en dan lactaat. Lactaat wordt dan naar neuronen gestuurd, waar het binnenkomt in de TCA-cyclus. Tijdens chronische inflammatie zorgt insuline-resistentie voor een daling van glucose en het proteïnen-metabolisme in het astrocyten, wat resulteert in verminderde beschikbaarheid van lactaat voor neuronen, wat deze er toe dwingt sterker te leunen op het trager proces van het lipiden-metabolisme. Verder is inflammatie in staat om de mitochondriale efficiëntie te verlagen, wat de metabole belasting op neuronen verhoogt. Veranderingen qua neuronaal metabolisme zullen uiteindelijk het neuronaal funktioneren aantasten.

Aktiviteiten energie-verbruik tijdens inflammatie

Er wordt geraamd dat chronische laag-gradige inflammatie het systemisch energie-verbruik met 10% verhoogt. Gezien de gestegen energie-vereisten bij chronische inflammatie en de resulterende gedaalde energie-beschikbaarheid, zou men verwachten dat het aktiviteiten energie-verbruik (d.i. de hoeveelheid energie die wordt gespendeerd aan aktiviteiten) zou verminderen. Meerdere studies in de context van acute, ernstige inflammatie bekrachtigen deze hypothese en tonen de verminderde bereidheid (motivatie) tot inspanning, zowel bij knaagdier-modellen als bij mensen. Resultaten van deze en andere studies suggereren echter ook dat motivatie-gedrag anders beïnvloed kan zijn bij laag-gradige inflammatie.

Studies met dieren-modellen tonen een daling qua inspanning om voedsel te verkrijgen enkel na toediening van hogere dosissen inflammatoire mediatoren. Voor de laagste dosissen was er niet alleen geen verminderde, er bleek ook een trend naar meer aktiviteit. Verder testten onderzoekers dieren 24 h na een acute inflammatoire aanval (LPS-injektie), een punt waar de acute inflammatoire respons en het ziekte-gedrag waren geluwd: er werd een verschuiving vastgesteld wat betreft motivationele prioriteit naar keuzes die een hogere inspanning voor een meer in het oog springende beloning vereisten.

Een vergelijking van de resultaten van de twee beschikbare studies bij mensen wijst ook op afzonderlijke effekten van hoog- vs. laag-gradige inflammatie op keuzes omtrent energie-verbruik. Researchers testten gezonde individuen 2 en 5 h na LPS-injektie en vonden een verminderde bereidheid om taken uit te voeren die een grote inspanning vergen (2, maar niet 5, h na injektie; op 2 h had de inflammatie z’n piek bereikt). In tegenstelling daarmee vonden anderen, bij deelnemers 5 h na LPS, een verhoogde bereidheid om taken uit te voeren die een grote inspanning vergen (maar enkel in omstandigheden die voordelig waren om iets te winnen). Ze merkten verder op dat deelnemers te zwak waren om getest te worden tussen 3 en 4 h na injektie. Op te merken: de 2 studies verschilden wat betreft meerdere belangrijke aspecten, inclusief karakteristieken van het staal (enkel mannen vs. een mix van mannen en vrouwen) en taken (keuze tussen aanvaarden of afwijzen van een taak vs. keuze tussen een taak met grote inspanning/grote beloning of een lage inspanning/kleine beloning). Niettemin, stellen we op basis van deze experimentele gegevens bij muizen en mensen als hypothese dat acute ernstige inflammatie leidt tot veralgemeende adaptieve dalingen van energie-verbruik/inspanning, terwijl milde inflammatie kan leiden tot relatieve stijgingen van energie-verbruik/inspanning op voorwaarde dat de drijfveer groot genoeg is. Deze notie wordt ondersteund door onze bevindingen dat laag-gradige inflammatie geassocieerd was met keuzes voor verhoogde inspanning van een groep kanker-patiënten en -overlevers. Er dient nog te worden nagegaan of deze verschuivingen qua inspanning-gedrag/energie-verbruik overéénkomen met ‘herstel’ of met een omschakeling van de immuun-cellen van een glycolytisch naar een meer oxidatief gestuurd metabool profiel. Daarnaast werden verschuivingen in het gedrag tijdens chronische laag-gradige inflammatie nog niet bestudeerd.

De effekten van inflammatie op inspanning/energie-verbruik bij motivatie-taken lijken te worden gemedieerd door het dopaminerg systeem. Hoewel het mechanisme waardoor inflammatie in staat is de dopamine-neurotransmissie te wijzigen nog onduidelijk is, geeft de literatuur omtrent Parkinson’s aan dat chronische neuro-inflammatie leidt tot oxidatieve stress en mitochondriale schade in dopaminerge neuronen, leidend tot een belangrijke verstoring qua dopaminerge [via dopamine werkende] neurotransmissie. Dopaminerge neuronen zijn bijzonder kwetsbaar voor inflammatie. Hoewel de oorzaak van deze kwetsbaarheid nog niet volledig wordt begrepen, kunnen de verhoogde basale oxidatieve fosforylatie van deze cellen en de auto-oxidatie van overmatig extracellulair dopamine daartoe bijdragen.

Slaap en circadiaanse ritmes als partiële mediatoren van de effekten van chronische laag-gradige inflammatie op energie-beschikbaarheid en -verbruik

Inflammatie kan bijkomend leiden tot meer aanhoudende wijzigingen in het metabolisme via veranderingen van het circadiaans ritme en slaap. Chronische laag-gradige en ernstige inflammatie bleek de slaap-kwaliteit en circadiaanse ritmes te beïnvloeden, en vice versa [Rahman K et al. Sleep-wake behavior in Chronic Fatigue Syndrome. Sleep (2011) 34: 671-678]. Veranderingen qua ritmes van de circadiaanse aktiviteit werden gelinkt met vermoeidheid. Slaap-stoornissen en verminderde slaap-kwaliteit – dikwijls gerapporteerd door individuen met persistente vermoeidheid – kunnen ook leiden tot een gedesorganiseerd/ontregeld circadiaans ritme omwille van dutjes tijdens de dag en strukturele wijzigingen qua slaap-aanvang ‘s nachts.

De meeste metabole processen worden gereguleerd door de circadiaanse klok en veranderingen qua circadiaans ritme of slaap zijn verbonden met metabole veranderingen, zoals verhoogd circulerend glucose en gedaalde insuline-sensitiviteit. Specifiek: expressie van mitochondriale proteïnen betrokken bij veel metabole processen ondergaat post-translationele modificaties die worden gereguleerd door het ‘Clock’-gen [Circadian Locomotor Output Cycles Kaput; beïnvloedt de circadiaanse ritmes]. Daarnaast wordt het mitochondriaal oxidatief metabolisme ook gecontroleerd door de circadiaanse klok via oscillaties in de biosynthese van nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD+) en de beschikbaarheid van mitochondriale enzymen.

Onvoldoende slaap en wijzigingen in circadiaanse ritmes kunnen ook het verbruik van cellulaire energie en aktiviteit veranderen. Pre-klinische studies tonen een verhoogd energie-verbruik na totale slaap-onthouding bij ratten. Zo ook leidde experimenteel geïnduceerde slaap-onthouding bij gezonde menselijke vrijwilligers tot gestegen dagelijks energie-verbruik (bepaald via totale-ruimte calorimetrie; meten van zuurstof-consumptie en koolstof-dioxide produktie). Hoewel dit gepaard ging met een compenserende toename in energie (voedsel-inname, t.t.z. calorische inname hoger dan calorisch verbruik), steeg de fysieke inspanning significant. Als de hierboven beschreven studies steunen op experimenteel geïnduceerde veranderingen qua circadiaans ritme en slaap, is het onduidelijk in welke mate deze bevindingen relevant zijn voor natuurlijk optredende veranderingen. Daarnaast: of meer subtiele, aanhoudende veranderingen qua slaap en circadiaans ritme, zoals deze geobserveerd bij vermoeide individuen, ook energie-verbruik wijzigen, dient nog te worden aangetoond.

Samenvatting van de voorgestelde mechanismen

Chronische laag-gradige inflammatie is gerelateeerd met een persistente metabole switch naar snellere, maar minder efficiënte, glycolytische energie-produktie, en verhoogde aanmaak van ROS. Dit beïnvloedt op z’n beurt de mitochondriale funktie, waardoor het betrouwen op glycolytische mechanismen vergroot. Daarnaast gaat, hoewel chronische inflammatoire processen meer energie vereisen, deze verhoogde nood aan energie niet altijd gepaard met verminderingen qua aktiviteiten energie-verbruik. Dit lijkt in het bijzonder het geval in de context van laag-gradige inflammatie, die motivatie voor inspanning bleek te verhogen. Inflammatie kan ook circadiaanse ritmes en slaap beïnvloeden (en vice versa), wat de effekten op energie-beschikbaarheid en -verbruik verder kan verergeren.

We stellen voor dat dit onevenwicht tussen energie-beschikbaarheid vs. -verbruik aan de basis ligt van het ervaren van vermoeidheid geïnduceerd door chronische laag-gradige inflammatie. Hierna bespreken we het bewijsmateriaal voor deze metabole mechanismen bij persistente vermoeidheid.

Aanhoudende vermoeidheid ten gevolge gereduceerde energie-beschikbaarheid en verhoogd energie-verbruik?

Er werden voornamelijk verbanden tussen laag-gradige inflammatie en aanhoudende vermoeidheid gerapporteerd bij individuen met CVS of CRF. Bij patiënten met CVS, bleek de vermoeidheid-ernst geassocieerd met gestegen cytokine-concentraties in plasma [zie Montoya JG et al. hierboven] en ruggemergvocht [Hornig M et al. Cytokine network analysis of cerebrospinal fluid in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Mol. Psychiatry (2016) 21: 261-269]. Er werden ook wijzigingen in de fysiologische stress-respons (overwegend hypothalamus-hypofyse-bijnier as output) bij CVS-patiënten gerapporteerd [bv. Silverman M et al. Neuroendocrine and immune contributors to fatigue. PMR (2010) 2: 338-346], suggererend dat laag-gradige inflammatie het resultaat kan zijn van een gereduceerde sensitiviteit voor immuun-regulerende stress-hormonen zoals cortisol. Voor CRF begint de vermoeidheid gewoonlijk tijdens de kanker-behandeling maar houdt bij overleving aan bij een significante subset patiënten. Het is geweten dat de meeste eerste-lijn behandelingen zoals chemotherapie en chirurgie een inflammatoire respons induceren (bv. door weefsel-beschadiging). Stijgingen van inflammatoire merkers bleken inderdaad geassocieerd met verhoogde vermoeidheid-ernst bij patiënten die behandeling ondergingen, hoewel niet alle inflammatoire merkers geassocieerd met vermoeidheid een respons op kanker-behandeling vertonen, wat de aanwezigheid van andere oorzakelijke factoren suggereert. Bij kanker-overlevers werden ook, ondanks het ophouden van de onmiddellijke inflammatoire effekten van de kanker-behandeling, verbanden tussen gestegen waarden van inflammatoire merkers en verhoogde vermoeidheid gezien. CRF bij overlevers bleek daarnaast geassocieerd met psychosociale stress factoren (zoals angst voor het terugkeren van de kanker) wat suggereert dat inflammatoire processen bij overlevers (ten dele) stress-gerelateerd kunnen zijn.

Gedaalde energie-beschikbaarheid bij aanhoudende vermoeidheid

Bewijs voor verminderde energie-beschikbaarheid bij langdurige vermoeidheid komt voornamelijk uit metaboloom-studies [bv. Fluge Ø et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. JCI Insight (2016) 1: e89376 /// Naviaux RK et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2016) 113: E5472-5480 /// Yamano E et al. Index markers of Chronic Fatigue Syndrome with dysfunction of TCA and urea cycles. Sci Rep. (2016) 6: 34990] en van studies omtrent mitochondriale dysfunktie [bv. Filler K et al. Association of mitochondrial dysfunction and fatigue: a review of the literature. BBA Clin. (2014) 1: 12-23]

Mitochondriale Dysfunktie

Mitochondrieën worden dikwijls voorgesteld als de ‘krachtcentrales van de cel’. De mitochondriale werking kan gecompromitteerd worden door meerdere factoren, inclusief verminderde beschikbaarheid van de nodige metabolieten en mitochondriale schade door, bijvoorbeeld, oxidatieve stress. De notie dat mitochondriale dysfunktie kan leiden tot vermoeidheid wordt aangegeven door de observatie dat vermoeidheid een courant symptoom bij mitochondriale ziekte is en dat vermoeidheid-achtig gedrag in dieren-modellen geassocieerd is met gedaalde expressie van mitochondriale complexen, verminderingen qua metabole aktiviteit en veranderingen qua mitochondriale morfologie in de hersenen.

