M.E.(cvs)-wetenschap

april 6, 2018

Extracellulaire vesikels: potentiële biomerkers voor M.E.(cvs)?

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 6:38 am
Tags: , ,

Exocytose is het proces waarbij een cel stoffen overbrengt naar het celmembraan of het extracellulair milieu. De af te geven stoffen worden verpakt in blaasjes (vesikels) die naar het celmembraan worden getransporteerd en er mee samensmelten. Endocytose is het proces waarbij de cel stoffen opneemt die door het celmembraan werden ingesloten. De stoffen die er door mogen, worden ingesloten doordat het celmembraan verder naar binnen toe instulpt tot dat het uiteindelijk een vesikel (endosoom) vormt.

Extracellulaire vesikels – microvesikels (circulerende, extracellulaire vesikels, 50-1000 nm), exosomen (intracellulair gegenereerde, door cellen afgegeven vesikels; 30-100 nm) en apoptotische lichamen (door apoptose geproduceerde fragmenten) – worden door veel, zo niet alle, celtypes afgegeven in het extracellulair milieu. Deze gesekreteerde vesikels bereiken lichaamsvochten en circuleren door het ganse lichaam waardoor ze kunnen interageren met veel verschillende cellen. Ze blijken een rol te spelen in de intercellulaire communicatie omwille van het doorgeven van de molekulen die er in zitten (via directe interaktie tussen een proteïne op het vesikel-membraan en één op het membraan van de ontvanger, of door internalisatie van de vesikel-inhoud door de recipient-cel) en de eigenschap om de werking van de ontvangende cel te veranderen.

Het zijn vehikels voor intercellulaire transfer van funktionele membraan- en cytosol-proteïnen, lipiden en nucleïnezuren. Naar gelang hun oorsprong, samenstelling, grootte en densiteit worden ze microvesikels, ectosomen (extracellulaire vesikels afgesplitst van het plasma-membraan), ‘shedding’ (afgeworpen) vesikels, micropartikels of exosomen genoemd.

In onderstaande studie werd voor het eerst (m.b.v. vrij eenvoudige technieken) maar bij een zeer beperkt aantal M.E.(cvs)-patiënten gekeken naar het voorkomen van extracellulaire vesikels; de resultaten geven dus zeer preliminaire indicaties…

————————-

Journal of Extracellular Vesicles Vol 7, #1 (maart 2018)

Circulating extracellular vesicles as potential biomarkers in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: An exploratory pilot study

Jesús Castro-Marrero (a), Esther Serrano-Pertierra (b), Myriam Oliveira-Rodríguez (b), Maria Cleofé Zaragozá (a,c), Alba Martínez-Martínez (a), María del Carmen Blanco-López (b) & José Alegre (a)

(a) CFS/ME Unit, Internal Medicine Service, Vall d’Hebron University Hospital Research Institute, Universitat Autònoma de Barcelona, Barcelona, Spain

(b) Department of Physical and Analytical Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Oviedo, Oviedo, Spain

(c) Clinical Research Department, Laboratorios Viñas [farmaceutisch bedrijf], Barcelona, Spain

Samenvatting

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS), ook gekend als Myalgische Encefalomyelitis (M.E.) is een verworven, complexe en multi-systeem aandoening met een onbekende etiologie, zonder gevestigde diagnostische laboratorium-testen en zonder universeel erkende medicijnen voor behandeling. CVS/M.E. wordt gekenmerkt door onverklaarde invaliderende vermoeidheid en wordt dikwijls vergezeld door talrijke kern-symptomen. Steeds meer bewijsmateriaal suggereert dat extracellulaire vesikels (EVs) een rol spelen bij de communicatie tussen cellen, en betrokken zijn bij fysiologische en pathologische processen. Tot op heden zijn geen gegevens beschikbaar betreffende EV-biologie bij CVS/M.E. Het doel van deze studie het isoleren en karakteriseren van EVs in het bloed bij CVS/M.E. Er werden bloedstalen afgenomen bij 10 Spaanse CVS/M.E.-patiënten en 5 gematchte gezonde controles (HCs), en er werden EVs geïsoleerd uit het serum. Ook de proteïnen-lading, grootte en concentratie werd gemeten. Verder werden EVs onderworpen aan een immuno-assay voor de biomerkers CD9 & CD63. We vonden dat de EV-fraktie significant hoger was bij de CVS/M.E.-individuen dan bij de HCs (p = 0.007) en dat EVs significant kleiner waren bij de CVS/M.E.-patiënten (p = 0.014). Circulerende EVs zouden een nieuw instrument kunnen zijn bij biomedische research omtrent CVS/M.E. Deze bevindingen leveren preliminair bewijs dat EVs uit het bloed CVS/M.E.-patiënten kunnen onderscheiden van HCs. Dit zou nieuwe opportuniteiten kunnen bieden en een nieuwe deur kunnen open naar de identificatie van nieuwe potentiële biomerkers en therapeutische benaderingen voor de aandoening.

Inleiding

[…]

Er werden veel studies uitgevoerd omtrent Extracellulaire Vesikels (EVs) in de biomedische research. Sekretie van EVs en EV-gemedieerde mechanismen staan bekend als belangrijke spelers bij een waaier aan biologische processen onder fysiologische en pathologische omstandigheden. De lading van EVs van donor-cellen zouden kunnen interageren met die van recipient-cellen, wat hen tot potentiële intercellulaire mediatoren maakt. Er worden meerdere proteïnen zoals ‘heat-shock’ proteïnen [de ‘heat-shock’ respons is een universeel en essentieel adaptief mechanisme dat cellen toelaat te reageren op een brede waaier van schadelijke condities], integrinen [extracellulaire matrix proteïnen betrokken bij cel-adhesie, aktiveren ook signalisering-mechanismen voor cel-groei en -regulering in het cytosol] en tetraspaninen [familie van membraan-proteïnen] aangetroffen in alle EVs. Bovendien worden de tetraspaninen CD9 [adhesie-molekule op het cel-oppervlak], CD63 [trans-membraan-proteïne] & CD81 [ook een cel-oppervlakte proteïne] courant gebruikt als conventionele EV-merkers aangezien deze aangerijkt zijn in hun membranen.

Daarnaast kunnen EVs in gewijzigde aantallen en samenstellingen voorkomen bij meerdere aandoeningen [o.a. kanker] en ze duiken op als potentiële biomerkers voor diagnose en prognose. Tot op heden zijn er geen publicaties aangaande de isolatie en karakterisatie van EVs bij CVS/M.E. Aangezien de patho-mechanismen van CVS/M.E. die in de literatuur worden beschreven de afgifte van EVs kunnen bevorderen, stellen we voor circulerende EVs bij CVS/M.E. te karakteriseren om hun potentieel als biomerkers voor deze aandoening te bepalen.

In deze ‘proof of concept’ studie, isoleerden we serum-EVs van CVS/M.E.-individuen en gezonde controles (HCs) om ze te karakteriseren qua grootte en concentratie. We analyseerden ook hun samenstelling d.m.v. een immuno-assay (LFIA [‘lateral flow immuno-assay’; zie methodes]) dat werd geoptimaliseerd voor een snelle detektie.

Patiënten & methodes

[…]

Deelnemers

Er werden 10 in aanmerking komende Kaukasische vrouwen met CVS/M.E. (gemiddelde leeftijd 46,3 ± 8,5 jaar) gerecruteerd op basis van de 1994 CDC/Fukuda definitie […]. Er werden ook 5 gematchte sedentaire niet-vermoeide gezonde controles (HCs) (gemiddelde leeftijd 44,2 ± 6,2 jaar) in de studie opgenomen. De exclusie-criteria waren co-morbide psychiatrische ziekte, endocrino-metabole, haematologische en auto-immune aandoeningen, cardiovasculaire ziekte, zwangerschap of borstvoeding, drug-misbruik, roken of CVS/M.E.-symptomen die niet overéénstemmen met de 1994 CDC/Fukuda definitie.

Staal-afname & -verwerking

[…] 12 h vasten. […]

Isolatie van EVs

[…]

EV-karakterisatie

Proteïnen-kwantificatie en ‘western blot’ analyse

[methode die met behulp van antilichamen specifiek proteïnen kan aantonen; de proteïnen in een staal worden eerst gescheiden en dan naar een drager getransfereerd d.m.v. een elektrische stoom, op de drager kunnen dan de (gemerkte) antilichamen binden zodat één bepaald eiwit kan worden gevisualiseerd en gemeten]

[…]

‘Nanoparticle-tracking’ analyse (NTA)

[methode voor het visualiseren en analyseren van partikels in vloeistoffen op basis van de Brownse beweging – willekeurige beweging die het resultaat is van botsingen van snel-bewegende molekulen; zo kan men de grootte-distributie-profiel bepalen van partikels met een diameter van ca. 10-1000 nm]

[…]

‘Lateral flow’ immuno-test

Bepaling van CD9 & CD63 in gezuiverde EVs d.m.v. monoclonale antilichamen […] op een immunostrip [‘papier’-strookje waarop lijntjes verschijnen voor een positieve test en controle] […].

Statistische analyse

[…] p < 0.05 werd beschouwd als statistisch significant.

Resultaten & bespreking

Bepaling van de hoeveelheid proteïnen en detektie van CD63 EV-frakties

[…] We vonden een significant hogere hoeveelheid proteïnen bij de CVS/M.E.-patiënten dan in bij de controles (65,49 ± 10,75 mg/ml vs. 43,62 ± 5,10 mg/ml; p = 0.001). […]. De analyse van de hoeveelheid EV-proteïnen kan differentiëren tussen CVS/M.E.-individuen en controles. Er werd gerapporteerd dat de inhoud van EVs hoger is bij bepaalde aandoeningen van het centraal zenuwstelsel. Dit zou kunnen dienen als een biomerker bij de ontwikkeling van nieuwe diagnostische instrumenten voor vroege stadia van CVS/M.E. Onze studie toonde een significante overvloed van bloed-EVs bij CVS/M.E.-individuen: gemiddeld een 1,5-voudige toename t.o.v. HCs.

We bepaalden ook de aanwezigheid van de courant gebruikte merker CD63 in de gezuiverde EV-frakties. Aangezien ons LFIA-systeem voor de detektie van EVs anti-CD63 als detektie-antilichaam gebruikt, checkten we daarnaast of de waarden van dit tetraspanine in onze CVS/M.E.-groep voldeden om deze benadering te gebruiken. We analyseerden gelijke volumes van elk staal d.m.v. ‘western blot’. De waarden van CD63 waren ook hoger bij CVS/M.E.-patiënten dan voor de controle-groep, hoewel het verschil niet statistisch significant was.

Karakterisatie van EVs van CVS/M.E.-patiënten en gezonde controles

Geïsoleerde EV-frakties werder verder gekarakteriseerd d.m.v. analyse van grootte-distributie en concentratie via NTA. Op basis van de gemiddelde diameter gemeten in beide groepen, zien we dat de populatie partikels nogal homogeen was qua grootte van circulerende EVs bij CVS/M.E.-patiënten (103-183 nm) maar de EVs geïsoleerd bij HCs waren meer heterogeen verdeeld (diameters van 140 tot 271 nm). EVs van de controle-groep waren significant groter dan deze van CVS/M.E.-individuen (p = 0.014). Betreffende de concentratie geïsoleerde EV-frakties vonden we een groter aantal partikels bij CVS/M.E.-patiënten dan bij controles (1015 partikels/ml vs. 4,88×1012 partikels/ml; p = 0.007).

Er wordt momenteel aanvaard dat de grootte van EVs van endocytische oorsprong (exosomen) typisch 30-150 nm is. Onze resultaten geven aan dat EV-frakties van CVS/M.E.-patiënten rijk zijn aan exosomen in vergelijking met HCs, waarbij we grotere diameters vonden die kunnen grotendeels met microvesikels overéénkomen. EVs zijn naar voren tredende doelwitten voor biomedische research en deze bevindingen betekenen het eerste bewijs voor het feit dat het aantal circulerende EVs CVS/M.E.-patiënten en gezonde controles kan onderscheiden.

Detektie van EVs die het tetraspanine CD9 tot expressie brengen

Bij het bestuderen van EV-biologie is hun isolatie even uitdagend als hun detektie. In dit opzicht biedt LFIA een krachtig instrument voor goedkope ‘on-site’ detektie. In deze studie werd LFIA-analyse uitgevoerd om een snelle detektie van circulerende EVs na isolatie toe te laten. Als detektie-antilichaam werd anti-CD63 gebruikt en anti-CD9 als het capterend antilichaam geprint in de test-lijn, anti-IgG werd gebruikt voor de controle-lijn. […] Serum dat werd ontdaan van EVs werd gebruikt als een negatieve controle. […]

[…] Het is meldenswaardig dat slechts 1 μl van de frakties nodig was om een zichtbaar signaal te verkrijgen (rode lijn) en zodoende EVs te detekteren. We vonden geen significante verschillend qua intensiteit van het CD9-signaal voor de EV-aangerijkte frakties tussen CVS/M.E.-patiënten en HCs. Dit impliceert vragen omtrent het gebruik van CD9 als een standaard exosomale merker voor CVS/M.E. EVs; aangezien het expressie-niveau van dit tetraspanine niet significant verschillend was tussen beide groepen. Het LFIA-platform werd gebruikt als een initiële benadering en het is geschikt voor snelle detektie van EVs, zoals eerdere gerapporteerd. Ons LFIA-systeem kan verder worden geoptimaliseerd of aangepast om andere biomerkers te detekteren. Daarom beschouwen we het als een goed startpunt. Niettemin zijn verdere studies met meer CVS/M.E.-patiënten en gezonde controles nodig om mogelijke verschillen betreffende de aanwezigheid van andere tetraspaninen of andere in EV ingekapselde merkers (o.a. DNA, RNA, lipiden, proteïnen, cytokinen en metabolieten) te exploreren.

Besluiten

Dit rapport is het eerste dat aantoont dat de aantallen bloed-EVs verhoogd zijn bij patiënten met CVS/M.E., wat wijst op hun mogelijke betrokkenheid bij ziekte-pathogenese. Deze beloftevolle bevinding biedt wellicht niet enkel inzichten in de mechanismen betrokken bij de ziekte maar toont ook dat EVs nuttig kunnen zijn bij de vroege diagnose. Bovendien kan de isolatie van circulerende EVs gekoppeld aan ons prototype voor de detektie ervan via LFIA een krachtig (één enkele stap en in minuten) diagnostisch instrument vormen. We besloten dat EVs een cruciale rol kunnen spelen bij CVS/M.E. Studies met grotere groepen, meer uitkomst-metingen en verschillende studie-ontwerpen (cross-sectioneel vs. longitudinaal) zijn nu dringend vereist. Deze studies zouden subgroepen moeten opdelen volgens ziekte-aanvang en -progressie, en patiënten beoordelen bij ‘baseline’ en na inductie van post-exertionele malaise (via de 2-dagen cardiopulmonaire inspanning test [‘fiets-test’ op 2 opéénvolgende dagen]).

Advertenties

december 9, 2017

Diagnostisch biomerker-profiel voor fibromyalgie?

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 3:39 pm
Tags: , , , , ,

Metaboloom- (analyse van de kleine molekulen die resulteren uit metabole interakties of cellulaire processen) en metabolisme-studies aangaande M.E.(cvs) kwamen hier al aan bod (zie bv. ‘Metabole kenmerken van M.E.(cvs)’, ‘Metabole veranderingen in spieren en hersenen bij CVS’, ‘Cellulaire bio-energetica verstoord bij patiënten met M.E.(cvs)’, ‘Verstoorde werking van pyruvaat-dehydrogenase bij M.E.(cvs)’, ‘Dysfunktie van de TCA- & de ureum-cyclus bij CVS’). Dergelijke studies betreffende fibromyalgie (FM) zijn eerder zeldzaam. De resultaten van onderstaande studie – door researchers van de Univeristeit van de Zuid-Afrikaans provincie North West, in samenwerking met mensen van de Radboud Universiteit (Nijmegen, Nederland) – kunnen aanwijzigingen geven naar wat gemeenschappelijk en wat verschillend is voor beide (overlappende) aandoeningen…

Van de 6 meest belangrijke metabolieten werd nagegaan of hun waarden FM-patiënten konden differentiëren van gezonde controles. Eén van de door de onderzoekers gebruikte modellen suggereerde dat de waarden van slechts 3 metabolieten (creatine, barnsteenzuur – succinaat; gegenereerd in de TCA-cyclus in de mitochondrieën – & taurine) zeer sterk diagnostisch waren voor FM. Correlatie-analyse van door de patiënten gerapporteerde symptomen en de metabolieten gaf ook aan dat creatine en barnsteenzuur bijdragen tot de vermoeidheid en pijn bij FM.

De auteurs waren vooral geïnteresseerd in de neurologische implicaties van hun bevindingen maar het is interessant – gezien de overlap van FM met M.E.(cvs) en studies die wijzen in de richting van een problematische aanmaak van energie bij M.E.(cvs) – dat ook hier problemen met het energie-metabolisme naar voor komen.

Bevestiging is een volgende stap en misschien kunnen er dan vergelijkingen worden gemaakt tussen FM en M.E.(cvs)…

In een piloot-studie bij M.E.(cvs), uitgevoerd door Maureen R. Hanson et al. (‘Cornell University’, New York; gepubliceerd in het tijdschrift Molecular BioSystems) – ‘Metabolic profiling of a Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome discovery cohort reveals disturbances in fatty acid and lipid metabolism’ – werden 74 “differentieel accumulerende metabolieten” gevonden op een totaal 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.”; daaronder het taurine-metabolisme. Verder maakten Niblett SH et al. (Hematologic and urinary excretion anomalies in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Exp Biol Med (2007) 232: 1041-1049) al melding van gedaalde urinaire excretie van de TCA-cyclus intermediairen barnsteenzuur (succinaat) en citroenzuur (citraat).

Conclusies omtrent de concrete betekenis van de wijzigingen val elk metaboliet worden hier niet echt getrokken. Het was vooral de bedoeling na te gaan of er (een combinatie van) merkers konden worden gevonden om het stellen van de diagnose te verbeteren.

————————-

BMC Neurology (2017) 17: 88

A diagnostic biomarker profile for fibromyalgia syndrome based on an NMR metabolomics study of selected patients and controls

Bontle G. Malatji (1), Helgard Meyer (2), Shayne Mason (1), Udo F.H. Engelke (3), Ron A. Wevers (3), Mari van Reenen (1) & Carolus J. Reinecke (1)

1 Centre for Human Metabonomics, Faculty of Natural Sciences, North-West University (Potchefstroom Campus), South Africa

2 Department of Family Medicine, Kalafong Hospital, University of Pretoria, South Africa

3 Radboud University Nijmegen Medical Centre, Translational Metabolic Laboratory, Department of Laboratory Medicine, Nijmegen, The Netherlands

Samenvatting

Achtergrond Fibromyalgie (FMS) is een chronische pijn syndroom. Er is onzekerheid over een plausibele pathogenese van de ziekte en het streven naar biomerkers voor een objectieve identificatie van aangetaste individuen blijft voortdurende inspanning vergen. Onze doelstelling was het uitvoeren van een exploratieve metabolomica-studie om (1) het globaal urinair metabolieten-profiel van FMS-patiënten te verhelderen en (2) het potentieel te exploreren van deze metabolieten-informatie om de diagnose van de ziekte te verbeteren.

Methodes We selekteerden patiënten met een medische geschiedenis van persistente FMS (n = 18), die hun recente ziekte-toestand beschreven d.m.v. de ‘Fibromyalgia Impact Questionnaire’ (FIQR) en een klinische vragenlijst (IHCQ [‘in-house clinical questionnaire’]). Er werden 3 controle-groepen gebruikt: eerste-graad familieleden [moeder/vader/zus/broer] van de patiënten (n = 11), leeftijd-gerlateerde individuen zonder aanwijzingen voor FMS of verwante aandoeningen (n = 10) en gezonde jonge (18-22 jaar) individuen (n = 20). Alle individuen waren vrouwen en de onderzochte biologische vloeistof was urine. Correlatie-analyse van de FIQR toonde dat de FMS-patiënten een goed gedefinieerde ziekte-groep voor deze metabolomica-studie vertegenwoordigden. Er werden spectrale analyses van urine uitgevoerd m.b.v. een 1H nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectrometer […].

Resultaten & discussie Multivariate analyses onderscheidden de 3 controle-groepen en de FMS-patiënten, en er werden significante toenames qua metabolieten gerelateerd met het darm-microbioom (hippuur-, barnsteen- & melkzuur) gezien. We ontwikkelden een algoritme voor de diagnose van FMS bestaande uit 3 metabolieten – barnsteenzuur, taurine & creatine – die een goede diagnostische accuraatheid gaven […] en wat betreft de pijn en vermoeidheid voor de geselekteerde FMS- patiënten groep.

Besluit Onze gegevens en vergelijkende analyses gaven een gewijzigd metabool profiel voor FMS-patiënten aan, dat analytisch detekteerbaar is in hun urine. Validatie-studies kunnen de bewijzen omtrent de urinaire metabolieten steviger onderbouwen en zo bijkomende informatie geven voor een betere objectieve diagnose van FMS.

Achtergrond

FMS is een courant chronische pijn syndroom dat wordt gekenmerkt door wijdverspreide musculo-skeletale pijn, geassocieerd met meerdere andere symptomen zoals cognitieve stoornissen, ontregelde slaap en chronische vermoeidheid. Het ‘American College of Rheumtology’ (ACR) publiceerde voor het eerst criteria voor FMS in 1990; die benadrukten chronische wijdverspreide musculo-skeletale pijn (inclusief pijn in het axiaal skelet [beenderen van het hoofd en de romp]) in aanwezigheid van minimum 11 van 18 specifieke gevoelige punten (‘tender-points’) bij het uitoefenen van een manuele druk van 4 kg/cm2.

De 2010 ACR criteria voor FMS worden toegepast via een 2-delige, zelf-rapportering vragenlijst en vereisen geen ‘tender-point’ beoordeling. Het eerste deel beoordeelt de aanwezigheid van pijn op 19 plaatsen op het lichaam (wijdverspreide pijn index) en deel twee meet de symptoom-ernst (score 0-3) van 3 kern-symptomen (slapeloosheid, vermoeidheid en cognitieve stoornissen) en een gemiddelde score (0-3) voor bijkomende somatische symptomen. FMS is de meest courante oorzaak van wijdverspreide en veralgemeende musculo-skeletale pijn en treft 2-8% van de volwassen bevolking met de hoogste prevalentie bij vrouwen tussen 30 en 55 jaar.

FMS wordt gezien als een centrale sensitiviteit syndroom geassocieerd met abnormale pijn-verwerking. Het wordt beschouwd als een “pijn-amplificatie syndroom” geassocieerd met verhoogde gevoeligheid van het zenuwstelsel en verminderde anti-nociceptie, resulterend in de klinische fenomenen van hyperalgesie [verhoogde pijngevoeligheid] en allodynia [ervaring van pijn bij een gewoonlijk niet-pijnlijke prikkel]. Dysfunktie van de centrale mono-aminerge neurotransmissie [gebuikmakend van mono-amine neurotransmitters] waarbij serotonine, norepinefrine, ‘nerve-growth’ factor, substantie-P en andere betrokken zijn, bleek geïmpliceerd bij de pathofysiologie van of FMS. FMS-patiënten vertonen dikwijls co-morbiditeiten met prikkelbare darm syndroom, interstitiële cystitis [chronische, niet-infektueuze inflammatie van de blaas] en stemming-aandoeningen.

In afwezigheid van een objectieve biomerker is de diagnose van FMS gebaseerd op een uitgebreide klinische beoordeling. Vóór 2010 was de diagnose gebaseerd op de 1990 ACR criteria […]. Hoewel de 2010 ACR criteria de ‘tender-points’ niet meer omvatten, blijft een musculo-skeletaal klinisch onderzoek aangewezen om andere oorzaken van wijdverspreide pijn uit te sluiten en ook de oorzaken van de perifere pijn (bv. myofasciale trigger-punten [fascia = bindweefsel-band onder de huid]) te identificeren. Selektief gebruik van laboratorium-testen wordt aangewend om andere oorzaken van wijdverspreide pijn (zoals polymyalgia rheumatica [spier-reuma; syndroom met ontstekingen aan bepaalde groepen spieren – nek, schouders of bekken] en hypothyroïdisme) uit te sluiten.

Het streven naar specifieke en meetbare biomerkers die kunnen helpen bij het objectief identificeren van vatbare individuen, het bevestigen van de diagnose en het versnellen van de behandeling, blijft een continue inspanning bij de research omtrent FMS. De ontwikkeling van ‘high-throughput’ metabole profilering en het bestuderen van het metaboloom bleken bijzonder toepasbaar bij neurologische research waar kleine molekulen belangrijk zijn bij het neurochemisch metabolisme en het spelen van een rol als neurotransmitters, signalisering-modulators en osmolyten [molekulen die bijdragen tot de (regulering van) osmotische druk in cellen en weefsels; spelen een rol bij het behouden van het cel-volume en het vloeistof-evenwicht, beschermen de cellen tegen osmotische stress, droogte, hoog zout-gehalte of hoge temperatuur]. Er wordt algemeen verwacht dat metabolomica profilering-methodes, gelinkt met systeem-biologische benaderingen, zullen opduiken bij goed gedefinieerde metabole fenotypes, en het begrijpen van het brein-metabolisme bij gezondheid en ziekte zullen verbeteren. Enkele metabolomica-studies hebben over fibromyalgie gerapporteerd, waarbij werd gewag gemaakt van potentiële nieuwe inzichten omtrent metabole verstoringen in de hersenen […].

In een piloot-studie (enkel als poster op een ‘Annual Meeting of the Rheumatologic Society of the UK’ (2001) [Richards SCM et al. Muscle metabolites detecte[d in urine in fibromyalgia and Chronic Fatigue Syndrome may suggest ongoing muscle damage]), rapporteerden de onderzoekers dat spier-metabolieten die werden gedetekteerd in de urine van fibromyalgie-patiënten suggestief kunnen zijn voor spier-schade. Hoewel dit niet per definitie een metabolomica-studie is, onthulde hun doelgerichte metabolieten-analyse van urine d.m.v. nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, significante waarden van creatine bij FMS-patiënten en gestegen (p < 0.05) urinaire excretie van choline [organische stof die belangrijk is voor de struktuur van cel-membranen en andere membraan-strukturen, en voor neurotransmissie], taurine [zwavel-bevattend organisch zuur met fundamentele biologische rollen waaronder anti-oxidatie, modulatie van calcium-signalisering, enz.], citraat & trimethylamine N-oxide (TMAO [osmolyt]) t.o.v. gematchte controles.

De eerste metabolomica-studie over FMS (2013) [Hackshaw KV et al. A bloodspot-based diagnostic test for fibromyalgia syndrome and related disorders. Analyst. (2013) 138: 4453-62], gebruikte 50 μl op ‘blood-spot’ kaartjes gecollecteerd bloed van FMS-patiënten (n = 14), osteoartritis (OA; n = 15) & Reumatoïde Artritis (RA; n = 12). Via mid-infrarood micro-spectroscopie (IRMS) en andere analyses bleken de RA- & OA-groepen metabool gelijkaardig maar verschillend van het metabolieten-profiel van FMS. De IRMS-benadering kon de metabolieten verantwoordelijk voor de diagnostische spectrale differentiatie niet conclusief identificeren, hoewel veranderingen in tryptofaan [essentieel aminozuur] -katabolisme betrokken bleken.

Een andere metabolomica-benadering voor FMS betrof vloeistof-chromatografie/‘quadrupole-time-of-flight’/massa-spectrometrie (LC/Q-TOF/MS) [uiterst gesofisticeerde scheiding-technieken] met multivariate statistische analyse met als doel het onderscheiden van FMS-patiënten (n = 22) en controles (n = 21) via bloed-plasma analyse [Caboni P et al. Metabolomics analysis and modeling suggest a Lysophosphocholines-PAF receptor interaction in fibromyalgia. PLoS One. (2014) 9: e107626 — Hypothese: oxidatieve fragmentatie van (cel-membraan) lipiden kan overvloedig lysoPCs generen die als PAF-achtige bio-aktivatoren gaan fungeren. (Bij M.E.(cvs) is er ook verhoogde oxidative stress.) Het PAF/PAFr systeem speelt een rol bij het moduleren van pijn-signalisering. PAF = ‘Platelet Activating Factor’ (1-alkyl-2-acetyl-sn-glycero-3-fosfocholine; ‘bloedplaatjes-aktiverende factor’)]. Lysofosfocholinen (lysoPCs [ook: lysofosfatidylcholinen (LPC) of lysolecithinen]), fosfocholine [(sfingo)lipide-molekule; wanneer een cel beschadigd is, bindt het met CRP waardoor fagocytose kan starten] & ceramide [(sfingo)lipide-molekule in het celmembraan waarvan bekend is dat het signalen door kan geven die leiden tot celdood; Naviaux rapporteerde bij M.E.(cvs) gedaalde waarden: ‘Metabole kenmerken van M.E.(cvs)] domineerden het metabolieten-profiel. De metabolieten die het best FMS-patiënten en controles onderscheidden, werden geïdentificeerd als 1-tetradecanoyl-sn-glycero-3-fosfofoline & 1-hexadecanoyl-sn-glycero-3-fosfocholine – wat suggereert dat lysoPCs potentiële biomerkers voor FMS kunnen zijn.

Naast deze metabolomica-bevindingen verstrekte een overzicht over biomerkers voor FMS bijdragen over genetische en proteoom-studies [Giacomelli C et al. Biomarkers in fibromyalgia: a review. Curr Biomark Find. (2014) 4: 35-41]. Hoewel werd dat getoond dat genetische factoren de voorbestemdheid voor FMS beïnvloeden, werden geen specifieke genen als zijnde betrokken bij deze ziekte bevestigd. Het overzicht lijstte ook meerdere proteïnen van de immuun-respons, cytoskelet-hermodelering en het inflammatoir proces bij FMS op. Hun rol bij FMS is echter nog controversieel.

De beschikbaarheid van biomerkers voor ondubbelzinnige en objectieve diagnose van FMS blijft zodoende moeilijk te bereiken in de klinische praktijk. Toch zouden metabolieten die worden geïdentificeerd als betrokken bij de etiologie en pathogenese van FMS ondertussen kunnen helpen inzicht te verwerven in de verscheidene vormen van FMS en ondersteunende diagnostische test-criteria bieden om algemene diagnostische procedures aan te vullen. We presenteren hier dus de resultaten van een 1H NMR metabolomica-studie bij FMS. Alle individuen waren vrouwen en leverden urine-stalen in voor de studie. Het onderzoek werd ontworpen als een ongerichte benadering en leverde informatie op over metabolieten met een voorspellend potentieel betreffende het onderscheiden van FMS-patiënten en gezonde jonge controles. De uitkomsten beklemtonen de veelzijdigheid van metabolomica om inzichten te verkrijgen betreffende de ziekte-pathofysiologie om potentiële nieuwe benaderingen te verkrijgen ter aanvulling van bestaande protocollen die worden voorgesteld aan de praktiserende klinicus om FMS vast te stellen en de behandeling ervan te monitoren.

Methodes

Invididuen, fysieke kenmerken, symptomen en klinische profielen

Patiënten eerder gediagnosticeerd met FMS door dezelfde klinische pijn-specialist (praktijk in Pretoria, Zuid-Afrika). […]

Voorbereiding van de stalen en 1H NMR analyse

NMR uitgevoerd in het ‘Translational Metabolic Laboratory’ van het ‘Radboud University Medical Centre’ in Nijmegen, Nederland. […]

Gegevens en statistische analyse

[…]

Resultaten

Karakeristieken van de FMS-patiënten

Het leeftijd-profiel van de patiënten valt samen met het idee dat FMS ongewoon is bij jonge individuen (< 25-30 jaar) en met de leeftijd stijgt tot een prevalentie-piek bij individuen van middelbare leeftijd, en dan terug afneemt. 88% van onze patiënten had een stabiele relatie met een mannelijke partner, 89% had één of andere dag-invulling of tewerkstelling en hun emotionele ervaring was niet ernstig aangetast door hun ziekte. De pijn-beleving en gebruikte medicatie kwam overéén met wat algemeen wordt voorgeschreven bij FMS. De gemiddelde scores voor de 21 FIQR-vragen [Bennett RM et al. The revised fibromyalgia impact questionnaire (FIQR): validation and psychometric properties. Arthritis Res Ther. (2009) 11: 415] werden vergeleken.

