Jiří Zeman Látková výměna (metabolismus) představuje trvalý koloběh biochemických reakcí, při kterých se v organismu tvoří látky potřebné pro funkci buněk a současně se odstraňují produkty, které již nemají další uplatnění. Porucha metabolismu nastává v situaci, kdy snížená aktivita jednoho nebo více enzymů nebo změny ve složení či množství strukturálních nebo transportních proteinů. způsobí natolik závažnou nerovnováhu v biochemických pochodech, že v organismu v jednotlivých buňkách či tkáních vzniká aktuální nedostatek životně důležitých metabolitů nebo naopak dochází k nadměrnému hromadění a střádání některých pro organismus škodlivých látek. Metabolická onemocnění se manifestují na podkladě genetických faktorů nebo působením faktorů zevního prostředí, často se jedná o kombinaci obou vlivů. Dědičnost metabolických onemocnění, která jsou způsobena mutacemi genů v nukleární DNA, se řídí Mendelovými zákony nejčastěji s autosomálně recesivním nebo gonosomálně recesivním typem přenosu. Onemocnění způsobená bodovými mutacemi v mitochondriální DNA (mtDNA) jsou charakterizována maternálním typem dědičnosti. „Large-scale rearrangements“ (velké delece) v mtDNA jsou obvykle sporadické, naopak mnohočetné mtDNA delece i mtDNA deplece jsou způsobeny mutacemi v jaderných genech. Klinicky představují dědičné poruchy metabolismu (DPM) velice heterogenní skupinu více než 800 různých onemocnění. Diagnostika DPM je důležitá nejen pro léčbu postižených osob, i když léčbou je ovlivnitelná jen část metabolických onemocnění, ale i pro potřebu genetického poradenství v postižené rodině. DPM lze obvykle diagnostikovat na enzymatické i molekulární úrovni, v postižených rodinách lze rozpoznat zdravého přenašeče metabolického onemocnění. U většiny dědičných poruch metabolismu je dostupná i prenatální diagnostika. Poruchy metabolismu se významně podílejí na nemocnosti a úmrtnosti dětí i dospělých. Závažnost klinických projevů DPM závisí na typu mutace a zbytkové aktivitě postiženého enzymu. Jednotlivé DPM obvykle patří mezi onemocnění se vzácným výskytem, ale celkový výskyt DPM v populaci není nijak nízký (Tabulka 1). Při střízlivém odhadu lze vyvodit, že se v ČR ročně narodí asi 750-850 dětí s dědičnou poruchou metabolismu (0,8-0,9 % živě narozených).
Tab 1.
Skupiny dědičných poruch metabolismu a jejich výskyt v populaci
Skupiny dědičných metabolických onemocnění
počet nosologických jednotek > 21 > 65
výskyt onemocnění v populaci > 3 : 1 000 > 2 : 1 000*
Hyperlipidemie, hyperlipoproteinemie Poruchy transportních systémů, cirkulujících strukturálních proteinů a receptorů Poruchy metabolismu purinů a pyrimidinů > 14 > 2 : 1 000 Poruchy krvetvorby a koagulačních faktorů > 44 > 3 : 10 000* > 50 > 3 : 10 000* Mitochondriální poruchy (oxidační fosforylace, ** Krebsův cyklus, komplex PDH ) Lysozomální onemocnění > 40 > 3 : 10 000* Poruchy metabolismu aminokyselin > 25 > 1 : 10 000 Porfyrie > 8 > 1 : 10 000* Poruchy beta-oxidace mastných kyselin > 22 > 1 : 10 000 Poruchy glykosylace glykoproteinů > 22 > 1 : 10 000 Poruchy tvorby a degradace kolagenu > 21 > 1 : 10 000 Organické acidurie > 36 > 5 : 100 000 Poruchy glykolýzy a glukoneogeneze > 28 > 4 : 100 000* Peroxizomální onemocnění > 18 > 2 : 100 000 Poruchy cyklu močoviny 6 > 2 : 100 000 Poruchy metabolismu bilirubinu > 5 > 1 : 100 000 Poruchy metabolismu pterinů > 5 < 1 : 100 000 Poruchy metabolismu stopových prvků >14 ? a vitamínů Poruchy neurotransmiterů > 2 ? * = výskyt jednotlivých onemocnění je u některých populací mnohem vyšší ** = komplex pyruvátdehydrogenázy
Sir A.Garrod
cystinurie, pentosurie alkaptonurie,porfyrie Dg: 4 metabolity TH 0
prof. Bickel
1..screening PKU Guthrie 1. TH PKU Bickel
prof. Scriver
incidence 0.7 % screening MS-MS TH: 100 chorob
Genom
Proteom
Metabolom
Organom
