M.E.(cvs)-wetenschap

november 29, 2014

Oraal Co-enzyme Q10 plus NADH voor M.E.(cvs)

Filed under: Behandeling — mewetenschap @ 7:00 pm
Tags: , , , , ,

Bij onze zoektocht naar therapeutische middelen die de oxidatieve stress bij M.E.(cvs) – en daardoor hopelijk ook de post-exertionele malaise – kunnen voorkomen of verlichten (zodat misschien de drempel om tot inspanning te komen kan worden verlaagd), komen we steeds meer mogelijkheden of aanpassingen op bestaande behandelingen tegen – hier de combinatie van Co-enzyme Q10 met NADH. Deze dienen nog steeds te worden onderzocht bij grotere groepen.

Lees ook andere verwante stukken op deze pagina’s (bv. ‘CoQ10 & inflammatie – mitochondriale dysfunktie (FM – inspanning)’, ‘Rol van mitochondriale dysfunkties bij pijn (CVS & FM)’, enz.).

Onderstaand werk – ondersteund door de firma die het middel op de markt brengt – werd uitgevoerd door het team van de CVS Research Eenheid van het Vall d’Hebron Universitair Ziekenhuis in Barcelona dat al meerdere publicaties hieromtrent op z’n naam heeft.

————————-

Antioxid Redox Signal. 2014 [pre-print]

Does oral Coenzyme Q10 plus NADH supplementation improve fatigue and biochemical parameters in Chronic Fatigue Syndrome?

Castro-Marrero J, Cordero MD, Segundo MJ, Saez-Francas N, Calvo N, Román-Malo L, Aliste L, Fernandez de Sevilla T, Alegre-Martin J

Vall de Hebron Univ Hospital Research Institute, CFS Research Unit, Barcelona, Spain

Samenvatting

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een chronische en zeer invaliderende ziekte die wordt gekenmerkt door langdurige vermoeidheid en meerdere symptomen met een ongekende oorzaak; zonder diagnostische test of doeltreffende behandeling. Inflammatie, oxidatieve stress, mitochondriale dysfunktie en CoQ10-deficiëntie werden goed gedocumenteerd bij CVS. We voerden een 8 weken durende gerandomiseerde, dubbel-blinde, placebo-gecontroleerde proef uit om de voordelen van oraal CoQ10 (200 mg/dag) plus NADH (20 mg/dag) te evalueren, wat betreft vermoeidheid en biochemische parameters bij 73 Spaanse CVS-patiënten. Deze studie werd geregistreerd bij ClinicalTrials.gov (NCT02063126). Er werd een significante verbetering qua vermoeidheid (reductie van de FIS totale score; p < 0.05) gerapporteerd voor de behandelde groep vs. placebo. Daarnaast werd ook een herstel van de biochemische paramters gerapporteerd. NAD+/NADH (p < 0.001), CoQ10 (p < 0.05), ATP (p < 0.05) en citraat-synthase (p < 0.05) waren significant hoger en lipoperoxiden (p < 0.05) significant lager in bloed mononucleaire cellen (BMCs) van de behandelde groep. Deze observaties leiden tot de hypothese dat orale toediening van CoQ10 plus NADH potentiële therapeutische voordelen zou kunnen opleveren wat betreft vermoeidheid en biochemische parameters bij CVS. Proeven bij grotere groepen om deze bevindingen te bevestigen zijn gerechtvaardigd.

INLEIDING

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) […] De etiologie blijft onduidelijk; studies hebben echter aangetoond dat oxidatieve stress en mitochondriale verstoringen naar energie-behoeften toe geassocieerd kunnen zijn met de pathogenese [Castro-Marrero J, Cordero MD, Sáez-Francàs N, Jimenez-Gutierrez C, Aguilar-Montilla FJ, Aliste L, Alegre-Martin J. Could mitochondrial dysfunction be a differentiating marker between Chronic Fatigue Syndrome and fibromyalgia? Antioxid Redox Signal (2013) 19: 1855-1860; zie ‘Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM?]. Het is onzeker of oxidatieve stress en mitochondriale abnormaliteiten het gemeenschappelijke eindpunt is voor alle dysfunkties aanwezig bij de aandoening. Behandelingen voor CVS zijn grotendeels gericht op symptoom-beheersing. […] Er is een dringende noodzaak aan nieuwe behandelingen. Een beter begrip van de multifactoriële etiologie en pathofysiologie-mechanismen zal inzicht bieden naar geschikte behandelingen toe. CVS is ook geassocieerd met meerdere gerelateerde biochemische en immune abnormaliteiten in multipele inflammatoire, en oxidatieve en nitrosatieve stress (O&NS) mechanismen. Deze mechanismen omvatten: 1) immuun-aktivatie; 2) intracellulaire inflammatie; 3) dysfunktionele mitochondrieën; 4) verlaagde anti-oxidante status; 5) verhoogde oxidatieve en nitrosatieve stress (O&NS), resulterend in schade aan het DNA, essentiële vetzuren (lipiden), proteïnen, mitochondrieën en zelfs rode bloedcellen; en 6) verhoogde translokatie van gram-negatieve bakterieën (lekke darm). Al deze belangrijke processen bleken betrokken bij de ontwikkeling en progressie van de aandoening, en kunnen een instrument vormen voor toekomstige behandeling van CVS. Gegevens suggereren dat CoQ10- en NADH-deficiënties betrokken zijn bij CVS en fibromyalgie (FMS) [Alegre J, Roses JM, Javierre C, Ruiz-Baques A, Segundo MJ, De Sevilla TF. Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) in patients with Chronic Fatigue Syndrome. Rev Clin Esp (2010) 210: 284-288 /// Cordero MD, Alcocer-Gomez E, De Miguel M, Culic O, Carrion AM, Alvarez-Suarez JM, Bullon P, Battino M, Fernandez-Rodriguez A, Sanchez-Alcazar JA. Can co-enzyme Q10 improve clinical and molecular parameters in fibromyalgia? Antioxid Redox Signal (2013) 19: 1356-1361]. Zowel CoQ10 en NADH spelen een kritieke rol bij mitochondriale ATP-produktie en homeostase van het cellulair metabolisme. Er werd gesuggereerd dat combinaties van natuurlijke anti-oxidante supplementen significant de vermoeidheid kunnen verminderen en zelfs de mitochondriale funktie op lange termijn kunnen herstellen bij CVS-patiënten met onhandelbare vermoeidheid. Preliminaire gegevens tonen een opmerkelijke klinische verbetering na het inzetten van orale supplementering met NADH of CoQ10 bij patiënten met CVS en FMS. Daarom was het onze bedoeling een 8-weken gerandomiseerde, dubbel-blinde, placebo-gecontroleerde proef (RCT) uit te voeren, om het nu te evalueren van oraal CoQ10 plus NADH wat betreft vermoeidheid en biochemische parameters geassocieerd met oxidatieve stress, bio-energetische status en mitochondriale dysfunktie bij 73 Spaanse CVS-patiënten.

RESULTATEN

Deelnemers aan de studie

[…] Diagnose van CVS volgens de 1994 CDC Fukuda criteria […]. 73 vrouwen met CVS kwamen in aanmerking voor de studie en werden gerandomiseerd (kregen CoQ10 plus NADH of placebo) (gemiddelde leeftijd: 49,3 ± 7,1 jaar). […].

[Exclusie-criteria: acute infektueuze ziekten 4 weken voorafgaand aan de studie; neurologische, psychiatrische (depressie/angst), metabole, auto-immune, met allergie verwante ziekten; dermale of chronische inflammatoire aandoeningen; ongewenste gewoontes (bv. roken, alkohol-misbruik); orale ziekten (bv. periodontitis); aandoeningen behandeld met glucocorticoïden, statinen of antidepressiva/anxiolytica; borstvoeding. Alle patiënten hadden een sedentaire levensstijl. Behandeling met eenvoudige analgetica (NSAIDs, aspirine en COX-2 inhibitoren) was toegelaten tijdens de studie. Slechts 2 patiënten rapporteerden het gebruik van analgetica (paracetamol/ibuprofen).]

[39 CVS-patiënten kregen oraal 200 mg/dag Coenzyme-Q10 plus 20 mg/dag NADH (Vitae Natural Nutrition) in soft-gel capsules – in 2 dosissen per dag gedurende 8 weken.]

[Uitkomst-metingen: verandering (baseline – 8 weken behandeling) qua vermoeidheid-index en waarden van biochemische parameters in BMCs geassocieerd met oxidatieve stress status en mitochondriale dysfunktie. De vermoeidheid-index werd bepaald via de symptomen-vragenlijst FIS-40 (0 tot 160); een hogere totale score wijst op meer ernstige symptomen.]

Effekt van CoQ10 plus NADH op klinische symptomen bij CVS-patiënten

Er werd een significante verbetering van de vermoeidheid geobserveerd bij CVS-patiënten na 8 weken CoQ10 plus NADH vs. placebo: een reductie van de FIS totale score (p < 0.05) […]. Er werden geen nadelige effekten gerapporteerd.

Effekt van CoQ10 plus NADH op NAD+/NADH bij CVS-patiënten

NADH is een co-enzyme dat de energie-produktie kan stimuleren via het aanvullen van de uitgeputte cellulaire ATP-voorraad. De verhouding NAD+/NADH speelt een alomtegenwoordige rol bij het reguleren van de intracellulaire redox-status, en daarom vertegenwoordigt het een funktie van de metabole toestand. Gezien de belangrijke funktie van deze 2 nucleotiden bij het behouden van normale cellulaire homeostase tijdens inflammatie, zouden verdere studies naar de biologische rollen van NAD+/NADH ons begrip omtrent de potentiële rol in relatie met therapieën bij CVS en andere chronische vermoeiende ziekten kunnen vergroten. Naar ons weten is er geen goed gedocumenteerde informatie betreffende de rol van de NAD+/NADH status bij de pathogenese van CVS. We hebben NAD+/NADH waarden gemeten in BMCs van 73 CVS-patiënten behandeld met CoQ10 plus NADH en placebo. Alle patiënten zaten in een klinisch stabiele fase. Na 8 weken behandeling, vertoonden patiënten behandeld met een combinatie van CoQ10 plus NADH significant lagere waarden aan NAD+ vergeleken met placebo (86,9 ± 1,4 vs. 189,4 ± 8,9 pmol/106 cellen; p < 0.001). We observeerden ook significant hogere waarden aan NADH (247,3 ± 5,1 vs. 98,2 ± 4,6 pmol/106 cellen; p < 0.001) en een significant lagere NAD+/NADH ratio (0,36 ± 0,009 vs. 1,92 ± 0,038 pmol/106 cellen; p < 0.001) bij CVS-patiënten na toediening van CoQ10 plus NADH vs. placebo, respectievelijk. Deze resultaten tonen dat NAD+/NADH-waarden in BMCs geassocieerd zijn met verstoring van de bio-energetische status en mitochondriale dysfunktie bij CVS. Gezien het belang van de NAD+/NADH-homeostase bij het behouden van een normale cellulaire werking, is het waarschijnlijk dat deze molekule van therapeutisch belang is bij CVS en andere chronische vermoeiende aandoeningen. Volgens de resultaten van deze studie, kan een verstoord pyridine-nucleotide metabolisme een gevolg zijn van verstoorde mitochondriale respiratoire funktie en kan, ten minste gedeeltelijk, toegeschreven worden aan een verhoogde NAD+/NADH-ratio die aanleiding heeft tot aanmaak van vrije radikalen. Samengevat: deze resultaten geven duidelijk aan dat er een verband is tussen NAD+ en NADH in BMCs bij CVS. Als we de vitale rol van NAD+ (niet enkel voor het behoud van mitochondriale energie-produktie maar ook voor genomische integriteit) in overweging nemen, is het zeer waarschijnlijk dat dit pyridine-nucleotide pathogenisch belangrijk kan zijn bij CVS. De voornaamste vraag of gewijzigd NAD+/NADH bij CVS aktief en direct geassocieerd is met de pathogenese van de ziekte, of een epi-fenomeen van mitochondriale dysfunktie en verstoorde of immuun-cel gemedieerde mechanismen vertegenwoordigt, blijft onduidelijk. De resultaten van deze studie geven duidelijk significante systemische energie-uitputting aan in BMCs van CVS-patiënten.

CVS-patiënten behandeld met CoQ10 plus NADH vertonen uitgesproken toename van de CoQ10-waarden

CoQ10-deficiëntie bleek reeds geassocieerd met een waaier aan menselijke aandoeningen, waarvan enkel werden veroorzaakt door een direct defekt van de CoQ10-biosynthese genen of als een secundair gevolg van andere ziekten. Aangezien werd gesuggereerd dat CoQ10-waarden een potentieel bruikbare biologische merker kunnen zijn voor mitochondriale dysfunktie [Cordero MD, Alcocer-Gomez E, Culic O, Carrion AM, De Miguel M, Diaz-Parrado E, Perez-Villegas EM, Bullon P, Battino M, Sanchez-Alcazar JA. NLRP3 Inflammasome Is Activated in Fibromyalgia: The Effect of Co-enzyme Q. Antioxid Redox Signal (2014) 20: 1169-1180; zie ‘NLRP3 Inflammasoom geaktiveerd bij Fibromyalgie: effekt van Coenzyme Q10], hebben we CoQ10-waarden gemeten in BMCs van behandelde CVS-patiënten versus placebo. Er werd een significante toename van de CoQ10-waarden gezien bij patiënten behandeld met de combinatie van CoQ10 plus NADH vergeleken met de placebo-groep (361,8 ± 37 vs. 155,1 ± 26 pmol/mg proteïnen, p < 0.05 respectievelijk).

CoQ10 plus NADH toont significant gewijzigde mitochondriale werking bij CVS-patiënten

Als indicator voor cellulaire bio-energetische status, hebben we totaal ATP in BMCs van alle CVS-patiënten gemeten. Gemiddeld vertoonden CVS-patiënten behandeld met CoQ10 plus NADH significant hogere ATP-produktie dan placebo (119,24 ± 31,43 vs. 67,45 ± 15,1 nmol/mg proteïne, p < 0.05 respectievelijk). Daarnaast hebben we de citraat-synthase aktiviteit, een enzyme-merker voor mitochondriale massa, in BMCs van CVS-patiënten gemeten in beide interventie-groepen. Interessant is dat we een significante toename qua citraat-synthase aktiviteit bij behandelde CVS-individuen versus placebo observeerden (77,4 ± 22 vs. 46,9 ± 14,1 μmol/min/mg proteïne, p < 0.05 respectievelijk). Deze gegevens tonen een interessante verbetering van de mitochondriale funktie en massa bij CVS-patiënten na 8 weken behandeling met een combinatie met 2 belangrijke bio-energetische co-factoren (CoQ10 & NADH).

CoQ10 plus NADH verminderen oxidatieve schade door de reductie van lipoperoxiden bij CVS-patiënten

Het is geweten dat mitochondriale dysfunktie dikwijls gepaard gaat met een verhoogde aanmaak van mitochondriale ROS/RNS. Aan de andere kant werd voorgesteld dat oxidatieve stress een relevante gebeurtenis is in de pathogenese van CVS en FMS [Cordero MD, Cotan D, Del-Pozo-Martin Y, Carrion AM, De Miguel M, Bullon P, Sanchez-Alcazar JA. Oral co-enzyme Q10 supplementation improves clinical symptoms and recovers pathologic alterations in blood mononuclear cells in a fibromyalgia patient. Nutrition (2012) 28: 1200-1203]. Omdat zowel CoQ10 als NADH een belangrijke anti-oxidante kracht bleken te hebben, hebben we het effekt bepaald van de combinatie bij schade door oxidatieve stress, vergeleken met placebo. Om de oxidatieve stress te bepalen, werden lipoperoxiden geanalyseerd in BMCs van behandelde CVS-patiënten vs. placebo. CVS-patiënten behandeld met CoQ10 plus NADH vertoonden significant lagere waarden qua lipiden-peroxidatie vs. placebo (7,9 ± 2,7 vs. 14,9 ± 3,9 nmol/106 cellen, p < 0.05 respectievelijk).

[Lipiden-peroxidatie werd bepaald via meting van Thiobarbituurzuur Reaktieve Substanties (TBARS) in BMCs].

BESPREKING & TOEKOMSTIGE RICHTINGEN

CoQ10 & NADH zouden 2 potentiële kandidaat-medicijnen kunnen zijn bij de behandeling van CVS en misschien andere chronische vermoeiende ziekten; omwille van 3 belangrijke redenen. Ten eerste: CoQ10 & NADH zijn bio-energetische co-factoren met het potentieel de mitochondriale funktie aan te zwengelen. Ten tweede: CoQ10 plus NADH zijn krachtige opruimers van vrije radikalen die lipiden-peroxidatie en DNA-schade veroorzaakt door oxidatieve stress kunnen verlichten; en ten slotte: het is plausibel dat de potentiële voordelen die via deze studie werden aangetoond (energie-produktie en verbetering van vermoeidheid) ten dele te wijten kan zijn aan hun krachtige anti-oxidante eigenschappen. De huidige studie toont voor de eerste keer aan dat NAD+ en NADH in BMCs significant gewijzigd kunnen zijn bij CVS-patiënten. Eén van de belangrijkste bijdragende factoren tot NADH-depletie bij CVS is chronische oxidatieve stress en een slechte mitochondriale funktie die leidt tot verminderde cellulaire levensvatbaarheid. Oxidatieve stress kan worden gemedieerd door verhoogde reaktieve zuurstof/stikstof soorten (ROS/RNS) en daaropvolgend verslechteren wanneer de cellulaire capaciteit tot detoxificatie van de ROS/RNS gecompromitteerd is. Meerdere pathofysiologische gebeurtenissen bij CVS werden opgehelderd. Aangroeiend bewijs impiceert oxidatieve schade, mitochondriale dysfunktie en stoornissen van het bio-energetisch metabolisme in de pathogenese van CVS. In lijn met deze resultaten rapporteren we voor de eerste keer dat supplementering met oraal CoQ10 plus NADH kan resulteren in een veilige en doeltreffende therapie om de vermoeidheid te reduceren, de mitochondriale funktie en bio-energetisch metabolisme kan helpen herstellen, en oxidatieve schade bij CVS verbeteren. We kunnen ons een centrale rol indenken voor de combinatie van natuurlijk anti-oxidanten (CoQ10 plus NADH) ter aanbeveling, als nuttig voor en tot inzicht van de pathogenese van deze aandoening. Volgens onze resultaten kunnen de veranderingen qua NAD+/NADH inhoud, CoQ10-waarden, lipiden-peroxidatie, intracellulair ATP en aktiviteit van mitochondriaal citraat-synthase echter verklaren dat cellulaire bio-energetische stoornissen, oxidatieve stress en van mitochondriale dysfunktie afhankelijke mechanismen courant voorkomen bij CVS-patiënten en betrokken kunnen zijn bij de ernst van de symptomen. Daarom kunnen CoQ10 plus NADH worden gebruikt als een mogelijke alternatieve en complementaire therapie voor deze aandoening en zelfs voor andere chronische ziekten geassocieerd met vermoeidheid. Er is echter verder onderzoek vereist om de precieze mechanismen op te helderen waarmee de combinatie van anti-oxidante supplementen zouden kunnen bijdragen tot de pathogenese en potentiële therapeutische mechanismen bij CVS en andere chronische ziekten.

INNOVATIE

Klinische rapporten over CVS suggereren een rol voor van mitochondriale dysfunktie afhankelijke gebeurtenissen en oxidatieve schade op cellulair niveau. De tot hier toe gebruikte medicijnen zijn weinig doeltreffend, ze zijn allemaal gericht op het management van ziekte-symptomen. Volgens deze studie zouden het samen toedienen van CoQ10 plus NADH een nieuwe alternatieve en complementaire therapie voor CVS-patiënten kunnen zijn. Bovendien induceerde de combinatie CoQ10 plus NADH een significante vermindering van de vermoeidheid, afname van de oxidatieve schade, verbetering van de mitochondriale funktie een verhoogde energie; wat de potentiële rol in de fysiopathologie van de aandoening aantoont. De hier beschreven resultaten kunnen dienen als een nieuwe manier om experimenten te ontwerpen die kunnen leiden tot een beter begrip van de doeltreffendheid van op mitochondrieën gerichte therapie bij de behandeling van CVS, FMS en zelfs andere chronische aandoeningen.

Advertenties

november 15, 2014

Mitochondriaal anti-oxidant MitoQ

Filed under: Behandeling — mewetenschap @ 7:42 pm
Tags: , , , ,

In 2013 publiceerde een team van het ‘Neurogenetics Laboratory’ van de ‘Oregon Health & Science University’ een artikel (Mao P et al. ‘MitoQ, a mitochondria-targeted antioxidant, delays disease progression and alleviates pathogenesis in an experimental autoimmune encephalomyelitis mouse model of Multiple Sclerosis’. Biochim Biophys Acta. 1832: 2322-31) over het bestudeerden van de effekten van MitoQ (een anti-oxidant specifiek op mitochondrieën gericht, afgeleid van co-enzyme Q10 bij muizen met auto-immune encefalomyelitis (EAE) – een aandoening die op Multipele Sclerose lijkende symptomen geeft. Men rapporteerde dat “behandeling met MitoQ beschermend werkt op neuronen, en axonale inflammatie en oxidatieve stress reduceert”. Deze “nieuwe kandidaat voor de behandeling van M.S.” kreeg vanzelfsprekend veel aandacht in de pers.

Niettegenstaande de aanwijzingen door studies bij dieren werd tot hier toe weinig vooruitgang geboekt qua therapeutisch gebruik bij mensen. Het zou bv. geen effekt hebben bij Parkinson (zie artikel). Meerder researchers rapporteerden echter dat MitoQ een anti-oxidante rol heeft en aangezien reaktieve zuurstof-soorten (ROS) betrokken bleken bij de pathologie van M.S. werd dit getest.

In een muis-model voor amyotrofe laterale sclerose (ALS; neurodegeneratieve aandoening gekenmerkt door aftakeling van de motorische neuronen waartoe ook mitochondriale dysfunktie en oxidatieve stress zou bijdragen) bleek MitoQ de aftakeling van de mitochondriale funktie in het ruggemerg en de quadriceps te vertragen. Deze studie door Miquel E et al. van de Faculteit Geneeskunde van de ‘Universidad de la República’ van Montevideo, Uruguay (‘Neuroprotective effects of the mitochondria-targeted antioxidant MitoQ in a model of inherited amyotrophic lateral sclerosis’) werd gepubliceerd in Free Radic Biol Med. (2014) 70: 204-13).

Wat betreft M.E.(cvs) zijn er ook studies die aangeven dat oxidatieve stress en mogelijks mitochondriale dysfuntie ook een rol spelen. Het lijkt ons daarom niet absurd na te gaan of MitoQ hierbij therapeutisch een rol van betekenis zou kunnen spelen. We geven onderstaand artikel mee om onderzoekers in te lichten en aan te sporen dit na te gaan. Wij willen patiënten geenszins aanzetten dit middel zomaar te gaan gebruiken. Te meer omdat de auteurs patenten hebben op gebied van op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten en consultanten zijn voor Antipodean Pharmaceuticals die het produceert en op de markt brengt (en tevens voor een deel van de financiering zorgde). Er zijn overigens nog andere zgn. ‘rechargeable mitochondria-targeted anti-oxidants’ (RMA) naast MitoQ, nl. de SkQ types (plastoquinon) die ook als veelbelovend als potentieel medicijn worden aangekondigd door Russische onderzoekers…

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

Lees ook onze eerdere artikels (M.E.(cvs) als Mitochondriale Ziekte / Rol van mitochondriale dysfunkties bij pijn (CVS & FM) / Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM? / Mogelijke therapeutische interventies voor mitochondriale dysfunktie / Quercetine – Effekt op mitochondriale biogenese & inspanning-tolerantie) en andere…

————————-

Ann N Y Acad Sci. 2010 Jul;1201:96-103

Animal and human studies with the mitochondria-targeted anti-oxidant MitoQ

Robin A.J. Smith (1) and Michael P. Murphy (2)

1 Department of Chemistry, University of Otago, Dunedin, New Zealand

2 MRC Mitochondrial Biology Unit, Wellcome Trust-MRC Building, Hills Road, Cambridge, United Kingdom

Aangezien mitochondriale oxidatieve schade bijdraagt tot een brede waaier aan ziekten bij de mens, werden anti-oxidantia ontwikkeld die ontworpen werden om te accumuleren in mitochondrieën in vivo. Het meest uitgebreid bestudeerde op mitochondrieën gerichte anti-oxidant is MitoQ, dat het anti-oxidant quinon bevat, dat is gebonden aan een lipofiel trifenylfosfonium kation [TPP; positief geladen molekule die mitochondrieën als het ware lijkt op te zoeken]. MitoQ werd gebruikt in een groot aantal in vivo studies bij ratten en muizen en in 2 fase-II proeven [om bij een beperkte groep de veiligheid controleren en na te gaan of het beoogde effekt op korte termijn wordt bereikt] bij mensen. Hier maken we een overzicht van wat werd geleerd uit deze dieren- en mensen-studies met MitoQ.

