Gennaio 2005 - Volume VIII - numero 1
M&B Pagine Elettroniche
Il punto su
Le
malattie mitocondriali
*Neuropsichiatria
Infantile, IRRCS Burlo Garofolo, Trieste
**Clinica
Pediatrica, IRCCS Burlo Garofolo, Trieste
Indirizzo
per corrispondenza: carrozzi@burlo.trieste.it
Il caso
clinico di Sindrome di Pearson atipica suggerisce una riflessione
sulle malattie mitocondriali (MM) dovute a deficit della catena
respiratoria e sulla loro variabilità fenotipica.
I
mitocondri sono presenti in tutti i tessuti e il metabolismo
ossidativo che essi controllano è indispensabile per il
corretto funzionamento di ogni tessuto. All'interno dei mitocondi,
sono presenti le tre vie biochimiche direttamente coinvolte nella
produzione energetica: quella preposta all'utilizzazione dei
combustibili glicidici (glicogenolisi e glicolisi), quella
preposta all'utilizzazione dei combustibili lipidici (attivazione
e trasporto di acidi grassi all'interno del mitocondrio e
beta-ossidazione) e quella responsabile per la produzione finale
di energia chimica in forma di ATP (la catena respiratoria
mitocondriale). Alcuni tessuti sono particolarmente dipendenti
dal metabolismo ossidativo perché hanno alte richieste
energetiche (muscolo scheletrico, muscolo cardiaco, sistema nervoso
centrale, retina, rene) e di conseguenza sono anche particolarmente
vulnerabili a blocchi, anche parziali, della funzione mitocondriale.
Ne consegue che oltre a quelle che coinvolgono il sistema nervoso
centrale e periferico, numerose MM sono multisistemiche1-3.
La lista
di apparati ed organi coinvolti nelle MM è sempre più
lunga (muscolo, occhio, sangue, cuore, sistema endocrino solo per
citarne alcuni - Tabella
1) e quindi possiamo parlare di medicina mitocondriale, termine
utilizzato per la prima volta nel 1962 da Rolf Luft dell'Università
Karolinska di Stoccolma che descrisse la prima paziente con una
chiara malattia mitocondriale.
Per
quanto riguarda la clinica, i sintomi e segni possono essere
inquadrati in alcune specifiche sindromi (p.es. S. di Pearson, S. di
Leigh, Myoclonic epilepsy with ragged-red fibres - MERRF – ecc.)
secondo una classificazione clinica (Tabella
2). Oppure è possibile raggruppare i sintomi/sindromi in
base al tipo di modificazione del DNA mitocondriale e nucleare
operando una classificazione genetica (Tabelle
4 e 5),
tenendo presente che alcune mutazioni sono in comune con diverse
sindromi.
TESSUTO | SINTOMI/SEGNI |
SISTEMA
NERVOSO CENTRALE | Epilessia
Atassia
Mioclono
Ritardo/Regressione
Psicomotorio
Ritardo
Mentale
Emiparesi/Emianopsia
Cecità
Corticale
Cefalea
Migraine-like
Distonia |
SISTEMA
NERVOSO PERIFERICO | Neuropatia
Periferica |
MUSCOLO | Debolezza/esauribilità/intolleranza
all'esercizio/crampi
Rabdomiolosi
Oftalmoplegia
Ptosi |
OCCHIO | Retinopatia
Pigmentaria
Atrofia
Ottica
Cataratte |
SANGUE | Anemia
sideroblastica |
SISTEMA
ENDOCRINO | Diabete
Mellito Bassa Statura Ipoparatiroidismo |
CUORE | Blocco
di conduzione
Cardiomiopatia
ipertrofica
Sindrome
del Cuore Non Compatto |
APPARATO
GASTOENTERICO | Disfunzione
del pancreas esocrino
Pesudo
Ostruzione Intestinale |
FEGATO | Epatopatia |
ORECCHIO | Ipaoacusia/sordità
su base sensoriale |
RENE | Sindrome
di Fanconi |
ASPETTI
CLINICI CONNESSI ALL'ETÀ EVOLUTIVA | Abortività
connessa a povertà di movimenti fetali, morte in epoca
neonatale, ritardo di accrescimento severo, ipotonia/ipertonia
neonatale Encefalopatia intermittente/remittente |
EREDITARIETÀ | mtDNA
Materna
Sporadica
nDNA
Autosomica
dominante/recessiva
X
linked |
REPERTI
DI LABORATORIO | Acidosi
Lattica, iperalaninemia |
Malattia/Sindrome | Sintomi
Principali | Altri
Segni Clinici |
Chronic