substrát nDNA
protein
mtDNA
produkt
Bílkoviny enzymy, receptory,
DNA/RNA screening sekvenování
Metabolity v buňkách krvi moči likvoru
strukturální a transportni proteiny
Klinické projevy specifické nespecifické
Klinické projevy DPM se mohou manifestovat v kterémkoliv období života od novorozeneckého věku až do pozdní dospělosti. Některé klinické příznaky bývají charakteristické pro zcela určitou metabolickou poruchu, jindy jsou první příznaky onemocnění nespecifické (nechutenství, neprospívání, porucha růstu, porucha psychomotorického vývoje), a teprve později dochází k postižení funkce různých tkání (hepatopatie, kardiomyopatie, encefalopatie, ledvinné selhání). Pro celou řadu DPM je typické, že u postižených dětí postupně dochází po určitém bezpříznakovém období, které může trvat dny, týdny, měsíce i roky, k progresi klinických projevů onemocnění a trvalému zhoršování zdravotního stavu. Podle rychlosti nástupu klinických obtíží lze rozlišovat akutní, záchvatovité a chronicky progredující typy metabolických onemocnění. Dědičné poruchy metabolismu s akutním průběhem se obvykle projevují již v prvním roce života. V rámci diferenciálně diagnostické rozvahy by se mělo na metabolický podklad (etiologii) onemocnění pomýšlet u všech kriticky nemocných dětí, u kterých není jasná etiopatogeneze jejich onemocnění. DPM s akutním průběhem jsou nejčastěji způsobeny enzymatickou poruchou v oblasti metabolismu aminokyselin, galaktózy, fruktózy, organických kyselin, beta-oxidace mastných kyselin nebo cyklu močoviny. U postižených dětí lze v anamnéze často odkrýt vyvolávající okolnosti, rizikovým obdobím je především zahájení výživy nebo změna výživy z nízkobílkovinného mateřského mléka na umělou výživu s vyšším obsahem bílkovin. K prvním klinickým projevům metabolického onemocnění dochází i v průběhu akutních infekčních onemocnění. Náhlé nebo rychle progredující zhoršení klinického
stavu malého dítěte by mělo vždy vést v rámci diferenciálně diagnostické rozvahy k podezření na dědičnou poruchu metabolismu. Obzvláště to platí pro novorozence, u kterých po nekomplikovaném porodu a po bezpříznakovém období nastává situace, kdy dítě přestává pít, zvrací, objevují se křeče, poruchy vědomí nebo respirační insuficience. Akutní příznaky metabolického onemocnění se mohou projevit i u starších dětí. Do této skupiny patří například pozdní forma tyrosinemie typu I, některé formy glykogenóz a organických acidurií, pozdní forma deficitu ornithintranskarbamylázy (OTC) u chlapců nebo manifestace OTC deficience u dívek. U starších dětí s některými typy porfyrií se první příznaky onemocnění mohou manifestovat až po podání celé řady léků, mezi které patří i barbituráty nebo sulfonamidy. Klinickým problémem dětského věku, který by měl v rámci diferenciálně diagnostické rozvahy vždy vést k podezření na dědičnou poruchu metabolismu, je zpomalení či zástava původně normálního psychomotorického vývoje nebo ztráta dovedností, které již dítě získalo. V kojeneckém, batolecím nebo v předškolním věku se začíná manifestovat většina lysozomálních poruch se střádáním v CNS nebo v parenchymatózních orgánech. Progredující hepatosplenomegalie spojená se zpomalením psychomotorického vývoje a změnami fenotypu vede k podezření na onemocnění ze skupiny mukopolysacharidóz nebo glykoproteinóz. Zpomalení psychomotorického vývoje spojené s neprospíváním, poruchou růstu a různě vyjádřeným postižením funkce srdce, svalů, jater nebo ledvin vede k podezření na mitochondriální poruchu energetického metabolismu. Opakované ataky Rey-like syndromu ale i informace o náhlém úmrtí sourozence v rodině vedou k podezření na poruchu beta-oxidace mastných kyselin. Renální koliky a hematurie mohou být způsobeny řadou geneticky podmíněných urolithiáz (cystinurie, poruchy metabolismu purinů).
