M.E.(cvs)-wetenschap

januari 25, 2018

Pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie bij CVS?

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 12:26 pm
Tags: , , , , , , ,

In het artikel ‘Metabolic profiling indicates impaired pyruvate-dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome’ (zie ‘Verstoorde werking van pyruvaat-dehydrogenase bij M.E.(cvs)’) rapporteerden de Noorse Ritixumab-onderzoekers Øystein Fluge & Olav Mella over een funktionele verstoring van het enzyme pyruvaat-dehydrogenase (PDH) op basis van biochemische veranderingen in het bloed van M.E.(cvs)-patiënten. Hun resultaten sluiten aan bij (gepubliceerd) werk van andere metabolisme-researchers.

Een Noorse arts/professor van de afdeling Medische Biochemie van het Universitair Ziekenhuis van Oslo, goed op de hoogte in zake de biochemische diagnose van pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie, publiceerde een commentaar/kritiek daarop in een landelijk tijdschrift (enkel in het Noors).

Fluge & Mella hebben het eerder over een PDH-inhibitie (suppressie/onderdrukking). Dit kan misschien een gevolg zijn van een andere dysfunktie in het energie-metabolisme. Nu wordt er geargumenteerd dat er geen deficiëntie is. Spreekt men hier over twee verschillende dingen? Het is bij wetenschappelijk onderzoek ook van belang kritiek in acht te nemen en daarom geven wij dit mee. Bij verder onderzoek kan zeker rekening worden gehouden met de aanbevelingen.

De auteur gaf als belangen-conflict aan dat hij een vergoeding heeft ontvangen voor een lezing op een professioneel forum van psychiaters, ondersteund door het farmaceutisch bedrijf Lundbeck.

————————-

Tidsskr Nor Laegeforen. (2017) 137: 23-24

Tenuous link between Chronic Fatigue Syndrome and pyruvate dehydrogenase deficiency

Yngve Thomas Bliksrud

In een studie van het energie-metabolisme bij patiënten met het Chronische Vermoeidheid Syndroom concludeerden onderzoekers verminderde pyruvaat-dehydrogenase aktiviteit bij patiënten, maar de metingen passen niet bij de veranderingen die we zien bij patiënten met primaire genetische pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie.

In een studie gepubliceerd in december 2016 werd een gewijzigd patroon van aminozuren in plasma gevonden bij patiënten met het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Bovendien werd veranderde gen-expressie gedetekteerd in witte bloedcellen en veranderde de energie-produktie in spiercellen [zie link in onze inleiding]. De auteurs interpreteren de resultaten als expressie van funktionele remming van het enzyme pyruvaat-dehydrogenase, en ze suggereren een ontregeling van dit enzyme-complex als mogelijke belangrijke factor in de pathogenese van het Chronische Vermoeidheid Syndroom.

Het onderzoek kreeg uitgebreide aandacht in de [Noorse] media en de link met pyruvaat-dehydrogenase werd openbaar gemaakt zonder voorbehoud. In ons laboratorium ontvingen we stalen voor de metabole screening van patiënten met mogelijk vermoeidheid-syndroom. Op basis van mijn ervaring met biochemische diagnose van pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie, wil ik wijzen op gebreken in de studie die moeten aansporen tot een aanzienlijk grotere mate van voorzichtigheid omtrent de conclusies.

Kritiek op methode en interpretatie

In het onderzoek werden aminozuur-concentraties in plasma van 200 patiënten en 102 gezonde controle-personen onderzocht. De onderzoekers vonden significante verschillen tussen de twee groepen maar de betekenis is onduidelijk omdat ze zich niet hebben gebaseerd op de gevestigde diagnose van pyruvate-dehydrogenase deficiëntie en omdat de stalen niet op een gestandaardiseerde manier zijn genomen.

AMINOZUREN-PATROON VOLDOET NIET AAN WAT WIJ ZIEN BIJ PATIËNTEN MET PRIMAIRE PYRUVAAT-DEHYDROGENASE DEFICIËNTIE

Pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie verhoogt de concentratie van pyruvaat in bijvoorbeeld spier- en zenuwcellen. Pyruvaat wordt omgezet in lactaat en het aminozuur alanine. Alanine is het enige aminozuur dat naar verwachting buiten het referentie-gebied valt in plasma en cerbrospinaal vocht bij primaire pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie (één tot twee keer de bovengrens van referentie). Het onderzoek meldde echter een neiging tot lagere alanine-spiegels bij de patiënten. Het is verrassend dat deze opvallende discrepantie niet in het artikel wordt genoemd.

VERKEERDE NORMALISATIE VOOR TESTEN KAN HET VERSCHIL TUSSEN DE GROEPEN VERKLAREN

Een vasten-test wordt sterk aanbevolen bij het bepalen van de plasma-concentratie van aminozuren, omdat de niveaus aanzienlijk variëren met het dieet en ook gedurende de dag tot 10-15%. In de studie worden niet-nuchtere aminozuur-patronen met kleine afwijkingen vergeleken. Het is heel vreemd dat de auteurs geen grotere bedenkingen hebben bij dieet als een verstorende factor wanneer ze zelf hebben aangetoond dat het dieet alleen de groep aminozuren beïnvloedt die argumenteren voor verstoord pyruvaat-dehydrogenase. De studie toonde significante verschillen tussen nuchtere en niet-nuchtere patiënten. De nuchtere patiënten werden daarom uitgesloten van verdere statistische analyse. De auteurs moeten ook duidelijker maken dat een mogelijke verborgen vertekening tussen de patiënten-groep en de controle-groep met betrekking tot voeding en staalname een alternatieve verklaring kan zijn voor de gevonden verschillen. Systematische verschillen in voeding tussen de groepen zijn niet ondenkbaar. […]

WAT MET DE PYRUVAAT/LACTAAT-RATIO EN EEN DIRECTE METING VAN DE PYRUVAAT-DEHYDROGENASE AKTIVITEIT?

De pyruvaat/lactaat-verhouding in het plasma kan patiënten met pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie van andere patiënten met hyperlactacidemie [verhoogd lactaat in het bloed] onderscheiden. Deze ratio heeft daarom een centrale plaats in de biochemische diagnostiek van pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie. In het onderzoek werd de pyruvaat/lactaat-verhouding niet bepaald. Dat is jammer: de verhouding had een belangrijke aanwijzing kunnen geven voor, mogelijk tegen, pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie. Een directe bepaling van de enzyme-aktiviteit in de cellen is ook de sleutel bij de routine-matige diagnostiek van pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie. Het is vreemd dat dit in de studie niet is gedaan in spiercellen die groeien in de aanwezigheid van serum van de patiënt.

SPECIFIEKE LINK MET CHRONISCHE VERMOEIDHEID SYDROOM VEREIST MEERDERE CONTROLE-GROEPEN

In de studie heeft de patiënten-groep een ander expressie-patroon dan de controle-groep met betrekking tot genen geassocieerd met het pyruvaat-dehydrogenase complex. Dit is een interessant resultaat maar de studie biedt geen basis voor het interpreteren van het verschil als specifiek voor het Chronische Vermoeidheid Syndroom.

Volgens de consensus-criteria hebben patiënten een “aanzienlijk verminderd aktiviteiten-niveau” gehad gedurende minimaal zes maanden. Het is bekend dat de expressie van genen geassocieerd met het volledige metabolisme (inclusief pyruvaat-dehydrogenase complex) verandert bij immobilisatie. Spieren groeien en verdwijnen naar gelang het aktiviteit-niveau, daarom zijn er in deze studie verschillende expressie-patronen te verwachten. Vooraleer het expressie-patroon specifiek kan worden gekoppeld aan het Chronische Vermoeidheid Syndroom, moet het niet alleen worden vergeleken met gezonde mensen maar met andere patiënten-groepen die een overeenkomstig verminderd aktiviteiten-niveau ervaren, zoals een beroerte, fracturen, nier-falen of ernstige depressie. In het onderzoek werd ook aangetoond dat in spiercellen in vitro het energie-metabolisme kan veranderen in de aanwezigheid van serum van patiënten met het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Het is interessant dat dit experimenteel kan worden aangetoond maar evenmin kan deze waarneming specifiek worden gekoppeld aan het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Nogmaals: meer controle-groepen van patiënten met verminderde aktiviteiten-niveaus zijn om andere redenen nodig. De studie laat bijvoorbeeld een verminderde produktie van hoge-energie fosfaten (ATP) in vitro zien. In een muizen-model waarin spiercellen worden gekweekt in aanwezigheid van serum van individuen met spier-atrofie en chronisch nierfalen, neemt de ATP-produktie ook af.

CHRONISCHE VERMOEIDHEID IS NIET TYPISCH VOOR PRIMAIRE GENETISCHE PYRUVAAT-DEHYDROGENASE DEFICIËNTIE

De auteurs suggereren dat pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie een sleutel is in de pathofysiologie van het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Chronische vermoeidheid is geen typisch symptoom bij patiënten met primaire genetische pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie, noch ernstig noch mild. Het vereist een opmerking maar wordt met geen woord vermeld.

Pragmatische beoordelingen gevraagd

Onderzoek naar metabole mechanismen voor het Chronische Vermoeidheid Syndroom is interessant, en het grote werk van Fluge en collega’s kan hypotheses genereren die verder onderzoek waard zijn. De auteurs komen echter al heel vroeg vast te zitten bij de opvallende pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie als onderdeel van de pathofysiologie van het Chronische Vermoeidheid Syndroom. Momenteel is het verband tussen bewezen aminozuur-veranderingen en pyruvaat-dehydrogenase deficiëntie te zwak, en de verandering in gen-expressie en energie-metabolisme is te onspecifiek voor een dergelijke harde conclusie.

————————-

De endocrinoloog Emeritus Professor Frank Comhaire (Universitair Ziekenhuis, Gent) staat bekend als specialist op het vlak van de behandeling van mannelijke infertiliteit en ondernemer (het op de markt brengen van testen en complementaire behandelingen). De voorbije jaren ontwikkelde hij ook een interesse voor M.E.(cvs)…

In een artikel getiteld ‘Chronic Fatigue Syndrome (CFS) or “systemic immune disorder” (SID)? (Internal Medicine 2016, 6: 225) rapporteerde hij dat er bewijs voor het feit dat “CVS te wijten” is “aan een systemische immuun-stoornis waarbij oxidatieve, immunologische en epigenetische mechanismen de aktiviteit van pyruvaat-dehydrogenase kinase (PDHK) kunnen verhogen en de pyruvaat-dehydrogenase aktiviteit inhiberen”. Op basis daarvan liet hij een ‘nutriceutical’ (voeding-supplement) testen dat bepaalde organische zuren van algen, vitamine-B1, alfa-liponzuur, acetyl-L-carnitine en oxidoreductase-ubiquinon Q10 bevat. Bij publicatie van een kleine piloot-studie (n = 10; patiënten gediagnosticeerd in Belgische CVS-referentie-centra (!???!)) (‘A Novel Nutriceutical Treatment of Myalgic Encephalitis/Chronic FatigueSyndrome (ME/CFS): “What it is and what it is not”; Internal Medicine 2017, 7:5) bleken er evenveel responders als niet-responders te zijn. Deze laatsten bleken uiteindelijk (na verdere diepgaande screening) aan een andere aandoening dan M.E.(cvs) te leiden. Op het moment van het verschijnen van het artikel was een patent hangende…

Er werd verder meegegeven dat een mogelijke diagnostische methode voor de detektie van deficiënte enzymatische aktiviteit van PDH is: het meten van de concentraties van pyruvaat en acetyl-coenzyme-A in monocyten. “Dit vergt geavanceerde laboratoriumtechnologie”…

Merk op: het tijdschrift Internal Medicine (met slechts een beperkte impact en niet opgenomen in PubMed of Web Of Science) is niet het gerenommeerde Journal of Internal Medicine of het befaamde Annals of Internal Medicine…

Advertenties

maart 8, 2017

Hersen- en ruggemerg-abnormaliteiten bij CVS

Filed under: Neurologie — mewetenschap @ 1:35 pm
Tags: , , , , , ,

Eerder posten we hier al artikels over hersen-letsels op MRI (zie bv. ‘MRI Bewijs voor hersenstam-dysfunktie bij CVS’), problemen met de ‘hersendoorbloeding’/cerebrale bloeddoorstroming (zie bv. ‘Neurocognitie & cerebrale bloeddoorstroming bij CVS+POTS’), abnormaliteiten in het ‘ruggemergvocht’/cerebrospinaal vocht (zie o.a. ‘CVS-gerelateerd proteoom in cerebrospinaal vocht’ & ‘Lactaat in Ventriculair Cerebrospinaal Vocht is verhoogd bij CVS’), cognitieve moeilijkheden (bv. ‘Multi-tasking: een uitdaging voor patiënten met M.E.(cvs)’) en andere neurologische problemen

Een aantal daarvan worden in onderstaand artikel nog eens bevestigd. Bij ca. één derde van de patiënten (met of zonder een psychiatrische problematiek) werden afwijkingen in het ruggemerg gevonden na lumbaal-punktie (die helemaal afwezig waren bij controles). De groep CVS-patiënten vertoonden significant verhoogd lactaat en significant verlaagd glutathion bij hersen-beeldvorming, en de doorbloeding van de hersenen was significant lager.

Bij een deel van de CVS-patiënten kan men dus spreken van een encefalopathie (een ‘hersen-ziekte’). En daardoor kan worden gesteld dat M.E. een juiste term is voor de subgroep patiënten met meerdere hersen-abnormaliteiten. CVS (chronische vermoeidheid) is niet noodzakelijk M.E.!

De auteurs vonden geen verschillen tussen 2 groepen CVS-patiënten met en zonder een psychiatrische ziekte en de studie bevestigt dus dat een psychiatrische ziekte geen verband houdt met de ziekte-ernst, cognitieve of lichamelijke funkte. Dit bewijst dat CVS de niet bepaald wordt door een psychiatrische stoornis.

————————-

Journal of the Neurological Sciences (Pre-print Feb 2017)

Multimodal and simultaneous assessments of brain and spinal fluid abnormalities in Chronic Fatigue Syndrome and the effects of psychiatric co-morbidity

Benjamin H Natelson (a), Xiangling Mao (b), Aaron J Stegner (a), Gudrun Lange (a), Diana Vu (a), Michelle Blate (a), Guoxin Kang (b), Eli Soto (c,d), Tolga Kapusuz (c), Dikoma C Shungu (b)

a Department of Neurology, Mount Sinai Beth Israel, New York, NY, United States

b Department of Radiology, Weill Cornell Medicine, New York, NY, United States

c Department of Pain Management, Mount Sinai Beth Israel, New York, NY, United States

d Millennium Pain Centres, Bloomington, IL, United States

Samenvatting

Het doel van dit onderzoek was om na te gaan of CVS-patiënten zonder co-morbide psychiatrische diagnoses verschillen van CVS-patiënten met co-morbide psychiatrische diagnoses en gezonde controle-individuen, wat betreft neuropsychologische prestaties, de proportie met verhoogd proteïne of aantal witte bloedcellen in het ruggemergvocht, cerebrale bloeddoorstroming (CBF), lactaat en glutathion (GSH) in de hersen-ventrikels. De resultaten van de studie toonden geen verschillen qua meet-resultaten tussen CVS-patiënten met en zonder psychiatrische co-morbiditeit, waarmee wordt aangegeven dat de psychiatrische toestand wellicht geen verergerende factor voor CVS is. Belangrijk: er werden significante verschillen gevonden tussen de gepoolde CVS-stalen vergeleken met controles. Deze omvatten lager GSH & CBF, en hogere ventriculair lactaat en meer ruggemergvocht-afwijkingen bij CVS-patiënten in vergelijking met gezonde controles. 13 van de 26 patiënten hadden abnormale waarden voor 2 of meer van deze 4 hersen-variabelen. Deze bevindingen, die de resultaten van een aantal van onze eerdere studies repliceren, ondersteunen de aanwezigheid van een aantal neurobiologische en ruggemergvocht-afwijkingen bij CVS. Deze resultaten zullen leiden tot nader onderzoek naar objectieve biomerkers van de aandoening om CVS beter te begrijpen.

Inleiding

[…] Door het ontbreken van gevalideerde ziekte-biomerkers, wordt de diagnose CVS momenteel gesteld op basis van een relatief brede klinische definitie. Bijgevolg is de ‘pool’ van patiënten opgenomen in klinische studies over het algemeen heterogeen, wat zeer waarschijnlijk de vooruitgang van de research belemmert.

In een reeks onderzoeken waarbij CVS-patiënten werden gegroepeerd volgens het al dan niet hebben van een co-morbide As-I [alle psychologische diagnostische categorieën uitgezonderd mentale retardatie en persoonlijkheid-stoornissen] psychiatrische diagnose, hebben we meer hersen-gerelateerde afwijkingen gerapporteerd in de groep patiënten zonder psychiatrische co-morbiditeit; deze omvatten slechtere prestaties op neuropsychologische tests [DeLuca J, Johnson SK, Ellis SP, Natelson BH. Cognitive functioning is impaired in Chronic Fatigue Syndrome patients devoid of psychiatric disease. J Neurol Neurosurg Psychiatry (1997) 62: 151-155; zie ook ‘Neuropsychologische prestaties van personen met CVS], meer hersen-letsels op strukturele MRI [Lange G, DeLuca J, Maldjian JA, Lee HJ, Tiersky LA, Natelson BH. Brain MRI abnormalities exist in a subset of patients with Chronic Fatigue Syndrome. J Neurol Sci (1999) 171 :3-7], een grotere afname qua cerebrale bloeddoorstroming [Yoshiuchi K, Farkas J, Natelson BH. Patients with Chronic Fatigue Syndrome have reduced absolute cortical blood flow. Clin Physiol Funct Imaging (2006) 26: 83-86], een hoger percentage van ofwel verhoogd proteïne of aantal witte bloedcellen in het ruggemergvocht [Natelson BH, Tseng C-L, Ottenweller JE. Spinal fluid abnormalities in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Clin Diagn Lab Immunol (2005) 12: 53-55] en een tendens tot hoger ventriculair lactaat (niet-gepubliceerde resultaten). In de huidige studie hadden we als doel het bevestigen van de aanwezigheid van deze klinische, biochemische, fysiologische en beeldvorming verschillen, prospectief en op hetzelfde tijdstip, om te bepalen of groepering van CVS-patiënten op basis van psychiatrische co-morbiditeit een nuttige strategie zou kunnen zijn om heterogeniteit bij toekomstige studies te minimaliseren.

Methodes

Individuen: […] 44 patiënten die voldeden aan de 1994 definitie voor CVS [Fukuda] en 17 gezonde controles die niet meer dan eens per week trainden – d.w.z. sedentair; om 2 redenen: om het verschil qua inaktiviteit te minimaliseren en omdat ‘fitte’ controles fysiologisch verschillen van ‘niet-fitte’ controles […]. Niemand had psychiatrische problemen die worden uitgesloten bij de CVS-definitie […] (‘Structured Clinical Interview for DSM-IV6’, SCID). […]

Criteria voor CVS-diagnose: Gezondheid-screening (www.painandfatigue.com). Mate van aktiviteiten-vermindering […]. Informatie aangaande de 8 symptomen van de 1994 definitie: deze moesten minstens 6 maand bestaan. Aangeven hoeveel last de 8 CVS-symptomen hen hadden bezorgd de maand voor de opname in de studie […].

Procedure: […] Een ‘face-to-face’ interview => 36 patiënten […]. Centraal-werkende medicatie (psychotropica, slaap- of pijn-geneesmiddelen – met uitzondering van NSIADs) die de hersen-chemie kunnen beïnvloeden, dienden te worden stopgezet of minimum 10 dagen vóór de beeldvorming. Bloed-testen […]. Na toestemming van het individu: lumbale punktie […].

Psychiatrische beoordeling en neuropsychologische testen: SCID => 2 groepen: CVS met huidge psychiatrische diagnose (CFS-P) & CVS zonder huidge psychiatrische diagnose (CFS-NP). Neuropsychologische testen (de ‘North American Adult Reading Test’ – meting van de intellektuele capaciteiten voor de aanvang van de ziekte; de ‘Gordon Vigilance and Distractibility Test’ – computer-test voor volgehouden en gefocuste aandacht, en verwerking-snelheid; de ‘WAIS [‘Wechsler Adult Intelligence Scale’] IV Digit Span forward and backward’ – beoordeling van aandacht en werk-geheugen; de ‘Rey-Osterrieth complex figure test’ – meting van de visueel-constructieve capaciteiten [organiseren en manueel manipuleren van ruimtelijke informatie] en het visueel geheugen. […]

Neurologische beeldvorming: […] Proton magnetische resonantie spectroscopie (1H MRS): meting van ventriculair lactaat en glutathion, en MRI om de cerebrale bloeddoorstroming vast te stellen.

Statistische analysis: […]

Resultaten

Klinische kenmerken

[…] Het totaal staal omvatte 60 individuen (CVS: 43, controles: 17). Voor de beeldvorming was dat CVS: 35, controles: 17; en voor de ruggemergvocht-analyses CVS: 35, controles: 13). Er waren geen significante verschillen qua leeftijd, geslacht of body-mass-index tussen patiënten en controles. De individuen die niet werden opgenomen voor de beeldvorming of voor de ruggemergvocht-analyses (omwille van ontbrekende gegevens) verschilden ook niet significant van de rest qua demografische, symptoom- of stemming-variabelen.

16 van de 43 CVS-patiënten (37,2%) bleken huidige psychiatrische diagnoses te hebben (majeure depressie, andere depressie, algemene angst stoornis, post-traumatische stress, ander angst of fobie). […] Geen enkele gezonde controle had een huidige psychiatrische diagnose.

[…] De patiënten rapporteerden meer vermoeidheid, minder energie en een slechtere gezondheid en stemming; CFS-P patiënten hadden significant slechtere scores dan CFS-NP wat betreft emotionele gezondheid, emotioneel welzijn, depressie en stemming. Er waren geen verschillen tussen controles en patiënten of tussen CFS-P en CFS-NP voor de neuropsychologische variabelen. […]

Ruggemergvocht

Bij 9 op 35 patiënten werden ruggemerg-abnormaliteiten gevonden (4 met verhoogde aantallen witte bloedcellen, 4 met gestegen proteïne-concentraties en 1 met beide) t.o.v. geen enkele bij de 13 gezonde controles. Aan- of afwezigheid van een psychiatrische diagnose beïnvloedde de resultaten niet. Er waren geen significante verschillen qua ruggemergvocht-lactaat en deze parameter correleerde niet met ventriculair lactaat.

Neurologische beeldvorming

De verzamelde CVS-patiënten (maar niet de CFS-P of CFS-NP afzonderlijk) vertoonden significant hoger ventriculair lactaat en significant lager glutathion (occipitale kwab) dan de gezonde controles. De cerebrale bloeddoorstroming (beoordeeld in 39 gebieden bilateraal) bleek significant lager bij CVS dan bij controles in 3 gebieden (de frontale mediale orbitale cortex, frontale superieure mediale cortex & rectus gyri [hersenschors-gebieden]) […].

Analyse van uitschieters [‘outliers’]

[In de statistiek is een ‘Outlier’ een observatie/waarde die ver-verwijderd is van de andere.] […] Enkel de deelnemers met gegevens voor alle 4 criteria-variabelen werd opgenomen. Zodoende was het staal gereduceerd tot 39 deelnemers (26 CVS-patiënten en 13 controles). Van de 26 patiënten waren er 1, 3 en 9 individuen met, respectievelijk, abnormaliteiten voor 4, 3 of 2 hersen-gerelateerde variabelen (de ‘brain-affected’ groep) in tegenstelling tot geen enkele van de 13 controles. […]

Lactaat in het ruggemergvocht was een variabele die de ‘brain-affected’ groep en de patiënten met < 2 van de 4 hersen-gerelateerde uitkomsten (15,94 ± 2,34 vs. 13,48 ± 1,46, respectievelijk) onderscheidde; de lactaat-waarden in de ‘brain-affected’ groep waren ook significant hoger dan bij gezonde controles (15,94 ± 2,34 vs. 13,05 ± 4,27, respectievelijk). […] Degenen in de ‘brain-affected’ groep hadden een significant lagere rCBF in 33 van 36 bilaterale gebieden vergeleken met patiënten met < 2 criteria. Slechts de thalamus, hippocampus en parahippocampus waren niet significant verschillend. […]

Bespreking

[…] Het groeperen van patiënten op basis van aanwezigheid of afwezigheid van psychiatrische co-morbiditeit onthulde geen significante subgroep-verschillen qua ruggemergvocht-abnormaliteiten, neuropsychologische test-resultaten, ventriculair lactaat, corticaal glutathion of cerebrale bloeddoorstroming. Dus: deze studie bevestigt meerdere voorgaande die vonden dat de aanwezigheid van een psychiatrische ziekte geen verband houdt met de ziekte-ernst zoals weerspiegeld via ziekte-verloop, cognitieve verwerking of lichamelijk funktioneren. Dit resultaat is zeer belangrijk omdat het aangeeft dat noch de fenomenologie van CVS noch de biologie ervan wordt bepaald door een psychiatrische diagnose. Een andere belangrijke uitkomst van deze studie is dat er significante verschillen werden gevonden tussen verzamelde CVS-patiënten en gezonde controles die de resultaten van eerdere studies repliceren wat betreft frequentere abnormale ruggemergvocht-uitkomsten [zie hierboven: Natelson BH et al. (2005)], abnormaal hoger ventriculair lactaat [Shungu DC, Weiduschat N, Murrough JW 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 /// Mathew SJ, Mao X, Keegan KA et al. Ventricular cerebrospinal fluid lactate is increased in Chronic Fatigue Syndrome compared with generalized anxiety disorder: an in vivo 3.0 T 1H MRS imaging study. NMR Biomed (2009) 22: 251-258 /// Murrough JW, Mao X, Collins K et al. Increased ventricular lactate in Chronic Fatigue Syndrome measured by 1H MRS imaging at 3T: Comparison with major depressive disorder. NMR Biomed (2010) 23: 643-650], lager corticaal glutathion [zie: Shungu DC et al. (2012)] en lagere regionale cerebrale bloeddoorstroming [zie hierboven: Yoshiuchi K et al. (2006) /// Biswal B, Kunwar P, Natelson BH. Cerebral blood flow is reduced in patients with Chronic Fatigue Syndrome as assessed by arterial spin labeling. J Neurol Sci (2011) 301: 9-11] bij CVS. Deze gegevens ondersteunen onze werk-hypothese dat sommige CVS-patiënten een encefalopathisch proces vertonen dat verantwoordelijk is voor hun ziekte.