Inleiding

Mitochondrieën zijn een belangrijke bron van reaktieve zuurstof soorten (ROS) en ze zijn ook bijzonder kwetsbaar voor oxidatieve schade. Bijgevolg stapelt oxidatieve schade zich in mitochondrieën op, wat bijdraagt tot mitochondriale dysfunktie en cel-dood, en dit is gerelateerd aan een waaier van ziekten. Om mitochondriale oxidatieve schade te verminderen, werden een aantal op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten gebruikt [Q10/ tocoferol (vitamine-E)/ cel-doorgankelijke kleine (Szeto-Schiller) peptiden die selektief naar het binnenste mitochondriaal membraan gaan en intrinsieke mito-protektieve eigenschappen hebben/ plastoquinon] en de basis vormen voor nieuwe farmaceutica. Idealiter zouden op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten farmaceutisch handelbare en stabiele kleine molekulen met een aanvaardbare orale bio-beschikbaarheid moeten zijn, die selektief worden opgenomen door de mitochondrieën in organen waar ze oxidatieve schade controleren en, in de ideale situatie, terug kunnen worden gerecycleerd naar de aktieve anti-oxidante vorm. Het best gekarakteriseerde op mitochondrieën gericht anti-oxidant tot op heden is MitoQ, dat bestaat uit een quinon-deel verbonden met een trifenylfosfonium-deel door een 10 koolstof-atomen lange alkyl-keten. We schetsen hier de in vitro eigenschappen van MitoQ vooraleer de kennis verkregen uit in vivo studies met deze molekule te bespreken.

In vitro eigenschappen van MitoQ

Lipofiele TPP-kationen kunnen makkelijk door fosfolipide dubbel-lagen [Een membraan bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden, waarbij de hydrofobe staarten naar elkaar toe liggen in het midden en de hydrofiele koppen aan de twee oppervlakte-lagen.] passeren omdat hun lading doeltreffend wordt opgegeven en omgeven door een beschermende organische chemische ‘laag’ die hun accumulatie in de mitochondriale matrix in respons op het mitochondriaal membraan-potentiaal [De belangrijkste funktie van het binnenste membraan van de mitochondrieën is het elektronen-transport van de oxidatieve fosforylatie. Dit binnenste membraan is nl. ondoordringbaar voor molekulen waardoor het mogelijk is om een zeer sterk membraan-potentiaal te vormen.] toelaat. […] De TPP van MitoQ laat zo zijn accumulatie in mitochondrieën toe. Eens binnen in de mitochondrieën wordt bijna al het geaccumuleerde MitoQ geadsorbeerd op het matrix-oppervlakte van het binnenste membraan, waar het continu wordt gerecycleerd naar de aktieve quinol anti-oxidante vorm door complex-II in de ademhaling-keten [reductie van quinon geeft hydroquinon of quinol]. MitoQ kan de ademhaling in mitochondrieën zonder coenzyme-Q niet herstellen omdat de gereduceerde quinol-vorm van MitoQ niet wordt geoxideerd door complex-III en daarom niet als een elektron-drager kan werken; bijgevolg zijn de meeste van de effekten van MitoQ in vitro waarschijnlijk te wijten aan de accumulatie van de anti-oxidante quinol-vorm, hoewel de quinon-vorm ook direct kan reageren met superoxide. Wanneer de quinol-vorm van MitoQ als een anti-oxidant werkt, wordt het geoxideerd tot de quinon-vorm, die dan snel wordt her-gereduceerd door complex-II, waardoor zijn anti-oxidante werkzaamheid wordt hersteld. Aangezien MitoQ grotendeels wordt gevonden geadsorbeerd op het mitochondriaal binnenste membraan en zijn verbinding-keten toelaat zijn aktieve quinol anti-oxidante component diep te penetreren in de membraan-kern, werd er een doeltreffende anti-oxidante werking tegen lipiden-peroxidatie verwacht, wat werd bevestigd voor geïsoleerde mitochondriën. MitoQ bleek ook te beschermen tegen peroxynitriet-schade hoewel, zoals bij andere quinolen, de reaktiviteit met waterstof-peroxide verwaarloosbaar is.

De opname van MitoQ door cellen in cultuur werd uitgebreid bestudeerd en bleek adequaat te worden beschreven door de Nernst-vergelijking [verband tussen het potentiaal-verschil en de concentraties van de betrokken componenten]. Deze studies geven aan dat er een snelle equilibratie is van MitoQ over het plasma-membraan, aangedreven door het plasma-membraan potentiaal, gevolgd door de accumulatie van MitoQ in mitochondriën in de cellen. […] Zoals verwacht door zijn opname en aktivatie in gecultiveerde cellen, werd MitoQ gebruikt bij een groot aantal cel-modellen voor mitochondriale oxidatie [overzicht: Murphy MP & Smith RA. Targeting antioxidants to mitochondria by conjugation to lipophilic cations. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. (2007) 47: 629-656], waar werd getoon dat het beschermt tegen schade. Deze bevindingen dat MitoQ beschermend werkt in en reeks van studies op geïsoleerde mitochondrieën en cellen leidde er toe dat dit werd uitgebreid tot studies in vivo, zoals hieronder beschreven.

MitoQ bij mitochondrieën in vivo en de effekten op het dierlijk metabolisme

Om te kunnen werken als een potentieel therapeutisch, op mitochondrieën gericht anti-oxidant in vivo, moet worden aangetoond dat MitoQ langdurig veilig, zonder toxiciteit, kan worden toegediend aan dieren en dat het in vivo accumuleert in mitochondrieën aan voldoende concentraties om beschermend te werken. De eertse studies bepaalden de intraveneuze (IV) toxiciteit van MitoQ bij muizen. Er was geen toxiciteit bij 750 nmol MitoQ/muis (~20 mg MitoQ/kg) maar de toxiciteit was evident bij 1.000 nmol MitoQ/muis (~27 mg MitoQ/kg). Om orale toxiciteit bij muizen te meten, kregen ze MitoQ toegediend in hun drink-water en er werd getoond dat het goed werd getolereerd tot 500 µM, maar toxisch bleek bij hogere concentraties. Sinds dan werd MitoQ aan muizen toegediend in hun drink-water aan 500 µM zonder evidente toxiciteit, zelfs na 28 weken. In deze studie correspondeert de gebruikte hoeveelheid MitoQ met een orale dosis van ~3.2 µmol MitoQ/dag/muis, of 95-138 µmol MitoQ/dag/kg. Dus kunnen substantiële hoeveelheden MitoQ worden toegediend aan muizen via intraveneuze of orale weg zonder nadelige toxische effekten.

De opname van MitoQ in verscheidene weefsels werd initieel bekeken via [radioaktief gelabeld met 3H] MitoQ en IV injektie. Deze experimenten toonden dat MitoQ snel uit het plasma werd verwijderd en accumuleert in het hart, de hersenen, skelet-spieren, lever en nieren. Oraal toegediend [3H] MitoQ werd opgenomen in het plasma en van daaruit in het hart, brein, de lever, nieren en spieren. Gelijkaardige studies gaven aan dat MitoQ werd uitgescheiden in de urine en de gal als onveranderd MitoQ maar ook met sulfatie en glucuronisatie [binding van afvalstoffen om uitscheiding te vergemakkelijken] van de quinol-ring, zonder aanwijzing voor andere metabolieten.

Met de [vloeistof-chromatografie tandem massa-spectrometrie (LC/MS/MS)] techniek kon 0,1 pmol MitoQ/100 mg weefsel worden gedetekteerd. Bij muizen die 500 µM MitoQ in hun drink-water kregen gedurende 4-6 maanden, was de accumulatie ~113 pmol MitoQ/g in het hart, ~20 pmol MitoQ/g in de lever en ~2 pmol/g in de hersenen. In andere studies waar ratten 2 weken MitoQ kregen was dat ~20 pmol MitoQ/g in het hart; en na 12 weken ~40 pmol MitoQ/g in het hart en ~200 pmol MitoQ/g in de lever. Dus: langdurige toediening van MitoQ in het drink-water leidde tot substantiële accumulatie van MitoQ (bij muizen) in het hart en de lever, significant minder in het brein.

De effekten van langdurige ad libitum [vrij beschikbaar] orale toediening van MitoQ op het gedrag, metabolisme, de gen-expressie en accumulatie van merkers voor oxidatieve schade bij jonge muizen werd onderzocht. Er waren geen veranderingen qua fysieke aktiviteit, O2-verbruik, voedsel-consumptie en respiratoir quotient [RQ = geëlimineerd CO2 / geconsumeerd O2] bij muizen die 500 µM MitoQ kregen gedurende 24-28 weken […]. Uit studie van het effekt van MitoQ op beweging-coördinatie en evenwicht was bleek een kleine, globale verbetering qua prestaties. Toediening van MitoQ leidde niet tot verschillen qua gewicht maar er was een daling van het percentage lichaamsvet te wijten aan een daling van sommige vet-depots. Analyse toonde aan dat er geen effekt van MitoQ was op beender-densiteit of mineralen-inhoud. Toediening van MitoQ leidde tot een daling van de triglyceriden in de lever en ook verminderde adipocyten [vet-cellen]. Consumptie van MitoQ wijzigde het plasma-cholesterol of vrije vetzuren niet, maar verminderde de plasma-triacylglyceriden significant. MitoQ-toediening veranderde de glucose- of insuline-waarden niet (al dan niet na vasten), en de glucose- en insuline-tolerantie testen toonden ook geen verschillen.

Om te bepalen hoe orale toediening van MitoQ de gen-expressie beïnvloedde, werden RNA-waarden in hart- en lever-weefsel vergeleken bij met MitoQ behandelde (~20 weken) en controle-muizen voor 28.853 genen. De globale gen-expressie in beide weefsels was niet aanzienlijk veranderd door MitoQ. Uit het bestuderen van het klein aantal wijzigingen dat voorkwam […], bleek dat er geen biologische processen significant over-vertegenwoordigd waren. De veranderingen qua gen-expressie in het hart en de lever na langdurige blootstelling aan MitoQ waren relatief miniem en leken geen verband te houden met bepaalde cellulaire processen. Belangrijk: er waren verwaarloosbare wijzigingen qua mitochondriale of anti-oxidante gen-expressie. De afwezigheid van veranderingen qua gen-expressie na MitoQ-toediening stelt ons ook in staat de mogelijkheid te elimineren dat langdurig gebruik van een anti-oxidant zou leiden tot een compenserende daling van de expressie van de endogene anti-oxidante verdediging. Zodoende kunnen we ook uitsluiten dat de beschermende effekten van MitoQ die worden gezien in vivo, te wijten zouden kunnen zijn aan hormese [biologische effekt dat een stof die in hoge dosis schadelijk is, bij lage dosis positieve effekten kan hebben], waarbij een stijging qua ROS-produktie de expressie van genen van de anti-oxidante verdediging upreguleert. Deze bevindingen zijn consistent met het feit dat MitoQ een relatief kleine impact heeft op de anti-oxidante verdeding in vivo bij jonge muizen na toediening aan concentraties die beschermen tegen een reeks pathologieën.

Om te bepalen of toediening van MitoQ de oxidatieve stress wijzigde, werd de accumulatie van een aantal merkers voor mitochondriale oxidatieve schade gemeten in lever- en hart-mitochondrieën van muizen di MitoQ kregen gedurende ~20 weeks. Deze omvatten de meting van oxidatieve schade aan het fosfolipide cardiolipine [belangrijk bestanddeel van het binnenste membraan van mitochondrieën; aanwezig in cellen die metabool aktief zijn, zoals hart- en spier-cellen], de accumulatie van proteïne-carbonylen [proteïne-carbonyl concentraties zijn een maat voor proteïne-oxidatieverhoogd bij M.E.(cvs)-patiënten, wijzend op oxidatieve stress], de aktiviteit van mitochondriale ademhaling complexen, mtDNA ‘copy-number’ en schade aan het mtDNA (via PCR). Deze gegevens gaven aan dat langdurige blootstelling aan MitoQ geen effekt op een reeks merkers voor oxidatieve schade bij muizen. Langdurig gebruik van MitoQ had ook geen effekt op de expressie van het mitochondriaal matrix enzyme mangaan-superoxide-dismutase, MnSOD. Aangezien expressie van het gen dat hiervoor codeert gevoelig wordt ge-upregueerd in respons op verhoogde mitochondriale ROS-aanmaak, geeft dit aan dat MitoQ oxidatieve stress of de flux van ROS in mitochondrieën in vivo niet verhoogt.

Het aantonen dat MitoQ niet pro-oxidant was in vivo is belangrijk, aangezien alle quinolen mogelijks superoxide kunnen produceren. [James AM, Smith RA, Murphy MP. Anti-oxidant and pro-oxidant properties of mitochondrial Co-enzyme Q. Arch Biochem. Biophys. (2004) 423: 47-56] […] Hoewel pro-oxidante reakties van MitoQ en andere quinonen meetbaar zijn in vitro, komen ze in vivo niet voor.

Deze bevindingen geven aan dat MitoQ langdurig en veilig kan worden toegediend aan jonge muizen aan concentraties die beschermend werken in pathologische modellen. Dit suggereert dat de effekten van MitoQ in vivo te wijten zijn aan hun anti-oxidante eigenschappen en niet aan andere factoren, een stevige basis bieden voor het gebruik van MitoQ bij het onderzoek van het mitochondriaal ROS-metabolisme in vivo.

Beschermende effekten van MitoQ in dier-modellen voor menselijke ziekte

De hierboven besproken studies geven aan dat langdurige toediening van MitoQ aan muizen veilig is. De volgende stap is: bepalen of de accumulatie van MitoQ in de mitochondrieën van deze dieren in vivo kan werken als een beschermende behandeling in dier-modellen voor ziekten waarbij mitochondriale oxidatieve schade betrokken is. Een aantal in vivo studies met MitoQ werden uitgevoerd [cardiopathie/ sepsis/ ischemie-reperfusie letsel].

De eerste studie naar de beschermende effekten van MitoQ was bij cardiaal ischemie/reperfusie (I/R) letsel [weefselschade veroorzaakt wanneer de bloed-toevoer wordt hersteld na een periode van zuurstof-gebrek]. Hierbij werd gedurende 2 weken 500 µM MitoQ toegediend aan ratten via hun drink-water, hun hart werd geïsoleerd en blootgesteld aan I/R lestel. Er werd aangetoond dat MitoQ bescherming gaf tegen hart-dysfunktie, weefsel-schade en mitochondriale werking vergeleken met methyl [CH3] -TPP of korte-keten quinol als onafhankelijke controles voor de 2 verschillende funktionele groepen MitoQ. Daarna toonde een gelijkaardige studie ook aan dat MitoQ beschermend was voor I/R letsel in het hart.

MitoQ beschermde tegen de schade aan endotheliale cellen in vivo gassocieerd met chronische blootstelling aan nitroglycerine, te wijten aan de bescherming tegen oxidatieve schade van nitroglycerine-metaboliserende enzymen in mitochondrieën. MitoQ was beschermend tegen een toename van de bloeddruk in een rat-model voor spontane hypertensie waarvan wordt gedacht dat de toename van de bloeddruk voortkomt uit verhoogde mitochondriale oxidatieve schade in endotheliale cellen.

Sepsis is een andere pathologie waarbij er aanzienlijk bewijs is dat mitochondriale oxidatieve schade bijdraagt tot de weefsel-schade geassocieerd met de aandoening. Voorafgaande toediening van MitoQ aan ratten of muizen vóór de inductie van sepsis door endotoxine leidde tot uitgebreide bescherming tegen hart-schade. Dit was geassocieerd met minder apoptose, verhoogde merkers voor oxidatieve schade aan proteïnen, alsook significante bescherming tegen beschadiging van de mitochondriale funktie. In een studie door een andere groep die een lipopolysaccharide-model voor sepsis gebruikte, leidde infusie van MitoQ op het moment dat sepsis werd veroorzaakt tot significante bescherming tegen lever-schade.

Intraperitoneaal toegediend MitoQ was beschermend tegen hart-schade geassocieerd met de anti-kanker molekule adriamycine. In een knaagdier-model voor 1-methyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) toxiciteit, beschermde MitoQ tegen beschadiging van de substantia nigra, behield locomotor-aktiviteit en dopamine-inhoud en verminderde de mitochondriale merkers voor oxidatieve schade. Een aantal andere studies suggereren dat MitoQ ook bescherming zou kunnen bieden andere dier-modellen van ziekten waarbij mitochondriale oxidatieve schade is betrokken, inclusief vette-lever ziekte [aandoeningen waarbij vet zich opstapelt in de lever-cellen], nier-schade bij type-I diabetes, nier ischemie-reperfusie letsel en neurodegeneratie. Alles te samen suggereren deze bevindingen dat MitoQ bescherming biedt tegen pathologische veranderingen in een aantal dier-modellen voor mitochondriale oxidatieve schade die relevant zijn voor ziekten bij mensen.

Studies met MitoQ bij mensen

De positieve dier-studies geven aan dat MitoQ een aantrekkelijke kandidaat is voor interventies bij menselijke ziekten. Bijgevolg ontwikkelde Antipodean Pharmaceuticals Inc. (antipodeanpharma.com) MitoQ als farmaceutisch middel. Er werd gevonden dat voor een stabiele formulering het voordelig is MitoQ te maken gebonden aan het anion methaansulfonaat en dit te complexeren met β-cyclodextrine [ringvormige molekule bestaande uit 5 of meer suiker-eenheden; zorgt ervoor dat stoffen met ‘neutrale’ lading toch oplossen in water]. Dit preparaat werd snel als tabletten gemaakt die voldeden bij conventionele dier-toxiciteit studies. De orale bio-beschikbaarheid werd bepaald op ca. 10% en belangrijke metabolieten in de urine waren glucuroniden en sulfaten van de gereduceerd quinol-vorm samen met gedemethyleerde afgeleiden. In menselijke Fase-1 proeven vertoonde MitoQ goede farmacokinetische eigenschappen bij een orale dosering van 80 mg (1 mg/kg), resulterend in een maximale plasma-concentratie van 33,15 ng/ml na ~1h.

Aangezien er bewijsmateriaal is dat wijst op mitochondriale oxidatieve stress als een mogelijke pathogene oorzaak voor Parkinson’s disease (PD), werd MitoQ beproefd om te zien of het de ziekte-progressie kom vertragen. Deze studie was geregistreerd op clinicaltrials.gov als NCT00329056. In 13 centra in Nieuw-Zeeland en Australië 128 werden nieuw gediagnosticeerde, onbehandelde patiënten met PD opgenomen in een dubbel-blinde studie van 2 dosissen MitoQ (40 & 80 mg/dag) vergeleken met placebo, om te zien of, na 12 maanden, MitoQ de progressie van PD zou vertragen […]. Deze studie toonde geen verschil tussen MitoQ en placebo wat betreft PD-progressie. [Snow BJ et al. A double-blind, placebo-controlled study to assess the mitochondria-targeted antioxidant mitoQ as a disease modifying therapy in Parkinson’s disease. Movement Disord (2010) 25: 1670-4] Er zijn meerdere mogelijke verklaringen voor deze bevinding, hoewel methodologische problemen zoals onvoldoende grootte van het staal of ongeschikte uitkomstmetingen onwaarschijnlijk lijken. De meest waarschijnlijke verklaring voor het ontbreken van een effekt is dat van zodra Parkison’s klinisch duidelijk is, ca. 50% van de dopaminerge neuronen verloren zijn. Het is mogelijk dat bij de diagnose het lot van de overblijvende neuronen reeds is bepaald en neuron-bescherming in deze fase hun dood niet meer kan voorkomen. Het gebrek aan doeltreffendheid van MitoQ zou ook kunnen te wijten zijn aan de onvoldoende penetratie in de hersenen. Wanneer MitoQ echter oraal wordt toegediend aan knaagdieren accumuleert het toch enigermate in het brein. Hoedanook kan het zijn dat er te weinig was om brein-mitochondrieën te beschermen tegen oxidatieve schade en we kunnen deze mogelijkheid niet geheel uitsluiten. In een knaagdier-model voor MPTP-toxiciteit beschermde MitoQ wel tegen substantia nigra schade, hielp het locomotor-aktiviteit en dopamine-inhoud te bewaren, alsook mitochondriale merkers voor oxidatieve schade te verminderen. Hoewel er geen therapeutische efficiëntie werd gevonden, leverde deze studie wel belangrijke veiligheid-gegevens op wat betreft de langdurige toediening van MitoQ aan mensen en werd aangetoond dat MitoQ veilig aan patiënten kan worden toegediend als dagelijkse orale tablet gedurende een jaar.

De tweede test met MitoQ bij mensen was de proef bij patiënten met chronische hepatitis-C virus (HCV). [Gane EJ et al. The mitochondria-targeted antioxidant mitoquinone decreases liver damage in a phase-II study of hepatitis-C patients. Liver Int. (2010) 30: 1019-1026] Deze studie werd op clinicaltrials.gov geregistreerd als NCT00433108. HCV-patiënten die niet reageerden op conventionele behandelingen tegen HCV werden gekozen omdat er bij deze groep patiënten bewijs is voor verhoogde oxidatieve stress en daaropvolgende mitochondriale schade (die een belangrijke rol speelt bij lever-schade). Daarom werd het effekt van oraal MitoQ op serum-aminotransferasen [lever-enzymen, de mate en duur van de verhoging van het gehalte aan ALAT en het ASAT, en de onderlinge verhouding geven een aanwijzing van de soort lever-ziekte] en HCV RNA-niveaus in met HCV geïnfekteerde patiënten bepaald in een dubbel-blinde, gerandomiseerde, parallel ontworpen test van 2 verschillende dosissen MitoQ (en placebo) bij patiënten met een gedocumenteerde geschiedenis van chronische HCV-infektie. De deelnemers werden 1:1:1 gerandomiseerd en kregen 40 mg, 80 mg of placebo gedurende 28 dagen. Beide behandel-groepen vertoonden significante dalingen qua serum alanine-transaminase (ALT) van baseline tot dag 28. Er was geen effekt van MitoQ op virale lading, wat er op wijst dat het op mitochondrieën gericht anti-oxidant enkel de lever-schade geassocieerd met HCV-infektie beïnvloedde en de mogelijkheid van het virus om te repliceren in de lever niet inhibeerde. Deze gegevens suggereren dat MitoQ lever-schade bij HCV-infektie kan reduceren. Meer algemeen is deze studie is de eerste die rapporteert over een mogelijk klinisch nut van het gebruik van op mitochondrieën gerichte anti-oxidanten bij mensen. Gekoppeld aan de veiligheid-gegevens betreffende MitoQ in de Parkinson’s studie, suggereert dit dat de doeltreffendheid van MitoQ voor andere chronische lever-ziekten (waarvan wordt gedacht dat mitochondriale oxidatieve schade betrokken is), zoals niet-alkoholische vette-lever ziekte, de moeite waard zijn om te bestuderen.

