In een persbericht beklemtoonden de eerste auteur van onderstaande studie: “Individuen met M.E./CVS hebben een aparte mix van darm-bakterieën en gerelateerde metabole stoornissen die de ernst van hun ziekte kunnen beïnvloeden.” en “De analyse suggereert dat we in staat zouden moet zijn patiënten met M.E./CVS te subtyperen via het analyseren van het microbioom in hun stoelgang.”. Dr Ian Lipkin (autoriteit omtrent het gebruik van molekulaire methodes voor pathogeen-ontdekking) voegde er aan toe: “Wellicht zoals bij IBS (irritable bowel syndrome’, prikkelbare darm syndroom), kan bij M.E./CVS een verstoring in de communicatie tussen de hersenen en de darmen (gemedieerd door bakterieën, hun metabolieten en de molekulen die ze beïnvloeden) betrokken zijn. Door de specifieke bakterieën te identificeren, komen we een stap dichter bij meer accurate diagnose en doelgerichte therapieën.”.

Alle darm-studies bij M.E.(cvs) gebruikten tot nu toe zgn. 16S rRNA sequentie-bepaling om het microbioom te analyseren. Deze methode focust op een deeltje van het bakterieel genoom (het 16S ribosomaal RNA) en omdat 97% gelijkaardig zijn, zullen er bij zowat 40% van de bakterie-geslachten sequenties zijn die niet goed te onderscheiden zijn; ‘Characterization of the Gut Microbiome Using 16S or Shotgun Metagenomics’ in Front Microbiol. (2016) 20: 459). De 16S rRNA methodiek geeft ook tegenstrijdige resultaten, waardoor de resultaten kunnen variëren. De studies zijn daarom niet waardeloos (ze geven een idee over de betrokken bakterie-soorten) maar ze kunnen niet differentiëren tussen sommige nuttige en schadelijke soorten in een geslacht; ze zijn niet specifiek genoeg. Dr Lipkin gebruikte de (duurdere maar veel preciezere) methode genaamd ‘shotgun’ metagenomische sequentie-bepaling (analyse van het totale metagenoom d.m.v. onbeperkte sequentie-bepaling van het genoom van alle micro-organismen aanwezig in een staal en bio-informatische aanpak van de gegevens) dat het ganse genoom analyseert. In een interview zei hij dat hij overtuigd was dat de in de studie geïdentificeerde soorten correct zijn.

De resultaten komen omstandig aan bod in onderstaand stuk. De aanwezigheid van prikkelbare darm syndroom bij de M.E.(cvs)-patiënten zorgde voor verschillen. De resultaten lijken te suggereren dat M.E.(cvs)-patiënten mét IBS minder ‘goede bakterieën’ in hun darm hebben. Dit zou kunnen leiden tot inflammatie en zgn. ‘lekkende darm’ waardoor bakterieën in het bloed komen en een immuun-respons triggeren. Of IBS leidt tot M.E.(cvs) of er een gevolg van is, is nog onduidelijk.

Dat darm-bakterieën ons metabolisme beïnvloeden is geweten. Daarom bepaalden de researchers ook welke effekten de verschillen zouden kunnen hebben om de werking van het metabolisme. Analyse gaf aan dat verschillende metabole mechanismen naar voor kwamen in de verschillende groepen. Er zijn belangrijke overéénkomsten qua (door bakterieën geaktiveerde) metabole mechanismen bij M.E.(cvs)-patiënten mét en zonder IBS, maar ook belangrijke verschillen. Problemen met de aanmaak van ATP en de ureum-cyclus blijken meer geassocieerd met M.E.(cvs) mét IBS; problemen met het vetzuren-metabolisme zijn gemeenschappelijk voor alle M.E.(cvs)-patiënten.

Verrassend was dat de gevonden bakteriële verschillen niet gelinkt bleken te zijn met veranderingen qua cytokinen. Lipkin zei dat dit wellicht was omdat er weinig patiënten in de studie zaten die nog maar kort M.E.(cvs) hadden (deze met een ge-upreguleerd immuunsysteem) om verschillen qua immuniteit op te pikken. Een groter patiënten-staal had er misschien voor gezorgd dat dit wel werd gedetekteerd.

De verschillen qua bakterie-soorten leken ook een effekt te hebben op de symptomen.

Het onderzoek-team omvatte top-klinici wat betreft M.E.(cvs) die ervoor zorgden dat de diagnose rigoureus werd gesteld: Nancy Klimas, Dan Peterson, Jose Montoya, Lucinda Bateman & Susan Levine. Professor Anthony Komaroff (Harvard Medical School) maakte er ook deel van uit. Ondersteuning van het onderzoek kwam van het ‘Chronic Fatigue Initiative’ van de ‘Hutchins Family Foundation’, de ‘National Institutes of Health Centre for Research in Diagnostics and Discovery’ en via crowdfunding van het ‘Microbe Discovery Project’.

Naar behandeling toe zou men kunnen denken in de richting van pre- & pro-biotica, immuno-modulerende medicijnen en/of stoelgang-transplantatie; maar één unieke behandeling voor alle patiënten lijkt ons geen optie. Zowiezo zullen er (gerepliceerde) klinische testen moeten aan voorafgaan…

Lees ook nog: ‘Microbioom sekse-verschillen bij M.E.(cvs)’.

