Impedance, the biomarker you wouldn’t expect

Impedance, the biomarker you wouldn’t expect

1. Introduction

In this article, I report on the results from two research groups in which different experimental settings were used to measure electric impedance in blood samples from ME/CFS patients vs healthy controls. One of these studies comes from Stanford University and has been just published in PNAS: it is freely available here. The other one has been presented by Alan Moreau during the NIH conference on ME/CFS, and it is unpublished (R). In paragraph 2 I introduce the definition of impedance, in paragraph 3 you will learn something about the electric behaviour of cells, in paragraph 4 there is a description of the device used by the Stanford University group, in paragraph 5 there are the results of the experiment from Stanford University, in paragraph 6 there is a discussion of these results, in paragraph 7 the results from the other group are reported, and these two studies are compared in paragraph 8. In paragraph 9 I reported on two drugs that have shown the promise to be of therapeutic use in ME/CFS. Other notes follow in the last two paragraphs. If you are not interested in technical details on impedance (or if you don’t need them), go directly to paragraph 5.

2. Impedance

In this paragraph, I try to give a very simple and short introduction to circuits in a sinusoidal regime in general, and to impedance in particular. The main definition that we need, for that purpose, is the so-called Steinmetz transform for a sinusoidal function. Let’s consider the sinusoid

sinusoid function.JPG

where A is called amplitude and is the maximal value that the function can reach, ω is the angular frequency (also called pulsatance) which is an indication of how fast the value of the function changes in time, α is the phase and it gives the indication of what the value of the function a(t) was for t = 0. The Steinmetz transform consists of the univocal association of the sinusoid a(t) with the complex number

phasor.JPG

also called phasor (which stands for phase vector), where j=√(-1) is the imaginary unity. A complex number can then be easily represented as a vector in the complex plane (see figure 1).

Steinmetz.JPG
Figure 1. According to the Steinmetz transform, a sinusoidal function can be univocally associated with a complex number which, in turn, can be represented as a vector on the complex plane. Diagrams by Paolo Maccallini.
Circuit.JPG
Figure 2. Left. A generator of voltage is linked to a system (represented by a box) whose electrical properties, as a whole, are described by its electrical impedance. This can be seen as a simplified scheme of the device used by Ron Davis and its team if we assume that the box is the sample (white blood cells incubated with plasma). Right. The impedance of the sample can be seen as a series of a resistor (an electrical component whose only relevant property is its resistance) with a resistance equal to the real part of impedance, and a second electrical component completely characterized by a reactance with a value equal to the imaginary component of impedance. Sketch by Paolo Maccallini.

Let’s now consider the elementary circuit in figure 2 (which is also a simplified model of the device in the study by Ron Davis), where a generator of electrical potential is linked to another circuit (depicted as a box in the figure, on the left) that in our case is represented by the sample of peripheral blood white cells incubated in plasma. But it could be an arbitrarily complex net made up of conductors and what follows would still hold. Let’s assume that the electric current and the voltage of the generator are given respectively by

current and voltage.JPG

We can associate to these sinusoids their respective phasors with the Steinmetz transform, which gives

phasors.JPG

That said, we define impedance of the sample, the complex number that we obtain dividing the phasor of u(t) by the phasor of i(t):

impedance.JPG

Impedance describes several physical properties of the box in figure 2. Without going into details (this is beyond the scope of this article) just consider what follows.

  • The real part of impedance represents the resistance of whatever is inside the box of figure 2, which can be seen as its ability to transform electric energy into heat, i.e. kinetic energy at a molecular level. The higher the value of the resistance, the more the ability to generate heat.
  • The imaginary part of the impedance (called reactance) can be positive or negative. When it is positive it indicates the ability of whatever is inside the box to translate a magnetic field into voltage. The higher the positive reactance, the more its ability to generate a voltage from a magnetic field. A positive reactance is also called inductive reactance.
  • When reactance is negative, it means that whatever is inside the box, it has the ability to store energy in an electric field: the higher the absolute value of the reactance, the more the energy stored in an electric field within the box. A negative reactance is also called capacitive reactance.

No matter how complex the system in the box is, its external electrical behaviour is completely characterized by its impedance, which means that the system can also be simplified in a series of an electrical component whose only relevant property is a resistance equal to the real component of impedance, and a second component completely characterized by a reactance with a value equal to the imaginary component of impedance (figure 2, on the right).

3. Impedance of cells

The study of the impedance of cellular cultures is a field that started probably in the early nineties. In a paper from the Rensselaer Polytechnic Insititute (NY), it was demonstrated that the measure of electrical impedance of a single cell layer was more sensitive than optical microscopy for the measure of changes of nanometers in the cell diameter or subnanometer changes in the distance between the cell layer and the electrodes (Giaever I. & Keese CR. 1991). In that pivotal paper, a mathematical model for the impedance of a layer of cells was also proposed and solved, but it is beyond the scope of this article. A simplified electrical model of a cell layer is provided by a parallel of a capacitance due to dielectric properties of the cell membrane, and a resistance due to the cell membrane, to the cytoplasm and to the layer between cells (Voiculescu I. et al. 2018). We can add a resistance for the solution in which cells are incubated and we obtain the circuit in figure 3.

Circuit 2.JPG
Figure 3. A simplified model for the impedance of a cell culture, where a layer of cells is incubated in a substrate. The electrical properties of the layer of cells are described by a parallel of a resistance (due to the cell membrane, cytoplasm and the layer between cells) and a capacitance (due to the dielectric properties of the cell membrane). We then add a resistance for the substrate. Sketch by Paolo Maccallini.