Het verband tussen mitochondriale dysfunktie en persistente vermoeidheid werd het meest bestudeerd bij patiënten met CVS. Een systematische ‘review’ rapporteerde dat 21 op 25 artikels beperkt waren tot CVS [zie Filler K et al. hierboven]. Lagere serum-waarden van het anti-oxidant CoQ10 was de meest consistente bevinding van het overzicht, met beperkt bewijs voor lagere waarden van andere anti-oxidanten en verhoogde waarden van oxidatieve stress merkers. Er werden lagere carnitine-waarden gezien in sommige studies maar de resultaten hingen af van het type carnitine dat werd bepaald. Later gepubliceerde studies over CVS bevestigen verhoogde oxidatieve stress, mogelijke dalingen qua efficiëntie van de ATP-aanmaak en verminderingen van de mitochondriale energie-produktie bij CVS-patiënten [Ciregia F et al. Bottom-up proteomics suggests an association between differential expression of mitochondrial proteins and Chronic Fatigue Syndrome. Transl. Psychiatry (2016) 6: e904]. Het bepalen van de zuurstof-consumptie in PBMCs [Tomas C et al. (2017). Cellular bioenergetics is impaired in patients with Chronic Fatigue Syndrome. PLoS ONE 12: e0186802] is veelbelovend, wijzend op een gereduceerde capaciteit van de mitochondrieën om te voldoen aan de gestegen energie-vereisten tijdens cellulaire stress; een replicatie omwille van het gebruik van ingevroren en verse bloedstalen, en de beperkte grootte van het staal is aangewezen.

Studies aangaande CRF bleven tot hier toe beperkt tot de onmiddellijke effekten van kanker-behandeling en het is onduidelijk in welke mate deze effekten nog aanwezig zijn bij overlevers. Pre-klinische research heeft aangetoond dat zowel kanker als kanker-therapie geassocieerd zijn met mitochondriale dysfunktie. Op basis van pre-klinische modellen is het onbekend of door behandeling geïnduceerde of door kanker geïnduceerde veranderingen qua mitochondriale funktie verband houden met vermoeidheid. Een handvol observationele studies van één research-groep rapporteren echter over een associatie bij prostaat-kanker patiënten die bestraling-therapie ondergaan. Hun resultaten duiden op verminderd mitochondriaal funktioneren tesamen in associatie met vermoeidheid, zoals bewezen door gedaalde expressie van mitochondrieën-gerelateerde genen, verminderde expressie van mitochondriale elektronen-transport complex-II enzymen en gestegen apoliproteïne-A1 (ApoA1) in associatie met hogere vermoeidheid. ApoA1 is belangrijk voor lipiden-opruiming en een stijging qua ApoA1 is indicatief voor een gedaald gebruik van lipiden voor ATP-synthese.

Een handvol studies en klinische proeven bekrachtigen de hierboven beschreven bevindingen. Twee experimentele studies bij CVS-patiënten toonden wijzigingen in metabole processen. Resultaten van de in vitro stimulatie van skeletspier-cellen van patiënten met CVS gaven insuline-resistentie of verminderde sensitiviteit van insuline-receptoren aan [Brown AE et al. Abnormalities of AMPK activation and glucose uptake in cultured skeletal muscle cells from individuals with Chronic Fatigue Syndrome. PLoS ONE (2015) 10: e0122982; zie ‘Aktivatie van AMPK & glucose-opname in M.E.(cvs) spiercellen]. Verder vertoonden CVS-patiënten een trager herstel na maximale inspanning-test, leidend tot een snellere afhankelijkheid op het minder efficiënt glycolytisch metabolisme tijdens een daaropvolgende test [Snell CR et al. Discriminative validity of metabolic and workload measurements for identifying people with Chronic Fatigue Syndrome. Phys. Ther. (2013) 93: 1484-1492].

Anti-oxidanten supplementering kan doeltreffend zijn naar het verminderen van vermoeidheid toe, wat een oorzakelijk verband suggereert tussen verminderde beschikbaarheid van anti-oxidanten en vermoeidheid. Bij patiënten met CVS deed supplementering met CoQ10 en nicotinamide-adenine-dinucleotide (NADH) de vermoeidheid dalen, terwijl dat niet geval was voor een placebo-behandeling [Castro-Marrero J et al. Does oral coenzyme Q10 plus NADH supplementation improve fatigue and biochemical parameters in Chronic Fatigue Syndrome? Antioxid. Redox Signal. (2014) 22: 679-685]. Supplementering bleek ook CRF te verbeteren. Cachexische patiënten [cachexie = veralgemeende zwakte-toestand] met gevorderde gynaecologische kanker leken voordeel te halen uit de toediening van meerdere metabolisme-gerelateerde supplementen naast hun standaard cachexie-behandeling met synthetisch progestogeen; wat verminderingen qua vermoeidheid, inflammatie en energie-verbruik aantoont in vergelijking met enkel de standaard behandeling. Bij patiënten met borst-kanker die chemotherapie ondergaan, leidde supplementering met een aminozuren-gel die CoQ10 en L-carnitine bevat tot minder ernstige vermoeidheid. Aangezien deze studie een ‘standard-of-care’ conditie als controle omvatte, kan een placebo-effekt niet worden uitgesloten. In tegenstelling daarmee werd bij een grote studie met of borst-kanker patiënten die chemotherapie ondergingen, gebruikmakend van supplementering met vitamine-E met of zonder CoQ10, geen enkel effekt van CoQ10 op de ontwikkeling van vermoeidheid gevonden. In dieren-modellen werd ook aangetoond dat verscheidene molekulen met anti-oxidante eigenschappen vermoeidheid-achtig gedrag kunnen verminderen [bv. quercetine, coenzyme-Q10, ginsenoside-Rb1 (steroïd-achtige stof voorkomend in ginseng, agonist voor de oestrogeen-receptor)]. Bij deze studies dient te worden opgemerkt dat de vermoeidheid-modellen een significante beperking betekenen. Aangezien de mechanismen die ten gronde liggen aan CVS nog slecht gedefinieerd zijn, is de validiteit van dieren-modellen voor CVS betwistbaar. Bovendien induceren en kwantificeren veel van deze studies vermoeidheid in dezelfde interventie (bv. gedwongen zwemmen), wat inherent problematisch is. Daarom is nog veel werk vereist om onze model-systemen te verbeteren en deze bevindingen te valideren.

Samengevat: het meeste bewijsmateriaal voor een verband tussen vermoeidheid en mitochondriale werking komt van CVS, wijzend op lagere waarden van anti-oxidanten en mogelijke dalingen qua mitochondriale ATP-produktie. Hoerwel er geen lagere anti-oxidanten concentraties werden gevonden bij kanker-patiënten, duiden wijzigingen van de mitochondriale gen-expressie toch op een rol voor het mitochondriaal funktioneren bij vermoeidheid. Resultaten van klinische en pre-klinische studies wijzen op mogelijke voordelige effekten van mitochondrieën-ondersteunende supplementen. De meeste observationele en interventie-studies lijden echter onder ernstige beperkingen wat betreft staal-grootte of studie-ontwerp. Daarnaast werden de exacte oorzaken van gedaalde waarden van anti-oxidanten of ATP-aanmaak nog niet bestudeerd. Hoewel inflammatie waarschijnlijk de oorzaak is, is het zeker niet de enige kandidaat. Dus zijn bijkomende pre-klinisch onderzoek om de mechanismen te identificeren, als ook klinische replicaties bij grotere groepen, gebruikmakend van placebo-gecontroleerde ontwerpen en relevante biomerkers, dringend aangewezen.

Metabolomica

Metabolomica-studies laten een brede beoordeling van veranderingen in het metabolisme toe. Drie dergelijke studies rapporteerden over CVS, elk met verschillende resultaten maar allemaal wijzend naar gereduceerde metabole aktiviteit. Yamano et al. [ref. zie hierboven] leverden bewijs voor verminderde aktiviteit in de TCA- en de ureum-cyclus. Naviaux [ref. zie hierboven] rapporteerde over gedownreguleerde metabolieten van twee klassen lipiden en Fluge [ref. zie hierboven] over gedaalde concentraties aminozuren die fungeren als voorlopers voor acetyl-Coenzyme A, één van de voornaamste inputs van de TCA-cyclus. Hoewel Yamano et al. & Naviaux et al. geen meldingen maakten over verbanden tussen metabolieten en vermoeidheid-graad, rapporteerde Fluge et al. dat er geen assosciaties waren. Ze observeerden eerder verbanden tussen leeftijd en ‘body-mass-index’, suggererend dat hun bevindingen niet specifiek waren voor vermoeidheid bij de CVS-patiënten.

Er werd slechts beperkt werk verricht aangaande metabolomica in dieren-modellen voor vermoeidheid; bij één studie van inspanning-geïnduceerde vermoeidheid werden echter meerdere potentiële “anti-vermoeidheid” metabolomica biomerkers geïdentificeerd. Eén daarvan was geranyl-difosfaat [wordt beschouwd als een sleutel-intermediair bij de biosynthese van steroïden], dat indirect de lipiden-synthese en proteïnen-afbraak kan reguleren. Sebacinezuur [een dicarbonzuur], een resultaat van het vetzuren-metabolisme dat geoxideerd kan worden tot metabole intermediairen voor de TCA-cyclus [acetyl-CoA & succinyl-CoA], was een ander.

Samengevat: de resultaten van de drie metabolomica-studies duiden op veranderingen in het lipiden- & vetzuren metabolisme en gedaalde TCA-aktiviteit in verband met vermoeidheid, wat lijkt op metabole wijzigingen tijdens chronische laag-gradige inflammatie. Aangezien de TCA-cyclus nodig is om de voorlopers voor het proces van oxidatieve fosforylatie te creëeren, zou een verminderde aktiviteiten wijzen op gedaalde ATP-produktie via gereduceerde oxidatieve fosforylatie. Aangezien het lipiden-metabolisme, of lipolyse, de meeste energie per gram substraat genereert, is het de meest efficiënte manier voor energie-opslag. Het katabolisme van lipiden naar bruikbare energie is een traag proces en wordt hoofdzakelijk aangewend bij uitgebreide energie-vereisten, zoals bij chronische inflammatie. Veranderingen in dit metabool mechanisme kunnen dus resulteren in verminderde beschikbaarheid van efficiënte energie-bronnen, wat leidt tot verhoogde afhankelijkheid van een op koolhydraten gebaseerd metabolisme. Daarnaast zou de gedaalde beschikbaarheid van vetzuren interfereren met de aërobe energie-produktie, wat de nood voor anaërobe glycolytische ATP-produktie verhoogt.

Verhoogd energie-verbruik bij aanhoudende vermoeidheid

Meerdere bevindingen wijzen naar een energie-verbruik voor aktiviteiten die de beschikbare energie overstijgt bij patiënten met CVS & CRF. Bv.: één studie rapporteerde dat ca. de helft van een groep CVS-patiënten een energie-verbruik ervaarde dat hun ervaren energie-beschikbaarheid overschreed [Jason L et al. The impact of energy modulation on physical functioning and fatigue severity among patients with ME/CFS. Patient Educ. Couns. (2009) 77: 237-241]. Daarnaast bleek dat een niet-farmacologische interventie gericht op het verminderen van de vermoeidheid bij CVS-patiënten enkel doeltreffend was bij die patiënten waar energie-beschikbaarheid en -verbruik overéénkwamen [Brown M et al. The role of changes in activity as a function of perceived available and expended energy in nonpharmacological treatment outcomes for ME/CFS. J. Clin. Psychol. (2011) 67: 253-260]. Bij CRF hebben we getoond dat kanker-overlevers die melding maken van ernstiger vermoeidheid, een verhoogde tendens vertoonden om inspanning te leveren. Kanker-patiënten onder behandeling vertoonden dit verband niet maar eerder een gedaalde neiging om inspanning te leveren. Andere onderzoekers rapporteerden significante positieve verbanden tussen vermoeidheid-ernst en gemiddeld dagelijks calorie-verbruik bij patiënten met borst-kanker na de vierde cyclus chemotherapie. Dus is er preliminair bewijs dat suggereert dat energie-verbruik niet overéénkomt met (ervaren) energie-beschikbaarheid.

Veranderingen in circadiaanse ritmes en slaap bij bij aanhoudende vermoeidheid

Zoals hierboven vermeld, kunnen door laag-gradige inflammatie geïnduceerde veranderingen van het metabolisme gemedieerd zijn door wijzingen in circadiaanse ritmes & slaap, mogelijks via veranderingen van de melatonine-ritmiciteit. Hieronder bespreken we de bevindingen omtrent slaap, circadiaans ritme en melatonine in relatie tot chronische vermoeidheid.

