M.E.(cvs)-wetenschap

mei 25, 2017

Metagenomische profielen in stoelgang bij subgroepen M.E.(cvs)-patiënten

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 6:05 am
Tags: , , , , , , ,

In een persbericht beklemtoonden de eerste auteur van onderstaande studie: “Individuen met M.E./CVS hebben een aparte mix van darm-bakterieën en gerelateerde metabole stoornissen die de ernst van hun ziekte kunnen beïnvloeden.” en “De analyse suggereert dat we in staat zouden moet zijn patiënten met M.E./CVS te subtyperen via het analyseren van het microbioom in hun stoelgang.”. Dr Ian Lipkin (autoriteit omtrent het gebruik van molekulaire methodes voor pathogeen-ontdekking) voegde er aan toe: “Wellicht zoals bij IBS (irritable bowel syndrome’, prikkelbare darm syndroom), kan bij M.E./CVS een verstoring in de communicatie tussen de hersenen en de darmen (gemedieerd door bakterieën, hun metabolieten en de molekulen die ze beïnvloeden) betrokken zijn. Door de specifieke bakterieën te identificeren, komen we een stap dichter bij meer accurate diagnose en doelgerichte therapieën.”.

Alle darm-studies bij M.E.(cvs) gebruikten tot nu toe zgn. 16S rRNA sequentie-bepaling om het microbioom te analyseren. Deze methode focust op een deeltje van het bakterieel genoom (het 16S ribosomaal RNA) en omdat 97% gelijkaardig zijn, zullen er bij zowat 40% van de bakterie-geslachten sequenties zijn die niet goed te onderscheiden zijn; ‘Characterization of the Gut Microbiome Using 16S or Shotgun Metagenomics’ in Front Microbiol. (2016) 20: 459). De 16S rRNA methodiek geeft ook tegenstrijdige resultaten, waardoor de resultaten kunnen variëren. De studies zijn daarom niet waardeloos (ze geven een idee over de betrokken bakterie-soorten) maar ze kunnen niet differentiëren tussen sommige nuttige en schadelijke soorten in een geslacht; ze zijn niet specifiek genoeg. Dr Lipkin gebruikte de (duurdere maar veel preciezere) methode genaamd ‘shotgun’ metagenomische sequentie-bepaling (analyse van het totale metagenoom d.m.v. onbeperkte sequentie-bepaling van het genoom van alle micro-organismen aanwezig in een staal en bio-informatische aanpak van de gegevens) dat het ganse genoom analyseert. In een interview zei hij dat hij overtuigd was dat de in de studie geïdentificeerde soorten correct zijn.

De resultaten komen omstandig aan bod in onderstaand stuk. De aanwezigheid van prikkelbare darm syndroom bij de M.E.(cvs)-patiënten zorgde voor verschillen. De resultaten lijken te suggereren dat M.E.(cvs)-patiënten mét IBS minder ‘goede bakterieën’ in hun darm hebben. Dit zou kunnen leiden tot inflammatie en zgn. ‘lekkende darm’ waardoor bakterieën in het bloed komen en een immuun-respons triggeren. Of IBS leidt tot M.E.(cvs) of er een gevolg van is, is nog onduidelijk.

Dat darm-bakterieën ons metabolisme beïnvloeden is geweten. Daarom bepaalden de researchers ook welke effekten de verschillen zouden kunnen hebben om de werking van het metabolisme. Analyse gaf aan dat verschillende metabole mechanismen naar voor kwamen in de verschillende groepen. Er zijn belangrijke overéénkomsten qua (door bakterieën geaktiveerde) metabole mechanismen bij M.E.(cvs)-patiënten mét en zonder IBS, maar ook belangrijke verschillen. Problemen met de aanmaak van ATP en de ureum-cyclus blijken meer geassocieerd met M.E.(cvs) mét IBS; problemen met het vetzuren-metabolisme zijn gemeenschappelijk voor alle M.E.(cvs)-patiënten.

Verrassend was dat de gevonden bakteriële verschillen niet gelinkt bleken te zijn met veranderingen qua cytokinen. Lipkin zei dat dit wellicht was omdat er weinig patiënten in de studie zaten die nog maar kort M.E.(cvs) hadden (deze met een ge-upreguleerd immuunsysteem) om verschillen qua immuniteit op te pikken. Een groter patiënten-staal had er misschien voor gezorgd dat dit wel werd gedetekteerd.

De verschillen qua bakterie-soorten leken ook een effekt te hebben op de symptomen.

Het onderzoek-team omvatte top-klinici wat betreft M.E.(cvs) die ervoor zorgden dat de diagnose rigoureus werd gesteld: Nancy Klimas, Dan Peterson, Jose Montoya, Lucinda Bateman & Susan Levine. Professor Anthony Komaroff (Harvard Medical School) maakte er ook deel van uit. Ondersteuning van het onderzoek kwam van het ‘Chronic Fatigue Initiative’ van de ‘Hutchins Family Foundation’, de ‘National Institutes of Health Centre for Research in Diagnostics and Discovery’ en via crowdfunding van het ‘Microbe Discovery Project’.

Naar behandeling toe zou men kunnen denken in de richting van pre- & pro-biotica, immuno-modulerende medicijnen en/of stoelgang-transplantatie; maar één unieke behandeling voor alle patiënten lijkt ons geen optie. Zowiezo zullen er (gerepliceerde) klinische testen moeten aan voorafgaan…

Lees ook nog: ‘Microbioom sekse-verschillen bij M.E.(cvs)’.

