Il gene del male

Il gene del male

I mastociti

I mastociti sono un tipo di leucociti appartenenti alla categoria dei granulociti (vedi figura 1). Nella fase non ancora matura li troviamo nel sangue, da cui si diffondono a tessuti diversi (pelle, mucosa, cervello, vie respiratorie) dove evolveranno verso il fenotipo maturo.

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Figura 1. I mastociti (in rosso) sono un tipo di granulocita, ovvero di globulo bianco (leucocita) del sistema immunitario innato. Disegno di Paolo Maccallini.

L’avvenuta maturazione dei mastociti si manifesta con l’espressione dei recettori FCεRI e HLA-DR. Il primo è legato alla più famosa funzione dei mastociti, ovvero qualla di degranulare in presenza di IgE specifiche per determinati antigeni (vedi figura 2); il secondo è legato a una funzione meno nota, che i mastociti condividono con gli altri granulociti, ovvero quella di presentare gli antigeni alle cellule T helper (Th). Il recettore FCεRI si lega alla regione costante delle IgE (regione Fc) e manda un segnale alla cellula affinché essa degranuli, rilasciando le sue potenti armi chimiche, in grado di distruggere la minaccia (parassita, battere o fungo). A questa funzione dei mastociti sono legati i fenomeni allergici e lo shock anafilattico.

mastociti
Figura 2. Attivazione dei mastociti mediata da IgE. Disegno di Paolo Maccallini.

Durante la degranulazione i mastociti liberano una grande quantità di molecole, con effetti molto diversi; ma queste molecole possono essere rilasciate in modo selettivo anche in assenza di degranulazione, in risposta a stimoli eterogenei. Un riassunto schematico delle funzioni di questi mediatori si trova in figura 3 (Warnesson S, Pejler G, 2014). Come si vede tale arsenale chimico interferisce con svariati sistemi, come quello circolatorio e quello nervoso, oltre che con altre componenti del sistema immunitario innato e con il collagene.

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Figura 3. Funzioni delle varie molecole rilasciate dai mastociti sotto stimoli diversi. La fonte di questa illustrazione è  (Warnesson S, Pejler G, 2014). Mi sono permesso di aggiungere in rosso la retroregolazione positiva che sia l’istamina quanto la triptasi hanno sui mastociti. Infatti entrambe le molecole posseggono recettori sui mastociti stessi, e la loro presenza contribuisce a indurre altri mastociti a rilasciare le stesse molecole.

La sindrome di attivazione mastocitaria (MCAS)

Da molti anni è nota una malattia proliferativa dei mastociti (mastocitosi) in cui un numero troppo alto di questi granulociti nei tessuti è direttamente proporzionale al livello della tripatsi nel sangue. Questa rara malattia ha una base genetica riconducibile a una mutazione del gene KIT (identificata con la sigla D816V), il quale codifica per una proteina di membrana dei mastociti detta transmembrane tyrosine kinase receptor o anche CD117 (Nagata H et al. 1995). In questa sede non ci interessa la mastocitosi, che è una condizione rara e tuttavia già ben caratterizzata in termini di diagnosi e trattamento. Ci interessa piuttosto una condizione, paventata per la prima volta nel 1991, in cui si ha un aumento del rilascio di mediatori specifici dei mastociti (non uno in particolare), senza proliferazione dei mastociti stessi (Roberts LJ, Oates JA, 1991). Il riscontro di evidenze sempre maggiori a favore della esistenza di una siffatta patologia, ha portato alla pubblicazione dei criteri diagnostici per questa condizione, denominata ‘sindrome di attivazione mastocitaria’ (mast cells activation syndrome, MCAS) (Akin C et al. 2010). La MCAS è caratterizzata da una sorprendente e soverchiante varietà di sintomi, tra cui alcuni soggettivi, come:

  • fatica;
  • deficit cognitivi;
  • alterazioni del comportamento (ansia, agitazione, attacchi di panico, depressione);

altri obiettivabili, come

  • ipermobilità articolare;
  • ipotensione, tachicardia;
  • rash cutanei, ulcere, follicoliti;
  • ridotta capacità di rimarginazione delle ferite con sanguinamento copioso;

e tanti altri (Afrin, LB in Mast Cells, 2013). Questa presentazione clinica lascia increduli in un primo momento, ma risulta perfettamente comprensibile nell’istante in cui si consideri la diffusione ubiquitaria dei mastociti e la varietà di tipo e funzioni dei mediatori da essi rilasciati (vedi ancora figura 3).