Hoewel deze gegevens consistente abnormaliteiten tonen voor de groep van alle CVS-patiënten voor de hersen-gerelateerde variabelen, blijft de vraag, over hoe dikwijls deze abnormaliteiten gewonden zouden worden bij individuele patiënten, onbeantwoord. De helft van de patiënten had meer dan één abnormaliteit. Deze groep patiënten met meerdere hersen-gerelateerde abnormaliteiten zou nader bekeken dienen te worden bij toekomstige studies met als doel het identificeren van de patiënten met een brein-dysfunktie. Deze strategie zou de patiënten-heterogeniteit reduceren en de kansen verbeteren op een beter begrip van de onderliggende pathofysiologie van CVS bij deze subgroep. Het zal belangrijk zijn te bepalen of specifieke ziekte-kenmerken deze ‘brain-affected’ groep zouden helpen identificeren. Onze post-hoc analyse gaf aan dat ruggemergvocht-lactaat en cerebrale bloeddoorstroming in gebieden buiten deze die worden gebruikt om deze subgroep te definiëren, deze patiënten onderscheiden van deze zonder hersen-abnormaliteiten of gezonde controles. Maar replicatie van deze bevindingen plus bijkomende inspanningen om andere voorspellers van de ‘brain-affected’ groep te identificeren, zijn nodig bij toekomstige studies.

Hoewel de resultaten van deze studie de aanwezigheid van meer hersen- en ruggemergvocht-abnormaliteiten bij CVS zonder eerder dan met psychiatrische co-morbiditeit (zoals gepostuleerd) niet ondersteunde, waren ze een replicatie van en ondersteuning voor de resultaten van onze eerdere studie [zie: Shungu DC et al. (2012)], die hypothiseerde dat de geobserveerde abnormaliteiten wijzen op een pathofysiologisch model voor CVS waarbij oxidatieve stress aan de basis kan liggen van de klinische manifestaties van de aandoening. Ventriculair lactaat en corticaal glutathion waren in dezelfde mate veranderd bij CVS en patiënten met majeure depressie [zie: Shungu DC et al. (2012)]; bovendien waren de waarden van ventriculair lactaat in dezelfde mate verhoogd bij CVS als bij fibromyalgie [Natelson BH, Vu D, Coplan JD et al. Elevations of ventricular lactate levels occur in both Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia. Fatigue: Biomedicine, Health & Behavior (2017; in press)] […]. Hoewel dit betekent dat geen van beide chemische stoffen kan worden gebruikt als een specifieke biomerker voor CVS, impliceert dit dat beide ziekten wellicht een pathofysiologische link delen die verband houdt met oxidatieve stress. Het is echter belangrijk te weten dat ventriculair lactaat kan dienen als een merker voor therapeutische doeltreffendheid. […] Verdere studies zijn daarom aangewezen om te bepalen of een bepaalde combinatie van deze hersen-gerelateerde variabelen kan dienen als potentiële biomerkers en zo een meer betrouwbare diagnose kan bieden en een meer doeltreffende behandeling kan aanduiden.

Sterktes en zwakheden: Het voornaamste sterke punt van deze studie is dat meerdere en diverse beoordelingen van de hersen-funktie werden uitgevoerd bij hetzelfde individu. Dit liet ons toe de hypothese te testen dat sommige patiënten brein-dysfunktie hebben die een waarschijnlijke oorzaak van hun ziekte is. Die hypothese werd ondersteund d.m.v. een oplijsting van hoe dikwijls patiënten uitschietende waarden hadden voor de 4 hersen-gerelateerde variabelen die CVS differentieerden van controles. Myalgische Encefalomyelitis, een term die dikwijls wordt gebruikt in het V.K., werd oorspronkelijk gebruikt in een vroeg rapport over medisch onverklaarde vermoeidheid vergezeld van neurologische tekenen. Deze term kan ‘t best worden toegepast op de subgroep patiënten met meerdere abnormale hersen-gerelateerde variabelen – t.t.z. de ‘brain-affected’ groep.

Een beperking van de stude is het feit dat de deelnemers dienden te stoppen met hersen-aktieve medicijnen aangezien die de hersen-gerelateerde variabelen zouden hebben kunnen beïnvloed; zodoende werd de participatie in de studie beperkt tot patiënten die geen medicijnen namen of in staat waren hun medicatie te stoppen. Een andere zwakte houdt verband met de grootte van het staal: niet alle deelnemers verstrekten gegevens voor alle bestudeerde hersen-gerelateerde variabelen. Daarnaast: gezien de heterogene aard van CVS, is het mogelijk dat de grootte van onze patiënten-groepen niet genoeg statistische ‘power’ gaf die nodig is om verschillen te detekteren in deze populaties. Niettemin waren er voldoende aantallen patiënten en controles om ons toe te laten de analyse te genereren.

januari 19, 2017

Post-exertionele malaise versus vermoeidheid

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 2:31 pm
Tags: , , , , , ,

Tijdens de 12e ‘IACFS/ME Conference’ (Oktober 2016; Fort Lauderdale, Florida) werd nieuwe research gepresenteerd die focust op het fenomeen van post-exertionele malaise (PEM). Er werd daar (nog maar eens) geopperd dat de benaming ‘Chronische Vermoeidheid Syndroom’ niet correct is en de aandoening trivialiseert. M.E./CVS wordt gekenmerkt door verscheidene symptomen, waarvan PEM (het ‘crashen’ of fel verslechteren van de reeds aanwezige symptomen) bijna altijd voorkomt. Co-voorzitter van de conferentie Dr Lily Chu (Stanford University, Palo Alto, California) zei daarover: “Veel studies tonen aan dat fysieke inspanning de symptomen van M.E./CVS-patiënten verergert. De manier waarop deze patiënten voorkomen is heel verschillend van gezonde mensen of patiënten met andere aandoeningen.”. Het ‘Institute of Medicine’ rapporteerde (in 2015) al dat PEM (naast andere symptomen) vereist/verplicht is om de diagnose van M.E. of M.E./CVS te kunnen stellen en dat het géén optioneel/facultatief criterium is (zoals bij de definitie van de ‘Centres for Disease Control and Prevention’).

PEM kan optreden na een fysieke of cognitieve inspanning (bij een minderheid door emotionele belasting/stress). Hoewel vermoeidheid het meest courant verslechtert, worden ook dikwijls meer cognitieve problemen, verstoorde slaap, hoofdpijn, spierpijn en een griep-achtig gevoel gerapporteerd. Soms ook gastro-intestinale, orthostatische en met stemming gerelateerde verergeringen. De timing en de duur van de symptomen varieert: PEM kan optreden 24h na de trigger; bij anderen is dit 3 of meer dagen. Soms is PEM moeilijk te identificeren en daarom wordt aangeraden een dagboek bij te houden waarin de symptomen en de aktiviteit worden genoteerd.

Er zijn een aantal studies die de biologische verbanden van PEM documenteren. Tijdens deze ‘IACFSME conference’ werden er een ook aantal voorgesteld. We geven er hier een paar interessante mee (uit het de conferentie-syllabus)…

Lees ook ‘Dubbele fietstest’, ‘M.E./CVS-patiënten niet in staat maximale VO2 te herhalen bij 2daagse fietstest’, ‘Verminderde zuurstof-extractie tijdens een cardiopulmonaire inspanning-test bij CVS’, ‘Geen herstel van acidose na herhaalde inspanning bij CVS’ & ‘Vertraagd herstel na Inspanning bij CVS’.

————————-

Blood lactate increases more rapidly after a previous exercise challenge in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis (CFS/ME) than in healthy subjects

Katarina Lien et al.

University of Oslo, Norway

Achtergrond: Eerdere bevindingen op basis van herhaalde cardiopulmonaire inspanning-testen (CPET) suggereren dat inspanning op dag 1 de piek zuurstof-opname (piek VO2) op dag 2 negatief beïnvloedt bij patiënten met CVS/M.E. Accumulatie van lactaat geeft de overgang aan naar anaërobe glycolyse, een beperkende factor voor maximale prestaties.

Doelstellingen: Het belangrijkste doel was het effekt te onderzoeken van een inspanning op piek VO2 en lactaat-accumulatie bij CVS/M.E.-patiënten die een CPET uitvoerden op 2 opéénvolgende dagen.

Methodes: 18 vrouwelijke patiënten (18-50 jaar) die voldeden aan de Canadese Consensus Criteria en de Internationale Consensus Criteria voor CVS/M.E., en 15 controles (gezonde, sedentaire vrouwen; 18-50 jaar) voerden 2 CPET uit met een tussentijd van 24 uur. We maten de zuurstof-opname en namen arterieel bloed af voor lactaat-analyse, bij ‘baseline’ en elke 30ste seconde tijdens de testen. Er werden statistische analyses toegepast voor herhaalde metingen.

Resultaten: De lactaat-waarden per hoeveelheid arbeid waren hoger bij patiënten dan bij controles voor beide testen (p < 0.001). Verder trad de lactaat-accumulatie vroeger op bij test 2 bij de patiënten en later bij de gezonde individuen, vergeleken met hun respectievelijke lactaat-accumulatie bij test 1 (p < 0.001). Bij test 1 was de gemiddelde (± SD) piek VO2 (ml/kg/min) lager bij de patiënten dan bij de controles (24,2 ± 4,9) vs. 36,6 ± 6,2; p < 0.001). Het gemiddeld verschil qua test/her-test piek VO2 was -1,4 ± 1.1 bij de patiënten (p < 0.001), terwijl er geen verschil werd gevonden bij de controles (-0,9 ± 1,8; p = 0.07). Het gemiddelde test/her-test verschil qua piek VO2 verschilde echter niet tussen de groepen (p = 0.33).

Besluit: CVS/M.E.-patiënten hadden hogere lactaat-waarden dan gezonde individuen bij ‘baseline’ en per hoeveelheid arbeid voor beide testen. Daarnaast lijkt de eerste inspanning een vroegere lactaat-accumulatie te induceren bij patiënten wanneer die de volgende dag werden her-test. Dit is niet zo bij gezonde individuen. Verder bevestigt deze studie dat CVS/M.E.-patiënten een gedaalde fysieke capaciteit hebben vergeleken met gezonde individuen maar de verandering qua piek VO2 bij herhaalde CPET onderscheidde de patiënten niet van gezonde controles.

————————-

Cardiopulmonary Exercise Testing Demonstrates Post-Exertional Chronotropic Incompetence

Haylee Bettencourt (1), Todd E. Davenport (2), Jared Stevens (3), Staci R. Stevens (3), Christopher R. Snell (3) & J. Mark Van Ness (1)

(1) Department of Health, Exercise and Sport Science, University of the Pacific, Stockton, CA, United States

(2) Department of Physical Therapy, University of the Pacific, Stockton, CA, United States

(3) Workwell Foundation, Ripon, CA, United States

Achtergrond: Chronotropische incompetentie (CI) is het onvermogen van het hart om z’n tempo evenredig te verhogen bij gestegen funktionele vereisten. CI is courant bij patiënten met cardiovasculaire ziekte en geassocieerd met inspanning-intolerantie die leven-kwaliteit aantast. In eerdere studies toonden we aan dat CVS/M.E.-patiënten post-exertionele inspanning-intolerantie ervaren.

Doelstelling: Deze studie onderzocht de hartslag-respons bij inspanning om te bepalen of CI geassocieerd is met post-exertionele inspanning-intolerantie.

Methodes: 39 vrouwen met CVS/M.E. en 39 voor leeftijd en gewicht gematchte controle-individuen (CON). De individuen voerden een graduele inspanning test uit ‘wilskrachtige vermoeidheid’ op een fiets-ergometer (Test 1). 24 uur later voerde een subgroep van 17 individuen met CVS/M.E. en 18 controle-individuen een tweede inspanning-test uit 24 om de hartslag-respons bij inspanning te onderzoeken in de post-exertionele toestand (Test 2). De hartslag (HR) werd continu geregistreerd gedurende de inspanning-test. De gegevens werden geanalyseerd in rust, bij de anaërobe drempel (AT) en bij inspanning-piek. Enkel de individuen die de criteria voor maximale inspanning bereikten, werden opgenomen voor de analyse. […]

Resultaten: De HR in de CON-groep was niet significant verschillend tussen Test 1 & 2 bij om ‘t even welke inspanning-intensiteit (rust: 88 ± 11 vs 89 ± 19; AT: 126 ± 17 vs 121 ± 12; piek: 182 ± 12 vs 180 ± 15; waarden uitgedrukt als gemiddelde ± standaard-deviatie). De responsen van de CVS/M.E.-groep waren niet significant verschillend van CON voor Test 1 (rust: 90 ± 15; AT: 120 ± 13; piek: 170 ± 10). De CVS/M.E.-groep vertoonde echter significant lagere piek hartslag-waarden voor Test 2 (rust: 100 ± 18; AT: 116 ± 10; piek: 165 ± 10; p < .05) t.o.v. Test 1. De HR-metingen waren niet significant verschillend tussen de groepen of inspanning-testen, uitgezonderd de gedaalde piek-waarde tijdens de tweede inspanning-test bij individuen van de CVS/M.E.-groep.

Besluit: Patiënten met CVS/M.E. lijken post-exertionele dalingen qua piek HR-respons op inspanning te vertonen, wat kan bijdragen tot inspanning-intolerantie en de geobserveerde dalingen qua zuurstof-verbruik tijdens post-exertionele malaise. De combinatie van een verhoogde hartslag in rust en gedaalde hartslag bij piek-inspanning kan bijdragen tot de gedaalde leven-kwaliteit.

[Dr Jose G. Montoya (Division of Infectious Diseases, Stanford Univeristy) zegt hier over: “Het verschil is significant (niet subtiel). Bijzonderlijk omdat de mensen in de studie fysiek in staat waren om de inspanning-testen uit te voeren; in een grotere populatie zouden de resultaten waarschijnlijk nog veel slechter geweest zijn…”]

januari 7, 2017

Verstoorde werking van pyruvaat-dehydrogenase bij M.E.(cvs)

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 8:37 am
Tags: , , , , , , , , ,

Samen met medewerkers van 5 Noorse ziekenhuizen brachten Oystein Fluge & Olav Mella – die de immunosuppressiva rituximab (en cyclofosfamide) test(t)en als mogelijke (momenteel nog preliminair/experimenteel; want niet bevestigd) behandeling bij M.E.(cvs) – het metabolisme van een behoorlijk grote groep patiënten (en gezonde controles) gedetailleerd in kaart. We geven het uitgebreid artikel hier zo compleet mogelijk weer om (mede-)patiënten zo goed mogelijk te informeren en het belang ervan te onderstrepen naar behandelaars/onderzoekers toe…

De researchers detekteerden specifieke biochemische veranderingen in het bloed van M.E.(cvs)-patiënten. De waarden van bepaalde aminozuren waren gedaald. Het patroon gaf belangrijke informatie over de mechanismen die de symptomen veroorzaken en vooral over het energie-metabolisme bij de patiënten.

De reductie van de specifieke aminozuren werd voornamelijk gevonden bij vrouwen met M.E.(cvs). De verschillen bij mannelijke M.E.(cvs)-patiënten waren minder significant (vergeleken met gezonde mannen). De onderzoekers vonden echter dat de waarden van een bepaald aminozuur dat de afbraak van proteïnen in spierweefsel weerspiegelt gestegen waren bij mannelijke M.E.(cvs)-patiënten. Aangezien mannen meer spiermassa hebben dan vrouwen, zouden proteïnen van spierweefsel kunnen worden gebruikt als extra energie-reserve.

Onder normale omstandigheden gebruiken mensen koolhydraten, vetten (lipiden) en proteïnen (opgebouwd uit aminozuren) als energie-bronnen, in de katabole (afbraak-) processen in de mitochondrieën. Wanneer intense lichamelijke inspanning wordt gevergd, ontstaat een tekort aan zuurstof in de spier-mitochondrieën (anaërobe inspanning), zodat glucose wordt omgezet naar melkzuur (lactaat). Het enzyme pyruvaat-dehydrogenase (PDH) speelt een belangrijke rol bij de regulering van de processen die zorgen voor de omzetting van koolhydraten naar energie. Onderstaande studie suggereert dat PDH geïnhibeerd (onderdrukt) is bij M.E.(cvs)-patiënten.

Als de aktiviteit van PDH verstoord is, kunnen de cellen reageren door het verbruik van alternatieve ‘brandstoffen’ te verhogen, wat de veranderingen in het aminozuren-profiel in het bloed bij M.E.(cvs) kan verklaren. Ondanks de pogingen tot compensatie van het lichaam, zou deze situatie het vermogen van de cellen om de metabole processen aan te passen (om een geschikt antwoord te bieden voor de steeds veranderende vereisten qua energie-produktie) kunnen compromitteren. Lichamelijke aktiviteit kan dan leiden tot een plots energie-gebrek in de spieren, samen met een accumulatie van melkzuur. Bij ernstig zieke M.E.(cvs)-patiënten kan dit worden gezien na een minimale belasting.

Na meting van de gen-expressie (mRNA) in witte bloedcellen (PBMCs) van een aantal factoren die PDH reguleren, vonden de onderzoekers dat meerdere belangrijke factoren die de werking van PDH remmen, verhoogd waren bij de M.E.(cvs)-patiënten. Deze veranderingen waren aanwezig bij de vrouwelijk en mannelijke patiënten. Dit geeft aan dat de PDH-inhibitie zelf optreedt bij de beide geslachten maar dat de effekten op het metabolisme geslacht-specifiiek kunnen zijn.

Het is zeer waarschijnlijk dat M.E.(cvs) ook regulatie-problemen in andere delen van het metabolisme (bv. het verwerken van vetten) omvat en dat wordt verder onderzocht. Er wordt ook onderzoek verricht om te begrijpen hoe een vermoedelijk defekte immuun-respons (Auto-immuniteit?) een inhibitie van het cellulair metabolisme zou kunnen veroorzaken (Welke auto-antilichamen hinderen welke signalisering-mechanismen?).

De resultaten sluiten aan bij (gepubliceerd) werk van Robert Naviaux in de V.S., McGregor & Armstrong et. al. in Australië, Ruud Vermeulen in Nederland, Emi Yamano et al. in Japan en anderen… (zie links in de tekst) Lees ook ‘Geen herstel van acidose na herhaalde inspanning bij CVS’, ‘Computer-model voor inspanning-intolerantie bij M.E.(cvs)’ & ‘Oxidatieve fosforylatie na herhaalde inspanning bij CVS’ alhier.

————————-

Journal of Clinical Investigation Vol. 1, #2 (december 2016)

Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in Myalgic Encephalopathy/ Chronic Fatigue Syndrome

Oystein Fluge (1), Olav Mella (1,2), Ove Bruland (1,3), Kristin Risa (1), Sissel E. Dyrstad (4), Kine Alme (1), Ingrid G. Rekeland (1), Dipak Sapkota (1), Gro V. Rosland (4), Alexander Fossa (5), Irini Ktoridou-Valen (1), Sigrid Lunde (1), Kari Sorland (1), Katarina Lien (6), Ingrid Herder (6), Hanne Thurmer (7), Merete E. Gotaas (8), Katarzyna A. Baranowska (8), Louis M.L.J. Bohnen (9), Christoph Schafer (9), Adrian McCann (10), Kristian Sommerfelt (11), Lars Helgeland (12), Per M. Ueland (2,10), Olav Dahl (1,2), Karl J. Tronstad (4)

1 Department of Oncology and Medical Physics, Haukeland University Hospital, Bergen, Norway

2 Department of Clinical Science, University of Bergen, Bergen, Norway

3 Department of Medical Genetics and Molecular Medicine, Haukeland University Hospital, Bergen, Norway

4 Department of Biomedicine, University of Bergen, Bergen, Norway

5 Department of Oncology, Norwegian Radium Hospital, Oslo University Hospital, Oslo, Norway

6 CFS/ME Centre, Division of Medicine, Oslo University Hospital, Oslo, Norway

7 Telemark Hospital, Department of Medicine, Notodden, Norway

8 Department of Pain and Complex Disorders, St. Olav’s Hospital, Trondheim, Norway

9 Division of Rehabilitation Services, University Hospital of Northern Norway, Tromso, Norway

10 Bevital AS, Bergen, Norway

11 Department of Pediatrics Haukeland University Hospital, Bergen, Norway

12 Department of Pathology, Haukeland University Hospital, Bergen, Norway

[Oystein Fluge & Olav Mella hebben mogelijks een belangen-conflict omwille van hun patenten m.b.t. de B-cel depletie bii M.E./CVS.]

Samenvatting

Myalgische Encefalopathie/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een uitputtende ziekte zonder gekende etiologie, met als kenmerkende symptomen post-exertionele malaise en een slecht herstel. Metabole dysfunktie is een plausibele bijdragende factor. We hypothiseerden dat wijzingen qua aminozuren in het serum specifieke defekten in het energie-metabolisme kunnen blootleggen bij M.E./CVS. Een analyse van 200 M.E./CVS-patiënten en 102 gezonde individuen toonde een specifieke daling van de aminozuren die het oxidatief metabolisme via de TCA-cyclus voeden, voornamelijk bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten. De concentratie in het serum van 3-methylhistidine, een merker voor endogeen proteïnen-katabolisme, was significant gedaald bij mannelijke patiënten. Het aminozuren-patroon suggereerde een funktionele verstoring van pyruvaat-dehydrogenase (PDH), wat werd ondersteund door verhoogde mRNA-expressie van de inhiberende PDH-kinasen 1, 2 & 4; sirtuine-4 en PPARδ in perifeer bloed mononucleaire cellen [PBMCs] bij beide geslachten. Myoblasten opgekweekt in aanwezigheid van serum van patiënten met ernstige M.E./CVS vertoonden metabole aanpassingen, inclusief verhoogde mitochondriale ademhaling en overmatige lactaat-sekretie. De aminozuren-veranderingen konden niet worden verklaard door symptoom-ernst, ziekte-duur, leeftijd, BMI of niveau van fysieke aktivteit. Deze bevindingen zijn in overéénstemming met de manier waar op de ziekte zich klinisch presenteert: met inadequate ATP-generatie via oxidatieve fosforylatie en excessieve lactaat-produktie bij inspanning.

Inleiding

[…] Research suggereert dat M.E./CVS gepaard gaat met wijzigingen in fundamentele processen van het energie-metabolisme [Armstrong CW, McGregor NR et al. NMR metabolic profiling of serum identifies amino acid disturbances in Chronic Fatigue Syndrome. Clin Chim Acta (2012) 413: 1525-1531 /// Filler K et al. Association of Mitochondrial Dysfunction and Fatigue: A Review of the Literature. BBA Clin. (2014) 1: 12-23]. Dergelijke metabole veranderingen kunnen ontstaan door ontregelde fysiologische respons-mechanismen (immuun-aktivatie, inflammatie en receptor-gemedieerde signalisering) [Hornig M et al. Distinct plasma immune signatures in ME/CFS are present early in the course of illness. Sci Adv. (2015) 1: 1]. Er zijn echter geen consistente gegevens die een gemeenschappelijk metabool defekt aangeven die de symptomen van deze patiënten zouden kunnen verklaren. […]

[…] Observaties suggereren dat de systemische inspanning-intolerantie bij M.E./CVS, minstens gedeeltelijk, een omschakeling naar anaërobe glycolyse, waarbij lactaat wordt gegenereerd bij een significant lagere belasting dan bij gezonde mensen, zou kunnen inhouden. Er werden verhoogde lactaat-waarden gevonden in het cerebrospinaal vocht van M.E./CVS-patiënten [Murrough JW et al. Increased ventricular lactate in Chronic Fatigue Syndrome measured by 1H MRS imaging at 3.0 T. NMR Biomed. (2010) 23: 643-650 /// Shungu DC et al. Increased ventricular lactate in Chronic Fatigue Syndrome. Relationships to cortical glutathione and clinical symptoms implicate oxidative stress in disorder pathophysiology. NMR Biomed. (2012) 25: 1073-1087; zie ook ‘Lactaat in Ventriculair Cerebrospinaal Vocht is verhoogd bij CVS]. Het vinden van defekten in glucose-gebruik en lactaat-produktie is echter niet evident op basis van routine bloed-analyses, wellicht omdat de afname gebeurt in rust zonder voorafgaande lichamelijke inspanning.

Er werden wijzigingen qua serum- (of plasma-) concentraties van bepaalde aminozuren gerapporteerd bij M.E./CVS-patiënten. Een studie over aminozuren in het serum […] toonde significant lagere waarden glutamine & ornithine, wijzend op een mogelijke stoornis in het aminozuren- en stikstof-metabolisme [Armstrong CW, McGregor NR et al.; zie hierboven]. Dezelfde onderzoekers vonden significant gedaalde serum-waarden voor glutamaat & fenylalanine [vrouwelijke M.E./CVS-patiënten] en ze stelden voor dat verminderde glucose-oxidatie leidt tot toegenomen gebruik van aminozuren als substraat in de TCA-cyclus [Armstrong CW, McGregor NR et al. Metabolic profiling reveals anomalous energy metabolism and oxidative stress pathways in Chronic Fatigue Syndrome patients. Metabolomics. (2015) 11: 1626-1639]. In een andere studie werden significante dalingen voor meerdere aminozuren en metabolieten gezien in de urine van M.E./CVS-patiënten [Niblett SH et al. Hematologic and urinary excretion anomalies in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Exp Biol Med (2007) 232: 1041-1049]. Deze gegevens ondersteunen de aanwezigheid van een metabool defekt maar de specifieke oorzaak werd nog niet geïdentificeerd.