Vanuit het standpunt van de farmaceutische ontwikkeling is het belangrijk dat geen ernstige nadelige gebeurtenissen werden gerapporteerd. Het meest courante met behandeling gerelateerd nadeel was matige misselijkheid die dosis-afhankelijk was. Aangezien er geen dosis-afhankelijkheid naar efficiëntie toe werd vastgesteld in de lever-studie, zou het in toekomstige studies mogelijk moeten zijn de misselijkheid te beperken met behoud van efficiëntie door de MitoQ dosis te verlagen. Het is mogelijk dat het toediening-protocol met overnacht vasten voor inname en daaropvolgende 1 h zonder voedsel de misselijkheid heeft verergerd; daarom zou het bij toekomstige studies te prefereren zijn het met wat voedsel in te nemen en daarbij zorgvuldig na te gaan hoe dit de bio-beschikbaarheid beïnvloedt.

Besluiten

Dier-experimenten hebben aangegeven dat MitoQ doeltreffend is als anti-oxidant in een aantal weefsels in vivo. Er werd ook aangetoond dat MitoQ kan worden aangeboden als een doeltreffend farmaceutisch middel dat met succes oraal kan worden toegediend aan mensen. Studies bij mensen tot nu geven aan dat MitoQ veilig kan worden toegediend aan patiënten, zelfs tot een jaar lang en dat deze dosissen doeltreffend zijn bij het verminderen van lever-schade. Deze bevindingen openen de weg voor het gebruik van MitoQ gedurende langere tijd en grotere fase-IIB studies bij lever-aandoeningen zoals vette-lever ziekte. Meer algemeen suggereren deze bevindingen dat oraal toegediend MitoQ en verwante op mitochondrieën gerichte anti-oxidantia ook toepasbaar kunnen zijn bij een brede waaier menselijke pathologieën waarbij mitochondriale oxidatieve schade betrokken is. Hopelijk zal nieuw werk aangeven of MitoQ en verwante stoffen mitochondriale oxidatieve schade kunnen doen dalen bij een aantal ziekten en of dit de uitkomst voor de patient verbetert.

september 26, 2014

Verlies van stress-respons ten gevolge een virale infektie

Filed under: Celbiologie,Infektie — mewetenschap @ 12:38 pm
Tags: , , , , ,

Onderstaand artikel brengt het idee naar voor – wat wie hier op deze paginas al meermaals uitdroegen – dat wellicht niet één enkel pathogeen organisme M.E.(cvs) veroorzaakt maar dat er meerdere zijn die door de onderliggende aanwezigheid van een (sub)cellulair defekt voor meer schade kunnen zorgen. Zoeken naar één bepaald virus (zoals het debacle omtrent XMRV ook bewees) “als verantwoordelijke voor een aandoening zoals het Chronische Vermoeidheid Syndroom is misschien niet de moeite waard als de ziekte simpelweg een niet-specifieke respons op virale infektie is”.

Philip Hooper (een onderzoeker op het gebied van suikerziekte; hij stelde vast dat abnormaliteiten qua ‘heat-shock’ proteïnen – Hsps – belangrijk zijn voor het begrijpen van de pathogenese ervan) et al. stellen voor dat een gebrekkige (cellulaire) stress-respons door een afname van Hsps bij M.E.(cvs)-patiënten zorgen voor een minder goede reaktie op fysiologische stress en meer oxidatieve stress. Er zijn tal van verschillende virale infekties die de oorzaak kunnen zijn van deze gestoorde Hsps. Anderen vonden dat ‘heat-shock’ proteïnen na inspanning bij M.E.(cvs) significant gedaald zijn. Lees daaromtrent onze eerdere bijdragen ‘‘Heat-shock’ proteïnen en inspanning bij CVS’ & ‘CVS * Oxidatieve Stress en Hsp bij inspanning’. Jammes Y et al. stellen ook dat dit vooral bij postvirale M.E.(cvs) een rol speelt (Chronic Fatigue Syndrome: Acute infection and history of physical activity affect resting levels and response to exercise of plasma oxidant/anti-oxidant status and heat shock proteins. J Int Med (2012) 272: 74-84 => ‘Infektie vóór CVS: oxidante status, kalium-uitstroom en spier-prikkelbaarheid bij inspanning’.

Wij blijven er hierdoor dan ook van overtuigd dat M.E.(cvs)-research zich best focust op de subcellulaire stoornissen eerder dan op het zoeken naar infektueuze agentia.

————————-

Cell Stress Chaperones (2012) 17(6): 647-55

Loss of stress response as a consequence of viral infection: implications for disease and therapy

Philip L. Hooper1 Lawrence E. Hightower2 & Paul L. Hooper3,4

1Division of Endocrinology, Metabolism & Diabetes, School of Medicine, University of Colorado, Anschutz Medical Campus, Aurora, CO 80045 USA

2Department of Molecular and Cell Biology, University of Connecticut, Storrs, CT 06269 USA

3Department of Anthropology, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131 USA

4Santa Fe Institute, Santa Fe, NM 87501 USA

Samenvatting

Hier stellen we voor dat virale infektie een gebrekkige cellulaire stress-respons kan induceren, en daardoor de stress-tolerantie kan aantasten en weefsels kwetsbaar kan maken voor beschadiging. Beschikken over een geldig paradigma om de pathologische impact van virale infekties aan te pakken, zou kunnen leiden tot doeltreffende nieuwe therapieën voor ziekten die voorheen niet reageerden op interventies. De respons van een gastheer op virale infekties kan ook leiden tot auto-immune ziekten zoals type-1 diabetes. In het geval van het ‘Newcastle disease’ virus, zouden de effekten van virale infektie op ‘heat-shock’ proteïnen als hefboom kunnen dienen voor kanker-therapie. [Het bestuderen van NDV toonde dat een verminderde stress-proteïne response in de gastheer correleert met de ernst van de door het virus toegebrachte ziekte.] Ten slotte: de zoektocht naar een specifiek virus als verantwoordelijke voor een aandoening zoals het Chronische Vermoeidheid Syndroom is misschien niet de moeite waard als de ziekte simpelweg een niet-specifieke respons op virale infektie is.

Inleiding

Veel virale infekties geven de gastheer chronische vermoeidheid, pijn, myalgie en orgaan-inflammatie. Deze aanhoudende symptomen geassocieerd met virale infekties zouden het resultaat kunnen zijn van het verliezen van de op proteïnen gebaseerde stress-respons van de gastheer. Anders dan bij eukaryoten en bakterieën, hebben virussen geen ‘heat-shock’ proteïnen (Hsps) en vertrouwen ze op de Hsps van de gastheer voor virale proteïne-opvouwing. Ten gevolge daarvan zijn processen die stress-proteïnen van de gastheer reguleren wellicht doelwitten voor strategische manipulatie door zowel virussen als geïnfekteerde gastheren. Sommige virussen profiteren van de geaktiveerde cellulaire stress-respons van een gastheer en zijn in staat replicatie te verhogen als de Hsps hoog zijn. Meerdere virussen stimuleren met dit doel in feite een belangrijke toename qua Hsps; bv. humaan papillomavirus, adenovirus, polyomavirussen en dengue-virussen. Andere virussen ondervinden echter verminderde replicatie wanneer de Hsps van de gastheer hoog zijn, bv. humaan immunodeficiëntie virus (HIV) en influenza-A, waar Hsp70 de virale gen-expressie en replicatie inhibeert. Het is daarom niet verrassend dat sommige virussen die bekend staan voor het induceren van chronische vermoeidheid en malaise, zo werken dat ze de stress-respons van de gastheer beperken, inclusief influenza-A, ‘West Nile’ virus, herpes simplex virus en hepatitis-C. Gastheren kunnen anderzijds op virale infekties reageren d.m.v. meerdere verdeding-manoeuvres: het opwekken van koorts, immunologische verdediging, interferon-produktie en reductie van de eiwit-synthese – inclusief vermindering van de Hsp-synthese.

Dit artikel zal de gevolgen voor gastheren adresseren wanneer de Hsp stress-respons is aangetast door virale infektie. De achtergrond voor research op dit vlak wordt geleverd door de gedetailleerde studie van ‘Newcastle disease’ virus (NDV). Daarna geven we een kort overzicht van sluimerende virale ziekten die geassocieerd zijn met een verstoorde weefsel stress-respons. Daarna richten we ons op 2 aandoeningen: type-1 diabetes en Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) – die allebei zouden kunnen voortkomen uit een virale aanval en verstoorde Hsps. […].

[…]

Chronische Vermoeidheid Syndroom

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS), ook bekend als Myalgische Encefalomyelitis, is een aandoening zonder specifieke etiologie, maar die geassocieerd blijkt met een waaier aan virale en bakterële infekties. Voorbeelden omvatten EBV en XMRV [belangrijke artikels hieromtrent werden echter ingetrokken en er is consensus dat dit retrovirus geen rol speelt]. Deze benadrukken de moeilijkheden bij het in verband brengen van CVS met een afzonderlijk pathogen.

We stellen voor dat CVS niét het resultaat is van een specifieke infektie maar eerder een meer algemene respons van het lichaam op infektie. In het bijzonder: infektueuze verstoring van de stress-respons, zoals de voorbeelden die we beschreven suggereren, zouden individuen kwetsbaar kunnen maken voor zelfs lichte stressoren en letsel. Inderdaad: individuen met CVS herstellen niet van stressoren; een opvallend minimale stress, zoals enkele honderden meter wandelen, kan een persoon met CVS meerdere dagen uitgeput achterlaten. In studies die individuen met CVS vergelijken met gezonde controle-individuen, is de stress-proteïne respons bij inspanning significant afgestompt. Een studie die serum Hsp27 en Hsp70 bij CVS-patiënten vergeleek met die van controle-individuen vóór en na een oplopende uitputtende fiets-inspanning vond lagere baseline Hsp70-waarden in de CVS-groep vergeleken met de controle-groep. Hsp27 en Hsp70 bleken ook niet in staat zo snel tot hoge waarden te klimmen in de CVS-groep als bij hun gezonde tegenhangers [Jammes Y et al. Chronic Fatigue Sydrome combines increased exercise-induced oxidative stress and reduced cytokine and Hsp responses. J Intern Med (2009) 266: 196-206; zie ‘CVS * Oxidatieve Stress en Hsp bij inspanning]. Een andere studie bij CVS-patiënten maakte een onderverdeling tussen zij die CVS ontwikkelden na infektie en anderen. De Hsp27- en Hsp70-waarden stegen niet bij inspanning in individuen met infektie-geassocieerde CVS, en daalden zelfs onder basale waarden – wat wellicht verklaart waarom CVS-individuen klagen over uitputting na matige inspanning [Jammes Y et al. Chronic Fatigue Syndrome: acute infection and history of physical activity affect resting levels and response to exercise of plasma oxidant/anti-oxidant status and heat-shock proteins. J Intern Med (2012) 272(1): 74-84]. Bovendien bevatten CVS spier-biopten mitochondrieën met funktionele en morfologische defekten consistent met een verstoorde intracellulaire verdeding [Myhill S, et al. (2009) Chronic Fatigue Syndrome and mitochondrial dysfunction. Int J Clin Exp Med (2009) 2: 1-16]. Ten slotte rapporteerden onderzoekers bij het bestuderen van ouder-wordende individuen dat monocytair en lymfocytair Hsp27 positief correleert met resistentie tegen vermoeidheid.

Hoewel de etiologie van CVS als multifactorieel word beschouwd, zijn voorafgaande infekties – bijzonderlijk virale – waarschijnlijk belangrijke triggers voor CVS. Ter ondersteuning van een infektueuze boosdoener: een studie van CVS- versus controle-individuen noteerde verhoogde concentraties PKR-proteïne [proteïne-kinase R; signaal-transductie enzyme dat centraal staat bij de cellulaire respons op stress-signalen zoals pathogenen, cytokinen, bestraling, enz.] en interferon, met een minimale overlapping van de waarden van de controle-groep [Vojdani A et al. Elevated apoptotic cell population in patients with Chronic Fatigue Syndrome: the pivotal role of protein kinase RNA. J Intern Med (2007) 242: 465-478]. Er werden ook gestegen interferon-concentraties gedetekteerd bij zieke Golf Oorlog veteranen met chronische vermoeidheid. Toediening van interferon levert zelf vermoeidheid op en werd gebruikt als model om CVS te bestuderen (persoonlijke communicatie met J. Jones van het CDC).

Als de symptomen van CVS een verstoorde Hsp-toestand weerspiegelen, dan zou het verbeteren van Hsp-respons de aandoening moeten verbeteren. Inderdaad: een voeding-supplement (Adapt-232 forte) – een combinatie van extracten van 3 kruiden (Eleutherococcus senticosus, Schisandra chinensis en Rhodiola rosea) – verhoogt Hsps in respons op inspanning. Ditzelfde produkt was doeltreffend bij het verminderen van vermoeidheid en het verbeteren van de prestaties in een placebo-gecontroleerde proef bij CVS-patiënten [Panossian et al. Adaptogens exert a stress-protective effect by modulation of expression of molecular chaperones. Phytomedicine (2009) 16: 617-622].

[…]

Implicaties en uitbreidingen

Veel chronische ziekten – diabetes, myocarditis, nefritis, arthritis, encefalitis, asthma, bronchitis en Chronische Vermoeidheid Syndroom – worden dikwijls voorafgegaan door een niet-specifieke virale ziekte. Researchers hebben voorgesteld dat PKR als een pathogen-sensor optreedt die inflammatoire processen aanwakkert die aan de basis liggen van de pathogenese van metabole ziekten. [Restoring endoplasmic reticulum function by chemical chaperones: an emerging therapeutic approach for metabolic diseases. Diabetes Obes Metab (2010) 12: 108-115 => 4-fenylbboterzuur (PBA) en tauroursodeoxycholinezuur (TUDCA) werden door de FDA goedgekeurd] Ze suggereren dat PKR-aktivatie een sleutel-rol spelt bij het initiëren van type-1 én -2 diabetes, en merken op dat PKR-aktivatie bij hepatitis-C kan bijdragen tot de hoge prevalentie van diabetes geassocieerd met deze infektie. Relevant is dat beide types diabetes geassocieerd zijn met verstoorde cellulaire stress-respons en worden verbeterd door het herstel van de stress-respons [bv. van Eden W et al. Heat-shock proteins induce T-cell regulation of chronic inflammation. Nat Rev Immunol (2005) 5: 318-330]. Daarom stellen we de vraag: “Is een virale verstoring van de cellulaire stress-respons een belangrijke bijdragende factor tot de pathogenese van talrijke diverse zieketen?”.

Een opmerkelijke post-virale ziekten waar een pathogene verklaring ontbreekt, is Syndroom van Reye. Deze acute rampzalige ziekte komt typisch voor bij kinderen die worden behandeld met aspirine tijdens een virale ziekte [waterpokken; Varicella zoster]. Het kind wordt snel ziek en ontwikkelt multi-orgaan falen. Er worden lage Hsps gezien bij sepsis [ontsteking-reaktie van het hele lichaam als respons op een infektie] en acuut respiratoir ‘distress’ syndroom [ernstige longaandoening]. Leidt het feit dat aspirine eIF2α [‘eukaryote translatie initiatie factor’; interferon, PKR en eIF2α mediëren het effekt van virale infektie op proteïne-translatie inclusief Hsp 70] – dezelfde molekule die wordt geaktiveerd door interferon en virale ziekte – aktiveert, tot een verdubbelde impact van verstoorde Hsp-proteïne translatie en verlies van weefsel-verdediging? Inderdaad: er werd een intra-mitochondriaal defekt in mitochondriale enzyme verwerking geobserveerd bij Reye’s syndroom en er werd voorgesteld dat een toestand van gereduceerd Hsp verantwoordelijk is voor deze abnormaliteit.

Gezien de interaktie tussen virale infekties en de stress-respons van de gastheer, kan men voorspellen dat een molekule die Hsps doet stijgen, de klinische impact van een virale infektie zou kunnen veranderen. Inderdaad: Salidroside – een extract van R. rosea dat in Adapt-232 [zie hierboven] zit – bleek de ernst van Coxsackie myocarditis te reduceren. Toediening van salidroside vermindert myocardiale inflammatie en apoptose, wat de myocardiale werking in met Coxsackie geïnfekteerde dieren behoudt. Ook geranylgeranylaceton (GGA), een Hsp-inducer, heeft een doeltreffende antivirale werking tegen influenza-A infektie. GGA beperkt virale replicatie, blokkeert de synthese van het virulent viraal proteïne NS1 [influenza eiwit] en beperkt gewichtsverlies en pulmonaire infiltratie. GGA wordt al tientallen jaren klinisch gebruikt voor het behandelen van maagzweren, is veilig voor mensen en goedkoop.

Naast influenza-A worden andere virale infekties die hoge Hsp-expressie geven – en die daarom gevoelig zouden kunnen zijn voor Hsp-verhogende middelen – veroorzaakt door rhinovirus , rotavirus, poliovirus, vesiculair stomatitis virus, Sindbis virus, leukemie virus type-1 en HIV1. Het beschikbaar hebben van middelen die ziekte kunnen behandelen gaande van de alomtegenwoordige verkoudheid tot de fatale HIV, of die een hoge impact hebben zoals influenza-pandemieën, zou een zegen voor de mensheid zijn. Zou een Hsp-inducer kunnen worden toegediend wanneer de diagnose van type-1 diabetes voor het eerste wordt gesteld en zo de vernietiging van beta-cellen kunnen beperken? Op een soortgelijke manier werden symptomen van Parkinson’s geobserveerd na seizoensgebonden influenza. Aangezien het geweten is dat Hsps een beschermende rol hebben bij het beperken van de impact van Parkinson’s, zouden Hsp-inducerende medicijnen de ultieme impact van influenza-infekties op de gezondheid kunnen beperken. Het valt echter op te merken dat hoewel het verhogen van Hsps beschermend zou kunnen zijn in geval van sommige virale infekties, het in andere gevallen, theoretisch, virale replicatie zou kunnen doen stijgen.

Het bestuderen van de interaktie tussen virus en gastheer als het gaat om stress-proteïnen kan inzichten bieden die een nieuwe visie over ziekte-causatie en -presentatie genereren. We hopen dat de hier opgeworpen gedachten nieuwe hypothesen zullen genereren die kunnen worden getest en zouden kunnen leiden tot werkzame therapieën voor heel wat ziekte-toestanden.

juli 17, 2014

Mogelijke therapeutische interventies voor mitochondriale dysfunktie

Filed under: Behandeling,Celbiologie — mewetenschap @ 5:17 am
Tags: , , , , , , , ,

Professor Anne McArdle (Universitet van Liverpool) wordt door de Britse ‘Medical Researc Council’ gefinancierd voor een studie genaamd ‘Determination of mitochondrial function and cytokine-production in skeletal muscle of patients with CFS’. Een aantal studies hebben gesuggereerd dat er een defekt is bij de energie-produktie van spier-cellen (mitochondrieën) maar er is discussie over de aanwezigheid van abnormale mitochondrieën in spieren van CVS-patiënten. De tegenstrijdige bevindingen zijn wellicht te wijten aan de beperkte analyse-methodiek om de mitochondriale funktie op een directe manier in menselijke spier-vezels na te gaan. Belangrijke eigenschappen van mitochondrieën verschillen nl. in vivo en in vitro en het is dus nodig funktionele mitochondrieën op hun normale intracellulaire plaats, met bewaarde en essentiële interakties met andere organellen, te beoordelen. Haar team ontwikkelde een nieuwe techniek om menselijke mitochondrieën in situ (in de spier-vezels zelf, dus zonder ze er uit te isoleren) te bestuderen. Hun hypothese is dat skelet-spier mitochondrieën van CVS-patiënten dysfunktioneel zijn, wat resulteert in spier-vermoeidheid. De dysfunktionele mitochondrieën zouden een proces kunnen aktiveren dat tot een chronische, laag-gradige inflammatie leidt. Ze stellen voor dat chronische generatie vanvrije zuurstof-radikalen door spier-mitochondrieën resulteert in een chronische aktivatie van of NF-κB (zie o.a. Samenspel tussen de Glucocorticoid Receptor en Nuclear Factor-κB’, ‘NF-κB en Inspanning’ & Anthocyaninen & NF-κB, oxidatieve stress, inflammatie, inspanning’) en dit zou tot gevolg hebben dat spieren een bron van systemische pro-inflammatorire cytokinen worden.

We wachten de resultaten af. Ondertussen bekijken we even de mogelijke manieren hoe deze onderzoek-groep denkt dit te behandelen. Daartoe geven we hier een artikel weer dat handelt over de vermindering qua spier-massa en werking van skelet-spieren bij het ouder worden. Dit is natuurlijk niet hetzelfde als wat bij M.E.(cvs) gebeurt maar bij deze aandoening komen ook inflammatie, veranderingen in de produktie van vrije zuurstof-radikalen, slechtere mitochondriale werking en verstoorde regeneratieve processen voor. De aangehaalde mogelijke behandelingen moeten nog terdege worden beoordeeld. We willen onderzoekers dan ook aanmanen daar werk van te maken.

————————-

Curr Opin Pharmacol. 16C: 116-121 (pre-print Mei 2014)

Mechanisms of skeletal muscle ageing; avenues for therapeutic intervention

Lightfoot AP1, McCormick R1, Nye GA1, McArdle A2

1 Skeletal Muscle Pathophysiology Research Group, Institute of Ageing and Chronic Disease, Faculty of Health and Life Science, University of Liverpool, UK

2 MRC Arthritis UK Centre for Integrated Research into Musculoskeletal Ageing, UK

Samenvatting

Ouderdom-gerelateerd verlies aan spier-massa en -funktie, sarcopenie genaamd, is een rampzalig proces, dat een ernstige impact heeft op de levenskwaliteit van oudere mensen. De mechanismen die aan de basis liggen van sarcopenie zijn onduidelijk en de ontwikkeling van optimale therapeutische interventies blijft moeilijk bereikbaar. Een verstoorde regeneratieve capaciteit, een verminderd vermogen om te reageren op stress, een verhoogde aanmaak van reaktieve zuurstof soorten en laag-gradige systemische inflammatie zijn allemaal belangrijke bijdragende factoren tot sarcopenie. Farmacologische interventies die gebruik maken van molekulen zoals 17AAG, SS-31 en Bimagrumab of natuurlijk voorkomende polyfenolen die zich richten op specifieke mechanismen, hebben een mogelijk nut bij de strijd tegen sarcopenie; hoewel verder onderzoek vereist is, in het bijzonder wat betreft het identificeren van de mechanismen die er voor zorgen dat spier-vezels volledig verdwijnen bij het ouder worden.

Artikel

Veroudering van skelet-spieren wordt gekenmerkt door een rampzalig verlies van spier-masse en -funktie

Leeftijd-gebonden verlies van spiermassa en -funktie is een belangrijke bijdragende factor tot fragiliteit bij oudere mensen. De definitie van dergelijke kwetsbaarheid is breed maar omvat een verminderde mobiliteit met een verhoogd risico op vallen. De effekten op de levenskwaliteit van de vergrijzende wereldbevolking en de daarmee gepaard gaande stijging van met ouderdom gerelateerde ziekten betekenen een belangrijke menselijke en financiële last voor de gezondheidszorg wereldwijd.