————————-

Microbiome (2017) 5: 44

Fecal metagenomic profiles in subgroups of patients with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome

Nagy-Szakal D (1), Williams BL (1), Mishra N (1), Che X (1), Lee B (1), Bateman L (2), Klimas NG (3,4), Komaroff AL (5), Levine S (6), Montoya JG (7), Peterson DL (8), Ramanan D (9), Jain K (1), Eddy ML (1), Hornig M (1), Lipkin WI (10)

1 Centre for Infection and Immunity, Columbia University Mailman School of Public Health, New York, NY, 10032, USA

2 Fatigue Consultation Clinic, Salt Lake City, UT, 84102, USA

3 Institute for Neuro-Immune Medicine, College of Osteopathic Medicine, Nova Southeastern University, Fort Lauderdale, FL, 33314, USA

4 Miami VA Medical Centre, Miami, FL, 33125, USA

5 Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA, 02115, USA

6 Levine Clinic, New York, NY, 10021, USA

7 Stanford University, Palo Alto, CA, 94305, USA

8 Sierra Internal Medicine at Incline Village, Incline Village, NV, 89451, USA

9 Ayasdi, Inc., Menlo Park, CA, 94025, USA

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

Samenvatting

ACHTERGROND: Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) wordt gekenmerkt door onverklaarde persistente vermoeidheid, die gewoonlijk vergezeld wordt door cognitieve dysfunktie, slaap-stoornissen, orthostatische intolerantie, koorts, lymfadenopathie en prikkelbare darm syndroom (IBS). De mate waarop het gastro-intestinaal microbioom en perifere inflammatie geassocieerd zijn M.E./CVS blijft onduidelijk. We betrachten een rigoureuze klinische karakerisatie, faecale bakteriële metagenomica en analyse van immuun-molekulen in het plasma bij 50 M.E./CVS-patiënten en 50 gezonde controles gematcht voor leeftijd, geslacht, ras/ethniciteit, geografische lokatie en seizoen waarin de staalname gebeurde.

RESULTATEN: Topologische analyse onthulde associaties tussen IBS co-morbiditeit, body-mass-index, faecale bakteriële samenstelling en bakteriële metabole mechanismen maar niet met plasma immuun-molekulen. IBS co-morbiditeit was de sterkste bepalende factor voor het afzonderen van topologische netwerken gebaseerd op bakteriële profielen en metabole mechanismen. Voorspellende selektie-modellen gebaseerd op bakteriële profielen ondersteunden de bevindingen van topologische analyses die er op wijzen dat M.E./CVS-subgroepen, gedefinieerd op basis van IBS-status, kunnen worden onderscheiden van controle-individuen met een hoge voorspellende accuraatheid. Bakteriële taxa [taxonomische groepen; organismen die samen een éénheid vormen] die M.E./CVS-patiënten met IBS voorspellen, waren verschillend van taxa geassocieerd met M.E./CVS-patiënten zonder IBS. Verhoogde aantallen ongeklassificeerde Alistipes en verlaagde Faecalibacterium doken op als de top biomerkers van M.E./CVS met IBS; terwijl verhoogde aantallen ongeklassificeerde Bacteroides en verlaagde Bacteroides vulgatus de top biomerkers van M.E./CVS zonder IBS waren. Ondanks het vinden van verschillen qua bakteriële taxa en metabole mechanismen die M.E./CVS-subgroepen definiëren, bleken metabole mechanismen geassocieerd met biosynthese van onverzadigde vetzuren en verhoogde atrazine [onkruid-verdelgingsmiddel] -afbraak mechanismen onafhankelijk van IBS co-morbiditeit. Verhoogde vitamine-B6 biosynthese/hergebruik en pyrimidine-ribonucleoside afbraak waren de top metabole mechanismen bij M.E./CVS zonder IBS alsook bij de totale M.E./CVS-groep. Bij de M.E./CVS-subgroepen waren symptoom-ernst metingen (pijn, vermoeidheid en verminderde motivatie) gecorreleerd met de hoeveelheden verschillende bakteriële taxa en metabole mechanismen.

BESLUITEN: Onafhankelijk van IBS is M.E./CVS geassocieerd met dysbiose [dysbakteriose; microbieel onevenwicht] en verschillende bakteriële metabole stoornissen die de ziekte-ernst kunnen beïnvloeden. Onze bevindingen geven echter aan dat dysbiotische kenmerken die uniek met M.E./CVS geassocieerd zijn, kunnen gemaskeerd zijn door stoornissen die voortvloeien uit de hoge prevalentie van IBS co-morbiditeit bij M.E./CVS. Deze inzichten kunnen een meer accurate diagnose mogelijk maken en leiden tot inzichten die informeren met betrekking tot de ontwikkeling van specifieke therapeutische strategieën voor M.E./CVS-subgroepen.

Achtergrond

[…]. 35 tot 90% van de M.E./CVS-individuen melden abdominaal ongemak dat consistent is met prikkelbare darm syndroom (IBS).

Bakterieën, hun metabolieten en de gastheer-molekulen die ze beïnvloeden nemen deel aan bidirectionele communicatie-mechanismen die de darm en het centraal zenuwstelsel (CZS) verbinden. Intestinale dysbiose kan de plaatselijke fysiologie (zoals bij IBS) en immunologische circuits, alsook cognitie en stemming ontregelen.

Studies gebaseerd op culturen en sequentie-bepaling van 16S ribosomaal RNA (rRNA) van stoelgang-bakterieën hebben bewijs voor dysbiose (een onevenwicht van intestinale bakteriële populaties) onthuld bij M.E./CVS [bv. Giloteaux L et al. Reduced diversity and altered composition of the gut microbiome in individuals with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Microbiome (2016) 4: 30]. Er werden veranderingen qua plasma-metabolieten geïdentificeerd die M.E./CVS-patiënten onderscheiden van gezonde controles. Minstens enkele van deze metabolieten zijn produkten van het intestinaal microbioom [Yamano E et al. Index markers of Chronic Fatigue Syndrome with dysfunction of TCA and urea cycles. Sci Rep. (2016) 6: 34990 /// Naviaux RK et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc Natl Acad Sci USA. (2016) 113: E5472-5480]. Hier bieden we een aanvulling en uitbreiding van dit werk bij een groep van M.E./CVS-patiënten en 50 gezonde controles d.m.v. ‘shotgun’ metagenomische sequentie-bepaling [zie onze inleiding], analyse van metabole mechanismen, en verbinding met klinische gegevens en plasma immuun-profielen. We gebruiken ook een nieuw topologische data analyse (TDA) platform [Topologie is een wiskundige discipline die vorm bestudeert. Hier betekent dit multi-dimensionele subgroepen/netwerken. Topologische Data Analyse verwijst naar het analyseren van grote hoeveelheden complexe gegevens.] dat verbanden onthult die over het hoofd kunnen worden gezien bij gebruik van lineaire analytische modellen.