De anaërobe drempel en herstel-tijd na inspanning hangen af van de hoeveelheid geproduceerd lactaat en de opruiming ervan. Lactaat wordt gemaakt uit pyruvaat, hoofdzakelijk door glucose-katabolisme via glycolyse, of de afbraak van bepaalde aminozuren. Onder normale aërobe omstandigheden wordt pyruvaat getransporteerd naar de mitochondrieën waar het wordt omgezet naar acetyl-CoA d.m.v. het pyruvaat-dehydrogenase (PDH) complex. Daarnaast wordt acetyl-CoA geproduceerd zonder tussenkomst van PDH, via degradatie van vetzuren en ketogene aminozuren [die kunnen worden omgezet tot acetyl-CoA]. Het gevormd acetyl-CoA wordt verder geoxideerd in de TCA-cyclus en dient als brandstof voor de mitochondriale ademhaling en aanmaak van adenosine-trifosfaat (ATP) via oxidatieve fosforylatie. Onder anaërobe omstandigheden, wanneer tekort aan zuurstof mitochondriale ademhaling verhindert, stapelt het pyruvaat zich op in het cytosol, wat leidt tot verhoogde aanmaak en cellulaire excretie van lactaat. Mitochondriale dysfunktie leidt tot overmatige lactaat-produktie én een gebrekkige toevoer van ATP, en werd gesuggereerd een rol te spelen bij M.E./CVS [werk door Myhill]. PDH werkt als een toegangsweg in het oxidatief metabolisme door het coördineren van de afbraak van energie-substraten afgeleid van koolhydraten, vetten en aminozuren. Een daling qua PDH enzymatische aktiviteit kan leiden to accumulatie van pyruvaat en daardoor over-produktie van lactaat, zelfs in aanwezigheid van toereikende zuurstof. De PDH-aktiviteit wordt verder gecontroleerd door PDH-kinasen (PDKs) die de PDH enzyme-aktiviteit remmen via fosforylatie [verbinding met een fosfaat-groep; dergelijke enzymatische reaktie speelt dikwijls een rol bij signaal-overdracht], en PDH-fosfatasen die defosforylatie katalyseren. Sirtuine-4 (SIRT4) werd geïdentificeerd als een mitochondriaal lipoamidase [enzyme] dat de PDH-aktiviteit inhibeert [sirtuinen zijn NAD+-afhankelijke enzymen betrokken bij gen-regulering en het metabolisme]. PDK1-PDK4 worden gereguleerd op transcriptie-niveau via signalisering-aanwijzingen waarbij factoren zoals AMP-afhankelijk proteïne kinase (AMPK [zie link in de ‘Bespreking’]), PPARs [peroxisoom proliferator geaktiveerde receptoren; groep van receptor-eiwitten in de cel-kern die als transcriptie-factoren de expressie van bepaalde genen reguleren] en HIF1 [hypoxie-induceerbare factoren zijn transcriptie-factoren die reageren op dalingen van de beschikbare zuurstof in het cellulair milieu] betrokken zijn. Er werd een mogelijke rol van een verstoorde werking van PDH en abnormale AMPK-aktivatie bij M.E./CVS voorgesteld [Rutherford G, Manning P, Newton JL. Understanding muscle dysfunction in Chronic Fatigue Syndrome. J Aging Res. (2016) 2497348].

Samengevat: eerdere bevindingen ondersteunen dat ontregeling van PDH en veranderingen qua aminozuren in het serum betrokken kunnen zijn bij het pathomechanisme voor M.E./CVS. Onze hypothese was dat M.E./CVS geassocieerd is met een defekt oxidatief metabolisme waarbij PDH betrokken is, leidend tot verhoogd gebruik van ketogene aminozuren om de TCA-cyclus van brandstof te voorzien. Om deze hypothese te controleren, bestudeerden we de concentraties van aminozuren in serum-stalen van 200 M.E./CVS-patiënten die voldeden aan de ‘Canadian consensus criteria’ en 102 gezonde controles. Om mogelijke ziekte-mechanismen na te gaan, hebben we de mRNA-expressie van relevante genen in PBMCs van M.E./CVS-patiënten en gezonde controles gemeten. We stelden gecultiveerde spiercellen bloot aan serum van M.E./CVS-patiënten om te bepalen of bestanddelen in het bloed het cellulair energie-metabolisme kunnen beïnvloeden.

Methodes

ME/CVS-patiënten en gezonde controles. Alle deelnemende patiënten voldeden aan de Canadese consensus criteria voor M.E./CVS. […] 162 vrouwen [gemiddeld 37,8 jaar oud] en 38 mannen [gemiddeld 36,3 jaar oud]. BMI (kg/m2) gemiddeld 24,9 voor de vrouwelijke & 25,0 voor de mannelijke patiënten. Controles (bloed-donoren en medisch personeel): 67 vrouwen [gemiddeld 34,5 jaar oud] en 35 mannen [gemiddeld 36,2 jaar oud] […].

Van de 200 M.E./CVS-patiënten waren er 47 die overnacht vastten voor de bloed-afname en 153 die dat niet deden. Alle 102 gezonde controles vastten niet. We vergeleken de serum-concentraties van alle aminozuren, van overnacht-vastende en niet-vastende patiënten, per geslacht. […]

Metabolieten-analyse. De 20 standaard aminozuren werden geanalyseerd d.m.v. gas-chromatografie & massa-spectrometrie […] Arg, hArg, ADMA, SDMA, 1-Mhis & 3-MHis d.m.v. vloeistof- chromatografie & massa-spectrometrie […]. […]

Kwantitatieve RT-PCR. Alle M.E./CVS-patiënten en gezonde controles in de gen-expressie studie waren niet-vastend. […] Beoordeling van PDK1, PDK2, PDK3, PDK4, PPARA, PPARD, PPARG, PDHA, MPC1, MPC2, ACOX1, HIF1A & SIRT4 mRNAs van 75 M.E./CVS-patiënten en 43 gezonde controles. […]

Cel-cultuur. […] Om te onderzoeken of blootstelling aan serum van M.E./CVS-patiënten het energie-metabolism in gecultiveerde myoblasten [voorlopers van spier-cellen] beïnvloedde […]. De experimenten werden geblindeerd uitgevoerd wat betreft de groepen (M.E./CVS of gezonde controle).

Cellulair metabolisme. OCR [zuurstof-verbruik] & ECAR [extracellulaire verzuring] [zie ‘Resultaten’] werden gemeten om, respectievelijk, de mitochondriale ademhaling en lactaat-produktie (glycolyse) te beoordelen. […] OCR & ECAR werden gedurende het experiment (waarbij sequentieel specifieke metabole modulatoren werden toegediend) simultaan opgenomen. […] De volgende cellulaire energetische omstandigheden werden gedefinieerd. Conditie-I “Rustend (alleen aminozuren)” (cellen heb enkel energie nodig voor basale fysiologische vereisten.): enkel aminozuren (niet Gln) als energie-substraten toegediend in het test-medium. Conditie-II “Rustend (aminozuren & glucose)”: cellen krijgen glucose (maar nog steeds in rust aangezien de vraag naar ATP onveranderd is). Conditie-III “Anaërobe belasting”: ATP-synthase geïnhibeerd d.m.v. oligomycine [ATP-synthase inhibitor; zorgt ervoor dat het enzyme geen ATP meer kan aanmaken] (cellen vertrouwen op glycolytische ATP-produktie; gelijkaardig aan het anaëroob energie-metabolisme, waarbij de mitochondriale ATP-produktie geïnhibeerd is door zuurstof-depletie). Hier wordt de maximale glycolytische capaciteit gemeten. Deze OCR wordt ‘leak activity’ [‘lek-aktiviteit’] genoemd aangezien het niet is gelinkt aan ATP-produktie via oxidatieve fosforylatie. Een lage ‘leak’-ademhaling betekent dat de integriteit van het mitochondriale oxidatieve fosforylatie systeem intact is. Conditie-IV “Aërobe belasting”: toevoeging van CCCP [carbonyl-cyanide-3-chlorofenylhydrazone; chemische inhibitor van de oxidatieve fosforylatie, vernietigt het mitochondriaal membraan-potentiaal] liet het inhiberend effekt van oligomycine op het mitochondriaal zuurstof-verbruik los […]. Dit weerspiegelt een situatie van ernstige energie-depletie (mitochondriale ademhaling en glycolyse maximaal). […] Tenslotte werden rotenon [blokkeert NADH-dehydrogenase (complex-I) en zodoende de respiratoire keten] & antimycine-A [blokkeert complex-III en zodoende de respiratoire ademahaling] toegediend om (respectievelijk) respiratoir complex-I & -III te inhiberen, en zo de niet-mitochondriale zuurstof-consumptie te bepalen […].

Statistiek. […]

De studie is exploratief en hypothese-genererend […]. […]

Studie-goedkeuring. […]

Resultaten

Serum-concentraties van de 20 standaard aminozuren […]. De initiële analyses toonden een duidelijk patroon bij vergelijking van aminozuren met verschillende startpunten voor oxidatie via de mitochondriale pyruvaat/TCA-cyclus as. Daarom werden de aminozuren onderverdeeld in 3 categorieën […]:

Categorie-I aminozuren die worden omgezet naar pyruvaat en daarom afhankelijk van PDH zijn voor verdere oxidiatie: alanine (Ala), cysteïne (Cys), glycine (Gly), serine (Ser) & threonine (Thr).

Categorie-II aminozuren treden het oxidatie-mechanisme binnen als acetyl-CoA, dat direct en onafhankelijk van PDH de TCA-cyclus voedt […]: isoleucine (Ile), leucine (Leu), lysine (Lys), fenylalanine (Phe), tryptofaan (Trp) & tyrosine (Tyr).

Categorie-III bestaat uit anaplerotische aminozuren [anaplerotische reakties zijn er waar tussenprodukten van een metabool mechanisme worden gevormd; simpel uitgedrukt: “ze vullen de voorraden aan”] die worden omgezet naar TCA-cyclus intermediairen (en zo de metabole capaciteit van de cyclus aanvullen en ondersteunen): enkel aminozuren die niet tot categorieën-I of -II behoren; methionine (Met) & valine (Val) […]; histidine (His), glutamine (Gln), glutamaat/glutaminezuur (Glu), (Gln + Glu = Glx) & proline (Pro) […] en asparagine (Asn) & aspartaat/asparaginezuur (Asp), (Asn + Asp = Asx) […]. […]

Deze klassificatie is een vereenvoudigd model. Verscheidene aminozuren kunnen meerdere afbraak-mechanismen hebben afhankelijk van de fysiologische context. De aminozuren in categorie-I & -III zijn uitsluitend glucogeen [kunnen worden omgezet tot glucose], terwijl die in categorie-II ketogeen [kunnen worden omgezet tot acetyl-CoA] zijn of beide. […]

Aminozuren die voorzien in pyruvaat als substraat voor PDH (categorie-I). Er waren geen significante verschillen qua gemiddelde serum-waarden voor categorie-I aminozuren (Cys, Gly, Ser, Thr) tussen niet-vastende M.E./CVS-patiënten en niet-vastende gezonde controles, uitgezonderd voor Ala (kleine maar statistisch significante daling bij de patiënten; P = 0.027). Er waren geen verschillen voor Gly & Cys bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten t.o.v. vrouwelijke controles maar geringe dalingen voor Ser & Thr (telkens P = 0.010). Bij de mannen waren er geen verschillen voor deze aminozuren (M.E./CVS-patiënten versus controles). De som van de serum-concentraties van deze 4 categorie-I aminozuren (zonder Ala) verschilde niet tussen M.E./CVS-patiënten en gezonde controles (ook niet per geslacht).

Aminozuren die zorgen voor acetyl-CoA toevoer in de TCA-cyclus (categorie-II). Alle 6 aminozuren in categorie-II waren significant gedaald tussen niet-vastende M.E./CVS-patiënten en niet-vastende gezonde (P-waarden < 0.001 voor Ile, Leu, Phe & Tyr; 0.001 & 0.009 voor Lys & Trp). De dalingen waren zeer significant bij vrouwen met M.E./CVS (t.o.v. gezonde vrouwen) […]. Vergelijking van mannelijke M.E./CVS-patiënten met mannelijke controles toonde geen significante verschillen […] (trend tot vermindering voor Tyr; P = 0.086). De som van de serum-concentraties van de 6 categorie-II aminozuren was significant lager voor M.E./CVS-patiënten vergeleken met gezonde controles (ook bij vrouwen maar niet bij mannen). […]

Anaplerotische aminozuren (categorie-III). De gemiddelde serum-waarden voor anaplerotische (categorie-III) aminozuren waren significant gedaald tussen niet-vastende M.E./CVS-patiënten en niet-vastende gezonde controles […]. […]  De dalingen qua anaplerotische aminozuren werden vastgesteld bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten maar niet bij mannen, t.o.v. controles. De som van de serum-concentraties van de anaplerotische aminozuren was gedaald voor de ganse groep M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. […]

Vergelijking tussen niet-vastende en vastende M.E./CVS-patiënten. […] De serum-concentraties waren lager bij overnacht-vastende patiënten voor categorie-II aminozuren Ile, Phe, Trp & Tyr, naast Ala. Er waren trends voor lagere gemiddelde serum-waarden voor Pro, Met & Arg in serum van overnacht-vastende patiënten maar geen verschillen voor de andere aminozuren of metabolieten.

Andere gemodificeerde aminozuren. Op basis van een studie die endotheliale dysfunktie [endothelium = bedekkende cellen van bloedvaten] bij M.E./CVS-patiënten aantoonde [Newton DJ et al; zie ‘Bespreking’], beslisten we serum-concentraties te meten van aminozuren en afgeleiden waarvan is geweten dat ze de endotheliale funktie beïnvloeden. Arginine, asymmetrisch dimethylarginine (ADMA) en homo-arginine (hArg) vertoonden gelijkaardige serum-waarden tussen M.E./CVS-patiënten en controles (vrouwen én mannen). Voor symmetrisch dimethylarginine (SDMA) was er een significant gedaald gemiddelde serum-waarde bij vrouwen met M.E./CVS maar niet bij mannen, vergeleken met controles. Voor 1-methylhistidine (1-MHis), een merker voor inname van (voornamelijk dierlijke) proteïnen, was er geen verschil tussen M.E./CVS-patiënten en controles (vrouwen noch mannen). De concentraties van 3-methylhistidine (3-MHis), een merker voor endogeen proteïnen-katabolisme (bv. spier-atrofie), waren significant hoger bij met M.E./CVS t.o.v. gezonde mannen (P = 0.003), terwijl er geen verschil qua 3-MHis was voor vrouwelijke M.E./CVS-patiënten t.o.v. gezonde vrouwen.

Aminozuren en hun verband met andere karakteristieken van M.E./CVS-patiënten. Bij de niet-vastende vrouwen met M.E./CVS werden zeer significante correlaties gevonden voor alle combinaties met de categorie-II aminozuren (Ile, Leu, Lys, Phe, Trp, Tyr) (P < 0.001). Bij de mannelijke M.E./CVS-patiënten werden gelijkaardige correlatie-patronen gezien. In tegenstelling daarmee vonden we minder en zwakkere correlaties met categorie-I & categorie-II aminozuren. Er waren voor Thr echter meerdere uitgesproken correlaties met categorie-II aminozuren; mogelijks een weerspiegeling van het feit dat er alternatieve oxidatie-paden (zonder omzetting naar pyruvaat) zijn voor Thr. Verder waren er zeer significante correlaties voor alle combinaties met de categorie-II en -III aminozuren maar minder significante correlaties met de categorie-I en -III aminozuren.

Geslacht bleek een belangrijke factor bij de interpretatie van de resultaten: er waren significante dalingen voor gemiddelde serum-waarden van categorie-II en -III aminozuren bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten. Om de mogelijkheid te evalueren dat de geobserveerde veranderingen qua aminozuur-patronen veroorzaakt zouden kunnen zijn door andere verstorende factoren, voerden we statistische analyses uit om aminozuur-waarden in het serum te vergelijken met klinische variabelen (leeftijd, BMI, lichamelijke aktiviteit, M.E./CVS-ernst en ziekte-duur). Hogere leeftijd correleerde significant met verhoogde waarden voor Cys, Gly, Ile, Leu, Lys & Tyr bij vrouwen met M.E./CVS maar bij M.E./CVS-mannen enkel met Cys. Er waren geen significante correlaties tussen serum-waarden van aminozuren en fysieke aktiviteit (aantal elektronisch geregistreerde stappen per 24 uur) bij de M.E./CVS-groep, uitgezonderd een significante negatieve correlatie met Cys bij vrouwen. Bij de M.E./CVS-vrouwen waren er significante positieve correlaties tussen BMI en Cys, Ile, Leu, Phe & Tyr, en significante negatieve correlaties tussen BMI en Ser & Thr. Om de mogelijkheid uit te sluiten dat verschillen qua BMI verantwoordelijk zouden zijn voor de vastgestelde verschillen in aminozuur-waarden in het serum bij vrouwen met M.E./CVS, werden de patiënten onderverdeeld in 4 BMI-groepen (ondergewicht tot obees). Bij vergelijking bleken er significante verbanden tussen hogere BMI en hogere serum-waarden van de categorie-II aminozuren Leu, Phe, Tyr & Ile. Bij de vrouwelijke M.E./CVS-patiënten waren in alle BMI-groepen (ook de obese) de gemiddelde serum-waarden van deze aminozuren echter lager dan bij gezonde vrouwen. Bij de mannen met M.E./CVS werden geen significante verbanden gezien tussen BMI-groepen en aminozuren van categorie-I of -II, uitgezonderd een significante positieve associatie tussen Cys en BMI. […]

Verder werden de patiënten ook onderverdeeld in groepen volgens ziekte-ernst, ziekte-duur, lichamelijke aktiviteit en leven-kwaliteit. De serum-waarden van categorie-I of categorie-II aminozuren waren niet geassocieerd met M.E./CVS-ernst. Er werd een significant positief verband gevonden tussen ziekte-duur en serum-waarden van aminozuren enkel voor Phe bij vrouwelijke patiënten. Er waren geen significante associaties tussen gemiddelde aminozuur-waarden (categorie-I & -II) en fysieke aktiviteit, uitgezonderd een negatief verband met Cys bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten. Er waren significante associaties tussen hogere ADMA-waarden en meer lichamelijke aktiviteit (P = 0.036) en tussen hoger 1-MHis en meer lichamelijke aktiviteit (P = 0.024) bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten (een trend bij mannelijke patiënten; P = 0.086). […] Er was een significant verband tussen een hogere “SF36mean5” score [leven-kwaliteit] en een hogere gemiddelde serum-waarde van het categorie-I aminozuur Ser (P = 0.023); er waren trends voor Gly (P = 0.056) en Thr (P = 0.065) maar enkel bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten.

PDH-gerelateerde gen-expressie (mRNA) in PBMCs. Om te onderzoeken of de effekten op de aminozuren-profiel in het serum bij M.E./CVS-patiënten kan worden verklaard door veranderingen qua PDH-funktie, vergeleken we mRNA-waarden van PDH-gerelateerde genen in PBMCs van niet-vastende M.E./CVS-patiënten en niet-vastende gezonde controles. We vonden significant verhoogde mRNA-expressie van de inhiberende kinasen PDK1 (P = 0.002), PDK2 (P = 0.022) & PDK4 (P = 0.006) bij M.E./CVS-patiënten, terwijl PDK3 onveranderd bleef. Ook het mitochondriaal lipoamidase en PDH-inhibitor SIRT4 was significant ge-upreguleerd (P = 0.013). Bij de PPAR transcriptie-factoren was PPARδ (PPARD) ge-upreguleerd (P = 0.001). Er waren geen verschillen voor PPARα (PPARA), het PPAR transcriptioneel doelwit en peroxisomaal vetzuur β-oxidatie enzyme acyl-coenzyme-A oxidase 1 (ACOX1) of de transcriptie-factor HIF1α (HIF1A). Pyruvaat-dehydrogenase-E1α (PDHA) mRNA was lichtjes ge-upreguleerd (P = 0.037). De expressie van PPARγ (PPARG) mRNA lag onder de detektie-limiet van de analyse. Analyses van de mitochondriale pyruvaat-dragers (MPCs [mediëren de opname van pyruvaat in de mitochondrieën]) onthulden een nipt-significante upregulering van MPC1 (P = 0.046) maar MPC2 verschilde niet.

Hoewel er geslacht-specifieke verschillen werden vastgesteld qua gemiddelde serum-waarden van aminozuren bij M.E./CVS-patiënten, waren de gestegen mRNA-waarden in PBMCs van M.E./CVS-patiënten versus gezonde controles gelijkaardig bij mannen en vrouwen wat betreft PDK1, PDK4, PPARA, PPARD & SIRT4.

Wat betreft PDK1 gen-expressie waren er significante verbanden met ziekte-ernst (gestegen PDK1 mRNA in matige/ernstige versus milde/mild-matige groepen), met ziekte-duur (gestegen PDK1 mRNA bij langere duur) en met lichamelijke aktiviteit […] (gestegen PDK1 mRNA bij lagere aktiviteit). De associaties werden niet gevonden voor PDK4 mRNA, PPARA, PPARD of SIRT4.

De mRNA-expressie van PDK1 correleerde sterk met PPARD (P < 0.0001), met SIRT4 (P = 0.003) en zwak, maar significant, met PPARA (P = 0.028). Er was geen significante correlatie tussen PDK1 & PDK4 (P = 0.12). Verder waren er zeer significante correlaties tussen SIRT4 & PPARD (P < 0.0001), en SIRT4 & PPARA (P < 0.0001) maar geen significante correlatie tussen SIRT4 & PDK4 (P = 0.15). Deze gegevens werden onderbouwd met een zeer significante correlatie tussen PPARA & PPARD mRNA (P < 0.0001). Voor expressie van PDK1, PDK4, PPARA of waren er geen significante correlaties met leeftijd of BMI. Bij de 75 niet-vastende M.E./CVS-patiënten waren er geen significante correlaties tussen serum-waarden van categorie-I of -II aminozuren en mRNA-expressie van PDKs, SIRT4, PPARA of PPARD.

Effekten van M.E./CVS-patiënten serum op de mitochondriale ademhaling en lactaat-produktie in gecultiveerde skeletspier-cellen. Bij de verklaring van de kenmerkende M.E./CVS-symptomen (post-exertionele malaise en slecht herstel) zou men relevante metabole defekten in skeletspier-cellen kunnen verwachten. We konden het energie-metabolisme in het spier-weefsel van onze patiënten niet op een directe manier meten. Om de invloed van mogelijke substanties in het bloed op M.E./CVS te bestuderen, onderzochten we het energie-metabolisme in gecultiveerde menselijke skeletspier-cellen blootgesteld aan serum van 12 M.E./CVS-patiënten (waaronder 3 patienten met zeer ernstige ziekte en 6 met ernstige M.E./CVS) en 12 gezonde controles. Deze studie was ontworpen voor het beoordelen van de mitochondriale ademhaling en lactaat-produktie via het meten van (respectievelijk) het zuurstof-verbruik (‘oxygen-consumption rate’, OCR) en extracellulaire verzuring (‘extracellular acidification rate’, ECAR), in aanwezigheid van aminozuren en glucose als substraten. […]

Basale (in rust) aminozuren-gedreven mitochondriale ademhaling (conditie-I) was matig verhoogd in spiercellen blootgesteld aan M.E./CVS-serum voor 6 dagen en dit effect was ook aanwezig wanneer glucose werd toegevoegd (conditie-II). Daaropvolgende toediening van de ATP-synthase inhibitor oligomycine (conditie-III) toonde aan dat bijna alle respiratoire aktiviteit gelinkt was met ATP-produktie; wat bevestigt dat de integriteit van het oxidatieve fosforylatie systeem intact was. Er was echter een minieme toename qua overgebleven OCR (‘lek-aktiviteit’). Daarna werd via toediening van de ‘ontkoppeler’ carbonyl-cyanide-3-chlorofenylhydrazone [CCCP; ontkoppelt het elektron-transport-systeem van de ATP-produktie] een significant toegenomen respiratoire capaciteit (conditie-IV) onthuld. De gegevens gaven ook aan dat de ATP-gelinkte ademhaling (verschil conditie-II/-III) en de reserve respiratoire capaciteit (verschil conditie-IV/-II) verhoogd waren na blootstelling aan M.E./CVS-serum.

De basale glycolyse (conditie-II) was gelijkaardig tussen cellen blootgesteld aan M.E./CVS- en controle-serum. […] De maximum glycolyse in aanwezigheid van oligomycine neigde lichtjes verhoogd te zijn in cellen blootgesteld aan M.E./CVS-serum (conditie-III) en deze trend was ook aanwezig na toediening van CCCP. Verdere analyse onthulde dat de lactaat-productie veroorzaakt door oligomycine (verschil conditie-III/-II) en door CCCP (verschil conditie-IV/-II) significant verhoogd waren in cellen blootgesteld aan M.E./CVS-serum versus controle. Daarom: de cellen blootgesteld aan M.E./CVS-serum vertonen een metabole wijziging waarbij versterkte lactaat-produktie is betrokken bij energetische belasting.

Samengevat: serum van patiënten met ernstige M.E./CVS bleek het mitochondriaal oxidatief metabolisme en de ademhaling in spiercellen te doen stijgen, bijzonderlijk bij energetische belasting. Bijkomende experimenten met kortere blootstelling toonden dat het effekt van M.E./CVS-serum op de mitochondriale ademhaling geleidelijk aan verhoogde afhankelijk van de duur van de blootstelling.