Remember now that the only electrical property that we can directly measure is the total impedance (both the real component and the imaginary one). So we have to find the relationships between these two components and the physical parameters introduced in figure 3. For the equivalent impedance of the sample (see the last paragraph for the mathematical passages) we have:

impedance 3.JPG

The dependence of the real part of Z_cl and of its imaginary component to R_cl and C_cl can be got from figure 4. The absolute value of Z_cl is represented in figure 5.

diagrams.JPG
Figure 4. The real part of Z_cl (left) and its imaginary component (right) as functions of the resitance and the capacitance of the sample introduced in the model in figure 3.
module.JPG
Figure 5. The absolute value of Z_cl.

The capacitance in this formula is due – as said – to the dielectric properties of the plasma membrane. We can see a cell as a spherical capacitor, where two conductive layers (one in the cytoplasm and the other one in the extracellular space) are separated by the outer membrane. The insulating portion of a phospholipid membrane is of about 4.5 nm and it has been found that the capacitance per square cm of the cell membrane is one μF (Matthews GG, 2002). Since the permittivity constant ε is known, we can calculate the dielectric constant κ of a lipid membrane quite easily (see the last paragraph), and we find κ=5.

4. The nanoneedle

The device used for the measurement of the impedance of blood samples from ME/CFS patients is an array of thousands of sensors. Each sensor is made up of two conductive layers, separated by a dielectric material (figure 6). Each sensor is a sinusoid circuit that operates at a frequency of 15 kHz and at a voltage with an amplitude of about 350 mV. In figure 6, I have added the electric scheme for the circuit made up by the sensor itself and the sample, according to what seen in the previous paragraph. I have added some resistances and capacitors for the electrodes, according to (Esfandyarpour R et al. 2014).

nanoneedle2.png
Figure 6. The nanoneedle is made up of two conductive layers separated by a dielectric layer. A voltage with an amplitude of about 350 mV and a frequency of 15 kHz is applied to the electrodes. Sketch by paolo Maccallini.

As you can see from the picture, one of the dimensions of the sensor is below one micron, while the other is of about 3 microns. Keep in mind that the diameter of the average white blood cell is of about 15 microns… To me, such a small size makes difficult the application to this system of both the electrical model by Ivar Giaever and Charles Keese and of the simplified one presented in the previous paragraph, which have been designed to describe the behaviour of a layer of cells that grow above an electrode that can harbour many cells on its surface. And in fact, in their paper, Esfandyarpour R. and his colleagues have sketched a different model (R, B), even though they haven’t used it to draw any conclusion or interpretation from the experimental data, yet.

5. The experiment

The measurement of the impedance of samples from ME/CFS patients and controls has been made with an array of thousands of electrodes, each one like the one in figure 6. The system took 5 measures of impedance for second and the experiment on each sample lasted for about 3 hours. The researchers measured, for each point in time, both the real and the imaginary component of the impedance of the sample. They also measured the module of the impedance.

Each sample consisted of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) incubated in patient’s own plasma (plasma is blood without erythrocytes, platelets and white blood cells), at a concentration of 200 cells per μL. It might be useful to remember that PBMCs are basically all the white blood cells that are present in peripheral blood but granulocytes, which have multi-lobed nuclei and, as such, are not “monuclear”.

The researchers drew blood from 5 severe patients, 15 moderate patients (diagnosed by a physician according to the Canadian Consensus Criteria) and 20 healthy controls, with 5 of them age- and gender-matched to 5 of the ME/CFS patients.

About 20 minutes were required for the impedance to reach a steady state (the baseline level, characterized by swings in impedance below 2% of its value). The measures for each sample have been divided by the value of impedance at the baseline. This is the reason why the baseline has a value of 1 in the diagrams. After the steady state was reached, the researchers added 6 μL of NaCl to the samples. After a transient reduction in impedance, the samples from healthy controls returned to the baseline value. In samples from patients, the initial reduction in impedance after NaCl introduction was followed by a dramatic change in both the real component and the imaginary component of impedance. The normalized real part, in particular, had an increase of 301.67% ± 3.55 (see figure 7 and R).

zre.jpg
Figure 7. The real part of the impedance. ME/CFS patients are in red, while controls are in blue. From the speech by Ron Davis during the NIH conference on ME/CFS (R).

6. What does it mean?

In the experiment by Stanford University, they added NaCl to the samples and this likely led to the activation of the sodium-potassium pump that requires a molecule of ATP in order to transport 3 Na ions outside the cells (and two K ions inside). This would be the only way for these cells to maintain the correct intracellular concentration of sodium, pumping out those Na ions that found their way to the cytoplasm from the plasma. This is like putting a cell on a stationary bike. What the experiment says is that this effort made by the cells to maintain homeostasis leads to huge changes in the electrical properties of the samples from ME/CFS patients, while producing virtually no changes in the samples from healthy controls. But what is the origin of the change in impedance?

If we consider the electrical model that I have proposed in figures 3 and 6 and looking at figure 4 (left), we might hypothesise that the change comes from a reduction in the capacitance C_cl  which is due to the dielectric properties of cell membranes. A change in composition in these membranes could lead to a reduction in C_cl and thus to the observed increase in the real component of the total impedance. This might perhaps be linked to the reduction in the metabolism of the main components of the plasma membrane (sphingolipid, phospholipid and glycosphingolipid) in patients vs controls previously reported in a metabolomic study (Naviaux R et al. 2016). A reduction in the dielectric properties of cell membranes could also explain the increase in the module of impedance observed in this study (see figure 5). But it is worth noting again that the model I used for the description of the electrical properties of the sample is a hugely simplified version of the one proposed in (Giaever I. & Keese CR. 1991) and it has been developed for electrodes that are many times larger than the one used by Esfandyarpour R and colleagues. As said elsewhere, the authors have proposed a different, more complex, electric circuit (R, B) and they wrote that the process of using it to interpret the experimental data is currently on-going. But they did note that a change in plasma membrane composition might be responsible for the observed change in impedance, in one point of the article, among other possible explanations.

