Le malattie mitocondriali

Marco Carrozzi¹, Tania Gerarduzzi²

¹Neuropsichiatria Infantile, IRCCS Burlo Garofolo, Trieste
²Clinica Pediatrica, IRCCS Burlo Garofolo, Trieste

Indirizzo per corrispondenza: carrozzi@burlo.trieste.it

La medicina mitocondriale. Segni e sintomi: quando pensarci

Il caso clinico di Sindrome di Pearson atipica suggerisce una riflessione sulle malattie mitocondriali (MM) dovute a deficit della catena respiratoria e sulla loro variabilità fenotipica.

I mitocondri sono presenti in tutti i tessuti e il metabolismo ossidativo che essi controllano è indispensabile per il corretto funzionamento di ogni tessuto. All’interno dei mitocondri, sono presenti le tre vie biochimiche direttamente coinvolte nella produzione energetica: quella preposta all’utilizzazione dei combustibili glicidici (glicogenolisi e glicolisi), quella preposta all’utilizzazione dei combustibili lipidici (attivazione e trasporto di acidi grassi all’interno del mitocondrio e beta-ossidazione) e quella responsabile per la produzione finale di energia chimica in forma di ATP (la catena respiratoria mitocondriale). Alcuni tessuti sono particolarmente dipendenti dal metabolismo ossidativo perché hanno alte richieste energetiche (muscolo scheletrico, muscolo cardiaco, sistema nervoso centrale, retina, rene) e di conseguenza sono anche particolarmente vulnerabili a blocchi, anche parziali, della funzione mitocondriale. Ne consegue che oltre a quelle che coinvolgono il sistema nervoso centrale e periferico, numerose MM sono multisistemiche^1-3.

La lista di apparati ed organi coinvolti nelle MM è sempre più lunga (muscolo, occhio, sangue, cuore, sistema endocrino solo per citarne alcuni - Tabella 1) e quindi possiamo parlare di medicina mitocondriale, termine utilizzato per la prima volta nel 1962 da Rolf Luft dell’Università Karolinska di Stoccolma che descrisse la prima paziente con una chiara malattia mitocondriale.

Per quanto riguarda la clinica, i sintomi e segni possono essere inquadrati in alcune specifiche sindromi (p.es. S. di Pearson, S. di Leigh, Myoclonic epilepsy with ragged-red fibres - MERRF – ecc.) secondo una classificazione clinica (Tabella 2). Oppure è possibile raggruppare i sintomi/sindromi in base al tipo di modificazione del DNA mitocondriale e nucleare operando una classificazione genetica (Tabelle 4 e 5), tenendo presente che alcune mutazioni sono in comune con diverse sindromi.

Quanto sono frequenti

Alcuni recenti studi di prevalenza mostrano che le mitocondriopatie in età evolutiva colpiscono 4.7/100.000 abitanti^4,5 (~11.5/100.000 per la popolazione totale) ma il dato è probabilmente sottostimato (Tabella 3). L’estrema variabilità dell’espressione delle MM giustifica un certo grado di sotto-diagnosi e solo la continua scoperta di nuove mutazioni sta mettendo in evidenza come le MM siano più comuni di quanto era stato stimato in passato.

Le patologie correlate alla fosforilazione ossidativa e alle vie produttrici di energia sono considerate ormai le cause più frequenti di patologia neuromuscolare pediatrica (seguono a ruota le malattie di accumulo lisosomiale considerate nella loro globalità e la distrofia muscolare di Duchenne⁵), seppur spesso si manifestino appunto anche con sintomi non solo neuromuscolari.

La Cochrane ha in corso due protocolli di revisione sulle evidenze terapeutiche in merito alle MM che riportano una stima di prevalenza delle stesse pari a 1 caso ogni 8.000 riferito alla popolazione generale^6,7.