Bespreking

Deze studie vond dat het serum aminozuren-profiel veranderd was in een grote en goed-gekarakteriseerde groep M.E./CVS-patiënten, op een manier die verstoorde mitochondriale pyruvaat-oxidatie suggereert. Deze bevinding wijst, in combinatie met verhoogde mRNA-expressie van PDK1, PDK2 & PDK4 en SIRT4, in PBMCs van patiënten, op abnormaliteiten qua PDH-regulering als een potentiële belangrijke factor bij de pathogenese van M.E./CVS. Blootstelling van gecultiveerde spiercellen aan serum van M.E./CVS-patiënten wees op de aanwezigheid van bloed-bestanddelen die het energie-metabolisme beïnvloeden.

Analyse van het serum van 200 M.E./CVS-patiënten en 102 gezonde controles onthulde dat de concentraties van aminozuren die deelnemen aan het mitochondriaal oxidatief metabolisme op het niveau van acetyl-CoA (categorie-II) significant gedaald waren bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten. In tegenstelling daarmee waren er geen grote wijzigingen qua aminozuren die worden omgezet naar pyruvaat (categorie-I). [lees: “de pyruvaat-produktie zelf is in orde”] M.E./CVS lijkt zodoende een specifieke daling te veroorzaken van energetische substraten die worden geoxideerd downstream van PDH [“na de aanmaak van pyruvaat”]. Dit suggereert dat het pyruvaat-katabolisme wordt belemmerd bij M.E./CVS-patiënten [m.a.w. wellicht ligt het probleem bij het PDH enzyme-complex dat pyruvaat omzet naar acetyl-CoA], leidend tot verhoogd gebruik van acetyl-CoA producerende aminozuren als alternatieve substraten die het aëroob metabolisme via de TCA-cyclus van brandstof voorzien. De anaplerotische aminozuren, die dienen om de capaciteit van de TCA-cyclus op peil te houden (categorie-III), waren gedaald bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten. Onze bevindingen komen overéén met eerdere rapporten [door Armstrong et al.] over dalingen qua Gln, Glu & Phe […]. Interessant: een studie bij M.E./CVS-patiënten vond veranderingen qua aminozuren-concentraties in urine die consistent zijn met het specifiek aminozuren-patroon dat we vonden in serum, en een gedaalde urinaire excretie van de TCA-cyclus intermediairen barnsteenzuur [succinaat] en citroenzuur [citraat] werd ook gerapporteerd [zie Niblett SH et al. hierboven]. Een metaboloom-studie rapporteerde gedaalde concentraties TCA-cyclus intermediairen, samen met een gedaalde pyruvaat/isocitraat verhouding, in plasma bij M.E./CVS [Yamano E et al. Index markers of Chronic Fatigue Syndrome with dysfunction of TCA and urea cycles. Sci Rep. (2016) 6: 34990]. Dit ondersteunt verder de hypothese dat het bevoorraden van de TCA-cyclus met pyruvaat belemmerd is bij M.E./CVS-patiënten, wat in lijn is met de gesuggereerde PDH-inhibitie.

We vonden significante mRNA-upregulering van of PDK1, PDK2 en PDK4 in PBMCs van M.E./CVS-patiënten. De expressie van PDK1 mRNA was geassocieerd met klinische kenmerken zoals langere ziekte-duur, ernstiger M.E./CVS en verminderde lichamelijke aktiviteit. De werking van de PDKs is het inhiberen van PDH via fosforylatie onder omstandigheden waar pyruvaat-oxidatie moet worden onderdrukt (bv. uithongering). Een afwijkende toename qua PDK-expressie kan daarom een verstoorde PDH-funktie bij M.E./CVS veroorzaken, mogelijks via aktiviteit van transcriptie-factoren. PPARD mRNA was significant ge-upreguleerd in PBMCs van M.E./CVS-patiënten, terwijl PPARA niet verschilde van gezonde controles. Er was echter een positieve correlatie tussen de expressie van PDK1 en allebei deze PPARs. Zelfs als expressie van het PPAR target-gen ACOX1 [codeert voor het enzyme peroxisomaal acyl-coenzyme-A oxidase-1 van het vetzuren beta-oxidatie pad] gelijkaardig was bij M.E./CVS-patiënten en controles, kan niet worden uitgesloten dat de PPARs bijdragen tot de regulering van PDKs op een bepaald stadium van de ontwikkeling van de ziekte. Het mitochondriaal enzyme SIRT4 bleek PDH-aktiviteit te inhiberen via hydrolyse van een component van het PDH-complex. We vonden dat SIRT4 mRNA-expressie ge-upreguleerd was in PBMCs van M.E./CVS-patiënten en significant correleerde met mRNA-expressie van PDK1, PPARA & PPARD. Dit suggereert dat PDH-aktiviteit geïnhibeerd is door gecoördineerde regulerende mechanismen bij deze patiënten. Er was een kleine maar significante toename in PBMC mRNA-expressie van MPC1 maar niet van MPC2. Deze MPCs [zie hierboven] bleken belangrijke rollen te spelen in het mitochondriaal oxidatief metabolisme. De geringe upregulering van MPC1 en van PDH-E1α (PDHA [Het PDH-complex bestaat uit meerdere copieën van 3 enzymatische componenten: pyruvaat-dehydrogenase (E1), dihydrolipoamide-acetyltransferase (E2) & lipoamide-dehydrogenase (E3); E1 enzyme bestaat uit 2 alfa- & 2 beta- subunits.]) mRNAs zou compenserende mechanismen kunnen weerspiegelen die de pyruvaat-accumulatie (te wijten aan gedaalde PDH-aktiviteit) tegenwerken.

De oxidatie-paden van pyruvaat en aminozuren zijn nauw verbonden met de vetzuur-oxidatie machinerie, samenkomend op het niveau van acetyl-CoA in het mitochondriaal compartment. Er zou kunnen worden verwacht dat bij een adaptieve respons op een toestand van lage energie (veroorzaakt door een beperkte acetyl-CoA bevoorrading) meerdere signalisering-factoren betrokken zijn om de energie-homeostase te redden. Dergelijke signalisering-factoren omvatten AMPK, PPARs & HIF1, die context-afhankelijke regulering van vele metabole mechanismen mediëren. Het uibreiden van onze kennis omtrent de relatieve bijdragen van specifieke katabole paden tot de pathogenese van M.E./CVS zal belangrijk zijn om de ontwikkeling van biomerkers en behandelingen te vergemakkelijken.

Er zou kunnen worden verwacht dat de PDH-inhibitie bij M.E./CVS die hier wordt gesuggereerd, met compenserend gebruik van aminozuren als substraten voor TCA-oxidatie, ook de mitochondriale vetzuur β-oxidatie beïnvloedt in een poging om de energie-homeostase te redden. Een studie beoordeelde 612 metaboliteten bij 45 M.E./CVS-patiënten en 39 gezonde controles, en rapporteerde meerdere abnormaliteiten in verscheidene mechanismen betrokken bij het lipiden-metabolisme en het mitochondriaal energie-metabolisme [Naviaux RK et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc Natl Acad Sci USA. (2016) 113: E5472-E5480]. De meest prominente veranderingen bij M.E./CVS-patiënten waren uitgebreide dalingen qua sfingolipiden, glycosfingolipiden en fosfolipiden. Deze bevindingen waren consistent met een lagere ATP- en GTP-turnover, en met dalingen qua metabole intermediairen van vertakte aminozuren. Er waren echter ook indicaties voor een gereduceerde mitochondriale vetzuur-oxidatie, mar enkel bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten. Voegen we daarbij de PDH-inhibitie, dan zou verminderde mitochondriale vetzuur-oxidatie mogelijkerwijs de toevoer van acetyl-CoA verder compromitteren en zodoende de afhankelijkheid van categorie-II aminozuren als alternatieve brandstof voor de TCA-cyclus verhogen, zoals aangetoond in onze studie.

Geslacht-specifieke verschillen betreffende veranderingen in serum aminozuren-patronen waren duidelijk bij onze M.E./CVS-patiënten. Terwijl all 6 de aminozuren die kunnen worden omgezet naar acetyl-CoA significant waren gedaald bij de vrouwelijke M.E./CVS-patiënten (t.o.v. gezonde vrouwen), vertoonden mannelijke M.E./CVS-patiënten geringe en niet-significante dalingen van Tyr & Phe. Omwille van het relatief laag aantal mannelijke M.E./CVS-patiënten en mannelijke gezonde controles in de studie, was de statistische ‘power’ om een verschil te detekteren lager. De effekt-groottes waren echter groter bij vrouwen. Daarnaast werden bij de 124 niet-vastende vrouwelijke M.E./CVS-patiënten en 67 gezonde vrouwen afzonderlijke analyses uitgevoerd (2 niet-overlappende willekeurige groepen van 33 vrouwelijke M.E./CVS-patiënten en 33 gezonde vrouwen) die dezelfde patronen aantoonden, met een significante daling van de som van de serum-concentraties van zowel categorie-II als categorie-III aminozuren bij vrouwen met M.E./CVS. Dit is een argument voor een differentieel en geslacht-specifiek gebruik van aminozuren. Een eerdere studie rapporteerde een significant verhoogde urinaire excretie van 3-Mhis (een merker voor endogeen proteïnen-katabolisme) in een groep van 100 M.E./CVS-patiënten (waaronder 73 vrouwen) [zie Niblett SH et al.; hierboven]. Wanneer we echter serum 3-MHis per geslacht analyseerden, vonden we enkel bij mannelijke M.E./CVS-patiënten een verhoging. Dit suggereert dat mannen, meer dan vrouwen, endogeen proteïnen-katabolisme [eiwit-afbraak/spier-atrofie] aanwenden om te voorzien in substraten voor de TCA-cyclus. Geslacht-specifieke verschillen qua metabolisme [compensatie-mechanismen anders bij vrouwen dan bij mannen] werden aangetoond en kunnen bij M.E./CVS-patiënten in werking zijn, waarbij vetzuren, aminozuren, oxidatieve fosforylatie en het steroïden-metabolisme betrokken zijn. In tegenstelling met de geslacht-specifieke effekten betreffende aminozuren, was de verhoogde expressie van PDKs & PPARD (mRNA in PBMCs) gelijkaardig bij vrouwen en mannen met M.E./CVS. Tesamen geeft dit aan dat het ziekte-veroorzakende mechanisme verschillende compenserende effekten triggert bij vrouwen en mannen. Een gemeenschappelijk effector-systeem voor het bestendigen van symptomen zou dus de PDK-PDH-lactaat as kunnen omvatten, met gedeeltelijk geslacht-specifieke compenserende (secundaire) effekten gerelateerd met aanpassingen in het energie-metabolisme.

Onze studies met gecultiveerde menselijke spiercellen geven aan dat blootstelling aan M.E./CVS-serum leidde tot verhoogde mitochondriale ademhaling, aaangedreven door aminozuren, alleen of in combinatie met glucose. Dit effekt was bijzonder duidelijk onder omstandigheden van energie-uitputting, wanneer de mitochondriale ademhaling aan een maximum werkt (conditie-IV). Hoewel de lactaat-produktie laag neigde te zijn in rust, was deze buitensporig geïnduceerd bij energetische belasting. Deze observaties zijn compatibel met een metabole belemmering op het niveau van PDH, met een verhoogde omzetting van pyruvaat naar lactaat tot gevolg, en versterkte vraag naar alternatieve substraten downstream van PDH. Het is denkbaar dat de effekten van een dergelijke PDH-ontregeling significant escaleren onder omstandigheden met een verhoogde metabole flux, in overéénstemming met de cel-studies die hier worden gerapporteerd. Er werden ondersteunende bevindingen aangetoond na uitschakeling van PDH in gecultiveerde spiercellen. Op basis van deze observaties lijkt er een substantie(s) aanwezig in serum van M.E./CVS-patiënten die een cellulaire respons induceert ter ondersteuning van de mitochondriale energie-produktie. In overéénstemming daarmee zou optimalisering van de mitochondriale ademhaling kunnen worden beschouwd als een beschermende respons om energie-depletie veroorzaakt door PDH-dysfunktie te vermijden. Het energetisch rendement van zo’n metabole adaptatie zal echter afhangen van de toevoer van energetische substraten als brandstof voor de mitochondriale ademhaling – die gelimiteerd blijkt bij M.E./CVS-patiënten. De huidige bevindingen suggereren dat de mitochondriale brandstof-voorziening gecompromiteerd is door verminderde flux via PDH, wat leidt tot over-consumptie van alternatieve substraten zoals aminozuren gelinkt met de TCA-cyclus. Er zijn bijkomende studies vereist om de substantie(s) in M.E./CVS-serum – die de effekten op gecultiveerde spiercellen mediëren, die direct op het metabool apparaat kunnen werken of indirect via signalisering-factoren – te identificeren.

Onze gegevens – die suggereren dat M.E./CVS geassocieerd is met verminderde efficiëntie van het energie-metabolisme gecombineerd met over-produktie van lactaat – kunnen verklaren waarom veel M.E./CVS-patiënten de anaërobe drempel bereiken bij een lage belasting [Vermeulen RC. Decreased oxygen extraction during cardiopulmonary exercise test in patients with Chronic Fatigue Syndrome. J Transl Med. (2014) 12: 20 /// Snell CR, Stevens SR, Davenport TE, Van Ness JM. Discriminative validity of metabolic and workload measurements for identifying people with Chronic Fatigue Syndrome. Phys Ther. (2013) 93: 1484-1492 (lees ook ‘Dubbele fietstest’) /// Keller BA et al. Inability of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome patients to reproduce VO2peak indicates functional impairment. J Transl Med. (2014) 12: 104]. Dit wordt ondersteund door een individueel patient-verslag [Vink M. The aerobic energy production and the lactate excretion are both impeded in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. J Neurol Neurobiol. (2015) 1: 4] en onze eigen observaties bij patiënten met ernstige M.E./CVS die lactaat-waarden van boven 8 mM [normaalwaarden bij volwassenen: 0,5-1,7 mM] hadden, enkel en alleen door 10 min rechtop staan. Aangezien M.E./CVS-patiënten normaal gezien geen verhoogde lactaat-waarden in rust vertonen, kan er worden gespeculeerd dat het metabolisme zich aanpast aan de vermoedelijke verstoorde PDH-werking door het verhogen van de oxidatie van acetyl-CoA opleverende aminozuren en misschien ook vetzuren. [zie piloot-studie van Hanson et al. in epiloog] Zodoende kan het PDH-afhankelijk metabolisme toereikend funktioneren om over-produktie van lactaat te vermijden bij rustende patiënten maar niet in staat zijn adequaat te reageren op verhoogde glycolyse wanneer het systeem wordt belast bij inspanning. Er wordt geschat dat de TCA-cyclus 70- tot 100-voud stijgt bij zware inspanning om voldoende ATP te genereren. Dit zou een situatie creëeren met ontoereikende toevoer van acetyl-CoA om de oxidatieve ATP-produktie van brandstof te voorzien alsook accumulatie van pyruvaat en vervolgens lactaat, ondanks aërobe omstandigheden met voldoende zuurstof. Een slechte werking van PDH kan daarom consistent zijn met de verlaging van de aërobe drempel, het slecht herstel en de post-exertionele malaise die wordt gezien bij M.E./CVS-patiënten. Een dergelijk mechanisme zou in overéénstemming zijn met het geobserveerde verschil in inspanning-intolerantie versus ziekte-ernst bij M.E./CVS-patiënten, door het in verband brengen van de symptomen met de grootte-orde van de metabole belemmering.

De bevinding dat PDKs ge-upreguleerd zijn in PBMCs van M.E./CVS-patiënten is suggestief voor metabole ontregeling op systeem-niveau. Deze cellen hebben een funktionele PPAR-PDK interaktie en kunnen daarom een afspiegeling zijn van geassocieerde effekten die optreden in andere weefsels (die verantwoordelijk zijn voor het klinisch beeld en de symptomen van M.E./CVS). Belangrijk: zelfs al waren de verminderingen qua aminozuren zeer significant bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten, de effekt-groottes bleken gematigd. De serum-waarden van de acetyl-CoA producerende en anaplerotische aminozuren lagen binnen het normaal bereik, ook in de meeste vrouwelijke M.E./CVS-patiënten. Er waren zodoende geen tekenen voor een aminozuren-deficiëntie, en er is geen voor de hand liggende noodzaak voor voeding-supplementen. De bij M.E./CVS-patiënten geobserveerde verminderingen qua aminozuren kan louter een weespiegeling zijn van een gewijzigd metabolisme bij pogingen om te adapteren aan een metabole belemmering. Het patroon van aminozuren-wijzigingen kan niet worden verklaard door andere variabelen zoals leeftijd, mate van inaktiviteit (beoordeeld via het aantal stappen per dag), ziekte-ernst of -duur. Zelfs al waren er significante correlaties met BMI: alle categorieën M.E./CVS-vrouwen (inclusief obese vrouwen) hadden lagere gemiddelde waarden qua ketogene aminozuren dan gezonde vrouwen, d.w.z. de BMI-verschillen konden de vastgestelde verminderde serum-waarden van categorie-II aminozuren niet verklaren. We vergeleken de serum-waarden van aminozuren van overnacht-vastende en niet-vastende M.E./CVS-patiënten en vonden hetzelfde patroon van veranderingen qua aminozuren-profielen. Er waren echter significante dalingen van meerdere categorie-II aminozuren bij de overnacht-vastende patiënten. Dus: zelfs al was het effekt van het vasten beperkt, toch sloten we de overnacht-vastende patiënten uit bij de analyses om te vermijden dat deze variabele werd verstoord.

Deze studie identificeert metabole veranderingen die meerdere van de klinische symptomen bij M.E./CVS-patiënten kunnen verklaren; het onderliggend mechanisme(n) voor de oorzaak van deze effekten blijft echter onduidelijk. Onze eerdere bevindingen bij proeven van B-lymfocyten depletie-therapie (monoclonaal anti-CD20 antilichaam rituximab) [momenteel nog geen bevestigingen] suggereren dat M.E./CVS in een subgroep patiënten een variant van een auto-immune ziekte zou kunnen zijn. Verdere research zou de hier gerapporteerde metabole effekten bij M.E./CVS moeten aanpakken in de context van een potentieel immunologisch mechanisme. Auto-antilichamen kunnen mogelijks interfereren met cel-oppervlakte receptoren alsook met andere factoren die betrokken zijn bij cel-signalisering. Een studie toonde dat serum-waarden van auto-antilichamen tegen meerdere autonome receptoren hoger waren bij M.E./CVS-patiënten dan bij gezonde controles [Loebel M et al. Antibodies to β-adrenergic and muscarinic cholinergic receptors in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Brain Behav Immun. (2016) 52: 32-39]. Er werden gelijkaardige auto-antilichamen gedetekteerd bij posturaal orthostatische tachycardie syndroom [POTS] en bij complex regionaal pijn syndroom [CRPS], aandoeningen met enkele gelijkenissen met M.E./CVS […]. Auto-antilichamen bij M.E./CVS zouden kunnen interfereren met belangrijke metabole signalisering-mechanismen waarbij factoren zoals HIF1 & PPARs, alsook AMPK – dat abnormaal geaktiveerd bleek skeletspier-cellen van M.E./CVS-patiënten [Brown AE, Jones DE, Walker M, Newton JL. Abnormalities of AMPK activation and glucose uptake in cultured skeletal muscle cells from individuals with Chronic Fatigue Syndrome. PLoS One (2015) 10: e0122982] – betrokken zijn. Deze factoren zijn geassocieerd met PDK & SIRT4 bij de regulering van het oxidatief metabolisme. Bij dergelijke signalisering-mechanismen zijn factoren betrokken die eerder met M.E./CVS werden gelinkt, zoals reaktieve zuurstof soorten geassocieerd met signalisering- en mitochondriale dysfunktie, en stikstof-oxide gerelateerd met endotheliale dysfunktie, wat werd aangetoond bij M.E./CVS [Newton DJ, Kennedy G et al. Large and small artery endothelial dysfunction in Chronic Fatigue Syndrome. Int J Cardiol. (2012) 154: 335-336]. AMPK aktiveert het enzyme endotheliaal stikstof-oxide-synthase (eNOS) en foutieve AMPK-signalisering kan een mechanisme zijn bij endotheliale dysfunktie. In de huidige studie was de gemiddelde serum-waarde van de endogene eNOS-inhibitor en L-Arg analoog ADMA gelijkaardig bij M.E./CVS-patiënten en gezonde controles. ADMA is gewoonlijk verhoogd bij cardiovasculaire endotheliale dysfunktie, wat er op wijst dat de mechanismen voor endotheliale dysfunktie bij M.E./CVS […] verschillen van die bij cardiovasculaire ziekten.

Er werd PDH-deficiëntie aangetoond bij ernstige metabole aandoeningen veroorzaakt door mutaties, waarbij progressieve neurologische degeneratie/acidose/energie-tekort betrokken bleek en associaties met epilepsie te wijten aan gewijzigde neuronale prikkelbaarheid. Bij de auto-immune zieke primaire biliare cirrose [PBC; ‘Verder onderzoek van mitochondriale funktie in spieren bij M.E.(cvs)], die gepaard gaat met ernstige vermoeidheid, richten anti-mitochondriale auto-antilichamen zich tegen componenten van het PDH-complex, wat leidt tot inflammatie en weefsel-vernietiging. Bij M.E./CVS is er geen overtuigend bewijsmateriaal voor histologische inflammatie of weefsel-vernietiging, Maar toch zijn er gegevens die aktivatie van pro-inflammatoire én anti-inflammatoire mechanismen tonen (cytokine-analyses), bijzonderlijk tijdens de eerste jaren van de ziekte [Hornig M et al.; zie ‘Inleiding’]. […] Verder werk zal focussen op hoe abnormale immuun-responsen bij M.E./CVS cellulaire signalisering aantast en PDH-inhibitie veroorzaakt.

Tot besluit: deze studie suggereert dat M.E./CVS geassocieerd is met PDH-verstoring, leidend tot verhoogd verbruik van aminozuren die alternatieve paden voor de aanmaak van ATP van brandstof voorzien. Er werd gevonden dat serum van M.E./CVS-patiënten de mitochondriale ademhaling in gecultiveerde spiercellen verhoogt, mogelijks ter compensatie of adaptatie van een inhibitie van metabole energie-mechanismen. De fysiologische gevolgen van dergelijke defekten omvatten waarschijnlijk energie- (ATP) deficiëntie en overmatige lactaat-produktie, wat strookt met de invaliderende inspanning-intolerantie die wordt gezien bij M.E./CVS-patiënten.

————————-

Ongeveer terzelfder tijd als bovenstaand artikel verscheen er ook één van Maureen R. Hanson et al. (‘Cornell University’, New York) in het tijdschrift Molecular BioSystems, getiteld ‘Metabolic profiling of a Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome discovery cohort reveals disturbances in fatty acid and lipid metabolism’. Het betreft een piloot-studie (17 M.E./CVS-patiënten & 15 gematchte controles) waar de ‘metabole signatuur’ in het plasma wordt vergeleken en mogelijke metabole verstoring worden geëxploreerd. Er werden 74 “differentieel accumulerende metabolieten” gevonden op een toaal van 361 onderzochte (35 significant gewijzigd na statistische correctie). Daarbij meerdere “essentiële energie-gerelateerde molekulen” die theoretisch gelinkt kunnen worden aan het algemeen gebrek aan energie dat wordt gezien bij M.E./CVS. Er werden “enkele mechanismen aangewezen met een hoge impact: het taurine-metabolisme (taurine is een zwavel-bevattend organisch zuur, een belangrijk bestanddeel van gal, met fundamentele biologische rollen waaronder anti-oxidatie, modulatie van calcium-signalisering, enz.), het glycerofosfolipiden-metabolisme (of fosfoglyceriden; belangrijkste component van biologische membranen), die in combinatie met het primaire (gesynthetiseerd in de lever) galzuren (ontstaan uit cholesterol) -metabolisme, alsook het glyoxylaat & dicarboxylaat -metabolisme (de glyoxylaat-cyclus is een serie reakties betrokken bij de biosynthese van carbohydraten/suikers uit vetzuren of voorlopers met 2 koolstoffen die het systeem binnenkomen als acetyl-coenzyme A) en enkele andere, allemaal betrokken zijn bij het vetzuren-metabolisme”. Purinen (includsief ADP & ATP), pyrimidines en meerdere metabole aminozuren-mechanismen bleken significant verstoord…

juni 27, 2015

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

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

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

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

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

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

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

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

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

————————-

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

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

Lengert N, Drossel B

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

Samenvatting

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

1. Inleiding

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

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

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

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

[…]

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

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

2. Methodes

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

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

2.1. Intra-mitochondriale reakties

2.2. Extra-mitochondriale reakties

2.3. Een gedetailleerde simulatie van de pH kinetiek

2.4. ATP-consumptie tijdesn inspanning en parallele aktivatie

2.5. Model voor CVS tijdens inspanning

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

3. Resultaten

[…]

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

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

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

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

3.3. Dynamiek van het herstel na inspanning

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

3.4. Inspanning-respons en traag herstel bij CVS

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

3.5. Acidose tijdens inspanning

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

4. Besluiten

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

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

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

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

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

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

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

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

mei 1, 2015

Abnormale AMPK-aktivatie & glucose-opname in spiercellen bij CVS

Filed under: Celbiologie,Inspanning — mewetenschap @ 7:24 am
Tags: , , , , , ,

Een onderzoeksteam van de ‘Newcastle University’ o.l.v. Prof. Julia Newton toont hier aan dat er iets ‘mis’ is met het spierweefsel zelf bij M.E.(cvs). Bij inspanning reageren de spiercellen van patiënten duidelijk helemaal anders dan die van gezonde controles. De resultaten zetten grote vraagtekens bij de bewering als zou de ziekte een psychologische aandoening zijn want de gevonden (lange-termijn) veranderingen in de spieren blijven bestaan bij in vitro (in proefbuizen) onderzoek. In een proefbuis is er bv. geen “bewegingsangst”.