Bij CVS werden een slechte slaap en wijzigingen qua melatonine-ritmiciteit, maar niet qua circadiaans ritme, gerapporteerd. CVS-patiënten maken meer melding van slaap-storrnissen en vertonen abnormale slaap-progressie (d.w.z. grotere mate van cyclisch alternerend patroon). Daarnaast was de vermoeidheid-graad geassocieerd met door de patiënten gerapporteerde slechte slaap, wat op z’n beurt verband hield met kleine toenames van de waarden van de pro-inflammatorire cytokinen interleukine-1β & tumor necrose factor-α in het plasma. Hoewel er geen bewijs werd gevonden voor een gewijzigd circadiaans ritme bij CVS, is er bewijs voor veranderde melatonine-ritmiciteit. Bv.: er werden significant hogere nachtelijke melatonine-waarden in het speeksel gezien bij adolescenten met CVS die melding maakten van niet-verfrissende slaap vergeleken met gezonde individuen. Verder was de associatie tussen het circadiaans ritme van de lichaamstemperatuur een melatonine-aanvang, die wordt gezien bij gezonde mensen, afwezig bij CVS-patiënten. Hoewel in één studie de behandeling met melatonine of fototherapie (daglicht-therapie) de vermoeidheid niet deden afnemen bij CVS-patiënten, was melatonine succesvol voor het verminderen van vermoeidheid wanneer de deelnemers werden geselekteerd voor een later-dan-gewoonlijke avondlijke melatonine-start. Deze studie omvatte placebo-controle maar de vermoeidheid-reducties waren significant meer uitgesproken bij patiënten met een zeer late start vs. Deze met een relatief vroege start, suggererend dat de effekten waarschijnlijk niet te verklaren zijn door enkel een placebo-effekt.

Bij kanker-patiënten werden associaties tussen CRF en verstoord circadiaans ritme en slaap gerapporteerd vóór, tijdens en na behandeling. In een longitudinale studie bij borst-kanker patiënten, waren verhoogde vermoeidheid tijdens chemotherapie gerelateerd met meer meldingen van slaap-stoornissen alsook meer dutjes en verminderd wakker-zijn tijdens de dag. In een subgroep van deze patiënten, waarvan info over inflammatie beschikbaar was, bleken verhoogde vermoeidheid of ontregelde slaap geassocieerd met meer inflammatie. Interventies gericht op het normaliseren van het circadiaans ritme bleken succesvol wat betreft het verlichten van CRF. Behandeling met helder wit licht was doeltreffend wat betreft het voorkomen en behandelen van circadiaans ritme desynchronisatie bij patiënten met borst-kanker, en verbeterde vermoeidheid bij overlevers van borst-kanker en in een gemengde groep van overlevers van niet-uitgezaaide kanker. Er werd getoond dat licht-behandeling tijdens chemotherapie voor borst-kanker verhoogde vermoeidheid voorkomt, hoewel verrassend genoeg, deze effekten niet gemedieerd bleken door samenlopende effekten op het circadiaans ritme.

Samengevat: verstoorde slaap en gewijzigde circadiaanse of melatonine-ritmiciteit treden frequent op bij individuen met aanhoudende vermoeidheid, hoewel deze kan worden ervaren in afwezigheid van een veranderde slaap en circadiaans ritme. Slechts enkele studies hebben de verbanden tussen laag-gradige inflammatie en slaap of circadiaans ritme in de context van vermoeidheid beoordeeld, en de resultaten zijn inconsistent. Daarnaast warden associaties tussen slaap of circadiaans ritme en metabole uitkomsten niet bestudeerd in vermoeide populaties.

Samenvatting & besluit

We hebben hier een model voorgesteld van persistente vermoeidheid ten gevolge chronische laag-gradige inflammatie die leidt tot een onevenwicht in energie-beschikbaarheid en -verbruik, wat kan worden gemedieerd en onderhouden door veranderingen qua circadiaans ritme en slaap. De hier besproken literatuur duidt inderdaad op associaties tussen aanhoudende vermoeidheid bij CVS en CRF met veranderingen in cellulair metabolisme, verstoorde slaap en, in mindere mate, ontregelingen van het circadiaans ritme. Voor zowel CRF en CFS werden modellen met meerdere oorzaken gesuggereerd; deze omvatten niet enkel laag-gradige inflammatie en verstoorde slaap, maar ook veranderingen qua in stress-fysiologische responsen, genetische kwetsbaarheid en socio-demografische factoren (o.a.). Deze oorzaken zijn niet wederzijds exclusief en wijzen mogelijks op een beperkter aantal uiteindelijke eindpunten. We bespraken hier een dergelijk finaal gemeenschappelijk mechanisme, waarbij meerdere erkende bijdragende factoren aan persistente vermoeidheid zijn opgenomen.

Er zijn meerdere beperkingen omtrent de huidige stand van de kennis. Ten eerste: de meeste studies warden uitgevoerd bij patiënten met CVS, en dit is in het bijzonder het geval voor studies omtrent metabolisme en energie-produktie. Het is dus zeker onduidelijk in welke mate de bevindingen omtrent metabolisme en energie-produktie ook betrekking hebben op patiënten met CRF. Bovendien zijn slechts weinig rapporten beschikbaar die meer dan één van de gesuggereerde parameters voor ons voorgesteld model omvatten. Slechts twee studies verkenden associaties tussen laag-gradige inflammatie en slaap, één bij CVS-patiënten en één bij vermoeide borst-kanker patiënten. Naar ons weten werden er geen studies gepubliceerd die verbanden beschrijven tussen inflammatie en metabolisme bij patiënten met aanhoudende vermoeidheid. Ondanks dit gebrek aangaande meer allesomvattende studies, suggereert het bewijsmateriaal dat nu beschikbaar is, dat gedaalde beschikbaarheid van cellulaire energie een rol bij chronische vermoeidheid kan spelen wanneer deze vermoeidheid geassocieerd is met laag-gradige inflammatie. Daarnaast is er beperkt bewijs voor gestegen energie-verbruik voor aktiviteiten, wat suggereert dat het energie-verbruik niet aangepast is aan de mate van vermoeidheid of aan de energie-beschikbaarheid.

Interventie-studies gericht op het verbeteren van aspecten van het gepresenteerde model, met als uiteindelijk doel het verlichten van vermoeidheid, zijn nog schaars. Niettemin is het reeds duidelijk dat deelnemers aan dergelijke studies zorgvuldig geselekteerd dienen te worden en niet enkel op basis van hun ervaren van vermoeidheid. De studie waarbij zorgvuldige selektie van individuen met CVS met een avondlijke melatonine-start die later gewoonlijk valt en significant voordelige effekten onthulde van melatonine-supplementering, illustreert dit mooi. Dergelijke effekten werden niet gezien wanneer de deelnemers enkel werden geselekteerd op basis van hun vermoeidheid-toestand.

Samengevat: er is meer research nodig om inéén te puzzelen hoe chronische laag-gradige inflammatie kan leiden tot het ervaren van aanhoudende vermoeidheid. Niettemin ligt een mogelijke belangrijke verklaring bij gereduceerde cellulaire energie gekoppeld met verhoogde of maladaptieve veranderingen qua energie-verbruik. Bewijsmateriaal voor dit model kan worden gevonden voor zowel laag-gradige inflammatie als vermoeidheid.

februari 8, 2019

Bewijs voor metabolieten-abnormaliteiten in het brein bij M.E.(cvs)

Filed under: Celbiologie,Neurologie — mewetenschap @ 2:28 pm
Tags: , , , , , , ,

Een (te groot) deel van de medische ‘professionals’ weigert de term Myalgische Encefalomyelitis (wat betekent: spierpijn gerelateerd met inflammatie – wat overigens niét hetzelfde is als ‘infektie’ – van het centraal zenuwstelsel) te gebruiken omdat er volgens hen geen inflammatie in de hersenen kan worden aangetoond. We gaven op deze pagina’s al informatie mee die het tegenovergestelde aantoont.

Michael B. VanElzakker van de ‘Harvard Medical School’ besprak (in ‘Frontiers in Neurology’, 2019) de methodes om neuro-inflammatie bij in M.E.(cvs) te bestuderen (‘Neuroinflammation and cytokines in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS): A critical review of research methods). Hij opperde dat, omwille van de talrijke bronnen voor mogelijke variabiliteit, het onwaarschijnlijk is dat ooit een consistent en repliceerbaar diagnostisch cytokinen-profiel zal worden ontdekt. De techniek van PET-scanning met TSPO-bindend radioligand – gebruikt in de studie van Nakatomi (zie hieronder) – zou een veelbelovende optie zijn met echter methodologische moeilijkheden. (Nieuwe liganden van de tweede generatie zijn specifieker.) Magnetische Resonantie Spectroscopie MRS zou minder informatief zijn maar makkelijker beschikbaar, minder invasief en goedkoper. VanElzakker et al. suggereren PET-scans samen met MRS aan te wenden. In onderstaande studie wordt deze laatste techniek gecombineerd met de meting van de temperatuur (inflammatie geeft temperatuur-stijgingen) van de hersenen (brein-thermometrie). De draagkracht van de bevindingen wordt vergroot omdat de bevindingen omtrent metabolieten en temperatuur samenvallen.

Samen met radiologie-experten publiceerde Prof. Jarred Younger (‘University of Alabama at Birmingham’) een studie (gefinancierd door het ‘Solve M.E./CFS Initiave’s Ramsay Award Program) waarbij – gebruikmakend van magnetische resonantie spectroscopie (MRS; een niet-invasieve methode voor het evalueren van molekulen en hun hoeveelheden in het brein op basis van 3D beelden, die een afbeelding kunnen schetsen van metabole veranderingen) – de mogelijke inflammatoire processen in de (globale) hersenen van met M.E.(cvs) worden onderzocht. Deze piloot-studie levert belangwekkend bewijsmateriaal voor een lage-graads neuro-inflammatie. De resultaten bekrachtigen eerdere observaties omtrent hersen-abnormaliteiten (zoals bv. gestegen lactaat) en zijn een uitbreiding op bevindingen van MRS-studies die beperkt bleven tot specifieke gebieden.

————————-

Brain Imaging Behav. 2019 [pre-print]

Evidence of widespread metabolite abnormalities in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome: assessment with whole-brain magnetic resonance spectroscopy

Mueller C1, Lin JC1, Sheriff S2, Maudsley AA2, Younger JW3

1 Department of Psychology, The University of Alabama at Birmingham, Birmingham, AL, 35294, USA

2 Department of Radiology, Miller School of Medicine, University of Miami, Miami, FL, 33136, USA

3 Department of Psychology, The University of Alabama at Birmingham, AL, 35294, USA

Samenvatting

Eerdere neuro-beeldvorming studies hebben merkers voor neuro-inflammatie gedetekteerd bij patiënten met Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS). Magnetische Resonantie Spectroscopie (MRS) is geschikt voor het meten van hersen-metabolieten die gelinkt zijn aan inflammatie maar werd enkel toegepast op bepaalde gebieden die van belang zijn bij M.E./CVS. We hebben de MRS-analyse van M.E./CVS uitgebreid door het vastleggen van multi-voxel [voxel = volume-pixel; een waarde van een standaard ‘rooster’ in een drie-dimensionale ruimte, in dit geval dus bij beeldvorming via Magnetische Resonantie] informatie van het ganse brein. Daarnaast testten we of de via MRS bepaalde hersen-temperatuur verhoogd is bij M.E./CVS-patiënten. 15 vrouwen met M.E./CVS en 15 voor leeftijd en geslacht gematchte gezonde controles vulden vragenlijsten betreffende vermoeidheid- en stemming-symptomen in en ondergingen echo-planaire spectroscopische beeldvorming [EPSI; techniek om de regionale metaboliet-concentraties in kaart te brengen] van de volledige hersenen. Choline (CHO), myo-inositol (MI), lactaat (LAC) en N-acetyl-aspartaat (NAA) warden gekwantificeerd in 47 gebieden, uitgedrukt als verhouding t.o.v. creatine (CR), en vergeleken tussen M.E./CVS-patiënten en controles […]. De hersen-temperatuur werd op gelijkaardige wijze getest. Er werden significante verschillen tussen de groepen gedetekteerd in meerdere gebieden, met als meest opvallende gestegen CHO/CR in de linker anterieure [voorste] cingulate [cortex] (p < 0.001). De metabolieten-verhoudingen in 7 gebieden bleken gecorreleerd met vermoeidheid (p < 0.05). De M.E./CVS-patiënten vertoonden een verhoogde temperatuur in de rechter insula, putamen, frontale cortex, thalamus en het cerebellum (allemaal p < 0.05), wat niet toe te schrijven was aan een verhoogde lichaam-temperatuur of verschillen qua cerebrale perfusie. De hersen-temperatuur stijgingen gingen samen met verhoogd LAC/CR in de rechter insula, rechter thalamus en cerebellum (allemaal p < 0.05). We rapporteren metabolieten- en temperatuur-abnormaliteiten in M.E./CVS-patiënten in wijd-verspreide gebieden. Onze bevindingen kunnen aangeven dat neuro-inflammatie betrokken is bij M.E./CVS.

