Una bambina con ipertransaminasemia e stato soporoso. Terapia Intensiva Pediatrica Policlinico Umberto I, Roma

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1 Una bambina con ipertransaminasemia e stato soporoso Terapia Intensiva Pediatrica Policlinico Umberto I, Roma

2 ANAMNESI REMOTA Martina F. Nata da genitori non consanguinei, TC d urgenza per sofferenza fetale alla 38^ sett., gravidanza complicata da gestosi e sindrome HELLP* Allattamento con latte artificiale fin dalla nascita e svezzamento al 6 mese 1 mese e mezzo prima del ricovero, avvenuto all età di 7 mesi, la b.na ha presentato un episodio di IVU trattato con Bactrim, a seguito del quale sono comparsi vomito, diarrea, ipertransaminasemia e progressivamemente stato soporoso e ipotonia. Per il persistere della ipertransaminasemia e dello stato soporoso veniva ricoverata presso il nostro reparto di Malattie Infettive e due giorni dopo in TIP per il peggioramento delle condizioni generali. * H :emolisi, EL : Elevated Liver (enzymes) ed LP : Low Platelets (count)

3 DECORSO DURANTE IL RICOVERO All ingresso Peso corporeo 7,680 kg. Nulla da segnalare all EO. Lieve alterazione prove di coagulazione, transaminasi e bilirubina totale e diretta Infettivologia Metabolismo Neurologia - sierologia per epatite A,B,C, EBV, CMV, Toxo negativa - esame chimico e batterioscopico del liquor negativo - CMV DNA, EBV DNA, HSV1 e 2 DNA, HHV 6 DNA, HVZV DNA nel liquor negativi - acidi organici nelle urine positivo per acido piruvico, adipico, suberico e sebacico - Glicemia: Ipoglicemia non chetotica - Dosaggio delle acilcarnitine su spot ematico: positivo per le acilcarnitine C14OH, C14:1, C14:2, C16OH, C16:1, C16:1OH, C18OH, C18:1, C18:1OH. - ammoniemia nella norma - acido lattico nel liquor e nel siero nella norma - EEG: nella norma - Esame neurologico: ipotonia, lieve irritabilità, assenza di deficit focali

4 ANDAMENTO ACIL CARNITINE SU SPOT EMATICO

5 LCHAD: dosaggio acilcarnitine e genetica Marcatore I: 3-OH-Esadecenoilcarnitina C16OH m/z 472 Marcatori II:3-OH-Octadecenoilcarnitina C18:1 OH m/z 498, 3-OH Octadecanoilcarnitina C18OH m/z 500 Indagine genetica: gene analizzato HADHA mutazione paterna E510Q materna R291X C16OH C18OH

6 Diagnosi Deficit della beta ossidazione degli acidi grassi a catena lunga

7 ESAMI STRUMENTALI DURANTE IL RICOVERO ECOEPATICA: fegato aumentato di volume e addensato. ECOCARDIOGRAMMA: camere cardiache nei limiti della norma; setto interventricolare ispessito (7mm); buona la cinesi ventricolare globale; lieve alterazione della funzione diastolica del ventricolo sn; lieve insufficienza mitralica.

8 II RICOVERO La b.na giunge di nuovo alla nostra osservazione per febbre (38 C) e tosse abbaiante, tirage e cornage. Progressiva riduzione di coscienza. Infusione per via venosa periferica di soluzione glucosata al 10% + NaCl e KCl (glucosio 10 mg/kg/ min) Boli di Insulina Carnitene

9 CONCLUSIONI Esordio tardivo (7-12 mesi) Fattori scatenanti stress catabolico di natura infettiva, esercizio prolungato digiuno ed Manifestazione cliniche: neurologiche ipotonia e stato soporoso cardiache cardiomiopatia ipertrofica e aritmie muscolari rabdomiolisi

10 DEFICIT DI β OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

11 Gli acidi grassi rappresentano uno dei principali substrati energetici per l organismo. In condizioni di digiuno prolungato o di esercizio fisico vengono liberati dal tessuto adiposo sotto forma di acidi grassi non esterificati e trasportati nelle sedi di utilizzazione: il muscolo cardiaco, il muscolo scheletrico e il fegato. I primi due ossidano gli acidi grassi con formazione di CO 2 e H 2 O, il fegato invece, oltre a fornire substrato per la gluconeogenesi e l ureagenesi, è la sede di produzione dei corpi chetonici.

