Encefalopatie mitocondriali infantili

Ottobre-Dicembre 2012 • Vol. 42 • N. 168 • pp. 202-208
malattie metaboliche ereditarie
Encefalopatie mitocondriali infantili
Daria Diodatoa, Anna Ardissoneb, Graziella Uzielb, Daniele Ghezzia, Massimo Zeviania
a
Unità di Neurogenetica Molecolare, Fondazione Istituto Neurologico Carlo Besta (IRCCS), Milano
Unità di Neurologia Pediatrica, Fondazione Istituto Neurologico Carlo Besta (IRCCS), Milano
b
Sommario
I mitocondri sono organuli, presenti in tutte le cellule eucarioti, deputati alla produzione di energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP), prodotto a
livello della membrana mitocondriale interna attraverso il processo della fosforilazione ossidativa, effettuato da cinque complessi multieteromerici (I-V) che
costituiscono la catena respiratoria mitocondriale.
Il deficit energetico, conseguente alla disfunzione mitocondriale, esita spesso in gravi encefalopatie ad esordio nell’infanzia o nell’adolescenza. Le malattie
mitocondriali sono caratterizzate da un’estrema eterogeneità sia clinica che genetico-molecolare. La lista dei geni malattia responsabili di queste patologie
è in costante crescita, grazie anche alle tecniche di sequenziamento di nuova generazione. Ciò rende il percorso diagnostico particolarmente difficile, nonostante sia di grande importanza arrivare ad una diagnosi genetica definita per poter fornire un opportuno consiglio genetico familiare ed, eventualmente,
una diagnosi prenatale. Questo articolo intende presentare al pediatra una classificazione clinica delle principali encefalopatie mitocondriali ad esordio
precoce, riunite in gruppi distinti, sulla base delle caratteristiche clinico-radiologiche più salienti, e al profilo biochimico e genetico. I gruppi nosologici
principali comprendono (i) sindromi da deplezione del DNA mitocondriale, (ii) malattia di Leigh, (iii) leucoencefalopatie, (iv) encefalo-cardiomiopatie, e (v)
un quinto gruppo che raccoglie “disordini miscellanei”, caratterizzati da ampia variabilità fenotipica. Commenteremo inoltre l’importanza della gestione
dei piccoli pazienti con patologie mitocondriali, basata sull’approccio multidisciplinare, ed infine delle strategie terapeutiche attuali, la cui base razionale si
fonda sulla crescente conoscenza dei meccanismi patogenetici del danno cellulare conseguenti alla disfunzione mitocondriale.
Summary
Mitochondria are organelles responsible for energy supply to eukaryotic cells, based on the production of adenosine triphosphate (ATP), through the process
of oxidative phosphorylation, which is carried out by the mitochondrial respiratory chain (MRC), composed by five multi-heteromeric complexes embedded
in the inner mitochondrial membrane. The energy loss due to mitochondrial dysfunction often leads to severe encephalopathy with onset in infancy or early
childhood. Both clinical features and genetic causes of mitochondrial disease are extremely heterogeneous. The list of known genes associated to these
conditions is steadily increasing, and has recently further boosted by the systematic use of next generation sequencing technology. Hence, the diagnostic
work-up can be very difficult; however, the achievement of a molecular definition for a given disease entity is the ultimate goal for the diagnostic investigation, since this information allows the physician to offer reliable family counselling, including prenatal diagnosis. This review, intended for the paediatric
practitioner, has been organized according to clinical classification of early onset mitochondrial encephalopathies, based on the clinical-radiological hallmarks of the diseases, and on the corresponding biochemical and genetic profiles. The main nosological groups include: i) mtDNA depletion syndromes; ii)
Leigh disease; iii) leukoencephalopathies; iv) encephalocardiomyopathies; and (v) miscellaneous disorders, encompassing a large group of phenotypically
heterogeneous syndromes. We will also comment the importance of clinical management of children with mitochondrial disorders, based on a multidisciplinary approach, and will discuss the currently vailable treatments, the rational basis of which is linked to increasing knowledge of the pathogenetic
mechanisms underlying mitochondrial dysfunction.
Introduzione
I mitocondri, organuli presenti in tutte le cellule eucariotiche, sono
la maggior fonte di adenosina trifosfato (ATP), il “carburante” delle cellule, sintetizzato attraverso il processo della fosforilazione
ossidativa (OXPHOS). L’OXPHOS è svolta dalla catena respiratoria
mitocondriale (MRC) composta di complessi multi-eteromerici localizzati nella membrana mitocondriale interna (MIM). I mitocondri contengono un proprio DNA (mtDNA), che, nelle specie sessuate, è trasmesso esclusivamente attraverso la linea materna.
Il DNA mitocondriale umano, codifica 13 proteine e 24 RNA (22
tRNA e 2 rRNA), essenziali per la sintesi proteica mitocondriale. Le
subunità codificate dal DNA mitocondriale interagiscono con più
di 70 subunità codificate dal DNA nucleare per formare quattro
dei cinque complessi della MRC. Mutazioni nei geni mitocondriali,
o in geni nucleari correlati alla OXPHOS, possono portare ad una
insufficienza energetica causata dal deficit di ATP, e all’insorgenza
di una malattia mitocondriale.