progressive external ophthalmoplegia (CPEO) | Oftalmoplegia
esterna
Ptosi
Bilaterale | Miopatia
prossimale lieve |
Kearns-Sayre
syndrome (KSS) |
|
|
Pearson
syndrome |
| Difetto
renale Tubulare |
Infantile
myopathy and lactic acidosis (fatal and non-fatal forms) |
| La
forma fatale può essere associata a cardiomiopatia e/o
sindrome di di Toni-Fanconi-Debre |
Leigh
syndrome (LS) |
|
|
Neurogenic
weakness with ataxia and retinitis pigmentosa (NARP) |
|
|
Mitochondrial
encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes
(MELAS) |
|
|
Myoclonic
epilepsy with ragged-red fibers (MERRF) |
|
|
Leber
hereditary optic neuropathy (LHON) |
|
|
Alcuni
recenti studi di prevalenza mostrano che le mitocondriopatie in età
evolutiva colpiscono 4.7/100.000 abitanti4,5 (~11.5/100.000 per la
popolazione totale) ma il dato è probabilmente sottostimato
(Tabella
3). L'estrema variabilità dell'espressione delle MM
giustifica un certo grado di sotto-diagnosi e solo la continua
scoperta di nuove mutazioni sta mettendo in evidenza come le MM siano
più comuni di quanto era stato stimato in passato.
Le
patologie correlate alla fosforilazione ossidativa e alle vie
produttrici di energia sono considerate ormai le cause più
frequenti di patologia neuromuscolare pediatrica (seguono a ruota le
malattie di accumulo lisosomiale considerate nella loro globalità
e la distrofia muscolare di Duchenne5),
seppur spesso si manifestino appunto anche con sintomi non solo
neuromuscolari.
La
Cochrane ha in corso due protocolli di revisione sulle evidenze
terapeutiche in merito alle MM che riportano una stima di prevalenza
delle stesse pari a 1 caso ogni 8.000 riferito alla popolazione
generale6,7.
Popolazione
in studio | Mutazione
o Malattia | Prevalenza
malattia/100,000 (95% C.I.) |
Northern
England
Point
prevalence, August 1997;
population
size = 2,122,290
[Chinnery
et al 2000] | Tutte
le delezioni del mtDNA | 1.33
(0.76-1.89) |
Tutte
le mutazioni puntiformi del mtDNA | 5.24
(4.12-6.37) | |
G11778A
& G3460A (LHON)* | 3.29
(2.39-4.18) | |
A3243G* | 0.95
(0.47-1.43) | |
A8344G* | 0.25
(0.01-0.5) | |
Tutte
le mutazioni del mtDNA | 6.57
(5.30-7.83) | |
Northern
Finland
Adult
point prevalence;
population
size = 245,201 | A3243G* | 5.71
(4.53-6.89) |
Western
Sweden;
children
<16 = 385,616 | Encefalomiopatie
dell'età evolutiva | 4.7
(2.8-7.6) |
Victoria,
Australia;
birth
prevalence: 1,710,000 births | Malattia
delle Catena Respiratoria in età evolutiva | 4.7
(3.2-5.0) |
Summary | Bambini
ed Adulti con malattia mitocondriale | ~11.5 |
*
indica la posizione della base mutata ed il tipo di cambio: G11778A
significa che nella posizione 11778 la Guanina viene sostituita da
Adenina
Gli
apparati mitocondriali sono regolati da due genomi: uno autonomo (un
piccolo DNA circolare - mtDNA - composto da 37 geni: 2 per rRNA o RNA
ribosomiali, 22 per il tRNA o RNA transfer, 13 per le subunità
della catena respiratoria) e l'altro nucleare (nDNA, che oltre a
codificare per le restanti subunità della catena respiratoria,
“controlla” anche il mantenimento qualitativo e quantitativo dei
mitocondri e quindi del mtDNA)8.
Le alterazioni del mtDNA (Tabella
4) possono colpire direttamente le proteine strutturali della
catena respiratoria, oppure interferire con i meccanismi della
sintesi proteica mitocondriale coinvolgendo i tRNA o gli rRNA2.
Le mutazioni del nDNA (Tabella
5) si possono classificare in base alle strutture codificate dai
geni coinvolti: componenti strutturali, fattori di assemblaggio delle
subunità della catena respiratoria, fattori che garantiscono
la stabilità mitocondriale, e fattori coinvolti nella
biogenesi dei mitocondri2,3.
