Enfermedades Mitocondriales en la infancia

Enfermedades Mitocondriales en la infancia Dra. M.Teresa García Silva Unidad Pediátrica de Enfermedades Raras Enfermedades Mitocondriales Enfermedades Metabólicas Hereditarias Dpto. de Pediatría. Hospital Universitario 12 de Octubre. Madrid H120.MTGS-10-2010

Enfermedades mitocondriales Enfermedades secundarias a un defecto en la fosforilación oxidativa mitocondrial (enfermedades OXPHOS), en éstas existe un fallo en la síntesis de ATP. ATP

Enfermedades mitocondriales Pueden afectar a cualquier órgano Cada órgano puede tener distintas manifestaciones clínicas Se pueden presentar a cualquier edad Distintos mecanismos de herencia 2009

NADH Matriz mitocondrial Membrana interna mitocondrial NAD H+ ETF H+ H+ ND1 ND2 ND3 ND4 ND5 ND6 ND4L FADH 2 CI FAD CII e - CoQ ETF reducido ETF-QO e - e - Cit b e - DHO-QO oxidado CIII Cit c e - O 2 COX I COX II Cox III C IV H 2 O ATP H+ C V A8 A6 ADP+Pi ANT Espacio intermembrana Dihidro orótico orótico ADP ATP Subunidades ADNmt Complejo I 7 Complejo II 0 Complejo III 1 Complejo IV 3 Complejo V 2 ADNn >43 4 >10 10 14 Isoformas tejido especificas si si si si si

Bases genéticas de los defectos OXPHOS: 1500-2000 genes Tóxicos Estrés oxidativo Envejecimiento Motilidad, fusión, fisión Núcleo proteína CR ADNmt proteína CR ADNn mitocondria CR Transcripción mt Tradución mt ADNn ProARN ARN Proteína CR + péptido lider Modificación Postradución Receptores Importación Ensamblaje CoQ10 lípidos otros ADNmt ARNs comunicación intergenómica, mantenimiento del ADNmt, pool nucleótidos

Características del ADN mitocondrial HERENCIA MATERNA: las madres lo trasmiten de forma desigual a ARN16s ARN12s V F D-loop T Citocromo b toda su descendencia SEGREGACIÓN MITÓTICA DESIGUAL repartición desigual del ADNmt HETEROPLASMIA ND1 cada célula distinto % de ADN normal/mutado ND2 EFECTO UMBRAL por enzima de un % de mutación se expresan Fenotípicamente, dependiendo de las necesidades energéticas de las células I W L W W Q COI w A N C Y Sordera SNS A1555g MELAS A3243G LHON G3460A D S P LHON T14484C MERRF A8344G COII K E ND6 LHON G11778A MILS/NARP T8993G ATPasa6 ATPasa8 C R COIII ND5 ND4 ND4L ND3 L S H H120.MTGS 2006

Célula progenitora núcleo Cuello de botella 100% 90% 70% 50% 30% 10% % DNAmt mutado Hijo enfermo Umbral de expresión fenotípica Depende del tipo de célula Relación con necesidades energéticas Hijo sano ADNmt normal ADNmt mutado Mitocondria normal Mitocondria con función anormal

Clasificación genética de los defectos OXPHOS Defectos en el ADN Mitocondrial Genes que codifican proteínas de las subunidades OXPHOS Genes que sintetizan las proteínas OXPHOS (ARNt y ARNr) Deleciones del ADNmt Mutaciones en genes codificados por el ADN nuclear Proteínas de las subunidades OXPHOS Factores de ensamblaje OXPHOS Factores que afectan el mantenimiento del ADN mitocondrial Síntesis de proteínas mitocondriales (proteínas ribosomales, factores de iniciación, elongación o liberación) Genes que modifican los ARN de transferencia post-transcriptionalmente Enzimas que intervienen en la biosíntesis, en lípidos o cofactores mitocondriales