De spier-massa neemt af met ca. 1-2% per jaar, vanaf de leeftijd van 50 jaar. Bij stijgende leeftijd, wordt een vermindering van de spier-vezel dwars-doorsnede en een preferentieel verlies van glycolytische ‘fast-twitch’ type-II vezels gezien. [zie ‘Struktuur en funktie van skelet-spieren gewijzigd bij CVS’: “verschuiving qua vezel-type proportie bij CVS-patiënten, m.n. de aanwezigheid van meer snelle vezels en minder trage vezels”] De vermindering van het totaal aantal vezels en qua aandeel van ‘fast-twitch’ vezels resulteert in een trage spieren, wat zich ook manifesteert als verminderde maximale kracht-output en verminderde aktivatie-snelheid. De mechanismen die geassocieerd zijn met het leeftijd-gerelateerd verlies van spier-massa en -funktie worden niet goed begrepen. Verhoogde laag-gradige systemische inflammatie, veranderingen qua aanmaak van reaktieve zuurstof soorten, veranderde mitochondriale funktie [Calvani R et al. Mitochondrial pathways in sarcopenia of aging and disuse muscle-atrophy. Biol Chem (2013) 394:393-414], gewijzigde bezenuwing van spieren, verminderde regeneratieve processen en effekten van inaktiviteit worden voorgesteld als belangrijke factoren bij de veroudering van skelet-spieren.

Het doel van deze ‘review’ is om de belangrijkste mechanismen geassocieerd met veroudering van de skelet-spieren samen te vatten, de vooruitgang betreffende het begrip omtrent sarcopenie te schetsen en mogelijke therapeutische mogelijkheden om het verlichten aan te geven.

Impact van inflammatie op ouder-wordende spieren

Bij het ouder worden, ontwikkelen zoogdieren een verhoogd niveau van laag-gradige chronische systemische inflammatie. Dit wordt gekenmerkt door verhoogde circulerende niveaus van meerdere pro-inflammatoire cytokinen zoals interleukine-6 (IL-6), tumor necrose factor alfa (TNF-α) en c-reaktief proteïne (CRP), samen met een vermindering qua anti-inflammatoire factoren zoals interleukine-10 (IL-10). Er werd aangetoond dat skelet-spieren een potentiële bron van diverse cytokinen, myokinen [cytokinen afgegeven door spiercellen in respons op inspanning] genaamd [Nielsen S, Pedersen BK: Skeletal muscle as an immunogenic organ. Curr Opin Pharmacol (2008) 8: 346-351], zijn. De rol en impact van myokinen bij verouderende skelet-spieren werd nog niet uitgebreid onderzocht maar er de mogelijkheid bestaat dat myokinen de lokale spier-omgeving aanzienlijk kunnen beïnvloeden en dat spieren een belangrijke bron van cytokinen tijdens veroudering kunnen zijn. Er werd voorgesteld dat inflammatie een belangrijke motor voor de veroudering van skelet-spieren is en het effekt van inflammatoire cytokinen op skelet-spieren werd vaak bestudeerd. Gegevens tonen dat blootstelling van skelet-spieren aan TNF-α leidt tot een verlies van totale proteïnen in de spieren, wat wordt bewezen door een verhoogde ubiquitine-conjugerende aktiviteit [ubiquitine-conjugatie = merken van proteïnen zodat ze kunnen afgebroken worden] geassocieerd met verhoogde nucleaire factor kappa-B (NF-κB) aktivatie en gemedieerd door, ten minste gedeeltelijk, reaktieve zuurstof soorten (ROS) [Li YP et al. Skeletal muscle myocytes undergo protein-loss and reactive oxygen mediated NF kappa-B activation in response to tumor necrosis factor alpha. FASEB J (1998) 12: 871-880]. In tegenstelling daarmee wordt voorgesteld dat IL-6 uitéénlopende effekten heeft op skelet-spieren, met als bewijs een katabool effekt, leidend tot atrofie en met een sleutel-rol bij door satelliet-cellen gemedieerde hypertrofie. Zodoende kan de ontwikkeling van therapeutische interventies die zich richten op inflammatoire mechanismen een mogelijke behandeling bieden voor ten minste enkele aspecten van leeftijd-gerelateerde spier-dysfunktie.

Verhoogde oxidatieve schade: mitochondrieën als een belangrijke bron van ‘ROS’

Er zijn belangrijke bewijzen die aangeven dat fundamentele veranderingen in de redox-signalering en homeostase optreden tijdens het verouderen. Skelet-spieren vertonen een significante leeftijd-gebonden verhoging van oxidatieve schade. Skelet-spieren van oude muizen vertonen diepgaande oxidatieve beschadiging van DNA, lipiden en proteïnen. De focus van ROS-gerelateerd onderzoek in ouder-wordende skelet-spieren was gericht op de mitochondrieën. Historisch gezien werd voorgesteld dat mitochondrieën de belangrijkste determinanten van het ouder-worden zijn en dat veroudering zich manifesteert door een leeftijd-gerelateerde afname van de mitochondriale aktiviteit. Uit gegevens van studies bij ratten bleek dat sarcopenie geassocieerd is met verlies van funktionele proteïnen verbonden aan het mitochondriale energie-metabolisme. Een opéénstapeling van mutaties in het mitochondriaal DNA (mtDNA) tijdens veroudering is goed gekarakteriseerd en suggereerde dat ROS afkomstig van de elektronen-transport-keten (ETC) de bron zijn van deze beschadiging. Mitochondriaal DNA is bijzonder gevoelig voor beschadiging door ROS omwille van de minder robuuste reparatie-mechanismen. Skelet-spieren van oude muizen vertonen verhoogde proteïne-carbonylisatie [proteïne-carbonyl concentraties zijn een maat voor proteïne-oxidatie; significant verhoogd in de sera of CVS-patiënten, vergeleken met controles (Smirnova and Pall 2003)] gelokaliseerd in de mitochondrieën. De rol van de accumulatie van dergelijke schade bij veroudering per se blijft echter controversieel.

Sommige interventie-studies hebben zich gefocust op de mitochondrieën in een poging om de leeftijd-gerelateerde afname skeletspier-funktie om te keren. De studies zijn te talrijk om op te noemen maar, bijvoorbeeld: in spieren bleek het nieuwe peptide SS-31, dat gelokaliseerd is in de inter-membranaire ruimte van mitochondrieën, een krachtig anti-oxidant vermogen te hebben [Min K et al.. Mitochondrial-targeted anti-oxidants protect skeletal muscle against immobilization-induced muscle-atrophy. J Appl Physiol (2011) 111: 1459-1466 (studie bij muizen)]. Studies op spieren van oude muizen die SS-31 peptide toegediend kregen, tonen een ommekeer in de leeftijd-gerelateerde daling van de ATP-synthese. Bovendien verminderde SS-31 aanzienlijk de H2O2-produktie en resulteerde in meer gereduceerd glutathion [Siegel MP et al. Mitochondrial targeted peptide rapidly improves mitochondrial energetics and skeletal muscle performance in aged mice. Aging Cell (2013) 12: 763-771; SS-31 bracht de energie in spieren van oude muizen binnen het uur terug naar de waarden van jonge muizen.]. Ook supplementering met polyfenolen voorkwam de leeftijd-gerelateerde verhogingen van ROS-produktie in skelet-spieren en resulteerde in het behoud van de mitochondriale funktie [Charles AL et al. Polyphenols prevent ageing-related impairment in skeletal muscle mitochondrial function through decreased reactive oxygen species production. Exp Physiol (2013) 98: 536-545 (studie bij ratten die 75mg/kg/dag extract uit rode wijn – bevat catechine, epicatechine, anthocyaninen en fenolische zuren – oraal werden toegediend gedurende 6 maand)]. Deze bevindingen wijzen erop dat het gebruik van plaats-specifieke gerichte anti-oxidanten of natuurlijke polyfenolen een nieuwe benadering kunnen betekenen voor behandeling tegen leeftijd-gerelateerde veranderingen in skelet-spieren.

Veranderde regeneratieve capaciteit in skelet-spieren bij oudere zoogdieren

Satelliet-cellen (SC) zijn endogene stamcellen in de skelet-spieren die verantwoordelijk zijn voor het intrinsieke regeneratie-vermogen van de spieren. SCs bevinden zich meestal in een rust-toestand maar tijdens myogenese en spier-regeneratie worden ze geaktiveerd in respons op prikkels. Eénmaal geaktiveerd proliferern de SCs, en ofwel differentiëren ze om schade te herstellen of om de rustende SC-populatie te vernieuwen repareren. Notch-signisalering [Notch = trans-membraan receptor; evolutionair bewaard gebleven inter-cellulair signalisering-mechanisme dat interakties tussen nabijgelegen cellen reguleert] is fundamenteel verantwoordelijk voor SC-aktivatie na spier-schade. SCs zijn essentieel voor het onderhoud en herstel van skelet-spieren, en aangezien het onvermogen van spieren om te regenereren tijdens veroudering ten grondslag ligt aan spier-veroudering, is een afname van het aantal en de aktiviteit van SCs een mogelijke bijdragende factor tot de schadelijke spier-veroudering. Tijdens veroudering is de notch-signalisering onderdrukt, waardoor er minder SC-aktiveratie in respons op letsel is; wat werd voorgesteld – in combinatie met de algemene daling van de SC-voorraad tijdens veroudering – te leiden tot de karakteristieke gedaalde capaciteit voor spier-regeneratie bij oude zoogdieren. Hoewel er enige controverse blijft over de rol van verminderde aantallen/funktie van SCs bij de leeftijd-gebonden falende spier-regeneratie: anderen suggereren dat de resterende capaciteit van de SCs voldoende is. Kruis-transplantatie van spieren tussen jonge en oude knaagdieren toonde aan dat een spier van een oude muis getransplanteerd naar een jonge muis in staat is te regenereren net zoals een jonge spier, en dat een spier-weefsel van jongere muizen getransplanteerd naar oude een verminderd vermogen tot regeneratie vertoont; wat het belang aangeeft van de leeftijd en de mogelijke remmende effekten van het milieu op SC-gemedieerde regeneratie.

Daarom zijn SCs een potentieel doelwit voor interventie. Gegevens tonen aan dat interventies die het aantal en de funktie van SCs verhogen, hebben geleid tot funktionele verbeteringen in de spieren, zoals verhoogde vezel-grootte [Cerletti M et al. Short-term calorie restriction enhances skeletal muscle stem cell function. Cell Stem Cell (2012) 10: 515-519 (studie bij muizen => significante upregulering van de aktiviteit van sateliet-cellen in spieren, verbeterd spier-herstel na calorie-restrictie (1 week à 20% & 11 weken à 40%)], verbeterde spier-regeneratie en kracht-ontwikkeling. […]

SC-therapie (de injektie van SCs of myoblasten [voorlopers van spiercellen]) is relatief succesvol gebleken in muizen, waar het heeft geresulteerd in enige toename van de kracht-ontwikkeling, hypertrofie en het behoud van type II-vezels bij oude muizen, en heeft enige positieve effekten gehad bij de behandeling van spieren van dystrofische [dystrofie = progressieve verzwakking van de skelet-spieren] patiënten [Duchenne musculaire dystrofie; een aangeboren en erfelijke vorm van spier-dystrofie]. Niettemin zijn er nog een aantal uitdagingen wat betreft het gebruik van SC-therapie om spier-afname te behandelen: er zijn een groot aantal SCs nodig; de geïmplanteerde cellen sterven snel af en er is nood aan een beter begrip; immune afstoting is ook een probleem en er werd aangetoond dat er verschillende SC-populaties zijn die niet allemaal zorgen voor regeneratie van de spieren. Daarenboven werden bij studies die gebruik maken van SC-therapie enkel gunstige effekten gezien in de geïnjekteerde spieren en niet op verder verwijderde plaatsen, wat doet vermoeden dat dit een beperking is voor het gebruik van SC-therapie als behandeling van spier-verlies over het gehele lichaam, tot dat deze tekortkomingen worden overwonnen.

Gebrekkige stress-proteïne responsen bij het ouder worden

Skelet-spieren bevatten een netwerk van cel-beschermende en anti-oxidante enzymen ter bescherming tegen cellulaire schade. ‘Heat-shock’ proteïnen (Hsp’s) zijn molekulaire chaperones [proteïnen die helpen bij het vouwen of ontvouwen en het op- of afbouwen van macromolekulaire strukturen (proteïnen/DNA)] die een belangrijke component vormen van de adaptieve respons van skelet-spieren op een verscheidenheid van zowel schadelijke als niet-schadelijke stressoren. In respons op een contractie-stimulus, vertonen spieren van oude muizen een significant verzwakte produktie van Hsp’s vergeleken met spieren van volwassen muizen. Het vermogen van skelet-spieren om een cyto-protectieve respons op te roepen vermindert dus bij veroudering.

In een model met transgene muizen, beschermde levenslange over-expressie van het stress-induceerbaar Hsp70 [zie ‘CVS * Oxidatieve Stress en Hsp bij inspanning’ & ‘‘Heat-shock’ proteïnen en inspanning bij CVS] tegen het leeftijd-gerelateerd tekort qua spierkracht-ontwikkeling en bleef de regeneratieve capaciteit van de spieren na langere contracties behouden [McArdle A et al. Over-expression of Hsp70 in mouse skeletal muscle protects against muscle-damage and age-related muscle-dysfunction. FASEB J (2004) 18: 355-357]. Een farmacologische interventie om de Hsp-expressie te verhogen gebruikmakend van een gekende Hsp-inductor, 17-(allylamino)-17-demethoxygeldanamycine (17AAG), resulteerde in een significante toename van de Hsp70-inhoud van de spieren van volwassen en oude muizen, en een gelijkaardig verbeterde capaciteit tot spier-regeneratie na contracties bij oude muizen [McArdle’s team. Enhanced recovery from contraction-induced damage in skeletal muscles of old mice following treatment with the heat-shock protein inducer 17-(allylamino)-17-demethoxygeldanamycine. Rejuvenation Res (2008) 11: 1021-1030]. Van een alternatief Hsp70-inducerend geneesmiddel, arimoclomol [experimenteel medicijn bedoeld voor ALS; zou proteïne-aggregaten in de motorische zenuwen verminderen door het ‘boosten’ van de expressie van Hsp70 & Hsp90], werd aangetoond dat het de ontwikkeling van pathologie vermindert in een model van amyotrofe laterale sclerose, wat suggereert dat behandeling gericht op het verhogen van Hsp70 in spieren te potentiële therapeutische interventie zou kunnen zijn bij de behandeling van leeftijd-gerelateerde spier-dysfunktie.

Op een gelijkaardige manier resulteerde transgene over-expressie van mitochondriaal Hsp10 in een behouden ontwikkeling van spier-kracht en vezel-doorsnede bij oude muizen, en dit was geassocieerd met bewijs voor verminderde oxidatieve schade in spier-mitochondrieën van oude muizen [McArdle’s team. Over-expression of Hsp10 in skeletal muscle of transgenic mice prevents the age-related fall in maximum tetanic force generation and muscle cross-sectional area. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol (2010) 299: R268-R276]. Zodoende zijn er aanwijzingen dat specifieke Hsp’s een fundamentele rol spelen bij skelet-spier dysfunktie en het onvermogen om individuele Hsp’s te induceren zou verschillende effekten op spieren kunnen hebben.

Nieuwe interventies om sarcopenie te reduceren

In een poging om spier-atrofie te overwinnen, hebben sommige muizen-studies zich gericht op interventies met het moduleren van myostatine, een negatieve regulator van de spier-massa, als middel ter bevordering van spier-hypertrofie, met name op oudere leeftijd. Inhibitie van myostatine resulteert in spier-hypertrofie; dit correleert echter niet met enige belangrijke positieve effekten op kracht-produktie. Een nieuwe myostatine-remmer, Bimagrumab [BYM338] (een monoklonaal antilichaam dat binding verhindert op type-2 activine-receptoren [behoren tot de TGF-β super-familie; van kritiek belang bij het reguleren van de grootte van skelet-spieren]), induceerde spier-hypertrofie en verminderde de door glucocorticosteroïden gïnduceerde zwakte in een muis-model [Lach-Trifilieff E et al. An antibody blocking activin type-II receptors induces strong skeletal muscle hypertrophy and protects from atrophy. Mol Cell Biol (2014) 34 :606-18; studie op gecultiveerde humane skelet-spier cellen en bij muizen => BYM338 versterkt de differentiatie van myoblasten, voorkomt door myostatine geïnduceerde spier-atrofie en verhoogt de skelet-spier massa van muizen dramatisch; therapeutisch potentieel voor behandeling van atrofie]. Een belangrijke studie heeft beender morfogeen proteïne (BMP) [BMP’s = subgroep van de ‘transforming growth factor’s; signaal-molekulen die weefsel-architectuur dirigeren] als belangrijkste regulator van myostatine-gemedieerde spier-hypertrofie geïdentificeerd, een proces dat wordt versterkt door de SMAD-proteïne familie [intracellulaire proteïnen die signalen van buiten de cel overbrengen naar de cel-kern waar ze gen-transcriptie aktiveren]. BMP/SMAD-geassocieerde mechanismen als doelwit nemen zou dus een nieuwe therapeutische benadering voor spier-atrofie kunnen bieden.

Training als een niet-farmacologische aanpak is de focus geweest van talrijke studies in een poging om leeftijd-gebonden spier-atrofie te bestrijden. Weerstand-training verhoogt spiermassa en kracht-produktie, en vermindert inflammatie in de spieren tijdens de veroudering. Bovendien werd training beschreven als anti-inflammatoir, waarbij acute inspanning aan hoge intensiteit leidt tot verhoging van de belangrijke anti-inflammatoire merkers IL-4, IL-10 en IL-1ra in afwezigheid van pro-inflammatoire stimuli; een proces dat wordt voorgesteld als zijnde gemedieerd door IL-6 afgifte door skelet-spieren. [Bij M.E.(cvs) is er voor oefentherapie de serieuze beperking door post-exetionele malaise.]

Opmerkingen tot besluit

Deze ‘review’ illustreerde enkele van de belangrijke mechanismen die worden voorgesteld betrokken te zijn bij sarcopenie en doelgerichte therapeutische interventies. Ondanks de aanzienlijke inspanning, werd echter slechts matige vooruitgang geboekt.

Het begrijpen van het veroudering-proces verbetert en daardoor werd een golf van nieuwe mogelijke therapeutische opties en medicijnen getest in knaagdier-modellen en vertaling naar proeven bij mensen zou vitaal kunnen blijken bij de behandeling van leeftijd-verlies aan spier-massa.

De meerderheid van de interventies (training) richten zich op het verbeteren van de werking van de overblijvende spier-vezels op latere leeftijd en er is bijkomende research vereist om de mechanismen te bepalen die er voor zorgen dat spier-vezels compleet verloren gaan.

december 29, 2013

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

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

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

————————-

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

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

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

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

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

SAMENVATTING

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

1. INLEIDING

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

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

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

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

2. METHODES

2.1. Individuen

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

2.2. Fysiologische Metingen

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

2.3. Elektromyografische (EMG) Opnames en Analyses

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

2.4. Biochemische Analyses

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

2.5. Inspanning-Protocol

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

2.6. Statistische Analyses

[…] Significantie: 0.05.

3. RESULTATEN

3.1. Onderzoek in Rust

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

3.2. Respons op Toenemend Maximaal Fietsen

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

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

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

3.3. Relaties tussen Biochemische en Elektrofysiologische Variabelen

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

4. BESPREKING

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

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

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

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

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

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

november 17, 2013

Potentiële speeksel-biomerkers bij M.E.(cvs)

Filed under: Diagnostiek — mewetenschap @ 7:22 am
Tags: , , , , ,

Proteomica, de studie van het proteoom (de verzameling van alle eiwitten van een organisme of een cel), is belangrijk omdat proteïnen de eigenlijke funktionele molekulen in de cel vertegenwoordigen. Wanneer mutaties in het DNA optreden, zijn het de proteïnen die uiteindelijk worden aangetast en zij doen het meeste werk in het lichaam. We vermelden hier al meerdere gen-expressie studies maar de resultaten moeten uiteindelijk worden gevalideerd door te kijken of de waarden van de proteïnen waarvoor ze coderen, gedaald of gestegen zijn. Eén gen kan meerdere proteïnen opleveren en enkel de over-expressie van een gen rapporteren, zegt in feite niets over welk proteïne werd geproduceerd. Dat is veel complexer. Er zijn nog weinig dergelijke studies uitgevoerd bij M.E.(cvs). De groep rond Baraniuk (zie CVS-gerelateerd proteoom in cerebrospinaal vocht’) rapporteerde al over een piloot-studie die een set proteïnen in het ruggermerg-vocht vond. Een follow-up studie zou positief zijn maar een publicatie blijft uit.

Speeksel, als biologisch staal is makkelijker verkrijgbaar en heeft een eenvoudiger samenstelling (ca. 30% van de proteïnen in het bloed worden in speeksel aangetroffen). Op een congres werd al gewag gemaakt van een mogelijke speeksel-merker (zie ‘PRB4-peptide – Biomerker in speeksel bij CVS?’) maar dit is naar ons weten niet gepubliceerd.

De Italiaanse researchers hier (die eerder proteomisch onderzoek bij Sjögren’s syndroom, Reumatoïde Arthritis en fibromyalgie deden) voerden een kleine studie uit op het speeksel van een tweeling-paar waarvan er één M.E.(cvs) heeft.

————————-

J Transl Med. (2013) 11: 243 (pre-print)

A multidisciplinary approach to study a couple of monozygotic twins discordant for the Chronic Fatigue Syndrome: a focus on potential salivary biomarkers

Federica Ciregia1, Laura Giusti1, Ylenia Da Valle1, Elena Donadio1, Arianna Consensi2, Camillo Giacomelli2, Francesca Sernissi2, Pietro Scarpellini2, Fabrizio Maggi3, Antonio Lucacchini1* & Laura Bazzichi2

1 Department of Pharmacy, University of Pisa, Italy

2 Department of clinical and experimental medicine, Division of Rheumatology, University of Pisa, Italy

3 Virology Unit, Pisa University Hospital, Italy

Samenvatting

ACHTERGROND: Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) is een ernstige, systemische ziekte die wordt gekenmerkt door aanhoudende, invaliderende en medisch onverklaarde vermoeidheid. De etiologie en pathofysiologie van CVS blijft onduidelijk, en de diagnose wordt gesteld via de medische geschiedenis van de patient en uitsluiting van andere medische oorzaken. De beschikbaarheid van biomerkers voor CVS zou nuttig zijn voor klinische research. In deze studie gebruikten we een proteomische benadering om de algemene veranderingen in het speeksel-profiel te evalueren bij 2 monozygote tweelingen die niet overéénstemmen wat betreft de aanwezigheid van CVS. Het doel was verschillen qua proteïne-expressie in het speeksel te evalueren bij de CVS-patient in vergelijking met zijn gezonde tweeling-helft.

METHODES: De speeksel-stalen werden onderworpen aan twee-dimensionele elektroforese (2DE) [elektroforese = scheiding van molekulen op basis van hun elektrische lading]. De gels werden gekleurd en er werd een vergelijking uitgevoerd tussen het CVS-individu en de gezonde tweeling-helft met de ‘Progenesis Same Spot’ software, inclusief analyse van de variantie. De proteïne-spots met een ≥ 2-voudige kwantiteit-verandering en p < 0.05, werden geïdentificeerd via ‘Nano-liquid’ chromatografie elektrospray-ionisatie tandem massa-spectrometrie. Om de expressie-veranderingen van 5 proteïnen te evalueren die werden gevonden met 2DE (14-3-3 proteïne zeta/delta [betrokken bij de regulering van meerdere intracellulaire signalisering-mechanismen], cyclofiline-A [CYPA; enzyme dat het opvouwen van proteïnen, van belang bij verschillende cellulaire processen], Cystatine-C [rol bij proteïne-katabolisme, regulering van hormoon-verwerking, inflammatie, antigen-presentatie en T-cel afhankelijke immuun-responsen alsook resistentie tegen verscheidene bakteriële en virale infekties], Proteïne S100-A7 [geassocieerd met verhoogde inflammatoire cel infiltraten , o.a. bij inflammatoire aandoeningen], en zink-alfa-2-glycoproteïne [verantwoordelijk voor lipiden-afbraak; ook een rol bij de aktivatie van AMP-kinase, een belangrijke regulator van het energie-metabolisme in skelet-spieren]), gebruikten we ‘western blot’ analyse. Bovendien werden de proteïnen die differentieel tot expressie kwamen funktioneel geanalyseerd gebruikmakend van de ‘Ingenuity Pathways Analysis’ software, met als doel de overheersende mechanismen en het betrokken interaktie-netwerk te bepalen.