* indica la posizione della base mutata ed il tipo di cambio: G11778A significa che nella posizione 11778 la Guanina viene sostituita da Adenina

La genetica delle mitocondriopatie

Gli apparati mitocondriali sono regolati da due genomi: uno autonomo (un piccolo DNA circolare - mtDNA - composto da 37 geni: 2 per rRNA o RNA ribosomiali, 22 per il tRNA o RNA transfer, 13 per le subunità della catena respiratoria) e l’altro nucleare (nDNA, che oltre a codificare per le restanti subunità della catena respiratoria, “controlla” anche il mantenimento qualitativo e quantitativo dei mitocondri e quindi del mtDNA)⁸. Le alterazioni del mtDNA (Tabella 4) possono colpire direttamente le proteine strutturali della catena respiratoria, oppure interferire con i meccanismi della sintesi proteica mitocondriale coinvolgendo i tRNA o gli rRNA². Le mutazioni del nDNA (Tabella 5) si possono classificare in base alle strutture codificate dai geni coinvolti: componenti strutturali, fattori di assemblaggio delle subunità della catena respiratoria, fattori che garantiscono la stabilità mitocondriale, e fattori coinvolti nella biogenesi dei mitocondri^2,3.

L’mtDNA si trasmette secondo un’ereditarietà materna, l’nDNA sempre secondo ereditarietà mendeliana.

La presentazione/espressività clinica della MM è forse l’aspetto che merita più attenzione; infatti per diversi meccanismi correlati alla modalità di trasmissione di questi due genomi, gravità, età di insorgenza etc. sono molto variabili. Le “regole” delle malattie da difetto del mtDNA sono principalmente quattro:

1. Ereditarietà materna: solo pochi mitocondri sono contenuti nello spermatozoo e quindi le caratteristiche codificate dal mtDNA vengono trasmesse dalla madre ai figli, sia maschi che femmine, ma saranno poi sempre solo le femmine a continuare a trasmettere l’eventuale mutazione.
2. Eteroplasmia: ogni mitocondrio contiene dalle 2 alle 10 molecole di mtDNA che mutano rapidamente e può accadere che nello stesso mitocondrio coesistano molecole sane cioè “wild type” e molecole mutate.
3. Segregazione mitotica: quando una cellula eteroplasmica si divide la % di genomi mutati può cambiare nelle cellule figlie e quindi nel tempo può variare l’espressione fenotipica della malattia.
4. Effetto soglia: le copie di mtDNA mutate e quindi il numero di mitocondri “inefficienti” si accumulano e si mescolano a mitocondri “normali”, quindi l’effetto soglia si riferisce alla quantità critica di DNA mutato necessario a causare un deficit energetico tanto grave da provocare la sintomatologia clinica³.

In generale, e quindi contemplando alcune eccezioni, le malattie dovute a mutazioni del nDNA esordiscono precocemente in età infantile, mentre quelle dovute a mutazioni del mtDNA si presentano in tarda infanzia o nella vita adulta³.

*GRACILE: Growth Retardation, Aminoaciduria, Cholestasis, Iron overload, Lactacidosis, Early death
**adCPEO: autosomal dominant Chronic External Ophthalmoplegia
°arCPEO: autosomal recessive Chronic External Ophthalmoplegia
°°MNGIE: Mitochondrial Neuro-Gastro-Intestinal Encephalomyopathy
^MDS: Mitochondrial DNA Depletion Syndrome

La diagnosi: a che punto siamo

Per quanto riguarda la diagnosi, in età evolutiva, pur in presenza di un quadro clinico sospetto, non sempre è possibile documentare mutazioni del DNA. In un recente lavoro in cui si sono analizzati 113 pazienti con diagnosi certa di malattia mitocondriale⁹, si è quindi tentato di adattare le classificazioni messe a punto per l’adulto^10,11 all’età pediatrica e che prevedono in particolare sei criteri:

1. Clinico: prende in considerazione i sintomi multiorgano che possono derivare dal deficit mitocondriale.
2. Istologico: presenza di reperti tipici alla biopsia muscolare come le cosiddette “Ragged Red Fibres” – ovvero fibre negative per la COX.
3. Enzimatico: valutazione biochimica degli enzimi della catena respiratoria.
4. Funzionale: produzione di ATP dai fibroblasti.
5. Laboratoristico: presenza di reperti evocatori di deficit della funzione metabolica (iperlattacidemia).
6. Molecolare: presenza di mutazioni del mtDNA o nDNA.

