Hipotézis – William Shaw, PhD

Az autizmus egyik (a) fő oka a zsírsavak béta-oxidációjának és a dopamin-béta-hidroxiláznak a gátlása a gastrointestinalis Clostridium baktériumokból származó rövidláncú zsírsavak fenilszármazékaival

William Shaw, PhD

Absztrakt

Háttér: A szerző több mint 40 évnyi biokémiai metabolomikai szakirodalmat magában foglaló átfogó értékelése több olyan tanulmányt is tárgyal, melyek a dopamin nevű neurotranszmitternek és metabolitjainak, illetve a dopamin-béta-hidroxiláz (DBH) Clostridium baktériumokból származó inhibitorainak kóros emelkedését dokumentálják autista gyerekek vizeletmintáiban és a cerebrospinalis folyadékból vett mintáikban.

Az áttekintés célja: Az értékelés célja, hogy magyarázatot adjon a dopamin és metabolitjainak emelkedésére a vizeletben, illetve a gastrointestinalis traktus fokozott Clostridium-kolonizációjával való kapcsolatukra autista gyerekeknél. Amellett, hogy értékeli a Clostridium-fajok metabolizmusát és annak a rendellenes dopamin-anyagcserére gyakorolt hatásait autizmusban, másodlagos célja az, hogy hipotézisként bemutassa, hogy a Clostridium baktériumok egy konkrét metabolitja, a 3-hidroxi-(3-hidroxi-fenil)-3-hidroxi-propionsav (HPHPA), a szabad koenzim-A (CoASH) csökkenéséhez vezetve még súlyosabb hatásokat válthat ki autizmusban, mint más metabolitok. A szabad koenzim-A ezen csökkenése a koleszterin és az aktivált palmitinsav hiányához vezet, melyek az agyi fejlődésben kulcsfontosságú sonic hedgehog fehérje aktiválásához szükségesek, amiről egy kutatás a közelmúltban kimutatta, hogy súlyos autizmusban súlyosan abnormális.

Az áttekintés kulcsfontosságú tudományos koncepciói: Laboratóriumok világszerte következetesen nagy mennyiségű HPHPA-t és 4-krezolt találtak autista gyermekek vizeletmintáinak nagy százalékában. Azok az inhibitorok, melyeket az intestinalis Clostridium baktériumok termelnek, a dopamin és metabolitjainak emelkedését okozzák, ami hatást gyakorol az agy és a szimpatikus idegrendszer kulcsfontosságú enzimére, a dopamin-béta-hidroxilázra (DBH). A DBH-inhibitorok miatti túlzott mennyiségű dopamin és annak toxikus metabolitjai agyi károsodást okozhatnak a túlzott mennyiségű instabil dopamin-kinonok, a dopamin agyi mitokondriális energiatermelést megzavaró toxikus melléktermékei, illetve az oxigén szuperoxid miatt. A HPHPA-nak, egy rövidláncú fenilvegyületnek, további biokémiai hatásai lehetnek az agyra autizmusban, ezzel a sonic hedgehog nevű, agyi fejlődéshez szükséges kulcsfontosságú fehérje aktiválásához szükséges CoA-palmitinsav-származék termeléséhez szükséges szabad CoASH mennyiségének csökkenését okozva. A CoASH csökkentése egy új terápiás célpontnak tűnik a HPHPA metabolit zsírsavak béta-oxidációjára és a koleszterinszintézisre gyakorolt mellékhatásainak visszafordítására, melyek autizmusban gyakoriak.

Következtetések: Az autizmus súlyossági fokozatai közötti különbségek a termelt Clostridium-markerek típusán és koncentrációján alapulhatnak, illetve azon, hogy ezek a markerek, mint a HPHPA, milyen mértékben csökkentették az olyan kritikus lipideket, mint a koleszterin és a CoA-palmitinsav-származék. A betegeknek szükségük van ezekre a lipidekre a sonic hedgehog nevű fejlődési fehérje aktiválásához. Emellett, a koenzim-A megkötése a Clostridium-fajok rövidláncú melléktermékei által a kritikus szabad CoASH csökkenéséhez vezet, amelyre az egész köztes anyagcsere során szükség van, és biokémiai vihart hoz létre, mely különösen az agy működését érinti.

William Shaw, PhD, Kutató Kémikus, Mosaic Diagnostics, Overland Park, KS, USA

Közreműködő szerző: William Shaw, PhD

Email: wshaw@gpl4u.com

Bevezetés

Számos, az autista gyerekek vizeletmintáit feldolgozó vizsgálat, melyek közül néhány egy kis csoport kisméretű molekulára fókuszált, míg mások mintegy 154 metabolitra, kezdtek magyarázatot adni az autizmusban előforduló, neurotranszmitterekhez és a gastrointestinalis mikrobiális metabolizmushoz kötődő jellemző biokémiai rendellenességekre.1-11

A szerző áttekintette ezeknek a vizsgálatoknak az eredményeit, hogy megállapítsa, hogy e vizsgálatok néhány abnormális eredménye biokémiailag összefüggésben lehet-e, és különösen lenyűgözte egy csapat olasz kutató, Mussap et al9 metabolomikai vizsgálata, mely megállapította, hogy az „adipinsav, a palmitinsav, és a 3-(3-hidroxi-fenil)-3-hidroxi-propionsav (HPHPA) lehet az autizmus súlyosságának potenciális biomarkere.”

