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.

 

oktober 20, 2016

Een rol voor het intestinaal microbioom & viroom bij M.E.(cvs)?

Filed under: Infektie — mewetenschap @ 6:40 am
Tags: , , , , , , , , ,

Een review door researchers – geneeskunde-studenten Navena Navaneetharaja & Verity Griffiths, en professor Simon Carding & professor Tom Wileman van de ‘University of East Anglia Norwich Medical School’ & het ‘Institute of Food Research’ (Gut Health and Food Safety Research Programme) – aangaande het bewijsmateriaal voor een rol van darm-microbiota en viroom (de verzameling virussen in en op het menselijk lichaam; deze infekteren menselijke cellen en/of andere microben) bij M.E.(cvs) die wijst in de richting van een infektueuze en auto-immune basis voor de aandoening. De darm is, gezien de continue blootstelling aan microben, een belangrijke plaats voor auto-immune aktiviteit die zou kunnen leiden tot chronische ziekte. Niettegenstaande menen wij, zoals andere onderzoekers, dat er niet één enkelvoudig infektueus agens voor M.E.(cvs) zal kunnen worden aangeduid; maar dat de eigenheid (genetische aanleg) van het individu en dus zijn respons op infektueuze agentia de ontwikkeling van de ziekte bepalen… Lees bv. ‘Géén unieke, eerder niet-gekarakteriseerde bakterieën bij CVS’ … Naviaux (zie ‘Metabole kenmerken van M.E.(cvs)’) geeft ook mee dat het metaboloom-profiel dat hij heeft gevonden bij M.E.(cvs) tegengesteld was aan de metabole respons op infektie…

Op haar blog schrijft Naveena Navaneetharaja: >>We focusten op de oorzaak van de aanhoudende immuun-gerelateerde symptomen, en beschrijven de mechanismen die de onderliggende immuniteit-stoornissen en mogelijke auto-immune processen bij M.E./CVS zouden kunnen verklaren. (…) We namen de discrepanties van research-bevindingen onder de loep wat betreft de problemen bij het detekteren van aktieve infekties en het onderscheid met reaktivatie van latente infektie. (…) We stellen voor dat de darm een aantrekkelijke en belangrijke bron van auto-reaktiviteit is. (…) Studies geven veelal enkel een moment-opname van de of microbiota-samenstellingen. (…) Het is nog niet mogelijk om te zeggen dat een specifieke microbiële signatuur bestaat bij M.E./CVS. (…) Microbioom-studies hebben tot nu toe enkel gekeken naar veranderingen qua bakteriële populaties maar de opdracht zou ook moeten zijn de virale componenten van de microbiota te bepalen. (…) Het is mogelijk dat bakteriofagen [kort ‘fagen’; klein virussen die enkel een specifieke bakterie infekteren] indirecte veranderingen in bakteriële populaties kunnen induceren of directe gevolgen nadat ze door het darm-epitheel zijn gegaan en het immuunsysteem stimuleren. We stellen voor dat fagen de bakteriële microbiota vormgeven via aktieve replicatie of het lyseren (‘kapot maken’) van de bakteriële gastheren door reaktiverende fagen. (…) De volgende stap in het lab van prof. Simon Carding (‘Programme Research Leader’ van het ‘Institute of Food Research’) is het correleren van de faag-populaties van patiënten met ernstige ziekte met deze van controles uit hetzelfde huishouden.<<

Volgens ons is dit een heel interessante en vernieuwende insteek. Dit werd al opgepikt door Maureen Hanson et al. die in hun artikel ‘A pair of identical twins discordant for Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome differ in physiological parameters and gut microbiome composition’ (The American Journal of Case Reports (2016) 17: 720-729) rapporteerden dat bij een M.E.(cvs)-geval minder van de nuttige bakterieën Faecalibacterium & Bifidobacterium voorkwamen, en dat er meer bakteriofagen van de Caudovirales orde (dubbel-strengig DNA fagen met een ‘staart’) werden gevonden. Ze besloten dat er sprake was van dysfunktionele immuun-aktivatie en dat bakteriofagen zouden kunnen bijdragen tot inflammatie van de darm-slijmvliezen en bakterieel onevenwicht.

Lees ook over andere microbioom-studies: ‘Verminderde diversiteit & gewijzigde samenstelling van het darm-microbioom bij M.E.(cvs)’, ‘Microbioom sekse-verschillen bij M.E.(cvs)’, ‘Gewijzigd darm-microbioom na inspanning bij M.E.(cvs)’, enz.

————————-

Journal of Clinical Medicine Vol. 5, #6, p 55 (2016)

A role for the intestinal microbiota and virome in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS)?

Navaneetharaja N, Griffiths V, Wileman T, Carding SR

The Gut Health and Food Safety Research Programme, The Institute of Food Research, University of East Anglia, Norwich, UK

Samenvatting

Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een heterogene aandoening met een significante maatschappelijke impact, waarvan wordt gedacht dat zowel gastheer en milieu betrokken zijn bij de etiologie die mogelijks auto-immuun van aard is. Met immuniteit gerelateerde symptomen van minstens matige ernst die lange perioden aanhouden, zijn courant bij M.E./CVS-patiënten en B-cel depletie therapie heeft een significant therapeutisch voordeel [Dit dient nog te worden bevestigd.]. Het is onduidelijk wat de oorsprong is van deze symptomen en of ze infektueus of inflammatoir van aard zijn; daarbij is het zoeken naar bewijsmateriaal voor acute of chronische virus-infekties die bijdragen tot de inductie van auto-immune processen bij M.E./CVS een gebied dat veel interesse krijgt. Dit artikel biedt een uitgebreid overzicht van het bewijsmateriaal dat een infektueuze etiologie voor M.E./CVS ondersteunt; wat ons leidt tot het voorstellen van het nieuw concept dat het intestinaal microbioom en in het bijzonder leden van het viroom een bron zijn van de ‘infektueuze’ trigger van de ziekte. Een dergelijke benadering heeft het potentieel ziekte-biomerkers te identificeren en therapeutica aan te wijzen, wat de erg noodzakelijke benaderingen biedt naar preventie en management van de ziekte toe.

1. Inleiding

Wat is M.E./CVS?

[We onthouden uit dit hoofdstuk:] […] De Fukuda en de Oxford klassificaties worden niet als zo M.E.-specifiek beschouwd als de Canadese definitie, die symptoom-clusters van M.E. (met nadruk op neurosensorische, immune, gastro-intestinale en genito-urinaire manifestaties) identificeert […] We presenteren een gedetailleerde analyse van de kennis en het begrip van infektueuze agentia m.b.t. de pathogenese van M.E./CVS, met als doel een focus te bieden voor verdere research, wat betreft de mogelijke impact van het intestinaal microbioom en viroom.

2. Infekties & M.E./CVS

[…] M.E./CVS-patiënten vertonen dikwijls griep-achtige symptomen waarbij een acute aanvang meer courant is dan bij zij die enkel chronische vermoeidheid hebben. Populatie-studies tonen echter een overheersing van een graduele i.p.v. acute infektueuze aanvang, wat meer samenhangt met een chronische infektie of reaktivatie van een latente infektie. In dit opzicht en door de overlappende symptomen van M.E./CVS met chronische virus-infekties, is het niet verrassend dat er veel pogingen werden ondernomen om virussen te identificeren als trigger voor M.E./CVS.

2.1. Virale Infektie

[…] EBV wordt het meest frequent geïdentificeerd als een mogelijke virale trigger voor M.E./CVS. […], niet alle studies konden deze bevindingen repliceren.

Daarnaast is de aanwezigheid van serum-antilichamen tegen EBV, HHV-6 & CMV virussen niet specifiek voor M.E./CVS […]. Verhoogde waarden van deze antilichamen kunnen ook het resultaat zijn van ongerelateerde aandoeningen bij individuen met een gewijzigd immuunsysteem dat aanleiding geeft tot virus-reaktivatie. […]

Het succesvol gebruik van antivirale medicijnen bij M.E./CVS-patiënten zou ook een virus-infektie als trigger voor M.E./CVS kunnen ondersteunen, of eerder een bestendigende factor voor de ziekte. [Hierbij worden bedenkingen geformuleerd zoals het klein aantal behandelde patiënten en het hoog aantal ‘drop-outs’.]

[Ook studies over andere behandelingen – Valacyclovir, Isoprinosine, Rintatolimod (“Ampligen”) wachten op replicatie].

Bewijsmateriaal voor het tegenovergestelde van het feit dat virus-infektie een etiologische factor is bij M.E./CVS komt uit de analyse van monozygote tweelingen waarvan de ene ziek is en de andere niet: er waren geen verschillen qua virus-profiel en -expressie [Buchwald D et al. Markers of viral infection in monozygotic twins discordant for Chronic Fatigue Syndrome. Clin Infect Dis (2002) 35: 518-525]. […]. De redenen voor de klaarblijkelijke discrepanties zijn onduidelijk maar het kan verband houden met de inherente moeilijkheid wat betreft het detekteren van aktieve infekties en het onderscheid met reaktivatie van latente infektie […]. Veel studies die steunen op bloedstalen voor de detektie zouden wel eens enterovirus, parvovirus of herpes-virus infekties kunnen missen die voorkomen in de darm, het brein of het hart.

[…]

2.2. Niet-virale Infektie

Bewijs voor een bakteriële infektie als trigger voor M.E./CVS werd slechts beschreven in meldingen van gevallen met Q-koorts en Chlamydia pneumonia […]. Het verband tussen M.E./CVS en parasieten [m.n. Giardia] of schimmels [m.n. Candida] was ook beperkt en niet-overtuigend. Tot op heden is er onvoldoende bewijs om te besluiten dat M.E./CVS veroorzaakt wordt door bakteriële infektie of dat de ziekte wordt bestendigd door een voortdurende infektie.

3. Immuniteit-stoornissen bij M.E./CVS

[…] De meest consistente bevinding is een vermindering qua funktie van NK-cellen die een belangrijke rol spelen in immune bewaking en virale immuniteit. Verstoorde NK-cel funktie een courante bevinding bij patiënten [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 /// Brenu EW et al. Longitudinal investigation of natural killer cells and cytokines in Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic encephalomyelitis. J Transl Med (2012), 10: 88 /// enz.] hoewel het absoluut aantal NK-cellen niet is aangetast door ziekte-toestanden. Globaal gezien ontbraken consistentie en reproduceerbaarheid bij studies, waarbij verschillende studies focusten op verschillende merkers en indicatoren voor cytotoxische aktiviteit. De literatuur geeft dus geen overtuigende correlatie aan tussen NK-cel funktie en ziekte-ernst.

De bruikbaarheid van lage NK-cel cytotoxiciteit als een biomerker voor M.E./CVS wordt verder in vraag gesteld door de aanwezigheid van een gelijkaardig fenomeen en verstoorde NK-cel funktie bij Reumatoïde Artritis, kanker en endometriose; alsook bij gezonde individuen die ouder zijn, roken, psychologische stress ervaren, fysiek gedeconditioneerd zijn of slaap-tekort hebben. Bewijs voor specifieke veranderingen in de NK-funktie (inclusief gewijzigde perforine- en granzyme-concentraties [Klimas N et al. Chronic Fatigue Syndrome is associated with diminished intracellular perforin. Clin Exp Immunol (2005) 142: 505-511]) werden ook beschreven maar deze bevindingen werden niet onafhankelijk geverifieerd.

Andere indicatoren voor immune veranderingen bij M.E./CVS-patiënten komen van de vergelijkende analyse van cytokine-waarden in het bloed of, zeldzamer, cerebrospinaal vocht. De meerderheid van de studies zijn beperkt doordat slechts enkele cytokinen werden onderzocht bij kleine aantallen patiënten, waarvan de meeste geen significante bevindingen opleverden. Desondanks hebben enkele studies verhoogde waarden aan TNF-α bij M.E./CVS-patiënten gerapporteerd [bv. Broderick G, Klimas N, Vernon SD et al. Cytokine expression profiles of immune imbalance in post-mononucleosis chronic fatigue. J Transl Med (2012) 10: 191]; wat van bijzonder belang is aangezien het een mediator is voor malaise en een kenmerk van inflammatoire aandoeningen van het CZS, en via zijn werking op vasovagale reflex circuits [uitlopers van de nervus vagus coördineren responsen op stimuli van de darm] in de hersenstam de autonome controle kan ontregelen. De significantie van dergelijke wijzigingen qua TNF-α of enig ander cytokine bij M.E./CVS-patiënten is echter onzeker aangezien ze éénvoudigweg de immuun-aktivatie kunnen weerspiegelen en gewijzigd kunnen zijn bij verscheidene chronische inflammatoire aandoeningen, en daarom waarschijnlijk niet specifiek zijn voor M.E./CVS. Consistent met deze interpretatie zijn de resultaten van een studie met monozygote tweelingen met en zonder M.E./CVS, waarbij geen bewijs werd gevonden voor verschillen qua pro-inflammatoire cytokinen in [Vollmer-Conna U, Vernon SD, Reeves WC, et al. Dubbo Infective Outcomes Study Group: Post-infective fatigue syndrome is not associated with altered cytokine production. Clin Infect Dis (2007) 45: 732-735]. Het gebruik van verschillende staalname-methodes, diagnostische en inclusie-criteria, en bronnen van patiënten en controles kan een reden zijn voor de contrasterende resultaten bij immuun-funktie studies bij M.E./CVS-patiënten, bij sommige studies zijn er ook geen geschikte gematchte controles. Bovendien waren relatief weinig studies longitudinaal […].

3.1. Is M.E./CVS een Auto-immune Ziekte?

Het is nog bediscussieerbaar of de positieve uitkomst van klinische testen met Rituximab – een monoclonaal antilichaam dat het B-cel oppervlakte-antigen CD20 herkent – bij Noorse groepen M.E./CVS-patiënten, het sterkste bewijs tot op heden biedt voor de immune veranderingen en dysfunktie bij M.E./CVS, en voor het feit dat de ziekte auto-immuun van aard kan zijn. Het medicijn werd succesvol aangewend bij de behandeling van Reumatoïde Artritis. Met Rituximab behandelde M.E./CVS-patiënten rapporteren een algemene respons van 67% t.o.v. 13% bij placebo, met significante dalingen van de vermoeidheid-scores na 8 maanden. De voorbijgaande symptoom-verbetering is consistent met een manier van werken waarbij Rituximab auto-antilichaam-producerende B-cellen uitput, en met een op een auto-immuniteit gebaseerde pathogenese voor M.E./CVS. Het bevestigen van deze bevindingen en positieve resultaten bij Rituximab-behandeling in bijkomende grotere, multi-centra proeven zouden dit (het feit dat M.E./CVS een auto-immune aandoening is) overtuigender maken. Andere immunofenotypering-studies met M.E./CVS-patiënten die wijzigingen qua B-cel populaties hebben beschreven en grotere aantallen naïeve B-cellen, leveren bijkomend indirect bewijsmateriaal ter ondersteuning van deze interpretatie. Het identificeren van de oorzaak en aard van de auto-antigenen die de auto-immune responsen aansturen, zijn belangrijk voor het vaststellen dat M.E./CVS een auto-immune aandoening is. Meerdere vermoedelijke ‘zelf’-reaktieve antigenen werden geïdentificeerd (inclusief serotonine, dopamine en cholinerge neurotransmitters. […] Hoe en waar in het lichaam auto-reaktieve immuun-cellen worden geaktiveerd is een kwestie van gissen. Gezien de continue blootstelling aan een enorm aantal microben, immuun-cellen en immuun-processen, stellen we echter de darm als een aanlokkelijke en belangrijke bron van auto-reaktiviteit voor met het potentieel om een chronische uitputtende ziekte te veroorzaken.

3.2. Een Oorzaak in de Darm voor Auto-immuniteit?

Een nieuwe premisse waarbij een auto-immuun verband bij M.E./CVS betrokken is, is die van een microbiële trigger die niet wordt geïntroduceerd door een extern verworven pathogen en infektie, maar door microben die reeds binnen de gastheer verblijven (microbioom), waarvan het overgrote deel de intestinale microbiota beslaat. Terwijl wijzigingen in de samenstelling van de of intestinale microbiota (dysbiose [dysbakteriose; microbieel onevenwicht]) werden beschreven en in verband gebracht met verschillende ziekten (dieren en mensen), komt het meest overtuigende causaal bewijsmateriaal – voor de directe betrokkenheid en een vereiste van de intestinale microbiota bij ziekte-initiatie – voort uit het gebruik van steriele, kiem-vrije dier (muis) -modellen voor auto-immune ziekte. In de meeste maar niet alle ziekte-modellen (inflammatoire darm ziekte, auto-immune artritis, type-1 diabetes en systemische lupus erythematosus) wordt de ernst en/of incidentie van de ziekte gereduceerd of afwezig onder kiem-vrije omstandigheden – consistent met microbiota als ‘trigger’ voor ziekte-progressie. Het is echter belangrijk om op te merken dat de identiteit van de pathobionten [potentieel pathologische organismen die, onder normale omstandigheden, in symbiose leven] die in staat zijn ziekte in gang te zetten na kolonisatie (‘conventionalisering’) van de kiem-vrije muizen [met normale microbiota] niet werd vastgesteld voor deze ziekten. Het ontbreken van een muizen-model dat betrouwbaard de kenmerkende eigenschappen van menselijke M.E./CVS reproduceert is een beperkende factor bij het bepalen of en hoe de microbiota bijdragen tot de pathogenese van M.E./CVS.

Hoe worden leden van de intestinale microbiota blootgesteld aan het immuunsysteem van de gastheer? Er wordt gedacht dat intestinale dysbiose geassocieerd is met veranderde permeabiliteit van de intestinale epitheliale barrière (‘leaky gut syndrome’ [lekke darm syndroom]). Ontwrichting van epitheliale ‘tight-junctions’ [membranen van cellen komen samen en vormen een soort barrière zodat substanties verplicht worden de cel binnen te dringen om door het weefsel te raken, zodat er controle is over welke toegelaten worden en welke niet] – die normaal de aangrenzende cellen strak binden – in het begrenzende epitheel, biedt een toegangspoort voor de translocatie van bakterieën of bakteriële componenten naar mesenteriale lymfe-knopen [mesenterium = buikvlies] of de systemische circulatie. Dit kan, als de ontwrichting uitgebreid is en niet doeltreffend terug wordt afgesloten, leiden tot lokale en systemische immuun-cel aktivatie, en de aanmaak van pro-inflammatoire mediatoren en cytokinen die de epitheliale ‘tight-junction’ verder kan ontwrichten. Een pertinent voorbeeld is de etiologie van het Guillain-Barré syndroom [immuun-gemedieerde neuromusculaire aandoening van de perifere zenuwen], waar Campylobacter jejuni [veroorzaakt courant gastro-enteritis] lipopolysaccharide (LPS) – dat struktureel lijkt op gangliosiden [molekulen die zich bevinden aan de buitenzijde van de zenuwbanen, met name op de plek waar een zenuwvezel contact maakt met een spiervezel; ze spelen een cruciale rol bij het overbrengen van de boodschap] van de gastheer – leidt tot de produktie van kruis-reagerende antilichamen die zich richten tegen gastheer-neuronen en deze beschadigen, met verlamming tot gevolg.

De intestinale epitheliale ‘tight junctions’ vertonen ook opvallende gelijkenissen met endotheliale ‘tight-junctions’ in de bloed-hersen-barrière (BBB) […]. […] Er kan aktivatie van microglia optreden door LPS via z’n binding op CD14 en TLR-4, wat een inflammatoire reaktie initieert in de craniale circumventriculaire organen [CVO; gelegen op bepaalde plaatsen rond de rand van het ventrikel-stelsel van de hersenen, hebben als één van de weinige plekken in de hersenen een onvolledige bloed-hersenbarrière waardoor hun neuronen direct de concentratie van verschillende hormonen, neurotransmitters en cytokinen kunnen regelen]. Experimentele studies toonden dat chronische intestinale inflammatie uitgelokt door bakteriële produkten kan resulteren in neurologische ziekte, waarbij wordt gedacht dat bakterieel LPS een rol speelt bij het opwekken van antilichamen die kruis-reageren met gastheer-lipoproteïnen en de etiologie van Multipele Sclerose. Van belang voor M.E./CVS is een studie die significant hogere concentraties serum-antilichamen tegen LPS in M.E./CVS-patiënten met abdominale klachten dan bij controles rapporteerde, en besloot dat gastro-intestinale symptomen geassocieerd waren met verhoogde bakteriële translocatie, wat een mogelijke aandrijvende factor is voor systemische inflammatoire processen. Ondersteuning voor deze hypothese werd verkregen via onafhankelijke studies die rapporteren over een correlatie tussen de translocatie van darm-bakterieën en ziekte-aktiviteit in subsets M.E./CVS-patiënten. De intestinale microbiota kunnen daarom een rol spelen bij het in gang zetten of bestendigen van immuun-aktivatie, bakteriële translocatie en auto-immune processen, die allemaal betrokken bleken bij de pathogenese van M.E./CVS [theorie van Maes M et al.].