Marcatori biologici per la MCAS

I mediatori che possono essere misurati nel siero per supportare una diagnosi di MCAS sono elencati di seguito con la relativa sensibilità (Vysniauskaite, M et al 2015):

  1. eparina basale (41%);
  2. triptasi (10%);
  3. cromogranina A (12%);
  4. N-metilistamina (22%).

Di questi solo la triptasi e la cromogranina A (usata anche come marcatore tumorale) possono essere eseguiti in Italia. Ma come si vede, la sensibilità di questi due marcatori è modesta. Si ricorda che la sensibilità di un test è il numero di risultati positivi ottenuti in un campione di 100 persone che siano portatrici della malattia (Parikh, R  et al. 2008). Mediatori meno specifici dei mastociti sono IL-1, IL-6, IL-8, TNF-alpha, and VEGF, tra gli altri.

Terapie per la MCAS

La terapia dela MCAS si avvale dell’uso di antagonisti dei recettori H1 (desloratadina, cetirizina etc) e H2 dell’istamina (ranitidina, famotidina), di stabilizzatori dei mastociti (sodio cromoglicato, ketotifene), degradatori della istamina (vitamina C) e altro (Afrin L et al. 2016).

MCAS, POTS, EDS III

Nel 2015 un gruppo australiano pubblicò un articolo in cui si descriveva la presenza contemporanea di tre malattie relativamente rare, in un gruppo di 6 persone. Le patolgie riportate erano la MCAS, di cui abbiamo discusso sopra, la ipotensione posturale ortostatica (postural orthostatic tachycardia syndrome, POTS), e la sindrome di Ehlers Danlos (EDS) (Cheung I et al 2015).

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Figura 4. Lo standing test di un soggetto di sesso femminile caratterizzato da ipermobilità articolare e clinica compatibile con la ME/CFS. Si noti il progressivo aumento della frequenza cardiaca dopo il passaggio dalla posizione supina a quella eretta, nonché l’instabilità pressoria. Il primo aspetto configura una diagnosi di POTS, il secondo non è necessario alla diagnosi di POTS, ma rivela una incertezza del sistema pressorio forse legata alle anomalie meccaniche delle pareti dei vasi. Grafico e misure di Paolo Maccallini.

La POTS è un tipo di intolleranza all’ortostatismo (orthostatic intollerance, OI), definita dalla persistenza di sintomi di OI associati a un incremento di 30 pulsazioni al minuto o a una pulsazione maggiore di 120 b/m, dopo dieci minuti di postura eretta (vedi figura). Per la diagnosi di POTS non è richiesta la presenza di ipotensione ortostatica (un’altra forma di OI). I sintomi di OI si acuiscono quando si assume la posizione eretta e sono i seguenti: deficit cognitivi quali perdita di memoria, ridotta concentrazione e capacità di ragionamento (fino alla perdita di coscienza); difficoltà visive, vertigini, mal di testa, fatica, aumento o diminuzione pressoria, debolezza, nausea, dolore addominale, sudorazione anomala, tremori, e intolleranza allo sforzo. Questa sintomatologia migliora sdraiandosi. La EDS è una malattia caratterizzata da difetti nelle articolazioni e nelle pareti dei vasi, ricondotti in molti casi a specifici difetti nei geni che codificano per il collagene (Bayers e Murray, 2013). La forma più comune di EDS (1/10.000-15.000) è il tipo III, chiamata tipo ipermobile (EDS hypermobility type, EDS-HT), condizione a cui ci si riferiva in passato con il nome di sindrome di ipermobilità articolare (joint hypermobility syndrome, JHS). Questa patologia ereditaria è caratterizzata da spiccata mobilità delle articolazioni, da sintomi muscolo-scheletrici, disautonomia e disturbi gastrointestinali (Grahame R, 2009). Sebbene la EDS-HT sia stata associata a mutazioni nel gene per la tenascina-X (Schalkwijk J, 2001) e nel gene COL3A1 (Narcisi P, 1994), attualmente non esiste un test genetico per questa forma di EDS, e la diagnosi rimane basata sui criteri clinici, come la scala di Brighton (Grahame R, 2000).

Una origine ereditaria si è ipotizzata tanto per la MCAS (Molderings GJ et al. 2007) che per la EDS III (Grahame R, 2009), sebbene i tentativi di rintracciare i geni difettosi siano stati a lungo velleitari. La POTS sembra più relegata invece a una eziologia post-infettiva (Sandroni P et al. 2009) (Kanjwal K, et al. 2011) (Li H et al. 2014), ma anche in questo tipo di eziologie una predisposizione genetica non può essere esclusa. In ogni caso una concorrenza di queste tre patolgie in sei individui sembra un evento altamente improbabile, a meno che non si ammetta una origine comune delle tre condizioni.

