Mitochondrial profile and amyloidogenic molecules in sporadic inclusion body myositis

Abstract

Sporadic inclusion body myositis (sIBM) is the most common myopathy in elderly. This disease causes muscle wasting with both distal and proximal affectation. Quadriceps and finger flexors are muscle typically affected. At pathological level, three different features are present in muscle biopsies: inflammation, mitochondrial abnormalities and degeneration. The presence of T-cell infiltrate, ragged-red fibers and rimmed vacuoles are some features linked to these pathological processes. Protein misfolding and aggregation lead to the formation of the mentioned rimmed vacuoles, composed by many different misfolded proteins: β-amyloid, caveolin, phosphor-Tau among others. The accumulation of β-amyloid is also a hallmark of Alzheimer’s disease (AD), which presents some parallelisms with sIBM.

In this work, we aimed to evaluate the mitochondrial state in muscle from sIBM patients but also in peripheral blood mononuclear cells (PBMC) to describe the molecular abnormalities that mitochondria could present in this disease. In addition, we aimed to measure plasmatic molecules related to inflammation, mitochondria and degeneration, in search for plasmatic biomarkers in sIBM patients but also in dermatomyositis and polymyositis, both diseases from the inflammatory myopathy group, like sIBM.

Regarding mitochondrial analysis, muscle biopsies from 23 sIBM patients were analyzed, as well as 18 controls free of muscle disease. In addition, PBMC from 14 sIBM patients and from 20 controls were assessed as well. MtDNA levels and also mitochondrial respiratory chain complex IV (COX) activity were significantly decreased in muscle from sIBM patients compared to controls. Interestingly, when analyzing PBMC, dysfunction in COX activity was also found. In this tissue, a deregulation in mitochondrial protein synthesis was also found. As 57% of the sIBM patients presented mtDNA deletions, we aimed to evaluate if the presence of mtDNA deletions correlate with impaired mitochondrial parameters. sIBM patients with mtDNA deletions presented the lowest amount of mtDNA, and those patients without deletions showed values more similar to controls. A similar pattern was found when correlating the presence of MFN-2, a protein involved in mitochondrial dynamics. Again, patients with mtDNA deletions presented the lowest amount of this protein, and patients without deletions showed an intermediate values between patients with deletions and controls.

Regarding the analysis of plasmatic molecules related to sIBM pathological features, inflammatory, mitochondrial and amyloidogenic molecules were analyzed in plasma samples from 21 sIBM, 20 controls and also in 14 plasma samples from dermatomyositis (DM) and polymyositis (PM) patients, which constitute an inflammatory myopathy different from sIBM group. Inflammatory (IL-6 and TNF-α) and mitochondrial-related (circulating mtDNA, FGF-21 and CoQ) molecules did not show significant differences between groups. However, amyloidogenic molecules (BACE-1, PS-1 and sAPPβ) were increased in sIBM patients respect to controls but also respect to the DM and PM group confirming its implication in sIBM pathogenesis. Sensitivity and specificity test showed that BACE-1 would be the most suitable biomarker for sIBM diagnosis.

This thesis describes at molecular level the mitochondrial implication in the disease, and also reinforces the amyloidogenic component in sIBM. In addition, it proposes a plasmatic and non-invasive biomarker that could help in the sIBM diagnosis, especially in discriminating between other inflammatory myopathies, like polymyositis.

La miositis per cossos d’inclusió en la seva forma esporàdica (MCI) és la miopatia més comú en individus de més de 50 anys tot i ser una malaltia rara. Cursa amb atròfia muscular progressiva distal i proximal i actualment no es coneix cura. A nivell histopatològic presenta un component inflamatori, un component mitocondrial i un component degeneratiu. Degut al seu component degeneratiu i a la similitud de les proteïnes que formen aquests cossos d’inclusió, s’ha establert un possible paral·lelisme amb la malaltia d’Alzheimer.

Els objectius d’aquesta tesi doctoral són explorar a nivell molecular les alteracions mitocondriales en la MCI en múscul, però també en cèl·lules mononuclears de sang perifèrica (CMSP), ja que és un teixit menys invasiu. A més, com a segon objectiu principal pretén d’estudiar mol·lècules relacionades amb la inflamació, amb el mitocondri i amb la degeneració en plasma d’aquests pacients per tal de demostrar la seva implicación amb la etiopatogènia i a més per establir nous marcadors menys invasius que permetin diagnosticar la malaltia i diferenciarla d’altres malalties similars com la dermatomiositis i la polimiositis.

Fent referència a l’estudi mitocondrial, tant la quantitat de DNA mitocondrial com l’activitat del complex IV de la cadena mitocondrial (COX) es van trobar disminuïts en músculs dels pacients amb MCI. D’altra banda, amb l’estudi de les CMSP, també vam trobar disminuïda l’activitat de la COX, i a més una desregulación de la síntesis de proteïnes mitocondrials. Donat que un 57% dels pacients va presentar delecions múltiples al DNA mitocondrial, la presència d’aquestes delecions correlacionava amb una menor quantitat de DNA mitocondrial i a més amb un decrement de proteïna MFN-2, implicada en la dinàmica mitocondrial.

Amb l’estudi de les molècul·les plasmàtiques, es van analitzar en plasma de pacients amb MCI, en controls però també en pacients amb dermatomiositis i polimiositis mol·lècules relacionades amb la inflamació (IL-6 i TNF-α), amb el mitocondri (DNA mitocondrial circulant, FGF-21 i enzim CoQ) i amb la amiloidogènesi (BACE-1, PS-1 i sAPPβ). Les mol.lècules amiloidogèniques es trobaven incrementades en els pacients amb MCI respecte controls i altres miopatíes inflamatòries, demostrant la seva impliació en la etiopatogènia i obtenint un cert valor diagnòstic.

Amb aquesta tesi, s’ha demostrat la implicació mitocondrial en la etiopatogènia de la MCI, i s’han trobat alteracions en plasma de mol·lècules amiloidogèniques que, a més, tenen potencial diagnòstic per diferenciar aquesta malaltia d’altres miopatíes inflamatòries com la polimiositis.