————————-

Microbiome (2017) 5: 44

Fecal metagenomic profiles in subgroups of patients with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome

Nagy-Szakal D (1), Williams BL (1), Mishra N (1), Che X (1), Lee B (1), Bateman L (2), Klimas NG (3,4), Komaroff AL (5), Levine S (6), Montoya JG (7), Peterson DL (8), Ramanan D (9), Jain K (1), Eddy ML (1), Hornig M (1), Lipkin WI (10)

1 Centre for Infection and Immunity, Columbia University Mailman School of Public Health, New York, NY, 10032, USA

2 Fatigue Consultation Clinic, Salt Lake City, UT, 84102, USA

3 Institute for Neuro-Immune Medicine, College of Osteopathic Medicine, Nova Southeastern University, Fort Lauderdale, FL, 33314, USA

4 Miami VA Medical Centre, Miami, FL, 33125, USA

5 Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA, 02115, USA

6 Levine Clinic, New York, NY, 10021, USA

7 Stanford University, Palo Alto, CA, 94305, USA

8 Sierra Internal Medicine at Incline Village, Incline Village, NV, 89451, USA

9 Ayasdi, Inc., Menlo Park, CA, 94025, USA

10 Centre for Infection and Immunity, Columbia University Mailman School of Public Health, New York, NY, USA

Samenvatting

ACHTERGROND: Myalgische Encefalomyelitis/ Chronische Vermoeidheid Syndroom (M.E./CVS) wordt gekenmerkt door onverklaarde persistente vermoeidheid, die gewoonlijk vergezeld wordt door cognitieve dysfunktie, slaap-stoornissen, orthostatische intolerantie, koorts, lymfadenopathie en prikkelbare darm syndroom (IBS). De mate waarop het gastro-intestinaal microbioom en perifere inflammatie geassocieerd zijn M.E./CVS blijft onduidelijk. We betrachten een rigoureuze klinische karakerisatie, faecale bakteriële metagenomica en analyse van immuun-molekulen in het plasma bij 50 M.E./CVS-patiënten en 50 gezonde controles gematcht voor leeftijd, geslacht, ras/ethniciteit, geografische lokatie en seizoen waarin de staalname gebeurde.

RESULTATEN: Topologische analyse onthulde associaties tussen IBS co-morbiditeit, body-mass-index, faecale bakteriële samenstelling en bakteriële metabole mechanismen maar niet met plasma immuun-molekulen. IBS co-morbiditeit was de sterkste bepalende factor voor het afzonderen van topologische netwerken gebaseerd op bakteriële profielen en metabole mechanismen. Voorspellende selektie-modellen gebaseerd op bakteriële profielen ondersteunden de bevindingen van topologische analyses die er op wijzen dat M.E./CVS-subgroepen, gedefinieerd op basis van IBS-status, kunnen worden onderscheiden van controle-individuen met een hoge voorspellende accuraatheid. Bakteriële taxa [taxonomische groepen; organismen die samen een éénheid vormen] die M.E./CVS-patiënten met IBS voorspellen, waren verschillend van taxa geassocieerd met M.E./CVS-patiënten zonder IBS. Verhoogde aantallen ongeklassificeerde Alistipes en verlaagde Faecalibacterium doken op als de top biomerkers van M.E./CVS met IBS; terwijl verhoogde aantallen ongeklassificeerde Bacteroides en verlaagde Bacteroides vulgatus de top biomerkers van M.E./CVS zonder IBS waren. Ondanks het vinden van verschillen qua bakteriële taxa en metabole mechanismen die M.E./CVS-subgroepen definiëren, bleken metabole mechanismen geassocieerd met biosynthese van onverzadigde vetzuren en verhoogde atrazine [onkruid-verdelgingsmiddel] -afbraak mechanismen onafhankelijk van IBS co-morbiditeit. Verhoogde vitamine-B6 biosynthese/hergebruik en pyrimidine-ribonucleoside afbraak waren de top metabole mechanismen bij M.E./CVS zonder IBS alsook bij de totale M.E./CVS-groep. Bij de M.E./CVS-subgroepen waren symptoom-ernst metingen (pijn, vermoeidheid en verminderde motivatie) gecorreleerd met de hoeveelheden verschillende bakteriële taxa en metabole mechanismen.

BESLUITEN: Onafhankelijk van IBS is M.E./CVS geassocieerd met dysbiose [dysbakteriose; microbieel onevenwicht] en verschillende bakteriële metabole stoornissen die de ziekte-ernst kunnen beïnvloeden. Onze bevindingen geven echter aan dat dysbiotische kenmerken die uniek met M.E./CVS geassocieerd zijn, kunnen gemaskeerd zijn door stoornissen die voortvloeien uit de hoge prevalentie van IBS co-morbiditeit bij M.E./CVS. Deze inzichten kunnen een meer accurate diagnose mogelijk maken en leiden tot inzichten die informeren met betrekking tot de ontwikkeling van specifieke therapeutische strategieën voor M.E./CVS-subgroepen.

Achtergrond

[…]. 35 tot 90% van de M.E./CVS-individuen melden abdominaal ongemak dat consistent is met prikkelbare darm syndroom (IBS).

Bakterieën, hun metabolieten en de gastheer-molekulen die ze beïnvloeden nemen deel aan bidirectionele communicatie-mechanismen die de darm en het centraal zenuwstelsel (CZS) verbinden. Intestinale dysbiose kan de plaatselijke fysiologie (zoals bij IBS) en immunologische circuits, alsook cognitie en stemming ontregelen.

Studies gebaseerd op culturen en sequentie-bepaling van 16S ribosomaal RNA (rRNA) van stoelgang-bakterieën hebben bewijs voor dysbiose (een onevenwicht van intestinale bakteriële populaties) onthuld bij M.E./CVS [bv. Giloteaux L et al. Reduced diversity and altered composition of the gut microbiome in individuals with Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Microbiome (2016) 4: 30]. Er werden veranderingen qua plasma-metabolieten geïdentificeerd die M.E./CVS-patiënten onderscheiden van gezonde controles. Minstens enkele van deze metabolieten zijn produkten van het intestinaal microbioom [Yamano E et al. Index markers of Chronic Fatigue Syndrome with dysfunction of TCA and urea cycles. Sci Rep. (2016) 6: 34990 /// Naviaux RK et al. Metabolic features of Chronic Fatigue Syndrome. Proc Natl Acad Sci USA. (2016) 113: E5472-5480]. Hier bieden we een aanvulling en uitbreiding van dit werk bij een groep van M.E./CVS-patiënten en 50 gezonde controles d.m.v. ‘shotgun’ metagenomische sequentie-bepaling [zie onze inleiding], analyse van metabole mechanismen, en verbinding met klinische gegevens en plasma immuun-profielen. We gebruiken ook een nieuw topologische data analyse (TDA) platform [Topologie is een wiskundige discipline die vorm bestudeert. Hier betekent dit multi-dimensionele subgroepen/netwerken. Topologische Data Analyse verwijst naar het analyseren van grote hoeveelheden complexe gegevens.] dat verbanden onthult die over het hoofd kunnen worden gezien bij gebruik van lineaire analytische modellen.

