Schapen leiden de kudde: metabolisme en biomarkers bij HD

Naast het beïnvloeden van beweging, stemming en denken, brengt HD een complex geheel van veranderingen in het lichaam met zich mee die moeilijk te voorspellen kunnen zijn bij verschillende individuen. Onlangs konden onderzoekers consistente vroege veranderingen in het metabolisme identificeren door een groep HD-schapen te bestuderen. Dit grote diermodel helpt wetenschappers om veranderde stoffen in het bloed te volgen die HD-progressie en reactie op behandeling zouden kunnen voorspellen.

Verstoord metabolisme bij HD

Mensen met de ziekte van Huntington ervaren vaak extreem gewichtsverlies, ook bekend als cachexie. Naast overmatige bewegingen is cachexie een van de best herkende tekenen van HD, maar het is historisch gezien een uitdaging geweest om dit te verklaren. Aanvankelijk werd gedacht dat de constante repetitieve bewegingen van chorea overtollige energie verbrandden, of dat toenemende moeilijkheden met eten en slikken tot gewichtsverlies leidden. Echter, gedetailleerde chemische analyse van weefsel- en bloedmonsters van patiënten en modelorganismen heeft geleid tot nieuwere theorieën over gewichtsverlies bij HD. In feite behelst cachexie een complex geheel van veranderingen in het cellulaire metabolisme, wat betekent dat HD de capaciteit van het lichaam om voedsel om te zetten in energie beïnvloedt.

Het volgen van metabole veranderingen bij HD is een belangrijke bezigheid, deels omdat het ons kan helpen gewichtsverlies te bestrijden. Bovendien zou het bestuderen van de effecten van HD buiten de hersenen nieuwe biomarkers kunnen onthullen, metingen die gebruikt kunnen worden om HD-progressie te voorspellen. Biomarkers kunnen diagnostiek en medicijntesten gemakkelijker en betrouwbaarder maken, vooral wanneer ze detecteerbaar zijn in het bloed. Ze kunnen ons ook helpen begrijpen hoe HD veel aspecten van het leven beïnvloedt, waaronder energie, eetlust en slaap. Onlangs analyseerden onderzoekers in het VK en Australië het bloed van een opmerkelijk diermodel: schapen met de ziekte van Huntington. Hun bevindingen onthulden verrassende verschillen tussen normale en HD-schapen die bijdragen aan ons begrip van veranderd metabolisme bij HD, en bijdragen aan de voortdurende zoektocht naar HD-biomarkers.

Metabolieten meten om HD te volgen

Terwijl cellen de suikers, eiwitten en vetten in voedsel afbreken, worden voedingsstoffen omgezet in brandstof. Dit proces genereert duizenden individuele stoffen, bekend als metabolieten. Omdat veel metabolieten circuleren in het bloed of de vloeistof die de hersenen baadt, is het meten van hun niveaus een veelgebruikte manier om metabole veranderingen te bestuderen. Onderzoekers kunnen een metabolomics-studie uitvoeren waarbij ze gelijktijdig honderden of duizenden metabolieten meten in bloed, cerebrospinale vloeistof (CSF) of weefsel. Door monsters van gezonde individuen en HD-patiënten te vergelijken, kunnen we beter begrijpen welke soorten veranderingen geassocieerd zijn met de ziekte.

Uit deze studies hebben we geleerd dat veel metabolieten verstoord zijn bij HD, maar helaas zijn de experimentele gegevens vaak inconsistent. Metabolieten kunnen sterk variëren tussen individuen en zelfs binnen dezelfde persoon. Niveaus kunnen veranderen op basis van het tijdstip van de dag, hoe recent de persoon heeft gegeten of geslapen, hun stressniveaus en de inhoud van hun laatste maaltijd. Bij mensen zijn deze factoren extreem moeilijk te controleren. Tenzij deelnemers dag en nacht in een studiecentrum zouden wonen voor maanden achtereen, precies hetzelfde dieet zouden eten en op exact hetzelfde schema zouden slapen, zou het moeilijk zijn om te bepalen welke metabole veranderingen veroorzaakt werden door HD, en welke door andere factoren.

