La malattia di Bigger-Davis

La malattia di Bigger-Davis

Non potevo dormire questa notte. E non riesco a leggere praticamente più, ormai. Ma i pensieri seguono sempre le stesse piste, nel fitto del bosco, alla luce incerta di un’alba diafana, che non si risolve nel giorno, da anni. Tra il sogno e la veglia, ho immaginato un futuro possibile, una cronaca che vorrei poter leggere al più presto. Tutto quello che segue non è mai accaduto, forse mai accadrà, o forse in parte è già avvento. Non sarei in grado neanche di verificare adesso. Quello che segue ha la stessa consistenza di una verità onirica: è tra la fantasia e la realtà.

Intorno al 2020 fu definitivamente accertato che numerosi batteri, se non tutti, sono in grado di scambiare l’uno con l’altro segnali di pericolo attraverso il rilascio, nell’ambiente circostante, di frammenti del proprio DNA. Frammenti specifici a cui è associato il messaggio: “Attenzione! Ambiente insalubre, rallentare il metabolismo e attivare la modalità persistenza!” Come si scoprì in seguito, sequenze diverse di nucleotidi sono associate a sfumature diverse di questo messaggio, e i batteri sono così in grado di scambiare anche informazioni sulla natura della minaccia e sulla sua gravità. I codoni sono cioè messaggi – letteralmente – con cui i batteri ‘chattano’ fra loro. Fu Kim Lewis a dimostrare questo fenomeno per primo, e a giustificarlo dal punto di vista evolutivo. Con le parole di Lewis, da una intervista dell’epoca: “Quando potemmo rilevare che la persistenza batterica veniva indotta a seguito della attivazione di particolari recettori sensibili a specifche sequenze nucleotidiche batteriche, realizzai come in una visione l’origine di questa segnaletica: la presenza di DNA batterico in un substrato indica chiaramente che dei batteri stanno morendo. E’ l’equivalente procariotico dell’odore inconfondibile della decomposizione. E’ un segnale di pericolo, e diffonde la notizia che sostanze nocive sono presenti, ad esempio micotossine. Solo i batteri in grado di rilevare questo segnale e di rallentare il proprio metabolismo sopravvivono. Ecco l’origine di questo meccanismo!”

Ma quelli erano esattamente gli anni in cui diversi gruppi di ricerca in giro per il mondo stavano cominciando a descrivere la base biologica di una condizione che aveva eluso fino ad allora ogni migliore tentativo di trovare un meccanismo patogenetico e una cura. Naturalmente stiamo parlando della malattia di Bigger-Davis (Bigger-Davis disease, BDD), una volta conosciuta come Encefalomielite Mialgica (ME), e con tanti altri nomi. Cominciò ad essere evidente, a un certo punto, che in alcuni di questi pazienti i mitocondri, in concerto con i percorsi metabolici energetici citoplasmatici, erano in uno stato di ipometabolismo cronico, detto da alcuni dauer (dal tedesco, persistenza): tutto funzionava in modo equilibrato, ma a un regime ridotto. Le prove di questo fenomeno furono raccolte da diversi gruppi in giro per il mondo: da Robert Naviaux e Ron Davis in California a Yamano in Giappone, passando per Fluge e Mella in Norvegia. Ma fu Ron Davis – genetista a Stanford – a ipotizzare per primo un legame fra l’ipometabolismo dei pazienti e la persistenza batterica, e lo fece in modo informale, durante una manifestazione tenutasi a San Francisco allo scopo di chiedere fondi per finanziare la ricerca sulla malattia, nel settembre del 2016. Con le parole di Davis: “I mitocondri dei pazienti si spengono, letteralmente, e dobbiamo scoprire il perché. Per me è chiaro che questo fenomeno è da ricondurre ai batteri. I batteri sono in grado di spegnere i loro generatori di energia quando sono esposti a minacce ambientali, riuscendo così a sopravvivere. Questo meccanismo deve avere più di un miliardo di anni e rappresenta un adattamento primordiale della vita sul nostro pianeta. Quando alcuni batteri diventarono gli organelli che oggi chiamiamo mitocondri, questo comportamento deve essere sopravvissuto, integrandosi nella biologia delle cellule eucariote e degli organismi pluricellulari.” Nel 2016 dunque Ron Davis era perfettamente consapevole che la malattia che avrebbe portato il suo nome, altro non era che l’evoluzione della persistenza batterica che negli stessi anni Kim Lewis stava studiando alla Northeastern University, e che Joseph Bigger descrisse per la prima volta nel 1944. Quando Kim Lewis cominciò a dimostrare che il linguaggio con cui i batteri si esortano fra loro a indurre la persistenza non è altro che il loro stesso DNA, non fu necessario invocare complicati sistemi di equazioni differenziali per ipotizzare che una analoga segnaletica dovesse esistere negli organismi pluricellulari e che questa potesse essere proprio la base della ME negli esseri umani.