Il gene del male

Partendo da questo presupposto, un gruppo di ricerca statunitense, guidato dal National Institute of Health (NIH), ha scansito il DNA dei componenti di 35 famiglie in cui erano presenti molti membri con una combinazione di manifestazioni cutaneee di tipo allergico, disautonoma, sintomi gastrointestinali, dolore cronico, ipermobilità articolare. Si noti che questo raggruppamento di sintomi è simile a quello descritto nel paragrafo precedente, ovvero è classificabile come MCAS+POTS+EDS III. Ebbene, i ricercatori hanno potuto dimostrare che molti di questi individui, ma non tutti, presentavano una elevazione della triptasi nel sangue. Non solo, ma questa anormalità è risultata legata a copie multiple (due o tre) del gene che codifica per la isoforma alpha della triptasi (gene TPSAB1). In particolare, coloro che avevano una tiplicazione del gene nello stesso allele erano coloro con triptasi più alta e con sintomi peggiori (Lyons JJ et al. 2016). Questo permette di identificare finalmente in modo obiettivo un gruppo di pazienti che fino ad oggi ha vagabondato da un medico all’altro, per anni, senza poter trovare una soluzione ai propri molteplici problemi di salute e a una condizione di disabilità cronica spesso annichilente e confusa con patologie psichiatriche (vedi queste testimonianze). In questo video divulgato dall’NIH all’inizio del 2016 si descrive la scoperta, quando ancora il gene non era stato identificato, mentre in questo video del 17 ottobre viene presentata la identificazione del difetto genetico. Tuttavia, come evidenziato in precedenza, una triptasi elevata si riscontra solo nel 10% dei casi di MCAS e questo fa pensare che solo i pazienti in cui la MCAS si associ alla POTS e alla ipermobilità articolare, ci si possa aspettare questo tipo di causa genetica. Per tutti gli altri soggetti sono necessari altri studi, senza escludere che possano aversi anche casi indotti da fattori ambientali (infezioni, esposizioni a sostanze tossiche, muffe etc).

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Figura 5. Nuovi criteri diagnostici per la ME/CFS proposti dal’institute of medicine (IOM) nel 2015 dopo una accurata revisione della letteratura disponibile (IOM, 2015).

E la ME/CFS?

I pazienti MCAS+POTS+EDS III potrebbero in alcuni casi essere stati classificati come ME/CFS. Infatti:

  • è stato riportata in almeno un’occasione l’occorrenza negli stessi pazienti di una clinica compatibile con ME/CFS, di intolleranza ortostatica (la POTS è un tipo di intolleranza ortostatica) e di EDS di tipo III (Rowe PC, 1999);
  • la presenza di intoleranza ortostatica è un criterio diagnostico per la ME/CFS (vedi figura 5) (IOM, 2015);
  • la EDS di tipo III soddisferebbe i criteri per la ME/CFS in un 80-90% dei casi secondo alcuni Autori (Castori M, 2011);
  • un possibile ruolo della MCAS nella ME/CFS è stato ipotizzato in almeno uno studio (Theoharides, TC et al. 2005);
  • è stato recentemente riportato un aumento del numero dei mastociti con fenotipo CD117+CD34+FCepsilonRI- (mastociti immaturi) nel siero dei pazienti ME/CFS, nonché una loro elevata propensione alla presentazione degli antigeni, con aumento della espressione del CD40 e del MHC-II (che dimostra uno stato di attivazione) (Nguyen T et al. 2016).

In base a tutto questo sembra possibile dedurre che un  sottogruppo di pazienti ME/CFS presenti la duplicazione o la triplicazione del gene per la triptasi alpha. Del resto la triptasi è un enzima proteolitico e un aumento di attività proteolitica è stato da tempo rilevato nella ME/CFS (Demettre, et al., 2002). Un semplice modo per capire se si appartiene a questo insieme di pazienti è testare la propria triptasi, cosa possibile in qualunque grande ospedale italiano. In caso di valore elevato ci si potrebbe forse rivolgere ai centri italiani per mastocitosi, i quali verosimilmente saranno i primi a offrire il test per le copie multiple del gene della triptasi alpha.

Conclusioni

Nel caso di individui con manifestazioni cutaneee di tipo allergico, POTS, sintomi gastrointestinali, dolore cronico, fatica cronica, deficit cognitivi, ipermobilità articolare è stata dimostrata una associazione con un elevato livello di triptasi nel sangue, dovuto a copie multiple del gene che codifica per una delle isoforme della triptasi. Questo gruppo di pazienti potrebbe in parte essere stato diagnosticato come ME/CFS, anche perché in alcuni casi è descritto l’esordio solo dopo eventi stressanti. Il livello di triptasi sierica può essere misurato in ogni grande ospedale italiano. Non è da escludre che le terapie attualmente usate per la MCAS siano di beneficio nei portatori del difetto genetico.

