ChoCar studie; De rol van darmbacterien in choline en carnitine metabolisme op vasculaire inflammatie in metabool syndroom

Een rol voor darmbacterien in het beinvloeden van metabole pathways en aldus
een rol in de etiologie van metabole stoornissen wordt gesuggereerd. Of en hoe
het samenspel tussen darmbacterien en metabolisme kan leiden tot
cardiovasculaire ziekte moet worden uitgediept. Recentelijk is een directe
bijdrage van darmbacterien aan de pathogenese van cardiovasculaire ziekten
gerapporteerd bij een fosfatidylcholine-rijk dieet, oftewel eieren, vlees en
andere dierlijke producten, de belangrijkste bron voor choline. Deze studie
heeft aangetoond dat darmbacteriegemedieerd katabolisme van het cholinedeel van
fosfatidylcholine resulteert in de productie van trimethylamine (TMA), wat in
de lever verder gemetaboliseerd wordt tot het proatherogene deeltje
trimethylamine-N-oxide (TMAO), evenals de fosfatidylcholine-metabolieten
betaine en choline. Plasma levels van TMAO, choline en betaine waren
geassocieerd met cardiovasculair ziekterisico. Middels oraal toegediende
dieten, rijk in choline en fosfatidylcholine, in muizen, en gedeutereerd
fosfatidylcholine in mensen, is aangetoond dat darmbacterien een obligatoire
rol spelen in de formatie van TMA en aldus TMAO geproduceerd via de inductie
van hepatische flavine-bevattende mono-oxygenases. Bovendien resulteerde
dietaire suppletie van choline in verhoogde plasma TMAO-waarden en toegenomen
macrovasculaire inflammatie in atherosclerose-vatbare ApoE-knockout muizen, ter
ondersteuning van de causaliteit van beiden. Interessant genoeg werd dit
proatherogene fenomeen niet gezien als muizen waren behandeld met
breed-spectrum antibiotica die bijna de gehele darmbacteriepopulatie
elimineerden. Suppletie van het dieet met de darmbacterie-afhankelijke
metaboliet TMAO versnelde atherosclerosevorming en macrovasculaire inflammatie
in de apoE-knockout muizen, wat overeenkomstig is met een rol voor TMAO in
atherosclerose.

De studiegroep van Hazen et al. vond interessant genoeg ook dat carnitine, veel
voorkomend in rood vlees en een trimethylamine deel bevattend gelijk aan
choline, ook leidt tot verhoogde TMAO levels als het wordt gemetaboliseerd. In
muizen veroorzaakte orale carnitine suppletie inderdaad een toename van
atherosclerose, wat tegelijkertijd volledig teniet werd gedaan als de
darmbacterien werden onderdrukt middels orale antibiotica. Bovendien kwam naar
voren dat een behandeling met antibiotica gevolgd door een orale D3-gelabelde
carnitine challenge test leidde tot verminderde plasma TMA en TMAO levels. Deze
bevinding werd ook gevonden in mensen met een vegetarische achtergrond.
Blijkbaar beinvloeden aanhoudende dieetgewoontes de mogelijkheid van
darmbacterien in het colon om TMA te produceren. Evenals met choline werden
deze resultaten bevestigd door een observationele studie in mensen, waarin
plasma levels van carnitine werden gerelateerd aan cardiovasculaire ziekte.
Specifieker werd de associatie van hoge plasma carnitine levels met prevalentie
van cardiovasculaire ziekte en incidentie van myocardinfarct/CVA en
mortaliteitsrisico alleen geobserveerd bij eveneens hoge TMAO levels - oftewel,
mensen met hoge carnitine maar lage TMAO levels hadden geen verhoogd risico op
cardiovasculaire ziekte. Al deze resultaten tezamen wijzen er op dat TMAO een
directe pro-atherogene rol speelt en dat darmbacterien een obligatoire rol
spelen in de productie van TMA (en dus TMAO) vanuit trimethylamine-bevattende
macronutrienten als fosfatidylcholine, choline en carnitine. Echter, ondanks de
antbiotica-studies moet nog bewezen worden of darmbacterien een oorzakelijke
rol spelen in menselijk choline en carnitine metabolisme leidend tot verhoogde
TMAO-levels en aldus vaatwand-/vetweefselinflammatie. Bovendien zijn de
betrokken bacteriele species nog niet ontdekt, wat cruciaal is in de
ontwikkeling van nieuwe therapieen om cardiovasculaire events in mensen te
verminderen.

