Il bicchiere mezzo pieno

Il bicchiere mezzo pieno

Il paziente zero

All’inizio di questo anno si è tenuta a San Francisco l’edizione 2016 della Personalized Medicine World Conference (PMWC) (programma). Durante la prima giornata dei lavori, il dr. Andreas Kogelnik, medico e bioingegnere presso l’Open medicine Institute, ha presentato alcuni dei dati relativi al metabolismo energetico di un giovane uomo affetto da ME/CFS, come esempio di applicazione delle nuove indagini metabolomiche in patologie difficili e ancora sconosciute. Il paziente in questione è il figlio di Ronald Davis, genetista presso la Stanford University attualmente impegnato nella ricerca sulla ME/CFS e sulla Lyme cronica, presso l’Open Medicine Foundation. E’ lo stesso Kogelnik a rivelare nel suo intervento l’identità dell’uomo di cui discute i dati metabolici, e d’altra parte le sfortunate vicende di questo ragazzo sono state rese pubbliche dalla sua stessa famiglia, anche allo scopo di incentivare la ricerca scientifica e l’investimento per la ME/CFS. Chi fosse interessato, trova un toccante racconto del progressivo declino intellettivo e fisico di Whitney (questo è il suo nome), in questo video e in quest’altro.

Un fotografo e la foto del suo metabolismo

Whitney, che ora ha approssimativamente 35 anni, da alcuni anni non è più in grado di spostarsi dal suo letto, di leggere, e di comunicare con i suoi genitori. In passato è stato un apprezzato fotografo e ha girato il mondo. Questo è il suo sito personale. L’ultimo aggiornamento (2013) dice: “Molto malato. Non posso parlare. Non posso scrivere abbastanza per comunicare. Non intrattengo una conversazione con qualcuno da sei mesi…” Whitney è un caso singolare, sia perché ha una manifestazione particolarmente grave di ME/CFS (ma ci sono altri pazienti come lui), sia perché suo padre è un professore di genetica presso una delle migliori università del mondo (Stanford University). E cosa può fare un papà-scienziato per salvare un figlio affetto da una condizione incurabile? Studia, certo! Ma non si limita a perlustrare compulsivamente le pubblicazioni scientifiche o i libri di biologia; mette in piedi un’intera squadra di ricercatori, cerca fondi per finanziarli, e inventa nuove tecnologie, per combattere la malattia. Nel video dell’intervento di Andreas Kogelnik possiamo vedere i primi risulatati del suo sforzo. In particolare al minuto 8 abbiamo una eloquente istantanea del metabolismo energetico di Whitney (vedi figura).

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Il livello di alcuni metaboiti della glicolisi e del ciclo di Krebs di Whitney, tratti dal video dell’intervento di Andreas Kogelnik, durante l’edizione 2016 della PMWC.

Joule e glucosio

Prima di esaminare i dati metabolici di Whitney, ricordo brevemente che il processo attraverso il quale le nostre cellule estraggono energia dai legami chimici del glucosio, consiste in due fasi. La prima, la glicolisi, avviene nel citoplasma (fuori dai mitocondri) e permette di ricavare due molecole di ATP da ogni molecola di glucosio. Lo scarto della glicolisi consiste in due molecole di piruvato, per ciascuna molecola di glucosio processata. Ma questo sottoprodotto è il carburante che alimenta la seconda fase, che si verifica all’interno dei mitocondri. In questa seconda fase, il piruvato è convertito in Acetil-CoA (con la sintesi di 3 molecole di ATP per ciascun piruvato), e l’Acetil-CoA è poi inviato al ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico), dove sono prodotte altre 12 molecole di ATP per ogni molecola di Acetil-CoA. Più precisamente, il ciclo di Krebs produce una molecola di ATP, tre di NADH e una di FADH2; queste due ultime molecole vengono inviate alla fosforilazione ossidativa (membrana dei mitocondri) dove vengono utilizzate per sintetizzare complessivamente 11 molecole di ATP. La conclusione è che una molecola di glucosio permette di produrre 2 molecole di ATP nel citoplasma, più 36 molecole all’interno dei mitocondri. Questi sono i rudimenti del bilancio energetico delle cellule. La questione si complica quando si considera che anche gli acidi grassi e alcuni amminoacidi sono utilizzati dai mitocondri per produrre energia.