[FIQR-vragenlijst] […] Weinig overlappingen binnen de patiënten-groep met andere FMS-gerelateerde aandoeningen. We concluderen dat de FMS-patiënten een goed gedefinieerde groep vertegenwoordigt.

Genereren van gegevens en selektie van gevallen

[…] Nauwgezette inspectie van de NMR-spectra geeft aan dat er geen onmiddellijk waarneembare kwalitatieve verschillen waren tussen een representatief voorbeeld voor een FMS-patient en iemand uit de jonge controle groep. Dit suggereert dat FMS niet geassocieerd is met onderscheidende metabole afwijkingen (wat anders is dan wordt gezien bij monogenetische aandoeningen zoals aangeboren metabolisme-defekten). […]

Groep-karakteristieken

[Cluster-analyse; het klassificeren of groeperen in ‘clusters’ of klassen grond van de kenmerken, het doel is het vormen van deel-verzamelingen die elk hun eigen gedeelde kenmerken bevatten.] De voornaamste clusters gevormd tussen familieleden en de leeftijd-gematchte groep t.o.v. de FMS-patiënten bleken heterogeen wat betreft de verdeling van de gevallen. In tegenstelling daarmee vormden zich 2 goed definieerde clusters tussen de FMS-patiënten en de jonge controles, suggestief voor kenmerkende verschillen tussen deze 2 groepen.

[Groep-afscheidingen] Er werd een volledige afscheiding bekomen tussen alle 3 de controle-groepen en de FMS-patiënten. […]

Metabolieten-profiel van de FMS-patiënten groep

Er konden 21 metabolieten worden geïdentificeerd en gekwantificeerd uit de NMR-spectra. Daarvan selekteerden we 20 endogene [door het individu geprocudeerde] metabolieten en we namen 2-hydroxy-isoboterzuur [bakterieel afbraak-produkt van voeding-proteïnen] (van exogene oorsprong [ontstaan door het bakterie-gastheer co-metabolisme in de darm]) op […]. De endogene metabolieten omvatten 7 aminozuren (tyrosine, leucine, valine, histidine, alanine, threonine & lysine), 7 metabolieten die direct of indirect geassocieerd zijn met het energie-metabolisme (melkzuur, barnsteenzuur, citroenzuur, 3-hydroxy-isovaleriaanzuur [afbraak-produkt van proteïnen die leucine bevatten], creatine, carnitine & mierezuur), 3 osmolyten (taurine, TMAO & dimethylglycine [derivaat van het aminozuur glycine]), een belangrijk detoxificatie-produkt (hippuurzuur [afbraak-produkt van voeding-proteïnen]), histamine & een N-acetyl-afgeleide (N-acetyl-X [molekule met een acetyl-groep (O=C-CH3)]). […]

[Na verdere analyse en verfijning van de gegevens omtrent de variabelen die het onderscheid maken tussen FMS-patiënten en controles.] 6 informatieve metabolieten bleken belangrijk: barnsteenzuur, taurine, tyrosine, melkzuur, creatine & trimethylamine N-oxide (TMAO).

Belangrijke endogene metabolieten bij de FMS-patiënten

De lijst omvat dus 21 molekulen […] waarvan er 9 waren die konden gerelateerd worden met fysiologische funkties die geconnecteerd kunnen zijn met FMS.

De neurologische funkties van barnsteenzuur, tyrosine en melkzuur zijn wel-bekend: (respectievelijk) de aërobe mitochondriale energie-regeneratie, een voorloper voor neurotransmitters en een sleutel-metaboliet in de astrocyt-neuron lactaat-shuttle [ANLSH: astrocyten consumeren glucose via de anaërobe glycolyse naar pyruvaat en dan lactaat; dit lactaat wordt afgegeven in de extracellulaire ruimte waarna het wordt opgenomen door de neuronen voor verdere oxidatieve afbraak. M.a.w. neuronen kunnen in bepaalde gevallen lactaat gebruiken voor de energie-produktie.] [Pellerin L et al. Evidence supporting the existence of an activity-dependent astrocyte-neuron lactate shuttle. Dev Neurosci. (1998) 20: 291-9]. Taurine is een β-aminozuur – overvloedig aanwezig in het brein bij zoogdieren – bleek een neurotransmitter te zijn in de substantia nigra (SN [Pigment-houdende kern in de midden-hersenen, die dopamine produceert. De SN wordt ook soms tot de basale ganglia (kernen) gerekend (dit is echter niet algemeen aanvaard). Bij M.E.(cvs) werd verminderde aktivatie van de basale ganglia in verband gebracht met vermoeidheid.]). Er werd op basis van micro-dialyse experimenten bij ratten gesuggereerd dat osmoregulatie [de regulering van de osmotische druk om het vloeistof-evenwicht en de concentratie van elektrolyten (zouten) te behouden] van de niet-synaptische taurine-voorraad van de SN de kwetsbaarheid van cellen van de SN (gezien bij de pathogenese van Parkinson’s) kan beïnvloeden. Voeding-studies suggereren ook dat TMAO betrokken kan zijn in dieet-geïnduceerde variaties in het evenwicht van meerdere osmolyten (inclusief betaine, choline, creatinine & creatine) terwijl van creatine ook werd voorgesteld dat het betrokken is bij pijn ervaren in FMS. Zodoende evalueerden we naderhand de mogelijke diagnostische waarde van deze 6 metabolieten voor FMS. […]

Belangrijke exogene metabolieten bij de FMS-patiënten

Er werd gerapporteerd dat de pijn-intensiteit van patiënten met FMS correleert met de graad van dikke-darm bakteriële overgroei. Deze klinische observatie kan pathogenetische relevantie hebben voor FMS; bakteriële overgroei leidt tot blootstelling van immuun-cellen aan luminale antigenen [bakterieën en voedsel-componenten in de darmholte] en daaruitvolgende immuun-modulatie. Een NMR metabolomica-studie van coeliakie [chronische darm-aandoening door gluten-intolerantie], een multifactoriële immuun-gemedieerde darm-ziekte, suggereerde wijzigingen van het energie-metabolisme – een klinisch kenmerk FMS – terwijl urine-gegevens wezen op wijzigingen van de darm-microbiota. Minimum 3 metabolieten die werden gezien in de urine-stalen van onze FMS-patiënten suggereren verstoringen in hun darm-metaboloom: (1) Hippuurzuur is een normale en belangrijke component van urine en is bij mensen een verhoogd excretie-produkt via onnatuurlijke (detoxificatie) en natuurlijke (gastro-esofagale reflux bij kinderen) bronnen. (2) 2-Hydroxy-isoboterzuur, de meest onderscheidene variabele tussen onze FMS-groep en controles, is kennelijk een afbraak-produkt van darm-microbiotica en bleek statistisch gelinkt met Faecalibacterium prausnitzii [ook één van de bakterie-soorten die verschilden tussen de faecale metagenome profielen van M.E.(cvs) en controles…], een belangrijke commensale bakterie van de menselijke darm-flora (voorgesteld als indicator voor de dynamische basis van gastheer/microbioom symbiose. (3) Melkzuur is een belangrijk tussenprodukt bij veel biochemische processen en is een maatstaf voor zorgwekkende ziekte bij patiënten met een slechte prognose. Het kan endogeen (L-lactaat) of exogeen (D-lactaat) van oorsprong zijn en we stelden voor dat de bepaling van z’n enantiomeren [2 enantiomere molekulen van een verbinding zijn elkaars spiegelbeeld] bij infektueuze aandoeningen een basis kan bieden voor het onderbouwen van de klinische significantie van ziekte-merkers. De aanwezigheid van deze exogene merkers met oorsprong in de darm, geeft verdere indicaties omtrent de verbondenheid tussen stoornissen in darm-microbiële populaties en de metabole gevolgen van het gewijzigd microben/zoogdieren metabool evenwicht die ziekte bij de gastheer beïnvloedt (wat hieronder wordt besproken in de context van FMS).

Een vermeende biosignatuur voor FMS

Een combinatie van 3 selektie-methodes […] werd aangewend om de beste voorspellende metabolieten te identificeren. […] Het beste model was dat op basis van barnsteenzuur, taurine & creatine. […].

Het klassificatie-vermogen van elke model werd bepaald via ‘Receiver Operating Characteristic’ analyse [ROC-analyse is een statistische methode die internationaal gebruikt wordt als toets voor de voorspellende waarde van een variabele of instrument; de ROC-curve is een grafiek van de gevoeligheid tegen de specificiteit]. De waarden van de ‘area under the ROC curve’ (AUC [oppervlakte onder de curve; samenvattende maatstaf die in wezen het gemiddelde maakt van de diagnostische accuraatheid over het spectrum van de test-waarden]) zijn een maatstaf voor hoe goed de combinatie 2 groepen kan onderscheiden. Een AUC = 1 betekent een perfeke test; AUC = 0.90-1 is excellent (hoge sensitiviteit en hoge specificiteit), 0.80-0.90 is goed, 0.70-0.80 is redelijk, 0.60-0.70 is slecht en 0.50-0.60 betekent gefaald. […] [de AUC van het beste model was 0.897]

Correlatie tussen klinisch en metabole indicatoren

D.m.v. statische analyse werden de bivariate relaties tussen FIQR-antwoorden en de 3 endogene variabelen (biosignatuur voor FMS) vergeleken. […] De scores van de 21 FIQR-vragen corresponderen met een gemiddelde gebaseerd op subjectieve zelf-beoordeling […]. De gemiddelde waarden verschilden niet van de gegevens van een referentie-groep […].

[…] De resultaten wijzen op een betekenisvollere relatie tussen de metabolieten van de biosignatuur en klinische symptomen gerelateerd met biochemische verstoringen bij FMS. […] Er was een significant verband tussen creatine en de symptomen pijn en energie (p = 0.024 & 0.003, respectievelijk). Het verband tussen de biosignatuur-componenten met gevoeligheid voor aanraking […] was statistisch niet significant. […]

Bespreking

De resultaten van deze metabolomica-studie leidt tot 3 belangrijke discussie-punten: of FMS een unieke globaal metabool profiel vertoond dat deze zieke kenmerkt, of metabolomica-studies bijdragen tot een objectieve klinische diagnose van FMS en tot darm-microbiële/metabole verstoringen bij FMS.

Aangezien de globale gezondheid-toestand van individuen tot uiting komt in hun metabole status, bestaat het heersend inzicht dat metabolomica-resultaten globale biochemische veranderingen belichamen in een individu bij ziekte en neurologische aandoeningen; dit wordt ondersteund door onze resultaten en 2 andere NMR metabolomica-onderzoeken. Een eerste NMR metabolomica-studie evalueerde de diagnostische accuraatheid van biomerker-profielen bij 3 neurologische aandoeningen: idiopathische intracraniale hypertensie, Multipele Sclerose en cerebrovasculaire ziekte t.o.v. controles met of zonder gecombineerde neurologische ziekten. Het metabolomica-onderzoek bleek verschillen te identificeren qua metaboliet-profielen bij patiënten die lijden aan deze 3 aandoeningen. Een aanverwant besluit werd getrokken uit de tweede NMR metabolomica-studie bij FMS [zie Caboni P et al. hierboven]. Hoewel het een relatief klein aantal patiënten betrof, was de metabolomica-benadering succesvol wat betreft het identificeren van karakteristieke metabole profielen bij FMS-patiënten vergeleken met controles; wat het concept ondersteunt dat het ‘Platelet Activating Factor/Platelet Activating Factor Receptor’ (PAF/PAFr) systeem een rol speelt bij het in moduleren van pijn-signalisering. [zie hierboven] Onze resultaten gaven verder de differentiatie aan van de 3 controle-groepen (familieleden, een leeftijd-gematchte groep en jonge individuen) en de FMS-patiënten. Statistische beoordeling van de uitkomst van een model bevestigde de volledige afscheiding tussen de FMS- en de jonge controle-groepen. De resultaten substantieerden enkele unieke verschillen tussen de globale metabole profielen van de FMS-patiënten en de gezonde jonge controles. De metabolieten die voornamelijk verantwoordelijk zijn voor de differentiatie tussen onze FMS-patiënten en controles omvatten taurine & TMAO, waarvan ook werd gerapporteerd dat ze significant (p < 0.05) verhoogd waren bij FMS-patiënten in een preliminaire NMR studie [zie Richards SCM et al. hierboven]. Daarnaast zagen we verstoord barnsteenzuur, suggestief voor gewijzigd energie-metabolisme bij FMS. Dit resultaat is verbonden met een studie [zie Hackshaw et al. hierboven] waar er relatief verhoogd glucose, het glycolytisch tussen-produkt fosfo-enolpyruvaat, pyruvaat en nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD+) werd gezien in bloed van FMS-patiënten [Bij M.E.(cvs) werden ook problemen met de glycolyse gerapporteerd.]. Deze observatie werd eerder gerapporteerd bij patiënten met chronische wijdverspreide pijn. [Mäntyselkä P et al. Glucose regulation and chronic pain at multiple sites. Rheumatology. (2008) 47: 1235-8]

Een gemeenschappelijke draad in metabolomica-studies bij FMS die hier wordt besproken, is de bevestiging van het vermogen van metabolomica om afzonderlijke metabole profielen te identificeren voor FMS-patiënten vergeleken met controles. Sommige metabolieten/biomerkers zouden daarom kunnen bijdragen tot het ziekte-fenotype omwille van een rol in de pathogenese van FMS. De biomerkers die werden onthuld in deze metabolomica-studies leken echter niet metabool nauw verbonden, maar dit kan te wijten zijn aan de multi-factoriële aard van FMS. Het is ook opmerkenswaardig dat de 2 belangrijkste beperkingen van onze eigen en de andere 2 metabolomica-studies de onderzochte FMS-groepen en de gebruikte analytische methodes zijn. De meeste metabolomica-studies worden beperkt door het aantal beschikbare individuen, en daardoor is er uiteindelijk nood aan follow-up validatie-studies met grotere en beter gedefinieerde groepen. Verder: gezien de complexiteit van het menselijk metaboloom en de multi-dimensionele aard van biovloeistoffen en andere biologische stalen die beschikbaar zijn voor metabolomica-studies, kan niet één enkele analyse-technologie de informatie die in deze stalen ligt opgesloten onthullen. Niettemin reiken metabolomica veel verder dan de standaard technieken in de klinische chemie, omdat ze gedetailleerde karakterisatie van metabole fenotypes toelaten en leiden tot, uiteindelijk, de zogenaamde precisie-geneeskunde waarbij kennis van unieke metabole storingen de ziekte-toestand van de individuele patiënten verklaart. Een derde beperking van de huidige studie is het gebruik van de 1990 criteria voor FMS – de patiënten-selektie gebeurde vóór de publicatie van de herziene criteria in 2011. Het gebruik van deze laatste criteria is nu standaard praktijk in onze pijn-kliniek.

Dus: kunnen metabolomica-studies bijdragen tot de vooruitgang omtrent de objectieve klinische diagnose van FMS? De resultaten van de huidige en de 2 andere metabolomica-studies betreffende de ziekte impliceren dat dit het geval is, weliswaar met enkele aanpassingen. De analyses van de bloed-spots van FMS-patiënten leverde informatie via IRMS-technologie (differentiatie van de stalen van FMS-individuen van mensen met RA of OA => nul mis-klassificaties = 100% accuraatheid). De accuraatheid van de metabolomica-benadering was 75% maar het voordeel was het openbaren van een lijst metabolieten die aan de basis kunnen liggen van de geïdentificeerde verschillen. De mogelijke rol van lysoPCs als biomerkers of als bijdragers tot het FMS-fenotype en funktie in de pathogenese van deze aandoening suggereert dat ze potentiële nieuwe ziekte-biomerkers zijn en daardoor een nieuwe benadering openen voor de behandeling van FMS. Evenzo bleek het voorspellend potentieel van de combinatie van barnsteenzuur, taurine & creatine uitstekend voor het onderscheiden van gevallen met FMS en controles (AUC = 90%). De combinatie van creatine en barnsteenzuur vertoonde ook een significante correlatie met de kenmerkende symptomen (pijn en vermoeidheid) van FMS. De inclusie van deze voorspellende informatie omtrent deze 3 metabolieten zou mettertijd deel van de initiële evaluatie van patiënten die vermoedelijk aan de ziekte lijden kunnen uitmaken, in afwachting van validatie van diagnostische merkers voor FMS.

Ten slotte: de betrokkenheid van darm-microbiële/gastheer-metabole verstoringen bij FMS zou significant kunnen bijdragen tot het definiëren van het klinische profiel bij FMS. Brein/darm-interakties zijn cruciaal voor het behouden van de homeostase. Het lijkt er op dat met neuroplasticiteit gerelateerde systemen en neurotransmitter-systemen beïnvloed zijn door de darm/brein-as regulering en verstoorde homeostase kunnen bijdragen tot het risico op ziekte door wijzigingen in het gastro-intestinaal kanaal, centraal zenuwstelsel, autonoom zenuwstelsel en immuunsysteem. De frequent voorkomende co-morbiditeit van fibromyalgie met stress-gerelateerde aandoeningen (zoals Chronische Vermoeidheid Syndroom, prikkelbare darm syndroom en enkele CZS-gerelateerde abnormaliteiten) suggereren dat darm/brein-as regulering minstens een gedeeltelijke gemene deler is voor deze aandoeningen. Deze zienswijze kan mogelijks aan het licht kunnen worden gebracht door gegevens van een follow-up metabolomica-onderzoek met hoge sensitiviteit, zoals d.m.v. op technologieën op basis van massa-spectrometrie.

Besluiten

Een ongerichte 1H NMR metabolomica-analyse van urine-stalen verkregen bij een groep klinisch goed gedefinieerde vrouwelijke FMS-patiënten zonder psychiatrische co-morbiditeit differentieerde deze van een groep jonge gezonde vrouwen. De aanwezigheid van metabole indicatoren voor verstoringen van het darm-microbioom (hippuur-, 2-hydroxy-isoboter- en melk-zuur) ondersteunen het paradigma dat de regulering van de darm/hersenen-as aangetast is bij stress-gerelateerde aandoeningen, zoals FMS. 3 metabolieten-merkers (taurine, creatine & barnsteenzuur) bleken belangrijk voor de differentiatie van FMS-patiënten en controles, en waren significante indicatoren voor de pijn en vermoeidheid bij FMS. Statistische analsyses leverden bewijs omtrent het goede voorspellend potentieel van een combinatie van deze 3 metabolieten voor FMS bij de huidige patiënten-groep. Follow-up metabolomica-onderzoek op een groter aantal urine-stalen, inclusief die van individuen met een hoog risico op het ontwikkelen van de ziekte, alsook longitudinale studies bij FMS-patiënten tijdens behandeling, zijn noodzakelijk om de hier gepresenteerde bevindingen te valideren en mogelijks effekten te detekteren die grotere statistische ‘power’ vereisen. Deze merkers zouden mettertijd objectieve bijkomende info kunnen bieden om, samen met ‘tender-point’ metingen en FIQR vragenlijsten, FMS te bevestigen.

november 24, 2017

miRNA veranderingen na inspanning in het ruggemergvocht bij CVS & GWI

Op deze pagina’s hadden we ’t reeds over ‘MicroRNAs in plasma bij CVS/M.E.’, ‘MicroRNAs: Potentiële diagnostische biomerkers in NK-cellen bij M.E.(cvs)’ & ‘Cytotoxische lymfocyten microRNAs – merkers voor M.E.(cvs)?’. miRNAs beïnvloeden de expressie van genen en dus de aanmaak van proteïnen (aan- of afzetten).

Professor James Baraniuk (‘Georgetown University’) rapporteerde ook al over studies bij veteranen met Golf Oorlog Ziekte (‘Gulf War Illness,’ GWI) (zie ‘Verband hersen-dysfunktie & post-exertionele malaise bij Golf Oorlog Ziekte’) en M.E.(cvs) ‘zie ‘CVS-gerelateerd proteoom in cerebrospinaal vocht’.

In onderstaande studie vergeleken de auteurs miRNA-patronen in ruggemerg-vocht (cerobrespinaal vocht; CSV) bij deze ziekten, voor en na inspanning. Vóór een fiets-inspanning waren de miRNA-waarden bij alle deelnemers hetzelfde; erna waren er significante verschillen. Controles, GWI-veteranen en M.E.(cvs)-patiënten vertoonden afzonderlijke verandering-patronen. Bij M.E.(cvs) waren er bv. 12 miRNAs verlaagd na inspanning. De auteurs lieten noteren dat “deze door inspanning geïnduceerde miRNA-patronen wijzen op andere mechanismen voor post-exertionele malaise, niettegenstaande de overlappende symptomen”.

Opmerking: Baraniuk & Shivapurkar hebben enkele patenten omtrent deze materie op hun naam…

————————-

Scientific Reports 7, Article: 15338 (november 2017)

Exercise-induced changes in cerebrospinal fluid miRNAs in Gulf War Illness, Chronic Fatigue Syndrome and sedentary control subjects

James N. Baraniuk, Narayan Shivapurkar

Division of Rheumatology, Immunology and Allergy, Department of Medicine, Georgetown University, Washington, District of Columbia, United States of America

Samenvatting

Golf Oorlog Ziekte (GWI) en Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) hebben gelijkaardige profielen met pijn, vermoeidheid, cognitieve dysfunktie en exertionele uitputting. Post-exertionele malaise suggereert dat inspanning het funktioneren van het centraal zenuwstelsel verandert. Er werden lumbaal-punkties uitgevoerd bij GWI-, CVS- en controle-individuen na (i) overnacht rust (‘non-exercise’) of (ii) submaximale fiets-inspanning. Inspanning induceerde posturale tachycardie bij een derde van de GWI-individuen (‘Stress Test Activated Reversible Tachycardia’, START). De rest waren ‘Stress Test Originated Phantom Perception’ (STOPP) individuen. MicroRNAs (miRNA) in het cerebrospinaal vocht werden vermenigvuldigd d.m.v. kwantitatieve PCR. De concentratie waren gelijkwaardig voor de ‘non-exercise’ GWI (n = 22), CVS (n = 43) en controle (n = 22) -groepen. Na inspanning vertoonden de START (n = 22) significant lager miR-22-3p dan de controles (n = 15) en STOPP (n = 42), maar hoger miR-9-3p dan STOPP. Alle groepen hadden significant gedaald miR-328 en miR-608 na inspanning vergeleken met de ‘non-exercise’ groepen; dit zouden merkers kunnen worden voor inspanning-effekten op de hersenen. Er waren 6 miRNAs significant verhoogd en 12 verminderd bij START, STOPP en controles na inspanning t.o.v. de ‘non-exercise’ groepen. Bij CVS waren 12 miRNAs verlaagd na inspanning. Ondanks de overlappende symptomen bij CVS, GWI en andere ziekten, duiden door inspanning geïnduceerde miRNA-patronen in het cerebrospinaal vocht op onderscheidende mechanismen voor post-exertionele malaise bij CVS, en de START- en STOPP-fenotypes van GWI.

Inleiding

[intro over CVS en GWI – we focussen ons hier echter zo veel mogelijk op CVS (1994 Center for Disease Control criteria)]

We rapporteerden eerder dat GWI-veteranen kunnen worden onderverdeeld in 2 fenotypes op basis van responsen op de fysiologische stressor van een submaximale inspanning test [Rayhan RU et al. Exercise challenge in Gulf War Illness reveals two subgroups with altered brain structure and function. PLoS One (2013) 8: e63903 – lees dit stuk voor meer uitleg over de STAT- & STOPP-fenotypes van GWI].

Cerebrospinaal vocht [ruggemergvocht, verkregen via lumbaal- of ruggemerg-punktie] werd uitgebreid getest wat micro-RNAs (miRNA), proteomica [Baraniuk JN et al. A Chronic Fatigue Syndrome related proteome in human cerebrospinal fluid. BMC Neurol (2005) 5: 22], metabolomica en andere molekulen om de centrale neurotoxische pathologieën te onderzoeken die werden voorgesteld voor GWI en CVS [Barnden LR et al. Autonomic correlations with MRI are abnormal in the brainstem vasomotor centre in Chronic Fatigue Syndrome. Neuroimage Clin. (2016) 11: 530-7]. miRNAs zijn ca. 22 nucleotide lange, enkel-strengige RNAs overgeschreven van genomisch DNA. Ze vormen het ‘RNA-induced silencing complex’(RISC [een multi-proteïne complex met één streng van een klein interfererend RNA (‘small interfering’ siRNA) of microRNA (miRNA). Het gebruikt het siRNA of miRNA als een patroon voor het herkennen van complementair mRNA. Wanneer het een complementaire streng vindt, aktiveert het RNase.]) en binden op complementaire sequenties in het 3’-onvertaald gebied [‘untranslated region, UTR; RNA-gebied gelegen na de start van de ‘translatie’ dat instaat voor de regulering ervan): beïnvloeden dikwijls de gen-expressie] van mRNAs om translatie te onderdrukken of mRNA-afbraak te bevorderen [Door binding op specifieke plaatsen in het 3’ onvertaald gebied, kunnen miRNAs gen-expressie van meerdere boodschapper-RNAs doen dalen door het inhiberen van de translatie of het direct veroorzaken van degradatie van het transcript.]. miRNAs zorgen op een dynamische manier voor de afstelling van de expressie van de meeste cellulaire proteïnen. Er werd gebruik gemaakt van kwantitative polymerase-ketting-reaktie (QPCR) om miRNAs in het cerebrospinaal vocht te meten.

Onze eerste hypothese was dat CVS, GWI en sedentaire controle -individuen in rust (cvs0, gwi0 & sc0) onderling significante verschillen zouden vertonen qua cerebrospinaal vocht biomerkers. De ‘non-exercise’ groepen rustten overnacht en deden geen inspanningen vóór hun lumbaal-punktie. Er werd voorspeld dat de miRNA-patronen van de ‘non-exercise’ groepen verschillend zouden zijn van andere aandoeningen zoals depressie en fibromyalgie. Ten tweede: de verschillen zouden uitvergroot zijn bij SC, CVS en de via inspanning gedefinieerde START- en STOPP-fenotypes van GWI na inspanning wanneer ze onderling werden vergeleken. Ten derde: verschillen tussen de groepen na inspanning en hun overéénkomstige ‘non-exercise’ vergelijking-groep (SC vs. sc0, CVS vs. cvs0, START vs. gwi0, STOPP vs. gwi0) zouden de effekten van inspanning op het centraal zenuwstelsel en de pathologie van exertionele uitputting vormgeven.

Methodes

Klinische informatie

[…]

GWI en gezonde veteranen, en gezonde, niet-militaire, sedentaire controle (SC) individuen vulden vragenlijsten in aangaande de criteria voor GWI en CVS [‘Chronic Fatigue Syndrome Symptom Severity Questionnaire’], gemeenschappelijke symptomen bij CVS en GWI, levenskwaliteit [SF-36], ‘Generalized Anxiety Disorder’ [veralgemeende angst] screening en ‘Centre for Epidemiologic Studies’ Depressie Schaal scores. Fibromyalgie werd bepaald via pijn plus [‘tenderpoint’-]gevoeligheid (1990 [American College of Rheumatology] criteria). Voor klinische en methodologische details zie Rayhan RU et al. [hierboven]. Alle individuen voerden submaximale fiets-inspanning stress-testen uit op 2 opéénvolgende dagen met ervoor en erna magnetische resonantie beeldvorming, gevolgd door een lumbaal-punktie. De individuen fietsten aan 70% van de leeftijd-voorspelde maximum hartslag gedurende 25 min gevolgd door stapsgewijze toenames van de fiets-weerstand tot 85% van de leeftijd-voorspelde hartslag. De inspanning was vereist om de posturale tachycardie te induceren dat het START-fenotype definieert. […]

Kwantitatieve PCR

[…]

miRNA-selektie

Het eerste niveau van beperking vereistte dat miRNAs detekteerbaar zouden zijn via een PCR-cyclus-drempel (Ct [‘cycle-treshold’; aantal PCR-cycli waarbij het gegenereerd significant boven de ‘background’ komt: op dat punt wordt een detekteerbare hoveelheid van het te amplificeren stuk DNA/RNA gegenereerd. De Ct is omgekeerd evenredig met de oorspronkelijke expressie van het gen: hoe meer van het miRNA aanwezig, hoe minder PCR-cycli nodig om het detekteerbaar te maken]) ≤ 35. miRNAs met Ct > 35 werden bestempeld als “niet-detekteerbaar” en hun Ct werd als 35 ingebracht. Ten tweede: om te worden beschouwd als een bruikbare biomerker, moest een miRNA detekteerbaar zijn met een Ct ≤ 35 bij minstens twee derden van de individuen van een groep.

miRNA-normalisatie en ΔΔCt

[De 2 meest gebruikte methodes om gegevens van kwantitatieve PCR te analyseren zijn absolute en relatieve kwantificatie. De eerste bepaalt het ‘copy-number’ waarbij het PCR-signaal wordt uitgezet op een standaard-curve; de tweede bekijkt het PCR-signaal van het transcript in een groep t.o.v. dat van een ander staal (een controle). De 2(-Delta Delta C(T)) – 2−ΔΔCT – methode is een geschikte manier om de relatieve veranderingen in expressie te analyseren. ΔCt = Ct(een doelwit-gen) minus Ct(een referentie-gen); ΔΔCt = ΔCt(een doelwit-gen) minus ΔCt(een referentie-gen) – Δ staat voor verandering/verschil.]

Er werden 4 normalisatie-strategieën en ΔΔCt-berekeningen vergeleken.

N0-analyse (geen ‘normaliser’ [referentie]) gebruikte de volledige set gegevens (alle Ct > 35 ingebracht als 35). De gemiddelde ΔCt werd berekend voor elke groep, daarna werd ΔΔCt bepaald voor elk groepen-paar. […] Voor de andere ‘normalisers’ gebruikten 2 (N2), 3 (N3) en 6 (N6) miRNAs. Voor elk individu werd de ΔCt berekend: het verschil van de N2, N3 of N6 referenties minus de Ct voor elk van de andere miRNAs. […].

De uitkomsten waren: (i) verschillen tussen ‘non-exercise’ groepen (sc0, cvs0 en gwi0), (ii) verschillen tussen groepen na inspanning (SC, START, STOPP, CVS) en (iii) inspanning-geïnduceerde verschillen tussen elke ‘post-exercise’ groep en z’n overéénkomstige ‘non-exercise’ controle-groep. […].

Resultaten

Demografiek

In de CVS-groepen (cvs0, CVS) zaten meer vrouwen en in de GWI-groepen (gwi0, START, STOPP) meer mannen. De levenskwaliteit, vermoeidheid, cognitie, slaap en pijn waren significant verstoord bij de GWI- en CVS-groepen t.o.v. de sedentaire controles. [Baraniuk JN et al. A Chronic Fatigue Syndrome (CFS) severity score based on case designation criteria. Am. J. Transl. Res (2013) 5: 53-68] Fibromyalgie bleek meer prevalent bij CVS en GWI dan controles. De criteria voor GWI, CVS, veralgemeende angst en depressie hebben vermoeidheid, slaap, cognitie en het sympathisch zenuwstelsel als gemeenschappelijke symptomen. […]

‘Normalisers’

[…]

Voor N2 werd miR-489 & miR-490-3p als referentie gebruikt omdat ze (i) werden gedetekteerd in alle individuen met Ct ≤ 35, (ii) overvloedig aanwezig waren in het cerebrospinaal vocht, (iii) kleine varianties (25.2 ± 0.8 & 25.5 ± 0.9, respectievelijk) hadden met een enge reikwijdte voor Ct (minimum 22.8 – maximum 27.8, en minimum 22.3 – maximum 28.1, respectievelijk) en (iv) niet significant verschilden tussen de groepen […].