L'mtDNA
si trasmette secondo un'ereditarietà materna, l'nDNA
sempre secondo ereditarietà mendeliana.
La
presentazione/espressività clinica della MM è forse
l'aspetto che merita più attenzione; infatti per diversi
meccanismi correlati alla modalità di trasmissione di questi
due genomi, gravità, età di insorgenza etc. sono molto
variabili. Le “regole” delle malattie da difetto del mtDNA sono
principalmente quattro:
1.
ereditarietà materna:
solo
pochi mitocondri sono contenuti nello spermatozoo e quindi le
caratteristiche codificate dal mtDNA vengono trasmesse dalla madre ai
figli, sia maschi che femmine, ma saranno poi sempre solo le femmine
a continuare a trasmettere l'eventuale mutazione
2.
eteroplasmia,
ogni
mitocondrio contiene dalle 2 alle 10 molecole di mtDNA che mutano
rapidamente e può accadere che nello stesso mitocondrio
coesistano molecole sane cioè “wild type” e molecole
mutate
3.
segregazione mitotica
quando un
cellula eteroplasmica si divide la % di genomi mutati può
cambiare nelle cellule figlie e quindi nel tempo può variare
l'espressione fenotipica della malattia
4.
effetto soglia
le copie
di mtDNA mutate e quindi il numero di mitocondri “inefficienti”
si accumulano e si mescolano a mitocondri “normali”, quindi
l'effetto soglia si riferisce alla quantità critica di DNA
mutato necessario a causare un deficit energetico tanto grave da
provocare la sintomatologia clinica3.
In
generale, e quindi contemplando alcune eccezioni, le malattie dovute
a mutazioni del nDNA esordiscono precocemente in età
infantile, mentre quelle dovute a mutazioni del mtDNA si presentano
in tarda infanzia o nella vita adulta3.
Quadro
clinico | Tipo
di Gene | Mutazione
del mtDNA |
| Riarrangiamento
(deletione/duplicatione) | |
LHON | Proteine
Catena respiratoria | G11778A,
T14484C, G3460A |
NARP/Leigh
syndrome | Proteine
Catena respiratoria | T8993G/C |
Exercise
intolerance and myoglubinuria | Proteine
Catena respiratoria | Mutazione
del citocromo b |
MELAS | tRNA | A3243G,
T3271C, A3251G |
MERRF | tRNA | A8344G,
T8356C |
CPEO | tRNA | A3243G,
T4274C |
Myopathy | tRNA | T14709C,
A12320G |
Encephalomyopathy | tRNA | G1606A,
T10010C |
Cardiomyopathy | tRNA | A3243G,
A4269G |
Diabetes
and deafness | tRNA | A3243G,
C12258A |
Nonsyndromic
sensorineural deafness | tRNA | A7445G |
Aminoglycoside-induced
nonsyndromic deafness | tRNA | A1555G |
Mutazioni
di geni che codificano per proteine strutturali |
Leigh
syndrome (coinvolti 5 diversi geni nucleari)
Cardio-encephalomyopa\hy
Atypical
Leigh syndrome
Leukodystrophy,
myoclonus,
Phaeochromocytoma,
Cervical
paraganglioma/Hereditary paraganglioma
Ataxia,
myopathy, seizures |
Mutazioni
di geni che codificano per fattori di assemblaggio |
Leigh
syndrome (2 geni)
Ketacidotic
coma, hepatopathy
Infantile
cardiomyopathy
Tubulopathy,
leucodystrophy
Hypertrophic
cardiomyopathy
Tubulopathy,
Encephalopathy,
Liver
failure
GRACILE
syndrome* |
Mutazioni
di geni responsabili della stabilità del mtDNA |
adCPEO
(3 geni)**
arCPEO°,
Alpers Syndrome
MNGIE°°
MDS^,
hepato-cerebral form
MDS^,
myopathic form
Congenital
microcephaly of Amish |
Mutazioni
di geni coinvolti nella biogenesi dei mitocondri |
X-linked
deafness-dystonia
X-linked
ataxia/sideroblastic anemia
Friedreich's
ataxia
Hereditary
spastic paraplegia
Autosomal
dominant optic atrophy
Barth
syndrome |
*
GRACILE Growth Retardation, Aminoaciduria, Cholestasis, Iron
overload, Lactacidosis, Early death
**AdCPEO
: autosomal dominant Chronic External Opthalmoplegia
°
ArCPEO : autosomal recessive Chronic External Ophthalmoplegia
°°MNGIE:
Mitochondrial Neuro-Gastro-Intestinal Encephalomyopathy
^
MDS: Mitochondrial DNA Depletion Syndrome
Per
quanto riguarda la diagnosi, in età evolutiva, pur in presenza
di un quadro clinico sospetto, non sempre è possibile
documentare mutazioni del DNA. In un recente lavoro in cui si sono
analizzati 113 pazienti con diagnosi certa di malattia
mitocondriale9, si è quindi tentato di adattare le
classificazioni messe a punto per l'adulto10,11
all'età pediatrica e che prevedono in particolare sei
criteri:
1.