12 Gli acidi grassi, composti da una catena lineare a numero pari di atomi di carbonio, una volta liberati dal tessuto adiposo e trasportati nel citoplasma delle cellule epatiche e muscolari vengono attivati sotto forma di esteri del coenzima A. Tramite il ciclo della carnitina attraversano le membrane mitocondriali dove entrano nella spirale ossidativa (ciclo della β ossidazione) che ad ogni ciclo accorcia la catena carboniosa di due atomi di carbonio con formazione di acetil- CoA.

13 Gli elettroni liberatisi durante il ciclo ossidativo vengono trasferiti alla catena respiratoria mitocondriale per la formazione dell ATP utilizzando sistemi FAD- e NADdipendenti (trasporto elettronico). L acetil-coa prodotto al termine della beta ossidazione è utilizzato nel fegato per la sintesi dei corpi chetonici (3- idrossibutirrato e acetoacetato) mentre nel tessuto muscolare entra direttamente nel ciclo degli acidi tricarbossilici con liberazione di CO 2 e H 2 O e formazione di ATP.

14 CICLO DELLA BETA OSSIDAZIONE 4 successivi passaggi enzimatici permettono il progressivo accorciamento della catena carboniosa degli acidi grassi, attivati come esteri del coenzima-a, per la produzione dell acetil-coa. La prima tappa ossidazione dell acido grasso con formazione di un doppio legame ad opera di deidrogenasi FAD dipendenti; a seconda della lunghezza dell acido grasso, intervengono quattro specifici isoenzimi (VLCAD, MCAD, SCAD). Le tre tappe successive sono mediate dalla acil-coa idratasi, dalla 3- idrossiacil-coa deidrogenasi e dalla 3-chetoacil-CoA tiolasi; il ciclo ossidativo si ripete in maniera spiraliforme fino alla completa trasformazione dell acido grasso in acetil-coa. gli acidi grassi a catena media e corta non necessitano per il loro ingresso all interno dei mitocondri del sistema attivo di trasporto operato dalla carnitina.

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16 EPIDEMIOLOGIA E CLINICA Incidenza: malattie rare (1: : ) I disordini più frequenti sono quelli a catena media e a catena lunga Più di 20 difetti enzimatici identificati nell uomo Manifestazioni cliniche caratteristiche e comuni alla maggior parte di tali malattie sono: - l ipoglicemia ipochetotica - le epatopatie acute a tipo sindrome di Reye - la cardiomiopatia, aritmie e miopatie con rabdomiolisi - l emoglobinuria intermittente - astenia, ipotonia - neuropatia periferica Gli episodi critici sono indotti dal digiuno, dall esercizio prolungato o da stress catabolici di natura infettiva.

17 QUADRI CLINICI Le manifestazioni cliniche insorgono generalmente dopo il 2-3 mese di vita quando aumenta il periodo di digiuno (per riduzione del numero dei pasti) e iniziano i primi episodi di febbre. L esordio è generalmente con vomito e letargia, accompagnati da ipoglicemia, iperammoniemia e bassi livelli di chetoni urinari e plasmatici. Ci può essere un certo grado di acidosi metabolica. Quadri particolari Drammatico, acuto encefalite: ricovero ICU Ipoglicemia ricorrente con segni di epatopatia a veloce risoluzione con infusione di glucosata (importante stick urine) Cardiomiopatia ipertrofica, aritmie e problemi muscolari Morte improvvisa

18 MONITORAGGIO QUADRO CLINICO ipotonia, epatomegalia, reattività ESAMI CHIMICO - LABORATORISTICI: glicemia, ammoniemia (deficit energetico epatico) CK, transaminasi (danno muscolare) FFA a digiuno (misura della lipolisi) carnitina e acilcarnitine acidi grassi frazionati aciduria dicarbossilica

19 DIAGNOSI (1) L analisi dei metaboliti è basata, nella fase di acuzie, sugli acidi organici (urinari e plasmatici) e sul dosaggio della carnitina plasmatica in combinazione con lo studio dei vari componenti della frazione esterificata (acilcarnitine). Nel deficit di VLCAD è presente una aciduria mono- e dicarbossilica a catena lunga. Lo studio degli esteri della carnitina mostra generalmente livelli diminuiti di acetilcarnitina con presenza di metaboliti caratteristici quali la tetradecenoil- (C14) nel deficit di VLCAD. Gli studi funzionali in vivo si basano sul test da digiuno, eventualmente in combinazione con un carico orale di acidi grassi (a catena media o lunga) ipoglicemia con ridotta o assente produzione di corpi chetonici, il livello degli acidi grassi liberi (NEFA) risulta invece aumentato.

