La patofisiologia della fatica?

La patofisiologia della fatica?

Sommario

Diversi studi hanno evidenziato una disfunzione metabolica nei pazienti ME/CFS, riconducibile a una forma di ipometabolismo caratterizzata – in particolare – da una riduzione dei metaboliti del tratto iniziale del ciclo di Krebs. Presento qui la misura dei metaboliti del ciclo di Krebs nelle urine di 3 pazienti ME/CFS, in cui si evidenzia una riduzione significativa di aconitato. Propongo un modello quantitativo semplificato del ciclo, da cui si deduce una produzione di ATP da NADH mediamente ridotta al 30% della norma in ciascuno dei 3 pazienti.

Introduzione

In questo ultimo anno, almeno quattro studi hanno riportato alterazioni metaboliche significative nei pazienti ME/CFS, complessivamente riconducibili a una forma di ipometabolismo [1, 2, 3, 4] che non risulta giustificato da decondizionamento [5]. Questi risultati sono stati ottenuti misurando un elevato numero di metaboliti nel sangue, per mezzo della spettroscopia di massa. Tre di questi lavori hanno riportato una deplezione di alcuni amminoacidi [1, 2, 3] – tra le altre cose – ed è stato suggerito che queste molecole vengano catabolizzate nel ciclo di Krebs (o ciclo del TCA), come fonte di energia alternativa al glucosio [3]. Misurando direttamente i metaboliti del ciclo di Krebs (Figura 1), un gruppo giapponese è stato in particolare in grado di riscontrare una deplezione dei metaboliti delle prime reazioni del ciclo del TCA (citrato, aconitato, isocitrato), che è stata proposta come base patofisiologica della fatica [4]. L’aconitasi, un enzima centrale di questa parte del ciclo del TCA (Figura 1), è stato trovato significativamente iper-espresso nei pazienti ME/CFS [6], a sostegno di una disfunzione di questo percorso metabolico centrale per la produzione di energia. Una analisi comparata di questi studi è presente in questo articolo del blog. In quello che segue propongo una indagine su tre pazienti che sembrerebbe confermare un difetto della parte inziale del ciclo di Krebs.

Krebs cycle
Figura 1. Il ciclo di Krebs. In azzurro i metaboliti internedi di questa via metabolica. In verde i prodotti ad alta energia (NADH, FADH2), in giallo gli amminoacidi che alimentano il ciclo del TCA, in caso di insufficiente apporto da parte della glicolisi e della beta ossidazione. I circoli in marrone sono gli amminoacidi. Disegno di Paolo Maccallini.

Metabolomico delle urine

Tre pazienti tra i 35 e i 49 anni di età, due maschi e una femmina, hanno fornito le loro urine per una analisi di circa 70 metaboliti, tra cui 6 molecole intermedie del ciclo del TCA (tabella 1). I pazienti raggiungevano un punteggio di 30 sulla scala di Bell, al momento della raccolta del campione. L’analisi è stata eseguita da The Great Plains Laboratory, USA. I dati del controllo sono riportati come media più/meno deviazione standard.

Metabolites
Tabella 1. I dati del controllo sono espressi come media più/meno deviazione standard. In arancio i valori bassi, in verde quelli normali, in azzurro quelli alti. Tabella di Paolo Maccallini.

Come si vede, ciascuno dei pazienti ha 4 metaboliti a più di una deviazione standard sotto la media. Il dato più interessante è la riduzione di aconitato, che in ciascuno dei pazienti è a più di due deviazioni standard dalla media.

ATP production.png
Tabella 2. Produzione di ATP da NADH e da FADH2.

L’ATP proveniente dall’NADH è ridotto a un terzo della media

Nei passaggi che seguono ho fatto un tentativo di calcolare l’ATP proveniente dal NADH e dal FADH2 prodotti nel ciclo di Krebs nei tre pazienti, confrontando questi dati con i rispettivi valori medi del controllo sano. I dati sono riassunti in Tabella 2, dove emerge una produzione di ATP da NADH pari a circa un terzo di quella media del controllo sano. Questi dati riguardano ciò che avviene mediamente nelle cellule dei pazienti e sono stati ottenuti con un approccio altamente semplificato e discutibile.