Enfermedades mitocondriales incidencia Mutaciones del ADNmt: 1/200 individuos, pero muchas no producen enfermedad EM en la infancia 5/100.000 RN vivos Algunos síndromes mitocondriales, en determinadas poblaciones tienen una frecuencia mayor Enfermedades mitocondriales infantiles : Mutaciones ADNmt < 25% casos 2009

Enfermedad mitocondriales sintomatología clínica Edad de inicio Mutaciones en genes nucleares % ADNmt mutado Formas graves: multiorgánicas: relación con edad, y mutaciones Formas de evolución más benigna

Alteraciones en el ADNmt y correlaciones genotipo/fenotipo Mutaciones en genes mitocondriales codificantes de proteínas OXPHOS Genes ND G3460A, G11778A, 14484C A11696G, G14459A, T14596A MTATP6 T8993G, T8993C LHON LHON-distonía MILS/NARP Mutaciones que afectan la síntesis de proteínas ARN de transferencia (ARNt) A3243G A8344G Reorganizaciones (deleciones/duplicaciones) Mutación ARN ribosomal 12S A1555G MELAS, MCP, miopatía, DM, SL, SNS MERRF, SL Pearson, KSS, PEO, miopatía AID (SNS no sindrómica) H120.MTGS 2006

Agrupaciones sindrómicas especiales, correlaciones fenotipo/genotipo y herencia Cuadro clínico Gen Herencia Encefalopatías Síndrome de Leigh ADNmt (NDs o ARNt) ADNn (NDUs, SURF1, LRPPRC, COX10, COX 15, ETHE1, BCS1L) Defectos de síntesis Q10: gen? Síndrome de Alpers POLG1 AR MELAS MERRF A3243G y otras mutaciones en ARNt leu (ADNmt) A8344G y otras mutaciones en ARNt lys (ADNmt) Microcefalia Amish SLC25A19 AR Encefalopatía, microcefalia, epilepsia, dismorfia y aciduria 3 metilglutacónica Encefalopatía, dismorfia, hepatopatía y acidosis láctica Encefalopatía, nefropatía y afectación multisistémica ATP12 MPRS16 COQ2 Materna AR? Materna Materna AR AR AR H120.MTGS 2006 2010

Síndrome de Leigh: síntomas clínicos Edad de inicio: más frecuente 1er año de vida (85% en <4 años) Inicio insidioso 70%, agudo 15% Regresión neurológica que puede ir precedida de hipotonía y/o trastornos digestivos y/o respiratorios Hipotonía, afectación de tronco cerebral, piramidal o extrapiramidal, cerebelo y medula espinal variables En algunos casos: atrofia óptica, retinitis pigmentaria, polineuropatía, crisis convulsivas Puede asociarse a síntomas extraneurológicos : miocardiopatía, tubulopatía, hepatopatía

Síndrome de Leigh: diagnóstico in vivo Síntomas y signos sugestivos Enfermedad neurológica progresiva con regresión motora y/o intelectual en < 5 años de edad. Neuroimagen: afectación simétrica núcleos basales (striatum, globus palidus, tálamo), troncoencéfalo, médula espinal. Sustancia blanca y cortex pueden estar afectos. Alteración del metabolismo mitocondrial: déficits enzimáticos mitocondriales. Debida a múltiples defectos genéticos

Síndrome de Leigh AF: herencia materna AF: herencia autosómica o no informativa AF: herencia L-X CV:ATP6 Biopsia muscular PDH PDH (E1a) Variable RRF +/- COX- ARNt Déficits de CR variables Mutaciones ADNmt Fibras COX- NDs COX I NUDFS1 NUDFS3 NUDFS4 NUDFS6 NUDFS7 NUDFS8 NDUFV2 CI CII CIII CIV SDHA BCS1L SURF1 ETHE1 LRPPRC COX10 COX15 Defectos Q10 (CI+III, CII+III) Fibras COXmosaico Déficit múltiple o variable EFG1 Déficit múltiple variable Deleción ADNmt (CII normal) depleción ADNmt SUCLA1 SUCLA2 (con AMM) ATP12 CV