De N3 was het gemiddelde van miR-489, miR-490-3p & miR-127-3p (29.3 ± 1.2, minimum 24.2, maximum 35). […]

De N6 werd bekomen door toevoeging van miR-124-3p (30.6 ± 1.7), miR-183-3p (31.8 ± 1.0) & miR-433 (29.9 ± 1.5). […].

Alle miRNA-referenties hadden ΔΔCt < 1.0.

N0 selekteerde 31 miRNAs die voldeden aan de de significantie-criteria […]. N2 identificeerde er 21, N3 24 en N6 vond 23 significante miRNAs. De doorsnede van de 4 ‘normalisers’ identificeerde 18 miRNAs met minimum 1 significant verschil tussen de groepen. […] Er was een uitstekende overéénkomst qua grootte-ordes van ΔΔCt tussen de 4 ‘normalisers’. N0 selekteerde 9 bijkomende miRNAs die niet werden gevonden met N2, N3 & N6. Deze werden als vals-positieven beschouwd.

‘Non-exercise’ groepen

Op basis van onze strikte criteria waren geen enkele van de miRNAs significant verschillend bij de ‘non-exercise’ groepen. De ΔCt-waarden voor miR-22-3p waren hoger bij cvs0 dan bij sc0 maar de verschillen bleken niet significant […].

‘Post-exercise’ groepen

miR-22-3p & miR-9-3p waren de enige miRNAs die significant verschilden tussen de ‘post-exercise’ groepen. miR-22-3p bleek een anomalie omwille van het breed Ct-bereik in alle groepen. miR-22-3p was praktisch niet detekteerbaar bij START en dus waren die niveaus bij START significant verminderd in vergelijking met SC en STOPP. De daling bij START maar relatieve toename bij STOPP ondersteunde de aanwezigheid van 2 GWI-fenotypes. Specificiteit en sensitiviteit was 0.76 voor START versus SC (Ct-drempel 29) en START versus STOPP (Ct-drempel 33).

miR-9-3p vertoonde een andere trend. Enkel de START-groep had detekteerbare niveaus (Ct ≤ 35) bij meer dan twee derden van de individuen. Het verschil tussen START en STOPP was klein maar significant. De lage specificiteit en sensitiviteit van 65% bij een Ct-drempel van 33 weerspiegelt de lage niveaus van miR-9-3p in het cerebrospinaal vocht.

miRNAs verhoogd na inspanning vergeleken met ‘non-exercise’ groepen

Inspanning verhoogde de niveaus van meerdere miRNAs in vergelijking met de overéénkomstige ‘non-exercise’ groepen. SC hadden hogere waarden dan sc0 voor miR-22-3p, miR-30d-5p, miR-204-5p, miR-425-3p & miR-99b-5p. De specificiteiten en sensitiviteiten voor miR-204-5p & miR-22-3p waren 0.80 bij drempels van 31 en 32, respectievelijk.

START hadden verhoogde waarden van miR-425-3p & miR-99b-5p in vergelijking met gwi0. miR-370 werd in bijna alle cerebrospinaal vocht stalen gedetekteerd maar enkel START vertoonden een significante stijging t.o.v. ‘non-exercise’ (ΔΔCt = 1.7 ± 2.1 versus gwi0). STOPP vertoonden ook de inspanning-geïnduceerde stijging van miR-99-5p zoals bij SC en START. De specificiteiten en sensitiviteiten voor miR-99b-5p waren ca. 0.75 bij Ct-drempels van 33 voor SC, START en STOPP t.o.v. hun ‘non-exercise’ controls.

Bij CVS waren er geen stijgingingen van miRNA-waarden in vergelijking met cfs0.

miRNAs verlaagd na inspanning vergeleken met ‘non-exercise’ groepen

miR-328 & miR-608 waren significant gedaald door inspanning bij SC, CVS, START en STOPP t.o.v. de ‘non-exercise’ sc0, cfs0- en gwi0-groepen. Deze miRNAs waren detekteerbaar in bijna alle cerebrospinaal vocht stalen in deze studie. De specificiteiten en sensitiviteiten voor miR-328 varieerden van 0.74 bij Ct = 23 voor SC, 0.84 voor CVS, 0.86 voor STOPP en 0.91 voor START (Ct-drempels van 23 tot 25). De specificiteiten en sensitiviteiten voor miR-608 varieerden van 0.78 tot 0.83 (drempels = 28). Verlaagd miR-328 & miR-608 kan een gevolg zijn van inspanning die alle individuen beïnvloedt ongeacht hun ziekte-status.

miR-let-7i-5p, miR-200a-5p & miR-93-3p waren significant gedaald bij START, STOPP en CVS in vergelijking met hun gwi0 en cvs0 ‘non-exercise’ controles. Ze bleben onveranderd tussen SC en sc0.

CVS onderscheidde zich van de andere groepen op basis van significante dalingen van miR-126-5p, miR-186-3p, miR-19b-3p, miR-92a-3p & miR-505-3p t.o.v. de ‘non-exercise’ cvs0groep. De specificiteiten en sensitiviteiten waren ca. 0.82 voor miR-328, miR-608 & miR-92a-3p. Het groot aantal door inspanning geïnduceerde dalingen qua miRNAs differentieerde CVS van SC en de GWI-fenotypes.

Geslacht

miRNA-waarden in het cerebrospinaal vocht was voor vrouwen en mannen in de ‘non-exercise’ en de ‘post-exercise’ groepen gelijkwaardig, uitgezonderd voor een significant hogere waarde van miR-9-3p bij START t.o.v. STOPP-mannen (ΔΔCt = 1.7 ± 1.4).

De enige door inspanning geïnduceerde verandering bij vrouwen was een daling qua miR-328 in de STOPPgroep vergeleken met gwi0 (5.7 ± 0.8). De groepen ‘post-exercise’ SC- en STARTvrouwen (n = 3 elk) waren te klein om betekenisvolle verschillen te betekenen.

De ‘post-exercise’ mannelijke controles hadden significant verhoogde miR-204-3p (4.4 ± 2.8), miR-30d-5p (3.4 ± 2.3) & miR-30a-5p (2.9 ± 2.0) t.o.v. ‘non-exercise’ mannen.

miR-328 was gedaald na inspanning bij mannelijke START (7.2 ± 5.4), STOPP (6.9 ± 4.8) en CVS (5.7 ± 3.7) in vergelijking met ‘non-exercise’ mannen. Mannelijke controles hadden een gelijkaardige magnitude-verandering die niet significant was. STOPP-mannen hadden significant verminderd miR-608 (4.6 ± 3.2) & miR-200a-5p (3.7 ± 2.1).

Deze verschillen waren consistent met de algemene groep-effekten.

Bespreking

Dit is de eerste beschrijving van de effekten van inspanning op miRNA-expressie in het cerebrospinaal vocht bij gezonde individuen. Inspanning verminderde miR-328 & miR-608 bij alle individuen, wat een algemeen effekt op het brein suggereert. Inspanning veroorzaakte afzonderlijke patronen van miRNA-veranderingen bij CVS en de START- & STOPP-fenotypes van GWI, wat wijst op significante pathofysiologische verschillen tussen de aandoeningen.

Anders dan onze start-hypothese waren er geen verschillen qua miRNA-waarden tussen de ‘non-exercise’ groepen controle-, CVS- en GWI-individuen. Daarom zijn ‘baseline’ waarden van cerebrospinaal vocht miRNAs wellicht niet bruikbaar voor diagnose van CVS of GWI.

De enige significante verschillen tussen groepen na inspanning waren verminderd miR-22-3p bij START vergeleken met SC en STOPP, en gestegen miR-9-3p bij START vergeleken met STOPP. Deze verschillen tussen START en STOPP ondersteunen onze 2 GWI-fenotypes [zie Rayhan RU et al. hierboven].

De meest opvallende bevindingen waren de veranderingen tussen ‘post-exercise’ groepen en hun overéénkomstige ‘non-exercise’ vergelijking-groepen. SC hadden 5 verhoogde miRNAs na inspanning, vergeleken met 3 voor START, 1 voor STOPP, en geen bij CVS.

[…]

miR-let-7i-5p, miR-93-3p & miR-200a-5p waren significant verminderd na inspanning bij START, STOPP en CVS, maar niet bij SC. Dit was consistent met een kardinale bevinding bij CVS en GWI: het funktioneren mag normaal lijken in rust maar zal verslechteren na een fysiologische stressor. miR-let-7i was gereduceerd in het plasma na inspanning bij atleten [Nielsen S. et al. The miRNA plasma signature in response to acute aerobic exercise and endurance training. PLoS One (2014) 9: e87308]. De expressie van miR-let-7i is gedaald in de pre-frontale cortex van ratten-model voor depressie. IL6 is een doelwit van miR-let-7i en, zoals voorspeld, was dit cytokine significant gestegen in de hersenen van deze ratten. Wanneer deze ratten toegang tot een loop-rad kregen, verhoogde hun miR-let-7i expressie en daalde hun IL6. Modulatie van miR-let-7i en IL-6 kan bijdragen tot inspanning-geïnduceerde voordelen bij ‘inflammatoire’ depressie. miR-let-7i draagt ook bij tot de regulering van acetylcholine’s muscarine en α4β2 nicotine receptoren [mediëren de fysiologische funkties van de neurotransmitter acetylcholine (ACh)], en de epigenetische regulering van acetylcholinesterase [enzyme dat de afbraak van ACh in choline en acetaat katalyseert]. Deze dieren-modellen zijn wellicht niet geschikt voor CVS of GWI omdat menselijke individuen exertionele inspaning na inspanning ontwikkelen en het is onwaarschijnlijk dat ze spontaan hun inspanning-niveau significant zouden verhogen als ze een loop-band kregen [Keller BA, Pryor JL & Giloteaux L. Inability of Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome patients to reproduce VO2peak indicates functional impairment. J. Transl. Med. (2014) 12: 104].

In de CVS-groep waren 12 miRNAs gereduceerd na inspanning. miR-186-3p was gedaald bij ouder-wordende muizen waar het zich richt op ‘β-site amyloid precursor protein-cleaving enzyme 1’ (BACE1 [beta-secretase-1; enzyme dat van belang is bij de vorming van de myeline-schede van perifere zenuwen]) mRNA. Verminderd miR-186-3p laat verhoogde BACE1 mRNA translatie en splitsing van amyloïde peptiden (dat het risico op hersen-ziekte verhoogt) toe. miR-19b-3p bleek gereduceerd in het serum van patiënten met Alzheimer’s, en had ‘signal transduction and activator of transcription 3’ (STAT3 [een transcriptie-factor]) mRNA als doelwit in een muizen-model. miR-92a-3p bleek verhoogd bij glioblastoma [type hersen-kanker] en richtte zich op BCL2L11 [het proteïne gecodeerd door dit hen behoort tot de BCL-2 familie, die werken als anti- of pro-apoptotische regulatoren] om tumor-apoptose te verminderen. De daling ervan na inspanning kan apoptose bij CVS bevorderen. In endotheliale cellen kwam miR-126-5p sterk tot expressie; waar het vasculair (VCAM), intercellulair (ICAM) en geaktiveerd leukocyten (ALCAM) cel-adhesie molekule boodschapper-RNAs als doelwit heeft en dus trans-endotheliale migratie reduceert. Dit is relevant voor immuun-cel influx in de hersenen en hypothesen van neuro-inflammatie bij CVS-pathogenese.

Neuronen kunnen de bron zijn van miR-124-3p, miR-127-3p, miR-433 & miR-323b-5p. Er was weinig overlap met de miRNAs gesynthetiseerd in astrocyten, oligodendrocyten en microglia.

Het epithelium [‘dekweefsel’] van de plexus chorioideus [gebieden aan de rand van hersen-ventrikels waar hersenvocht wordt aangemaakt] kan een primaire bron zijn van miRNAs in het cerebrospinaal vocht. Epitheel-cellen vormen een ééncellige laag verbonden met ‘tight-junctions’ [membranen van cellen komen samen en vormen een soort barrière zodat substanties verplicht worden de cel binnen te dringen om door het weefsel te raken, zodat er controle is over welke toegelaten worden en welke niet] die de strakke cellulaire barrière rond gefenestreerde capillairen [met fenestraties; kleine openingen, poriën] creëeren. Interferon-gamma en andere mediatoren die opgewekt worden door inspanning, inflammatie en andere stressoren, werken op een directe manier op de plexus chorioideus om barrière-permeabiliteit, plasma proteïnen-transport, proteïne-synthesis en sekretie van nutrienten in het cerebrospinaal vocht te moduleren. miR-328, dat bij alle individuen aanwezig was en daalde na inspanning, bindt op de 3’-onvertaalde gebieden [zie hierboven] van bepaalde boodschapper-RNAs om extracellulaire barrière funkties te moduleren. Plexus chorioideus miRNAs worden verpakt in extracellulaire vesikels en afgegeven in het cerebrospinaal vocht. Doelwitten omvatten subventriculaire neurale stamcellen, rijpe neuronen, astrocyten, oligodendrocyten, microglia, meningeale en centrale immuun-cellen. Blokkage van extracellulaire vesikel sekretie door [epitheel]cellen van de plexus chorioideus verminderden hersen-inflammatie in een muizen-model met lipopolysaccharide-geïnduceerde inflammatie. Plexus chorioideus miRNAs kunnen nieuwe doelwitten zijn om acuut ziekte-gedrag, koorts en chronische pijn bij systemische ziekten te moduleren.

De plexus chorioideus is dysfunktioneel bij de ziekte van Alzheimer. Dit levert de rationale om de rol van de barrière bloed/cerebrospinaal vocht te overwegen bij de cognitieve dysfunktie van CVS en GWI. Er zijn talrijke rapporten over gestegen en gedaalde miRNAs in het cerebrospinaal vocht bij Alzheimer’s maar geen enkele kwam overéén met de patronen van onze groepen hier. miR-let-7i-5p was verhoogd bij de ziekte van Alzheimer maar de waarden waren gelijkwaardig met de de ‘non-exercise’ groepen.

Depressie behoort bij de differentiële diagnose omwille van de gemeenschappelijke diagnostische criteria. Majeure depressie wordt gedefinieerd als “affectieve dysfunktie met droevigheid, afgevlakte emoties en anhedonie als essentiële kenmerken”, gevolgd door secundaire criteria zoals vermoeidheid, cognitieve problemen, slaap-stoornissen en somatische dysfunktie. De vraaglijsten naar depressie beklemtonen echter de somatische symptomen. Klachten omtrent vermoeidheid, slaap en cognitieve dysfunktie zullen de totale scores opdrijven en kunnen leiden tot vals-positieve conclusies van majeure depressie zelfs als anhedonie of affectieve klachten afwezig zijn. Dit is bijzonderlijk problematisch bij CVS en GWI waar deze kenmerken behoren tot de diagnostische criteria. Ten gevolge daarvan waren de ‘Centre for Epidemiology-Depression’ (CESD) scores significant verhoogd voor GWI (78,3%), CVS (64,0%) en controles (25,0%).

Kwantitatieve PCR van miRNAs biedt een objectievere oplossing. miR-16 in het cerebrospinaal vocht was significant lager bij patiënten met majeure depressie dan bij controle-individuen. Dit werd echter niet bevestigd bij een onafhankelijke groep die een verschillende patroon (11 significant verhoogde en 5 gedaalde miRNAs) had. Onze gegevens bevestigden geen enkele van deze bevindingen omdat slechts 3 van de miRNAs gedetekteerd werden met Ct ≤ 35 bij meer dan twee derden van onze ‘non-exercise’ groep. miR-425-3p was significant gereduceerd bij depressie-patiënten en werd gedetekteerd bij ongeveer de helft van alle ‘non-exercise’ individuen. Het was verhoogd na inspanning bij SC, START en STOPP maar niet bij CVS. Het gebrek aan reproduceerbaarheid [bij depressie] benadrukt de noodzaak miRNA-bevindingen onafhanhelijk te verifiëren en ondersteunt onze rationale voor strikte statistische criteria om potentiële miRNA-biomerkers te definiëren.

De pijn en gevoeligheid van GWI-individuen gaf systemische hyperalgesie [verhoogde pijngevoeligheid] aan en suggereerde parallellen met fibromyalgie. Er waren 9 miRNAs virtueel ondetekteerbaar bij 10 vrouwen met fibromyalgie vergeleken met 8 gezonde vrouwelijke controles. miR-99b-5p & miR-29a-3p waren afwezig bij fibromyalgie maar werden gedetekteerd bij meer dan twee derden van onze deelnemers. miR-99b-5p was significant verhoogd na inspanning bij SC, START en STOPP. De andere 7 miRNAs werden gedetekteerd bij minder dan de helft van onze specimen. Dit suggereert dat GWI en CVS verschillen van fibromyalgie.

Beperkingen voor het diagnostisch gebruik van kwantitatieve miRNA-analyse in cerebrospinaal vocht omvatten het opmerkelijk gebrek aan consensus omtrent miRNA-waarden bij controle-individuen. Dit kan worden verholpen d.m.v. standardisatie van reagentia en protocollen, ‘open-source’ delen van studie-uitkomsten en meta-analyse van ruwe gegevens. De opbrengst van geëxtraheerd miRNA en detekteerbaarheid werden verbeterd door het gebruik van 0,5 ml i.p.v. 0,2 ml cerebrospinaal vocht. QPCR zonder Ct ‘cut-offs’ ≤ 35 cycli deed het aantal amplificatie-artefacten [sequenties die niet natuurlijk aanwezig zijn maar het kunstmatig gevolg zijn van de methodologie] dalen. De brede ‘range’ van miR-22-3p Ct-waarden kan te wijten zijn aan commerciële wijzigingen aan de reagentia ontworpen voor het verbeteren van miRNA-detektie. Zeer overvloedige miRNAs die werden gedetekteerd met Ct < 35 bij alle individuen werden gebruikt als ‘normalisers’ […]. Er werd gefocust op miRNAs die werden gedetekteerd bij meer dan twee derden van de individuen per groep die succesvolle biomerker-kandidaten voor gebruik in de algemene populatie kunnen zijn. De leeftijden waren vergelijkbaar tussen de groepen en er waren geen verschillen qua expressie tussen vrouwen en mannen. ‘Next-generation’ sequentie-bepaling is een uitstekend instrument maar heeft zorgvuldige interne standardisatie nodig om net zo gevoelig te zijn als QPCR. Voldoende grote stalen waren essentieel omdat onze initiële bevindingen met ca. een dozijn individuen per groep verschillen tussen START en STOPP na inspanning toonden [Baraniuk JN & Shivapurkar N. Cerebrospinal fluid MicroRNA (miRNA) in CFS and Gulf War Illness (GWI). International Association for Chronic Fatigue Syndrome/Myalgic Encephalomyelitis (IACFSME). Fort Lauderdale, 2016] maar deze verschillen kwamen tenslotte terug naar het gemiddelde naar gelang meer individuen werden geanalyseerd. Dit is bijzonder pertinent voor kleinere studies die de differentiële diagnose van CVS en GWI onderzoeken [bv. Bjersing JL et al. Profile of cerebrospinal microRNAs in fibromyalgia. PLoS One (2013) 8: e78762 /// Brenu EW et al. High-throughput sequencing of plasma microRNA in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. PloS One (2014) 9: e102783].

Beperkingen van het test-paradigma omvatten de intensieve aard van de inspanning en MRI-karakterisatie van GWI-individuen om hun fenotypes te bepalen. Er was een lumbaal-punktie vereist voor het verkrijgen van de cerebrospinaal vocht miRNA-biomerkers maar deze procedure is geen contra-indicatie voor het stellen van een objectieve diagnose van. Integendeel: magnetische resonantie beeldvorming met cerebrospinaal vocht QPCR miRNA-profiliering kunnen complementaire instrumenten zijn voor de diagnose van of CVS, GWI en hun subtypes.

Besluiten

De waarden van miRNA in het cerebrospinaal vocht waren gelijkwaardig tussen SC-, CVS- en GWI-individuen die hadden gerust voor inspanning (‘non-exercise’ groepen). De miRNA-waarden waren verschillend van deze die gewijzigd bleken bij depressie, fibromyalgie en Alzheimer’s, wat suggereert dat dit allemaal afzonderlijke ziekten zijn, of dat de gegevens van deze kleinere studies niet konden worden gerepliceerd in deze grotere studie. De miRNA-waarden waren gelijkwaardig tussen de ‘post-exercise’ SC, CVS en GWI-fenotypes (START & STOPP) met uitzondering van miR-22-3p & miR-9-3p die START en STOPP significant onderscheidden. Dit voegt een andere vorm van bewijs toe ter ondersteuning van een neurotoxische pathologie voor GWI en deze 2 GWI-fenotypes. De ‘post-exercise’ waren significant verhoogd (n = 6) of verlaagd (n = 12) t.o.v. de ‘non-exercise’ vergelijking-groepen. miR-328 en miR-608 waren gestegen bij SC, CVS, START en STOPP, en kunnen een globale merker zijn voor de inspanning-stressor op de plexus chorioideus en de hersenen.

CVS had 12 verminderde en 0 vermeerderde miRNAs na inspanning, wat er op wijst dat z’n pathofysiologie en responsen op inspanning uniek zijn in vergelijking met GWI en controless. Ondanks de overlap van symptomen van CVS, GWI en andere ziekten bij de differentiële diagnose, impliceren de afzonderlijke inspanning-geïnduceerde miRNA-patronen in het cerebrospinaal vocht afzonderlijke mechanismen voor post-exertionele malaise bij deze ziekten.

april 14, 2017

Activine-B als biomerker voor M.E.(cvs)

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 7:12 am
Tags: , , , ,

De voorbije jaren zijn er al heel wat publicaties geweest waarin een nieuwe biomerker voor M.E.(cvs) wordt aangekondigd. Het blijft echter onze opinie dat er wellicht nooit één enkele, unieke biomerker voor de aandoening zal kunnen worden aangeduid; en dit omdat er niet één enkele oorzaak is, niet één enkele bakterie/virus of DNA-mutatie verantwoordelijk, niet één enkel metaboliet verstoord. Het gaat om interakties…

Onderstaand artikel over activine-B als potentiële biomerker voor M.E.(cvs) benaderen we dus met de nodige omzichtigheid. Te meer omdat één van de co-auteurs (Professor David M. de Kretser) ‘Chief Scientist’ is van het biofarmaceutisch bedrijf Paranta Biosciences dat een patent heeft op een test “voor de diagnose en het monitoren van CVS d.m.v. de analyse van activine-B” en recombinant humaan follistatine als behandeling voor inflammatoire ziekten onderzoekt.

Follistatine heeft als voornaamste werking het binden en neutraliseren van leden van de ‘TGF-β superfamilie’ (grote groep proteïnen die struktuele gelijkenissen vertonen met TGF-β – zie ‘TGF-β1 expressie in PBMCs bij CVS’ – waartoe ook de activinen behoren). Het is een specifiek activinen-bindend proteïne dat hun werking blokkeert door het voorkomen van de binding van activinen met hun receptoren.

Activinen hebben verschillende werkingen; de Kretser et al. beschrijven ze als “regulatoren van de cel-ontwikkeling en -funktie” (The activins and their binding protein, follistatin – Diagnostic and therapeutic targets in inflammatory disease and fibrosis. Cytokine Growth Factor Rev. (2013) 24: 285-95). Er werd aangetoond dat de waarden verhogen bij acute en chronische inflammatie, en dat ze dikwijls een indicator voor de ernst van ziekte zijn. Ook kan de “inhibitie van de werking van activinen inflammatie, schade, fibrose (overmatige vorming van bindweefsel) en mortaliteit verminderen”. Er wordt ook gesteld dat verhoogd activine-A & -B een verlies aan spier-massa kunnen induceren.

Uit onderstaande studie bleek dat bij M.E.(cvs) activine-B waarden waren verhoogd en dat activine-A waarden normaal bleven. Metingen van inflammatoire cytokinen toonden dat deze niet verhoogd waren, wat aangeeft dat er geen onderliggende inflammatie zou zijn bij M.E.(cvs)… Andere onderzoekers hebben aangetoond dat activine-B ook andere funkties uitoefent. De stijging van activine-B die werd gezien (samen met hogere activinen/follistatine-verhoudingen), wijzen op het feit dat activinen meer beschikbaar zijn. Dit alles vergt dus zeker nog verder onderzoek.

Daarom lijkt het ons voorbarig te pretenderen dat dit een specifieke biomerker of “nieuwe serum-test” voor M.E.(cvs) zal worden. Hoe dan ook zal de waarde van de hier gerapporteerde vondst dienen te worden bevestigd door andere onderzoekers bij mensen met andere ziekten en bij meer uitgebreide groepen M.E.(cvs)-patiënten; en dit ook longitudinaal…

————————-

Journal of Translational Medicine (Pre-print maart 2017)

Activin B is a novel biomarker for Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis (CFS/ME) diagnosis: a cross sectional study

Brett A. Lidbury (1,2), Badia Kita (3), Donald P. Lewis (4), Susan Hayward (5), Helen Ludlow (6), Mark P. Hedger (5), David M. de Kretser (5,7)

(1) Pattern Recognition and Pathology, Department of Genome Sciences, The John Curtin School of Medical Research, The Australian National University

(2) The National Centre for Epidemiology and Public Health, The Research School of Population Health, ANU

(3) Paranta Biosciences Limited

(4) CFS Discovery, Donvale Medical Specialist Centre

(5) The Hudson Medical Research Institute, Monash University

(6) Centre for Proteins and Peptides, School of Life Sciences, Oxford Brookes University

(7) Department of Anatomy and Developmental Biology, Monash University

Samenvatting

Achtergrond Onderzoek van proteïnen van de activine-familie als serum-biomerkers voor Chronische Vermoeidheid Syndroom/ Myalgische Encefalomyelitis (CVS/M.E.). CVS/M.E. is een ziekte met een brede waaier, complexe, symptomen, met op de eerste plaats persistente vermoeidheid die 6 maanden of langer duurt, bijzonderlijk na inspanning. Er zijn geen doorslaggevende biomerkers beschikbaar.

Methodes Er werd een ‘cross-sectionele’, observatie studie uitgevoerd bij CVS/M.E.-patiënten die voldeden aan de Canadese Consensus Criteria, samen met gezonde niet-vermoeide controles. Er werden ook vergelijkingen gemaakt met een eerder gedefinieerde activine referentie-populatie. De leeftijd voor de totale studie-groep was 18-65 jaar; de vrouw/man-verhouding was groter dan 3/1. Alle deelnemers werden beoordeeld via een eerstelijn-zorg kliniek. Er werden bloedstalen verzameld voor pathologie-testen na lichamelijk onderzoek en beoordeling qua orthostatische intolerantie. Cytokinen, activine-A, activine-B en follistatine werden ook gemeten in deze serum-stalen. Alle gegevens werden vergeleken tussen de CVS/M.E.- en controle-groepen, en de activinen en follistatine werden ook vergeleken met eerder gedefinieerde referentie-waarden.

Resultaten De waarden van activine-B in het serum bij de CVS/M.E.-deelnemers waren significant gestegen in vergelijking met deze van de studie-controles, alsook met de vastgestelde referentie-waarden. Serum activine-A en follistatine bleven binnen het normaal bereik. Alle routine en speciale pathologie-merkers bleven binnen de normale laboratorium referentie-intervallen voor de ganse studie-groep; er werden geen significante verschillen gedetekteerd tussen de CVS/M.E.- en de controle-groep. Er werden ook geen verschillen gedetekteerd voor IL-2, IL-4, IL-6, IL-10, IL-17A, TNF of IFN-gamma.

Besluit Verhoogde activine-B waarden samen met normale activine-A waarden identificeerden patiënten met de diagnostische symptomen van CVS/M.E., wat een nieuwe serum-test biedt. De activinen spelen meerdere fysiologische rollen en geven de brede waaier van symptomen weer die CVS/M.E.-patiënten ervaren.

Achtergrond

[…] mistige aspecten omtrent de diagnose d.m.v. definities. […]

Gezien het feit dat veel patiënten dikwijls een griep-achtige ziekte beschrijven voorafgaand aan het ontwikkelen van CVS/M.E., bestaat de mogelijkheid dat cytokinen diagnostische merkers voor CVS/M.E. kunnen zijn, maar er is weinig consensus omtrent hun diagnostisch nut (mogelijks beïnvloed door het stadium van de ziekte en andere variabiliteit bij de patiënten). Bewijsmateriaal voor het feit dat het immuunsysteem betrokken is bij CVS/M.E., wordt ondersteund door een lage ‘natural killer’ cel cytotoxiciteit [Fletcher MA et al. Biomarkers in Chronic Fatigue Syndrome: evaluation of natural killer cell function and dipeptidyl peptidase IV/CD26. PLoS ONE (2010) 5: e10817]; maar tot op heden werd er nog geen immune biomerker voor CVS/M.E. geïdentificeerd.

Gezien de accumulerende gegevens [Hedger MP, de Kretser DM. The activins and their binding protein, follistatin-Diagnostic and therapeutic targets in inflammatory disease and fibrosis. Cytokine Growth Factor Rev. (2013) 24: 285-95] over het feit dat activine-A & -B betrokken zijn bij de controle van inflammatie en spier-massa, voerden we een ‘cross-sectionele’ studie uit naar het potentieel van activine-A, activine-B en hun bindend proteïne (follistatine), als serum-merkers voor CVS/M.E. […]. De activinen zijn leden van de Transforming Growth Factor β (TGFβ) familie, proteïnen bestaande uit sub-units gecodeerd door de INHBA (βA) & INHBB (βB) genen. De sub-units vormen samen activine-A (βAβA) & activine-B (βBβB). Onze eerdere gegevens tonen dat bij patiënten die worden opgenomen op ‘intensive care’ met acute ademhaling-moeilijkheden, de overleving na 12 maanden kan worden voorspeld via de meting van activine-A & -B tijdens de eerste 5 dagen. Dit zou een causaal verband kunnen zijn, aangezien verhoogde waarden activine-A & activine-B een verlies qua spier-massa kunnen induceren [Chen JL et al. Development of novel activin-targeted therapeutics. Mol Ther. (2015) 23: 434-44]. Interessant is dat activine-B betrokken is bij door inflammatie geïnduceerde anemie […], een funktie die verschilt van die van activine-A.

Naast immuun-ontregeling, suggereert het verlies aan spier-massa dat de activinen mogelijks betrokken zijn bij de pathogenese van CVS/M.E., gezien de prominentie van spier-zwakte en pijn als diagnostisch criterium bij de verscheidene definities. Omwille van deze verbanden werd, naast cognitieve en gastro-intestinale symptomen, gehypothiseerd dat significante schommelingen van serum activine-/follistatine-waarden en verhoudingen aannemelijk waren voor CVS/M.E.-patiënten die voldeden aan de 2003 Canadese Criteria. We rapporteren hier de uitkomsten van een studie naar serum activine-A, -B & follistatine in bloedstalen van 45 patiënten met de diagnose van CVS/M.E. (2003 Canadian Criteria), waarvan de klinische bevindingen eerder werden beschreven [Lidbury BA et al. Comorbidity of postural orthostatic tachycardia syndrome and Chronic Fatigue Syndrome in an Australian cohort. J Intern Med. (2014) 275: 409-417].

