In kaart brengen en behandelen van metabole herschikking in mitochondriale ziekte

Het mitochondriaal oxidatieve fosforylatiesysteem (OXPHOS) genereert het grootste deel van de cellulaire energie onder de vorm van ATP. Pathogene varianten in genen die cruciaal zijn voor de mitochondriale functie veroorzaken primaire mitochondriale aandoeningen (PMD). PMD vormen een brede, heterogene groep van aandoeningen die ten minste 1 op 5000 individuen treffen. Patiënten kunnen zich presenteren op eender welke leeftijd, met eender welk symptoom in eender welk orgaan. Ten gevolge van de verscheidenheid in klinische presentatie en het gebrek aan een enkelvoudig duidelijk biochemisch profiel blijft de diagnose van PMD een uitdaging. De meeste PMD hebben een slechte prognose en missen een effectieve behandeling. Er is dus een blijvende nood aan het ontdekken van specifieke, sensitieve en snelle diagnostische merkers en aan het ontwikkelen van effectieve behandelingsstrategieën.

We vertrokken van de hypothese dat PMD belangrijke metabole wijzigingen veroorzaken ten gevolge van de hoofdrol van mitochondriën in verschillende biochemische processen. Dit project beoogde het verstaan van de cellulaire metabole herschikking die optreedt in PMD. Dit werd bekomen door de metabole gevolgen van OXPHOS-dysfunctie te karakteriseren in huidfibroblasten die afgeleid werden van patiënten met PMD en van gezonde controles. De 3 doelstellingen waren: ten eerste het ontwikkelen van een diagnostische test; ten tweede het ontcijferen van het cellulair profiel van OXPHOS-dysfunctie; en ten derde het identificeren en testen van nieuwe therapeutische interventies.

Ten eerste werd het potentieel van oxygrafie als diagnostiche techniek voor PMD onderzocht en vergeleken met de huidige gouden standaard van enzymologie. De resultaten toonden aan dat oxygrafie een krachtige nieuwe techniek is om PMD biochemisch te detecteren. Oxygrafie en enzymologie zijn echter complementair en zouden idealiter gecombineerd worden. De biochemische resultaten moeten uiteraard geïnterpreteerd worden afhankelijk van de klinische presentatie, de andere beschikbare onderzoeken en genetische resultaten.

Ten tweede werd het metabool profiel van OXPHOS-dysfunctie beschreven in huidfibroblasten die afgeleid werden van patiënten met verscheidene PMD en van gezonde proefpersonen. De resultaten werden gevalideerd in farmacologische modellen van OXPHOS-dysfunctie. De groei van de fibroblastculturen werd bepaald met de Incucyte technologie. Gemerkte glucose- en glutaminestudies werden uitgevoerd met LC-MS-kwantificatie van cellulaire metabolieten. De resultaten toonden aan dat OXPHOS-dysfunctie een proliferatiedefect veroorzaakt met een duidelijk metabool profiel. De hoofdkenmerken van deze handtekening zijn laag aspartaat en krebscyclusintermediairen en toegenomen glycerol-3-fosfaathoeveelheden. Dit profiel lijkt gecorreleerd te zijn met een NAD+/NADH-onevenwicht.

Ten laatste werd het therapeutisch potentieel van verschillende voedingssupplementen getest door hun effect op de groei en het metabool profiel te bepalen. In fibroblasten verbeterde de behandeling met pyruvaat en uridine de metabole handtekening van OXPHOS-dysfunctie en het resulterend groeidefect. Therapie met pyruvaat en uridine in zebravissen leidde bovendien tot een verlengde overleving na blootstelling aan rotenone.

Dit project benadrukt het belang van het NAD+/NADH-onevenwicht dat ontstaat ten gevolge van OXPHOS-dysfunctie en opent deuren naar nieuwe diagnostiche technieken en behandelingsopties voor PMD.