4. Kan het Intestinaal Microbioom een Rol spelen in de Ontwikkeling van M.E./CVS?

De co-existentie van M.E./CVS en gastro-intestinale symptomen is goed gedocumenteerd. Een studie rapporteerde dat 92% van de M.E./CVS-patiënten ook prikkelbare darm syndroom (IBS) hebben; en andere studies aangaande het immunologisch verband tussen de 2 aandoeningen toonden verhoogde mucosale [mucosa = slijmvlies; dunne laag cellen die slijm produceert ter bescherming] en systemische waarden van de pro-inflammatoire cytokinen IL-6, IL-8, IL-1β & TNF-α. Initiële analyses van bakteriële populaties in stoelgang-stalen van M.E./CVS-patiënten vonden meer Escherichia coli (percentage van de totale aërobe microben) t.o.v. gezonde controles (92,3% versus 49%); deze bevindingen werden echter gerapporteerd op een wetenschappelijk bijeenkomst, en de methodologie werd niet gespecificeerd [Butt H, McGregor N et al. ‘Bacterial colonosis’ in patients with persistent fatigue (Abstract). In Proceedings of the AHMF International Clinical and Scientific Meeting, Sydney, Australia, 2001]. D-melkzuur producerende Enterococcen en Streptococcen bleken ook significant verhoogd bij M.E./CVS-patiënten (bevestigd d.m.v. culturen); metabole profielen toonden dat stalen van M.E./CVS-patiënten geassocieerd waren met minder Bifidobacteria [Sheedy JR, McGregor N et al. Increased D-lactic acid intestinal bacteria in patients with Chronic Fatigue Syndrome. In Vivo (2009) 23: 621-8]. Andere studies hebben deze observaties uitgebreid en er werd een associatie aangetoond tussen Enterococcen en de ernst van de gerapporteerde neurologische en cognitieve gebreken [Logan AC et al. Chronic Fatigue Syndrome: Lactic acid bacteria may be of therapeutic value. Med. Hypotheses (2003), 60: 915-923]. Een grotere studie beschreef een verband tussen significante verminderingen qua Bifidobacteria, hogere aërobe/anaërobe verhoudingen en ernstiger gastro-intestinale funktionele gebreken [Butt H, McGregor N et al. Faecal microbial growth inhibition in chronic fatigue/pain patients (Abstract). In Proceedings of the AHMF International Clinical and Scientific Meeting, Sydney, Australia, 1998]. Verder bleken 77% van de M.E./CVS-patiënten ‘small intestinal bacterial overgrowth’ [SIBO; overmatige bakteriële groei in de dunne darm] te hebben [Pimentel M et al. Eradication of small intestinal bacterial overgrowth decreases symptoms in Chronic Fatigue Syndrome: A double blind, randomized study. Gastroenterology (2000) 118: A414], wat enkele gelijkaardige klinische symptomen met M.E./CVS deelt.

Tot op heden heeft slechts één studie de gevoelige ‘next-generation’ sequentie-bepaling technologie aangewend om de microbiota bij M.E./CVS te profileren (vergelijking van Belgische en Noorse patiënten met gezonde controles). Dit onthulde distincte microbiota-populaties bij patiënten en controles in beide landen op basis van bakteriële geslachten (p = 0.022). De Noorse patiënten vertoonden zeer significante verschillen qua samenstelling van de intestinale microbiota vergeleken met Noorse controles (p < 0.001) – getypeerd door significante variaties qua Firmicutes-populaties, met een 50-voudige toename (p = 0.00001) van het Firmicutes geslacht Holdemania en een 20-voudige toename (p = 0.003) qua Lactonifactor. De geografische verschillen qua microbiota-samenstellingen werden toegeschreven aan het feit dat de Noorse patiënten een langere ziekte-duur rapporteerden, wat suggereert dat de intestinale samenstelling van M.E./CVS-patiënten veranderd is. Verschillen qua experimentele protocollen en bakteriële DNA-extractie technieken zouden de contrasterende uitkomsten van deze studies kunnen verklaren, en dit benadrukt de noodzaak om grotere groepen te vergelijken met betrouwbaar gematchte individuen. Meerdere factoren bepalen waarom microbiota-profilering studies bij M.E./CVS klaarblijk consistentie missen: patient-gerelateerde kwesties zoals inconsistente fenotypische klassificaties, kleine stalen met onvoldoende statistische kracht en technische kwesties gerelateerd met verschillen in de betrouwbaarheid, sensitiviteit en omvang van de detektie van de microbiële sequenties […], verschillende sequentie-bepaling-platformen en het betrouwen op enkelvoudige stalen en tijdstippen – dit kan enkel een moment-opname van de samenstelling van de microbiota geven. Ondanks het aantonen van gewijzigde diversiteit en stabiliteit van de intestinale microbiota bij M.E./CVS, is het nog niet mogelijk om te zeggen dat een specifieke microbiële signatuur bestaat bij M.E./CVS. Er dient zorg gedragen te worden bij het proberen vaststellen van een dergelijke ziekte microbiota-signatuur in het licht van de heterogene symptomen en subgroepen.

5. Hoe verder met M.E./CVS Microbioom Studies?

Microbioom-studies waren tot op heden bijna exclusief gefocust op het definiëren van veranderingen in de intestinale bakteriële populatie; het gebied heeft zich echter uitgebreid tot het bepalen van de niet-bakteriële micro-organismen van de ingewanden. Van bijzonder belang zijn de virale componenten van de microbiota. Componenten van het viroom, specifiek bakteriofagen, die 90% van het darm-viroom uitmaken, zijn primarire aandrijvende factoren van de bakteriële diversiteit en beïnvloeden de gemeenschap-struktuur door zowel het elimineren en introduceren van karakteristieken in hun gastheer via de overdracht van genen.

Tot nu toe heeft de impact van het intestinaal viroom bij gezonden en zieken weinig aandacht gekregen maar niettegenstaande het beperkt onderzoek naar de werking ervan is het mogelijk dat de fagen in het viroom wel degelijk een effekt hebben. Dit kunnen indirecte gevolgen zijn die het resultaat zijn van veranderingen aan bakteriële populaties, of directe effekten na stimulatie van het immuunsysteem als ze doorheen de epitheliale barrières van de darm gaan en de gastheer binnendringen.

5.1. Het Intestinaal Viroom

Er werd aangetoond dat het viroom meer gepersonaliseerd en stabiel is dan bakteriële intestinale gemeenschappen. De profilering van virale gemeenschappen bij vrouwelijke monozygote tweelingen en hun moeders gaf als resultaat een beperkte intra-persoonlijke variatie vergeleken met de hoge inter-persoonlijke virale variatie. Deze variabiliteit werd toegeschreven aan de aanwezigheid van individuele intestinale bakterieën én de snel evoluerende aard van virale populaties. De longitudinale staalname van een gezonde man gedurende een periode van 2,5 jaar onthulde dat 80% van de virale aangesloten stukken DNA-sequentie gedurende deze periode bleven bestaan. Variaties over tijd werden toegeschreven aan diversiteit-genererende retro-elementen – een familie van genetische elementen die dienen ter diversificatie van DNA-sequenties – en korte segmenten prokaryoot [eukaryoten = cellen met een echte kern die het DNA bevat en door een membraan omlijnd is -prokaryoten = bakterieën] DNA in bakteriële en archaeale [van oer-bakterieën] genomen, die kunnen vaststellen of een microbiële populatie eerder werd geïnfekteerd door fagen.

Viroom-sequentiebepaling is achtergebleven bij bakteriële microbioom studies; hoofdzakelijk ten gevolge technische beperkingen. Virale metagenomische studies etaleerden beperkte capaciteiten om virale sequenties aan klassen toe te schrijven: de databases hebben niet de geschikte diepgang om virussen te identificeren, laat staan specifieke bacteriofagen te linken aan individuele bakterieën of ziekte-toestanden. ‘Shotgun’-metagenomica [metagenomica = studie aangaande de genetische informatie van de bakterieën en die van de gastheer] is een techniek die directe analyse van willekeurige stukken van DNA-sequenties toelaat […]; er werden complete genomen van fagen en virussen die mensen infekteren geassembleerd. Metagenome sequentiebepaling analyses hebben echter dikwijls RNA-virussen genegeerd; hun rol in het intestinaal microbioom blijft onduidelijk en isolatie-procedures die in de eerste plaats werden ontworpen om DNA-virussen te isoleren, zouden de aanwezigheid van RNA-virussen over het hoofd kunnen hebben gezien in het intestinaal viroom. Pogingen tot karakterisatie van het viroom bleken slechts in staat 15% tot 87% virus-achtige partikel sequenties of ‘contigs’ in sequentie-databases toe te wijzen. Deze variabiliteit is een beperking van de taxonomische toewijziging-criteria en we kunnen enkel rapporteren over bakteriofagen die het nauwst verwant zijn met klassen in huidige databases. Er wordt gedacht dat dit het gevolg is van de snelle evolutie van fagen en hun sequenties, hoewel het ook kan komen door de initiële kwaliteit van de sequenties en het deel dat werd bijgeknipt vóór de analyse. Het is duidelijk dat elk individu een verschillende virale sequentie diversiteit vertoont, waarvan de volledige vertegenwoordiging van de aanwezige virussen enkel kan worden bekomen d.m.v. meer diepgaande sequentie-bepaling. Dergelijke technieken zijn vereist om ons in staat te stellen de gebieden van virale diversiteit, die verband houden met de virulentie van specifieke virussen of ziekte, te identificeren. Dit is een proces dat het opzetten van complete referentie-databases voor genen-families vereist, naast ‘reads’ die lang genoeg zijn om identificeerbaar te zijn.

Met de steeds groter wordende interesse en uitbreidend bewijsmateriaal aangaande de rol van fagen bij ziekte-toestanden, en het potentieel gebruik van fagen bij ziekte-bestrijding, is er belangstelling gekomen naar de rol van virussen bij normale menselijke fysiologie, met als een belangrijk research-gebied de bijdrage van de intestinale microbiota die de hersenen en het gedrag beïnvloeden als deel van de as darm-microbiota/brein.

5.2. De Darm-Microbioom/Brein As

Een mogelijk pathofysiologisch mechanisme voor de ontwikkeling van M.E./CVS kan worden verklaard via de geïntegreerde as darm-microbioom/brein [Lakhan SE, Kirchgessner A. Gut inflammation in Chronic Fatigue Syndrome. Nutr. Metab. (2010) 7: 79], die de fysiologische links tussen het microbioom en het centraal zenuwstelsel (CZS), het autonoom en darm- (enteraal) zenuwstelsel en de hypothalamus-hypofyse-bijnier (HPA) as beschrijft. Steeds meer bewijsmateriaal geeft aan dat de microbiota, via nog niet volledig gedefinieerde mechanismen en molekulaire mediatoren, kunnen communiceren met het CZS via immune, neurale en endocriene mechanismen, die waarschijnlijk effekten hebben op de cognitieve funktie en het gedrag.

Microbiële interakties met het darm-zenuwstelsel aangetoond werden uitgebreid aangetoond d.m.v. kiem-vrije muizen, wat toelaat de impact van koloniserende bakterieën (conventionalisering) op de stemming en cognitieve funktie te testen. Er wordt gedacht dat de fysiologische mechanismen waarmee stress de microbiota kan wijzigen, te wijten zijn aan z’n effekten op de intestinale fysiologie: verandering van de gastro-intestinale beweeglijkheid en secreties via verminderde golven van elektrische aktiviteit […] die door de ingewanden deinen in een regelmatige cyclus en de peristaltiek [knijpende beweging van de darm die ervoor zorgt dat het voedsel vooruitkomt] triggeren, de intestinale permeabiliteit verhogen en de regeneratieve capaciteit van de intestinale mucosa reduceren. Dit alles zorgt voor verandering in het natuurlijk milieu van intestinale microbiota. Verschillende microbiële niches binnen het intestinaal milieu initiëren de afgifte van stress-hormonen zoals norepinefrine, die de inter-bakteriële signalisering, de groei van specifieke pathogenen, naast hun vermogen om aan de intestinale mucosa te kleven, kunnen beïnvloeden. Er werden verschillen qua hersen-funktie aangetoond bij kiem-vrije en ‘specific pathogen free’ [SPF; term gebruikt voor laboratorium-dieren die gegarandeerd vrij zijn van bepaalde pathogenen] muizen; waarbij de kiem-vrije muizen overdreven hypothalamus-hypofyse responsen op milde stress vertonen, via verhoogde waarden adrenocorticotroop hormoon (ACTH) en corticosteron-afgifte, in vergelijking met SPF muizen. Dit werd daarna omgekeerd na conventionalisering bij kiem-vrije muizen d.m.v. faecale stalen van de SPF muizen. De onderzoekers toonden ook gestegen stress-responsen bij kiem-vrije muizen gekoloniseerd met enteropathogene E. coli, met daaropvolgende omkering van de door stress geïnduceerde ACTH- en corticosteron-waarden, wanneer kiem-vrije muizen gekoloniseerd werden met de menselijke commensaal [onschadelijk voor het gastheer-organisme] Bifidobacterium infantis [immunomodulerend potentieel]; het effekt werd gedeeltelijk omgekeerd wanneer kiem-vrije muizen werden gekoloniseerd met intestinale microben van SPF muizen. Interessant: Ze toonden deze omkeerbaarheid bij zeer jonge muizen, wat duidt op een potentieel stadium waarbij neuronen die stress-responsen regelen gevoelig zijn voor stimulatie door de microbiota. Er werd aangetoond dat stress geïnduceerd op jonge leeftijd leidt tot dysbiose bij kiem-vrije muizen en dat wordt geacht een kritieke determinant te zijn voor abnormale gedragingen. Bovendien toonde een ander onderzoek-team de invloed van de intestinale microbiota op synaptische brein aktiviteit aan: kiem-vrije muizen hadden verhoogde motor-aktiviteit en verminderde angst t.o.v. SPF muizen met normale microbiota, wat wijst op de invloed van intestinale microben op hersen-aktiviteit.

Verdere studies hebben de impact van gastheer-microbiota aangetoond op het controleren van de rijping en werking van microglia in het CZS. Heel significant: Een groep [‘McMaster University’ in Canada] voerde de eerste studie uit om het potentieel aan te tonen voor het transfereren van gedrag-kenmerken tussen muizen-stammen met angst en agressief gedrag, d.m.v. faecale microbiota transplantatie (FMT [“stoelgang-transplantatie”]). Het bestuderen van verbanden tussen autistisch spectrum aandoening (ASD) en de intestinale microbiota heeft mogelijkheden aangeduid voor de exploratie van M.E./CVS-groepen. Patiënten met ASD hebben, net zoals bij M.E./CVS, een hoge prevalentie qua gastro-intestinale dysfunktie, wat ook werd gelinkt aan veranderingen in de microbiota-samenstelling. Een studie die de connectie tussen de microbiota en hersen-funktie onderzocht bij ASD, toonde dat patiënten uitgesproken veranderingen qua microbiota vertonen, met specifieke wijzigingen wat betreft Clostridium soorten. Een team [‘California Institute of Technology’] toonde een darm-microbiota/brein connectie in een ASD-model met adolescente muizen (maternale immuun-aktivatie, MIA), waarbij defekten van de intestinale barrière en microbiota-veranderingen voorkomen. Na behandeling van de MIA bij het nageslacht met Bacteroides fragilis [anaërobe Gram-negatieve bakterie die deel uitmaakt van de normale commensale darm-flora], werd de intestinale permeabiliteit gecorrigeerd, en de microbiële samenstelling veranderd en met ASD gerelateerde gebreken (qua communicatie en gedrag) verminderd. Het MIA nageslacht vertoonde ook een gewijzigd serum metaboloom-profiel; specifiek: sleutel-molekulen in een tryptofaan-metabolisme mechanisme, met inbegrip van een verhoogde waarde serotonine, werden genormaliseerd na behandeling met B. fragilis. Dit werk wijst op de rol van probiotische bakterieën en bakteriële metabolieten bij het vermijden of veroorzaken van aandoeningen van de neurale ontwikkeling, suggestief voor een belangrijke rol voor de microbiota in de ontwikkeling van sociaal gedrag bij ASD. Van mogelijk belang bij M.E./CVS-research is de slaap-inducerende substantie afgeleid van bakteriële celwanden, Factor-S [slaap-bevorderende factor S]. Studies hebben gesuggereerd dat intestinale bakterieën een belangrijke bron van Factor-S vormen; in het bijzonder nadat werd aangetoond dat normale slaap-patronen ontregeld zijn na verstoring van de microbiota door orale antibiotica.

Stress, of de capaciteit van een organisme om het hoofd te bieden aan omgeving-vereisten, staat er om bekend de vatbaarheid voor ziekten (ook gastro-intestinale aandoeningen) te verhogen. Het is ook bekend dat voeding- en omgeving-stressoren op hun beurt verschillende microbiële niches creëeren die de lokalisatie van de verschillende microbiota-populaties beïnvloeden, wat pathogene bakteriële soorten kan bevoordelen. Dit kan leiden tot de afgifte van stress-hormonen en cytokinen zoals IL-6. Ook bakterieën kunnen reageren op hormonen en neurotransmitters of deze aanmaken – bv. Lactobacillus en Bifidobacteria soorten die acetylcholine en/of gamma-amino boterzuur (GABA) produceren; Escherichia soorten die norepinefrine, serotonine en dopamine aanmaken; en serotonine geproduceerd door Streptococcus en Enterococcus soorten. Deze kunnen allemaal tussenkomen in de regulering van stemming, cognitie, pijn en angst bij de gastheer.

Er valt duidelijk nog veel te leren over de molekulaire connecties en mechanismen betrokken bij de darm-microbiota/brein signalisering en hoe verstoringen van dit communicatie-mechanisme aanleiding zou kunnen geven tot ziekte-toestanden. Het effekt van de intestinale microbiota op het CZS en cognitieve funktie vertegenwoordigt opwindende en potentieel vruchtbare opportuniteiten voor toekomstig onderzoek en het verklaren van de manifestatie van de kern-symptomen van M.E./CVS. Ook de opkomst van ‘biotica’ (probiotica en/of prebiotica) en FMT biedt opportuniteiten om de microbiota te manipuleren om de gezondheid van de darm te verbeteren of herstellen, en de impact op hoe het de werking van andere orgaan-systemen, inclusief het immuunsysteem en het CZS, beïnvloedt.

6. Een Voorstel voor Toekomstige Research: Intestinale Dysbiose drijft Auto-immuniteit bij M.E./CVS

Het is aannemelijk dat M.E./CVS een niet-klassiek auto-immuun pad volgt en er werd reeds beschreven dat het idiopathische immuun-ontregeling omvat. Gebaseerd op bewijsmateriaal dat in dit overzicht hier werd gepresenteerd, zou een kandidaat voor chronische stimulatie van het immuunsysteem die auto-immune processen triggert kunnen worden gevonden in het intestinaal viroom. Het is waardevol te benadrukken dat als fylogenetische verschillen [fylogenie = studie van verwantschap van organismen] in het viroom en microbioom kunnen worden gedetekteerd bij M.E./CVS-patiënten, toekomstige research dient gericht te zijn op het bepalen van de gevolgen van dergelijke veranderingen en hun impact op de funktionaliteit van de microbiota. Dit zou dan inzicht kunnen bieden in de adaptieve mechanismen van commensalen en mogelijke pathogene micro-organismen die vereist zijn voor persistentie in het gastro-intestinaal kanaal, naast het beschrijven van hoe de microbiota de ontwikkeling en werking van het immuunsysteem bij deze patiënten vormgeeft.

Het viroom speelt klaarblijkelijk een aanzienlijke rol in het microbioom, waarbij bakteriofagen een grote impact op de dynamiek en evolutionaire processen van hun gastheer-populaties bleken te hebben, en de identificatie van nieuwe virussen is van duidelijk belang. Onderzoekers toonden dat microbiële gastheren specifiek geassocieerd waren met bepaalde virussen, suggestief voor een langdurige co-evolutie tussen de virussen en hun gastheer, en indicatief voor het feit dat het profileren van bakteriële gemeenschappen enige connectie tussen viroom-samenstelling en M.E./CVS zal versterken. Zoals andere onderzoekers toonden in een studie van het darm-viroom bij inflammatoire darm ziekte: de kracht van de detektie van met ziekte geassocieerde veranderingen in het viroom werd slechts geobserveerd via vergelijking van patiënten en controles uit hetzelfde huishouden, waardoor kan worden gecontroleerd voor de invloed van genetica en omgeving. Toekomstige studies zullen dienen rekenschap te geven voor variabiliteit op species-niveau in de gastheer via analyse bij voor leeftijd en geslacht gematchte controle-deelnemers.

De samenstelling van het menselijk darm-viroom toont dat de significante variatie afhankelijk is van de bakteriële populatie en beklemtoont de voordelen van de gelijktijdige profilering van virale en bakteriële gemeenschappen bij toekomstige microbioom-studies. We stellen voor dat fagen vormgeven aan de bakteriële microbiota via […] een mechanisme waarbij aktief replicerende of reaktiverende fagen hun bakteriële gastheren lyseren, de proporties van specifieke bakteriële soorten wijzigen en dysbiose induceren. Op het moment dat gelyseerde bakterieën hun cel-inhoud – bestaande uit of proteïnen en nucleïnezuren – afgeven, dienen deze produkten als antigenen en ‘microbe-associated molecular patterns’ (MAMPs) [molekulen geassocieerd met pathogenen, die worden herkend door cellen van het aangeboren immuunsysteem] die mucosale gastheer-responsen triggeren […]. De capaciteit van virussen om mucosale responsen te stimuleren, werd ook overwogen omwille van de constante re-infektie van virussen met lage virulentie en mensen die chronisch drager waren van virussen, wat geassocieerd is gebleken met een verhoogd risico op het ontwikkelen van ziekten zoals astma en type-1 diabetes.