Methodes

[…]

Resultaten

Kenmerken van de studie-populatie

Patiënten voldeden aan de 1994 CDC Fukuda en de 2003 Canadese consensus criteria. […] 41 vrouwelijke en 9 mannelijke M.E./CVS-patiënten (gemiddelde leeftijd 51,1 jaar); 41 vrouwelijke en 9 mannelijke controle (gemiddelde leeftijd 51,3 jaar). […] IBS-diagnose bij 21 van de 50 M.E./CVS-patiënten (42%) en geen enkele van de controles. 9 van de 21 M.E./CVS mét IBS patiënten (43%) rapporteerden een IBS-diagnose te hebben gekregen vóór M.E./CVS. 28 M.E./CVS-patiënten en 22 controles hadden hoge BMI (>25 kg/m²).

Topologische data analyse (TDA) van faecale microbiomen, voorspelde bakteriële metabole mechanismen, plasma immuun-molekule profielen en klinische kenmerken

Er werd ‘shotgun’ metagenomische sequentie-bepaling van stoelgang-stalen aangewend om de microbiële samenstelling te bepalen (relatieve hoeveelheden van taxa) en de bakteriële metabole mechanismen bij de M.E./CVS-patiënten en de controle-individuen af te leiden. […] We construeerden een TDA-netwerk opgebouwd uit de 100 stalen […] en 1.358 variabelen (574 m.b.t. de relatieve hoeveelheden bakteriële taxa; 586 m.b.t. de metabole mechanismen – 131 ‘super-pathways’ [combinaties van biochemische mechanismen die de biosynthese of het metabolisme van een groep verwante molekulen beschrijven] en 455 individuele metabole mechanismen; 61 die de waarden weerspiegelen van elke plasma immuun-molekule; 80 m.b.t. symptomen (items van gezondheid-vragenlijsten) en 57 m.b.t. co-morbiditeiten en demografische variabelen). De verbanden tussen deze datasets werden geanalyseerd […] om multi-dimensionele netwerken en de individuele factoren (microbiële, metabole mechanismen, immuun-molekulen en klinische variabelen) die deze netwerken onderscheiden, te identificeren

De M.E./CVS-patiënten vormden topologische netwerken afgezonderd van de controle-individuen. IBS co-morbiditeit was de sterkste bepalende factor in de afscheiding van de metagenomen bij M.E./CVS. TDA onthulde verschillen qua bakteriële taxa en metabole mechanismen tussen M.E./CVS, M.E./CVS mét IBS en M.E./CVS zonder IBS vs. controles. Op het niveau van bakteriële families, waren de relatieve hoeveelheden Lachnospiraceae & Porphyromonadaceae lager bij M.E./CVS (mét én zonder IBS) vergeleken met controles, terwijl de relatieve hoeveelheden van Clostridiaceae hoger. Op het niveau van de geslachten, waren de Dorea, Faecalibacterium, Coprococcus, Roseburia & Odoribacter lager bij M.E./CVS t.o.v. de controles, terwijl de Clostridium & Coprobacillus hoger waren. De 12 bakterie-soorten die de verschillen bepalen tussen de M.E./CVS- en controle-groepen waren Faecalibacterium prausnitzii, Faecalibacterium cf., Roseburia inulinivorans, Dorea longicatena, Dorea formicigenerans, Coprococcus catus, Odoribacter splanchnicus, Ruminococcus obeum & Parabacteroides merdae (gedaald bij M.E./CVS), en Clostridium asparagiforme, Clostridium symbiosum & Coprobacillus bacterium (gestegen bij M.E./CVS).

De variabiliteit binnen de controle-groep was kleiner dan in de M.E./CVS-groep. […] Bij M.E./CVS mét IBS waren er minder van de Proteobacteria fylum [bakteriële stam], C. Catus & F. prausnitzii soorten, en minder van de Clostridiaceae familie vergeleken met controles. Analyse van de ‘super-pathways’ toonde wijzigingen qua haem [onderdeel van hemoglobine in rode bloedcellen maar ook een belangrijke groep in mitochondriale cytochromen] -biosynthese, en carboxylaten [lactaat, pyruvaat en keton-lichamen], aminozuren en polyaminen [organische verbindingen die meer dan één amine-groep bevatten] -metabolisme. Bij de M.E./CVS zonder IBS werd het verschil bepaald door de verhoogde hoeveelheden van leden van de Clostridiaceae familie, de Clostridium & Pseudoflavonifractor geslachten, en de verminderde hoeveelheden van leden van de Porphyromonadaceae familie, en Odoribacter & Parabacteroides geslachten. De bakteriële soorten bepalend voor de verschillen tussen M.E./CVS zonder IBS en controles waren D. formicigenerans, C. catus, Blautia hansenii & Parabacteroides distasonis (allen gedaald bij M.E./CVS zonder IBS) en ongeklassificeerde Bacteroides, D. longicatena, Ruminococcus gnavus, C. symbiosum, Eggerthella lenta, Pseudoflavonifractor capillosus, C. bacterium, Clostridium cf. & scindens (allen verhoogd bij M.E./CVS zonder IBS). […] Er werden hogere KS (Kolmogorov-Smirnov) scores [identificeert significante verschillen tussen netwerken] gevonden voor bakteriële taxa en metabole mechanismen die de M.E./CVS mét IBS groep onderscheidden van controles. Vergelijkingen aangaande de M.E./CVS mét IBS subgroep (vs. controles & vs. M.E./CVS zonder IBS) toonden sterke verbanden met bakteriële taxa en metabole mechanismen dan om ’t even welke andere vergelijkingen.

4 netwerken gedefinieerd door IBS co-morbiditeit en BMI waren geassocieerd met een duidelijk metagenomisch en immuun-profiel.