  1. táblázat: A Clostridium-metabolitok autizmusban való szerepére utaló vizsgálatok embereknél és állatoknál
VegyületHivatkozásFöldrajzi elhelyezkedésFő eredmények
HPHPA,4-krezolShaw 2010,3 2015,13202114USAEmelkedett mennyiségű HPHPA-t azonosított autista betegek vizeletmintáiban, és ezt az emelkedést adott Clostridium-fajoknak tulajdonította. A DBH-hiányt a HPHPA-nak és a 4-krezolnak tulajdonította.
HPHPAKeşli et al, 20142TörökországA HPHPA egy autista csoport 30 vizeletmintájában szignifikánsan magasabb volt, mint egy 30 fős kontrollcsoportban.
HPHPANoto et al, 20141OlaszországEmelkedett mennyiségű HPHPA-t azonosított autista betegek vizeletmintáiban.
HPHPAXiong et al, 20165KínaEgy autista csoport 62 vizeletmintájában szignifikánsan magasabb volt a HPHPA szintje, mint egy 62 fős kontrollcsoport mintáiban. Az autizmus tünetei Clostridium baktériumokkal való kezelés után javultak. A magas HPHPA 96%-os pontossággal jelzett autizmust.
HPHPAMussap et al, 20209Olaszország154 marker vizeletmintákban való értékelése során három marker, a palmitinsav, az adipinsav és a HPHPA nagy mértékben jelezte az autizmust. A palmitinsav mutatta a legmagasabb korrelációt az autizmus súlyosságával.
HPHPA,4-krezolDaneberga et al, 202111LettországMind a 4-krezol, mind a HPHPA magas incidenciájáról számolt be 44 autista beteg esetében.
4-krezolAltieri et al, 201127OlaszországA 4-krezol emelkedett volt autista gyerekeknél. Az emelkedés mértéke magasabb volt azoknál, akiknél súlyosabb volt a betegség.
4-krezolPersico, Napolioni, 2012OlaszországA 4-krezol emelkedett volt autista gyerekeknél.
4-krezolGabriele et al, 201428FranciaországAz össz vizelet 4-krezol, 4-krezil-szulfát és 4-krezil-glükuronát jelentősen emelkedett volt 33 autizmus spektrumzavarral (ASD) élő francia betegnél a 33, nemés kor szerint párosított kontrollhoz képest. A magas értékeket a sztereotipikus, kényszeres és repetitív viselkedési formákkal hozták összefüggésbe.
4-krezolPascucci et al, 202032OlaszországA 4-krezol tartalmú injekciók autisztikus viselkedést váltottak ki egereknél.
4-krezolGevi et al, 20206OlaszországAz emelkedett 4-krezol autista betegek 40 vizeletmintájában közvetlenül korrelált a dopaminmetabolitok dopamin-béta-hidroxiláz gátlása miatti magas szintjével.
4-krezolBermudez-Martin et al, 202131FranciaországA szájon át beadott 4-krezol autisztikus viselkedést váltott ki egereknél.

Rövidítések: HPHPA: 3-(3-hidroxi-fenil)-3-hidroxi-propionsav.

A szerző számára egy némileg meglepő eredmény ebből a vizsgálatból az, hogy az egyetlen marker, mely a legnagyobb korrelációt (0,65) mutatta az autizmus súlyossági tüneteinek súlyosságával, a palmitinsav volt, egy nagyon gyakori telített zsírsav. Az említett kutatók az autizmus súlyosságáról szóló eredményeiket az Autizmus Diagnosztikus Obszervációs Sémára (ADOS) alapozták, és megállapították, hogy a palmitinsav volt az a marker, ami a legjobban korrelált az ADOS súlyossági pontszámmal.

Egy másik metabolomikai kutatócsoport, Khan et al Pakisztánban4, szintén a palmitinsavat azonosította kulcsfontosságú abnormális metabolitként autista gyermekek vizeletében. Az említett pakisztáni vizsgálatban az autizmus csoportban a résztvevők 86%-ánál volt kimutatható palmitinsav a vizeletben, szemben azzal, hogy a kontrollcsoportban nem volt ilyen. Viszont Khan et al vizsgálata nem mérte a 4-krezolt vagy a HPHPA-t. Egy rövid áttekintés erről a három kulcsfontosságú biokémiai vegyületről autizmusban magában foglalja a palmitinsavat (hexadekánsav), az adipinsavat és a HPHPA-t.

Biokémiai anyagok

Palmitinsav. Ez a sav (hexadekánsav) egy 16 szénatomos telített zsírsav, ami nevét leggyakoribb forrásáról, a pálmaolajról kapta. Nincs publikált bizonyíték arra, hogy a palmitinsav túlzott mennyiségben lenne jelen az autista gyerekek étrendjében. Ha nincs felesleges palmitinsav-bevitel az étrendjükben, a túlzott mennyiségű palmitinsav jelenléte minden bizonnyal a csökkent katabolizmusnak köszönhető. Mi csökkentené ennek a gyakori zsírsavnak a katabolizmusát?

Adipinsav. Ez a sav egy hat szénatomos dikarboxilsav, ami a zsírsav-oxidáció omega-oxidációs útvonalának egy terméke. Ezt gyakran a zsírsavak béta-oxidációjának „biztonsági rendszerének” tartják, amikor az genetikai mutációk (mint például a közepes láncú acil-dehidrogenáz hiánya (MCAD)), béta-oxidációs kofaktorok (mint a karnitin vagy a koenzim-A (CoA)) hiánya, vagy túlzott mennyiségű szubsztrát (pl. magas zsírtartalmú étrend) miatt túlterhelt.12

HPHPA. Ez a sav a Clostridium baktériumok és az emberi anyagcsere kombinációjának anyagcsere-terméke, és szerkezetét Shaw először autizmusban, skizofréniában és más betegségek esetében azonosította, illetve ezek esetében számolt be emelkedett szintjéről.3,13,14. Úgy tűnik, hogy neurotoxicitásának egyik mechanizmusa a dopamin-béta-hidroxiláz (DBH), a dopamint norepinefrinné alakító enzim komoly gátlása.13,14 A HPHPA szintjének emelkedését autista gyerekek vizeletmintáiban több földrajzi régióban is igazolták már, beleértve Törökországot2, Kínát5, Olaszországot1,9, Lettországot11 és az Egyesült Államokat3,13,14, ami azt jelzi, hogy ez a rendellenes vegyület világszerte gyakorinak tűnik autizmusban (1. táblázat).

A HPHPA és a Clostridium baktériumok két további fenil metabolitjának (3-hidroxi-hippursav és a 3-hidroxi-fenil-ecetsav) az autizmus diagnosztikai markereként való alkalmazásával a kínai kutatók, Xiong et al5 megállapították, hogy ezen három marker emelkedése 98,4%-os specificitással rendelkezik az autizmus spektrumzavar (ASD) diagnózisára, ami egy figyelemre méltóan magas szám, amely legalábbis jelentős diagnosztikai markernek tűnik az autizmus fő alcsoportja esetében.