Door virussen geïnduceerde inflammatie kan leiden tot verhoogde epitheliale doorlaatbaarheid in de darm resulterend in translocatie van fagen doorheen het slijmvlies-oppervlak en meer systemische blootstelling aan microbiële epitopen [epitoop = deel van een macromolekule (meestal proteïne) dat kan worden herkend door antilichamen of cellen van het immuunsysteem]. Orale toediening van fagen in dier-studies hebben translocatie van fagen naar de weefsels aangetoond en experimentele studies naar faag-interakties met het immuunsysteem hebben gevonden dat vrije faag-partikels zich verspreiden via breuken in de intestinale mucosa [slijmvlies; dunne laag cellen die slijm produceert ter bescherming] of door transport door dendritische cellen [type witte bloedcellen, antigen-presenterende cellen die immuun-responsen initiëren en reguleren], waarbij fagen immunogeen genoeg zijn om antilichamen te genereren bij kinderen. Deze studies suggereren dat zoogdieren beschikken over mechanismen voor de opname en afgifte van fagen, die intestinale fagen toelaten om aangeboren en adaptieve immuun-responsen uit te lokken. Daarom zouden fagen kunnen optreden als liganden voor de aangeboren immuniteit die gastheer-immuniteit en inflammatie stimuleren, kenmerkend voor een milieu van dysbiose en auto-immuniteit.

Testen op basis van culturen die de bakteriële componenten van M.E./CVS-patiënten karakteriseren, hebben een vermindering van de proporties qua Bifidobacteria soorten gerapporteerd die kan bijdragen tot het handhaven van de epitheliale integriteit in de darm. Een reductie van deze nuttige Gram-positive bakterieën kan de ontwikkeling en interaktie van schadelijke Gram-negatieve bakterieën in de intestinale slijmvlies-oppervlakken begunstigen, of door het wegwerken van de voordelige kenmerken van Bifidobacteria soorten de symptomen van M.E./CVS bespoedigen. Bv.: een toename van Bifidobacteria bleek geassocieerd met verhoogde tryptofaan-waarden in het plasma, en serotonine- en dopamine-aanmaak in hersen-gebieden die verbonden zijn met depressie en angst [Bifidobacteria infantis; bij ratten]. Andere studies hebben getoond dat bepaalde Bifidobacteria-soorten een significante impact hebben op funktionele verbeteringen qua NK-cel aktiviteit en lagere waarden qua IL-4, IL-5 & IL-10 cytokinen [Bifidobacterium lactis HN019]. Deze effekten ondersteunen de aanwezigheid van Th1 cel-gemedieerde immuniteit, belangrijk voor de controle van virussen en bakterieën. NK-cellen interageren ook met dendritische cellen, die in nauw contact staan met het darm-epitheel en tolerogene [aanleiding gevend tot immunologische tolerantie; tolerantie is het proces waarbij het immuun-systeem een antigen niét aanvalt] responsen opzetten om immuun-homeostase in de darm te bewaren. Elke ontregeling van deze fijn afgestelde interface tussen bakteriële soorten, immuun-funktie en epitheliale cel barrière zou aanleiding kunnen geven tot ongepaste immuun-responsen. Gezien de gesuggereerde immuun-modulerende eigenschappen van Bifidobacterium, is het mogelijk dat de fagen geassocieerd met Bifidobacteria-soorten, via hun invloed op diversiteit en funktie van hun gastheer-bakterieën, dergelijke immunologische effekten kunnen initiëren. Verdere studies, die de interakties onderzoeken tussen de bepalende bakterie-soorten, fagen en de mucosale immuun-respons, om een completer beeld van het intestinaal milieu bij M.E./CVS te schetsen, zijn vereist. De identificatie van de genen geassocieerd met leden van de microbiota kan waardevolle informatie bieden over gastheer-microbiota interakties. Nu zou de focus zou moet liggen op het begrijpen hoe faag-genomen verband houden met elkaar en met hun gastheren, en de evolutionaire mechanismen die faag-populaties vorm geven. In vivo studies en dier-modellen zullen metagenomische bevindingen in kracht doen toenemen, en zo inzicht bieden omtrent hoe fagen en eukaryote virussen de commensale bakterieën modelleren, en over hun impact op gastheer-immuniteit en gen-expressie. Een ‘bacteriophage adherence to mucus’ model werd aangewend om te tonen dat de binding van fagen aan de intestinale slijmlaag resulteert in een dramatische afname van de bakteriële hechting aan de slijmlaag, en significant de schade aan gecultiveerde cellen vermindert. Meer diepgaande, gedetailleerde sequentie-bepaling benaderingen en uitgebreidere databases zullen zeker de identificatie van virussen, verantwoordelijk voor de niet-gekarakteriseerde ‘dark matter’ van het menselijk darm-viroom, verbeteren.

7. Concluderende Opmerkingen

Hoewel studies tot op heden niet in staat bleken één bepaalde microbiële signatuur te identificeren die een pathogenetische rol van de intestinale microbiomen bij M.E./CVS vaststelt, karakteriseert een cyclus van chronische intestinale dysfunktie en instabiliteit van de microbiomen zeker een subgroep M.E./CVS-patiënten. Het verder zoeken naar de rol van intestinale microbiële dysbiose in de pathofysiologie van M.E./CVS zal wellicht bepalen hoe immunologische ontregeling zich manifesteert. Het gebruik van ‘next-generation’ sequentie-bepaling technieken en metagenomische instrumenten zouden voorspellers voor ziekte-herval en chroniciteit kunnen identificeren, gezien de technologie continu wordt aangepast voor gebruik bij virale ecosystemen. Analoog met IBD-studies, kunnen karakterisatie van microbiomen wellicht een duidelijker subpopulatie toelichten binnen de huidige M.E./CVS-klassificaties. Uiteindelijk zal het observeren van een verband tussen microbiële fylogenie en het M.E./CVS ziekte-fenotype de impact van de microbiële gemeenschap op de menselijke gezondheid kunnen onderlijnen, en heeft het potentieel om ziekte-biomerkers te identificeren en therapeutica aan te duiden, om zo de broodnodige benadering te bieden ter voorkoming of beheersing van een ziekte als deze die dringend het hoofd dient te worden geboden.

juli 6, 2016

Verminderde diversiteit & gewijzigde samenstelling van het darm-microbioom bij M.E.(cvs)

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 8:35 am
Tags: , , , , , ,

We gaven hier al het artikel ‘Microbioom sekse-verschillen bij M.E.(cvs)’ mee waarin Australische onderzoekers vonden dat specifieke bakterieën verband hielden met ‘CVS’-symptomen. Anderen gaven bewijsmateriaal ter ondersteuning van het idee dat tijdelijke veranderingen qua microbiële samenstelling in de darm en translokatie van darm-microben naar het bloed de symptomen van M.E./CVS kunnen beïnvloeden. Zie ‘Gewijzigd darm-microbioom na inspanning bij M.E.(cvs)’…

In onderstaande studie, gefinancierd door het Amerikaanse ‘National Institutes of Health’, hebben researchers van de Cornell universiteit (o.l.v. Prof. Maureen Hanson) biologische merkers met betrekking tot darm-bakterieën en inflammatie onderzocht in het bloed, en de samenstelling van het microbioom (gezamelijke genomen van de micro-organismen die in een bepaalde omgeving leven) in de stoelgang. Er wordt aangetoond dat het darm-microbioom bij M.E.(cvs)-patiënten anders is (minder diversiteit, meer pro-inflammatoir), dat er sprake is van een biologische abnormaliteit. De researchers zeggen dat ze niet kunnen aangeven of dit oorzaak of gevolg is. De techniek zou een aanvulling kunnen zijn (op bv. de dubbele cardio-pulmonaire inspanning-test) om tot een diagnose te komen en klinici zouden dieet-wijzigingen kunnen overwegen, gebruikmakend van prebiotica (bv. voedingsvezels) of probiotica, om de ziekte te helpen behandelen.” Welke dit zouden kunnen zijn, is niet evident: uit andere studies leerden we al dat er verschillende factoren spelen in een ev. keuze daartoe en dat aanwijzingen niet éénduidig zijn.

De onderzoekers willen ook gaan kijken naar virussen en schimmels in de darm, om te bekijken of één of een combinatie van meerdere, samen met bakterieën, de ziekte kunnen veroorzaken of er toe bijdragen.

————————-

Microbiome Vol 4, page 30 (juni 2016)

Reduced diversity and altered composition of the gut microbiome in individuals with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome

Ludovic Giloteaux (1), Julia K. Goodrich (1,2), William A. Walters (1,2), Susan M. Levine (3), Ruth E. Ley (1,2) & Maureen R. Hanson (1)

1 Department of Molecular Biology and Genetics, Cornell University

2 Department of Microbiology, Cornell University

3 Private Practice

Samenvatting

Achtergrond Gastro-intestinale stoornissen behoren tot de symptomen die courant worden gemeld door individuen die de diagnose Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) kregen. Of M.E./CVS geassocieerd is met een gewijzigd microbioom bleef echter onzeker. Hier brachten we de microbiële diversiteit van de darm in kaart via sequentie-bepaling van 16S ribosomaal ribonucleïnezuur (rRNA) genen uit de stoelgang. We onderzochten ook een set inflammatoire merkers in het bloed: C-reaktief proteïne (CRP [biomerker voor systemische inflammatie]), intestinaal vetzuur-bindend proteïne (I-FABP), lipopolysaccharide (LPS), LPS-bindend proteïne (LBP) en oplosbaar CD14 (sCD14 [co-receptor voor de detektie van bakterieel lipopolysaccharide]).

Resultaten We zagen gestegen waarden van enkele bloed-merkers voor microbiële translokatie bij M.E./CVS-patiënten; ook de niveaus van LPS, LBP & sCD14 waren verhoogd. De LBP-waarden correleerden met LPS & sCD14, en de LPS-waarden correleerden met sCD14. Via ‘deep-sequencing’ [meer gesofisticeerde methode voor sequentie-bepaling] van bakteriële rRNA merkers, identificeerden we verschillen tussen de darm-microbiomen van gezonde individuen en M.E./CVS-patiënten. We zagen dat de bakteriële diversiteit verminderd was in de M.E./CVS-stalen in vergelijking meet controles; in het bijzonder een daling van de relatieve aantallen en diversiteit van bakterieën van de stam Firmicutes. In de patiënten-groep vonden we minder diversiteit alsook stijgingen van specifieke soorten waarvan dikwijls wordt gerapporteerd dat ze pro-inflammatoir zijn en vermindering van soorten die frequent als anti-inflammatoir worden beschreven. Via een ‘machine-learning’ [wetenschappelijke discipline over het ontwerpen en ontwikkelen van instruktie-lijsten die computers moeten toelaten ‘gedragingen’ te ontwikkelen op basis van empirische gegevens (bv. van sensoren of uit databases; ook wel ‘data-mining’] benadering op basis van de gegevens verkregen uit de 16S rRNA en inflammatoire merkers, werden de individuen correct als M.E./CVS geklassificeerd (accuraatheid 82,93%).

Besluiten Onze resultaten wijzen op dysbiose van de darm-microbiomen bij deze ziekte en suggereren verder een verhoogde incidentie van microbiële translokatie [verplaatsing van microben van de darm naar de bloed-circulatie], die een rol kan spelen bij de inflammatoire symptomen van M.E./CVS.

Achtergrond

[…] Veel M.E./CVS-patiënten melden ook gastro-intestinale (GI) symptomen, inclusief maar niet beperkt tot prikkelbare darm syndroom (IBS). Intestinale ongemakken worden ook aangegeven in een overzicht van medicijn-gebruik bij individuen met CVS vergeleken met controles (waarbij significant meer gebruik van antaciden, H2-blokkers en proton-pomp inhibitoren [medicijnen die maagzuur-produktie afremmen] werd gevonden in de M.E./CVS-groep.

De prevalentie van darm-symptomen heeft geleid tot pogingen om de ziekte te behandelen met probiotische orale of rectale supplementen. Een studie [Borody TJ, Nowak A, Finlayson S. The GI microbiome and its role in Chronic Fatigue Syndrome: a summary of bacteriotherapy. ACNEM J (2012) 31: 3-8] rapporteerde verbeteringen bij een meerderheid van patiënten 4 weken na bakteriotherapie (rectaal infuus met 13 soorten darm-bakterieën), maar het aantal met een langdurige respons was echter niet goed gedocumenteerd. In 2 kleine studies werden marginale verbeteringen qua bepaalde symptomen gemeld na orale probiotica-therapie [Sullivan A, Nord CE, Evengard B. Effect of supplement with lactic-acid producing bacteria on fatigue and physical activity in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Nutr J (2009) 8: 4 /// Rao AV, Bested AC, Beaulne TM, Katzman MA, Iorio C, Berardi JM et al. A randomized, double-blind, placebo-controlled pilot study of a probiotic in emotional symptoms of Chronic Fatigue Syndrome. Gut Pathog (2009)1: 6].

Twee rapporten suggereren gewijzigde darm-microbiomen bij M.E./CVS-patiënten. Gebruikmakend van culturen beschreven onderzoekers [Sheedy JR, Wettenhall RE, Scanlon D, Gooley PR, Lewis DP, McGregor N et al. Increased D-lactic acid intestinal bacteria in patients with Chronic Fatigue Syndrome. In Vivo (2009) 23: 621-8] hogere waarden qua D-melkzuur producerende Enterococcus & Streptococcus soorten bij M.E./CVS-patiënten vs. controles. Noorse M.E./CVS-patiënten en gezonde controles bleken verschillen te vertonen qua samenstelling van darm-microbiomen [studie door R.E.D. Laboratories]. Het is goed gedocumenteerd dat darm-microbiomen een significante impact hebben wat betreft pathologische intestinale aandoeningen zoals ulceratieve colitis (UC), ziekte van Crohn (CD) en systemische ziekten zoals diabetes. Omwille van het frequent voorkomen van of GI-stoornissen, alsook eerdere rapporten over abnormaliteiten, onderzochten we de diversiteit en samenstelling van darm-microbiomen bij M.E./CVS-patiënten in vergelijking met gezonde individuen.

Samen met GI-symptomen, lijken individuen met M.E./CVS zowel immuun-aktivatie en immuun-dysfunktie te vertonen. Vele van de courante symptomen die door M.E./CVS-patiënten worden gerapporteerd, zijn karakteristiek voor inflammatoire ziekten. De meeste rapporten met betrekking tot cytokine-waarden bij M.E./CVS-patiënten vs. controles zijn eerder beperkt en tegenstrijdig, maar verscheidene artikels – op basis van een 51-plex cytokine-test – geven abnormale immuun-signaturen in plasma en cerebrospinaal vocht [Hornig M, Gottschalk G, Peterson DL, Knox KK, Schultz AF, Eddy ML et al. Cytokine network analysis of cerebrospinal fluid in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Mol Psychiatry (2016) 21: 261-9 /// Hornig M, Montoya JG, Klimas NG, Levine S, Felsenstein D, Bateman L et al. Distinct plasma immune signatures in ME/CFS are present early in the course of illness. Sci Adv (2015) 1] aan. Abnormale immuun-aktivatie kan worden veroorzaakt door translokatie van microben uit een geïnflammeerde darm. Een rapport gaf verhoogde IgA & IgM tegen lipopolysaccharide (LPS) aan in het serum van M.E./CVS-patiënten [Maes M et al.]. Daarom maten we de plasma-waarden van LPS & LPS-bindend proteïne, alsook van de LPS/LBP receptor sCD14. We onderzochten ook de waarden van C-reaktief proteïne, een inflammatoire merker, en I-FABP als een merker voor de integriteit van het gastro-intestinaal kanaal.

Objectieve molekulaire merkers voor een diagnose van M.E./CVS ontbreken. We onderzochten de waarden van plasma-merkers en microbioom-samenstelling bij zieke en gezonde individuen om te bepalen of de gegevens M.E./CVS  zouden kunnen voorspellen.

Resultaten

Karakteristieken van de studie-populatie

[…] Fukuda diagnostische criteria. […] 48 patiënten & 39 controles […], 34 M.E./CVS-patiënten en 7 controles rapporteerden zelf gastro-intestinale stoornissen (constipatie, diarree of intestinaal ongemak). […] Van de 48 M.E./CVS-patiënten in de studie waren er 19 die een graduele aanvang en 25 die een plotse aanvang aangaven. […]

Metingen van microbiële translokatie merkers geven microbiële translokatie aan

We kwantificeerden de waarden in het plasma van hsCRP, lipopolysacchariden (LPS; merker voor microbiële translokatie (MT) en plasma intestinaal vetzuur-bindend proteïne (I-FABP; merker voor schade aan het gastro-intestinaal kanaal) in beide groepen. […] De waarden van hsCRP waren hoger in de M.E./CVS-populatie t.o.v. gezonde controles (1,38 & 1,21 mg/l, respectievelijk) maar het verschil was niet statistisch significant (P = 0.15).

M.E./CVS-patiënten hadden significant hogere plasma LPS-waarden dan gezonde individuen (mediaan: M.E./CVS 119,43 pg/ml vs. controles 74,74 pg/ml, P < 0.0005). De mediane plasma I-FABP waarde was 341,9 pg/ml in de M.E./CVS-groep & 301 pg/ml in de gezonde groep. Hoewel de mediane I-FABP waarden in de M.E./CVS-groep hoger was dan in de gezonde groep, was het verschil niet statistisch significant (P = 0.27).

Om meer informatie te verkrijgen omtrent chronische LPS-stimulatie in vivo, maten we in het plasma ook sCD14 en LBP, wat door gastro-intestinale en lever epitheliale cellen wordt geproduceerd. Gestegen LPS in de circulatie bevordert de lever-synthese van LBP, een plasma-proteïne dat de binding van LPS op CD14 bevordert. […] De mediane plasma sCD14-concentratie van de M.E./CVS-cohort was 1,97 µg/ml en de mediane plasma LBP-concentratie was 17,68 µg/ml. Deze waarden waren significant verschillend van deze van gezonde vrijwilligers (1,36 µg/ml; P < 0.0005 & 12,32 µg/ml; P < 0.0005, respectievelijk).

Daarna analyseerden we de verbanden tussen de biomerker-metingen in de M.E./CVS-populatie. De plasma LPS-waarden correleerden positief met die van sCD14 & LBP […], consistent met stimulatie van de sCD14-produktie door LPS in vivo. In Daarnaast vonden we een sterke significante correlatie tussen plasma sCD14 & hsCRP en sCD14 & LBP; hoge waarden qua sCD14 bleken geassocieerd met hoge hsCRP […] & LBP […]. We analyseerden ook of enterocyten [darmcellen] -schade (I-FABP waarden) geassocieerd was met de voorgestelde microbiële translokatie merkers LPS, sCD14 & LBP. We vonden geen verband tussen I-FABP & LPS-waarden […], I-FABP & sCD14-waarden […] of I-FABP & LBP-waarden […].

Stoelgang-microbiomen van M.E./CVS-patiënten vertonen gereduceerde diversiteit en verschillende samenstelling t.o.v. gezonde controles

De sequentie werd bepaald […] van 16S rRNA genen [16S ribosomaal RNA is een onderdeel van ribosomen (plaatsen waar de proteïne-synthese geschiedt); de genen die er voor coderen worden gebruikt om evolutie en verwantschap van organismen te bestuderen, omwille van de trage (genetische) evolutie in dit gebied] uit faecale stalen van M.E./CVS-patiënten (n = 48) en gezonde individuen (n = 39). […] [Analyse van de gegevens toonde] Een statistisch verschil qua diversiteit tussen M.E./CVS-patiënten en gezonde individuen (P = 0.004).

We onderzochten het aantal “geobserveerde soorten” [het aantal OTUs – ‘operationele taxonomische eenheden’ op basis van DNA-sequentie gegevens; taxonomie = het beschrijven, benoemen en indelen van organismen en met hun onderlinge relaties], en de diveristeit-parameters ‘evenness’ [gelijkmatigheid (van soorten in een ‘gemeenschap’)] en ‘richness’ [totaal aantal soorten in een data-set] in de 2 groepen. M.E./CVS-stalen hadden een significante algemeen lagere microbiële diversiteit, met een lagere ‘evenness’ […] en lagere ‘richness’ […].

[…] Binnen de microbiële gemeenschap-cluster lijkt er geen duidelijk verschil te zijn qua ‘beta-diversiteit’ [‘echte’ diversiteit; differentiatie van diversiteit voor verschillende milieus] tussen de M.E./CVS-groep en gezonde controles […]. Geen enkele van de geteste parameters (geslacht, BMI of klinische gegevens) onthulde het bestaan van clusters (gegevens niet getoond). Omdat ‘beta-diversiteit’ clustering toont hoe ongelijk de globale gemeenschap-struktuur is tussen stalen, clusteren deze wellicht niet op een manier die de verschillen gedetekteerd op OTU-niveau of de algemene ‘alfa-diversiteit’ [de gemiddelde soorten-diversiteit in een bepaald milieu] binnen groepen weerspiegelt.

De globale microbiële samenstelling voor M.E./CVS en controles verschilde op stam- en familie-niveau, hoewel geen van deze verschillen statistisch significant waren na correctie. De 2 grootste stammen in elke set (gezonden en M.E./CVS-patiënten) waren Firmicutes & Bacteroidetes. Bij gezonde individuen correspondeerde dit met 46 & 45% respectievelijk […]. Proteobacteria vormden de volgende grootste stam (3,6%), met Verrucomicrobia & Actinobacteria in relatief lage aantallen (2,1 & 1,6%, respectievelijk). Op stam-niveau was het aantal Bacteroidetes vergelijkbaar (52%) in beide sets. M.E./CVS-stalen vertoonden lagere relatieve aantallen Firmicutes (35%) en hogere relatieve aantallen Proteobacteria (8%), bijna volledig te wijten aan een tweevoudige toename van de Proteobacteria-familie Enterobacteriaceae (6 vs. 3% voor M.E./CVS en gezonden, respectievelijk). Binnen de Firmicutes waren, op familie-niveau, de Ruminococcaceae lager in de M.E./CVS-stalen (16 vs. 11% voor M.E./CVS en gezonden, respectievelijk), terwijl de Lachnospiraceae gelijkaardig waren in beide sets (16%). Er werden enkele verschillen genoteerd tussen gevallen en controles qua leden van de familie Bacteroidetes, nl. Bacteroidaceae (35 vs. 43%), Rickenellaceae (3 vs. 4%) & Prevotellaceae (3,2 vs. 0,7%). Tenslotte waren, binnen de Actinobacteria, de Bifidobacteriaceae lager in de M.E./CVS-stalen (1 vs. 0,5%).

