Malattie rare difetti dell’ossidazione

Difetti dell’ossidazione degli acidi grassi

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 CO2 e H2O, il fegato invece, oltre a fornire substrato per la gluconeogenesi e l’ureagenesi, è la sede di produzione dei corpi che tonici.

(leggi anche la Pillola sull'Acetone)

La scoperta di forme morbose primitive nell’uomo a carico di questa complessa via metabolica è relativamente recente e risale agli anni settanta con l’identificazione del deficit di carnitina muscolare.
Da allora, si è avuto un progressivo impulso della ricerca scientifica con la caratterizzazione biochimica e molecolare dialmeno 15 differenti malattie ad eredità autosomica recessiva causate da difetti congeniti a carico della via ossidativa degli acidi grassi.

Tutte queste condizioni morbose sono responsabili di un’inefficace utilizzazione delle riserve energetiche con quadri clinici di tipo sistemico o con patologie d’organo a carico soprattutto del fegato, del muscolo cardiaco e del muscolo scheletrico caratterizzate da accumulo di grassi nei tessuti.

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 e le miopatie con rabdomiolisi,
§         l’emoglobinuria intermittente.

Gli episodi critici sono indotti dal digiuno, dall’esercizio prolungato o da stress catabolici di natura infettiva.

Principi biochimici e caratteristiche cliniche

Il metabolismo ossidativo degli acidi grassi può essere suddiviso in quattro fasi principali:(fig. 1)
§         il ciclo della carnitina;
§         il ciclo della beta ossidazione;
§         il trasporto degli elettroni;
§         la sintesi dei corpi chetonici.

Gli acidi grassi, composti da una catena lineare a numero pari di atomi di carbonio (C16-C18), una volta liberati dal tessuto adiposo e trasportati nel citoplasma delle cellule epatiche e muscolari vengono attivati sotto forma di esteri del coenzima A; questi ultimi per mezzo di un complesso meccanismo di trans-esterificazione con la carnitina (ciclo della carnitina) attraversano le membrane mitocondriali dove entrano nella spirale ossidativa (ciclo della beta ossidazione) che ad ogni ciclo accorcia la catena carboniosa di due atomi di carbonio con formazione di acetil-CoA.

Gli elettroni liberatisi durante il ciclo ossidativo vengono trasferiti alla catena respiratoria mitocondriale per la formazione dell’ATP utilizzando sistemi FAD- e NAD- dipendenti (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 CO2 e H2O e formazione di ATP.

§         CICLO DELLA CARNITINA
Il ciclo della carnitina è costituito da una fase citoplasmatica e da una mitocondriale (fig. 2). Alla prima appartiene il carrier specifico, sodio dipendente, che permette il passaggio della carnitina attraverso la membrana plasmatica delle cellule del miocardio, del muscolo scheletrico e del tubulo renale.
La fase mitocondriale è invece composta da una serie successiva di passaggi enzimatici: l’enzima carnitina palmitoiltransferasi (CPT) 1 favorisce la formazione dell’acilcarnitina a livello della membrana mitocondriale esterna a partire dagli acidi grassi legati al coenzima-A; l’enzima carnitina-acilcarnitina translocasi (CAT) permette il passaggio dell’acilcarnitina dalla membrana alla matrice mitocondriale; l’enzima CPT 2 infine scinde il legame dell’acido grasso con la carnitina riformando all’interno della matrice mitocondriale gli esteri del coenzima-A.

Il deficit del trasportatore della carnitina si manifesta, generalmente, nella prima infanzia con una grave cardiomiopatia dilatativa associata a miopatia; raramente i pazienti presentano ipoglicemia ipochetotica mentre sono frequenti sintomi di tipo collassiale. Può essere presente una anemia, il tracciato elettrocardiografico mostra caratteristiche onde T appuntite ed i livelli plasmatici della carnitina totale appaiono estremamente ridotti. La malattia risponde in maniera spettacolare al trattamento con carnitina (3-5 grammi al giorno) con completa risoluzione della sintomatologia.

Il deficit di CPT 1 esordisce generalmente nei primi mesi di vita con un quadro di grave insufficienza epatica con ipoglicemia ipochetotica, in alcuni casi, associata ad acidosi renale. Caratteristicamente i pazienti possono mostrare un’elevazione dei livelli plasmatici della carnitina.

Il deficit di carnitina-acilcarnitina translocasi rappresenta il difetto dell’ossidazione degli acidi grassi a prognosi più infausta: i pazienti manifestano fin dai primi giorni di vita una epatopatia con ipoglicemia ipochetotica associata ad iperammoniemia persistente. Sono presenti inoltre gravi disturbi del ritmo cardiaco che portano quasi sempre a morte entro il primo anno di vita.

Il deficit di CPT 2 si presenta con due fenotipi distinti: una forma miopatica che esordisce in età adulta con mioglobinuria intermittente ed una forma neonatale fatale con epatopatia, cardiomiopatia, ipotonia muscolare, spesso associata a malformazioni a livello renale e cerebrale.