Nel 2012, il gruppo di Theoharides della Tufts University aveva dimostrato, nella indifferenza generale, che i mastociti avevano la bizzarra consuetudine di rilasciare frammenti dei propri mitocondri (tra cui il loro DNA), nell’ambiente circostante, in presenza di particolari stimoli. Ci vollero ancora più di 5 anni perché questa curiosa attitudine fosse riscontrata anche nelle cellule B, dal gruppo di Anders Rosén. Ma le cellule B fecero decisamente più notizia! Perché? Ovviamente perché nel novembre del 2017 un trial randomizzato con gruppo di controllo aveva dimostrato senza ombra di dubbio che il Rituximab era in grado di invertire l’ipometabolismo in più di metà dei pazienti ME. Ora il Rituximab è un anticorpo monoclonale che induce apoptosi nelle cellule B che esprimono l’antigene CD20.  Come scrisse Fluge, uno degli autori dello studio, in una sua memoria biografica: “Sapevamo che il Rituximab funzionava, ma non sapevamo perché. Fu facile per noi commettere l’errore di pensare che la causa della malattia fosse un autoanticorpo. Come quei primatologi alle prime armi che cercano istintivamente di spiegare il comportamento di un bonobo in base a schemi comportamentali umani, noi cercammo di incastrare questa malattia sconosiuta in schemi patogenetici di malattie note, come le malattie autoimmuni appunto. Ma soluzioni vecchie per problemi nuovi non sono per forza efficaci.” E continua: “Se le cellule B liberavano DNA mitocondriale e se il DNA batterico era la cause della persistenza nei batteri, non poteva forse darsi che l’ipometabolismo dei pazienti ME fosse proprio indotto dal DNA dei mitocondri delle cellule B?”

“Ecco cosa deve essere successo.” – spiegò Ron Davis durante la conferenza Invest in ME di Londra del 2021 – “Durante l’evoluzione degli organismi pluricellulari, il programma di persistenza dei mitocondri fu integrato con il sistema immunitario e con il resto del metabolismo energetico. Fu conservato il ruolo di segnaletica del DNA batterico (ora DNA mitocondriale) e fu assegnato ai leucociti (in particolare le cellule B, ma non solo) la funzione di inviare il messaggio, in caso di infezioni, riversando nel flusso sanguigno il DNA dei propri mitocondri. Questo meraviglioso adattamento del primitivo sistema di comunicazione dei batteri ha probabilmente richiesto mezzo miliardo di anni di evoluzione.” Il riscontro di alterazioni della flora intestinale in questi pazienti, con ridotta biodiversità del microbiota, trovò una spiegazione semplice non appena ci si rese conto che il messaggio inviato dalle cellule B viene intercettato anche dai batteri simbionti che vivono nel nostro corpo, i quali avviano essi stessi il programma di persistenza, modificando così profondamente il microbiota.

Il resto è una storia nota, celebrata dai mezzi di comunicazione dell’epoca. Tra il 2019 e il 2022 esperti di metabolismo e microbiologi di Europa, Canada, Stati Uniti e Giappone poterono definire i dettagli di questo meccanismo patogenetico e individuare la prima vera cura, dopo il Rituximab. Si trattava di un DNasi (un enzima che digerisce il DNA) modificato in modo da poter essere iniettato nel flusso sanguigno, senza rischio di effeti collaterali. Il farmaco, come forse alcuni ricordano, era già utilizzato nella fibrosi cisitica, in una formulazione inalabile, per tutt’altro motivo. La malattia, ribattezzata poi con il nome di Davis e Bigger, oggi si diagnostica con un esame del sangue e si cura in modo relativamente agevole. Non esiste praticamente più una froma di BDD non trattata, e la realtà di vite affondate nel fiore degli anni, per decenni, sarebbe una memoria persa se non fosse per la documentazione storica costituita da migliaia di video, libri e articoli che questi pazienti, pur nella loro condanna, hanno saputo lasciare dietro di sé.

Resta una piccola nota da fare. Come ho detto, il primo a collegare il dauer alla persistenza batterica fu Ron Davis in una manifestazione tenutasi a San Francisco il 27 di settembre del 2016. Eppure è stato segnalato che questo legame era stato avanzato nove giorni prima in un articolo di un blogger. Si tratta di un testo un po’ confuso, bisogna ammetterlo, in cui a un certo punto si legge: “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.”

Riferimenti

  1. L’articolo di Joseph Bigger (nella foto di copertina) che descrive per la prima volta la persistenza batterica: (Bigger JW. 1944).
  2. Persistenza batterica come una condizione di metabolismo ridotto: (Shan Y et al 2017).
  3. Una revisione della letteratura sul DNA che i batteri rilasciano all’esterno (DNA extracellulare): (Vorkapic D et al. 2016).
  4. Ipometabolismo nella ME/CFS: (Booth, N et al 2012), (Armstrong W et al. 2015), (Naviaux R et al. 2016), (Yamano E, et al. 2016), (Fluge et al. 2016),
  5. L’intervento di Ron Davis a San Francisco nel settembre del 2016: video.
  6. Lo studio in cui si dimostra che i mastociti rilasciano DNA mitocondriale: (Zhang et al. 2012).
  7. Anders Rosén annuncia che le cellule B rilasciano DNA mitocondriale: video, minuto 14:00.
  8. Efficacia del Rituximab nella ME/CFS: (Fluge O et Mella O, 2009), (Fluge O et al. 2011), (Fluge O et al. 2015).
  9. L’articolo del mio blog (18 settembre 2016) in cui viene avanzata l’ipotesi che il dauer sia l’evoluzione della persistenza batterica: articolo.

Citochine, TGF β 1 e ME/CFS

Citochine, TGF β 1 e ME/CFS

Riassunto

Quattro pazienti con diagnosi di ME/CFS e durata di malattia superiore ai 3 anni si sono sottoposti alla misura di un set di 9 citochine presso un laboratorio ospedaliero italiano. Tutti loro presentano un livello elevato di TGF β1, in accordo con due studi precedenti. Dopo aver riassunto i risultati di un precedente studio sui livelli di 51 citochine nel sangue di pazienti ME/CFS e averli confrontati con i risultati di questa piccola indagine, discuto il possibile ruolo del TGF β1 nella ME/CFS, dalla sua funzione inibitoria della citotossicità delle cellule NK, al suo valore quale indice di danno cerebrale, al suo possibile ruolo nella disfunzione della matrice extracellulare.