A release of molecules (cytokines?) from the PBMCs into the plasma might also be the cause of the change in impedance, but if we assume that our model in figure 3 is reliable, these molecules would only change the value of R_su, so the imaginary component of the impedance would not be affected, while we know that there is a change in that component too. But again, our model is a very simplistic one.

A change in the shape or size of the cells would lead to a change in C_cl. But the authors observed the samples in standard live microscopy imaging and they were not able to record any significant cell size difference in samples from ME/CFS patients vs samples from healthy controls.

7. Canadian impedance

During the NIH conference on ME/CFS, the Canadian group led by Alan Moreau, presented, at the end of a speech about microRNAs, a measure of impedance on immortalized T cells incubated with plasma from healthy controls, plasma from ME/CFS patients, and plasma from patients with idiopathic scoliosis (figure 8) and, as you can see, there is an increase in impedance with the increase in plasma concentration only in the second group (R). This measure has been made with the CellKey system, after stimulation of cells with G-coupled protein receptors agonists (Garbison KE et al. 2012). It is also worth mentioning that this impedance is the one due to the flow of charges in the extracellular space and that it seems to be the module of impedance, rather than the real or the imaginary part.

Cattura18
Figure 8. Measure of electrical impedance in immortalized T cells incubated in plasma from healthy controls (CTRL), from ME/CFS patients (EM) and from patients with idiopathic scoliosis, at increasing concentrations of plasma (R).

Alan Moreau also noted that if we subgroup ME/CFS patients according to differences in circulating microRNA, we find that plasma from two of these groups leads to an increase in impedance while plasma from three other groups induces a decrease in impedance, if compared with T cells incubated with plasma from healthy controls (figure 9).

Cattura18
Figure 9. The same experiment as in figure 8, but here patients are divided into subgroups according to the content in microRNA in their blood (R).

8. The X factor

Even though the Canadian experiment is not directly comparable to the one from the Stanford University group, nevertheless it is a partial confirmation of that result. Moreover, since in the Canadian experiment the cells are the same for all the groups (it is a line of immortalized T cells) and what changes is only the plasma they are incubated in, we can say that the origin of the electrical shift in these samples is something that is present in the plasma of patients (an X factor) and it might be due to the interaction between this X factor and cells. This interpretation is in agreement with a previous observation from a Norwegian group who incubated muscular cells in serum from 12 patients and from 12 healthy donors: they found an increase in oxygen consumption and in lactic acid production in cells incubated with sera from patients vs cells incubated with sera from healthy controls. This experiment was performed using the Seahorse instrument (Fluge et al. 2016). It is worth noting that in this case only serum was used, and serum is plasma without clotting factor.

cattura14.jpg
Figure 10. When PBMCs from patients are incubated in plasma from healthy controls, the impedance is normal; when, on the other hand, cells from healthy controls are incubated in plasma from ME/CFS patients, the impedance increases. So, the increase is due to an interaction between plasma from patients and cells, no matter if the cells come from healthy individuals or from patients (R).

The idea of an X factor present in plasma (or serum) of patients is even more suggestive if we take into account the unpublished result presented by Ron Davis during the NIH conference, called the “plasma swap experiment”, performed with the nanoneedle device (R). As you can see from figure 10, the increase in impedance happens only when cells are incubated with plasma from ME/CFS, no matter whether the cells are from healthy controls or from ME/CFS patients.

It is extremely important here to note that several filtrations of the plasma from patients have been made by the Stanford Group in order to discover what the X factor is: they have concluded that it is neither a metabolite nor a cytokine. Alan Moreau noted also that it is probably not an antibody. It turned out that it might be an exosome, a vesicle released by cells which contains – among other molecules – microRNA molecules. As Ron Davis said: “I guess that the signal is coming from damaged mitochondria, but it is only a guess” (R).

9. Drug testing

The authors of the study on the nanoneedle device are interested in using it for drug testing. Ron Davis reported during the last Emerge Australia conference (R) that two compounds are able to reduce the alteration in impedance seen in PBMCs incubated with plasma from patients: Copaxone, a peptide currently used in the treatment of multiple sclerosis, and SS31, a molecule not available yet, that can scavenge mitochondrial reactive oxygen species (ROS), thereby promoting mitochondrial function (Escribano-Lopez I. et al. 2018), (Thomas DA et al 2007).

drugs.jpg
Figure 11. Two drugs seem to reduce the increase in impedance in cells incubated with plasma from ME/CFS patients (R).

10. Limitations of the study from Stanford University

Even though the differences observed in the electric properties of the samples from ME/CFS patients vs controls, after the addition of the osmotic stressor, are striking, there are some potential limitations that ought to be mentioned.

  • Only 5 of the 20 healthy controls were age and gender-matched to 5 ME/CFS patients. So the difference observed might be due, at least in part, to age or gender.
  • The difference in impedance might be due to some consequence of the disease, like deconditioning, since the healthy control was not a sedentary one.

11. Mathematical notes

The calculation of the impedance Z_cl of the sample (figure 3) is as follows:

impedance 2Then you have to add the resistance R_su to the real part and you obtain Z_tot. In order to calculate the dielectric constant of the lipid membrane just follow these passages:

dielectric constantIn order to choose the range of variation for C_cl and R_cl in the diagrams in figures 4 and 5, I calculated the capacitance of a cell, assuming a spheric shape, a radius of 5 μm, a capacitance for square cm of 1 μF, a thickness of the plasma membrane of 4.5 nm, and a dielectric constant κ=5. This gives

cell-capacitance.jpg

I then found the value of the imaginary component of the impedance of a culture of yeast cells measured by the nanoneedle, which is 800 kΩ and I set the angular frequency at 2π·15 kHz (which is the frequency of the generator of voltage of the nanoneedle). Then we have a reference value for resistance too:

Cellular resistance.JPG

The simple code (Matlab) that I used to plot the diagrams in figure 4 and 5 is the following one.