Approfondimenti

  1. In questo post introduco la MCAS, prendendo spunto da una conferenza di Lawrence Afrin.
  2. In questo post introduco la sindrome di Ehlers-Danlos e discuto i legami tra la EDS ipermobile e la ME/CFS.
  3. Rimando a questo post, per una introduzione a sintomi, diagnosi e trattamento della POTS.
  4. Propongo in questo post un ruolo causale dei mastociti nella post-exertional malaise.
  5. Propongo in questo post un ruolo causale dei mastociti nella insolita prevalenza di anticorpi anti-cardiolipina nella ME/CFS e nella malattia di Lyme.
  6. Propongo in questo post una ipotesi che lega l’aumento di attività proteolitica nella ME/CFS a uno squilibrio nella sintesi della perforina delle cellule natural killer.
  7. In questa playlist del mio canale youtube sono raccolti alcuni video sulla MCAS.

Il dr. Afrin, l’attivazione mastocitaria, e le equazioni di Navier-Stokes

Il dr. Afrin, l’attivazione mastocitaria, e le equazioni di Navier-Stokes

Di Paolo Maccallini

Il dr. Lawrence Afrin è un informatico e medico impegnato nel campo della ematologia e dell’oncologia presso la University of Minnesota. La sua principale area di ricerca è attualmente quella delle malattie dei mastociti. Su questo argomento ha recentemente pubblicato un libro divulgativo (che non ho letto) e un esaustivo capitolo per un testo specialistico (che ho letto e trovato molto ben fatto), reperibile gratuitamente on line.

Nel video che si trova a questo link il dr. Afrin introduce in modo semplice, ma con dovizia di particolari, la sindrome da attivazione mastocitaria (MCAS), una patologia (o un insieme di patologie) relativamente nuova e poco conosciuta, definita esplicitamente solo nel 2007. La MCAS -spiega il dr. Afrin- sembra essere un disordine genetico, sotteso da un gruppo di polimorfismi del gene KIT, che porta a una attivazione abnorme di particolari globuli bianchi del sistema immunitario innato, i mastociti. Il gene KIT codifica per una proteina di membrana dei mastociti detta transmembrane tyrosine kinase receptor o anche CD117. Una particoare mutazione di questo gene (identificata con la sigla D816V) era già stata associata in precedenza a un’altra malattia dei mastociti, la mastocitosi, una rara condizione in cui si assiste a una proliferazione eccessiva dei mastociti. La MCAS condivide alcuni aspetti clinici della mastocitosi, ma è nettamente distinta da essa dalla mancanza dell’incremento del numero di mastociti nel midollo osseo.

La MCAS è caratterizzata da una grande varietà di sintomi, tra cui alcuni soggettivi, quali fatica e deficit cognitivi, e altri obiettivabili, come rash cutanei, ulcere, follicoliti, ipotensione, tachicardia, ridotta capacità di rimarginazione delle ferite con sanguinamento copioso; e tanti altri (Afrin, LB in Mast Cells, 2013). I sintomi possono essere cronicamente presenti, oppure alcuni di essi possono essere scatenati o peggiorati da dei fattori eterogenei, come l’attività fisica, particolari alimenti, infezioni, o sollecitazioni psichiche. Questo perché i mastociti sono sensibili a svariati parametri ambientali, da quelli chimici, a quelli meccanici, al contesto immunitario.

E’ stato già suggerito in passato un legame fra la MCAS e la CFS; in particolare è stato proposto che alcuni dei mediatori sintetizzati dai mastociti siano responsabili dei sintomi della CFS. I mediatori coinvolti sarebbero IL-1, IL-6, IL-8, TNF-alpha e la triptasi (Theoharides, TC et al. 2005). Ed effettivamente i primi quattro sono elevati nel siero dei pazienti CFS con una malattia della durata di meno di tre anni, per poi scendere con l’ulteriore passare del tempo (Hornig, M et al. 2015). Sfortunatamente questi 4 mediatori non sono sintetizzati esclusivamente dai mastociti, ma sono comunemente utilizzati dagli altri leucociti per scambiare messaggi nell’ambito del grande concerto della risposta immunitaria. Per esempio, la IL-6 è sintetizzata anche dalle cellule dendritiche, il TNF-alpha dai macrofagi, dai neutrofili e dalle Th1 etc (Sompayrac 2013). La triptasi è specifica invece dei mastociti, ma non è mai stata studiata nella CFS, fin ora. E’ previsto però il suo studio nella popolazione CFS da parte dell’NIH (vedi la seguente presentazione video, al minuto 46:10). Inoltre la stessa Mady Hornig (Columbia University) ha suggerito che l’istamina (un altro mediatore rilasciato dai mastociti) possa avere un ruolo nella CFS, alterando la pressione e altri parametri circolatori (articolo di Cort Johnson). In effetti una delle molteplici funzioni dell’istamina è la vasodilatazione. Facendo riferimendo a un modello semplificato della grande circolazione, in cui il cuore pompa il sangue in una conduttura a sezione circolare che si sviluppa tra il ventricolo sinistro e l’atrio destro, essendo il sangue approssimato come un fluido newtoniano e incomprimibile, vale l’equazione del flusso di Poiseuille: pouseille