RESULTATEN: De analyse van de proteïne-profielen liet ons toe 13 proteïnen te vinden met een verschillende expressie bij CVS met betrekking tot de controle. 9 spots waren ge-upreguleerd bij CVS en 4 ge-downreguleerd. Deze proteïnen behoren tot verschillende funktionele klassen, zoals inflammatoire respons, immuunsysteem en metabolisme. In het bijzonder: het netwerk opgebouwd met onze proteïnen benadrukt, zoals aangetoond via de pad-analyse, de betrokkenheid van de inflammatoire respons bij CVS-pathogenese.

BESLUITEN: Deze studie toont de aanwezigheid van differentieel tot expressie komende proteïnen in het speeksel van de 2 monozygote tweeling-helften die verschillen qua CVS, waarschijnlijk gerelateerd met de ziekte. Bijgevolg geloven we dat de proteomische benadering nuttig zou kunnen zijn om een panel potentiële diagnostische biomerkers te definiëren en een nieuw licht te werpen op het begrijpen van de pathogenetische mechanismen van CVS.

Achtergrond

[…]

CVS wordt beschouwd als een multi-factoriële ziekte met een onbekende etiologie en pathofysiologie. Er werden genetische studies uitgevoerd om genen te karakteriseren die bruikbaar zouden kunnen zijn als CVS-biomerkers. Er werd voorgesteld dat CVS geassocieerd is met immunologische en inflammatoire ziekten. De over-expressie van pro-inflammatoire proteïnen, zoals interferon-γ (INF-γ), interleukine-1 (IL-1) en tumor necrose factor-α (TNF-α), werd gerapporteerd bij CVS. Daarnaast ondersteunen ge-upreguleerde immuun-gerelateerde genen, zoals lactotransferrine, defensine-α1, integrinen [zie Gen-signatuur voor Post-Infektie CVS’], CMRF35 antigen, IL-8, HD proteïne [Vernon SD, Unger ER, Dimulescu IM, Rajeevan M, Reeves WC: Utility of the blood for gene-expression profiling and biomarker-discovery in Chronic Fatigue Syndrome. Dis Markers 2002, 18: 193-199] en cathepsine-C [Powell R, Ren J, Lewith G, Barclay W, Holgate S, Almond J: Identification of novel expressed sequences, up-regulated in the leucocytes of Chronic Fatigue Syndrome patients. Clin Exp Allergy 2003, 33: 1450-1456], bij CVS-patiënten de notie dat de ziekte wordt gekenmerkt door immuunsysteem-aktivatie. Niettemin zijn er tot op heden geen specifieke merkers voor inflammatie en/of immuun-aktivatie die nuttig zouden kunnen zijn bij de evaluatie van patiënten met CVS, wat de behandeling ingewikkelder maakt.

Virale infektie werd gewoonlijk als oorzakelijk agens voorgesteld maar ondanks de inspanningen voor de opheldering van de rol van een virus, zijn de resultaten controversieel omwille van een gebrek aan een gemeenschappelijk standaard klinische definitie en specifieke biomerkers voor de ziekte. Ook vaccins werden door sommige geleerden belangrijk geacht bij de aanvang van CVS [zie bv. ‘ASIA (auto-immuun/inflammatoir syndroom geïnduceerd door adjuvanten) syndroom], terwijl anderen deze mogelijkheid hebben verworpen en verzekeren dat ze veilig zijn.

Een Internationaal Consensus Panel definieerde in 2011 de Internationale Consensus Criteria die de karakteristieke patronen van de symptoom-clusters van CVS identificeerde maar de diagnose wordt gesteld via de geschiedenis van de patient, en uitsluiting van andere medische oorzaken en psychiatrische problemen. Daarom zou de beschikbaarheid van biomerkers voor CVS van groot kunnen zijn bij klinische research.

Aangezien genetica wordt verondersteld een rol te spelen in de etiologie van CVS, zijn tweelingen-studies een onderzoek-gebied dat nuttig zou kunnen zijn bij het ophelderen van de rol van genetische en omgeving-factoren bij CVS. Niettemin kon een studie door Byrnes et al. [zie ‘Gen-expressie bij tweelingen met/zonder chronische vermoeidheid] (bij monozygote tweelingen die verschillen qua CVS) geen biomerker voor CVS identificeren in het transcriptoom [verzameling van alle boodschapper-RNA (mRNA) molekulen – ‘transcripten’ , tot expressie komende genen – geproduceerd in een cel of populatie van cellen] van perifeer bloed leukocyten (veronderstellende dat de positieve bevindingen bij eerdere studies het resultaat zouden kunnen zijn van experimenteel vooroordeel). Daarom gingen we over tot het bestuderen van proteïnen en gebruikten we, voor de eerste keer, een proteomische benadering de globale veranderingen in speeksel bij CVS te evalueren.

Het aantal publicaties gerelateerd aan het speeksel-proteoom zijn significant toegenomen, wat suggereert dat menselijk speeksel als biologisch vocht een enorm potentieel heeft wat betreft het weerspiegelen van systemische gezondheid-aandoeningen. Speeksel heeft veel voordelen: lage invasiviteit, minimale kosten, en eenvoudige staal-name en -verwerking. Bovendien heeft speeksel een minder complexe proteïnen-samenstelling dan serum of plasma, wat het risico op niet-specifieke interakties vermindert en terzelfdertijd vertegenwoordigt het een nuttig diagnostisch instrument, aangezien ca. 30% van de proteïnen in het bloed ook aanwezig zijn in het speeksel. Daarom heeft menselijk speeksel proteomica bewezen een nieuwe benadering te zijn in de zoektocht naar proteïne-biomerkers voor het opsporen van ziekten. De laatste jaren verkregen we in het bijzonder bemoedigende resultaten uit de proteomische analyse van menselijk speeksel bij reumatische aandoeningen [bv. Bazzichi L, Ciregia F, Giusti L, Baldini C, Giannaccini G, Giacomelli C, Sernissi F, Bombardieri S, Lucacchini A. Detection of potential markers of primary fibromyalgia syndrome in human saliva. Proteomics Clin Appl (2009) 3: 1296-1304]. Vandaar dat we in de huidige studie het proteomisch speeksel-profiel onderzochten bij een monozygote tweeling die verschilt qua CVS. Verschillen qua proteïne-expressie in het speeksel bij de CVS-patient t.o.v. de gezonde tweeling-helft kon strikt gecorreleerd worden met de ziekte zelf aangezien de tweeling enkel wat betreft de aanwezigheid van CVS verschilt.

Methodes

Studie-ontwerp

[…]

Patiënten

[…] beiden kregen voor de eerste keer een influenza-vaccin […] Onmiddellijk na de vaccinatie ontwikkelde de patient, die eerder gezond was, asthenie [veralgemeende lichaamszwakte, krachteloosheid], progressief gewicht-verlies, vergeetachtigheid en concentratie-moeilijkheden, slaap-stoornissen, duizeligheid en koorts, leidend tot werk-onbekwaamheid.

Vragenlijsten

[…]

Laboratorium-testen

[…] Er werd een verschil in haemato-chemische parameters gevonden betreffende TNF-α (18,1 pg/ml & 2,6 pg/ml in patient en gezonde tweeling-helft, respectievelijk) en IL-2 (10 pg/ml & 46 pg/ml in patient en gezonde tweeling-helft, respectievelijk). […]

Speeksel-afname

[…]

Twee-dimensionele elektroforese

[…]

2DE statistische analyse

[…]

NanoLC-ESI-MS/MS Analyse d.m.v. LTQ-Orbitrap Velos analyse

(‘Nano-liquid’ chromatografie ‘elektrospray’ ionisatie tandem massa-spectrometrie)

[…]

Proteïne-identificatie

[…]

‘Western blot’ analyse

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

‘Western blot’ statistische analyse

[…]

Signalisering-mechanisme analyse

[…]

Resultaten

Proteomische analyse en validering via ‘western blot’

Bij vergelijking van de speeksel-profielen van de gezonde tweeling-broer en de CVS-patient vonden we 13 spots met verschillende expressie (variatie ≥ 2-voud). Negen spots waren ge-upreguleerd bij CVS en 4 ge-downreguleerd. […]

Er werd western blot analyse met specifieke antilichamen gebruikt om de expressie-veranderingen van 4 proteïnen te valideren: 14-3-3 proteïne zeta/delta, CYPA, Cystatine-C en Proteïne S100-A7. […] Met 2DE vonden we een significante toename bij CVS van 14-3-3 proteïne zeta/delta, CYPA en Proteïne S100-A7 (p = 0.0009, 0.02 & 0.004 respectievelijk) die werd bevestigd via western blotting. Ook de stijging van Cystatine-C (p = 0.001) werd bevestigd via western blot. Deze validdatie-experimenten werden uitgevoerd op speeksel verzameld in 2007 en in 2011 […] en in beide gevallen ondersteunden de resultaten deze van de 2DE studie.

Daarenboven deden we ook één-dimensionele western blot analyse voor ZAG, maar de lagere waarde bij de tweeling-helft met CVS was niet significant (variatie van of 2,0 en 1,2 maal in 2007 en 2011 respectievelijk). Bij 2DE vonden we feitelijk 2 spots dicht bijéén corresponderend met ZAG en de één-dimensionele elektroforese liet ons niet toe het werkelijke verschil van dit proteïne in het speeksel te schatten. Daarom voerden we 2DE immunoblotting uit om de verschillen qua expressie in de spots te evalueren. Er werden 4 immuun-reaktive spots gedetekteerd […]. De significante stijging bij CVS – in vergelijking met controle – werd voor alle via 2DE immunoblotting gedekteerde spots geobserveerd; wat de resultaten verkregen via 2DE en NanoLC-ESI-MS/MS bevestigt.

Potentiële Biomerkers gevoden bij CVS

[…] We voerden een preliminaire validatie uit op een groter aantal patiënten voor één van deze proteïnen: CYPA (gegevens niet getoond). Er werd een ELISA voor CYPA uitgevoerd op speeksel van 20 patiënten met CVS en 20 gezonde individuen: de upregulering van dit proteïne werd bevestigd: de p-waarde was 0.03 en de verhoging van dit proteïne bij CVS in vergelijking met controles was 2,4 maal.

Mechanisme- en netwerk-analyse

De 13 proteïnen die het speeksel van de CVS-patient onderscheiden van het gezond individu werden gebruikt voor bio-informatische analyse om biologische funktie en mechanismen te identificeren bij CVS, gebruikmakend van IPA: IPA-software laat toe het verband tussen deze proteïnen en verscheidene biologische mechanismen te onderzoeken. […] De software genereerde verschillende netwerken. Deze met de hoogste score (een waarde van 21) omvatte 35 proteïnen en was geassocieerd met ‘Cellulaire Beweging, Haematologisch Systeem Ontwikkeling & Funktie, Immuun-cel ‘Trafficking’ [hoe immuun-cellen zich verplaatsen]. Acht van deze proteïnen werden in onze analyse gevonden. De top funktie gelinkt met deze biomerkers was de inflammatoire respons […] die geassocieerd is met 8 van onze proteïnen.

Bespreking

Dit werk maakte, voor het eerst, gebruik van een proteomische benadering om de globale veranderingen in het speeksel van een patient met CVS te evalueren. We selekteerden een patient met een monozygote tweeling-broer uit een grote groep CVS-patiënten; ondanks het feit dat ze dezelfde genetische aanleg, opleiding, levensstijl en hetzelfde soort werk hadden, ontwikkelde één van hen CVS na een vaccinatie. Hoewel deze piloot-studie slechts 2 individuen analyseerde, kunnen de verschillen qua proteïne-expressie in het speeksel gelinkt zijn met de ziekte, aangezien de tweeling-helften slechts verschilden wat betreft aanwezigheid van CVS. Op die manier liet onze studie toe te focussen op enkele biomerkers die de voorbode vertegenwoordigden op een doelgerichte zoektocht naar deze proteïnen bij een groot aantal patiënten, om hun bruikbaarheid bij de diagnose en behandeling van CVS te bevestigen. Tot op heden werden weinig proteomica-studies bij CVS uitgevoerd, op cerebrospinaal vocht [bv. ‘CVS-gerelateerd proteoom in cerebrospinaal vocht] en op serum, terwijl we voor onze studie beslisten het speeksel van een CVS-patient te onderzoeken om zo op een minder invasieve manier stalen te verzamelen. Hoewel het speeksel een minder complexe samenstelling heeft, bleek het een beloftevol diagnostisch instrument, en we vonden een wijziging in de proteïne-patronen tussen patient en controle.

Immuunsysteem

Wat betreft de proteomische analyse van speeksel, toonden onze resultaten een toename van CYPA met 2,6 maal, welke ook werd bevestigd via western blot analyse en gecontroleerd in speeksel verzameld in verschillende jaren. CYPA bleek eerder geupreguleerd in speeksel van patiënten Sjögren’s syndroom [auto-immune aandoening] en systemische sclerose [verharding van het bindweefsel in de huid] wat de rol van CYPA bij de pathogenese van immuun-gemedieerde aandoeningen schraagt. Bovendien werd ontdekt dat virale infekties de secretie van CYPA bevorderen; wat de hypothese ondersteunt dat een persistente virale infektie zou kunnen bijdragen tot de pathogenese van CVS.

Daarnaast zou de afname van Ig alfa-1 keten C [Ig alfa is de belangrijkste immunoglobuline-klasse in lichaamsvochten; helpt te verdedigen tegen lokale infektie en verhindert de toegang van vreemde antigenen tot het algemeen immunologisch systeem] en van polymere immunoglobuline receptor [pIgR; bindt polymerisch IgA & IgM op het oppervlak van epitheliale cellen, dit complex wordt dan gesecreteerd en gesplitst] die we zagen, de virale infektie / immunologische verandering kunnen hebben bevorderd. Ig alfa-1 keten C heeft in feite een rol bij het voorhinderen van de toegang van vreemde antigenen tot het algemeen immunologische systeem. PIgR verzekert de humorale verdediging [met humorale immuniteit wordt bedoeld: die waar de B-lymfocyten en hun produkten (antistoffen, complement-proteïnen en bepaalde anti-microbiële peptiden) in tussenkomen] tegen binnenkomende pathogenen in de slijmvliezen en het is verantwoordelijk voor intracellulaire neutralisatie van sommige virussen. […] Het immuunsysteem van de mucosa [slijmvliezen] is primair verantwoordelijk voor het voorkomen van infektie veroorzaakt door luminale [in de darm-holte] micro-organismen, via inhibitie van bakteriële vasthechting of invasie, en er werd voorgesteld dat pIgR noodzakelijk kan zijn voor het behoud van de basale tonus van de aangeboren immuniteit in de darm. Daarom ondersteunen deze studies de betrokkenheid van pIgR bij de bescherming tegen omgeving-antigenen.

Bovendien is de gewijzigde regulering van het immuunsysteem bij CVS-patiënten één van de interesse-gebieden in de research naar biomerkers voor CVS. Brenu et al. vonden immunologische abnormaliteiten, m.n. een gereduceerde cytotoxische aktiviteit van de aangeboren immuun-cellen, die ze voorstelden als een mogelijk diagnostisch instrument voor CVS.

In die richting kan ook de toename van Humaan S100A7 (psoriasine), die tot over-expressie komt bij inflammatoire ziekten, worden gezien.

Inflammatoire respons

Psoriasine bleek geassocieerd met verhoogde inflammatoire cel-infiltraten bij borst-kanker en verscheidene inflammatoire aandoeningen. Zoals getoond door de ‘pathway’-analyse: het netwerk opgebouwd met onze proteïnen beklemtoont de betrokkenheid van de inflammatoire respons bij de CVS-pathogenese.

Onder de proteïnen die waren veranderd bij CVS t.o.v. het gezonde individu, vonden we 2 proteïnen die behoren tot de familie van de cysteïne-proteinase inhibitoren: cystatine-C & -B. Cystatinen funktioneren als strak-bindende inhibitoren van cathepsinen, welke cysteïne-proteinasen [bepaalde eiwit-splistende enzymen] zijn, betrokken bij een aantal belangrijke cellulaire processen – inclusief inflammatie. Er werd een breed spectrum aan biologische rollen gesuggereerd voor cystatinen, o.a. een rol bij proteïne-katabolisme, bij de regulering van hormoon-verwerking en beender-resorptie [‘afbraak’ van de proteïne- en minerale componenten van de bot-matrix; een onderdeel van de normale ontwikkeling, groei en reparatie van bot], bij inflammatie, bij antigen-presentatie en T-cel afhankelijke immuun-respons, alsook as resistentie tegen verscheidene bakteriële en virale infekties. Cystatinen in het speeksel oefenen waarschijnlijk bepaalde antivirale effekten uit, aangezien ze kunnen interfereren met virale replicatie. Onze resultaten toonden een upregulering van cystatine-B [intracellulaire proteinase inhibitor; bindt met cathepsinen] en een downregulering van cystatine-C. Deze 2 cystatinen behoren tot 2 verschillende subtypes cystatine, type I & II respectievelijk. Er werd aangetoond dat ze verschillende funkties hebben […]. Daarom geloven we dat onze bevindingen kunnen suggereren dat het evenwicht tussen cysteïne-proteinasen en hun inhibitoren verstoord is bij CVS.

Signaal-transductie

In het speeksel van onze CVS-patient, detekteerden we de significante stijging van 2 leden van de 14-3-3 famile in vergelijking met zijn gezonde broer. Deze familie is een klasse van […] proteïnen betrokken bij de regulering van heel wat intracellulaire signalisering. Veel organismen brengen meerdere isoformen tot expressie en we vonden de isoformen sigma & zeta/delta. Daarom zijn 14-3-3 proteïnen betrokken bij een brede waaier van pathologische processen en de toename is waarschijnlijk niet CVS-specifiek. Bijvoorbeeld: we vonden eerder een upregulering van 14-3-3 proteïnen bij Reumatoïde Arthritis. Daarnaast vonden Matsuo et al. dat het 14-3-3 proteïne verhoogd was in een patient met Sjögren’s syndroom (Oorspronkelijk werd gedacht dat de patient de ziekte van Creutzfeldt-Jakob (CJD) had, aangezien 14-3-3 proteïne werd beschouwd als een belangrijke diagnostische merker voor CJD.). Dit ondersteunt de veronderstelling dat 14-3-3 niet-specifiek verhoogd is bij verscheidene ziekten.

Metabolisme

Tenslotte observeerden we een downregulering van ZAG bij CVS. We vonden 2 spots in 2DE-gels die met dit proteïne overéénkomen […] en met western blotting vonden we 2 andere spots, wat de toename bevestigt. ZAG staat voornamelijk bekend als een adipokine [adipokinen of adipocytokinen zijn cytokinen die worden afgegeven door vet-weefsel] verantwoordelijk voor lipiden-afbraak die een verlies aan adipeus weefsel [opslagplaats voor energie] bij kanker-cachexie [veralgemeende zwakte-toestand] veroorzaakt. Naast deze werking is echter een rol voor ZAG bij de aktivatie van AMP-kinase (AMPK), een belangrijke regulator van energie-metabolisme in cellen van menselijke skelet-spieren opgedoken. Het mechanisme zou betrokken kunnen zijn bij het mediëren van de effekten van ZAG met betrekking tot toegenomen energie-gebruik. Dit is interessant als we bedenken dat meerdere studies een organische oorzaak voor CVS, gerelateerd met defekten in het oxidatief metabolisme, suggereren. In het bijzonder: individuen met CVS raken sneller uitgeput (in aanwezigheid van gereduceertde ATP-concentraties in het sarcoplasma) in vergelijking met gezonde individuen met versnelde glycolyse in werkende skelet-spieren als resultaat [zie ‘Specifieke correlaties tussen oxidatieve stress in de spieren en CVS]. Bovendien zijn spier-pijn en -zwakte de belangrijkste symptomen bij CVS; waarschijnlijk ten gevolge cellulaire veranderingen zoals een daling qua aantal ‘motor-units’ en atrofie […]. Overwegende dat onderzoekers het vermogen van ZAG om de aanmaak van reaktieve zuurstof soorten (ROS) te reduceren, en spier-atrofie geassocieerd met insuline-resistentie en andere katabole aandoeningen tegen te gaan hebben aangetoond, lijkt de afname van ZAG die we vonden in speeksel de hypothetische rol van oxidatieve stress bij CVS te ondersteunen. Vanuit hetzelfde standpunt kunnen we de toename qua 6-fosfogluconaat-dehydrogenase in het speeksel bij CVS verklaren. Dit is een enzyme […] dat de produktie van NADPH (nodig voor bescherming tegen ROS) toelaat.

Besluiten

Deze studie bij een monozygoot tweeling-paar verschillend qua CVS, wijst enkele proteïnen aan die bruikbaar zijn om een panel van potentiële diagnostische biomerkers te definiëren en een nieuw licht te werpen op het begrijpen van de pathogenetische mechanismen van CVS. Er is een duidelijke noodzaak om onze resultaten uit te breiden naar een groter aantal individuen met een gelijkaardige medische geschiedenis, en onze preliminaire resultaten moedigen een toekomstige studie aan.

oktober 6, 2013

Quercetine – Effekt op mitochondriale biogenese & inspanning-tolerantie

Filed under: Behandeling,Inspanning — mewetenschap @ 6:40 am
Tags: , , , , , ,

Eerder (zie ‘Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM?’): >>PGC-1α (Peroxisoom proliferator geaktivateerde receptor-γ co-aktivator) is een lid van een familie van transcriptie co-aktivatoren die een centrale rol speelt bij de regulering van het cellulair energie-metabolisme (mitochondriale inhoud). PGC-1α stimuleert mitochondriale biogenese en bevordert het her-modeleren van spier-weefsel (naar een vezel-type samenstelling die metabool meer oxidatief en minder glycolytisch van aard is.<<

We vonden rapporteringen over effekten op mitochondriale biogenese via PGC-1alfa van een natuurlijke molekule (voorkomend in bv. groene thee, fruit -bessen, druiven, appels- en groenten -broccoli, kool, rode ui), quercetine, een flavonoïde (plant-pigmenten die o.a. beschermen tegen UV, oxidatie en hitte) met anti-oxidante en anti-inflammatoire aktiviteit, die dus blijkbaar ook zorgt voor de ontwikkeling van mitochondrieën (de cellulaire ‘energie-fabriekjes’).