20 DIAGNOSI (2) Gli studi funzionali in vitro comprendono la valutazione della capacità ossidativa delle cellule per substrati specifici; si effettuano su linfociti o fibroblasti utilizzando come substrati acidi grassi marcati di differente lunghezza. Le indagini enzimatiche sono indispensabili per la conferma diagnostica dei vari difetti biochimici, vengono generalmente svolti su fibroblasti o su linfoblasti. La precisa definizione del difetto enzimatico è indispensabile per il consiglio genetico e la diagnosi prenatale. Gli studi di genetica molecolare hanno recentemente permesso una migliore conoscenza dei meccanismi fisiopatologici delle singole malattie; oltre all interesse di tipo scientifico, tali indagini hanno permesso di identificare la presenza di mutazioni più frequenti.

21 Trattamento Glucosio 10% da 1 a 5 volte il normale mantenimento Supplementazione con carnitina negli episodi acuti. Riposo Prevenzione: dieta povera di grassi e ricca di carboidrati. Evitare il digiuno prolungato e l esercizio fisico eccessivo. Supplementazione con MCT.

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23 Per approfondimenti Fatty Acid Oxidation

24 A 16-C fatty acid with numbering conventions is shown. Most naturally occurring fatty acids have an even number of carbon atoms. The pathway for catabolism of fatty acids is referred to as the β-oxidation pathway, because oxidation occurs at the β-carbon (C-3).

25 Triacylglycerols (triglycerides) are the most abundant dietary lipids. Each triacylglycerol has a glycerol backbone to which are esterified 3 fatty acids Most triacylglycerols are mixed. The 3 fatty acids differ in chain length & number of double bonds.

26 Lipases hydrolyze triacylglycerols, releasing 1 fatty acid at a time, yielding diacylglycerols, & eventually glycerol.

27 Free fatty acids, which in solution have detergent properties, are transported in the blood bound to albumin, a serum protein produced by the liver. Several proteins have been identified that facilitate transport of long chain fatty acids into cells, including the plasma membrane protein CD36.

28 Fatty acid activation: Fatty acids must be esterified to Coenzyme A before they can undergo oxidative degradation, be utilized for synthesis of complex lipids, or be attached to proteins as lipid anchors. Acyl-CoA Synthases (Thiokinases) of ER & outer mitochondrial membranes catalyze activation of long chain fatty acids, esterifying them to coenzyme A. This process is ATP-dependent, & occurs in 2 steps. There are different Acyl-CoA Synthases for fatty acids of different chain lengths.

29 Summary of fatty aid activation: fatty acid + ATP + HS-CoA acyl-coa + AMP + 2 P i

30 β-oxidation pathway: Fatty acids are degraded in the mitochondrial matrix via the β-oxidation Pathway. For most steps of the pathway there are multiple enzymes specific for particular fatty acid chain lengths.

31 Many of the constituent enzymes are soluble proteins located in the mitochondrial matrix. But enzymes specific for very long chain fatty acids are associated with the inner membrane, facing the matrix. Fatty acyl-coa formed outside can pass through the outer mitochondrial membrane (which has large VDAC channels), but cannot penetrate the inner membrane.

32 Transfer of the fatty acid moiety across the mitochondrial inner membrane involves carnitine. First step Carnitine Palmitoyl Transferases catalyzes transfer of a fatty acid between the thiol of Coenzyme A and the hydroxyl on carnitine.

33 Carnitine-mediated transfer of the fatty acyl moiety into the mitochondrial matrix is a 3-step process: 1. Carnitine Palmitoyl Transferase I, an enzyme on the cytosolic surface of the outer mitochondrial membrane, transfers a fatty acid from CoA to the OH on carnitine. 2. An antiporter in the inner mitochondrial membrane mediates exchange of carnitine for acylcarnitine.

34 3. Carnitine Palmitoyl Transferase II, an enzyme within the matrix, transfers the fatty acid from carnitine to CoA. (Carnitine exits the matrix in step 2.) The fatty acid is now esterified to CoA in the matrix.

35 β-oxidation Pathway: Step 1. Acyl-CoA Dehydrogenase catalyzes oxidation of the fatty acid moiety of acyl-coa to produce a double bond between carbon atoms 2 & 3. There are different Acyl-CoA Dehydrogenases for short (4-6 C), medium (6-10 C), long and very long (12-18 C) chain fatty acids. Very Long Chain Acyl-CoA Dehydrogenase is bound to the inner mitochondrial membrane. The others are soluble enzymes located in the mitochondrial matrix.