Introduzione

Negli anni sono stati condotti numerosi studi sul livello di citochine nel sangue periferico e nel liquido spinale dei pazienti ME/CFS, con risultati contraddittori. Nel 2015, alcuni dei maggiori esperti di questa patologia (tra cui Hornig, Lipkin, Montoya, Komaroff, e Peterson) hanno pubblicato un lavoro sulla misura di 51 citochine in 298 pazienti e in 348 controlli sani (sangue periferico). I pazienti sono stati divisi in un gruppo di 52 persone con una malattia di durata minore o uguale a 3 anni e in un altro gruppo (246 pazienti) con una malattia di durata maggiore di 3 anni. I ricercatori hanno riscontrato uno stato di attivazione immunitaria nel primo gruppo, e di esaurimento immunitario nel secondo (Hornig M et al. 2015). In questo studio, il gruppo di controllo è stato costruito tenendo conto non solo dell’età e del sesso, ma anche della collocazione geografica e della stagione al momento del prelievo di sangue. Poiché oggi sappiamo che più di 4000 geni immunitari vengono espressi con un livello che oscilla in funzione della stagione e della latitudine (Dopico XC et al. 2014), la precauzione di tenere in conto anche latitudine e stagione è indice di qualità dello studio. Per questo motivo, per la dimensione dei gruppi di persone esaminate, e per la varietà di citochine misurate, tendo a considerare il lavoro di Hornig e colleghi come il punto di riferimento, quando si tratta di citochine nella ME/CFS.

Nove citochine e quattro pazienti

Prima di riassumere i risultati dello studio Hornig, riporto la misura di 9 citochine in quattro pazienti ME/CFS italiani (3 maschi e una femmina) con durata di malattia superiore ai 3 anni (vedi tabella 1). Come indicazione della gravità della patologia, per ogni paziente è indicato il livello di abilità della scala del dr. Bell, che si può trovare in italiano in questa pagina. Questa selezione di citochine è stata effettuata lo scorso febbraio da me e da un altro paziente, scegliendo i parametri immunitari dello studio Hornig disponibili presso il laboratorio analisi dell’ospedale di Padova. Nella prima colonna si trovano i nomi delle citochine analizzate e affianco un simbolo in parentesi quadra il cui significato è secondo quanto segue: [<] indica una riduzione del metabolita nel sangue dei pazienti dello studio Hornig rispetto al controllo sano, associata a un valore p<0.05; il simbolo [<<] indica una riduzione associata a un valore p<0.01; il simbolo [=] indica che non c’è differenza tra malati e controllo sano. Il parametro TGF β1 non è stato misurato, come vedremo, nello studio Hornig.  Questo è un peccato, perché il valore di TGF β1 è l’unico ad essere alterato (aumentato) in ciascuno dei 4 pazienti. Specifico che poiché i pazienti qui riportati hanno una durata di malattia maggiore di 3 anni, i dati dello studio Hornig considerati sono solo quelli del gruppo di pazienti con una durata di malattia superiore ai 3 anni.

P1 (M, 37)  P2 (F, 49) P3 (M, 43) P4 (M, 27) rif (ng/l)
INF γ                     [<] <2.0 <2.0 <2.0  3.2 [0.0 – 15.6]
IL 1α                      [=] <2.0 <2.0 <2.0 <2.0 [0.0 – 3.9]
IL 1β                      [<] <5.0 <5.0 <5.0  <5.0 [0.0 – 5.0]
IL 2                        [=] <9.9  13.8 <9.9  <9.9 [0.0 – 9.9]
IL 4                        [=] <1.3 <1.3 <1.3  <1.3 [0.0 – 1.3]
IL 6                      [<<] <2.0 <2.0 <2.0  <2.0 [0.0 – 5.9]
IL 8                        [=] 7 6 <5 6 [0.0 – 62.0]
TGF β1                  [?] 58.1 77.4  48.6  70.9 [6.0 – 34.0]
TNFα                     [=] 10.7 6.7  – 5.3 [0.0 – 8.1]
Scala di Bell 20-30 20-30 40 20-30 [0 – 100]

Tabella 1. Misura di nove citochine in 4 pazienti ME/CFS con malattia di durata superiore ai 3 anni. Le misure sono state effettuate presso l’ospedale di Padova. E’ indicato il sesso, l’età e il valore della scala di Bell dei quattro pazienti (P1, 2, 3, 4). Sono evidenziati i valori fuori norma.

Cinquantuno citochine e 298 pazienti

Vediamo ora nel dettaglio i risultati dello studio Hornig. Come si vede in figura 1, delle 51 citochine misurate nel sangue, solo 24 presentano una differenza significativa fra i gruppi di malati (di breve e lunga durata) e il controllo sano (vedi figura 1). In rosso ho evidenziato quali tra queste 24 sono state misurate anche nei nostri 4 pazienti.

Hornig.png
Figura 1. Le 24 citochine dello studio Hornig in cui si riscontrano differenze significative tra pazienti di breve durata (blu), pazienti di lunga durata (rosso) e controlli (grigio). Nei riquadri rossi le citochine misurare anche nei nostri quattro pazienti (tabella). Queste citochine sono tutte proinfiammatorie, ad eccezione delle quattro nel riquadro nero (anti infiammatorie). * indica un valore p < 0.05, ** sta per p < 0.01, *** sta per p < 0.001, **** sta per p < 0.0001.