Metà non basta

Cosa ci dice l’istantanea del metabolismo energetico di Whitney? Nel momento in cui si tiene conto del fatto che i dati sono stati normalizzati rispetto presumibilmente alla media aritmetica del controllo sano, emerge che il suo generatore funziona a circa metà della potenza media. Infatti, il piruvato (prodotto finale della glicolisi) è circa 0.6 del valore medio, e tutti i metaboliti del ciclo di Krebs sono compresi tra 0.4 e 0.7. Coerentemente, il livello di glucosio nel sangue è leggermente aumentato (il pancreas di Whitney riesce a evitare l’iperglicemia, evidentemente), mentre quello del lattato è altrettanto basso (il lattato è prodotto dal piruvato).  Ora, se il generatore cellulare di energia eroga una potenza (energia liberata per unità di tempo) pari al 50% di quello che normalmente l’organismo produce, ci si può aspettare che a soffrirne maggiormente siano gli organi con il più alto fabbisogno energetico, come il cervello e i muscoli. E questo modello teorico, basato sui dati reali della termodinamica di Whitney, spiegherebbe i suoi sintomi. Certamente altre interpretazioni sono possibili!

Fuori dal circolo di Krebs

Ma dove si trova il blocco del generatore cellulare del paziente zero? Se la glicolisi funziona al 50% e se è la glicolisi ad alimentare i mitocondri, la risposta sembra semplice: il blocco è nel citoplasma, cioè nella glicolisi stessa, fuori dai mitocondri. Questa interpretazione dei dati è coerente con quanto dimostrato da Christopher Armstrong e dai suoi colleghi della Università di Melbourne, nel 2015. Il gruppo di ricerca è stato infatti in grado di evidenziare un blocco della glicolisi, analizzando il normale pannello degli acidi organici nel sangue e nelle urine di 34 pazienti affetti da ME/CFS (Armstrong CW et al. 2015). L’ipotesi di un blocco della glicolisi è compatibile altresì con il recente lavoro europeo sui pazienti della reumatologia di Pisa, in cui è stata dimostrata una sovra espressione di due fondamentali enzimi mitocondriali (vedi questo post). Infatti, se i mitocondri vengono sottoposti a una riduzione dell’approvigionamento di carburante, è logico pensare che aumenteranno il numero di enzimi per estrarre ogni possibile joule dal substrato disponibile. La mia tuttavia è una semplificazione, infatti il ciclo di Krebs viene alimentato anche da carburante alternativo al piruvato, come alcuni amminoacidi e gli acidi grassi. Quindi il  ragionamento è riduttivo e non conclusivo.

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Whitney, da questa pagina.

Ipometabolismo come adattamento

Un’altra possibile spiegazione per la complessiva depressione del sistema energetico (fuori e dentro i mitocondri) è quella fornita da Robert Naviaux, nella sua recente pubblicazione sul metabolismo della ME/CFS. Secondo la sua visione, i mitocondri vengono parzialmente spenti, come risposta a una minaccia ambientale persistente (principalmente infezioni o sostanze tossiche); questa risposta è un meccanismo evolutivamente conservato, il cui ruolo è quello di proteggere l’organismo dalla minaccia, un po’ come la febbre è un sistema di difesa che favorisce la risposta immunitaria contro un virus o un battere. Se questo fosse vero, il blocco dei mitocondri dovrebbe essere gestito in concerto con un blocco della glicolisi, altrimenti si avrebbe l’accumolo di sostanze tossiche, come il lattato. Anche questa ipotesi si adatta bene ai dati sperimentali relativi a Whitney.