§         CICLO DELLA BETA OSSIDAZIONE
Quattro 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 (fig. 3).
La prima tappa consiste nella 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; questi tre funzioni vengono svolte da un complesso multienzimatico chiamato proteina trifunzionale. Il ciclo ossidativo si ripete in maniera spiraliforme fino alla completa trasformazione dell’acido grasso in acetil-CoA.
Va inoltre ricordato che 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.

Il difetto di acil-CoA deidrogenasi a catena lunga (VLACD) si presenta con un quadri di insufficienza epatica con ipoglicemia ipochetotica associati in circa il 50% dei pazienti a grave cardiomiopatia.

Il deficit di acil-CoA deidrogenasi a catena media (MCAD) rappresenta la forma più comune dei difetti di ossidazione degli acidi grassi, esordisce generalmente nella prima infanzia o anche in epoca neonatale con un quadro clinico simile alla sindrome di Reye con grave ipoglicemia ipochetotica; sono anche stati descritti casi di morte improvvisa del lattante (SIDS) (3). La malattia molto frequente nei paesi anglosassoni e negli Stati Uniti colpisce prevalentemente individui di origine nord europea mentre è molto rara nelle popolazioni provenienti dal sud dell’Europa.

Il deficit di acil-CoA deidrogenasi a catena corta (SCAD) è stato descritto in pochi pazienti che presentavano quadri clinici eterogenei caratterizzati da chetoacidosi, ipotonia muscolare e ritardo psicomotorio.

Il deficit di proteina trifunzionale dal punto di vista clinico mostra delle caratteristiche peculiari rispetto agli altri difetti dell’ossidazione degli acidi grassi, infatti oltre ai sintomi comuni alle altre malattie, i pazienti con deficit della proteina trifunzionale possono presentare neuropatia periferica sensitivo motoria, retinite pigmentosa e ipoparatiroidismo; inoltre, nelle gestanti eterozigoti con feti affetti, è stata osservata una sindrome da insufficienza epatica acuta con steatosi d’organo. Da un punto di vista biochimico sono distinguibili due entità separate, il deficit isolato di 3-idrossiacil-CoA deidrogenasi ed il deficit combinato dei tre enzimi della proteina trifunzionale.

§         TRASPORTO DEGLI ELETTRONI
Come già accennato in precedenza, le acil-CoA deidrogenasi (VLCAD, MCAD e SCAD) appartengono alla famiglia delle flavoproteine ed il trasporto degli elettroni provenienti dalla prima tappa ossidativa degli acidi grassi verso la catena respiratoria per la sintesi del’ATP avviene attraverso un sistema ossidoriduttivo che impiega l’ETF (fig 4).Questa via è comune anche al metabolismo della lisina e del triptofano ad opera della glutaril-CoA deidrogenasi e al metabolismo della leucina ad opera della isovaleril-CoA deidrogenasi.
Il deficit di ETF o di ETF deidrogenasi è responsabile quindi di un difetto multiplo del sistema di deidrogenazione e causa una malattia chiamata comunemente aciduria glutarica di tipo secondo (GA II).
La GA II si può presentare con due forme cliniche distinte: una forma neonatale severa, a prognosi infausta, caratterizzata da grave acidosi metabolica, ipoglicemia, ipotonia muscolare spesso associata a quadri malformativi a carico del sistema nervoso centrale e del rene; una forma ad esordio più tardivo, anche in età adulta, con quadro prevalentemente miopatico, spesso rispondente alla terapia con riboflavina.

§         SINTESI DEI CORPI CHETONICI
La sintesi dei corpi chetonici rappresenta la fase terminale del metabolismo ossidativo degli acidi grassi. Essa avviene esclusivamente nel tessuto epatico con formazione di acidi 3-idrossibutirrico ed acido acetoacetico a partire dall’acetil-CoA (fig. 5).
I corpi chetonici così formatisi vengono trasportati in circolo ed utilizzati in periferia, soprattutto dal sistema nervoso, come substrato energetico.
La mancata sintesi dei corpi chetonici causata dal deficit dell’enzima 3-idrossi-3-metilglutaril-CoA (HMG) liasi, comune anche al metabolismo della leucina, è responsabile di una severa entità clinica caratterizzata da ipoglicemia ipochetotica, grave acidosi metabolica ad esordio neonatale in pazienti con una caratteristica macrocefalia.

Oltre alle malattie elencate nella prima parte del paragrafo vanno ricordate le segnalazioni singole
in letteratura relative ai deficit di 3-idrossiacilCoA deidrogenasi a catena corta , di 2,4-dienoil-CoA reduttasi e di 3-idrossi-3-metilglutaril-CoA sintetasi.

Aspetti diagnostici

Poiché dal punto di vista clinico le malattie da deficit di ossidazione degli acidi grassi presentano quadri spesso comuni alle varie forme morbose è indispensabile per l’identificazione della malattia un complesso iter diagnostico che comprende:
§         lo studio dei metaboliti,
§         studi funzionali in vivo ed in vitro,
§         dosaggi enzimatici,
§         studi di genetica molecolare.