dove p(0) è la pressione all’uscita del ventricolo sinistro, p(L) è la pressione all’ingresso dell’atrio destro, L è la lunghezza del condotto e ‘a’ è il suo raggio. Il flusso di Poiseuille rappresenta una soluzione paricolare delle equazioni che descrivono la meccanica dei fluidi newtoniani, dette equazioni di Navier-Stokes (Maccallini P, Meccanica dei Fluidi, 2007). Considerando che Q è la portata cardiaca ed è pertanto proporzionale -diciamo linearmente- alla frequenza cardiaca, si deduce che:

  1. una dilatazione dei vasi (aumento di ‘a’) determina -a parità di frequenza cardiaca- un calo della pressione sanguigna;
  2. per mantenere la pressione in presenza di una vasodilatazione il cuore può aumentare la sua frequenza.

Questa equazione dunque permette di spiegare in modo semplice come un eccesso di istamina potrebbe essere alla base sia di fenomeni di ipotensione, che di fenomeni di tachicardia, entrambi descritti nella CFS (Stewart, JL et al. 2016), ma anche nella malattia di Lyme (vedi in merito questo post).

Il legame fra mastociti e CFS è reso quanto mai attuale dalla recentissima pubblicazione di un piccolo studio da parte della Griffith University (Australia) in cui si riporta per la prima volta un aumento del numero dei mastociti con fenotipo CD117+CD34+FCepsilonRI- (mastociti immaturi) nel siero dei pazienti CFS, nonché una loro elevata propensione alla presentazione degli antigeni, con aumento della espressione del CD40 e del MHC-II (che dimostra uno stato di attivazione) (Nguyen T et al. 2016). In questo post propongo un ipotetico ruolo eziologico dei mastociti nella post-exertional malaise, basato sulla osservazione sperimentale che i mastociti sono attivati da attività fisiche di tipo particolare. In questo ulteriore post propongo invece l’ipotesi che l’insolita frequenza degli anticorpi anti-cardiolipina di sierotipo IgM nella CFS e nella neuroborreliosi, sia legata all’attivazione mastocitaria.

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Attivazione dei mastociti IgE-mediata. Disegno di Paolo Maccallini.

Nel video, il dr. Afrin suggerisce anche che la MCAS possa essere la vera causa di alcuni casi di Ehlers-Danlos di tipo ipermobile, condizione che di fatto ha una sorprendente associazione statistica sia con la MCAS (Cheung I, 2015) che con la CFS (Castori M, 2011) ed è ancora una diagnosi clinica. Il meccanismo suggerito consiste in una qualche azione distruttiva di uno o più mediatori dei mastociti sulla organizzazione del collagene.

I mediatori che possono essere misurati nel siero per supportare una diagnosi di MCAS sono elencati di seguito con la relativa sensibilità (Vysniauskaite, M et al 2015):

  1. eparina basale (41%);
  2. triptasi (10%);
  3. cromogranina A (12%);
  4. N-metilistamina (22%).

Di questi solo la triptasi e la cromogranina A (usata anche come marcatore tumorale) possono essere eseguiti in Italia. Ma come si vede, la sensibilità di questi due marcatori è modesta. Si ricorda che la sensibilità di un test è il numero di risultati positivi ottenuti in un campione di 100 persone che siano portatrici della malattia (Parikh, R  et al. 2008).