A Clostridium baktériumok fenilvegyületének, a HPHPA-nak a zsírsav-anyagcserére gyakorolt hatása, és a kapcsolata a zsírsav-anyagcsere Knoop általi korai felderítésével

Az egyik lehetséges kölcsönhatás a három fő rendellenesség között, melyeket Mussap et al felfedezett az autizmusban jellemző vizelet metabolomban, az a markáns hatás lehet, amit a HPHPA nagyon nagy mennyisége gyakorolhat a zsírsavak metabolizmusára, különösen az adipin- és palmitinsav esetén, melyek kiemelkedtek a tanulmányban.9 Az, hogy Shaw korábbi felvázolása a HPHPA keletkezéséről és katabolizmusáról3 erősen támaszkodott Knoop klasszikus munkájára15 (1. ábra), aki zsírsavak fenilszármazékait használta a zsírsavak béta-oxidációs útvonalának megvilágítására15 az 1900-as évek elején (1. ábra).

Mivel a HPHPA egy fenilt tartalmazó zsírsav, illeszkedik ugyanabba a Knoop-féle, zsírsavak béta-oxidációjára szolgáló metabolikus útvonalba. Az útvonal kezdő szubsztrátja Elsden kutatásán alapszik16, aki megállapította, hogy a fenil-propionsav a botulinum, caloritolerans és a sporogenes nevű Clostridium-fajok által végzett fenilalanin-fermentáció fő terméke, illetve a mangenoti, ghoni, bifermentans, difficile és a sordelii nevű Clostridium-fajok kisebb mennyiségben termelik. Tizennégy másik Clostridium-fajt is értékeltek, köztük a tetanit, és nem termelték ezt a terméket.

Bhala et al azt is megállapította, hogy egyedül a Clostridium-fajok voltak olyan fajok, melyek fenil-propionsavat termeltek, miután 67 különböző, emberi székletből származó izolátumot értékeltek, melyek kilenc baktériumtörzsből származó mikróbákat és Candida albicanst tartalmaztak.17 Továbbá megállapították, hogy a metronidazol, a klindamicin, illetve egy tikarcillint, klavulanátot és oxacillint (olyan gyógyszerek, melyek kiirtják a Clostridium baktériumokat) tartalmazó kombinált terápia eltörölte a  fenil-propionsavat előállító bélflórát. Azt is megállapították, hogy a cefazolin, cefuroxim, ampicillin, klóramfenikol és a gentamicin nevű antibiotikumok nem szüntetik meg a fenil-propion-termelést. Mivel ezen szerek közül egy vagy több elpusztítja a bélbaktériumok nagy részét, köztük az E. coli, Streptococcus-, Salmonella-, Shigella-, Proteus-, Pseudomonas- és Klebsiella-fajokat is, a fenil-propionsav fennmaradása ezen szerek jelenlétében úgy tűnik, hogy megszünteti ezeket a fajokat, mint a fenil-propionsav, a HPHPA prekurzorának lehetséges forrásait.

A Clostridium vagy más baktériumok hidroxilálhatják a fenil-propionsav fenilgyűrűjét, hogy 3-(3-hidroxi-fenil)-propionsavat (3-HPPA) képezzenek. A reakció igazolására további kutatásra van szükség.

A 3-HPPA ezután a koenzim-A tioészterévé alakítható a zsíros acil-CoA szintetáz enzimatikus aktivációján keresztül (2. ábra). A 3-HPA-CoA tioészter ezután belép a humán metabolizmus béta-oxidációs útvonalába azáltal, hogy 3-(3-hidroxi-fenil)-transz-2-propenil-CoA koenzim-A tioészterré alakul, melynek közvetítője a flavin-adenin-dinukleotid-függő acil-dehidrogenáz.

Ezután a termék kettős kötésének hidratációja az enoil-hidratáz által 3-(3-hidroxi-fenil)-3-hidroxi-propionil-koenzim-CoA tioésztert hoz létre, ami ezután két alternatív útvonalon is metabolizálódhat: (1) egy tioláz enzim általi átalakítás, mely során 3-(3-hidroxi-fenil)-3-hidroxi-propionsav (HPHPA) és szabad CoA koenzim-A (CoASH) képződik, vagy (2) a nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD+)-dependens 3-hidroxi-acil-dehidrogenáz általi átalakítás 3-(3-hidroxi-fenil)-3-oxo-propionil—koenzim CoA tioészterré.  A CoA tioészteréből 3-(3-hidroxi-fenil)-3-hidroxi-propionsavat előállító tioláz enzim még nem tisztázott.

Mivel a 3-hidroxi-acil-dehidrogenáz egy reverzibilis enzimreakció, a Clostridium-metabolit általi csökkenésnek betudható szabad koenzim-A-hiány eltolhatja az egyensúlyt a 3-(3-hidroxi-fenil)-3-hidroxi-propionil—CoA tioészter  túlsúlyának irányába. Bármilyen előállított 3-(3-hidroxi-fenil)-3-oxo-propionil—CoA tioészter átalakítható ezután 3-hidroxifenil CoA-vá és acetil-CoA-vá az acil-CoA béta-keto-tioláz ativitásának katalizálásával és egy további CoASH molekulával, mely lehet, hogy nem áll rendelkezésre, ha kötött állapotban van a koenzim-A 3-HPA tioésztereiként.

Ezután bármelyik előállított 3-hidroxi-fenil-CoA konjugálódhat glicinnel a glicin-N-acil-transzferáz enzim segítségével, hogy 3-hidroxi-hippursav képződjön, egy olyan vegyület, melyet Xiong et al figyelemre méltó mennyiségben talált autista betegek vizeletmintáiban, melyekben a HPHPA szintje szintén emelkedett volt.5 Ezek a kutatók azt is megállapították, hogy a 3-hidroxi-hippursav átlagértéke 95-ször magasabb volt az autista csoport vizeletmintáiban, mint a normál kontrollok mintáiban. A 3-hidroxi-hippursav csökkent aránya a HPHPA-hoz képest a szabad koenzim- A rendelkezésre állását jelzi.

A CoA megkötése

A CoA megkötése a túlzott mennyiségű fenolos Clostridium-vegyület által hatással lehet a béta-oxidációs útvonalra és a palmitinsav-CoA tioészter képződésére, ami a sonic hedgehog aktiválásához szükséges.