Conclusione

Il metabolismo del paziente zero, ovvero del primo paziente ME/CFS soggetto a una approfondita analisi metabolica secondo le nuove tecnologie disponibili, rivela un complessivo dimezzamento della potenza erogata dai generatori di energia delle sue cellule. Apparentemente il difetto è nella parte iniziale del metabolismo del glucosio, fuori dai mitocondri, e si riverbera ovviamente sul metabolismo mitocondriale, che risulta depresso. Tuttavia altre interpretazioni di questi dati sono possibili, come quella dell’ipometabolismo proposta da Naviaux e colleghi. Inoltre, sebbene una riduzione della energia del 50% sembrerebbe spiegare i sintomi, non è possibile affermare che questa riduzione sia la causa della patologia, piuttosto che una sua semplice conseguenza.

Mitocondri pisani

Mitocondri pisani

Una malattia, due gemelli, e tre enzimi

Un recente studio italo-inglese-tedesco (Ciregia F et al 2016) ha investigato il livello di enzimi mitocondrali in due gemelli, uno sano e uno affetto da ME/CFS. I mitocondri sono stati estratti dalle piastrine del sangue periferico dei due soggetti, quindi è stato misurato il livello di svariate proteine mitocondriali. Di queste, 194 sono risultate avere livelli significativamente diversi nei due individui, e in particolare la differenza più importante si è registrata in 41 di esse, con 34 sovra espresse e 7 sotto espresse nel gemello CFS rispetto a quello sano. I ricercatori si sono poi concentrati su tre dei 41 enzimi sovra espressi, e precisamente ACON, ATPB e MDHM.

Il test diagnostico

Dopo aver verificato che lo stesso risultato poteva ottenersi analizzando la saliva piuttosto che il sangue periferico, gli Autori hanno proceduto a misurare i livelli di questri tre enzimi nei campioni di saliva di 45 persone sane e di 45 pazienti ME/CFS, reclutati dalla Divisione di Reumatologia della Università di Pisa. L’analisi statistica su questi campioni ha confermato la sovra regolazione degli enzimi ACON e ATPB nei soggetti ME/CFS rispetto ai soggetti sani, ma non del terzo enzima. Questi due marcatori permettono di avere un test con una sensiblità dell’85%, e una specificità del 72%. Questo significa che su 100 soggetti con ME/CFS il test ne riconoscerebbe solo 85; su 100 soggetti sani verrebbe negativo in 72 e positivo nei restanti 28 casi.

Mitocondri che vogliono, ma non possono

Ma che funzione hanno questi due enzimi espressi in modo insolitamente alto? ATPB è la subunità beta dell’enzima ATP sintetasi, ovvero l’enzima che catalizza la reazione:

ADP + Pi + Energia → ATP

in cui una molecola di adenosina monofosfato è convertita in una molecola di adenosina trifosfato. Si trova nella membrana interna dei mitocondri e interviene alla fine della catena di trasporto degli elettroni. L’atro enzima (ACON) è l’aconitasi mitocondriale, e interviene nel ciclo di Krebs. Entrambi gli enzimi svolgono cioè funzioni essenziali alla produzione di energia, e una loro sovra regolazione potrebbe essere un tentativo dei mitocondri di sopperire a un funzionamento deficitario.

Energia e infiammazione

Gli Autori hanno potuto rilevare che il livello di ATPB era tanto più alto quanto più elevate erano le due citochine proinfiammatorie INF-gamma e TNF-alpha. La prima viene prodotta dalle cellule NK e stimola i macrofagi a presentare gli antigeni alle Th, oltre ad avere altre funzioni; la seconda è un fattore di attivazione di macrofagi, NK e cellule dendritiche, tra le altre proprietà. Entrambe svolgono un ruolo di ‘attivazione’ complessiva del sistema immunitario innato e adattativo e possono quindi considerarsi degli indici infiammatori sensu lato.