Lo studio non evidenzia differenze significative tra controlli e malati, a meno che non si dividano i malati in due gruppi: un gruppo in cui la malattia dura meno di tre anni e uno in cui la durata è superiore ai tre anni. Non appena si faccia questa distinzione, i pazienti di breve durata risultano in uno stato di attivazione immunitaria (citochine elevate), mentre quelli di lunga durata sembrano in una condizione di esaurimento immunitario (citochine ridotte), sia nel ramo proinfiammatorio, che in quello anti infiammatorio. Gli autori hanno ipotizzato che l’esaurimento immunitario possa essere una conseguenza della attivazione immunitaria che si verifica nei primi tre anni di malattia, coerentemente con quanto descritto per le cellule T CD8 durante infezioni croniche (Utzschneider DT et al. 2013). Per quanto riguarda i nostri 4 pazienti, le citochine INFγ, IL 1α, IL 6, e IL 8 si trovano nella parte bassa dell’ambito di normalità e quindi potremmo ritenere questi valori coerenti con quanto rilevato da Hornig e colleghi. Tuttavia, il paziente uno presenta un valore alto di TNFα. Questa citochina proinfiammatoria ha molteplici funzioni (vedi tabella 2) e il suo livello è elevato nella fase attiva del Lupus (Umare V et al. 2014) e della artrite reumatoide (Wendling D et al. 2015).

TNF-α Macrofago, neutrofilo, cellula Th1 Macrofago Stimola la sintesi di IL-12
Natural Killer Stimola la sintesi di IFN-γ
Parete dei vasi Induce la sintesi di SEL
Cell. Dendritica Viene attivata

Tabella 2. Alcune funzioni del TNF alpha. Nella seconda colonna le cellule che lo sintetizzano, nella terza le cellule bersaglio, nella quarta le funzioni espletate.

TGF beta

Il riscontro più interessante delle misure fatte sui 4 pazienti della tabella 1 è che tutti presentano un valore elevato di transforming growth factor beta 1 (TGF β1). Il TGF β viene sintetizzato in una forma inattiva che richiede l’intervento di un enzima proteolitico per trasformarsi nella sua forma attiva (Whal SM 2007) che è coinvolta nella proliferazione cellulare, nella risposta immunitaria/infiammazione, nella embriogenesi, nella integrità vascolare e nel rimodellamento della matrice extracellulare (Flavell RA et al. 2010), (Lafyastis R 2014).

Livello del TGF β nella ME/CFS

Il TGF β è presente in quattro isoforme, TGF β 1, 2, 3, 4 e lo studio Hornig ne ha misurato il livello complessivo. Questo livello è normale nei pazienti presi nel loro complesso, mentre risulta addirittura ridotto se si considerano solo i pazienti di lunga data (Tabella S6). Un risultato analogo è stato appena riportato in uno studio su 50 pazienti ME/CFS e 50 controlli, condotto dallo stesso gruppo di ricerca (Nagy-Szakal D et al. 2017), vedi TabellaS4. Esistono poi diversi studi precedenti (vedi tabella 3) dei quali tre (di cui due su soli 10 pazienti) hanno riportato un incremento del TGF beta (Chao CC et al. 1991), (Peterson D et al. 1994), (Bennett AL et al. 1997). Potremmo dunque assumere che effettivamente il livello complessivo di TGF β 1, 2, 3, 4 sia normale nella ME/CFS. Ma cosa si può dire della isoforma 1? Esistono almeno due studi (tabella 4) che hanno misurato esclusivamente questa isoforma in complessivi 56 pazienti e 43 controlli, riportandone un aumento del livello nel sangue periferico dei pazienti (Kennedy G et al. 2004), (White PD et al. 2004). Ciò è in accordo con quanto misurato nei nostri 4 pazienti (tabella 1). E’ possibile che mentre il livello del TGF β 1 aumenta, il livello complessivo delle isoforme del TGF β rimanga normale o addirittura si riduca? Credo che altri studi dovrebbero elucidare questo aspetto.

 Fonte Casi/
controllo
Livello del TGF β Campione
(Nagy-Szakal D et al. 2017) 50/50 nessuna differenza siero
(Hornig M et al. 2015) 298/348 nessuna differenza siero
(Bennett AL et al. 1997) 93/80 aumentato nei casi (p<0.01) siero
(MacDonald KL et al. 1996) 47/47 nessuna differenza siero
(Swanink C et al. 1996) 76/69 nessuna differenza siero
(Peterson D et al. 1994) 10/10 aumentato nei casi (p<0.01) siero
(Chao CC et al. 1991) 10/10 aumentato nei casi (p<0.01) siero

Tabella 3. Studi che hanno indagato il livello del TGF β (siero) nei pazienti ME/CFS.

 Fonte Casi/
controllo
Livello del TGF β 1
Campione
(White PD et al. 2004) 9/9 aumentato nei casi (p<0.001) siero/plasma
(Kennedy G et al. 2004) 47/34 aumentato nei casi (p=0.005) plasma

Tabella 4. Studi che hanno indagato il livello del TGF β 1 nei pazienti ME/CFS.

TGF β1 e NK

Di particolare interesse nel nostro caso è il ruolo che il TGF β1 gioca nella regolazione e soppressione della citotossicità delle cellule NK (Bellone G et al. 1995), essendo questo parametro ridotto nella ME/CFS (Caligiuri et al, 1987), (Maher et al, 2005), (Strayer et al, 2015), (Nguyen T et al. 2016). Quindi un aumento del TGF β1 potrebbe forse essere una delle cause della ridotta citotossicità delle NK nella ME/CFS.