M.E./CVS en M.E./CVS -subgroepen zijn geassocieerd met een gewijzigde microbiële samenstelling

Taxonomische analyse van de samenstelling gebaseerd op metagenomische sequentie-bepaling gaf aan dat de 2 overwegende stammen bij M.E./CVS- en controle-individuen Bacteroidetes (64,9 & 63,4% respectievelijk) en Firmicutes (26,6 & 29,7% respectievelijk) waren. In combinatie waren Bacteroidetes & Firmicutes verantwoordelijk voor een gemiddelde relatieve hoeveelheid van 91,5% bij M.E./CVS en 93,1% bij controles. De andere stammen (Actinobacteria, Proteobacteria, Verrucomicrobia, Euryarchaeota, Lentisphaerae & Fusobacteria) kwamen in kleinere relatieve hoeveelheden (< 5%) voor in de stalen.

[…] Gegevens bekomen via andere statistische methodes bieden bewijs voor een grotere variabiliteit in de microbiomen van M.E./CVS-patiënten.

Er werden ook 22 bakteriële taxa geïdentificeerd die aangerijkt waren bij M.E./CVS en 27 aangerijkt bij controles. […] 41 bakteriële soorten, geslachten, families of orden verschilden tussen de M.E./CVS- en controle-groepen. 37 bakteriële taxa differentieerden M.E./CVS van controles volgens 2 statistische methodes. Op het niveau van bakteriële orden en families waren de relatieve hoeveelheden van leden van de orde Pasteurellales en van de families Lachnospiraceae, ongeklassificeerde Bacillales & Pasteurellaceae lager bij de M.E./CVS-patiënten dan bij de controles, terwijl de relatieve hoeveelheden van leden van de familie Clostridiaceae hoger lagen bij M.E./CVS. Op het niveau van geslachten waren de hoeveelheden van leden van de geslachten Faecalibacterium, Roseburia, Coprococcus, Gemella, Dorea & Haemophilus lager bij M.E./CVS, terwijl de hoeveelheden van de geslachten Clostridium, Pseudoflavonifractor, Anaerostipes & Coprobacillus hoger lagen bij M.E./CVS. De bakteriële soorten die de verschillen de M.E./CVS- en controle-groepen bepaalden, waren F. prausnitzii, Alistipes putredinis, Faecalibacterium cf., R. inulinivorans, D. longicatena, D. formicigenerans, Eubacterium ventriosum, Eubacterium hallii, Haemophilus parainfluenzae, P. distasonis, R. obeum & C. catus (allemaal gedaald bij M.E./CVS) en ongeklassificeerde Bacteroides, ongeklassificeerde Alistipes, P. capillosus, Clostridium bolteae, R. gnavus, C. asparagiforme, Anaerostipes caccae, C. bacterium, C. symbiosum & C. scindens (allemaal verhoogd bij M.E./CVS). Faecalibacterium, Roseburia, Dorea, Coprococcus, Clostridium, Ruminococcus & Coprobacillus soorten waren significant verschillend (M.E./CVS-patiënten vs. controles […]).

Bewijsmateriaal verkregen via TDA dat IBS gelinkt was met verschillen qua ziekte-ernst, microbiomen en immuun-profielen leidde er ons toe de patiënten-groep onder te verdelen in M.E./CVS mét IBS en M.E./CVS zonder IBS, en te testen op groep-specifieke verschillen in de microbiomen […].

Bij vergelijkingen van de M.E./CVS mét IBS en controles, identificeerden we 12 bakteriële soorten, geslachten of families die waren aangerijkt bij M.E./CVS mét IBS en 26 bakteriële taxa aangerijkt bij de controles. […] 21 bakteriële taxa verschilden tussen M.E./CVS mét IBS en controles. […] De verschillen werden bepaald door toenames qua vertegenwoordigers van de Clostridiaceae familie, Clostridium & Anaerostipes geslachten, en afnames qua vertegenwoordigers van de Lachnospiraceae familie, Faecalibacterium, Roseburia, Coprococcus & Dorea geslachten. De 13 bakteriële soorten die de verschillen bepaalden tussen M.E./CVS mét IBS en controles waren F. prausnitzii, F. cf., ongeklassificeerde Faecalibacterium, R. inulinivorans, C. comes, D. longicatena, E. hallii, D. formicigenerans, R. obeum & C. catus (telkens gedaald bij de M.E./CVS mét IBS), en ongeklassificeerde Alistipes, C. bolteae & A. caccae (telkens gestegen bij de M.E./CVS mét IBS).

Bij de M.E./CVS zonder IBS, identificeerden we 29 bakteriële soorten, geslachten of families die waren aangerijkt en 16 bakteriële taxa aangerijkt bij de controles. […] 22 bakteriële taxa verschilden tussen de M.E./CVS zonder IBS en controles. […] De verschillen bij M.E./CVS zonder IBS werden bepaald door de verhoogde hoeveelheden van leden van de Pseudomonadales orde, de Clostridiaceae & Pseudomonadaceae familie, en de Clostridium, Pseudomonas, Pseudoflavonifractor, Eggerthella & Coprobacillus geslachten, en door de verlaagde hoeveelheden van leden van het Dorea geslacht. De 13 bakteriële soorten die de verschillen bepaalden tussen M.E./CVS zonder IBS en controles waren D. formicigenerans, C. catus & P. distasonis, (allen gedaald bij M.E./CVS zonder IBS), en ongeklassificeerde Bacteroides, R. gnavus, D. longicatena, P. capillosus, E. lenta, C. symbiosum & scindens, C. bacterium en Clostridium cf. (allen gestegen bij M.E./CVS zonder IBS).

[…] Hoewel controles een significante lagere intra-groep ongelijkheid vertoonden t.o.v. zowel M.E./CVS zonder IBS en M.E./CVS mét IBS, hadden M.E./CVS mét IBS de hoogste intra-groep ongelijkheid. Vergelijkingen tussen de groepen toonden aan dat er lagere ongelijkheid was tussen controles en M.E./CVS zonder IBS dan het geval was tussen controles en M.E./CVS mét IBS. Vergelijkingen tussen M.E./CVS zonder IBS vs. M.E./CVS mét IBS toonden hogere ongelijkheid dan controles vs. M.E./CVS zonder IBS maar gelijkaardige ongelijkheid als tussen controles vs. M.E./CVS mét IBS. Er was dus evenveel ongelijkheid tussen de 2 M.E./CVS-subgroepen (gedefinieerd door IBS co-morbiditeit) als tussen controles en M.E./CVS mét IBS; en zelfs grotere ongelijkheid tussen de subgroepen van IBS. Gecombineerd suggereren deze resultaten dat de M.E./CVS-individuen een grotere variatie qua microbiomen hebben dan de controle-individuen en dat M.E./CVS-individuen mét IBS de grootste intra-groep variatie vertonen.