Eerdergenoemde studies hebben echter niet direct gekeken naar de
darmbacteriesamenstelling in relatie tot choline en carnitine metabolisme.
Recent hebben we positieve effecten aangetoond van dunne donor feces
transplantatie op glucose metabolisme in patienten met metabool syndroom, wat
gemedieerd werd door specifieke veranderingen in fecale bacterie-species.
Bovendien is het metabool syndroom recent geassocieerd met verhoogde aortale
inflammatie op beeldvorming middels PET-CT. Ergo, het doel van deze studie is
om het effect van allogene (dunne donor, liefst vegetarisch) in vergelijking
met autologe (placebo) microbiele transplantatie, vergaard vanuit feces
monsters, te onderzoeken op darmbacteriesamenstelling en choline/carnitine
metabolisme, alsmede macrovasculaire vaatwandinflammatie en
vetweefselinflammatie 2 weken na behandeling in obese mannen met het metabool
syndroom.

In deze studie hebben we als doel om te onderzoeken of infusie van
darmbacterien vanuit dunne (vegetarische) donoren effecten heeft op choline
(d6-gelabeld choline) en carnitine (d3-gelabeld carnitine) metabolisme en
macrovasculaire inflammatie (18F-FDG-PET-CT scan) in obese mannen met het
metabool syndroom en om veranderingen in fecale darmbacterien na dunne
(vegetarische) donor fecestransplantatie te associeren met bovengenoemde
parameters

Primair doel
Het bepalen van veranderingen in postprandiaal choline en carnitine metabolisme
aan het begin van de studie en 2 weken na dunne donor microbiele transplantatie

Secundaire doel
Het vergelijken van choline en carnitine metabolisme tussen donoren en
ontvangers

Tertiair doel
Het evalueren van de relatie tussen veranderingen in choline en carnitine
metabolisme enerzijds en macrovasculaire inflammatie anderzijds

Quartair doel:
Associaties tussen plasma choline en carnitine (metabolisme) in relatie tot
vetweefselinflammatie evalueren

Dit is een dubbelblind gerandomiseerd onderzoek in 1 centrum uitgevoerd.
Patienten zullen worden gerandomiseerd voor de volgende 2 behandelarmen:
1. eenmalige allogene (dunne, vegetarische donor) feces transplantatie (begin
v/d studie)
2. eenmalige autologe (eigen) feces transplantatie (begin v.d studie)

Obese mannen worden gerecruteerd middels advertenties in kranten en gescreend
voor de criteria van het metabool syndroom (3 of meer van de 5 criteria volgens
de laatste NCEP-richtlijn waaronder tenminste een nuchtere glucose van > 5.6
mmol/l). Medicatiegebruik en het gebruik van voedingssupplementen (waaronder
vitaminen/choline/carnitine supplementen, energiedrankjes en
carnitine-verrijkte sojamelk) of een voorgeschiedenis van cardiovasculaire
ziekte of cholecystectomie zijn exclusiecriteria. Als een potentieel kandidaat
geschikt is, zullen afspraken worden gemaakt voor alle experimenten die tijdens
de studie dienen te worden gedaan.

Donoren zijn dunne (BMI tussen 20-25 kg/m2) gezonde mannen, idealiter
vegetarisch, en worden eveneens gerecruteerd via advertenties in kranten.
Gelijk aan de ontvangers, zijn medicatiegebruik en voedingssupplementengebruik
(waaronder vitaminen/choline/carnitine supplementen, energiedrankjes en
carnitine-verrijkte sojamelk) exclusiecriteria.