Inleiding

[…]

De pathofysiologie van M.E./CVS is nog onzeker, aangezien er ontregelingen van meerdere lichaam-systemen werden geïdentificeerd in de literatuur. Eén hypothese is dat M.E./CVS een toestand van chronische, laag-gradige neuro-inflammatie vertegenwoordigt [Komaroff AL. Inflammation correlates with symptoms in Chronic Fatigue Syndrome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (2017) 114: 8914-8916]. De term ‘laag-gradige’ neuro-inflammatie wordt hier gebruikt ter onderscheiding van meningitis of encefalitis, of andere medisch opduikende of neurodegeneratieve aandoeningen zoals een traumatisch hersen-letsel, beroerte en Multipele Sclerose. Vele van de kern-symptomen van M.E./CVS worden ook gezien bij de klassieke ‘sickness-response’ [lusteloosheid, apathie, enz.] die het gevolg is van de afgifte van pro-inflammatoire cytokinen door microglia in de hersenen. Bovendien hebben meerdere studies bewijs geleverd voor centrale inflammatie bij M.E./CVS. Analyses van het cerebrospinaal vocht uit lumbaal-punkties vonden gestegen hoeveelheden pro-inflammatoire cytokinen en gedaalde anti-inflammatoire cytokinen bij M.E./CVS-patiënten. [Hornig M et al. Immune network analysis of cerebrospinal fluid in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome with atypical and classical presentations. Translational Psychiatry (2017) 7: e1080 (zie ook ‘Cytokine netwerk-analyse van het cerebrospinaal vocht bij M.E.(cvs)’) /// Natelson BH et al. Spinal fluid abnormalities in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Clinical and Diagnostic Laboratory Immunology (2005) 12: 52-55 /// Peterson D et al. Cytokines in the cerebrospinal fluids of patients with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Mediators of Inflammation (2015) 929720] Op een meer directe manier toonde positron-emissie tomografie (PET) van de 18 kDa translocator proteïne (TSPO) receptor een verhoogde opname in meerdere corticale, sub-corticale en hersenstam-gebieden bij M.E./CVS-patiënten vergeleken met gezonde controles [Nakatomi Y. Neuroinflammation in patients with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome: An (1)(1)C-(R)-PK11195 PET study. Journal of Nuclear Medicine (2014) 55: 945-950]. Omdat TSPO-binding verhoogd is wanneer microglia zich in een pro-inflammatoire toestand bevinden, wordt gestegen PET-binding gebruikt als een merker voor neuro-inflammatie.

Hersen-inflammatie bij M.E./CVS werd ook onderzocht via magnetische resonantie spectroscopie (MRS). MRS kan worden gebruikt om de waarden van meerdere metabolieten gerelateerd met neuro-inflammatie, zoals choline-bevattende molekulen (CHO), myo-inositol (MI), lactaat (LAC) en N-acetylaspartaat (NAA), te meten. Enkele studies die gebruik maakten van ‘single’-voxel MRS hebben metabolieten-abnormaliteiten geïdentificeerd in de hersenen van individuen met M.E./CVS. Er werd melding gemaakt van verhoogd CHO in de occipitale cortex [Puri BK et al. Relative increase in choline in the occipital cortex in Chronic Fatigue Syndrome. Acta Psychiatrica Scandinavica (2002) 106: 224-226], frontale witte-hersenstof en basale ganglia [Chaudhuri A et al. Proton magnetic resonance spectroscopy of basal ganglia in Chronic Fatigue Syndrome. Neuroreport (2003) 14: 225-228 (zie ook ‘Metabole veranderingen in spieren en hersenen bij CVS]. Andere studies hebben gestegen LAC in de cerebrale ventrikels van M.E./CVS-patiënten gedetekteerd [bv. Murrough JW et al. Increased ventricular lactate in Chronic Fatigue Syndrome measured by 1H MRS imaging at 3.0 T. II: Comparison with major depressive disorder. NMR in Biomedicine (2010) 23: 643-650 /// Natelson BH et al. Elevations of ventricular lactate levels occur in both Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia. Fatigue (2017) 5: 15-20 /// 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 in Biomedicine (2012) 25: 1073-1087]. Anderen rapporteerden over gedaalde waarden van de axonale merker NAA in de hippocampus van M.E./CVS-patiënten. [Brooks JC et al. Proton magnetic resonance spectroscopy and morphometry of the hippocampus in Chronic Fatigue Syndrome. The British Journal of Radiology (2000) 73: 1206-1208] Het idee dat MRS geschikt is voor het detekteren van inflammatie-gerelateerde veranderingen in de hersenen wordt ook ondersteund door dieren-studies die wijzigingen van metabolieten-concentraties aantonen na toediening van lipopolysaccharide – een gekende inflammatoire stimulus. MRS metabolieten werden ook aangewend om de progressie van gekende inflammatoire aandoeningen, zoals Multipele Sclerose te monitoren, en bleken te correleren met inflammatie-merkers in het cerebrospinaal vocht en met pathologie in menselijke en dierlijke weefsel-stalen.

Een beperking bij eerdere M.E./CVS-studies die gebruik maakten van MRS is dat ze kleine gebieden van de hersenen analyseerden. Daarom stelden we voor, bij deze studie, de MRS-analyse van M.E./CVS uit te breiden door het vastleggen van multi-voxel informatie van het ganse brein. 3D echo-planaire spectroscopische beeldvorming (EPSI) laat beeldvorming toe van de volledige hersenen via het simultaan opnemen van metabolieten-spectra en hun ruimtelijke lokatie in de hersenen. Deze benadering vereist geen a priori hypothesen betreffende de plaats van de pathologie en laat toe het gemiddelde van meerdere voxels te maken om meer betrouwbare informatie qua concentratie-metingen te verkrijgen.

Naast het bekomen van MRS-informatie van de totale hersenen, probeerden we eerdere studies uit te breiden door het meten van de hersen-temperatuur. [De MR-frequentie van water-protonen hangt af van de temperatuur. Men kan de absolute hersen-temperatuur kwantificeren door het monitoren van het verschil tussen de resonantie-frequentie van water en deze van een temperatuur-onafhankelijk metaboliet.] De temperatuur voor een lokatie wordt berekend uit de temperatuur-variante water resonantie-piek t.o.v. de creatine (CR) piek, die resoneert bij 3.0 ppm, ongeacht de temperatuur. De regionale brein-temperatuur werd gebruikt als een benadering voor het meten van neuro-inflammatie, met in het achterhoofd dat microglia-aktivatie [reeds meerdere malen besproken op onze pagina’s] de metabole vereisten kan verhogen, wat mogelijks kan leiden tot overtollige warmte. Er werd een stijging van de hersen-temperatuur gevonden bij meerdere neuro-inflammatoire aandoeningen maar dit werd nog niet getest bij M.E./CVS.

In deze studie gebruikten we EPSI om metabolieten-waarden van de totale hersenen en temperatuur te bekomen van individuen met M.E./CVS en voor leeftijd gematchte controles. Naar ons weten is dit de eerste MRS-studie van de totale hersenen uitgevoerd bij individuen met M.E./CVS. We hypothiseerden dat de M.E./CVS-groep verhoogd CHO, MI, LAC, gestegen hersen-temperatuur en lager NAA zou vertonen dan de controle-groep. Ondersteuning voor deze hypothesen zou consistent zijn met de aanwezigheid van hersen-inflammatie bij M.E./CVS.

Materialen & methodes

Deelnemers

[…] 17 vrouwen met M.E./CVS en 17 voor leeftijd gematchte gezonde vrouwen. […] Inclusie-criteria: (i) tussen 18 en 55 jaar oud; (ii) voldoen aan de Fukuda criteria voor M.E./CVS, zonder de [vage en fel gecontesteerde] Reeves et al. modificaties maar met bijkomende criteria voorgesteld door Jason et al. [gereviseerde Canadese M.E./CVS definitie 2010]; en (iii) gemiddelde zelf-gerapporteerde dagelijkse vermoeidheid-score ≥ 6 op een schaal van 11. […] Exclusie-criteria: (i) MRI veiligheid contra-indicaties; (ii) diagnose van neurologische, belangrijke psychiatrische, auto-immune, reumatologische of inflammatoire aandoeningen; (iii) gebruik van psychostimulanten of opioïden; (iv) roken; of (v) regelmatig gebruik van niet-steroïdale anti-inflammatoire medicijnen (NSAIDs). […]

Studie-protocol

[…] Invullen vragenlijsten (zie hieronder) en meting van lichaamstemperatuur. Na de MRI (ca. 45 min) werd de meting van de lichaamstemperatuur herhaald.

Symptomen-vragenlijsten

‘Fatigue Severity Scale’ (FSS): 9 vragen, schaal van 7 punten (1-7; ‘helemaal niet akkoord’ tot ‘helemaal akkoord’), ontworpen om het verband te beoordelen tussen vermoeidheid-intensiteit en funktionele invaliditeit. ‘Hospital Anxiety and Depression Scale’ (HADS): onderverdeeld in subschalen voor angst (HADS-A) en depressie (HADS-D), telkens 7 items op een schaal van 4 punten (0-3).

Verzameling van beelden

[…]

Verwerking van beelden

[…]

Data-analyse

[…] De metabolieten werden uitgedrukt t.o.v. CR om meer directe vergelijkingen over verschillende studies toe te laten. CR wordt dikwijls gebruikt als interne referentie aangezien de waarden als relatief constant worden aangenomen. Enkele rapporten hebben echter gesuggereerd dat CR niet homogeen verdeeld is in de hersenen en dat de veronderstelling dat de waarden constant blijven misschien wel incorrect is. Daarom testten we de CR-waarden in elk gebied voor de groepen.

Er werden brein-temperatuur kaarten gegenereerd gebruikmakend van het frequentie-verschil tussen de water- en CR-pieken […]. [zie hierboven]

[…]

Statistiek

[…] significantie-drempel van p < 0.05 […]

 

Resultaten

Deelnemers

De gegevens van 4 deelnemers (2 M.E./CVS en 2 controles) werden uitgesloten omwille van zichtbare beweging tijdens de opname, zodat voor elke groep gegevens van 15 deelnemers overbleven. De meest courante co-morbide medische aandoeningen in de M.E./CVS-groep waren gastro-intestinale aandoeningen (n = 3), hypothyroïdisme (gecontroleerd; n = 3), fibromyalgie (n = 2) & astma (n = 2). […]

De groepen verschilden niet significant qua leeftijd. Zoals verwacht rapporteerden de deelnemers in de M.E./CVS-groep een hogere vermoeidheid, alsook meer angst en depressie (HADS). De angst (gemiddelde: 9,67) en depressieve stemming (gemiddelde = 8,00) in de M.E./CVS-groep worden als mild beschouwd. Scores van 11 of hoger duiden op middelmatige ernst en scores van 15 of hoger op hoge ernst. De deelnemers in de M.E./CVS-groep hadden een hogere lichaamstemperatuur (gemiddelde temperatuur aan het trommelvlies vóór en na de scan) [36,97 vs. 36,72].

Voornaamste resultaten

Om de validiteit van CR als de noemer in metabolieten-verhoudingen na te gaan, werden de waarden van dit metaboliet getest tussen de groepen. […] Van de 47 gebieden (AAL [‘anatomical automatic labeling’] atlas [digitale atlas van het menselijk brein]) en de laterale ventrikels, zagen we dat de CR-waarden significant (p < 0.05) verschillend waren tussen de groepen in de linkele parietale cortex en het linker putamen. In de parietale cortex was CR lager in de M.E./CVS-groep dan in de controle-groep (p = 0.028). In het putamen was CR hoger in de M.E./CVS-groep dan bij de controles (p = 0.011). Er waren geen CR-verschillen tussen de groepen in andere gebieden.

[…] Er werden metabole verschillen gezien in meerdere hersen-gebieden. Metabolieten gerelateerd met neuro-inflammatie (CHO, MI & LAC) bleken hoger bij de M.E./CVS-patiënten vergeleken met controles in meerdere hersen-gebieden. […] Deelnemers met M.E./CVS vertoonden ook een significant lagere NAA/CR in de rechter fusiforme [spoelvormige] en linguale [tongvormige] gyri [gyri (meervoud van gyrus) zijn windingen van de cortex of hersenschors]. Het enige resultaat dat correcties voor multipele vergelijkingen doorstond, was gestegen CHO/CR in de linker anterieure cingulate cortex [de cingulate hersenschors is cruciaal voor cognitie, pijn en emotie] bij deelnemers met M.E./CVS.