ME/CFS, Lyme disease, anti-cardiolipin antibodies and mast cells

ME/CFS, Lyme disease, anti-cardiolipin antibodies and mast cells

By Paolo Maccallini

Antibodies to cardiolipin in ME/CFS

In 2009 a group from the University of Hawaii at Mânoa searched for anti-cardiolipin antibodies (anti-CA Abs) in ME/CFS (1). Surprisingly, they found that anti-CA Abs were present in 38/40 (95%) of serum samples. Positive samples were all of the IgM serotype, and four of them were also of the IgG serotype. This study followed a previous one by the same group in which presence of the phospholipid cardiolipin (CL) was demonstrated in sera from 117/328 (91,2%) of CFS patients, while only 7,7% of serological samples from healthy subjects harboured this molecule (2). As CL is a component of the inner membrane of mitochondria, this research group suggested an alteration of the inner membrane of mitochondria with consequent exposure of CL and immune system response to it, as an underlining mechanism for CFS pathophysiology (1). It is worth noting that anti-CL Abs are present in 22,7% (53/233) of healthy subjects, according to one research group who found an association of positive serum samples with neuropsychological impairment in elderly normal subjects. In contrast with CFS patients, in healthy subjects there is a prevalence of the IgG serotype (3).

Antibodies to cardiolipin in autoimmune diseases

Anti-CL Abs have been reported in autoimmune and infectious diseases. In Behçet’s disease, 13/70 (24.28%) patient sera reacted against CL, mainly with IgG serotype, in one 1984 study. An association between anti-CA and retinal vascular disease in this cohort was reported (4). In systemic lupus erythematosus 32/59 (54.2%) patients have elevated serum Abs against CL in a Swedish study where no correlation with particular clinical features was reported (5). In rheumatoid arthritis anti-CA are present in 55/173 patients (32%) and they are associated with rheumatoid nodules, but not with history of thrombosis (6).

anti-cardiolipin
Anti-cardiolipin Abs in ME/CFS,  autoimmune diseases, Lyme disease and other infectious diseases.

Antibodies to cardiolipin in Lyme disease and other infectious diseases

In HIV-1 anti-CL are reported in 36% of patients (7) and they may be elicited in some cases through molecular mimicry, by HIV-1 envelope (ENV) (8). Anti-CA are a common finding in infectious mononucleosis (IM), and a research group found the IgM serotype (IgG was not tested) to be elevated above two standard deviations compared to the control sera, in 13/35 (37%) sera from IM patients. In this study it was also reported that anti-CA from two of the IM sera did react with the membrane of EBV-transformed lymphocyte and proposed that B cells infected with EBV would generate new epitopes of altered phospholipids which could subsequently become target for anti-cardiolipin antibodies (9). Anti-CA have also been associated with other infections, as leprosy (caused by bacteria from the genus Mycobacterium) where 22/33 patients were reported to be anti-CA positive, tuberculosis (also caused by bacteria from the same genus) with 16/30 patients positive to anti-CA (10), hepatitis C virus where 28/75 patients were reported to have positive anti-CA (11), Q fever (infection by Coxiella burnetii) where 17/26 have been reported to have high levels of anti-CA antibodies (12) and others (13). Anti-cardiolipin antibodies may occur in patients with Lyme disease too, particularly in those with neurologic abnormalities. In a 1993 study, anti-CA antibodies of the IgG serotype were found in 50% of patients with neuroborreliosis (14). This is of interest, since EBV and other infections have been linked to CFS, both as a mere trigger of the disease and as root causes able to perpetuate the symptomatology through a chronic low-grade active infection (15).

A possible role for anti-cardiolipin antibodies in cognitive abnormalities

 Anti-CA have been shown to cross react with the brain phospholipids cephalin and sphingomyelin (16). As a population of autoantibodies directed against central nervous system tissue, they may thus be theoretically linked to the cognitive dysfunctions described in ME/CFS and Lyme disease.

 A possible mechanisms for the genesis of anti-cardiolipin antibodies

 Auto-antibodies against human antigens can be induced by infectious agents through the mechanism of molecular mimicry, and other mistakes of the host immune system. When the antigen targeted by an autoantibody has a cytoplasmic collocation (which is the case of cardiolipin), usually phenomena of cellular damage (such as apoptosis, intracellular infections, autoimmune disease etc.) are believed to be necessary (but not sufficient) to the rise of the pathologic immune response (17), (18). Thus, the presence of anti-CA in ME/CFS and in Lyme disease may reflect both a post-infectious immunological phenomenon or an ongoing damage to host tissues or an ongoing infection, or a combination of those processes.