Methodes

[…]

Resultaten

Kenmerken van de studie-populatie

Patiënten voldeden aan de 1994 CDC Fukuda en de 2003 Canadese consensus criteria. […] 41 vrouwelijke en 9 mannelijke M.E./CVS-patiënten (gemiddelde leeftijd 51,1 jaar); 41 vrouwelijke en 9 mannelijke controle (gemiddelde leeftijd 51,3 jaar). […] IBS-diagnose bij 21 van de 50 M.E./CVS-patiënten (42%) en geen enkele van de controles. 9 van de 21 M.E./CVS mét IBS patiënten (43%) rapporteerden een IBS-diagnose te hebben gekregen vóór M.E./CVS. 28 M.E./CVS-patiënten en 22 controles hadden hoge BMI (>25 kg/m2).

Topologische data analyse (TDA) van faecale microbiomen, voorspelde bakteriële metabole mechanismen, plasma immuun-molekule profielen en klinische kenmerken

Er werd ‘shotgun’ metagenomische sequentie-bepaling van stoelgang-stalen aangewend om de microbiële samenstelling te bepalen (relatieve hoeveelheden van taxa) en de bakteriële metabole mechanismen bij de M.E./CVS-patiënten en de controle-individuen af te leiden. […] We construeerden een TDA-netwerk opgebouwd uit de 100 stalen […] en 1.358 variabelen (574 m.b.t. de relatieve hoeveelheden bakteriële taxa; 586 m.b.t. de metabole mechanismen – 131 ‘super-pathways’ [combinaties van biochemische mechanismen die de biosynthese of het metabolisme van een groep verwante molekulen beschrijven] en 455 individuele metabole mechanismen; 61 die de waarden weerspiegelen van elke plasma immuun-molekule; 80 m.b.t. symptomen (items van gezondheid-vragenlijsten) en 57 m.b.t. co-morbiditeiten en demografische variabelen). De verbanden tussen deze datasets werden geanalyseerd […] om multi-dimensionele netwerken en de individuele factoren (microbiële, metabole mechanismen, immuun-molekulen en klinische variabelen) die deze netwerken onderscheiden, te identificeren

De M.E./CVS-patiënten vormden topologische netwerken afgezonderd van de controle-individuen. IBS co-morbiditeit was de sterkste bepalende factor in de afscheiding van de metagenomen bij M.E./CVS. TDA onthulde verschillen qua bakteriële taxa en metabole mechanismen tussen M.E./CVS, M.E./CVS mét IBS en M.E./CVS zonder IBS vs. controles. Op het niveau van bakteriële families, waren de relatieve hoeveelheden Lachnospiraceae & Porphyromonadaceae lager bij M.E./CVS (mét én zonder IBS) vergeleken met controles, terwijl de relatieve hoeveelheden van Clostridiaceae hoger. Op het niveau van de geslachten, waren de Dorea, Faecalibacterium, Coprococcus, Roseburia & Odoribacter lager bij M.E./CVS t.o.v. de controles, terwijl de Clostridium & Coprobacillus hoger waren. De 12 bakterie-soorten die de verschillen bepalen tussen de M.E./CVS- en controle-groepen waren Faecalibacterium prausnitzii, Faecalibacterium cf., Roseburia inulinivorans, Dorea longicatena, Dorea formicigenerans, Coprococcus catus, Odoribacter splanchnicus, Ruminococcus obeum & Parabacteroides merdae (gedaald bij M.E./CVS), en Clostridium asparagiforme, Clostridium symbiosum & Coprobacillus bacterium (gestegen bij M.E./CVS).

De variabiliteit binnen de controle-groep was kleiner dan in de M.E./CVS-groep. […] Bij M.E./CVS mét IBS waren er minder van de Proteobacteria fylum [bakteriële stam], C. Catus & F. prausnitzii soorten, en minder van de Clostridiaceae familie vergeleken met controles. Analyse van de ‘super-pathways’ toonde wijzigingen qua haem [onderdeel van hemoglobine in rode bloedcellen maar ook een belangrijke groep in mitochondriale cytochromen] -biosynthese, en carboxylaten [lactaat, pyruvaat en keton-lichamen], aminozuren en polyaminen [organische verbindingen die meer dan één amine-groep bevatten] -metabolisme. Bij de M.E./CVS zonder IBS werd het verschil bepaald door de verhoogde hoeveelheden van leden van de Clostridiaceae familie, de Clostridium & Pseudoflavonifractor geslachten, en de verminderde hoeveelheden van leden van de Porphyromonadaceae familie, en Odoribacter & Parabacteroides geslachten. De bakteriële soorten bepalend voor de verschillen tussen M.E./CVS zonder IBS en controles waren D. formicigenerans, C. catus, Blautia hansenii & Parabacteroides distasonis (allen gedaald bij M.E./CVS zonder IBS) en ongeklassificeerde Bacteroides, D. longicatena, Ruminococcus gnavus, C. symbiosum, Eggerthella lenta, Pseudoflavonifractor capillosus, C. bacterium, Clostridium cf. & scindens (allen verhoogd bij M.E./CVS zonder IBS). […] Er werden hogere KS (Kolmogorov-Smirnov) scores [identificeert significante verschillen tussen netwerken] gevonden voor bakteriële taxa en metabole mechanismen die de M.E./CVS mét IBS groep onderscheidden van controles. Vergelijkingen aangaande de M.E./CVS mét IBS subgroep (vs. controles & vs. M.E./CVS zonder IBS) toonden sterke verbanden met bakteriële taxa en metabole mechanismen dan om ’t even welke andere vergelijkingen.

4 netwerken gedefinieerd door IBS co-morbiditeit en BMI waren geassocieerd met een duidelijk metagenomisch en immuun-profiel.

M.E./CVS en M.E./CVS -subgroepen zijn geassocieerd met een gewijzigde microbiële samenstelling

Taxonomische analyse van de samenstelling gebaseerd op metagenomische sequentie-bepaling gaf aan dat de 2 overwegende stammen bij M.E./CVS- en controle-individuen Bacteroidetes (64,9 & 63,4% respectievelijk) en Firmicutes (26,6 & 29,7% respectievelijk) waren. In combinatie waren Bacteroidetes & Firmicutes verantwoordelijk voor een gemiddelde relatieve hoeveelheid van 91,5% bij M.E./CVS en 93,1% bij controles. De andere stammen (Actinobacteria, Proteobacteria, Verrucomicrobia, Euryarchaeota, Lentisphaerae & Fusobacteria) kwamen in kleinere relatieve hoeveelheden (< 5%) voor in de stalen.