Calculations.png

Discussione

I dati qui riportati per tre pazienti ME/CFS sono in accordo con quanto descritto da Yamano e colleghi [4], che – come già menzionato – propongono la riduzione di citrato, aconitato, isocitrato (regione rosa in Figura 1) come base organica della fatica nella ME/CFS. Una riduzione dell’aconitato sembra coerente anche con la iper-espressione dell’aconitasi rilevata in un gruppo di pazienti italiani [6]. Questo enzima infatti catalizza la reazione precedente e quella successiva all’aconitato (Figura 1). Si osservi che i passaggi che dal citrato portano all’alpha ketoglutarrato non sono alimentati da fonti alternative (amminoacidi), a differenza di altre fasi del ciclo di Krebs, e quindi sembrano costituire la parte più a rischio di deplezione. Allo stesso tempo questa regione fornisce una molecola di NADH, pari a 3 delle 12 molecole di ATP prodotte dal ciclo. Quindi un suo difetto avrebbe un impatto non trascurabile nel bilancio energetico complessivo delle cellule. In effetti, in base ad una stima molto approssimativa, i 3 pazienti qui discussi presentano una sintesi di ATP da NADH pari a un terzo di quella che si ha mediamente nel controllo sano. L’aumento della espressione dell’aconitato potrebbe da un lato costituire la causa della deplezione di questo tratto del ciclo del TCA, dall’altro essere una misura di compenso della deplezione stessa, messa in atto per processare ogni goccia di substrato presente.

Vale appena la pena sottolineare che un esame metabolico delle urine fornisce, per ciascun metabolita, un valore medio che rispecchia il metabolismo medio della generica cellula del corpo. La media è da considerarsi su un tempo di alcune ore. Pertanto la difettosa sintesi di energia costituirebbe un problema sistemico e potrebbe – in quanto tale – spiegare i principali sintomi della ME/CFS: deficit cognitivi e fatica, esacerbati dallo sforzo.

Non è dato sapere quale sia l’origine di questa disfunzione metabolica, sebbene diverse ipotesi siano state proposte [1, 3] e non è noto se una terapia integrativa mirata a questo percorso metabolico (amminoacidi, vitamine etc), possa essere di qualche efficacia.

Conclusione

Ho discusso i dati metabolici del ciclo di Krebs di tre pazienti ME/CFS che sembrano coerenti con l’alterazione del ciclo del TCA proposta da alcuni Autori come base fisiologica della fatica nella ME/CFS e con l’iper-espressione dell’enzima aconitasi, riportata in questa popolazione di individui. L’origine della alterazione è ignota.

Riferimenti

  1. Naviaux R et al. Metabolic features of chronic fatigue syndrome PNAS 2016 113 (37) E5472E5480; published ahead of print August 29, 2016, doi:10.1073/pnas.1607571113
  2. GermainA et al. Metabolic profiling of a myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome discovery cohort reveals disturbances in fatty acid and lipid metabolism Mol. BioSyst., 2017,13, 371-379DOI: 10.1039/C6MB00600K
  3. Øystein Fluge .et al. Metabolic profiling indicates impaired pyruvate dehydrogenase function in myalgic encephalopathy/chronic fatigue syndrome. JCI Insight. 2017;1(21):e89376.doi:10.1172/jci.insight.89376.
  4. Yamano E et al. Index markers of chronic fatigue syndrome with dysfunction of TCA and urea cycles. Sci Rep. 2016 Oct 11;6:34990. doi: 10.1038/srep34990.
  5. Miriam E. Tucker.Possible Mechanism Identified for ‘Chronic Fatigue Syndrome’. MedScape
  6. Ciregia F. et al. Bottom-up proteomics suggests an association between differential expression of mitochondrial proteins and chronic fatigue syndrome. Transl Psychiatry 2016. 6, e904; doi:10.1038/tp.2016.184

Il test diagnostico per la ME/CFS?

Il test diagnostico per la ME/CFS?

Quella che segue è una sintesi estrema di una intervista a Ronald Davis (del 15 giugno) che potete ascoltare qui.

Un piccolo apparecchio (detto nano-needle) permette di ricondurre la misura del metabolismo di una coltura cellulare a una misura di impedenza (l’equivalente, nei conduttori sottoposti a corrente alternata, della resistenza elettrica). Se si prendono le cellule dei pazienti ME/CFS e le si espone a uno stress osmotico (aggiungendo NaCl), l’impedenza sale in modo anomalo: con cellule di persone sane non si ha aumento di impedenza.

Questo apparato sperimentale – secondo Davis – costituisce il test diagnostico per la malattia. Economico, semplice e sensibile. La specificità rispetto ad altre malattie al momento non sembra nota.

La malattia si profilerebbe come un disordine del metabolismo indotto dal sistema immunitario (cellule B e/o cellule T).

Nano-needle ha un costo irrisorio, ma richiede il collegamento a un altro apparecchio (basta un iPhone) per fornire la misura.