A HPHPA mennyisége néha olyan magas, hogy nehéz a többi szerves savat számszerűsíteni a kromatogramon. Még akkor is, ha a felbontás megvan, a HPHPA mennyisége néha meghaladja az összes egyéb szerves sav kreatininnel korrigált moláris koncentrációjának együttes összegét. (Ez a megfigyelés a szerző személyes megfigyelése volt több esetben).

A 3-hidroxi-fenil-propionsav CoA tioésztereinek képződése olyan nagymértékűnek tűnik, hogy lehetséges, hogy a CoASH-t igénylő összes egyéb metabolikus funkcióhoz szükséges szabad CoASH indukált hiánya áll fenn.

Martines et al elméleti elemzése12 a köztes anyagok áramlásáról a béta-oxidációs útvonalon keresztül feltárta, hogy a CoA köztes anyagainak túlhalmozódása egy zsákutcához vezethet, ami leállítja a megfelelő glükózszint fenntartásához szükséges energiatermelést.12 Logikus dolog arra következtetni, hogy a CoASH ezen hiánya eredményezi azt, hogy a zsírsavak az omega-oxidációs útvonalon metabolizálódnak, ami az adipinsav jellegzetes túlsúlyához vezet az autista gyerekek vizeletmintáiban. Az omega-oxidációs útvonal nem igényel CoASH-t kofaktorként.

Az első enzimatikus lépés (zsírsav-CoA-ligáz) a palmitinsav hasznosításában szintén igényli a koenzim-A tioészterré való átalakulást. Ugyanazt az enzimet valószínűleg gátolni fogja a 3-HPPA nagy mennyisége, az első reakció a 2. ábrán. Így a CoASH hiánya károsítaná a palmitinsav hasznosításának ezt az első lépését. Ha a palmitinsav autizmusban nem hasznosítható, a szabad palmitinsav nagy mennyiségben választódik ki a vizelettel.

A sonic hedgehog az egyik legfontosabb fehérje, amely érintett az anatómiai tulajdonságok kialakulásában. Például a sonic hedgehog gén mutációival rendelkező gyerekeknél előfordulhat, hogy csak egyetlen „küklopsz” szemük van a fej közepén két szem helyett. A sonic hedgehog fehérjét koleszterinnel és a palmitinsav-CoA koenzim-A tioészterrel kell aktiválni.18 Az aktivált sonic hedgehog 30-szor magasabb aktivitású, mint a nem aktivált sonic hedgehog.

A sonic hedgehog koncentrációja abnormális az autista gyerekek szérummintáiban, a legmagasabb értékeket a legsúlyosabb autizmussal hozták összefüggésbe.19 A feltehetően hibás, nem aktivált sonic hedgehog nem tud megfelelően kötődni a receptorához, ami a nem aktivált sonic hedgehog túltermelődéséhez vezet a hibás feedback szabályozás miatt.

Beszámoltak arról, hogy az összkoleszterin szignifikánsan alacsonyabb autizmusban20,21, és rendkívül alacsony a koleszterin bioszintézisét érintő, Smith-Lemli-Opitz-szindróma nevű genetikai betegségben, melyben nagyon gyakoriak az autisztikus tünetek, de koleszterinpótlás esetén jelentősen javulnak.22

A CoA egy nélkülözhetetlen koenzim az olyan biokémiai köztes anyagok termelődéséhez, mint a 3-hidroxi-3-metil-glutársav-CoA koenzim-A-származék, a 3-hidroxi-3-metil-glutaril(HMG)-CoA-reduktáz szubsztrátja, ami a koleszterintermelés első köztes anyaga, és a legtöbb sztatin típusú koleszterincsökkentő gyógyszer metabolikus célpontja.

A Purkinje-neuronok sonic hedgehog-ot választanak ki a külső szemcsés rétegben lévő szemcsés neuron-prekurzorok osztódásának fenntartásához az agy fejlődése során. Xiao et al neuropatológiai vizsgálatai a Purkinje-sejtek alacsonyabb számát állapították meg, a mélyebb kisagyi nucleusok (DCN) elhagyott vagy ektópiás neuronjait, váltakozó kéregvastagságot, a foliaképződés diszpláziáját, és migrációs károsodásokat találtak az autizmus spektrumzavarral élő egyének kisagyi kérgében.23

A tény, hogy a sonic hedgehog aktiválásának egyik kulcstényezője, a palmitoil-CoA valószínűleg hiányzik autizmusban, segít megmagyarázni a figyelemre méltóan magas korrelációt az autisztikus tünetek és a palmitinsav vizeletbeli koncentrációja között. Khan et al pakisztáni vizsgálatának4 egy további rendellenessége az az eredmény, hogy a 3-hidroxi-izovaleriánsav, ami elegendő CoASH-t igényel a szintéziséhez, 80%-kal alacsonyabb volt az autisztikus résztvevők esetében a kontrollokhoz képest (p<0.0001).

Ennek a markernek a termelése, valamint a leucinból származó fő koleszterin-prekurzorok szintén nagymértékben CoASH-dependensek24 a koleszterinszintézis metabolikus útvonalában érintett egyik első enzim, az elágazó láncú alfa-ketosav-dehidrogenáz miatt.

4-krezol, egy másik gyakori, autista gyermekeknél azonosított Clostridium-metabolit

Több vizsgálat is összefüggésbe hozta a 4-krezolt, egy másik, az autista gyerekek vizelet- és székletmintáiban megtalálható fenolos anyagot a Clostridium baktériumok túlszaporodásával a gastrointestinalis traktusban.6,11,13,14,25-29 Az 1. táblázat egy átfogó összegzést nyújt ezekről a vizsgálatokról. Emellett Bermudez-Martin et al30 és Pascucci et al31 megállapították, hogy az állatok 4-krezollal való kezelése autizmusszerű tüneteket okoz.

Sokkal fontosabb, hogy a 4-krezol által kiváltott viselkedési rendellenességek Pascucci et al vizsgálatában egereknél feltűnően hasonlítanak a humán autisztikus egyéneknél klinikailag megfigyelt fő tünetekhez és társbetegségekhez. A 4-krezol elnevezésű metabolit károsítja a dendritek fejlődését, a szinaptogenezist, és a szinapszisok működését a hippocampalis neuronokban patkány sejtkultúrákban.32

Érdekes, hogy ezek közül a tanulmányok közül csak kettő számolt be mind a HPHPA-ról, mind a 4-krezolról (1. táblázat).11 A szerző azt gyanítja, hogy az egyik fő probléma a HPHPA azonosítására és mennyiségi meghatározására vonatkozó kereskedelmi analitikai standard hiánya volt. Továbbá, a HPHPA-t valószínűleg nem mutatták ki a székletvizsgálatokban25,26, mivel termelése a humán és a mikrobiális metabolizmus kombinációját igényli ahhoz, hogy a fenil-propionsavat HPHPA-vá alakítsa.