L’analisi dei metaboliti è basata sugli acidi organici (urinari e plasmatici) e sul dosaggio della carnitina plasmatica in combinazione con lo studio dei vari componenti della frazione esterificata (acilcarnitine).

La presenza di metaboliti anomali è riscontrabile soprattutto durante le fasi di acuzie della malattia mentre, nelle fasi intercritiche di benessere, sono possibili quadri di assoluta normalità biochimica.

Nei difetti del ciclo della carnitina gli acidi organici urinari non mostrano alterazioni rilevanti, la carnitinemia totale è estremamente ridotta (3-5% del normale) nel deficit primario di carnitina, mentre negli altri casi è normale o aumentata (deficit di CPT 2); l’analisi delle acilcarnitine mostra, sia nel deficit di CPT2 che nel deficit di carnitina-acilcarnitina translocasi, la presenza di coniugati saturi degli acidi grassi a catena lunga (palmitoil-carnitina, C16) con livelli ridotti di acetil-carnitina (C2).

Nei difetti del ciclo della beta ossidazione lo studio degli acidi organici è estremamente utile con riscontro di profili specifici per le diverse malattie
Nel deficit di VLCAD è presente una aciduria mono- e dicarbossilica a catena lunga.
Nel deficit di MCAD nel plasma è presente l’acido cis-4 decenoico (19) mentre nelle urine, oltre alla presenza di acidi dicarbossilici (adipico, suberico e sebacico), rivestono un’importante significato diagnostico alcuni coniugati di glicina (exanoil-, suberil-, fenilpropionil- e butirril-glicina).
Nel deficit di SCAD sono caratteristici l’acido etilmalonico e l’acido metilsuccinico.
Nei difetti della proteina trifunzionale oltre ai classici acidi dicarbossilici (adipico, suberico e sebacico) sono presenti acidi mono- e dicarbossilici a catena lunga e media idrossilati in posizione 3.

Con l’eccezione del deficit di SCAD, il livello dei corpi chetonici è ridotto, soprattutto se in concomitanza di una ipoglicemia. La carnitinemia totale è ridotta ed il rapporto carnitina esterificata/carnitina libera è aumentato (> 1).

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, la decenoil- (C10) e la octanoil- (C8) nel deficit di MCAD, la butirril- (C3) nel deficit di SCAD, e acilcarnitine a catena lunga idrossilate sature ed insature ( OH-C16, OH-C18) nel deficit di proteina trifunzionale.

Nei difetti del trasporto degli elettroni, analogamente a quanto detto nel paragrafo precedente, gli acidi organici urinari mostrano il profilo caratteristico dellla aciduria glutarica di tipo 2 con presenza di acido glutarico ed etilmalonico associati ad acidi dicarbossilici (adipico, suberico e sebacico) e coniugati di glicina (isovaleril-, exanoil-glicina); la carnitinemia totale è ridotta, il rapporto carnitina esterificata/libera è aumentato ed il profilo delle acilcarnitine è anch’esso peculiare.

La idrossi-metilglutarico aciduria è anch’essa facilmente diagnosticabile attraverso lo studio degli acidi organici urinari per la presenza di acido 3-idrossi-3-metilglutarico.

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). In questi pazienti si osserva di solito, in condizioni di digiuno prolungato, una ipoglicemia con ridotta o assente produzione di corpi chetonici, il livello degli acidi grassi liberi (NEFA) risulta invece aumentato. L’esecuzione di tali test può essere particolarmente pericolosa per cui è consigliabile limitarne l’uso.

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. L’analisi permette la rapida individuazione dei difetti biochimici facilitando l’effettuazione di indagini enzimatiche mirate .

Le indagini enzimatiche sono indispensabili per la conferma diagnostica dei vari difetti biochimici, vengono generalmente svolti su fibroblasti o su linfoblasti. Dal punto di vista tecnico, per lo studio dell’attività delle differenti acil-CoA deidrogenasi è preferibile il metodo basato sulla riduzione dell’ETF rispetto ad altri che utilizzano substrati non naturali. La precisa definizione del difetto enzimatico è inoltre 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, come riscontrato per il deficit di MCAD e di LCHAD, ed hanno fornito un’importante contributo per la diagnosi prenatale.

La diagnosi differenziale dei difetti di ossidazione degli acidi grassi va fatta rispetto a numerose cause morbose sia primitive (congenite) che secondarie.
Fra le prime vanno ricordate le acidurie organiche, le iperammoniemie primitive, le glicogenosi, le ipoglicemie soprattutto se “ipochetotiche” (iperinsulinismi), alcune miopatie e cardiomiopatie genetiche (metaboliche e strutturali), ecc.
Fra le forme secondarie particolare attenzione va posta alla Sindrome di Reye, ad alcuni tipi di intossicazione da farmaci (valproato, salicilati, pivamcillina), alla sindrome da vomito Jamaicano indotta dalla ipoglicina A, alle epatiti fulminanti, ecc.