Il buon funzionamento dei diversi tessuti ed organi del corpo umano dipende dall’adeguata produzione di ATP, specialmente quando
la richiesta energetica è cospicua, come nei neuroni e nelle cel-
202
lule muscolari scheletriche. Ciò spiega perchè disfunzioni primitive dei mitocondri causino solitamente neuro-degenerazione o
miopatia in bambini ed adulti. Tuttavia, le malattie mitocondriali
possono coinvolgere ogni altro organo, sia singolarmente sia in
associazione con muscolo e cervello. Individualmente rare, prese
nel complesso le malattie mitocondriali risultano tra le più frequenti malattie genetiche neurologiche, con una prevalenza minima superiore a 1 su 5000 individui nella popolazione europea
(Schaefer et al., 2004).
In più del 50% dei pazienti adulti e in una percentuale ancora maggiore di pazienti pediatrici non si è ancora in grado di giungere alla
definizione genetica, e la diagnosi si basa esclusivamente sui risultati biochimici e/o morfologici nei campioni di muscolo scheletrico
e, più raramente, di fibroblasti cutanei in coltura. La mancanza di
una diagnosi genetica impedisce ai genitori di ottenere un’affidabile
diagnosi prenatale. L’analisi del DNA mitocondriale è una procedura
relativamente ben standardizzata offerta da diversi centri specialistici; tuttavia, la lista dei geni malattia di origine nucleare, associati
a patologie mitocondriali, è costantemente in crescita, tanto da rendere le procedure diagnostiche e i percorsi diagnostico-terapeutici
Encefalopatie mitocondriali infantili
Tabella I.
Classificazione delle encefalopatie mitocondriali secondo criteri clinici.
Malattia
Caratteristiche cliniche
Deficit CR
Genotipo
Sindrome Di Alpers-Huttenlocher e
Epatoencefalopatie
Encefalopatia precoce e
progressiva con atrofia corticale e
sottocorticale.
Epilessia ad esordio precoce.
Segni di epatopatia
Complesso I, III, IV
Complesso IV
Deficit multiplo
POLG1, DGOUK, MPV17
SCO1
EFG1
Complesso I
TWINKLE
Esordio nella prima infanzia con
lesioni simmetriche della sostanza
grigia profonda.
Ipotonia, difficoltà di accrescimento,
vomito ricorrente, alterazione dei
movimenti oculari, atassia, distonia,
neuropatia periferica, disfagia,
difficoltà respiratorie
Complesso I
MTND2, MTND3, MTND5, MTND6
NDUFS1, NDUFS3, NDUFS4
NDUFS7, NDUFS8, NDUFA2,
NDUFV1, NDUFAF2, C8ORF38,
C20ORF7, FOXRED1
SHDA
UQCRQ
SURF1, COX10, COX15, TACO1
MTATP6
EFG1, C12ORF65
LRPPRC
Esordio neonatale o nella prima
infanzia con anomalie della
sostanza bianca +/- alterazioni
corticali.
Ritardo psicomotorio, tetraparesi
spastica, atassia, ritardo mentale,
sordità, cecità
Complesso I
Complesso II
Complesso IV
Complesso I, III
NUBPL, NDUFV1
SDHAF1
COX6B1, SURF1
TUFM
Nessuno
DARS2
Atassia spino cerebellare ad
esordio precoce (IOSCA)
Malattia di Leigh
Variante franco-canadese
Leucoencefalopatie
LBSL*
Encefalocardiomiopatie
Complesso II
Complesso III
Complesso IV
Complesso V
Deficit multiplo
Complesso IV
Esordio neonatale.
Complesso I
Cardiomiopatia ipertrofica, miopatia
grave e/o ipotonia centrale,
Complesso II
difficoltà di crescita e precoce
Complesso IV
distress respiratorio.
Esito fatale nel 1 mese, o ritardo
psicomotorio + vari segni
neurologici.
RM aspecifica.
Cardiomiopatia
Complesso V
Non riportati
NDUFS2, NDUFV2,NDUFA11,
NDUFAF4, ACAD9
SDHA
SCO2, COX15
TMEM70, SLC25A3
DNAJC19, TAZ
* LBSL: leucoencefalopatia con coinvolgimento del tronco-encefalo e del midollo spinale con aumento del lattato.
molto difficili. Inoltre, l’identificazione di nuovi geni malattia è resa
difficoltosa dalla limitata disponibilità di famiglie informative. Nuove
tecnologie di sequenziamento nucleotidico ad alta efficienza, come
il sequenziamento esomico, offrono ora l’opportunità di ridurre il divario tra diagnosi biochimica e genetica.
Questa review è focalizzata sulle patologie mitocondriali che si presentano nei primi anni di vita con un coinvolgimento prevalente del
sistema nervoso centrale. Per la presentazione delle diverse categorie e sindromi nosologiche seguiremo la classificazione riportata
nella tabella I, che è organizzata secondo criteri prevalentemente
clinici.