A 4-krezol kovalens kötéseket alakít ki a DBH enzim két különböző tirozin pozíciójával (a 216-os és 357-es aminosavak), ami a DBH enzim aktivitásának irreverzibilis gátlását váltja ki.34-36 Gevi et al bemutatták, hogy a 4-krezol koncentrációja közvetlenül kötődött a DBH gátlásának mértékéhez, mely egy kritikus enzim, ami katalizálja a dopamin átalakítását norepinefrinné.6

Shaw arról számolt be, hogy úgy tűnik, hogy mindkét fenolos vegyület, a HPHPA és a 4-krezol is, a DBH inhibitora (3. ábra).14 Goodhart et al arról számolt be, hogy más fenolos vegyületek is gátolhatják a DBH-t (4. ábra), többek közt a 3-krezol, 4-metil-katekol, 4-etil-fenol, és a 3-hidroxi-benzil-alkohol.33 Valószínűnek tűnik, hogy más gyakori fenolok, melyek gyakran megtalálhatók a vizeletben, mint a 3-hidroxi-fenil-ecetsav és a 4-hidroxi-fenil-ecetsav, szintén DBH-inhibitorok lehetnek in vivo.

Hsiao et al36 megállapították, hogy a 4-etil-fenol-szulfátról, egy vegyületről, ami szorosan kötődik a 4-krezolhoz (egy metil-fenol) már beszámoltak, mint az autisztikus tünetek potenciális oka egerek egy adott törzsében, és hogy a Bacillus probiotikumok egy törzsének alkalmazása teljesen vissza tudta fordítani az autisztikus tüneteket ezeknél az egereknél36; a szulfátmentes metabolit a DBH erős inhibitora. A szulfáttartalmú metabolit valószínűleg szintén egy inhibitor, de még nem vizsgálták.

A dopamin és metabolitjainak fokozott emelkedése autizmusban, az egyik legkövetkezetesebb metabolikus rendellenesség autizmusban

A dopamin és a fő metabolitja, a homovanillinsav (HVA) emelkedése 40 éven keresztül gyakori eredmény volt autista gyermekek vizeletmintáiban.14 Mind Lelord et al37, mind Garreau et al38 beszámolt arról, hogy a HVA szintje magasabb volt az autisztikus gyerekeknél, mint az átlagos gyerekeknél. A korábbi arról számolt be, hogy ezeknek a fiatal autisztikus betegeknek a klinikai javulása B6-vitaminos terápia mellett kapcsolatban állt a HVA vizeletben való kiválasztódásának csökkenésével. A dopamin metabolizmusának rendellenességei közé tartozott a dopaminmetabolit, a homovanillinsav (HVA) koncentrációjának emelkedése a cerebrospinalis folyadékban.39

Továbbá, a HVA emelkedésének mértéke a vizeletben erősen korrelált az autisztikus tünetek fokozott súlyosságával.38 Számos újabb vizsgálat1,4,6,7 igazolta a korábbi vizsgálatok eredményeit, melyek a dopamin metabolitjainak emelkedett szintjét állapították meg autista gyerekek vizeletmintáiban, így ez a rendellenesség az autizmus kutatásának egyik legkövetkezetesebb megismételt eredménye. Mi az oka a túlzott mennyiségű dopamin agyra gyakorolt káros hatásainak?

A túlzott mennyiségű dopamin és metabolitjainak agyi toxicitása

Ha ezen DBH-inhibitorok miatt túlzott mennyiségű a dopamin és toxikus metabolitjainak szintje az agyban, az agyi károsodást okozhat az instabil dopamin-kinonok, a dopamin toxikus melléktermékeinek túlzott mennyisége, illetve az oxigén-szuperoxid (4. ábra) miatt, ami a következőkhöz vezet: (1) fokozódó oxidatív stressz, (2) neuronális mitokondriumok károsodása azáltal, hogy a dopaminmetabolit aminokróm kovalens kötést hoz létre az elektron-tanszportlánc I-es és III-as mitokondriális komplexeivel és a Krebs-ciklus enzimével, az izocitrát-dehidrogenázzal, (3) neuronkárosodás, és (4) neuronális apoptózis.40-42

A képen szöveg, képernyőkép, diagram, Párhuzamos látható Automatikusan generált leírás

Minél tovább folytatódik a DBH-inhibitorok termelődése a gastrointestinalis traktusban, annál nagyobb lehet az agy károsodása, és ezzel párhuzamosan annál kisebb az antimikrobiális terápia alkalmazásának lehetősége az agyi károsodás visszafordítására.

A 4-krezol kevésbé ártalmas lehet a humán metabolizmusra, mint a fenil-propionsav, mivel a detoxifikálása más módon történik. A 4-krezol vagy közvetlenül a vizeletbe választódik ki, vagy szulfát- vagy glükuronát-konjugátumokká alakul át.43 Így ezek a detoxifikációs módszerek azt jelentik, hogy a 4-krezol nem képes a CoA-t fenil tioészterek formájában megkötni, ami a zsírsavak béta-oxidációjának gátlását okozza, illetve a koleszterin és az aktivált palmitinsav csökkentett mértékű csökkenését.

Összefoglaló, diszkusszió

A laboratóriumok világszerte következetesen nagy mennyiségű HPHPA-t és 4-krezolt találtak autista gyermekek vizeletmintáinak nagy százalékában. A dopamin és metabolitjainak emelkedésének fő oka ezeknél a gyermekeknél azoknak az inhibitoroknak a jelenléte, melyeket a bélben található Clostridium baktériumok termelnek. Az agy és a szimpatikus idegrendszer egy kulcsfontosságú enzimjére, a dopamin-béta-hidroxilázra (DBH) vannak hatással.

