Antibodies to adrenergic and muscarinic receptors in ME/CFS

Antibodies to adrenergic and muscarinic receptors in ME/CFS

A translation to Dutch of this article is available here.

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During the Community Symposium on the molecular basis of ME/CFS (R) two different groups of researchers reported on an increased level of antibodies to beta adrenergic and muscarinic receptors in sera from ME/CFS patients vs healthy controls (Figure 1). These new data have been collected independently by Alan Light (University of Utah) and Jonas Bergquist (Uppsala Universitet). Bergquist also reported that these autoantibodies can’t be found in cerebrospinal fluid from ME/CFS patients.

autoantibodies
Figure 1. Two slides from the symposium: on the left data from Uppsala Universitet, on the right data from a group of patients studied by Alan Light (University of Utah).

What was already known on these autoantibodies

The presence of a higher than normal reactivity of sera from ME/CFS patients to muscarinic receptors was reported for the first time by a Japanese group, more than a decade ago (Tanaka S et al. 2003) and it has been confirmed recently in a work by University of Bergen (Norway) and Charité University (Germany) (Loebel M et al. 2016). In particular, while Tanaka and colleagues measured an increased level of autoantibodies against muscarinic cholinergic receptor 1 (CHRM1) in about half of patients, the other group described an increase in reactivity of sera to subtypes M3 and M4, in a subset of patients (Figure 2). They used two completely different assays, as we will see later, and this might be the reason for the different results.

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Figure 2. An increase in reactivity of sera from ME/CFS patients to M1 cholinergic receptors was reported by Tanaka and colleagues in 2003 (left). Loebel and colleagues found an increase in reactivity to M3, M4 cholinergic receptors and beta 2 adrenergic receptors in 2016 (right).

As you can see from figure 2, the study by Loebel et al. also indicated an increase in antibodies to beta adrenergic receptors (subtype 2), in agreement with the latest data from Light and Bergquist. In this regard, it is worth noting that autoantibodies to muscarinic receptors M2 and M3, and to beta adrenergic receptors (subtype 1 and 2) have been already reported in orthostatic hypotension (OH) (Yu X et al. 2012), (Li H et al. 2012) and that antibodies to beta 2 adrenergic receptors have been identified in patients with postural-orthostatic tachycardia syndrome (POTS) (Li et al. 2014). This means that this group of autoantibodies is associated with orthostatic intolerance (POTS and/or OH), but orthostatic intollerance is part of the clinical picture of ME/CFS (IOM 2015) and those patients who have a diagnosis of POTS often have many features in common with ME/CFS patients, see for instance (Okamoto L et al. 2012), (Wise S et al. 2015). So, it might be conceivable that these autoantibodies play a role in the pathogenesis of some symptoms in a subgroup of patients, although this has not been proven, so far.

Molecular mimicry?

We don’t know the reason why the immune system of some ME/CFS patients reacts with these receptors, but Alan Light suggested, during the symposium, that a possible source for these antibodies might be a mechanism known with the name of molecular mimicry (MM). The basic idea behind MM is that B cells can erroneously produce antibodies to human proteins when epitopes of an infectious agent closely resemble epitopes found in the host (Rose NR 1998). MM is currently believed to explain the pathogenesis of Guillain-Barré syndrome, where lipo-oligosaccharides on the Campylobacter jejunii outer membrane seems to elicit (in predisposed individuals) an immune response to human gangliosides, due to the similarity between these antigens (Van den Berg B et al. 2014). Now, if molecular mimicry was involved in the origin of antibodies to beta 2 adrenergic receptors, which could be the epitope on the receptor? And which the pathogen-borne antigen? In order to provide a possible answer to this question we have to consider that the regions of a receptor that can be involved in B cell autoimmunity are only those that have extracellular exposure; the other regions are immersed in plasma membrane and in cytoplasm, so they can’t interact with antibodies. As you can see from Figure 3, beta 2 adrenergic receptor (ADRB2) has four extracellular regions, in particular peptides 1-34, 96-106, 175-196, 299-305. In general, epitopes are mainly conformational and that means that they are regions of the protein surface, produced by the folding of the protein itself. Nevertheless, in our example we will search only for linear epitopes.