La ricerca degli articoli è stata condotta utilizzando PubMed come
motore di ricerca con parola chiave “Early onset mitochondrial encephalopathies”, in un intervallo di tempo compreso tra il 1990 ed il
2011. Gli articoli sono stati scelti sulla base della pertinenza e della
rilevanza rispetto al tema della review. Sono stati inclusi, inoltre,
articoli pertinenti pubblicati dal nostro gruppo negli ultimi anni. La
descrizione degli approcci terapeutici è basata su articoli che descrivono trials clinici controllati o strategie terapeutiche sperimentali
supportate dalle recenti evidenze in campo genetico-molecolare.
Sindrome di Alpers-Huttenlocher e sindromi da
deplezione del DNA mitocondriale
Quadro clinico
Questa patologia è caratterizzata da diffusa degenerazione della sostanza grigia del cervello, associata ad un grado variabile di coinvolgimento del fegato (dal semplice aumento dei livelli plasmatici degli
enzimi epatici fino a grave epatopatia a rapida evoluzione cirrogena). L’esordio è generalmente nella prima infanzia o adolescenza,
con sintomi, quali ipotonia e crisi epilettiche resistenti alla terapia.
La terapia con acido valproico è da evitare, poiché può precipitare il
quadro epatopatico. Lo “stato epilettico” è un’evoluzione frequente di
questa condizione. Nella maggior parte dei pazienti con esordio precoce il decorso della malattia è rapidamente progressivo con morte
generalmente entro i tre anni d’età. La risonanza magnetica cerebrale
mostra una grave atrofia subcorticale, ma è frequente il coinvolgimento di strutture nucleari profonde, particolarmente dei talami.
Genetica molecolare
La malattia è trasmessa con modalità autosomica recessiva; il fe-
203
D. Diodato et al.
gato e, più raramente, il muscolo, presentano deplezione del mtDNA
che può, nel fegato, raggiungere livelli drammatici, >90%. Mutazioni
in POLG1 sono la causa più frequente di questa grave encefalopatia
(Naviaux et al., 1999, Naviaux et al., 2004). POLG1 codifica per la
subunità A della polimerasi mitocondriale. La sindrome di AlpersHuttenlocher si trova all’estremo di uno spettro clinico riferibile a
mutazioni di POLG1, che comprende anche l’epilessia ed atassia
spino cerebellare ad esordio giovanile (SCAE) e la sua variante, atassia sensitiva, sordità neurosensoriale, oftalmoplegia (SANDO, OMIM
607459), l’oftalmoplegia esterna progressiva (PEO) cronica ad esordio adulto, che può venire trasmessa sia come tratto autosomico recessivo (ar) che autosomico dominante (ad) (OMIM #258450; OMIM
#157640) con o senza segni aggiuntivi come ad esempio la miopatia
generalizzata, la neuropatia periferica sensitivo-motoria, il parkinsonismo, o i disordine bipolari, la menopausa precoce, le insufficienze
poliendocrine, ecc. Le sindromi PEO associate a mutazioni in POLG1
sono caratterizzate dall’accumulo di delezioni multiple del mtDNA
nel muscolo scheletrico (e anche nel cervello). Questa è una caratteristica molecolare comune delle PEO a trasmissione mendeliana, a
prescindere dalla causa genetica primaria, che risiede in mutazioni
in geni nucleari che controllano l’integrità del DNA mitocondriale (ad
es. l’elicasi del mtDNA, detta Twinkle, il traslocatore ATP-ADP muscolare, oltre, naturalmente, a POLG1).
La deplezione epato-cerebrale del mtDNA è una sindrome da deplezione mitocondriale, MDS che, oltre a POLG1, può essere causata
da mutazioni in almeno altri due geni nucleari, codificanti, rispettivamente, la deossiguanosina chinasi (DUOGK) (Salviati et al., 2002)
e MPV17 (Spinazzola et al., 2006). In questi pazienti il coinvolgimento epatico prevale sul coinvolgimento neurologico, determinando
un’importante acidosi metabolica connatale, o neonatale, con episodi di grave ipoglicemia, ed epatopatia rapidamente progressiva ad
evoluzione cirrotica, ed exitus. DGUOK codifica per dGK, la deossiguanosina chinasi che ricicla i nucleosidi purinici ai rispettivi nucleotidi monofosfato mediante fosforilazione. L’attività deficitaria di dGK
e del suo partner enzimatico specifico per i nucleosidi pirimidinici,
la timidina chinasi 2, TK2, determina una riduzione e “squilibrio”
dei nucleotidi mitocondriali, i “mattoni” per la costruzione di nuovo
mtDNA, risultante nella deplezione dello stesso. Per ragion ancora
poco chiare, mutazioni in TK2 causano una MDS prevalentemente a
carico del muscolo e del cervello a esordio precoce, mentre il fegato
risulta indenne (variante 2, OMIM 609560).
