Diagnostik bei seltenen erblichen Stoffwechselstörungen

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1 Diagnostik bei seltenen erblichen Stoffwechselstörungen Prof. Dr. med. Ivar Roots Institut für Klinische Pharmakologie und Toxikologie Charité Universitätsmedizin Berlin

2 Seltene Erkrankungen Als selten wird in Europa eine Erkrankung definiert, wenn sie in der Bevölkerung mit einer Häufigkeit von max. 1/2000 auftritt. Der Status selten kann sich mit der Zeit oder regional ändern. Zur Zeit sind seltene Erkrankungen bekannt. 80% der seltenen Erkrankungen haben einen genetischen Ursprung. Über 50% der seltenen Erkrankungen manifestieren sich erst im Erwachsenenalter.

3 Beispiele für seltene Stoffwechselerkrankungen Name Mukoviszidose Phenylketonurie Cystinurie Akute intermittierende Porphyrie Hereditäre Fruktoseintoleranz Hartnup-Krankheit M. Wilson M. Gaucher Smith-Lemli-Opitz-Syndrom Lesch-Nyan-Syndrom Alkaptonurie Homocystinurie Crigler-Najjar-Syndrom Defekt Chloridkanäle Phenylalanin-Hydroxylase Renales Transportprotein für Cystin URO-HMB-Synthetase Fruktose-1,6-Biphosphataldolase Transportprotein f. neutrale Aminosäuen Kupfertransportierende ATPase Saure ß-Glukosidase 7-Hydroxysteroid-7-Sterolreduktase Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransf. Homogentisinsäureoxidase Cystathionin-ß-Synthetase Bilirubin-UDP-Glucuronyltransferase Häufigkeit 1: : : : : : : : : : : : : : : : < 1:

4 Zielkrankheiten des erweiterten Neugeborenenscreening Hypothyreose* Phenylketonurie, Hyperphenylalaninämie ## Adrenogenitales Syndrom* Medium-Chain-Acyl-CoA-Dehydrogenase-Mangel ## 1: Galaktosämie # 1: Isovalerianacidämie ## Biotinidasemangel** Glutaracidurie Typ I ## Carnitinzyklusdefekte ## a) Carnitin-Palmitoyl-Transferase-I-Mangel (CPT-I) b) Carnitin-Palmitoyl-Transferase-II-Mangel (CPT-II) c) Carnitin-Acylcarnitin-Translocase-Mangel Ahornsirupkrankheit ## Krankheit Long-Chain-3-OH-Acyl-CoA-Dehydrogenase-Mangel, Very-Long- Chain-Acyl-CoA-Dehydrogenase-Mangel ## Häufigkeit (ca.) 1: : : : : : : : : Angewendete Teste: *Immunometrisch, **photometrisch, # photometrisch und fluorometrisch, ## Tandemmassenspektrometrie Bundesanzeiger60,

5 Erkennung seltener Stoffwechselkrankheiten beim Neugeborenen mit Hilfe der Kernmagnetresonanzspektroskopie NMR-Spektren von Neugeborenenurin Zaik et al.

6 Metagene Software zur Erleichterung der Diagnose von angeborenen Stoffwechselerkrankungen, enthält bislang Daten zu 423 Erkrankungen

7 Typisches Manifestationsalter von Stoffwechselerkrankungen bei Neugeborenen und Säuglingen Art der Erkrankung Intoxikation Aminoazidopathien, Harnstoffzyklusdefekte, Galaktosämie, hereditäre Fructoseintoleranz Nüchternhypoglykämie Fettsäureoxidationsdefekte, Störungen der Ketogenese, Glykogenese Typ I, Störungen der Glukoneogenese Energiestoffwechselstörung Mitochondriopathien Geburt 1Wo 1 Mo 1 Jahr Störung der Neurotransmission Sulfitoxidasemangel, GABA- Transaminasemangel Störung im Stoffwechsel komplexer Moleküle Lysosomale oder perioxisomale Erkrankungen, CDG- Syndrome Prietsch V et al., Mon Kinderh.2001; 149:

8 Symptome angeborener Stoffwechselstörungen Klinik Apathie bis hin zum Koma, Muskeltonusveränderungen, Nahrungsverweigerung, Erbrechen, Krampfanfälle Ungewöhnlicher Geruch von Körper oder Urin Labor Hyperammonämie Metabolische Azidose mit vergrößerter Anionenlücke Hypoglykämie Gelbsucht, Leberfunktionsstörungen