Nevertheless, we can also propose a completely different mechanism for anti-cardiolipin Ab induction, which doesn’t rely on previously described mechanisms. It has been recently described in vitro the ability of human mast cells to release (without degranulation) components of their own mitochondria, when stimulated with the pro-inflammatory substance P, or with IgE and their relative antigens (19). Although this appears to be a physiological response of mast cells to infections and other triggers, we have to consider that in ME/CFS proofs of an abnormal activity of mast cells have been recently presented: mast cells appear to be more numerous in blood and more prone to antigen presentation in ME/CFS patients than they are in healthy people (20). Moreover, there is a recently defined disorder due to abnormal activity of mast cells, whose name is mast cell activation syndrome (MCAS), which has been linked to fatigue, brain fog, and orthostatic intolerance (21) and thus may have some relationship with ME/CFS (22).

Thus, a possible explanation for the presence of anti-cardiolipin in ME/CFS is the abnormal exposure of the immune system to mast cells mitochondria, with consequent induction of a specialized immune response against this phospholipid. This mechanism could also be present in neuroborreliosis where anti-CA have been reported too, as we know that mast cells are activated in vitro by the spirochete Borrelia burgdorferi sl (23).

Conclusions

The presence of anti-cardiolipin antibodies is very high in ME/CFS and -to a less extent- in neuroborreliosis. It may explain at least some aspects of the cognitive impairment described in these debilitating diseases, given that anti-cardiolipin Ab are reported to react against some neuronal antigens, and are associated with cognitive decline. The abnormal syntesis of anti-CA Ab may be due to molecular mimicry which follows the infectious trigger, to ongoing infections, to cellular damage or to abnormal mast cells activation, or to a combination of these mechanisms.

For a possible link between mast cells and post-exertional malaise, please see this post.

References

  1. Hokama, Y, et al. Anticardiolipin antibodies in the sera of patients with diagnosed chronic fatigue syndrome. Journal of clinical laboratory analysis. 2009, Vol. 23, 4, p. 210-2.
  2. Hokama, Y, et al. Acute phase phospholipids related to the cardiolipin of mitochondria in the sera of patients with chronic fatigue syndrome (CFS), chronic Ciguatera fish poisoning (CCFP), and other diseases attributed to chemicals, Gulf War, and marine toxins. Journal of clinical laboratory analysis. 2008, Vol. 22, 2, p. 99-105.
  3. Schmidt, R, et al. Anticardiolipin antibodies in normal subjects. Neuropsychological correlates and MRI findings. Stroke; a journal of cerebral circulation. May 1995, Vol. 26, 5, p. 749-54.
  4. Hull, RG, et al. Anticardiolipin antibodies: occurrence in Behçet’s syndrome. Annals of the rheumatic diseases. 1984, Vol. 43, p. 746-748.
  5. Sturfelt, G, et al. Anticardiolipin antibodies in patients with systemic lupus erythematosus. Arthritis and rheumatism. April 1987, Vol. 30, 4, p. 382-8.
  6. Wolf, P, et al. Anticardiolipin antibodies in rheumatoid arthritis: their relation to rheumatoid nodules and cutaneous vascular manifestations. The British journal of dermatology. July 1994 , Vol. 131, 1, p. 48-51.
  7. Petrovas, C, et al. Anti-phospholipid antibodies in HIV infection and SLE with or without anti-phospholipid syndrome: comparisons of phospholipid specificity, avidity and reactivity with beta2-GPI. Journal of autoimmunity. November 1999 , Vol. 13, 3, p. 347-55.
  8. Nabel, GJ. Immunology. Close to the edge: neutralizing the HIV-1 envelope. Science. 24 June 2005, Vol. 308, 5730, p. 1878-9.
  9. Misra, R, et al. Anti-cardiolipin antibodies in infectious mononucleosis react with the membrane of activated lymphocytes. Clinical and experimental immunology. January 1989, Vol. 75, 1, p. 35-40.
  10. Santiago, MB, et al. Anticardiolipin antibodies in patients with infectious diseases. Clin Rheumatol. Mar 1989, Vol. 8, 1, p. 23-8.
  11. Dalekos, GN, et al. Increased incidence of anti-cardiolipin antibodies in patients with hepatitis C is not associated with aetiopathogenetic link to anti-phospholipid syndrome. Eur J Gastroenterol Hepatol. Jan 2000, Vol. 12, 1, p. 67-74.
  12. Ordi-Ros, J, et al. Prevalence, significance, and specificity of antibodies to phospholipids in Q. Clin Infect Dis. Feb 1994, Vol. 18, 2, p. 213-8.
  13. Cervera, R, et al. Antiphospholipid syndrome associated with infections: clinical and microbiological characteristics of 100 patients. Annals of the rheumatic diseases. October 2004, Vol. 63, 10, p. 1312-7.
  14. García-Moncó, JC, et al. Reactivity of neuroborreliosis patients (Lyme disease) to cardiolipin and gangliosides. July 1993, Vol. 117, 1-2, p. 206-14.
  15. Beyond Myalgic Encephalomyelitis/Chronic Fatigue Syndrome: Redefining an Illness. IOM. Washington (DC) : National Academies Press (US), 2015.
  16. Harris, EN, et al. Anticardiolipin antibodies detected by a new solid phase radioimmune assay: striking association with thrombosis. Annals of rheumatologic diseases. 1984, Vol. 43, p. 122.
  17. Root-Bernstein, R. Rethinking molecular mimicry in rheumatic heart disease and autoimmune myocarditis: laminin, collagen IV, CAR, and B1AR as initial target of disease. Frontiers in Pediatrics. August 2014, Vol. 2, 85.
  18. Suurmond, J e Diamond, B. Autoantibodies in systemic autoimmune diseases: specificity and pathogenicity. J Clin Invest. Jun 2015, Vol. 125, 6, p. 2194-202.
  19. Zhang, B, et al. Stimulated human mast cells secrete mitochondrial components that have autocrine and paracrine inflammatory actions. PLoS One. 2012, Vol. 7, 12.
  20. Nguyen, T, et al. Novel characterisation of mast cell phenotypes from peripheral blood mononuclear cells in chronic fatigue syndrome/myalgic encephalomyelitis patients. Asian Pac J Allergy Immunol. 30 Jun 2016.
  21. Akin, C, Valent, P e Metcalfe, DD. Mast cell activation syndrome: Proposed diagnostic criteria. J Allergy Clin Immunol. Dec 2010, Vol. 126, 6.
  22. Afrin, LB, et al. Often seen, rarely recognized: mast cell activation disease – a guide to diagnosis and therapeutic options. Ann Med. May 2016, Vol. 48, 3, p. 190-201.
  23. Talkington, J e Nickell, SP. Borrelia burgdorferi spirochetes induce mast cell activation and cytokine release. Infect Immun. Mar 1999, Vol. 67, 3, p. 1107-15.
  24. Nishikai, M, et al. Autoantibodies to a 68/48 kDa protein in chronic fatigue syndrome and primary fibromyalgia: a possible marker for hypersomnia and cognitive disorders. July 2001, Vol. 40, 7, p. 806-10.
  25. Tanaka S1, Kuratsune, H, et al. Autoantibodies against muscarinic cholinergic receptor in chronic fatigue syndrome. International journal of molecular medicine. August 2003, Vol. 12, 2, p. 225-30.