Methodes

Deelnemers en ‘setting’

45 patiënten (40 vrouwen & 5 mannen; 19-66 jaar) […] voldeden aan de Canadese Diagnostische Criteria; ziekte-duur 2 tot 40 jaar. […]

17 gezonde controle-deelnemers (13 vrouwen & 4 mannen; 24-60 jaar). […]

[…]

Studie-details

[…] Naast de formele CVS/M.E. diagnostische criteria (bevraging en lichamelijk onderzoek), ondergingen de research-deelnemers ook een screening voor potentiële verstorende co-morbiditeiten (testen ter uitsluiting van hypothyroidisme, Lupus, Fibromyalgie (FM) en Multipele Chemische Sensitiviteit). […] routine bloed- en urine-testen. Beoordeling van het slaap-patroon (‘Epworth Scale’ [vragenlijst i.v.m. slaperigheid]) en angst, depressie en veralgemeende stress (DASS-36 [‘Depression Anxiety Stress Scales’]). […]

[…] Als de vermoeidheid van een patient niet ernstig genoeg was of als niet werd voldaan aan de criteria voor CVS/M.E, werd men geklassificeerd als idiopathisch chronisch vermoeid. […] De gezonde deelnemers mochten geen verwant zijn van een CVS/M.E.-patient of op hetzelfde adres samenwonen.

[…]

Er werd gemikt op een minimum van 30 deelnemers per groep […]. We vonden echter slechts 17 gezonde controles deelnemers […]. Daarnaast werden de serum activine-/follistatine-waarden van een eerder gerecruteerde gezonde referentie-populatie (n = 141) gebruikt voor validatie.

Activine- en follistatine-analyses

Bloedstalen werden afgenomen na 20 min staan […]. Activine-A: ELISA (met antilichamen verkregen via de Oxford Brookes University) meet vrij en aan follistatine gebonden activine-A dimeren (geen kruis-reaktie met andere activine-isoformen). Activine-B: ELISA (met antilichamen verkregen via de Oxford Brookes University). Follistatine: radio-immuno-assay. […]

Pathologie- en cytokine-analyses

[…] meerdere biochemicsche analyses (o.a. 24h urine analyse, vitamine-D, parathyroid hoormon (PTH), dehydro-epiandrosteron-sulfaat (DHEAS), immunoglobuline-E, antinucleaire antilichamen en thyroid stimulerend hormoon, glucose-tolerantie-test).

[…] interleukine-2, -4, -6, -10, -17A, tumor necrose factor & interferon-gamma. […]

Statistische analyses

[…] statistische significantie: p < 0.05. […]

Er waren geen ontbrekende gegevens bij de resultaten van de pathologische testen en activine-/follistatine-metingen. Er ontbraken courant gegevens voor de 7 gemeten cytokinen (geregistreerd als ‘niet gedetekteerd’). Gevallen met ontbrekende gegevens werden uitgesloten voor de analyses. Gemiddelden voor TNF & IL-17A werden niet gerapporteerd gezien deze slechts werden gedetekteerd bij 2-3 stalen (CVS/M.E. of controle).

Resultaten

Kenmerken van de CVS/M.E.-groep

[…] De merkers gemeten bij CVS/M.E.-patiënten lagen allemaal binnen de laboratorium referentie-waarden. Zo ook de resultaten van de lever-funktie-testen, metingen van ureum/elektrolyten/creatinine, alsook erythrocyten- & leukocyten-merkers/-indexen. DHEAS, PTH & IgE waren niet significant verschillend. De frequentie qua positieve antinucleaire antilichamen ≥ 160, een merker voor auto-immune aandoeningen, was niet statistisch significant. Idem voor de orale glucose-tolerantie-test.

[…] De gezonde controles bleken significant groter (p = 0.002); de diastolische bloeddruk en hartslag waren significant verhoogd (p < 0.05) voor de CVS/M.E.-groep. Alle CVS/M.E.-deelnemers maakten melding van de sleutel-symptomen (vermoeidheid van langer dan 6 maanden en post-exertionele vermoeidheid, alsook van beperkte aktiviteit, niet-verfrissende slaap, verstoord denken/spraak en orthostatische intolerantie. […]

Activine- en follistatine-responsen bij CVS/M.E- en gezonde deelnemers

[…] De waarden van activine-B, maar niet van activine-A & follistatine, bleken significant gestegen (p = 0.002) in de serum-stalen van de patiënten t.o.v. controles. De activine-B respons was uniek aangezien activine-A en de andere gemeten cytokinen […] bleken niet statistisch significant (IL-17A werd gedetekteerd in 2/45 CVS/M.E.-stalen en bij geen enkele controle, TNFα werd gedetekteerd in 3/45 CVS/M.E.-stalen en geen enkele controle). Ondanks de significante stijging van activine-B, was de verhouding van activine-B op follistatine (ActB/FST), niet significant veranderd t.o.v. controles (p = 0.096).

[…]

CVS/M.E. activine-analyses met betrekking tot een normale referentie-populatie

Voorafgaandelijk aan deze studie recruteerden de Kretser et al. 141 gezonde vrijwilligers om een serum referentie-interval te bepalen voor activine-A, activine-B en follistatine, alsook de verhoudingen van activine-A & -B op follistatine (ActA/FST & ActB/FST). […] Bij vergelijking van de gegevens met deze referentie-waarden, hadden de CVS/M.E.-patiënten een significant hogere waarde voor activine-B (p < 0.0001) maar niet voor activine-A, wat een belangrijke relatie tussen activine-B en CVS/M.E. suggereert. De gegevens van de controle-groep lagen binnen het referentie-interval.

Vergelijkingen met de referentie-gegevens toonden ook dat de follistatine-waarden significant lager waren voor de CVS/M.E.-groep (p < 0.0001) en daarom waren zowel activine-A/follistatine (p < 0.015) en activine-B/follistatine (p < 0.0001) verhoudingen significant hoger bij CVS/M.E.-patiënten; waarbij een groter verschil werd gezien voor de activine-B/follistatine verhouding. Consistent daarmee was de activine-B op activine-A verhouding (ActB/ActA) significant verhoogd bij CVS/M.E.-patiënten (p < 0.0001) vergeleken met de referentie-gegevens. De gegevens tonen aan dat activine-B zowel als de verhoudingen activine-A of -B op follistatine, boven de normale waarden lagen bij CVS/M.E.-patiënten.

Bespreking

Chronische Vermoeidheid Syndroom/ Myalgische Encefalomyelitis is een aandoening die onverklaarde, persistente en invaliderende vermoeidheid veroorzaakt, zonder beschikbare diagnostische testen. Patiënten met deze ziekte ervaren frustratie omwille van de problemen die zorgverleners hebben om de diagnose CVS/M.E. te stellen, en dit door de variatie qua beschikbare diagnostische criteria. Er wordt geschat dat ca. 0,4% mensen wereldwijd aan CVS/M.E. lijden en voor de ‘Centres for Disease Control and Prevention’ in de V.S. is het een prioritaire ziekte, samen met TB & AIDS. Gezien de meerderheid van de aangetaste patiënten geen correcte diagnose krijgen en daardoor nooit de juiste medische zorg voor hun ziekte bekomen, is er een dringede nood aan een diagnostische biomerker om deze patiënten te helpen

De resultaten van deze studie stellen vast dat patiënten waarvan de serum activine-B waarden significant boven de vastgelegde referentie-waarde liggen symptomen van CVS/M.E. vertonen, in tegenstelling tot serum activine-A. Onze gegevens geven daarom aan dat het patroon van gestegen serum activine-B samen met normaal activine-A een groep van patiënten met CVS/M.E. identificeren (zoals gedefinieerd via de 2003 Canadese Criteria). Bijgevolg vertegenwoordigt dit patroon van serum activine-A & -B een diagnostische merker, in tegenstelling tot de mislukking om via andere cytokinen patienten met CVS/M.E. te definiëren. Deze observatie werd verder bevestigd door de bevinding dat serum activine-A & -B waarden in de controle-groep (gerecruteerd op het zelfde moment als de CVS/M.E.-deelnemers) niet statistisch verschillend waren van de vastgelegde referentie-waarden. De gewijzigde patronen van of activinen contrasteren met de talrijke studies omtrent een brede waaier serum-merkers die eerder werden onderzocht in de zoektocht naar een diagnostische test voor CVS/M.E. Serum- en bloed-merkers beschikbaar via pathologie-laboratoria vallen bij CVS/M.E.-patiënten over het algemeen binnen het referentie-interval voor die test (zoals werd gezien bij de deelnemers van deze studie).

Het herhalen van deze studie bij een grotere groep patiënten en controles is een prioriteit, net als het onderzoeken van activine/follistatine in relatie tot andere vormen van vermoeidheid. Eventuele bevooroordeling werd minimaal gehouden via de gebruikte manier van coderen (ter bescherming van de confidentialiteit). Er werden op geen enkel moment klinische notities of persoonlijke details toegevoegd aan de de activine-stalen en de researchers hadden geen contact met de patiënten, noch direct of via hun medische voorgeschiedenis tijdens het plannen van de studie en het bestuderen van de gegevens.

Eerdere studies naar de waarde van cytokinen als biomerkers zijn verdeeld: sommige studies begunstigen de doeltreffendheid van cytokine-profielen bij het beschouwen van de karakteristieken bij aanvang en in longitudinale studies [Stringer EA et al. Daily cytokine fluctuations, driven by leptin, are associated with fatigue severity in Chronic Fatigue Syndrome: evidence of inflammatory pathology. J Transl Med. (2013) 11: 93 /// Skowera A et al. High levels of type 2 cytokine-producing cells in Chronic Fatigue Syndrome. Clin Exp Immunol. (2004) 135: 294-302]. In tegenstelling daarmee besluiten literatuur-reviews dat immuun-dysfunktie niet betrokken zou zijn bij CVS/M.E., een conclusie die wordt ondersteund door experimentele studies die resultaten van CVS/M.E.-patiënten in de context van inspanning en slaap-deprivatie omvatten [Nakamura T et al. Exercise and sleep deprivation do not change cytokine expression levels in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Clin Vaccine Immunol. (2013) 201736-42; zie ook ‘Cytokinen bij CVS ’s nachts]. Er werd opgemerkt dat interleukine-10 diagnostische waarde had maar daarvoor is cerebrospinaal vocht vereist [Peterson D, Brenu EW et al. Cytokines in the cerebrospinal fluids of patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. Mediat Inflamm. (2015)].

Ook ‘transforming growth-factor beta’ (TGF-β) werd vermeld als een significante merker [Bennett AL, Chao CC, Hu S, Buchwald D et al. Elevation of bioactive transforming growth factor-beta in serum from patients with Chronic Fatigue Syndrome. J Clin Immunol. (1997) 17: 160-6 /// Chao CC et al. Altered cytokine release in peripheral blood mononuclear cell cultures from patients with the Chronic Fatigue Syndrome. Cytokine (1991) 3: 292-8 /// zie ook link in onze inleiding]. TGF-β modulatie werd aangestipt omwille van z’n rol bij NK-cel regulering en suppressie, waarbij NK-cel dysfunktie al 25 jaar consistent wordt geobserveerd bij CVS/M.E. [Klimas NG et al. Immunologic abnormalities in Chronic Fatigue Syndrome. J Clin Microbiol. (1990) 28: 1403-10]. TGF-β1 inhibeerde NK-cel DNA-synthese en produktie van cytokinen, en (zwak) de cytotoxische aktiviteit; waarbij later bleek dat bij de inhibitie van NK-cel aktiviteit door TGF-β de inhibitie van mTOR [‘mammalian target of rapamycin; een centrale regulator van de cel-groei en proliferatie in respons op omgeving-stimuli zoals groei-factoren of nutriënten] kinase signalisering betrokken is, inclusief post IL-15 stimulatie.

Er bleken echter uitdagingen wat betreft TGF-β1 als biomerker, met betrekking tot de vereiste voor speciale bloedafname-methodes en het verwijderen van bloedplaatjes voorafgaande aan de bepaling, alsook eerdere meldingen over een variatie (tot 10x) bij ziekte-studies (in vergelijking met controles). TGF-β1 variatie veroorzaakt door exogene en endogene factoren beperkt daarom z’n diagnostische betrouwbaarheid. Dit is niet het geval voor activine-B. Activine-B waarden veranderen niet met leeftijd, geslacht, BMI, ethniciteit, roken, allergieën of type medicatie en tot op heden zijn er geen meldingen over verhoogde of verlaagde activine-B waarden bij andere ziekten. Tesamen met het feit dat er een vastgelegd referentie-interval is, heeft activine-B potentieel als biomerker met een klinisch nut voor CVS/M.E.; mits validatie in bijkomende groepen en met andere klinische criteria.

Activine-A is een gekende modulator van de inflammatoire cascade met een rol als pro-inflammatoir cytokine die werd ontdekt door z’n snelle stijging na lipopolysaccharide (LPS) toediening bij muizen; en er is bewijsmateriaal dat activine-B een gelijkaardige werking heeft (bv. bij wegkwijnen van spieren [Chen JL et al. Elevated expression of activins promotes muscle wasting and cachexia. FASEB J. (2014) 28: 1711-23] en nier-letsel). Anderen hebben echter getoond dat activine-B andere funkties uitoefent dan activine-A […]. Onze gegevens tonen dat activine-A en inflammatoire cytokinen niet verhoogd waren bij CVS/M.E.-patiënten, wat wijst op een afwezigheid van onderliggende inflammatie [!!!???] bij deze patiënten. De geobserveerde stijging van activine-B, alsook activine/follistatine-verhoudingen, duidt op een verhoogde systemische bio-beschikbaarheid van activinen; de mechanismen waarmee activine-B oorzakelijk gelinkt is, vereisen echter verder onderzoek.

De bevinding van gestegen serum activine-B waarden roept ook de mogelijkheid op dat behandeling met follistatine van waarde kan zijn bij het management van patiënten met CVS/M.E., aangezien follistatine – naast het blokkeren van de werking van activine-A – ook de werking van activine-B kan blokkeren. Bovendien heeft de behandeling met follistatine het potentieel voordeel dat naast het verminderen van de werking van de activinen, het ook de werking van myostatine [negatieve regulator van de spier-massa] kan blokkeren, en zo de spier-massa kan doen toenemen [Rodino-Klapac LR et al. Inhibition of myostatin with emphasis on follistatin as a therapy for muscle disease. Muscle Nerve (2009) 39: 283-96].

Besluiten

Gezien het onvermogen om een duidelijke diagnose van CVS/M.E. te stellen via het meten van andere cytokinen, is het feit dat het aantonen dat de meting van activine-A/B en follistatine de identificatie toeliet van een populatie van CVS/M.E.-patiënten (gediagnostiseerd d.m.v. de Canadese criteria) significant. Deze resultaten laten ons voorstellen dat metingen van de activinen en follistatine van waarde zullen zijn bij het onderscheiden van patiënten met CVS/M.E. van die met andere aandoeningen die ook vermoeidheid veroorzaken. Deze gegevens suggereren sterk de nood aan een grotere studie bij CVS/M.E.-patiënten om te bepalen of de detektie van verhoogd serum activine-B en normale activine-A waarden het verloop van de ziekte kan voorspellen voor dergelijke patiënten.

december 3, 2016

Differentiële expressie van mitochondriale proteïnen bij CVS

Filed under: Celbiologie,Diagnostiek — mewetenschap @ 8:25 am
Tags: , , , , , , ,

Een artikel dat voor zichzelf spreekt… Er worden hier 2 proteïnen (betrokken bij de cellulaire energie-produktie) aangeduid die (in combinatie) een diagnostische merker zouden kunnen zijn voor M.E.(cvs).

Over aconitase (aconitaat-hydratase; omzetting van citraat naar isocitraat in de TCA-cyclus) werd ook al gesproken in onze stukken ‘Inspanning-geïnduceerde mitochondriale dysfunktie’ & ‘Dysfunktie van de TCA- & de ureum-cyclus bij CVS’…

Er werd tevens afwijkende expressie van ACON en ATPB in het speeksel gevonden. Dit zou een afname bij een eventuele test veel makkelijker maken.

Lees ook ‘Metabole kenmerken van M.E.(cvs)’ & ‘M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte’.

————————-

Transl Psychiatry. (2016) 6: e904

Bottom-up proteomics suggests an association between differential expression of mitochondrial proteins and Chronic Fatigue Syndrome

Ciregia F1, Kollipara L2, Giusti L1, Zahedi RP2, Giacomelli C3, Mazzoni MR1, Giannaccini G1, Scarpellini P4, Urbani A5,6, Sickmann A2,7,8, Lucacchini A1, Bazzichi L3

1Department of Pharmacy, University of Pisa, Pisa, Italy

2Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften-ISAS, Dortmund, Germany

3Division of Rheumatology, Department of Clinical and Experimental Medicine, University of Pisa, Pisa, Italy

4Division of Psychiatry, Department of Clinical and Experimental Medicine, University of Pisa, Pisa, Italy

5Istituto di Biochimica e Biochimica Clinica, Università Cattolica, Rome, Italy

6Proteomics and Metabonomics Unit, IRCCS-Fondazione Santa Lucia, Rome, Italy

7Department of Chemistry, College of Physical Sciences, University of Aberdeen, Aberdeen, UK

8Medizinische Fakultät, Medizinische Proteom-Center, Ruhr-Universität Bochum, Bochum, Germany

Samenvatting

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een invaliderende en complexe aandoening die wordt gekenmerkt door onverklaarde vermoeidheid die niet verbetert door rust. Dysfunktie van de mitochondrieën is een research-gebied met een waarschijnlijk verband met CVS. In eerder werk onderzochten we het proteoom-profiel in speeksel van een monozygote tweeling met en zonder CVS. Hierna analyseerden we mitochondriale proteïnen bij dezelfde tweeling. We gebruikten een gesofisticeerde techniek (nano-LC-MS) om de mitochondrieën uit bloedplaatjes te bestuderen. Daarna selekteerden we 3 proteïnen die waren gevalideerd d.m.v. ‘western blot’ analyse bij een grote groep individuen (n = 45 CVS; n = 45 gezond), in het speeksel. De gekozen proteïnen waren: aconitaat-hydratase (ACON), ATP-synthase subunit-beta (ATPB) en malaat-dehydrogenase (MDHM). De resultaten voor ATPB & ACON bevestigden hun upregulering bij CVS. De MDHM-verandering werd echter niet bevestigd. Daarna beslisten we, gezien de grote variabiliteit qua klinische kenmerken van CVS-patiënten, de expressie van onze proteïnen te analyseren na opsplitsing van de patiënten volgens klinische parameters. Voor elke merker waren de waarden hoger bij de groep patiënten die klinische kenmerken vertoonden die gelijkaardig waren met de zieke tweeling-helft. We besluiten dat deze resultaten suggereren dat onze potentiële merkers één van de criteria zou kunnen zijn die in rekening kunnen worden gebracht bij het helpen stellen van de diagnose. Bovendien zou de identificatie van biomerkers aanwezig bij bepaalde subgroepen CVS-patiënten kunnen helpen bij het werpen van een licht op de complexe aandoening CVS. Verder kan het helpen bij het ontwikkelen van aangepaste behandelingen.

Inleiding

[…] De moeilijkheden bij het definiëren van CVS, door het gebrek aan diagnostische merkers, maakt epidemiologische studies ingewikkeld. […] Tot nu toe blijft de etiologie van CVS onduidelijk; waarschijnlijk is het een heterogene aandoening die kan worden verklaard via een multi-factorieel model waar genetische, infektueuze, neuro-endocriene en psychologische factoren samenkomen. […]

Een ander onderzoek-gebied met een waarschijnlijk verband met CVS is een gebrekkige mitochondriale funktie. Studies betreffende het metabolisme bij CVS suggereren onregelmatigheden qua energie-metabolisme en oxidatieve stress. [Armstrong CW, McGregor NR et al. Metabolism in Chronic Fatigue Syndrome. Adv Clin Chem (2014) 66: 121-172; zie ook referenties onze inleiding] Er wordt in het bijzonder steeds meer erkend dat mitochondriale dysfunkties aan de basis van CVS kunnen liggen [Booth NE, Myhill S, McLaren-Howard J]; bovendien is vermoeidheid een prominent symptoom bij patiënten met mitochondriale ziekte. Dit is een aantrekkelijke hypothese, aangezien een metabole wijziging op mitochondriaal niveau een energie-deficiëntie met zich mee kan brengen en de uitzonderlijke vermoeidheid verklaren.

Er werd dikwijls gesuggereerd dat een genetische voorbestemdheid aan de basis van CVS kan liggen; daarom voorziet het bestuderen van tweelingen de best gematchte controles. Zodoende onderzochten we in eerder werk het proteoom-profiel in van een monozygote tweeling, waarvan één met en één zonder CVS. [Ciregia F et al. A multidisciplinary approach to study a couple of monozygotic twins discordant for the Chronic Fatigue Syndrome: a focus on potential salivary biomarkers. J Transl Med (2013) 11: 243] Onze resultaten beklemtoonden de betrokkenheid van de inflammatoire respons bij de pathogenese van CVS. Na de bemoedigende resultaten verkregen via deze preliminaire studie, wilden we meer kennis verwerven betreffende mechanismen bij CVS via het analyseren van mitochondriale proteïnen bij dezelfde tweeling. De verwachting was dat onze bevindingen bewijs zouden kunnen leveren voor een mitochondriale rol bij de pathogenese van CVS.

Met dit doel isoleerden we mitochondrieën uit bloedplaatjes. Dit zijn circulerende bloedcellen die essentieel zijn voor de hemostase [preventie van bloedverlies] en coagulatie [bloedstolling] maar ook voor de aangeboren en adaptieve immuniteit. Bloedplaatjes hebben funktioneel aktieve mitochondrieën, waarvan de betrokkenheid bij de cel-fysiologie en bij pathologische aandoeningen werden aangetoond. De beoordelingen van de mitochondriale funktie in bloedplaatjes bieden meerdere voordelen voor diagnostische doeleinden: hun overvloed in het perifeer bloed, het betrekkelijk gemak om ze te verkrijgen, hun beperkte complexiteit, het aanzienlijk aantal mitochondrieën in de bloedplaatjes en de mogelijkheid voor herhaalde metingen bij elke patient.

Bloedplaatjes werden reeds aangewend bij onderzoeken naar de mitochondriale betrokkenheid bij enkele aandoeningen, bv. sepsis, neurodegeneratieve ziekten en diabetes. Deze studies bleven echter beperkt tot analyse van het mitochondriaal DNA en elektron-transfer aktiviteiten, terwijl er geen onderzoek werd verricht naar de totale proteïnen-inhoud van de mitochondrieën. Daarom analyseerden we de mitochondrieën uit bloedplaatjes via ‘nano-liquid chromatography electrospray-ionization mass-spectrometry’ (nano-LC-MS [ultra-geavanceerde scheiding- en detektie-methoden]) bij hetzelfde tweeling-paar als in de eerdere studie. Daarna werden de meest beloftevolle biomerkers gevalideerd via ‘western blot’ [WB] analyse [Methode die met behulp van antilichamen specifiek proteïnen kan aantonen. De proteïnen in een staal worden eerst gescheiden en dan naar een drager getransfereerd d.m.v. een elektrische stoom. Op de drager kunnen dan de (gemerkte) antilichamen binden zodat één bepaald eiwit kan worden gevisualiseerd en gemeten.] bij een grote groep patiënten, gebruikmakend van speeksel, dat op een niet-invasieve, eenvoudige, veilige en stress-vrije manier kan worden gecollecteerd en die makkelijk toepasbaar is bij grote groepen individuen.

Gezien de heterogeniteit van de ziekte was het doel biomerkers te suggereren om gevallen van CVS te stratificeren, eerder dan het selekteren van enkele biomerkers voor de identificatie van CVS. Dit kan helpen de behandeling op maat van de patient te snijden.

Materialen & methodes

Studie-ontwerp

Deze studie werd opgedeeld in 3 verschillende stappen. De eerste ‘ontdekking’-fase was gericht op het karakteriseren van het mitochondriaal proteoom-profiel van een CVS-patient in vergelijking met z’n gezonde monozygote tweeling-helft. Dit doel werd bereikt d.m.v. een proteoom-benadering (nano-LC-MS). De tweede ‘verkennende’ fase was gericht op het onderzoeken van de veranderende proteïnen (Ingenuity Pathway Analysis – IPA [software om expressie-profielen te analyseren]). Dit platform laat toe de mogelijke interakties te visualiseren tussen de geïdentificeerde biomerker-signaturen in mitochondrieën, wat ons helpt enkele kandidaten te selekteren voor de ‘validatie’-fase. De geselekteerde proteïnen werden eerst gezocht in het speeksel van de tweeling-broers en, eens de verschillen bevestigd werden, werd de validatie verbreed naar een groter aantal patiënten en controles. Tenslotte hebben we onze analyse versterkt door te kijken naar klinische gegevens, met als specifiek doel te onderzoeken hoe de biomerkers correleren met de klinische parameters van de patiënten. Dit leidt ons tot de identificatie van mitochondriale proteïnen die bruikbaar zijn bij het subtyperen van CVS-patiënten.

Patiënten

[…] 45 CVS-patiënten (gemiddelde leeftijd 38,6 ± 11,9 jaar); 45 gezonde controles (36,4 ± 10,9) 25 vrouwen, 20 mannen […]. De patiënten werden geklassificeerd op basis van de criteria volgens Fukuda et al. […] De individuen vulden de ‘Fibromyalgia Impact Questionnaire’ (FIQ) in […]. Vermoeidheid werd ook beoordeeld d.m.v. de ‘Functional Assessment of Chronic Illness Therapy-Fatigue Scale’ (FACIT). […] Om de individuen beter te klassificeren, werden de volgende parameters geëvalueerd: anti-nucleaire antilichamen, ‘extraheerbare nucleaire antigenen’ [ENA] antilichamen [voor auto-immuunziekten], reumatoïde factor & anti-cardiolipine antilichamen (immunologische parameters); cortisol en adrenocorticotroop hormoon, serotonine, groei-hormoon, IGF-1 & vitamine-D3 (hormoon-profiel); tumor necrose factor (TNF)-α, interferon (IFN)-γ, interleukine (IL)-6, IL-10, IL-2, IL-8 & IL-1b (cytokine-profiel).

Speeksel-stalen

[…]

Bloedplaatjes & aanrijking mitochondrieën

[…]

Kwantificatie op basis van LC-MS

[…]

LC-MS stalen

[…]

LC-MS analyse

[…]

Analyse van signalisering-mechanismen

[…] Alle proteïnen met differentiële expressie gelijk aan of meer dan 2 maal (CVS t.o.v. controle) werden opgenomen voor de bio-informatische analyse, om de molekulaire funkties te identificeren die het sterkt geassocieerd waren met de proteïnen-lijst.

WB voor validatie

Om de expressie-veranderingen in speeksel te valideren, gebruikten we ‘western blot’ analyse. De geselekteerde proteïnen waren: aconitaat-hydratase (ACON), ATP-synthase subunit-beta (ATPB) en malaat-dehydrogenase (MDHM). […]

[…]

Statistische analyse

[…]

Klinische correlaties

[…]

Resultaten

Proteoom-analyse

Om het profiel op te maken van de mitochondriale proteïnen bij CVS, isoleerden we mitochondrieën uit bloedplaatjes van hetzelfde tweeling-koppel met en zonder CVS dat eerder werd onderzocht. Om de kwaliteit te evalueren van de geïsoleerde mitochondrieën gebruikten we enzymatische testen en WB-analyse: de mitochondriale aanrijking was bevredigend. We verkregen een mitochondriale fractie van 450 μg proteïnen startend van ca. 5×109 bloedplaatjes. Met als doel de grens van reproduceerbaarheid van het mitochondriaal preparaat te overwinnen, werden de experimenten in 3-voud uitgevoerd. De mitochondrieën die werden verkregen uit elk van de 3 experimenten werden samengevoegd en geanalyseerd in drievoud.

De proteïnen-samenstelling van de mitochondrieën werd geanalyseerd via nano-LC-MS en er werd een differentiële analyse tussen de CVS-patient en z’n gezonde broer uitgevoerd. Globaal identificeerden we 1.007 proteïnen […]. Van die 1.007 gedetekteerde proteïnen waren er 194 mitochondriale proteïnen significant gemodificeerd bij CVS. Van deze 194 proteïnen waren er 41 met een variatie bij CVS t.o.v. controle groter dan 2,0: 34 waren ge-upreguleerd bij CVS en 7 waren ge-downreguleerd. […] Deze 41 proteïnen werden opgenomen in de IPA. Van elk geïdentificeerd proteïne werd het overéénkomstig gen in de IPA kennis-databank gezocht.

We gebruikten IPA om de gekende funkties van elk proteïne terug te vinden. Aangezien één proteïne meerder funkties kan hebben, selekteerden we de funkties met de hoogste statistische significantie. De eerste 3 hoogst-gerangschikte biologische funkties waren: metabolisme van isocitraat, metabolisme van NADH & metabolisme van nucleïnezuur-componenten of afgeleiden. […] Voor de validatie selekteerden we een proteïne uit elke categorie op basis van de hoeveelheid variatie en de P-waarde [indicatie voor de statistische significantie] van proteïnen uit de proteoom-analyse.

Expressie van biomerkers in speeksel

We selekteerden 3 mitochondriale proteïnen voor de validatie via WS – ACON, ATPB & MDHM. We beoordeelden eerst of hun variatie bij CVS t.o.v. controle bevestigd werd via de WS van de tweelingbroers. De upregulering bij CVS werd via WB bekrachtigd voor al de proteïnen. ACON, ATPB & MDHM vertoonden een toename van 3,1, 1,5 & 4,7. […]

Vervolgens gingen we over tot de analyse van deze proteïnen in een ruime groep CVS-patiënten (n = 45) en gezonde individuen (n = 45). We begonnen met een globale analyse van de expressie van deze proteïnen in het speeksel om dan verder te gaan met het onderzoek van verschillende CVS-subtypes. De veranderingen voor ACON & ATPB waren consistent met de resultaten van de nano-LC-MS, maar niet voor MDHM.

Dan klassificeerden we patiënten volgens hun klinische kenmerken (vragenlijsten): FACIT, FIQ, VAS-pijn, VAS-vermoeidheid & VAS-slaap. De CVS-patiënten werden in 2 groepen gesplitst met als referentie de tweeling-helft met CVS: een groep met de klinische kenmerken waarvan de waarden overéénkwamen met (of groter dan) die van de zieke tweeling-helft (groep A) en de tweede met de patiënten met lagere waarden (groep B). De intensiteiten waren hoger voor elk van de 3 merkers in groep A t.o.v. groep B.

ROC-curves

Er werden ROC-curves [grafiek van de gevoeligheid tegen de specificiteit, ROC-analyse is een statistische methode die internationaal gebruikt wordt als toets voor de voorspellende waarde van een variabele of instrument] berekend ter beoordeling van het klinisch potentieel van onze geselekteerde en gevalideerde proteïnen om CVS te onderscheiden van gezonde individuen (in speeksel). De AUCs [oppervlakte onder de curve; samenvattende maatstaf die in wezen het gemiddelde maakt van de diagnostische accuraatheid over het spectrum van de test-waarden] werden voor elk proteïne individueel berekend, om aan te tonen of elke merker apart dit onderscheid kan maken. ATPB & ACON bleken betere differentiërende biomerkers dan MDHM. ATPB: sensitiviteit 54% en specificiteit 78%; ACON: sensitiviteit 61% en specificiteit = 78%. Daarenboven onderzochten we via logistische regressie analyse of het onderscheidend vermogen van elke merker mogelijks verhoogd was door combinatie van meerdere merkers. Met deze doelstelling testten we alle verschillende combinaties om de beste combinatie van biomerkers te selekteren die bruikbaar is om mensen met CVS te onderscheiden van gezonde individuen. Zodoende vonden we dat het onderscheidend vermogen lichtjes steeg als ATPB werd gecombineerd met ACON. De sensitiviteit steeg tot 85% maar de specificiteit was 72%. Tenslotte berekenden we ook ROC-curves om te testen of de biomerkers patiënten en controles kunnen differentiëren volgens de klinische parameters – enkel FACIT gaf goeie resultaten. Wanneer we patiënten opsplitsen volgens FACIT, gaven ATPB en ACON ROC-curves (groep A versus controles) met een AUC van 0.780 en 0.722, respectievelijk, terwijl de gecombineerde ROC-curve een AUC had van 0.844 (sensitiviteit = 93%, specificiteit = 70%).