% file name = impedance
% date of creation = 4/05/2019
clear all
% we define the angular frequency
w = 2*pi*15*(10^3)
% we register the array of the capacitance axis (pico Farad)
c_span = 4.;
delta_c = c_span/30.;
n_c = c_span/delta_c;
% we register the array
c(1) = 0.;
for i = 2:30+1
c(i) = c(i-1) + delta_c;
end
% we define the array of resistance (mega Ohm)
r_span = 9.;
delta_r = r_span/30.;
n_r = r_span/delta_r;
r(1) = 0.;
for i = 2:30+1
r(i) = r(i-1) + delta_r;
end
% we register the array of the real part and of the imaginary part of impedance and its module
for i=1:n_c
for j=1:n_r
Rcl = r(j)*(10^6);
Ccl = c(i)*(10^(-12));
Z_r (i,j) = Rcl/( 1 + ( (Rcl^2)*(w^2)*(Ccl^2) ) );
Z_i (i,j) = (-1)*( w*Ccl )/( ( 1/(Rcl^2) ) + (w*Ccl)^2 );
Z_m (i,j) = sqrt( (Z_r (i,j)^2)+(Z_i (i,j)^2) );
endfor
endfor
% we plot the real part of the impedance
figure(1)
mesh(r(1:n_r), c(1:n_c), Z_r(1:n_c,1:n_r));
grid on
ylabel(‘capacitance (pico Farad)’);
xlabel(‘resistance (Mega Ohm)’);
zlabel(‘Ohm’);
legend(‘Real part of Impedance’,”location”,”NORTHEAST”);
% we plot the imaginary part of the impedance
figure(2)
mesh(r(1:n_r), c(1:n_c), Z_i(1:n_c,1:n_r));
grid on
ylabel(‘capacitance (pico Farad)’);
xlabel(‘resistance (Mega Ohm)’);
zlabel(‘Ohm’);
legend(‘Imaginary part of Impedance’,”location”,”NORTHEAST”);
figure(3)
mesh(r(1:n_r), c(1:n_c), Z_m(1:n_c,1:n_r));
grid on
ylabel(‘capacitance (pico Farad)’);
xlabel(‘resistance (Mega Ohm)’);
zlabel(‘Ohm’);
legend(‘Module of Impedance’,”location”,”NORTHEAST”);

Mitocondri belgi

Mitocondri belgi

Un piccolo studio (10 pazienti) senza gruppo di controllo, da parte di un prof. di endocrinologia del Ghent University Hospital, Belgio (Frank Comhaire, 2017). E’ stato somministrato un insieme di integratori contenente anche un ingrediente X (estratto da un’alga, senza altre indicazioni) che dovrebbero inibire le piruvato deidrogenasi chinasi (PDK) (figura 1). Gli altri ingredienti sono vit. B1, acido alfa lipoico, acetil-L-carnitina e ossidoriduttasi ubiqiunone Q10.

glucose test.jpg
Figura 1. Il farmaco proposto in questo studio dovrebbe attivare il piruvato deidrogenasi, inibendo le piruvato deidrogenasi chinasi .

Ricordo che le PDK sono state chiamate in causa nell’ultimo studio norvegese sulla ME/CFS in cui si è potuto documentare una riduzione della attività dell’enzima piruvato deidrogenasi, verosimilmente riconducibile alla iperattività di alcune PDK (in particolare PDK1, PDK2 e PDK4) (vedi qui).

Cinque dei dieci pazienti hanno risposto al farmaco, normalizzando la propria funzionalità, per gli altri 5 sono state trovate diagnosi alternative (ipogonadismo, burn-out, osteoporosi, CMV attivo, focolaio batterico nei seni nasali) e sono stati avviati i trattamenti del caso, con beneficio.

Nel complesso lo studio è quantomeno stuzzicante, una lettura edificante. Ma alcune cose lasciano perplessi.

Per esempio, come è possibile che siano state fatte le diagnosi di ME/CFS a livello universitario per poi scoprire che i pazienti avevano altro, tra cui un palese ipogonadismo in un ragazzo di 29 anni? Secondo, in un paziente si confonde apparentemente la fibromialgia con la ME/CFS. Terzo, le indagini che hanno portato a diagnosi alternative sono state fatte solo a coloro che non rispondevano al nuovo farmaco.

glucose test
Figura 2. La linea rossa indica il livello di lattato nel sangue dopo assunzione di glucosio, nei pazienti esaminati in questo studio. Le misure sono state fatte sul sangue, prima dell’ingestione di 75 g di glucosio (tempo 0) e dopo 30, 60, 90, 120, 180 e 240 minuti.

Da segnalare anche che l’autore propone 3 possibili test per rilevare la ridotta attività del piruvato deidrogenasi nella ME/CFS:

  1. un test che prevede la misura del piruvato e dell’acetil-coenzima A nei monociti (che l’autore indica come in fase di sviluppo);
  2. un test in cui si misura il lattato dopo somministrazione di glucosio: se c’è un blocco nel piruvato deidrogenasi, il lattato dovrebbe aumentare in questo test (come viene anche indicato da alcune misure fatte sui pazienti dello studio, figura 2);
  3. testare il farmaco sui pazienti, se rispondono allora le PDK erano iperattive.

RituxME!

RituxME!

In questo collegamento la pagina della University of Bergen (Norvegia) dedicata al trial di fase III, multicentrico, randomizzato, in doppio cieco, con gruppo placebo, sull’uso del Rituximab nella ME/CFS.