MERRF Epilepsia mioclónica con fibras rojo rasgadas Epilepsia mioclónica, demenciación y ataxia + RRF Otras alteraciones clínicas Miopatía S piramidal Sordera neurosensorial Atrofia óptica Polineuropatía Cardiomiopatía Lipomas Herencia materna Mutaciones del ADNmt (MTTK) (A8344G)

MELAS: encefalomiopatía mitocondrial + acidosis láctica + episodios stroke-like Criterios diagnósticos (Hirano 1992) Diagnóstico de sospecha Accidente vascular cerebral en <40 años Encefalopatía (epilepsia y/o demencia) Acidosis láctica y/o RRF Diagnóstico seguro: si hay además uno de los siguientes Desarrollo psicomotor precoz normal Cefaleas recurrentes Vómitos recurrentes Herencia Materna: mutación MTTL1 (A3243G)

Síndrome de Alpers : (POLG) Síndrome clínico-patológico: Inicio precoz y curso progresivo Encefalopatía: crisis convulsivas recalcitrantes, deterioro neurológico progresivo Neuropatología: corteza estriada, pérdida neuronal cortical, espongiosis y astrogliosis Asociado a enfermedad hepática. CR normal y ADNmt (depleción ADNmt ) variable en músculo. En hígado : implicación progresiva de la CR/depleción

Síndrome de Pearson Anemia macrocitaria o sideroblástica transfusión dependiente (MO: vacuolización de precursores y sideroblastos) asociada a insuficiencia pancreática externa (con/sin leucopenia o trombopenia). Otros: Acidosis láctica, miopatía, fallo crecimiento, tubulopatía, hepatopatía y afectación multiorgánica Evolución: Fatal, o cambios fenotípicos (SKS, SL) Herencia: esporádica. Deleciones o duplicaciones del ADNmt

Síndromes hepatocerebrales Depleción ADNmt SCO1 DGUOK o DGK POLG1 C10ORF MPV17 Defectos de síntesis de proteínas mitocondriales: EFG1, MPR16

Síndromes cerebro-renales BCS1L COX10 CoQ2

Cardiomiopatías mitocondriales CMP hipertrófica o dilatada ( ADNmt, ADNn) CMP hipertrófica concéntrica-neutropenia (S. Barth) (TAZ o G.4.5) Cardio-encefalo-miopatía infantil fatal (NDUFS2, NDUFV2, SCO2, COX10, COX 15) S de Sengers: miocardiopatía, cataratas y miopatía (ANT1) Alteraciones de la conducción cardiaca/arritmias (D ADNmt)

Alteraciones bioquímicas en las enfermedades mitocondriales lactato/piruvato glucosa lactato NAD NADH piruvato ácidos grasos citoplasma NADH NADH piruvato acetil CoA ciclo Krebs ácidos grasos FADH acetoacetato NADH NAD b-oh butirato b-oh butirato/acetoacetato mitocondria

Fibra rojo-rasgada, fibra azul rasgada

Fibra rojo-rasgada COX+ SDH COX

FIBRAS RRF FIBRAS COX - Biopsia muscular: tinción SDH, las fibras RRF se señalan con flechas (imagen izquierda), tinción COX las mismas fibras RRF no se tiñen, son fibras COX negativas (imagen derecha)

Diagnóstico de las enfermedades mitocondriales Cuadro clínico compatible. Cuadro típico mitocondrial o Asociación ilegítima de síntomas Análisis de laboratorio y estudios especiales Resonancia magnética, MRS Estudios histológicos : Biopsia muscular o de otros tejidos Estudios enzimáticos : músculo, fibroblastos, otros tejidos Estudios genéticos : sangre, músculo y otros Estudios de investigación