Hoewel de effekten bij mensen van quercetine op mitochondriale biogenese en inspanning-tolerantie nog dubbelzinnig werden gevonden (zie Med Sci Sports Exerc. (2011) 43: 2396-404. Quercetin and endurance exercise capacity: a systematic review and meta-analysis: “Quercetine heeft een statistisch significant voordeel op menselijke uithouding en inspanning-capaciteit maar dit effekt is eerder klein…”), vinden wij dat een studie naar het effekt van quercetine op de inspanning-capaciteit bij M.E.(cvs) aan de orde is! Gelijkaardig onderzoek met andere molekulen zoals luteoline, rutine of resveratrol kunnen ook worden overwogen…

————————-

American Journal of Physiology. Regulatory Integrative and Comparative Physiology (2009) 296(4): R1071-7

Quercetin increases brain and muscle mitochondrial biogenesis and exercise-tolerance

Davis JM, Murphy EA, Carmichael MD, Davis B

Univ. of South Carolina, Dept. of Exercise Science, PHRC #301, 921 Assembly St., Columbia SC, 29208

Quercetine is één molekule uit een brede groep van natuurlijke polyfenolische flavonoïden die worden onderzocht op hun voordelen voor de gezondheid. Deze voordelen worden algemeen toegeschreven aan de combinatie van een anti-oxidante en anti-inflammatoire aktiviteit, maar in vitro bewijsmateriaal suggereert dat verbeterde mitochondriale biogenese een belangrijke rol zou kunnen spelen. De in vivo effekten van quercetine op mitochondriale biogenese en inspanning-tolerantie zijn onbekend [2009]. We onderzochten de effekten van 7 dagen toediening quercetine bij muizen op merkers voor de mitochondriale biogenese in skelet-spier en hersenen, en op uithouding-inspanning-tolerantie. Muizen werd willekeurig toegewezen aan één van de 3 behandeling-groepen: placebo, 12,5 mg/kg quercetine of 25 mg/kg quercetine. Na 7 dagen behandeling werden de scholspier en de hersenen van de muizen geanalyseerd wat betreft mRNA-expressie van de peroxisoom proliferator-geaktiveerde receptor-gamma co-aktivator (PGC-1alfa) en sirtuine-1 (SIRT1), en mitochondriaal DNA (mtDNA) en cytochroom-c. De muizen ondergingen ook een loopband-prestatie-test (tot vermoeidheid) of werden in een kooi met ‘voluntary activity wheel’ [rad waar op een vrijwillige manier aktiviteit kan worden ondernomen] geplaatst waar hun vrijwillige aktiviteit (afstand, tijd en piek-snelheid) werden geregistreerd. Quercetine verhoogde de mRNA-expressie van PGC-1alfa en SIRT1 (P < 0.05), mtDNA (P < 0.05) en cytochroom-c concentratie (P < 0.05). Deze veranderingen qua merkers voor mitochondriale biogenese waren geassocieerd met een stijging qua maximale uithouding-capaciteit (P < 0.05) en ‘vrijwillig rad-lopen’ (P < 0.05). Deze voordelige effekten op de gezondheid van querectine zonder inspanning-training kunnen belangrijke implicaties hebben voor de verbetering van atletische en militaire prestaties, en zouden ook kunnen worden doorgetrokken naar preventie en/of behandeling van chronische ziekten.

Mitochondriale dysfunktie in perifere weefsels en het brein spelen een belangrijke rol in de etiologie van vele ziekten, inclusief neurodegeneratieve aandoeningen, kanker, diabetes en cardiovasculaire myopathieën, alsook het veroudering-proces en slechte inspanning-tolerantie. Hoewel slechte inspanning-tolerantie duidelijk een probleem is voor atleten en militair personeel, is het ook een risico-factor voor ontwikkeling van deze aandoeningen. Er wordt algemeen gedacht dat inspanning-training de beste strategie is om het aantal spier-mitochondrieën en de spier-funktie te verhogen, hoewel er weinig bekend is over het effekt van inspanning op hersen-mitochondrieën. Gezien de moeilijkheden betreffende het aanhouden van een regelmatig inspanning-programma, hebben andere strategieën met betrekking tot voeding en medicijnen meer en meer aandacht gekregen. Onder de meest doeltreffende: calorie-beperking, natuurlijke flavonoïden (zoals resveratrol) en medicijnen waarvan werd aangetoond dat ze mitochondriale biogenese verhogen via een toename van de transcriptionele co-activatoren sirtuine-1 (SIRT1) en peroxisoom proliferator-geaktiveerde receptor-γ co-aktivator (PGC-1α) [Rasbach K, RG, Schnellmann. Isoflavones promote mitochondrial biogenesis. J Pharmacol Exp Ther 325: 536-543]. PGC-1 α wordt beschouwd als de “master regulator” van mitochondriale biogenese; SIRT1 interageert met PGC-1α en verhoogt de PGC-1α aktiviteit. Strategieën waarbij calorie-restrictie, natuurlijke flavonoïden of medicijnen zijn betrokken, focusten echter niet op de effekten op inspanning-tolerantie of op brein-mitochondrieën, en misschien nog belangrijker: het gaat dan om lange-termijn interventies, mega-dosissen, en/of medicijnen met twijfelachtige nevenwerkingen.

Quercetine, een natuurlijk polyfenolisch flavonoïde, is aanwezig in een brede waaier van voeding-planten, inclusief rode uien, appels en bessen, en bleek in combinatie met andere anti-oxidanten en caffeïne, de uithouding op een fiets-ergometer te verbeteren bij mensen die het 6 weken innamen [MacRae HS, Mefferd KM. Dietary antioxidant supplementation combined with quercetin improves cycling time trial performance. Int J Sport Nutr Exercise Metab (2006) 16: 405-419]. De biologische mechanismen van deze observatie werden echter niet bestudeerd en er is geen bewijs voor een effekt van quercetine op mitochondriale biogenese. Gezien de gelijkenis qua struktuur van quercetine met resveratrol en andere flavonoïde afgeleiden waarvan verhoogde mitochondriale biogenese [bv. Lagouge M et al. Resveratrol improves mitochondrial function and protects against metabolic disease by activating SIRT1 and PGC-1alpha. Cell (2006) 127: 1109-1122] werd aangetoond en in vitro bewijs voor een effekt van quercetine op de energetica van geïsoleerde mitochondrieën, hypothiseerden we dat quercetine mitochondriale biogenese zou verhogen in spieren en dat dit zou geassocieerd zijn met een toename van de inspanning-tolerantie. We evalueerden ook effekten van quercetine op mitochondriale biogenese in de hersenen om de mogelijke en dikwijls miskende rol van het centraal zenuwstelsel (CZS) in inspanning-gedrag (bv. CZS vermoeidheid) te onderzoeken.

Het doel van deze studie was het evalueren van de rol van korte-termijn supplementering met quercetine aan een dosis die veilig is én praktisch qua gebruik als voeding-supplement, bij mitochondriale biogenese in de hersenen en de scholspier [musculus soleus; achterzijde van het scheenbeen en kuitbeen] en uithouding-inspanning-tolerantie. De scholspier werd gekozen omwille van zijn voor de hand liggende relevantie bij uithouding-capaciteit. We gebruikten een experimenteel muis-model om de effekten te onderzoeken van 7 dagen quercetine op merkers voor mitochondriale biogenese, inclusief gen-expressie van PGC-1α en SIRT1, mitochondriaal DNA (mtDNA) en cytochroom-c enzyme concentratie. Daarnaast onderzochten we de effekten van quercetine op inspanning-tolerantie gebruikmakend van regimes ontworpen om zowel vrijwillige als onvrijwillige loop-prestaties te testen, die onevenredig worden beïnvloed door centrale en perifere factoren, respectievelijk.

METHODES

[…]

RESULTATEN

mRNA-expressie van PGC-1α & SIRT1. Quercetine gedurende 7 dagen resulteerde in een verhoging qua PGC-1α en SIRT1 mRNA in ‘slow-twitch’ [trage vezels; zie inleiding] spieren en in het brein (P < 0.05). We vonden een ca. 100% toename voor PGC-1α gen-expressie in de scholspier voor beide dosissen en een 50 & 100% toename in de hersenen na toediening van 12,5 en 25 mg/kg. SIRT1-expressie verhoogde bijna 200% in de spier voor beide dosissen en met 50 en 100% in de hersenen.

mtDNA-inhoud. […] mtDNA was ongeveer verdubbeld in de spier en het brein […] bij de dosis van 25 mg/kg (P < 0.05) maar er was geen verandering bij de dosis van 12,5 mg/kg.

Cytochroom-c concentratie. […] Quercetine verhoogde de cytochroom-c concentratie in zowel spieren als hersenen (P < 0.05): in de spieren 18 en 32% (voor 12,5 & 25 mg/kg) […]; in de hersenen 17% (12,5 mg/kg) & 21% (25 mg/kg).

Loop-band prestaties (maximale uithouding-capaciteit). […] Beide dosissen quercetine waren geassocieerd met verhoogde inspanning-capaciteit (P < 0.05). Voor de 12,5 mg/kg dosis nam de loop-tijd toe met 36% en voor de 25 mg/kg dosis met 37%.

Rad-loop prestaties (vrijwillige lichamelijke aktiviteit). […] Vrijwillige lichamelijke aktiviteit werd 24 h/dag gemeten tijdens de 7 dagen behandeling en 7 dagen er na. Loop-afstand, tijd in het rad en top-snelheid werden geanalyseerd. Quercetine verlengde de afstand op dagen 6-14 (P < 0.05), tijd in het rad op dagen 7 & 14 (P < 0.05) en piek-snelheid op dagen 2 & 3 (P < 0.05).

BESPREKING

Quercetine is één van een brede groep van natuurlijke polyfenolische flavonoïden waarvan de gezondheid-voordelen worden onderzocht. Deze worden algemeen toegeschreven aan de combinatie van anti-oxidante en anti-inflammatoire aktiviteit maar in vitro bewijsmateriaal suggereert dat verhoogde mitochondriale biogenese een belangrijke rol zou kunnen spelen. De effekten van quercetine op mitochondriale biogenese en inspanning-tolerantie zijn echter ongekend. Deze studie onderzocht de effekten van korte-termijn quercetine op merkers voor mitochondriale biogenese, inclusief expressie van PGC-1α en SIRT1, mtDNA en cytochroom-c concentratie in skelet-spier en hersenen. De gegevens geven aan dat korte-termijn toediening van het flavonoïde quercetine mRNA-expressie van PGC-1α en SIRT1, en mtDNA en cytochroom-c kan verhogen in skelet-spier en hersenen. Bovendien bepaalden we of deze veranderingen qua mitochondriale biogenese geassocieerd waren met een verhoging qua maximale uithouding-capaciteit en ‘vrijwillig rad-lopen’; beide waren verhoogd na 7 dagen toediening van quercetine.

PGC-1α bleek een belangrijke rol te spelen bij het stimuleren van mitochondriale biogenese volgend op fysiologische noden en nutritionele input, zoals inspanning of het flavonoïde resveratrol. Anders dan de meeste gekende transcriptionele co-activatoren, is PGC-1α expressie verhoogd in weefsels met hoge-capaciteit mitochondriale systemen; het bevordert de vorming van ‘slow-twitch’ spier-vezels en is een kritieke regulator van skelet-spier brandstof-voorraden, welke allemaal essentieel zijn voor uithouding-inspanning-capaciteit. Hoewel dikwijls miskend, spelen de hersenen echter ook een primaire rol bij inspanning-tolerantie. Het cerebraal metabolisme heeft belangrijke gevolgen voor motivatie, stemming (bv. dynamiek, vermoeidheid, onrust, depressie) en de centrale beweging-aandrijving vanuit de hersenschors; en verhoogde mitochondriale aktiviteit in de hersenen kan zeker het cerebraal metabolisme verhogen. PGC-1α expressie is verbonden met de vraag naar mitochondriale ATP-aanmaak en intracellulaire calcium-waarden, welke beide bekend staan te stijgen bij fysiologisch belastende toestanden zoals inspanning en energie-uitputting. PGC-1α aktiveert mitochondriale biogenese en verhoogt oxidatieve fosforylatie door het vergemakkelijken van transcriptie, translatie en replicatie. Daardoor wordt de piek zuurstof-opname verhoogd en vermoeidheid vertraagd tijdens langdurige inspanning. SIRT1 werkt samen met PGC-1α om mitochondriale biogenese te bevorderen; SIRT1 interageert met en deacetyleert PGC-1α op meerdere lysine-sites, waardoor de PGC-1α aktiviteit verhoogt. Deze informatie heeft geleid tot grote interesse betreffende het ontwikkelen van medicijnen die zich richten op het SIRT1/PGC-1α co-aktivator complex, of verwante signalisering-mechanismen in de spieren die de effekten van inspanning zouden nabootsen of potentiëren, om metabole ziekten te behandelen. Er zijn echter geen studies die zich op dit effekt in de hersenen focussen. Onze gegevens geven aan dat PGC-1α en SIRT1 expressie significant verhoogd zijn in zowel skeletspieren als het brein na slechts 7 dagen toediening van quercetine. We hebben de proteïne-concentratie van PGC-1α of SIRT1 niet gemeten maar veranderingen in mRNA van deze factoren weerspiegelen echter over het algemeen veranderingen qua proteïne en aktivieit.

Deze toename van SIRT1 en PGC-1α gen-expressie wordt algemeen geassocieerd met een verhoging qua mitochondriale biogenese maar het specifiek effekt van quercetine op mitochondriale biogenese werd niet bepaald. Hier tonen we de effekten van quercetine toediening op merkers voor mitochondriale biogenese. Een toename van mtDNA wordt bepaald door een stijging van het relatief ‘copy-number’ [aantal copieën] van mtDNA per kern-genoom [nucleair DNA]. Cytochroom-c is een component van de elektron-transport-keten die wordt gecodeerd door nucleaire genen. Stijgingen van de cytochroom-c concentratie komt typisch voor in combinatie met gelijkaardige stijgingen van andere mitochondriale enzymen van de elektron-transport-keten, en enzymen van de TCA-cyclus [ook citroenzuur- of Krebs-cyclus genoemd; complexe reeks biochemische processen betrokken bij het oxidatief metabolisme van glucose; levert energie] en het β-oxidatie mechanisme [afbraak van vetzuren] dat leidt tot een globale toename van de mitochondriale capaciteit. Hoewel toenames qua spier-mtDNA en mitochondriale enzymen goed gekende voordelen op de inspanning-tolerantie hebben, is veel minder geweten over de impact van deze veranderingen in de hersenen. De afwezigheid van een toename qua mtDNA-inhoud bij de dosis van 12,5 mg/kg quercetine kan worden verklaard door de korte toediening. Inderdaad: stijgingen van mitochondriale enzymen bleken sneller en bij minder stimuli op te treden dan toename van de mitochondriale replicatie. Deze snelle inductie van cytochroom-c is consistent met andere meldingen van door inspanning geïnduceerde stijgingen van in mitochondriale enzymen binnen 2 à 7 dagen bij ratten en mensen, en door andere flavonoïden in vitro.

Een toename van de mitochondriale biogenese in spieren is misschien wel de belangrijkste factor die verantwoordelijk is voor toegenomen uithouding-inspanning-tolerantie in respons op inspanning-training. De typische verdubbeling van de spier-mitochondrieën die voorkomt bij inspanning-training is grotendeels verantwoordelijk voor het gestegen zuurstof-gebruik, verschuivingen qua substraat-gebruik naar verhoogde oxidatie van vet in verhouding tot koolwaterstoffen en een verhoogde lactaat-drempel; welke primair beperkende factoren zijn voor uithouding-prestaties. De VO2max wordt ook beïnvloedt door mitochondriale oxidatieve capaciteit van de spieren maar, t.o.v. uithouding-capaciteit, is het voor een grotere mate beperkt door zuurstof-afgifte door het cardiovasculair systeem. Daarom bepaalden we of de door quercetine geïnduceerde toenames qua mitochondriale biogenese geassocieerd waren met een verhoogde uithouding-inspanning-tolerantie. We gebruikten 2 verschillende vormen van inspanning (loopband-aktiviteit en rad-lopen). Hoewel beiden courant aangewende inspanning-modellen zijn, zijn de stimuli zeer verschillend. Tijdens het lopen op een loopband, lopen muizen met een bepaalde intensiteit tot ze het ritme dat nodig is om mee te kunnen met de loopband niet meer kunnen aanhouden, zelfs als men ze voorzichtig met de hand aanspoort of een elektrische schok geeft. Er wordt gedacht dat deze vermoeidheid allereerst voortkomt uit de beperkingen in de periferie (bv. cardiovasculair systeem en spieren). Het gedrag bij vrijwillig rad-lopen wordt, bijna per definitie, meer centraal beïnvloed. In een rad lopen muizen gedurende frequente korte periodes wisselende afstanden met verschillende intensitieiten, op basis van hun eigen wilskracht, een situatie die gelijkaardiger is met deze die wordt ervaren in een ongestruktureerde, vrij-levende omgeving. Loopband-aktiviteit is een betere indicator voor de maximale loop-capaciteit van een muis, in tegenstelling tot rad-lopen, dat sterk wordt beïnvloed door gedragmatige factoren. Beide gedragingen worden duidelijk beïnvloed door een toename van zowel spier- als brein-mitochondrieën, hoewel de hersenen zelden worden vermeld in deze context. Quercetine-toediening verhoogde vrijwillige aktiviteit tijdens de toediening-periode alsook tijdens de 7 dagen daarna. Deze verlengde respons is waarschijnlijk te wijten aan de gecombineerde effekten van quercetine en de inspanning zelf op mitochondriale biogenese, aangezien de quercetine-groep significant meer liep dan de placebo-groep gedurende die tijd. Het plasma half-leven [tijd nodig om de concentratie in het bloed-plasma van een substantie te halveren] van quercetine is 6 à 12 h, wat een argument tegen een trage verwijdering van quercetine is. De loop-afstand in het rad was verhoogd met ca. 35% op dag 6 in de quercetine-groep in vergelijking met de placebo-groep, wat ten dele te wijten was aan toenames qua tijd in het rad en toegenomen piek-snelheid. We interpreteren dit als zijnde ten minste gedeeltelijk het resultaat van een toename qua mitochondriale biogenese in zowel de spieren als het brein. De motivatie/bereidwilligheid om lichamelijke aktiviteit te ondernemen wordt meer gedreven door CZS-factoren, hoewel spier-specifieke verhogingen van het oxidatief metabolisme ook kunnen bijdragen via spier-moeheid. Anderzijds, is de door quercetine geïnduceerde toename van de maximum-snelheid die werd gevonden op dagen was 2-3 wellicht niet te verklaren door een significante verandering qua mitochondriale capaciteit gedurende deze korte tijdspanne. Quercetine bleek, net zoals caffeïne, een adenosine-A1 receptor [vertraagt metabole aktiviteit] antagonist in vitro, wat ten minste gedeeltelijk verantwoordelijk is voor de psycho-stimulerende en ergogene [prestatie-bevorderende] effekten van caffeïne. Daarom zou quercetine, naast zijn effekten op mitochondriale biogenese, inspanning-tolerantie kunnen verbeteren via zijn aktiviteit als adenosine-A1 receptor antagonist in de hersenen.

Samengevat: kort-termijn toediening van relatief lage dosissen van het natuurlijk voorkomend flavonoïde quercetine kan mitochondriale biogenese versterken in spieren en de hersenen, geassocieerd met een toename van maximale uithouding-loop-capaciteit en aktieve betrokkenheid bij langdurige inspanning-aktivieit. Van bijzonder belang is het effekt in het brein – wat dikwijls wordt miskend in voeding-studies en deze met betrekking tot inspanning-tolerantie. We geloven dat deze verhoogde inspanning-tolerantie ten minste gedeeltelijk te wijten is aan een verhoogd oxidatief metabolisme in zowel de spieren als het brein, maar er zou ook een bijkomend voordeel van quercetine als een adenosine-A1 receptor antagonist in de hersenen kunnen zijn. Dit wordt bewezen door de toename van de loop-prestaties in 2 zeer verschillende inspanning-modellen die onevenredig worden beïnvloed door factoren in de spieren en de hersenen. De maximale inspanning-capaciteit werd verbeterd in een omgeving waar muizen werden ‘gedwongen’ aan een constante snelheid te lopen tot ze uitgeput waren. Anderzijds weerspiegelt de toename qua vrijwillig lopen over het algemeen de bereidwilligheid/motivatie om aktief te zijn. Het praktisch belang van deze ontdekking ligt in het feit dat – anders dan van flavonoïden zoals resveratrol, die worden bestudeerd omwille van hun voordelen voor de gezondheid en prestaties – de plantaardige bron quercetine relatief goedkoop is om te groeien en te oogsten, en de zuivering van quercetine is eenvoudig. Er werd ook aangetoond dat het veilig en doeltreffend is bij relatief lage dosissen (bv. 500-1.000 mg/dag). Als deze resultaten zich klinisch laten vertalen, zouden deze voordelen van querectine  belangrijke implicaties kunnen hebben voor de verbetering van atletische en militaire prestaties. Het is ook intrigerend om de mogelijke relevantie van deze voordelen van quercetine te overwegen voor verscheidene chronische ziekten zoals cardiovasculaire, metabole (bv. type-2 diabetes) en neurodegeneratieve aandoeningen waarbij lichamelijke inaktiviteit en mitochondriale dysfunktie ijkpunten zijn.

————————-

Int J Sport Nutr Exerc Metab. (2010) 20: 56-62

The dietary flavonoid quercetin increases VO2max and endurance capacity

Davis JM, Carlstedt CJ, Chen S, Carmichael MD, Murphy EA

Div. of Applied Physiology, Dept. of Exercise Science, Arnold School of Public Health, University of South Carolina, Columbia, SC 29208, USA

Samenvatting

Quercetine, een natuurlijk polyfenolische flavonoïde molekule aanwezig in verscheidene voeding-planten, bleek in vitro en in dier-studies een brede waaier aan voordelen voor de gezondheid en prestaties te vertonen, resulterend uit een combinatie van biologische eigenschappen, inclusief anti-oxidante en anti-inflammatoire aktiviteit, alsook het vermogen mitochondriale biogenese te verhogen. Er is echter weinig gekend over de effekten bij mensen, in het bijzonder wat betreft inspanning-prestaties. De auteurs bepaalden of quercetine-inname de maximale aërobe capaciteit zou verhogen en vermoeidheid vertragen tijdens langdurige inspanning bij gezonde maar ongetrainde deelnemers. 12 vrijwilligers werden willekeurig toegewezen aan 1 van de 2 behandelingen: (a) 500 mg quercetine opgelost in met vitaminen aangerijkte fruit-drank (2-maal daags) of (b) niet te onderscheiden placebo (fruit-drank). De basale VO2max en fiets-rijtijden tot vermoeidheid werden bepaald. De behandelingen duurden 7 dagen en de studie had een gerandomiseerd, dubbel-blind, placebo-gecontroleerd, cross-over ontwerp. Na behandeling werden VO2max en rij-tijden tot vermoeidheid bepaald. 7 dagen quercetine waren geassocieerd met een bescheiden toename qua VO2max (3,9% vs. placebo; p < .05) samen met een substantiële (13,2%) toename van de rij-tijd tot vermoeidheid (p < .05). [Een dergelijke toename zou bij M.E.(cvs)-patiënten wel eens hoger kunnen liggen…] Deze gegevens suggereren dat slechts 7 dagen quercetine-supplementering de uithouding zonder inspanning-training in ongetrainde deelnemers kan verhogen. Deze voordelen van quercetine kunnen belangrijke implicaties voor verbetering van atletische en militaire prestaties hebben. Deze klaarblijkelijke toename qua fitness zonder inspanning-training kan implicaties hebben die strekken tot prestatie-verbetering, gezondheid-bevordering en ziekte-preventie.

september 21, 2013

Rol van mitochondriale dysfunkties bij pijn (CVS & FM)

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

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

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

————————-

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

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

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

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

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

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

Samenvatting

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

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

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

1. Inleiding

1.1 Definiëren van Chronische Vermoeidheid Syndroom en fibromyalgie

[…]

1.2 Oxidatieve & nitrosatieve stress

[…]

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

2. Bewijsmateriaal

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

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

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

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

[…]

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

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

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

2.3 Musculaire mitochondriale dysfunkties leidend tot wijdverspreide perifere spierpijn

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

[…].

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

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

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

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

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

[…].

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

3. Besluit

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

4. Experten opinie

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

september 8, 2013

NLRP3 Inflammasoom geaktiveerd bij Fibromyalgie: effekt van Coenzyme Q10

Hieronder weerom een studie bij FM-patiënten die (gezien de overlap met CVS) zeker relevant kan zijn…

Dit is een vervolg op ‘CoQ10 & inflammatie – mitochondriale dysfunktie (FM – inspanning)’.

Lees ook ‘Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM?’.