Klinische correlaties

Tenslotte bekeken we statistische correlaties voor de volgende klinische parameters: leeftijd, leeftijd bij aanvang, ziekte-duur en de hematochemische parameters (bv. TNF-α, IL-6, enz.). ACON correleerde negatief met IL-2 […]. ATPB correleerde positief met TNF-α & IFN-γ. […] MDHM correleerde ook met TNF-α […].

Bespreking

De ontdekking en validatie van meer objectieve merkers kunnen een belangrijke ondersteuning betekenen voor het stellen van de diagnose en behandeling van CVS. Aangezien bewijsmateriaal suggereert dat mitochondriale dysfunkties aan de grondslag liggen van CVS, analyseerden we mitochondriale proteïnen verkregen uit bloedplaatjes. Deze kwamen van een monozygoot tweeling-koppel met en zonder CVS. Nano-LC-MS markeerde de wijzigingen qua expressie van 41 proteïnen met een P < 0.05 en een vermenigvuldiging met meer dan 2. Voor de validatie selekteerden we hieruit 3 proteïnen van elk van de 3 meest significante ‘biologische funkties’ die met onze proteïnen geassocieerd bleken na IPA-analyse.

Deze 3 proteïnen waren: ACON (‘metabolisme van isocitraat’), MDHM (‘metabolisme van NADH’) en ATPB (‘metabolisme nucleïnezuur-componenten of afgeleiden’). De validatie van onze kandidaat proteïne-biomerkers werd beperkt door de beschikbaarheid van antilichamen die de detektie van proteïnen in speeksel-stalen toelaten.

Ondanks het feit dat deze studie slechts 2 individuen analyseerde, kunnen de verschillen qua proteïne-expressie gelinkt worden aan de ziekte, aangezien de tweeling slechts verschilde wat betreft de aanwezigheid van CVS. Op deze manier liet onze studie toe te focussen op enkele biomerkers die kunnen worden onderzocht bij een groter aantal patiënten om hun bruikbaarheid bij de diagnose van CVS te bevestigen. We beslisten speeksel van CVS-patiënten te onderzoeken (een niet-invasieve procedure). Hoewel speeksel een minder complex vocht is, werd bewezen dat het een beloftevol diagnostisch instrument is, dat de fysiologische werking van het lichaam weerspiegelt. Eerst was het aangewezen om te controleren of de significante toename van deze proteïnen bij CVS (t.o.v. de controle) kon worden geverifieerd in het speeksel van de tweeling-broers. We bevestigden de resultaten.

De analyse van de mechanismen markeerde het ‘metabolisme van NADH’ als één van de meest belangrijke biologische funkties betrokken bij CVS. De verhouding NAD+/NADH speelt een alomtegenwoordige rol bij het reguleren van de intracellulaire redox-status en vertegenwoordigt daardoor een funktie van de metabole toestand. Enkele studies suggereren dat NADH-concentraties significant lager liggen bij CVS-patiënten vergeleken met gezonde controles. [Mikirova N et al. The assessment of the energy metabolism in patients with Chronic Fatigue Syndrome by serum fluorescence emission. Altern Ther Health Med (2012) 18: 36-40 /// Castro-Marrero J et al. Does oral coenzyme Q10 plus NADH supplementation improve fatigue and biochemical parameters in Chronic Fatigue Syndrome? Antioxid Redox Signal (2015) 22: 679-685 /// Castro-Marrero J et al. Effect of coenzyme-Q10 plus nicotinamide adenine dinucleotide supplementation on maximum heart rate after exercise testing in Chronic Fatigue Syndrome – a randomized, controlled, double-blind trial. Clin Nutr (2015) 35: 826-834] Het is waarschijnlijk dat de hoge waarden MDHM en isocitraat-dehydrogenase die worden gezien bij CVS een adaptieve verandering kunnen zijn voor deficiënties qua NADH dat, op z’n beurt, een cruciale rol speelt bij ATP-produktie in de mitochondrieën.

ATPB is de subunit-beta van ATP-synthase, het belangrijkste enzyme voor de aanmaak van ATP. Naast de toename van ATPB bij CVS, detekteerden we (d.m.v. nano-LC-MS) ook significante verhogingen van de subunit-alfa en -gamma (P = 0.005 & 0.001, respectievelijk). Moeheid en energie zijn nauw verbonden; daarom is een aantrekkelijke hypothese dat er een metabole dysfunktie is met als resultaat dat er niet genoeg energie wordt geproduceerd. In dit perspectief kan de toename worden verklaard als een poging om de ATP-produktie te verhogen. Er zijn inderdaad studies die suggereren dat daling qua mitochondriale ATP-synthese bij CVS-patiënten niet wordt veroorzaakt door een defekt in de enzyme-complexen die de oxidatieve fosforylatie katalyseren maar in een andere factor. [Vermeulen RC et al. Patients with Chronic Fatigue Syndrome performed worse than controls in a controlled repeated exercise study despite a normal oxidative phosphorylation capacity. J Transl Med (2010) 8: 93] Opdat ADP kan worden gerecycleerd en ATP naar het cytosol van de matrix kan gaan, is de uitwisseling van cytoplasmatisch ADP met mitochondriaal ATP via het binnenste membraan nodig. Deze funktie wordt voorzien door een translocator-proteïne. Consistent met ander werk is de expressie van mitochondriaal ADP/ATP-translocase [transporter-proteïnen die zorgen voor de uitwisseling van ADP in het cytosol en mitochondriaal ATP via het binnenste membraan] gewijzigd in onze studie: translocase-2 & -3 daalde [x 0,65 & x 0,80 t.o.v. controle] bij CVS (P = 0.009 & 0.002, respectievelijk).

Samen met ATPB lijkt ACON de meest beloftevolle biomerker. Dit is de mitochondriale vorm van aconitase, een enzyme dat de omzetting van citraat naar isocitraat katalyseert via cis-aconitaat in de TCA-cyclus. [inhibitie van dit enzyme vermindert de cellulaire energie-voorraad] ACON wordt courant gebruikt als een biomerker voor oxidatieve stress en werd gesuggereerd dienst te doen als een sensor voor de redox-status. Inderdaad: de reaktie tussen ACON en superoxide genereert vrije hydroxyl-radikalen. Het is waarschijnlijk dat de reaktie tussen superoxide en ACON de mitochondriale oxidatieve schade geassocieerd met de pathofysiologie van CVS kan versterken. De buitensporige produktie van ROS en stikstof-soorten wordt trouwens gewoonlijk in verband gebracht met CVS en we vonden een significante upregulering [x 2,2 t.o.v. controle] van superoxide-dismutase [SOD; enzyme dat zuurstof-radikalen ‘opruimt’] (P = 0.001).

Na de validatie in het speeksel van de tweeling, hebben we de validatie uitgebreid naar een grote groep CVS-patiënten. De resultaten voor ATPB & ACON bevestigen de upregulering bij CVS en hun klinisch potentieel om patiënten van controles te onderscheiden werd geëvalueerd. De ROC-curves gaven een goede specificiteit maar lage sensitiviteit aan. Als de biomerkers geombineerd werden, verkregen we een betere diagnose en de sensitiviteit verhoogde tot 85%, met een kleine daling qua specificiteit.

Anderzijds werd de gevonden MDHM-wijziging niet bevestigd in de grotere groep patiënten maar we konden een stijging zien wanneer we enkel de patiënten beschouwden met gelijkaardige of hogere klinische parameters dan de tweeling-helft met CVS. Deze bevinding bracht ons ertoe te bekijken of andere vermoedelijke biomerkers ook duidelijke CVS-subgroepen zouden kunnen afbakenen, gezien de grote variabiliteit van de klinische kenmerken van onze patiënten. Daarom hebben we onze analyse opgedreven door de klinische gegevens van dichterbij te bekijken, met als specifiek doel te onderzoeken hoe de biomerkers gelinkt zijn met de klinische kenmerken van de patiënten. We analyseerden de expressie van onze proteïnen na de patiënten te hebben opgesplitst volgens de klinische parameters. Voor elke merker waren de waarden hoger in de groep patiënten met klinische kenmerken die gelijkaardig waren met die van de zieke tweeling-helft. Het leek er op dat de toename qua expressie van deze proteïnen overéénkwam met een slechte patiënten-uitkomst.

Daarnaast gaf de combinatie van ATPB met ACON een sensitiviteit van 93% en specificiteit van 70% wanneer we de FACIT-waarden gebruikten van de patiënten die groter dan deze van de tweeling-helft met CVS.

Het valt op te merken dat CVS-patiënten met co-morbide bipolaire stoornis (en niet met andere psychiatrische co-morbiditeiten) een significante upregulering van de ATPB-expressie vertoonden (P = 0.03). In onze groep CVS-patiënten waren er slechts 8 met een co-morbide bipolaire aandoening; maar dit aspect verdient verder onderzoek gezien het feit dat een belemmerde mitochondriale funktie bij bipolaire patiënten werd besproken.

Tenslotte onderzochten we de correlatie van onze proteïnen met hematochemische parameters. Cytokine-abnormaliteiten zijn courant bij CVS maar de bevindingen zijn gemengd en er wordt geen individuele merker gebruikt als een objectieve biomerker voor de diagnose of het management van CVS. Het is opmerkenswaardig dat de toename van bij CVS positief correleerde met de stijging van IFN-γ & TNF-α. Immunologische ontregeling werd altijd voorgesteld als een significante component van CVS en CVS-patiënten hebben gewoonlijk hoge waarden pro-inflammatoire cytokinen, zoals IFN-γ & TNF-α. [Brenu EW et al. Immunological abnormalities as potential biomarkers in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Transl Med (2011) 9: 81 /// Klimas NG et al. Biomarkers for chronic fatigue. Brain Behav Immun (2012) 26: 1202-1210] Daarnaast was er een positieve correlatie van MDHM met TNF-α. Deze correlaties brengen ons iets bij, aangezien al deze variabelen als merkers kunnen worden beschouwd. Het is interessant aan te geven dat de ACON-waarden negatief correleerden met IL-2, in lijn met het feit dat de tweeling-helft met CVS lagere waarden van IL-2 had t.o.v. zijn gezonde tweeling-broer.

Besluit: deze resultaten suggereren dat onze potentiële merkers één van de te overwegen criteria kunnen zijn bij het helpen stellen van de diagnose. Daarenboven: zelfs als deze proteïnen niet noodzakelijk bruikbaar blijken voor een universele CVS-diagnose (gezien de enorme heterogeniteit van de ziekte), bieden ze een sterk potentieel om subsets te karakteriseren. De identificatie van biomerkers aanwezig bij bepaalde subgroepen CVS-patiënten kan helpen de complexe entiteit die CVS is, op te helderen. Verder kan het helpen bij het ontwikkelen van op maat gemaakte behandelingen. Op die manier zou dit werk kunnen bijdragen aan de gestage ontwikkeling van een duidelijker kader voor een ingewikkelde en genuanceerde ziekte zoals CVS.

november 4, 2016

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

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

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

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

————————-

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Samenvatting

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

Inleiding

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

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

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

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

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

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

Methodes

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

Verwerking biologische stalen. […]

Metaboloom-studie. […]

CE-TOFMS condities. […]

Verwerking van gegevens en statistische analyse. […]

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

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

Resultaten

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

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

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

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

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

Bespreking

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

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

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

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

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

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

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

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

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

oktober 6, 2016

Verband tussen biomerkers met levenskwaliteit en stressoren bij M.E.(cvs)

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

Onderstaand artikel is een verderzetting van het werk door de Franse onderzoeksgroep rond Prof. dr Jammes (fysioloog). Zie: ‘Infektie vóór CVS: oxidante status, kalium-uitstroom en spier-prikkelbaarheid bij inspanning’, ‘CVS * Oxidatieve Stress en Hsp bij inspanning’ & ‘Oxidatieve stress’.

Voor info betreffende CD26: lees ‘Neuropeptide-Y en CD-26’ & ‘‘Natural Killer’ Cel Funktie & Dipeptidyl Peptidase IV/CD26 – biomerkers voor CVS?’.

————————-

Journal of Translational Medicine (2016) 14: 251

Association of biomarkers with health-related quality of life and history of stressors in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome patients

Emmanuel Fenouillet (1,2), Aude Vigouroux (3), Jean Guillaume Steinberg (1), Alexandre Chagvardieff (4), Frederique Retornaz (5), Regis Guieu (1), Yves Jammes (1,6)

1 DS-ACI UMR MD2, Faculty of Medicine, Aix-Marseille University

2 CNRS, Institut des Sciences Biologiques

3 Clinical Respiratory Physiology Laboratory, Nord Hospital

4 Emergency Unit, Nord Hospital

5 Internal Medicine Department, European Hospital

6 Clinical Respiratory Physiology Laboratory, Nord Hospital

Samenvatting

Achtergrond Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een courante invaliderende aandoening met een intense vermoeidheid, verminderde fysieke aktiviteit en gedaalde levenskwaliteit. Er zijn geen biologische merkers voor het syndroom. De etiologie is onbekend en de pathogenese lijkt multi-factorieel. Verscheidene stressoren, inclusief intense lichamelijke aktiviteit, ernstige infektie en emotionele stress worden gerapporteerd in de medische geschiedenis van M.E./CVS-patiënten; wat de vraag doet rijzen of de fysiologische en biologische abnormaliteiten die gewoonlijk bij deze patiënten worden gevonden indicatief zouden kunnen zijn voor de etiologie en/of gedaalde levenskwaliteit.

Methodes Er werden 36 patiënten en 11 voor leeftijd gematchte gezonde controles gerecruteerd. De volgende variabelen werden hier bestudeerd: (1) spier-vermoeidheid tijdens inspanning werd onderzocht via het monitoren van de ‘compound muscle action potential’ (‘M-wave’) [ook ‘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]; (2) de overmatige oxidatieve stress-respons op inspanning werd gemeten via 2 plasma-merkers (thiobarbituurzuur reaktieve substanties: TBARS [bepaling van de lipiden-peroxidatie]; gereduceerd ascorbinezuur: RAA [vitamine-C]); (3) een potentiële inflammatoire component werd bekeken via de expressie van CD26 [aktivatie-merker dipeptidyl-peptidase-IV (DPP-IV of DPP-4); een trans-membraan glycoproteïne en enzyme dat polypeptiden, inclusief chemokinen en neuropeptiden, splitst] op perifeer bloed mononucleaire cellen; (4) verminderde levenskwaliteit werd beoordeeld gebruikmakend van de ‘London Handicap Scale’ (LHS) en de ‘Medical Outcome Study Short Form-36’ (SF-36). De medische voorgeschiedenis van elke patient, met inbegrip van de aanwezigheid van stressoren zoals intens sporten, ernstige acute infektie en/of ernstige emotionele stress, werd gedocumenteerd.

Resultaten We zagen dat: (1) er opvallende verschillen waren tussen de patiënten en de controles wat betreft 3 biologische variabelen: ‘M-wave’ na inspanning, TBARS-variaties & CD26-expressie in rust; (2) elk van deze 3 variabelen correleerde met de andere 2; (3) abnormaliteiten van de biomerkers geassocieerd met gezondheid-gerelateerde levenskwaliteit: de LHS-score was negatief gecorreleerd met de inspanning-geïnduceerde TBARS-toename en positief gecorreleerd met CD26-expressie, terwijl de pijn-component van de SF-36 negatief was gecorreleerd met CD26-expressie; (4) de TBARS-toename en de afname qua ‘M-wave’ waren het grootst, en het niveau van de CD26-expressie het laagst bij patiënten die infektueuze stressoren ondergingen.

Besluit Bij M.E./CVS-patiënten zijn ernstige veranderingen van de spier-exciteerbaarheid, de redox-toestand, alsook het niveau van de CD26-expressie gecorreleerd met een uitgesproken verstoring van de levenskwaliteit. Ze zijn bijzonder significant wanneer infektueuze stressoren werden gerapporteerd in de medische voorgeschiedenis.

Achtergrond

[…] De definities van M.E./CVS gebruiken geen biologische merkers. […]

Sporten induceert een matige oxidatieve stress bij gezonde individuen terwijl bij M.E./CVS-patiënten een sterke door inspanning geïnduceerde produktie van reaktieve zuurstof soorten (ROS) wordt gevonden [o.a. Jammes Y et al. Chronic Fatigue Syndrome combines increased exercise-induced oxidative stress and reduced cytokine and Hsp responses. J Intern Med. (2009) 266: 196-206 /// Fulle S et al. Specific correlations between muscle oxidative stress and Chronic Fatigue Syndrome: a working hypothesis. J Muscle Res Cell Motil. (2007) 28: 355-62 /// Moorkens G et al. Antioxidant status and lipoprotein peroxidation in Chronic Fatigue Syndrome. Life Sci. (2001) 68: 2037-49]. De anti-oxidante respons is ook veranderd in rust, zoals wordt aangetoond door een verhoogde waarde qua thiobarbituurzuur reaktieve substanties (TBARS: een merker voor lipiden-peroxidatie) en een gedaalde concentratie gereduceerd ascorbinezuur (RAA: een endogeen anti-oxidant). Omdat de gestegen ROS-aanmaak de spier-exciteerbaarheid aantast, zou de verhoogde redox-stress bij M.E./CVS kunnen bijdragen tot de spier-vermoeidheid (welke werd aangetoond via een verandering van ‘compound evoked muscle action potential’, ‘M-wave’) [Jammes Y et al. Chronic Fatigue Syndrome: assessment of increased oxidative stress and altered muscle excitability in response to incremental exercise. J Int Med. (2005) 257: 299-310].

De significante ontregeling van het immuunsysteem die wordt gevonden bij M.E./CVS-patiënten combineerde verhoogde waarden pro-inflammatoire cytokinen (bv. interleukine-1, tumor necrose factor-α), een ‘natural killer’ cel cytokine-produktie en mitogen-geaktiveerd proteïne-kinase [MAP-kinase reageert op extracellulaire stimuli (mitogenen) en reguleert verscheidene cellulaire aktiviteiten, zoals gen-expressie, celdeling, differentiatie en cel-overleving/apoptose.] [bv. Brenu EW, Staines DR, Klimas NG et al. Immunological abnormalities as potential biomarkers in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Transl Med. (2011) 9: 81 /// Staines D et al. ERK1/2, MEK 1/2 and p38 downstream signaling molecules impaired in CD56(dim)CD16(bright)CD16(dim/-) natural killer cells in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis patients. J Transl Med. (2016) 14: 97]. Een studie identificeerde ook een verband tussen immune abnormaliteiten en de ernst van M.E./CVS-symptomen & een veranderde levenskwaliteit [Hardcastle SL, Brenu EW, Johnston S, Nguyen T, Huth T, Ramos S, Staines D, Marshall-Gradisnik S. Longitunical analysis of immune abnormalities in varying severities of Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Transl Med. (2015) 13: 299]. Deze immunologische abnormaliteiten omvatten ook verminderde expressie van de T-cel aktivatie-merker CD26 op perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMC) [Fletcher MA, Zeng XR, Maher K, Levis S, Hurwitz B, Antoni M, Broderick G, Klimas NG. Biomarkers in Chronic Fatigue Syndrome: evaluation of natural killer cell function and dipeptidyl peptidase IV/CD26. PLoS One (2010) 5: e10817]. Deze observatie, samen met de meldingen dat CD26-expressie verhoogd is bij patiënten met fibromyalgie [Guieu R et al. High cell surface CD26-associated activities and low plasma adenosine concentration in fibromyalgia. Ann Rheum Dis. (2012) 71: 1427-8] of metabool syndroom, geeft aan dat veranderingen qua CD26-expressie aanwezig zijn bij sommige musculaire aandoeningen.

Naast T-cel aktivatie en inflammatie-controle, zou CD26 ook betrokken kunnen zijn bij M.E./CVS door zijn endoproteolytische aktiviteit [splitsing van de peptide-verbindingen binnen in proteïnen] die de circulerende waarden van verscheidene effectoren betrokken bij angst, chronische pijn en spier-metabolisme controleren. Zodoende zou CD26 stemming, pijn en spier-componenten van M.E./CVS kunnen beïnvloeden. De daling qua CD26-expressie bij M.E./CVS zou ook geassocieerd kunnen zijn met een gewijzigde redox-toestand.

Bij het zoeken naar hulp bij de diagnose van M.E./CVS, werd in studies gezocht naar een correlatie tussen symptomen (gemonitord via analoge vermoeidheid-schalen) en merkers, in het bijzonder, voor oxidatieve stress en immuniteit [McGregor NR et al. Blood parameters indicative of oxidative stress are associated with symptom expression in Chronic Fatigue Syndrome. Redox Rep. (2000) 5:35-44 /// Vecchiet J et al. Relationship between musculoskeletal symptoms and blood markers of oxidative stress in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Neurosci Lett. (2003) 335:151-4 /// Kennedy G, Spence VA et al. Oxidative stress levels are raised in Chronic Fatigue Syndrome and are associated with clinical symptoms. Free Radic Biol Med. (2005) 39:584-9]. Andere studies rapporteerden een verandering van de gezondheid-gerelateerde levenskwaliteit bij M.E./CVS-patiënten maar onderzochten het verband met biologische veranderingen niet.

Zoals hierboven aangegeven zijn de huidige definities voor M.E./CVS gebaseerd op symptomen en gebruikt men geen biomerkers. Dit werpt de vraag op of mensen met M.E./CVS enige biologische abnormaliteiten delen. Als dat zo is, dan zouden de bij deze patiënten gevonden fysiologische en biologische abnormaliteiten diagnostische merkers kunnen worden.

Methodes

Patiënten

[…] 36 M.E./CVS-patiënten en 11 voor leeftijd gematchte gezonde controles. De M.E./CVS-patiënten (gemiddelde leeftijd: 41 ± 6 jaar; gemiddeld gewicht: 66 ± 3 kg; 22 vrouwen) […] voldeden aan de criteria gedefinieerd door het ‘Institute of Medicine’: (1) ernstige chronische vermoeidheid gedurende > 6 opéénvolgende maanden (36/36); (2) een verslechtering van de ziekte na verhoogde fysieke of cognitieve aktiviteit (36/36); (3) problemen met korte-termijn geheugen of concentratie (36/36), (4) spierpijn (24/36); (5) niet-verfrissende slaap (21/36). In de meeste gevallen begon de M.E./CVS plots (30/36), dikwijls met een griep-achtige ziekte (28/36). Uitsluitende diagnoses: medische en psychiatrische oorzaken van aanhoudende vermoeidheid.

De gegevens van de M.E./CVS-patiënten werden vergeleken met deze van een voor leeftijd gematchte controle-groep (leeftijd: 48 ± 5 jaar; gewicht: 71 ± 4 kg; 6 vrouwen; dezelfde socio-economische klasse. […]

Gezien hun medische voorgeschiedenis werden patiënten retrospectief in 4 groepen opgedeeld: (1) patiënten die rapporteren intens aan sport te hebben gedaan (> 6 h/week) (n = 10), (2) patiënten die rapporteren de diagnose van een ernstige acute infektie (peritonitis, sepsis, vogel-griep, …) te hebben gekregen (3-7 maand vóór de aanvang van M.E./CVS (n = 7), (3) patiënten die rapporteren ernstige emotionele stress (moeilijke echtscheiding, sterfte van een kind, …) te hebben ondervonden (n = 11) of (4) patiënten met een combinatie van ernstige infektie en emotionele stress (n = 8).

[…]

Resultaten

Biochemische variabelen en spier-exciteerbaarheid in rust en bij VO2max

Er werden significante biochemische verschillen gezien tussen M.E./CVS-patiënten en controles in rust: de RAA/TBARS verhouding en de expressie van CD26 op PBMCs was lager bij de patiënten.

De inspanning-geïnduceerde veranderingen van de ‘M-wave’ amplitude (Δ‘M-wave’) waren significant hoger bij de patiënten dan bij controles. Er werd enkel bij de patiënten een significante toename gevonden qua TBARS na inspanning. Omdat de duur van de of inspanning-test (10-12 min) onder de tijd ligt die nodig is voor de synthese en expressie van CD26, onderzochten we niet bij alle patiënten of de fiets-inspanning de CD26-expressie kon beïnvloeden (we bekeken de situatie bij 10 patiënten en vonden geen verschillen).

De gegevens verkregen in rust en bij VO2max tonen dat de redox-toestand, CD26-expressie en spier-exciteerbaarheid veranderd waren bij M.E./CVS. Wanneer we onderzochten of deze karakteristieken geassocieerd zijn, vonden we (1) een negatieve correlatie tussen Δ‘M-wave’ en ΔTBARS, (2) een positieve correlatie tussen Δ‘M-wave’ en CD26-expressie, en (3) een negatieve correlatie tussen ΔTBARS en CD26-expressie. We vonden geen correlatie in rust tussen TBARS, RAA/TBARS-verhouding en CD26-expressie.

Verband tussen biologische merkers en gezondheid-gerelateerde levenskwaliteit

De scores van gezondheid-gerelateerde levenskwaliteit werden bij de patiënten uitgezet t.o.v. de ΔTBARS-waarde of de CD26-expressie. De LHS-score was negatief gecorreleerd met ΔTBARS en positief gecorreleerd met CD26-expressie. De pijn-component van de SF-36 vragenlijst was negatief gecorreleerd met CD26-expressie.

Verband tussen biologische merkers en stressoren

Bij opdeling van de 4 groepen naar gelang hun medische geschiedenis, zagen we dat: (1) de ‘M-wave’ significant gereduceerd bleek wanneer infektie en omgeving-stressoren werden gecombineerd; (2) ΔTBARS-waarden en CD26-expressie uitgesproken waren veranderd bij patiënten die een ernstige infektie hadden, ongeacht de aanwezigheid van ernstige emotionele stress; (3) de LHS-score uitgesproken laag was bij patiënten die een ernstige infektie hadden ongeacht de aanwezigheid van ernstige emotionele stress, terwijl de score voor de pijn-component van SF-36 enkel hoog was bij een combinatie van infektie en emotionele stressoren. Deze resultaten ondersteunen het belang van infektueuze stressoren bij deze variabelen.

Bespreking

Bij M.E./CVS-patiënten vonden we dat (1) de veranderingen qua ‘M-wave’ amplitude na inspanning, de wijzigingen in de redox-toestand geïnduceerd door spier-inspanning en de CD26-expressie gecorreleerd zijn; (2) de LHS-score gecorreleerd was met de wijzigingen in de redox-toestand geïnduceerd door inspanning en CD26-expressie; (3) de pijn-component van de MOS SF-36 gecorreleerd was met de CD26-expressie. Deze variabelen waren voornamelijk veranderd bij patiënten met een geschiedenis van infektueuze ziekte.

De oxidatieve stress wijst op een onevenwicht tussen pro- en anti-oxidante toestand, in de richting van het eerste. Bij gezonde individuen is een dergelijke situatie courant in skelet-spieren na inspanning omdat de anti-oxidante verdediging in spieren zwak is. Bij M.E./CVS-patiënten blijken – uit dit werk en dat van anderen – verhoogde waarden van bloed-merkers voor oxidatieve stress (hier TBARS) en een verlaagde anti-oxidante verdediging (hier RAA); een situatie die oxidatieve stress bevordert, en eventueel de membraan-exciteerbaarheid van de spieren aantast. De correlatie die hier werd gevonden tussen het niveau oxidatieve stress en de ‘M-wave’ verandering is consistent met deze gegevens.

Ons werk rapporteert ook de correlatie van de redox-merkers met LHS-score voor levenskwaliteit. Dit verband is in overéénstemming met studies die de impact onderzochten van een veranderde oxidante/anti-oxidante status bij M.E./CVS en vonden dat de bloed-waarden in rust van malondialdehyde [merker voor oxidatieve stress] [zie McGregor NR et al. hierboven] en TBARS [zie Vecchiet J et al. hierboven] geassocieerd zijn met variaties qua cognitieve symptomen en slaap-stoornissen, terwijl de totale symptoom-score, gewricht-pijn en post-exertionele malaise gecorreleerd zijn met de isoprostaan-waarden [zie Kennedy G, Spence VA et al. hierboven].

Wat betreft CD26 vonden we dat de expressie gedaald was bij M.E./CVS-patiënten. Deze observatie ondersteunt een rapport [zie Fletcher et al. hierboven] maar contrasteert met een studie bij M.E./CVS-patiënten die werden onderzocht na een infektie met Giardia [darm-parasiet]. De CD26 protease-aktiviteit controleert de circulerende waarden van meerdere mediatoren voor pijn en stemming. Omdat stemming-wijzigingen en spierpijn dikwijls voorkomen bij M.E./CVS, werden de concentraties van CD26-peptide substraten bekeken bij patiënten, en er werden discrepante besluiten bereikt wat betreft Neuropeptide-Y en Substantie-P [Broderick G, Klimas NG et al. Plasma neuropeptide Y: a biomarker for symptom severity in Chronic Fatigue Syndrome. Behav Brain Funct. (2010) 6: 76 /// Evengard B et al. Chronic Fatigue Syndrome differs from fibromyalgia. No evidence for elevated substance P levels in cerebrospinal fluid of patients with Chronic Fatigue Syndrome. Pain (1998) 78: 153-5]. Hier vonden we dat de scores die de levenskwaliteit weerspiegelen gecorreleerd zijn met CD26-expressie. Dit resultaat is in overéénstemming met de observaties dat spierpijn dikwijls werd gemeld door onze patiënten (24/36), met een impact op hun levenskwaliteit-scores. We zagen ook dat de CD26-expressie daalde, wat kan leiden tot stijging van de circulerende pro-nociceptieve [pijn-gevoeligheid verhogende] peptiden en spierpijn bevorderen.

Twee studies onderzochten de CD26-expressie in een context van redox-wijzigingen. Bij acute lymfoblastische leukemie [een vorm van ‘bloedkanker’] is het CD26-niveau gecorreleerd met de aktiviteiten van myeloperoxidase [enzyme dat helpt om ROS te elimineren], glutathion-s-transferase [beschermt cellen tegen oxidatieve schade] en xanthine-oxidase [ROS-genererend enzyme]. Bovendien werd aangetoond dat een langdurig verlies van CD26-expressie de capaciteit verhoogt om te beschermen tegen de oxidatieve stress [in cardiomyocyten van ratten]. Het lage CD26-expressie niveau dat hier werd gerapporteerd bij M.E./CVS kan daarom een adaptieve respons vormen op het chronisch redox-onevenwicht dat wordt gevonden bij M.E./CVS-patiënten; deze hypothese wordt ondersteund door de correlatie die we vonden tussen de CD26-aktiviteit en de redox-toestand.

Ten slotte: wanneer patiënten werden gesorteerd op basis van de aanwezigheid van infektie/ intense lichamelijke aktiviteit/ emotionele stress, zagen we dat de individuen die episode(s) ernstige infektie rapporteerden, waarden voor biomerkers en scores voor levenskwaliteit hadden die meer gewijzigd bleken t.o.v. deze gemeten bij patiënten die geen ernstige infekties hadden vermeld. Deze resultaten ondersteunen verder de rol van infektueuze stressoren bij M.E./CVS.

We geloven dat deze studie 3 beperkingen heeft: (1) we kwantificeerden de emotionele stress niet correct omdat slechts de aanwezigheid van één belangrijke stressvolle levensgebeurtenis werd beschouwd; (2) om het effekt van CD26-aktiviteit op z’n peptide-substraten te bekijken, ondernamen we metingen van de circulerende waarden van Neuropeptide-Y en Substantie-P bij de patiënten maar we detekteerden geen correlatie met het CD26-expressie niveau, wat kan worden verklaard door het feit dat slechts plaatselijke concentraties van pijn- en stemming-mediatoren in vivo werken en het onmogelijk is ze in situ te bepalen; (3) zoals in eerdere M.E./CVS-studies was de bevinding van een gewijzigd redox-evenwicht bij onze individuen enkel gebaseerd op metingen van TBARS (een kwantificatie van de waarden van membraan-lipoperoxiden resulterend uit een overmatige ROS-produktie) en van gereduceerd ascorbinezuur (een belangrijke plasma anti-oxidant). Zodoende kan de werkelijke verbetering van intracellulaire ROS-produktie bij M.E./CVS niet worden geëvalueerd; ten eerste omdat er spier-biopten nodig zouden zijn en ten tweede omdat er een tegengewicht wordt gevormd door de intracellulaire anti-oxidanten die in de huidige studie niet werden onderzocht.