clinico: prende in considerazione i sintomi multiorgano che possono
derivare dal deficit mitocondriale
2.
istologico: presenza di reperti tipici alla biopsia muscolare come le
cosiddette “Ragged Red Fibres” –ovvero fibre negative per la
COX
3.
enzimatico: valutazione biochimica degli enzimi della catena
respiratoria
4.
funzionale: produzione di ATP dai fibroblasti
5.
laboratoristico: presenza di reperti evocatori di deficit della
funzione metabolica (iperlattacidemia)
6.
molecolare: presenza di mutazioni del mtDNA o nDNA.
Questi
criteri diagnostici vengono divisi in maggiori e minori. Sicuramente
un aspetto aggiuntivo estremamente importante è il ricorso
alle tecniche di imaging ed in particolare alla neuroradiologia, che
in alcuni casi in cui è coinvolto il SNC è quasi
patognomonica (come i reperti di RMN nella s. di Leigh).Al momento
non vi è un “gold standard” per stabilire la diagnosi di
encefalomiopatia mitocondriale.
Un dato
importante invece è che il fattore discriminante rispetto alla
prognosi quoad vitam è la presenza o meno dicardiomiopatia9.
Da un
punto di vista pratico, sarà il criterio clinico a far nascere
il sospetto di MM (valorizzare quindi l'associazione di più
sintomi ma soprattutto ricostruire in maniera precisa l'ereditarietà
che, nel caso delle malattie da mutazioni del mtDNA, è
fortemente evocatrice) e verranno inizialmente avviati una serie
di atti diagnostici che possono essere compiuti in strutture non
specialistiche che coinvolgono laboratorio (iperlattacidemia su
sangue e liquor, iperalaninemia…) e neuroradiologia (se viè
coinvolgimento del sistema nervoso centrale). Successivamente è
possibile rivolgersi ad un ambiente più specialistico per
proseguire gli accertamenti (biopsia muscolare, saggi enzimatici,
analisi genetica su mtDNA e nDNA). (Tabella
6)
CLINICA | “Cast
a wide net”; si devono considerare non solo i sintomi
tipici ma anche tutti i segni e i sintomi già elencati.
Isolati o in combinazioni varie devono far venire il sospetto di
una malattia mitocodriale |
EREDITARIETÀ | Verificare
la presenza di ereditarietà materna che può non
essere chiara vista l'eteroplasmia e l'effetto soglia.
Indagare la presenza di “soft signs” nei parenti materni
(bassa statura, sordità, emicrania…). Attenzione però
perché alcune malattie mitocondriali sono trasmesse con
ereditarietà mendeliana ed altre sono sporadiche |
ESAMI
DI LABORATORIO | I
livelli ematici del lattato e del piruvato (meglio se da sangue
arterioso) nei bambini malati, di solito sono elevati. Un
rapporto lattato/piruvato alto suggerisce un blocco a livello
della catena respiratoria; un rapporto normale (< 20) indica
che il blocco è a valle. L'acido lattico e piruvico nei
bambini con encefalopatia può essere elevato solo nel
liquor. In caso di deficit della catena respiratoria vi è
può essere associata un'elevazione dell'alanina Un
valore di acido lattico normale, non esclude una malattia
mitocondriale |
NEURORADIOLOGIA | Iperintensità
di segnale nei nuclei della base, sono tipici della S. di Leigh.
Lesioni ischemiche nelle regioni posteriori dell'encefalo, sono
tipiche della MELAS lesioni della sostanza bianca della capsula
interna, sono presenti nella sindrome KSS; tipiche di entrambi
sono le calcificazioni dei nuclei della base |
BIOPSIA
MUSCOLARE | BIOPSIA
MUSCOLARE La presenza di RRF sono tipiche della malattie
mitocondriali (di solito mutazioni dei tRNA). Fibre COX negative
sparpagliate (con e senza RRF), suggeriscono mutazioni del mtDNA.
