Uncovering glycosylation changes in post-viral fatigue syndromes: A comparative analysis of glycans and sialic acid levels

Abstract

Postakute Infektionssyndrome (PAIS) stellen eine noch wenig erforschte Gruppe von Erkrankungen dar, die durch Belastungsunverträglichkeit, chronische Erschöpfung und systemische Funktionsstörungen gekennzeichnet sind. Nach unserem derzeitigen Verständnis ist ein systemisches Versagen bei der Regulierung der Homöostase ein Hauptmerkmal dieser Erkrankung. Gegenstand dieser Arbeit sind pathologische Veränderungen der Glykosylierung, die immunmodulatorische Informationen transmittieren und für die Zellstruktur unverzichtbar sind. Blutplasma, das von 2021 bis 2022 von 16 ME/CFS- und 30 Long-COVID-Patienten entnommen wurde, wurde mit dem von 30 COVID-Genesenen und 30 gesunden Teilnehmern verglichen. Die O- und N-Glykanprofile der gesamten Serumproteine wurden mittels HILIC-LC-FL-Methoden analysiert und unter Verwendung von ESI-MS- und MALDI-ToF-Methoden zugeordnet. Freie und gebundene Sialinsäure wurde mittels einer RP-LC-FL-Methode quantifiziert und auf die Proteinkonzentration der Probe normiert. Die Blutgruppe der Teilnehmer wurde in einer Serum Gegenprobe rückwärtsbestimmt. Die eingesetzten Methoden wurden umfassend optimiert, um eine direkte Quantifizierung zu ermöglichen und terminale Sialinsäuregruppen zu erhalten, die biologisch relevante Informationen tragen. Rote Blutkörperchen (RBC), die von 10 verschiedenen ME/CFS- und 11 verschiedenen gesunden Teilnehmern entnommen wurden, wurden durch einen Lektin-basierten Hämagglutinationsversuch auf ihre membrangebundene Sialinsäure untersucht. Die symptomatischen Kohorten wiesen im Vergleich zu den gesunden Kontrollpersonen signifikant erhöhte Werte an freier Sialinsäure auf. RBCs von ME/CFS-Patienten zeigten eine signifikant verringerte Hämagglutination mit Sialinsäure-spezifischen Lektinen. Die Blutgruppe A war in der ME/CFS-Kohorte überrepräsentiert. Die IgG-N-Glykan-Profilierung ergab Unterschiede im Glykotyp zwischen asymptomatischen und symptomatischen Kohorten, wobei agalaktosylierte Spezies weniger ausgeprägt waren, während monosialylierte Spezies in der ME/CFS- und Long-COVID-Kohorte stärker vertreten waren. Erhöhte Werte an freier Sialinsäure im Serum könnten ein Indikator für anhaltende Schäden in gewebespezifischen Quellen sein und als Biomarker für Long COVID und ME/CFS dienen. Die desialylierung der Erythrozyten bei ME/CFS verringert die zelluläre negative Ladung, was zu einer beeinträchtigten Hämodynamik führt. Diese Befunde stehen im Einklang mit dokumentierten Beeinträchtigungen des mikrovaskulären Flusses und der Verformbarkeit der roten Blutkörperchen in ME/CFS. Darüber hinaus deuten die beobachteten Muster bei den IgG-N-Glykanen der Patienten auf eine mögliche immunmodulatorische Kapazität des Virus hin. In Verbindung mit der Überrepräsentation der Blutgruppe A in der ME/CFS-Kohorte spielt der individuelle Glykotyp eine wichtige Rolle bei der Vermittlung einer Infektion durch einen viralen Auslöser und der Modulation der daraus resultierenden Immunantwort.

Post-acute infection syndromes (PAIS) present a poorly understood class of pathologies that are characterized by post-exertional malaise, chronic fatigue, and systemic dysfunctions. In our current understanding thereof, a systemic failure to regulate homeostasis is a main characteristic of this condition. This study will focus on pathological changes in glycosylation that convey immunomodulatory information and are indispensable for cellular structure. Blood plasma collected from 16 ME/CFS and 30 Long COVID patients from 2021 to 2022 was compared with that of 30 COVID-recovered and 30 healthy participants. Total serum protein O-& N-glycan profiles were analyzed using HILIC-LC-FL methods and assigned using ESI-MS and MALDI-ToF methods. Free and bound sialic acid were quantified using an RP-LC-FL method and normalized to the protein concentration of the sample. The participants’ blood types were determined using a reverse blood typing assay. The employed methods were extensively optimized to enable direct quantification while preserving terminal sialic acid groups, which carry biologically relevant information. Red blood cells (RBC) collected from 10 distinct ME/CFS and 11 distinct healthy participants were probed for their membrane-bound sialic acid using a lectin-based hemagglutination assay. Symptomatic cohorts showed significantly elevated free sialic acid levels compared with healthy controls. ME/CFS RBCs exhibited significantly reduced hemagglutination with sialic acid-specific lectins. Blood type A was overrepresented in the ME/CFS cohort. IgG N-glycan profiling revealed differences in glycotype between asymptomatic and symptomatic cohorts, with agalactosylated species less prominent and monosialylated species more prominent in the ME/CFS and Long COVID cohorts. Elevated serum free sialic acid may be an indicator of persistent damage in tissue-specific sources and could serve as a biomarker for Long COVID and ME/CFS. RBC desialylation in ME/CFS reduces cellular negative charge, leading to adverse hemodynamics. These findings are consistent with documented impaired microvascular flow and RBC deformability in ME/CFS. Furthermore, the observed patterns in patient IgG N-glycans point towards a possible viral immunomodulatory capacity. Taken together with the overrepresentation of blood type A in the ME/CFS cohort, the individual glycotype plays an important role in mediating viral infection and modulating the resulting immune response.