Non vanno dimenticati alcuni esami strumentali di base quali l’ecografia cardiaca ed epatica, l’elettrocardiogramma, l’esame del fondo oculare, lo studio della velocità di conduzione nervosa, nonché indagini bioptiche su tessuto epatico e muscolare che permettono una migliore definizione del quadro clinico nei pazienti in cui è posto il sospetto diagnostico.

Aspetti terapeutici

Come per altri disturbi del metabolismo intermedio, la terapia nei pazienti con difetto della ossidazione degli acidi grassi può essere suddivisa in due momenti principali: quello della fase acuta ed il trattamento a lungo termine.

In tutti i pazienti che presentano quadri clinici acuti con grave ipoglicemia ipochetotica (sindromi simil-Reye) o mioglobinuria il trattamento è mirato ad arrestare il catabolismo lipidico endogeno responsabile del quadro di scompenso. L’infusione endovenosa di soluzioni concentrate di glucosio, eventualmente associato a terapia insulinica, costituisce l’unico strumento in grado di sopprimere la lipolisi; nei casi in cui sia presente una carenza di carnitina, primitiva o secondaria, è inoltre indicato il trattamento sostitutivo sempre per via endovenosa.
Qualora sia presente un quadro di coma con grave compromissione epatica non rispondente alla terapia conservativa può essere indicato il trattamento dialitico per rimuovere le sostanze tossiche accumulate.
Nei difetti di ossidazione degli acidi grassi a catena lunga l’uso della carnitina è tuttora dibattuto per il pericolo di un effetto cardiotossico operato dalle acilcarnitine a catena lunga.

Il trattamento a lungo termine dei pazienti è basato su alcuni principi fondamentali:
§         evitare il digiuno prolungato e lo sforzo muscolare eccessivo;
§         istituire una terapia dietetica basata su pasti frazionati ricchi di carboidrati complessi e povera di grassi;
§         ove utilizzabile ed in funzione del difetto enzimatico, terapia con riboflavina e carnitina.

La dietoterapia può prevedere l’uso, come in alcune forme di glicogenosi, dell’amido di mais crudo e, nei difetti a carico del metabolismo degli acidi grassi a catena lunga, l’impiego di trigliceridi a catena media (MCT).

Nel deficit di proteina trifunzionale l’aggiunta di acido decosaexanoico (DHA), un acido grasso polinsaturo estratto dal fegato di merluzzo, sembra efficace nella terapia e prevenzione della neuropatia e della retinopatia.

Nella idrossimetilglutarico aciduria è indicata una dieta a basso contenuto di leucina.

Nel deficit primario di carnitina la dose di carnitina può arrivare ai 3-5 grammi al giorno mentre, nelle altre patologie che causano un difetto secondario, il dosaggio raccomandato è di circa 100 mg/kg. L’impiego della riboflavina è limitato ai casi rispondenti di aciduria glutarica di tipo secondo.

L’obiettivo primario del trattamento è quello di impedire e prevenire gli episodi di scompenso metabolico; durante il follow-up, il monitoraggio dei pazienti è basato sulla combinazione di valutazioni cliniche, biochimiche e strumentali.

Le indagini biochimiche di primo livello comprendono glicemia, acidi grassi liberi (NEFA), uricemia, ammoniemia, emogasanalisi, transaminasi, creatin chinasi (CK).
Le indagini di secondo livello si basano sul dosaggio dei corpi chetonici della carnitina plasmatica, totale e libera, e sulla valutazione degli acidi organici urinari e delle acilcarnitine plasmatiche.
Le indagini strumentali sono soprattutto indicate per i pazienti che presentano patologia d’organo, epatica o cardiaca, e comprendono l’ecografia epatica e cardiaca, nel deficit di proteina trifunzionale vanno monitorizzati sia il fondo oculare (retinite pigmentosa) che la velocità di conduzione nervosa.

La prognosi dei pazienti è variabile ed è strettamente correlata alle manifestazioni cliniche individuali:
nei casi con sindromi a tipo Reye l’esito è spesso infausto già all’esordio e il rischio di danni neurologici permanenti è elevato, nel deficit primario di carnitina la terapia sostitutiva è risolutiva, il deficit di CPT 2, la glutarico aciduria tipo secondo ad esordio neonatale e il deficit di carnitina acilcarnitina translocasi hanno quasi sempre esito infausto mentre per alcuni casi di deficit di proteina trifunzionale a decorso più positivo è stata ipotizzata una correlazione con mutazioni più favorevoli.

Che cos’è l’acetone?

La produzione di energia nell’organismo si ottiene principalmente attraverso l’utilizzo degli zuccheri oltre che dalla degradazione dei grassi, quota destinata prevalentemente a muscoli, cuore e cervello.

Durante quest’ultimo processo metabolico si ha la produzione e il passaggio nel sangue di corpi chetonici: acetone, acido acetoacetico e 3-idrossi-butirrico.