Op OTU-niveau bleken 40 OTUs significant verschillend na correctie. De meerderheid daarvan behoordetot de Firmicutes stam, inclusief leden van de Ruminococcaceae familie (zoals Oscillospira sp., Faecalibacterium prausnitzii & Ruminococcus sp., en leden van de Lachnospiraceae, zoals Coprococcus sp.). Andere OTUs omvatten leden van de Actinobacteria (zoals Eggerthella lenta & Collinsella aerofaciens).

Deze significante verschillen werden verder bevestigd [via andere analyses]. […] M.E./CVS-microbiomen waren aangerijkt met een niet-geklassificeerd lid van de Desulfohalobacteriaceae en geslachten van de Firmicutes stam (Oscillospira, Lactococcus, Anaerotruncus & Coprobacillus, en Eggerthella, een lid van de Actinobacteria stam (P < 0.05). 18 geslachten waren aangerijkt in de controle-groep vergeleken met de M.E./CVS-groep: de leden behoorden voornamelijk tot de Firmicutes stam. We zagen dat leden van de Ruminococcaeae & Bifidobacteriaceae (Faecalibacterium & Bifidobacterium, respectievelijk), significant verhoogd waren bij gezonde individuen (P = 0.03 & 0.04, respectievelijk).

Klassificeren van individuen bij patiënten of controles op basis van inflammatoire merkers en microbioom-gegevens

D.m.v. een ‘machine-learning’ benadering, konden stalen meestal succesvol geklassificeerd worden bij gezonde of M.E./CVS-groepen,; waarbij het grootste deel van de stalen correct werd geklassificeerd wanneer de gegevens van de microbe-geslachten samen met de inflammatoire merkers werden gebruikt voor de analyse. [Naar gelang de gebruikte methode 80 tot 82%.] […] Het verwerken van de gegevens van de microbiële sequentiebepaling zonder het opnemen van BMI en waarden van inflammatoire merkers resulteerde in 70, 75 & 72% correcte klassificatie (geslacht, soort en OTU, respectievelijk).

Bespreking

Onze analyse van het microbioom suggereert dat het gastro-intestinaal kanaal van M.E./CVS-patiënten een pro-inflammatoire omgeving is. Dit milieu zou schade kunnen veroorzaken aan het intestinaal epitheel [‘dekweefsel’; beschermt het weefsel tegen de buitenwereld], waardoor microbiële translokatie (MT) verhoogt en vervolgens een immuun-respons triggert. Er werd al gedocumenteerd dat ontwrichting van de funktie van de mucosale barrière [mucosa = slijmvlies; dunne laag cellen die slijm produceert ter bescherming] optreedt bij M.E./CVS (aangetoond door de verhoogde serum-concentraties IgA & IgM tegen LPS van Gram-negatieve darm-bakterieën [Maes M et al.]). Onze gegevens ondersteunen de hypothese van verhoogde MT in de M.E./CVS-groep door (i) significant gestegen waarden van plasma-LPS en (ii) significant hogere waarden van sCD14 & LBP, indicatoren voor directe LPS-stimulatie. Verhoogde doorlaatbarheid van de darm en verhoogde LPS-waarden werden ook al beschreven bij patiënten met lever-ziekten, alkoholische en niet-alkoholische steatohepatitis [‘vette lever’; veroorzaakt levercirrose], bij chronische HIV-infektie en bij inflammatoire darm ziekte (IBD), wat suggereert dat een aktivatie van pro-inflammatoire en endotoxine-signalisering belangrijk kan zijn voor ziekte-progressie bij M.E./CVS. Bijgevolg kunnen hoge plasma LPS-waarden bij M.E./CVS-het resultaat zijn van een verhoogde produktie van endotoxine door veranderingen in de darm-microbiomen. Verder observeerden we dat sCD14-waarden positief correleerden met de waarden van LPS, LBP & hsCRP. Als er schade aan de darm-mucosa is, kan microbiële translokatie verhogen, met als gevolg wijzigingen in de antimicrobiële regulatoren en ontregeling van het aangeboren immuunsysteem.

Als merker is LPS beperkt tot bepaalde microben, aaangezien het enkel anwezig is in Gram-negatieve bakterieën. sCD14 wordt hoofdzakelijk geproduceerd door macrofagen en hepatocyten in respons op LPS maar wordt ook gestimuleerd door andere bakteriële en virale agentia. LBP werkt als een co-factor samen met sCD14 en wordt constitutief [niet bepaald door één of andere behoefte] gesynthetiseerd in hepatocyten ter herkenning van LPS dat wordt afgegeven in de bloedbaan maar verscheidene inflammatoire factoren zoals IL-22, IL-6 & TNF-α kunnen zijn expressie induceren. Niettemin vonden we significant meer patiënten met verhoogde waarden van deze biomerkers in vergelijking met de gezonde groep, wat suggereert dat meer MT optreedt bij mensen met M.E./CVS.

Gebruikmakend van aërobe en anaërobe cultuur-methodes, hebben Australische onderzoekers voor het eerst bewijs geleverd van veranderde faecale microbiomen M.E./CVS-patiënten vergeleken met gezonde individuen [Butt HL, Dunstan R et al. Bacterial colonosis in patients with persistent fatigue. In Proceedings of the AHMF international clinical and scientific conference Sydney, Australia: AHMF 2001]. Vervolgens verkregen anderen [Sheedy et al.; zie hierboven] (via cultuur-methodes en metaboliet-analyse) informatie betreffende het faecal microbioom in groepen patiënten en gezonde controles. Beiden vonden dat D-melkzuur producerende Enterococcus & Streptococcus soorten sterk over-vertegenwoordigd waren bij M.E./CVS-patiënten en dat bij de anaërobe bakterieën, Prevotella een bakterieel geslacht was dat in overmaat voorkwam bij individuen met M.E./CVS.

Een studie [R.E.D. Laboratories] onderzocht de aanwezigheid van specifieke veranderingen in de darm-microbiomen bij M.E./CVS-patiënten uit België & Noorwegen. [De methodiek was enigszins anders dan deze die her werd gebruikt.]. Onze analyse toonde dat de diversiteit binnen het staal lager is bij de M.E./CVS-monsters vergeleken met controles. [Dit was bij de R.E.D. Laboratories studie niet het geval, waarschijnlijk door de andere technologie.] Een lagere ‘richness’ werd ook gezien in ongezonde of inflammatoire aandoeningen en bleek geassocieerd met IBD, necroserende enterocolitis en grotere abdominale ongemakken bij patiënten met voedsel-intoleranties.

Ongeacht de ziekte-toestand vertegenwoordigden bakterieën die behoren tot de Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria & Actinobacteria stammen de overgrote meerderheid van de geïdentificeerde sequenties. We zagen minder leden van de dominante stam Firmicutes, wat ook herhaaldelijk werd opgemerkt bij patiënten met de ziekte van Crohn. Proteobacteria kwamen meer voor bij M.E./CVS-patiënten dan bij controles, wat ook wordt gezien bij IBD-patiënten. In een darm met inflammatie, geven infiltrerende macrofagen en neutrofielen van zwavel en stikstof afgeleide metabolieten (zoals tetrathionaat and nitraat) af. Opportunistische leden van de Proteobacteria kunnen profiteren van de inflammatoire respons van de gastheer […] om energie te genereren en hun eigen groei in de darm te bevorderen. We hebben geen informatie verzameld betreffende het dieet van de patiënten en we weten dus niet of deze factor de samenstelling en/of metabolisme van de microbiomen in onze groepen zou kunnen hebben beïnvloed.

We zagen significant lage aantallen uit het geslacht Faecalibacterium, een lid van de Ruminococcaceae, bij de M.E./CVS-populatie. Faecalibacterium prausnitzii, dat een anti-inflammatoir proteïne produceert, bv. is gedaald bij in M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. Dit geslacht is ook verminderd bij IBD en ulceratieve colitis, en er werd aangetoond dat dit anti-inflammatoire eigenschappen in vitro en in vivo heeft. Faecalibacterium behoort tot een groep van butyraat (korte-keten vetzuur met gekende anti-inflammatoire eigenschappen en beschermende werking voor de darm) -producenten. Individuen met with IBD & IBS vertonen een gebrek aan butyraat-producerende bakterieën en lagere warden qua butyraat in hun darm, wat verschillende processen inclusief hormoon- & cytokine-secretie (bv. leptine, IL-10) en aktivatie van immune/inflammatoire responsen moduleert.

We vonden ook een daling qua Bifidobacterium, die reeds werd geobserveerd bij IBS, IBD en type-II diabetes. Bifidobacteria zijn een groep melkzuur-producerende bakterieën die veel worden gebruikt als probiotica [= micro-organismen waaraan een gezondheidsbevorderende werking wordt toegeschreven] en als doelwit voor prebiose [prebiotica = voeding-ingrediënten, die selektief de groei en/of de aktiviteit van één of meerdere soorten bakterieën in de darm stimuleren, en daardoor de gezondheid van de gastheer bevorderen]. Behandeling met Bifidobacterium infantis 35624 bleek CRP-waarden te doen dalen in een groep M.E./CVS-patiënten [Groeger D, O’Mahony L, Murphy EF, Bourke JF, Dinan TG, Kiely B et al. Bifidobacterium infantis 35624 modulates host inflammatory processes beyond the gut. Gut Microbes (2013) 4: 325-39].

We gebruikten een gecontroleerde ‘machine-learning’ benadering om de ziekte-toestand te helpen voorspellen basis van de microbioom-sequentie gegevens-sets. Hiermee waren we in staat ongelabelde stalen met een bepaalde accuraatheid te klassificeren. […] Een dergelijke benadering kan daarom dienen als een aanvulling op andere niet-invasieve diagnose-methodes of als een initiële diagnose om te bepalen of een individu misschien M.E./CVS heeft. Omdat dit hier een betrekkelijk kleine groep betreft, zal een grote groep individuen met M.E./CVS en gezonde controles nodig zijn om te verifiëren of de klassificatie zijn accuraatheid behoudt in een onafhankelijke studie, om zo tot een formele diagnostische klinische toepassing te komen.

Besluiten

Alles te samen suggereren onze resultaten een aanhoudende beschadiging aan de darm-mucosa, wat leidt tot verhoogde microbiële translokatie bij M.E./CVS, wat op z’n beurt de anti-microbiële regulatoren zou kunnen veranderen en het aangeboren immuunsysteem ontregelen. Er werden verschillen qua darm-microbiomen – wat betreft relatieve aantallen van specifieke geslachten – van gezonde individuen en patiënten met M.E./CVS geïdentificeerd. Er is niet één enkelvoudige precieze verandering van de darm-microbiomen van alle M.E./CVS-patiënten die we onderzochten maar onze gegevens komen samen in een ondersteuning van het concept van een minder diverse en onstabiele gemeenschap van bakterieën bij deze aandoening. Het beklemtoont de associatie van specifieke taxonomische groepen bakterieën bij M.E./CVS en de identificatie van de onderliggende rol van deze veranderde commensale darm-microbiomen [onschadelijk gast-organismen] zou kunnen leiden tot nieuwe diagnostische en therapeutische strategieën die de klinische uitkomst zouden kunnen verbeteren. Toekomstige studies zouden dan bijkomende molekulaire merkers kunnen blootleggen die kunnen worden gecombineerd met informatie over het darm-microbioom om de sensitiviteit en specificiteit van of M.E./CVS diagnostische testen te verhogen.

De oorzaak van M.E./CVS is niet gekend maar darm-dysbiose kan bijdragen tot enkele van de symptomen en hun ernst. Therapeutische interventies gericht op het reduceren van lokale inflammatie, herstel van de immuniteit en integriteit van het gastro-intestinaal kanaal, en het modificeren van het intestinaal microbioom kan M.E./CVS-symptomen verbeteren in een aantal patiënten.

Methodes

[…]

mei 1, 2016

De ‘cell danger response’

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 6:57 am
Tags: , , , , ,

Prof. dr Robert K. Naviaux van de ‘University of California’ in San Diego is de stichter en co-directeur van het ‘Mitochondrial and Metabolic Disease Centre’ aldaar en voormalig voorzitter van de ‘Mitochondrial Medicine Society’; een pioneer op het gebied van mitochondriale research met een interesse voor immunologie.

Naviaux is lid van de ‘ME/CFS Scientific Advisory Board’ van de ‘Open Medicine Foundation’ (die research omtrent neuro-immune ziekten ondersteunt) geworden en er is een veelbelovend artikel (door sommigen aangekondigd als “truly spectacular … that will change the face of CFS-treatment”) van hem aangekondigd dat zou verschijnen in een belangrijk tijdschrift. Een reden om zijn hypothese van de ‘cell danger response’ (een model voor het begrijpen van chronische ziekte met als centraal kenmerk mitochondriale dysfunktie) alvast es onder de loep te nemen…

Het purinerge signalisering-mechanisme maakt gebruik van purinen en pyrimidinen (stikstof-basen waaruit nucleïnezuren zijn opgebouwd) als chemische ‘boodschappers’ en purinoceptoren (receptoren op het cel-oppervlak die ATP of ADP binden) als effectoren. Het is diep geworteld in evolutie en ontwikkeling, en is een centrale factor bij cel-communicatie. ATP en zijn afgeleiden funktioneren als een ‘gevaar-signaal’ bij de meest primitieve vormen van leven. Purinoceptoren zijn buitengewoon breed verspreid in alle cel-types en weefsels en ze zijn betrokken bij de regulering van een nog buitengewoner aantal biologische processen. Naast de snelle purinerge signalisering bij neurotransmissie, neuromodulatie en secretie, is er lange-termijn (trofische) purinerge signalisering met betrekking tot cel-proliferatie, differentiatie, beweeglijkheid en dood in de ontwikkeling en regeneratie van de meeste lichaam-systemen. Release van ATP door synapsen, axonen en glia aktiveren purinerge membraan-receptoren bekend als P2, die veelvuldig voorkomen in het centraal en perifeer zenuwstelsel (zie o.a. ‘Spier-metaboreceptoren’ & ‘Matige Inspanning verhoogt Expressie van Sensorische, Adrenerge en Immuun Genen bij CVS’).

————————-

Mitochondrion 16 (2014) 7-17

Metabolic features of the cell danger response

Robert K. Naviaux

The Mitochondrial and Metabolic Disease Centre, Departments of Medicine, Pediatrics & Pathology, University of California, San Diego School of Medicine, San Diego, CA, USA

Samenvatting

De ‘cell danger response’ (CDR) is de evolutionair bewaarde metabole respons die cellen beschermt en de gastheer van schade vrijwaart. Ze wordt getriggerd door chemische, fysieke of biologische bedreigingen die de cellulaire capaciteit voor homeostase overstijgen. De resulterende metabole wanverhouding tussen beschikbare redmiddelen en funktionele capaciteit veroorzaakt een waterval van veranderingen qua cellulaire elektronen-flow, zuurstof-verbruik, redox, membraan-fluïditeit, lipiden-dynamica, bio-energetica, toewijzing van koolstof- en zwavel-bronnen, proteïnen-opvouwing en -aggregatie, vitaminen-beschikbaarheid, metaal-homeostase, metabolisme van verscheidene bouwstenen en polymeer-vorming. De eerste golf gevaar-signalen omvat de afgifte van metabole tussen-produkten zoals ATP & ADP, intermediairen van de Krebs-cyclus, zuurstof en reaktieve zuurstof-soorten (ROS), en deze wordt ondersteund door purinerge signalisering. Nadat het gevaar werd geëlimineerd of geneutraliseerd, wordt een gechoreografeerde sequentie van anti-inflammatoire en regeneratieve mechanismen geaktiveerd om de CDR om te keren en te genezen. Wanneer de CDR abnormaal lang aanhoudt, wordt het lichamelijk metabolisme en het darm-microbioom verstoord, de gezamenlijke prestaties van meerdere orgaan-systemen beknot, het gedrag veranderd en het resultaat is chronische ziekte. De metabole herinnering van eerdere stresserende gebeurtenissen wordt opgeslagen onder de vorm van een gewijzigde inhoud qua mitochondriale en cellulaire macro-molekulen, wat resulteert in een toename qua funktionele reserve-capaciteit via een proces dat bekend staat als 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.] De systemische vorm van de CDR, en zijn uitvergrote vorm, de ‘purinergic life-threat response’ (PLTR), staan onder directe controle van aloude mechanismen in het brein die worden gecoördineerd in centra van de hersenstam. De chemo-sensorische integratie van het lichamelijk metabolisme gebeurt in de hersenstam en is een allereerste vereiste voor de normale cerebrale, motorische, vestibulaire, sensorische, sociale en spraak-ontwikkeling. Het begrijpen van de CDR laat ons toe oude concepten van pathogenese voor een brede waaier chronische, ontwikkelings-, auto-immune en degeneratieve aandoeningen in een ander kader te zien. Deze aandoeningen omvatten autisme-spectrum aandoeningen (ASD), ‘attention-deficit hyper-activity disorder’ (ADHD), astma, atopie, voedsel- (gluten) en chemische sensitiviteit syndromen, emfyseem, syndroom van Tourette, bipolaire stoornis, schizofrenie, post-traumatische stress aandoening (PTSD), chronische traumatische encefalopathie (CTE), traumatisch hersen-letsel (TBI), epilepsie, suïcidale gedachten, orgaan-transplant biologie, diabetes, nier-, lever- en hart-ziekte, kanker, Alzheimer’s en Parkinson’s, en auto-immune aandoeningen zoals lupus, Reumatoïde Artritis, Multipele Sclerose en primaire scleroserende cholangitis [chronische ontsteking van de galwegen].

1. Inleiding

Cellen beschikken over een beperkt aantal manieren om te reageren op een bedreiging. Een belangrijk gevolg daarvan is dat evolutionaire selektie gelijkaardige cellulaire responsen behoudt voor diverse bedreigingsvormen. De ‘cell danger response’ (CDR) is een evolutionair bewaarde cellulaire metabole respons die wordt geaktiveerd wanneer een cel een chemische, fysieke of microbiële bedreiging tegenkomt die de cel kan beschadigen of doden. Courante microbiële bedreigingen zijn virussen, bakterieën, schimmels en parasieten. Fysieke bedreigingen omvatten hitte, zout- of pH-shock, of UV of ioniserende straling. Chemische vormen van gevaar omvatten zware en spoor-metalen zoals lood, kwik, cadmium, arseen en nikkel, bepaalde elektrofiele aromatische chemicaliën zoals de weekmaker bisfenol-A, de chemische brand-vertragers zoals gebromeerde difenyl-ethers (BDEs), en bepaalde gehalogeneerde pesticiden zoals chlorpyrifos en DDT. Psychologisch trauma, bijzonderlijk tijdens de kindertijd, kunnen ook de ‘cell danger response’ aktiveren, chronische inflammatie veroorzaken en het risico op vele aandoeningen verhogen. Combinaties van deze factoren en vatbare genotypes [“genetische aanleg”] hebben synergistische effekten. De totale belasting van triggers wordt geïntegreerd door het metabolisme en reguleert de CDR. Mitochondrieën zijn geëvolueerd zodat ze al deze bedreigingen voelen naar gelang de geïnduceerde veranderingen qua elektronen-flow die beschikbaar is voor een normaal metabolisme. Dit overzicht zal focussen op de communicatie tussen mitochondrieën en de cel-kern, en tonen hoe vele mechanismen van extracellulaire, cel-cel communicatie uiteindelijk terug te brengen zijn tot het mitochondriaal metabolisme. De ‘cell danger response’ wordt gecoördineerd in de hersenen via chemosensorische integratie van het metabolisme van het ganse lichaam en het microbioom. Abnormale persistentie van de CDR leidt uiteindelijk tot wijzigingen qua orgaan-funktie en gedrag, en resulteert in chronische ziekte.

Kleine nutritionele molekulen en metabolieten zijn de eerste aanstokers van de CDR. Proteïnen, glycanen [glycatie = binding met suiker-molekulen], RNA, epigenetische en genetische veranderingen zijn essentieel maar secundair, en kunnen slechts worden begrepen met betrekking tot de eerste aanstokers in het metabolisme. Lezers die geïnteresseerd zijn in de met mitochondrieën geassocieerde proteïnen [Arnoult et al. Mitochondria in innate immunity. EMBO Rep. (2011) 12: 901-910], glycanen [Angata et al. Integrated approach toward the discovery of glyco-biomarkers of inflammation-related diseases. Ann. N. Y. Acad. Sci. (2012) 1253: 159-169], microRNAs, genetica en epigenetica [Knight JC. Genomic modulators of the immune response. Trends Genet. (2013) 29: 74-83] van de aangeboren immuniteit en inflammatie die betrokken zijn bij de CDR, worden verwezen naar overzichten aangaande deze onderwerpen.