TGF β1 e cervello

La sintesi cerebrale di TGF β1 aumenta a seguito di danno al  sistema nervoso centrale: ad esempio il livello sierico di TGF β1 risulta aumentato nella malattia di Alzheimer (Chao CC, et al. 1994) e nella retinopatia diabetica in pazienti con diabete di tipo I (Zorena K et al. 2013). Nel complesso si ritiene che TGF β1 eserciti una azione neuroprotettiva e sia un indice di danno neurologico, ma si è ipotizzato anche che la stessa molecola eserciti una azione detrimentale nei confronti della vasculatura cerebrale (Rustenhoven, J et al. 2016).

TGF β e matrice extracellulare

Altro aspetto di interesse è la interazione fra il TGF β e la matrice extracellulare, in particolare la fibrillina: la fibrillina sembra sequestrare il TGF β (Wipff J et al 2009), tanto che un difetto nella fibrillina (come nella sindrome di Marfan) è associato a un aumento del TGF β nel sangue (Robinson BN et al. 2005). Una possibilità è dunque che un difetto nella matrice extracellulare dei pazienti ME/CFS sia la causa dell’aumento del TGF β1. Ma perché si dovrebbe sospettare un difetto di questo tipo nella ME/CFS? La matrice extracellulare sembra implicata perché in questi pazienti esiste una prevalenza insolitamente elevata di casi di ipermobilità (vedi qui). Da notare a tal proposito che la paziente con il livello più elevato di TGF β1 del nostro studio (tabella 1) presenta un sospetto di EDS III (una malattia genetica della matrice extracellulare). I pazienti con EDS di tipo vascolare (un’altra forma di EDS) presentano valori elevati di TGF β1, che si ipotizza possano essere una conseguenza del danno vascolare di questi pazienti (Morisette R et al. 2014). Anche questo dato desta interesse, non appena si considera che nella ME/CFS è stata descritta una disfunzione endoteliale nelle grandi e piccole arterie (Newton DJ et al. 2011). Il livello elevato di TGF β potrebbe dunque anche essere una conseguenza di questa anormalità.

Conclusione

La misura di un pannello di 9 citochine nel sangue di 4 pazienti ME/CFS con durata di malattia superiore ai tre anni ha permesso di rilevare un aumento del valore del TGF β1 in ciascuno di essi, in accordo con due studi precedenti. Il significato di questa alterazione immunitaria nella ME/CFS (ammesso ve ne sia uno) non è chiaro, ma potrebbe essere legato alla ridotta citotossicità delle NK, a danni neurologici, a difetti nella matrice extracellulare, o ad anormalità nei vasi sanguigni.

The flu that never ends

The flu that never ends

This is the translation in English of an article I wrote in Italian several months ago.

Introduction

In three previous articles (here, here and here) – commenting on a recent work published by Fluge and colleagues (Fluge O et al. 2017) – I described a scenario in which a reduced activity of the enzyme pyruvate dehydrogenase (PDH) in ME/CFS patients, leads to an inefficient energy synthesis within the TCA cycle. The reduced function of PDH was inferred from the presence of a phenomenon of amino acids catabolism, and from the over-expression of the enzymes pyruvate dehydrogenase kinase (PDK), in particular of the isoforms 1, 2, and 4. Now the question is: what causes this metabolic shift? The authors, on the basis of their success with Rituximab in about 2/3 of their patients, speculated that an autoantibody might – in some patients – turns off some crucial pathway related to energy metabolism. In what follows, I propose an alternative scenario based on a study on mice with influenza.

First act: influenza A and pyruvate dehydrogenase

In 2014, a Japanese group (Yamane K et al. 2014) inoculated the virus of influenza A (IAV) in mice, and for 7 days conducted a study on the unfortunate animals, similar to the one performed by Fluge and Mella on ME/CFS patients, except for the fact that the mice were sacrificed, in order to carry out the measurements directly in their tissues. As you can see in Figure 1.A, after a week from the start of the infection the activity of pyruvate dehydrogenase is reduced in all tissues examined, with the sole exception of the brain; at the same time (Figure 1.B) ATP level drops everywhere, except for the brain. This first part of this experiment can be considered equivalent to the first part of the study by Fluge and Mella, that I discussed here. There is a difference in the type of measurements carried out between the two studies though, but the outcome is the same: energy metabolism is depressed and you have a loss of activity of pyruvate dehydrogenase.

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Figure 1. Pyruvate dehydrogenase activity in various tissues (A) and concentration of ATP in the same tissues (B).

Second act: pyruvate dehydrogenase kinase, the usual suspect

Just as Fluge and Mella did, Japanese researchers wondered whether an unusually high gene expression of the enzymes pyruvate dehydrogenase kinase (there are four, indicated PDK1, PDK2…) could have been responsible for the decreased activity of pyruvate dehydrogenase they observed. In fact, these four enzymes have precisely the function of inhibiting pyruvate dehydrogenase. And as you can see in Figure 2, PDK4 increases rapidly in the heart, lungs, liver and skeletal muscles, as days pass by.

pdk4
Figure 2. Expression of PDK4 in various tissues, depending on the days counted from the moment the influenza virus was inoculated.

This second experiment is similar to the one performed by Fluge and Mella on gene expression in peripheral blood mononuclear cells from ME/CFS patients (here). In both cases we have an over-expression of PDK4. Nevertheless, while PDK1 and 2 are over-expressed in humans with ME/CFS, they are normal in mice.

