Kronisk inflammatorisk tarmsygdom og metabonomics

Colitis ulcerosa og morbus Crohn udgør tilsammen de to vigtigste sygdomsenheder ved kronisk inflammatorisk tarmsygdom (IBD), som er en tilbagevendende eller kronisk tilstand af tarmbetændelse, der giver anledning til diarré, blodig afføring, mavesmerter og anoreksi. 

IBD er i dag en verdensomspændende sygdom med stigende forekomst i specielt nyligt industrialiserede lande. Det antages at være en multifaktoriel sygdom og konsekvensen af et forstyrret immunologisk respons på miljømæssige og mikrobielle komponenter hos genetisk prædisponerede personer. 

Colitis ulcerosa og morbus Crohn deler en række egenskaber, men er to forskellige sygdomme, der kræver præcis differentiering for optimal individualiseret behandling. Da den nøjagtige ætiologi og patofysiologi endnu er ukendt, kan diagnosen og differentieringen imidlertid være en udfordrende opgave og efterlader op til 10% af patienterne med diagnosen uklassificeret IBD. 

I et forsøg på at afsløre den sande natur af colitis ulcerosa og morbus Crohn har en række forskellige omics (figur 1) været anvendt. Specielt har ”genome-wide association studies” (GWAS) associeret 200 genomiske loci til IBD.^1,2 Problemet er dog, at IBD-associerede ”single nucleotide polymorphisms” (SNPs) blot forklarer 15-20% af sygdomsfænotypen,³ og ~ 70% af IBD-associerede SNP’er er ikke-kodende.⁴ 

Selvom genetisk kortlægning i store kohorter⁵ og omfattende identificering af aktive promotorer og enhancers i IBD-patienter⁶ kan konvertere mange GWAS-opdagelser til statistisk overbevisende årsagsvarianter og dermed belyse sygdomsmekanismerne, har dissektionen af de genotypiske til fænotypiske relationer været overordentlig skuffende.⁷ Hovedårsagen hertil er de forskellige nedstrøms reguleringsprocesser, der finder sted fra genomet til metabolomet; epigenom, epitranskriptom, epiproteom (figur 1) og de samtidige interaktioner med eksposomet (for eksempel næringsstoffer, medicin og forurening) og mikrobiomet. Således øges kompleksiteten af netværket mod metabolomet, og udtrækket fra metabolomet omfatter dermed information, som er meget tættere på en meningsfuld fysiologisk fænotype.

Metabonomics – hvad er det?
Metabonomics kan karakteriseres ved metabolisk profilering, der defineres som en omfattende identificering af metaboliske forandringer i et integreret biologisk system.⁸ Traditionelt har nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi været anvendt i metabonomiske undersøgelser, idet der ikke er behov for nogle a priori antagelser om et muligt resultat, og der fokuseres således på den overordnede metaboliske profil af en given prøve. 

Teknologien besidder en række ekstraordinære egenskaber såsom unik reproducerbarhed; behov for kun små mængder materiale, der gør det muligt at samle prøver på en ikke-invasiv eller minimalt invasiv måde, for eksempel urin, blod, afføring eller små biopsier; minimal eller ingen forberedelse af prøverne; og hurtige og ikke-destruktive procedurer. Dette muliggør multiple prøveudtagninger fra de samme personer over tid og chancen for at identificere de metaboliske forandringer, der finder sted under særlige patofysiologiske omstændigheder, og endda genbrug af prøverne til yderligere analyser, for eksempel transcriptomics og proteomics. 

Denne tilgang er følgelig forbundet med identificering af biomarkører, diagnostik og hypotesegeneration i relation til sygdomspatofysiologi. Ved at kombinere denne teknologi med en hensigtsmæssig multivariat statistisk analyse kan de metaboliske profiler anvendes til forståelse af relevante metaboliske variationer i sygdomsforstyrrelser og tilvejebringe molekylær indsigt i variationer af interesse.

Metabonomics anvendt
I et nyligt publiceret studie⁹ har vi anvendt ovenstående teknologi på serum fra IBD-patienter. Årsagen hertil er, at diagnosen IBD og differentieringen mellem colitis ulcerosa og morbus Crohn er baseret på en tidskrævende og kostbar tværfaglig tilgang – det vil sige klinisk historie, endoskopi, radiologi, histologi, mikrobiologi og hæmatologi. Når en patient endeligt er diagnosticeret, bliver valget af et individualiseret behandlingsregime det næste udfordrende trin, hvilket er vigtigt, idet det involverer dyre biologiske lægemidler såsom tumornekrosefaktor α (TNF-α) hæmmere, herunder infliximab. 