Algoritmo diagnóstico en las enfermedades OXPHOS Sospecha de enfermedad OXPHOS Fenotipo: historia clínica + estudio de extensión + laboratorio + neuroimagen + otros estudios según sintomatología Anamnesis familiar Agrupación sindrómica característica Cuadro clínico/bioquímico no característico Biopsias de tejidos (músculo/otros) Estudios enzimáticos/genéticos En sangre/orina/otros si es posible Biopsias de tejidos si es necesario Histoenzimología + Determinaciones enzimáticas CR Estudios genéticos dependiendo de lo anterior Otros estudios Estudios de investigación: Genéticos Proteómica Medicina translacional

Diagnóstico prenatal en enfermedades mitocondriales Defecto de los enzimas de la CR en músculo y fibroblastos del caso index Vellosidades coriónicas (VC) : análisis de la CR + intentar establecer el defecto genético Resultados concluyentes Resultados no concluyentes Feto afecto Feto sano VC cultivadas: análisis de la CR y si es posible establecer defecto genético Resultados concluyentes Resultados no concluyentes Feto afecto Feto sano Amniocitos cultivados: análisis CR Resultados concluyentes Resultados No concluyentes Feto probablemente afecto Feto probablemente sano *Imposible en mutaciones trnas

Tratamiento de las enfermedades mitocondriales Aceptores de electrones Estrés oxidativo Vitaminas y cofactores Metabolitos tóxicos Otros Ubiquinona o Coenzima Q10, ibedenona, vitamina C, succinato, vitamina K3 Coenzima Q10, ibedenona MitoQ10, vitamina C, menadiona, glutatión, ácido lipoíco, tocoferol CoQ10, riboflavina, tiamina, ácido fólico/folínico, L-carnitina, creatina monohidrato, tocoferol, acido lipoíco Dicloroacetato, tiamina, coenzima Q10, L-carnitina, bicarbonato, Dietas especiales Hemodialisis Transplante de células madre (en MNGIE) L-arginina, uridina, histidinato cobre, corticoides, bloqueantes del calcio Trasplantes (hígado, corazón,céluals madre), médula ósea en MNGIE, Marcapasos Implantes cocleares Ejercicio programado Otros tratamientos según sintomatología

Terapias en Enfermedades Mitocondriales (Koene y Smeitink 2009) Prevenir transmisión del ADNmt Terapia génica Alterar el balance entre ADNmt mutado y normal Controlar la regulación de la transcripción Manipulación Metabólica Donación de oocitos Análisis de la mutación en vellosidades coriónicas Expresión halotópica Reparar la mutación Sirtuínas Prevenir el daño oxidativo Corrección del defecto potstransducción (ARNt) Endonucleasas de restricción Moduladores del Calcio Diagnóstico Preimplantación Expresión de ANT-1 y TFAM codificados por el ADNn Péptidos nucleicos y oligómeros Proteínas desacoplantes Estimular células satélites Intervención nutricional Mitochondrial medicine: entering the era of treatment S. Koene & J. Smeitink From the Radboud University Nijmegen Medical Centre, Nijmegen Centre for Mitochondrial Disorders, Nijmegen, The Netherlands Correspondence to Jan A.M. Smeitink MD, PhD, Nijmegen Centre for Mitochondrial Disorders, Radboud University Nijmegen Medical Centre, Geert Grooteplein 10, 6500 HB, PO BOX 9101, Nijmegen, The Netherlands.

Terapia génica en las células germinales Figure 8. Schematic rendition of ooplasmic transfer. After in vitro fertilization (IVF) of an oocyte carrying an mtdna mutation and pronuclear fusion (purple), the pronucleus is transferred to an enucleated normal donor oocyte. The resulting embryo has the nuclear genomes of mother and father and two populations of mtdna: most mtdna will come from the donor oocyte, but a few maternal mtdnas will be dragged in with the transferred pronucleus.

Atención médica, psicológica y social a las familias afectas

Muchas gracias por su atención