De researchers suggereren dat het zou kunnen gaan om een (epi)genetische wijziging, dat de gen-expressie in deze cellen is veranderd. Er wordt niet gespeculeerd over wat de oorzaak van een (epi)genetisch mechanisme zou zijn. Bij aankondiging van de preliminaire bevindingen van dit onderzoek (enkele jaren voor publicatie), meldde Newton dat spier-weefsel van M.E.(cvs) een abnormale lacaat-accumulatie in respons op inspanning (in vitro) vertoont en dat dit consistent is met de bevindingen van haar MRI-studie (Journal of Internal Medicine 267 (2010) 394-401. Abnormalities in pH-handling by peripheral muscle and potential regulation by the autonomic nervous system in Chronic Fatigue Syndrome; zie ‘Abnormale zuur-verwerking in spieren bij CVS’). Hier wordt echter niks gezegd over lactaat-waarden…

Uit een biopt van een spier aan de voorzijde van het dijbeen werden skelet-spier-cellen geïsoleerd. Er werd elektrische puls stimulatie (EPS) toegepast om een inspanning te simuleren – daarbij worden myotubes (zich ontwikkelende skelet-spier-vezels met een buisvormig uitzicht; bij myogenese – de vorming van spier-weefsel – worden spier-vezels gevormd door fusie van myoblasten (voorlopers van spier-cellen) tot meer-kernige vezels, de myotubes) in cultuur gezet en contracties geïnduceerd – en het effekt op de cellen zelf bekeken. Dit gebeurt allemaal onder dezelfde gestandaardiseerde omstandigheden, zodat verschillen de wijzigingen bij patiënten t.o.v. controles weerspiegelen.

De voornaamste bevindingen: (a) AMPK (AMP-geaktiveerd kinase, een energie-voelend alarm-proteïne dat een dreigende energie-crisis in de cel voorkomt) en glucose-opname (belangrijk voor energie-produktie) verhoogde niet bij M.E.(cvs); (b) De secretie van interleukine-6 (cytokine betrokken bij inflammatie; bij inspanning door spieren geproduceerd om herstel te bevorderen – ‘p38 MAPK-induced nuclear factor-kappaB activity is required for skeletal muscle differentiation: role of interleukin-6’. Molecular biology of the Cell (2004) 15: 2013-26), was significant verminderd bij in M.E.(cvs); (c) De expressie van myogenine (dat ontwikkeling en herstel van skelet-spieren coördineert) was hoger bij M.E.(cvs), zelfs zonder ‘inspanning’.

Het feit dat de de cel-culturen van M.E.(cvs) niet in staat bleken de opname van glucose te verhogen in respons op ‘inspanning’ weerspiegelt waarschijnlijk de verstoorde aktivatie van AMPK, een complex enzyme. Alle levende cellen moeten een hoge verhouding ATP/ADP aanhouden, als ze willen overleven. In gezonde cellen wordt ADP en fosfaat omgezet naar normale waarden ATP (‘opladen’); anderzijds verkrijgen cellulaire processen hun energie door het omzetten van ATP naar ADP en fosfaat (‘ontladen’). Deze processen worden in evenwicht gehouden door gesofisticeerde regulerende systemen. Het AMPK-systeem speelt een belangrijke rol als sensor voor de cellulaire energie-status. Zoals de auteurs aangeven: het gebrek aan aktivatie van AMPK tijdens ‘inspanning’ in spiercellen bij M.E.(cvs) duidt op een abnormaliteit op het niveau van AMPK of in andere regulerende enzymen.

————————-

PLOS One (April 2015)

Abnormalities of AMPK Activation and Glucose Uptake in Cultured Skeletal Muscle Cells from Individuals with Chronic Fatigue Syndrome

Audrey E. Brown (1), David E. Jones (1,2), Mark Walker (1,2), Julia L. Newton (2,3)

1 Institute of Cellular Medicine, William Leech Building, Medical School, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

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

3 Institute for Ageing and Health, Campus for Ageing and Vitality, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, United Kingdom

Samenvatting

Achtergrond Post-exertionele spier-vermoeidheid is een sleutel-kenmerk bij Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS). Er werden abnormaliteiten in de werking van skelet-spieren geïdentificeerd bij sommige maar niet alle patiënten met CVS. Om te proberen de mogelijke verstorende factoren te beperken die zouden kunnen bijdragen tot deze klinische heterogeniteit, ontwikkelden we een nieuw in vitro systeem dat vergelijking van AMP-kinase (AMPK) aktivatie en metabole responsen op inspanning in gecultiveerde skelet-spier-cellen van CVS-patiënten en controle-individuen toelaat.

Methodes Er werden culturen van skelet-spier-cellen opgezet van 10 individuen met CVS en 7 voor leeftijd gematchte controles, waarop elektrische puls stimulatie (EPS) werd toegepast gedurende 24h en werd onderzocht op veranderingen geassocieerd met inspanning.

Resultaten In de basale toestand, vertoonden CVS-culturen verhoogde myogenine-expressie maar gedaalde IL-6 secretie tijdens differentiatie, vergeleken met de controle-culturen. Controle-culturen onderworpen aan 16h EPS vertoonden een significante toename van AMPK-fosforylatie en glucose-opname vergeleken met ongestimuleerde cellen. In tegenstelling daarmee vertoonden CVS-culturen geen toename qua AMPK-fosforylatie of glucose-opname na 16h EPS. De glucose-opname bleef echter responsief op insuline in de CVS-cellen, wat wijst op een inspanning-gerelateerd defekt. De IL-6 secretie in respons op EPS was significant gereduceerd bij CVS vergeleken met controle-culturen op alle gemeten tijdstippen.

Besluit EPS is een doeltreffend model voor het opwekken van spier-contractie en de metabole veranderingen die gepaard gaan met inspanning in gecultiveerde skelet-spier-cellen. We vonden 4 belangrijke verschillen in gecultiveerde skelet-spier-cellen van individuen met CVS: verhoogde myogenine-expressie in de basale toestand, verstoorde aktivatie van AMPK, verstoorde stimulatie van glucose-opname en verminderde afgifte van IL-6. Het vinden van deze verschillen in gecultiveerde skelet-spier-cellen van CVS-individuen wijst op een genetisch/epigenetisch mechanisme, en biedt een systeem om nieuwe therapeutische doelwitten te identificeren.

Inleiding

[…]

Vermoeide skelet-spieren zijn een sleutel-kenmerk bij CVS en studies wijzen op spier-funktie abnormaliteiten bij mensen met CVS [Loss of capacity to recover from acidosis on repeat exercise in Chronic Fatigue Syndrome: a case-control study. European Journal of Clinical Investigation (2012) 42:186-94; zie ‘ Geen herstel van acidose na herhaalde inspanning bij CVS] met gelijkaardige bevindingen als bij met vermoeidheid geassocieerde chronische ziekten. Gebruikmakend van nieuwe magnetische resonantie spectroscopie technieken voor spieren, hebben studies aangetoond dat als CVS-patiënten zich inspannen, sommigen grote hoeveelheden zuur in hun spieren genereren en moeilijkheden hebben dit te verwijderen na het beeïndigen van de inspanning. De respons op inspanning bij CVS-patiënten is echter heterogeen (wisselend engagement en een variabele metabole respons). Dus: hoewel er enig bewijs is voor een spier-specifiek defekt, werd er geen scherp-omlijnde, consistente abnormaliteit gevonden. Om dit aan te pakken, hebben we een inspanning-systeem ontworpen om de metabole respons van skelet-spier-cellen in vitro te onderzoeken. Op die manier waren we in staat de spier-cel funktie te bestuderen onder gestandaardiseerde omstandigheden (waarbij de effekten kunnen worden vermeden van mogelijke storende factoren die in vivo kunnen optreden, en het engagement en respons op inspanning kunnen beïnvloeden).

Er werd een aantal artikels gepubliceerd waarin de ontwikkeling van een methode voor het induceren van contracties in skelet-spier-cellen d.m.v. elektrische puls stimulatie (EPS) wordt beschreven. Er werd in skelet-spier myotubes van muizen getoond dat EPS de sarcomeer-montage kan versnellen via de inductie van verhogingen van Ca2+ in de cellen. [De eiwitten die een rol spelen bij samentrekking zijn opgebouwd uit actine- en myosine-molekulen en liggen binnen de spiervezels in bundeltjes gerangschikt (de myofibrillen). Deze bundels vertonen in de lengte-doorsnede een dwarsgestreept patroon. De strepen noemen we Z-lijnen. De dwarse streping ontstaat door de regelmatige opbouw van de myofibrillen: actine- en myosine-filamenten wisselen elkaar af. Binnen een myofibril noemen we de afstand van een Z-lijn tot een volgende Z-lijn een sarcomeer.] In dit model bleek EPS ook AMP-kinase (AMPK) te aktiveren, glucose-transport te verhogen en de afgifte van chemokinen (inclusief IL-6) te versterken. EPS werd ook beschreven in menselijke primaire skelet-spier-myotubes. Verhoogde sarcomeer-montage, AMPK-aktivatie, gestegen glycolyse en glucose-opname, en verhoogde chemokine-expressie zijn de sleutel-kenmerken van dit model. Deze gegevens wijzen er op dat EPS een geschikt model is voor het onderzoeken van inspanning-gerelateerde responsen in gecultiveerde cellen.

In de huidige studie was het doel elektrische puls stimulatie te gebruiken om de spier-funktie te onderzoeken gebruikmakend van gecultiveerde skelet-spier-cellen van patiënten met CVS en gezonde controles. De spier-cel-culturen zijn afgeleid van de satelliet-cellen [endogene stamcellen in de skelet-spieren die verantwoordelijk zijn voor het intrinsieke regeneratie-vermogen van de spieren] geïsoleerd uit een spier-biopt. De geïsoleerde cellen vormen eerst éénkernige myoblasten en kunnen dan worden gedifferentieerd in meer-kernige myotubes die de sleutel-kenmerken van rijpe spier-cellen vertonen. Aantrekkelijk bij het gebruik van spier-cel-culturen is dat ze worden blootgesteld aan gestandaardiseerde condities, zodat de verschillen die opduiken tussen CVS en controle, de veranderingen in de gecultiveerde cellen zullen weerspiegelen. Veranderingen die dan waarschijnlijk een epigenetische/genetische basis hebben.

Ontwerp en Methodes

Individuen

Er werden spier-biopten verkregen van 10 patiënten met de diagnose van Chronische Vermoeidheid Syndroom [Fukuda criteria] en 7 gezonde controles. De groepen waren gematcht voor leeftijd en omvatten mannen en vrouwen. […]

[…]

Resultaten

Karakterisatie van de differentiatie-capaciteit van skelet-spier-cellen

De hoeveelheid desmine-positieve cellen – percentage van het totaal aantal cellen […]. Er waren geen significante verschillen tussen controles en CVS (88,9 ± 7,8% vs 90,7 ± 9,2%, p = 0.5003). [desmine = spier-specifiek proteïne]

[…] Hoewel er geen statistische verschillen waren qua lengte en diameter [van de spiercellen; 7 dagen na initiatie van de differentiatie], was het oppervlak significant gereduceerd bij CVS t.o.v. controles (P < 0.0001). Er was geen verschil qua aantal myotubes op dat tijdstip. […].

De differentiatie-capaciteit van de gecultiveerde skelet-spier-cellen werd bepaald […] analyse voor myogenine (MYOG) expressie en IL-6 release in het cultuur-medium. MYOG is een regulerende factor bij myogenese die vereist is voor de differentiatie [proces waarbij een cel verandert van het één cel-type naar een ander] naar het finaal stadium van myotubes, terwijl IL-6 een cytokine is dat wordt geproduceerd door skelet-spieren en een rol kan spelen bij spier-cel proliferatie [cel-groei] en differentiatie. MYOG expressie […] vertoonde geen verschillen 24h na initiatie van de differentiatie maar na 72h en 7 dagen was de MYOG expressie significant verhoogd bij CVS t.o.v. controles (telkens p < 0.0001). De meting van IL-6 afgifte was vergelijkbaar na 24h en 72h maar na 7 dagen was de IL-6 release significant gedaald bij CVS vergeleken met controles (p < 0.05).

Ontwikkeling van inspanning cel-cultuur systeem

Er werd elektrische puls stimulatie (EPS) gebruikt om contractie van gecultiveerde myotubes te induceren. […] AMP-geaktiveerd proteïne kinase (AMPK) is een cellulaire energie-sensor die wordt geaktiveerd door een lage energie-status, zoals bij inspanning. Aktivatie van AMPK wordt bepaald m.b.v. specifieke antilichamen. In controle-culturen bleek de fosforylatie te stijgen bij EPS en was deze significant verhoogd na 16h (p = 0.006). In tegenstelling daarmee vertoonden CVS-culturen (onderworpen aan hetzelfde EPS-protocol) geen aktivatie van AMPK. De expressie van de ‘heavy chain’ van het proteïne myosine [van belang bij spier-samentrekking] bleek onveranderd door EPS bij controles of CVS […].

De cytotoxische effekten van het EPS-protocol werden bepaald door het meten van de afgifte van lactaat-dehydrogenase (LDH) in het medium. […] Er waren geen statistische verschillen tussen de 2 groepen.

[…]

Het effekt van inspanning en insuline op glucose-opname

Contractie verhoogt de opname van glucose in de spier-cellen op een insuline-onafhankelijke manier; daarom werd het effekt van het EPS-protocol op het glucose-metabolisme onderzocht via het meten van de opname van 2-deoxyglucose in de cellen in afwezigheid van insuline. Bij controle-cellen onder non-EPS condities was de insuline-gestimuleerde glucose-opname 1,3 maal verhoogde t.o.v. basale waarden (447,1 ± 25,3 pmol/min/mg vs 333,5 ± 20,2 pmol/min/mg, p < 0.0005). Na 16h EPS, verhoogde de glucose-opname tot 550,4 ± 35,9 pmol/min/mg (p < 0.0001 vs basaal), terwijl insuline een bijkomend effekt gaf in combinatie met EPS (verhoging tot 746,1 ± 70,9 pmol/min/mg (p < 0.005 vs enkel insuline). Bij non-EPS en EPS condities was de insuline-gestimuleerde glucose-opname in de CVS-culturen significant verhoogd (beide p < 0.0005). 16h EPS verhoogde de glucose-opname in aan- of afwezigheid van insuline niet, wat er op wijst dat de CVS-culturen niet in staat waren de glucose-opname in respons op inspanning te verhogen. Dit is consistent met de afwezigheid van AMPK-aktivatie. Zowel de basale als de insuline-gestimuleerde glucose-opname waren significant verhoogd bij CVS t.o.v. controles (p = 0.001 en p<0.05). Dit verandert echter niets aan de bevinding dat CVS niet in staat waren de glucose-opname in respons op EPS te verhogen, aangezien een toename qua glucose-opname werd gezien in aanwezigheid van insuline, wat er op wijst dat de cellen niet maximaal gestimuleerd waren in de basale toestand.

IL-6 secretie na spier-contractie

Skelet-spieren produceren IL-6 in respons op samentrekking. Controle-cellen vertoonden geen veranderingen qua IL-6 secretie na 4h EPS maar die was wel significant verhoogd na 24h (p < 0.001, vs ongestimuleerd). In de CVS-groep vertoonde de IL-6 secretie hetzelfde patroon maar de afgifte was op alle tijdstippen significant gedaald t.o.v. controles (p < 0.05 vs controle). Dit weerspiegelt de verminderde basale IL-6 afgifte die eerder werd geobserveerd.

Bespreking

We hebben elektrische puls stimulatie gebruikt om kern-aspecten van het inspanning-fenotype te genereren in gecultiveerde menselijke skelet-spier-cellen. We toonden dat EPS van gecultiveerde spier-cellen van gezonde controle-individuen resulteerde in de aktivatie van AMPK en myotube-contractie, karakteristieke kenmerken van inspanning-leverende spieren. Met dit inspanning-model vonden we 2 defekten in gecultiveerde skelet-spier-cellen van individuen met CVS: verstoorde aktivatie van AMPK en verzwakte stimulatie van glucose-opname. Interessant is dat de glucose-opname in respons op insuline normaal was in de CVS-culturen, wat wijst op een specifiek inspanning-gerelateerd defekt. De CVS- en controle-culturen werden onder identieke omstandigheden bestudeerd, wat het zeer waarschijnlijk maakt dat de defekten in de CVS-culturen een epigenetische en/of genetische basis hebben.

De afgifte van IL-6 was vergelijkbaar met controles tot 72h na initiatie van de differentiatie maar was significant gedaald op dag 7 bij de CVS myotube-culturen (vóór en tijdens contractie). Eerdere studies hebben geen verschil aangetoond qua circulerend IL-6 in rust of na een sub-maximale inspanning bij patiënten met CVS. Circulerend IL-6 weerspiegelt echter waarschijnlijk de release door meerdere weefsels. De studie die we hier beschrijven is de eerste die IL-6 onderzoekt dat specifiek door skelet-spier-cellen wordt afgegeven bij patiënten met CVS. Het belang van deze verminderde afgifte van IL-6 in een later stadium van de of spier-cel differentiatie is niet duidelijk. Acute blootstelling van spier-cellen aan IL-6 en andere pro-inflammatoire cytokinen zoals tumor necrose factor alfa (TNFα) bleek eerder een rol bij myogenese in skelet-spieren te spelen. Er werd aangetoond dat behandeling van muis myoblasten gedurende 24h met TNFα in combinatie met IL-6 myoblast-proliferatie bevordert. IL-6 bleek ook belangrijk bij in satelliet-cel proliferatie in vivo bij muizen […].

MYOG gen-expressie was significant verhoogd op 72h en 7 dagen na initiatie van differentiatie in de CVS-culturen vergeleken met controles. MYOG is een myogene regulerende factor die een kritieke rol speelt bij myoblast-differentiatie en is een merker voor terminale differentiatie. MYOG expressie neigt te stijgen gedurende de differentiatie, met een piek op 72-96h na initiatie. Verhoogde MYOG expressie bleek geassocieerd met verhoogde afgifte van het IL-6 en versterkte myotube-vorming in gecultiveerde muizen spier-cellen. In de huidige studie was de verhoogde MYOG expressie geassocieerd met een vermindering van de afgifte van IL-6 7 dagen na initiatie van de differentiatie in de CVS-culturen. Belangrijk: zowel controle- als CVS-culturen differentieerden gedurende een zelfde tijdspanne en onder gestandaardiseerde condities vóór de EPS-studies. MYOG expressie bleek betrokken bij de inspanning-capaciteit van skelet-spieren. Een muizen-model voor myogenine-depletie toonde een verhoogde inspanning-capaciteit […]. Muizen zonder het MYOG gen hadden een verhoogde aërobe capaciteit […]. Het is daarom mogelijk dat verhoogde myogenine-expressie een negatieve impact heeft op inspanning-capaciteit. Consistent met onze bevindingen toonde een vroegere studie aan dat – in een muizen-model met over-expressie van myogenine – verhoogde myogenine-expressie geassocieerd was met een kleiner myofiber-oppervlak. [myobiber = cylindrische, meer-kernige cel opgebouwd uit talrijke myofibrillen die samentrekken als ze wordt gestimuleerd]

Het gebrek aan aktivatie van AMPK tijdens EPS in spier-cellen van CVS-patiënten wijst op een spier-abnormaliteit op het niveau van, of upstream van, AMPK. AMPK is een proteïne-complex samengesteld uit een katalytische α-subunit en regulerende β- en γ-subunits. Onder normale fysiologische omstandigheden wordt AMPK geaktiveerd tijdens spier-contractie. Processen – zoals spier-contractie – die de AMP:ATP verhouding verhogen, bevorderen fosforylatie van AMPK […] door de binding van AMP (of ADP) op de γ subunit van AMPK. Upstream van AMPK fosforyleert lever kinase-B1 (LKB1) AMPK in de most cel-types. Het Ca2+/calmoduline-afhankelijk kinase kinase (CaMKK) kan in sommige cellen ook AMPK fosforyleren op een Ca2+-afhankelijke manier. […]. Deze kinasen upstream van AMPK vereisen verder onderzoek in onze groep CVS-individuen en de beschikbaarheid van ons in vitro spier-systeem zal een snel onderzoek naar potentiële therapieën en klinische testen toelaten.

Er is bewijsmateriaal dat suggereert dat IL-6 AMPK aktiveert. In skelet-spieren van muizen zonder IL-6 was – na 60 min inspanning – de fosforylatie van AMPK significant gereduceerd vergeleken met controles. Deze studie toonde ook dat incubatie van spieren van muizen met IL-6 direct AMPK-fosforylatie verhoogde. Er werd ook voorgesteld dat IL-6 AMPK aktiveert door het verhogen van cAMP en de AMP:ATP ratio. Het precieze mechanisme dat hierbij betrokken is, is echter nog onbekend. Bij mensen werd aangetoond dat de afgifte van IL-6 door been-spieren significant correleert met AMPK-aktiviteit tijdens een inspanning op een fiets-ergometer. Of verminderde afgifte van IL-6 door de CVS spier-culturen bijdraagt tot de verstoorde aktivatie van AMPK vergt verder onderzoek. Er is echter ook bewijsmateriaal dat suggereert dat AMPK de afgifte van IL-6 door skelet-spieren kan reguleren.

Elektrische puls stimulatie biedt een in vitro systeem dat pre-klinische testen toelaat met molekulen die de biochemische abnormaliteiten die worden gezien zouden kunnen manipuleren. Het bestuderen van deze gebieden van het metabool mechanisme die verstoord zijn bij patiënten met CVS en hoe deze farmacologische zouden kunnen worden gemanipuleerd, geeft opportuniteiten om snel, bestaande of nieuwe therapieën in klinische trials te kunnen testen bij CVS. Naast dit pre-klinisch experimenteel systeem dat ons toelaat beter de fysiologische basis van CVS te begrijpen, zou het een kans kunnen zijn om de pathogenese van vermoeidheid in ander met vermoeidheid geassocieerde chronische ziekten te exploreren. Terwijl éénlagige culturen een goed model zijn voor het bestuderen van de respons op inspanning in vitro, is een mogelijke beperking van het model dat bij 2D culturen de myotubes niet volledig in dezelfde richting liggen. Een manier om dit aan te pakken, is het ontwikkelen van een 3D cel-cultuur-systeem. […]

Studies suggereren dat graduele oefen therapie (GOT) voordelen heeft voor patiënten met CVS, hoewel deze klein zijn. CVS-patiënten voelen dikwijls dat inspanning hun symptomen integendeel verergert. Onze MRS-studies suggereerden dat er minstens 2 spier-fenotypes zijn voor de ganse op symptomen gebaseerde diagnostische klassificatie van CVS. Dit kan, gedeeltelijk, het beperkt nut voor GOT verklaren. We geloven dat de resultaten van de huidige studie verder de mogelijkheid van een perifere component voor CVS benadrukken, alsook de noodzaak om de spier-fenotypes van CVS te karakteriseren, vooraleer inspanning voor te schrijven. Er is verder werk vereist om de biochemische abnormaliteiten in spieren bij CVS en de impact die inspanning daarop kan hebben, te begrijpen.

Tot besluit: ‘alternating frequency’ EPS [afwisseling van pulsen met hoge en lage frequentie] is een doeltreffend model voor het opwekken van spier-contractie en de metabole veranderingen geassocieerd met inspanning. De verstoorde AMPK-aktivatie en glucose-opname in respons op EPS wijzen in de richting van een primaire abnormaliteit in de spieren van CVS-patiënten. De mechanismen betrokken bij de aktivatie van of AMPK bij mensen met CVS en met vermoeidheid geassocieerde chronische ziekten vereisen verder onderzoek.

————————-

Er worden enkele aanwijzingen gegeven voor welke kinasen upstream van AMPK men zou kunnen onderzoeken.

Ons lijkt Nucleaire factor-kappaB (NF-κB) – waar we al meermaals op deze paginas naar verwezen – ook hier een belangrijke rol te spelen. Uit de samenvatting van ‘Regulation of IkappaB kinase and NF-kappaB in contracting adult rat skeletal muscle’ (Am J Physiol Cell Physiol. (2005) 289: C794-801):

>>Nucleaire factor-kappaB (NF-κB) is een transcriptie-factor met belangrijke rollen bij het reguleren van aangeboren immuniteit en inflammatoire responsen. NF-κB wordt geaktiveerd door de fosforylatie van zijn inhibitor, IkappaB, door het IkappaB-kinase (IKK) complex. Fysieke inspanning veroorzaakt wijzigingen in de gen-expressie van skelet-spieren, toch blijven de betrokken signalisering-cascades en transcriptie-factoren grotendeels onbekend. […]. [bij ratten] Inspanning resulteerde in tot tweevoudige stijging qua IKKalfa/beta-fosforylatie in spieren. […]. Bijkomende kinasen die worden geaktiveerd door inspanning omvatten p38, ‘extracellular-signal regulated protein kinase’ [ERK] en ‘AMP-activated protein kinase’ [AMPK]. De resultaten suggereren dat deze kinasen de aktivatie van IKK en NF-κB kunenn beïnvloeden tijdens inspanning. 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-beta-D-ribofuranoside, een aktivator van AMPK, had geen effekt op IKK noch NF-κB aktiviteit. […]<<

maart 7, 2015

Bewijs voor gesensitiseerde vermoeidheid-mechanismen bij CVS

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 9:28 am
Tags: , , , , , , , ,

Post-exertionele malaise en intolerantie voor lichamelijke inspanning is en blijft een hoofd-kenmerk voor M.E.(cvs). We rapporteerden op deze pagina’s al over mogelijke metabole (spier-)problemen bij M.E.(cvs). De auteurs van onderstaand artikel maken hier melding van de aanwijzingen die ze vonden voor een bijdrage van perifere weefsels (spieren) tot de sterkere (met inspanning gerelateerde) vermoeidheid bij M.E.(cvs)-patiënten. Er werden ook aanwijzingen gevonden voor abnormale centrale mechanismen bij het verwerken van chronische pijn en misschien ook vermoeidheid – aktivatie van gesensitiseerde vermoeidheid-mechanismen (centrale sensitisatie).