[…] Gegevens bekomen via andere statistische methodes bieden bewijs voor een grotere variabiliteit in de microbiomen van M.E./CVS-patiënten.

Er werden ook 22 bakteriële taxa geïdentificeerd die aangerijkt waren bij M.E./CVS en 27 aangerijkt bij controles. […] 41 bakteriële soorten, geslachten, families of orden verschilden tussen de M.E./CVS- en controle-groepen. 37 bakteriële taxa differentieerden M.E./CVS van controles volgens 2 statistische methodes. Op het niveau van bakteriële orden en families waren de relatieve hoeveelheden van leden van de orde Pasteurellales en van de families Lachnospiraceae, ongeklassificeerde Bacillales & Pasteurellaceae lager bij de M.E./CVS-patiënten dan bij de controles, terwijl de relatieve hoeveelheden van leden van de familie Clostridiaceae hoger lagen bij M.E./CVS. Op het niveau van geslachten waren de hoeveelheden van leden van de geslachten Faecalibacterium, Roseburia, Coprococcus, Gemella, Dorea & Haemophilus lager bij M.E./CVS, terwijl de hoeveelheden van de geslachten Clostridium, Pseudoflavonifractor, Anaerostipes & Coprobacillus hoger lagen bij M.E./CVS. De bakteriële soorten die de verschillen de M.E./CVS- en controle-groepen bepaalden, waren F. prausnitzii, Alistipes putredinis, Faecalibacterium cf., R. inulinivorans, D. longicatena, D. formicigenerans, Eubacterium ventriosum, Eubacterium hallii, Haemophilus parainfluenzae, P. distasonis, R. obeum & C. catus (allemaal gedaald bij M.E./CVS) en ongeklassificeerde Bacteroides, ongeklassificeerde Alistipes, P. capillosus, Clostridium bolteae, R. gnavus, C. asparagiforme, Anaerostipes caccae, C. bacterium, C. symbiosum & C. scindens (allemaal verhoogd bij M.E./CVS). Faecalibacterium, Roseburia, Dorea, Coprococcus, Clostridium, Ruminococcus & Coprobacillus soorten waren significant verschillend (M.E./CVS-patiënten vs. controles […]).

Bewijsmateriaal verkregen via TDA dat IBS gelinkt was met verschillen qua ziekte-ernst, microbiomen en immuun-profielen leidde er ons toe de patiënten-groep onder te verdelen in M.E./CVS mét IBS en M.E./CVS zonder IBS, en te testen op groep-specifieke verschillen in de microbiomen […].

Bij vergelijkingen van de M.E./CVS mét IBS en controles, identificeerden we 12 bakteriële soorten, geslachten of families die waren aangerijkt bij M.E./CVS mét IBS en 26 bakteriële taxa aangerijkt bij de controles. […] 21 bakteriële taxa verschilden tussen M.E./CVS mét IBS en controles. […] De verschillen werden bepaald door toenames qua vertegenwoordigers van de Clostridiaceae familie, Clostridium & Anaerostipes geslachten, en afnames qua vertegenwoordigers van de Lachnospiraceae familie, Faecalibacterium, Roseburia, Coprococcus & Dorea geslachten. De 13 bakteriële soorten die de verschillen bepaalden tussen M.E./CVS mét IBS en controles waren F. prausnitzii, F. cf., ongeklassificeerde Faecalibacterium, R. inulinivorans, C. comes, D. longicatena, E. hallii, D. formicigenerans, R. obeum & C. catus (telkens gedaald bij de M.E./CVS mét IBS), en ongeklassificeerde Alistipes, C. bolteae & A. caccae (telkens gestegen bij de M.E./CVS mét IBS).

Bij de M.E./CVS zonder IBS, identificeerden we 29 bakteriële soorten, geslachten of families die waren aangerijkt en 16 bakteriële taxa aangerijkt bij de controles. […] 22 bakteriële taxa verschilden tussen de M.E./CVS zonder IBS en controles. […] De verschillen bij M.E./CVS zonder IBS werden bepaald door de verhoogde hoeveelheden van leden van de Pseudomonadales orde, de Clostridiaceae & Pseudomonadaceae familie, en de Clostridium, Pseudomonas, Pseudoflavonifractor, Eggerthella & Coprobacillus geslachten, en door de verlaagde hoeveelheden van leden van het Dorea geslacht. De 13 bakteriële soorten die de verschillen bepaalden tussen M.E./CVS zonder IBS en controles waren D. formicigenerans, C. catus & P. distasonis, (allen gedaald bij M.E./CVS zonder IBS), en ongeklassificeerde Bacteroides, R. gnavus, D. longicatena, P. capillosus, E. lenta, C. symbiosum & scindens, C. bacterium en Clostridium cf. (allen gestegen bij M.E./CVS zonder IBS).

[…] Hoewel controles een significante lagere intra-groep ongelijkheid vertoonden t.o.v. zowel M.E./CVS zonder IBS en M.E./CVS mét IBS, hadden M.E./CVS mét IBS de hoogste intra-groep ongelijkheid. Vergelijkingen tussen de groepen toonden aan dat er lagere ongelijkheid was tussen controles en M.E./CVS zonder IBS dan het geval was tussen controles en M.E./CVS mét IBS. Vergelijkingen tussen M.E./CVS zonder IBS vs. M.E./CVS mét IBS toonden hogere ongelijkheid dan controles vs. M.E./CVS zonder IBS maar gelijkaardige ongelijkheid als tussen controles vs. M.E./CVS mét IBS. Er was dus evenveel ongelijkheid tussen de 2 M.E./CVS-subgroepen (gedefinieerd door IBS co-morbiditeit) als tussen controles en M.E./CVS mét IBS; en zelfs grotere ongelijkheid tussen de subgroepen van IBS. Gecombineerd suggereren deze resultaten dat de M.E./CVS-individuen een grotere variatie qua microbiomen hebben dan de controle-individuen en dat M.E./CVS-individuen mét IBS de grootste intra-groep variatie vertonen.