Conclusione

Questo lavoro europeo, partendo dallo studio della espressione degli enzimi dei mitocondri delle piastrine di due gemelli, uno malato e uno sano, propone due di queste proteine (ATPB e ACON) come test diagnostico per la ME/CFS. Inoltre dimostra che i mitocondri sovra esprimono questi due enzimi, in quello che sembra essere un tentativo (futile?) di potenziare una produzione di ATP deficitaria. Il livello dell’ATPB è inoltre tanto maggiore, quanto maggiore è l’infiammazione. Il fatto che l’anomalia sia stata riscontrata solo nel gemello malato suggerisce che la disfunzione mitocondriale non è di origine genetica. E’ acquisita, e verosimilmente legata a fenomeni infettivi e/o immunitari, come indica la correlazione tra ATPB e citochine pro-infiammatorie.

CFS e mitocondri

Questo studio sembra essere coerente con diversi altri che lo hanno preceduto, a cominciare dalla recente pubblicazione di Naviaux e colleghi. Per altri studi sul rapporto tra CFS e mitocondri si legga poi questo post.

Ossigeno-ozono terapia e CFS

Ossigeno-ozono terapia e CFS

Si è parlato recentemente di terapia con ozono (autoemotrasfusione) nella CFS. Vorrei allora condividere alcune riflessioni.

1) La terapia non può essere germicida, a differenza di quanto affermato da alcuni, in quanto – secondo la FDA – la concentrazione di ozono tale da esercitare effetto germicida dovrebbe essere molto superiore a quanto un paziente possa tollerare. Cito dal sito della FDA.

2) La terapia non è esente da effetti collaterali. Ci sono prove che induca fenomeni significativi di vasocostrizione e protrombotici, come rilevano gli autori di questo studio, apparso recentemente su Cardiology.

3) Un articolo del 2002 apparso sulla Rivista italiana di Ossigeno-Ozonoterapia afferma che la terapia si è dimostrata efficace in 4 su 5 pazienti fibromialgici e in 3 con ME/CFS (Borrelli E, Bucci V, 2002). La terapia è consistita in 2 autoemotrasfusioni settimanali (100 ml di sangue), con un massimo di 4 mg di ozono per ogni somministrazione. I pazienti ME/CFS hanno riscontrato la riduzione dei sintomi dopo 3 mesi di terapia continuativa e a 6 mesi dall’inizio della terapia erano guariti. Contemporanemente si somministrava vitamina C, N-acetil-cisteina, vitamina E, selenio e acido alfa lipoico, su base quotidiana. Lo studio non è in doppio cieco e si basa su un numero limitato di casi. Quindi questi dati sono di valore molto modesto.

4) L’idea che la procedura possa avere un qualche ruolo nel migliorare la produzione di energia del soggetto, fornendo ossigeno ai mitocondri, apparirà improbabile non appena si riflette sul fatto che un essere umano consuma circa 300 ml di ossigeno al minuto, e il gas infuso nel paziente durante la procedura ha un volume di 100-150 ml. Pur considerando che tale gas contiene anche ozono (quindi ossigeno triatomico) e che la sua pressione può essere maggiore di quella atmosferica, appare comunque evidente che tutto l’ossigeno infuso sarà bruciato nell’arco di alcune decine di secondi dal metabolismo del paziente.

Conclusione. La terapia non è stata ancora dimostrata efficace nella CFS, non è germicida, non fornisce un apporto significativo di ossigeno alle cellule e presenta effetti collaterali. Questo però non significa che non possa rivelarsi efficace, dopo studi più approfonditi, per motivi che ora non conosciamo. E’ bene che il paziente sia informato di questo, in modo da fare le sue valutazioni.

Ringraziamenti. Ringrazio Gualtiero Zucconi per aver recuperato sul web lo studio di Borrelli e Bucci.

Ottawa Lyme Conference 2016

Ottawa Lyme Conference 2016

Chi fosse interessato, trova in questa playlist i video della conferenza tenutasi in Ottawa il maggio scorso, organizzata dalla associazione Lyme canadese. Sono intervenuti molti importanti esponenti della ricerca sulla malattia di Lyme, tra cui Fallon (Columbia University), Dattwyler (New York Medical College) e Zhang (John Hopkins University). I video sono disponibili anche nella playlist di CanLyme. Nella mia playlist sono disposti in ordine cronologico.