In de tekst wordt verwezen naar andere relevante informatie hieromtrent. Lees ook Julia Newton’s artikel ‘Abnormale zuur-verwerking in spieren bij CVS’.

Deze studie werd mede gefinancierd door het ‘National Institutes of Health’ & NIH/NCATS (‘Clinical and Translational Science’).

————————-

Pain – Pre-print (februari 2015)

Evidence for sensitized fatigue pathways in patients with Chronic Fatigue Syndrome

Staud R (1), Mokthech M (1), Price DD (2), Robinson ME (3)

Departments of Medicine (1), Oral and Maxillofacial Surgery (2) & Clinical & Health Psychology (3); University of Florida, Gainesville (USA)

Samenvatting

Patiënten met het Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) vertonen dikwijls intolerantie voor lichamelijke inspanning die vaak wordt gerapporteerd als verhoogde en langdurige vermoeidheid. Aangezien er geen specifieke metabole veranderingen werden geïdentificeerd bij CVS-patiënten, hypothiseerden we dat gesensitiseerde vermoeidheid-mechanismen geaktiveerd raken tijdens inspanning corresponderend met verhoogde vermoeidheid. Na een uitputtende handgreep-inspanning werden spier-metabolieten vastgehouden in de voorarm-weefsels van 39 CVS-patiënten en 29 Normale Controles (NC) d.m.v. plotse afknelling gedurende 5 min. Een conditie zonder afknelling van gelijkaardige duur werd aangewend als controle. Er werd herhaaldelijk genoteerd hoe hoog de individuen hun vermoeidheid en pijn inschatten vóór en na inspanning. Hyperalgesie [verhoogde pijngevoeligheid] voor druk en hitte werden bepaald via kwantitatieve sensorische testen (QST). Alle individuen voldeden aan de 1994 Fukuda criteria voor CVS. De inspanning van de NC en CVS-individuen beliep 6,6 (± 2,4) en 7,0 (± 2,7) min (p > .05). Afknelling van de voorarm duurde 4,7 (± 1,3) en 4,9 (± 1,8) min bij NC en CVS-individuen, respectievelijk (p >. 05). Terwijl de de inschatting van de vermoeidheid bij CVS-individuen steeg van 4,8 (± 2,0) tot 5,6 (± 2,1) VAS-eenheden tijdens voorarm-afknelling, daalde deze van 5,0 (± 1,8) tot 4,8 (± 2,0) VAS-eenheden tijdens de controle-conditie zonder afknelling (p = .04). Er werd een gelijkaardig tijdverloop gezien voor de inschatting van de vermoeidheid bij NC (p > .05) hoewel de waarden hier significant lager lagen dan die van de CVS-individuen (p < .001). QST-testen toonden hitte en druk hyperalgesie aan bij CVS-individuen. Onze bevindingen bieden indirect bewijsmateriaal voor significante bijdragen van perifere weefsels aan de verhoogde met inspanning gerelateerde vermoeidheid bij CVS-patiënten, wat consistent is met sensitisatie van vermoeidheid-mechanismen. Toekomstige interventies die sensitisatie van vermoeidheid-mechanismen bij CVS-patiënten reduceren, zouden therapeutisch nuttig kunnen zijn.

  1. Inleiding

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een complexe ziekte die wordt gekenmerkt door ernstige en langdurige invaliderende vermoeidheid die niet wordt verlicht door te rusten. Bijkomende symptomen omvatten slaap-stoornissen, musculoskeletale pijn, verstoorde aandacht en korte-termijn geheugen. Gedurende vele jaren werd vermoed dat ‘moeheid’ en spier-pijn kunnen worden opgewekt door metabolieten die worden aangemaakt tijdens spier-contracties maar er was weinig bekend over het mechanisme voor vermoeidheid-signalisering. Sinds de jaren ’90 bleken zuur-voelende ion-kanalen (ASICs) en ‘transient receptor potential channel V1’ (TRPV1) [Light AR et al. Dorsal root ganglion neurons innervating skeletal muscle respond to physiological combinations of protons, ATP and lactate mediated by ASIC, P2X and TRPV1. J Neurophysiol (2008) 100: 1184-201; zie ook: [Spier-metaboreceptoren’ & ‘Matige Inspanning verhoogt Expressie van Sensorische, Adrenerge en Immuun Genen bij CVS] betrokken als belangrijke metabo-receptoren voor perifere metabolieten zoals waterstof-ionen en melkzuur. Slechts nadat werd ontdekt dat ATP de sensitiviteit van ASICs voor protonen en lactaat kan verhogen […] bleek het bestaan van metaboreceptoren te kunnen worden bevestigd. Vervolgens werden zenuw-uiteinden die ASICs bevatten, gedetekteerd op de buitenkant van kleine bloedvaten van de fascia [bindweefsel rond spieren, botten en gewrichten] rond spier-bundels, gemakkelijk toegankelijk voor door spieren geproduceerde metabolieten. Omdat één van de hoofd-kenmerken van CVS de vaak langdurige vermoeidheid na minieme lichamelijke inspanning is, poneerden we de hypothese dat spier-metabolieten vermoeidheid-mechanismen aktiveren en zodoende bijdragen tot dit fenomeen. Deze hypothese lijkt redelijk omdat pijn- en vermoeidheid-mechanismen gelijkaardige receptor-systemen (ASIC, TRPV1, P2X) lijken te delen en sensitisatie van pijn-mechanismen bij CVS-patiënten tijdens inspanning werd gerapporteerd. Terwijl de gezonde normale controles (NC) verhoogde pijn-drempels vertoonden, bleek bij CVS-patiënten een toenemende verlaging van de pijn-drempels na milde inspanning. Normaal verhoogt inspanning de pijn-drempel omwille van endogene pijn-modulatie met inbegrip van de afgifte van endogene opioïden en groei-factoren. We hypothiseerden dat het vasthouden van spier-metabolieten in de voorarm van CVS-patiënten en NC, na een krachtige handgreep-inspanning, de globale vermoeidheid zou verhogen en zodoende indirect bewijs zou leveren voor de door metabolieten geïnduceerde aktivatie van vermoeidheid-receptoren en sensitisatie van vermoeidheid-mechanismen. We hebben ook de hitte- en druk-hyperalgesie bij CVS-patiënten getest op mogelijke interakties met inspanning-geïnduceerde vermoeidheid.

  1. Methodes

[…]

2.1 Individuen

[…] Diagnose CVS: 1994 Internationale Research Definitie (Fukuda Criteria). Exclusie: andere significante diagnoses zoals chronische spier-ziekte, majeure depressie of kanker. Gebruik van analgetica, inclusief NSAIDs, tramadol en paracetamol: niet toegestaan tijdens de studie. […]

2.2 Experimenteel ontwerp

[…]

2.2.1 Testen van hitte en druk hyperalgesie

[…] Voor de handgreep-inspanning meerder opéénvolgingen van 10 sec hitte of druk […] op de voorarm […].

2.2.2 Inspanning-test

[…] Handgreep-inspanning [compressie van een dynamometer à 50% van de gemiddelde maximale handgreep-kracht elke 1,5 sec] tot uitputting, gevolgd door onmiddellijke voorarm-afknelling [bloeddruk-manchet rond de bovenarm 200 mg Hg] of controle […]. Zelf-gerapporteerde inspanning-intensiteit (Borg schaal) en pijn-intensiteit (VAS) elke 30 sec. […]

2.3 Testen van druk- en hitte-gevoeligheid

[…]

2.4 Klinische en experimentele pijn, en vermoeidheid

VAS (0-10) […] “helemaal geen vermoeidheid (pijn)” tot “de hoogst denkbare vermoeidheid (pijn)”. […]

2.5 Borg Schaal voor zelf-gerapporteerde inspanning

Waarden tussen 6 en 20, met 6 = “helemaal geen inspanning” & 20 = “maximale inspanning”. […]

2.6 Analyse van de gegevens

[…]

  1. Resultaten

[Relevante resultaten worden hieronder besproken.]

3.1 Deelnemers aan de studie

21 NC-individuen (20 vrouwen) en 39 individuen met CVS (31 vrouwen) […]. Gemiddelde leeftijd (SD) was 38,9 (± 16,8) en 45,7 (± 13,5) voor NC- en CVS-individuen (statistisch geen significant verschil).

3.2 Handgreep-inspanning

3.3 Testen van hitte-pijn

3.4 Testen van druk-pijn

  1. Bespreking

CVS-patiënten die uitputtende handgreep-inspanningen uitvoerden, vertoonden significant verhoogde vermoeidheid nadat inspanning-gerelateerde metabolieten werden vastgehouden in hun armen d.m.v. volledige voorarm-afknelling. In tegenstelling daarmee daalde de vermoeidheid van de CVS-patiënten significant tijdens de controle-conditie (zonder afknelling). Er werden gelijkaardige maar significant kleinere effekten geobserveerd bij NC, wat suggereert dat hyper-gevoelige vermoeidheid-mechanismen een belangrijke rol spelen bij de dikwijls uitgesproken vermoeidheid-gerelateerde vermoeidheid van CVS-patiënten. De snelle terugkeer van de vermoeidheid naar basale waarden na het beëindigen van de voorarm-afknelling ondersteunt dit besluit eveneens. Omdat de voorarm-afknelling na inspanning resulteerde in een verslechtering van de globale vermoeidheid, zouden centrale vermoeidheid-mechanismen geaktiveerd kunnen geweest zijn door deze manipulatie. Belangrijk is dat de lichamelijke inspanning zelf niet leek bij te dragen tot vermoeidheid aangezien de waarden onmiddellijk na inspanning niet verschilden van de basale. Omdat bij CVS-patiënten zowel vermoeidheid als pijn verhoogden tijdens de voorarm-afknelling, zou aktivatie van pijn-mechanismen kunnen hebben bijgedragen tot de vermoeidheid-intensiteit. Zoals echter aangetoond door onze experimenten werden, wanneer gelijkaardige experimentele pijn werd geïnduceerd bij CVS-patiënten zonder voorarm-afknelling, significante verminderingen van de vermoeidheid opgetekend; wat suggereert dat aktivatie van gesensitiseerde receptoren in diepe weefsels kritiek is voor (met inspanning en afknelling gerelateerde) vermoeidheid.

4.1 Effekten van inspanning op CVS

De mechanismen van de vaak geprononceerde met inspanning geassocieerde vermoeidheid bij CVS-patiënten worden slechts ten dele begrepen. In rust en tijdens herstel is de spier-funktie bij CVS-patiënten normaal […]. Eén studie toonde dat de inspanning-duur en het verband tussen hartslag en arbeid tijdens inspanning gelijkaardig waren bij CVS-patiënten en NC. CVS-patiënten hadden echter hogere scores qua ervaren inspanning dan NC, ondanks een normale spier-fysiologie vóór en na inspanning. Andere studies toonden aan dat sub-maximale inspanning en beperkte inspanning waarbij CVS-patiënten zelf kunnen temporiseren, post-exertionele malaise kon triggeren [Van Oosterwijck J, Nijs J, Meeus M, Lefever I, Huybrechts L, Lambrecht L, Paul L. Pain inhibition and post-exertional malaise in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome: An experimental study. J Intern Med (2010) 268: 265-78; zie ‘Pijn-inhibitie en post-exertionele malaise bij M.E.(cvs)]. Specifiek: een daling qua drempels voor druk-pijn tijdens sub-maximale inspanning was geassocieerd met post-exertionele vermoeidheid bij CFS-patiënten, wat abnormale centrale pijn-verwerking tijdens inspanning suggereert. Enkele onderzoekers konden tonen dat CVS-patiënten, na milde inspanning, significant verhoogde mRNA-expressie van metaboliet-detekterende receptor en adrenerge receptor genen vertoonden, wat werd geobserveerd kort na de aanvang van de inspanning. Nog belangrijker: er waren sterke correlaties tussen verhoogde mRNA-expressie van metabo-receptor genen (ASIC3, TRPV1, P2X4, P2X5) bij CVS-patiënten en hun meldingen van verhoogde mentale vermoeidheid gedurende meerdere dagen na inspanning. Op dezelfde manier werden correlaties tussen metabo-receptor gen-expressie en de meldingen van pijn door CVS-patiënten geobserveerd na inspanning [Light AR, White AT, Hughen RW, Light KC. Moderate exercise increases expression for sensory, adrenergic and immune genes in Chronic Fatigue Syndrome patients but not in normal subjects. J Pain (2009) 10:1099-112; zie ‘Matige Inspanning verhoogt Expressie van Sensorische, Adrenerge en Immuun Genen bij CVS’)].

4.2 Spier-metabolieten en CVS

CVS wordt gekenmerkt door mentale en lichamelijke vermoeidheid, alsook spier-pijn in rust, wat dikwijls wordt verergerd door inspanning. Hoewel een specifiek defekt in het spier-metabolisme niet duidelijk werd gedefinieerd, hebben meerdere studies een abnormaal oxidatief metabolisme, inclusief verhoogde aktiviteit qua anti-oxidante enzymen (katalase, glutathion-peroxidase, -transferase) en stijgingen qua totaal glutathion in het plasma gerapporteerd [Fulle et al. Specific oxidative alterations in vastus lateralis muscle of patients with the diagnosis of Chronic Fatigue Syndrome. Free Radic Biol Med (2000) 29: 1252-9; zie ook:Specifieke correlaties tussen oxidatieve stress in de spieren en CVS]. Bovendien werd een serum-acylcarnitine deficiëntie gevonden [Kuratsune H et al. Acylcarnitine deficiency in Chronic Fatigue Syndrome. Clin Infect Dis (1994)18 Suppl 1: S62-S67; zie ook: ‘Acetylcarnitine – verminderde opname in de hersenen’ & ‘Lange-keten acylcarnitine deficiëntie bij CVS], wat kan resulteren in een abnormale mitochondriale werking. Een gereduceerd oxidatief metabolisme en hogere plasma lactaat-concentratie werden ook gerapporteerd bij CVS-patiënten. Veel van deze resultaten werden echter verkregen uit kleine proeven en worden zodoende als controversieel beschouwd. Bijvoorbeeld: hoewel een opvallende daling van de intracellulaire pH na milde inspanning een lagere ATP-synthese tijdens herstel werden gerapporteerd bij CVS-patiënten, waren de resultaten wat betreft VO2(max), HR(max) en de lactaat-drempel bij CVS-patiënten van de beide geslachten niet verschillend van de waarden verwacht bij gezonde, sedentaire, voor leeftijd gematchte NC. Sommige van deze verschillen kunnen te wijten zijn aan een verschillende test-methodologie maar er is op dit moment geen duidelijk bewijs voor specifieke spier-abnormaliteiten bij CVS beschikbaar.

Andere studies hebben spier-metabolieten bij CVS-patiënten bestudeerd in de mediale gastrocnemius [kuit-spier] d.m.v. 31P-magnetische resonantie spectroscopie met gelijktijdige meting van de zuurstof-saturatie in de spier en bloed-volume […]. CVS en controles verschilden niet qua bloeddoorstroming of fosfocreatine-‘recovery’ [aanvullen van de cellulaire energie-voorraad] na gedeeltelijk belemmerde bloeddoorstroming naar het lidmaat. CVS-patiënten vertoonden bewijs voor een verminderde bloeddoorstroming en gereduceerde zuurstof-afgifte maar geen bewijs voor een abnormaal spier-metabolisme.

Globaal is er slechts inconsistent bewijsmateriaal voor metabole spier-abnormaliteiten bij CVS-patiënten beschikbaar, bij rust of tijdens inspanning. Dus moeten andere mogelijkheden, inclusief vermoeidheid-signalisering via gesensitiseerde metabo-receptoren, worden overwogen.

4.3 Aktivatie van vermoeidheid-mechanismen

Onderzoekers hebben herhaaldelijk serum cytokine-profielen onderzocht bij patiënten met CVS nadat eerdere studies een versterkt pro-inflammatoir profiel met hoge waarden qua TNF-α en IL-6 hadden gesuggereerd bij deze chronische ziekte. Daarna bleken andere onderzoeken deze link tussen CVS en pro-inflammatoire cytokine-profielen niet te ondersteunen. Een andere studie die inspanning-geïnduceerde cytokine-profielen bij CVS-patiënten onderzocht, toonde na een milde inspanning (15 min trappen-lopen) verhoogde waarden aan voor IL-6 en IL-1ß alsook gestegen waarden voor via lipo-polysaccharide gestimuleerd IL-6. Deze studie kon echter geen verhoogde vermoeidheid of andere symptomen induceren. Ondanks het wel-bekend vermogen van cytokinen om vermoeidheid en centrale sensitisatie te induceren [Kawasaki Y et al. Cytokine mechanisms of central sensitization: distinct and overlapping role of interleukin-1beta, interleukin-6 and tumor necrosis factor-alpha in regulating synaptic and neuronal activity in the superficial spinal cord. J Neurosci (2008) 28:5189-94], is er – op dit moment – globaal genomen, weinig bewijsmateriaal voor bijdragen van cytokinen aan inspanning-gerelateerde verslechtering van vermoeidheid.

Het meest robuuste bewijsmateriaal voor aktivatie van vermoeidheid-mechanismen door spier-metabolieten komt van een studie bij NC waar de onderzoekers fysiologische concentraties van protonen, lactaat en ATP in de abductor pollicis spieren [zorgen voor abductie (beweging van het lichaam weg) van de duim] gebruikten [team rond het echtpaar Light: Exogenously applied muscle-metabolites synergistically evoke sensations of muscle-fatigue and pain in human subjects. Exp Physiol (2014) 99: 368-80. Hier wordt gesuggereerd dat de combinatie van een ASIC-receptor en een P2X receptor vereist is voor het signaliseren van vermoeidheid en pijn.]. Belangrijk is dat de infusie van enkelvoudige metabolieten of combinaties metabolieten gevonden in rustende spieren (H+, lactaat, ATP) vermoeidheid noch pijn opwekten. Inspuitingen bij NC van dezelfde metabolieten, in concentraties die in de spieren tijdens matige uithouding-inspanning worden gevonden, bleken echter sterk geassocieerd met vermoeidheid-achtige sensaties of “warmte” en “moeheid”. Dit effekt was dosis-afhankelijk, d.w.z. hogere dosissen produceerden sterkere vermoeidheid-sensaties maar ook pijn. Dus: gelijktijdige intramusculaire infusie van protonen, lactaat en ATP resulteerde in vermoeidheid-achtige sensaties en pijn, mogelijkerwijs via de aktivatie van ASIC, TRPV1 en P2X receptoren. Deze sensaties werden echter beschreven als lokaal en niet veralgemeend.

Onze studie bevestigt en gaat verder op deze bevindingen bij patiënten met CVS, op 2 manieren: 1) we lokten significante vermoeidheid-veranderingen uit bij NC en patiënten met CVS via het vasthouden van spier-metabolieten na forse inspanning; 2) de significant grotere toename van globale vermoeidheid bij CVS-patiënten tijdens afknelling van de voorarm vergeleken met NC, levert bewijs voor sensitisatie van vermoeidheid-mechanismen bij CVS. De geobserveerde toename qua globale en niet enkel lokale vermoeidheid suggereert een centraal effekt.

4.4 Bewijs voor centrale sensitisatie bij CVS

Centrale sensitisatie is een fenomeen van toegenomen centrale neuronale responsiviteit geassocieerd met hyperalgesie, allodynia [ervaring van pijn bij een gewoonlijk niet-pijnlijke prikkel] en ‘referred pain’ [reflectieve pijn = pijn ervaren op een plaats elders dan de site van de pijnlijke stimulus], wat dikwijls leidt tot chronische wijdverspreide pijn. Er is steeds meer bewijsmateriaal dat de belangrijke rol van centrale sensitisatie bij pijn en mogelijks ook vermoeidheid bij CVS-patiënten ondersteunt [Nijs J et al. In the mind or in the brain? Scientific evidence for central sensitisation in Chronic Fatigue Syndrome. European Journal of Clinical Investigation (2012- 42: 203-12; zie ook: ‘Centrale sensitisatie & pijn-behandeling]. Symptomen zoals vermoeidheid, niet-verkwikkende slaap, concentratie-problemen, verstoord korte-termijn geheugen, gevoeligeheid voor helder licht en chemicaliën, en wijdverspreide pijn zijn suggestief voor betrokkenheid van het centraal zenuwstelsel bij CVS. Een studie rapporteerde lagere drempels voor druk-pijn in pijnlijke en pijn-vrije lichaam-gebieden bij CVS-patiënten vergeleken met gezonde NC, die niet verklaard werden door depressie, hyper-vigilantie of katastroferen [Meeus M, Nijs J, et al. Evidence for generalized hyperalgesia in Chronic Fatigue Syndrome: a case control study. Clin Rheumatol (2010) 29: 393-8]. In afwezigheid van detekteerbare weefsel-schade, suggereert de aanwezigheid van secundaire hyperalgesie en wijdverspreide pijn bij CVS-patiënten abnormale centrale mechanismen voor het verwerken van chronische pijn en misschien ook vermoeidheid. De bevindingen van deze studie zijn consistent met deze gegevens, aangezien we ook druk- en hitte-hyperalgesie bij CVS-patiënten rapporteren in lichaam-gebieden zonder detekteerbare weefsel-schade. Twee studies vergeleken de pijn-drempels bij elektrische stimulatie van spier-weefsel, huid en subcutane weefsels bij patiënten met CVS en NC. Er werd geen verschil qua drempels voor elektrische pijn in huid-strukturen gezien maar er werd in de CVS-groep een veel lagere drempel gevonden voor spier-weefsel [Vecchiet J et al. Relationship between musculoskeletal symptoms and blood-markers of oxidative stress in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Neuroscience Letters (2003) 335: 151-4; zie ‘Oxidatieve stress /// Vecchiet L et al. Sensory characterization of somatic parietal tissues in humans with Chronic Fatigue Syndrome. Neurosci Lett (1996) 208: 117-20; zie ‘Afwijkende Pijndrempels en Morfologie in de Spieren bij CVS].

Het is nog onduidelijk of CVS-patiënten die ook chronische pijn rapporteren, verschillen van deze die klachten hebben van uitputtende vermoeidheid of dat alle CVS-patiënten gelijkaardig zijn. Gezien de hoge prevalentie van chronische pijn bij CVS-patiënten, is de laatste verklaring waarschijnlijk.

4.5 Beperkingen

Hoewel dier-experimenten overtuigend bewijsmateriaal hebben geleverd voor de belangrijke rol van H+, ATP en lactaat bij het aktiveren van metabo-receptoren, kunnen we slechts speculeren dat de vermoeidheid- en pijn-sensaties uitgelokt door ons inspanning-protocol, werden getriggerd door deze metabolieten. Gegevens verkregen bij NC na injektie van metabolieten in spieren, lijkt dit vermoeidheid-mechanisme te ondersteunen. Er werden echter ook andere mediatoren gevonden in spieren na inspanning, inclusief bradykinine, kalium, prostaglandine-E2 en verscheidene cytokinen. Het is daarom mogelijk dat deze bij CVS ofwel de metabo-receptoren direct aktiveren of de gevoeligheid ervan verhogen.

  1. Besluiten

Onze studie leverde bewijs voor gesensitiseerde vermoeidheid-mechanismen bij CVS-patiënten. Daarnaast was er bewijs voor het bijdragen van perifere weefsels tot vermoeidheid, hoogstwaarschijnlijk de spieren. Het afklemmen van de voorarm leek effektief metabolieten van ingespannen spieren vast te houden, wat resulteerde in verhoogde globale en niet enkel lokale vermoeidheid. Dus: gevangen spier-metabolieten zouden perifere en centrale vermoeidheid-mechanismen via metabo-receptoren (inclusief ASIC, TRPV1 & P2X) geaktiveerd kunnen hebben.

december 29, 2013

Infektie vóór CVS: oxidante status, kalium-uitstroom en spier-prikkelbaarheid bij inspanning

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 4:18 pm
Tags: , , , , , , ,

Onderstaande studie toont aan dat een infektie verantwoordelijk kan zijn voor langdurige veranderingen qua oxidatieve stress die stoornissen van kalium-uitstroom uit de spiercellen na inspanning en qua membraan-prikkelbaarheid bij CVS-patiënten kan verklaren. Er zijn meerdere soorten infekties die de stoornissen kunnen veroorzaken.

————————-

Open Journal of Internal Medicine, 2013, 3: 98-105

Chronic Fatigue Syndrome with history of severe infection combined altered blood oxidant status and reduced potassium efflux and muscle excitability at exercise

Yves Jammes (1,2), Jean Guillaume Steinberg (2), Regis Guieu (1), Stephane Delliaux (1,2)

1 UMR MD2, Faculty of Medicine, Aix-Marseille University, Marseille, France

2 Clinical Respiratory Physiology, Exercise Testing Laboratory, North Hospital, Public Health-Hospitals in Marseille, Marseille, France

SAMENVATTING

Er werd gedocumenteerd dat het Chronisch Vermoeidheid Syndroom (CVS) een combinatie is van verhoogde oxidatieve stress met veranderde spier-prikkelbaarheid. Onze hypothese was dat deze stoornissen kunnen worden versterkt wanneer ernstige infektie de CVS-symptomen voorafging. Deze ‘case-control’ studie vergeleek 55 CVS-patiënten met een gematchte controlegroep van 40 gezonde individuen. Bij 55 CVS-patiënten werd ernstige infektie gerapporteerd binnen een periode van 3-7 maand voorafgaand aan de CVS-symptomen. De anderen hadden sport beoefend op hoog niveau. Plasma-concentraties van kalium, een merker voor lipiden-peroxidatie (thiobarbituurzuur reaktieve stoffen, TBARS) en een endogeen anti-oxidant (gereduceerd ascorbinezuur, RAA) werden gemeten. Er werd een aktie-potentiaal (‘M-wave’) uitgelokt in de vastus lateralis spier om de prikkelbaarheid van spier-membranen te onderzoeken. Alle individuen voerden een maximale toenemende fiets-inspanning uit. In vergelijking met controle-individuen hadden alle CVS-patiënten verhoogde TBARS-waarden in rust en, tijdens en na inspanning, een gewijzigde ‘M-wave’ configuratie. Een voorgeschiedenis van infektie was geassocieerd met duidelijke significante toename van TBARS-waarden in rust, versterkte ‘M-wave’ veranderingen en ook verminderde inspanning-geïnduceerde kalium-efflux. De omvang van de inspanning-geïnduceerde ‘M-wave’ veranderingen was proportioneel met de basale TBARS-waarde. Ernstige infektie voorafgaand aan CVS lijkt een stressor te zijn die een veranderde oxidant-status in het bloed en een verminderde spier-prikkelbaarheid bij inspanning induceert.