Zoals bij veel biologische vragen, overwinnen wetenschappers deze uitdaging meestal door laboratoriummuizen te bestuderen, die op een extreem gecontroleerde manier gevoed en gehuisvest kunnen worden. Het nadeel is dat knaagdieren voedsel en energie heel anders verwerken dan mensen. Ze hebben bijvoorbeeld enkele verschillende metabolieten, hun metabole snelheid is veel hoger, en – leuk feitje – ze kunnen niet overgeven om toxines kwijt te raken. Dit sluit muizen zeker niet uit van metabolisch onderzoek, maar in de zoektocht naar biomarkers wilden HD-onderzoekers gebruik maken van een groter en potentieel relevanter model.

HD-schapen

Het is een tijdje geleden sinds we rapporteerden over het schapenmodel van de ziekte van Huntington. Professor Jenny Morton aan de Universiteit van Cambridge hielp het gebruik van genetisch gemodificeerde schapen om HD te bestuderen te bevorderen. Morton leidde ook de recente studie naar hun metabolieten, samen met onderzoekers in het VK, Australië en Nederland. Als je je afvraagt “waarom schapen?” is het antwoord veelzijdig. Ten eerste zijn de hersenen en het lichaam van een schaap veel dichter bij de grootte van een mens, en de chemische samenstelling is vergelijkbaar. Schapen zijn in staat complexe gedragstaken te leren, en ze zijn niet duur om te onderhouden als je de ruimte hebt (hallo, Australië). Het belangrijkste is dat tijdens een metabole studie het voedsel, huisvesting, beweging en slaapschema’s van een schaap zeer zorgvuldig gecontroleerd kunnen worden. Elk schaap kan uitgerust worden met speciale apparatuur om bloedmonsters te verzamelen gedurende een hele dag en nacht zonder ze te veel te verstoren.

De HD-schapen die in dit experiment bestudeerd werden waren 5 jaar oud. De levensduur van een schaap kan sterk variëren afhankelijk van omgeving, dieet en zorg, maar Morton schat dat 5 jaar ongeveer een derde van een natuurlijke levensduur is. Sinds het model bijna een decennium geleden werd gecreëerd, hebben zij en haar team vele aspecten van hun biologie, hersenactiviteit en gedrag grondig getest. Tot nu toe worden de schapen beschouwd als presymptomatisch: ze hebben geen tekenen van het ontwikkelen van HD getoond, met uitzondering van verstoorde slaapcycli en zeer kleine veranderingen in de hersenen.

Vroege metabole veranderingen bij HD-schapen

Om verschillen in metabolisme tussen HD- en normale schapen te onderzoeken, verzamelden onderzoekers frequent bloedmonsters gedurende 24 uur, en controleerden vervolgens de niveaus van 130 metabolieten. Verrassend genoeg, hoewel de HD-schapen geen andere tekenen van ziekte hebben getoond, waren de niveaus van veel metabolieten abnormaal.

In het bijzonder suggereerden de bevindingen problematische veranderingen in een belangrijk metabolisch proces bekend als de ureumcyclus. De ureumcyclus verwijdert een toxine genaamd ammoniak dat normaal geproduceerd wordt wanneer eiwitten afgebroken worden voor energie. In een reeks stappen moeten cellen toxische ammoniak omzetten in het minder toxische ureum, dat het lichaam kan verlaten in de vorm van urine. Om te zien of de ureumcyclus goed functioneert, kunnen onderzoekers niveaus van ureum en andere metabolieten meten die gevormd worden tijdens de tussenliggende stappen. Twee voorbeelden zijn citrulline en arginine, eiwitbouwstenen bekend als aminozuren. Morton en collega’s vonden dat citrulline, arginine en ureum verhoogd waren in het bloed van de 5 jaar oude HD-schapen vergeleken met normale schapen. Dit suggereert dat de ureumcyclus verstoord is bij presymptomatische HD.