Rituximab è un anticorpo monoclonale che permette di eliminare selettivamente la sottopopolazione CD20+ delle cellule B (figura 1). Le celleule B vergini presenti nel midollo non esprimono questa proteina (figura 2) (Dalakas MC 2008), e questo permette al sistema immunitario di ricostituirsi, dopo l’azione del farmaco. In tre studi precedenti dello stesso gruppo, Rituximab si è dimostrato efficace nel migliorare temporaneamente il quadro clinico in 2/3 dei pazienti (Fluge Ø et Mella O, 2009), (Fluge Ø et al. 2011), (Fluge Ø et al. 2015). Al netto dell’effetto placebo (o delle fluttuazioni spontanee) si potrebbe ipotizzare un effetto significativo in metà dei pazienti.

septic-arthritis-uti-ambulatory-visits-care-lns
Figura 1. Rituximab, come Ocrelizumab, è un autoanticorpo avebte come bersaglio un epitopo della proteina CD20, espressa sulla mebrana citoplasmatica di alcune cellule B.
memoria cellule B.png
Figura 2. La vita di una cellula B, dalla nascita nel midollo osseo, pasando per la attivazione, la ipermutazione somatica e la formazione della memoria anticorpale. Disegno di Paolo Maccallini.

Lo studio coinvolge 152 pazienti ME/CFS che sono stati trattati e seguiti – negli ultimi due anni – in 5 centri ospedalieri distribuiti sul territorio norvegese (per questo lo studio è detto multicentrico). I pazienti sono stati divisi in modo casuale (randomizzato) fra coloro a cui viene somministrato il farmaco e coloro a cui è somministrato il placebo. Nessuno, né i pazienti né il personale sanitario, è a conoscenza di cosa venga somministrato al paziente (doppio cieco) e il placebo è una sostanza innocua che ha lo stesso esatto aspetto del farmaco. A settembre chiuderà la fase sperimentale e verranno ‘rotti i codici’, ovvero si potrà sapere chi ha ricevuto il farmaco. I dati verranno analizzati nei mesi successivi e si presume che la pubblicazione avrà luogo nel 2018. Come è già successo in passato nella comunità ME/CFS, si potrebbe immaginare che parte dei risultati sarà resa nota prima ancora della pubblicazione. Se lo studio confermasse quelli precedenti, dovremmo cominciare a pensare alla ME/CFS nei termini di una malattia delle cellule B, almeno in un sottogruppo di pazienti.

I fondi necessari per realizzare questo studio (1.2 milioni di dollari) furono raccolti grazie alla iniziativa di una paziente, Maria Gjerpe, che ha raccontato i retroscena di quella avventura in un Ted Talk:

 

Three controlled trials of intravenous immunoglobulin therapy in patients with ME/CFS

Three controlled trials of intravenous immunoglobulin therapy in patients with ME/CFS

A translation to Dutch for this article is available here.

Introduction

Therapy with high-dose intravenous immunoglobulin (IVIG) has been demonstrated to be useful in several diseases, from autoimmunity mediated by autoantibodies (such as Guillain-Barré syndrome, myasthenia gravis, etc) to primary and secondary antibody deficiency states. It has also been recommended in inflammatory conditions (myopathies) and in some infectious diseases (viral pneumonitis after transplantation, severe or recurrent Clostridium difficile colitis) (UK Guidelines, 2009). This kind of treatment is sometimes offered to ME/CFS patients too, with a wide range of doses, frequency and number of administrations. In what follows I have searched for trials of IVIG in ME/CFS patients, seeking for evidences of efficacy.

Selected papers

I collected a total of 5 studies on the use of IVIG in ME/CFS patients. One of them (Rowe KS 1997) has been discarded because it is on pediatric population. Another one (Tirelli U et al. 2013) represents a retrospective evaluation of 741 ME/CFS patients treated with various approaches (IVIG among them), but doses and frequency of interventions are not reported. Moreover, patients treated with IVIG have been clustered with those treated with antivirals, so that it is not possible to identify a group of patients to whom IVIG was given without other treatments. For all these reasons this paper has been discarded. The remaining three studies are placebo-controlled trials, conducted on adult population (Peterson PK et al. 1990), (Lloyd A et al. 1990), (Vollmer-Conna U et al. 1997). Results from these studies have been collected in Table 1.

PbP figure 1
Table 1. F/M: female patients/male patients. D/P: patients who received the drug/patients who received placebo.

Results from the three placebo-controlled trials

The first study (Peterson PK et al. 1990) is on the administration of six infusions of IVIG, one month apart at a dose of 1 gram/kg. Patients were evaluated throughout the whole trial and no improvements were reported in those treated with IVIG, versus the placebo group. Patients have been recruited according to the Holmes’ criteria (Holmes GP et al. 1988) and most of them presented moderate to severe post-exertional malaise. Only 32% reported moderate to severe confusion (indicated as “brain fog” in Table 1). The negative result of this trial has been confirmed by the third study here discussed (Vollmer-Conna U et al. 1997), where again 1 gram of IVIG for kg, administered once a month, led to no benefit versus placebo. This same study evaluated other doses (0.5g/kg, 2g/kg) and none of them was effective. The only study with a positive outcome is the second one (Lloyd A et al. 1990), where three administrations of 2g/kg each – once a month – determined a significant improvement in 10/23 patients (43%), while only 3/26 (11%) patients treated with placebo experienced a relief.

Discussion

One of the three controlled trial reported a significant response to 2g/kg IVIG a month, versus placebo (Lloyd A et al. 1990). This result has not been confirmed by the subsequent study by the same group of researchers (Vollmer-Conna U et al. 1997). Lower dosages have been unsuccessful (Peterson PK et al. 1990), (Vollmer-Conna U et al. 1997). It is worth noting that in the only positive study, inclusion criteria required “abnormal T cell-mediated immunity indicated by reduction in absolute count of T8 and/or T4 lymphocyte subset, and/or cutaneous anergy” (Lloyd AR et al. 1988) and the Authors reported that low CD4 lymphocyte count at baseline was a predictor for response. This could indicate that a subgroup of ME/CFS patients with an immune deficiency in Th cells could represent a population of responders to IVIG.