[…] De relatieve hoeveelheden van 11 bakteriële soorten onderscheidden zowel M.E./CVS mét IBS als M.E./CVS zonder IBS van de controles. De relatieve hoeveelheden van 19 bakteriële soorten onderscheidden M.E./CVS zonder IBS van controles, maar hielpen niet bij de differentiatie van de totale M.E./CVS-groep van de controle-groep. […]

We vergeleken het aantal bakteriële soorten bij de M.E./CVS-groepen en de controles. Er werd een totaal van 363 bakterie-soorten geïdentificeerd in de totale studie-groep. Het aantal geïdentificeerde soorten was gelijkaardig bij M.E./CVS-patiënten en controles (gemiddeld: 74,24 ± 1,67 bij M.E./CVS; 77,5 ± 2,07 bij controles). We vonden ook geen verschillen qua aantal bakterie-soorten als we de subroepen vergeleken op basis van IBS-status (gemiddeld: 71,62 ± 2,26 voor M.E./CVS mét IBS; 76,14 ± 2,34 voor M.E./CVS zonder IBS; 77,5 ± 2,07 voor controles).

Bakteriële soorten onderscheiden M.E./CVS en M.E./CVS mét IBS van gezonde controle-individuen

[…] Soorten uit de Firmicutes fylum waren de hoofd-determinanten voor M.E./CVS-groep status. De relatieve hoeveelheden van 4 bakteriële soorten (C. catus, P. capillosus, D. Formicigenerans & F. prausnitzii) onderscheidden de M.E./CVS-patiënten van de controles […]. De toevoeging van 4 extra bakteriële soorten (C. asparigiforme, Sutterella wadsworthensis, A. putredinis & Anaerotruncus colihominis) verbeterden de voorspelling. […]

De relatieve hoeveelheden van bepaalde bakteriële taxa definieerden M.E./CVS-patiënten mét IBS. De relatieve hoeveelheden van slechts 2 bakteriële soorten (Faecalibacterium cf. & Bacteroides vulgatus) onderscheidden M.E./CVS mét IBS van de controles met een matige accuraatheid […]. De accuraatheid van de voorspelling verbeterde wanneer 9 bijkomende bakteriële soorten (F. cf., F. prausnitzii, B. vulgatus, A. putredinis, C. catus, A. caccae, D. formicigenerans, A. Colihominis & C. asparagiforme) werden toegevoegd aan het model […].

Lidmaatschap van de M.E./CVS zonder IBS subgroep (t.o.v. de controle-groep) werd voorspeld door de relatieve hoeveelheden Bacteroides caccae, P. capillosus, P. distasonis, Bacteroides fragilis, Prevotella buccalis, Bacteroides xylanisolvens & D. formicigenerans […]. De bakteriële soorten Bacteroides, Clostridium, Pseudoflavonifractor & Parabacteroides werden in alle statistische testen gevonden in de M.E./CVS zonder IBS groep (vergeleken met controles). De gedaalde relatieve hoeveelheid van Bacteroides vulgatus onderscheidde de M.E./CVS zonder IBS groep van de M.E./CVS mét IBS groep (alle statistische testen).

M.E./CVS-patiënten mét IBS werden onderscheiden van de M.E./CVS zonder IBS door de relatieve hoeveelheden van 11 bakteriële soorten […].

Bakteriële metabole mechanismen bij M.E./CVS

Er werden bakteriële metagenomische gegevens gebruikt om de verschillen te voorspellen qua funktionele metabole mechanismen in de M.E./CVS-subgroepen. Alles te samen werden 455 individuele bakteriële metabole mechansimen geïdentificeerd en geanalyseerd. Bij analyse van (in het totaal 131) super-mechanismen bleken bakteriële vitamine-B6 biosynthese en hergebruik, pyrimidine-ribonucleoside [bouwstenen van DNA/RNA] afbraak en atrazine-afbraak significant aangerijkt, terwijl bakteriële mechanismen voor de biosynthese van arginine, polyaminen, onverzadigde vetzuren & mycolaten [mycolzuren zijn een groep organische zuren met zeer lange koolwaterstof-ketens, deze zuren aangetroffen in de celwand van bakterieën die behoren tot de Mycolata (waartoe o.a. de TBC-bakterie behoort)] significant gereduceerd waren bij M.E./CVS t.o.v. controles. De M.E./CVS mét IBS groep vertoonde voorspelde aanrijking qua bakteriële mechanismen voor fucose-, rhamnose- [suikers], atrazine-afbraak en L-threonine biosynthese, gedaalde haem-, aminozuren- en polyamine-biosynthese, en een verminderd metabolisme qua purine-, pyrimidine- en onverzadigde vetzuren vergeleken met controles. In de M.E./CVS zonder IBS groep, waren de voorspelde bakteriële mechanismen voor vitamine-B6 biosynthese en hergebruik, pyrimidine-ribonucleosiden, atrazine-, glycerol- en sulfolactaat [wordt omgezet tot pyruvaat] -afbraak gestegen, terwijl de biosynthese van onverzadigde vetzuren en mycolaten verlaagd waren vergeleken met de controles. […] Statistische analyse toonde aanrijking van het mechanisme voor atrazine-afbraak bij zowel in de M.E./CVS als de M.E./CVS mét IBS groepen vergeleken met de controles; voorspelde bakteriële mechanismen voor arginine-, polyamine-biosynthese en pyrimidine-ribonucleoside afbraak bleken gereduceerd bij M.E./CVS mét IBS. […] M.E./CVS vertoonde wijzigingen qua individuele bakteriële metabole mechanismen gelinkt met TCA-cyclus [citroenzuur- of Krebs-cyclus; pyruvaat + acetyl-CoA => citraat, enz.; levert energie], afbraak van alkohol en aromatische molekulen, en vetzuren/lipiden-metabolisme. De M.E./CVS mét IBS groep was geassocieerd met gewijzigde bakteriële mechanismen voor vetzuren/lipiden-metabolisme, biosynthese van aromatische molekulen en afbraak van koolhydraten (CHO)/carboxylaten.