2. Historische fundamenten

Het concept van de ‘cell danger response’ zoals beschreven in dit overzicht, is geëvolueerd vanuit een samenvloeiing van 6 stromingen die zich in relatieve isolatie van elkaar hebben ontwikkeld gedurende de voorbije 60 jaar. In het kort: 1) de erkenning dat overgeërfde aandoeningen in het purine- en pyrimidine-metabolisme afzonderlijke gedrag- en immunologische fenotypes opleveren die niet door hedendaagse concepten in de neurofarmacologie en immunologie kunnen worden verklaard, 2) de erkenning dat extracellulaire purinen en pyrimidines zoals ATP, ADP, UTP & UDP binden op alomtegenwoordige ion-kanalen en G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCRs) om alles van neurotransmissie tot cortisol-produktie, inflammatie, chronische pijn signalisering en het autonoom zenuwstelsel te controleren, 3) de erkenning dat immunologische systemen zijn geëvolueerd niet om ‘zelf’ van ‘niet-zelf’ te onderscheiden, maar eerder te reageren op bedreigingen die resulteren in cellulaire beschadiging, 4) de erkenning uit het gebied van de virologie dat de meest adaptieve strategie een co-evolutionaire onderhandeling tussen virus en gastheer is, dat de voorafgaande blootstelling van de gastheer een groot deel van de pathologie van infektie bepaalt en dat bij bijna alle bestudeerde klassen dieren-virussen, er aanzienlijke genetische reserves besteed worden aan het targetten van het mitochondriaal “danger alarm system” van de gastheer, 5) de erkenning binnen het gebied van de mitochondriale geneeskunde dat extracellulaire nucleotiden uiteindelijk zijn terug te brengen tot mitochondrieën en dat één van de oudste funkties van mitochondrieën de cellulaire verdediging is – de detektie en de respons op cellulair gevaar als een fundamentele component van aangeboren immuniteit, en 6) het concept dat mensen en alle andere dieren ecosystemen van samenwerkende cellen zijn, en dat zelfs de meest complexe ecosystemen op aarde kunnen worden begrepen en weerbaarder worden gemaakt met aandacht voor de relevante drijvende krachten zoals habitat, beschikbaarheid van hulpbronnen, complementaire biodiversiteit, eliminatie van invasieve soorten en het recycleren en verwijderen van metabole eindprodukten.

2.1. Biochemische genetica

Biochemische genetica is een medische sub-specialiteit […] gewijd aan de zorg voor kinderen en volwassen met aangeboren metabole stoornissen sinds de jaren ‘60. [Een stukje geschiedenis…] Lesch-Nyhan Disease [X-chromosoom gebonden aandoening met jicht, enz.] en fosforibosyl-pyrofosfaat-synthase (PRPPS) super-aktiviteit syndroom [op autisme lijkend gedrag ten gevolgde een overgeërfde toename qua purine-synthese] resulteren in een sterke toename van de purine-biosynthese. De complexe gedrag- en immunologische syndromen ontstaan door overgeërfde defekten in het purine- en pyrimidine-metabolisme werden besproken [Micheli V. et al. Neurological disorders of purine and pyrimidine metabolism. Curr. Top Med. Chem. (2011) 11: 923-947 /// Nyhan WL. Disorders of purine and pyrimidine metabolism. Mol. Genet. Metab. (2005) 86: 25-33]. Hoewel het vastgesteld is dat purine- en pyrimidine-verstoringen tot deze syndromen leiden, bestaat er geen verenigende theorie om de ontwikkeling van deze complexe neuro-immuno-ontwikkeling aandoeningen te verklaren.

2.2. Purinerge signalisering

Purinerge signalisering kwam in de jaren ‘70 aan bod bij de beschrijving van non-adrenerge, non-cholinerge (NANC) signalisering [niet via adrenaline of acetylcholine] gemedieerd door de gestimuleerde release van ATP. Het skepticisme betreffende het feit dat extracellulair ATP een neurotransmitter kon zijn, was toen groot. Men vond uiteindelijk 19 verschillende purinerge receptoren die wijdverspreid zijn in elk neuraal en niet-neuraal weefsel in het lichaam. De rol van purinerge signalisering blijft uitbreiden naar zowat elk fundamentele cel-communicatie, stress-respons, autonoom, vestibulair [m.b.t. het evenwicht-systeem] en sensorisch mechanisme.

2.3. Immunologisch cel gevaar

In de vroege jaren ‘90 ontwikkelden onderzoekers het ‘cell danger’ model van tolerantie en immuun-reaktiviteit om te verklaren waarom doeltreffende adaptieve immuun-responsen het best worden opgezet bij ‘cell-danger’ en beschadiging. Deze gevaar-theorie voor immunologie heeft veel inzichten opgeleverd: van bijdragen tot tumor-immunologie, ‘graft-versus-host disease’ [complicaties van orgaan-transplantaties; de donor-cellen reageren tegen het lichaam van de patient], allergie, astma en adjuvanten.

2.4. Virologie

Sinds de polio-epidemieën van de jaren ‘50, hebben we geleerd dat de grote meerderheid van infekties de gastheer niet doden of permanent buiten gevecht stellen. In het geval van polio, ontwikkelt slechts 1 op 150 tot 1 op 1800 geïnfekteerde mensen verlamming-verschijnselen. Meer dan 99% van de poliovirus-infekties verlopen onopgemerkt of leiden tot beperkte infekties van de bovenste luchtwegen (‘verkoudheden’) of griep-achtige abdominale symptomen. Ondervoeding en de aangeboren immuniteit zijn belangrijke factoren die de waarschijnlijkheid bepalen dat blootstelling zal resulteren in verlamming. Darwin ging verder. Hij erkende dat velen van de inheemse bevolking werden geteisterd door ziekte die werd overgebracht door Europese ontdekkingsreizigers zonder klaarblijkelijke ziekte. De inheemsen hadden een aangeboren vatbaarheid voor ziekte die de Europeanen niet trof. […]

Het uitgebreid bestuderen van virale gen-strukturen sinds de jaren ‘90 heeft onthuld dat bijna elke klasse van dieren-virussen de machinerie in z’n genoom ingebouwd heeft om het mitochondriaal ‘danger alarm system’ te verijdelen, onderdrukken, neutraliseren of omzeilen. Dit genetisch inzicht heeft duidelijkheid gebracht omtrent de rol van mitochondrieën bij antivirale signalisering en cellulaire verdediging. In dit overzicht wordt de rol van mitochondrieën bij de initiatie en het bestendigen van de ‘cell danger response’ in de context geplaatst van gecoördineerde wijzigingen in het metabolisme van de cel en het lichaam, die samen leiden tot veranderingen in neurale ontwikkeling & gedrag, en chronische ziekte.

Gedurende vele jaren was de behandeling van aangeboren fouten in de mitochondriale oxidatieve fosforylatie gericht op het proberen herstellen van de cellulaire ATP-produktie, met beperkt succes. De gist-geneticus, biochemist en mitochondriaal bioloog Dr. Anthony Linnane zei ooit: “Als we intellectueel eerlijk zijn, moeten we de oude ideëen achterwege laten en zoeken naar nieuwe paradigma’s om de oorzaak van symptomen van een ziekte te verklaren als we een rationeel ontworpen therapie testen bij de patiënten met de ziekte, wanneer dit herhaaldelijk mislukt.” Mitochondrieën bevinden zich in de naaf van het wiel van het metabolisme, met 1.500 proteïnen die op maat gemaakt zijn om te voldoen aan de noden van elk verschillend cel-type en meer dan 500 verschillende chemische reakties van het metabolisme katalyseren. De connectie tussen neurodegeneratieve episoden en infektie bij mitochondriale ziekte werd erkend. Met de ontdekking dat mitochondrieën de frontlinie van de cellulaire verdediging en aangeboren immuniteit vertegenwoordigen, begint men deze connectie tussen neurologische achteruitgang en infektie te begrijpen. Uiteindelijk zijn alle gefosforyleerde nucleotiden van de cel terug te brengen naar reakties in de mitochondrieën. Dit maakt dat mitochondrieën fundamentele bronnen van nucleotiden voor purinerge signalisering zijn.

2.6. Ecologie en geneeskunde

Zelfs de meest complexe ecosysteem-dynamiek kan worden begrepen als een funktie van een set van aandrijvende variabelen die de fysieke habitat, hulpbronnen, complementaire biodiversiteit, verstorende biodiversiteit (invasieve soorten), en de recyclage en verwijdering van metabole eindprodukten omvatten. Metabolisme, en het funktioneren en de ontwikkeling van het lichaam, kunnen worden beschouwd als een complex web van onderling verbonden en van elkaar afhankelijke mechanismen die veranderen volgens een geordend patroon vanaf de bevruchting tot op oudere leeftijd. Ecologen focussen op de identificatie van aandrijvende factoren, variabelen die de toestand van een ecosysteem kunnen veranderen, de veerkracht ervan kunnen bewaren of de opvolging kunnen sturen. Aandrijvende factoren zijn bepaalde fysieke, chemische of biologische entiteiten die wanneer ze een kleine beetje veranderen, grote veranderingen geven in de interaktie en de prestaties van het ecosysteem als geheel. Bijvoorbeeld: factoren zoals zonlicht, temperatuur van de oceaan, pH, CO2 en concentratie opgelost zuurstof leiden tot dramatische veranderingen in de gezondheid van koraal-rif ecosystemen.

Als we de analyse-schaal reduceren tot het niveau van de cel, worden de chemische details belangrijker en de tijd-constanten van de respons korter (jaren voor ecosystemen op aarde, seconden tot maanden voor het metabolisme). Fysieke habitats zijn vervat in complementaire micro-habitats in elk orgaan, zoals van elkaar afhankelijke strukturen in het brein. Soorten worden gedifferentieerde cel-types in weefsels die complementaire en onderling afhankelijke metabolismen ontwikkelen. Binnen een cel zijn gespecialiseerde proteïnen en enzymen georganiseerd in complementaire en onderling afhankelijke compartimenten en micro-habitats – organellen genaamd – en ‘trofische lagen’ in een netwerk. Deze intracellulaire trofische lagen maken het onderscheid tussen proteïnen nodig voor het recycleren van voedingstoffen en proteïnen vereist voor de synthese van secundaire metabolieten en polymeren – grotere strukturen opgebouwd uit kleinere bouwstenen. De hulpbronnen in de cel zijn de chemische bouwstenen van proteïnen, vetten, koolhydraten en nucleïnezuren. Algemener: de verkeer-stromen van de hulpbronnen en elektronen binnen een cel bepalen de gezondheid-toestand, alarm of ziekte.

Wat zijn de toestand-variabelen in het metabolisme? In het metabolisme zijn pH, CO2 en zuurstof ook belangrijke variabelen. Metabole tussenprodukten zoals alfa-ketoglutaraat (AKG), en co-factoren en vitaminen zijn echter ook variabelen. Tekorten aan vitamine-C veroorzaken defekten in het collageen- en neurotransmitter-metabolisme (scheurbuik). Tekorten aan thiamine veroorzaken defekten in het glucose-, pyruvaat- en aminozuur-metabolisme (Beriberi & Wernicke-Korsakoff syndroom). Andere aandrijvende factoren en variabelen in het metabolisme zullen worden ontdekt via systematische toepassing van gevorderde massa-spectrometrie en metaboloom-methoden bij elke complexe ziekte-toestand, voor en na succesvolle behandeling.

In de ecologie kan een ecosysteem om vele redenen falen of ongezond worden. Het gebied van de restoratie-ecologie houdt zich bezig met het identificeren van de heersende dynamieken van het complex systeem en met de identificatie van de afzonderlijke factoren die kunnen worden gemodificeerd om gezondheid en veerkracht van het systeem te herstellen. Hetzelfde is waar voor de geneeskunde. Een belangrijke aansturende variabele bij de controle van chronische inflammatie en de ‘ cell danger response’ is purinerge signalisering.

3. De ‘cell danger response’

Wanneer ATP-synthese, nucleotide-metabolisme en purinerge signalisering worden verstoord, wordt een gecoördineerde set cellulaire respons getriggerd die evolueerde tot het helpen van cellen zich te verdedigen tegen een microbiële aanval of fysieke beschadiging. Er werden veel namen gegeven aan de elementen van deze ‘cell danger response’ (CDR) […]. De CDR omvat de endoplasmatisch reticulum (ER) stress-respons [Het endoplasmatisch reticulum is het cel-organel waar de lipiden-synthese, proteïnen-vouwing en -maturatie gebeurt.], de ongevouwen proteïne respons [een signaal-transductie systeem dat wordt geaktiveerd door ER-stress, wanneer proteïnen-vouwing in het ER wordt verstoord], de mitochondriaal ongevouwen proteïne respons [Tijdens ontwikkeling en cel-differentiatie wordt er voor gezorgd dat mitochondriale biogenese voldoet aan de fysiologische behoeften. Bij verstoring van mitochondriale aktiviteiten treden signalisering-mechanismen in werking. De ‘mitochondrial unfolded-protein response’ (UPRmt) monitort de import van mitochondriale proteïnen om de cel toe te laten de mitochondriale werking te evalueren, de proteïnen-synthese aan te passen en mitochondriale autofagie te bevorderen.], de ‘heat-shock’ proteïnen respons, de geïntegreerde cel-stress respons [ISR, een signalisering-mechanisme dat reageert op verscheidene stressoren door het aktiveren van een gemeenschappelijke set genen], de oxidatieve stres respons [Lushchak VI. Adaptive response to oxidative stress: bacteria, fungi, plants and animals. Comp. Biochem. Physiol. C Toxicol. Pharmacol. (2010) 153: 175-190.], de oxidatieve beschermende respons [Naviaux RK. Oxidative shielding or oxidative stress? J. Pharmacol. Exp. Ther. (2012) 342: 608-618], aangeboren immuniteit [West AP et al. Mitochondria in innate immune responses. Nat. Rev. Immunol. (2011) 11, 389-402] en inflammatie [Zhou R et al. A role for mitochondria in NLRP3 inflammasome activation. Nature (2011) 469, 221-225]. Deze kunnen worden gezien als een geünificeerde en funktioneel gecoördineerde respons door de CDR te beschouwen op basis van z’n meest fundamentele en oudste rol; het verbeteren van cel- en gastheer-overleving na een virale aanval. De acute CDR geeft minstens 8 funktionele veranderingen: 1) het verschuift het cellulair metabolisme van de netto polymeren-synthese naar monomeren-synthese om het kapen en gebruiken van cellulaire bronnen door intracellulaire pathogenen te voorkomen, 2) het doet de celmembranen stijver worden en begrenst een schade-gebied om verspreiding van pathogenen te beperken, 3) het geeft antivirale en antimicrobiële chemische stoffen af in het milieu rond de cel, 4) het verhoogt autofagie en mitochondriale splitsing om intracellulaire pathogenen te verwijderen, 5) het verandert DNA-methylatie en histonen-modificatie om gen-expressie te wijzigen, 6) het mobiliseert endogene retrovirussen en andere beweeglijke genetische elementen zoals de ‘long interspersed nuclear elements’ (LINEs) om genetische variatie te bevorderen, 7) het waarschuwt naburige cellen en afgelegen effector-cellen voor het gevaar, en 8) het wijzigt het gedrag van de gastheer om de verspreiding van de infektie naar verwanten te vermijden en slaap-patronen om de genezing te vergemakkelijken.

3.1. Oude en and triggers voor de CDR

In voorhistorische tijden waren de enige cellen die hun DNA konden overdragen naar de volgende generatie, de cellen die succesvol infektie door virussen en andere microbiële pathogenen, en blootstelling aan een brede waaier aan chemische en fysieke krachten die toen vaste waarden waren, konden overleven. Cellen van toen synthetiseerden ATP en andere nucleotiden voor velerlei metabole funkties naast RNA- & DNA-synthese. De concentratie van ATP binnenin een cel is gewoonlijk ca. 1-5 mM – bijna een miljoen keer meer dan in het extracellulair milieu (< 5-10 nM).Wanneer een cel beschadigd of gelyseerd werd door een virus, werden ATP en andere nucleotiden en metabolieten afgegeven in de omgeving, wat een heldere chemische “vuurpijl” waarschuwing voor het gevaar en de aanwezigheid van een pathogeen voor andere cellen gaf.

Vooraleer een cel kapot gaat of gelyseerd wordt, ‘voelen’ mitochondrieën in een geïnfekteerde (eukaryote) cel de aanwezigheid van een binnendringende microbe via de detektie van het wegleiden van elektronen (o.v.v. NADH & NADPH) en koolstof naar de virale biogenese (aanmaken van viraal RNA, proteïnen en DNA uit de bouwstenen aanwezig in de gastheer-cel). Deze “elektronen-diefstal” wordt gedetekteerd als een daling van het voltage of afname qua elektronen-flow beschikbaar in de cel voor oxidatieve fosforylatie in mitochondrieën. De metabole consequenties zijn bijna onmiddellijk. Mitochondrieën verminderen snel hun zuurstof-verbruik, wat gekoppeld is met de elektronen-flow. De concentratie opgeloste zuurstof in de cel begint te stijgen omdat mitochondrieën de zuurstof-‘gootsteen’ in elke eukaryote cel zijn. Dit maakt de cellulaire redox-chemie meer oxiderend. Sterk oxiderende omgevingen inhiberen sterk de assemblage van monomere bouwstenen naar polymeren, en doen de efficiënte van de RNA-, proteïnen- & DNA-synthese door het infekterend virus snel verminderen. Oxiderende omstandigheden resulteren ook in de oxidatie van zwavel naar methionine, en thiolen [verbindingen met een SHgroep] zoals cysteïne, homocysteïne en glutathion, en het demonteren van ijzer-zwavel clusters in menig enzyme-systeem, en verminderen de beschikbaarheid van het thiol van coenzyme-A dat essentieel is voor het intermediair metabolisme [speelt een rol bij de synthese en oxidatie van vetzuren, en de oxidatie van pyruvaat in de Krebs-cyclus].

Het vermogen van mitochondrieën om de elektronen-flow en de zwavel-oxidatie te monitoren, maakt ze bij uitstek geschikt als veralgemeende ‘cell danger alarms’. Hun snel metabolisme maakt van mitochondrieën de “kanaries in de koolmijn” voor de cel. Elk spore- of zwaar metaal dat werkt als een elektrofiel of sulfurofiel in de cel, zal een mitochondriale respons triggeren die gelijkaardig is met die van een virale infektie, omdat metal-elektrofielen en replicerende pathogenen elektronen wegleiden en verbruiken. Zo werden er sinds 1850 ook een groot aantal molekulen gesynthetiseerd (kleurstoffen, pesticiden, medicijnen en industriële chemicaliën). […] Deze moderne chemische stoffen […] zijn zeer elektrofiel en zullen aanleiding geven tot elektronen-‘diefstal’ in de cel, die ook de CDR kan aktiveren. De CDR is een algemene maar sterk geëvolueerde respons die dikwijls meer specifieke molekulaire effekten – die voorkomen wanneer een synthetische molekule bindt op een receptor of in competitie treedt met en de normale metabole of hormoon-signalisering verstoort – compliceert. Mengelingen van chemische en biologische bedreigingen kunnen synergistische effekten hebben, en de totale belasting van de gevaar-triggers kan de grootte-orde en de vorm van de CDR beïnvloeden. Wanneer een gevaar wordt gedetekteerd, gaan mitochondrieën het cellulair metabolisme veranderen om de cel tegen verder letsel te helpen beschermen. Dit wordt bewerkstelligd door verstijving van de celmembranen, aktivatie van de produktie van reaktieve zuurstof-soorten (ROS), en veranderingen in veel verschillende mechanismen in het intermediair metabolisme die het effekt hebben pathogeen-replicatie en de verspreiding van het gevaar te beperken. Deze mechanismen zijn immatuur bij pasgeborenen en opgroeiende kinderen, wat leidt tot effekten die niet beperkt blijven tot inflammatie en aangeboren immuniteit in perifere weefsels, maar ook de neuronale ontwikkeling kunnen wijzigen en het risico op andere chronische kinderziekten kunnen vergroten.

3.2. Zomer- en winter-metabolisme

De seizoen-variatie van het metabolisme kan in context geplaatst worden door de evolutionaire krachten die op onze voorouders hebben ingewerkt, in overweging te nemen. Seizoensveranderingen in calorieën-beschikbaarheid waren de regel. De zomer was een tijd van overvloed, door een omgeving die calorieën in overvloed bood, en die werden geoogst via lichamelijke inspanning. Dat was een natuurlijke periode voor cel-groei, waar bouwstenen werden gepolymeriseerd om nieuwe cellen aan te maken en de biomassa te vergroten. Lichamelijke inspanning verzekerde dat de bijgekomen biomassa funktioneel doeltreffend was. De belangrijkste brandstof-sensor in de cel tijdens de zomer is mTOR (‘mammalian target of rapamycin’). mTOR faciliteert de proteïne-synthese en de groei via nieuwe materialen opgenomen uit de omgeving. mTOR inhibeert de interne recyclage van gebruikte of beschadigde cellulaire hulpbronnen via autofagie [strikt geregeld proces waarbij de cel eigen cel-produkten verteert in de zogenaamde lysomen; maakt deel uit van normale cel-groei, ontwikkeling en homeostase, en helpt het evenwicht behouden tussen synthese, afbraak en recyclage van cellulaire produkten]. De mechanismen die worden ondersteund door mTOR hebben 2 gezichten. In cellen die kunnen delen, bevordert mTOR snelle groei (polymeren-synthese), zonder inflammatie. Gebruikte of beschadigde proteïnen, lipiden, glycanen, RNA en DNA worden verdund door nieuwe synthese uit verse bouwstenen verkregen uit de rijke zomer-ecosystemen. In gedifferentieerde cellen die de overtollige calorieën niet kunnen kwijtraken zonder hypertrofie, resulteert de mTOR-overmaat in de accumulatie van oude en beschadigde macro-molekulen zoals geoxideerde of geaggregeerde proteïnen, en geeft chronische inflammatie – oxiderende omstandigheden die werken als een rem op de onverbiddelijke accumulatie van intracellulaire polymeren zoals lipiden, proteïnen, glycogeen en nucleïnezuren.