Beta 2
Figure 3. Schematic representation of ADRB2, from (Rasmussen G et al. 2007). You can notice the extracellular peptides 1-34 (the N-terminus), 96-106 (loop 1), 175-196 (loop 2), 299-305 (loop 3).

I have used QuickBLASTP provided by NCBI, with default settings (E=100, a word of 6 letters, BLOSUM62 as substitution matrix) and I have considered for each of the four extracellular peptides both the sequence of residues from the N-terminus to the C-terminus, and the inverted sequence. We obtain as the only match the protein sensor histidine kinase MtrB belonging to Pseudonocardia sp. Ae331_Ps2 (R) (Figure 4). I can’t find this particular protein in UniProt, but if it was a membrane protein and if peptide 67-77 was exposed to the extracellular space, this peptide could perhaps be a candidate as a trigger for anti-ADRB2, according to the MM theory. It is important to note here that although molecular mimicry is a popular theory (perhaps because of its simplicity) it has been proven to be a cause of autoimmnity only in Guillain-Barré syndrome.

molecular mimicry
Figure 4. Peptide 2-12 of the ADRB2 receptor resembles peptide 67-77 of sensor histidine kinase MtrB (from Pseudonocardia sp. Ae331_Ps2).

So, what about a test for these autoantibodies?

If antibodies to adrenergic and muscarinc receptors were involved in the pathogenesis of some cases of ME/CFS, it would be interesting for patients to test for them. In this regard, it is worth noting that the measure of antibodies to membrane receptors should be done using an assay in which these receptors are expressed by living cells in their physiological position (CBA, cell based assay). In fact, with assays in which receptors are coated on plates we may have both false positives (due to the fact that sera react with peptides that are not in the extracellular domain) and false negatives (due to protein denaturation, which leads to the formation of epitopes that would not be present if the protein were correctly folded). The superiority of CBA over the other kind of test is well accepted in the case of anti-MOG antibodies (Ramanathan S et al 2016). It is worth noting that the study by Loebel et al. used a CBA, while the previous one (Tanaka et al.) used recombinat proteins coated on plates, and this could be the reason for the discrepancy between the results of the two studies (figure 2). As far as I know, there are no commercial CBA assays for anti-muscarinic cholinergic receptors and beta adrenergic receptors, at present. The only assay available does not seem to be a CBA, from the provided documentation (R).

ADRB2_2R4R_231_242
Figure 5. I have reported in yellow the epitope predicted by DiscoTope 2.0 on the 3D structure of ADRB2 (PDB ID: 2R4R chain A). I have also indicated what part of the molecule is outside the cell, what is inside the membrane and what is inside the cell.

In silico experiment

We will now try to simulate what could happen with a test for the search of anti-ADB2R antibodies, if the protein was coated on a plate. We will use the prediction of DiscoTope 2.0, which is a software that calculates all possible B cell epitopes of a given protein, using both the geometry of the protein (in particular a parameter called protrusion index, calculated from the protein’s ellipsoid of inertia) and statistical data on known B cell epitopes (Kringelum, et al., 2012). If we use the 3D structure of ADB2R experimentally determined in (Rasmussen et al. 2007) with standard settings, DiscoTope predicts peptide 231-242 as the only possible epitope (consider that the experimental 3D structure of ADB2R is incomplete). As you can see from figure 5 this peptide belongs to the intracellular domain of the receptor and so it by no means could be a B cell epitope, in vivo. In conclusion, according to this simulation, there is a risk of false positive results with any test that uses recombinat ADB2R coated on a plate.

 

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Bartonellosi

Bartonellosi

Introduzione

Una decina delle 21 specie di batteri appartenenti al genere Bartonella sono potenzialmente in grado di generare infezioni sintomatiche negli esseri umani, con manifestazioni che possono avere gravità variabile: da malattie che si risolvono spontaneamente a condizioni che mettono a repentaglio la vita del paziente. Anche la durata può variare, da infezioni acute di qualche giorno a infezioni croniche (Mogollon-Pasapera E et al. 2009).