Of mice and men

On the basis of what has been seen during the first 7 days after the influenza A virus inoculation, the mice begin to develop a metabolic dysfunction similar to the one described by Fluge and Mella in ME/CFS patients: an increase in pyruvate dehydrogenase kinase is associated with a loss of function of pyruvate dehydrogenase and an overall shut off of the energy metabolism. What does that mean? It is difficult to draw conclusions, but we might perhaps venture the hypothesis that:

  • the metabolic alteration described in ME/CFS patients by Fluge and Mella is nothing other than the one which occurs during an infection.

Since IgMs are produced only one or two weeks after the beginning of an infection, we can exclude that the alterations observed in mice by Japanese researchers are due to antibodies. The authors themselves attribute them to various cytokines (see Figure 3).

immunometabolismo
Figure 3. Influenza A virus induces the synthesis of cytokines which, in turn, trigger the over-expression of PDK4, that inhibits pyruvate dehydrogenase.

This means that a possible scenario for the defect in pyruvate dehydrogenase activity in ME/CFS patients can simply be a depletion due to the presence of an ongoing infection (in agreement with what proposed by Antony Komaroff, among others, see here), or to a process mistaken for an infection. Of course, this is only one of many possible hypotheses.

So, what about rituximab?

If antibodies are not involved, then why has the drug rituximab – which depletes CD20 expressing B cells – a therapeutic effect in more than a half of ME/CFS patients? This is an excellent question, and if we knew the answer, we would be closer to the solution. However, we have to keep in mind that B cells are not just factories for antibodies, but they are also antigen-presenting cells, they produce cytokines (Frances E. Lund 2009) and release mitochondrial DNA (unpublished data, presented by Anders Rosén in this video, minute 14:00) just like mast cells do (Zhang et al. 2012). It is believed that mitochondrial DNA is strongly inflammatory (it is very close to bacterial DNA) and therefore it could be the source for several disorders (Zhang et al. 2012), including even perhaps the dysregulation of pyruvate dehydrogenase. So the effect of rituximab in ME/CFS might not be necessarily linked to autoantibodies depletion.

Conclusion

We have seen that the metabolic disorder recently hypothesized in ME/CFS patients (Fluge O et al. 2016) is also present during the first 7 days of a viral infection in mice. So the common saying according to which “CFS is like a flu that never ends” seems correct also from a metabolic point of view.

Il cavallo marino e l’energia

Il cavallo marino e l’energia

Le misure metaboliche in vitro dello studio norvegese  in cui fu evidenziato un possibile blocco al livello del piruvato deidrogenasi nei pazienti ME/CFS, sono state effettuate con il dispositivo Seahorse XFe96 della Agilent. Questo apparecchio (grande come una stampante da tavolo) permette di misurare in tempo reale – in vitro – il metabolismo energetico di cellule prelevate da pazienti (ad esempio linfociti). Come è spiegato nel video che segue, il tutto si riduce a due misure:

  1. una misura del consumo di ossigeno, che fornisce una stima del funzionamento mitocondriale;
  2. una misura della concentrazione di protoni, che fornisce una stima del funzionamento della glicolisi.

Mi risulta che l’Università degli Studi di Firenze sia in possesso di questo apparecchio (vedi qui).

Il Seahorse è attualmente impiegato nello studio di Avindra Nath (NIH) su 40 pazienti con ME/CFS post-infettiva (PI-ME/CFS). Come gruppo di controllo per questa ricerca, oltre a 20 persone sane, sono state selezionate anche 20 persone che hanno avuto la Lyme e sono completamente guarite.

seahorse

The half-full glass

The half-full glass

This is for the most part the translation in English of an article I wrote in Italian on Whitney Dafoe, several months ago.

Patient zero

The 2016 edition of the Personalized Medicine World Conference (PMWC) (program) was held in San Francisco, about a year ago. During the second day of this meeting, Dr. Andreas Kogelnik, a physician and bioengineer at the Open Medicine Institute, presented some of the data on the energy metabolism of a young man suffering from ME/CFS, as an example of application of newly available metabolomic tests in difficult and still poorly understood conditions. The patient we are talking about is the son of Ronald Davis, a famous geneticist at Stanford University who is currently engaged in an ambitious research program on ME/CFS, at the Open Medicine Foundation. It is Kogelnik himself who reveals in his speech the identity of the man whose metabolic data he is talking about, and on the other hand the unfortunate events of this man were made public by his own family, in order to stimulate scientific research and investments for ME/CFS. The touching story of the progressive decline in intellectual and physical functioning of Whitney (that’s his name), has been told in this video:

A photographer and a photo of his metabolism

Whitney, who is now about 35, is no longer able to move from his bed, to read, and to communicate with his parents. He was previously a popular photographer and has traveled the world. This is his personal website. The latest update (2013) says: “Really sick.  I can’t talk. Can’t type/text enough to communicate. Haven’t had a conversation with someone in 6 months…” Whitney is a peculiar case, both because he has a particularly severe manifestation of ME/CFS (but there are other patients like him), and because his father is a professor of genetics at one of the world’s top universities (Stanford University). And what could a father-scientist do in order to save a son with an incurable condition? He studies, of course! But he does not restrict himself to scour compulsively scientific publications or biology books; he sets up a team of researchers, seeks funds to finance them, and invents new technologies to fight the disease. In the video of the intervention by Andreas Kogelnik, we can see the first outcomes of his efforts. In particular – at minute 8 – we have an eloquent snap-shot of Whitney’s energy metabolism (see figure below).