Arginine en citrulline zijn ook nauw verbonden met de productie van stikstofmonoxide, een molecuul dat een rol speelt in cel-tot-cel communicatie en bloedcirculatie. De onderzoekers konden stikstofmonoxide niet direct meten in deze studie, maar het zal een belangrijke stap zijn in de toekomst. Interessant genoeg zijn stikstofmonoxide en ureumcyclus verstoringen onlangs geïdentificeerd in HD-muismodellen. Er is ook bewijs dat mutant huntingtine zou kunnen bijdragen aan verminderde afbraak van aminozuren. Een andere set van ontregelde metabolieten waren sfingolipiden, vettige stoffen die helpen de beschermende barrière rond zenuwcellen te vormen. HD-schapen hadden lagere niveaus van sfingolipiden in het bloed, wat een vroege indicatie zou kunnen zijn van hersendegeneratie of disfunctie.

Metabolieten gebruiken als biomarkers

Zou dus een van deze ontregelde metabolieten gebruikt kunnen worden als biomarker bij mensen? Niet precies. Het meten van een enkele bloedmetaboliet is waarschijnlijk geen nuttige manier om ziekteprogressie of herstel te volgen. Echter, het volgen van een groep belangrijke metabolieten gedurende een periode van 24 uur zou de ziektestatus van een schaap kunnen voorspellen, ontdekten Morton en collega’s. Ze gebruikten complexe wiskunde om een set van 8 stoffen in het bloed te identificeren die samen gemonitord konden worden om onderscheid te maken tussen normale en HD-schapen. Gebaseerd op niveaus van alle 8 metabolieten, konden ze 80% van de tijd correct voorspellen of een schaap het HD-gen had. Kortom, met zorgvuldige en gecontroleerde monitoring vonden de onderzoekers een groep schapenmetabolieten die consistent veranderen bij presymptomatische ziekte.

Dit benadert het eerste van drie hoofddoelen van onderzoek naar biomarkers: (1) een verandering vinden die betrouwbaar optreedt in het lichaam tijdens HD, (2) zien of de verandering drastischer wordt in de tijd, en (3) bepalen of een medicijn de verandering kan corrigeren of vertragen. Met verdere verbetering en validatie bij mensen zou deze methode van het combineren van meerdere bloedmetabolieten nuttig kunnen zijn in de toekomst om te begrijpen of een behandeling de progressie van HD zou kunnen vertragen.

Waar gaan we vanaf hier?

Deze studie draagt bij aan een groeiende hoeveelheid kennis over de specifieke metabole processen die verkeerd zouden kunnen gaan bij HD, zoals de ureumcyclus, stikstofmonoxide communicatie en de bescherming rond hersencellen. Het suggereert ook een potentiële methode voor het gebruik van een groep metabolieten om een algemene ziektestatus weer te geven. Echter, het is belangrijk om te onthouden dat niveaus van metabolieten in het bloed (of zelfs in ruggenmergvloeistof) niet noodzakelijkerwijs direct overeenkomen met de gezondheid van de hersenen. Desondanks blijft het bestuderen van de presymptomatische HD-schapen aanwijzingen geven over de oorsprong van metabole symptomen zoals cachexie. Momenteel bestuderen Morton en collega’s hoe leeftijd en geslacht de niveaus van metabolieten beïnvloeden, en of de veranderingen aanhouden in de tijd. Terwijl de schapen naar de middelbare leeftijd bewegen, kunnen ze ook waardevolle informatie over HD-hersenpathologie en gedrag beginnen te onthullen.

Zoals bij al het dieronderzoek, is een belangrijke kanttekening dat de resultaten bevestigd moeten worden bij mensen. In het geval van metabolisch onderzoek betekent dat manieren vinden om monsters te verzamelen en metabolieten te onderzoeken onder gecontroleerde omstandigheden. Het is moeilijk om rekening te houden met de vele manieren waarop mensen eten, slapen en hun dagen doorbrengen, maar er zijn nog steeds concrete manieren om de variabiliteit van menselijke gegevens te verminderen. Er zijn bijvoorbeeld lopende initiatieven om ervoor te zorgen dat individuele monsters van bloed, ruggenmergvloeistof of weefsel op standaardmanieren verzameld worden van HD-patiënten over de hele wereld. Parallel kunnen grote diermodellen zoals schapen ons helpen potentiële biomarkers te verkennen en de methoden te ontwikkelen om ze te gebruiken wanneer nieuwe behandelingen ontstaan.

Meer informatie

• Oorspronkelijke studie door Professor Morton en collega’s (open access)