Malattia da graffio del gatto e altre manifestazioni

La più nota di queste patologie è forse la “malattia da graffio del gatto” (cat-scratch diesease) dovuta a Bartonella henselae e trasmessa agli uomini dai gatti, attraverso morsi o graffi. La trasmissione da gatto a gatto avviene attraverso le pulci (Ctenocephalides felis) e il 50% dei gatti domestici è portatore sano di questo patogeno (Massei F et al. 2005). In genere la malattia da graffio del gatto si limita ad avere una manifestazione locale e si risolve da sola; in altri casi può avere manifestazioni sistemiche quali febbre, mal di testa, fatica, e perdita di appetito. Il trattamento – se richiesto – può andare da 5 giorni di azitromicina per le forme lievi, a una combinazione di doxiciclina (o eritromicina) e rifampicina per 1-2 mesi, per le forme neurologiche (Klotz SA et al. 2011). Una rassegna delle principali malattie umane associate a Bartonella, delle vie di trasmissione, e delle terapie antibiotiche raccomandate si trova in Tabella 1 (Mogollon-Pasapera E et al. 2009).  Come si vede, in funzione della specie di Bartonella coinvolta, le manifestazioni cliniche possono comprendere retiniti, endocarditi, angiomatosi (proliferazione vascolare), la malattia di Carrion (febbre, anemia, ittero), adenopatia, e la febbre quintana (trench fever, febbre alta con mialgie, mal di testa, fatica).

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Tabella 1. Malattie umane associate a varie specie di Bartonella, terapie e vie di trasmissione.

Bartonellosi o borreliosi?

Un recente studio francese ha delineto la possibilità che una malattia cronica caratterizzata da fatica e mialgia, con o senza mal di testa, sia dovuta a una infezione da Bartonella (soprattutto da B. henselae) e sia trasmessa da zecche (Vayssier-Taussat M et al. 2016). Lo studio ha considerato 66 persone che avevano riportato la comparsa di sintomi cronici a seguito di un morso di zecca; i pazienti erano accomunati dal fatto di essere sieronegativi per Borrelia burgdorferi. Il loro sangue è stato sottoposto a coltura per 45 giorni su terreno arricchito da sangue di pecora. Sei dei 66 campioni hanno visto la formazione di colonie batteriche ascrivibili al genere Bartonella: in tre casi si è potuto identificare materiale genetico di B. henselae, negli altri 3 di altre tre specie di Bartonella (Tabella 2). Lo stesso test condotto sul sangue di 70 donatori sani è risultato negativo in ogni campione. Questo studio suggerisce (ma non dimostra) che sintomi aspecifici come fatica e mialgia, a seguito di morso di zecca, possano essere dovuti a una infezione da Bartonella (in particolare B. henselae) piuttosto che essere espressione della malattia di Lyme. Anche Richard Horowitz ha segnalato la possibilità che pazienti con manifestazioni atipiche della malattia di Lyme siano portatori di una infezione da Bartonella, da trattare con cure specifiche (tetraciclina, idrossiclorochina e quinolonico) (Horowitz R, 2014). La presenza di Bartonella henselae nello stomaco di Ixodes ricinus (il vettore della malattia di Lyme in Europa) è stata recentemente riportata in Francia, Portogallo e Germania (Dietrich F et al 2010), ma non in Italia (Mancini F et al. 2014).

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Tabella 2. I sei pazienti francesi positivi per Bartonella e sieronegativi per Borrelia, con sintomi cronici a seguito di morso di zecca.

In accordo con lo studio francese e le osservazioni di Horowitz, recentemente un articolo proveniente dall’Open Medicine Institute ha segnalato un caso di malattia di Lyme (eritema migrante) refrattario ai trattamenti, caratterizzato da fatica, mal di testa e difficoltà a mantenere l’equilibrio, in cui una coltura su sangue ha evidenziato la presenza di Bartonella henselae. Un trattamento con rifampicina e claritromicina per 5 mesi ha risolto la sintomatologia. Gli autori dello studio hanno sottolineato come la sierologia del paziente per Bartonella fosse negativa, e solo la coltura cellulare di 21 giorni eseguita dal laboratorio Galaxy Diagnostics sia stata in grado di rilevare la infezione da B. henselae (Kauffman DL et al. 2017).