Encefalopatia di Leigh: malattia di Leigh (LD)
Quadro clinico
Si tratta della più frequente encefalopatia mitocondriale dell’infanzia
e adolescenza. La malattia di Leigh è definita in primis come entità
neuropatologica e neuroradiologica, essendo caratterizzata da lesioni focali bilaterali in una o più aree della sostanza grigia profonda,
incluso il midollo spinale rostrale, il tronco encefalico, il talamo, il
cervelletto e i gangli basali. Le lesioni consistono in aree di demielinizzazione, gliosi, necrosi con vacuolizzazione spongiforme e proliferazione capillare. Nella maggior parte dei casi la malattia di Leigh è
la via finale comune di un danno primario nel sistema bioenergetico
delle cellule nervose nel cervello in sviluppo. Questo spiega anche
perché l’acidosi lattica, dovuta al blocco nella respirazione cellulare,
è sempre presente anche se di variabile gravità. I segni neurologici
consistono inizialmente in ipotonia e regressione psicomotoria, seguiti da esordio variabile di distonia, movimenti involontari, atassia
ed eventualmente tetraparesi spastica. Anche se il sistema nervoso,
204
Figura 1.
(A, B): Risonanza magnetica di un paziente con fenotipo Leigh e deficit
del complesso I da mutazione del gene ND5 13514 A>G: sezione coronale in FLAIR (A) e assiale in T2 (B) dimostrano un alterazione bilaterale
dei caudati e putamina. (C, D): Risonanza magnetica di un paziente con
leucoencefalopatia mitocondriale da difetto del complesso II dovuta a
mutazione 169C>G del gene SDHAF1: C sezione coronale in FLAIR (C)
e assiale in T2 (D) con iperintensità di segnale che coinvolge la sostanza bianca lobare anteriore e posteriore, il corpo calloso e la sostanza
bianca cerebellare.
incluso il muscolo scheletrico, è la struttura di gran lunga più colpita,
in rari casi vi può essere un interessamento extraneurologico, sotto forma, ad esempio, di cardiomiopatia ioertrofica, o di nefropatia,
spesso causata da insufficienza del tubulo prossimale renale, nel
quadro di una sindrome di De Toni-Debrè-Fanconi. Altri, frequenti,
segni extraneurologici sono il ritardo di crescita staturo-ponderale,
l’irsutismo, particolarmente nei casi dovuti a mutazioni di SURF1, e il
vomito ricorrente, spia di episodici aggravamenti dell’acidosi lattica.
Genetica molecolare
Un deficit grave d’attività in ciascuno dei complessi della MRC può
determinare la LD (OMIM 256000). In particolare, si possono distinguere le seguenti categorie di difetti biochimico/molecolari: 1) difetti
isolati di complesso I (Fig. 1A-B); 2) difetti isolati di complesso IV; 3)
difetti multipli della MRC; 4) mutazioni nell’ATPasi 6, una subunità
del complesso V codificata dal mtDNA. Nella nostra esperienza, il
deficit del complesso piruvico deidrogenasi (PDHC) è causa piuttosto
frequente di LD, anche se può causare quadri encefalopatici precoci
meno specifici, con caratteristiche cliniche e neuroradiologiche che
differiscono da, o si sovrappongono solo parzialmente, a quelle tipiche della LD.
Difetti del complesso I
Il complesso I (NADH deidrogenasi ubichinone-ubichinolo reduttasi)
catalizza l’ossidazione del nicotinamide adenin-dinucleotide ridotto
(NADH) accoppiata alla riduzione dell’ubichinone (CoQ) a ubichinolo.
Encefalopatie mitocondriali infantili
Il complesso I consiste di circa 45 subunità (Carroll et al., 2006),
delle quali sette codificate dal genoma mitocondriale mentre le altre
dai geni nucleari. La LD è stata associata a diverse mutazioni che
colpiscono sia le subunità codificate dal mtDNA (ad es. MTND2 o
MTND5) sia a quelle codificate dal DNA nucleare (ad es. NDUFS1 e
NDUFA1), ed anche a mutazioni in fattori di assemblaggio specifici
per il complesso I.
di lattato anche nelle regioni cerebrali non ancora anatomicamente alterate e quindi non rilevabili alla RM standard.
La leucoencefalopatia, associata a deficit specifico del complesso I è causata da mutazioni nelle subunità strutturali o nei fattori di assemblaggio.
Per esempio, mutazioni in NDUFV1 o in NDUFS1, possono causare leucodistrofia ed epilessia mioclonica (Schuelke et al., 1999), oltre alla LD.
Difetti del complesso IV
Mutazioni nei geni che codificano fattori d’assemblaggio del complesso IV (citocromo c ossidasi, COX) sono la causa principale di
difetti del complesso IV. Trattandosi di proteine a cdifica da geni nucleari, sono patologie trasmesse come tratto autosomico recessivo,
e si presentano nella prima infanzia con un quadro di LD.
Le mutazioni più frequentemente riportate in letteratura sono a carico di SURF1, una proteina coinvolta nella formazione dell’olocomplesso IV (Tiranti et al., 1998). Molto più rare sono le mutazioni in
COX10 (Valnot et al., 2000) e COX15 (Antonicka et al., 2003), due
enzimi coinvolti nella biosintesi del gruppo eme COX-specifico, e in
TACO1 (Weraarpachai et al., 2009), fattore indispensabile per l’efficiente traduzione della subunità 1 della COX, che costituisce la prima tappa nella formazione del complesso IV.