Plasma cytokine-concentraties onderscheidden de M.E./CVS-groepen niet

Er werd immuun-profilering uitgevoerd om te testen op veranderingen in de M.E./CVS-subgroepen. Er werden geen significante bevindingen vastgesteld […] voor alle 61 cytokinen. Vóór statistische aanpassing was TNF-α verhoogd bij de M.E./CVS-patiënten, vergeleken met de controles en de plasma-waarden van leptine, CSF-2, CXCL-8 & TNF-α waren hoger bij de M.E./CVS mét IBS patiënten dan bij de controles. De M.E./CVS-patiënten zonder IBS vertoonden (vóór de aanpassing) een trend tot verhoogd TNF-α vergeleken met controles. […] Er werd geen duidelijke clustering gezien tussen de ziekte-groepen.

Een voorspellend model gebaseerd enkel op de immuun-gegevens was weinig accuraat voor het onderscheiden van de M.E./CVS diagnostische groepen en controles […].

Correlaties van symptoom-ernst scores met hoeveelheden van bakteriële soorten en voorspelde bakteriële metabole mechanismen bij M.E./CVS en M.E./CVS-subgroepen

We onderzochten of de relatieve hoeveelheden van individuele bakteriële soorten, gedefinieerd door hun associatie met M.E./CVS en subgroepen, correleerden met de ‘Short Form 36 Health Survey’ en de ‘Multidimensional Fatigue Inventory’. De correlaties tussen de bakterie-soorten en de ziekte-ernst waren significant voor alle gevallen (M.E./CVS, M.E./CVS mét IBS of M.E./CVS zonder IBS).

Bij alle M.E./CVS-gevallen waren de verhoogde relatieve hoeveelheden van R. gnavus, C. bacterium, C. bolteae & C. asparagiforme geassocieerd met betere vitaliteit-, gezondheidverandering- en motivatie-scores. Verlaagde relatieve hoeveelheden F. prausnitzii & C. catus waren geassocieerd met slechtere scores qua emotioneel welzijn, terwijl verhoogde hoeveelheden R. inulinivorans & D. formicigenerans geassocieerd waren met verbeterde motivatie-scores.

Bij de M.E./CVS mét IBS gevallen waren gedaalde relatieve hoeveelheden ongeklassificeerde Alistipes, D. longicatena & R. inulinivorans geassocieerd met verbeterde vitaliteit-, gezondheidverandering- en vermoeidheid-scores. Verlaagde relatieve hoeveelheden van C. Comes & Faecalibacterium soorten waren geassocieerd met slechtere scores voor vermoeidheid en pijn, respectievelijk.

Bij de M.E./CVS zonder IBS, was de gestegen relatieve hoeveelheid van P. capillosus geassocieerd met slechtere scores voor vitaliteit, emotioneel welzijn, gezondheidveranderingen en motivatie. De relatieve hoeveelheden van D. formicigenerans & C. scindens waren geassocieerd met verbeterde motivatie-scores, gelijkaardig met patronen gezien bij totale M.E./CVS.

Metabole mechanismen voorspeld via bakteriële metagenomische gen-content onthulde correlaties tussen aktiviteit in specifieke mechanismen en klinische kenmerken. Verlaagde polyaminen-biosynthese bij zowel in M.E./CVS en M.E./CVS mét IBS was geassocieerd met slechter scores qua lichamelijke funktie scores en verhoogde vermoeidheid. Bij M.E./CVS mét IBS waren verhoogde fucose- en rhamnose-afbraak, en verhoogde threonine-biosynthese geassocieerd met slechtere scores voor algemeen welzijn en pijn, verlaagde fenylalanine- en tyrosine [aminozuren] -biosynthese, en verlaagde pyrimidine-deoxyribonucleoside afbraak waren geassocieerd met slechtere scores qua algemeen welzijn, mentale vermoeidheid en pijn. Verhoogde sulfolactaat-afbraak bij M.E./CVS zonder IBS was geassocieerd met betere pijn-scores.

Bespreking

M.E./CVS gaat gepaard met systemische inflammatie en zowel gastro-intestinale als neurologische stoornissen. Zodoende onderzochten we verbanden tussen microbiomen, metabole mechanismen en plasma cytokine-profielen bij individuen met M.E./CVS en gematchte controles. Metagenomische analyse en voorspellende selektie onthulde bakterie-soorten waarvan de relatieve hoeveelheden geassocieerd waren met M.E./CVS. Op basis van bevindingen uit verschillende modellen, bleken Faecalibacterium, Roseburia, Dorea, Coprococcus, Clostridium, Ruminococcus & Coprobacillus sterk geassocieerd met M.E./CVS; een combinatie van hun relatieve hoeveelheden leek de diagnose te kunnen voorspellen.

We kunnen geen directe vergelijking maken tussen de hier verkregen metagenomische resultaten en andere die gebaseerd waren op 16S rRNA analyses. Niettemin repliceren onze bevindingen deze van andere onderzoek-groepen wat betreft het aantonen van intestinale dysbiose bij M.E./CVS [bv. Shukla SK et al. Changes in gut and plasma microbiome following exercise challenge in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome (ME/CFS). PLoS One. (2015) 10: e0145453]. Er werden verminderde hoeveelheden van meerdere Firmicutes-populaties (zoals Roseburia, Synthrophococcus, Holdemania & Dialister) gevonden en een verhoogde hoeveelheid van Lactonifactor & Alistipes. Anderen rapporteerden een daling qua hoeveelheden Firmicutes en verschillen met controles qua aanwezigheid van 40 bakteriële soorten (inclusief F. prausnitzii, Ruminococcus spp, Coprococcus spp, E. lenta & C. aerofaciens). Onze bevindingen tonen ook verminderde Faecalibacterium soorten en verhoogde Alistipes bij M.E./CVS aan als de sterkste voorspellers van de ziekte.