1. INLEIDING

Het Chronisch Vermoeidheid Syndroom (CVS) resulteert geeft een ernstige verstoring van de dagelijkse aktiviteiten. Er wordt een door inspanning geïnduceerde CVS-pathologie vermoed. CVS volgt echter vaak op een ernstige bakteriële of virale infektie en diverse vermoedelijke pathogenen – zoals het Epstein-Barr virus, cytomegalovirus, humaan herpesvirus, enterovirus, parvovirus en Mycoplasma, worden overwogen. Eerdere studies hebben uitgesproken veranderingen qua biologische en fysiologische reakties op maximale inspanning bij CVS-patiënten (in vergelijking met gezonde sedentaire personen) gerapporteerd [Jammes Y, Steinberg JG, Mambrini O, Brégeon F, Delliaux S. Chronic Fatigue Syndrome: assessment of increased oxidative stress and altered muscle excitability in response to incremental exercise. J Int Med (2005) 257: 299-310 /// Vecchiet J, Cipollone F, Falasca K et al. Relationship between musculoskeletal symptoms and blood-markers of oxidative stress in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Neurosci Lett (2003) 335: 151-154; beide zie ‘Oxidatieve stress /// Jammes Y, Steinberg JG, Delliaux S, Bregeon F. Chronic Fatigue Syndrome combines increased exercise-induced oxidative stress and reduced cytokine and Hsp responses. J Int Med (2009) 266: 196- 206; zie ‘CVS * Oxidatieve Stress en Hsp bij inspanning’ / e.a.]. Deze verschillen omvatten duidelijke wijzigingen van de spier-membraan prikkelbaarheid na inspanning, een vroege en verlengde inspanning-geïnduceerde oxidatieve stress en een verzwakte ‘heat-shock’ proteïnen respons (HSP) [bv. Jammes Y, Steinberg JG, Delliaux S. Chronic Fatigue Syndrome: Acute infection and history of physical activity affect resting levels and response to exercise of plasma oxidant/anti-oxidant status and heat shock proteins. J Int Med (2012) 272: 74-84].

Een overmatige produktie van reaktieve zuurstof soorten (ROS), verantwoordelijk voor membraan lipiden-peroxidatie, oefent gekende effekten uit op geïsoleerde menselijke en dierlijke weefsels, inclusief verlies van membraan-exciteerbaarheid door een veranderde aktivatie van kalium (K+) kanalen in hart-myocyten [spiercellen] en de skeletspier-vezels. Bij gezonde mensen hebben spier-biopten aangetoond dat de sterkte van membraan-excitatie evenredig is met de K+-uitstroom, detekteerbaar in het plasma. Een verhoogde ROS-produktie oefent een remmende werking uit op de Na+/K+-pomp aktiviteit, waardoor de kalium-uitstroom en de spier-membraan exciteerbaarheid vermindert. De CVS-studie door Fulle et al. [Fulle S, Belia S, Vecchiet J et al. Modification of the functional capacity of sarcoplasmic reticulum membranes in patients suffering from Chronic Fatigue Syndrome. Neuromuscul Disord. 2003 Aug;13(6):479-484; zie ook ‘Struktuur en funktie van skelet-spieren gewijzigd bij CVS] heeft een ontregeling van de Na+/K+– en Ca2+-ATPase pompen en de veranderingen van ryanodine-kanalen [zie ook ‘Molekulair mechanisme voor verminderde inspanningscapaciteit’, ‘Ryanodine receptor & inspanning’ & ‘Transcriptie-profiel van spieren bij CVS] in het sarcoplasmatisch reticulum membranen bevestigd. [sarcoplasma = vloeistof die de myofibrillen van dwarsgestreepte spiervezels omgeeft] Deze auteurs hypothiseerden dat de ontregeling van de pomp-aktiviteiten het gevolg zou kunnen zijn van een toegenomen fluïditeit [omschrijvig van de viscositeit van de lipiden-lagen van een cel-membraan] van het sarcoplasmatisch membraan ten gevolge de door ROS geïnduceerde vorming van lipiden-hydroperoxiden. Het is goed gedocumenteerd dat ernstige bakteriële [Staphylococcus aureus] en virale [rhino-virus, influenza-virus, RSV] infekties, oxidatieve stress induceren. Zodoende zou infektie verantwoordelijk kunnen zijn voor een veranderde membraan-prikkelbaarheid ten gevolge van verminderde K+-uitwisselingen doorheen de spier-membranen.

Het opnemen van samengestelde uitgelokte aktie-potentialen in de spieren (‘M-wave’) [‘evoked compound muscle-potential’; een zenuw wordt elektrisch gestimuleerd en de opgewekte respons kan worden gemeten; een manier om perifere spier-vermoeidheid bij inspanning te meten] met oppervlakte-elektroden is een niet-invasieve methode die courant gebruikt wordt om de spier-membraan prikkelbaarheid te onderzoeken in rust en bij inspanning [Arnaud S, Zattara-Hartmann MC, Tomei C, Jammes Y. Correlation between muscle metabolism and changes in M-wave and surface electromyogram: Dynamic constant load leg exercise in untrained subjects. Muscle & Nerve (1997) 20: 1197-1199 /// Jammes Y, Zattara-Hartmann MC, Caquelard F, Arnaud S, Tomei C. Electromyographic changes in vastus lateralis during dynamic exercise. Muscle & Nerve (1997) 20: 247-249]. Een verstoorde excitatie van de spier-vezels wordt vastgesteld wanneer de ‘M-wave’ afneemt en breder wordt. Bij gezonde sedentaire personen, treden bescheiden veranderingen op qua duur en amplitude van de ‘M-wave’ tijdens en na een maximale oplopende fiets-inspanning. Aan de andere kant vertonen CVS-patiënten een significante verlenging van de neuromusculaire geleiding-tijd (CT), een vermindering van de ‘M-wave’ amplitude en verlengde ‘M-wave’ duur; de veranderde spier-prikkelbaarheid blijft vaak aanhouden op het einde van een herstel-periode van 30 min.

We hypothiseerden dat de stoornissen qua oxidant-status in het bloed en gewijzigde spier-membraan exciteerbaarheid versterkt zouden kunnen zijn bij CVS-patiënten met een voorgeschiedenis van ernstige infektie.

2. METHODES

2.1. Individuen

55 CVS-patiënten; inclusie-criteria: 1) klinisch: persistente of terugkerende vermoeidheid gedurende minstens 6 opéénvolgende maanden of langer an 4 of meer van deze symptomen: post-exertionele malaise, verstoord geheugen of concentratie, niet-verfrissende slaap, spier-pijn, gewricht-pijn, gevoelige lymfe-klieren, pijnkijke keel, hoofdpijn; 2) biologisch: combinatie van inspanning-geïnduceerde veranderingen van spier-membraan exciteerbaarheid [een aktie-potentiaal is een golf van elektrische ontlading over het membraan van een exciteerbare (prikkelbare) cel zoals een neuron of een spiercel], en een vroege en verlengde inspanning-geïnduceerde oxidatieve stress. Patiënten met depressie en chronische ziekte werden uitgesloten. In retrospect werden 2 groepen CVS-patiënten geïdentificeerd (op basis van hun sportieve voorgeschiedenis en ernstige acute infektie). 30 patiënten hadden veel sport beoefend op hoog niveeau (> 6 h per week) gedurende meer dan 6 jaar voor de symptomen optraden en geen voorgeschiedenis van ernstige infektie (vastgesteld door hun artsen). 25 patiënten deden niet regelmatig aan sport en hadden een gerapporteerde ernstige infektie (griep, longontsteking, encefalomyelitis, sepsis of niet-geïdentificeerd) binnen 3-7 maand voor de aanvang van de CVS-symptomen. De 2 groepen CVS-patiënten werden ‘NI’ (niet geïnfekteerd) en ‘I’ (geïnfekteerd) genoemd. De gegevens werden vergeleken met deze van een controle-groep van 40 Caucasische vrijwilligers gematcht voor geslacht, leeftijd en gewicht uit dezelfde socio-economische klasse. […]

2.2. Fysiologische Metingen

[…] arteriële bloeddruk, zuurstof-saturatie (SpO2), ventilatie en ademhaling-gassen. […] Inspanning op een fiets-ergometer […]: 2 min 0 W, oplopende inspanning (20 W/min) tot piek O2-opname (VO2max). De criteria om VO2max vast te stellen: plateau van VO2 om voorspelde maximale waarden van VO2 en HR te bereiken, en meting van het respiratoir quotient > 1,1. [RQ = geëlimineerd CO2 / geconsumeerd O2]

2.3. Elektromyografische (EMG) Opnames en Analyses

[…] De elektrodes werden tussen het motor-punt [punt op de spier waar toediening van een minimale elektrische stroom een waarneembare samentrekking van de oppervlakkige spier-vezels veroorzaakt] en de proximale pees geplaatst. […] Aktie-potentialen (‘M-waves’) werden in de spieren opgewekt door directe spier-stimulatie […]. Een kleine (1×1 cm) negatieve zilver-elektrode op het belangrijkste motor-punt (plaats waar de sterkste contractie werd verkregen met de laagste puls-amplitude) van de vastus lateralis [spier aan de voorzijde van het dijbeen] en een grote (3×3 cm) positieve zilver-elektrode op de tegenovergestelde kant van de dij. […] Berekening van 1) piek ‘M-wave’ amplitude; 2) de duur ervan; 3) de geleiding-tijd (tijd tussen stimulus en de piek EMG-respons). […]

2.4. Biochemische Analyses

[…] Melkzuur (LA) en kalium (K+) concentraties werden gemeten via specifieke elektrodes […]. Een plasma-merker voor lipiden-peroxidatie (thiobarbituurzuur reaktieve substanties, TBARS) en een anti-oxidant (gereduceerd ascorbinezuur, RAA) werden geanalyseerd […].

2.5. Inspanning-Protocol

1) 30 min rust (meting variabelen en bloed-afname); 2) 2 min 0 W arbeid; 3) inspanning; 4) 30 min herstel. Bij VO2max: afname bloed en ‘M-wave’ opname. Tijdens herstel na inspanning: bloed-afname en ‘M-wave’ opname na 5 en 30 min.

2.6. Statistische Analyses

[…] Significantie: 0.05.

3. RESULTATEN

3.1. Onderzoek in Rust

Er werden geen verschillen genoteerd tussen basale concentraties van LA, K+ en RAA, terwijl de gemiddelde waarde van TBARS in rust significant hoger was bij CVS-patiënten en bijna verdubbeld in de ‘I’ CVS-groep. De ‘M-wave’ kenmerken gemeten in de vastus lateralis in rust verschilden niet significant tussen de groepen.

3.2. Respons op Toenemend Maximaal Fietsen

VO2max en maximale LA-concentratie verschilden niet tussen de controle- en CVS-groepen. De TBARS-waarde bereikte een toppunt bij VO2max bij alle individuen. De maximale RAA-afname werd gemeten bij VO2max bij CVS-patiënten maar later bij gezonde individuen, en de K+-concentratie bereikte steeds een hoogste waarde bij VO2max. In vergelijking met controles was de maximale TBARS-toenname bijna altijd verdubbeld bij ‘NI’ CVS-patiënten, maar niet significant verschillend was in de ‘I’ CVS-groep. Er werden geen verschillen tussen de groepen genoteerd qua maximale RAA-afname. De piek K+-stijging was significant verzwakt in de ‘I’ CVS-groep.

Er traden uitgesproken ‘M-wave’ veranderingen op bij CVS-patiënten bij VO2max en die hielden aan na het beëindigen van de inspanning. De significantie van inter-groep verschillen was reeds aanwezig bij VO2max en bleef op de 5e en 30e min. De ‘M-wave’ veranderingen waren een combinatie van verminderde ‘M-wave’ amplitude en verlenging qua duur van zowel de ‘M-wave’ als de geleiding-tijd.

Omdat onze CVS-patiënten werden onderzocht 6 tot 23 maanden na de aanvang van de spier-vermoeidheid, zochten we naar verbanden tussen deze vertraging en de grootte-orde van rust-waarden en inspanning-geïnduceerde variaties van TBARS, RAA, K+ en ‘M-wave’ karakteristieken bij de ‘NI’ en ‘I’ CVS-groepen. We vonden dat de duur van de klinische aandoeningen de biochemische en elektrofysiologische variabelen niet beïnvloedde.

3.3. Relaties tussen Biochemische en Elektrofysiologische Variabelen

De veranderingen in ‘M-wave’ amplitude en CT na inspanning waren evenredig met de basale TBARS-waarde, de sterkste veranderingen werden gemeten in de ‘I’ CVS-groep. Ondanks het feit dat hun veranderingen bijna gelijktijdig optraden, waren de maximale ‘M-wave’ variaties niet gecorreleerd met de maximale inspanning-geïnduceerde veranderingen in TBARS, RAA, K+ en LA.

4. BESPREKING

De huidige studie bevestigt gegevens die eerder warden gerapporteerd bij CVS-patiënten: een stijging qua oxidant-status van het bloed in rust, een toegenomen inspanning-geïnduceerde oxidatieve stress en een verminderde spier-prikkelbaarheid. De nieuwe bevinding was de significante toename van oxidant-status stoornissen in het bloed in rust en hypo-exciteerbaarheid van de spieren bij inspanning bij CVS-patiënten met een recente ernstige infektie (‘I’ CVS-groep ). Er moet worden opgemerkt dat de oxidatieve stress na inspanning (TBARS-toename) significant versterkt was in de ‘NI’ CVS-groep, maar niet in de ‘I’ CVS-groep. Dit zou het resultaat kunnen zijn van de uitgesproken verhoging qua basale TBARS-concentratie bij ‘I’ CVS-patiënten, waardoor kan worden verondersteld dat de stoornissen van hun oxidant-status bijna al maximaal zijn. De chronische verhoging van de basale TBARS-waarden lijkt een belangrijke rol te spelen in de spier-prikkelbaarheid bij inspanning. Inderdaad: we meten de grootste veranderingen van spier-prikkelbaarheid na inspanning in de ‘I’ CVS-groep. We merkten ook een significante vermindering qua kalium-uitstroom in de spieren in respons op maximale inspanning in deze groep.

De sterkte van deze studie was de betrekkelijke toegankelijkheid door de meeste universitaire ziekenhuizen tot de instrumenten die werden gebruikt om de diagnose van CVS te stellen (‘M-wave’ opnames en plasma oxidant/anti-oxidant status). De beperking was de afwezigheid van gegevens betreffende waarden van de ‘heat-shock’ proteïnen (HSP) in onze CVS-groepen. Inderdaad: onze eerdere studies hebben duidelijk aangetoond dat zowel de basale waarden en inspanning-geïnduceerde variaties van HSPs significant lager zijn bij deze patiënten. Deze metingen werden niet herhaald in de huidige studie omdat HSP-metingen met immuno-assay-kits relatief duur zijn.

Onze vergelijkingen tussen controle-undividuen en CVS-patiënten bij inspanning zijn waardevol omdat hun VO2max en maximale inspanning-kracht, en dus de totale duur van toenemende inspanning, niet significant verschilde. De afwezigheid van verstoord aëroob metabolisme bij onze CVS-patiënten bevestigt meerdere eerdere observaties, gebaseerd op hetzelfde of bijna hetzelfde inspanning-protocol. De toegenomen inspanning-geïnduceerde oxidatieve stress bij CVS-patiënten kan wellicht deels de afwezigheid van een stoornis van hun aëroob metabolisme bij inspanning verklaren. Inderdaad: super-oxide aktiveert de mitochondriale ontkoppeling [lekken van protonen (H+) naar de mitochondriale matrix zodat niet alle energie die vrijkomt, wordt gebruikt om ATP te vormen maar verloren gaat als warmte en er dus minder ATP beschikbaar is voor cellulaire processen] proteïnen [eiwitten die de ‘mitochondrial permeability transition pore’ (mitochondriale ‘porie’ die de binnenste en buitenste mitochondriale membranen overspant) regelen] en het is welbekend dat de ontkoppeling-processen de zuurstof-opname verhogen door hun invloed op de mitochondriale ademhaling-keten.

De huidige studie bij CVS-patiënten meldde geen enkel verschil qua waarden in rust van de neuromusculaire transmissie (geleiding-tijd) en spier-membraan prikkelbaarheid in vergelijking met gezonde individuen. Aan de andere kant hebben we duidelijke veranderingen gemeten qua spier-prikkelbaarheid bij inspanning die reeds significant waren op het einde van de toenemende inspanning en aanhielden tijdens de herstel-periode . De vermindering van de ‘M-wave’ amplitude en de verlenging van de neuromusculaire geleiding-tijd (CT) waren significant toegenomen bij CVS-patiënten met een recente ernstige infektie. De toegenomen veranderingen van spier-membraan exciteerbaarheid na inspanning in onze ‘I’ CVS-groep waren geassocieerd met een significante reductie van de maximale kalium-uitstroom gemeten bij het einde van de inspanning. We hebben in de literatuur al gegevens gerapporteerd die nauwe relaties aantonen tussen oxidatieve stress, K+-uitwisseling via het sarcolemma [celmembraan van een dwarsgestreepte spiervezel] en spier-prikkelbaarheid . Zoals aangetoond door Marcos en Ribas [European Journal of Applied Physiology (1995) 71, 207-214], kan een extracellulaire kalium-accumulatie fungeren als een negatief feedback-signaal voor sarcolemma-prikkelbaarheid en zou een mogelijk mechanisme voor de ‘M-wave’ veranderingen na inspanning kunnen betekenen.

De huidige studie geeft aan dat CVS-patiënten met antecedenten van ernstige infektie meer biologische en EMG-stoornissen vertonen dan andere patiënten die enkel een hoge lichamelijke aktiviteit vóór het optreden van vermoeidheid-symptomen rapporteerden. Het is goed gedocumenteerd dat een acute infektie een stressor betekent die verantwoordelijk is voor oxidatieve stress. Onze belangrijkste constatering was dat infektie verantwoordelijk was voor meer langdurige veranderingen van de oxidant-status in rust. Inderdaad: de infektie trad op binnen 6 tot 7 maand voorafgaand aan de aanvang van de CVS-symptomen en onze CVS-patiënten werden onderzocht 6 tot 23 maanden na het begin van vermoeidheid. Een aanhoudende verhoogde oxidant-produktie wordt er sterk van verdacht de aanmaak van de tumor necrose factor alfa, de best gedefinieerde mediator van contractiele dsfunctie, te triggeren. Sommige studies konden geen abnormale plasma cytokine-waarden aantonen bij CVS-patiënten in rust vergelijking met gezonde individuen, terwijl anderen een verhoging van plasma-waarden van transformerende groeifactor beta, IL-6 en IL-1α rapporteerden.

Tot besluit: we verifieerden onze hypothese dat ernstige infektie een stressor betekent die verantwoordelijk is voor een langdurige wijziging van de oxidant-status in het bloed die de verstoorde inspanning-geïnduceerde kalium-uitstroom in de spieren en de gewijzigde membraan-prikkelbaarheid bij CVS-patiënten zou kunnen verklaren. Bij deze patiënten kan schade door vrije radikalen een bijdrage zijn aan de onderliggende funktionele defekten tijdens inspanning de symptomen.

september 21, 2013

Rol van mitochondriale dysfunkties bij pijn (CVS & FM)

De groep rond Jo Nijs en Mira Meeus presenteert hier een literatuur-studie die aansluit bij onze eerdere vermeldingen van studies betreffende het verlagen van oxidatieve stress. Als fysiotherapeuten verliezen zij natuurlijk het ‘axioma’ van inspanning nooit uit het oog. Toch lijkt stilaan te worden afgestapt van het adagio “GOT herstelt zomaar eender welke dysfunktie”. Voorstanders van CGT/GOT (gedrag- en oefentherapie) geloven dat de mitochondriale veranderingen te wijten zijn aan deconditionering en dat ze omkeerbaar zijn door inspanning. Nijs et al. hebben ook al uitspraken gedaan over de (zogezegde) voordelen van CGT/GET. Komt er nu toch een kentering in hun denken? Wordt een combinatie van anti-oxidantia (met inspanning) in de praktijk gebracht om de verergering qua M.E.(cvs)-symptomen te vermijden? Voorlopig hieromtrent geen studies in het vooruitzicht?

Volgens clinicaltrials.gov loopt er aan het ‘Columbia University Medical Centre NY; Department of Clinical Genetics’ een studie die tot doel heeft een behandeling, waarvan werd aangetoond dat ze nuttig is bij mitochondriale ziekten, te evalueren bij CVS. Patiënten krijgen dagelijks 30 à 40 min. conditionerende inspanning, een dieet met hoog proteïne-gehalte en supplementen: 300 mg alfa-liponzuur (Alpha Lipoic Sustain 300), 2x daags 500 mg acetyl-L-carnitine, omega-3 vetzuren (300 mg maxDHA), 100 mg CoQ10 (Ubiquinol QH-absorb), plus een multi-vitamine (Centrum Silver; 2x daags ½ tab). De evaluatie geschiedt d.m.v. meting van de VO2max (maximum zuurstof-consumptie) en lactaat in het bloed (tijdens & na loopband-inspanning), een wandel-test van 6 min en een vermoeidheid-vragenlijst. Er wordt ook gekeken of de behandeling de verhoogde waarden van glutathion in het cerebrospinaal vocht en gedaalde waarden in het brein corrigeert.

Om te vermijden dat elke M.E.(cvs)-patient onoordeelkundig CoQ10 gaat gaan slikken, toch even meegeven dat sommige onderzoekers vonden dat CoQ10 enkel een effekt heeft in dosissen van boven 1.200 mg/dag…

————————-

Expert Opinion on Therapeutic Targets (Pre-print Juli 2013)

The role of mitochondrial dysfunctions due to oxidative and nitrosative stress in the chronic pain or chronic fatigue syndromes and fibromyalgia patients: peripheral and central mechanisms as therapeutic targets?

Mira Meeus PhD (1,2), Jo Nijs PhD (3), Linda Hermans MSc (2), Dorien Goubert MSc (2) & Patrick Calders PhD (2)

1 University of Antwerp, Faculty of Medicine and Health Sciences, Department of Rehabilitation Sciences and Physiotherapy, Pain in Motion Research Group, Antwerp, Belgium

2 Ghent University and Artevelde University College, Rehabilitation Sciences and Physiotherapy, Ghent Campus Heymans (UZ) 3 B3, De Pintelaan 185, Ghent, Belgium

3 Vrije Universiteit Brussel, Faculty of Physical Education & Physiotherapy, Departments of Human Physiology and Rehabilitation Sciences, Pain in Motion Research Group, Brussel, Belgium

Samenvatting

Inleiding Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) en fibromyalgie (FM) worden gekenmerkt door aanhoudende pijn en vermoeidheid. Er wordt gehypothiseerd dat reaktieve zuurstof soorten (ROS), veroorzaakt door oxidatieve en nitrosatieve stress, via het inhiberen van de mitochondriale funktie betrokken kan zijn bij spierpijn en centrale sensitisatie, welke typisch is bij deze patiënten.

Behandelde domeinen Het bewijsmateriaal betreffende oxidatieve en nitrosatieve stress, en mitochondriale dysfunktie bij CVS & FM wordt voorgesteld met betrekking tot chronische wijdverspreide pijn. Mitochondriale dysfunktie bleek aanwezig in leukocyten van CVS-patiënten en in spiercellen van FM-patiënten, wat de spierpijn zou kunnen verklaren. Daarnaast: als mitochondriale dysfunktie ook aanwezig is in centrale neurale cellen, zou dit kunnen resulteren in gedaalde ATP-voorraden in neurale cellen, wat leidt tot veralgemeende hypersensitiviteit en chronische wijdverspreide pijn.

Experten-opinie Verhoogde ROS bij CVS & FM, resulterend in verstoorde mitochondriale funktie en verlaagd ATP in spieren en neurale cellen, zou kunnen leiden tot chronisch wijdverspreide pijn bij deze patiënten. Daarom zou het aanpakken van verhoogde ROS (d.m.v. anti-oxidanten) en de mitochondriale biogenese een oplossing kunnen bieden voor de chronische pijn bij deze patiënten. De rol van oefen-therapie bij het herstellen van mitochondriale dysfunktie dient nog te worden onderzocht, en biedt belangrijke mogelijkheden voor toekomstig onderzoek in dit domein.

1. Inleiding

1.1 Definiëren van Chronische Vermoeidheid Syndroom en fibromyalgie

[…]

1.2 Oxidatieve & nitrosatieve stress

[…]

Er is bewijs (bij andere myopathieën en perifere neuropathieën) dat de mitochondrieën bijdragen aan de pathogenese en/of de pathofysiologie. Bij CVS en FM blijft de rol van mitochondrieën bij de chronische wijdverspreide pijn van deze patiënten duister en te weinig onderzocht. Toch poneren we de hypothese dat de mitochondriale funktie in de spieren, het bloed en het ruggenmerg aangetast is bij CVS en FM, dit ten gevolge verhoogde oxidatieve en nitrosatieve stress, en dat deze stoornissen – onder meer – aanleiding kunnen zijn van perifere bronnen van nociceptie en centrale sensitisatie; wat de chronische wijdverspreide pijn en andere systemische klachten bij deze patiënten zou verklaren. Dit artikel geeft een overzicht van het bestaande bewijsmateriaal met betrekking tot mitochondriale dysfunktie bij deze patiënten; en verklaart hoe deze afwijkingen kunnen leiden tot de chronische pijn die wordt gezien bij deze patiënten. Verder worden mogelijke therapeutische doelwitten besproken.