9 Hyperammonämie Am ersten Tag nach Geburt >24h nach Geburt Frühgeburt Reifes Neugeborenes Azidose Keine Azidose Vorübergehende Hyperammonämie Angeborene Stoffwechselstörung Organoazidopathie Harnstoffzyklusdefekt 1:8.000 Plasmaaminosäuren Kein Citrullin Citrullin? Argininosuccinat+ Orotsäure im Urin?? Argininbernsteinsäurekrankheit Carbamylphosphatsynthetasemangel Ornithintranscarbamylasemangel 1: Diagnose angeborener Stoffwechselstörungen beim Neugeborenen anhand des Symptoms Hyperammonämie Citrullin??? Argininosuccinat - Citrullinämie BK Burton, Pediatrics, 1998

10 Angeborene Störungen des Harnstoffzyklus ) 2) 3) 4) 5) 6) N-Azetylglutamin-Synthetase-Mangel Carbamylphosphatsynthetase-Mangel Ornithintranscarbamylase-Mangel Citrullimämie Argininbernsteinsäurekrankheit Argininämie 2 1. Roche Lexikon Medizin 4. Aufl

11 Ornithintranscarbamylase-Mangel Möglichkeiten der molekulargenetischen Diagnose Das OTC-Gen liegt auf dem kurzen Arm des X-Chromosoms. Es umfaßt 73 kb und hat 10 Exons und 9 Introns. Bisher sind 370 Mutationen beschrieben, davon haben 29 keinen Krankheitswert. Viele Mutationen finden sich nur in einer Familie. Die meisten Varianten (84%) entstehen durch Austausch eines Nukleotids, die übrigen sind Insertionen oder Deletionen. Die genetischen Varianten haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Enzymaktivität, von keiner Beeinträchtigung bis zum vollständigen Mangel. Männliche Neugeborene mit vollständigem OTC-Mangel zeigen in der ersten Woche Symptome einer akuten Hyperammonämie. Bei Männern mit partialen Enzymdefekten und 20% der heterozygoten Frauen treten Symptome später im Leben auf. Die molekulargenetische Untersuchung umfaßt eine Amplifikation der Exons und der anschließenden Introns mittels PCR mit anschließender Sequenzierung bzw. gezielter Suche nach Mutationen. Damit können bei ca. 80% der Betroffenen Varianten gefunden werden, die für den Enzymdefekt verantwortlich sind. Yamaguchi S et al., 2006

12 Phenylketonurie molekulare Diagnostik Ursache: Fehlende oder stark herabgesetzte Aktivität des Enzyms Phenylalaninhydroxylase (PAH), mehr als 400 krankheitswertige Mutationen bereits bekannt. Erbgang autosomal-rezessiv. Testmethode Gezielte Mutationsanalyse Mutationsscanning Sequenzierung aller 13 Exons Suche nach Duplikationen und Deletionen Erfaßte Mutationen 4-15 häufigste PAH- Mutationen Häufige und eigene PAH- Mutationen Häufige und eigene PAH- Mutationen Duplikationen und Deletionen im PAH-Gen Erfaßte Mutationen (%) 30-50% 99% 99% Selten Indikationenfür molekulargenetische Untersuchng: Ermittlung von Trägern, pränatale Diagnostik, (Bestätigung Diagnose, Prognosestellung) NIH-funded

13 Interpretation von Sequenzanalysen In der Sequenzanalyse wurden Varianten gefunden. Dabei kann es sich handeln um - Pathogene, in der Literatur beschriebene Varianten - Vermutlich pathogene, noch nicht beschriebene Varianten - Varianten, deren klinische Bedeutung unbekannt ist - Varianten, die vermutlich ohne Krankheitswert und noch nicht beschrieben sind - beschriebenevarianten ohne Krankheitswert Es wurde keine Variation der Sequenz festgestellt. Ursachen: - Der Patient hat keine Mutation in dem getesteten Gen. - Der Patient hat eine Variante, die mit der Sequenzanalyse nicht festgestellt werden kann (z.b. große Deletion, Splice-Site-Deletion). - Der Patient hat eine Veränderung in einer Region des Gens, die nicht untersucht wurde (z.b. Intron, Regulator). NIH-funded

14 Die dunkle Seite der Arzneitherapie US-Daten von Lazarou et al. (JAMA 1998; 279: 1200) Schwere Nebenwirkungen: Hohe interindividuelle Varianz der Arzneimittelwirkung Therapieerfolg häufig nicht sicher Nebenwirkungen häufig nicht vorhersehbar 6,7% = 2,2 Mio Patienten/Jahr Deutsche Daten von Schneeweiss et al. (Eur J Clin Pharmacol 2002) Schwere Nebenwirkungen: 2,4% Hauptursachen: Genetik und Komedikation Ca. 6% der Krankenhauseinweisungen aufgrund von Arzneimittelnebenwirkungen (2,5 Mrd. /Jahr) Die Arzneimitteltherapie sicherer zu gestalten, ist quasi eine nationale Aufgabe (vergl. Verkehrsunfälle).

