Kwas chinolinowy (quinolinic acid) a autyzm

Nie jestem lekarzem i to co napisałem ma charakter wyłącznie informacyjny. Przed podjęciem jakiejkolwiek interwencji zasięgnij porady lekarza.

Inspiracja

Dzisiejszy post jest po części inspirowany wynikami badań mojego dziecka oraz po części ostatnią publikacją włoskich badaczy przyglądających się wynikom badań moczu u dzieci z ASD[1]. Fragment wyników badań mojego dziecka widzimy po lewej. Zanim zaczniemy spekulować co może oznaczać podwyższony poziom kwasu chinolinowego w moczu to przytoczmy fragmenty z interpretacji podanej przez laboratorium.

"Elevated urinary levels are likely associated with increased intake of tryptophan via supplements or food. ... Vitamin B6 insufficiency also would be expected to cause increased urinary levels. This effect seems to be increased in people on a high-protein diet. It appears that oral contraceptives or other high-estrogen states may also result in higher urinary excretion, as does renal insufficiency. Elevated quinolinic acid may also be a marker for inflammatory muscle conditions."

Wydaje się zatem logiczne, że w celu interpretacji powyższych wyników należy wziąć pod uwagę wymienione przez laboratorium czynniki, np.: czy dziecko nie przyjmuje jakiegoś preparatu z tryptofanem lub nie otrzymuje go w większych ilościach z diety, czy nie ma niedoborów witaminy B6 lub nie ma jakiś problemów z układem moczowym, itd. Załóżmy zatem, że wszystkie wspomniane przez laboratorium czynniki zostały wykluczone przez lekarza. Przyjrzyjmy się zatem czy taki podwyższony wynik kwasu chinolinowego w moczu jest czymś rzadkim u osób z ASD.

Statystyka

Po prawej widzimy fragment tabelki z publikacji, której autorzy starali się znaleźć zależność pomiędzy poziomem kwasów organicznych w moczu dzieci z ASD a wybiórczością pokarmową tych dzieci[2]. Autorzy konkludują, że istnieje statystycznie istotna zależność pomiędzy wybiórczością pokarmową a podwyższonymi markerami mogącymi sugerować dysbiozę jelitową. Jednak to nie to przykuwa teraz naszą uwagę lecz to, że u prawie 30% dzieci z ASD poziom kwasu chinolinowego jest przekroczony. Dużo, mało? Trudno powiedzieć. Niestety nie ma tutaj grupy kontrolnej co znacząco utrudnia interpretację wyników. W każdym razie wychodzi na to, że wynik badania moczu w którym jest podwyższony poziom kwasu chinolinowego nie jest niczym szczególnym u dzieci z ASD i nie tylko moje dziecko może się "pochwalić" takim wynikiem. Proszę o zwrócenie uwagi na bardzo wysoki odsetek osób z ASD u których widzimy podwyższony poziom kwasu kynureninowego (kynurenic). Zarówno kwas kynureninowy jak i kwas chinolinowy są metabolitami tryptofanu. Zachowajmy to w pamięci. Zanim przejdziemy do przyjrzenia się pracy włoskich badaczy to zerknijmy jeszcze jak dieta wpływa na interesujące nas metabolity tryptofanu.

Dieta

Aby sprawdzić w jaki sposób dieta wpływa na oznaczane w moczu wartości metabolitów tryptofanu badacze u jednej grupy osób wprowadzili dietę z wysoką zawartością protein (1.9 g/kg/dzień) a u drugiej z niską (0.8 g/kg/dzień)[3]. Jak widać na załączonym obrazku badacze ustalili, że dieta ma wpływ na poziom metabolitów tryptofanu w moczu. Badacze ujęli to w następujących słowach:

Next, we compared changes in plasma level and 24h urinary excretion of the various tryptophan metabolites in the HP vs. LP group (Fig 2), observing a significant increase in plasma level and 24h urinary excretion of indoxyl sulfate (P 0.004 and P 0.001, respectively), 24h urinary excretion of indoxyl glucuronide (P 0.01), 24h urinary excretion of kynurenic acid (P 0.006) and 24h urinary excretion of quinolinic acid (P 0.02).

