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Terapie personalizzate: i cocktails di farmaci e gli integratori
Mitocon 2014
Carlo Dionisi-Vici U.O.C. Patologia Metabolica
Dipartimento di Medicina Pediatrica
a) Malattie che causano “intossicazione” (acuta & cronica) Aminoacidopatie - PKU, MSUD, tirosinemia, omocistinuria Acidemie Organiche (Propionica, Metilmalonica, Isovalerica, Glutarica) Difetti del Ciclo dell’Urea Intolleranza a zuccheri - Galattosemia, Intolleranza al Fruttosio Intosicazione da Metalli - rame, ferro Porfirie b) Malattie del Metabolismo Energetico Difetti ossidazione acidi grassi, difetti catena respiratoria, PC, PDH, Krebs Malattie citosoliche (glicolisi/gluconeogenesi/glicogeno, difetti metabolismo pentoso fosfati) c) Malattie da Carenza di Substrati Difetti metabolismo delle vitamine - B12, folati, B6, B1 & metalli – rame Difetti metabolismo creatina Difetti di sintesi dei neurotrasmettitori & aminoacidi - serina, glutammina Difetti di sintesi del colesterolo d) Disordini di Molecole Complesse Malattie lisosomiali Malttie perossisomiali Sindromi CDG Disturbi metabolismo fosfolipidi
Classificazione delle Malattie Metaboliche
ac. grassi zuccheri proteine
FFA G6P
piruvato
glucosio
lattato acil-CoA
acil-carnitine PDH
ciclo Krebs
I II III IV V
catena respiratoria ATP
β-ossidazione
Acetil-CoA e-
CORPI CHETONICI
aminoacidi
ac.organici
ciclo urea
UREA
NH4+
IL METABOLISMO INTERMEDIO
Terapia delle Malattie Metaboliche
• Dietetica • Vitamine - cofattori • Farmaci • Terapia cellulare • Trapianto d’organo • Terapia enzimatica sostitutiva • Inibitori sintesi substrati tossici • Terapie chaperon • Terapia genica
nessuna terapia # 40-30% trattamenti di supporto – cure palliative
Pronto Soccorso OBG 1987 > 3 anni LARINGITE ACUTA Eo: condizioni generali gravi, dispnea intensa, stridore inspiratorio, FR 56/min + ATASSIA
….in ANAMNESI…….. Abortività materna ripetuta Ricorrenti episodi di dispnea/tachipnea con STRIDORE LARINGEO @ 1 e 2 anni: DERMATITE SEBORROICA del capo seguita da ALOPECIA
Esami di laboratorio: lattato elevato pH 7.4 EB – 19 bicarbonati 6 mEq - pCO2 15.4 Anion Gap 25
Malattia Metabolica ???
Diagnosi?……..laringite???
SCARSISSIMA RISPOSTA ALLA TERAPIA STEROIDEA e O2
Dionisi-Vici C, Bachmann C, Graziani MC, Sabetta G. Laryngeal stridor as a leading symptom in a biotinidase-deficient patient. J Inherit Metab Dis. 1988;11(3):312-3.
Sospetto deficit BIOTINIDASI
BIOTINA 5 mg per os Dopo 2 ore COMPLETA NORMALIZZAZIONE DEL QUADRO RESPIRATORIO E DELLE ALTERAZIONI DI LABORATORIO
ELISA nel 2006 laurea in Economia
Pt. 1 • 5 mesi diagnosi Leucemia Linfatica Acuta cellule B • Chemioterapia in accordo con INTERFANT 2006 • Diarrea e vomito dopo la prima somministrazione di Metotrexate (MTX) ad alto dosaggio dosaggio • Nutrizione parenterale totale (TPN) • giorno 19: 3 settimane di terapia MTX, deterioramento clinico, tachipnea, letargia • Grave acidosi metabolica + iperlattacidemia • Infusione di bicarbonati senza miglioramento > dialisi • Valutazione matabolica: Analisi degli acidi organici urinari
Pt. 2 • 9 anni diagnosi di Leucemia Mieloide Acuta. • Vomito persistente dopo chemioterapia • Nutrizione parenterale totale (TPN) • giorno 19 TPN: deterioramento clinico, tachipnea, rapido cambiamento dello stato mentale • Grave acidosi metabolica + iperlattacidemia • Infusione di bicarbonati senza miglioramento •Valutazione matabolica: Analisi degli acidi organici urinari
Maiorana 2014
10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
7000000
8000000
9000000
1e+07
1.1e+07
1.2e+07
1.3e+07
1.4e+07
1.5e+07
1.6e+07
1.7e+07
1.8e+07
1.9e+07
Time-->
1 2
3 4
5
6
7
8
is is 9
10