Encefalocardiomiopatie mitocondriale
Difetti del complesso V
L’ATP sintasi (complesso V) comprende una porzione integrale di
membrana, la particella F0, ed una porzione periferica, F1. Due piccole ma essenziali proteine della porzione F0, le ATPasi 6 e 8, sono
codificate dal mtDNA.
La mutazione più frequente del complesso V è la trasversione nucleotidica T8993T>G nel gene codificante ATPasi 6. A seconda della percentuale di mutazione rispetto alla quota selvatica (eteroplasmia) presente
nei tessuti critici, particolarmente il sistema nervoso, la mutazione può
determinare una grave forma di LD, a trasmissione materna ed esordio infantile (MILS), o una condizione meno grave, detta NARP (astenia
neurogena, atassia, retinite pigmentosa; OMIM 551500), ad esordio
giovanile o in età adulta. La MILS tipicamente si riscontra quando la
mutazione 8993T>G è presente in percentuale >90%, mentre la NARP
è comunemente associata a percentuali intorno al 50%-60%.
Leucoencefalopatia mitocondriale
Le alterazioni di segnale RM prevalenti o esclusive nella sostanza
bianca, con minima o assente alterazione di segnale nei gangli della
base o nel tronco cerebrale, comprendono circa il 20% dei nostri
320 casi infantili di patologia mitocondriale.
La leucoencefalopatia mitocondriale dell’infanzia è spesso associata a
difetti del complesso I o del complesso II, sebbene alcuni rari pazienti
con deficit di COX e mutazioni in SURF1 possano presentarsi con lesioni prevalentemente di tipo leucoencefalopatico (Rahman et al., 2001).
A prescindere dal difetto biochimico, due sono le principali presentazioni cliniche: 1) deficit psicomotorio precocissimo e ritardo di crescita,
seguiti da rapido peggioramento esitante in tetraparesi spastica con
grave ritardo mentale; 2) un quadro caratterizzato da un periodo libero
da malattia durante i primi anni di vita, seguito dall’esordio acuto di sintomi focali motori e/o crisi epilettiche e decorso lentamente progressivo. La diagnosi differenziale, primariamente basata sulle caratteristiche
RM, deve considerare lo spettro delle leucoencefalopatie ad esordio
precoce, incluse la malattia di Alexander, la malattia di Canavan, la leucoencefalopatia megaencefalica con cisti sottocorticali, e la vanishing
white matter disesase. Un aiuto alla diagnosi differenziale viene dalla
spettroscopia protonica cerebrale, che può ben evidenziare l’accumulo
L’encefalocardiomiopatia è una grave, sindrome mitocondriale
spesso fatale nella prima infanzia. I piccoli sono di solito gravemente
ammalati già alla nascita, con deficit della funzione di pompa cardiaca ed acidosi lattica. Le caratteristiche cliniche includono cardiomiopatia ipertrofica, ipotonia, ritardo di crescita, e precoce distress
respiratorio.
La risonanza magnetica è piuttosto aspecifica, mostrando in genere
anomalie non specifiche d’intensità di segnale nella sostanza bianca
periventricolare e, talora, dei nuclei grigi profondi. Il decorso clinico
può essere fulminante, mentre i pazienti che sopravvivono ai primi mesi di vita possono sviluppare un ritardo psicomotorio, e segni
quali nistagmo, deficit cognitivo, atassia e miopatia. Spesso sono
presenti alti livelli di lattato nel plasma, nel liquor e nelle urine. Come
nella maggior parte delle patologie mitocondriali ad esordio precoce,
la biopsia muscolare non è dirimente e soltanto l’analisi biochimica
nel muscolo può portare alla diagnosi.
Genetica molecolare
I difetti biochimici più frequentemente riscontrati colpiscono il complesso I, il complesso IV o il complesso V.
ACAD9 codifica per una acil-CoA deidrogenasi mitocondriale che ha
verosimilmente un ruolo marginale nella beta ossidazione degli acidi
grassi, ma è direttamente coinvolto nell’assemblaggio del complesso I,
interagendo con altri fattori come ECSIT e FoxRed (Nouws et al., 2010);
mutazioni in ACAD9 sono tipicamente associate a grave acidosi lattica
connatale, a volte fatale, seguita da cardiomiopatia ipertrofica.
Mutazioni in SCO2 e COX15, due fattori d’assemblaggio della COX,
sono state descritte in pazienti con, rispettivamente, cardio-encefalopatia e cardiomiopatia infantile a decorso fatale (Böhm et al.,
2006).
Mutazioni in TMEM70, che si suppone sia un fattore d’assemblaggio del complesso V, sono state trovate in pazienti, prevalentemente
d’origine ROM, con cardiomiopatia e deficit isolato di ATP-sintasi
(CÍzkova et al., 2008).
La sindrome di Barth, cardiomiopatia dilatativa, neutropenia e aumentata escrezione di 3-metilglutaconico (OMIM 302060) è causata
da mutazioni in TAZ, un gene X-linked che codifica per l’acil Co-A
sintetasi cardiolipina specifica (tafazzina) cruciale per l’integrità dei
complessi della MRC nella membrana interna mitocondriale, MIM
(Schlame et al., 2000).