36 Step 2. Enoyl-CoA Hydratase catalyzes stereospecific hydration of the trans double bond produced in the 1st step, yielding L-hydroxyacyl- Coenzyme A.

37 Step 3. Hydroxyacyl-CoA Dehydrogenase catalyzes oxidation of the hydroxyl in the β position (C3) to a ketone. NAD + is the electron acceptor.

38 Step 4. β-ketothiolase catalyzes thiolytic cleavage. A cysteine S attacks the β-keto C. Acetyl-CoA is released, leaving the fatty acyl moiety in thioester linkage to the cysteine thiol. The thiol of HSCoA displaces the cysteine thiol, yielding fatty acyl-coa (2 C less).

39 A membrane-bound trifunctional protein complex with two subunit types expresses the enzyme activities for steps 2-4 of the β-oxidation pathway for long chain fatty acids. Equivalent enzymes for shorter chain fatty acids are soluble proteins of the mitochondrial matrix.

40 Summary of one round of the β-oxidation pathway: fatty acyl-coa + FAD + NAD + + HS-CoA fatty acyl-coa (2 C less) + FADH 2 + NADH + H + The β-oxidation pathway is cyclic. + acetyl-coa The product, 2 carbons shorter, is the input to another round of the pathway. If, as is usually the case, the fatty acid contains an even number of C atoms, in the final reaction cycle butyryl-coa is converted to 2 copies of acetyl-coa.

41 Acetyl-CoA can enter Krebs cycle, yielding additional NADH, FADH 2, and ATP. Fatty acid oxidation is a major source of cell ATP.

42 Human genetic diseases have been identified that involve mutations in: the plasma membrane fatty acid transporter CD36 Carnitine Palmitoyltransferases I & II (required for transfer of fatty acids into mitochondria) Acyl-CoA Dehydrogenases for various chain lengths of fatty acids Hydroxyacyl-CoA Dehydrogenases for medium & short chain length fatty acids Medium Chain β-ketothiolase the trifunctional protein complex Electron Transfer Flavoprotein (ETF).

43 Human genetic diseases: Symptoms vary depending on the specific genetic defect but may include: hypoglycemia and failure to increase ketone body production during fasting fatty degeneration of the liver heart and/or skeletal muscle defects maternal complications of pregnancy sudden infant death (SIDS). Hereditary deficiency of Medium Chain Acyl-CoA Dehydrogenase (MCAD), the most common genetic disease relating to fatty acid catabolism, has been linked to SIDS.

44 The reactions presented accomplish catabolism of a fatty acid with an even number of C atoms & no double bonds. Additional enzymes deal with catabolism of fatty acids with an odd number of C atoms or with double bonds. The final round of β-oxidation of a fatty acid with an odd number of C atoms yields acetyl-coa & propionyl-coa. Propionyl-CoA is converted to the Krebs cycle intermediate succinyl-coa, by a pathway involving vitamin B 12.

45 β-oxidation of very long-chain fatty acids also occurs within peroxisomes.

46 Serious genetic diseases are associated with defects in or deficiency of enzymes of the peroxisomal β-oxidation system. Peroxisomes also contain enzymes for an essential α-oxidation pathway that degrades fatty acids having methyl branches, such as phytanic acid, a breakdown product of chlorophyll.

47 During fasting or carbohydrate starvation, oxaloacetate is depleted in liver due to gluconeogenesis. This impedes entry of acetyl-coa into Krebs cycle. Acetyl-CoA in liver mitochondria is converted then to ketone bodies, acetoacetate & β-hydroxybutyrate.

48 Ketone body synthesis: β-ketothiolase. The final step of the β- oxidation pathway runs backward. HMG-CoA Synthase catalyzes condensation with a 3 rd acetate moiety (from acetyl-coa). HMG-CoA Lyase cleaves HMG-CoA to yield acetoacetate & acetyl-coa.

49 β-hydroxybutyrate Dehydrogenase catalyzes reversible interconversion of the ketone bodies acetoacetate & β-hydroxybutyrate. Ketone bodies are transported in the blood to other cells, where they are converted back to acetyl-coa for catabolism in Krebs cycle, to generate ATP. While ketone bodies thus function as an alternative fuel, amino acids must be degraded to supply input to gluconeogenesis when hypoglycemia occurs, since acetate cannot be converted to glucose.