1) Lattato 2) 2-OH-butirrato 3) Piruvato 4) 2-OH-isovalerato 5) 2-cheto-butirrato 6) 2-cheto-isovalerato 7) 2-cheto-3-metil-valerico 8) 2-cheto-isocaproato 9) 2-cheto-glutarato 10) 2-cheto-adipato
Maiorana 2014
Enzimi dipendenti dalla Tiamina
L’effetto della Tiamina in caso di deficit secondario
Maiorana 2014
Carrozzo 2014 submitted
Caso clinico Maschio, primogenito da genitori italiani consanguinei - Nella prima infanzia: ricorrenti episodi di sonnolenza e chetonuria
- All’età di 3 anni dolore muscolare e faticabilità
- All’età di 4,5 anni un episodio di letargia, ipotonia, sudorazione e pallore dopo 17 ore di digiuno. Citolisi epatica GOT/GPT 199/209, chetonuria, epatomegalia, iperecogenicità epatica → biopsia epatica → deficit di fosforilasi (glicogenosi VI) - A 15 anni progressivo sviluppo di intolleranza allo sforzo (test da sforzo interrotto dopo 1 minuto). ECG, ecocardiogramma, neurografia, elettromiografia nella norma
Parametri biochimici: aumento intermittente di lattato plasmatico + un caratteristico profilo di aumento degli AA ramificati e alloisoleucina (range 4-16µM/L) e presenza di α-chetoacidi urinari
10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00
2000000
4000000
6000000
8000000
1e+07
1.2e+07
1.4e+07
Time >
4
pyruvic
2-OH-isovaleric
2-ketoisovaleric
2-keto3-CH3-valeric
2-ketoisocaproic
lactic
IS
2-ketoglutaric
IS
Carrozzo 2014 submitted
43 215 245 387 50973 3181
I40LfsX4 G461E
Carrozzo 2014 submitted
Muscle
DLD
VDAC
Ctrl Pt. 1st Pt. 2nd
Pre-Riboflavin On Riboflavin
On-R
1. Partial restoration of the DLD protein at SDS-page of 2nd muscle biopsy and disappearance of increased mitochondrial proliferation at histochemical reactions (COX, NADH).
2. Complete resolution of clinical symptoms and normalization of urinary organic acid profile
Pre-R
Pt. 2nd
Muscle biopsies
Carrozzo 2014 submitted
cytosol
FFA fatty acyl-CoA
carnitine
fatty acid oxidation
acetyl-CoA
βOX- cycle e- transfer
fatty acylCoA
carnitine Carnitine cycle
ketones CO2+H2O ketogenesis
mito
Deficit Primario di Carnitina
No terapia carnitina 3 g/die
Tein 1990; Lamhonwah 2002
anamnesi negativa, a 2 anni episodio febbrile → trasferita dall’Ospedale di Avezzano al OBG per scompenso cardiaco in cardiomiopatia dilatativa glicemia 23 mg/dl ammonio 215 mcg/dl acido urico 14 mg/dl EB -14 HCO3 12 SGOT 950 SGPT 938 CPK 1036 chetoni urine assenti
Difetto della beta-ossidazione > VLCAD
Ipoglicemia - cardiomiopatia
DIETOTERAPIA LIPIDI CARBOIDRATI (MAIZENA) PASTI FREQUENTI - ENTERALE OLIO MCT (solo dif. lunga catena) DIGIUNO - FEBBRE – VACCINAZIONI
PRINCIPI DI TRATTAMENTO
FARMACI CARNITINA RIBOFLAVINA
FASI ACUTE INFUSIONE GLUCOSATA
CINZIA deficit di VLCAD
carnitina
acil-carnitina acil-CoA
Le acilcarnitine: una finestra sul mitocondrio 16/37
459.5
542.6
200 250 300 350 400 450 500 550 m/z, amu
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
Inte
nsity
, cps
CTD
MC
AD
SCAD
VLC
AD IV
A H
MG
GA1
- G
A2
MM
A - P
A
CAC
T
LCH
AD -
MTP
Screening acilcarnitine in MSMS
Enhance electron transfer within the respiratory chain
• Riboflavin (FAD precursor) • Niacin (NADH precursor)
CoQ (Idebenon, EPI-743)
Vitamin E
Coenzyme Q10 • Primary CoQ deficiencies (mutations in enzymes involved in CoQ synthesis)
• Secondary CoQ deficiencies (mutations in other genes)
• Neonatal-onset • full-term babies • normal pregnancy • symptom-free period • feeding refusal • vomiting • abnormal posturing, • lethargy, seizures, coma • death within a few days if
not appropriately treated
• Late-onset • variable clinical picture • acute life-threatening
enchephalopathy • intermittent or chronic
symptoms (ataxia, abnormal behaviour, recurrent vomiting with or without ketoacidosis, failure to thrive, liver dysfunction,developmental delay..)