Tale condizione fisiologica diventa patologica ogni qual volta l’organismo è costretto a produrre energia ricorrendo soprattutto ai grassi e determinando l’aumento nel sangue dei corpi chetonici (iperchetonemia) fino al raggiungimento di livelli tossici.

Nel tentativo di ridurne la concentrazione nel sangue, l’organismo inizia ad eliminare con le urine gli acidi acetoacetico e il 3-idrossi-butirrico (possono essere evidenziati nelle urine con le comuni strisce di reagente acquistabili nelle farmacie) e, attraverso i polmoni, l’acetone: quest’ultimo a contatto dell’aria emana il caratteristico odore di frutta matura.

Quando
può comparire l’acetone?

L’acetone e i corpi chetonici si formano in tutte le condizioni in cui si attiva un intenso ricorso ai grassi e in particolare:
§          nei digiuni prolungati;
§          durante gli “stress” infettivi febbrili che possono provocare sia l’aumento della secrezione di ormoni che metabolizzano i grassi (catecolamine, cortisolo, ormone della crescita e glucagone) che il rifiuto del cibo;
§          nelle diete ricche di grassi per la formazione massiva di chetoni prodotti durante il loro metabolismo;
§          in condizioni di carenza di insulina per il ruolo insostituibile di questo ormone nel trasporto del glucosio all’interno delle cellule dove avvengono i processi di produzione energetica (diabete);
§          dopo sforzi intensi e prolungati.

Cause più rare di iperchetonemia sono i difetti congeniti del metabolismo e l’avvelenamento da alcool etilico e salicilati.

Quali sono i sintomi della crisi acetonemica?

Spesso la comparsa dell’odore caratteristico dell’alito è il primo sintomo rilevabile.

L’accumulo progressivo di chetoni nel sangue provoca poi un senso generale di malessere con la comparsa di vomito, mal di pancia, mal di testa, occhi cerchiati, volto affilato, lingua asciutta e intensamente patinosa, mucose disidratate, respiro profondo e frequente, fino a giungere, in rarissimi casi, alla comparsa di alterazioni della coscienza.

Come si può curare?

La ripetuta somministrazione di bevande zuccherate e senza grassi (thè, camomilla, bibite senza gas aggiunti; da evitare latte e yoghurt) permette di ridurre progressivamente la degradazione dei grassi e, quindi, la produzione di chetoni.

Tale terapia può essere però ostacolata dalla comparsa di vomito per cui si consiglia di proporre al bambino le bevande a piccole dosi ripetute e, nel caso in cui persista il vomito, di somministrare farmaci antiemetici.

In questo modo, nell’arco di 24-48 ore, si vedrà la progressiva riduzione dei chetoni nelle urine (strisce di reagente) e il miglioramento delle condizioni generali tanto da permettere la rialimentazione che dovrà, comunque, restare per alcuni giorni a basso contenuto di grassi.

In tutti i casi in cui si osserva un peggioramento della sintomatologia e la persistenza della chetonuria, si rende necessario il ricorso alla struttura ospedaliera sia per escludere la presenza di una patologia più seria, che per poter risolvere la crisi acetonemica grazie alla reidratazione e alla somministrazione di zuccheri direttamente endovena.

Per prevenire la comparsa di ulteriori crisi nei bambini che ne sono periodicamente vittime, è opportuno:
§          mantenere costantemente una dieta ricca in carboidrati complessi (pasta) la cui digestione libera lentamente, e per ore, glucosio nel lume intestinale e,
§          ridurre fortemente i grassi nella dieta (latte intero, burro, formaggi, fritti, carni grasse, cioccolato e insaccati).

Ormoni

Catecolamine: ormoni secreti dal surrene in risposta allo stress, determinano aumento della glicemia, della pressione e della frequenza cardiaca.

Cortisolo: ormone prodotto dal surrene, determina aumento della glicemia, della pressione.

Glucagone: ormone prodotto dal pancreas, stimola l’aumento della glicemia.

Ormone della crescita: ormone prodotto dall’ipofisi, supporta l’accrescimento nel bambino e nel giovane, aumenta la glicemia.

Principi biochimici

Manifestazioni Cliniche

Aspetti diagnostici

Aspetti terapeutici

Le iperammoniemie ereditarie

Le iperammoniemie ereditarie comprendono sia difetti enzimatici primitivi del ciclo dell’urea che difetti del trasporto degli aminoacidi dibasici; vanno distinte dalle forme secondarie causate da disfunzioni epatiche di varia origine e da altri errori congeniti del metabolismo, quali le acidurie organiche e i difetti dell’ossidazione degli acidi grassi.

La ridotta sintesi di urea, che rappresenta nell’uomo la principale via di escrezione dell’azoto, porta all’accumulo tossico nei fluidi biologici di ioni ammonio.

Principi biochimici

Esistono difetti congeniti a carico di ciascun enzima del ciclo dell’urea mentre, nei difetti di trasporto degli aminoacidi dibasici (sindrome HHH e Intolleranza alle proteine con lisinuria), la carenza selettiva di substrati ne determina un impedimento secondario.