Inflammasomen zijn multi-proteïne molekulaire complexen die een brede waaier aan pathogenen ‘voelen’ en een rol spelen bij de inflammatoire respons. Hoewel ze deel uitmaken van de immuun-respons, kan de inflammatoire respons – wanneer er overweldigende schade of infektie is – chronisch worden en schadelijk voor het lichaam.

Jaklien C. Leemans et al. (Immunol Rev. (2011) 243: 152-162. Sensing damage by the NLRP3 inflammasome) hebben aangetoond dat mitochondriale dysfunktie de aktivatie triggert via het NLRP3 inflammasoom. Onderstaande studie vond dat behandeling van fibromyalgie-patiënten met CoQ10 (dat de mitochondriale funktie ondersteunt), ook NLRP3 inflammasoom aktivatie reduceert.

Voor de ‘specialisten’:

Het inflammasoom bestaat uit caspase-1, PYCARD (gen dat codeert voor een adaptor-proteïne dat is samengesteld uit 2 proteïne-proteïne interaktie-gebieden: (PYD) een PYRIN-PAAD-DAPIN domein en (CARD) een caspase-recrutering domein), NLRP, ook NALP genaamd (type NOD-‘like’ receptor (NLR, nucleotide-bindende oligomerisatie-domein receptoren – intracellulaire sensoren voor PAMPs (‘pathogen-associated molecular pattern’) – die de cel binnenkomen via fagocytose of poriën – en DAMPs (‘danger-associated molecular patterns’) die geassocieerd zijn met cel-stress. Ze maken deel uit van patroon-herkenning receptoren en spelen belangrijke rollen bij de regulering van de aangeboren immuun-respons.). NALP-proteïnen zijn een onderdeel van de aangeboren immuniteit en detekteren geconserveerde pathogeen-kenmerken. Er wordt gedacht dat NALP-proteïnen inherent gevaar ‘voelen’ en linken dit aan mikrobiële produkten, wat een respons creëert onder het concept van het inflammasoom waarbij K+ efflux en caspase-1 aktivatie zijn betrokken. NALP werden bleek ook geassocieerd met auto-immuun-ziekten….

Het inflammasoom komt tot expressie in myeloïde cellen en is een component van het aangeboren immuun-systeem. De exacte samenstelling van een inflammasoom hangt af van de aktivator die inflammasoom-opbouw initieert, bv. dubbelstrengig RNA zal een bepaalde inflammasoom-opbouw triggeren terwijl asbest zorgt voor een andere variant. Het inflammasoom bevordert de ontwikkeling van de inflammatoire cytokinen interleukine-1β (IL-1β) en interleukine-18 (IL-18). Het inflammasoom is verantwoordelijk voor aktivatie van inflammatoire processen en bleek cel-pyroptose, een proces van geprogrammeerde cel-dood dat verschilt van apoptose en geassocieerd is met anti-mikrobiële responsen, te induceren.

Tijdens een infektie is één van de eerste vormen van verdediging die gebruikt wordt bij de aangeboren immuun-respons, een groep of patroon-herkeninning receptoren (PRRs) die molekulaire patronen herkennen die tot expressie zijn gekomen bij binnendringende pathogenen. Deze kunnen zich op het membraan-oppervlak (bv. ‘Toll-like’ receptoren, TLRs, en C-type Lectine Receptoren, CLRs), of in het cytoplasma (bv. ‘Nod-like’ receptoren, NLRs, en ‘RIG-I-like’ receptoren, RLRs) bevinden. Een subset NLRs genaamd NLRP1 is in staat te oligomeriseren tot een struktuur die de caspase-1 cascade aktivateert, wat leidt tot de produktie van pro-inflammatoire cytokinen (vooral IL-1B & IL-18). Dit NLRP1 multi-molekulair complex werd het ‘inflammasoom’ genoemd. Later werden nog andere inflammasomen ontdekt, waarvan er 2 ook NLR-subsets – NLRP3 & NLRC4 zijn. NLRP1, NLRP3 & NLRC4 zijn subsets van de NLR-familie en hebben dus 2 gemeenschappelijk kenmerken: (1) een nucleotide-bindend domein (NBD; gebonden via ribonucleotide-fosfaten (rNTP) en belangrijk voor zelf-oligomerisatie); (2) een leucine-rijke ‘repeat’ (LRR) aan het C-uiteinde, die dient als een ligand-herkenning-domein voor andere receptoren (bv. TLR) of mikrobiële liganden.

Analoog met het apoptosoom, dat apoptotische cascades aktiveert, aktiveert het inflammasoom een inflammatoire cascade. Eens aktief bindt het inflammasoom met pro-caspase-1 (de voorloper van caspase-1). Daarna wordt dit omgevormd tot caspase-1, wat een waaier aan processen in respons op het initieel inflammatoir signaal in gang kan zetten: de splisting van pro-IL-1β tot IL-1β, splitsing van pro-IL-18 tot IL-18 (wat IFN-γ secretie en NK-cel aktivatie induceert), splitsing en inaktivatie van IL-33, DNA-fragmentatie en vorming van cel-poriën, inhibitie van glycolytische enzymen, aktivatie van lipiden-biosynthese en secretie van weefsel-herstel mediatoren zoals pro-IL-1α. Interferon-induceerbaar proteïne AIM2 (deel van het inflammasoom) bevat ook een domein dat vreemd cytoplasmisch dsDNA ‘voelt’ en bindt, en NF-κB aktiveert; een rol die cruciaal is bij bakteriële en virale infektie.

Wij roepen hierbij op tot deskundig onderzoek omtrent de rol van NOD-‘like’ receptoren en inflammasomen bij M.E.(cvs). Mutaties in NLR-genen bleken reeds geassocieerd met auto-inflammatoire en -immune aandoeningen zoals Crohn’s, arthritis, diabetes, , astma, atopische eczema, enz. Zoals gezegd reguleren NLRs NF-κB signalisering (zie o.a. ‘NF-κB en Inspanning’, ‘Vitamine-D, VDR, NF-kB, chronische inflammatie & vermoeidheid’, enz.) en interferon-responsen. Een subset van de NLR-proteïnen is ook verantwoordelijk voor de aanmaak van of interleukine-1ß & -18 via aktivatie van caspase-1 & -11 (zie o.m. ‘Symptoom-opflakkering verbonden met cytokine-aktiviteit bij CVS’, ‘Het Cholinergisch Anti-inflammatoir Mechanisme’, enz.). Dit alles werd al gesuggereerd betrokken te zijn bij M.E.(cvs)…

————————-

Antioxid Redox Signal. 2013 Jul 25. [pre-print]

NLRP3 Inflammasome is activated in Fibromyalgia: the effect of Coenzyme Q10

Mario D. Cordero (1), Elísabet Alcocer-Gómez (1), Ognjen Culic (2), Angel M. Carrión (3), Manuel de Miguel (1), Eduardo Díaz-Parrado (1), Eva M. Pérez-Villegas (3), Pedro Bullón (4), Maurizio Battino (5), José Antonio Sánchez-Alcazar (6)

1 Dpto. Citología e Histología Normal y Patológica, Facultad de Medicina. Universidad de Sevilla, 41009 Sevilla-Spain

2 Faculty of Pharmacy and Biochemistry, University of Zagreb, A. Kovacica 1, 10000 Zagreb, Croatia

3 División de Neurociencias, Universidad Pablo de Olavide de Sevilla, Carretera de Utrera Km. 1, Sevilla, Spain

4 Dept. de Periodontología, Facultad de Odontología, Universidad de Sevilla, Spain

5 Dipartimento di Scienze Cliniche Specialistiche ed Odontostomatologiche – Sez. Biochimica, Università Politecnica delle Marche, 60100, Ancona, Italy

6 Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CABD), Universidad Pablo de Olavide-CSIC-Junta de Andalucía and Centro de Investigación Biomédica en Red de Enfermedades Raras (CIBERER), ISCIII, Sevilla, Spain

Samenvatting

Doelstellingen: Fibromyalgie (FM) is een chronisch pijn syndroom gekenmerkt door veralgemeende hyperalgesie geassocieerd met een breed spectrum aan symptomen, zoals vermoeidheid en gewricht-stijfheid. De diagnose van FM is moeilijk door het gebrek aan betrouwbare diagnostische biomerkers; de behandeling is grotendeels ontoereikend. We hebben de rol van coenzyme-Q10 (CoQ10) deficiëntie en mitochondriale dysfunktie bij inflammasoom-aktivatie onderzocht in bloedcellen van FM-patiënten, en in vitro en in vivo CoQ10-deficiëntie modellen.

Resultaten: Mitochondriale dysfunktie ging gepaard met verhoogde expressie van IL-1β, NLRP3 en caspase-1 aktivatie, en verhoogde serum-waarden van pro-inflammatoire cytokinen (IL-1β & IL-18). CoQ10-deficiëntie geïnduceerd via behandeling met p-aminobenzoaat in BMCs en muizen vertoonde NLRP3-inflammasoom aktivatie met uitgesproken algesie [pijn-gevoeligheid]. Een placebo-gecontroleerde test met CoQ10 in FM-patiënten toonde een gereduceerde NLRP3-inflammasoom aktivatie en IL-1β & IL-18 serum-waarden.

Nieuwigheden: Deze resultaten tonen een belangrijke rol van het NLRP3-inflammasoom in de pathogenese van FM en het vermogen van CoQ10 om het inflammasoom onder controle te houden.

Besluiten: Deze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de pathogenese van FM en suggereren dat inhibitie van NLRP3-inflammasoom een nieuwe therapeutische interventie voor de ziekte vertegenwoordigt.

INLEIDING

[…] Er zijn nieuwe diagnostische merkers voor FM nodig. Meerdere pathologische veranderingen werden gedocumenteerd bij FM-patiënten. Bijvoorbeeld: studies hebben oxidatieve stress geïmpliceerd bij de pathogenese van FM, wat er op wijst dat mitochondriale dysfunktie geassocieerd kan zijn met dit syndroom. [Zo ook voor M.E.(cvs)] Bovendien zijn er enkele hypothesen die suggereren dat cytokinen een rol kunnen spelen bij FM. Inderdaad: een daling qua mitochondriale massa en coenzyme-Q10 (CoQ10) -waarden, alsook verminderde produktie van mitochondriale reaktieve zuurstof-soorten (ROS), werden gedetekteerd in bloed mononucleaire cellen (BMCs) van FM-patiënten [Cordero MD et al. Coenzyme Q10 distribution in blood is altered in patients with fibromyalgia. Clin Biochem (2009) 42: 732-735 /// Cordero MD et al. Mitochondrial dysfunction and mitophagy activation in blood mononuclear cells of fibromialgia patients: implications in the pathogenesis of the disease. Arthritis Res Ther (2011) 12: R17 * zie onze inleiding]. Aan de andere kanten bleken ROS ook een belangrijke aktivator van inflammasoom-gemedieerde inflammatie [Zhou R et al. A role for mitochondria in NLRP3 inflammasome activation. Nature (2011) 469: 221-5]. Het NLRP3 (‘NOD-like receptor family, pyrin domain containing 3’ [zie onze inleiding]) -inflammasoom is een molekulair platform dat wordt geaktiveerd na tekenen van cellulair ‘gevaar’, om aangeboren immune verdediging te triggeren via de ontwikkeling van pro-inflammatoire cytokinen (interleukinen IL-1β & IL-18). Om een mogelijke implicatie van mitochondriale dysfunktie bij inflammasoom-aktivatie in FM te onderzoeken, bestudeerden we pathologische mechanismen in BMCs van FM-patiënten en bij 2 modellen, in vitro en in vivo, voor CoQ10-deficiëntie.

EXPERIMENTELE PROCEDURES

[…]

Patiënten

[…] ‘American College of Rheumatology’ diagnostische criteria […] Exclusie-criteria: acute infektueuze ziekten 3 weken voorafgaand aan de studie; neurologicsche, psychiatrische, metabole, auto-immune, met allergie verwante, huid- of chronische inflammatoire ziekte; ongewenste gewoonten (bv. roken, alkohol, enz.); medische aandoeningen die glucocorticoïden-behandeling, analgetica of antidepressiva vereisen; drug-gebruik; zwangerschap of borstvoeding. […] Alle patiënten en controles volgden een standaard evenwichtig dieet (dieet-programma). […]

Interventie

[…] CoQ10 (aangekocht bij Pharma Nord, Vejle, Denemarken) soft-gel capsulen, 40 dagen (300 mg/dag in 3 dosissen) […].

RESULTATEN

Mitochondriale karakteristieken in BMCs van FM-patiënten

BMCs van FM-patiënten vertoonden een significante downregulering van meerdere genen die gerelateerd zijn met mitochondriale biogenese (PGC-1α, TFAM, NRF1). Parallel hiermee: BMCs vertoonden een reductie van expressie-waarden van mitochondriale complexen (complex-I, complex-III & cytochroom-c) [De aktiviteiten van NADH:coenzyme Q1 oxido-reductase (complex-I), succinaat-dehydrogenase (complex-II), cytochroom-c oxidase (complex-IV), ubiquinol:cytochroom-c oxido-reductase (complex-III), succinaat:cytochroom-c reductase (complex-II + complex-III) werden gemeten.] gepaard met verminderde aktiviteiten van complexen van de mitochondriale keten bij 50-60% patiënten, vergeleken met controles. CoQ10 is een belangrijke component van de mitochondriale ademhaling die reducerende equivalenten van complex-I & -II naar complex-III transfereert, en deficiënties van deze elektron- en proton-drager zijn geassocieerd met mitochondriale dysfunktie bij verscheidene aandoeningen bij mensen. Hierbij aansluitend bleken CoQ10-waarden gereduceerd tot 46% van de gemiddelde controle waarde in BMCs van FM-patiënten. Daarnaast: om het effekt van mitochondriale dysfunktie op cellulaire bio-energetica te bepalen, maten we intracellulair ATP [drager van chemische energie, ‘cellulaire brandstof’] in BMCs van controles en FM-patiënten. ATP-waarden waren gereduceerd tot 76% met betrekking tot controles (P < 0.001).

Oxidative stress in BMCs van FM-patiënten

Het is goed bekend dat mitochondriale dysfunktie geassocieerd is met de inductie van ROS-produktie in mitochondrieën. Bovendien werd oxidatieve stress voorgesteld als een relevante gebeurtenis in de pathogenese van FM en een significante positieve correlatie met de klinische symptomen vertoont. Om oxidatieve stress bij FM te kunnen beoordelen, bepaalden we mitochondriale ROS-produktie in BMCs van controles en FM-patiënten d.m.v. MitoSOX, een mitochondriale superoxide indicator [MitoSOX™ rood is een een fluorogene kleurstof ontwikkeld en gevalideerd voor zeer selektive detektie van superoxide in de mitochondrieën van levende cellen.]. De aanmaak van mitochondriaal superoxide was significant verhoogd in BMCs van FM-patiënten in vergelijking met controles (P < 0.001). daarnaast bepaalden we, als merker voor oxidatieve stress, de expressie van 8-oxoguanine glycosylase (OGG1) [enzyme 8-oxoguanine DNA glycolase-1 is een DNA-herstel enzyme], een DNA-glycosylase enzyme [DNA-herstel enzyme dat de beschadigde DNA-base verwijdert maar de suiker-ruggegraat intact houdt.] verantwoordelijk voor de afsplitsing van 7,8-dihydro-8-oxoguanine (8-oxoG), een mutageen base-nevenprodukt dat voorkomt ten gevolge blootstelling van DNA aan ROS, en 8-oxoG waarden in BMCs van patiënten. Gemiddeld vertoonden FM-patiënten significant hogere waarden OGG1 en 8-oxoG in hun BMCs.

Inflammasoom-aktivatie via oxidatieve stress betrokken bij FM-pijn

De post-inflammatoire inductie van mitochondriale biogenese ondersteunt de metabole werking en cel-leefbaarheid, en helpt inflammatie te controleren. Omdat genen betrokken bij mitochondriale biogenese gedownreguleerd bleken in BMCs van FM-patiënten, analyseerden we de aktivatie van inflammasoom-gerelateerde proteïnen. We vonden verhoogde NLRP3 en caspase-1 gen-expressie [caspasen = eiwit-afbrekende enzymen, die een essentiële rol vervullen bij apoptose (geprogrammeerde cel-dood); caspase-1 bleek al ge-upreguleerd bij CVS (zie o.a. ‘Gen-signatuur voor Post-Infektie CVS’)], verhoogd NLRP3 proteïne expressie en caspase-1 splitsing, suggestief voor inflammosoom-aktivatie. […] BMCs behandeld met lipopolysaccharide (LPS [molekule die het immuunsysteem aktiveert door het nabootsen van pathogenen]) van Escherichia coli [bakterie] werd gebruikt als positieve controle voor of caspase-1 splitsing. Interessant is dat werd beschreven dat geoxidieerd mtDNA een krachtige aktivator van het NLRP3-inflammasoom is [Shimada K et al. Oxidized Mitochondrial DNA Activates the NLRP3 Inflammasome during Apoptosis. Immunity (2012) 36: 401-14]. Bovendien bleken andere proteïnen betrokken bij inflammasoom- en inflammatie-aktivatie (IL-1β & IL-18) verhoogd in het serum van FM-patiënten. Bij FM-patiënten geïsoleerde en gecultiveerde BMCs vertoonden verhoogde waarden qua IL-1β eiwit; wat aantoont dat deze cellen de cytokinen aktief produceren. Interessant is ook dat BMCs gecultiveerd met 30μM CoQ10 na 24 h een belangrijke reductie van IL-1β en caspase-1 proteïne vertoonden. IL-1β serum-waarden bij FM-patiënten vertoonden een significante negatieve correlatie (P < 0.05) met CoQ10-waarden en een significante positieve correlatie (P < 0.001) met mitochondriale ROS-waarden. De incubatie met CoQ10 van BMCs geïsoleerd bij patiënten induceerde een reductie van IL-1β proteïne. Verder vertoonden IL-1β serum-waarden hoge positieve correlatie met scores op de pijn-schaal voor FM-patiënten. Deze gegevens suggereren dat hoge IL-1β en IL-18 waarden een rol zouden kunnen spelen in de pathofysiologie van FM. Interessant: er werd beschreven dat IL-1β en IL-18 betrokken zijn bij de verhoogde gevoeligheid van de sensorische receptoren, wat betekent dat ze direct pijn veroorzaken of ten minste moduleren [bv. Li WW et al. The NALP1 inflammasome controls cytokine production and nociception in a rat fracture model of complex regional pain syndrome. Pain (2009) 147: 277-86]

Coenzyme-Q10 deficiëntie induceert inflammasoom-aktivatie bij FM

Om de rol van CoQ10 bij het inflammatoir proces bij FM te verifiëren, induceerden we CoQ10-deficiëntie in BMCs van 5 gezonde controles door inhibitie van de endogene CoQ10-biosynthese met 1 mM p-aminobenzoaat (PABA [inhibitor van polyprenyl-4-hydroxybenzoaat transferase, een essentieel enzyme bij de CoQ10-biosynthese]) gedurende 24 h. CoQ10-deficiëntie werd ook geïnduceerd bij muizen d.m.v. sub-chronische behandeling met PABA (2x/daags à 20 mg/kg/dag). De inhibitie van CoQ10 in BMCs had een opmerkelijk effekt op cellulaire bio-energetica: inductie van een daling van 57% van het intracellulair ATP, wat kon worden hersteld na behandeling met 10μM CoQ10. CoQ10-deficiëntie in BMCs induceerde ook verhoogde DNA-oxidatie (OGG1) en inflammasoom-aktivatie (aangetoond door verhoogde expressie van NLRP3 en caspase-1 splitsing), geassocieerd met een significante stijging van IL-1β & IL-18 in het cultuur-medium. Interessant: supplementering met 10 μM CoQ10 induceerde een significante reductie qua DNA-oxidatie, inflammosoom-aktivatie en IL-1β & IL-18 in het cultuur-medium van CoQ10-deficiënte BMCs.

Bij muizen reduceerde PABA-behandeling de waarden van CoQ9 & CoQ10 in BMCs met 30% & 49%, respectievelijk (P < 0.001), vergeleken met onbehandelde controles. Dit effekt ging gepaard met verhoogde expressie van NLRP3, inductie van caspase-1 splitsting in BMCs en verhoogd IL-1β & IL-18 in serum. Eénmalige injecties met PABA in muizen gaf geen verschil tussen onbehandelde en met PABA geïnjekteerde muizen met betrekking tot hitte-pijn (gegevens niet getoond). Toediening van PABA gedurende 5 opéénvolgende dagen gaven echter een uitgesproken algesie bij de warmte-plaat test [‘hot-plate test: muizen worden in een glazen cilinder gehouden om dan te worden losgelaten op een verwarm oppervlak (45-52,5 ± 0,5ºC), de tijd tot ze aan hun pootjes likken wordt gemeten] wanneer de warmte-stimuli 45ºC bereikten (Warmte-plaat test: bij 50ºC waren de latenties 12,06 ± 1,64 & 6.,67 ± 0,61 sec voor onbehandelde en met PABA geïnjekteerde muizen, respectievelijk (P = 0.013); bij 52,5ºC 5,2 ± 0,88 & 3,03 ± 0,23 sec (P = 0.041).), en voor de ‘tail-flick’ (latenties 5,95 ± 0,13 & 3,64 ± 0,26 sec; P < 0.001). [‘tail-flick’ test: staart wordt ondergedompeld in een bad met een temperatuur van 48 ± 0,5ºC en de tijd tot een start-reflex optreedt wordt gemeten] Interessant is dat de IL-1β serum-waarden een sterke positieve correlatie vertoonden met scores op de pijn-schaal bij muizen, gelijkaardig met wat wordt geobserveerd bij FM-patiënten. Routine serum biochemische parameters werden niet beïnvloed door de sub-chronische toediening van PABA bij muizen (data niet getoond).

Orale toediening van CoQ10 bij FM-patiënten reduceert inflammasoom-aktivatie

Een belangrijk obstakel voor de succesvolle behandeling van FM is de beperkte doeltreffendheid van de beschikbare farmacologische behandelingen. Zowat de helft van alle behandelde patiënten ervaarden slechts een matige reductie van hun symptomen, wat er op wijst dat veel FM-patiënten nood hebben aan alternatieve behandelingen. In veel gevallen bleek CoQ10 doeltreffend bij de behandeling van FM [Cordero MD et al. Coenzyme Q10: a novel therapeutic approach for Fibromyalgia? Case series with 5 patients. Mitochondrion (2011) 11: 623-5]. Identificatie van pathofysiologische mechanismen die worden aangepakt met CoQ10-behandeling bij FM is een belangrijk research-doelwit. In dit opzicht voerden we een placebo-gecontroleerde, dubbel-blinde proef uit bij 20 FM-patiënten, om het effekt van CoQ10 op inflammasoom gen-expressie en inflammasoom serum-merkers te evalueren. Na CoQ10-supplementering bleken NLRP3 en IL-1β genen gedownreguleerd. CoQ10-waarden in BMCs werden hersteld na CoQ10-behandeling (gegevens niet getoond). IL-1β & IL-18 serum-waarden werden significant verminderd in vergelijking met placebo.