Besluit

In overéénkomst met een rapport dat stelt dat patiënten met ernstige M.E./CVS met verloop van tijd verschillen van mensen met matige M.E./CVS en significante immune abnormaliteiten vertonen, geven onze resultaten aan dat de simultane monitoring van de spier-funktie, redox-respons en CD26-expressie zouden kunnen bijdragen, samen met gezondheidtoestand-schalen, tot het identificeren van M.E./CVS en het beoordelen van de ernst ervan. Deze resultaten zouden ook kunnen helpen bij het maken van het onderscheid tussen M.E./CVS en fibromyalgie, omdat de CD26-aktiviteit op PBMCs stijgt bij fibromyalgie terwijl deze daalt bij M M.E./CVS-patiënten.

september 9, 2016

Metabole kenmerken van M.E.(cvs)

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 12:53 pm
Tags: , , , , ,

In ‘De ‘cell danger response’’ plaatsten we al het werk van Prof. Naviaux in de schijnwerper. We maakter er al gewag van een veelbelovend artikel (door sommigen aangekondigd als “truly spectacular … that will change the face of CFS-treatment”) dat van hem was aangekondigd. Hier is het dan. Het betreft een metaboloom-studie (‘metabolomics’); zeg maar het meten in ons bloed van de molekulen die ontstaan in de verscheidene stappen en als bijprodukten van ons metabolisme (het afbreken van voedingstoffen om energie en bouwstenen van de cellen aan te maken). De gebruikte technolgieën bieden een moment-opname van de cellulaire fysiologie. Het werk werd ondersteund en gefinancierd door verschillende fondsen en stichtingen (o.a. de ‘UCSD Mitochondrial Disease Research Fund) en mede mogelijk gemaakt door giften van privé-personen.

De researchers suggereren dat veel van de gevonden abnormaliteiten onderdeel kunnen zijn van de reaktie van het lichaam dat probeert de verspreiding en de effekten van een infektie (niet één bepaalde – zoals we hier al meermaals meegaven) te beperken via alternatieve mechanismen en zo andere molekulen creëert dan die het nodig heeft. Een toestand die blijft voortduren bij M.E.(cvs)-patiënten.

De gevonden ontwrichte processen beïnvloeden de cellulaire bouwstenen sfingolipiden en glycosfingolipiden (in het lichaam gebruikt om cel-membranen in hersen- en zenuw-weefsel te vormen), cholesterol (nodig voor de aanmaak van cel-membranen en steroïd-hormonen zoals cortisol of aldosteron), galzuren (belangrijk voor normale vet-vertering; onvoldoende galzuren in de darm kunnen leiden tot ‘leaky gut’), de mitochondrieën (gevolg: lage energie-reserve en een onvermogen om de energie-reserves na inspanning aan te vullen), het vermogen van het lichaam om vitaminen te vormen (vitamine-A en de B-vitaminen riboflavine (B2), niacine (B3), pyridoxine (B6), foliumzuur (B9) & cobalamine (B12); essentieel voor energie-produktie, cel-ontwikkeling en normale werking van het zenuwstelsel) & HICA (een anti-schimmel/ anti-bakteriële molekule die normaal door het lichaam wordt geproduceerd). De auteurs spreken over een opmerkelijke uniformiteit niettegenstaande het voorkomen van meerdere triggers en de heterogeniteit bij de aandoening.

De ‘cell danger response’ (CDR) is een evolutionair bewaarde metabole respons die cellen beschermt en de gastheer van schade vrijwaart. Maar zo zijn er nog in de biologische wereld. Zo is er ‘dauer’ (Duits voor ‘uithouding’), een toestand die voorkomt bij de rondworm Caenorhabditis elegans (een model dat uitgebreid bestudeerd wordt door biologen) wanneer deze barre omstandigheden probeert te overleven. Door het vermogen van deze wormen om een dergelijke situatie te verdragen kunnen ze 4 tot 8 maal langer leven dan gewoonlijk. Volgens Naviaux et al. is dit vergelijkbaar met wat bij M.E.(cvs) aan de hand is: milieu/omgeving-stressoren triggeren een vertraging van het metabolisme en dit geeft aanleiding tot een objectief identificeerbare chemische signatuur. Slechts 25% van de verstoorde metabolieten die bij elke persoon werden gevonden waren nodig voor de diagnose en ruw-weg 75% waren uniek voor elk individu, wat volgens hen nuttig is voor een gepersonaliseerde behandeling. Naviaux: “Onze bevindingen tonen dat de cellulaire metabole respons dezelfde is bij de patiënten.”.

Het valt ook op te merken dat de geobserveerde metabole respons tegengesteld is aan het patroon die bv. bij een acute infektie wordt gezien. Hoewel een infektie dikwijls wordt gemeld als initiërende gebeurtenis, draagt deze blijkbaar niet bij tot het voortduren van de ziekte. Prof Ronald W. Davis (directeur van de wetenschappelijke adviesraad van de ‘Open Medicine Foundation’) oppert dat in afwezigheid van bewijs voor een aktieve infektie, het aannemelijk is dat langdurige antimicrobiële behandelingen (antivirale middelen en antibiotica) – die dikwijls worden gebruikt bij M.E.(cvs)-patiënten – eigenlijk nog meer schade kunnen toebrengen.

Kritici halen aan dat het tot nu toe niet vast te stellen is of de gemelde veranderingen oorzaak of gevolg zijn van M.E.(cvs). Ron Davis (die Professor Biochemie & Genetica aan de Stanford Universiteit is) benadrukt echter het enorme belang van de studie. Verder onderzoek en validering via onafhankelijke studies zijn natuurlijk cruciaal. Daarom financiert de ‘Open Medicine Foundation’ een studie bij een grotere groep patiënten uit geografisch diverse plaatsen.

————————-

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) [Augustus 2016 pre-print]

Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome

Robert K. Naviaux (a,b,c,d), Jane C. Naviaux (a,e), Kefeng Li (a,b), A. Taylor Bright (a,b), William A. Alaynicka (b) Lin Wang (a,b), Asha Baxter (f), Neil Nathan (f), Wayne Anderson (f) & Eric Gordon (f)

aThe Mitochondrial and Metabolic Disease Centre, University of California, San Diego School of Medicine, San Diego, California

bDepartment of Medicine, cDepartment of Pediatrics, dDepartment of Pathology, eDepartment of Neurosciences, University of California, San Diego School of Medicine, San Diego, California

fGordon Medical Associates, Santa Rosa, California

Betekenis

Het Chronische Vermoeidheid Syndroom is een multi-systeem ziekte die langdurige pijn en invaliditeit veroorzaakt. Het is moeilijk om een diagnose te stellen omwille van de veranderende symptomen en het gebrek aan een diagnostische laboratorium-test. We rapporteren dat doelgerichte, breed-spectrum metaboloom-studie van plasma niet enkel een kenmerkende chemische signatuur onthulde maar ook een onverwachte onderliggende biologie. Metaboloom-studie toonde dat Chronische Vermoeidheid Syndroom een zeer gecoördineerde hypometabole respons is op omgeving-stress die terug te voeren is naar de mitochondrieën en gelijkaardig is met de klassieke ontwikkeling-toestand ‘dauer’. Deze ontdekking opent een nieuw pad voor de rationele ontwikkeling van nieuwe therapeutica en identificeert metaboloom-studie als een krachtig instrument voor het identificeren van chemische verschillen die bijdragen tot gezondheid en ziekte.

Samenvatting

Meer dan 2 miljoen mensen in de V.S. hebben Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS). We voerden een doelgerichte, breed-spectrum metaboloom-studie uit om inzichten te verwerven in de biologie van CVS. We bestudeerden een totaal van 84 individuen. 45 individuen (23 vrouwen en 22 mannen) voldeden aan de diagnostische criteria voor M.E./CVS: ‘Institute of Medicine’, Canadese & Fukuda. 39 individuen (21 vrouwen, 18 mannen) werden voor leeftijd en geslacht gematcht met normale controles. De vrouwen met M.E./CVS waren 52 (± 2,5) jaar oud (20-67); de mannen met M.E./CVS waren 53 (± 2,8) jaar oud (21-67). De Karnofsky prestatie-scores waren 54 (± 3,3) voor de vrouwen en 62 (± 3,2) voor de mannen. We bekeken 612 metabolieten van 63 biochemische mechanismen in het plasma d.m.v. hydrofiele-interaktie vloeistof-chromatografie, ‘electrospray’ ionisatie en tandem massa-spectrometrie [ultra-geavanceerde scheiding- en detektie-methoden]. Patiënten met M.E./CVS vertoonden abnormaliteiten in 20 metabole mechanismen. 80% van de diagnostische metabolieten waren gedaald, consistent met een hypometabool syndroom. De abnormale mechanismen omvatten: sfingolipiden, fosfolipiden, purine, cholesterol, microbioom, pyrroline-5-carboxylaat, riboflavine, vertakte-keten aminozuren, peroxisomaal en mitochondriaal metabolisme. […] Analyse toonde diagnostische accuraatheden van 96% […] bij de vrouwen (gebruikmakend van 13 metabolieten) en 94% […] bij de mannen (gebruikmakend van 8 metabolieten). Onze gegevens tonen dat, ondanks de heterogeniteit van de factoren die tot M.E./CVS leiden, de cellulaire metabole respons bij de patiënten homogeen, statistisch robust en chemische gelijkaardig was met de evolutionair bewaarde respons op omgeving-stress die bekend staat als ‘dauer’.

Inleiding

[…]

De diagnose van complexe ziekten zoals M.E./CVS zijn dikwijls moeilijk en vallen duur uit. Hoewel individuele testen betaalbaar kunnen zijn en mogelijks gedekt door de sociale zekerheid, maken veel patiënten een omzwerving door die resulteert in substantiële persoonlijke kosten en jaren van zoeken, zonder werk en met significant verminderde levenskwaliteit. De maatschappelijke kost door M.E./CVS is heel zwaar. Professionele gezondheidszorg-werkers zijn ook gefrustreerd door het ontbreken van objectieve technologie die de diagnose kan ondersteunen. Pogingen om een klein aantal biomerkers – molekulen in het bloed, cerebrospinaal vocht of een handvol genen – te gebruiken, leverden geen diagnostisch bruikbare testen voor M.E./CVS op.

Metaboloom-studies hebben meerdere voordelen t.o.v. genoom-studies voor de diagnose van complexe chronische ziekten […]. Ten eerste: minder dan 2.000 metabolieten vormen de meerderheid van de molekulen in het bloed die worden gebruikt voor cel-cel communicatie en metabolisme, vergeleken met de 6 miljard baseparen in het menselijk genoom. Ten tweede: metabolieten weerspiegelen de huidige funktionele toestand van het individu. De collectieve cellulaire chemie vertegenwoordigt de funktionele interaktie van genen en het milieu. Dit is het metabolisme. In tegenstelling: het genoom vertegenwoordigt een mengeling van voorouderlijke genotypes die geselekteerd werden voor hun geschiktheid in ancestrale omgevingen. De metabole toestand van een individu op het tijdstip van ziekte komt voort uit de huidige situatie, leeftijd en gezamelijke geschiedenis, timing en aantal blootstellingen aan lichamelijke en emotionele stress, trauma, dieet, inspanning, infekties en het microbioom – het metabool geheugen [Naviaux RK. Oxidative shielding or oxidative stress? J Pharmacol Exp Ther (2012) 342: 608-618 /// Naviaux RK. Metabolic features of the cell danger response. Mitochondrion (2014) 16: 7-17 (zie onze inleiding)]. Analyse van metabolieten kunnen een meer technische en bio-informatisch beheersbare, fysiologisch relevante, chemisch uitgebreide en kosten-efficiënte diagnose-methode voor complexe chronische ziekten bieden. Omdat metaboloom-studies directe informtaie over kleine molekulen bieden, kunnen de resultaten onmiddellijk aktie-gerichte behandeling-informatie bieden; gebruikmakend van beschikbare kleine voeding-molekulen, co-factoren en lifestyle-interventies. Onze resultaten tonen dat M.E./CVS een objectief identificeerbare chemische signatuur heeft bij zowel mannen als vrouwen en dat doelgerichte metaboloom-studies kunnen worden gebruikt om biologische inzichten bloot te leggen die bruikbaar kunnen zijn voor de diagnose en gepersonaliseerde behandeling.

Materialen & Methodes

[…]

Resultaten

Demografiek

De 84 individuen in deze studie kwamen uit plaatsen met 51 post-codes van de V.S. en Canada. 80 personen kwamen uit Californië. Alle M.E./CVS-patiënten voldeden aan de 2015 diagnostische criteria gepubliceerd door het IOM, de Canadese werk-groep en Fukuda et al. […] Hoewel het IOM een nieuwe naam heeft gesuggereerd (“systemic exertion intolerance disease”, SEID), blijven we de term “M.E./CVS” gebruiken. De gemiddelde leeftijd van de vrouwen met M.E./CVS was 52 (± 2,5) en van de mannen met M.E./CVS 53 (± 2,8). De gemiddelde leeftijd bij aanvang was 33 (± 2,3) voor de vrouwen en 30 (± 2,6) voor de mannen. De gemiddelde ziekte-duur was 17 (± 2,3) jaar voor de vrouwen en 21 (± 3,0) voor de mannen. De Karnofsky-score was 54 (± 3,3) voor de vrouwen, 62 (± 3,2) voor de mannen.

Een homogene metabole respons op heterogene triggers

Hoewel deze studie niet was ontworpen om de rol van triggerende gebeurtenissen te onderzoeken, verzamelden we enkele basis-gegevens. Mogelijke triggerende gebeurtenissen konden in 5 groepen worden ondergebracht: biologische (virale, bakteriële, schimmel- en parasitaire infekties), chemische blootstellingen, lichamelijk trauma, psychologisch trauma en ongekend. […] Meerdere patiënten hadden multipele triggers die samenliepen in hetzelfde jaar. Hoewel biologische triggers het meest courant waren, was er geen enkel infektueus agens of andere stressor statistisch meer prevalent. Uitgebreid testen voor biologische blootstellingen in de controle-groep viel buiten de scope van deze studie.

Ondanks de heterogeniteit van de triggers, was de cellulaire respons van deze omgeving-stressoren bij de M.E./CVS-patiënten homogeen en statistisch robust. Deze gegevens ondersteunen de notie dat het de overkoepelende cellulaire respons is en niet de specifieke trigger die aan de basis ligt van de metabole kenmerken van M.E./CVS.

Metaboloom-studies onthullen een chemische signatuur van M.E./CVS

Er werd multi-variate analyse aangewend om het patroon van de chemische abnormaliteiten bij M.E./CVS te identificeren in vergelijking met de gezonde controles. We vonden dat zowel mannelijke als vrouwelijke patiënten een chemische signatuur hadden die verschillend was van de gezonde controles. […] Er waren 9 verstoorde biochemische mechanismen die gemeenschappelijk waren voor zowel mannen en vrouwen met CVS. 11 mechanismen vertoonden metabolieten-stoornissen die een zekere graad van geslacht-specificiteit vertoonden. De biochemische mechanismen en metabolieten die gewijzigd waren bij M.E./CVS werden gerangschikt en opgelijst […]: de dominante bevinding van de analyse was dat sfingolipiden-abnormaliteiten bijna 50% van al de metabole stoornissen geassocieerd met M.E./CVS (mannen en vrouwen) vormden. Fosfolipiden-abnormaliteiten vormden 26% van de metabole stoornissen bij de vrouwen, 16% bij de mannen.

Metabolieten correleerden met de klinische ernst van M.E./CVS

We onderzochten dan hoe elk van de metabolieten-abnormaliteiten in de top-25 gerelateerd was met de klinische funktionele toestand […]. Elk van deze metabolieten bleek ‘false discovery-rates’ (FDRs [maat voor het aantal foute hypothesen]) van minder dan 10% te vertonen. […] 21 uit de top-25 (84%) onderscheidende metabolieten waren laag. Deze bevindingen waren consistent met de notie dat CVS een gecoördineerde hypometabole toestand is.

Sfingolipiden en glycosfingolipiden waren gedaald

De grootste stoornissen in de chemische signatuur van M.E./CVS kwamen door wijdverspreide daling qua plasma sfingo- en glycosfingolipiden. Er waren 30 molekulaire soorten van sfingolipiden gedaald bij de mannen en 21 bij de vrouwen. Sfingolipiden- en glycosfingolipiden-abnormaliteiten verklaarden 55% van de metabole impact bij de mannen en 44% bij de vrouwen. […] Van de verminderde sfingolipiden waren bij de mannen meer dan 50% (16/30) ceramiden en 47% (14/30) sfingomyeline-soorten. Bij de vrouwen waren 86% (18/21) ceramiden en 14% (3/21) sfingomyelinen. Over het algemeen bleven bij de vrouwelijke M.E./CVS-patiënten meer sfingomyeline-soorten binnen de normale waarden dan bij de mannen. Het laag-sfingolipiden profiel bij M.E./CVS lijkt een adaptieve respons te zijn die tegengesteld aan de verhoogde sfingolipiden die worden gezien bij het metabool syndroom [abdominale (centrale) obesitas + hypertensie + verhoogd nuchter bloed-glucose + hoge triglyceriden in het bloed + lage hoge-densiteit lipoproteïnen (HDL)] en de acute ‘cell-danger-response’ (CDR), en uiteindelijk zou dit een fundamentele respons kunnen vertegenwoordigen om de verspreiding van aanhoudende virale en intracellulaire bakteriële infekies tegen te gaan.

Fosfolipiden waren gedaald

Meerdere plasma fosfatidylcholine (PC) fosfolipiden [cel-membranen bestaan uit een dubbele laag fosfolipiden] waren verminderd bij mannen én vrouwen met M.E./CVS. In tegenstelling daarmee vonden we dat een zeer specifieke molekulaire soort fosfolipide, PC(18:1/22:6) – die essentieel omega-3 vetzuur docosahexaanzuur (DHA, C22:6) en oleïnezuur (C18:1) omvat – was gestegen. Dit patroon is tegengesteld aan wat wordt gezien in respons op acute infektie, en bij de CDR en het metabool syndroom.

Purinen waren verminderd

Urinezuur in het plasma was verminderd bij mannen met M.E./CVS. Het is het eindprodukt van het purine-metabolisme en een belangrijke anti-oxidante molekule. Plasma adenosine was gedaald bij de vrouwen. Dit wordt geproduceerd uit ATP en ADP dat wordt afgegeven door cel-oppervlakte ectonucleotidasen [bepaalde enzymen die tussenkomen bij het metabolisme van nucleotiden], en door S-adenosylhomocysteïne-hydrolase (SAHH [enzyme]), tijdens acute infektie, inflammatie of stress. De daling qua plasma-purinen bij M.E./CVS is consistent met verminderde synthese en/of turn-over (flux) van ATP & GTP, en de verlaagde reserve-capaciteit die wordt veroorzaakt (ten dele) door een veralgemeende daling van de capaciteit om hoge-energie fosfaat voorraden aan te vullen na inspanning.

Aromatische aminozuur metabolieten van het microbioom waren gedaald

4-hydroxyfenyl-melkzuur (HPLA) in het plasma was gedaald bij de mannen met M.E./CVS. Plasma fenyl-melkzuur (PLA) was gedaald bij de vrouwen. HPLA is een microbioom-metaboliet van tyrosine. PLA is een microbioom-metaboliet van fenylalanine. Dit patroon is ook tegengesteld aan wat wordt gevonden tijdens acute inflammatie en infektie.

Flavine-adenine-dinucleotide (FAD) was verminderd

Plasma FAD was verminderd bij mannen én vrouwen met M.E./CVS. Het wordt gesynthetiseerd uit riboflavine (vitamine-B2) en ATP. De gastro-intestinale absorptie, distributie en transporter-gemedieerde opname van FAD worden zorgvuldig gereguleerd. FAD wordt gemobiliseerd uit weefsels, stijgt in het plasma en secretie door de nieren verhoogt bij stress of infektie. FAD is een belangrijke co-factor voor oxidatie van vetzuren en sterol-synthese, en is vereist voor aktivatie en oxidatie van vitamine-B6 (pyridoxine); het liponzuur-metabolisme (E3-subunit) nodig voor pyruvaat, alfa-ketoglutaraat en oxidatie van vertakte-keten aminozuren; vitamine-A aktivatie; 5-methyltetrahydro-foliumzuur synthese; niacine- & NAD-synthese; en glutathion-reductie. Funktionele deficiëntie van riboflavine kan ontstaan door by voeding- en milieu-factoren. […]

Cholesterol en galzuren synthese via het lathosterol-mechanisme was gedaald

Plasma-lathosterol was gedaald bij mannen én vrouwen met M.E./CVS. Totaal plasma cholesterol, desmosterol [voorloper van cholesterol], cortisol en aldosteron waren normaal bij mannen én vrouwen met M.E./CVS. Er worden 2 mechanismen gebruikt om cholesterol te synthetiseren in zoogdier-cellen: het Kandutsch-Russell (K-R) mechanisme (via lathosterol) en het Bloch mechanisme (via desmosterol). Het K-R mechanisme krijgt de voorkeur voor cholesterol-synthese in de hersenen, het hart, skelet-spieren en huid: onder basale omstandigheden 80% van de cholesterol-synthese in deze weefsels. Het Bloch mechanisme krijgt normaal de voorkeur bij bepaalde metabole stress respons weefsels zoals de geslachtsorganen, milt, bijnieren, nieren en vet-weefsel. Onder basale omstandigheden bij gezondheid gebruikt de lever de beide mechanismen bijna evenveel. Onze gegevens zijn consistent met een gedaalde flux door het desmosterol-mechanisme om normale cellulaire waarden voor cholesterol aan te houden. Het desmosterol-mechanisme correspondeert met de stress-induceerbare arm van de cholesterol- en sterolen-synthese.

Chenodeoxycholzuur (CDCA) was gedaald in het plasma van de vrouwen. Het is een primair galzuur dat wordt gemaakt uit cholesterol. Een gedaalde cholesterol-flux kan resulteren in minder substraat voor galzuur-synthese (vereist voor normale vet-vertering en microbioom-signalisering). De afwezigheid van voldoende galzuur kan leiden tot een verlies van de intestinale mucosale integriteit en ‘leaky gut’ […].

Pyrroline-5-carboxylaat en arginine waren verhoogd

Pyrroline-5-carboxylzuur (P5C) was verhoogd bij mannen én vrouwen met M.E./CVS. De aanmaak van P5C is een goed bestudeerde respons op stress in planten en zoogdieren. P5C kan worden aangemaakt via de stress-geïnduceerde oxidatie van [aminozuren] proline en hydroxyproline […]. P5C wordt omgezet tot glutamaat-semi-aldehyde (GSA) en dan tot ornithine onder stress. […] Hydroxyproline was verhoogd bij vrouwelijke M.E./CVS-patiënten. Het wordt omgezet tot proline, en dan tot P5C & GSA, wat dan wordt aangewend als de voorloper voor de synthese van arginine uit ornithine in het epitheel van de dunne-darm (bij gedaalde calorie- of proteïne-inname. Een ander metabool lot van hydroxyproline is glyoxylaat, wat in mitochondrieën wordt omgezet tot glycine en gemetaboliseerd in peroxisomen tot oxalaat en peroxide voor de cel-verdediging, en aangeboren en antivirale immuniteit.

De arginine-waarden in het plasma waren ook verhoogd bij mannen én vrouwen met M.E./CVS. Arginine is een bron van ureum […] maar belangrijker: het is een aktivator van de Nacetylglutamaat (NAG) synthese. NAG is de onontbeerlijke aktivator van carbamoyl-fosfaat-synthetase-I (CPS-I). Dit enzyme is vereist voor de introductie van ammoniak in de ureum-cyclus via de synthese van citrulline uit ornithine en carbamoylfosfaat door ornithine-transcarbamoylase (OTC). De waarden van citrulline, ornithine, proline, glutamine & glutamaat waren allemaal normaal. Bij stress wordt proline uit de collageen-afbraak afgeleid naar de arginine-synthese om stikstof te besparen en verspilling te beperken tijdens periodes van gedaalde calorie- en/of proteïne-inname. […] Een ander metabool lot van arginine is de NO-inhibitor genaamd asymmetrisch dimethylarginine (ADMA). M.E./CVS-patiënten vertoonden geen toenname qua plasma-ADMA. Verhoogd arginine is verbonden met een verminderd risico op infektie na operatieve stress en wordt gebruikt om de antimicrobiële molekule agmatine te synthetiseren bij aktieve infektie.

Vertakte-keten aminozuur metabole intermediairen waren gedaald

2-Hydroxyisocapronzuur (HICA [metaboliet van het aminozuur leucine]) […] was gedaald bij mannen én vrouwen met M.E./CVS. Dit is consistent met verminderde darm-absorptie, verhoogde excretie door de nieren, verhoogde mitochondriale oxidatie of een combinatie van deze 3. HICA heeft antibakteriële en anti-schimmel aktiviteit.

Diagnostische versus gepersonaliseerde metabole stoornissen

We klassificeerden alle metaboliet-abnormaliteiten van elke patient bij één van de of abnormaliteiten die M.E./CVS-patiënten als een groep definieerden of als abnormaliteiten die verschilden van controles maar niet bijdraagden aan de M.E./CVS-diagnose. De M.E./CVS-patiënten hadden gemiddeld 10 (± 1,0) metaboliet-abnormaliteiten die bijdraagden aan de M.E./CVS-diagnose en 30 (± 2,0) metabolieten die abnormaal waren maar niet bijdraagden aan de M.E./CVS-diagnose. Dit betekent dat 75% van de chemische abnormaliteiten die werden geïdentificeerd via metaboloom-analyse gepersonaliseerd waren en 25% leverden diagnostische informatie. Onze klinische ervaring suggereert dat symptoom-verbeteringen op een meer betrouwbare manier kunnen worden bekomen via het aanpakken van de gepersonaliseerde abnormaliteiten i.p.v. uitgaande van een chemische abormaliteit zonder werkelijke meting.

Beoordeling van metaboloom-studie als een diagnostische test voor M.E./CVS

Na het identificeren van meer dan 60 metabolieten die verschilden tussen M.E./CVS en controles bij mannen én vrouwen, wilden we kleinere sets analyten vinden die zouden kunnen worden aangewend voor de diagnose. Stalen van 5-15 van de top-60 metabolieten werden manueel geselekteerd om in grote lijnen meerdere van de discriminerende biochemische mechanismen te onderzoeken. De prestaties van elke klassificerende set metabolieten werd dan getest […]. We vonden dat de exacte specificatie van de metabolieten per klassificerende set flexibel was. […] We vonden dat eens een set van 5-15 analyten werd gevonden, de toevoeging of verwijdering van één of enkele analyten weinig effekt had op de globale kwaliteit van de klassificerende set. Bij de mannen vonden we dat een set van 8 analyten goed werkte; bij de vrouwen was dat een set van 13 analyten. We vonden dat zelfs klassificatie-methodes met een enkel analyt het verrassend goed deed bij deze 84 individuen. Enkelvoudige biomerkers zijn echter biologisch onwaarschijnlijk als diagnostische test voor een complexe ziekte zoals M.E./CVS en die zullen het waarschijnlijk slecht doen bij grotere populaties. Door het gebruik van klassificerende sets bestaande uit 5 tot 15 metabolieten, is de natuurlijke biologische variatie gemakkelijker te klassificeren en is de diagnostische accuraatheid robuster. […]

Metabole gelijkenissen tussen CVS en ‘dauer’

Veel van de mechanismen en metabolieten die abnormaal waren bij M.E./CVS zijn ook gekend als kenmerken van ‘dauer’, een degelijk bestudeerde, langdurende toestand van overleving en volharding die wordt getriggerd door omgeving-stress. Interessant is dat we vonden dat de richting van de M.E./CVS-abnormaliteiten tegengesteld was aan het metabool syndroom en tegengesteld aan de metabole respons op infektie, inflammatie of omgeving-stress die de CDR werd genoemd. Het cholesterol-, fosfolipiden-, sfingolipiden- en purine-metabolisme zijn bv. allemaal gedaald bij M.E./CVS en ‘dauer’ maar zijn gestegen bij het metabool syndroom en de CDR. Deze feiten suggereren dat M.E./CVS een evolutionair bewaarde, genetische gereguleerde, hypometabole toestand is gelijkaardig met ‘dauer’, die overleving en volharding toelaat onder omstandigheden van omgeving-stress maar ten koste van een ernstig beknotte funktie en levenskwaliteit.

Bespreking

Het doelvan deze studie was het testen van de bruikbaarheid van doelgerichte metaboloom-studie bij de diagnose van M.E./CVS. We vonden dat patiënten die voldeden aan de criteria voor M.E./CVS aanbevolen door het IOM, de Canadese werk-groep en Fukuda et al. objectieve chemische abnormaliteiten vertoonden die hen duidelijk onderscheidde van controles. Daarnaast onthulde analyse dat alle 9 mechanismen die bij vrouwen en mannen met M.E./CVS verstoord bleken, gerelateerd waren met de CDR. In tegenstelling met een acute CDR, waarbij plasma-sfingolipiden en -fosfolipiden verhoogd zijn, waren deze mechansimen echter gedaald; wat een adaptatie na blootstelling of mitocellulaire hormese [Mitochondrieën helpen cellen adapteren aan metabole stress uit het verleden via wijzigingen van de cellulaire reaktiviteit. Wanneer zowel mitochondriale als cellulaire mechanismen zich aanpassen, spreekt men van mitocellulaire hormese.] suggereert in respons op pathologisch persistente of terugkerende ‘cell-danger’-signalisering.

Hypometabolisme, ‘dauer’ en M.E./CVS

Onze resultaten tonen dat de metabole kenmerken van M.E./CVS consistent zijn met een hypometabole toestand. Sfingolipiden, glycosfingolipiden, fosfolipiden, purinen, aromatische en vertakte-keten aminozuur metabolieten van het microbioom, FAD en lathosterol waren verminderd. De dalingen van deze metabolieten correleerden met de ziekte-ernst (gemeten via de Karnofsky-scores). Er is veel research gebeurd aangaande het hypometabool fenotype in andere biologische systemen (‘dauer’, diapause [tijdelijke opschorting van de ontwikkeling van het embryo], hibernatie [‘winterslaap’; toestand van inaktiviteit en metbole onderdrukking], estivatie [zgn. ‘zomerslaap’; langdurige sluimer-toestand tijdens een hete of droge periode], torpor [toestand van verminderde fysiologische aktiviteit, gekenmerkt door een sterk verlaagde lichaam-temperatuur, hartslag, ademhaling en stofwisseling], de ‘unfolded’ proteïnen respons [mitochondriale UPRmt; de UPR wordt geaktiveerd in respons op accumulatie van ongevouwen of verkeer opgevouwen proteïnen; de cel evalueert de werking van de mitochondrieën en reguleert de proteïnen-synthese tijdens stress], autofagie [mitochondriale autofagie (elimineert beschadigde mitochondrieën) = mitofagie; strikt geregeld proces waarbij de cel eigen cel-produkten verteert in de zogenaamde lysomen; maakt deel uit van normale cel-groei, ontwikkeling en homeostase, en helpt het evenwicht behouden tussen synthese, afbraak en recyclage van cellulaire produkten], enz.). ‘Dauer’ – betekent ‘persistentie/volharding’ of ‘langdurig’ in het Duits – is één voorbeeld van een goed bestudeerd systeem. Het ontwikkeling-stadium van ‘dauer’ is een hypometabole toestand waar men in staat is efficient te leven door het wijzigen van een aantal basis mitochondriale funkties, brandstof-voorkeuren, gedrag en fysieke kenmerken. Dauer bestaat uit evolutionair bewaarde en synergistische programmas voor metabole en strukturele veranderingen die worden getriggerd bij blootstelling aan nadelige omgeving-omstandigheden. Het in werking treden van ‘dauer’ verleent overleving-voordelen bij zware omstandigheden. Als de ‘dauer’-respons wordt geblokkeerd door bepaalde mutaties (‘dauer’-gebrekkigen), leven dieren kort als ze blootgesteld worden aan omgeving-stress. Deze mutaties tonen dat het latent vermogen om in een hypometabole toestand te komen tijdens een bedreiging uit het milieu, adaptief is, zelfs als dit gaat ten koste van een verminderde optimale funktionele capaciteit. Gelijkaardig met ‘dauer’, lijkt M.E./CVS een hypometabole overleveing-toestand te vertegenwoordigen die wordt getriggerd door omgeving-stress. De metabole kenmerken van M.E./CVS & ‘dauer’ stemmen overéén met dezelfde mechanismen die de acute CDR en het metabool syndroom karakteriseren maar worden geregeld in de tegengestelde richting. Bv.: cholesterol, fosfolipiden en urinezuur zijn dikwijls gestegen bij de acute CDR en het metabool syndroom, maar deze metabolieten waren gedaald bij M.E./CVS-patiënten. Een voorspelling op basis van deze bevindingen is dat M.E./CVS-patiënten meer resistent zullen zijn tegen de constellatie van of hypertensie, dyslipidemie [abnormale hoveelheid van één of meer van de bloed-vetten (= lipiden, cholesterol, triglyceriden)], obesitas en insuline-resistantie die de mortaliteit geassocieerd met het metabool syndroom, maar ten koste van een significante langdurende invaliditeit, pijn en lijden.