De LAC/CR-verhouding in de laterale ventrikels verschilde tussen de groepen (p = 0.057). Statische testen aangaande regionale CBF [cerebrale bloeddoorstroming] gaven aan dat er geen verschillen waren tussen M.E./CVS-patiënten en controles in geen enkel ROI [‘Region Of Interest’; bepaald hersengebied] die metabole verschillen vertoonden. […]

Van de gebieden met metabole verschillen waren er ook meerdere met significante correlaties tussen metabolieten-verhoudingen en zelf-gerapporteerde vermoeidheid op de FSS […], waarbij hogere verhoudingen geassocieerd bleken met hogere vermoeidheid. Geen enkele van de metabolieten-verhoudingen geassocieerd met inflammatie vertoonde negatieve verbanden met vermoeidheid.

CHO/CR in de linker anterieure cingulate vertoonde matig positieve correlaties met angst (p = 0.028), terwijl LAC/CR in het linker Rolandisch operculum [bepaald hersengebied], rechter thalamus en laterale ventrikels matig negatieve correlaties vertoonde met angst (p = 0.017, p = 0.019 & p = 0.046 respectievelijk). CHO/CR in de rechter occipitale cortex was matig positief gecorreleerd met depressie (p = 0.019). Alle andere correlaties waren niet significant (p > 0.05).

De deelnemers met M.E./CVS vertoonden ook een significant hogere gemiddelde hersen-temperatuur dan de controles (p < 0.05) in 5 hersen-gebieden: de rechter frontale cortex, rechter insula, rechter putamen, rechter thalamus en cerebellum. Deze bevindingen doorstonden de correcties voor multipele vergelijkingen niet. Om de mogelijkheid uit te sluiten dat de hersen-temperatuur verschillen gestuurd werden door de geobserveerde verschillen in lichaamstemperatuur, voerden we significantie-testen uit tussen de temperaturen in de 5 hersen-gebieden en de kern-temperatuur bij de M.E./CVS-groep. De hersen-temperatuur bleek niet significant gecorreleerd met de lichaamstemperatuur voor geen enkele van deze gebieden (rechter frontale cortex: p = 0.224, rechter insula: p = 0.341, rechter putamen: p = 0.715, thalamus: p = 0.759, cerebellum: p = 0.232); wat suggereert dat de verhoogde hersen-temperatuur bij M.E./CVS geen gevolg is van gestegen lichaamstemperatuur.

Bespreking

Voornaamste resultaten

De voornaamste doelstelling van deze studie was het beoordelen van vermoedelijke merkers van neuro-inflammatie in het brein bij M.E./CVS. Vrouwen met M.E./CVS en voor leeftijd gematchte gezonde vrouwen ondergingen MRS van de totale hersenen. We vonden stijgingen van CHO, LAC, MI en temperatuur in meerdere hersen-gebieden bij de M.E./CVS-groep, alsook lagere waarden van de neuronale merker NAA. We toonden dat deze verschillen niet toe te schrijven zijn aan verhoogde lichaamstemperatuur of aan abnormale regionale bloed-toevoer. De metabolieten- en temperatuur-abnormaliteiten kwamen voor in grote delen van het brein en zijn consistent met globale neuro-inflammatie.

Er werd een verhoogd CHO gevonden in de M.E./CVS-groep in de bilaterale anterieure cingulate (ACC), linker middenste cingulate, rechter calcarine sulcus [sulci zijn plooien/gleuven zichtbaar aan het oppervlak van de cortex of hersenschors; de calcarine sulcus is waar de primaire visuele cortex geconcentreerd is], en rechter occipitale en temporale kwabben. Deze resultaten ondersteunen eerder rapporten over verhoogd CHO in M.E./CVS, specifiek in de occipitale cortex [zie Puri BK et al. hierboven]. Omdat slechts vrij CHO en water-oplosbare afbraak-produkten van membraan-componenten (fosfocholine, glycerofosfocholine) detekteerbaar zijn via MRS, werd een overmaat aan CHO geïnterpreteerd als indicatief voor een abnormaal fosfolipiden-metabolisme en een versnelde omzet van cel-membranen, wat consistent is met de processen van gliale proliferatie en demyelinisatie. Hoewel word verwacht dat inflammatie bij M.E./CVS laag-gradig is en wellicht geen demyelinisatie veroorzaakt, hebben eerder diffusie-studies gewezen op subtiele witte-hersenstof abnormaliteiten bij M.E./CVS [Zeineh MM et al. Right arcuate fasciculus abnormality in Chronic Fatigue Syndrome. Radiology (2015) 274: 517-526]. De huidige bevindingen suggereren dat gliale proliferatie aan de basis ligt van deze veranderingen. Verhoogd CHO/CR is consistent met de aanwezigheid van neuro-inflammatie bij patiënten met M.E./CVS.

Het meest significante verschil in de studie was CHO in de linker ACC. We duiden dit gebied in het bijzonder aan omdat dit het enige gebied is dat correcties voor multipele vergelijkingen doorstaat en omdat het werd opgemerkt als een cruciaal gebied dat cytokine-geïnduceerde vermoeidheid en stemming-verslechtering medieert. Door cytokinen geïnduceerde vermoeidheid en depressieve symptomen werden eerder toegeschreven aan inflammatie in de ACC, zoals aangegeven door gestegen glutamaat via MRS. De huidige studie levert bewijs voor de link tussen ACC-inflammatie en vermoeidheid door aan te tonen dat M.E./CVS-patiënten verhoogd CHO in dit gebied vertonen. Hoewel in ons staal de FSS-scores niet significant correleerden met CHO/CR in de linker ACC, zou dit te wijten kunnen zijn aan de kleine groep of mindere sensitiviteit van de meting. We vonden een matige positieve correlatie met angst, wat toont dat ACC-abnormaliteiten kunnen resulteren in een scala aan gedrag-effekten. De correlatie met depressie was niet significant, hoewel dit waarschijnlijk te wijten is aan de lage depressieve symptomen in ons staal.

MI werd in deze studie getest omdat het preferentieel tot expressie komt in gliale cellen, en stijgingen suggereren veranderingen in de densiteit of aktivatie-toestand van microglia en astrocyten die consistent zijn met inflammatoire processen. We vonden dat MI bij M.E./CVS normaal was in bijna alle hersen-gebieden, met uitzondering van een stijging in de rechter globus pallidus [sub-corticale struktuur; belangrijk onderdeel van de basale kernen]. Het is onduidelijk hoe microglia-abnormaliteiten in de globus pallidus geassocieerd kunnen zijn met M.E./CVS, hoewel meerdere studies verbanden vonden tussen vermoeidheid en abnormale verwerking in dit gebied [bv. Ferrero K et al. CNS findings in Chronic Fatigue Syndrome and a neuropathological case report. Journal of Investigative Medicine (2017) 65: 974-983].

Omdat NAA wordt gebruikt als een merker voor neuronale gezondheid in MRS-studies, onderzochten we NAA in de volledige hersenen. NAA bleek over het algemeen normaal, hoewel verhoogd NAA werd gevonden in de rechter linguale en fusiforme gyri [zie hierboven] bij M.E./CVS-patiënten t.o.v. van controles. Finkelmeyer A et al. [Grey and white matter differences in Chronic Fatigue Syndrome – a voxel-based morphometry study. Neuroimage Clinical (2018) 17: 24-30] rapporteerden volume-stijgingen qua grijze-hersenstof volume in dezelfde gebieden. Vocht-opstapeling zou verantwoordelijk kunnen zijn voor zowel de metabolieten- als strukturele abnormaliteiten, en is consistent met de aanwezigheid van of gelokaliseerde inflammatoire processen. Omdat abnormaliteiten in dit hersen-gebied echter niet dikwijls geassocieerd werden met M.E./CVS, nopen we tot voorzichtigheid omtrent over-interpretatie van deze resultaten.

We vonden verhoogd LAC bij M.E./CVS-patiënten in de bilaterale insula, bilaterale parietale cortex, linker hippocampus, linker middenste cingulate gyrus, linker precuneus, rechter thalamus, rechter Rolandisch operculum, linker temporale cortex, rechter calcarine sulcus, rechter fusiforme gyrus, rechter linguale gyrus en cerebellum. LAC is een nevenprodukt van het anaëroob cel-metabolisme (glycolyse) dat niet aan hoge concentraties wordt gevonden in het gezonde brein, maar wordt geproduceerd door verscheidene immuun-cellen onder inflammatoire omstandigheden. Omdat anaërobe glycolyse resulteert in een veel minder efficiënte synthese van adenosine-trifosfaat (ATP) dan bij een gezond metabolisme, kunnen de resulterende energie-tekorten op cellulair niveau de diepgaande vermoeidheid bepalen die wordt ervaren door M.E./CVS-patiënten [Castro-Marrero J et al. Could mitochondrial dysfunction be a differentiating marker between Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia? Antioxidants & Redox Signaling (2013) 19: 1855-1860 /// Lawson N et al. Elevated energy production in Chronic Fatigue Syndrome patients. Journal of Nature and Science (2016) 2: e221 /// Myhill S et al. Targeting mitochondrial dysfunction in the treatment of Myalgic encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS) – a clinical audit. International Journal of Clinical and Experimental Medicine (2013) 6: 1-15].

Onze bevindingen ondersteunen meerdere eerdere rapporten van verhoogd LAC in de hersenen van M.E./CVS-patiënten [zie hierboven]. Die studies maakten melding van LAC-abnormaliteiten in de cerebrale ventrikels en we tonen hier dat LAC-stijgingen zich kunnen uitbreiden naar het parenchym [funktioneel orgaan-weefsel]. Hoewel we dit geen replicatie is van de eerder gerapporteerde ventrikulaire LAC-verhogingen, zagen we dat ventrikulair LAC meer dan dubbel zo hoog was in de M.E./CVS-groep in vergelijking met de controle-groep (p = 0.057); dus het gebrek aan statistische resultaten kan deels te wijten zijn aan een onvoldoende ‘power’. Ook: de korte T.E. [echo-tijd = tijd tussen puls en weerkaatsing (electromagnetische resonantie signaal)] die werd gebruikt, kan resulteren in contaminatie van de LAC-piek door lipiden. Bij toekomstige studies gebruikmakend van totaal-brein MRS kan een afzonderlijke scan met een T.E. die geoptimaliseerd is voor LAC vereist zijn.

We onderzochten ook de temperatuur van het ganse brein bij M.E./CVS- en controle-deelnemers. Consistent met onze metabolieten-gegevens en met eerdere meldingen van verhoogde temperatuur bij andere neuro-inflammatoire aandoeningen, vonden we dat individuen met M.E./CVS hogere gemiddelde temperaturen hadden in de rechter frontale cortex, rechter insula, rechter putamen, rechter thalamus en het cerebellum dan de controle-groep. Verhogingen van de hersen-temperatuur waren niet toe te schrijven aan een gestegen lichaamstemperatuur en er waren geen gebieden waar controles hogere hersen-temperaturen dan M.E./CVS-individuen hadden. Temperatuur-stijgingen bij M.E./CVS gingen van 0,28 tot 0,50 °C boven de respectievelijke regionale temperatuur bij controle-deelnemers. De brein-temperaturen in de M.E./CVS-groep waren, gemiddeld, niet verhoogd tot een waarde die als hyperthermisch wordt beschouwd. Het is niet zeker dat de geobserveerde temperatuur-verschillen geassocieerd zijn met neuro-inflammatie. We merken echter op dat 3 van de 5 hersen-gebieden met gestegen temperatuur bij individuen met M.E./CVS ook verhoogd lactaat vertoonden: de rechter insula, rechter thalamus en cerebellum. De samenloop van verhoogd lactaat en gestegen temperatuur in dezelfde gebieden suggereert een verhoogd metabolisme dat gerelateerd kan zijn met neuro-inflammatie.

Beperkingen

Er dienen drie belangrijke aandachtspunten te worden genoteerd betreffende de interpreteerbaarheid van onze bevindingen. Ten eerste: we hebben alle metabolieten-resultaten uitgedrukt als verhoudingen t.o.v. CR i.p.v. als absolute concentraties. Hoewel deze methode directere vergelijkingen tussen laboratoria en scanners toelaat, is dit afhankelijk van de stabiliteit van CR, wat niet kan worden verondersteld. Wanneer dit direct werd getest, vonden we dat CR-waarden verschilden tussen de M.E./CVS-groep en controles in de linker parietale cortex en putamen. Onze bevinding omtrent verhoogd LAC/CR in de linker parietale cortex dient dus omzichtig te worden geïnterpreteerd. Er werden geen significante groep-verschillen qua CR gedetekteerd voor eender welk gebied. Tenslotte had deze kwestie kunnen worden vermeden als absolute metabolieten-concentraties gekwantificeerd werden, hoewel technische moeilijkheden beperken hoe snel dit in de praktijk kan worden gebracht.

Ten tweede: het is moeilijk om vals-positieven en vals-negatieven te voorkomen in gevallen waar de groep betrekkelijk klein is vergeleken met het aantal uitgevoerde testen. We hebben onze resultaten voorgesteld gebruikmakend van niet-gecorrigeerde zowel als FDR-gecorrigeerde [‘false discovery rate’, aantal vals positieve resultaten] p-waarden. De meerderheid van de gebieden bereikte de significantie-drempel niet bij correcties voor multipele vergelijkingen en we roepen op tot omzichtigheid aangaande mogelijke over-interpretatie tot dat de resultaten kunnen worden bevestigd bij een onafhankelijk staal, bij voorkeur met een grotere omvang.