De winter was een tijd van calorie-beperking en een tijd waar de gedurende de zomer en herfst opgeslagen hulpbronnen met grote efficiënte dienden te worden aangewend als men overleving wilde verzekeren. De belangrijkste brandstof-sensor in de winter is AMPK (‘AMP-activated protein-kinase’). AMPK optimaliseert de energie-efficiëntie en stimuleert de recyclage van cellulaire materialen bij autofagie. Deze cyclus verloopt in mindere mate ‘s nachts en bij vasten. De mechanismen die geaktiveerd worden door AMPK ondersteunen regeneratie en zijn anti-inflammatoir omdat ze beschadigde proteïnen, lipiden, glycanen, RNA en DNA afbreken. AMPK faciliteert de her-synthese van deze macro-molekulen via nieuw gesynthetiseerde monomeren en ververste bouwstenen. Monomeren- en polymeren-synthese zijn in evenwicht tijdens de winter. Voor 1980 was het meeste voeding-onderzoek bij mensen gefocust op aandoeningen door deficiëntie. Na 1980 werd veel van de voeding-research bij mensen gericht op aandoeningen met calorie-overmaat. Veel van de genen die bleken te beschermen tegen leeftijd-gerelateerde ziekten zoals diabetes, kanker en hart-ziekte zijn “winter-genen” gecoördineerd door AMPK, terwijl de “zomer-genen” gecoördineerd door mTOR leiden tot chronische ziekte en inflammatie – indien gecombineerd met een overmaat aan calorieën en fysieke inaktiviteit. Technologische vooruitgang en landbouw op industriële schaal zijn een tweesnijdend zwaard voor de gezondheid voor de wereldbevolking. Veel ontwikkelde landen ervaren tegenwoordig een “eindeloze zomer” met beschikbaarheid van calorieën, verminderde lichamelijke inspanning en een afwezigheid van de historische norm van winterse calorie-restrictie. Dit heeft geleid tot moderne epidemieën van obesitas bij zowel volwassen als kinderen, en tot een aangroeiende stroom van chronische ziekten die te herleiden zijn tot cellulaire inflammatie.

4. Metabole kenmerken van de CDR

Hier illustreren we 21 vertakking-punten in het metabolisme die normaliter overhellen in de richting van “gezonde ontwikkeling”, reducerende condities, polymeren-synthese en vernieuwing. Wanneer een cel echter geïnfekteerd is door een virus of ander microbieel pathogeen, verschuift het metabolisme naar aangeboren immuniteit, inflammatie, oxiderende condities en monomeren-synthese om het pathogeen te verhinderen om te parasiteren en zichzelf te vermenigvuldigen door polymeren te assembleren. Wanneer de veranderingen optreden in de context van cel-deling en de distributie van geaccumuleerde biomassa naar dochter-cellen tijdens groei, dan wordt inflammatie vermeden tenzij gepaard gaand met significante cel-schade. Problemen ontstaan wanneer deze omstandigheden worden geaktiveerd in post-mitotische weefsels [bestaande uit cellen die niet meer delen] die over een beperkte groei-capaciteit beschikken. […]

4.1. Mitochondrieën

Mitochondrieën fragmenteren onder de omstandigheden van CDR […].Wanneer cellen beschadigd raken en mitochondriale proteïnen vrijkomen in de extracellulaire ruimte, kunnen bepaalde mitochondriale proteïnen inflammatie stimuleren […]. Extracellulair mitochondriaal DNA aktiveert de aangeboren immuniteit via de TLR9-receptor en wordt afgegeven tijdens infektie door eosinofielen, als een antimicrobieel net [Yousefi S et al. Catapult-like release of mitochondrial DNA by eosinophils contributes to antibacterial defense. Nat. Med. (2008) 14: 949-953].

4.2. Zuurstof

Wanneer het mitochondriaal zuurstof-verbruikt daalt, stijgt het opgelost cytoplasmisch zuurstof en aktiveert de aanmaak van ROS […]. Verhoogd opgelost zuurstof, super-oxide en waterstof-peroxide aktiveert meerdere proteïnen, o.a. de centrale inflammatoire regulator NF-κB […]. […]

4.3. ATP

Purinerge signalisering nucleotiden zoals ATP, ADP, UTP & UDP worden in verhoogde hoeveelheden afgegeven door cellen onder stress en aktiveren inflammatie. Cellen moeten kapot of gelyseerd zijn om de afgifte van ATP, andere nucleotiden en metabolieten te verhogen. ATP is een activator van NLRP3-inflammasoom assemblage [Riteau N et al. ATP release and purinergic signaling: a common pathway for particle-mediated inflammasome activation. Cell Death Dis. (2012) 3: e403.]. Purinerge signalisering via ATP stimuleert cortisol-synthese en -afgifte door de bijnierschors […].

4.4. Cysteïne & zwavel

Het zwavel-metabolisme verbruikt glutathion bij ontgifting-reakties in de lever en cysteïne wordt omgezet naar H2S, taurine en sulfaat. Ter compensatie zorgt de verhoogde plasma oxidatie-toestand van de CDR voor de oxidatie van cysteïne naar cystine […]

4.5. Vitamine-D

[…] Het vitamine-D metabolisme wordt significant gewijzigd door de CDR. 1α-hydroxylase (een mitochondriaal enzyme) is nodig om 25-hydroxyvitamine-D om te zetten in hormonaal aktief 1,25-dihydroxyvitamine-D. Een ander mitochondriaal enzyme, 24α-hydroxylase (verhoogd bij ‘cell-danger’) inaktiveert vitamine-D; daling van aktief vitamine-D verhoogt inflammatie maar ook het risico op het ontwikkelen van auto-antilichamen […].

4.6. Folaat & B12-metabolisme

Het metabolisme van foliumzuur en vitamine-B12 is nauwe verbonden met mitochondriale funktie, zwavel-metabolisme, nucleotide-synthese, en DNA- en histoon-methylatie. [histoon-proteïnen = kleine eiwitten met een hoog aantal positief geladen aminozuren die aan negatief geladen DNA binden; een nucleosoom is een complex van DNA en histoon-eiwitten dat de gen-expressie regelt] […] Eén van de B12-afhankelijke enzymen, methionine-synthase (MS) […] synthetiseert methionine uit homocysteïne. Methionine kan worden gebruikt om proteïne-synthese te initiëren of als voorloper voor S-adenosyl-methionine (SAM). […] Bij CDR wordt SAM preferentieel aangewend ter ondersteuning van de afgifte van ROS en antivirale/antimicrobiële stoffen. Dit verlaagt de beschikbaarheid van SAM voor DNA-methylatie. […]

4.7. SAM

SAM is een universele methyl-donor voor de methylatie van DNA, histonen en neurotransmitters. […] Binnendringende pathogenen kunnen zich SAM toe-eigenen als methyl-donor voor de maturatie van pathogene mRNAs. S-adenosyl-homocysteïne (SAH) is een krachtige inhibitor van door SAM gemedieerde methylatie-reakties. Door de daling van de SAM/SAH-ratio, zorgt de CDR verder voor een intracellulair milieu dat ongunstig is voor replicatie van pathogenen. […]

4.8. Ornithine

[…] Bij aktivatie van de CDR, wordt ornithine gedecarboxyleerd door het enzyme ornithine-decarboxylase (ODC) […]. Aanhoudende aktivatie van ODC kan bijdragen tot verhoogde inflammatie en de ontwikkeling van auto-antilichamen […].

4.9. Histidine

Acute aktivatie van de CDR stimuleert het enzyme histidine-decarboxylase dat histamine oplevert. Histamine is een krachtige vasodilator […] en is ook cruciaal voor de werking van mest-cellen en eosinofielen […].

4.10. Arginine

Arginine is een substraat van stikstof-oxide-synthase voor de vorming van stikstof-oxide (NO; een krachtige inhibitor van mitochondriaal cytochrome-c-coxidase (complex-IV). […]

4.11. Haem

Haem is een onderdeel van hemoglobine in rode bloedcellen maar ook een belangrijke groep in mitochondriale cytochromen van complex-II, -III & -IV. Bij aktivatie van de CDR wordt haem vrijgegeven voor beschadigde cellen. In de extracellulaire ruimte wordt haem gemetaboliseerd tot koolstof-monoxide (CO) […]. CO is ook een krachtige inhibitor van het mitochondriaal complex-IV. […]

4.12. Fosfolipiden

De membranen van alle eukaryote cellen zijn grotendeels samengesteld uit fosfolipiden. […] Bij CDR, wordt het cel-membraan stijver door de vervanging van poly-onverzadigde lipiden door langere, meer verzadigde lipiden. […] Dit geeft een effekt op purinerge signalisering bij de opstart van de CDR.

4.13. Tryptofaan

[…] Tryptofaan kan worden omgezet naar serotonine en melatonine door tryptofaan-hydroxylase, of naar kynureninezuur, quinolinezuur, niacine en pyridine-nucleotiden (NAD+, NADP+) via indolamine-2,3-dioxygenase (IDO). […] Omzetting van tryptofaan door darm-microben kan ook resulteren in kynureninezuur [zie ‘Kynurenine mechanisme hypothese] dat bepaalde funkties van de aangeboren immuniteit stimuleert […].

4.14. Lysine

De antivirale CDR wordt sterk gereguleerd door de post-translationele toestand van lysine op histonen en immune effector-proteïnen zoals het dubbel-strengig RNA-bindend proteïne ‘retinoic acid inducible gene 1’ RIG1 en de mitochondriale antivirale sensor (MAVS). […]

4.15. Cholesterol

[…] Het plasma-membraan van vele eukaryote cellen bestaat uit bijna 50 mol% on-veresterd cholesterol, dat de ruimte tussen de membranen vult […] om fosfolipiden te helpen oplosbaar maken. […]

4.16. Vitamine-B6

Lage plasma-concentraties van het aktief metaboliet van vitamine-B6, pyridoxal 5’-fosfaat (PLP) zijn een courant kenmerk van inflammatie en de CDR . […] Lage systemische waarden PLP […] onderhouden een aktieve CDR.

4.17. Arachidonaten

Cellen die bijzonder veel mitochondrieën hebben (brein, zenuwen en epitheliale cellen) zijn ook rijk aan plasmalogenen [type fosfolipiden], die arachidonzuur […] bevatten. Dit is een geprefereerd substraat zijn […] voor de afgifte van arachidonaten [poly-onverzadigde vetzuren] (voorlopers voor prostaglandine, leukotrieen) en synthese van andere inflammatoire lipiden tijdens een aktieve CDR.

4.18. Sfingosine

[onderdeel van sfingomyeline, één van de belangrijkste lipiden in de dubbele fosfolipiden-laag] Meerdere intracellulaire pathogenen hebben mechanismen ontwikkeld om de synthese en translocatie van sfingosine-1-fosfaat (S1P [signalisering-sfingolipide]) te inhiberen of zijn afbraak te stimuleren in mitochondrieën. […] S1P werkt de immunomodulerende effekten van kynurenine tegen […].

4.19. Ceramide

Ceramide [lipide-molekule in het celmembraan] is de voorloper van GM1 ganglioside [van belang bij neuronale plasticiteit en herstel-mechanismen], sfingosine & S1P. Het vereist mitochondrieën voor de synthese en richt zich op mitochondrieën onder omstandigheden die leiden tot cel-dood. […]

4.20. Metalen

Een normaal metabolisme is afhankelijk van Mg2+, Ca2+, Fe2+, Cu+, Zn2+, Mn2+, Mo4+, Se2+ & Co2+ die interageren met nucleotiden en andere metabolieten, en met proteïnen […]. Andere metalen zoals Pb, Hg, As, V, Ni, Al, Cd, Ce & Cr zijn toxisch. […] Wanneer de CDR wordt geaktiveerd, […] kunnen toxische hoeveelheden spore- en zware metalen zich opstapelen […]. […] Er kan een toestand ontstaan die bekend staat on der de naam pseudohypoxie waarbij […] de 3-dimensionele struktuur van de gereduceerde vorm van een proteïne de voorkeur krijgt bij normale zuurstof-concentraties […]. Daarnaast zijn er de specifieke neurotoxische effekten […]. Wanneer het funktioneel vitamine-D gedaald is door een chronisch aktieve CDR, kan sub-klinisch verlies van magnesium via de nieren optreden.

4.21. Darm-microbioom

Een gezond metabolisme werkt als een overleving-machine die de optimale chemische condities berekent […]. Wanneer men bloed of urine collecteert, verzamelt men eigenlijk het collectief metabolisme van het microbioom van de gastheer. Dit metabolisme controleert ook de epigenetische modificatie van DNA in somatische cellen die langdurige veranderingen qua gen-expressie creëeren [Naviaux RK. Mitochondrial control of epigenetics. Cancer Biol. Ther. (2008) 7: 1191-1193]. […] Het volwassen menselijk lichaam bestaat uit ca. 1014 menselijke cellen en 1015 bakteriële cellen die als levend schild werken om ons te helpen beschermen tegen pathogenen en ons gezond houden. Ongeveer 99% van ons microbioom bevindt zich in de darmen. […] Er zijn 3.000 tot 30.000 soorten bakterieën en andere organismen in ons darm-microbioom met een genetische complexiteit van ca. 4,5 × 1011 Gb – ongeveer 150 keer meer genetische informatie dan het menselijk genoom. Dit bewijst dat de metabole diversiteit in het darm-microbioom dat van de mens ver overstijgt.

De samenstelling en werking van het microbioom wordt best gezien als een ecosysteem dat continu wordt gevormd door ontwikkeling-geschiedenis, dieet, gezondheid en aktiviteit van de gastheer. […] Wanneer de gastheer ziek is, is het microbioom ook ziek. De chronische aktivatie van de CDR wijzigt de fysieke omgeving van de darm en de beschikbaarheid van hulpbronnen onder de vorm van voedingstoffen. […] Het herstellen van een ziek microbioom is niet zo eenvoudig als het terug toevoegen van ontbrekende of ondervertegenwoordigde soorten. Zowel de fysieke leef-omgeving in de darm als de toegeleverde hulpbronnen uit de voeding moeten op een duurzame manier worden gewijzigd om een blijvende verandering in het complex microbieel ecosysteem te bewerkstelligen.

5. Oplossen van de CDR

Eens het gevaar is uitgeschakeld of geneutraliseerd, gebeuren er natuurlijkerwijs 2 zaken. Ten eerste: er wordt een gechoreografeerde sequentie van anti-inflammatoire en regeneratieve mechanismen geaktiveerd die de verloren cellen helpt vervangen en de normale werking van organen help herstellen. Daarna wordt een metabool geheugen van de blootstelling die leidde tot de CDR opgeslagen (op een gelijkaardige manier als de manier waarop de hersenen herinneringen opslaan), onder de vorm van duurzame veranderingen qua mitochondriale biomassa, en cellulaire proteïnen, lipiden en andere macromolekulen, cel-struktuur, en gen-expressie via somatische epigenetische modificaties. Dit metabool geheugen wordt ook mitocellulaire hormese genoemd. Onder omstandigheden bepaald door een mix van gastheer-genotype, en de aard, ontwikkeling-stadium, grootte-orde en frequentie van blootstelling, kan er een dysfunktionele vorm van de CDR blijven bestaan die leidt tot chronische ziekte. Omdat de CDR initieel adaptief en gecoördineerd wordt door de nauwe samenwerking van mitochondrieën en de cel, maar onaangepast wordt eens het gevaar is geweken, kan hiernaar worden verwezen als “anarcho-adaptive mitocellular dysfunction”.

6. Implicaties voor ziekte en samenvatting

Wanneer de CDR niet opgelost geraakt, resulteert dit in chronische ziekte. In het eerste trimester is de hersenstam verantwoordelijk voor de chemo-sensorische integratie van of lichamelijk metabolisme en de neuronale ontwikkeling. Na de geboorte kan het traject van normale ontwikkeling gewijzigd worden als de CDR en z’n begeleidende metabole veranderingen aanhouden. Enkele ziekten die het resultaat kunnen zijn van een pathologische persistentie van de CDR omvatten: autisme-spectrum aandoeningen (ASD), ‘attention-deficit hyper-activity disorder’ (ADHD), voedsel-allergieën, astma, atopie, emfyseem, syndroom van Tourette, bipolaire aandoening, schizofrenie, post-traumatische stress aandoening (PTSD), traumatisch hersen-letsel (TBI), chronische traumatische encefalopathie (CTE), zelfmoord-gedachten, ischemisch hersen-letsel, ruggemerg-letsel, diabetes, nier-, lever- & hart-ziekte, kanker, Alzheimer’s & Parkinson’s, en auto-immune aandoeningen zoals lupus, Reumatoïde Artritis, Multipele Sclerose en primaire scleroserende cholangitis. Pathologische persistentie van de CDR kan voorkomen nadat het veroorzakend agens weg is. Dit kan het resultaat zijn van hormese en metabool geheugen, somatische epigenetische veranderingen of beide. Purinerge signalisering lijkt een belangrijke rol te spelen bij het bestendigen van de veelzijdige metabole kenmerken van de CDR. Deze observatie leidde tot de succesvolle correctie van alle 16 multi-systeem, autisme-achtige kenmerken in een klassiek dieren-model voor ASD d.m.v. anti-purinerge therapie (APT) [de niet-selektieve purinerge antagonist suramine (competitieve inhibitor van de purinerge signalisering); lees: Naviaux RK et al. Antipurinergic therapy corrects the autism-like features in the poly(IC) mouse model. PLoS One (2013) 8: e57380].

De hierboven vermelde chronische CDR aandoeningen leidden tot abnormaliteiten in een brede waaier aan weefsels en cel-types. Het genotype en gezondheid van de gastheer, en het ontwikkeling-stadium en de aard van de blootstelling bepalen het risico op het wikkelen van een bepaalde ziekte. In veel gevallen lijkt een mix van ‘cell danger’ blootstellingen noodzakelijk. Wanneer de abnormaliteiten later de kindertijd of in de adolescentie ontstaan, en niet lang genoeg blijven aanhouden om strukturele abnormaliteiten te geven, bestaat de kans dat veel aandoeningen waarvan nu wordt gedacht dat ze statisch, onomkeerbaar of zelfs degeneratief zijn en slecht op behandeling reageren, eigenlijk dynamische toestanden zijn die goed reageren op anti-CDR behandelingen. Veel van de hierboven vernoemde aandoeningen bleken reeds te reageren op APT in dieren-modellen [bv. suramine voor M.S., R.A., enz.; A438079 voor epilepsie; P2X3-15h voor chronische pijn]. Een belangrijke waarschuwing bij APT is: als de fysieke, chemische of biologische trigger van de CDR niet werd geëlimineerd of geneutraliseerd, hebben behandelingen ontworpen om een persistente CDR te inhiberen, gemengde effekten. Bijvoorbeeld: als de CDR een respons is op perinatale blootstelling aan brand-vertragers maar die werden niet uit de leef-ruimte van het aangetast kind verwijderd, dan kan APT schade veroorzaken.

Elk van de metabole kenmerken van de CDR kan individueel worden aangepakt met specifieke behandelingen, of meer algemeen met een combinatie van supplementen, dieet- en aktiviteit-wijzigingen, of met adaptogeen-therapieën [Panossian A, Wikman G. Evidence-based efficacy of adaptogens in fatigue and molecular mechanisms related to their stress-protective activity. Curr. Clin. Pharmacol. (2009) 4: 198-219]. Aangezien de CDR echter een funktionele respons lijkt te zijn die wordt gecoördineerd via purinerge signalisering, kan men zich een nieuw hoofdstuk betreffende complexe ziekte-therapeutica indenken waarbij de farmacologie van purinerge antagonisten wordt uitgebreid, natuurlijke produkten worden gezocht en nieuwe anti-inflammatoire medicijnen worden ontwikkeld die op een selektieve manier één of meerdere van de 19 bekende klassen van purinerge receptoren aanpakken.

————————-

In ‘Gen-expressie factor analyse differentieert FM, CVS & depressie’ hadden Prof. Alan Light en z’n collega’s het al over de betrokkenheid van purinerge ion-kanaal genen bij M.E.(cvs). Lees ook: ‘Differences in metabolite-detecting, adrenergic and immune gene expression after moderate exercise in patients with Chronic Fatigue Syndrome, patients with Multiple Sclerosis and healthy controls.’ in Psychosom Med. (2012) 74: 46-54. Er werd ook gesuggereerd dat purinerge receptoren bij M.E.(cvs)-patiënten reageren op ATP-molekulen afkomstig van gestresseerde cellen…

Ook dr Donald Staines en medewerkers (Bond University, Queensland, Australië) opperden reeds (Bulletin of the IACFS/ME (2010) 18: 7-30) de mogelijkheid dat verstoringen van de purinerge signalisering een pathomechanisme voor M.E.(cvs) kunnen zijn (met betrokkenheid van dysfunktie van gliale cellen, ontregeling van of neuronale transmissie en neuro-inflammatie).