Conclusion

These three controlled trials do not seem to support the use of IVIG in ME/CFS, even if there is some data in favour of the use of the highest dosage (2g/kg/month) in patients with low CD4 count.


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Azitromicina nella ME/CFS

Azitromicina nella ME/CFS

L’azitromicina migliora i sintomi della ME/CFS

Nel 2006 l’Erasmus MC-University Medical Center di Rotterdam (Olanda) pubblicò dei dati sull’uso dell’antibiotico azitromicina in 99 pazienti ME/CFS (criteri Fukuda) trattati tra il 2000 e il 2005 (Vermeulen RC et Scholte HR, 2006). Il trattamento consisteva nella somministrazione del macrolide azitromicina secondo la posologia seguente:

  • 500 mg al giorno, tre giorni consecutivi a settimana, per 6 settimane.

L’analisi dei sintomi di questi pazienti al termine del trattamento rivelò che:

  • il 59% aveva sperimentato una riduzione dei sintomi, recuperando fino a un massimo dell’80% della funzionalità premorbosa;

  • coloro che si giovarono del trattamento erano mediamente più giovani (34.7 anni contro 40.3) e presentavano un livello sierico ridotto della acilcarnitina C2;

  • nessun effetto avverso fu documentato.

La principale limitazione di questo studio consiste nel fatto che si tratta di una raccolta di dati su pazienti trattati in periodi diversi, senza il confronto con un gruppo placebo. Ma perché la azitromicina dovrebbe portare un beneficio nella popolazione ME/CFS? Vediamo tre ipotesi.

Prima ipotesi: infiammazione

Molti antibiotici presentano una significativa azione immunomodulante e anti-infiammatoria (Buret AG 2010). I macrolidi – in particolare – hanno dimostrato la capacità di ridurre l’espressione delle citochine pro-infiammatorie IL-6, IL-8, IL-1β, TNFα (Cervin A, 2001), (Sassa K et al. 1999), (Lin HC et al. 2000), (Fujita K et al. 2000). Una possibilità è dunque che la azitromicina migliori la sintomatologia nei pazienti ME/CFS riducendo la sintesi di citochine da parte delle cellule gliali (Vermeulen RC et Scholte HR, 2006), riducendo cioè la neuroinfiammazione documentata in questi pazienti (Nakatomi Y et al. 2014).

Chlamydia pneumoniae 1.jpg
Tabella 1. Dieci pazienti con titoli IgG elevati per C. pneumoniae migliorano rapidamente (entro due settimane) durante somministrazione di azitromicina, mentre i titoli anticorpali decrescono (Chia J et Chia L 1999).

Seconda ipotesi: Chlamydia pneumoniae

Chlamydia pneumoniae è una comune infezione respiratoria in grado di sopravvivere nell’ospite per diversi anni dopo la fase iniziale della infezione (Thom DH et al. 1992). Una infezione cronica di C. pneumoniae è stata proposta come possibile fattore eziologico di alcuni casi di ME/CFS da parte di John Chia (Chia J et Chia L, 1999). Questa ipotesi è stata formulata in base allo studio di 10 pazienti con elevati titoli anticorpali (IgG) per C. pneumoniae nei quali un prolungato trattamento con azitromicina produsse una riduzione significativa dei sintomi, associata a una riduzione dei titoli anticorpali specifici per C. pneumoniae (i dati di questi pazienti sono riportati in Tabella 1). Si noti che la durata della patologia in questo gruppo di pazienti è inferiore a tre anni. La posologia adottata da Chia per i suoi pazienti fu:

  • 250 mg al giorno, per 30 giorni.

Una aumentata incidenza di infezioni da Chlamydia nella popoazione ME/CFS è stata riportata negli USA (Nicolson GL et al. 2003) e in Italia (Linee guida Age.na.s, pag. 144). Dunque una possibile ulteriore spiegazione per il beneficio riportato dai pazienti olandesi dopo somministrazione di azitromicina potrebbe essere la seguente: l’antibiotico ha risolto una infezione attiva da Chlamydia. Vale la pena ricordare che azitromicina è parzialmente attiva anche contro altre infezioni potenzialmente implicate nella patogenesi della ME/CFS, come Borrelia burgdorferi (Feng J et al. 2014), l’agente eziologico della malattia di Lyme.

Terza ipotesi: modulazione della flora batterica

Alterazioni della flora batterica dei pazienti ME/CFS sono state riportate da diversi autori (per una revisione dell’argomento vi rimando a questo articolo) anche se non è stato possibile fino ad ora dimostrare un chiaro ruolo causale, che tuttavia è stato ipotizzato da alcuni autori (Navaneetharaja N et al. 2016). Di particolare rilievo risulta l’osservazione sperimentale che topi con un tratto digerente sterile si dimostrano refrattari allo sviluppo di malattie immunitarie quali malattie infiammatorie dell’intestino, lupus eritematoso sistemico, diabete di tipo uno, e artrite reumatoide (Carding S et al. 2015). Pertanto – se ammettiamo vera l’ipotesi per la quale la ME/CFS sarebbe una malattia autoimmune (Loebel M et al. 2016) – una riduzione della flora intestinale attraverso l’uso di antibiotici come la azitromicina, potrebbe essere di qualche beneficio. Tenuto anche conto che nella ME/CFS si ha una frequente comorbidità con una sovracrescita patologica della flora intestinale al livello del piccolo intestino (Pimentel M et al. 2000), la azitromicina potrebbe contribuire a equilibrare la flora intestinale.


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Nuove terapie per la ME/CFS?

Nuove terapie per la ME/CFS?

Nell’ultimo paragrafo si trova un riassunto schematico di quanto discusso nell’articolo.