Ten derde: omdat angst en neerslachtige stemming verhoogd bleken in de M.E./CVS-groep t.o.v. controles, is het mogelijk dat de metabolieten- of temperatuur-verschillen tussen de groepen met deze variabelen gerelateerd waren. In feite vonden we matige correlaties tussen angst en depressie, en de metabolieten-verhoudingen in sommige hersen-gebieden. We merken echter op dat gemiddelde scores in de M.E./CVS-groep onder de drempel voor klinische significantie voor depressie of angst lagen, wat betekent dat de invloed van deze variabelen op onze resultaten, als die er al waren, wellicht minimaal waren. Onze analyses onthulden ook dat de correlaties tussen LAC/CR en angst negatief waren, wat het tegengestelde is van wat werd verwacht.

Ten laatste: we merken op dat hoewel metabolieten- en temperatuur-abnormaliteiten bij M.E./CVS-patiënten consistent zijn met de aanwezigheid van neuro-inflammatie, er andere mechanismen – zoals mitochondriale dysfunktie of afwijkende neuronale communicatie – zij kunnen bijdragen tot deze veranderingen. Omdat kan worden aangetoond dat bij veel aandoeningen abnormaliteiten qua MI, CHO, LAC of CHO tot uitdrukking komen, zijn het geen specifieke merkers voor neuro-inflammatie en kunnen wellicht geen unieke diagnostische test voor M.E./CVS zijn. Ons vertrouwen dat metabolieten-abnormaliteiten verband houden met neuro-inflammatie zou sterker worden als er meerdere merkers (bv. MI & CHO) verhoogd zijn in overlappende gebieden.

Besluiten

Deze studie is de eerste die totaal-brein MRS merkers voor neuro-inflammatie onderzocht bij M.E./CVS. We rapporteren metabolieten- en temperatuur-abnormaliteiten bij M.E./CVS-patiënten in wijd-verspreide hersen-gebieden, suggestief voor het feit dat M.E./CVS wordt gestuurd door diffuse pathofysiologische processen die het ganse brein aantasten, i.p.v. eerder regionaal beperkt te zijn, wat consistent is met de heterogeniteit van de klinische symptomen. Onze bevindingen bieden ondersteuning aan de hypothese dat M.E./CVS het resultaat is van chronische, laag-gradige neuro-inflammatie. Hoewel de resultaten preliminair zijn, merken we op dat ze grotendeels overéénkomen met eerdere publicaties die MRS hebben aangewend bij M.E./CVS. Deze resultaten dienen te worden gerepliceerd in toekomstige studies bij grotere aantallen om verder het profiel van pathofysiologische abnormaliteiten in de hersenen van M.E./CVS-patiënten vast te stellen. Uiteindelijk zou de ontwikkeling van gevoelige MRI-merkers voor M.E./CVS een aanvulling kunnen zijn op klinische testen om behandelingen te helpen begeleiden.

————————-

Het is geweten dat neuro-inflammatie een waaier aan symptomen (vermoeidheid, pijn-gevoeligheid, cognitieve problemen, slaap-stoornissen) veroorzaakt. De hypothese van Prof. Younger is dat geaktiveerde immuun-cellen van elders in het lichaam (de darm?) het brein infiltreren. Aangezien de hersenen en het lichaam afzonderlijke immuunsystemen hebben – gescheiden door de zgn. bloed-hersen-barrière (BBB) – gebruiken ze verschillende cellen: microglia in het brein, en T-, B- & NK-cellen in de rest van het lichaam. Bij neuro-inflammatie kan de BBB beschadigd raken waardoor perifere immun-cellen de hersenen kunnen bereiken. Infiltrerende T-cellen zouden dan microglia van het brein kunnen aktiveren naar een inflammatoire toestand. Om dit te onderzoeken wil Younger’s team nu perifere immuun-cellen volgen en bekijken of ze door de BBB gaan en het brein infiltreren. Daartoe werd een nieuwe techniek ontwikkeld (labeling van immuun-cellen met het radio-isotoop zirconium-89 en injektie in patiënten, om ze via een PET-scan te volgen). Daartoe werd financiering voorzien door ‘ME Research UK’.

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.

juli 29, 2018

Uitgebreide metaboloom-studie bij M.E.(cvs)

Aankondigingen als “Nieuwe CVS-test is 84 percent accuraat’ klinken natuurlijk hoopgevend maar de realiteit is toch ietsje ingewikkelder… Als men het artikel hier onder leest, zal men te weten komen dat het niet over één (snel) test(je) gaat maar een complexe analyse die op lange termijn inzichten zou kunnen verschaffen over de pathologie, subgroepen en een mogelijke therapeutische aanpak daarvan. ‘Inzichten over metabolieten brengen ons dichter naar een test voor CVS’ klinkt al wat genuanceerder…

Onderstaande studie, door een research-team o.l.v. onderzoekers van het ‘Centre for Infection and Immunity’ (CII) van de Columbia Universiteit (New York City), levert dus geen kant-en-klare diagnostische test op. D.m.v. hoog-technologische technieken (die bijlange niet in elk routine-lab beschikbaar zijn) werden 562 metabolieten (zeg maar produkten die ontstaan bij menselijke en of microbiële processen die suikers/vetten/eiwitten verwerken) gevonden die bij M.E.(cvs)-patiënten al dan niet anders waren. Een aantal daarvan bleken te wijzen op mogelijk slecht funktioneren van de mitochondrieën (de energie-fabriekjes van cellen) – wat overéénkomt met wat andere research-teams vonden. Ook hun eerdere vondst van een onderscheidend metabolieten-patroon tussen M.E.(cvs) en prikkelbare darm syndroom werd bevestigd. Combinatie van de gegevens (metaboloom) met de eerder gevonden biomerkers (microbioom) leverde een voorspellend model op en statistische analyse gaf aan dat de accuraatheid daarvan om de diagnose M.E.(cvs) te kunnen stellen 84% is.

Dr. W. Ian Lipkin, directeur van het CII en het ‘National Institutes of Health Centre for Solutions for ME/CFS’ liet optekenen: “We beginnen te begrijpen hoe de ziekte in z’n werk gaat. We zouden dieren-modellen kunnen gaan ontwikkelen die ons in staat kunnen stellen om hypotheses en potentiële therapieën (bv. probiotica de darm-flora regelen of medicijnen die bepaalde neurotransmitter-systemen aktiveren) te testen.”.

————————-

Scientific Reports Vol 8, #1, article 10056 (juli 2018)

Insights into Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome phenotypes through comprehensive metabolomics

Dorottya Nagy-Szakal (1), Dinesh K. Barupal (2), Bohyun Lee (1), Xiaoyu Che (1), Brent L. Williams (1), Ellie J.R. Kahn (1), Joy E. Ukaigwe (1), Lucinda Bateman (3), Nancy G. Klimas (4,5), Anthony L. Komaroff (6), Susan Levine (7), Jose G. Montoya (8), Daniel L. Peterson (9), Bruce Levin (10), Mady Hornig (1), Oliver Fiehn (11), W. Ian Lipkin (12)

1 Centre for Infection and Immunity, Columbia University Mailman School of Public Health, New York, NY, USA

2 UC Davis Genome Centre – Metabolomics, University of California, Davis, CA, USA

3 Bateman Horne Center, Salt Lake City, UT, USA

4 Institute for Neuro Immune Medicine, College of Osteopathic Medicine, Nova Southeastern University, Fort Lauderdale, FL, USA

5 Miami VA Medical Centre, Miami, FL, USA

6 Harvard Medical School, Brigham and Women’s Hospital, Boston, MA, USA

7 Levine Clinic, New York, NY, USA

8 Stanford University, Palo Alto, CA, USA

9 Sierra Internal Medicine at Incline Village, Incline Village, NV, USA

10 Department of Biostatistics, Columbia University Mailman School of Public Health, New York, NY, USA

11 UC Davis Genome Centre – Metabolomics, University of California, Davis, CA, USA

12 Centre for Infection and Immunity, Columbia University Mailman School of Public Health, New York, NY, USA

Samenvatting

De pathogenese van M.E./CVS, een ziekte gekenmerkt door vermoeidheid, cognitieve dysfunktie, slaap-stoornissen, orthostatische intolerantie, koorts, prikkelbare darm syndroom (IBS) en lymfadenopathie [afwijkingen/vergroting van de lymfeklieren], wordt niet goed begrepen. We rapporteren over biomerkers en topologische analyse van het plasma metaboloom, faecaal bakterieel metagenoom en klinische gegeven van 50 M.E./CVS-patiënten & 50 gezonde controles. We bevestigen meldingen van gewijzigde plasma-waarden van choline, carnitine en complexe lipiden, en tonen aan dat patiënten met M.E./CVS & IBS verhoogde plasma-waarden van ceramide hebben. Integratie van faecal metagenoom en plasma metaboloom gegevens resulteerde in een sterker voorspellend model voor M.E./CVS (kruis-validatie AUC = 0.836) dan metagenoom (kruis-validatie AUC = 0.745) of metaboloom (kruis-validatie AUC = 0.820) -analyse apart. Onze bevindingen kunnen inzicht bieden in de pathogenese van M.E./CVS en z’n subtypes, en suggereren mechanismen voor de ontwikkeling van diagnostische en therapeutische strategieën.

Inleiding

[…]

Metaboloom-studies over M.E./CVS hebben onregelmatigheden onthuld aangaande het energie-, aminozuren-, nucleotiden- en stiktstof-metabolisme [Armstrong CW et al. Metabolism in Chronic Fatigue Syndrome. Adv Clin Chem (2014) 66: 121-172], alsook inconsistente verstoringen in neurotransmitter-gerelateerde mechanismen en het lipiden-metabolisme. In een massa-spectrometrische studie met 45 M.E./CVS-individuen en 39 gezonde controles, rapporteerden Naviaux et al. abnormaliteiten qua niveaus van fosfo- en sfingolipiden, cholesterol, ‘vertakte’ aminozuren, vitaminen, proline/glutamaat en mitochondriale metabolieten. [Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc Natl Acad Sci USA (2016) 113: E5472-5480] In een studie met 67 M.E./CVS-patiënten en 66 gezonde controles bepaalden Yamano en z’n collega’s 144 metabolieten en rapporteerden abnormaliteiten qua waarden van metabolieten gerelateerd met glycolyse, de TCA-cyclus en de ureum-cyclus, maar niet van het glutamine-metabolisme. [Index markers of Chronic Fatigue Syndrome with dysfunction of TCA and urea cycles. Sci Rep (2016) 6: 34990] Fluge et al. brachten bewijsmateriaal aan voor afwijkingen die consistent zijn met verstoorde funktie van pyruvaat-dehydrogenase die gelinkt is met verstoringen van de (TCA-cyclus gebaseerde) energie-produktie. [Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. JCI Insight (2016) 1] Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie heeft ook metaboloom-abnormaliteiten onthuld die consistent zijn met veranderde gluconeogenese, mogelijke inhibitie van de glycolyse en een verstoorde respons op oxidatieve stress. [Armstrong CW et al. Metabolic profiling reveals anomalous energy metabolism and oxidative stress pathways in Chronic Fatigue Syndrome patients. Metabolomics (2015) 11: 1626-1639] Een andere NM-studie vond dat bij M.E./CVS (t.o.v. controles) de waarden van glutamine en ornithine in het serum lager waren, en correleerden met metabolieten verbonden met de ureum-cyclus. [Armstrong CW et al. NMR metabolic profiling of serum identifies amino acid disturbances in Chronic Fatigue Syndrome. Clin Chim Acta (2012) 413: 1525-1531] Een piloot-studie (met de focus op plasma van vrouwen met M.E./CVS) onthulde wijzigingen qua energie-gerelateerde metabole molekulen en mechanismen. [Germain A et al. Metabolic profiling of a Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome discovery cohort reveals disturbances in fatty acid and lipid metabolism. Mol Biosyst (2017) 13: 371-379] We hebben melding gemaakt van analyses van het faecaal microbioom en stelden een model voor waarbij intestinale dysbiose kan bijdragen tot bakteriële metabole stoornissen die verschillen tussen M.E./CVS-subgroepen met of zonder IBS. [Nagy-Szakal D. et al. Fecal metagenomic profiles in subgroups of patients with Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. Microbiome (2017) 5, 44]

Hier rapporteren we over gerichte en ongerichte analyses van 562 molekulen die primaire metabolieten, biogene aminen, lipiden-complexen en oxylipinen [molekulen ontstaan door oxidatie van vetzuren] vertegenwoordigen, in het plasma van M.E./CVS-patiënten en controles. We beschreven ook de verbondenheid van de resulterende metaboloom-gegevens met faecaal metagenoom en klinische gegevens. Zoals bij onze eerder gerapporteerde metagenoom-analyses, vonden we dat metaboloom-profielen niet enkel verschilden tussen M.E./CVS-patiënten en controles maar ook tussen M.E./CVS-patiënten die al dan niet IBS hebben.