15 Plasmacholinesterase-Mangel Succinylcholin und Mivacurium werden durch Plasmacholinesterase deaktiviert. Bei erniedrigter Plasmacholinesteraseaktivität sind neuromuskuläre Blockade und Apnoe verlängert. Bisher sind über 20 Mutationen im BChE-Gen entdeckt, die die Enzymaktivität beeinträchtigen. Die Routine -Plasmacholinesterasebestimmung kann zwischen atypischer und normaler Plasmacholinesterase nicht zuverlässig unterscheiden. Spezialuntersuchungen zur Auffindung funktionsgeminderter Plasmacholinesterasevarianten sind Inhibitionsteste mit Dibucain und Fluoridverbindungen, jedoch führen auch diese oft (1:6) zu nicht eindeutigen Ergebnissen (Cerf C et al., 2002).

16 Varianten der Plasmacholinesterase Name Mutation Allelhäufigkeit Eigenschaften Wildtyp (U) 85% Normal Atypisch (A) A209G 1,8% Aktivität?,dibucainresistent Fluoridresistent (F) C728T, G1169T 0,2% Aktivität?, fluoridresistent Still (S) Mehrfach? Fehlende Aktivität H G424A? 10% der normalen Plasmakonzentration J A1490T 0,2% 33% der normalen Plasmakonzentration K G1615A 12,8% 66% der normalen Plasmakonzentration Levano et al., 2005

17 Eigenschaften und Häufigkeit verschiedener Plasma-Cholinesterasevarianten Genotyp Häufigkeit PCHE (U/l) Dibucainzahl Fluoridzahl Succinylcholin- Sensitivität E 1 u E 1 u 95% Keine E 1 u E 1 a 1: Selten E 1 u E 1 f 1: Selten E 1 u E 1 s 1: Selten E 1 u E 1 k 4? Selten E 1 u E 1 h Selten Selten E 1 a E 1 f 1: Leicht E 1 f E 1 f 1: Niedrig Leicht E 1 f E 1 s 1: Leicht E 1 a E 1 a 1: Schwer E 1 a E 1 s 1: Schwer E 1 s E 1 s 1: Schwer E 1 a E 1 k 1: Leicht E 1 a E 1 h Selten Schwer E 1 u normale Aktivität, E 1 a atypisch, reduzierte Aktivität, E 1 f fluoridresistent, reduzierte Aktivität, E 1 s keine Aktivität, E 1 j, E 1 k, E 1 h normale Aktivität, reduzierte Menge Nach Lang C et al., 2002

18 Maligne Hyperthermie molekulare Diagnostik Ursache: Pharmakogenetische Störung der Calciumregulation im Skelettmuskel, die nach Gabe von Triggersubstanzen (z.b. Halothan, Isofluran) zu einem exzessiv gesteigerten Metabolismus führt. Genetische Prävalenz 1:10.000, Erbgang autosomal dominant. Drei Gene - RYR1 (Ryanodin-Rezeptor-1), CACNA2D1 und CACNA1S (codieren für Untereinheiten des Calciumkanals) sind identifiziert + drei weitere Genloci. Testmethode Gezielte Mutationsanalyse häufiger Mutationen im Ryanodin-Rezeptor-1-Gen Sequenzanalyse der Codierungsregion des Ryanodin- Rezeptor-1-Gens Gezielte Untersuchung einer Mutation (R1086H) im CACNA1S-Gen Erfaßte Mutationen (%) 25-30% 70% 1% Bei bis zu 10% der Patienten bestehen zwischen dem In-vitro-Muskelkontrakturtest und dem molekulargenetischen Test Diskrepanzen. NIH-funded

19 Seltene, schwere Arzneimittelnebenwirkungen Agranulocytose Pankreatitis Akutes Leberversagen Lyell-Syndrom Rhabdomyolyse Maligne Hyperthermie Verlängerte Apnoe nach Succinylcholin

20 Zusammenfassung Bei der Diagnostik seltener Stoffwechselerkrankungen dominieren zur Zeit noch phänotypische Teste. Die molekulargenetische Diagnostik offenbart die Vielfalt der ursächlichen Mutationen. Molekulargenetische Teste dienen der Ermittlung von Trägern, der pränatalen Diagnostik sowie der Bestätigung der Diagnose und der Prognosestellung.