2. Bewijsmateriaal

[Veel van het hier aangehaalde bewijsmateriaal is te vinden op onze paginas daarom slechts enkele korte vermeldingen…]

2.1 Mitochondriale dysfunkties in witte bloedcellen en skelet-spieren van CVS-patiënten?

[…] In witte bloedcellen: gedaalde mitochondriale funktie resulterend in verminderd ATP. […] Sommigen stelden dat de hoofd-oorzaak een verlaagde citraat-synthase inhoud is, een uitdrukking van het aantal mitochondrieën. Anderen vonden een verlaagde aktiviteit van andere enzymen (complexen) […].

Beperkt aantal studies betreffende musculaire mitochondriale funktie […] tegenstrijdige gegevens […] door verschillende inclusie-criteria […] en methodologie […].

[…]

2.2 Mitochondriale dysfunkties in witte bloedcellen en skelet-spieren van FM-patiënten?

Meer substantiële literatuur betreffende mitochondriale dysfunktie. Meerdere auteurs rapporteren mitochondriale dysfunktie in witte bloedcellen én spier-biopten […].

De degeneratieve spier-veranderingen in membranen, mitochondrieën en capillaire vaten kan verband houden met defekten in membranaire ion-kanalen, transport van zuurstof en metabolieten, en ATP-produktie via oxidatieve fosforylatie. [andere gegevens ondersteunen] defekten qua oxidatief metabolisme en ATP-synthese.

2.3 Musculaire mitochondriale dysfunkties leidend tot wijdverspreide perifere spierpijn

[…].Mitochondrieën bevatten cytochroom-c en apoptogenen [apoptose-inductoren], die [bij dyfunktie] in het cytoplasma komen en caspase aktiveren, wat cellulaire schade veroorzaakt en kern-fragmentatie induceert.

[…].

Er werd voorgesteld dat ROS-schade de permeabiliteit van de transitie-porieën in het binnenste mitochondriaal membraan kan verhogen, leidend tot […] mitofagie […].

Mitochondriale dysfunktie houdt verband met de niveaus circulerende cytokinen […].

[…] Andere mechanismen nog niet duidelijk […] het is niet bekend mitochondriale dysfunktie bv. kan leiden tot spier-bechadiging en verminderde aërobe capaciteit bij CVS of FM, met spierpijn en perifere sensitisatie tot gevolg […].

2.4 Mitochondriale dysfunkties in het centraal zenuwstelsel die leiden tot centrale sensitisatie en chronische pijn

[…] Er werd aangetoond dat NMDA-receptoren in de dorsale hoorn van het ruggemerg en periaqueductale grijze-stof een rol spelen bij de ontwikkeling van centrale sensitisatie.

[…].

Een ander concept in pijn-research is dat oxidatieve stress een kritiek rol speelt bij chronische pijn door centrale sensitisatie. […]

3. Besluit

Het lijkt aannemelijk dat oxidatieve en nitrosatieve stress tesamen met mitochondriale dysfunktie een belangrijke rol spelen bij beide syndromen. Niettemin is sterker bewijsmateriaal nodig wat betreft de exacte mechanismen en de klinische relevantie. In het bijzonder: het verband tussen oxidatieve en nitrosatieve stress tesamen met mitochondriale dysfunktie, en centrale sensitisatie werd nog niet onderzocht. Gezien het consistente en overweldigend bewijs ter ondersteuning van een kardinale rol voor centrale sensitisatie  bij zowel FM als CFS, is dit een belangrijke tekortkoming wat betreft ons begrip van deze syndromen. Verder onderzoek zou zich op deze lacunes moeten focussen, omdat de huidige rationale interessante therapeutische doelwitten biedt voor deze populaties: het aanpakken van de anti-oxidante toestand en het optimaliseren van de mitochondriale funktie.

4. Experten opinie

Zoals hierboven vermeld, is de aanwezigheid van mitochondriale dysfunktie bij CVS- zowel als FM-patiënten een relevante plausibele hypothese, gebaseerd op de huidige gegevens, die mogelijk pijn en vermoeidheid bij deze patiënten verklaart. Mitochondriale dysfunktie bij CVS- en FM-patiënten in de spieren, het perifeer en centraal zenuwstelsel, kan worden geïnduceerd door een grote hoeveelheid ROS. Deze zuurstof-radikalen worden geproduceerd door de mitochondrieën zelf. De toegenomen hoeveelheid vrije radikalen in dit weefsel is een gevolg van een negatieve balans tussen ROS-produktie van de mitochondrieën enerzijds, en het anti-oxidant gehalte in het weefsel anderzijds. De relatieve hoeveelheden ROS-produktie en afbraak bepalen hun ‘steady-state’ [evenwicht-toestand] concentratie en, uiteindelijk, hun potentieel om weefsel-letsel te veroorzaken.

Het is mogelijk dat de produktie van ROS verhoogd is door een verhoogde frequentie van aktie-potentialen in de neuronen van het pijn-systeem (perifeer zowel als centraal) ten gevolge een traumatisch letsel of infektie die vaak voorafgaat aan de syndromen. Door het letsel of infektie, zullen verschillende cellen necrotisch worden en meerdere humorale factoren, zoals bradykinine en kalium, zullen naar de omgeving lekken, en zich mogelijks richten tegen nociceptoren van de pijn-neuronen. In dit geval is er een constant onevenwicht op het niveau van het membraan-potentiaal dat moet worden hersteld door de Na/K-ATPase-pompen. Deze pompen zijn ATP-afhankelijk, wat de mitochondriale funktie onder drukt zet en resulteert in een verhoogde aanmaak van zuurstof-radikalen. Deze hypothese wordt ondersteund door Mattson en Liu die rapporteerden dat mitochondrieën in axonen en pre-synaptische uiteinden ATP-bronnen bieden voor de ion-pompen die in deze strukturen zijn geconcentreerd, voor een snel herstel van de ion-gradiënten na depolarisatie en neurotransmitter-release [Energetics and oxidative stress in synaptic plasticity and neurodegenerative disorders. Neuromolecular Med (2002) 2: 215-31].

Mitochondrieën zouden ook een belangrijke rol kunnen spelen bij de regulering van de synaptische werking vanwege hun vermogen om calcium-niveaus en ROS-produktie te reguleren. ROS gegenereerd in respons op synaptische aktiviteit staan er om bekend bij te dragen tot de regulering van lange-termijn strukturele en funktionele veranderingen in neuronen. De hoge-energie eisen van de synapsen, tesamen met hun hoge niveaus qua ROS-aanmaak, betekenen een risico tijdens omstandigheden van verhoogde stress, die optreden bij veroudering, neurodegeneratieve aandoeningen (zoals Alzheimer’s en Parkinson’s), en na acute traumatische en ischemische aanvallen.

Naast een verhoogde ROS-produktie, is het ook mogelijk dat de niveaus van meerdere anti-oxidanten in het weefsel verlaagd zijn [Desai KM et al. Oxidative stress and aging: is methylglyoxal the hidden enemy? Can J Physiol Pharmacol (2010) 88: 273-84; methylglyoxal is een cytotoxisch metaboliet dat dient opgeruimd d.m.v. detoxificerende mechanismen]. De eliminatie van sterke oxidanten is een niet-enzymatisch proces en gebeurt via vitamine-C, vitamine-E, ubiquinon, carnosine, enz. De verwijdering van minder reaktieve soorten wordt gedaan door specifieke enzymen aanwezig in het cytosol, peroxisomen of mitochondrieën. Het mitochondrion heeft zijn eigen set van enzymen en andere anti-oxidanten. De mitochondriale matrix bevat Mn-superoxide-dismutase (SOD-2) en de inter-membraan ruimte bevat de cytosolische isoform van superoxide-dismutase (Cu,Zn-SOD of SOD-1).

Naast verhoogde ROS-produktie en verlaagde waarden qua anti-oxidanten, kunnen inflammatoire stoffen, zoals TNF-α en interleukinen, ook een directe impact op de mitochondriale funktie hebben in bij inflammatie. In lever-weefsel, rapporteerden Weidinger et al., induceerde ontsteking, te wijten aan hypoxie, mitochondriale dysfunktie. bij CVS- en FM-patiënten werden toegenomen inflammatie-biomerkers gerapporteerd, en er kan derhalve worden gehypothiseerd dat verhoogde inflammatie-niveaus kunnen leiden tot mitochondriale dysfunktie.

Op basis van het hierboven vermelde bewijsmateriaal, kunnen verschillende therapeutische doelwitten worden gedefinieerd.

Om de oorzaak van de mitochondrial dysfunktie te counteren, kan behandeling zich richten op het op peil houden van de niveaus anti-oxidanten en op mitochondriale anti-oxidante werking.

Bij FM-patiënten zowel als bij CVS-patiënten rapporteerden meerdere auteurs verlaagde waarden qua Coenzyme-Q10 en verscheidene mineralen zoals zink, koper, magnesium en mangaan, die gerelateerd zouden zijn aan pijn-klachten. Cordero meldde dat supplementering met Coenzyme-Q10 positieve effekten had op de mitochondriale funktie door het verminderen van oxidatieve stress, leidend tot een positief effekt op hoofdpijn-symptomen, ‘tender-points’, VAS-score en de ‘Fibromyalgia Impact Questionnaire’ bij FM-patiënten [Cordero et al.]. Bij jongere FM-patiënten verminderde dergelijke supplementering ook zelf-gerapporteerde vermoeidheid. Er zijn voor zover wij weten geen studies beschikbaar die het effekt van supplementering met Coenzyme-Q10 op pijn bij CVS evalueren [bij FM: ‘NLRP3 Inflammasoom geaktiveerd bij Fibromyalgie: effekt van Coenzyme Q10]. Verdere klinische proeven die focussen op de anti-oxidante status bij deze patiënten en op supplemetering met anti-oxidanten die van belang zijn bij oxidatieve stress, mitochondriale funktie gemeten in bloedcellen en spierweefsel, en evalutie van de associatie met verschillende klachten, vooral pijn en vermoeidheid, zijn vereist.

Een interessant anti-oxidant is carnosine (β-alanyl-L-histidine), een dipeptide van de aminozuren β-alanine en histidine. Het is sterk geconcentreerd in spieren en het centraal zenuwstelsel. Carnosine heeft bewezen reaktive zuurstof soorten (ROS) op te ruimen, alsook α-β onverzadigde aldehyden die worden gevormd bij de peroxidatie van cel-membraan vetzuren tijdens oxidatieve stress. In dier-modellen bleek carnosine kanker-groei te vertragen en te beschermen tegen door alkohol geïnduceerde oxidatieve stress alsook tegen door ethanol geïnduceerde chronische lever-beschadiging. Carnosine is ook neuroprotectief tegen permanente cerebrale ischemie [zuurstof-tekort] bij muizen [Boldyrev et al. Carnosine as a natural anti-oxidant and gero-protector: from molecular mechanisms to clinical trials. Rejuvenation Res (2010) 13:156-8].

Carnosine bleek peroxynitriet-afhankelijke eiwit-wijzigingen zoals tyrosine-nitratie en daardoor ook cel-schade tegen te gaan [Derave W et al. Muscle carnosine metabolism and beta-alanine supplementation in relation to exercise and training. Sports Med 201) 40: 247-63]. Boldyrev et al. rapporteerde na twee proeven dat carnosine-waarden verlaagd waren bij Parkinson’s en na beroerte, en dat supplementering resulteerde in een daling van proteïne-carbonylen en lipiden-hydroperoxiden (ROS-indicatoren) in het bloed-plasma, en dit ging gepaard met verhoogde cerebrale bloed-doorstroming, locomotor- en cognitieve funktie. Het kan interessant zijn om de inhoud van carnosine in spierweefsel en bloed bij CVS- en FM-patiënten te evalueren, en als carnosine verlaagd is, dienen supplementering-studies te worden uitgevoerd.

Een derde element bij de mogelijke oplossingen voor het doen dalen van ROS en het doen stijgen van het anti-oxidant vermogen in de cel, is medicatie-specifieke ‘targeting’ van de mitochondriale biogenese. Als voorbeeld noemen we resveratrol of esveratrol (3,5,4’-trihydroxy-trans-stilbeen) wat een stilbenoid is, een type natuurlijk fenol, en een fytoalexine [organische verbinding] dat op een natuurlijke manier door meerdere planten wordt aangemaakt, in het bijzonder door de wortels van de Japanese Duizendknoop, waaruit het commercieel wordt gewonnen. De effekten van resveratrol zijn onderwerp van talrijke studies bij dieren en mensen. In experimenten met muizen en ratten, werden anti-kanker, anti-inflammatoire, bloedsuiker-verlagende en andere voordelige cardiovasculaire effekten van resveratrol gerapporteerd [Xu Q, Si LY. Resveratrol role in cardiovascular and metabolic health and potential mechanisms of action. Nutr Res (2012) 32(9): 648-58].

Er zou kunnen worden gespeculeerd dat dergelijke types medicatie het gehalte mitochondrieën kunnen verhogen en daardoor de hoeveelheid anti-oxidanten, wat zou helpen de hoeveelheid ROS te verminderen; maar verder onderzoek bij patiënten met FM & CVS is vereist.

Tenslotte: omwille van het feit dat deze patiënten een mitochondriale inhoud hebben die te wijten is aan de pathologie maar ook aan fysieke deconditionering, is het wenselijk de fysieke aktiviteit te verhogen, bv. door lichamelijke inspanning. Bij gezonde individuen induceren aërobe, kracht-, gecombineerde inspanning- en interval-training morfologische, metabole en gen-regulerende aanpassingen in de skeletspier, inclusief toename van respiratoire capaciteit van de spier, onderdelen van de mitochondriale respiratoire keten, ATP-synthase, en enzymen van de Krebs-cyclus en de β-oxidatie. Het effekt van de inspanning-training op de anti-oxidant funktie van mitochondrieën blijft echter onderwerp van discussie. Lichamelijke aktiviteit veroorzaakt normaal een toename van de NO-produktie. Als dit effekt zou worden versterkt door de reeds verhoogde hoeveelheden NO, zou dit de typische pijn-verergering, malaise en vertraagd herstel na lichamelijke aktiviteit die wordt gezien bij FM- en CVS-patiënten kunnen verklaren. De resultaten van Jammes et al. bevestigen inderdaad een verlengde en geaccentueerde oxidatieve stress na inspanning bij patiënten met CVS, voldoende om spierpijn en malaise na inspanning [zie ‘Oxidatieve stress] te verklaren. Bovendien: een subgroep van CVS-patiënten vertoonde een significant lagere ATP-synthese tijdens herstel, wat duidt op verminderde mitochondriële oxidatieve fosforylering.

Bovendien zal pathologische over-produktie van NO het zuurstof-verbruik verlagen en de anaërobe glycolyse (lactaat-produktie) verhogen door het moduleren van de mitochondriale ademhaling en het ijzer-metabolisme. Deze effekten, naast de oxidatieve schade aan cel-membranen [zie ‘Specifieke correlaties tussen oxidatieve stress in de spieren en CVS], strukturele eiwitten (zoals actine) en DNA, kunnen de inspanning-capaciteit compromitteren en lichamelijke aktiviteiten responsen verergeren. Dus, hoewel de stijging van NO één van meerdere gunstige effekten van inspanning door gezonde mensen kan zijn, is meer onderzoek nodig bij CVS- en FM-patiënten om het effekt van inspanning op NO-produktie te bestuderen, ter opheldering van de voordelen of de gevaren van inspanning. Daarnaast moet nader onderzoek naar de mogelijke positieve effekten van inspanning op de mitochondriale funktie worden uitgewerkt, en zeker de meest optimale vorm met betrekking tot de klachten.

juni 23, 2013

Verband hersen-dysfunktie & post-exertionele malaise bij Golf Oorlog Ziekte

Op de ‘8th IiME conference’ in London (31 mei 2013) sprak Rakib Rayhan (‘Georgetown University Medical Centre’), een college van Professor James Baraniuk (over wiens werk we al eerder rapporteerden – zie ‘CVS-gerelateerd proteoom in cerebrospinaal vocht’) over hun studies bij veteranen met Golf Oorlog Ziekte (‘Gulf War Illness,’ GWI), wat nauw verwant is met M.E.(cvs). Baraniuk (en anderen) hypothiseren dat een dysfunktioneel centraal zenuwstelsel de symptomen bij beide oorzaken zou kunnen veroorzaken… Er zou een connectie met M.E.(cvs) kunnen zijn maar onderzoek daaromtrent laat op zich laat wachten.

De onderzoekers maten de door inspanning geïnduceerde effekten op de cognitieve funktie d.m.v. funktionele MRI (fMRI) – een soort hersen-scan – op 2 opéénvolgende dagen, in relatie tot inspanning. Ze keken ook naar bloeddoorstroming en strukturele veranderingen. Baraniuk & Rayahn gebruikten een nieuwe technologie (‘Diffusion Tensor Imaging’) om de standaard fMRI-technieken te verbeteren: zo kunnen ze het funktioneren van bundels zenuw-vezels bestuderen. Hiermee vonden ze, bij Golf Oorlog veteranen, anomalieën in de zenuw-vezels die pijn-signalen interpreteren.

De gegevens zijn het eerste direct bewijs voor 1) beschadiging van de hersenstof geassocieerd met klachten over vermoeidheid en pijn (verwerking en perceptie), 2) twee fenotypes in respons op inspanning-stress, 3) gecompenseerde cognitieve funktie (verhoogde aktiviteit vóór de inspanning – “De hersenen merken dar er ergens schade is en een ander deelt neemt het over. Deze ‘compensatie’ verdwijnt na de inspanning en er volgt cognitieve uitputting”), 4) corticale, cerebellaire en hersenstam (regelt de hartslag) -atrofie geassocieerd met inspanning-geïnduceerde fenotypes en 5) cognitieve veranderingen geassocieerd met abnormaal lactaat-metabolisme in de pre-frontale hersenschors (mogelijk gelinkt met neuronale mitochondriale dysfunktie). De orthostatische hartslag was gestegen bij sommige patiënten en bij hen verhoogde de gevoeligheid op de FM-punten na inspanning. Er werden veranderingen qua bloeddoorstroming in de hersenen gezien, in het bijzonder na inspanning.

In een ander deel van de studie hadden ze bij ‘GWI’ ook naar cardiovasculaire indicatoren vóór en na inspanning gekeken, en daarbij een verhoogd of gedaald werk-geheugen gevonden (controles bleven normaal); de zgn. ‘increasers’ bleken een lager cerebraal lactaat (geassocieerd met mitochondriale dysfunktie, leidend tot de hypothese dat de hersenen eerder lactaat dan glucose als alternatieve energie-bron gebruikten) te vertonen, terwijl de ‘decreasers’ een hogere glutamine/glutamaat verhouding vertoonden. (Glutamaat wordt omgezet tot glutamine. Glutamine wordt terug getransfereerd naar het pre-synaptische uiteinde waar het naar glutamaat wordt geconverteerd  om als neurotransmitter hergebruikt te worden. Verhoogde neuronale aktiviteit tijdens mentale taken doet de glutamaat-produktie stijgen. Zie o.m. ‘Glia, glutamaat-transport en chronische pijn)

————————-

PLoS ONE (2013) 8: e63903

Exercise Challenge in Gulf War Illness Reveals Two Subgroups with Altered Brain Structure and Function

Rakib U. Rayhan, Benson W. Stevens, Megna P. Raksit, Joshua A. Ripple, Christian R. Timbol, Oluwatoyin Adewuyi, John W. VanMeter, James N. Baraniuk

Georgetown University, Washington, District of Columbia, United States of America

Samenvatting

Nagenoeg 30% van de ca. 700.000 militairen die deelnamen aan ‘Operation Desert Storm’ (1990-1991) ontwikkelden ‘Gulf War Illness’, een aandoening die gepaard gaat met symptomen zoals cognitieve stoornissen, autonome dysfunktie, invaliderende vermoeidheid en chronische pijn; waaruit blijkt dat het centraal zenuwstelsel betrokken is. Een kenmerkende klacht van mensen met GWI is post-exertionele malaise – gedefinieerd als een verergering van de symptomen volgend op lichamelijke en/of mentale inspanning. Om het oorzakelijk verband tussen inspanning, de hersenen en veranderingen qua symptomen te bestuderen, ondergingen 28 Golf Oorlog veteranen en 10 controles een fMRI-scan vóór en na 2 inspanning-testen om wijzigingen qua pijn, autonome funktie en werk-geheugen te onderzoeken. Inspanning leidde tot 2 klinische ‘Gulf War Illness’ subgroepen. Eén subgroep vertoonde orthostatische tachycardie (n = 10). Dit fenotype correleerde met hersenstam-atrofie, compensatie van het baseline werk-geheugen in de cerebellaire vermis [kleine worm-vormige struktuur tussen de hemisferen van het cerebellum] en daaropvolgend verlies van deze compensatie na inspanning. De andere subgroep ontwikkelde inspanning-geïnduceerde hyperalgesie (n = 18) die geassocieerd was met corticale atrofie en compensatie van het baseline werk-geheugen in de basale ganglia [hersen-strukturen die betrokken zijn bij de controle van bewegingen]. Bij de controles waren er geen veranderingen qua cognitie, hersen-struktuur en symptomen. Deze nieuwe bevindingen zouden het verband tussen de hersenen en post-exertionele malaise bij ‘Gulf War Illness’ kunnen doen begrijpen of.

Am J Transl Res. (2013) 5: 212-23

Prefrontal lactate predicts exercise-induced cognitive dysfunction in Gulf War Illness

Rayhan RU, Raksit MP, Timbol CR, Adewuyi O, Vanmeter JW, Baraniuk JN

Division of Rheumatology, Immunology and Allergy; Department of Medicine, Georgetown University Medical Centre Room 3004F 3rd Floor PHC Building, 3800 Reservoir Road, NW, Washington, DC 20007, USA

Samenvatting

ACHTERGROND: 25% tot 30% van de veteranen die van 1990 tot 1991 dienden in de Golf Oorlog vertonen een idiopathisch syndroom van chronische vermoeidheid, exertionele uitputting, pijn, hyperalgesie, cognitieve en gedrag-dysfunktie dat bekend staat als ‘Gulf War Illness’ (GWI).

METHODES: Golf Oorlog veteranen (n = 15) en sedentaire veteranen en burger-controles (n = 11) voerden een ‘2-back’ test voor het werk-geheugen uit tijdens fMRI vóór en na 2 fiets-inspanning-testen. We voerden ‘single voxel’ 1H MRS uit om de metabole verschillen in de linker anterieure cingulate cortex van de hersenen en de veranderingen geassocieerd met inspanning te evalueren.

RESULTATEN: Bij 8 individuen met GWI waren de ‘2-back’ scores verhoogd na inspanning (‘increasers’ genoemd) en bij 7 individuen met GWI daalden hun ‘2-back’ scores na inspanning (‘decreasers’ genoemd). Deze fenotypische responsen waren afwezig bij de controles. De ‘decreasers’ hadden significant gestegen pre-frontale lactaat-waarden vergeleken met de ‘increasers’ voorafgaand aan de inspanning-testen. Evaluatie van pre-frontale lactaat-waarden vóór inspanning toonde voorspelbaarheid van de 2 diametraal tegengestelde subgroepen.

BESLUIT: Pre-frontale lactaat-waarden zouden een mogelijke biomerker voor inspanning-geïnduceerde subgroepen bij GWI kunnen zijn. De wijzigingen qua hersen-energetica kunnen ten dele verantwoordelijk zijn voor een GWI-subgroep en aan de basis liggen van de symptomen die aanwezig bij de patiënten-populatie.

————————-

Tijdens zijn presentatie op eerder vermelde conferentie had Rayhan het ook over werk waarbij ze hebben gekeken naar verandering van de hartslag na inspanning: daarbij werden ook 2 subgropen gevonden. Eén vertoonde verhoogde tachycardie gedurende de 2 inspanningen (deze verdween na 4 nachten rusten); ze noemden dit het ‘Stress Test Associated Reversible Tachycardia Phenotype’ (START). Een andere had verhoogde pijn-perceptie; deze werd de ‘Stress Test Originated Phantom Perception’ (STOPP) genoemd. Ze zagen ook verschillende gebieden met gecompenseerde brein-aktiviteit bij beide groepen.

Rakib Rayhan concludeeerde dat blootstelling aan acetylcholine zou kunnen hebben geleid tot schade aan het centraal zenuwstelsel en suggereerde dat hun benadering aangaande inspanning-testen een model zou kunnen zijn om overlappende syndromen, bv. M.E.(cvs), te bestuderen (maar fondsen daarvoor zijn moeilijk te vinden). Wat met vond, zou dus niet uniek zijn voor GWI…

Eén van de beperkingen is dat men niet kan aantonen dat de hersen-atrofie het resultaat is van een oud letsel of blootstelling aan de oorlog-gevaren. Het kan bv. ook de respons van de hersenen op chronische pijn zijn…

Andere experten klonken meer gematigd naar conclusies toe… De individuen die werden bestudeerd werden geselekteerd en het betrok een relatief kleine groep. Dr. Drew A. Helmer, directeur van het ‘Department of Veterans Affairs’ War-Related Illness & Injury Study Centre’ in New Jersey, bestempelde de resultaten als “zeer preliminair” maar ook “een belangrijke stap vooruit”. Dr. John Bailar, professor emeritus van de ‘University of Chicago’ zei dat de studie onvoldoende gegevens leverde om te bepalen of de symptomen van de veteranen gelinkt zijn met hun militaire dienst of iets helemaal anders.

Volgende pagina »

Blog op WordPress.com.