I primi tre enzimi (NAGS, CPS e OTC) sono intramitocondriali, gli altri sono tutti citoplasmatici.
Gli enzimi del ciclo dell’urea sono attivi principalmente negli epatociti e, in misura molto minore, negli enterociti e nelle cellule dell’epitelio renale.

L’azoto ammoniacale proveniente sia dalle proteine esogene assunte con la dieta che da quelle derivanti dal catabolismo endogeno, genera ammoniaca e successivamente carbamilfosfato.

L’enzima deputato è il carbamilfosfato sintetasi (CPS) che viene a sua volta attivato dal N-acetilglutammato, prodotto per azione della N-acetil-glutammato sintetasi (NAGS). Il carbamilfosfato legandosi all’ornitina forma la citrullina attraverso l’azione dell’ornitin-transcarbamilasi (OTC).
La citrullina attraversa la membrana mitocondriale e, insieme all’acido aspartico, porta alla formazione dell’acido argininosuccinico per azione della arginosuccinato sintetasi (AS); l’acido argininosuccinico viene a sua volta convertito in arginina e acido fumarico, la reazione è catalizzata dall’argininosuccinato liasi (AL).

Al termine di queste reazioni, attraverso l’arginasi, l’arginina si trasforma in  urea ed ornitina. Quest’ultima, attraverso un carrier specifico, rientra nei mitocondri e si rende di nuovo disponibile per la conversione in citrullina. Ogni molecola di urea contiene due molecole di azoto, una derivante dall’ammoniaca ed una dall’acido aspartico.

Per ciascuna delle suddette tappe biochimiche corrisponde nell’uomo un difetto enzimatico ereditario che è causa di  accumulo di ammoniaca che esplica un’azione tossica a carico del sistema nervoso centrale attraverso meccanismi che coinvolgono la sintesi dei neurotrasmettitori ed il metabolismo energetico cellulare.
Un altro metabolita che viene ad accumularsi è la glutammina, che esplica la sua azione con meccanismo osmotico favorendo il rigonfiamento degli astrocti cui consegue l’edema cerebrale.

Con l’eccezione del deficit di CPS e di NAGS, tutte le altre condizioni di mancato funzionamento del ciclo dell’urea causano l’accumulo di carbamilfosfato che legandosi all’acido aspartico entra nella via di sintesi de novo delle pirimidine per formare l’acido orotico. Quest’ultimo metabolita, come vedremo in seguito, riveste una particolare importanza nella definizione diagnostica delle varie condizioni morbose.

Nella intolleranza alle proteine con lisinuria, a causa dell’aumentata escrezione renale e del ridotto assorbimento intestinale degli aminoacidi dibasici (lisina, ornitina, arginina), si instaura una condizione selettiva di  carenza di substrati che è responsabile di un blocco funzionale del ciclo dell’urea.

Con l’eccezione del deficit di OTC, tutte le altre iperammoniemie primitive sono ereditate con meccanismo autosomico recessivo.
Il deficit di OTC è trasmesso con eredità legata al cromosoma X; la malattia colpisce i maschi in forma generalmente letale, mentre nelle femmine portatrici, in base al meccanismo di inattivazione del cromosoma X , esistono fenotipi clinici estremamente variabili.

Per il CPS, l’OTC, la AS e la AL sono note sia la localizzazione cromosomica che la sequenza genica.

Manifestazioni Cliniche

Le iperammoniemie primitive possono esordire in differenti fasce di età, da quella neonatale a fino a quella adulta.
La severità del quadro clinico e l’epoca di insorgenza sono generalmente correlabili all’entità del difetto biochimico: le forme più precoci e con sintomatologia più grave sono causate da difetti severi mentre, nei casi ad esordio tardivo e con sintomatologia intermittente, l’enzima deficitario ha generalmente un’attività residua  in grado di rendere funzionante, seppure in maniera ridotta, la via metabolica.

La malattia più frequente è il deficit di OTC.
La sintomatologia è molto spesso aspecifica e sovrapponibile nelle varie condizioni morbose e le manifestazioni cliniche interessano principalmente il sistema nervoso centrale con presenza di sintomi oscillanti dalla letargia/irritabilità fino al coma.
Oltre ai sintomi neurologici sono abbastanza caratteristici quelli legati al comportamento alimentare con tendenza al rifiuto per i cibi proteici.

Nelle forme neonatali vi è generalmente un intervallo libero fra la nascita e l’inizio della sintomatologia.
Questa può comprendere vomito, rifiuto per l’alimentazione, ipo-ipertonia, convulsioni, coma, ipotermia, alcalosi respiratoria, insufficienza epatica con deficit della coagulazione; l’ecografia cerebrale può mostrare una diffusa iperecogenicità della sostanza bianca causata dall’edema cerebrale. La morte, causata generalmente da emorragie cerebrali o polmonari, può sopraggiungere nel giro di pochi giorni se non vengono instaurate immediate e specifiche misure terapeutiche.