Methodes

Studie-ontwerp

[…]

Studie-populatie en plasma-collectie

[…] 1994 CDC Fukuda en/of Canadese consensus criteria voor M.E./CVS. Controles gematcht voor leeftijd, geslacht, ras/ethniciteit, geografische/klinische plaats en seizoen van afname. […]

[…]

Klinische beoordeling & medische anamnese

[…]

Zelf-gerapporteerd diagnose van IBS […] 24/50 M.E//CVS-patiënten (48%), 1/50 controle-individuen (2%). […]

Metabolomica

Er werden 3 ongerichte metaboloom-testen en 1 gerichte test uitgevoerd voor 562 metabolieten van 20 biochemische mechanismen [massa-spectrometrie]. […].

Statistische analyses

[…]

MetaMapp

[Methode om verbanden tussen biochemische en chemische verbanden te integreren om alle gedetekteerde metabolieten d.m.v. in netwerk-diagrammen in kaart te brengen. Deze diagrammen visualiseren op een efficiënte manier de op massa-spectrometrie gebaseerde metaboloom-gegevens. Een knooppunt vertegenwoordigt een metaboliet. Ge-upreguleerde en ge-downreguleerde knooppunten krijgen een verschillende kleur. De grootte van een knooppunt weerspiegelt de grootte-orde van het effekt.] […] Struktureel geïdentificeerde metabolieten werden gegroepeerd in 21 chemische groepen [carnitine-choline * tryliceriden (TG) * ceramide * fosfatidylethanolminen (PE) * aminozuren * oxylipinen * exposoom * vetzuren * sfingomyelinen (SM) * energie * complexe lipiden (LPC) * carnitine * suiker * suiker-alkohol * cholesterol * neutrale lipiden * één-koolstof/nicotinaat * neurotransmitter * nucleotide * vitamine]. De metabolieten werden manueel geklassificeerd omdat dit voor veel molekulen, inclusief complexe lipiden, niet altijd even goed gebeurt in bestaande databases. […]

Analyses van topologische gegevens

Metagenoom- en metaboloom-gegevens, inclusief plasma-waarden van de metabolieten, bakteriële samenstelling en afgeleide metabole mechanismen, plasma immuun-profielen en symptoom-ernst-scores, werden gebruikt voor TDA [‘topological data analysis’, topologische gegevens analyse]. De aangewende methodiek geeft de complexe biologische sets gegevens weer als gestruktureerde 3-dimensionele netwerken [knooppunten verbonden met lijnen]. […] De lijnen verbinden netwerk-knooppunten die gemeenschappelijke gegevenspunten bevatten. […] De grootte van een knooppunt in het topologisch netwerk was proportioneel met het aantal variabelen met een gelijkaardig profiel. We construeerden een netwerk bestaande uit 100 stalen en 1.900 variabelen (562 plasma-metabolieten, 574 faecale bakteriële relatieve aantallen […], 586 voorspelde bakteriële metabole mechanismen, 61 immuun-molekulen, 81 variabelen met betrekking tot M.E./CVS-vermoeidheid en andere symptoom-scores/vragenlijst-items, en informatie over co-morbiditeiten en 36 demografische variabelen). […]

Resultaten

Karakteristieken van de studie-populatie

[…] 41 vrouwelijke en 9 mannelijke M.E./CVS-patiënten (gemiddelde leeftijd 51,1 ± 1,6 jaar); 41 vrouwelijke en 9 mannelijke controle-individuen (gemiddelde leeftijd 51,3 ± 1,6 jaar). […] Prikkelbare darm syndroom (IBS) diagnose bij 24 van de 50 M.E./CVS-patiënten (48%). Eén van de 50 controle-individuen meldde een diagnose van IBS (2%).

Metaboloom-gegevens

Gerichte en ongerichte massa-spectrometrie leverde gegevens op voor 562 metabolieten: 111 primaire metabolieten (PM), inclusief deze gerelateerd met het tryptofaan-metabolisme, suikers, hydroxyzuren, keton-lichamen en andere molekulen van het energie-metabolisme; 103 biogene aminen (BA) inclusief vertakte en onvertakte acylcarnitinen, trimethylamine N-oxidase (TMAO [osmolyt (molekule bijdragend tot de (regulering van) osmotische druk in cellen en weefsels); ook gerapporteerd significant verhoogd te zijn bij fibromyalgie]), choline [organische stof die belangrijk is voor de struktuur van cel-membranen en andere membraan-strukturen, en voor neurotransmissie] en aminozuren; 302 complexe lipiden (CL) inclusief mono- en di-acylglyceriden [molekulen van glycerol gelinkt met 1 of 2 vetzuren], vetzuren, ceramide [(sfingo)lipide-molekule in het celmembraan waarvan bekend is dat het signalen door kan geven die leiden tot celdood; Naviaux rapporteerde bij M.E.(cvs) gedaalde waarden] sfingomyelinen [sfingolipiden die voornamelijk voorkomen in de myeline-schede rond axonen] en fosfolipiden [cel-membranen bestaan uit een dubbele laag fosfolipiden]; en 46 bio-aktieve oxylipinen (OL), steroïden en galzuren. […]

M.E./CVS is geassocieerd met een gewijzigd metaboloom-profiel

Exposoom- en vitamine-metabolieten (exogene milieu-stoffen) [Het exposoom is het geheel van menselijke (d.i. niet-genetische) blootstellingen aan het milieu vanaf de conceptie.]) werden uitgesloten [lijst beschikbaar op aanvraag] bij onze biomerker-analyse omdat vitamine-supplementen, medicijnen en dieet een impact kunnen hebben op de concentraties metabolieten onafhankelijk van de ziekte-toestand. [514 overblijvende metabolieten] We selekteerden de top 10 potentiële M.E./CVS-biomerkers. […] 5-methoxytryptamine (5-MT) werd uitgesloten aangezien het in 50% van de gevallen wordt verstoord door het gebruik van antidepressiva. […]

Bij de top plasma-biomerkers die M.E./CVS-patiënten differentiëren van controles waren gedaalde waarden van betaïne [osmolyt], complexe lipiden (lysofosdatidylcholine [LPC], fosfatidylcholinen [PC]) en sfingomyelinen (SM), en gestegen waarden van triglyceriden (TG), α-N-fenylacetyl-glutamine [metaboliet van de ureum-cyclus], ε-caprolactam [cyclisch amide] en urobiline [afbraakprodukt van oude erythrocyten; kleurstof in de urine]. [complete lijst beschikbaar op aanvraag] Analyse leerde dat M.E./CVS-individuen verminderde waarden qua PC en ontregeling van het of choline-carnitine mechanisme vertoonden.

MetaMapp-analyse van alle metabolieten, inclusief vitaminen en neurotransmitters, bracht de biochemische en chemische relaties in kaart in een metabool netwerk-diagram. De diagrammen beschrijven verhoogde TG en vetzuren, en verlaagde carnitinen, ceramiden, SM en fosfatidylcholinen bij M.E./CVS i.v.m. controles. De analyse toonde ook verminderd 5-MT, tyrosine en indol-3-lactaat [tryptofaan-metaboliet], en verhoogd vitamine-B5 (pantotheenzuur) bij de M.E./CVS-individuen. [In detail: MetaMapp identificeerde verstoringen in het tryptofaan-metabolisme, de carnitine-‘shuttle’ (enzymen-mechanisme verantwoordelijk voor de transfer van lange-keten vetzuren door het binnenste mitochondriaal membraan om te worden afgebroken) / energie-homeostase en de complexe lipiden. Metabolieten die het tryptofaan- en carnitine-mechanisme vertegenwoordigen waren gedaald bij M.E./CVS (t.o.v. controles). In tegenstelling daarmee waren threonzuur (metaboliet van ascorbinezuur of vitamine-C), aminozuren (tyrosine, methionine & lysine), fenylacetyl-glutamine, pantotheenzuur, hexa-ethyleen-glycol (metaboliet) & ε-caprolactam gestegen bij M.E./CVS. Lipiden-analyses toonden dat terwijl metabolieten die de SM, Cer/CE (ceramide) & PC/LPC mechanismen vertegenwoordigen verminderd waren bij M.E./CVS, de TG-mechanismen waren verhoogd.]

IBS co-morbiditeit is geassocieerd met veranderde metabole profielen bij M.E./CVS-patiënten

In eerder werk (met dezelfde individuen) bleek IBS co-morbiditeit de sterkste factor die bepalend was voor de topologische netwerken gebaseerd op faecaal metagenoom gegevens (bakteriële relatieve hoeveelheden en voorspelde bakteriële metabole mechanismen). Analyse van plasma-metabolieten onthulde dat metaboloom-profielen van M.E./CVS-patiënten met IBS zich onderscheiden van controles door waarden van TG, ceramiden, fosfatidylethanolminen (PE) [membraan-fosfolipiden] en metabolieten van het carnitine-choline mechanisme.

M.E./CVS-patiënten zonder IBS co-morbiditeit vertoonden verstoringen qua PCs en het carnitine-choline mechanisme, gelijkaardig met die gevonden bij de globale M.E./CVS-groep. Statistische analyses van de plasma-metabolieten identificeerden verhoogde waarden qua ceramiden, TG, PE, 5-methylthio-adenosine [een nucleoside; zie hieronder], mannitol [een een polyol of suiker-alkohol] en betaïne, alsook gedaalde waarden LPCs en γ-butyrobetaïne [voorloper van carnitine] bij M.E./CVS-patiënten met IBS t.o.v. controles. Bij M.E./CVS-patiënten zonder IBS vonden we verminderde waarden qua tyrosine en PC, en verhoogde waarden qua TG en Tyr-Met-Lys [de 3 aminozuren tyrosine, methionine & lysine] t.o.v. controles. In vergelijking met controles hadden alle M.E./CVS-groepen (globaal, met IBS en zonder IBS) gedaalde waarden van carnitine-choline metabolieten. M.E./CVS-patiënten met IBS hebben een onderscheidend metaboloom-profiel.

M.E./CVS is geassocieerd met een gewijzigd metaboloom-profiel bij vrouwen

De metabole profielen bij vrouwen met M.E./CVS waren gelijkaardig met deze die worden gezien bij alle M.E./CVS-gevallen. De waarden van complexe lipiden (LPC & PC) waren gedaald en de TG-waarden waren verhoogd bij M.E./CVS vs. controles. Bij de top 10 plasma biomerkers die de vrouwelijke M.E./CVS-patiënten differentieerden van de vrouwelijke controles waren verlaagd indol-3-lactaat en γ-butyrobetaïne. Deze bleken ook gereduceerd bij de globale M.E./CVS-groep maar behoorden niet tot de top 10.

Geselekteerde metabolieten als potentieel diagnostisch instrumetn bij M.E./CVS

M.E./CVS vs. controles

We testten de sensitiviteit en de specificiteit van de top 10 M.E./CVS-biomerkers […]. Deze metabolieten onderscheiden de M.E./CVS-individuen van de controles met een accuraatheid (‘receiver operating characteristic’ (ROC) [ROC-analyse is een statistische methode die internationaal gebruikt wordt als toets voor de voorspellende waarde van een variabele of instrument; de ROC-curve is een grafiek van de gevoeligheid tegen de specificiteit] & ‘area under the curve’ (AUC) [oppervlakte onder de curve; samenvattende maatstaf die in wezen het gemiddelde maakt van de diagnostische accuraatheid over het spectrum van de test-waarden: een AUC = 1 betekent een perfeke test; AUC = 0.90-1 is excellent (hoge sensitiviteit en hoge specificiteit), 0.80-0.90 is goed] van 0.960 (kruis-validatie [een techniek om na te gaan welke resultaten de statistische analyse van een voorspellend model zal hebben voor onafhankelijke gegevens] AUC = 0.820). Er bleken in onze eerder studie 8 bakteriële soorten M.E./CVS te voorspellen […] (Coprococcus (C.) catus, Pseudoflavonifractor (P.) capillosus, Dorea (D.) formicigenerans, Faecalibacterium (F.) prausnitzii, Clostridium (C.) asparigiforme, Sutterella (S.) wadsworthensis, Alistipes (A.) putredinisand Anaerotruncus (A.) colihominis; kruis-validatie AUC = 0.745). Een model dat metagenoom- en metaboloom-gegevens integreert, geeft een betere voorspellende waarde (ROC AUC = 1.000, kruis-validatie AUC = 0.836) dan metagenoom- of metaboloom-gegevens apart. […]

IBS-subgroepen vs. controles

[…] De top 10 metabolieten onderscheiden M.E./CVS met IBS van de controles met een accuraatheid van AUC = 0.877 (kruis-validatie AUC = 0.754). In onze eerdere studie werden 9 bakteriële soorten geselekteerd om M.E./CVS+IBS te voorspellen […] (F. cf., F. prausnitzii, Bacteroides (B.) vulgatus, A. putredinis, C. catus, Anaerostipes (A.) caccae, D. formicigenerans, A. colihominis & C. asparagiforme; kruis-validatie AUC = 0.791. Een model dat metagenoom- en metaboloom-gegevens integreert, geeft een betere voorspellende waarde (AUC = 1.000, kruis-validatie AUC = 0.824) dan metagenoom- of metaboloom-gegevens apart.