Questi criteri diagnostici vengono divisi in maggiori e minori. Sicuramente un aspetto aggiuntivo estremamente importante è il ricorso alle tecniche di imaging ed in particolare alla neuroradiologia, che in alcuni casi in cui è coinvolto il SNC è quasi patognomonica (come i reperti di RMN nella s. di Leigh). Al momento non vi è un “gold standard” per stabilire la diagnosi di encefalomiopatia mitocondriale.

Un dato importante invece è che il fattore discriminante rispetto alla prognosi quoad vitam è la presenza o meno di cardiomiopatia⁹.

Da un punto di vista pratico, sarà il criterio clinico a far nascere il sospetto di MM (valorizzare quindi l’associazione di più sintomi ma soprattutto ricostruire in maniera precisa l’ereditarietà che, nel caso delle malattie da mutazioni del mtDNA, è fortemente evocatrice) e verranno inizialmente avviati una serie di atti diagnostici che possono essere compiuti in strutture non specialistiche che coinvolgono laboratorio (iperlattacidemia su sangue e liquor, iperalaninemia…) e neuroradiologia (se vi è coinvolgimento del sistema nervoso centrale). Successivamente è possibile rivolgersi ad un ambiente più specialistico per proseguire gli accertamenti (biopsia muscolare, saggi enzimatici, analisi genetica su mtDNA e nDNA). (Tabella 6)

Ricordiamo infine che i bambini con MM hanno diritto alla certificazione per malattia rara (Tabella 7), anche se non tutte le MM sono codificate.

Terapia e prospettive future

Riassumendo:

• Le MM sono probabilmente sottostimate (forse anche per un limite tecnologico dei “protocolli di diagnosi mutazionale”), nello stesso tempo però alcuni difetti della catena respiratoria sono secondari e non primitivi.
• In età pediatrica le presentazioni possono essere sistemiche precoci ed atipiche (epatopatia, pancitopenia, malassorbimento, atrofia dei villi, pseudo-ostruzione, tubulopatia prossimale, cardiomiopatia, endocrinopatia multipla), ovvero aspecifiche (ritardo psicomotorio, convulsioni, regressione, ipo-ipertonia).
• Può esistere una variabilità fenotipica, anche in presenza di una mutazione del nDNA e quindi le mitocondriopatie non rientrano nel modello di “un gene una malattia”.

Da un punto di vista terapeutico, gli interventi finora applicabili sono largamente insoddisfacenti e cadono in tre gruppi: agenti farmacologici e nutrizionali, modifiche della composizione dietetica (dieta chetogenica), terapia fisica. Le sostanze somministrate a pazienti affetti da MM includono: antiossidanti (coenzima Q10, vitamina C, vitamina E e menadione), agenti rivolti al controllo dell’acidosi lattica (dicloroacetato), agenti che correggono deficienze biochimiche secondarie (carnitina, creatina), cofattori della catena respiratoria che possano “spingere” l’attività dei mitocondri intatti (nicotinamide, tiamina, riboflavina, succinato e co-enzima Q10) e ormoni (ormone della crescita, corticosteroidi).

Sono pochissimi gli studi controllati e tutti chiaramente con un numero molto piccolo di pazienti arruolati, peraltro ricordiamo che sono in corso due metanalisi della Cochrane^6,7. Le difficoltà di valutare l’efficacia degli interventi è chiaramente correlata all’incredibile variabilità clinica di ciascuna patologia oltre alla rarità di ciascuna sindrome presa singolarmente.

Le domande sarebbero ancora tante ma quanto brevemente riportato dà la misura di come la ricerca nel campo della medicina mitocondriale sia un terreno ricco di prospettive soprattutto per quanto riguarda i processi fisiopatologici con la speranza di poter individuare eventuali approcci terapeutici efficaci, al momento purtroppo non disponibili.

Bibliografia

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