La prognosi in questi casi è severa e, nei maschi con deficit di OTC, è quasi sempre infausta. A causa della aspecificità della sintomatologia il quadro clinico può essere confuso con altre patologie di più frequente riscontro quali la sepsi, il distress respiratorio, l’iperammoniemia transitoria del pretermine, ecc.

Nelle forme ad esordio più tardivo, nella prima e seconda infanzia, il quadro clinico è molto variabile.
Le manifestazioni possono avere un andamento intermittente con episodi ciclici di vomito, cefalea, irritabilità alternata a sopore, atassia, letargia, segni piramidali, convulsioni  e coma in concomitanza con l’elevazione dei valori ammoniemici.

L’iperammoniemia è spesso causata da episodi febbrili intercorrenti o da una eccessiva  introduzione di proteine con la dieta. Possono essere inoltre presenti ritardo mentale di entità variabile e turbe comportamentali con note di aggressività. Le abitudini alimentari si contraddistinguono per una spiccata avversione per i cibi ad alto contenuto proteico; sono inoltre osservabili quadri aspecifici di interessamento epatico con epatomegalia ed alterazioni funzionali.

Come per le forme ad esordio neonatale,
il comportamento clinico può evocare situazioni di più frequente riscontro quali il reflusso gastro esofageo, l’intolleranza alimentare, epatopatie ad incerta etiologia, l’emicrania, tumori endocranici e altre patologie di tipo neuropsichiatrico.
Particolare rilievo assume il dato anamnestico di andamento ciclico della sintomatologia e, nel caso del deficit di OTC, la presenza nel gentilizio materno di individui di sesso maschile con analoga sintomatologia o con morte nei primi giorni di vita. L’assunzione di valproato può slatentizzare una iperammonia congenita con gravi conseguenze.

Nei casi ad esordio più tardivo, nella adolescenza o in età adulta, va ricordata la possibilità di insorgenza di coma iperammoniemico in seguito ad anestesia generale o nel periodo del puerperio. La sintomatologia può comunque comprendere alcune delle manifestazioni presenti nell’infanzia e l’esordio tardivo è caratteristico dei soggetti di sesso femminile eterozigoti del deficit di OTC.

Va inoltre ricordato che il deficit di OTC può manifestarsi al di fuori dell’epoca neonatale e fino all’età adulta, in soggetti di sesso maschile affetti da una variante più benigna del deficit che, se prontamente riconosciuta e trattata, si associa a prognosi favorevole.

Alcune delle iperammoniemie ereditarie presentano quadri clinici più specifici che possono facilitarne l’inquadramento diagnostico
L’argininemia, dovuta al deficit di arginasi, è una malattia di raro riscontro; la sintomatologia ha un andamento tendenzialmente subacuto o cronico con  deterioramento intellettivo associato a progressiva spasticità, andatura atassica, coreoatetosi e clonie.

La argininosuccinico aciduria, dovuta al deficit di AL, si caratterizza per la presenza di una trichorrexis nodosa dei capelli e per una più grave compromissione epatica caratterizzata da fibrosteatosi, spesso accompagnata da ipertrigliceridemia. L’origine di tali sintomi è probabilmente imputabile alla cronica intossicazione di arginina piuttosto che all’effetto diretto dell’iperammoniemia.

La sindrome HHH (iperammoniemia, iperornitinemia, omocitrullinuria) si caratterizza per la presenza di alterazioni della coagulazione, disturbi piramidali e clonie.

Per la peculiarità del quadro clinico, un capitolo a parte meriterebbe l’intolleranza alle proteine con lisinuria. Questa sindrome è infatti estremamente eterogenea:
ai classici sintomi dell’iperammoniemia, che si manifestano il più delle volte in maniera sfumata con avversione per i cibi proteici, sono associate manifestazioni sistemiche la cui etiologia rimane tuttora oscura; queste possono comprendere alterazioni ossee con grave osteoporosi, pneumopatia interstiziale, nefropatia, disturbi immunitari con gravi manifestazioni autoimmuni, anemia con eritroblastofagocitosi midollare, epatosplenomegalia e presenza di livelli plasmatici elevati della lattico deidrogenasi (LDH), della ferritina e della TBG.
Il quadro clinico può essere a volte confuso con quello delle malattie lisosomiali e la morbilità e la mortalità è strettamente dipendente dall’entità delle manifestazioni sistemiche.

Aspetti diagnostici

Il riconoscimento precoce delle iperammoniemie ereditarie è fondamentale per il miglioramento della prognosi dei pazienti.

Nei casi a presentazione acuta si osserva costantemente un’elevazione dell’ammoniemia, mentre, per la definizione delle singole condizioni morbose, è necessario lo studio del profilo degli aminoacidi plasmatici ed urinari e la ricerca dell’acido orotico nelle urine.
Fanno eccezione i due primi difetti enzimatici, CPS e NAGS, in cui la diagnostica definitiva è basata esclusivamente sul dosaggio enzimatico da effettuarsi su tessuto epatico per la mancanza di marcatori nei liquidi biologici; può risultare utile testare in vivo la risposta al carbamilglutammato che risulta positiva nel deficit di NAGS.