Het belang van mitochondrieën, redox en NADPH-metabolisme bij M.E./CVS

Al de metabole abnormaliteiten die we identificeerden bij M.E./CVS werden ofwel direct geregeld via redox of de beschikbaarheid van NADPH. Ca. 60% van het NADPH wordt geproduceerd door het pentose-fosfaat mechansime [genereert naast NADPH ook pentosen (essentiële componenten van nucleotiden en nucleïnezuren)]. De ander 40% wordt aangemaakt via de gecombineerde werking van 5 NADP+ afhankelijke enzymen […]. Elk van deze enzymen heeft minstens één mitochondriale isoform en staat bekend geupreguleerd te zijn onder omstandigheden van omgeving- of ontwikkeling-stress. Er werd aangetoond dat mitochondriaal MTHFD2L [methyleen-tetrahydrofolaat-dehydrogenase 2-achtig proteïne] verantwoordelijk is voor de aanmaak van 20-40% van het cellulair NADPH via de oxidatie van methyleen-tetrahydrofoliumzuur naar 10-formyl-tetrahydrofolaat. Deze gegevens tonen dat folaten belangrijk zijn, niet enkele in methylatie-reakties maar ook bij het reguleren van de intracellulaire redox en NADPH. Er werd een aantal ‘single nucleotide’ polymorfismen (SNPs) geïdentificeerd in het MTHFD2L gen dat correleert met de CDR en aanmaak van interleukine-1β (IL1β) getriggerd door pokken-vaccinatie. Mitochondriale voorraden van NADPH staan continu in communicatie met NADH-waarden via het enzyme NNT. NADPH werkt daarom als een globale barometer voor de status van de cellulaire brandstof d.m.v. het bekijken van de mitochondriale elektronen (NADH) consumptie en de beschikbaarheid van cytoplasmische reducerende equivalenten zoals NADPH. Als het mitochondriaal elektronen-transport om welke reden dan ook daalt, worden minder zuurstof-molekulen omgezet in water (H2O) door cytochroom-c-oxidase. Als de levering van zuurstof aan de cel onveranderd is, stijgt de concentratie opgelost zuurstof in de cel (zoals water in een kom) in respons op onmiddellijke dalingen van de mitochondriale zuurstof-consumptie. Dit aktiveert een groep enzymen die worden gereguleerd op basis van de beschikbarheid van opgelost zuurstof en als zuurstof-sensors kunnen werken. Sommige daarvan omvatten NADPH-oxidasen zoals Nox4 [NADPH-oxidase type 4] die waterstof-peroxide (H2O2) aanmaakt uit de overmaat zuurstof (O2) [oxidatieve beschermende respons; zie Naviaux’ artikel over de CDR]. Als de voorraden van gereduceerd (NADPH) en totaal (NADPH plus NADP+) laag staan, neigen de synthese van sterolen, vetzuren, proteïnen en nucleotiden naar basale overleving-waarden. Als de NADPH-waarden hoger zijn, verschuift het metabolisme van ‘persistentie’ naar normale cel-funktie en groei, anabole mechanismen worden gestimuleerd, er wordt biomassa gecreëerd en, koolstoffen en elektronen worden als biopolymeren opgeslagen voor cel-groei en herstel, onder de vorm van lipiden, proteïnen, glycogeen, glycanen en nucleïnezuren.

Het is belangrijk te benadrukken dat NADPH niet het probleem noch de oplossing zelf is. Het is een boodschapper en co-factor. NADPH kan niet funktioneren zonder de beschikbaarheid van honderden koolstof-skeletten van het intermediair metabolisme nodig om de boodschap uit te voeren – het signaal dat brandstof-voorraden vol of beperkt zijn, en dat het metabolisme navenant dient te worden aangepast. Specifiek: NADPH kan niet op een eenvoudige manier als voeding-supplement worden toegevoegd om de verschuiving van het metabolisme te geven welke nodig is om van de ‘dauer’ toestand bij M.E./CVS naar een normale gezonde toestand te gaan. Stap-voor-stap verbeteringen qua NADPH-produktie zouden theoretisch kunnen worden ondersteund door interventies gericht op folaat, B12, glycine- & serine-voorraden, en B6-metabolisme, maar de veiligheid en de doeltreffendheid van deze manipulaties dienen echter nog te worden uitgetest in een rigoreus ontworpen klinische proef. Doeltreffende behandelingen voor M.E./CVS zullen uiteindelijk waarschijnlijk worden bekomen via de zorgvuldige aandacht voor voeding, metabolisme, triggers, stressoren en lichamelijke aktiviteit – een geïntegreerd systeem – gecombineerd met een systeem-biologisch begrijpen van de van de CDR en ‘dauer’.

Besluiten

M.E./CVS heeft een chemische signatuur die kan worden geïdentificeerd d.m.v. doelgerichte plasma metaboloom-studies. Analyse toonde een diagnostische accuraatheid die de 90% overschreed. Het patroon en de richting van de veranderingen toonden dat M.E./CVS een geconserveerde, hypometabole respons op omgeving-stress is die gelijkaardig is met ‘dauer’. Slechts ca. 25% van de verstoorde metabolieten die bij elke persoon werden gevonden, waren nodig voor de diagnose van M.E./CVS. Ongeveer 75% van de metaboliet-abnormaliteiten waren uniek voor het individu en bruikbaar bij het begeleiden van gepersonaliseerde behandeling. Het bestuderen bij grotere groepen uit diverse geografische gebieden, en vergelijking met verwante medische aandoeningen (zoals depressie en post-traumatische stress aandoening), zullen nodig zij om de universaliteit en specificiteit van deze bevindingen te valideren. De ontdekking van een objectieve chemische signatuur bij M.E./CVS helpt om de diagnostische onzekerheden weg te nemen, zal klinici ondersteunen om geïndividualiseerde responsen op behandeling te monitoren en zal multi-centrum klinische proeven vergemakkelijken.

————————-

Zoals reeds medegedeeld in de inleiding, financiert de ‘Open Medicine Foundation’ een studie bij een grotere groep patiënten Prof. Ron Davies onderzoekt daarbij zelf de rol van genetica bij de individuele responsen.

Volgens M.E.(cvs)-aktivist Cort Johnson, zou Dr Maureen Hanson (Afdeling Molekulaire Biologie & Genetica, Cornell Universiteit) – die een familielid met M.E.(cvs) zou hebben en in de wetenschappelijke raad van de ‘Simmaron Research Foundation’ zetelt – in een ‘Solve ME/CFS’ webinar onthuld hebben dat ze Naviaux’ kern-bevindingen gerepliceerd heeft; weliswaar in een kleinere studie, enkel bij vrouwen, en met een verschillende een massa-spectrometer en andere behandeling van de stalen. Hanson’s bevindingen zouden opvallende gelijkenissen vertonen met die van Naviaux: 84% van de metabolieten gereduceerd, enkele mechanismen doken ook op (fosfolipiden, purinen, proline, vetzuren), andere – o.a. de sfingolipiden-reducties – dan weer niet. Dat zou te wijten kunnen zijn aan de verschillende methodiek (standardisatie is dus uiterst belangrijk) maar ook aan het feit dat de patiënten uit een andere geografische regio komen… Ze is ook van plan verder te zoeken en richtte daartoe een nieuw M.E.(cvs) research-centrum op (het ‘Centre for Enervating NeuroImmune Disease’ (CEND)’.

juni 24, 2016

Mogelijke biomerker voor vermoeidheid: oxidatieve stress & anti-oxidatieve aktiviteit

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 2:41 pm
Tags: , , , ,

Biol Psychol. 2016 [pre- print]

A potential biomarker for fatigue: oxidative stress and anti-oxidative activity

Sanae Fukuda (a,b,c), Junzo Nojima (d), Yukari Motoki (d), Kouzi Yamaguti (c,e), Yasuhito Nakatomi (c,e), Naoko Okawa (a), Kazumi Fujiwara (a), Yasuyoshi Watanabe (b,c), Hirohiko Kuratsune (a,b,c,e)

(a) University of Kansai Welfare Sciences, Kashiwara, Osaka 582-0026, Japan

(b) RIKEN Centre for Life Science Technologies, Kobe, Hyogo 650-0047, Japan

(c) Department of Physiology, Osaka City University Graduate School of Medicine, Osaka 545-8585, Japan

(d) Department of Laboratory Science, Yamaguchi University Graduate School of Medicine, Yamaguchi, 755-8505, Japan

(e) Department of Endocrinology, Metabolism and Molecular Medicine, Osaka City University Graduate School of Medicine, Osaka 545-8585, Japan

Samenvatting

We probeerden te bepalen of oxidatieve stress en anti-oxidatieve activiteit kunnen fungeren als biomerkers die patiënten met Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) kunnen onderscheiden van gezonde vrijwilligers, bij acute & sub-acute vermoeidheid en rust. We berekenden de oxidatieve stress index (OSI) uit ‘reactive oxygen metabolites-derived compounds’ [molekulen afgeleid van reaktieve zuurtsof metabolieten] (d-ROMs) en het ‘biological anti-oxidant potential’ [biologisch anti-oxidant vermogen] (BAP). We bekeken wijzigingen qua d-ROMs, BAP & OSI bij acute en sub-acute vermoeidheid in 2 gezonde groepen, en vergeleken de waarden in rust tussen patiënten met CVS (diagnose d.m.v. de Fukuda 1994 criteria) en een andere groep gezonde controles. Na acute vermoeidheid bij gezonde controles, waren de d-ROMs en OSI verhoogd, en het BAP gedaald. Hoewel d-ROMs en OSI significant hoger waren na sub-acute vermoeidheid, daalde het BAP niet. Bij rust waren de d-ROMs hoger, de OSI hoger en het BAP lager bij CVS-patiënten dan bij gezonde vrijwilligers, maar de d-ROMs en de OSI lager vergeleken met sub-acute controles. De BAP-waarden verschilden niet significant tussen CVS-patiënten en controles in de sub-acute conditie. De waarden waren echter significant hoger dan in rust voor de controles. Zodoende zouden metingen van de oxidative stress (d-ROMS) en anti-oxidatieve aktiviteit (BAP) nuttig kunnen zijn voor het onderscheiden van gezonde mensen en CVS-patiënten wat betreft acute & sub-acute vermoeidheid en rust, of voor het evalueren van vermoeidheid-niveaus bij gezonde mensen.

Inleiding

[…] inflammatoire en oxidatieve & nitrosatieve stress (IO&NS) zouden vermoeidheid en somatische symptomen kunnen genereren. […] Symptomen bij niet-obese CVS-patiënten met een normale bloeddruk bleken te correleren met oxidatieve stress, gemeten via isoprostaan-waarden [Kennedy G., Spence VA et al. Oxidative stress levels are raised in Chronic Fatigue Syndrome and are associated with clinical symptoms. Free Radical Biology and Medicine (2005) 39: 584-589]. Ook verlaagde waarden qua anti-oxidatieve aktiviteit, coenzyme-Q10, vitamine-E en zink werden bij CVS gerapporteerd. [Castro-Marrero J et al. Could mitochondrial dysfunction be a differentiating marker between Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia? Antioxidants & Redox Signaling (2013) 19: 1855-1860 /// Miwa K & Fujita M. Fluctuation of serum vitamin E (alpha-tocopherol) concentrations during exacerbation and remission phases in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Heart Vessels (2010) 25: 319-323]

Vermoeidheid wordt ook frequent ervaren door gezonde individuen (14,3% tot zelfs 60% in de gezonde Japanese bevolking). Er werd gerapporteerd over de impact van oxidatieve stress op vermoeidheid bij gezonde mensen. De totale anti-oxidatieve aktiviteit bleek te verhogen na een inspanning. Isoprostanen en glutathion/geoxideerd glutathion bleken te correleren met uitputting door over-training en er werd een stijging qua 8-hydroxydeoxyguanosine [8-OH-dG; een merker voor oxidatieve schade aan DNA] gemeld die gedurende 2 tot 3 dagen aanhield na slaap-onthouding. Job-stress en examens zijn psychologische omstandigheden die leiden tot fysieke vermoeidheid. 8-OHdG en malondialdehyde [MDA; merker voor oxidatieve stress] bleken te stijgen naar mate de job-stress en subjectieve stress. Daarnaast werd aangetoond dat de waarden van proteïne-carbonylen, MDA en 8-OH-dG allemaal stijgen tijdens en na examen-stress.

De evaluatie van het simultaan en accuraat meten van biomerkers voor oxidatieve stress en anti-oxidante aktiviteit is belangrijk omdat het toelaat meerdere vermoeidheid-condities bij gezonden mensen te differentiëren van CVS. Sommige biomerkers voor oxidatieve stress kunnen niet accuraat worden gemeten in vivo omdat reaktieve zuurstof soorten een kort biologisch half-leven hebben en zeer reaktief zijn. Diacron-Reaktieve Zuurstof Metabolieten (d-ROMs) zouden in tegenstelling daarmee een goede biomerker kunnen zijn omdat ze het niveau hydroperoxiden [afgeleiden van waterstof-peroxide] aangeven, welke relatief stabiele reaktieve zuurstof metabolieten zijn. Het doel van deze studie was te bepalen of dROMs en BAP biomerkers zijn die CVS-patiënten onderscheiden van gezonde vrijwilligers die acute en sub-acute vermoeidheid ervaren, en in rust.

Methodes

[…]

CVS-patiënten

121 patiënten (76 vrouwen & 45 mannen; gemiddelde leeftijd 37,3 ± 8,36 jaar) […] CVS-diagnose door specialisten op basis van de 1994 CDC klinische criteria. […] Exclusie-criteria: (1) neuro-inflammatoire of immune aandoeningen […]; (2) elke aktieve medische aandoening die de aanwezigheid van chronische vermoeidheid kan verklaren; (3) de aanwezigheid van elke ziekte die teruggekeerd of niet volledig opgelost kan zijn (bv. kwaadaardige ziekten of chronische gevallen van infektie met hepatitis-B or -C; (4) misbruik van alkohol of andere drugs; (5) ernstige zwaarlijvigheid (BMI ≥ 30; (6) zwangerschap; of (7) lactatie.

De aanwezigheid van majeure depressie, fibromyalgie of somatoforme aandoening [lees ‘Risico op mis-labeling als mentaal ziek door ‘somatic symptom disorder’ in DSM-5] was geen criterium voor exclusie. […] 88 patiënten namen anti-oxidanten (bv. vitamine-C of coenzyme-Q10). 71 patiënten namen psychotrope or slaap-medicatie. […] 66 patiënten hadden co-morbide psychiatrische aandoeningen […]. 53 patiënten hadden co-morbide fibromyalgie (FM) […].

Gezonde vrijwilligers

Er namen 3 groepen vrijwilligers (HVs) deel aan het experiment. De eerste groep (HV1) onderging acute stress en omvatte 12 gezonde vrouwelijke studenten (gemiddelde leeftijd 20,4 ± 0,5 jaar). Deze namen geen medicijnen of supplementen. De tweede groep (HV2) nam deel in de sub-acute vermoeidheid conditie en omvatte and 24 computer-programmeurs (12 mannen & 12 vrouwen, gemiddelde leeftijd 36,7 ± 8,8 jaar). De derde groep (HV3) nam deel in de rust-conditie en omvatte 656 vrijwilligers (274 mannen & 382 vrouwen, gemiddelde leeftijd 40,8 ± 12,4 jaar) zonder abnormale resultaten op enige belangrijke klinische laboratorium-test (hemoglobine, c-reaktief proteïne, albumine, triglyceriden, glucose, AST, ALT, röntgen-onderzoek of cholesterol) en een BMI niet ≥ 28. Uit deze 656 selekteerden we een groep van 121 die matchten qua leeftijd en geslacht met CVS-patiënten (76 vrouwen & 45 mannen; gemiddelde leeftijd 37,3 ± 8,43 jaar). […]

Studie-ontwerp

We bepaalden biomerkers voor oxidatieve stress en anti-oxidatieve activiteit bij patiënten met CVS en in de 3 groepen gezonde vrijwilligers. Er werden metingen uitgevoerd bij CVS-patiënten in rust, en bij gezonde vrijwilligers tijdens een acute experimentele taak, de sub-acute vermoeidheid conditie en bij rust. We definieerden de sub-acute vermoeidheid conditie als vermoeidheid die gepaard gaat met ernstig over-werk van vastgelegde duur.

De acute conditie

[…] (HV1) een 3-uur durende mentaal stresserende reken-taak op computer. […] Voor en na werd bloed afgenomen voor bepaling van serum-waarden d-ROMs en biologisch anti-oxidant vermogen (BAP). Vermoeidheid werd bepaald d.m.v. een visuele analoge schaal (VAS) voor en na de taak.

De sub-acute conditie

(HV2) Computer-programmeurs werkten gedurende 2 weken aan nieuwe computer-systemen op een afdeling van het ziekenhuis-laboratorium. Ze werkten van 8:00 a.m. tot 6:00 p.m. aan het nieuw systeem en programmeerden dan het systeem van 6:00 p.m. gedurende de nacht. Ze vertoonden geen vermoeidheid-symptomen en hadden geen abnormale laboratorium-resultaten […] of een BMI ≥ 28. […]

De rust-conditie

HV3 controle-groep en CVS-patiënten […].

Meting van d-ROMs & BAP

Oxidatie en anti-oxidatie aktiviteiten werden simultaan gemeten in het serum. Oxidatieve aktiviteit werd bepaald via het meten van d-ROMs en anti-oxidatieve aktiviteit via het meten van het Biologisch Anti-oxidant Vermogen […]. De concentratie ROMs wordt uitgedrukt in Carratelli Eénheden (1 CARR U = 0,08 mg waterstof-peroxide/dl).

De BAP-test […] geeft de anti-oxidante capaciteit van een serum-staal aan.

[…] We bepaalden de normale referenties voor d-ROMs en BAP bij 312 gezonde controles (164 vrouwen en 148 mannen; gemiddelde leeftijd 36,7 ± 8,8 jaar) die (op basis van een vragenlijst) voldeden aan bepaalde criteria (niet roken of zwaar drinken, niet lijden aan metabool syndroom, niet minder dan een jaar gelden bevallen, geen medicatie nemen of over-werkt zijn, geen abnormale slaap of voeding, en geen vermoeidheid-symptomen) en geen abnormale klinische laboratorium-testen vertoonden […]. De normale referentie-waarden waren […] 286,9 ± 100,2 CARR U (d-ROMs) & 2.541,3 ± 122,0 μmol/l (BAP).

Om een parameter te bekomen die een globale verschuiving naar oxidatieve stress vertegenwoordigt, gebruikten we een oxidatieve stress index (OSI), berekend met de volgende formule: OSI = C × (d-ROMs / BMP), waarbij C een standaardisatie-coefficiënt is om de OSI van de gezonde controles op 1,0 te brengen (C = 8,85 in deze studie). […].

Statistiek

[…]

Resultaten

[…] In de HV1-groep […] na controle voor leeftijd, waren d-ROMs & BAP significant hoger na de taak en de OSI neigde hoger te zijn.

[…] HV2-groep […] na controle voor geslacht en leeftijd, waren d-ROMs & OSI significant hoger na sub-acute vermoeidheid. Geen significante veranderingen qua BAP voor en na de werk-periode van 2 weken.

De d-ROMs, BAP & OSI bij rust van de 656 HVs waren 305,4 ± 109,2 CARR U, 2696,3 ± 398,8 μmol/l & 1,00 ± 0,34, respectievelijk. d-ROMs & OSI van vrouwelijke vrijwilligers lagen significant hoger dan bij mannen (d-ROMs: 318,3 ± 52,6 CARR U vs. 287,4 ± 52,3 CARR U, P < 0.001; OSI: 1,04 ± 0,16 vs. 0,95 ± 0,18, P < 0.001).

d-ROMs & OSI stegen significant met de leeftijd, terwijl de BAP-waarden daalden met de leeftijd. Deze met leeftijd gerelateerde verschillen waren niet significant beïnvloed door geslacht.

[…] d-ROMs & OSI waren significant hoger bij patiënten met CVS vergeleken met de voor leeftijd/geslacht gematchte HV3-groep. d-ROMs & OSI van werkkrachten die sub-acute vermoeidheid ervaarden (HV2-groep) waren echter zelfs hoger dan die van de CVS-patiënten in rust. De BAP-waarden van CVS-patiënten in rust waren niet significant verschillend van die van de HV2-groep in rust na sub-acute vermoeidheid, maar lagen significant lager dan die in rust van de voor leeftijd/geslacht gematchte HV3-groep.

Bespreking

Na het in acht nemen van de leeftijd, stegen d-ROMs & OSI en daalde het BAP na acute vermoeidheid. Na sub-acute vermoeidheid (2 weken overwerkt), stegen d-ROM waarden maar het BAP steeg enkel in één geval (rekening houdend met leeftijd en geslacht). Patiënten met CVS vertoonden hogere warden qua d-ROMs & OSI en lagere BAP-niveaus in rust vergeleken met voor leeftijd/geslacht gematchte controles. In tegenstelling daarmee: wanneer patiënten werden vergeleken met werkkrachten die sub-acute vermoeidheid ervaarden, waren de d-ROMs & OSI hoger bij de werkkrachten. BAP-waarden verschilden niet tussen CVS-patiënten en personen die sub-acute vermoeidheid ervaarden, maar vergelekenn met de patiënten, waren deze significant hoger bij voor leeftijd/geslachte gematchte controles. Het nemen van anti-oxidanten, medicatie, of co-morbiditeit met FM of psychiatrische ziekten had geen effekt op de waarden van oxidatieve merkers bij CVS-patiënten.

Na de acute vermoeidheid, stegen d-ROMs en daalde het BAP t.o.v. de waarden vóór de taak. Er werd een afname van d-ROMs aangetoond 2 uur na het experiment (gegevens hier niet getoond). Tijdens de acute vermoeidheid conditie, stegen oxidatieve stress en anti-oxidatieve aktiviteit simultaan, en herstelden dan onmiddellijk tot voorafgaande niveaus binnen 2 uur. Veranderingen qua d-ROMs & BAP werden eerder gerapporteerd na een fysieke belasting en in dier-modellen voor vermoeidheid. Experimenteel geïnduceerde kortstondige inflammatie had geen impact op plasma oxidatieve stress bij een mentale belasting-test. Daarom zou het kunnen dat onze resultaten niet direct gerelateerd zijn met inflammatie of immuun-funktie abnormaliteiten.

Na de 2 weken over-werk die zorgde voor de sub-acute vermoeidheid, waren de d-ROM waarden verhoogd, terwijl de BAP-waarden slechts in één geval daalden. Bij acute vermoeidheid condities, trad de toename van d-ROMs & BAP gelijktijdig op en herstel tot oorspronkelijke waarden gebeurde binnen 2 uur. De sub-acute vermoeidheid conditie duurde 2 weken. Daarom werden verhoogde BAP-waarden bij de werkkrachten aangetoond. De BAP-waarden keerden echter bij bijna alle werkkrachten terug naar normaal binnen 2 weken. Slechts één persoon vertoonde een gedaald BAP na 2 weken. Hoewel we geen herstel-gegevens verzamelden, speculeren we dat het BAP bij deze vrijwilliger zich niet kon herstellen omwille van een onderdrukking van het BAP. Er werd frequent gerapporteerd dat job-stress of subjectieve stress-waarden verscheidene metingen voor oxidatieve stress doen toenemen. Studenten vertonen toegenomen oxidatieve stress tijdens en na examen-periodes. We zagen dezelfde tendens wat betreft d-ROMs & BAP, hoewel de belasting en de vermoeidheid-evaluatie op een andere manier gebeurde.

d-ROM & OSI bij CVS-patiënten waren hoger en BAP-waarden waren lager dan bij voor leeftijd/geslacht gematchte controles. Er werd echter een lagere waarde qua d-ROM & OSI geobserveerd bij de patiënten in vergelijking met werkkrachten met sub-acute vermoeidheid. Het BAP van CVS-patiënten verschilde niet significant van dat van de werkkrachten. Spier-merkers voor oxidatieve stress bleken gelinkt met het pathologisch mechanisme voor CVS, en bloed-merkers voor oxidatieve stress dragen bij tot CVS-pathologie en -symptomen [Fulle S et al. Specific oxidative alterations in vastus lateralis muscle of patients with the diagnosis of Chronic Fatigue Syndrome. Free Radical Biology and Medicine (2000) 29: 1252-1259], bijzonderlijk in respons op inspanning bij CVS-patiënten [Nijs J et al. Altered immune response to exercise in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: a systematic literature review. Exercise Immunology Review (2014) 20: 94-116]. Verder werden dalingen van de anti-oxidante niveaus, zoals CoQ10, gerapporteerd bij CVS.

[…] De waarden van dROMs & BAP van de HVs in de post-acute conditie waren dezelfde als de CVS-patiënten, maar deze waarden herstelden echter binnen 2 uur (gegevens hier niet getoond). dROM-waarden van de HVs in de post sub-acute vermoeidheid conditie waren lager dan deze van de CVS-patiënten in rust, terwijl de BAP-waarden van deze 2 groepen vergelijkbaar waren. Patiënten met CVS vertoonden hoger waarden qua d-ROMs & OSI dan de voor leeftijd/geslacht gematchte controles. CVS-patiënten vertoonden lagere BAP-waarden vergeleken met HVs in rust. d-ROMs stegen na acute en sub-acute vermoeidheid bij gezonde mensen. Deze resultaten suggereren dat bij het gebruik van een combinatie van d-ROMs, BAP & OSI, we de verschillende vermoeidheid-niveaus kunnen evalueren of patiënten met CVS kunnen onderscheiden van gezonde individuen die verschillende vermoeidheid-niveaus ervaren.

We hebben de verschillen qua oxidatieve stress en anti-oxidatieve aktiviteit duidelijk in een relatief groot staal CVS-patiënten. De pathologische mechanismen betrokken bij CVS zouden gelinkt kunnen zijn met inflammatie en abnormaliteiten van de immune en sympathische funkties zoals eerder gesuggereerd. Verhoogde sympathische aktiviteit na acute vermoeidheid werd onderzocht [mentale vermoeidheid na langdurige belasting bij gezonde vrijwilligers]: de hartslag-variabiliteit in de hoge-frequentie band [HF, parasympathisch; zie o.a. ‘Verminderde fysieke aktiviteit & autonome regulering bij CVS] was significant gedaald. Waarden van TNF-α waren hoger tijdens een lange periode van stress (sub-acuut) vergeleken met in rust [gezonde studenten]. CVS-patiënten bleken abnormaliteiten te vertonen qua sympathische aktiviteit [Yamaguti K, Tajima S & Kuratsune H. Autonomic dysfunction in Chronic Fatigue Syndrome. Advances in Neuroimmune Biology (2013) 4: 281-289] en inflammatie [Nakatomi et al. Neuroinflammation in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: a 11C-(R)-PK11195 positron emission tomography. Journal of Nuclear Medicine (2014) 55: 945-950] in vergelijking met HVs. De link tussen inductie van inflammatie en immuun-funktie, alsook tussen sympathische funktie bij CVS-patiënten vergeleken met HVs bij acute, sub-acute en rust condities kan worden aangetoond in de studie. Aangezien we echter de sympathische funktie en immune aktiviteit niet simultaan onderzochten, zijn verdere studies vereist om een eventuele link te verduidelijken.

Er waren meerdere beperkingen verbonden aan de studie. Ten eerste: roken en BMI zijn 2 risico-factoren waarvan is geweten dat ze oxidatieve stress kunnen beïnvloeden, en anti-oxidante supplementen zouden deze waarden ook kunnen beïnvloeden. We voerden geen analyses uit die deze factoren in overweging namen. De HVs in deze studie namen echter geen medicatie of anti-oxidante supplementen, en we sloten deelnemers met een abnormaal hoge BMI uit. Verder bleken de waarden van oxidatieve biomerkers niet te verschillen op basis van anti-oxidante supplementen. We herleiden de mogelijke effekten van deze verstorende factoren dus tot een minimum. Ten tweede: we hebben geen andere oxidatieve stress biomerkers, zoals hydroperoxiden, gemeten – waarvan is gebleken dat ze gerelateerd zijn met CVS en chronische vermoeidheid. Ten derde: we konden de sub-acute vermoeidheid groep niet opvolgen tijdens het herstel omdat ze van werk-omgeving veranderden na het beëindigen van de installatie van het computer-systeem. Ten vierde: we onderzochten de veranderingen qua oxidatieve stress biomerkers niet in de acute en sub-acute condities bij CVS-patiënten. Een laastste beperking is dat de duur van de of acute, sub-acute en chronische vermoeidheid niet duidelijk werden geïdentificeerd.

Samengevat: oxidatieve stress en anti-oxidatieve aktiviteit zou nuttig kunnen zijn voor het onderscheiden van acute, sub-acute en rust-vermoeidheid bij gezonde mensen en CVS-patiënten, door het combineren van metingen voor d-ROMs & BAP of door het evalueren van vermoeidheid-graad bij gezonde mensen. De studie-resultaten geven aan dat evaluatie van vermoeidheid via d-ROMs & BAP, gecombineerd met OSI nuttig kan zijn voor het onderscheiden van CVS en vermoeidheid-status (bv. overwerkt zijn) bij gezonde mensen.

april 1, 2016

MicroRNAs: Potentiële diagnostische biomerkers in NK-cellen bij M.E.(cvs)

Filed under: Diagnostiek,Immunologie — mewetenschap @ 2:47 pm
Tags: , , , , , ,

Na het bestuderen van gen-expressie en SNPs bij M.E.(cvs) (‘Verhoogde aanwezigheid van 2 mitochondriale DNA polymorfismen bij CVS’ / ‘Gebruik van SNPs om gen-expressie te onderscheiden bij M.E.(cvs)-subtypes’), bekijkt Prof. Jonathan Kerr hier afwijkende gen-expressie van microRNAs in bloedcellen. Andere (Australische) onderzoekers bekeken dit al in het plasma (‘MicroRNAs in plasma bij CVS/M.E.’) en zelfs in NK-cellen (‘Cytotoxische lymfocyten microRNAs – merkers voor M.E.(cvs)?’). Kerr et al. breiden dit laatste uit…

Eerst werd de miRNA gen-expressie geanalyseerd: 34 miRNAs bleken een afwijkende expressie te hebben. 4 konden via een andere techniek worden bevestigd. Daarna werd gekeken in welke immuun-cellen deze afwijkende gen-expressie voorkwam. Tenslotte werd nagegaan in welke effekten deze gewijzigde gen-expressie had bij NK-cellen. Er werden aanwijzingen gevonden voor een immuun-dysfunktie.