[…] De relatieve hoeveelheden van 11 bakteriële soorten onderscheidden zowel M.E./CVS mét IBS als M.E./CVS zonder IBS van de controles. De relatieve hoeveelheden van 19 bakteriële soorten onderscheidden M.E./CVS zonder IBS van controles, maar hielpen niet bij de differentiatie van de totale M.E./CVS-groep van de controle-groep. […]

We vergeleken het aantal bakteriële soorten bij de M.E./CVS-groepen en de controles. Er werd een totaal van 363 bakterie-soorten geïdentificeerd in de totale studie-groep. Het aantal geïdentificeerde soorten was gelijkaardig bij M.E./CVS-patiënten en controles (gemiddeld: 74,24 ± 1,67 bij M.E./CVS; 77,5 ± 2,07 bij controles). We vonden ook geen verschillen qua aantal bakterie-soorten als we de subroepen vergeleken op basis van IBS-status (gemiddeld: 71,62 ± 2,26 voor M.E./CVS mét IBS; 76,14 ± 2,34 voor M.E./CVS zonder IBS; 77,5 ± 2,07 voor controles).

Bakteriële soorten onderscheiden M.E./CVS en M.E./CVS mét IBS van gezonde controle-individuen

[…] Soorten uit de Firmicutes fylum waren de hoofd-determinanten voor M.E./CVS-groep status. De relatieve hoeveelheden van 4 bakteriële soorten (C. catus, P. capillosus, D. Formicigenerans & F. prausnitzii) onderscheidden de M.E./CVS-patiënten van de controles […]. De toevoeging van 4 extra bakteriële soorten (C. asparigiforme, Sutterella wadsworthensis, A. putredinis & Anaerotruncus colihominis) verbeterden de voorspelling. […]

De relatieve hoeveelheden van bepaalde bakteriële taxa definieerden M.E./CVS-patiënten mét IBS. De relatieve hoeveelheden van slechts 2 bakteriële soorten (Faecalibacterium cf. & Bacteroides vulgatus) onderscheidden M.E./CVS mét IBS van de controles met een matige accuraatheid […]. De accuraatheid van de voorspelling verbeterde wanneer 9 bijkomende bakteriële soorten (F. cf., F. prausnitzii, B. vulgatus, A. putredinis, C. catus, A. caccae, D. formicigenerans, A. Colihominis & C. asparagiforme) werden toegevoegd aan het model […].

Lidmaatschap van de M.E./CVS zonder IBS subgroep (t.o.v. de controle-groep) werd voorspeld door de relatieve hoeveelheden Bacteroides caccae, P. capillosus, P. distasonis, Bacteroides fragilis, Prevotella buccalis, Bacteroides xylanisolvens & D. formicigenerans […]. De bakteriële soorten Bacteroides, Clostridium, Pseudoflavonifractor & Parabacteroides werden in alle statistische testen gevonden in de M.E./CVS zonder IBS groep (vergeleken met controles). De gedaalde relatieve hoeveelheid van Bacteroides vulgatus onderscheidde de M.E./CVS zonder IBS groep van de M.E./CVS mét IBS groep (alle statistische testen).

M.E./CVS-patiënten mét IBS werden onderscheiden van de M.E./CVS zonder IBS door de relatieve hoeveelheden van 11 bakteriële soorten […].

Bakteriële metabole mechanismen bij M.E./CVS

Er werden bakteriële metagenomische gegevens gebruikt om de verschillen te voorspellen qua funktionele metabole mechanismen in de M.E./CVS-subgroepen. Alles te samen werden 455 individuele bakteriële metabole mechansimen geïdentificeerd en geanalyseerd. Bij analyse van (in het totaal 131) super-mechanismen bleken bakteriële vitamine-B6 biosynthese en hergebruik, pyrimidine-ribonucleoside [bouwstenen van DNA/RNA] afbraak en atrazine-afbraak significant aangerijkt, terwijl bakteriële mechanismen voor de biosynthese van arginine, polyaminen, onverzadigde vetzuren & mycolaten [mycolzuren zijn een groep organische zuren met zeer lange koolwaterstof-ketens, deze zuren aangetroffen in de celwand van bakterieën die behoren tot de Mycolata (waartoe o.a. de TBC-bakterie behoort)] significant gereduceerd waren bij M.E./CVS t.o.v. controles. De M.E./CVS mét IBS groep vertoonde voorspelde aanrijking qua bakteriële mechanismen voor fucose-, rhamnose- [suikers], atrazine-afbraak en L-threonine biosynthese, gedaalde haem-, aminozuren- en polyamine-biosynthese, en een verminderd metabolisme qua purine-, pyrimidine- en onverzadigde vetzuren vergeleken met controles. In de M.E./CVS zonder IBS groep, waren de voorspelde bakteriële mechanismen voor vitamine-B6 biosynthese en hergebruik, pyrimidine-ribonucleosiden, atrazine-, glycerol- en sulfolactaat [wordt omgezet tot pyruvaat] -afbraak gestegen, terwijl de biosynthese van onverzadigde vetzuren en mycolaten verlaagd waren vergeleken met de controles. […] Statistische analyse toonde aanrijking van het mechanisme voor atrazine-afbraak bij zowel in de M.E./CVS als de M.E./CVS mét IBS groepen vergeleken met de controles; voorspelde bakteriële mechanismen voor arginine-, polyamine-biosynthese en pyrimidine-ribonucleoside afbraak bleken gereduceerd bij M.E./CVS mét IBS. […] M.E./CVS vertoonde wijzigingen qua individuele bakteriële metabole mechanismen gelinkt met TCA-cyclus [citroenzuur- of Krebs-cyclus; pyruvaat + acetyl-CoA => citraat, enz.; levert energie], afbraak van alkohol en aromatische molekulen, en vetzuren/lipiden-metabolisme. De M.E./CVS mét IBS groep was geassocieerd met gewijzigde bakteriële mechanismen voor vetzuren/lipiden-metabolisme, biosynthese van aromatische molekulen en afbraak van koolhydraten (CHO)/carboxylaten.