De prevalentie van IBS co-morbiditeit is hoog bij individuen met M.E./CVS (35-90%). De onderliggende link tussen deze aandoeningen en de richting van het verband dienen nog te worden onderzocht. M.E./CVS en z’n onderliggende pathofysiologie of de emotionele responsen op het ziek-zijn bij deze individuen zou mensen die lijden aan M.E./CVS tot IBS kunnen voorbestemmen. Angst (bijzonderlijk bezorgdheid om gezondheid) en depressie komen courant voor bij M.E./CVS, en angst en depressie verdubbelen het risico op IBS. Een andere optie is de associatie tussen M.E./CVS en IBS ontstaan ten gevolge overlappende pathofysiologische mechanismen die bijdragen tot de ontwikkeling van beide syndromen. Bv: infektueuze gastro-enteritis veroorzaakt door bakteriële (Campylobacter jejuni, Salmonella enterica, Shigella sonnei, Escherichia coli 0157:H7), virale (norovirus) of protozoale (Giardia lamblia) pathogenen verhogen het risico op post-infektueuze IBS. Er wordt dikwijls gemeld dat M.E./CVS zich ontwikkelt na een acute infektueuze ziekte, en er werden post-infektueuze vermoeidheid toestanden gerapporteerd na bakteriële, virale en protozoale infekties [Hickie et al. Post-infective and Chronic Fatigue Syndromes precipitated by viral and non-viral pathogens: prospective cohort study. BMJ (2006) 333: 575]. Acute giardiasis [darm-infektie veroorzaakt door de parasiet Giardia lamblia] bv. is geassocieerd met een verhoogd risico op post-infektueuze IBS […] én verhoogd risico op post-infektueuze chronische vermoeidheid […]). Ten slotte: de associatie tussen deze syndromen zou kunnen voortkomen uit symptoom-overlapping. Inderdaad: er is symptoom-overlapping tussen IBS en andere funktionele somatische syndromen, inclusief M.E./CVS en fibromyalgie. IBS-patiënten hebben ook hogere scores op de ‘Fatigue Impact Scale’ dan gezonde individuen.

TDA onthulde dat IBS co-morbiditeit een belangrijke bepalende factor was van de topologische netwerken in onze M.E./CVS-groep. Gedaalde relatieve hoeveelheden qua Faecalibacterium soorten, R. obeum, E. hallii en C. comes waren geassocieerd met IBS co-morbiditeit. Het geslacht Anaerostipes was verhoogd bij M.E./CVS mét IBS, maar niet bij M.E./CVS zonder IBS. In tegenstelling daarmee werden de relatieve hoeveelheden van ongeklassificeerde Bacteroides, P. capillosus, E. lenta (telkens verhoogd) en P. distasonis (verlaagd) geïdentificeerd als specifieke merkers voor M.E./CVS zonder IBS. De relatieve hoeveelheid van D. longicatena was verhoogd bij M.E./CVS zonder IBS maar verlaagd bij M.E./CVS mét IBS. Dus: hoewel sommige verschillen qua bakteriële taxa in de totale M.E./CVS-groep worden bepaald door de hoge prevalentie van IBS co-morbiditeit, zijn andere specifiek voor M.E./CVS.

De verminderde hoeveelheden Faecalibacterium & Coprococcus soorten zijn geassocieerd met IBS-achtige symptomen, inclusief hyper-sensitiviteit van het colon, opgeblazen gevoel en gastro-intestinaal ongemak bij mensen en in dieren-modellen. Er werd gepostuleerd dat een gewijzigd microbioom leidt tot verhoogde darm-permeabiliteit (“leaky gut” [lekkende darm]) en intestinale inflammatie met gastro-intestinale symptomen. Verhoogde translocatie van lipopolysacchariden (LPS) van Gram-negatieve bakterieën leidt tot aanmaak van auto-antilichamen, disruptie van ‘tight-junctions’ [membranen van cellen komen samen en vormen een soort barrière zodat substanties verplicht worden de cel binnen te dringen om door het weefsel te raken, zodat er controle is over welke toegelaten worden en welke niet], en zowel lokale gastro-intestinale als systemische inflammatie. Eerdere bevindingen die veranderingen in de microbiomen van IBS-patiënten aantonen, werden hier bevestigd door de sterke associatie van deze bakterieën bij M.E./CVS-individuen mét IBS. Gezien de hoge mate van of IBS co-morbiditeit bij M.E./CVS, benadrukken dergelijke bevindingen het belang van het nagaan van IBS co-morbiditeit in studies die de rol van het microbioom bij M.E./CVS evalueren.

Het voorspellen van metabole mechanismen via bakteriële metagenomische genen-inhoud onthulde bijkomende veranderingen bij M.E./CVS en M.E./CVS-subgroepen. Gelijkaardig met onze bevindingen betreffende verschillen qua bakteriële samenstelling, waren verschillen qua voorspelde bakteriële metabole mechanismen die werden gevonden bij de totale M.E./CVS-groep representatief voor de verzamelde bevindingen geassocieerd met IBS-subgroepen. Deze resultaten suggereren dat, zoals bij bakteriële taxa, enkele bakteriële metabole mechanismen uniek gewijzigd kunnen zijn bij M.E./CVS terwijl andere gelinkt kunnen zijn met IBS co-morbiditeit.