To co wypadałoby powiedzieć to to, że badacze oznaczali poziom metabolitów z całodobowej zbiórce moczu, podczas gdy ja dostarczałem do badań mocz poranny. Czy dieta wysokobiałkowa skutkuje podwyższonym poziomem metabolitów tryptofanu także w moczu porannym? Całkiem możliwe, ale ta praca nie dostarcza na to bezpośredniego dowodu. To na co chciałbym jeszcze zwrócić uwagę to to, że badacze obserwowali podwyższone poziomy zarówno kwasu kynureninowego jak i chinolinowego. Co więcej zauważyli także, że dieta wysokobiałkowa powoduje wzrost poziomu mocznika w surowicy:

Plasma urea and 24h urinary excretion of urea also significantly increased in the HP vs. LP group (P < 0.0001 and P 0.0002, respectively; Fig 1).

Wydaje się zatem, że wyniki oznaczenia poziomu mocznika we krwi mogłyby być wskazówką co do tego, że dieta dziecka jest bardzo bogata w białko. Przyglądając się wynikom oznaczenia mocznika we krwi u mojego dziecka (wykres obok) nie widzę niczego niepokojącego. Wydaje mi się, że taki wynik może sugerować iż dieta dziecka nie jest wysokobiałkowa, ale oczywiście to badanie służy głównie do oceny pracy nerek.

Podsumowując, wydaje się, że rodzaj diety ma wpływ na poziom oznaczanych w moczu metabolitów tryptofanu oraz na poziom mocznika we krwi i trzeba brać ten czynnik pod uwagę w interpretacji wyników. Inna sprawa, że obserwowano jednoczesne podwyższenie zarówno kwasu kynureninowego jak i chinolinowego przy diecie wysokobiałkowej. Wrócimy do tej kwestii jeszcze później.

Przejdźmy wreszcie do wspominanej już wcześniej pracy włoskich badaczy.

Praca włoskich badaczy

Powyżej widać w jaki sposób różnią się wartości oznaczane dla różnych metabolitów tryptofanu pomiędzy dziećmi z ASD a grupą kontrolną. Badacze nie skupiali się na wyłącznie na tych metabolitach, ale analiza ponad 200 metabolitów wykazała, że najistotniejsze różnice dotyczą metabolitów szlaku tryptofanu i szlaku puryn. O związku pomiędzy metabolizmem puryn a ASD opowiemy sobie jeszcze przy innej okazji, tutaj wspomnimy jedynie iż autorzy spekulują, że te zaburzenia mogą tłumaczyć otrzymane wyniki. Zaburzenia puryn w ASD wiązane są często z modelem MIA (o tym w przyszłości) i odpowiedzią komórki na zagrożenie.

In addition, the cell danger response also yields relative vitamin B6 deficiency and the enzyme kynureninase is B6 dependent [65]; hence, a cell danger metabolic response in the presence of adequate tryptophan intake could also explain the decreased kynurenine and increased xanthurenic and quinolinic acid observed here (Fig. 4).

Przedstawiony powyżej ciąg zdarzeń sugeruje, że przyczyną podwyższonego poziomu kwasu chinolinowego jest deficyt witaminy B6 (a deficyt ten powstaje w wyniku odpowiedzi komórki na zagrożenie). W istocie, laboratorium wykonujące badanie mojemu synowi sugerowało, że takowy deficyt może być przyczyną podwyższenia poziomu kwasu chinolinowego w moczu. No cóż, może tak a może nie, w każdym razie nie jest to jedyne możliwe wytłumaczenie.

Pozwoliłem sobie wstawić fragment publikacji jako obrazek obok. Powszechnie wiadomo, że kwas chinolinowy nie przenika przez barierę krew-mózg. Na tym stwierdzeniu wiele osób kończy analizę i postuluje, że podwyższony poziom kwasu chinolinowego w moczu nie ma wpływu na mózg. No cóż, może i nie ma, ale nie wyklucza to wcale sytuacji, że pewne defekty na szlaku tryptofanu pojawiają się zarówno przed jak i za barierą krew-mózg. W istocie poziom kwasu chinolinowego we krwi bardzo znacząco koreluje z poziomem tego kwasu w mózgu. Podkreślam, we krwi, ale ten temat niebawem.