Zowel de donor als de ontvanger zal een postprandiale (Nutridrink) orale
choline/carnitine challenge test moeten ondergaan. Deze testen kunnen worden
gedaan op hetzelfde moment. De deelnemers zullen een capsule met synthetisch
d3-carnitine en d6-choline krijgen. Deze capsules worden op hetzelfde momenten
simultaan met Nutridrink ingenomen en plasma monsters worden op vooraf bepaalde
tijdspunten afgenomen om plasma choline en carnitine metabolisme te bestuderen.
Bovendien wordt een FDG-PET-CT-scan gemaakt op macrovasculaire inflammatie te
beoordelen, daar patienten met het metabool syndroom een verhoogd TBR-signaal
hebben in vergelijking met gezonde controles

Studieprogramma:
Week -1, Dag 1 - 7 (dunne vegetarische donoren en metabool syndroom patienten)
De voorbereiding voor week 0 start thuis met het bijhouden van de eetgewoontes
in een online dieetdagboek voor de duur van 1 week. Deelnemers wordt gevraagd
vast te houden ana hun persoonlije dieet, zonder het gedurende de studie te
veranderen

Week 0, studie dag 1 (dunne vegetarische donoren en metabool syndroom patienten)
Op dag 1 wordt de eerste vetbioptie en d6-choline en d3-carnitine challenge
test (CCCT) uitgevoerd. Ontvangers en donoren wordt gevraagd naar de
onderzoeksafdeling te komen na overnacht gevast te hebben. Na een subcutane
vetweefselbioptie en afname van een baseline bloed monster wordt deelnemers een
capsule met 250 mg d6-choline en een andere capsule met 250mg d3-carnitine
gegeven, die ingenomen moeten worden tezamen met 1 flesje nutridrink. Hierna
volgen seriele bloedafnames gedurende 6 uur. Eveneens wordt 24 uur lang urine
gespaard en wordt aan iedereen gevraagd 2 potjes met een feces monster te
vullen vanuit 1 ontlastingsmonster. Aan het einde van het experiment wordt
deelnemers een maaltijd naar keuze aangeboden.

Week 0, studie dag 2 (dunne vegetarische donoren en metabool syndroom patienten)
Op dag 2, wordt een 18F-FDG PET-CT scan van de aortaboog en de carotiden
gedaan, gevolgd door het positioneren van een duodenumsonde met behulp van het
Coretrack-systeem. Nadien vindt darmlavage plaats gedurende 4 uur, wat wordt
gevolgd door de daadwerkelijke behandeling met ofwel infusie van een microbiele
oplossing gewonnen uit een dunne vegetarische donor (allogeen) ofwel een
placebo-behandeling (eigen feces). Het plaatsen van de duodenumsonde en de
transplantatie vinden alleen plaats in de ontvangers. Ten behoeve van de
infusie van het feces-transplantatie materiaal, worden zowel de donor als de
ontvanger gevraagd om een vers feces monster aan de stuidearts te overhandigen
om dubbelblinde behandeling mogelijk te maken.

Week 1, studie dag 3 (metabool syndroom patienten)
Een week na de behandeling vindt de eerste en enige controle-visite plaats.
Middels een kort interview, lichamelijk onderzoek en een bloedonderzoek wordt
de gezondheidstoestand van de ontvanger gecontroleerd. Eveneens wordt
deelnemers gevraagd om voorafgaand aan het bezoek 24 uur lang urine te sparen,
wat bij de visite aan de studiearts kan worden gegeven.

Week 1, dag 1 - 7 (metabool syndroom patienten)
De voorbereiding voor week 2 start thuis met het bijhouden van de
dieetgewoonten voor de duur van 1 week in een online dieetdagboek. Deelneemrs
wordt gevraagd vast te houden aan hun persoonlijke dieet, zonder het gedurende
de studie te veranderen.