A DBH-gátlás mértéke arányos a mikrobiális DBH-inhibitor koncentrációjával. 4-krezol adagolása állatoknál autisztikus tünetek kialakulását váltja ki. Ezek a tünetek egy hasonló vegyület, a 4-etil-fenol-szulfát nagy mennyiségének beadására is megjelennek az állatoknál, és a probiotikus baktériumok nagyon hatékonyan tudják kezelni az autisztikus tüneteiket.

A dopamin és toxikus metabolitjainak túlzott mennyisége az agyban, ami ezeknek a DBH-inhibitoroknak tudható be, agyi károsodást okozhat az instabil dopamin-kinonok, a dopamin toxikus melléktermékeinek feleslege, valamint az oxigén-szuperoxid miatt, ami az alábbiakhoz vezet: (1) fokozódó oxidatív stressz; (2) neuronális mitokondriumok károsodása azáltal, hogy a dopaminmetabolit aminokróm kovalens kötést hoz létre az elektron-tanszportlánc I-es és III-as mitokondriális komplexeivel és a Krebs-ciklus enzimével, az izocitrát-dehidrogenázzal; (3) neuronkárosodás; és (4) neuronális apoptózis.

A HPHPA, egy rövidláncú fenilvegyület további biokémiai hatást gyakorolhat az agyra autizmusban. A metabolomikai vizsgálatok eredményei bizonyítékkal szolgálnak a zsírsav-anyagcsere rendellenességeire autizmusban, mint például a palmitinsav magas szintje a vizeletben, ami erősen korrelál az autisztikus tünetek súlyosságával. Úgy tűnik, hogy ezek a rendellenességek kapcsolatban állnak a zsírsav-anyagcsere zavarával, ami a CoASH csökkenésének tudható be, ami a palmitinsav hasznosításához szükséges kezdő lépés.

Úgy tűnik, hogy ezt a csökkenést a CoASH túlzott mértékű megkötése okozza a Clostridium baktériumokból származó HPHPA-ból képződött fenil-Co-A tioészterek formájában. Úgy tűnik, hogy az adipinsav emelkedett mennyiségének a vizeletben és az alacsony szérum koleszterinszintnek az oka az autista gyerekeknél hasonló módon a béta oxidációhoz nem elegendő CoASH miatti túlzott omega-oxidáció. A CoASH indukált hiánya, illetve az alacsony koleszterinszint és a CoA-palmitinsav tioészter, mely a magas HPHPA-szintnek tudható be autizmusban lehet, hogy nem tudja megfelelően aktiválni a sonic hedgehog fehérjét, ami kulcsfontosságú az agy fejlődéséhez. A sonic hedgehog abnormális metabolizmusát igazolták autizmusban, és korrelált az autizmus súlyosságával.

Az, hogy ismerjük a Clostridium baktériumok ezen metabolitjainak az emberi anyagcserében betöltött szerepét, fontos új kezelési módokat eredményezhet az autizmus megelőzésére és kezelésére.

A HPHPA és a 4-krezol, a dopamin-béta-hidroxiláz potenciális inhibitorainak magas mennyiségének következetes megállapítása az autista gyerekek vizeletmintáinak nagy százalékában a laboratóriumokban szerte a világon, mely korrelál a valószínűleg toxikus dopaminmetabolitok nagy mennyiségével, azt mutatja, hogy ezeket az anyagokat mérni kellene minden autizmus spektrumzavaros eset vizeletmintáiban. Emellett, úgy tűnik, hogy az adipinsav és a palmitinsav a HPHPA által okozott szabad koenzim-A-csökkenés jó indikátora. Továbbá, a HPHPA-nak, egy rövidláncú fenilvegyületnek a szabad koenzim-A csökkenésére gyakorolt valószínűleg biokémiai hatásai úgy tűnik, hogy egy új terápiás célpontot jelentenek arra, hogy visszafordítsuk ennek a HPHPA metabolitnak a zsírsavak károsodott béta-oxidációjára és a koleszterinszintézisre gyakorolt mellékhatásait, melyek autizmusban gyakoriak. Emellett a szabad koenzim-A indukált hiánya, illetve a koleszterin és koenzim-A-palmitinsav tioészter alacsony szintje, ami a HPHPA magas szintjének tudható be, valószínűleg az agyfejlődésben kulcsfontosságú sonic hedgehog fehérje aktivációjának hiányát okozza. A HPHPA és a 4-krezol mennyiségét minden ASD-s beteg vizeletmintájában mérni kellene. Továbbá úgy tűnik, hogy az adipinsav és a palmitinsav a HPHPA által kiváltott CoASH-csökkenés jó indikátora. A CoA koenzim-A vagy a prekurzorainak, mint például a pantoténsav és/vagy a pantoténsav-foszfát pótlása olcsó és hatékony eszköz lehet a HPHPA által kiváltott CoASH-csökkenés visszafordítására. Egy új vizsgálat megállapította, hogy a pantoténsav szintje gyakran alacsony az autista gyerekek vizeletmintáiban, és fő marker az átlagos gyerekek és az autista gyerekek megkülönböztetésére.44

Következtetések

Az autizmus súlyosságának változásai a termelt Clostridium-markerek típusain és koncentrációján alapulhatnak, illetve azon, hogy ezek a markerek, mint a HPHPA, milyen mértékben csökkenzik az olyan fontos lipidek mennyiségét, mint a koleszterin és a palmitinsav. A betegeknek szükségük van ezekre a lipidekre a sonic hedgehog nevű fejlődési fehérje aktiválásához, és hiányuk a fontos CoASH csökkenéséhez vezet, melyre az egész köztes metabolizmus során szükség van, és biokémiai vihart hoz létre.

A szerző közzétételi nyilatkozata

A metabolomikai vizsgálatokat a Great Plains Laboratory végezte; a szerző korábban 100%-ban a vállalat tulajdonosa volt, de a kézirat előkészítésének kezdete előtt eladta azt. A szerző még mindig a cég alkalmazásában áll, melyet most Mosaic-nak hívnak, de nem kap semmilyen anyagi kompenzációt a szöveggel kapcsolatban.