Bij M.E./CVS zonder IBS zorgden de top 10 metabolieten ook voor een onderscheid met een hoge accuraatheid (AUC = 0.975, kruis-validatie AUC = 0.839). In onze eerdere studie werden 7 bakteriële soorten geselekteerd om ME/CFS-IBS te voorspellen (B. caccae, P. capillosus, Parabacteroides (P.) distasonis, B. fragilis, Prevotella (P.) buccalis, B. xylanisolvens & D. formicigenerans; kruis-validatie AUC = 0.754). Een model dat metagenoom- en metaboloom-gegevens integreert, geeft een betere voorspellende waarde (MET+BACT: AUC = 1.000, kruis-validatie AUC = 0.880) dan metagenoom- of metaboloom-gegevens apart.

Plasma metaboloom-profielen, faecale bakteriële profielen en symptoom-scores bij M.E./CVS

[lijst met unieke en gedeelde metabolieten in de M.E./CVS-subgroepen beschikbaar op aanvraag]

De relatieve aantallen van bakteriële soorten in faeces van de individuen varieerden met hun plasma metaboloom-profielen. Verminderd betaïne bleek geassocieerd met minder A. colihominis. Gedaald PC 30:0 correleerde met minder A. putredinis, een bakterie die sulfonolipiden – ongewone sfingolipiden die struktureel gerelateerd zijn met ceramiden – produceert. Van sfingolipiden is geweten dat ze bakterieën helpen overleven en stress-resistentie bevorderen.

Bij M.E./CVS met IBS was 5-methylthio-adenosine (een metaboliet afgeleid van S-adenosylmethionine als neven-produkt van de polyamine-biosynthese, dat toxisch kan zijn voor zoogdier-cellen) geassocieerd met funktionele stoornissen. Ceramide was geassocieerd met verhoogde lichamelijke vermoeidheid. Gedaald γ-butyrobetaïne correleerde met meer Faecalibacterium, een bakterie die een belangrijke rol speelt bij de aanmaak in de dikke-darm van butyraat [boterzuur], een neven-produkt van fermentatie met een voordelige impact op de werking van de intestinale barrière en anti-inflammatoire effekten.

In M.E./CVS zonder IBS correleerde gedaald tyrosine met minder P. distasonis. Verhoogd TG 54:6 A was gecorreleerd met D. formicigenerans, en TG 54:8 was gecorreleerd met minder B. caccae & D. formicigenerans. Parabacteroides & Bacteroides soorten hebben het vermogen complexe polysacchariden om te zetten in energie-bronnen. D. Formicigenerans is een koolhydraten-fermenterende bakterie die mierenzuur en lactaat produceert.

TDA-analyse voor netwerk-identificatie

‘Topological data analysis’ (TDA) [zie methodes] van plasma metaboloom- en faecaal metagenoom-gegevens, en klinische symptoom-ernst identificeerde netwerken die M.E./CVS van controles onderscheiden. Profielen van bakteriële relatieve aantallen waren sterkere bepalende factoren voor netwerk-onderscheid dan plasma-metabolieten.

Bespreking

We rapporteerden eerder dat M.E./CVS-patiënten met IBS, M.E./CVS-patiënten zonder IBS en normale controle-individuen groep-specifieke verschillen vertonen qua faecale microflora. We hebben de karakterisatie van dezelfde individuen uitgebreid d.m.v. gerichte en ongerichte metaboloom-analyses van het plasma en geïntegreerde analyse van plasma metaboloom-, faecal metagenoom- en klinische gegevens.

De groep van Naviaux rapporteerde eerder gedaalde plasma-waarden van sfingomyelinen, ceramiden en fosfolipiden (met uitzondering van 18:1 & PC 22:6, die gestegen waren). Tomic et al. rapporteerden verhoogde plasma-waarden TG. [Lipid and protein oxidation in female patients with Chronic Fatigue Syndrome. Arch Med Sci (2012) 8: 886-891] Germain et al. rapporteerden over metabolome biomerkers voor het verstoorde aminozuren-, energie-, suiker- en vetzuren-metabolisme bij M.E./CVS-patiënten. [zie hierboven] Geen van deze research-groepen onderzocht de impact van IBS op metaboloom-profien bij M.E./CVS. Onze analyse bevestigde de gedaalde waarden van fosfolipiden en SM, en de gestegen waarden van TG, maar verschilde met betrekking tot specifieke molekulen. We vonden bij de gevallen geen verschillen qua PC 18:1 & PC 22:6. We vonden ook geen consistente afname qua ceramide-waarden. Terwijl M.E./CVS zonder IBS verminderde waarden van de ceramiden d43:1 & d42:1 vertoonden, bleken bij M.E./CVS met IBS verhoogde waarden van 6 ceramiden: d36:1, d40:0, d42:0, d 34:1, d38:1 & d40:1.

Ceramide is een was-achtig lipide dat betrokken is bij de suppressie van elektronen-transport, insuline- & leptine-resistentie, en apoptose. Eerdere studies meldden dat ceramiden betrokken zouden kunnen zijn bij de pathologie van IBS en metabole aandoeningen. Verhoogde waarden van lipopolysacchariden (LPS) geassocieerd met een gewijzigd darm-microbioom [Giloteaux L et al. Reduced diversity and altered composition of the gut microbiome in individuals with Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome. Microbiome (2016) 4: 30] kunnen de aktivatie van sfingomyelinase (SMAse [enzyme]) en de hydrolyse [splitsing] van SM triggeren om ceramide te produceren. Ceramiden zijn toxisch voor veel cel-subtypes via de aanmaak van reaktieve zuurstof-soorten en zou een rol kunnen spelen bij darm-barrière-dysfunktie en verhoogde darm-permeabiliteit. Er werden gestegen waarden van ceramide gerapporteerd in mucosa [(darm)slijmvlies] -stalen van IBS-patiënten alsook in plasma- en weefsel-stalen bij diabetes, cardiomyopathie, insuline-resistentie, atherosclerose [‘aderverkalking’] en steatohepatitis [‘vette lever’; veroorzaakt levercirrose]. Het blokkeren van SMAse om ceramide-waarden te doen dalen kan therapeutisch zijn door inflammatie te reduceren. Patiënten met M.E./CVS en IBS hadden ook hogere plasma mannitol-concentraties. We speculeren dat mannitol de permeabiliteit kan verhogen van de darm-mucosa en de bloed-hersen-barrière resulterend in het doorlaten van molekulen zoals cytokinen en neurotransmitters, wat bijdraagt tot de ziekte.

Net als Armstrong en z’n collega’s, vinden we wijzigingen qua metabolieten geassocieerd met het mitochondriaal energie-metabolisme. Een eerdere studie meldde significante dalingen van TCA-cyclus metabolieten gerelateerd met het energie-metabolisme bij M.E./CVS-patiënten. [Yamano E et al.] De gerapporteerde dysfunktie had een impact op het carnitine-metabolisme en ATP/energie-metabolisme in de spieren van M.E./CVS-patiënten. [Armstrong CW et al. (2015)] Carnitine is een belangrijk supplement dat acyl-CoA transfereert naar de mitochondriale matrix en deelneemt aan vetzuur β-oxidatie (TCA-cyclus, ATP-produktie en energie-metabolisme). Studies omtrent carnitine-waarden in het serum en plasma bij M.E./CVS bleken niet overtuigend: sommige teams meldden reducties terwijl andere normale waarden vonden. In een open-label studie met 30 patiënten, bleken acetyl-carnitine supplementen de vermoeidheid en cognitieve funktie verbeteren bij 59% van de M.E./CVS-patiënten. [Vermeulen RC & Scholte HR. Exploratory open label, randomized study of acetyl- and propionylcarnitine in Chronic Fatigue Syndrome. Psychosom Med (2004) 66: 276-282; zie ook ‘Lange-keten acylcarnitine deficiëntie bij CVS] In onze studie waren molekulen van het choline-carnitine mechanisme gedaald bij M.E./CVS-patiënten ongeacht hun IBS-status.

Onze resultaten zijn consistent met vroegere rapporten die suggereren dat metabolieten gelinkt met het lipiden- en energie-metabolisme aangetast zijn bij M.E./CVS. Ze breiden vroeger werk uit door aan te tonen dat M.E./CVS-individuen met IBS co-morbiditeit een duidelijk verschillend metaboloom-profiel hebben t.o.v. M.E./CVS-individuen zonder IBS en controles.

Veel M.E./CVS-patiënten in onze groep namen vitamine-B supplementen (26/50, 52%) die het potentieel hebben de waarden van pantotheenzuur te doen stijgen. Het gebruik van vitamine-B supplementen was geassocieerd met hogere waarden van pantotheenzuur en lagere vermoeidheid-scores (gegevens niet getoond). Het aantal stalen was echter onvoldoende groot om een significant verband te testen. Plasma-waarden van 5-MT, een molekule gerelateerd met het tryptofaan-, serotonine- en melatonine-metabolisme, waren gedaald bij M.E./CVS; deze bevinding werd echter verstoord door het gebruik van selektieve serotonine heropname inhibitoren (SSRIs) of andere antidepressiva (serotonine-norepinefrine heropname inhibitoren en tricyclische antidepressiva) bij 25 van de 50 (50%) M.E./CVS-individuen vs. 6 of 50 (12%) gezonde controles. Voorafgaande metaboloom-studies hebben gereduceerde waarden van 5-MT in het plasma aangetoond bij chronische, maar niet acute, SSRI-toediening. In menselijke cellen is 5-MT een belangrijk metaboliet dat betrokken is bij de omzetting van serotonine (5-hydroxytryptamine) en melatonine (N-acetyl-5-methoxytryptamine). Er werden eerder al gedaalde waarden van serotonine-transporters, die een rol spelen bij het reguleren van serotonine-waarden in de synapsen, gerapporteerd bij M.E./CVS. [Yamamoto S. et al. Reduction of serotonin-transporters of patients with Chronic Fatigue Syndrome. Neuroreport (2004) 15: 2571-2574]

Correlatie-studies suggereerden mogelijke verbanden tussen 5-MT neurotransmitter metabolieten en de ernst van M.E./CVS, inclusief verstoorde cognitieve funktie, slaap-stoornissen en globaal verhoogde vermoeidheid-scores bij M.E./CVS. Bijkomende studies met grotere aantallen individuen zullen nodig zijn om te bekijken of plasma-waarden van pantotheenzuur of 5-MT gecorreleerd kunnen worden met symptomen en om te bepalen of er een subgroep M.E./CVS-patiënten is waarvan kan worden voorspeld dat ze voordeel haalt uit medicijnen die de geassocieerde mechanismen moduleren.

In onze studie waren 41 van de 50 M.E./CVS-individuen (82%) vrouwen, net zoals 41 op 50 (82%) controle-individuen. Gezien het feit dat de overgrote meerderheid patiënten en controles vrouwen waren, is het niet verrassend dat de bevindingen bij vrouwen met M.E./CVS gelijkaardig waren met de bevindingen in de globale M.E./CVS-groep. Beide hadden lage waarden complexe lipiden (LPC & PC) en hogere waarden TG dan controles. De studie-groep omvatte slechts 9 M.E./CVS mannen en 9 mannelijke controles; dus is er onvoldoende ‘power’ om ev. verschillen tussen vrouwen en mannen te bekijken. Dit verschil qua prevalentie per geslacht is kenmerkend voor M.E./CVS (typisch 4:1 vrouwen:mannen).

Ons voorspellend model onderscheidt M.E./CVS-patiënten van controles met hoge accuraatheid; maar dit dient echter te worden geverifieerd via een onafhankelijke studie.

M.E./CVS is een heterogene aandoening. Identificatie van M.E./CVS-subgroepen die worden gekarakteriseerd d.m.v. specifieke metaboloom-profielen die primaire metabolieten, biogene aminen, complexe lipidomica [studie van mechanismen en netwerken van cellulaire lipiden in biologische systemen] en oxylipinen integreren, zouden de aflijning van subtypes moeten mogelijk maken en leiden tot specifieke diagnostische en therapeutische strategieën.

Volgende pagina »

Blog op WordPress.com.