Infliximab er effektivt til at fremkalde og opretholde remission hos colitis ulcerosa-patienter og luminal eller fistulerende morbus Crohn. Imidlertid udviser en tredjedel af IBD-patienterne ikke noget respons på infliximab-induktion, og op til halvdelen af patienterne, der reagerer på infliximab initialt, taber responset og må dermed trækkes ud af behandling, mens de resterende patienter opnår langvarig remission med fortsat infliximab-behandling. Derfor er det af stor klinisk og socioøkonomisk betydning at identificere mulige biomarkører for infIiximabs virkning, inden behandling påbegyndes. 

På den baggrund konstruerede vi studiet⁹ som en longitudinel kohortundersøgelse af ¹H NMR-spektroskopi-baseret metabolisk profilering af serum fra IBD-patienter behandlet med infliximab for at:
• Identificere potentielle diagnostiske biomarkører, der kan differentiere mellem colitis ulcerosa, morbus Crohn og raske kontrolpersoner.
• Give indsigt i de patofysiologiske metaboliske processer under såvel aktiv sygdom som remission.
• Identificere mulige biomarkører i relation til behandlingsrespons på infliximab.

Fra maj 2009 blev der udtaget blodprøver fra IBD-patienter inden infliximab-infusion som led i et lokalt lægemiddelovervågningsprogram ved Gastroenheden, Medicinsk Sektion, Herlev Hospital. Alle patienter med colitis ulcerosa (n = 49) og morbus Crohn (n = 38) var naive overfor biologisk behandling, og deres sygdomsaktivitet blev klassificeret i overensstemmelse med Mayo-score, Harvey-Bradshaw og/eller det perianale sygdomsaktivitetsindeks (PDAI). Blodprøverne blev indsamlet under induktionsbehandling med infliximab (uge 0, 2, 6 og 14), og patienterne blev klassificeret i henhold til deres respons; remission, responder og ikke-responder. Raske forsøgspersoner (n = 37) blev rekrutteret lokalt blandt personalet på Herlev Hospital. Én prøve var tilgængelig fra hver kontrol.

De indsamlede serumprøver blev analyseret ved ¹H NMR-spektroskopi, og data blev analyseret med ”principal components analysis og orthogonale projection to latent structures discriminant analysis” ved hjælp af SIMCA-P + v12 og MATLAB

En række af de metaboliske profiler viste sig at være signifikant forskellige og kunne dermed bruges til at differentiere mellem aktiv colitis ulcerosa og kontrolpersoner, aktiv morbus Crohn og kontrolpersoner og inaktiv morbus Crohn og kontrolpersoner. IBD-patienter, der ikke reagerede på infliximab, blev identificeret som en potentiel særskilt gruppe baseret på deres metaboliske profil, omend ingen anvendelige responsbiomarkører kunne udpeges.

En lang række metabolitter karakteriserede de forskellige fænotyper, men af særlig interesse og klinisk relevans var en abnorm lipidmetabolisme hos både morbus Crohn- og colitis ulcerosa-patienter sammenlignet med kontrolpersoner; lave niveauer af HDL og høje niveauer af VLDL, hvilket synes at være konsekvensen af malabsorption, forøgede transittider og det inflammatoriske miljø (for eksempel TNF-α, interleukin-1 og -6). 

Specielt TNF-α har vist sig at øge frigivelsen af frie fedtsyrer fra adipocytter, stimulere produktionen af triglycerider i leveren og hæmme lipoproteinlipase og dermed hydrolyse af triglycerider i VLDL, hvilket fører til en stigning i VLDL og en nedgang i HDL-kolesteroler. Denne pro-aterogene lipidprofil korrelerer med den øgede forekomst af kardiovaskulær morbiditet hos IBD-patienter, som især forekommer hos kvinder og unge. Imidlertid viser nærværende studie også, at ved succesfuld behandling med infliximab reverteres denne pro-aterogene lipidprofil hos både colitis ulcerosa- og morbus Crohn-patienter.