Hivatkozások

  1. Noto A, Fanos V, Barberini L, et al. The urinary metabolomics profile of an Italian autistic children population and their unaffected siblings. J Matern Fetal Neonatal Med. 2014;27(sup2) (suppl 2):46-52. doi:10.3109/14767058.201 4.954784
  2. Keşli R, Gökçen C, Buluğ U, Terzi Y. Investigation of the relation between anaerobic bacteria genus clostridium and late-onset autism etiology in children. J Immunoassay Immunochem. 2014;35(1):101-109. doi:10.1080/1532 1819.2013.792834
  3. Shaw W. Increased urinary excretion of a 3-(3-hydroxyphenyl)-3- hydroxypropionic acid (HPHPA), an abnormal phenylalanine metabolite of Clostridia spp. in the gastrointestinal tract, in urine samples from patients with autism and schizophrenia. Nutr Neurosci. 2010;13(3):135-143. doi:10.11 79/147683010X12611460763968
  4. Khan ZUN, Chand P, Majid H, et al. Urinary metabolomics using gas chromatography-mass spectrometry:   potential biomarkers for autism spectrum disorder. BMC Neurol. 2022;22(1):101. doi:10.1186/s12883-022- 02630-4
  5. Xiong X, Liu D, Wang Y, Zeng T, Peng Y. Urinary 3-(3-hydroxyphenyl)-3- hydroxypropionic Acid, 3-Hydroxyphenylacetic Acid, and 3-Hydroxyhippuric Acid Are Elevated in Children with Autism Spectrum Disorders. BioMed Res Int. 2016;2016:9485412. doi:10.1155/2016/9485412
  6. Gevi F, Belardo A, Zolla L. A metabolomics approach to investigate urine levels of neurotransmitters and related metabolites in autistic children. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2020;1866(10):165859. doi:10.1016/j. bbadis.2020.165859
  7. Kałuzna-Czaplińska J, Socha E, Rynkowski J. Determination of homovanillic acid and vanillylmandelic acid in urine of autistic children by gas chromatography/mass spectrometry. Med Sci Monit. 2010;16(9):CR445- CR450.
  8. Puig-Alcaraz C, Fuentes-Albero M, Cauli O. Relationship between adipic acid concentration and the core symptoms of autism spectrum disorders. Psychiatry Res. 2016;242:39-45. doi:10.1016/j.psychres.2016.05.027
  9. Mussap M, Siracusano M, Noto A, et al. The Urine Metabolome of Young Autistic Children Correlates with Their Clinical Profile Severity. Metabolites. 2020;10(11):476. doi:10.3390/metabo10110476
  10. Kałużna-Czaplińska J. Noninvasive urinary organic acids test to  assess biochemical and nutritional individuality in autistic children. Clin Biochem. 2011;44(8-9):686-691. doi:10.1016/j.clinbiochem.2011.01.015
  11. Daneberga Z, Nakazawa-Miklasevica M, Berga-Svitina E, et al. Urinary organic acids spectra in children with altered gut microbiota composition and autistic spectrum disorder. Nord J Psychiatry. 2021;1-7; Epub ahead of print. doi:10.1080/08039488.2021.2014954

12. Martines AMF, van Eunen K, Reijngoud DJ, Bakker BM. The promiscuous enzyme medium-chain 3-keto-acyl-CoA thiolase triggers a vicious cycle in fatty-acid beta-oxidation. PLOS Comput Biol. 2017;13(4):e1005461. doi:10.1371/journal.pcbi.1005461

13. Shaw WW. Clostridia bacteria in the gastrointestinal tract as a major cause of depression and other neuropsychiatric disorders. Role of Clostridia metabolites 3-(3-hydroxyphenyl)-3-hydroxypropionic acid (HPHPA) and 4-cresol in the alteration of dopamine and norepinephrine metabolism. In: Greenblatt J, Brogan K, eds. Integrative Psychiatry for Depression: Redefining Models for Assessment, Treatment, and Prevention of Mood Disorders. Taylor and Francis; 2015.

14. Shaw W. Dopamine excess and/or norepinephrine and epinephrine deficiency in autistic patients due to prenatal and/or postnatal deficiency of dopamine beta-hydroxylase.  J Orthomol Med.  2021;36(1):1-25.  https://isom.ca/article/ dopamine-excess-and-or-norepinephrine-and-epinephrine-deficiency-in- autistic-patients-due-to-prenatal-and-or-postnatal-deficiency-of-dopamine- beta-hydroxylase/

15. Houten SM, Wanders RJ. A general introduction to the biochemistry of mitochondrial fatty acid β-oxidation. J Inherit Metab Dis. 2010;33(5):469-477. doi:10.1007/s10545-010-9061-2

16. Elsden SR, Hilton MG, Waller JM. The end products of the metabolism of aromatic amino acids by Clostridia. Arch Microbiol. 1976;107(3):283-288. doi:10.1007/BF00425340

17. Bhala A, Bennett MJ, McGowan KL, Hale DE.   Limitations of 3-phenylpropionylglycine in early screening for medium-chain acyl- coenzyme A dehydrogenase deficiency. J Pediatr. 1993;122(1):100-103. doi:10.1016/S0022-3476(05)83499-7

18. Pepinsky R, Zeng CH, Wen D, Rayhorn P, Baker D, Williams K, Bixler S, Ambrose C,Garber E,  K, Taylor F, Wang E, Galdes A. (1998). Identification of a Palmitic Acid-modified Form of Human Sonic c hedgehog. The Journal of Biological Chemistry Vol. 273, No. 22, Issue of May 29, pp. 14037–14045, 1998 doi:10.1074/jbc.273.22.14037

19. Al-Ayadhi LY. Relationship between Sonic hedgehog protein, brain-derived neurotrophic factor and oxidative stress in autism spectrum disorders. Neurochem Res. 2012;37(2):394-400. doi:10.1007/s11064-011-0624-x

20. Tierney E, Bukelis I, Thompson RE, et al. Abnormalities of cholesterol metabolism in autism spectrum disorders. Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet. 2006;141B(6):666-668. doi:10.1002/ajmg.b.30368

21. Benachenhou S, Etcheverry A, Galarneau L, Dubé J, Çaku A. Implication of hypocholesterolemia in autism spectrum disorder and its associated comorbidities: A retrospective case-control study. Autism Res. 2019;12(12):1860-1869. doi:10.1002/aur.2183