De lezer kan elders op deze paginas ook reeds één en ander bestuderen over bevindingen omtrent NK-cellen bij M.E.(cvs)…

 

“MicroRNA (of miRNA) hebben anders dan bv. mRNA (boodschapper-RNA, die een ‘positieve’ rol hebben bij het ontstaan van proteïnen) de neiging om mRNA-molekulen het ‘zwijgen’ op te leggen door ze te splitsen, ze te destabiliseren of er mee te interfereren. Ze bleken al betrokken bij verscheidene ziekten bij mensen (bv. een rol bij kanker) en bij het reguleren van de vorming van bloedcellen en het beïnvloeden van de immuniteit. Aangezien miRNAs ‘beschermd’ zijn en stabiel blijven in verscheidene lichaamsvochten en weefsels zijn ze erg in trek als mogelijke biomerkers (bij kanker maar ook epilepsie, malaria & Multipele Sclerose).” – Dr Neil Abbot; ‘ME Research UK’

————————-

PLoS One Vol 11, #3, e0150904 (maart 2016)

MicroRNAs hsa-miR-99b, hsa-miR-330, hsa-miR-126 and hsa-miR-30c: Potential Diagnostic Biomarkers in Natural Killer (NK) Cells of Patients with Chronic Fatigue Syndrome (CFS)/ Myalgic Encephalomyelitis (M.E.)

Robert D. Petty (1,2), Neil E. McCarthy (3), Rifca Le Dieu (2), Jonathan R. Kerr (1,4)

1 CFS Group, St George’s University of London, Cranmer Terrace, London, United Kingdom

2 Centre for Haemato-Oncology, Bart’s cancer institute, Queen Mary University of London, London, United Kingdom

3 Centre for Immunobiology, The Blizzard institute, Queen Mary University of London, London, United Kingdom

4 Grupo de Salud Publica, Escuela de Medicine y Ciencias de la Salud, Universidad del Rosario, Quinta de Mutis, Bogotá 111221, Colombia

Samenvatting

Achtergrond Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS/M.E.) is een complexe multisysteem ziekte met een onbekende etiologie die invaliderende symptomen veroorzaakt bij 1% van de globale bevolking. Hoewel een grote groep genen gewijzigde expressie bleek te vertonen bij CVS/M.E.-patiënten, is het nog niet geweten microRNA (miRNA) molekulen die gen-translatie reguleren, bijdragen tot de pathogenese van de ziekte. We hypothiseerden dat veranderingen qua microRNA-expressie in leukocyten van patiënten bijdragen tot de CVS/M.E.-pathogoloie, en daarom bruikbare diagnostische biomerkers kunnen zijn die kunnen worden gedetekteerd in het perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten.

Methodes miRNA-expressie in mononucleaire cellen uit perifeer bloed (PBMC) van CVS/M.E.-patiënten en gezonde controles werd geanalyseerd gebruikmakend van de Ambion Bioarray V1. miRNA die differentiële expressie bleken te vertonen werden gevalideerd d.m.v. qRT-PCR [kwalitatieve Reverse Transcriptase PCR; techniek om kleine hoeveelheden mRNA te detekteren] en daarna gerepliceerd in subgroepen bloed-leukocyten van een onafhankelijke patiënten-groep. De via deze experimenten geïdentificeerde, met CVS/M.E. geassocieerde miRNA werden dan getransfecteerd in primaire NK-cellen en er werden gen-expressie analyses uitgevoerd om hun gen-doelwitten te identificeren.

Resultaten Micro-array [‘gen-chips’] analyse identificeerde differentiële expressie van 34 miRNA, die allemaal ge-upreguleerd waren. Van 4 op de 34 miRNA werden expressie-wijzigingen bevestigd via qRT-PCR. Het fractioneren van PBMC-stalen (van een onafhankelijke patiënten-groep) in verschillende cel-types, identificeerde veranderingen qua miRNA-expressie in NK-cellen, B-cellen en monocyten waarbij de meest significante abnormaliteiten voorkwamen bij NK-cellen. Transfectie [inbrengen van DNA of RNA in cellen] van primaire NK-cellen met hsa-miR-99b of hsa-miR-330-3p, resulteerde in gen-expressie wijzigingen consistent met NK-cel aktivatie maar verminderde cytotoxiciteit, wat suggereert dat gebrekkige NK-cel funkie bijdraagt tot CVS/M.E.-pathologie.

Besluit Deze studie toont gewijzigde microRNA-expressie aan in de perifeer bloed mononucleaire cellen van CVS/M.E.-patiënten, die potentiële diagnostische biomerkers zijn. De grootste miRNA-ontregeling werd geïdentificeerd in NK-cellen, met doelwitten die verband houden met cellulaire aktivatie en gewijzigde effector-funktie [een effector-cel pakt daadwerkelijk zijn doelwit-cel aan (herkenning en eliminatie)].

Inleiding

[…] Er is een echte klinische noodzaak om een diagnostische biomerker voor CVS/M.E. te identificeren. Een aantal studies hebben naar biomerkers voor CVS/M.E. gezocht in het mRNA [Frampton D, Kerr J et al. Assessment of a 44 gene classifier for the evaluation of Chronic Fatigue Syndrome from peripheral blood mononuclear cell gene expression. PLoS One (2011) 6: e16872 /// Kaushik N et al. Gene expression in peripheral blood mononuclear cells from patients with Chronic Fatigue Syndrome. J Clin Pathol. (2005) 58: 826-32 /// Vernon SD et al. Utility of the blood for gene expression profiling and biomarker discovery in Chronic Fatigue Syndrome. Dis Markers. (2002) 18: 193-9] of serum [Fletcher MA et al. Plasma neuropeptide Y: a biomarker for symptom severity in Chronic Fatigue Syndrome. Behav Brain Funct. (2010) 6: 76] van CVS/M.E.-patiënten, echter met beperkt succes. Research focust zich op het karakteriseren van immuniteit-defekten aangezien de aanvang van de symptomen dikwijls wordt voorafgegaan door een aanval op de immuniteit. Wijzigingen in populaties en aantallen leukocyten in het perifeer bloed van patiënten werden bevestigd. Onderzoek identificeerde significante immune ontregeling bij CVS/M.E.; met gewijzigde cytokine-expressie en vermindering van de dodende capaciteit van cytotoxische cellen als meest consistente bevinding. Veranderingen in mRNA-expressie in het perifeer bloed zijn goed gedocumenteerd bij CVS/M.E., met overwegend genen betrokken bij: immuun-funktie, apoptose, transcriptie, translatie en virus-infektie. mRNA gen-expressie studies waren ook succesvol bij het definiëren van CVS/M.E.-subtypes, elk met een afzonderlijk symptoom-profiel [Kerr JR et al. Gene expression subtypes in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Infect Dis. (2008) 197: 1171-84]. Een groep molekulen die een rol spelen bij het reguleren van de translatie van mRNA en die nog systematisch dienen te worden onderzocht in bloedcellen van CVS/M.E.-individuen zijn microRNAs (miRNAs).

miRNA zijn een groep kleine, niet-coderende RNAs (~23 nucleotiden) met als funktie het reguleren van de translatie van mRNA post-transcriptie via directe afbraak van mRNA-transcripten of onderdrukking van de translatie. miRNAs zijn cruciaal voor het behouden van een normale haematopoïese [vorming van bloedcellen] en als bemiddelaars bij immuun-signalisering cascades, wat hun nut als biomerkers voor deze ziekte suggereert.

In deze studie screenden we bloedstalen van patiënten met een vastgestelde klinische diagnose van CVS/M.E. t.o.v. gematchte gezonde controles, en identificeerden we ontregeling van miRNAs die funkties hebben overéénkomend met gepubliceerde veranderingen qua mRNA-expressie bij CVS/M.E. Om te bepalen in welk cel-type deze miRNA-expressie veranderingen optreden, werd de ontregeling bevestigd in gefractioneerde perifere bloedcellen van een onafhankelijke patiënten-groep. De expressie van hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p in ‘natural killer’ cellen vertoonde de meeste over-expressie. In NK-cellen bleken deze (door miRNA beïvloedde) genen betrokken bij aktivatie, effector-funktie, actine-cytoskeleton [actine is een proteïne, onderdeel van het cytoskelet dat bestaat uit verschillende soorten proteïne-polymeren in cellen, die samen zorgen voor stevigheid, vorm en beweeglijkheid] en beweeglijkheid. Dit werk is ondersteuning en uitbreiding van de concepten van immuniteit-ontregeling bij CVS/M.E. en identificeert vermeende biomerkers voor ziekte-diagnose.

Resultaten

34 miRNA met verhoogde expressie in CVS/M.E. perifeer bloed

Om miRNA met differentiële expressie bij CVS/M.E. te identificeren, werd RNA gehaald uit perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMC) en gescreend m.b.v. Ambion Bioarray micro-arrays (385 miRNA-sequenties). 15 stalen van CVS/M.E.-individuen (Fukuda diagnostische criteria) en 30 van voor leeftijd en geslacht gematchte controles werden geanalyseerd. Een vergelijking identificeerde 34 miRNAs met differentiële expressie (verandering > 1,5 maal) […].

Ongecontroleerde cluster-analyse van de micro-array gegevens groepeerde de stalen in 2 clusters. Deze analyse kon de CVS/M.E.- en controle-stalen niet volledig in afzonderlijke clusters opdelen. Ongeveer de helft van de controle-stalen (n = 14) en 4 CVS/M.E.-stalen vormen een groep met lage globale miRNA-expressie. De overblijvende controles clusterden met de meerderheid van de CVS/M.E.-individuen, die hogere miRNA-expressie bij de meerderheid van de geanalyseerde miRNAs vertoonden. Het niveau van homogeniteit tussen de stalen is hoog (gemiddelde correlatie-coëfficient of 0.922 +/- 0.068), wat kan bijdragen tot de onvolledige klassificatie van de stalen.

Onderzoek van deze gegevens per miRNA toonde de deugdelijkheid van de expressie-gegevens […]. We bekeken de correlatie tussen miRNA gen-expressie gegevens en scores van klinische vragenlijsten (5 vragenlijsten over algemene gezondheid) maar vonden er echter geen. Deze gegevens tonen aan dat miRNAs ontregeld waren in het perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten en dat de waarden van deze miRNAs onafhankelijk waren van de symptoom-ernst.

Significante upregulering van de microRNAs hsa-miR-99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-126 & hsa-miR-30c in CVS/M.E.-bloedstalen

De veranderingen qua miRNA-expressie van 29 op 34 miRNAs werden in hetzelfde staal gevalideerd in d.m.v. Taqman kwantitatieve PCR. 5 miRNAs (ambi-miR-7058, hsa-miR-331, mmu-miR-140-AS, mmu-miR-409, rno-miR-151-AS) werden niet opgenomen aangezien de testen niet beschikbaar waren. 4 op 29 miRNAs (hsa-miR-99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-30c & hsa-miR-126) vertoonden significante differentiële expressie (≥ 1,5 maal, CVS vs. Controle, p ≤ 0.05 […]).

4 miRNAs hebben het potentieel als doeltreffende biomerkers bij CVS/M.E. op basis van ROC-analyse

Om te weten te komen of de 4 met differentiële expressie bevestigde miRNAs (hsa-miR-99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-126, hsa-miR-30c) zouden kunnen dienen als biomerkers bij de diagnose van CVS/M.E., werd ‘Receiver Operating Characteristics’ (ROC) [statistische analyse waarbij men in een grafiek de gevoeligheid (sensitiviteit) in funktie van de specificiteit uitzet; gebruikt als toets voor de voorspellende waarde van een variabele of instrument] uitgevoerd voor elke relatieve hoeveelheid van elk miRNA. Deze statistiek beschrijft de mogelijkheid van een variabele om een bepaald staal te klassificeren in 2 groepen en werd eerder al gebruikt om serum-biomerkers bij CVS/M.E.te definiëren. […] De 4 geteste miRNAs vertoonden statistische significante verschillen t.o.v. het de hypothese van toevalligheid. Hsa-miR-330-3p werd via deze analyse geïdentificeerd als de variabele die ‘t meest waarschijnlijk CVS/M.E.-patiënten van controles differentieert […]. Deze gegevens tonen aan dat (binnen de grenzen van deze studie) deze 4 miRNAs diagnostische biomerkers voor CVS/M.E. zouden kunnen zijn.

Hsa-miR-99b is significant ge-upreguleerd in NK-cellen van in CVS/M.E.-patiënten

Om te onderzoeken of de miRNA-veranderingen gezien in vol-bloed stalen specifiek waren voor een bepaalde PBMC-populatie, werden 20 patiënten en 20 voor leeftijd en geslacht gematchte gezonde vrijwilligers gerecruteerd (dezelfde klinische diagnostische criteria als de eerdere studie). Er werden bloedstalen genomen en PBMCs geïsoleerd. De cellen werden gefractioneerd via positieve selektie op basis van CD14+ (monocyten), CD19+ (B-cellen), CD56+ (NK-cellen) en CD3+ (T-cellen) microparels. Flow-cytometrie van de gefractioneerde populaties gaf een zuiverheid aan van 96,9% (+/- 2,1%) voor monocyten, 88,9% (+/- 7,6% SD) voor NK-cellen, 84,4% (+/- 8,8%) voor B-cellen en 91,2% (+/- 5,3%) voor T-cellen. Absolute cel-tellingen na fractionatie kon geen statistisch significante verschillen aantonen tussen de populatie-groepen voor de 4 onderzochte leukocyt-subgroepen.

De 4 miRNAs waarvan differentiële expressie werd bevestigd – via array & qRT-PCR – (hsa-miR-99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-126, hsa-miR-30c) werden onderzocht in RNA uit deze 4 belangrijkste bloed-leukocyten populaties. 3 van de geteste miRNAs (hsa-miR-99b, hsa-miR-126 & hsa-miR-330-3p) vertoonden significante ge-upreguleerde expressie in één of meer PBMC-subsets bij de CVS/M.E.-populatie. Hsa-miR-30c vertoonde geen significant expressie-verschil. het grootste verschil in expressie was de expressie van hsamiR-99b in NK-cellen (2-voudige toename in CVS/M.E.-stalen). Dit miRNA was ook 1,6 maal ge-upreguleerd in B-cellen maar niet gewijzigd in T-cellen en monocyten. Hsa-miR-330-3p was ook significant ge-upreguleerd in NK-cellen maar in veel mindere mate (1,3-voudige toename). Hsa-miR-126 was 1,45-voudig ge-upreguleerd in monocyten in de CVS/M.E.-groep. Deze gegevens toonden dat de ontregeling van miRNAs bij CVS/M.E. specifiek is per leukocyten-populatie en suggereren dat de dysfunktie van B-cellen, NK-cellen en monocyten bijdragen tot de ziekte-pathologie.

Hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p reguleren mechanismen die bijdragen tot NK-cel aktivatie en effector-funktie

Om de gen-doelwitten van hsa-miR-99b en hsa-miR-330-3p in NK-cellen identificeren, werd precursor miRNA [enkelstrengige (ss) miRNAs komen van ‘pri-miRNAs’; de twee strengen worden enzymatisch gesplitst, resulterend in voorloper miRNA of ‘pre-miRNA’] getransfecteerd in NK-cellen (die werden geïsoleerd uit PBMCs). De NK-cel zuiverheid na de aanrijking was 89,6% (bepaald via flow-cytometrie).

Transfectie van primaire NK-cellen met pre-miR-99b identificeerde (vergeleken met transfectie van een ‘non-sense’ controle [mRNA dat leidt tot een afgebroken, onvolledig, niet-funktioneel proteïne]) 37 genen met differentiële expressie (volgens de inclusie-criteria; p ≤ 0.05, verandering ≥ 1,5 maal). 21 genen vertoonden downregulering tussen 1,5 en 1,8 maal. 16 genen vertoonden verhoogde expressie tussen 1,5 en 2,6 maal. Interferon-gamma (IFN-γ), een belangrijke mediator van NK-cel aktivatie, was het sterkst geïnduceerde gen (2,6 maal). Granzyme-B (GZMB), dat codeert voor een component van de cytotoxische granules die door NK-cellen worden afgegeven na herkenning van doelwit-cellen, was 1,6 maal meer geïnduceerd. Genen betrokken bij cellulaire aktivatie, vesikel-vorming [vesikels = kleine membraan-blaasjes die kunnen versmelten met het cel-membraan zodat de stof die ze bevatten kan vrijkomen], beweeglijkheid en modulatie van het actine-cytoskeleton waren ook ge-upreguleerd […]. Cathepsine-L (CTSL) [enzyme betrokken bij proteïne-afbraak] was het meest ge-downreguleerde gen door hsa-miR-99b. Dit proteïne is vereist voor splitsing en aktivatie van perforine & granzyme-B in de lytische vesikels [bevatten cel-afbrekende stoffen]. CD6 & IL-8 (interleukine-8) waren ook ge-downreguleerd (1,6 & 1,5 maal, respectievelijk). Verminderde expressie van deze genen is geassocieerd met NK-cel rijping na aktivatie. Er werd ook verminderde expressie geïdentificeerd bij genen betrokken bij autofagie [strikt geregeld proces waarbij de cel eigen cel-produkten verteert in de zogenaamde lysomen; maakt deel uit van normale cel-groei, ontwikkeling en homeostase, en helpt het evenwicht behouden tussen synthese, afbraak en recyclage van cellulaire produkten] en bepaalde signalisering-mechanismen […].

Om te bepalen of de genen die worden gereguleerd door hsa-miR-99b konden worden gegroepeerd in een specifieke funktionele klasse, voerden we een ‘over-representatie analyse’ uit [bekijkt de eventuele aanrijking van bepaalde mechanismen, molekulaire funkties en biologische processen]: dit identificeerde een significante aanrijking voor genen betrokken bij processen en mechanismen van de NK-cel funktie, inclusief cel-aktivatie, immuunsysteem-processen en cellulaire respons op een stimulus.

Transfectie van primaire NK-cellen met pre-miR-330-3p leverde (vergeleken met transfectie van een ‘non-sense’ controle) slechts 2 wijzigingen op: voor SOD2 [codeert voor mitochondriaal superoxide-dismutase-2] en MMP9 [codeert voor matrix-metallopeptidase 9] -expressie; ze waren allebei 1,6 maal gedownreguleerd. SOD2-expressie verstoort de normale T-cel differentiatie en cellulaire aktivatie, en verminderde expressie is geassocieerd met verstoorde neutrofiel effector-funktie. MMP9 reguleert NK-cel cytotoxiciteit en lymfocyten-beweeglijkheid.

Deze resultaten toonden aan dat verhoogde miRNAs expressie in NK-cellen van CVS/M.E.-patiënten gen-expressie wijzigingen bevordert die consistent zijn met cellulaire aktivatie maar verminderde effector-funktie.

Bespreking

De klinische diagnose van CVS/M.E. is gebaseerd op goed omschreven klinische criteria maar de diagnose omvat echter ook de uitsluiting van andere oorzaken voor vermoeidheid, wat kan leiden tot een langere diagnose-tijd. Zodoende is er een echte klinische noodzaak om diagnostische biomerkers voor CVS/M.E. te identificeren. We wilden de rol van miRNA bij patiënten met een vastgestelde diagnose of CVS/M.E. bestuderen, om te bepalen of deze regulerende molekulen bijdragen tot de ziekte-pathogenese en of het kandidaat diagnostische biomerkers zijn.

We identificeerden over-expressie van 34 miRNA die niet eerder werden beschreven bij CVS/M.E. [Brenu EW et al. High-throughput sequencing of plasma microRNA in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. PLoS One (2014) 9: e102783; zie ‘MicroRNAs in plasma bij CVS/M.E.’ /// Brenu EW et al. Cytotoxic lymphocyte microRNAs as prospective biomarkers for Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Affect Disord. (2012) 141: 261-9; zie ‘Cytotoxische lymfocyten microRNAs – merkers voor M.E.(cvs)?] in stalen perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten. De micro-array analyse groepeert op een robuste manier de miRNAs met gecoördineerde expressie (hsa-miR-107 & hsa-miR-103) en levert zeer homogene resultaten. Wat gemeenschappelijk is met andere CVS/M.E.-studies is dat gen-expressie het miRNA-profiel CVS/M.E.-patiënten niet van controles onderscheidde Een studie van Brenu et al. [zie eerder] analyseerde plasma-stalen van CVS/M.E.-patiënten en identificeerde ontregeling van 19 menselijke miRNAs. Van deze 19, zaten er slechts 12 in onze array. Daarvan waren er 8 met een verschil van ≥ 1,5 maal (CVS/M.E. vs. normaal) maar allemaal met insignificante p-waarden; die werden niet verder onderzocht. Het feit dat de 2 studies niet overéénstemmen is niet verrassend, aangezien cellulaire en plasma miRNA-profielen van hetzelfde individu beperkt overlappen. Er werd voorgesteld dat deze beperkte overlap het resultaat is van het feit dat miRNAs opgeslagen zijn in vesikels die worden gesecreteerd met verschillende doeltreffendheid, of van de variabele stabiliteit van de verschillende miRNAs in het extracellulair milieu. De CVS/M.E.-populatie vertoonde een brede waaier aan klinische symptoom scores wijzend op subgroepen van de ziekte, die ook elders worden beschreven en kunnen bijdragen tot het niet volledig onderscheiden van de stalen in deze analyse. Deze observatie kan ook de slechte correlatie tussen klinische symptoom score en miRNA-expressie verklaren, en suggereert dat validatie in een meer uitgebreide patiënten-groep wenselijk is.

Bevestiging van de array-bevindingen d.m.v. qRT-PCR ondersteunde de upregulering van hsa-miR- 99b, hsa-miR-330-3p, hsa-miR-126 & hsa-miR-30c in CVS/M.E. PBMCs. De mate van overéénkomst tussen de 2 methodes is bescheiden wat betreft het vergelijken van mRNA-expressie studies bij CVS/M.E. Er werd gesuggereerd dat deze discrepantie ten dele te wijten is aan de verschillen in methodologie: veranderingen onder +/- 2 maal en lagere transcriptie zouden kunnen gelinkt zijn met een slechtere overéénstemming tussen de methodes. Dit onderstreept een consistent probleem bij miRNA-studies aangezien de ‘cut-off’ die gewoonlijk wordt gehanteerd voor miRNA gen-expressie experimenten een verandering van 1,5 maal is, wat kan leiden tot uitsluiting van positieve gegevens.

De miRNAs met verhoogde expressie bij CVS/M.E. zouden mogelijks kunnen dienen als biomerkers voor de ziekte, die dan kunnen worden gebruikt om de diagnose te verbeteren en te bespoedigen. Dit werd eerder al geprobeerd in een aantal studies die potentiële biomerkers in het serum, cytokine-expressie, dipeptidyl-peptidase-4 (CD26) [Fletcher MA et al. Biomarkers in Chronic Fatigue Syndrome: evaluation of natural killer cell function and dipeptidyl peptidase IV/CD26. PLoS One (2010) 5: e10817; zie ‘Natural Killer Cel Funktie & Dipeptidyl Peptidase IV/CD26 – biomerkers voor CVS?] en lymfocyten gen-expressie [Steinau M, Unger ER et al. Differential-display PCR of peripheral blood for biomarker discovery in Chronic Fatigue Syndrome. J Mol Med (2004) 82: 750-5 /// Light AR et al. 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] identificeerden. Om te bepalen of de 4 ge-upreguleerde miRNAs geschikte merkers zijn om CVS/M.E.-individuen te onderscheiden van een gematchte controle-groep, werd een ROC-analyse uitgevoerd. Deze toonde aan dat alle 4 de merkers patiënten van controles konden onderscheiden, met een specificiteit vergelijkbaar met die van gepubliceerde studies. Deze miRNAs zouden specifiek voor CVS/M.E.-patiënten kunnen zijn […]. Validering bij grotere geblindeerde groepen patiënten is echter nodig vooraleer de diagnostische buikbaarheid van de in deze studie geïdentificeerde miRNAs volledig kan worden benut.

Lymfocyten uit perifeer bloed werden reeds intensief onderzocht bij CVS/M.E.-patiënten en dit identificeerde wijzigingen qua cytokine-secretie, en veranderingen in cellulaire populaties en aktiviteit [Brenu EW et al. Longitudinal investigation of natural killer cells and cytokines in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. J Transl Med. (2012) 10: 88]. De cellulaire mechanismen en processen die worden gereguleerd door miRNAs zijn dikwijls cel-specifiek. Om te proberen de leucocyten-populatie die bijdraagt tot gewijzigde miRNA-expressie bij CVS/M.E. te identificeren, werden de 4 miRNAs met verhoogde expressie gekwantificeerd in PBMC-fracties van een nieuwe patiënten-groep. Hsa-miR-126 vertoonde verhoogde expressie in monocyten. Hoewel er tot op heden nog geen specifiek defekt in monocyten-aktiviteit werd aangetoond bij CVS/M.E., bleek hsamiR-126 CRK-proteïne expressie te downreguleren. Dit proteïne inhibeert cel-invasie en -migratie en bleek proliferatie in dendritische cellen te controleren, wat suggereert dat verhoogde monocyten-aktiviteit gemedieerd door miRNA kan bijdragen tot de pathogenese van CVS/M.E.

Hsa-miR-330-3p & hsa-miR-99b wijzen op verhoogde expressie in B-cel en NK-cel populaties. Deze miRNAs bleken geassocieerd met kanker, endometriose, beslissingen aangaande het lot van cellen en angiogenese. Hsa-miR-99b bleek gericht te zijn op componenten van NF-κB, mTOR en AKT signalisering-mechanismen. mTOR signalisering is cruciaal voor normale proliferatie, cytotoxische en cytokine-effector funkties in gezonde NK-cellen, en normale BCR (B-cel receptor) signalisering en proliferatie in B-cellen. Verhoogde hsa-miR-99b expressie die mTOR reguleert, ondersteunt de vermindering qua effector-funktie die wordt geobserveerd in NK-cellen van CVS/M.E.-patiënten die wordt gerapporteerd in de literatuur, en ondersteunt de ontregeling van genen betrokken bij B-cel rijping en ontwikkeling die werd geïdentificeerd via gen-expressie studies [Vernon SD, Broderick G et al. Evidence of inflammatory immune signaling in Chronic Fatigue Syndrome: A pilot study of gene expression in peripheral blood. Behav Brain Funct. (2008) 4: 44; zie ‘Bewijs voor inflammatoire immuun-signalisering bij CVS]. Hsa-miR-330-3p bleek cellulaire beweeglijkheid te reguleren […] in prostaatkanker-celllen en proliferatie […] bij colorectale kanker.

Hsa-miR-30c vertoont geen veranderde expressie in de cellulaire fracties: dit suggereert dat de geobserveerde over-expressie in de oorspronkelijke PBMC-groep wellicht specifiek is voor die groep. Dit toont de noodzaak aan voor validering van de bevindingen bij afzonderlijke niet-gerelateerde groepen of patiënten.

Om de effekten van de gewijzigde miRNA-expressie geïdentificeerd bij CVS/M.E op cellulair mRNA te bestuderen, verkozen we transfectie van de miRNAs met de grootste over expressie (hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p) in gezonde NK-cellen (het meest consistent geïdentificeerd als zijnde funktioneel verstoord bij CVS/M.E.-patiënten). Interferon-gamma (IFN-γ) vertoonde de grootste expressie-wijziging in respons op introductie van hsa-miR-99b: een toename qua expressie van 2,6 maal. Dit gen codeert voor een cytokine gesecreteerd door NK-cellen met een cruciale rol in anti-virale, anti-tumor en immuun-regulerende effekten gecombineerd met het bevorderen van NK-cel aktiviteit. Meting van IFN-γ gaf in een aantal CVS/M.E.-studies variabele resultaten. Er werd verhoogd mRNA in NK-cellen van CVS/M.E.-patiënten aangetoond, ondersteund door een verhoging qua circulerende IFN-γ secreterende CD3 CD56+ NK-cellen beschreven bij CVS/M.E.-patiënten [Brenu EW et al. Role of adaptive and innate immune cells in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. Int Immunol. (2014) 26: 233-42; zie ‘Rol van adaptieve en aangeboren immuun-cellen bij M.E.(cvs)]. Plasma-concentraties van IFN-γ bleven echter onveranderd bij 40 vrouwelijke CVS/M.E.-patiënten t.o.v. gematchte controles [Fletcher MA et al. Plasma cytokines in women with Chronic Fatigue Syndrome. J Transl Med. (2009) 7: 96; zie ‘Cytokinen in plasma bij vrouwen met CVS].

Eén consistente bevinding bij CVS/M.E.-patiënten is de vermindering qua cytotoxische aktiviteit van NK-cellen, dikwijls geassocieerd met een verandering qua niveau van componenten van cytotoxische granules – granzyme & perforine. In deze studie was Granzyme-B (GZMB) significant ge-upreguleerd door hsa-miR-99b, wat een versterkte cytotoxische capaciteit suggereert. CTSL (Cathepsine-L) vertoonde echter de grootste downregulering door hsa-miR-99b. Dit enzyme is nodig voor het verwerken (van precursor tot aktieve vormen) van componenten uit lytische granules (granzyme & perforine), wat een verklaring suggereert voor het verhoogd GZMB mRNA – dat hier en in de literatuur wordt gemeld – leidend tot verminderde effector-funktie. Dit mechanisme suggereert een opéénstapeling van precursor-proteïnen voor GZMB en perforine in lytische vesikels met verminderde cytotoxische werking, wat wordt ondersteund door gegevens die gedaalde NK-cel cytotoxiciteit identificeerden bij CVS/M.E.-patiënten zonder een geassocieerde verstoring van de degranulatie. Over-expressie van hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p induceerde een gen-expressie patroon dat consistent is met NK-cel aktivatie verhogende IFN-γ expressie en genen betrokken bij cellulaire beweeglijkheid, vesikel-vorming en modulatie van het actine-cytoskeleton (KLRF1, STOM, S100A4, FEZ1, ARPC3 & TPM3P5). Er werd gepostuleerd dat geaktiveerde NK-cellen in het perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten het resultaat kunnen zijn van een onvolledig verdwijnen van virale infektie, wat de meest geciteerde trigger is als aanvang van CVS/M.E.-symptomen. Deze gegevens tonen ook een molekulaire basis voor de vermindering qua NK-cytotoxiciteit, die wordt gezien bij CVS/M.E.-patiënten, gemedieerd door miRNA, via directe downregulering van enzymen die vereist zijn voor het verwerken van componenten van cytotoxische vesikels, en downregulering van genen in autofagie-, WNT- en AKT-mechanismen [bepaalde signaal-traansductie mechanismen] (ULK1, ATG2A, PMEPA1, DKK3, PDCD4) vereist voor normale proliferatie en rijping van geaktiveerde NK-cellen. Bijkomende validering van de proteïne-doelwitten die worden gereguleerd door de geïdentificeerde miRNAs is wenselijk om de miRNA-gemedieerde NK-cel dysfunktie bij in CVS/M.E. volledig te definiëren.

De voorgestelde gegevens identificeren ontregeling van miRNA-expressie in cellen van het perifeer bloed van CVS/M.E.-patiënten, bevestigd in 2 patiënten-groepen, in PBMCs en cellulaire subgroepen, en identificeert 4 mogelijke diagnostische biomerkers. ‘Natural killer’ cellen vertoonden de grootste veranderingen qua miRNA-expressie met upregulering van hsa-miR-99b & hsa-miR-330-3p. Deze bevindingen zijn funktioneel consistent met het begrip van de pathogenese van CVS/M.E. Het werk dat hier wordt gepresenteerd levert nieuw bewijsmateriaal voor een gewijzigde NK-cel aktivatie-mechanisme bij CVS/M.E. waarbij hsa-miR-99b is betrokken en suggereert een mechanisme voor de verminderde effector-funktie die wordt gezien bij CVS/M.E., wat eerder nog niet werd aangetoond.

Volgende pagina »

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.