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Joule and glucose

Before examining Whitney’s metabolic data, let’s recall briefly that the process by which our cells extract energy from the chemical bonds of glucose, consists of two phases. The first, glycolysis, occurs in the cytoplasm (outside mitochondria) and allows to obtain two molecules of ATP from each molecule of glucose. The by-product of glycolysis consists of two molecules of pyruvate, for each molecule of glucose processed. But this by-product is the fuel that feeds the second stage, which occurs within the mitochondria. In this second phase, pyruvate is converted into acetyl-CoA (with the synthesis of 3 molecules of ATP for each molecule of pyruvate), and the acetyl-CoA is then sent to the Krebs cycle (also called the citric acid cycle), where 12 more molecules of ATP are produced, per molecule of acetyl-CoA. More precisely, the Krebs cycle produces one molecule of ATP, three of NADH and one FADH2; these last two molecules are sent to the oxidative phosphorylation (mitochondrial membrane) where they are used to synthesize a total of 11 molecules of ATP. The conclusion is that one molecule of glucose allows to produce 2 molecules of ATP in the cytoplasm, and 36 molecules within the mitochondria. (More recently a reinterpretation of the experimental evidence has suggested a slightly different result of 31 molecules of ATP from a molecule of glucose). These are the basics of the energy balance within cells. The issue becomes more complex when one considers that fatty acids and some amino acids are used by mitochondria in order to produce energy.

Half is not enough

What about the snapshot of Whitney’s energy metabolism? When account is taken of the fact that the data were presumably divided by the mean of the reference from healthy volunteers, it appears clear that his generator is running at about half of the average power. In fact, pyruvate (the end product of glycolysis) is about 0.6 of the average value, and all the metabolites of the Krebs cycle are comprised between 0.4 and 0.7. Accordingly, the level of glucose in the blood is slightly increased (Whitney’s pancreas struggles to avoid hyperglycemia, evidently), while the level of the lactate is equally low (lactate is produced from pyruvate). Now, if the cellular energy generator delivers a power (energy released per unit of time) equal to 50% of what the body normally produces, you would expect that those organs with the highest energy requirements, such as brain and muscles, are those which would suffer the most. And this theoretical model, based on real data from Whitney’s thermodynamics, would explain his symptoms. Of course, other interpretations are possible.

Outside the Krebs cycle

But where is the block in Whitney’s cellular energy generator? If glycolysis operates at 50% and if it is the glycolysis which fuels mitochondria, the answer seems simple: the block is in the cytoplasm, i.e. in glycolysis itself, outside the mitochondria. This interpretation of the data is consistent with what shown by Christopher Armstrong and his colleagues of the University of Melbourne, in 2015. The research team was indeed able to highlight a block of glycolysis, analyzing the normal panel of the organic acids in the blood and in the urine of 34 patients with ME/CFS (Armstrong CW et al. 2015). The hypothesis of a block of glycolysis is also compatible with the recent European work on ME patients from Pisa (Italy), in which an over-expression of two fundamental mitochondrial enzymes has been demonstrated (see this post). In fact, if the mitochondria were subjected to shortness of fuel, it would be logical to think that the number of their enzymes would increase, in order to extract every possible joule from the available substrate.

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Hypometabolism as an adaptation

Another possible explanation for the overall depression of the energy system (inside and outside mitochondria) is the one provided by Robert Naviaux, in his recent publication on metabolism of ME/CFS patients. According to his vision, mitochondria are partially turned off, as a response to a persistent or past environmental threat (mainly infections or toxic substances); this response is an evolutionarily conserved mechanism, whose role is to protect the body from the threat, a bit like fever is a defense system that promotes the immune response against a virus or a bacterium. If this was true, the mitochondria block should be managed in concert with the glycolysis block, otherwise you would have the accumulation of toxic substances, such as lactate. So this hypothesis fits well with the experimental data on Whitney. It is interesting to note that recently a similar mechanism has been described as a possible basis for bacterial persistence: exposed to antibiotics, bacteria turn off their energy metabolism and thus survive to these chemicals which, for the most part, target enzymes of their metabolic machinery (Shan Y et al. 2017). This makes a lot of sense, since more than 1.45 billions years ago mitochondria were in fact bacteria (R). So Whitney’s hypometabolic state could in fact represent an evolution of bacterial persistence.

Conclusions

Whitney’s metabolism reveals an overall halving of the power delivered by the power generators of his cells. Apparently the defect is in the initial part of glucose metabolism, outside the mitochondria, and of course it is reflected on mitochondrial metabolism, which is depressed. However other interpretations of these data are possible, such as the one proposed by Naviaux and colleagues, of an overall depression of the energy system as an evolutionarily conserved response to external threats (real or perceived). In addition, although a reduction in energy of 50% would seem to explain the symptoms, you can not say that this reduction is the cause of the disease, rather than one of its many consequences.

Nuovo marcatore per la ME/CFS

La combinazione di un livello alto di attivina B e normale di attivina A differenzia i pazienti ME/CFS dai controlli sani. Le attivine sono complessi proteici dimerici, formati cioè da due subunità accoppiate. Sono coinvolti in numerose funzioni, tra cui la regolazione del ciclo mestruale, della risposta immunitaria, del metabolismo etc. Non è chiaro quale sia il ruolo causale (ammesso che ci sia) tra un aumento di attivina B (e non di attivina A) e la ME/CFS. Tuttavia, se confermato, questo studio potrebbe fornire un marcatore economico e pratico.

La proteina nel siero di cui parla Ron Davis potrebbe essere la attivina B?