Aanrijking van het mechanisme voor vitamine-B6 biosynthese en hergebruik was de sterkste voorspeller voor M.E./CVS alsook M.E./CVS zonder IBS, wat suggereert dat dit verband onafhankelijk is van IBS. Er werd een daling van de funktionele B-vitamine status gerapporteerd bij M.E./CVS-patiënten; het is echter onduidelijk of dergelijke verschillen kunnen worden toegeschreven aan afwijkende gastheer of bakteriële metabole mechanismen. Pyrimidine-deoxyribonucleoside afbraak en individuele mechanismen verbonden met de TCA-cyclus zijn energie-regulerende mechanismen in het gastheer-metabolisme. Wat verder de verschillen tussen M.E./CVS mét en zonder IBS benadrukt, is het feit dat het voorspelde bakterieel mechanisme van de pyrimidine-ribonucleoside afbraak was aangerijkt bij M.E./CVS zonder IBS (en in de totale M.E./CVS-groep) maar was verminderd bij in M.E./CVS mét IBS; vergeleken met controles. TCA- en energie-metabolisme kunnen de pathofysiologie van of M.E./CVS beïnvloeden door ontoereikende adenosine-trifosfaat (ATP) produktie [Vermeulen RCW et al. Patients with Chronic Fatigue Syndrome performed worse than controls in a controlled repeated exercise study despite a normal oxidative phosphorylation capacity. J Transl Med. (2010) 8: 93]. Er werden intermediaire metabolieten gelinkt met de TCA-cyclus geïdentificeerd als specifieke merkers voor M.E./CVS in metaboloom-analyses; het is echter onduidelijk of bakteriële dysbiose bijdraagt tot deze metabole veranderingen bij de gastheer. De metabolieten en componenten van de ureum-cyclus (aminozuren en ammoniak) bleken ook gewijzigd bij M.E./CVS. Onze resultaten geven echter aan dat de meerderheid van de bakteriële aminozuren metabole mechanismen die geassocieerd waren met M.E./CVS enkel geassocieerd waren met de M.E./CVS mét IBS subgroep. Dus: als bakteriële metabole mechanismen bijdragen tot deze geobserveerde metaboliet-wijzigingen bij de gastheer, zouden dergelijke veranderingen beperkt kunnen zijn tot de IBS-subgroep.

Er werd ook een aanrijking qua mechanismen m.b.t. de afbraak van atrazine bij M.E./CVS gevonden in onze analyses en dit zou onafhankelijk van IBS kunnen zijn, aangezien het voorspelde mechanisme van atrazine-afbraak een biomerker was voor zowel M.E./CVS zonder IBS en M.E./CVS mét IBS. Bijkomende studies zullen nodig zijn om te bepalen of atrazine, een chemische stof die wordt gevonden in pesticiden, aanwezig is het gastro-intestinaal kanaal van deze individuen en onderhevig is aan afbraak via deze mechanismen.

Het onverzadigde vetzuren biosynthese mechanisme, dat was voorspeld gereduceerd te zijn in alle 3 de M.E./CVS-groepen, is verbonden met energie-homeostase en basis-componenten van meerdere katabole processen. De verhouding van ω3/ω6 [omega-3/-6] vrije vetzuren en eicosapenteen-zuur/arachidonzuur [zie ‘Onverzadigde vetzuren en pijn’] zijn gedaald bij M.E./CVS-patiënten. De verlaagde ω3 vrije vetzuren en gewijzigde verhouding van mono- en poly-onverzadigde vetzuren zijn gelinkt met pro-inflammatoire responsen en immuun-aktivatie [Puri BK. Long-chain poly-unsaturated fatty acids and the pathophysiology of Myalgic Encephalomyelitis (Chronic Fatigue Syndrome). J Clin Pathol. (2007) 60: 122-4]. De genen betrokken bij mycolaat-biosynthese, een bakterieel mechanisme wat voorspeld was gereduceerd te zijn bij M.E./CVS zonder IBS in deze studie, zijn verder verbonden met initiatie van het vrije vetzuren metabool mechanisme en metabole processen. Het verminderd voorkomen van haem-biosynthese mechanismen, alsook arginine- en polyaminen-biosynthese mechanismen zijn specifiek voor M.E./CVS mét IBS co-morbiditeit. Arginine is een voorloper van de produktie van stikstof-oxide (oxidatieve stress responsen) en ammoniak-metabolisme (ureum-cyclus). Arginine is verbonden met verhoogde energie en uithouding, beter geheugen en minder intestinale inflammatie via zenuwstelsel-signalisering. Hoewel werd aangetoond dat bakterieën in het darm-microbioom een belangrijke rol spelen bij het voorzien van vitaminen aan de gastheer en het darm-microbioom een diepgaande invloed heeft op zoogdier-metabolieten, zullen bijkomende studies nodig zijn om het verband te beoordelen tussen de hier geïdentificeerde bakteriële metabole mechanismen op basis van genetische inhoud, bakteriële meta-transcriptomen en het metaboloom bij M.E./CVS.

Specifieke bakteriële soorten en gerelateerde metabole mechanismen werden gecorreleerd met de score voor M.E./CVS ziekte-graad (vitaliteit, mentale vermoeidheid en pijn). Eerdere studies aangaande veranderingen in het darm-microbioom na inspanning bij M.E./CVS toonden wijzigingen binnen 72 h in vergelijking met ‘baseline’ en met controles [zie Shukla SK et al. hierboven]. Onze studie vond geen associatie tussen metagenoom-gegevens en gerapporteerde post-exertionele malaise/fysieke vermoeidheid. Onze studie was echter niet ontworpen om microbioom-veranderingen na inspanning bij in M.E./CVS-patiënten te beoordelen.

Plasma-cytokinen definieerden de M.E./CVS-groepen niet in onze studie. Eerdere studies toonden verhoogde waarden qua pro- en anti-inflammatoire cytokinen (zoals TNFα) aan in het plasma en cerebrospinaal vocht bij of M.E./CVS-patiënten met ziekte van korte duur [Hornig M et al. Distinct plasma immune signatures in ME/CFS are present early in the course of illness. Sci Adv. (2015) 1: e1400121 /// Hornig M et al. Cytokine network analysis of cerebrospinal fluid in Myalgic Encephalomyelitis/ Chronic Fatigue Syndrome. Mol Pyschiatry (2016) 21: 261-9]. De minder robuste bevindingen aangaande veranderingen qua plasma immuun-molekulen in de huidige studie-groep kan worden verklaard door een gebrek aan M.E./CVS-patiënten die nog niet lang ziek waren.

Besluiten

Onze resultaten zijn een bevestiging en uitbreiding van eerder werk dat intestinale dysbiose bij M.E./CVS aangeeft. We tonen verder aan dat patronen van dysbiose variëren met IBS co-morbiditeit. Toekomstige studies zouden meer gedetailleerd onderzoek van IBS-subtypes, geassocieerde GI-symptomen en hun relatie met M.E./CVS-dysbiose moeten overwegen. De identificatie van M.E./CVS-netwerken – gekenmerkt door specifieke profielen die microbiomen, metabole mechanismen en plasma immuun-molekulen integreren – kunnen accuratere diagnose mogelijk maken en leiden tot inzichten die informatie verschaffen naar de ontwikkeling van specifieke therapeutische strategieën toe.