Wróćmy jeszcze na moment do omawianej pracy. Niektóre metabolity tryptofanu są w nadmiarze u osób z ASD w porównaniu do grupy kontrolnej, inne wręcz przeciwnie. Niektóre z nich przenikają z łatwością barierę krew-mózg a inne mają z tym kłopoty. Metabolity tryptofanu są wykorzystywane intensywnie przez mikroglej oraz makrofagi. To wszystko wpływa na to, że badacze spekulują, że może to wskazywać na wypływ 3-hydroksykynureniny z płynu mózgowo-rdzeniowego do krwi (3-hydroksykynurenina z łatwością przenika barierę krew-mózg) gdzie jest następnie przekształcana w kwas chinolinowy. Jeśli to prawda, to dlaczego jest nadmiar 3-hydroksykynureniny w płynie mózgowo-rdzeniowym? Czy świadczy to o aktywacji mikrogleju? I czy rzeczywiście podwyższony poziom kwas chinolinowego w moczu koreluje z podwyższonym poziomem tego kwasu w mózgu? Chyba nie znamy jeszcze satysfakcjonujących odpowiedzi na te pytania.

Krew

Zdaję sobie sprawę, że porównywanie wartości oznaczanych we krwi z wartościami oznaczanymi w moczu jest jak porównywanie jabłek i pomarańczy. Chcę jednak przytoczyć parę fragmentów z pracy badaczy oznaczających wybrane metabolity tryptofanu w surowicy osób z ASD w porównaniu do grupy kontrolnej[4]. Chodzi mi o to, że temat kwasu chinolinowego w kontekście ASD pojawia się co jakiś czas w badaniach. Na rysunku obok widzimy, że u osób z ASD pewne metabolity tryptofanu (tutaj interesuje nas najbardziej kwas chinolinowy) istotnie różnią się w porównaniu do grupy kontrolnej. Co więcej, badacze oznaczali także poziom niektórych markerów sprawdzających toczący się stan zapalny (np.: neopteryna - ta informacja przyda się później). Wśród osób z ASD poziom neopteryny był statystycznie wyraźnie wyższy niż w grupie kontrolnej. Poziom neopteryny oznaczony w moczu, krwi lub płynie mózgowo rdzeniowym dostarcza informacji o aktywacji systemu immunologicznego, a w szczególności określa poziom stresu oksydacyjnego spowodowanego aktywacją systemu immunologicznego[5].

Zachęcam do przeczytania tej publikacji w całości. Pozwolę sobie przytoczyć pewne fragmenty z tej publikacji.

Further investigation of the immunological profile of our patients with ASD confirmed the expression of a range of cytokines associated with mild, but chronic, inflammation, possibly driven by high levels of IL-17 (Fig. 3). Although there were also elevations of the anti-inflammatory cytokines IL-1ra and IL-10; the overall balance was proinflammatory (Supporting Information Table S2).

We previously demonstrated that activated human primary macrophages were the major cell type producing endogenous QA [Guillemin, Smythe, Takikawa, & Brew, 2005]. Our studies further point to activated macrophages as the primary source of excess QA in our patient group with ASD, as we found increased neopterin levels in children with ASD (Fig. 4C) and neopterin is a well described marker of IFN-c-activated macrophages [Huber et al., 1984]. These data agreed with previous studies [Sweeten, Posey, & McDougle, 2003].

The increased concentration of QA in ASD is also likely to be associated with increased oxidative stress. We previously showed that QA can significantly potentiate oxidative stress in human primary neuron cultures [Braidy, Grant, Adams, Brew, & Guillemin, 2009] and that oxidative stress markers are increased in children with ASD [Essa et al., 2013].

Widać wyraźnie z powyższego, że autorzy sugerują na podwyższony poziom kwasu chinolinowego we krwi może mieć wpływ (chroniczny?) stan zapalny. Czy poziomy oznaczanego kwasu chinolinowego we krwi, moczu i płynie mózgowo-rdzeniowych korelują jakoś ze sobą? Zobaczmy.

Korelacje

Grupa badaczy pod kierownictwem pana Raisona postanowiła sprawdzić w jaki sposób zmieniają się wartości wybranych metabolitów tryptofanu podczas stymulacji systemu odpornościowego. Poziomy tych metabolitów były oznaczane zarówno we krwi jak i płynie mózgowo-rdzeniowym[6]. Pozwoliło to na sprawdzenie czy widoczne są tutaj jakieś korelacje. Okazuje się, że tak. Poziom kwasu chinolinowego we krwi znacząco, pozytywnie koreluje z poziomem tego kwasu w płynie mózgowo-rdzeniowym.