22. 22. Elias ER, Irons MB, Hurley AD, Tint GS, Salen G. Clinical effects of cholesterol supplementation in six patients with the Smith-Lemli-Opitz syndrome (SLOS). Am J Med Genet. 1997;68(3):305-310. doi:10.1002/ (SICI)1096-8628(19970131)68:3<305::AID-AJMG11>3.0.CO;2-X

23. Xiao R, Zhong H, Li X, et al. Abnormal Cerebellar Development Is Involved in Dystonia-Like Behaviors and Motor Dysfunction of Autistic BTBR Mice. Front Cell Dev Biol. 2020;8:231. doi:10.3389/fcell.2020.00231

24. Indo Y, Kitano A, Endo F, Akaboshi I, Matsuda I. Altered kinetic properties of the branched-chain -keto acid dehydrogenase complex due to mutation of the beta-subunit of the branched-chain alpha-keto acid decarboxylase (E1) component in lymphoblastoid cells derived from patients with maple syrup urine disease. J Clin Invest. 1987;80(1):63-70. doi:10.1172/JCI113064

25. Kang DW, Ilhan ZE, Isern NG, et al. Differences in fecal microbial metabolites and microbiota of children with autism spectrum disorders. Anaerobe. 2018;49:121-131. doi:10.1016/j.anaerobe.2017.12.007

26. De Angelis M, Piccolo M, Vannini L, et al. Fecal microbiota and metabolome of children with autism and pervasive developmental disorder not otherwise specified. PLoS One. 2013;8(10):e76993. doi:10.1371/journal.pone.0076993

27. Altieri L, Neri C, Sacco R, et al. Urinary p-cresol is elevated in small children with severe autism spectrum disorder. Biomarkers. 2011;16(3):252-260. doi:1 0.3109/1354750X.2010.548010

28. Persico AM, Napolioni V. Urinary p-cresol in autism spectrum disorder. Neurotoxicol Teratol. 2013;36:82-90. doi:10.1016/j.ntt.2012.09.002

29. Gabriele S, Sacco R, Cerullo S, et al. Urinary p-cresol is elevated in young French children with autism spectrum disorder: a replication study. Biomarkers. 2014;19(6):463-470. doi:10.3109/1354750X.2014.936911

30. Bermudez-Martin P, Becker JAJ, Caramello N, et al. The microbial metabolite p-Cresol induces autistic-like behaviors in mice by remodeling the gut microbiota. Microbiome. 2021;9(1):157. doi:10.1186/s40168-021-01103-z

31. Pascucci T, Colamartino M, Fiori E, et al. P-cresol Alters Brain Dopamine Metabolism and Exacerbates Autism-Like Behaviors in the BTBR  Mouse. Brain Sci. 2020;10(4):233. doi:10.3390/brainsci10040233

32. Guzmán-Salas S, Weber A, Malci A, et al. The metabolite p-cresol impairs dendritic development, synaptogenesis, and synapse function in hippocampal neurons: implications for autism spectrum disorder. J Neurochem. 2022;161(4):335-349. doi:10.1111/jnc.15604

33. Goodhart PJ, DeWolf WE Jr, Kruse LI. Mechanism-based inactivation of dopamine beta-hydroxylase by p-cresol and related alkylphenols. Biochemistry. 1987;26(9):2576-2583. doi:10.1021/bi00383a025

34. DeWolf WE Jr, Carr SA, Varrichio A, et al. Inactivation of dopamine beta- hydroxylase by p-cresol: isolation and characterization of covalently modified active site peptides. Biochemistry. 1988;27(26):9093-9101. doi:10.1021/ bi00426a005

35. Southan C, DeWolf WE Jr, Kruse LI. Inactivation of dopamine beta- hydroxylase by p-cresol: evidence for a second, minor site of covalent modification at tyrosine 357. Biochim Biophys Acta. 1990;1037(2):256-258. doi:10.1016/0167-4838(90)90176-G

36. Hsiao EY, McBride SW, Hsien S, et al. Microbiota modulate behavioral and physiological abnormalities associated with neurodevelopmental disorders. Cell. 2013;155(7):1451-1463. doi:10.1016/j.cell.2013.11.024

37. Lelord G, Callaway E, Muh JP, et al. L’acide homovanilique urinaire et ses modifications par ingestion de vitamine B6: exploration fonctionnelle dans l’autisme de l’enfant? [Modifications in urinary homovanillic acid after ingestion of vitamin B6; functional study in autistic children (author’s transl)]. Rev Neurol (Paris). 1978;134(12):797-801. French.

38. Garreau B, Barthelemy C, Domenech J, et al. Troubles du métabolisme de la dopamine chez des enfants ayant un comportement autistique. Résultats des examens cliniques et des dosages urinaires de l’acide homovanilique (AHV). [Disturbances in dopamine metabolism in autistic children: results of clinical tests and urinary dosages of homovanilic acid (HVA)]. Acta Psychiatr Belg. 1980;80(3):249-265. French.

39. Cohen DJ, Caparulo BK, Shaywitz BA, Bowers MB Jr. Dopamine and serotonin metabolism in neuropsychiatrically disturbed children. CSF homovanillic acid and 5-hydroxyindoleacetic acid. Arch Gen Psychiatry. 1977;34(5):545-550. doi:10.1001/archpsyc.1977.01770170055004

40. Muñoz P, Huenchuguala S, Paris I, Segura-Aguilar J. Dopamine oxidation and autophagy. Parkinsons Dis. 2012;2012:920953. doi:10.1155/2012/920953

41. Olguín H. Juárez, Calderón Guzmán D, Hernández García E, Barragán Mejía G. The Role of Dopamine and Its Dysfunction as a Consequence of Oxidative Stress. Oxid Med Cell Longev. 2016;2016:9730467. doi:10.1155/2016/9730467

42. Paris I, Muñoz P, Huenchuguala S, et al. Autophagy protects against aminochrome-induced cell death in substantia nigra-derived cell line. Toxicol Sci. 2011;121(2):376-388. doi:10.1093/toxsci/kfr060

43. Gryp T, Vanholder R, Vaneechoutte M, Glorieux G. p-Cresyl Sulfate.  Toxins (Basel). 2017;9(2):52. doi:10.3390/toxins9020052

44. Liang Y, Xiao Z, Ke X, et al. Urinary Metabonomic Profiling Discriminates Between Children with Autism and Their Healthy Siblings. Med Sci Monit. 2020;26:e926634. doi:10.12659/MSM.926634