Week 2, studie dag 4 (metabool syndroom patienten)
Twee weken na de behandeling wordt de vetbioptie en de CCCT herhaald, incluis
het verzamelen van 2 fecesmonsters en 24 uursurine

Week 2, studie dag 5 (metabool syndroom patienten)
18F-FDG PET-CT scan van de aortaboog en carotiden wordt herhaald. Na de scan
kunnen deelnemers het ziekenhuis verlaten en is de studie afgerond.

In het algemeen geldt dat deelnemers wordt gevraagd nuchter te zijn voor alle
visites gedurende de studie, wat in houdt dat ze minimaal 10 uur voor start van
het experiment niet mogen hebben gegeten of gedronken

Protocol dunne vegetarische donoren:
Indien geschikt wordt donoren ook gevraagd om eenmalig een vetbiopt en CCCT te
doen, incluis het verzamelen van 24 uursurine en 2 feces samples en een PET-CT
scan. Het doel hiervan is om choline en carnitine metabolisme te vergelijken
tussen donoren en ontvangers in relatie tot vaatwand- en vetweefselinflammatie,
zowel voorafgaand aan als na behandeling. Zoals bij ontvangers wordt donoren
gevraagd hun dieetgewoonten op te schrijven gedurende de week voordat de CCCT
wordt gedaan. Nadien, worden donoren willekeurig gekoppeld aan een ontvanger.
Op de dag van de transplantatie worden zowel donoren als metabool syndroom
patienten gevraagd een feces monster aan te leveren om de behandeling mogelijk
te maken.

Patienten zullen worden behandeld met allogene of autologe microbiele transplantatie via duodenumsonde na darmlavage. Zowel de donor als de patient zullen een vers feces monster aanleveren op de dag van infusie (geproduceerd binnen 6 uur voor gebruik). Na de feces te hebben opgevangen in een speciale container, wordt de feces bewaard op 4 graden Celcius. De tijd van productie zal worden opgeschreven. Na een feces monster aan de studiearts te hebben gegeven, zullen patienten een duodenumsonde geplaatst krijgen via het Coretrack-systeem, waarna de positie van de sonde zal worden gecontroleerd door een X-BOZ. Tijdens dit proces en na randomisatie zal een van beide feces monsters worden gemengd met 500ml 0.9% NaCl-oplossing totdat het volledig gehomogeniseerd is. Voorafgaand aan het mengen wordt er echter een feces monster uit de totale hoeveelheid feces afgenomen voor later analyse. Na het mengen wordt de fecesoplossing door een vergiet gegeoten om alle debris te verwijderen en een daadwerkelijk homogene oplossing te verkrijgen. Deze oplossing wordt in een 500cc glazen fles gegoten. De fles zal op koelkasttemperatuur (4 graden Celcius) worden gehouden totdat de patient klaar is met darmlavage. Als de darmen van de patient volledig vrij zijn van fecaal materiaal, vindt de behandeling plaats. Na de behandeling worden patienten een maaltijd aangeboden en kunnen ze naar huis.

Geen bijwerkingen worden verwacht in deze studie. Echter, deelnemers wordt een
tijdsinvestering gevraagd, evenals frequente visites in het kader van de
studie, bloedafnames, PET-CT scans en abdominale rontgenfoto. Tevens worden
deelnemers onderworpen aan gedragsveranderingen, zoals als dieetbeperkingen,
inname van choline en carnitine isotopen en het verzamelen van feces monsters
en urine. De isotopen brengen geen gezondheisdrisico met zich mee.
Het voordeel voor deelnemers is dat hun gezondheidstoestand middels lichamelijk
onderzoek en laboratoriumonderzoek zal worden gecontroleerd. Gebaseerd op de
studieresultaten zal deelnemers een advies worden gegeven met betrekking tot
hun cardiovasculaire risicoprofiel. Indien abnormaliteiten worden gevonden,
worden deelnemers doorgestuurd naar hun huisarts of de polikliniek.