Plasma cytokine-concentraties onderscheidden de M.E./CVS-groepen niet

Er werd immuun-profilering uitgevoerd om te testen op veranderingen in de M.E./CVS-subgroepen. Er werden geen significante bevindingen vastgesteld […] voor alle 61 cytokinen. Vóór statistische aanpassing was TNF-α verhoogd bij de M.E./CVS-patiënten, vergeleken met de controles en de plasma-waarden van leptine, CSF-2, CXCL-8 & TNF-α waren hoger bij de M.E./CVS mét IBS patiënten dan bij de controles. De M.E./CVS-patiënten zonder IBS vertoonden (vóór de aanpassing) een trend tot verhoogd TNF-α vergeleken met controles. […] Er werd geen duidelijke clustering gezien tussen de ziekte-groepen.

Een voorspellend model gebaseerd enkel op de immuun-gegevens was weinig accuraat voor het onderscheiden van de M.E./CVS diagnostische groepen en controles […].

Correlaties van symptoom-ernst scores met hoeveelheden van bakteriële soorten en voorspelde bakteriële metabole mechanismen bij M.E./CVS en M.E./CVS-subgroepen

We onderzochten of de relatieve hoeveelheden van individuele bakteriële soorten, gedefinieerd door hun associatie met M.E./CVS en subgroepen, correleerden met de ‘Short Form 36 Health Survey’ en de ‘Multidimensional Fatigue Inventory’. De correlaties tussen de bakterie-soorten en de ziekte-ernst waren significant voor alle gevallen (M.E./CVS, M.E./CVS mét IBS of M.E./CVS zonder IBS).

Bij alle M.E./CVS-gevallen waren de verhoogde relatieve hoeveelheden van R. gnavus, C. bacterium, C. bolteae & C. asparagiforme geassocieerd met betere vitaliteit-, gezondheidverandering- en motivatie-scores. Verlaagde relatieve hoeveelheden F. prausnitzii & C. catus waren geassocieerd met slechtere scores qua emotioneel welzijn, terwijl verhoogde hoeveelheden R. inulinivorans & D. formicigenerans geassocieerd waren met verbeterde motivatie-scores.

Bij de M.E./CVS mét IBS gevallen waren gedaalde relatieve hoeveelheden ongeklassificeerde Alistipes, D. longicatena & R. inulinivorans geassocieerd met verbeterde vitaliteit-, gezondheidverandering- en vermoeidheid-scores. Verlaagde relatieve hoeveelheden van C. Comes & Faecalibacterium soorten waren geassocieerd met slechtere scores voor vermoeidheid en pijn, respectievelijk.

Bij de M.E./CVS zonder IBS, was de gestegen relatieve hoeveelheid van P. capillosus geassocieerd met slechtere scores voor vitaliteit, emotioneel welzijn, gezondheidveranderingen en motivatie. De relatieve hoeveelheden van D. formicigenerans & C. scindens waren geassocieerd met verbeterde motivatie-scores, gelijkaardig met patronen gezien bij totale M.E./CVS.

Metabole mechanismen voorspeld via bakteriële metagenomische gen-content onthulde correlaties tussen aktiviteit in specifieke mechanismen en klinische kenmerken. Verlaagde polyaminen-biosynthese bij zowel in M.E./CVS en M.E./CVS mét IBS was geassocieerd met slechter scores qua lichamelijke funktie scores en verhoogde vermoeidheid. Bij M.E./CVS mét IBS waren verhoogde fucose- en rhamnose-afbraak, en verhoogde threonine-biosynthese geassocieerd met slechtere scores voor algemeen welzijn en pijn, verlaagde fenylalanine- en tyrosine [aminozuren] -biosynthese, en verlaagde pyrimidine-deoxyribonucleoside afbraak waren geassocieerd met slechtere scores qua algemeen welzijn, mentale vermoeidheid en pijn. Verhoogde sulfolactaat-afbraak bij M.E./CVS zonder IBS was geassocieerd met betere pijn-scores.

Bespreking

M.E./CVS gaat gepaard met systemische inflammatie en zowel gastro-intestinale als neurologische stoornissen. Zodoende onderzochten we verbanden tussen microbiomen, metabole mechanismen en plasma cytokine-profielen bij individuen met M.E./CVS en gematchte controles. Metagenomische analyse en voorspellende selektie onthulde bakterie-soorten waarvan de relatieve hoeveelheden geassocieerd waren met M.E./CVS. Op basis van bevindingen uit verschillende modellen, bleken Faecalibacterium, Roseburia, Dorea, Coprococcus, Clostridium, Ruminococcus & Coprobacillus sterk geassocieerd met M.E./CVS; een combinatie van hun relatieve hoeveelheden leek de diagnose te kunnen voorspellen.

We kunnen geen directe vergelijking maken tussen de hier verkregen metagenomische resultaten en andere die gebaseerd waren op 16S rRNA analyses. Niettemin repliceren onze bevindingen deze van andere onderzoek-groepen wat betreft het aantonen van intestinale dysbiose bij M.E./CVS [bv. Shukla SK et al. Changes in gut and plasma microbiome following exercise challenge in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS). PLoS One. (2015) 10: e0145453]. Er werden verminderde hoeveelheden van meerdere Firmicutes-populaties (zoals Roseburia, Synthrophococcus, Holdemania & Dialister) gevonden en een verhoogde hoeveelheid van Lactonifactor & Alistipes. Anderen rapporteerden een daling qua hoeveelheden Firmicutes en verschillen met controles qua aanwezigheid van 40 bakteriële soorten (inclusief F. prausnitzii, Ruminococcus spp, Coprococcus spp, E. lenta & C. aerofaciens). Onze bevindingen tonen ook verminderde Faecalibacterium soorten en verhoogde Alistipes bij M.E./CVS aan als de sterkste voorspellers van de ziekte.