Si tratta di molte ore di registrazione. I video 8, 10, 12, e 23 mi sono sembrati particolarmente edificanti.

Terapia psicologica ed esercizio sono senza utilità nella CFS

Terapia psicologica ed esercizio sono senza utilità nella CFS

Vecchi de dati e nuova analisi

L’esercizio graduale (GET), la terapia cognitivo-comportamentale (CBT), e la gestione delle energie (APT) non sono più efficaci del trattamento medico generico (SMC), nella CFS. Una rianalisi statistica dei dati di uno studio pubblicato sul Lancet nel 2011 (White, PD et al 2011), ha dimostrato che le quattro strategie elencate sopra sono equiparabili fra loro, cioè sono ugualmente inefficaci nella CFS (Matthees, A et al. 2016).

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Da (Matthees, A et al. 2016). Sebbene il grafico suggerisca che la CBT sia meglio della GET, e che entrambe siano meglio della SMC, queste differenze non sono statisticamente significative, come spiega l’articolo citato. Ovvero queste minime differenze possono essere il risultato di fenomeni casuali.

Lo studio apparso su Lancet aveva invece forzato la statistica, facendo così emergere una maggiore efficacia della GET e della CBT sugli altri due approcci. Una ulteriore forzatura era stata effettuata nel 2013, quando una rielaborazione dei dati da parte dello stesso gruppo aveva addirittura indicato la GET e la CBT come terapie risolutive nella CFS (White, PD et al 2013). Questo ha condizionato negativamente la visione di molti medici, anche in gamba, su questa patologia. La nuova analisi è stata effettuata, tra gli altri, da Philip Stark (dipartimento di statistica della University of California) e da Bruce Levin (dipartimento di biostatistica della Columbia University).

Il parere dell’Institute of Medicine

Nel 2015 L’institute of Medicine (IOM), un prestigioso organo scientifico statunitense, ha condotto una analisi approfondita delle migliaia di articoli scientifici prodotti negli ultimi decenni sulla ME/CFS. Questo lavoro ha prodotto un volume pieno di dati e di riferimenti bibliografici, disponibile gratuitamente on line (IOM, 2015). In merito alla CBT e alla GET, nel rapporto si legge (Appendix C): “I lavori di Taylor e Kielhofner (2005), coerentemente con le conclusioni della revisione sistematica di Ross e colleghi (2002, 2004), non hanno fornito alcuna prova per quanto riguarda l’efficacia riabilitativa  della CBT e/o della GET.  Differenze nelle metodologie, nelle misure dei risultati, nei criteri di selezione dei soggetti e altri fattori rendono difficle trarre conclusioni circa l’efficacia di questi interventi.”

Conclusioni

Questo non significa che si debba evitare ogni attività fisica, semplicemente ci si deve esercitare entro i propri limiti. La difficoltà è capire quali siano questi limiti, ma sicuramente il paziente riesce a individuarli meglio del medico. Non possono essere imposti dall’esterno, e l’idea che un allenamento progressivo possa migliorare il funzionamento di questi malati, è un mito medico privo di fondamento scientifico.

La nemesi e l’umbratile custode

La nemesi e l’umbratile custode

Tra le altre cose, mi è capitato di studiare un modello quantitativo per la riduzione del metabolismo di B. burgdorferi quando il battere è esposto a sostanze per lei tossiche, come la doxiciclina. Infatti è così che la spirocheta si difende e sopravvive alla doxiciclina: diminuisce il suo metabolismo (Sharma, B et al. 2015) e si gonfia, riducendo il rapporto superficie/volume di circa 6 volte (Maccallini, P).

Ebbene, ieri stavo riguardando la soluzione del sistema di equazioni che ho usato per descrivere la velocità del metabolismo di una colonia di spirochete, e ho capito. Quello che stavo osservando, tra il confuso e lo stupidamente compiaciuto, era il dauer di Naviaux, l’ipometabolismo dei mitocondri descritto da Robert Naviaux nel recente articolo sul metabolismo dei pazienti CFS! Più precisamente, avevo descritto l’ipometabolismo di B. burgdorferi, il dauer di questa spirocheta.