BESPREKING

Er werd aangetoond dat inhibitie van complex-I of -III van de mitochondriale respiratoire keten leidt tot de inductie van ROS-produktie en NLRP3-inflammasoom aktivatie. In BMCs van FM-patiënten detekteerden we dysfunktie van de mitochondriale respiratoire keten, CoQ10-deficiëntie, en verhoogde mitochondriale ROS-produktie en OGG-1 expressie (een merker voor geoxideerd DNA), allebei aktivatoren van het inflammasoom en inflammatie. Het inflammasoom kwam naar voor als een onverwachte sensor voor metabool gevaar en stress. Inderdaad: het bleek betrokken bij de ontwikkeling van belangrijke ziekten zoals jicht, type-2 diabetes en obesitas-geïnduceerde insuline-resistentie. Bovendien werd het NLRP3-inflammasoom steeds meer verdacht een belangrijke rol te spelen bij andere menselijke pathologieën zoals kanker, asbestose [stof-long] en Alzheimer’s. FM-patiënten vertoonden verhoogde aktivatie van het inflammasoom in BMCs en verhoogde serum-waarden van pro-inflammatoire cytokinen, zoals IL-1β en IL-18. Interessant: de compenserende aktivatie van mitochondriale biogenese genen was verstoord in BMCs van FM-patiënten. In respons op mitochondriale dysfunktie en inflammatie, verwijderen cellen beschadigde mitochondrieën 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] en, als een compenserend mechanisme, induceren ze mitochondriale biogenese en upregulering van anti-oxidante en anti-inflammatoire verdediging genen. Er werd mitofagie [Autofagie van (niet-funktionerende) mitochondrieën wordt ook mitofagie genoemd.] bij FM-patiënten gerapporteerd. Er werd echter beschreven dat compenserende mechanismen verstoord zijn in BMCs van FM-patiënten, leidend tot verminderde mitochondriale massa, gereduceerde anti-oxidante waarden en een voorbestemdheid voor inflammatoire schade. Inflammatie bleek geassocieerd met FM-symptomen: sterke positieve correlaties tussen IL-1β & IL-18 serum-waarden en pijn-scores; wat een inflammatoire component bij de inductie van pijn suggereert. Desondanks zijn er discrepanties met betrekking tot de pathologische rol van IL-1β serum-waarden bij FM. Onderzoekers hebben de betrokkenheid getoond van MEFV (gen dat codeert voor pyrine [eiwit geproduceerd door neutrofielen, eosinofielen en monocyten, dat een rol speelt bij inflammatie en de strijd tegen infekties], een belangrijke regulator van het inflammasoom-platform dat caspase-1 aktivatie en IL-1β controleert), dus hun preliminaire data komen overéén met onze resultaten. Wat betreft de betrokkenheid van inflammatoire cytokinen bij FM-pathogenese, hebben we een mitochondriale dysfunktie-afhankelijke toename van TNF-alfa serum-waarden bij FM-patiënten aangetoond, die werd gereduceerd door CoQ10-behandeling.

Overéénkomstig onze resultaten is de negatieve correlatie tussen IL-1β & IL-18 levels en CoQ10-waarden, en de positieve correlatie met mitochondriale ROS-waarden en pijn-schaal scores, ondersteunend voor de hypothese dat inflammatie bij FM afhankelijk is van mitochondriale dysfunktie. Naar ons weten is dit de eerste melding die inflammasoom-aktivatie en zijn associatie met verhoogde waarden qua pro-inflammatoire cytokinen bij FM-patiënten beschrijft. Bovendien droeg deze studie meerdere nieuwe parameters voor die zouden kunnen worden gebruikt als diagnostische biomerkers voor FM. De verdere validatie hiervan (alleen of in combinatie) zou kunnen helpen bij de creatie van objectieve diagnostische testen voor FM [Zo ook voor M.E.(cvs) wellicht]. Toch denken we, niettegenstaande onze resultaten aangaande het inflammasoom bij FM, dat het inflammasoom tot de pathofysiologie van deze ziekte bijdraagt samen met andere inflammasoom-onafhankelijke inflammatoire gebeurtenissen, zoals IL-6, IL-8 of TNF-alfa. Deze inflammatoire parameters zijn geassocieerd met NF-kappaB. Immunohistochemische studies van FM-weefsels onthulden een sterkere expressie van NF-kappaB in spieren, en IL-6, IL-8 & TNF-alfa zijn NF-kappaB-afhankelijke pro-inflammatoire cytokinen.

Samengevat: we hebben (in vitro en in vivo) de betrokkenheid van CoQ10-deficiëntie getoond bij het pathologisch proces van inflammasoom-aktivatie en afgifte van pro-inflammatoire cytokinen. Aangezien pathologische processen kunnen worden omgekeerd door CoQ10-supplementering, stellen we voor dat CoQ10 een geschikte behandeling  zou kunnen zijn voor FM-patiënten. Meer uitgebreide, gecontroleerde klinische proeven zijn nodig om gegevens te verstrekken aangaande de doeltreffendheid van CoQ10 bij FM.

Innovatie

Het inflammasoom krijgt steeds meer aandacht van fundamentele en klinische researchers. Zijn betrokkenheid bij de pathofysiologie van meerdere ziekten genereert nieuwe therapeutische strategieën. Onze studie onthult dat het inflammasoom-complex betrokken is bij de pathofysiologie van FM gemedieerd door CoQ10-deficiëntie. Behandeling met oraal CoQ10 reduceert inflammasoom-aktivatie. Deze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de pathogenese van FM en geven nieuwe mogelijke molekulaire doelwitten aan voor de behandeling van deze ziekte.

mei 11, 2013

Mitochondriale dysfunktie – Differentiërende merker tussen CVS & FM?

Filed under: Celbiologie — mewetenschap @ 7:17 am
Tags: , , , , , ,

Research door een Spaanse groep suggereert dat merkers voor mitochondriale dysfunktie en oxidatieve stress zouden kunnen helpen bij het onderscheiden van mensen met fibromyalgie en M.E.(cvs).

Zowel CVS- als FM-patiënten bleken lage CoQ10- en ATP-waarden, en verhoogde oxidatieve stress (lipiden-peroxidatie) te vertonen. Maar enkel FM-patiënten verschilden van de controles voor mitochondriaal citraat-synthase (zie ook ‘Oxidatieve fosforylatie na herhaalde inspanning bij CVS’); mitochondriale DNA-inhoud, en expressie  van PGC-1α en TFAM. Het lijkt er dus op dat de mitochondriale problemen meer verband houden met fibromyalgie….

PGC-1α (Peroxisoom proliferator geaktivateerde receptor-γ co-aktivator) is een lid van een familie van transcriptie co-aktivatoren die een centrale rol speelt bij de regulering van het cellulair energie-metabolisme (mitochondriale inhoud). Het wordt sterk geïnduceerd door blootstelling aan koude (waardoor deze omgeving-stimulus aan adaptieve thermogenese – warmte-ontwikkeling door het lichaam – wordt gelinkt). PGC-1α stimuleert mitochondriale biogenese en bevordert het her-modeleren van spier-weefsel (naar een vezel-type samenstelling die metabool meer oxidatief en minder glycolytisch van aard is.

We gaven op onze paginas overigens al eerder mee dat er gen-expressie veranderingen (verschuiving van het vezel-type van traag naar snel) zijn bij CVS (zie ‘Transcriptie-profiel van spieren bij CVS’) en de her-modelering van spieren gericht is naar het snelle fenotype bij CVS-patiënten zie ook ‘Struktuur en funktie van skelet-spieren gewijzigd bij CVS). Zie ook Lin J et al. ‘Transcriptional co-activator PGC-1 alpha drives the formation of slow-twitch muscle fibres’ in Nature (2002) 418: 797-801), medieert contractiele aktiviteit (samentrekking) en het participeert in de regulering van het koolhydraten- en lipiden-metabolisme. Het is ook zeer waarschijnlijk dat PGC-1α nauw betrokken is bij aandoeningen zoals obesitas, diabetes en cardiomyopathie.

B Martin Hallberg & Nils-Göran Larsson in Nature Structural & Molecular Biology (2011) 18: 1179-1181: “De mitochondriale transcriptie-factor A (TFAM) wordt gecodeerd in de kern en geïmporteerd in de mitochondrieën, waar het funktioneert als een aktivator van mtDNA-transcriptie en mtDNA verpakt in DNA/proteïne-aggregaten (mitochondriale nucleoïden). Tfam buigt mtDNA in een scherpe U-vormige bocht, waardoor het een molekulair mechanisme biedt voor de expressie en het onderhoud van mtDNA.”. Studies in muizen hebben aangetoond dat dit gen-produkt vereist is voor de regulering van het aantal copieën van het mitochondriaal genoom en essentieel is voor embryonale ontwikkeling.

Hood DA in ‘Contractile activity-induced mitochondrial biogenesis in skeletal muscle’, J Appl Physiol. 2001 Mar;90(3):1137-57: “Tfam wordt in de mitochondrieën geïmporteerd en controleert de expressie van mitochondriaal DNA (mtDNA). mtDNA levert slechts 13 proteïne-produkten aan de ademhaling-keten maar deze zijn vitaal voor elektronen-transport en ATP-synthese. Contractiele aktiviteit doet Tfam-expressie stijgen en versnelt zijn importering in mitochondrieën, wat resulteert in verhoogde mtDNA-transcriptie en -replicatie.”. Hij doet ook onderzoek naar PGC-1α… Misschien liggen hier aanwijzingen waarom PGC-1α en TFAM gedaald waren FM-patiënten maar geen belangrijke wijzigingen werden gezien bij CVS-individuen.

————————-

Antioxid Redox Signal. 2013 Apr 22. [pre- print]

Could mitochondrial dysfunction be a differentiating marker between Chronic Fatigue Syndrome and Fibromyalgia?

Jesús Castro-Marrero (1), Mario D. Cordero (2), Naia Sáez-Francas (3), Conxita Jimenez-Gutierrez (1), Francisco J. Aguilar-Montilla (4), Luisa Aliste (1), José Alegre-Martin (1)

1 CFS Unit. Institut de Recerca Vall d’Hebron. Hospital Universitari Vall d’Hebron, Universitat Autònoma de Barcelona, 08035, Barcelona, Spain

2 Departamento de Citología e Histología Normal y Patológica, Facultad de Medicina, Universidad de Sevilla, 41009, Sevilla, Spain

3 Departamento de Psiquiatría y Medicina Legal, Centro de Investigación Biomèdica en Red de Salud Mental (CIBERSAM), Hospital Universitari Vall d’Hebron, Universitat Autònoma de Barcelona, 08035, Barcelona, Spain

4 División de Neurociencias, Universidad Pablo de Olavide de Sevilla, Carretera de Utrera Km. 1, 41013, Sevilla, Spain

Samenvatting

Chronische Vermoeidheid Syndroom (CVS) en Fibromyalgie (FM) zijn complexe en ernstige ziekten. Er wordt geschat dat 2,5% en 5%, respectievelijk, van de algemene bevolking is aangetast. De etiologie is onbekend maar studies suggereren dat mitochondriale dysfunktie betrokken is bij de pathofysiologie van beide aandoeningen. We hebben de mogelijke associatie tussen mitochondriale biogenese en oxidatieve stress onderzocht bij patiënten met CVS en FM. We bestudeerden 23 CVS-patiënten, 20 FM-patiënten en 15 gezonde controles. Perifeer bloed mononucleaire cellen (PBMC) vertoonden gedaalde waarden qua CoQ10 bij CVS-patiënten en FM-individuen (telkens p < 0.001; vergeleken met controles) en verminderde ATP-concentraties bij CVS-patiënten en FM-individuen (telkens p < 0.001; vergeleken met controles). In tegenstelling daarmee vertoonden CVS- en FM-patiënten significant verhoogde lipiden-peroxidatie (telkens p < 0.001; vergeleken met controles), wat wijst op door oxidatieve stress geïnduceerde schade. De mitochondriale citraat-synthase aktiviteit was significant lager bij FM-patiënten (p < 0.001) maar de CVS-patiënten vertoonden gelijkaardige waarden als de controles. De mitochondriale DNA-inhoud (verhouding van mitochondriaal DNA op genomisch DNA) was normaal bij CVS- en gereduceerd bij FM-patiënten vs. gezonde controles ( telkens p < 0.001). De expressie van PGC-1α en TFAM (gemeten via immunoblotting) lag significant lager bij FM-patiënten (p < 0.001) en was normaal bij CVS-individuen vergeleken met gezonde controles. Deze gegevens leiden tot de hypothese dat van mitochondriale dysfunktie afhankelijke gebeurtenissen mogelijks een merker zijn voor de differentiatie tussen CVS en FM, en dit zou er op kunnen wijzen dat mitochondrieën een nieuw potentieel therapeutisch doelwit voor deze aandoeningen bieden.

INLEIDING

[…]

De rol van oxidatieve stress bij CVS en FM krijgt steeds meer aandacht in de research. Er werd een hypothese voorgesteld dat oxidatieve stress en met mitochondriale dysfunktie gerelateerde gebeurtenissen belangrijk zijn bij de pathogenese van deze ziekten. Een steeds groter wordende hoeveelheid bewijsmateriaal geeft aan dat bio-energetisch metabolisme en mitochondriale funktie verstoord zijn bij veel patiënten met CVS en FM. De basis voor dergelijke abnormaliteiten blijft onzeker maar chronische virale infektie en aktivatie van chronische neuro-immune mechanismen zijn allebei bewezen oorzaken van dergelijke abnormaliteiten. Hoewel het onzeker is of oxidatieve stress en mitochondriale abnormaliteiten het gemeenschappelijk eindpunt zouden zijn voor alle aanwezige dysfunkties bij beide aandoeningen, hebben studies aangetoond dat beide processen bijdragen tot de pathophysiologische mechanismen die resulteren in de klinische symptomen [Cordero MD, de Miguel M, Carmona-López I, Bonal P, Campa F, Moreno-Fernández AM. Oxidative stress and mitochondrial dysfunction in fibromyalgia. Neuro Endocrinol Lett. (2010) 31:169-73; zie ook: CoQ10 & inflammatie – mitochondriale dysfunktie (FM – inspanning)].

Bevindingen van verhoogde oxidatieve stress bij CVS en FM zijn consistent met andere rapporteringen die verhoogde expressie suggereren van neurologische én immune-inflammatoire mechanismen die bekend staan de produktie van vrije radikalen, zoals pro-inflammatoire cytokinen (TNFα, IL-1α/β, IL-4, IL-6, IL-12, NF-κB and iNOS) te bevorderen. Sommige studies suggereerden mtDNA-depletie in PBMCs bij FM-patiënten. Veranderingen van mtDNA en oxidatieve stress bij zowel CVS- en FM-patiënten werden voornamelijk bestudeerd in weefsels; observaties hebben echter gesuggereerd dat het gebruik vans PBMCs ook informatief kan zijn. Zodoende hypothiseerden we dat een gewijzigd mtDNA ‘copy-number’ en oxidatieve schade aan het mtDNA kan worden gedekteerd door PBMCs bij patiënten met CVS en FM te onderzoeken (perifere merkers). Steeds meer bewijs impliceert mitochondriale dysfunktie en metabole/bio-energetische stoornissen bij de pathogenese van CVS en FM. Bijzonderlijk PGC-1α en TFAM spelen een sleutel-rol als transcriptionele co-regulatoren die belangrijk zijn bij het beschermen van mitochondrieën tegen oxidatieve schade [Cordero MD, Alcocer-Gómez E, De Miguel M, Culic O, Carrión AM, Alvarez-Suarez JM, Bullón P, Battino M, Fernández-Rodríguez A, Sánchez-Alcazar JA. Can Coenzyme Q10 improve clinical and molecular parameter in Fibromyalgia? Antioxid Redox Signal; zie ook: CoQ10 & inflammatie – mitochondriale dysfunktie (FM – inspanning)], en blijken betrokken bij de pathogenese van immune-inflammatoire aandoeningen. PGC-1α en TFAM induceren de transcriptie van cellulaire programmas die mitochondriale ademhaling, verdediging tegen oxidatieve stress en adaptieve thermogenese reguleren.

De doelstelling van deze studie was met mitochondriale dysfunktie geassocieerde gebeurtenissen en oxidatieve stress merkers te evalueren in PBMC van patiënten met CVS en FM versus gezonde controle-individuen.

RESULTATEN & BESPREKING

Algemene kenmerken van de populatie

Initieel werden 23 CVS-patiënten en 20 FM-patiënten […] met een diagnose van CVS en FM geëvalueerd. De gemiddelde leeftijd voor de FM- en CVS-groep was 44,1 ± 3,8 en 45,5 ± 10,4 jaar, respectievelijk (controle-individuen: 43,5 ± 5,4). De routine laboratorium-testen leverden bij alle patiënten normale resultaten op. De gemiddelde duur van de symptomen in de FM-groep was 7,1 ± 2,1 jaar en in de CVS-groep 15,6 ± 10,8. De gemiddelde ‘tender-point’ score in de FM-groep was 13,9 ± 1,6; de duur van de vermoeidheid en pijn in de CVS-groep was 15,4 ± 10,2 en 15,7 ± 11,4 jaar, respectievelijk. […]

[Exclusie-criteria: acute infektie (3 weken voor metingen); neurologische, psychiatrische, metabole (diabetes), auto-immune ziekten, allergieën of chronische inflammatoire aandoeningen, roken, alcohol-misbruik), behandeling met glucocorticoïden, gebruik van statinen, pijnstillers, anti-oxidanten of antidepressiva/anxiolytica, …]

Mitochondriale dysfunktie werd voorgesteld als een relevante gebeurtenis in de pathogenese van beide ziekten. Mitochondrieën genereren energie in de eerste plaats onder de vorm van een elektrochemische proton [H+] -gradient, die ATP-produktie, ion-transport en metabolisme van brandstof voorziet. CoQ10-deficiëntie werd geassocieerd met verscheidene menselijke aandoeningen, waarvan enkele worden veroorzaakt door een direct defekt van de CoQ10-biosynthese genen of als een secundair gevolg van andere ziekten. Bevindingen hebben aangetoond dat CoQ10-deficiëntie mitochondriale funktie en organisatie van de complexen van de mitochondriale ademhaling wijzigt, wat leidt tot verhoogde aanmaak van ROS en aktivatie van de mitochondriale ‘transition pore’ [ook ‘mitochondrial transition pore complex’ of ‘Mitochondrial Permiability Transition Pore’ (mPTP); mitochondriale ‘porie’ die de binnenste en buitenste mitochondriale membranen overspant, ‘gat’ gevormd tijdens stress-responsen; leidt tot apoptose]; wat autofagie van dysfunktionele mitochondrieën door mitofagie verhoogt. [Autofagie is een strikt geregeld proces waarbij de cel eigen cel-produkten verteert in de zogenaamde lysomen, het maakt deel uit van normale cel-groei, ontwikkeling en homeostase, en helpt het evenwicht behouden tussen synthese, afbraak en recyclage van cellulaire produkten.; autofage stress komt voor bij nutrienten-tekort of lysosoom-dysfunktie en kan leiden tot cel-sterfte, ook beschreven bij neurodegeneratieve aandoeningen. Autofagie van (niet-funktionerende) mitochondrieën wordt ook mitofagie genoemd.] Aangezien werd gesuggereerd dat CoQ10-waarden een nuttige biologische merker voor mitochondriale funktie zou kunnen zijn, hebben we CoQ10-waarden gemeten in PBMCs bij gezonde controles, CVS- en FM-patiënten; als een kenmerk voor mitochondriale dysfunktie. PBMCs van CVS- en FM-patiënten vertoonden een daling qua CoQ10-waarden vergeleken met controles (57% en 52% reductie t.o.v. de gemiddelde waarde bij de controles). Aan de ene kant is het gekend dat mitochondriale dysfunktie dikwijls wordt geassocieerd met een inductie van ROS-produktie in mitochondrieën, en aan de andere kant werd oxidatieve stress voorgesteld als een relevante gebeurtenis in de pathogenese van beide aandoeningen. Om de oxidatieve stress te beoordelen, werden lipiden-peroxidatie waarden in PBMCs van CVS- en FM-patiënten versus controles geanalyseerd. CVS- en FM-patiënten vertoonden hogere waarden qua lipiden-peroxidatie in PBMCs vergeleken met gezonde controles.

Differentiële mitochondriale biogenese bij CVS en FM

We bepaalden totaal ATP als een indicator voor de cellulaire bio-energetische status. Gemiddeld vertoonden CVS- en FM-patiënten lagere waarden voor de aanmaak van mitochondriaal ATP in PBMCs vergeleken met controle-individuen, suggererend dat de mitochondriale capaciteit tot energie-produkie gereduceerd zou kunnen zijn in PBMCs van CVS- en FM-patiënten. Om dit te verifiëren, hebben we de mtDNA-inhoud van PBMCs bij patiënten gemeten. Interessant was dat we geen significante veranderingen observeerden qua mtDNA-inhoud in PBMCs van CVS-individuen (1,17 ± 0,28), maar FM-patiënten vertoonden significant gereduceerde waarden qua mDNA-inhoud in PBMCs (0,55 ± 0,14) in vergelijking met gezonde controles (0,99 ± 0,04). Deze gegevens tonen verschillen in mitochondriale massa tussen beide ziekten en die worden bevestigd via citraat-synthase aktiviteit als merker (CVS-individuen: 18,08 ± 1,3; FM-patiënten: 10,23 ± 2,5 µmol/min/mg proteïne, vergeleken met de controle-groep).

Ter opheldering van het mechanisme voor differentiële mitochondriale massa tussen CVS en FM, werden de expressie-niveaus van proteïnen betrokken bij mitochondriale biogenese bepaald. Expressie van gefosforyleerd PGC-1α en TFAM (via immunoblotting [techniek om eiwitten te detekteren m.b.v. specifieke antilichamen]) was gedaald bij FM-patiënten, maar er werden geen belangrijke wijzigingen gezien bij CVS-individuen. Er moeten worden onderlijnd dat TFAM essentieel is bij menselijke mtDNA-transcriptie en dat het een belangrijke regulator is voor mtDNA ‘copy-numbers’, vandaar dat dit een sleutel-rol is die ook onze resultaten zou kunnen verklaren.

CONCLUDERENDE OPMERKINGEN & AAWIJZINGEN VOOR DE TOEKOMST

De meeste studies die tot nu toe de rol van mitochondriale dysfunktie bij CVS en FM onderzochten, waren onvolledig/contradictorisch en vertoonden meerdere discrepanties. Volgens de resultaten hier zou de correlatie tussen CoQ10-levels, lipiden-peroxidatie en ATP-inhoud echter kunnen verklaren dat oxidatieve stress en mitochondriale bio-energetische dysfunktie courante gebeurtenissen zijn bij CVS- en FM-patiënten, betrokken bij de ernst van de symptomen van beide ziekten. Daarom zouden anti-oxidante en/of energetische componenten moeten worden onderzocht als een mogelijke behandeling voor beide aandoeningen. Aan de andere kant is er een aanzienlijke overlapping van de klinische symptomen tussen deze 2 syndromen. Er wordt daarom betwist of deze syndromen dezelfde pathogenese hebben of niet. We hebben verschillen aangetoond qua cellulaire en molekulaire mechanismen voor mitochondriale inhoud. De betrokkenheid van PGC-1α én TFAM heeft een nieuw pad getoond naar het begrijpen van de pathogenese van CVS en FM, en naar de ontwikkeling van nieuwe instrumenten (biomerkers) om beide ziekten te onderscheiden.

NIEUWIGHEDEN

Klinische rapporten over patiënten met CVS en FM suggereren een rol voor mitochondriale dysfunktie op cellulair niveau. Er is overvloedig klinisch bewijs om een rol voor mitochondriale dysfunktie bij beide aandoeningen te suggereren, welke aanleiding kunnen zijn voor vele van de klinische symptomen bij deze patiënten. Of deze rol te wijten is aan een specifiek mitochondriaal defekt bij genetisch kwetsbare individuen of een effekt van een ander probleem (zoals veranderde cytokine-profielen die op hun beurt de mitochondriale funktie beïnvloeden), dient verder onderzocht. Volgens deze studie, was het redelijk te denken dat er enkele mitochondriale merkers zijn die zouden kunnen helpen bij het identificeren van CVS- versus FM-patiënten. De resultaten beschreven in dit artikel kunnen dienen als een nieuwe manier voor het ontwerpen van experimenten om de invloed van gebeurtenissen geassocieerd met mitochondriale mechanismen beter te begrijpen, gebruikmakend van potentiële diagnostische biomerkers.

« Vorige paginaVolgende pagina »

Blog op WordPress.com.