Conclusione

La bartonellosi potrebbe aggiungersi alle infezioni trasmesse dal morso di zecca, sebbene non si abbia ancora la certezza di questo. La malattia si manifesterebbe con sintomi aspecifici quali fatica, mialgie, mal di testa. Non risponderebbe alle cure normalmente utilizzate per Borrelia burgdorferi e quindi potrebbe rendere conto di almeno alcuni dei casi di ‘Lyme cronica’, ovvero di quella condizione refrattaria ai trattamenti, verso cui evolve il 10-20% dei casi di malattia di Lyme.

I dati grezzi dello studio Hanson

I dati grezzi dello studio Hanson

Introduzione

Il gruppo di Maureen Hanson (Cornell University) ha pubblicato alcuni mesi fa uno studio in cui 361 metaboliti sono stati quantificati nel sangue di 17 donne con ME/CFS (e 15 controlli sani, corrispondenti per sesso ed età) (Germain A et al. 2017). La tecnica utilizzata è la spettroscopia di massa, e questo studio si aggiunge ad altri 3 lavori analoghi sulla ME/CFS pubblicati in questi ultimi 11 mesi (Naviaux R et al. 2016), (Øystein Fluge .et al. 2017), (Yamano E et al. 2016). Lo studio Hanson e lo studio Naviaux sono per ora i due con il maggior numero di metaboliti esaminati e i loro risultati sono coerenti con un complessivo ipometabolismo: circa l’85% dei metaboliti esaminati nei due studi sono ridotti in modo significativo rispetto al controllo sano. I percorsi metabolici coinvolti sono numerosi, dalla ossidazione degli acidi grassi (beta-ossidazione), alla ossidazione degli amminoacidi, alla sintesi di fosfolipidi (i componenti delle membrane cellulari). In figura 1 trovate un confronto fra lo studio Naviaux e lo studio Hanson con analogie e differenze.

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Figura 1. Confronto fra lo studio Naviaux e lo studio Hanson, mostrato dalla stessa Hanson durante un webinar.

I dati grezzi

In questo post non esaminerò lo studio Hanson nel dettaglio, piuttosto voglio proporre una rianalisi statistica di una piccola parte dei dati grezzi, ovvero della misura dei 361 metaboliti nelle 32 persone complessivamente esaminate. I dati sono stati resi disponibili al pubblico (cosa lodevole) in formato .XLSX. Il file è qui.

Glicolisi-Krebs
Figura 2. Riduzione significativa di oxaloacetato e succinato nei pazienti ME/CFS rispetto ai controlli sani. L’analisi statistica e i grafici delle distribuzioni sono di Paolo Maccallini.

La mia rianalisi statistica della glicolisi e del ciclo di Krebs

Per la mia analisi statistica dei dati grezzi mi sono concentrato sui percorsi metabolici della glicolisi (piruvato, lattato) e del ciclo di Krebs (aconitato, succinato, fumarato, oxaloacetato). L’analisi si basa sulla assunzione di una distribuzione normale dei valori, utilizzanto il t-test (one-tailed) per il calcolo del valore p. I valori p e le distribuzioni dei dati sono riportati in figura 2. Come si vede, c’è una tendenza all’aumento dei prodotti finali della glicolisi in alcuni pazienti (piruvato, lattato) che tuttavia non è significativa nel complesso. Si apprezza altresì una tendenza alla riduzione dei metaboliti intermedi del ciclo di Krebs, ma solo il succinato e l’oxaloacetato sono ridotti in modo significativo. E’ interessante notare che una tendenza alla riduzione dei metaboliti del ciclo di Krebs è coerente con quanto riportato in (Yamano E et al. 2016) con una metodica simile, e quanto riportato in questo blog, utilizzando la spettroscopia di massa su urine in tre pazienti, due maschi e una femmina (vedi qui).

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.

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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.

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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

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.