De zoektocht naar nieuwe stoffen die de purinerge respons blokkeren lijkt aan de orde. Er zijn een aantal natuurlijke en farmacologische middelen beschikbaar maar of die op hun eentje voor ‘genezing’ kunnen zorgen is nog maar de vraag. Sommige kunnen slechts voor een paar maanden of met tussenpozen worden ingenomen. Nieuwere anti-purinerge geneesmiddelen zouden dus welkom zijn…

februari 5, 2016

Microbioom sekse-verschillen bij M.E.(cvs)

Filed under: Behandeling — mewetenschap @ 2:34 pm
Tags: , , , , , ,

In onderstaand artikel wordt aangetoond dat darm-bakterieën een verschillende rol kunnen spelen bij vrouwen en mannen, zelfs wanneer het microbieel evenwicht van de darm er hetzelfde is. De onderzoekers vonden dat specifieke bakterieën verband hielden met CVS-symptomen. Zelfs als het bakterieel evenwicht hetzelfde was bij de seksen, bleken bepaalde bakterieën (streptococcen, lactobacillen en Clostridium) zich verschillend te gedragen bij vrouwen en mannen. Deze bevindingen geven aan dat een uniforme benadering voor alle gevallen wellicht niet de juiste is.

Dit alles is bewijs voor het bestaan van een ‘microgenderoom’ – dat verwijst naar het verband tussen bakterieën, het immuunsysteem en geslacht-hormonen – bij mensen. De onderzoekers stellen dat een bepaald type bakterie verschillende effekten kan hebben bij vrouwen en mannen, dat men moet beseffen dat een gender verschillend kan reageren op dezelfde behandeling. Streptococcen in de darm gaven bv. meer problemen bij mannen maar minder bij vrouwen.

————————-

Scientific Reports (2016) 6: 19171

Support for the Microgenderome: Associations in a Human Clinical Population

Amy Wallis (1), Henry Butt (2), Michelle Ball (1), Donald P. Lewis (3) & Dorothy Bruck (1)

1 Psychology Department, Victoria University, Victoria, Australia

2 Bioscreen (Aust) Pty Ltd, Victoria, Australia

3 CFS Discovery Clinic, Donvale, Victoria, Australia

 

Het ‘microgenderoom’ [(studie van) de verschillen in microbioom volgens geslacht/gender] betekent een paradigma-verschuiving die de nadruk legt op de rol van geslacht-verschillen wat betreft de interaktie tussen gastheer-microbiomen die relevant is voor auto-immune en neuro-immune aandoeningen. Analyse van zelf-gerapporteerde gegevens en data van microbiële faeces-analyse van 274 patiënten met Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) suggereert dat commensale [commensaal = onschadelijk gast-organisme, bv. een bakterie in de darm] darm micro-organismen een beschermende én schadelijke rol kunnen spelen bij symptoom-expressie. De resultaten onthulden significante geslacht-specifieke interakties tussen Firmicutes (Clostridium, Streptococcus, Lactobacillus & Enterococcus) en M.E./CVS-symptomen (inclusief neurologische, immune en stemming-symptomen), ongeacht de gelijkaardige samenstelling op microbieel niveau bij de beide seksen. We bieden ondersteuning voor het microgenderoom bij een menselijke klinische populatie. Research dient de geslacht-interakties in overweging te nemen bij het onderzoeken van de samenstelling en de funktie van menselijke microbiomen.

Inleiding

De aangroeiende kennis over de interaktie tussen gastheer-microbiomen geeft informatie voor translationeel onderzoek en therapeutische benaderingen van een reeks van chronische aandoeningen. Met de term ‘het microgenderoom’, werd de nadruk gelegd op sekse-verschillen en de kritieke rol van geslacht-hormonen in de microbiële hersenen-ingewanden as. Aan de hand van een dier-model, bevestigden onderzoekers de bidirectionele relatie tussen commensale darm-microbiomen, geslacht-hormonen en het immuunsysteem, en gaven ze een verklaring voor het seksueel dimorfisme [voorkomen van 2 vormen] bij type-1 diabetes. Hun resultaten leverden bewijs voor geslacht-specifieke microbiële gemeenschappen, geslacht-specifieke responsen op dezelfde microbiële gemeenschappen, de rol van sexuele rijping met een impact op microbiële gemeenschappen en bewijsmateriaal aangaande het feit dat microbiële gemeenschappen een beschermende en therapeutische rol kunnen spelen bij het beïnvloeden van hormonale, metabole en immunologische mechanismen. De nadruk leggend op de noodzaak om sekse-specificiteit qua microbiële samenstelling en funktie te onderzoeken, suggereren deze en vergelijkbare bevindingen [bv. Multipele Sclerose] dat intestinale dysbiose – uitgesproken veranderingen van het darm-microbioom – oorzakelijke en daaruitvolgende rollen bij auto-immuunziekten en andere aandoeningen kunnen spelen.

Intestinale dysbiose en verhoogde intestinale permeabiliteit (afwijkingen in het slijmvlies en de spieren van het maag-darm-kanaal) werden waargenomen bij de neuro-immune aandoening Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS). De belangrijkste eigenschap van post-exertionele vermoeidheid en de multi-systemische symptomatologie weerspiegelen een dysfunktie van het centraal zenuwstelsel (CZS), immuunsystemen en inflammatoire mechanismen. De overlappende symptoom-presentatie en de 2:1 vrouw-man verhouding zijn vergelijkbaar met die bij auto-immune ziekten. […] Er is verder onderzoek nodig om de etiologie van deze complexe en invaliderende aandoening te verduidelijken. Het toepassen van het microgenderoom op M.E./CVS kan kansen bieden om de onbevestigde pathofysiologie te verhelderen en behandelingen voor deze heterogene klinische populatie te differentiëren.

Door middel van retrospectieve klinische gegevens (n = 274, 68,6 % vrouwen [CVS-diagnose volgens de ‘Canadian Definition’ Criteria of de Fukuda criteria]), waren we in staat om geslacht-vergelijkingen te bieden voor a) symptoom-presentatie; b) microbiële samenstelling en c) interakties tussen microbiële gemeenschappen en M.E./CVS-symptomen.

Resultaten

Sekse-verschillen qua symptoom-presentatie

Om sekse-verschillen bij symptoom-presentatie te bepalen, werden zelf-gerapporteerde symptomen gecategoriseerd in 13 factoren; waarvan 12 factoren gecategoriseerd volgens de Internationale Consensus Criteria, plus een factor stemming-symptomen. De patiënten beoordeelden de symptoom-ernst (laatste 7 dagen) en -frequentie (voorbije 12 maanden) op een schaal van 0-4. Impact-scores (frequentie x ernst van de symptomen) werden berekend als maatstaf voor elke factor (hogere scores = grotere beperking). Statistische testen toonden geslacht-verschillen voor 9 van de 13 factoren met metingen die een tendens aangeven dat vrouwen meer waarschijnlijk een grotere beperking melden. Niettegenstaande mogelijke sekse-verschillen bij de zelf-rapportering van hoe men omgaat met de symptomen, geven de ge-upreguleerde serotonerge respons die wordt gezien bij vrouwelijke patiënten met CVS [Weaver SA et al. Sex differences in plasma prolactin response to tryptophan in Chronic Fatigue Syndrome patients with and without co-morbid fibromyalgia. Journal of Women’s Health (2010) 19: 951-958] en bewijsmateriaal bij parallelle klinische populaties, – bv. osteo-artritische pijn, migraine en pijn in de dieperliggende weefsels, prikkelbare darm syndroom en depressie – aan dat een interaktie tussen geslacht-steroïden, neuro-endocriene en immuunsystemen een plausibele verklaring kan zijn voor de verhoogde symptoom-ernst en geassocieerde funktionele stoornissen bij vrouwen. Deze resultaten zetten aan tot onderzoek van pathofysiologische verschillen.

Sekse-gelijkenissen qua microbiële samenstelling

Vergelijking tussen de seksen voor elke genus [‘geslacht’ in de indelingsleer van de biologie, staat net boven ‘soort’] was gebaseerd op microbiële cultuur-methodes van stoelgang-stalen. Vooruitgang op gebied van metagenomica [genetische informatie van de bakterieën en die van de gastheer] bieden een superieure detektie van de microbiële diversiteit maar op culturen gebaseerde methodes blijven echter nuttig om het aantal levende bakterieën te tellen bij klinische en toegepaste research. De verschillende bakterieën werden gekwantificeerd als aantal levende [die kolonies vormen op een voedingsbodem] en relatief aantal (RA; verhouding telling-per-soort op totaal aantal detekteerbare in % uitgedrukt). Anaëroben (Bacteroides, Bifidobacterium, Clostridium, Eubacterium & Lactobacillus) en aëroben (Escherichia, Streptococcus, Enterococcus) werden onderzocht.

Statistische testen gaven aan dat er geen significante sekse-verschillen waren qua frequentie (aantal) of aandeel (RA) van elke genus. Daarnaast was er geen significant verschil bij geslacht-vergelijkingen van het totaal aantal detekteerbare bakterieën (1010 cfu/g [cfu = kolonie-vormende éénheden] bij vrouwen en mannen) en de verhouding tussen alle detekteerbare aërobe en anaërobe bakterieën (Aëroob:Anaëroob Ratio: 1,21 bij mannen, 1,10 bij vrouwen). Deze resultaten suggereren consistente microbiële samenstellingen bij de geslachten binnen deze klinische groep.

Interakties tussen microbiële gemeenschappen en symptoom-expressie

Er werden statistische correlaties gebruikt om sekse-interakties tussen microbiële RA en M.E./CVS symptoom-factoren te onderzoeken. Meerdere significante verbanden tussen genera [meervoud van ‘genus’] en M.E./CVS-symptomen gaven aan dat het resultaten-patroon afwijkend was tussen de geslachten. De sekse-specifieke interakties geobserveerd voor Clostridium, Lactobacillus & Streptococcus worden besproken.

Clostridium

Bij de vrouwen was Clostridium positief geassocieerd met 8 van de 13 M.E./CVS-symptomen. Er waren significante kleine/middelmatige positieve correlaties voor vermoeidheid, neurocognitieve symptomen, slaap, immuniteit-stoornissen, totale ICC-symptomen en totale symptoom-score. Bij de mannen werd een tegengesteld verband gevonden, met een significante negatieve correlatie tussen Clostridium RA en stemming-symptomen. […]

Lactobacillus

Er waren positieve associaties tussen Lactobacillus en totale M.E./CVS symptoom-factoren bij de mannen in dit staal. Bij de vrouwen werden echter geen significante verbanden gezien tussen deze variabelen. Enkel bij de mannen werden matige effekten voor neurocognitieve en neurosensorische factoren genoteerd. Andere symptomen geassocieerd met neurologische stoornissen, inclusief pijn en stemming-factoren vertoonden ook consistent significante verbanden en gelijkaardige effekten bij mannen. Als we de gelijkaardige frequentie en distributie van Lactobacillus voor de geslachten in dit staal in overweging nemen, kunnen de verschillende symptoom-expressie bij mannen het best worden verklaard door een sekse-specifieke respons op dezelfde microbiële gemeenschap.

Streptococcus

Het afwijkend sekse-patroon van associaties tussen Streptococcus en M.E./CVS-symptomen was consistent voor 12 van de 13 symptoom-factoren. Correlaties voor Streptococcus RA suggereerden tegengestelde beschermende of pathogene kwalititeiten tussen de geslachten. Bij de mannen bleken kleine tot matige significante positieve associaties tussen Streptococcus RA en pijn, slaap, immuniteit, gastro-intestinale symptomen, genito-urinaire problemen, energie-produktie/transport stoornissen, ICC symptomen en totale. Omgekeerd, bij de vrouwen waren er significante negatieve correlaties tussen Streptococcus RA en pijn, neurosensorische en immuniteit- stoornissen.

Bifidobacterium: mogelijke sekse-consistentie

Hoewel enkel significant bij de vrouwelijke subgroep gaven de analyses van Bifidobacterium RA een voorbeeld voor consistent voorkomen bij de seksen in dit staal en ondersteunden ze mogelijke beschermende eigenschappen voor deze soort. Er waren significante beperkte negatieve correlaties tussen Bifidobacterium RA en vermoeidheid, neurocognitieve, neurosensorische, energie-produktie/transport stoornissen, ICC symptomen en totale symptomen.

Bespreking

Onze observaties in deze M.E./CVS-groep toonden a) geslacht-verschillen qua symptoom-presentatie; b) sekse-consistentie qua microbiële gemeenschappen en c) geslacht-specifieke interakties met darm-microbiomen en symptoom-expressie. Verbanden tussen symptoom-ernst en bakteriële waarden, in de context van sekse-consistentie qua microbiële gemeenschappen, impliceren geslacht-specifieke interakties met darm-microbiomen. We kunnen enkel hypothiseren over de precieze mechanismen van geslacht-interakties omdat de hormonale status van de patiënten in dit staal niet beschikbaar was. Er werd gesuggereerd dat wijzingen qua microbiële samenstelling en het daarmee verband houdend onevenwicht qua produktie van oestrogeen-receptor agonisten/antagonisten zou kunnen bijdragen tot immuniteit-stoornissen en andere symptomen die worden gezien bij M.E./CVS. Specifieke bakterie-klassen (Firmicutes, Actinobacteria & Proteobacteria) metaboliseren en moduleren de homeostase van steroïde geslacht-hormonen via genen die coderen voor hydroxysteroïd-dehydrogenase (HSD) enzymen. Bijzonderlijk soorten binnen de geslachten Clostridium, Bacteroides & Eubacterium zijn gekende producenten van de enzymen 7α- en 7β-hydroxysteroïd-dehydrogenase, die mensen en dieren in staat stellen cholesterol te absorberen, de voorloper van steroïd-hormonen. De resultaten van deze studie stellen echter ons huidig begrip van deze processen en in vraag en suggereren de noodzaak de gastheer-relatie met intestinale organismen op species-niveau te onderzoeken voor elk van deze 3 bakterie-geslachten.

Het verband tussen microbiomen en hormonen lijkt bidirectioneel. In populaties met intestinale dysbiose, kan het gevolg van veranderingen in het hormonaal metabolisme en ontregeling, de symptoom-expressie en variabiliteit helpen verklaren. Omgekeerd: hormonale onevenwichten kunnen ook intestinale dysbiose bestendigen. Het fylum [stam] Firmicutes omvat de soorten Clostridium, Lactobacillus en Streptococcus, die alle 3 interessante sekse-interakties vertoonden in onze groep. Bij toekomstige studies zou moeten worden overwogen de hormonale status en biomerkers na te gaan om mogelijke interakties met microbiële samenstelling te onderzoeken in een poging de fysiologie die aan de basis ligt van deze geslacht-verschillen af te lijnen.

Misschien weerspiegelen de verbanden tussen Clostridium en sommige M.E./CVS-symptomen bij vrouwen de invloed van het dieet en variatie op species-niveau. Een toename van Firmicutes bleek ook geassocieerd met een meer typisch ‘Westers’ dieet waarbij de opportunistische soorten Clostridium difficile & Clostridium perfringens zich snel ontwikkelen door de verhoogde inname van geraffineerde suikers. De sekse-specifieke verbanden in het huidig staal stellen verder vragen omtrent intestinale dysbiose bij M.E./CVS; in het bijzonder onderzoek naar hogere waarden van Clostridium species die neurologische symptomen bij vrouwen verergeren en naar het potentieel nut van behandelingen om het intestinaal evenwicht te herstellen.

Observaties aangaande de geslachten Lactobacillus & Streptococcus suggereren dat D-lactaat een bijdragende factor kan zijn tot de symptoom-expressie, bijzonderlijk bij mannen. Deze hypothese verklaart de neurologische symptomen van of M.E./CVS ten gevolge neurotoxische effekten van bakteriële metabolieten (D-melkzuur geproduceerd door de meeste Lactobacillus en Streptococcus soorten) op de hersenen en het zenuwstelsel [Galland, L. The gut microbiome and the brain. J. Medicinal Food (2014) 17: 1-12]. Er werden verhoogde waarden D-melkzuur gevonden in het serum van CVS-patiënten met intestinale bakteriële overgroei, geassocieerd met cognitieve en neurologische stoornissen [Uribarri J et al. D-lactic acidosis: a review of clinical presentation, biochemical features and pathophysiologic mechanisms. Medicine (1998) 77: 73-82], en verlaagd in respons op behandeling bij een groep CVS-patiënten. De mechanismen van een geslacht-specifieke respons op D-melkzuur werden niet overwogen.

Mogelijke sekse-verschillen qua symptoom-expressie als gevolg van of bijdragende factor tot de microbiële samenstelling hebben klinische en research-implicaties. Bij behandeling gericht op het herstel van de intestinale homeostase (faecale transplantaties, antibiotica en probiotica) dient men de individuele variatie en mogelijke geslacht-verschillen die de responsiviteit kunnen beïnvloeden te overwegen. Er moeten klinische testen worden ontworpen met voldoende grote groepen om sekse-vergelijkingen mogelijk te maken. Anders zou een gelijkaardige samenstelling binnen een klinische populatie verkeerdelijk kunnen worden geïnterpreteerd. In het bijzonder nopen de bevindingen omtrent Lactobacillus soorten bij mannen tot voorzichtigheid wat betreft voorbarige supplementering met D-lactaat producerende bakterieën. De resultaten ondersteunen echter de gezondheid-bevorderende effekten van Bifidobacteria, zoals werd geobserveerd bij diverse ziekten (waaronder prikkelbare darm syndroom, kanker, angst en depressie).

Gecombineerd suggereren onze resultaten het microgenderoom in een menselijke klinische populatie. De via analyses van de genera geobserveerde geslacht-interakties bieden geen specificiteit en moeten aanzetten tot verder onderzoek op species-niveau. Deze resultaten vragen om research naar de rol van de interaktie van geslacht-steroïden met microbiomen bij de modulatie van vermoeidheid, pijn, neurale en immuun-responsen die wordt gezien bij M.E./CVS. Dit is een klinisch complexe maar interessante research-populatie met overlappende symptomatologie die relevant is voor diverse klinische groepen. Onderzoek-inspanningen die fenotypes en een mechanistisch begrip van het menselijk microbioom genereren, vereisen onderzoek van mogelijke of geslacht- en funktionele verschillen wat betreft gemeenschappen met gelijkaardige samenstelling.

januari 7, 2016

Gewijzigd darm-microbioom na inspanning bij M.E.(cvs)

Filed under: Inspanning — mewetenschap @ 9:03 am
Tags: , , , , ,

Uit het stuk ‘Effekt van supplementering met melkzuur-producerende bakterieën bij CVS’ leerden we dat het veranderen van de darmflora – ook bij M.E.(cvs)-patiënten – niet evident is. Welke probiotische bakterie-stammen zouden moeten worden toegediend, ligt niet voor de hand. Daar dient nog veel onderzoek naar te gebeuren…

Dat de samenstelling van de darm-flora echter een rol speelt bij M.E.(cvs) wordt niet meer betwijfeld. Onderstaand artikel toont dit ook aan. De onderzoekers rapporteren dat veranderingen in de darm-flora en de verplaatsing van darm-bakteriëen naar het bloed, na inspanning, bij M.E.(cvs)-patiënten verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de beruchte post-exertionele malaise.

————————-

PLOS One [December 2015]

Changes in Gut and Plasma Microbiome following Exercise Challenge in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS)

Sanjay K. Shukla (1), Dane Cook (2,3), Jacob Meyer (2), Suzanne D. Vernon (4), Thao Le (1), Derek Clevidence (3), Charles E. Robertson (5), Steven J. Schrodi (1), Steven Yale (6), Daniel N. Frank (5)

1 Marshfield Clinic Research Foundation, Marshfield, WI, United States of America

2 William S. Middleton Memorial Veterans Hospital, Madison, WI, United States of America

3 University of Wisconsin, Madison, WI, United States of America

4 Bateman Horne Centre of Excellence, Salt Lake City, UT, United States of America

5 University of Colorado Denver Anschutz Medical Campus, Aurora, CO, United States of America

6 Marshfield Clinic, Marshfield, WI, United States of America

Samenvatting

Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) is een ziekte die wordt gekenmerkt door een intense en uitputtende vermoeidheid (die niet te wijten is aan lichamelijke aktiviteit en die blijft aanhouden gedurende minstens 6 maanden), post-exertionele malaise en niet-verfrissende slaap, en gepaard gaat met een aantal secundaire symptomen (inclusief pijnlijke keel, geheugen- en concentratie-stoornissen, hoofdpijn en spier/gewricht-pijn). Bij patiënten met post-exertionele malaise treedt een significante verergering van de symptomen op na fysieke inspanning en een inspanning-test is een nuttige methode voor het identificeren van biomerkers voor inspanning-intolerantie. Bewijsmateriaal suggereert dat intestinale dysbiose [dysbakteriose; microbieel onevenwicht] en een systemische respons op micro-organismen in de darmen een rol kunnen spelen in de symptomatologie van M.E./CVS. Zodoende poneerden we de hypothese dat post-exertionele verergering van M.E./CVS-symptomen te wijten kan zijn aan een verhoogde bakteriële translokatie van de darmen naar de bloed-circulatie. Om deze hypothese te testen, verzamelden we symptoom-rapporten en bloed- & stoelgang-stalen van 10 klinisch gekarakteriseerde M.E./CVS-patiënten en 10 gematchte gezonde controles vóór en 15 min, 48 h & 72 h na een maximale inspanning belasting. De microbiomen [microbioom = gezamelijke genomen van de micro-organismen die in een bepaalde omgeving leven] van de bloed- & stoelgang-stalen werden onderzocht. De microbiomen van de stoelgang-stalen verschilden tussen M.E./CVS-patiënten en gezonde controles wat betreft de aantallen van meerdere belangrijke bakteriële klassen. Na maximale inspanning was er een toename qua relatief aantal van 6 van de 9 belangrijke bakteriële klassen/geslachten bij M.E./CVS-patiënten van baseline naar 72 h na inspanning in vergelijking met slechts 2 van de 9 bij controles (p = 0.005). Er was ook een significant verschil qua opruiming uit het bloed van specifieke bakteriële klassen na inspanning, waarbij hoge aantallen bakteriële [DNA-]sequenties aanwezig bleven bij de M.E./CVS-patiënten 72 h na inspanning (t.o.v. de controles). Deze resultaten bieden bewijs voor een systemisch effekt van een gewijzigd darm-microbioom bij M.E./CVS-patiënten vergeleken met controles. Na inspanning-belasting waren er significante veranderingen qua aantallen van de belangrijke bakteriële klassen in de darm gut van M.E./CVS-patiënten die niet werden gezien bij gezonde controles. Daarnaast was de opruiming van bakterieën uit het bloed vertraagd bij M.E./CVS-patiënten (in vergelijking met controles) na inspanning. Deze bevindingen suggereren een rol voor een veranderd darm-microbioom en verhoogde bakteriële translokatie [verplaatsing] na inspanning bij M.E./CVS-patiënten, wat verantwoordelijk kan zijn voor de diepgaande post-exertionele malaise die wordt ervaren door M.E./CVS-patiënten.