ORGANIC ACIDURIAS Classical forms > disorders that cause intoxication
High risk of “acute metabolic decompensation” triggered by stress events fever, infections, diarrhoea, fasting,immunisation, etc
Organ complications
CNS Mental Retardation at long term follow-up (>2ys) ~ 70% of neonatal onset pts Basal ganglia stroke (MMA-PA)
MMAmut0
HEART Cardiomyopathy PA – MMA
KIDNEY Chronic renal failure MMA
PANCREAS Acute pancreatitis in PA
Propionic
2-oxoisocaproic ac.
Isovaleryl-CoA
3-Methylcrotonyl-CoA
Acetyl-CoA
2-oxo-3methyl-valeric ac.
Tiglyl-CoA
Propionyl-CoA Methylmalonil-Co-A
Succinyl-Co-A
2-oxoisovaleric ac.
Methylacrylyl-CoA
Leucine
2-Methylbutyryl-CoA Isobutyryl-CoA
acetoacetate
Isoleucine Valine
3-Methylglutaconyl-CoA
3-OH-Methylglutaryl-CoA
2-methyl-3-OH butyryl-CoA
2-Methylacetoacetyl-CoA
3-OH-Isobutyryl-CoA
3-OH-Isobutyryc ac.
Methylmalonic semialdeide
methionine odd-chain fatty acids
cholesterol
B 12 biotin
biotin
thiamine
Vitamins in OAs
PCC
carnitine
propionyl-carnitine
carnitine +
carnitine
CoA
Carnitine buffer function in OAs
J Pediatr 1996
u. 5-oxoproline 156 2145 17
pl. GSH uM 0,3 0,005 0,1
GSH:structure and function
NH3+
C
H2C
O-
O
H2C C
O
HHN C
CH2
O
SH
H
NH
CH2
C
O-
O
• GSH is the most abundant non-protein thiol in the cell • Functions: antioxidant, cytoprotection - critical in maintaining cell redox status • GSH is up-regulated during oxiative stress
Oxidative stress
• Free radical generation is an essential contributor to health and homeostasis
• Free radicals (ROS & nitric oxide) play a vital role as mediators of , cell signalling, vascular tone, cell generation and degeneration, control of cellular homeostasis and defence against microorganisms • Free radical species are physiologically indispensable in maintaining redox homeostasis
severe disturbance in the prooxidants–antioxidants balance leading to cells and organs damage which activates/accelerate disease processes
Free radicals
Mild oxidation/physiology
Oxidative equilibrium
Free radicals
Severe oxidation/pathology
Oxidative stress
• GSH (or reduced glutathione) is consumed in many enzymatic and non-enzymatic reactions, where it serves as a source of reducing equivalents
• GSH is used by glutathione peroxidases and can exchange with disulfides to yield GSSG
• GSSG (oxidized glutathione) via the action of glutathione reductase regenerates GSH at the expense of NADPH
• The glutathione S-transferases (GST) • plays a protective role generating GS-Pro from GSSG
GSH: uses, loss and replacement
EPI-743 is a therapeutic small-molecule designed to replete reduced glutathione through NQO1-catalyzed electron transfer from NADPH
EPI-743 is orally bioavailable and readily crosses the BBB
Shrader, W.D. et al 2011
α-tocotrienol quinone
EPI-743 restores glutathione cycle and lowers oxidative stress
Pastore MGM 2013
EPI743: a treatment for SUCLA2 (& Leigh syndrome)?
Newcastle Pediatric Mitochondrial Disease Scale
GMF PedQL MDCRS Improvement 10.0±11.1 p 0.006 Improvement 15.0±20.8 p 0.02
Martinelli et al. MGM 2012
EPI743: a treatment for SUCLA2 (& Leigh syndrome)?
•The apparent safety of most agents has motivated a continued prescriptions • Patients and physicians shoul no longer rely on potentially biased data, with the assiciated costs & risks
• Recommendations for treatment trials in mitochondrial diseases
Nat Rev Neurol 2013
35 studies selected from 1039 publications
The need of an EBM based approach
EPI743
Cobalamin
Rutsch 2009
Inherited cobalamin defects
Fischer et al.
Pastore et al.
GSH in lymphocytes from 18 cblC patients
C. Dionisi-Vici PI
Retinopathy – optic atrophy - nistagmous
OX/TOT ratio in IEM
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
CTRLS
NPC-Untreated
NPC-Treated
GAUCHER
GM1
Menkes
Wilson
SO
CBS
MTHFR
CBLC
HHH
OTC
ASL
ASS
VLCAD
MTP
MCAD
CACT
CPT1
PA
MMA
HMG
IVA
MITO
P = significant
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