To examine the relationship between plasma and CSF TRP, KYN, and QUIN, correlational analyses were performed (Table 3). High correlations were found between CSF and plasma KYN as well as CSF and plasma QUIN. However, no correlation was found between CSF and plasma TRP. Of note, peripheral blood TRP was negatively correlated with CSF KYN.

Cały czas pamiętajmy, że mówimy tutaj o korelacji pomiędzy poziomem kwasu chinolinowego we krwi (a nie w moczu) a płynem mózgowo-rdzeniowym. Pamiętajmy też, że mówimy tutaj o sytuacji, w której próbowano stymulować układ immunologiczny (ale ponieważ kwas chinolinowy produkowany jest przez komórki mikrogleju oraz makrofagi to trudno będzie omawiać kwas chinolinowy w oderwaniu od układu immunologicznego). Okazuje się, że inne grupy badaczy także obserwowały wzrost stężenia kwasu chinolinowego zarówno we krwi jak i w płynie mózgowo-rdzeniowym podczas stymulacji układu immunologicznego[7]. Co więcej widać było też zwiększone wydalanie z moczem tego kwasu (bierzmy jednak pod uwagę, że praca ta dotyczy myszoskoczków). Nie trzeba być jednak myszoskoczkiem, ten trend było widać także u małp[8].

Elevated serum QUIN levels could not be attributed to impaired renal excretion rates. SIV-infected macaques had significantly higher excretion rates of QUIN in the urine than uninfected controls and significantly higher serum QUIN levels (Study 3; Table 2).

Widać zatem, że być może jest to temat rozwojowy i u ludzi (a zwłaszcza u osób z ASD) warto sprawdzić, czy poziom kwasu chinolinowego w moczu koreluje z wartościami we krwi i płynie mózgowy-rdzeniowym. Warto pewnie byłyby też sprawdzić markery stanu zapalnego, żeby sprawdzić jak ma się jedno do drugiego. Kto wie, może doczekamy się kiedyś takiego badania.

Płyn mózgowo-rdzeniowy

Jedyne znane mi badanie kwasu chinolinowego w płynie mózgowo-rdzeniowym u osób z ASD jest opisane w publikacji pana Zimmermana[9]. Sugestia, że autyzm może mieć związek ze stanem zapalnym mózgu pojawiła się już stosunkowo dawno. Pan Zimmerman postanowił sprawdzić pewne markery stanu zapalnego w płynie mózgowo-rdzeniowym (kwas chinolinowy oraz neopterynę). Okazało się, że poziomy markerów stanu zapalnego u osób z ASD były statystycznie niższe (patrz rysunek obok) niż w grupie kontrolnej. Inni badacze podchodzą ostrożnie do wyników tego badania bowiem grupa kontrolna składała się w dużej mierze z osób z innymi zaburzeniami neurologicznymi (no cóż, nie tak łatwo o płyn mózgowo-rdzeniowy od osób zdrowych). Ostrzegają o tym sami autorzy badania.

However, values from neurologic controls may have been moderately increased as a result of some degree of neuroinflammation associated with their diseases, while those in the subjects with autism may have been normal.

W każdej z trzech grup kontrolnych występowały osoby z padaczką oraz innymi neurologicznymi zaburzeniami. Niestety, badacze nie oznaczali tych samych markerów we krwi i w płynie mózgowo-rdzeniowych. W szczególności nie oznaczano poziomu neopteryny w surowicy. Szkoda, bo inna grupa badaczy to zrobiła i wyszło im, że jej poziom jest wyższy we krwi u osób z ASD. Było, nie było, wydaje się, że autorzy badania sami też byli zdziwieni otrzymanymi wynikami. Na koniec jeszcze kilka cytatów ze wspomnianej pracy.

Our findings of low levels of quinolinic acid and neopterin in cerebrospinal fluid may therefore appear paradoxical, given recent evidence for neuroinflammation in the brain in autism. However, they are consistent with both a state of delayed maturation in the case of quinolinic acid as well as absence of concurrent infection with respect to neopterin.

Therefore, the situation in autism may be analogous to findings in Huntington disease [37], which is characterized by localized microglial activation but no elevation of quinolinic acid in cerebrospinal fluid [4].

Leczenie

Jak możemy przeczytać w wielu opracowaniach sama obecność kwasu chinolinowego w mózgu nie oznacza jeszcze niczego złego[10]. Jest on potrzebny do syntezy NAD+. Problem pojawia się wtedy kiedy nie zostaje zachowana równowaga i jego stężenie jest większe niż powinno być. Jest to o tyle ważne, że enzym QPRT który przekształca kwas chinolinowy w NaMN (ang. nicotinic acid mononucleotide) łatwo ulega saturacji.