Diagnóza metabolických onemocnění vyžaduje úzkou spolupráci mezi ošetřujícími lékaři a specializovanými laboratořemi. Podle klinického průběhu onemocnění, biochemické povahy, enzymatické poruchy nebo molekulární podstaty onemocnění lze dědičné poruchy metabolismu rozdělit do řady podskupin. U části metabolických onemocnění stačí pro diagnostiku vyšetření vzorků krve, moče nebo mozkomíšního moku, u některých poruch metabolismu jsou nutná i histologická, histochemická a enzymatická vyšetření z biopsie jater, svalu nebo kůže a/nebo molekulárně genetická vyšetření z krve nebo tkání.
Mitochondrie jako jediná vyjímka v biologii člověka je řízena dvěma genetickými systémy (genomy) – jadernou DNA a mitochondriální DNA, která je přenášena pouze pro po mateřské linií. Mitochondrie jsou obsaženy ve všech buňkách s výjimkou erytrocytů. a v buňce vytvářejí dynamickou mitochondriální síť. Mitochondrie obsahují stovky enzymů, které zasahují do řady metabolických pochodů v oblasti metabolismu aminokyselin, organických kyselin, mastných kyselin, porfyrinů, cyklu močoviny či nukleotidů, ale jejich
. Výrobou energetických zdrojů ovlivňují mitochondrie funkci všech tkání, růst, vývoj a proces stárnutí i průběh apoptózy. Mezi mitochondriální poruchy energetického metabolismu patří všechna onemocnění, při kterých v organismu dochází k nedostatečné výrobě energie na úrovni komplexů dýchacího řetězce a ATP syntázy, které dohromady tvoří systém oxidativní fosforylace (OXPHOS), ale i poruchy komplexů pyruvátdehydrogenázy, Krebsova cyklu nebo beta-oxidace mastných kyselin. Výskyt mitochondriálních poruch energetického metabolismu v populaci není dosud znám, ale nejedná se o vzácná onemocnění. Odhaduje se, že mutace v mtDNA se vyskytují u cca 1 na 3500 osob, další pacienti mají poruchu na úrovni jaderné DNA. Prognóza pacientů s mitochondriálním onemocněním není příznivá a léčba je dosud obvykle jen sociální a symptomatická. O to více nabývá na důležitosti včasná diagnostika a cílené genetické poradenství v postižených rodinách. U mitochondriálních poruch způsobených mutacemi v jaderné DNA existuje i spolehlivá prenatální diagnostika.
Lysosomální střádavá onemocnění (LSD) představují skupina cca 40 dědičně podmíněných poruch metabolismu, která jsou způsobena poruchou aktivity jednoho nebo více lysosomálních enzymů. Výskyt LSD v populaci se odhaduje na 1: 3000 – 5000 narozených dětí, což řadí tuto skupinu metabolických onemocnění mezi nejčastější dědičně podmíněná onemocnění v populaci. Ztráta enzymatické aktivity lysosomálních enzymů (LSD typ I, 30 různých onemocnění) nebo porucha transportu (LSD typ II, 10 různých poruch) vede obvykle k nahromadění nedegradovaných substratů uvnitř lysosomů. Lysosomy se postupně zvětšují a vyplňují převážnou část cytoplasmy, které vyústí v poruchu celé buňky s následným postižením funkce tkáně a orgánů.