Inleiding

[…] Niet alle patiënten ervaren dezelfde symptomen, wat wijst op het bestaan van M.E./CVS-subgroepen. Er werden bv. subgroepen gebaseerd op basis de aan- of afwezigheid van gastro-intestinale symptomen en post-exertionele malaise beschreven.

In het bijzonder is post-exertionele malaise [PEM] tevoorschijn gekomen als een onderscheidend kenmerk van M.E./CVS. Het wordt beschreven als een significante verergering van meerdere symptomen na fysieke en mentale inspanning. Post-exertionele malaise bleek geassocieerd met abnormale neurovasculaire regulering en veranderde immuun- en metabole respons op aërobe inspanning [Light AR, White AT, Hughen RW, Light KC. Moderate exercise increases expression for sensory, adrenergic and immune genes in Chronic Fatigue Syndrome patients but not in normal subjects. J Pain (2009) 10: 1099-1112; zie Matige Inspanning verhoogt Expressie van Sensorische, Adrenerge en Immuun Genen bij CVS /// Meyer J, Light A, Shukla SK, Clevidence D, Yale S, Stegner AJ et al. Post-exertion malaise in Chronic Fatigue Syndrome: symptoms and gene expression. Fatigue: Biomedicine, Health, & Behavior (2013) 1: 190-209 /// Nijs J, Nees A, Paul L, De Kooning M, Ickmans K, Meeus M et al. Altered immune response to exercise in patients with Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis: a systematic literature review. Exerc Immunol Rev (2014) 20: 94-116]. Variabiliteit qua symptomen en ernst met verloop van tijd zorgen er voor dat M.E./CVS-patiënten een heterogene populatie is en meerdere studies zijn niet in staat gebleken verschillen te detekteren tussen patiënten en controles bij ‘baseline’. Een inspanning-belasting bij mensen die lijden aan PEM kan een nuttig instrument zijn om te proberen de verergerende symptomen en de ernst in de patiënten-groep in een gecontroleerde ‘setting’ te evalueren, en de mogelijke maar niet voor de hand liggende verschillen tussen patiënten en controles bloot te leggen. Karakterisatie van het darm-microbioom bij patiënten met M.E./CVS heeft significante veranderingen aangetoond in vergelijking met gezonde controles [Lakhan SE, Kirchgessner A. Gut inflammation in Chronic Fatigue Syndrome. Nutr Metab (2010) 7: 79]. Daarnaast werd aangetoond dat systemische antilichaam-responsen tegen darm micro-organismen voorkomen bij M.E./CVS, wat suggereert dat verhoogde intestinale permeabiliteit en bakteriële translokatie door de intestinale barrière kan resulteren in verdere inflammatie en bijdragen tot M.E./CVS-symptomen. IgA-antilicaam responsen tegen darm-batkterieën bij M.E./CVS-patiënten bleken geassocieerd met hogere serum-waarden van IL-1, TNFα en neopterine [merker voor immuun-aktivatie; afbraak-produkt van het nucleotide GTP, wordt gesynthetiseerd door macrofagen na stimulatie met interferon-gamma, geeft een pro-inflammatorire immune toestand aan], auto-immune responsen tegen serotonine en meer symptomen van prikkelbare darm syndroom. We poneerden de hypothese dat de ecologie van de darm-microbiomen bij M.E./CVS-patiënten zou verschillen van die van gematchte gezonde controles en dat deze verschillen geassocieerd zouden zijn met verhoogde bakteriële translokatie van de darm naar de bloed-circulatie, na inspanning met een verergering van de symptomen (pijn, vermoeidheid en stemming). De resultaten die worden voorgesteld bevestigen eerdere bevindingen die suggereren dat M.E./CVS-patiënten een gewijzigd darm-microbioom hebben en suggereren verder dat verhoogde bakteriële translokatie na inspanning een mogelijke verklaring biedt voor de diepgaande post-exertionele malaise die wordt ervaren door sommige M.E./CVS-patiënten.

Methodes

[…]

Resultaten

Fenotypische kenmerken

[…] In deze studie rapporteerden slechts 3 van de 10 patiënten en 2 van de 10 controles gastro-intestinale symptomen […] De resultaten van de maximale inspanning test [fiets-ergometer] waren gelijkaardig voor de 2 groepen […].

Post-exertionele malaise

[…] De symptomen veranderden van pre- naar post-inspanning en deze veranderingen waren verschillend tussen M.E./CVS-patiënten en controles. […] M.E./CVS-patiënten [criteria: Fukuda et al. 1994] vertoonden grote veranderingen qua pijn, vermoeidheid en verwardheid op verschillende tijdstippen na inspanning t.o.v. controles.

Microbioom-kenmerken

[…] Het bereik van het aantal gevonden sequenties op genus-niveau – de Good’s mean index – was 95%, wat aangeeft dat elke sequentie-dataset de onderliggende biodiversiteit adequaat aangeeft. De bloedstalen gaven, zoals verwacht, een lager aantal bakteriële sequenties […] dan de stoelgang-stalen […].

[…] In bloedstalen vonden we een lager relatief aantal Bacteroidetes [groep meestal goedaardige Gram-negatieve, staafvormige bakterieën] en een hoger relatief aantal Firmicutes [groep Gram-positieve bakterieën waartoe de Staphylococci, Clostridia en de Bacilli (ook lactobacillen) behoren] bij de M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. In de stoelgang-stalen vonden we daarentegen een hoger relatief aantal Bacteroidetes en een lager relatief aantal Firmicutes bij de M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. Het relatief aantal Actinobacteria [groep Gram-positieve bakterieën waartoe de bifidobakterieën behoren] in de darm was significant lager bij M.E./CVS-patiënten t.o.v. controles. […].

Microbioom-respons op maximale inspanning

Er werden veranderingen qua gemiddelde relatieve aantallen bakterie-soorten in stoelgang-stalen geobserveerd na de maximale inspanning test en deze veranderingen waren verschillend tussen M.E./CVS-patiënten en gezonde controles. Het gemiddeld relatief aantal bakterieën in de stoelgang van patiënten (7 van de 9 belangrijke bakterie-takken bij ‘baseline’) verhoogde tot 72 h na de inspanning, vergeleken met een toename bij slechts 2 van de 9 belangrijke bakterie-afdelingen/stammen bij gezonde controles (p = 0.005). In tegenstelling tot de M.E./CVS-patiënten daalde het relatief aantal van de belangrijkste stammen na 72 h in de stoelgang-stalen van gezonde controles, wat suggereert dat de bakteriële lading bij M.E./CVS-patiënten preferentieel verhoogd is bij post-exertionele malaise.

Gezien het hoog relatief aantal Firmicutes in de stoelgang-stalen, onderzochten we verder de mogelijkheid op translokatie van organismen van deze stam naar het bloed na inspanning. Er werden verschillen qua verandering in relatief aantal Firmicutes/Bacilli organismen geobserveerd in bloed- en stoelgang-stalen met verloop van tijd. Opmerkelijk is de significante toename qua relatief aantal Bacilli in het bloed van M.E./CVS-patiënten afgenomen 48 h na inspanning. We observeerden ook snelle veranderingen in het relatief aantal Clostridium XIVa & IV [groepen boterzuur-producerende bakterieën; worden onderzocht als mogelijke behandeling voor prikkelbare darm], behorende tot de Firmicutes, in bloed-stalen van ME/CV-patiënten afgenomen 15 min na maximale inspanning, maar niet van gezonde controles. We speculeren dat deze bakterieën zich zouden hebben kunnen verplaatst van de darm naar het bloed na maximale inspanning. Dit fenomeen lijkt specifiek voor bepaalde takken en is prominenter bij patiënten dan controles.

Bespreking

Neuro-inflammatie en oxidatieve ontregeling werd aangetoond bij patiënten met M.E./CVS. Hoewel differentiële intestinale microbioom-kenmerken werden beschreven voor M.E./CVS-patiënten en gezonde controles, en systemische antilichaam-responsen op darm-bakterieën geassocieerd bleken met verhoogde inflammatie, verergerde vermoeidheid en gastro-intestinale symptomen, werd de mogelijkheid van voorbijgaande veranderingen van de bakteriële kolonisatie in de darm en/of het bloed om de symptomen te moduleren niet geëvalueerd bij M.E./CVS-patiënten. Het bewijs van gewijzigde intestinale microbiomen en bakteriële translokatie naar het bloed na inspanning bij M.E./CVS-patiënten is consistent met eerdere bevindingen en betekent nieuw bewijsmateriaal voor een systemisch bakterieel signaal en door inspanning geïnduceerde bakteriële translokatie – een mogelijke verklaring voor de verergerde symptomen die worden gezien bij patiënten wanneer ze proberen fysiek meer aktief te worden.

Gedurende de laatste Jaren begrijpen we steeds meer van hoe wijzigingen in het menselijk microbioom gezondheid en ziekte beïnvloeden. Muizen-modellen suggereren dat darm-microbiomen kunnen bijdragen tot magerheid, obesitas, stress en emotioneel gedrag, via endocriene en neuro-endocriene mechanismen [Mayer EA, Tillisch K, Gupta A. Gut/brain axis and the microbiota. J Clin Invest (2015) 125: 926-938] en een aanzienlijke hoeveelheid bewijsmateriaal suggereert gelijkaardige gevolgen bij mensen via effekten op de gastheer-immuniteit en -metabolisme [Maranduba CM et al. Intestinal microbiota as modulators of the immune-system and neuro-immune system: impact on host health and homeostasis. J Immunol Res (2015) 2015: 931574 /// West CE et al. The gut microbiota and inflammatory non-communicable disease: associations and potentials for gut microbiota therapies. J Allergy Clin Immunol (2015) 135: 3-13]. De verschillen qua relatieve aantallen bakterieën van het intestinaal microbioom die werden opgetekend in de huidige studie, zijn consistent met deze die eerder in de literatuur werd gerapporteerd. Hoewel er tot op heden geen “typisch” enterotype werd gedefinieerd, zijn meldingen van dysbiose bij patiënten met M.E./CVS consistent met de veranderingen qua relatieve aantallen Firmicutes & Bacteroidetes die hier werden geobserveerd.

Wellicht belangrijker dan de bevestiging van intestinale dysbiose in de context van M.E./CVS is het bewijs van tijdelijke veranderingen qua microbioom-samenstelling na een maximale inspanning belasting en de nieuwe bevinding van een bakterieel signaal in de bloedstroom bij M.E./CVS-patiënten én gezonde controles dat optreedt gelijktijdig met symptoom-verergering. Deze bevinding is consistent met de systemische respons tegen darm micro-organismen en het feit dat een correlatie werd aangetoond tussen deze systemische respons, en pathologische M.E./CVS-processen en symptomen (inclusief hogere serum-waarden IL-1, TNFα & neopterine, auto-immune responsen tegen serotonine en meer prikkelbare darm syndroom symptomen). In de huidige studie gingen microbioom-wijzigingen en bakteriële metingen gepaard met grote veranderingen qua vermoeidheid, pijn en verwarring bij M.E./CVS-patiënten. Dergelijke door inspanning geïnduceerde veranderingen in het microbioom zijn consistent met deze die hierboven werden beschreven en bijkomende rapporten over gewijzigde immuun-responsen na inspanning bij patiënten met M.E./CVS, terwijl ze ook een plausibele verklaring voor dergelijke veranderingen bieden.

Hoewel geweten is dat de samenstelling van het intestinaal microbioom veranderingen kan teweegbrengen met verloop van tijd (bij ontwikkeling en veroudering, en in respons op veranderingen qua dieet) duurt het onderzoek van het menselijk intestinaal microbioom gewoonlijk weken, maanden of zelfs jaren, om te bepalen of er bewijs is voor een effekt van een bepaalde behandeling. De notie dat inspanning de samenstelling van darm-microbiomen kan beïnvloeden, werd beschreven bij dieren- én menselijke modellen [o.a. O’Sullivan O et al. Exercise and the microbiota. Gut Microbes (2015) 6: 131-136 /// Clarke SF et al. Exercise and associated dietary extremes impact on gut microbial diversity. Gut (2014) 63: 1913-1920]. Het hier aangedragen bewijsmateriaal suggereert dat lichamelijke aktivieit niet enkel de samenstelling van darm-microbiomen kan beïnvloeden, maar ook dat de tijdelijke effekten van dergelijke fysieke aktiviteit zich verschillend kunnen manifesteren bij gezonde en zieke individuen. Deze veranderingen verklaren mogelijks waarom acute inspanning sommige individuen met M.E./CVS nog zieker maakt.

Bloed wordt over het algemeen als steriel beschouwd, hoewel er bewijs voor kortstondige, asymptomatische bakteriëmie [voorkomen van bakterieën in het bloed] na een tand-extractie en darm-ingreep werd gerapporteerd. In de context van M.E./CVS suggereren systemische respons op micro-organismen in de darm dat bakteriële translokatie door de intestinale barrière ook kan voorkomen als onderdeel van deze ziekte. De notie dat inspanning ook kan resulteren in translokatie van bakterieën door de intestinale barrière is bijzonder interessant, vooral in het geval van M.E./CVS waar post-exertionele malaise een sleutel-kenmerk van de ziekte is. Na maximale inspanning, detekteerden we bakteriële signalen in bloedstalen van M.E./CVS-patiënten en gezonde controles. Consistent met verschillen qua intestinale microbiomen tussen de 2 groepen, noteerden we een verhoogd relatief aantal Firmicutes, in het bijzonder Clostridium clusters XIVa & IV, in bloedstalen van M.E./CVS-patiënten 15 min na inspanning. In vitro funktionele studies zullen ons beter in staat stellen deze observatie beter te beoordelen. We speculeren echter dat sommige Firmicutes en Bacilli – omwille van hun sterkere celwanden en inherente capaciteit te overleven in hardere omstandigheden – langer overleven in het bloed. Verder onderzoek naar de mogelijkheid van voorbijgaande translokatie van intestinale micro-organismen naar het bloed na inspanning en hoe de dysbiose die kenmerkend is voor bepaalde ziekten (zoals M.E./CVS) deze translokatie kan beïnvloeden, kan inzicht verschaffen omtrent hoe het microbioom ziekte-symptomen bepaalt.

Er is steeds meer bewijs voor gewijzigde intestinale permeabiliteit bij patiënten met M.E./CVS en preliminaire studies suggereren dat behandelingen bedoeld om de darm-microbiomen te moduleren of de funktie van de intestinale barrière te versterken in staat zouden kunnen zijn M.E./CVS-symptomen te verbeteren [Proal AD et al. Immunostimulation in the treatment for Chronic Fatigue Syndrome/ Myalgic Encephalomyelitis. Immunol Res (2013) 56: 398-412 /// Rao AV, Bested AC et al. A randomized, double-blind, placebo-controlled pilot-study of a probiotic in emotional symptoms of Chronic Fatigue Syndrome. Gut Pathog (2009) 1: 6]. Het feit dat we met verloop van tijd veranderingen kunnen detekteren in de samenstelling van het intestinaal microbioom en voorbijgaande bakteriële translokatie van de darm naar het bloed kunnen observeren na inspanning, kan een test-protocol bieden voor het testen van toekomstige behandelingen die worden ontworpen om deze uitkomsten te veranderen en om te bepalen of dit het werking-mechanisme is bij dergelijke behandelingen. Behandelingen die met enig succes werden getest bij andere chronische, inflammatoire, niet-overdraagbare ziekten (waarvan wordt gedacht dat intestinale dysbiose is betrokken), omvatten probiotica, prebiotica, voedingsvezels en transplantatie van faecale microbiomen [West CE et al. The gut-microbiota and inflammatory non-communicable disease: associations and potentials for gut microbiota therapies. J Allergy Clin Immunol (2015) 135: 3-13 /// Ianiro G et al. Therapeutic modulation of gut microbiota: current clinical applications and future perspectives. Curr Drug Targets (2014) 15: 762-770]. Gelijkaardige proeven bij M.E./CVS-patiënten kunnen nuttig zijn voor het monitoren van bacteriële signalen in de darm en het bloed.

Gepaste diagnose van M.E./CVS is een zeer ingewikkeld en grondig proces. Eén van de sterkte-punten van deze studie was dat klinici met expertise wat betreft de diagnose van M.E./CVS betrokken waren bij het identificeren van patiënten en controles in een groep van meer dan 100 mogelijke patiënten. De geïdentificeerde patiënten werden slechts opgenomen na onderzoek van bloed-testresultaten, om belangrijke co-morbide aandoeningen uit te sluiten die de M.E./CVS-symptomen zouden kunnen verklaren, en de controles werden zorgvuldige geselekteerd (gematcht op basis van leeftijd, geslacht, BMI en zelf-gerapporteerde algemene aktiviteit-patronen. Gezien dit echter gaat om een kleine piloot-studie (met slechts 10 patiënten en 10 controles), was het niet mogelijk te controleren voor alle mogelijke verstorende factoren, inclusief de brede waaier deelnemers, gebruik van medicatie en supplementen (bv. pijnstillers, anti-oxidantia) en bijkomende medische diagnoses (bv. depressie, gastro-intestinale symptomen, allergieën). Hoewel het zorgvuldig selektie-proces patiënten- en controle-populaties van hoge kwaliteit toeliet, was de studie-groep klein en veel observaties bereikten als dusdanig geen statistische significantie. Daarnaast was het bij voorbaat uitgesloten om op een directe manier de verbanden tussen symptomen en veranderingen van het darm- en plasma-microbioom te onderzoeken gezien de beperkte groep. Gezien deze beperkingen, moeten de bevindingen omzichtig worden geïnterpreteerd. Een groter groep zou helpen om de klinisch relevante observaties beter te beoordelen. Zelfs deze relatief kleine studie wijst echter op belangrijke verschillen qua samenstelling van het intestinaal microbioom en tijdelijke bakteriëmie die toekomstige grotere studies, ontworpen om te begrijpen hoe deze verschillen verband houden met de etiologie en/of symptomatologie van M.E./CVS, kunnen aansturen. Een ander beperking van de studie was de diepgaande microbioom-sequentiebepaling. […] Bijkomende ‘deep-sequencing’ [meer gesofisticeerde genetische methode] van de reeds verzamelde stalen zou waarschijnlijk de statistische ‘power’ verhogen wat betreft het detekteren van significante veranderingen van de meer zeldzame bakterie-soorten.

We zijn nog ver weg van een volledig begrijpen van hoe de intestinale microbiomen een impact hebben op de etiologie en symptomatologie van M.E./CVS maar het hier en elders geleverd bewijs suggereert dat veranderingen in het darm-microbioom verband houden met de ziekte. We presenteren hier bijkomend bewijsmateriaal ter ondersteuning van het idee dat tijdelijke veranderingen qua microbiële samenstelling in de darm en translokatie van darm-microben naar het bloed de symptomen van M.E./CVS kunnen beïnvloeden. Verdere studies naar M.E./CVS-etiologie en behandelingen zouden mikrobiële analyses moeten omvatten om deze interessante bevinding verder te verduidelijken.

————————-

In het artikel ‘Sleep quality and the treatment of intestinal microbiota imbalance in Chronic Fatigue Syndrome: A pilot study’ – Sleep Science (2015) – rapporteerden Australische onderzoekers (o.a. Henry Butt van Bioscreen Ltd.) over preliminair bewijs van een piloot-studie, dat veranderingen in de samenstelling van de darm-flora bij M.E.(cvs) de slaap kan beïnvloeden. Er werd nagegaan of bij een kleine groep (n = 21) met een gekende slechte slaap en een hoge graad qua kolonisatie met Gram-positieve faecale Streptococcen de slaap kon worden verbeterd (door toediening van het antibioticum erythromycine, 400 mg gedurende 6 dagen). Bij de meeste M.E.(cvs)-deelnemers bleek een korte antibiotica-behandeling onvoldoende om tot duurzame veranderingen in het ecosysteem van de darm te leiden. Er werd wat verbetering gevonden wat betreft objectieve slaap-parameters (significante toename van de totale slaap-tijd) en stemming bij 7 ‘responders’ (lager aantal Streptococcen), na behandeling met antibiotica. Dit dient verder en uitgebreider te worden onderzocht…

Maak een gratis website of blog op WordPress.com.