Under normal conditions, QUIN is present in nanomolar concentrations in the brain and is catabolized for the synthesis of NAD+. At low nanomolar physiological concentrations, QUIN is not toxic to neural cells; however, at elevated levels of QUIN (300 nM and possibly even as low as 100 nM with chronic exposure) that are found in inflammatory microenvironments, QUIN begins to be toxic (139). The pathological mechanisms of QUIN neurotoxicity have therefore been found in numerous neurodegenerative processes associated with neuroinflammation such as MS.

Two major factors that render QUIN a potent neurotoxin is the saturation limit of QPRT, and QUINs ability to act as an endogenous weak agonist on the NMDA glutamate receptor. The 3-HAO enzyme, which produces QUIN, has an 80-fold higher reaction velocity than QPRT, the enzyme which degrades QUIN (140). Furthermore, neuronal QPRT is saturated at QUIN concentrations that exceed 500 nM (141). This leads to the production of QUIN at a faster rate than its conversion to NAD+, causing the accumulation of toxic QUIN- and NMDA- mediated excitotoxicity

Ponieważ nadmiar kwasu chinolinowego w mózgu postulowany jest jako składowa wielu zaburzeń (m.in. depresji, schizofrenii, stwardnienia zanikowego bocznego, choroby Alzheimera) to jest większa szansa na to, że badacze będą intensywniej szukać skutecznej terapii. Ponieważ podwyższony poziom kwasu chinolinowego wpływa na m.in. wychwyt zwrotny kwasu glutaminowego, zwiększenie stresu oksydacyjnego, obniżenie aktywności enzymów mitochondrialnych to można szukać sposobów aby zaadresować poszczególne kwestie. Na niektóre z wymienionych zagadnień medycyna ma już jakieś lepsze lub gorsze rozwiązania (chyba na razie gorsze). Memantyna (jako antagonista receptora NMDA) była już brana pod uwagę w leczeniu autyzmu[11], ale rezultaty nie są zachęcające (być może trzeba lepiej wytypować osoby, które pozytywnie zareagują). Rodzice dzieci z ASD szeroko stosują różnej maści antyoksydanty (czy to witaminy C, E, czy to NAC, resweratrol, melatonina, l-karnityna, EGCG lub chelatory, np.: ALA) co może przyczyniać się do poprawy funkcjonowania dzieci (badania, jak zawsze w przypadku, choroby o tak zróżnicowanych przyczynach nie są jednoznaczne). Na obrazku po lewej widać jak podanie kurkumy eliminuje stres oksydacyjny wywołany kwasem chinolinowym (u gryzoni)[12]. Ludzie to w sumie nie takie większe myszy bez ogona, a stres oksydacyjny to tylko jeden z elementów neurotoksycznego działania kwasu chinolinowego ale nawet niewielka poprawa w funkcjonowaniu dzieci z ASD jest nie do przecenienia, więc jest o co walczyć.

Konkluzja

Wielu rodziców wykonuje tzw. badanie kwasów organicznych w moczu swoim dzieciom z ASD. Jak należy interpretować wynik? Trudno powiedzieć. Pewne podpowiedzi dostarcza samo laboratorium, ale nie jest to zazwyczaj to czego się rodzice spodziewają. Na ten moment trudno powiedzieć czy wyniki podwyższonego kwasu chinolinowego w moczu coś oznaczają? Jest trochę poszlak, że jednak tak, ale wiele kropek, które trzeba połączyć żeby podać jakąś konkluzję należy w chwili obecnej rysować jeszcze linią przerywaną. Wiele badań wskazuje na toczący się stan zapalny w mózgach osób z ASD, wiele pisze się też o stresie oksydacyjnym. Być może w niektórych przypadkach podawanie pewnych substancji uznawanych za bezpieczne (pod kontrolą lekarza) może poprawić chociaż niektóre aspekty funkcjonowania osób z ASD. Takich badań jest już trochę.

[1] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27904735
[2] https://oatext.com/pdf/IFNM-3-161.pdf
[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26469515
[4] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26497015
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Neopterin
[6] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19918244
[7] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8340378
[8] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9657528
[9] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16139734
[10] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27540379
[11] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26978327
[12] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22704781