Miscellanea
Un gran numero di encefalopatie mitocondriali che non rientrano tra le
presentazioni cliniche tipiche sono raccolte in un gruppo molto eterogeneo di patologie neurologiche (Tab. II). Alcune sono molto rare, essendo state descritte solo in singole famiglie o in popolazioni isolate.
A dispetto della loro rarità, questi disordini ben illustrano la complessa
relazione tra disfunzione mitocondriale e patologia umana. I neurologi
pediatri e i pediatri clinici devono essere consapevoli della loro esistenza, in modo da poter meglio indirizzare l’indagine molecolare.
205
D. Diodato et al.
Tabella II.
Caratteristiche di altre encefalopatie mitocondriali.
Gene
Funzione della proteina
Fenotipo clinico
Deficit catena respiratoria Altre caratteristiche
biochimiche/molecolari
BCS1L
Fattore di assemblaggio cIII
Tubulopatia neonatale,
epatopatia ed encefalopatia
+/- pili torti, accumulo di
ferro, facies grossolana,
sindrome GRACILE (ritardo
di crescita, aminoaciduria,
colestasi, accumulo di
ferro, acidosi lattica e
morte precoce), sindrome
di Bjornstand, (sordità
congenita neurosensoriale
e pili torti)
Complesso III
TTC19
Fattore di assemblaggio cIII
Encefalopatia progressiva
Complesso III
UQCRB
Subunità strutturale cIII
Ipoglicemia e acidosi lattica
Complesso III
FASTKD2
Dominio FAST kinasi
Ritardo sviluppo
psicomotorio, emiplegia,
epilessia, atrofia cerebrale
asimmetrica
Complesso IV
ETHE1
Zolfo-diossigenasi
Encefalopatia progressiva,
petecchie, acrocianosi,
diarrea cronia
Complesso IV
Etilmalonico aciduria
SUCLA2-SUCLG1
Sub unità della succinilCoA
sintetasi
Sindrome
encefalomiopatica da
deplezione del mtDNA con
metilmalonico aciduria
Difetti multipli
Meiltmalonico aciduria –
Deplezione mtDNA
AIF
Fattore che induce apoptosi
Encefalomiopatia
Difetti multipli
Deplezione mtDNA
MRPS16
Componente dei ribosomi
mitocondriali
Agenesia del corpo calloso,
caratteristiche dismorfiche,
grave acidosi, esito fatale
Difetti multipli
Difetto di sintesi delle
proteine mitocondriali
RARS2
Arginil tRNA sintetasi
Ipoplasia pontocereballare
tipo 6
Difetti multipli
Difetto di sintesi delle
proteine mitocondriali
GFER
Componente del sistema di
rilascio del disulfide
Miopatia progressiva con
cataratta congenita
Difetti multipli
COQ2
Biosintesi coenzima Q10
Encefalo miopatia,
nefropatia, epatopatia
Complesso I+III Complesso
II+III
Deficit coenzima Q
COQ9
Biosintesi coenzima Q10
Acidosi lattica neonatale,
successivo esordio
di epilessia farmaco
resistente, ritardo di
sviluppo, cardiomiopatia
ipertrofica, tubulopatia
renale
ComplessoII+ III
Deficit coenzima Q
PDSS1
Biosintesi coenzima Q10
Esordio precoce di sordità,
encefaloneuropatia, obesità
Complesso II+III
Deficit coenzima Q
PDSS2
Biosintesi coenzima Q10
Sindrome di Leigh con
nefropatia
Complesso II+III
Deficit coenzima Q
CABC1
Biosintesi coenzima Q10
Atassia spinocerebellare
Complesso I+ III
Deficit coenzima Q
APTX
Biosintesi coenzima Q10
Atassia aprassia oculomotoria
Complesso II +III
Diagnosi
Segni e sintomi clinici come il vomito ricorrente, alterazioni della
motilità oculare, ipotonia, crisi epilettiche focali, difficoltà di accrescimento e ritardo o regressione psico-motoria sono segni evocativi,
seppur aspecifici, di patologia mitocondriale; l’analisi dei livelli di
lattato e la risonanza magnetica sia di imaging che spettroscopica
206
risultano spesso alterati nelle encefalopatie mitocondriali infantili.