!
2
3
3
1
&
*
+
,
-
4
.
0
2
'
"
.
/
#
$
%
&
'
&
(
)
*
+
,
-
.
Při sledování i léčbě pacientů s DPM je nutno si uvědomit, že v průběhu zcela běžných akutních horečnatých onemocnění, ale i při stresu či akutních i plánovaných operacích dochází u pacientů s DPM obvykle k výraznému zhoršení klinických projevů základního metabolického onemocnění. Zhoršení klinických projevů onemocnění souvisí nejen s rozvojem katabolismu při nedostatečném energetickém příjmu, protože pacient při teplotě méně jí či pije, ale i s dalším poklesem již původně nízké aktivity postiženého enzymu, protože nestabilní proteiny s geneticky podmíněnými změnami ve své struktuře snadněji podléhají při zvýšené teplotě degradaci působením proteáz.
Cílem dietní léčby u pacientů s poruchami metabolismu aminokyselin a organických kyselin je úprava příliš vysokých nebo i příliš snížených hladin aminokyselin, organických kyselin a dalších metabolitů tak, aby se jejich koncentrace v organismu co nejvíce přiblížily normálním hodnotám. U části pacietů s DPM lze zvýšit aktivity některých enzymů podáváním specifických kofaktorů enzymatických reakcí, mezi které patří pyridoxin u pyridoxin senzitivní formy homocystinurie, tetrahydrobiopterin u některých forem hyperfenylalaninemie, hydroxycobalamin u některých forem metylmalonové acidurie, riboflavin u glutarové acidurie typ I i II, thiamin a dichloroacetát sodný u poruchy komplexu pyruvátdehydrogenázy. Pro dietní léčbu je nezbytná detailní znalost aminokyselinového složení všech používaných potravin. Podle zbytkové aktivity postiženého enzymu a podle
individuální tolerance každého dítěte se v léčbě uplatňují dietní opatření se sníženým příjmem bílkovin v přirozené výživě, který se obvykle pohybuje v rozmezí 0,4-1,2 g přirozených bílkovin na kg hmotnosti a den. Pro udržení pozitivní dusíkové bilance v dětském věku a vyrovnané dusíkové bilance v dospělosti se denní potřeba bílkovin doplňuje formou speciálních směsí esenciálních L-aminokyselin, které jsou podle věku a potřeby nemocného dítěte obohacené o minerály, stopové prvky a vitamíny. Vždy je nutno zajistit pacientovi dostatečný kalorický příjem bez kterého se zvyšuje riziko katabolismu. V rámci dietoterapie je třeba věnovat pozornost i osmolalitě používaných dietetik, jejich chuti a stravitelnosti. Léčba dědičných poruch metabolismu aminokyselin a organických kyselin je většinou celoživotní a pravidelné klinické i laboratorní kontroly jsou nezbytnou součástí léčby. U dětí na přísné dietoterapii je nutno monitorovat nejen metabolické parametry jednotlivých onemocnění, ale i růst a vývoj, sérové hladiny ferritinu, jodurii a parametry kalciového metabolismu a kostni densitu.
Cílem enzymové substituční terapie („Enzyme Replacement Therapy“ - ERT) je snaha dodáváním chybějícího enzymu v pravidelných intervalech zabránit u pacienta s DMP rozvoji nebo progresi jeho onemocnění. Úspěšná je léčba pomocí ERT především u pacientů s Gacherovou nemocí typ I a Fabryho nemocí.