Mast cells and post-exertional malaise

By Paolo Maccallini

Background
There is a rare disease in which mast cells degranulation is induced by exercise of low intensity, particularly by exercises that require whole body involvement, such as jogging, aerobics and walking (Barg W et al. 2011). The name of this disease is exercise-induced anaphylaxis (EIA). There is another recently defined disorder due to abnormal activity of mast cells, the name of which is mast cell activation syndrome (MCAS), that has been linked to fatigue, brain fog, and orthostatic intolerance (Akin L, 2010).

The hypothesis
MCAS has already been somehow associated to ME/CFS by various Authors (Afrin L et al. 2016) however, to my knowledge, nobody has suggested that the possible link between CFS and MCAS may be an exercise induced increased release of mediators by mast cells. In other words, post exertional malaise (PEM) could be – according to this hypothesis – a form of exercise-induced mast cell activation similar to EIA, but without anaphylaxis. A possible reason for exercise induced mediators release could be found in the abnormally high level of C4a, six hours after exercise in CFS (Sorensen, 2003). C4a – along with C4b – is the split product of C4, a protein of the complement system. As C4a is also an anaphylatoxin (i.e. a protein which stimulates mast cells) it could be a trigger for exercise induced activation. One of the feasible mechanisms for mast cells induced fatigue is the following one: release of fragmented mitochondria by activated mast cells (Zhang et al. 2012) may be a trigger for the cell danger response (CDR) through activation of the purinergic system, with consequent shut down of mitochondria (Naviaux R, 2013).

Experimental proof
This hypothesis can be verified measuring mast cells specific mediators after a physical effort. These mediators are:

Less specific mast cells mediators are IL-1, IL-6, IL-8, TNF-alpha, and VEGF, among others.

Mast cells and Lyme disease
It has been demonstrated in vitro the potential for mast cells activation by B. burgdorferi spirochetes, with consequent TNF-α release (Talkington et al. 1999). Thus, a possible link between mast cells mediators and currently unexplained symptoms of Lyme disease and – more importantly – of post treatment Lyme disease syndrome (PTLDS), should be investigated.

Please, visit also this post on mast cells and anti-cardiolipin antibodies in CFS and Lyme disease.