A differenza dei pazienti adulti, i livelli di lattato sono di solito aumentati nei bambini con malattie mitocondriali, sia nel plasma che
nel liquor, con valori che concordano con la gravità clinica. Se la
risonanza magnetica cerebrale può essere inizialmente normale,
durante il decorso della malattia in genere rivela pattern caratteristi-
Encefalopatie mitocondriali infantili
ci e utili all’orientamento diagnostico. Un buon esempio è il pattern
di risonanza tipo Leigh, che dovrebbe spingere il neurologo infantile
o il pediatra ad eseguire indagini della catena respiratoria e/o del
complesso della piruvico deidrogenasi; in altri quadri di risonanza
magnetica, come per esempio nel caso della leucoencefalopatia, i
difetti di OXPHOS devono venire presi in considerazione nella diagnosi differenziale con la malattia di Alexander, la CACH (childhood ataxia with central hypomyelination), la malattia di Canavan e
le forme associate a diversi tipi di aciduria organica. A proposito di
quest’ultimo gruppo di patologie, la ricerca degli acidi organici urinari è sempre importante; si pensi all’aciduria etilmalonica nei pazienti ETHE1, all’aciduria metilglutaconica nella sindrome di Barth,
e all’aciduria metilmalonica nei pazienti con mutazioni in SUCLA1 e
SUCLG1. Spesso è uno screening negativo degli acidi organici a suggerire un difetto della catena respiratoria piuttosto che, ad esempio,
della beta-ossidazione, caratterizzato invece da alterazioni piuttosto
specifiche del profilo degli acidi organici urinari. A differenza delle
encefalopatie mitocondriali ad esordio adulto, in quelle ad esordio
infantile l’esame istologico della biopsia muscolare è raramente informativo. Le fibre ragged red (rosse stracciate) o un’anomala distribuzione della colorazione per la succinato deidrogenasi si riscontrano raramente nei pazienti pediatrici, mentre sono più frequenti
alterazioni relativamente aspecifiche, come la sproporzione dei tipi
di fibra o una diffusa riduzione della colorazione per la COX.
Gestione del paziente
I medici chiamati a gestire le malattie mitocondriali devono affrontare numerosi problemi differenti legati all’età dei pazienti e
alle diverse presentazioni cliniche. Non esistono, di regola, terapie efficaci in grado di bloccare la progressione della malattia. La
gestione delle principali manifestazioni della malattia è spesso
l’unico approccio in grado di offrire beneficio al paziente ed alla
sua famiglia e consiste in trattamenti di supporto quali: 1) correzione dell’acidosi lattica con bicarbonato nella fase acuta dello
scompenso metabolico; 2) terapia delle infezioni che possono peggiorare le già compromesse funzioni neurologiche, 3) prevenzione
della disidratazione in occasione di disfagia o vomito ricorrente, 4)
trattamento aggressivo delle crisi epilettiche. L’ipotonia, il ritardo
psicomotorio e le complicanze artro-scheletriche dovrebbero essere trattati con la terapia fisica, la correzione posturale o quella
chirurgica. Uno dei problemi principali nei disordini mitocondriali
infantili è il difetto di crescita. Questi sintomi possono generare
ansia nei genitori, che di solito sviluppano un senso di inadeguatezza personale o sensi di colpa che influenzano negativamente la relazione tra i diversi membri della famiglia e con il piccolo
paziente. È importante, inoltre, inquadrare ed affrontare razionalmente i problemi nutrizionali del bambino con malattia mitocondriale, distinguendo la vera disfagia dal reflusso gastro-esofageo,
la dismotilità intestinale, l’anoressia o la debolezza dell’apparato
muscolare di supporto alle funzioni digestive ed escretorie. In conclusione, le malattie mitocondriali, in virtù della loro complessità
e del loro interessamento multisistemico richiedono un approccio
multidisciplinare (Kisler et al., 2010).
Terapia
Il danno energetico dovuto alla disfunzione mitocondriale si accompagna di solito a produzione eccessiva di radicali liberi, a fenomeni
di apoptosi cellulare, e in alcuni casi, ad accumulo di sostanze tos-
siche. Tali fenomeni possono costituire l’oggetto di trattamenti razionali. Le strategie disponibili si sintetizzano come segue: (i) evitare
l’effetto tossico di alcuni farmaci (valproato, aspirina, antibiotici aminoglicosidici, medicinali antiretrovirali); (ii) fornire come supplemento dosi farmacologiche di coenzimi o vitamine coinvolti nel processo
di fosforilazione ossidativa o sostanze che tamponano metaboliti
tossici (CoQ10, riboflavina, carnitina, tiamina); (iii) fornire molecole
antiossidanti per combattere la produzione di specie reattive dell’ossigeno (vitamina C, E, acido alfa-lipoico ed N-acetilcisteina).
È ben documentato che il dicloroacetato (DCA) abbassa i livelli di lattato
in diversi disturbi metabolici. Il DCA mantiene il complesso della piruvico
deidrogenasi in forma attiva aumentando così la formazione di acetilCoA dal piruvato e riducendo la formazione di lattato. Questi effetti benefici sembrano limitati alla fase acuta dell’acidosi lattica, mentre l’esposizione cronica al DCA è stata associata all’insorgenza di una neuropatia
periferica progressiva (Stacpoole et al., 2006). La L-Arginina, che funge
da donatore di ossido nitrico, agisce come un vasodilatatore della microcircolazione cerebrale, ed è stata usata con qualche effetto benefico
nella MELAS (miopatia mitocondriale con encefalopatia, acidosi lattica e
stroke), potendo limitare le conseguenze di episodi simil-stroke acuti e
ridurre la loro frequenza (Koga et al., 2005).
Tra i diversi cofattori e vitamine usati nelle malattie mitocondriali,
il coenzima Q10 e la riboflavina hanno dimostrato la maggiore efficacia. I disordini dovuti a difetti biosintetici del CoQ10 rispondono
parzialmente ad alte dosi di ubichinone esogeno. La riboflavina può
migliorare le condizioni neurologiche di alcuni pazienti con leucoencefalopatia dovuti a deficit del complesso I o del complesso II. Il
meccanismo d’azione consiste, verosimilmente, nella stabilizzazione di un complesso difettivo, ma parzialmente funzionante, aumentando l’apporto del precursore vitaminico del FMN e del FAD, i due
gruppi prostetici rispettivamente dei complessi I e II.