Introduzione

Sulla scorta dello studio di Fluge e Mella, che ha ipotizzato una inibizione della funzione del piruvato deidrogenasi (PDH) ad opera (fra gli altri fattori) delle piruvato deidrogenasi chinasi 1, 2, 4 (PDK1, PDK2, PDK4) (vedi qui, qui e qui), ho cominciato a cercare possibili approcci terapeutici.

DCA, DADA.png
Figura 1. Sodio dicloroacetato (DCA) e diisopropilamina dicloroacetata (DADA).

Diisopropilamina dicloroacetata nella influenza

In un mio articolo ho raccontato come  una inibizione del PDH ad opera della PDK4 (simile quindi alla disfunzione metabolica descritta nei pazienti ME/CFS) sia stata descritta durante i primi sette giorni di infezione da virus della influenza A, nei topi (vedi qui). Ebbene, in quel contesto sono stati studiati due approcci terapeutici efficaci, che potrebbero essere utili nella ME/CFS: si tratta del sodio dicloroacetato (DCA) e della diisopropilamina dicloroacetata (DADA). Queste due molecole sono simili, o meglio (vedi figura 1) la seconda contiene la prima. Entrambe queste molecole inibiscono sia la PDK2 che la PDK4 (vedi figura 2) e nello studio sui topi migliorano il tasso di sopravvivenza alla influenza (Yamane K et al. 2014). Il DADA – in particolare – riporta alla normalità l’attività del piruvato deidrogenasi e il livello di ATP nei tessuti (figura 3). Il DADA è usato da oltre 50 anni in Giappone come trattamento di malattie epatiche, senza effetti avversi (distribuito con il nome di Liverall) (Kido H et al. 2016). Gli autori di questi studi raccomandano anche l’assunzione di L-carnitina durante l’influenza, la quale dovrebbe favorire l’ingresso degli acidi grassi nei mitocondri, come fonte alternativa di carburante per il ciclo del TCA (Kido H et al. 2016). Per quanto riguarda questa sostanza, una revisione della letteratura sulle patologie mitocondriali raccomanda 30-100 mg/kg/die distribuiti in varie dosi (Cohen B et Gold DR 2001).

pdk-inhibition

Figura 2. Capacità inibitoria di DCA e DADA su PDK2 e PDK4.

DADA effects.png
Figura 3. Effetto del DADA sulla attività del PDH (A) e sul livello di ATP in vari tessuti (B). La dose è di 100mg/kg/die per 14 giorni, a cominciare dalla inoculazione del virus della influenza A.

Sodio dicloroacetato nel difetto genetico del PDH

Difetti genetici nel PDH sono noti da molto tempo alla scienza, e per essi esistono alcune strategie terapeutiche che potrebbero essere tentate nella ME/CFS. Il DCA (di cui abbiamo parlato sopra) ha una struttura simile al piruvato, ed è indicato come trattamento di vari difetti mitocondriali, in particolare quelli del piruvato deidrogenasi (Stacpoole PW 1997). Il DCA è infatti in grado di aumentare l’attività del piruvato didrogenasi nei pazienti affetti da difetti genetici del PDH, e persino (in misura minore) nelle persone sane (figura 4) (Fouque F et al. 2003). I dosaggi utilizzati sono di 25-50mg/kg/die (Stacpoole PW 1997). Come abbiamo già indicato nel paragrafo precedente, il DCA agisce inibendo le PDK (Yamane K et al. 2014), (Fouque F et al. 2003).

DCA on PDH.png
Figura 4. Effetto del DCA nella attività enzimatica del PDH nelle persone sane (C) e in persone affette da errori genetici nel PDH (P1, P2, P3). La barra tratteggiata è l’attività del PDH senza farmaco, quella bianca è con il farmaco.

Nutrienti per il PDH

Esisitono diversi nutrienti coinvolti nel funzionamento del piruvato deidrogenasi: tiamina (vit B1), riboflavina (vit B2), niacina (vit B3), acido pantotenico (vit B5) e acido lipoico (Pieczenik SR et Neustadt J 2007). Per i dosaggi nei difetti genetici del piruvato deidrogenasi, si raccomandano 100-800 mg di vit B1, 400 mg di vit B2, 100-500 mg di vit B3 (Cohen B et Gold DR 2001), 5-1,200 mg/die di vit B5, 50-200 mg/die di acido alfa lipoico (Niyazov DM et al. 2016). Teoricamente queste sostanze potrebbero essere di beneficio anche nella ME/CFS.

Dieta chetogenica

Una dieta povera di carboidrati (dieta chetogenica) costringe i mitocondri a bruciare esclusivamente amminoacidi e acidi grassi. In questo caso è evidente che un difetto del piruvato deidrogenasi (che sia genetico oppure secondario, come nella ME/CFS e nella influenza) non costituisce più un ostacolo, venendo il PDH completamente aggirato dal metabolismo energetico. Questo tipo di alimentazione alternativa dei mitocondri avviene durante la privazione di cibo, l’allenamento strenuo e il diabete non trattato (Salvay JG 2004). Ma può essere anche indotta riducendo drasticamente il consumo di carboidrati. Questo tipo di alimentazione è stata proposta come trattamento nei difetti genetici del PDH (Wexler ID et al. 1997), (orpha.net). La supervisione di un medico è ovviamente necessaria per chi volesse tentare questo approccio terapeutico.