L'assenza di RRF però non esclude una malattia
mitocondriale *RRF: ragged red fibers |
BIOCHIMICA | L'attività
della catena respiratoria, può essere valutata sui
fibroblasti e su cellule muscolari.
Ove
possibile è meglio studiare il muscolo perché: (1)
l'attività ossidativa degli enzimi è più
alta; (2) alcuni difetti enzimatici sono espressi nel muscolo ma
non nei fibroblasti.
Lo
studio biochimico può rivelare specifici difetti
enzimatici; in particolare difetti combinati di subunità
codificate dal mtDNA suggeriscono la presenza di una sua
mutazione |
GENETICA
MOLECOLARE | Quando
gli elementi sopra indicati suggeriscono una mutazione del mtDNA
è necessario ricercarla con l'analisi genetica
molecolare. Per quanto riguarda il tessuto da studiare, le
mutazioni (puntiformi o delezioni) responsabili di alcune
sindromi sono evidenti su sangue altre solo su muscolo, altre su
entrambe o su altri tessuti |
Ricordiamo
infine che i bambini con MM hanno diritto alla certificazione per
malattia rara (Tabella 7), anche se non tutte le MM sono codificate.
TABELLA
7. I codici di esenzione per malattia rara previsti al momento in
ambito di mitocondriopatie.
Malattie | codici | ||||
esenzione | icd9 | icd9cm | icd10 | MIM | |
Malattia
di LEIGH | RF0030 | 330.8 | 330.8 | G31.8 | #256000 |
Sindrome
MELAS | RN0710 | 277.9 | |||
Sindrome
MERRF | RN0720 | 277.9 | |||
Atrofia
ottica di Leber (LHON) | RF0300 | 377.1 | 377.16 | H47.2 | #535000 |
Sindrome
di Kearns-Sayre (KSS) | RF0020 | 759.89 | |||
MNGIE | RFG080 | 359.1 | 359.1 | G71.0 | *277320 |
Sindrome
di Pearson | RN1600 | 277.9 | #557000 | ||
Riassumendo:
- Le MM sono probabilmente sottostimate (forse anche per un limite tecnologico dei “protocolli di diagnosi mutazionale”), nello stesso tempo però alcuni difetti della catena respiratoria sono secondari e non primitivi
- In età pediatrica le presentazioni possono essere sistemiche precoci ed atipiche (epatopatia, pancitopenia, malassorbimento, atrofia dei villi, pseudo-ostruzione, tubulopatia prossimale, cardiomiopatia, endocrinopatia multipla), ovvero aspecifiche (ritardo psicomotorio, convulsioni, regressione, ipo- ipertonia)
- Può esistere una variabilità fenotipica, anche in presenza di una mutazione del nDNA e quindi le mitocondriopatie non rientrano nel modello di “un gene una malattia”
Da un
punto di vista terapeutico, gli interventi finora applicabili sono
largamente insoddisfacenti e cadono in tre gruppi: agenti
farmacologici e nutrizionali, modifiche della composizione dietetica
(dieta chetogenica), terapia fisica. Le sostanze somministrate a
pazienti affetti da MM includono: antiossidanti (coenzima Q10,
vitamina C, vitamina E e menadione), agenti rivolti al controllo
dell'acidosi lattica (dicloroacetato), agenti che correggono
deficienze biochimiche secondarie (carnitina, creatina), cofattori
della catena respiratoria che possano “spingere” l'attività
dei mitocondri intatti (nicotinamide, tiamina, riboflavina, succinato
e co-enzima Q10) e ormoni (ormone della crescita, corticosteroidi).
Sono
pochissimi gli studi controllati e tutti chiaramente con un numero
molto piccolo di pazienti arruolati, peraltro ricordiamo che sono in
corso due metanalisi della Cochrane6,7.
Le difficoltà di valutare l'efficacia degli interventi è
chiaramente correlata all'incredibile variabilità clinica di
ciascuna patologia oltre alla rarità di ciascuna sindrome
presa singolarmente.
Le
domande sarebbe ancora tante ma quanto brevemente riportato dà
la misura di come la ricerca nel campo della medicina mitocondriale
sia un terreno ricco di prospettive soprattutto per quanto riguarda i
processi fisiopatologici con la speranza di poter individuare
eventuali approcci terapeutici efficaci, al momento purtroppo non
disponibili.
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