De prevalentie van IBS co-morbiditeit is hoog bij individuen met M.E./CVS (35-90%). De onderliggende link tussen deze aandoeningen en de richting van het verband dienen nog te worden onderzocht. M.E./CVS en z’n onderliggende pathofysiologie of de emotionele responsen op het ziek-zijn bij deze individuen zou mensen die lijden aan M.E./CVS tot IBS kunnen voorbestemmen. Angst (bijzonderlijk bezorgdheid om gezondheid) en depressie komen courant voor bij M.E./CVS, en angst en depressie verdubbelen het risico op IBS. Een andere optie is de associatie tussen M.E./CVS en IBS ontstaan ten gevolge overlappende pathofysiologische mechanismen die bijdragen tot de ontwikkeling van beide syndromen. Bv: infektueuze gastro-enteritis veroorzaakt door bakteriële (Campylobacter jejuni, Salmonella enterica, Shigella sonnei, Escherichia coli 0157:H7), virale (norovirus) of protozoale (Giardia lamblia) pathogenen verhogen het risico op post-infektueuze IBS. Er wordt dikwijls gemeld dat M.E./CVS zich ontwikkelt na een acute infektueuze ziekte, en er werden post-infektueuze vermoeidheid toestanden gerapporteerd na bakteriële, virale en protozoale infekties [Hickie et al. Post-infective and Chronic Fatigue Syndromes precipitated by viral and non-viral pathogens: prospective cohort study. BMJ (2006) 333: 575]. Acute giardiasis [darm-infektie veroorzaakt door de parasiet Giardia lamblia] bv. is geassocieerd met een verhoogd risico op post-infektueuze IBS […] én verhoogd risico op post-infektueuze chronische vermoeidheid […]). Ten slotte: de associatie tussen deze syndromen zou kunnen voortkomen uit symptoom-overlapping. Inderdaad: er is symptoom-overlapping tussen IBS en andere funktionele somatische syndromen, inclusief M.E./CVS en fibromyalgie. IBS-patiënten hebben ook hogere scores op de ‘Fatigue Impact Scale’ dan gezonde individuen.

TDA onthulde dat IBS co-morbiditeit een belangrijke bepalende factor was van de topologische netwerken in onze M.E./CVS-groep. Gedaalde relatieve hoeveelheden qua Faecalibacterium soorten, R. obeum, E. hallii en C. comes waren geassocieerd met IBS co-morbiditeit. Het geslacht Anaerostipes was verhoogd bij M.E./CVS mét IBS, maar niet bij M.E./CVS zonder IBS. In tegenstelling daarmee werden de relatieve hoeveelheden van ongeklassificeerde Bacteroides, P. capillosus, E. lenta (telkens verhoogd) en P. distasonis (verlaagd) geïdentificeerd als specifieke merkers voor M.E./CVS zonder IBS. De relatieve hoeveelheid van D. longicatena was verhoogd bij M.E./CVS zonder IBS maar verlaagd bij M.E./CVS mét IBS. Dus: hoewel sommige verschillen qua bakteriële taxa in de totale M.E./CVS-groep worden bepaald door de hoge prevalentie van IBS co-morbiditeit, zijn andere specifiek voor M.E./CVS.

De verminderde hoeveelheden Faecalibacterium & Coprococcus soorten zijn geassocieerd met IBS-achtige symptomen, inclusief hyper-sensitiviteit van het colon, opgeblazen gevoel en gastro-intestinaal ongemak bij mensen en in dieren-modellen. Er werd gepostuleerd dat een gewijzigd microbioom leidt tot verhoogde darm-permeabiliteit (“leaky gut” [lekkende darm]) en intestinale inflammatie met gastro-intestinale symptomen. Verhoogde translocatie van lipopolysacchariden (LPS) van Gram-negatieve bakterieën leidt tot aanmaak van auto-antilichamen, disruptie van ‘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], en zowel lokale gastro-intestinale als systemische inflammatie. Eerdere bevindingen die veranderingen in de microbiomen van IBS-patiënten aantonen, werden hier bevestigd door de sterke associatie van deze bakterieën bij M.E./CVS-individuen mét IBS. Gezien de hoge mate van of IBS co-morbiditeit bij M.E./CVS, benadrukken dergelijke bevindingen het belang van het nagaan van IBS co-morbiditeit in studies die de rol van het microbioom bij M.E./CVS evalueren.

Het voorspellen van metabole mechanismen via bakteriële metagenomische genen-inhoud onthulde bijkomende veranderingen bij M.E./CVS en M.E./CVS-subgroepen. Gelijkaardig met onze bevindingen betreffende verschillen qua bakteriële samenstelling, waren verschillen qua voorspelde bakteriële metabole mechanismen die werden gevonden bij de totale M.E./CVS-groep representatief voor de verzamelde bevindingen geassocieerd met IBS-subgroepen. Deze resultaten suggereren dat, zoals bij bakteriële taxa, enkele bakteriële metabole mechanismen uniek gewijzigd kunnen zijn bij M.E./CVS terwijl andere gelinkt kunnen zijn met IBS co-morbiditeit.

Aanrijking van het mechanisme voor vitamine-B6 biosynthese en hergebruik was de sterkste voorspeller voor M.E./CVS alsook M.E./CVS zonder IBS, wat suggereert dat dit verband onafhankelijk is van IBS. Er werd een daling van de funktionele B-vitamine status gerapporteerd bij M.E./CVS-patiënten; het is echter onduidelijk of dergelijke verschillen kunnen worden toegeschreven aan afwijkende gastheer of bakteriële metabole mechanismen. Pyrimidine-deoxyribonucleoside afbraak en individuele mechanismen verbonden met de TCA-cyclus zijn energie-regulerende mechanismen in het gastheer-metabolisme. Wat verder de verschillen tussen M.E./CVS mét en zonder IBS benadrukt, is het feit dat het voorspelde bakterieel mechanisme van de pyrimidine-ribonucleoside afbraak was aangerijkt bij M.E./CVS zonder IBS (en in de totale M.E./CVS-groep) maar was verminderd bij in M.E./CVS mét IBS; vergeleken met controles. TCA- en energie-metabolisme kunnen de pathofysiologie van of M.E./CVS beïnvloeden door ontoereikende adenosine-trifosfaat (ATP) produktie [Vermeulen RCW et al. Patients with Chronic Fatigue Syndrome performed worse than controls in a controlled repeated exercise study despite a normal oxidative phosphorylation capacity. J Transl Med. (2010) 8: 93]. Er werden intermediaire metabolieten gelinkt met de TCA-cyclus geïdentificeerd als specifieke merkers voor M.E./CVS in metaboloom-analyses; het is echter onduidelijk of bakteriële dysbiose bijdraagt tot deze metabole veranderingen bij de gastheer. De metabolieten en componenten van de ureum-cyclus (aminozuren en ammoniak) bleken ook gewijzigd bij M.E./CVS. Onze resultaten geven echter aan dat de meerderheid van de bakteriële aminozuren metabole mechanismen die geassocieerd waren met M.E./CVS enkel geassocieerd waren met de M.E./CVS mét IBS subgroep. Dus: als bakteriële metabole mechanismen bijdragen tot deze geobserveerde metaboliet-wijzigingen bij de gastheer, zouden dergelijke veranderingen beperkt kunnen zijn tot de IBS-subgroep.