Quello che voglio dire è che il dauer viene dai batteri, è una loro strategia di sopravvivenza. I mitocondri, che furono batteri, lo hanno ereditato dalle pieghe oscure del Precambriano, da anonimi procarioti di cui la Terra ha perduto memoria da più di 3 miliardi di anni. Il dauer è vecchio come la vita stessa. E’ la sua nemesi, ma anche il suo umbratile custode.

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Duello (2003), matita e pastelli su carta, di Paolo Maccallini.

E’ una forza della natura, quel mostro che tante volte ho rappresentato nei miei disegni, col volto coperto da una faccia di teschio. Adesso è una formula, con esponenziali di matrici e tanti parametri da definire, sul monitor del mio computer. E forse non fa più così paura.

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Duello (2011), matita su carta, di Paolo Maccallini.

 

Test metabolici, dove e come

Di Paolo Maccallini

Lo studio di R. Naviaux

Lo studio di R. Naviaux e colleghi, pubblicato sulla rivista PNAS il 28 agosto, ha dimostrato l’esistenza di un difetto in 20 percorsi metabolici in 40 pazienti CFS, attraverso la misura di 612 metaboliti nel sangue periferico. E’ emersa, in particolare, una riduzione del livello ematico di sfingolipidi, fosfolipidi, e glicosfingolipidi, ovvero di molecole che costituiscono le nostre pareti cellulari e sono coinvolte nella difesa contro patogeni intracellulari. Queste anomalie sono state ricondotte a un complessivo ipometabolismo cellulare. Per maggiori dettagli sulla pubblicazione citata si legga questo post.

Il test metabolico del Gordon Medical Research Center

L’esame dei 612 metaboliti che è stato eseguito per lo studio è già disponibile al Gordon Medical Research Center (qui).

Lo studio di Ron Davis

Contemporaneamente Ronald Davis ha condotto uno studio metabolico su 3 pazienti CFS e una quarantina di controlli i cui risultati, non pubblicati, sono stati sommariamente presentati durante la undicesima conferenza internazionale di Invest in ME, tenutasi a Londra il 3 giugno scorso. In quella sede il genetista della Stanford University, nonché padre di un paziente, ha reso noto che il test metabolico da loro effettuato ha rilevato un profondo ipometabolismo al livello del ciclo di Krebs (11Invest in ME, DVD 4), ovvero la catena di reazioni chimiche che, nei mitocondri, costituisce l’anello di congiunzione fra l’acetil coenzima A (acetil-CoA) e la catena respiratoria, producendo esso stesso 12 molecole di ATP, per ogni molecola di acetil-CoA (24 per ogni molecola di glucosio che intraprende la glicolisi).

Il test metabolico di Metabolon

Il test effetuato da Ron Davis NON è quello dello studio di Naviaux, ma un esame eseguito dalla Metabolon, e valuta circa 400 metaboliti. Tra questi metaboliti e quelli del test del Gordon Medical Research Center vi sono delle differenze, con una parziale sovrapposizione, tanto che associando i due test si ha un totale di 700 metaboliti differenti (11Invest in ME, DVD 4).

Come eseguire il test?

Janet Dafoe, moglie di Ronald Davis, ha comunicato ai pazienti, attraverso il forum Phoenix Rising, che il principale investigatore dello studio metabolico in corso alla Stanford, ovvero l’ingegnere Laurel Crosby, si sta occupando di organizzare la possibilità di eseguire il test della Metabolon da ogni parte del mondo, a un prezzo ‘enormemente ridotto’. Inviare il sangue per il test sarà un modo per avere dei dati sulla propria salute, da un lato, e per fornire campioni alla ricerca dall’altro. Nonostante il possibile rischio di speculazione ai danni dei pazienti, ho deciso di utilizzare questo blog per fornire indicazioni aggiornate riguardo a come e dove spedire il sangue, appena il test sarà disponibile.