Molto recentemente, l’uso combinato di metronidazolo ed N-acetilcisteina si è dimostrato parzialmente efficace nel trattamento dell’encefalopatia etilmalonica, dovuta a mutazioni del gene ETHE1. L’effetto
battericida del metronidazolo sugli anaerobi intestinali e l’aumentata
disponibilità di glutatione derivato dall’N-acetilcisteina portano alla
diminuzione delle concentrazioni plasmatiche di idrogeno solforato
(H2S), un composto altamente tossico prodotto prevalentemente dagli
anaerobi intestinali, che non viene detossificato se manca l’attività della zolfo-diossigenasi mitocondriale codificata da ETHE1.
Il coinvolgimento multisistemico delle patologie mitocondriali rende difficile il trapianto d’organo (Dimmock et al., 2008). L’encefalopatia mio-neuro-gastro-intestinale MNGIE, una malattia che porta
all’accumulo di timidina a livelli tossici, ha mostrato un sostanziale
miglioramento aumentando la capacità dell’organismo di rimuovere
la sostanza tossica attraverso il trapianto di cellule staminali ematopoietiche. In linea di principio, altri disordini caratterizzati dall’accumulo di composti tossici, come la stessa encefalopatia etilmalonica,
potrebbero essere trattati efficacemente con lo stessa strategia.
In conclusione, con poche eccezioni, il trattamento delle encefalopatie
mitocondriali ad esordio precoce è ancora inadeguato e la prevenzione, attraverso il consiglio genetico e la diagnosi prenatale, è di primaria importanza. La diagnosi prenatale è stata applicata con successo
in diversi casi di madri portatrici di mutazioni NARP/MILS (Harding et
al., 1992) dal momento che l’eteroplasmia della mutazione T8993G è
uniformemente distribuita tra i vari tessuti, inclusi i villi coriali, per cui
conferisce un alto valore predittivo alla analisi quantitativa in questo
tessuto. L’applicazione dello stesso approccio ad altre mutazioni eteroplasmiche che invece variano in percentuale da tessuto a tessuto,
come la MELAS, è ancora un punto eticamente controverso.
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D. Diodato et al.
Box di orientamento
La causa più frequente di encefalopatie metaboliche dell’infanzia è la disfunzione mitocondriale, la cui caratteristica è il deficit energetico dovuto a
difetti del processo di fosforilazione ossidativa, effettuato nei mitocondri. Individualmente rari, come gruppo nosologico gli errori congeniti del metabolismo rappresentano una porzione significativa delle encefalopatie ad esordio precoce.
A causa della loro rarità ed eterogeneità, le encefalopatie metaboliche sono ancora una difficile sfida per la maggior parte dei medici pediatri.
Le nuove tecnologie e la crescente conoscenza delle basi biochimiche e molecolari di queste patologie consentono però già ora, ed ancor più nel prossimo futuro, a neurologi infantili e pediatri di arrivare alla diagnosi molecolare precoce, indispensabile per il consiglio genetico informato, la gestione
del paziente secondo la buona pratica medica, basata sull’evidenza, ed infine l’approntamento di terapie razionali, e sperabilmente efficaci.
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* Il presente studio descrive le basi genetico-molecolari ed il quadro clinico di
un’ampia coorte di bambini con patologia mitocondriale associata a deficit di
COX offrendo spunti e suggerimenti diagnostici ai pediatri chiamati ad affrontare
questo tipo di patologie.
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** Poche reviews si occupano della gestione dei pazienti con malattie mitocondriali ad esordio nell’infanzia ed adolescenza. Quest’ultima offre una visione ampia e strutturata dell’approccio multidisciplinare indispensabile nell’affrontare
questo tipo di patologie.
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* Questa review descrive in due distinti pedigree il quadro clinico e geneticomolecolare di una delle prime sindromi mitocondriali mai descritte.
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* Sono qui sintetizzate le attuali conoscenze sulla reale prevalenza delle malattie
mitocondriali, meno rare di quanto si creda, sottolineando quindi l’importanza di
investire risorse nella ricerca, gestione e trattamento di questi disordini.
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* Mutazioni in SURF-1 sono una causa comune di malattia di Leigh associata a
deficit di COX. Attraverso studi di complementazione su linee cellulari di pazienti
con malattia di Leigh e successiva analisi di linkage questo articolo descrive la
scoperta del gene e della sua associazione con questa patologia mitocondriale.
Valnot I, von Kleist-Retzow JC, Barrientos A, et al. A mutation in the human heme
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Corrispondenza
Daria Diodato, U.O. Neurogenetica Molecolare, Fondazione IRCCS Istituto Neurologico “C. Besta”- sede Bicocca, via Libero Temolo 4, 20126 Milano.
Tel. +39 02 2394.2663. Fax +39 02 2394.2619. E-mail: [email protected]
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