Conclusione

Riassumo schematicamente gli approcci terapeutici teoricamente utili contro il difetto del piruvato deidrogenasi (PDH) recentemente riscontrato nella ME/CFS:

  1. Sodio dicloroacetato (DCA) (25-50 mg/kg/die) inibisce le PDK aumentanto la funzione del PDH sia nei difetti genetici del PDH (Stacpoole PW 1997), (Fouque F et al. 2003) che nella disfunzione del PDH indotta dal sistema immunitario durante l’influenza (Yamane K et al. 2014), (Fouque F et al. 2003).
  2. Diisopropilamina dicloroacetata, è un equivalente del sodio dicloroacetato. Studiata nella disfunzione del PDH indotta dal sistema immunitario durante l’influenza (modello animale) (Yamane K et al. 2014), (Fouque F et al. 2003). Probabilmente le dosi andrebbero dimezzate rispetto al DCA, avendo peso molecolare doppio.
  3. L-carnitina, favorisce l’ingresso degli acidi grassi nei mitocondri. Questo processo non richiede l’intervento del PDH, quindi l’uso di L-carnitina (o acetil-L-carnitina) può essere di aiuto – teoricamente – nella ME/CFS. Nelle patologie mitocondriali si raccomandano 30-100 mg/kg/die distribuiti in varie dosi (Cohen B et Gold DR 2001).
  4. Tiamina (vit B1, 100-800 mg), riboflavina (vit B2, 400 mg), niacina (vit B3, 100-500 mg), acido pantotenico (vit B5, 5-1.200 mg) e acido alfa lipoico (50-200 mg) sono nutrienti che favoriscono le reazioni chimiche in cui è coinvolto il PDH (Pieczenik SR et Neustadt J 2007), (Cohen B et Gold DR 2001), (Niyazov DM et al. 2016).
  5. Una dieta povera di carboidrati può indurre il corpo a bruciare esclusivamente grassi e proteine nei mitocondri, saltando il PDH. Questa dieta è stata suggerita nel difetto genetico del PDH (Wexler ID et al. 1997), (orpha.net) e potrebbe teoricamente essere di beneficio nella ME/CFS.

Ossigeno-ozono terapia e ME/CFS

Ossigeno-ozono terapia e ME/CFS

Si è parlato recentemente di terapia con ozono (autoemotrasfusione) nella ME/CFS. Vorrei allora condividere alcune riflessioni.

1) La terapia non può essere germicida, a differenza di quanto affermato da alcuni, in quanto – secondo la FDA – la concentrazione di ozono tale da esercitare effetto germicida dovrebbe essere molto superiore a quanto un paziente possa tollerare. Cito dal sito della FDA.

2) La terapia non è esente da effetti collaterali. Ci sono prove che induca fenomeni significativi di vasocostrizione e protrombotici, come rilevano gli autori di questo studio, apparso recentemente su Cardiology.

3) L’idea che la procedura possa avere un qualche ruolo nel migliorare la produzione di energia del soggetto, fornendo ossigeno ai mitocondri, apparirà improbabile non appena si riflette sul fatto che un essere umano consuma circa 300 ml di ossigeno al minuto, e il gas infuso nel paziente durante la procedura ha un volume di 100-150 ml. Pur considerando che tale gas contiene anche ozono (quindi ossigeno triatomico) e che la sua pressione può essere maggiore di quella atmosferica, appare comunque evidente che tutto l’ossigeno infuso sarà bruciato nell’arco di alcune decine di secondi dal metabolismo del paziente.

4) Un articolo del 2002 apparso sulla Rivista italiana di Ossigeno-Ozonoterapia afferma che la terapia si è dimostrata efficace in 4 su 5 pazienti fibromialgici e in 3 con ME/CFS (Borrelli E, Bucci V, 2002). La terapia è consistita in 2 autoemotrasfusioni settimanali (100 ml di sangue), con un massimo di 4 mg di ozono per ogni somministrazione. I pazienti ME/CFS hanno riscontrato la riduzione dei sintomi dopo 3 mesi di terapia continuativa e a 6 mesi dall’inizio della terapia erano guariti. Contemporanemente si somministrava vitamina C, N-acetil-cisteina, vitamina E, selenio e acido alfa lipoico, su base quotidiana. Lo studio non è in doppio cieco e si basa su un numero limitato di casi. Quindi questi dati sono di valore molto modesto.

5) Uno studio recente afferma che la autoemotrasfusione è efficace nell’80% dei pazienti ME/CFS (Tirelli U. et al. 2018). Ma questo studio è stato pubblicato su una rivista che non è inclusa nel catalogo NLM (national library of medicine) e che chiede un compenso di almeno 100 dollari per pubblicare gli articoli (vedi qui). Non è chiaro inoltre il tipo di analisi statistica adottato: si tratta di uno studio senza gruppo di controllo, eppure è stata effettuata una analisi statistica tra i gruppi dello studio (“study arms”) che non è affatto chiaro quali siano.

6) A volte si obietta che le industrie farmaceutiche sono ostili alla terapia con ozono, perché l’ozono è un gas naturale che non può essere sottoposto a brevetti e fa concorrenza ai farmaci. Questa ostilità sarebbe la causa dello scarso investimento nella ricerca sui benefici della ossigeno-ozono terapia. Si può osservare però che nella ME/CFS non c’è nessun farmaco approvato e quindi non c’è nessuna concorrenza; inoltre coloro che realizzano le apparecchiature per somministrare, stoccare e produrre ozono hanno esattamente gli stessi interessi economici delle case farmaceutiche: perché è vero che l’ozono non è un farmaco brevettabile, ma la tecnologia e gli apparati che vengono impiegati per questa terapia fruttano profitto esattamente come il brevetto di un farmaco.

Conclusione. La terapia non è stata ancora dimostrata efficace nella CFS, non è germicida, non fornisce un apporto significativo di ossigeno alle cellule e presenta effetti collaterali. Questo però non significa che non possa rivelarsi efficace, dopo studi più approfonditi, per motivi che ora non conosciamo. E’ bene che il paziente sia informato di questo, in modo da fare le sue valutazioni.

Ringraziamenti. Ringrazio Gualtiero Zucconi per aver recuperato sul web lo studio di Borrelli e Bucci.


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