Gli autori suggeriscono che la follistatina potrebbe essere tentata come cura, in virtù della sua capacità di legare le attivine (tanto la A che la B), neutralizzandole (Lidbury BA et al. 2017).

 

Geni australiani

Geni australiani

Quattro studi, 23 polimorfismi e una tabella

Nella tabella riportata nel seguito ho raccolto i polimorfismi di singolo nucleotide (SNP) associati alla ME/CFS da ricercatori della Griffith University, con la condizione che fossero inclusi negli SNP letti nel diffuso test genetico 23ndME. Tra il 2015 e il 2016 il gruppo di ricerca ha pubblicato almeno quattro studi di genetica, individuando un totale di 65 SNP associati alla ME/CFS (Johnston S, Staines D et al. 2016), (Marshall-Gradisnik S, Huth T et al. 2016), (Marshall-Gradisnik S, Johnston S et al. 2016), (Marshall-Gradisnik S, Smith P et al. 2015). Di questi, solo 23 sono recuperabili nei dati forniti dal 23andME. Nella tabella riporto questi 23 SNP, la frequenza dei vari polimorfismi nelle persone sane (HC) e nei pazienti (CFS), gli Odds Ratios (OR) e i valori p; inoltre riporto le relative coppie di basi per tre pazienti (Pt. 1, 2, 3). In giallo i genotipi assocciati maggiormente alla patologia, in verde quelli che sembrano essere protettivi nei confronti della patologia. Per gli studi 1, 2, 3 ho riportato gli OR, mentre per la fonte 4 ho riportato i valori p. Un OR maggiore di 1 indica che il relativo genotipo è maggiormente associato alla patologia; minore di 1 indica che è protettivo nei confronti della patologia. Valori p minori di 0.05 indicano genotipi associati alla patologia.

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Recettore adrenergico alpha 1

Il genotipo AA nella posizione rs2322333 del gene per il recettore adrenergico alpha 1 (ADRA1A) risulta protettivo nei confronti della ME/CFS (Johnston S, Staines D et al. 2016). Come si vede dalla tabella, nessuno dei tre pazienti è portatore di questo genotipo. I recettori ADRA1A sono coinvolti nella vasocostrizione a livello della cute, del tratto digerente, dei genitali, dei reni e del cervello. Nel cervello questi recettori sono legati alla funzione dell’asse ipotalomo-ipofisi e alle funzioni motorie. Notoriamente, nella ME/CFS è frequente il riscontro di intolleranza ortostatica (POTS e/o ipotensione ortostatica), e nel complesso questo sintomo fa parte dei criteri diagnostici (IOM, 2015). La midodrina, un agonista del recettore ADRA1A, è stato suggerito come trattamento per la ME/CFS in un case study (Naschitz J et al 2004). Tutto questo considerato, la posizione rs2322333 potrebbe essere legata a qualche importante meccanismo alla base della ME/CFS.

TRPM3 expression
Figura. Espressione del gene TRPM3 in vari tessuti umani.

Recettori colinergici nicotinici ACHRN

Come si vede in tabella, il paziente uno presenta due polimorfismi nel gene per la subunità alpha 2 del recettore nicotinico della acetilcolina (ACHRN2), associati alla ME/CFS. I recettori nicotinici della acetilcolina si trovano sia nel sistema nervoso periferico (ramo simpatico e parasinpatico) che nella giunzione neuromuscolare. Sono presenti anche nel sistema nervoso centrale. Non solo, la subunità alpha 2 è espressa anche da vari leucociti (cellule B, T, monociti), così come la subunità beta 4, che presenta polimorfismi potenzialmente patolgici nei pazienti uno e tre. Eventuali fragilità in questi recettori potrebbero avere innumerevoli effetti: potrebbero ad esempio costituire un fattore predisponente alla intolleranza ortostatica, presente nella ME/CFS. Del resto la piridostigmina, un inibitore della colinesterasi, l’enzima che degrada la acetilcolina, è stata usata con successo in almeno uno studio su pazienti ME/CFS (Kawamura Y et al. 2003).

Canali ionici TRPM3

La Griffith University ha pubblicato due studi che postulano la teoria secondo la quale la ME/CFS sarebbe legata a un malfunzionamento dei canali di calcio transient receptor potential melastatin 3 (TRPM3). Dopo aver dimostrato che i TRPM3 sono ipoespressi sulla superficie delle natural killer dei pazienti, rispetto ai controlli sani (Nguyen T et al. 2016), i ricercatori australiani hanno dimostrato che questa anomalia condiziona il flusso di calcio all’interno delle NK, ipotizzando che sia proprio questa la causa della loro ridotta citotossicità riscontrata in innumerevoli studi. Poiché il TRPM3 è espresso in vari tessuti (neuroni sensori, reni, cervello, ipofisi, pancreas, vedi figura), i ricercatori hanno ipotizzato che il loro malfunzionamento sia la base fisiologica della ME/CFS  (Nguyen T et al. 2016). Inoltre, visti i dati pregressi (dello stesso gruppo) sulla associazione statistica fra ME/CFS e polimorfismi del TRPM3 (Johnston S, Staines D et al. 2016), (Marshall-Gradisnik S, Huth T et al. 2016), (Marshall-Gradisnik S, Johnston S et al. 2016), gli autori ipotizzano che questa disfunzione possa essere favorita da una predisposizione genetica. Nel caso dei nostri tre pazienti, ciascuno di loro è portatore di almeno una variante genetica del TRPM3 associata alla ME/CFS. In particolare, il genotipo CT nella posizione rs1328153 è presente in tutti e tre.