Er werd ook een aanrijking qua mechanismen m.b.t. de afbraak van atrazine bij M.E./CVS gevonden in onze analyses en dit zou onafhankelijk van IBS kunnen zijn, aangezien het voorspelde mechanisme van atrazine-afbraak een biomerker was voor zowel M.E./CVS zonder IBS en M.E./CVS mét IBS. Bijkomende studies zullen nodig zijn om te bepalen of atrazine, een chemische stof die wordt gevonden in pesticiden, aanwezig is het gastro-intestinaal kanaal van deze individuen en onderhevig is aan afbraak via deze mechanismen.

Het onverzadigde vetzuren biosynthese mechanisme, dat was voorspeld gereduceerd te zijn in alle 3 de M.E./CVS-groepen, is verbonden met energie-homeostase en basis-componenten van meerdere katabole processen. De verhouding van ω3/ω6 [omega-3/-6] vrije vetzuren en eicosapenteen-zuur/arachidonzuur [zie ‘Onverzadigde vetzuren en pijn] zijn gedaald bij M.E./CVS-patiënten. De verlaagde ω3 vrije vetzuren en gewijzigde verhouding van mono- en poly-onverzadigde vetzuren zijn gelinkt met pro-inflammatoire responsen en immuun-aktivatie [Puri BK. Long-chain poly-unsaturated fatty acids and the pathophysiology of Myalgic Encephalomyelitis (Chronic Fatigue Syndrome). J Clin Pathol. (2007) 60: 122-4]. De genen betrokken bij mycolaat-biosynthese, een bakterieel mechanisme wat voorspeld was gereduceerd te zijn bij M.E./CVS zonder IBS in deze studie, zijn verder verbonden met initiatie van het vrije vetzuren metabool mechanisme en metabole processen. Het verminderd voorkomen van haem-biosynthese mechanismen, alsook arginine- en polyaminen-biosynthese mechanismen zijn specifiek voor M.E./CVS mét IBS co-morbiditeit. Arginine is een voorloper van de produktie van stikstof-oxide (oxidatieve stress responsen) en ammoniak-metabolisme (ureum-cyclus). Arginine is verbonden met verhoogde energie en uithouding, beter geheugen en minder intestinale inflammatie via zenuwstelsel-signalisering. Hoewel werd aangetoond dat bakterieën in het darm-microbioom een belangrijke rol spelen bij het voorzien van vitaminen aan de gastheer en het darm-microbioom een diepgaande invloed heeft op zoogdier-metabolieten, zullen bijkomende studies nodig zijn om het verband te beoordelen tussen de hier geïdentificeerde bakteriële metabole mechanismen op basis van genetische inhoud, bakteriële meta-transcriptomen en het metaboloom bij M.E./CVS.

Specifieke bakteriële soorten en gerelateerde metabole mechanismen werden gecorreleerd met de score voor M.E./CVS ziekte-graad (vitaliteit, mentale vermoeidheid en pijn). Eerdere studies aangaande veranderingen in het darm-microbioom na inspanning bij M.E./CVS toonden wijzigingen binnen 72 h in vergelijking met ‘baseline’ en met controles [zie Shukla SK et al. hierboven]. Onze studie vond geen associatie tussen metagenoom-gegevens en gerapporteerde post-exertionele malaise/fysieke vermoeidheid. Onze studie was echter niet ontworpen om microbioom-veranderingen na inspanning bij in M.E./CVS-patiënten te beoordelen.

Plasma-cytokinen definieerden de M.E./CVS-groepen niet in onze studie. Eerdere studies toonden verhoogde waarden qua pro- en anti-inflammatoire cytokinen (zoals TNFα) aan in het plasma en cerebrospinaal vocht bij of M.E./CVS-patiënten met ziekte van korte duur [Hornig M et al. Distinct plasma immune signatures in ME/CFS are present early in the course of illness. Sci Adv. (2015) 1: e1400121 /// Hornig M et al. Cytokine network analysis of cerebrospinal fluid in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Mol Pyschiatry (2016) 21: 261-9]. De minder robuste bevindingen aangaande veranderingen qua plasma immuun-molekulen in de huidige studie-groep kan worden verklaard door een gebrek aan M.E./CVS-patiënten die nog niet lang ziek waren.

Besluiten

Onze resultaten zijn een bevestiging en uitbreiding van eerder werk dat intestinale dysbiose bij M.E./CVS aangeeft. We tonen verder aan dat patronen van dysbiose variëren met IBS co-morbiditeit. Toekomstige studies zouden meer gedetailleerd onderzoek van IBS-subtypes, geassocieerde GI-symptomen en hun relatie met M.E./CVS-dysbiose moeten overwegen. De identificatie van M.E./CVS-netwerken – gekenmerkt door specifieke profielen die microbiomen, metabole mechanismen en plasma immuun-molekulen integreren – kunnen accuratere diagnose mogelijk maken en leiden tot inzichten die informatie verschaffen naar de ontwikkeling van specifieke therapeutische strategieën toe.

 

januari 7, 2017

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

————————-

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

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

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

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

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

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

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

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

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

7 Telemark Hospital, Department of Medicine, Notodden, Norway

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

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

10 Bevital AS, Bergen, Norway

11 Department of Pediatrics Haukeland University Hospital, Bergen, Norway

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

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

Samenvatting

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

Inleiding

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

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

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

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

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

Methodes

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

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

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

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

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

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

Statistiek. […]

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

Studie-goedkeuring. […]

Resultaten

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Bespreking

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

————————-

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

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.

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)’.

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.