Enzyme replacement therapy
6-letá dívka m. Gaucher před ERT
za 2 roky na ERT
morbus Gaucher** morbus Fabry** mukopolysacharidosis typ I mukopolysacharidosis typ II mukopolysacharidosis typ VI glykogenosis typ II porucha adenosindeaminázy* ** dobré výsledky léčby
připravuje se ERT pro alpha-mannosidosis mukopolysacharidosis typ VII a další nemoci
Mezi nové léčebné metody u pacientů s dědičnými poruchami patří „substrát redujicí léčba pomocí malých molekul (SRT)“. Cílem této léčby je snaha snížit v buňkách koncentraci střádajícího materiálu „redukcí endogenní produkce“ metabolitu, který je buď prekursorem nebo přímým substrátem pro nedostatečně fungující enzym. Při snížené nabídce „konkrétního metabolitu“ stačí obvykle zbytková aktivita postiženého enzymu metabolizovat substrát tak, že nedochází k jeho hromadění v buňce ani v organismu. V praxi se metoda SRT již úspěšně používá u pacientů s lehčí formou Gaucherovy nemoci a zkouší se u pacientů s Niemann-Pickovou nemocí.
Cílem transplantace hematopoietických kmenových buněk u některých dětí s dědičnými poruchami metabolismu je snaha dodat do organismu buňky, které budou intra- nebo extravaskulárně dlouhodobě, nejlépe celoživotně, produkovat chybějící enzymy. Konečným cílem transplantace je snaha zastavit progresi onemocnění a umožnit dětem s DPM normální psychomotorický vývoj. Podmínkou úspěšné transplantace je kromě jiného i včasná diagnostika onemocnění ještě před rozvojem centrálních neurologických příznaků. V současné době se nejčastěji používá allogenní transplantace buněk kostní dřeně od HLA identického sourozence nebo od nepříbuzného dárce z „registru dárců“ po ablativní chemoradioterapii. Zdrojem hematopoietických kmenových buněk pro transplantaci může být i pupečníková krev nebo periferní kmenové buňky, o významu embryonálních kmenových buněk pro terapii se diskutuje. Dobré zkušenosti s transplantací hematopoietických kmenových buněk jsou především u pacientů s mukopolysacharidózou typ I, X-vázanou adrenoleukodystrofií, maligní osteopetrózou a některými poruchami imunity.
mukopolysacharidosis typ I-H**, II, VI a VII X-adrenoleukodystrofie** (X-ADL) morbus Gaucher typ I, III morbus Fabry morbus Pompe morbus Krabbe morbus Faber morbus Batten morbus Nieman-Pick typ A,B morbus Wolman I-cell disease fucosidosis aspartylglukosaminurie alpha-mannosidosis metachromatická leukodystrofie maligní osteopetrosis** těžké poruchy imunity - SCID**, ADA**, PNP ** dobré výsledky léčby další onemocnění se zkoušejí
Jen u malého spektra onemocnění je metodou volby pro terapii pacientů s DPM orgánová transplantace, jejíž cílem je buď nahradit funkci selhávajícího orgánu nebo dodat organismu buňky, které budou dlouhodobě produkovat chybějící proteiny (enzymy). Asi nejrozšířenější je transplantace jater, která je metodou volby především i u pacientů s tyrosinemií typ I, u kterých stoupající hladiny alfa-fetoproteinu v krvi dokumentují riziko rozvoje hepatocelulárního karcinomu, nebo u pacientů s glykogenózou typ I, u kterých podle zobrazovacích vyšetření nebo podle vyšetření jaterní biopsie došlo k maligni transformaci jinak při této nemoci běžných adenomů v játrech. Úspěšná transplantace jater byla popsána i u dětí s těžkými poruchami metabolismu v oblasti cyklu močoviny (například citrulinemie), u dětí s homozygotní formou familiární hypercholesterolemie nebo u dětí s těžkými formami organických acidurií (například metylmalonová acidemie). Ve fázi výzkumu je transplantace jaterních buněk a kmenových buněk do portálního řečiště. Transplantace ledvin je metodou volby u pacientů s Fabryho nemocí, u kterých došlo k renálnímu selhání a kteří jsou odkázání na hemodialýzu. Na indikaci transplantace srdce lze například pomýšlet u pacientů s Fabryho nemocí s těžkým postižením srdce nebo u pacientů s poruchou mitochondriáních funkcí a izolovanou formou těžké kardiomyopatie.