La Tabella 1 riassume le caratteristiche salienti dei  singoli difetti biochimici in rapporto agli aminoacidi e all’acido orotico . Come osservabile, alterazioni quantitative dei singoli aminoacidi permettono di definire la maggior parte  delle differenti condizioni morbose: la citrullina nel deficit di AS (citrullinemia), l’acido argininosuccinico e le sue anidridi (e la citrullina) nel deficit di AL (argninosuccinico aciduria), l’arginina nel deficit di arginasi (argininemia).

Per i difetti di trasporto degli aminoacidi è necessario invece lo studio combinato degli aminoacidi plasmatici ed urinari: l’aumento dell’ornitina plasmatica associata alla presenza di omocitrullina nelle urine è caratteristico della sindrome iperammoniemia, iperornitinemia, omocitrullinuria (sindrome HHH); nella intolleranza alle proteine con lisinuria (LPI), è presente una perdita selettiva degli aminoacidi dibasici con riscontro di elevati livelli urinari e ridotti livelli plasmatici di lisina, arginina ed ornitina.

In tutte queste condizioni le alterazioni del profilo aminoacidemico  sono persistenti mentre l’aumentata escrezione urinaria di acido orotico è rilevabile soprattutto in concomitanza di episodi di scompenso biochimico con iperammoniemia.

Nel deficit di ornitina transcabramilasi (OTC), che rappresenta la malattia più frequente, le alterazioni biochimiche sono di più difficile interpretazione per la mancanza di marcatori specifici del profilo aminoacidemico. Nelle fasi critiche di scompenso metabolico si osserva un aumento dei livelli plasmatici della glutammina ed una riduzione della citrullina e dell’arginina, l’escrezione urinaria di acido orotico è aumentata (Tabella 1).

Nelle fasi intercritiche, lontane cioè dallo scompenso metabolico iperammoniemico, i soggetti con deficit di OTC mostrano invece un profilo biochimico pressoché normale. Per gli individui con storia clinica o con anamnesi familiare suggestiva di questa forma morbosa, sono stati utilizzati vari test diagnostici atti a svelare la presenza della malattia al di fuori di un episodio di scompenso. Rispetto ai test da stimolo con carico di proteine o di aminoacidi singoli (alanina), rivelatisi pericolosi per la possibilità di indurre una iperammoniemia anche grave, è stato più recentemente messo a punto un test indiretto non tossico basato sulla somministrazione di allopurinolo.

Quest’ultimo agendo da inibitore enzimatico della via di sintesi delle pirimidine è in grado di indurre un aumento dell’escrezione urinaria di acido orotico ed orotidina  senza provocare elevazioni dell’ammoniemia .
Tale test è utilizzabile negli studi familiari anche per l’individuazione delle eterozigoti asintomatiche, tuttavia falsi negativi possono osservarsi in soggetti con grado favorevole di inattivazione del cromosoma X.
Per questi casi la definizione diagnostica va allora affidata all’indagine molecolare; va comunque ricordato che, come per altre patologie trasmesse con meccanismo X-linked, non sono infrequenti i casi di mutazioni ex novo.

La diagnosi prenatale è possibile in per quasi tutte le forme morbose: essa si basa per la citrullinemia, l’argininosuccinico aciduria, la sindrome HHH e la intolleranza alle proteine con lisinuria su studi biochimici da effettuarsi su villi coriali o amniociti.

Nel deficit di OTC, l’indagine prenatale si effettua con analisi molecolare diretta (indagine mutazionale) o indiretta (polimorfismi di restrizione).

Per deficit di CPS è da poco possibile l’indagine molecolare, mentre per l’argininemia sono disponibili sia lo studio molecolare che il dosaggio biochimico su sangue fetale.

La diagnosi differenziale delle iperammoniemie primitive va fatta con numerose altre malattie metaboliche caratterizzate da iperammoniemie e che mostrano quadri clinici simili, fra queste vanno menzionate le acidemie organiche, i difetti della ossidazione degli acidi grassi e il difetto di purifico carbossilasi.

Le forme acquisite di iperammoniemia comprendono, la sindrome di Reye, l’intossicazione da valproato, le epatiti acute, patologie vascolari malformative, l’iperammoniemia transitoria del pretermine, le infezioni urinarie sostenute da germi produttori di ureasi.

Aspetti terapeutici

Lo scopo principale della terapia nelle iperammoniemie ereditarie è quello di mantenere una condizione di compenso biochimico che impedisca l’insorgere di danni neurologici permanenti o la morte dei pazienti.

Il trattamento è basato sulla combinazione di una dieta ipoproteica integrata con aminoacidi e farmaci che favoriscono l’escrezione dell’azoto attraverso vie alternative al ciclo dell’urea. Poiché i pazienti presentano sia all’esordio che al follow-up crisi di scompenso metabolico con iperammoniemia, il trattamento può essere differenziato in due capitoli principali: l’emergenza ed il mantenimento.

Trattamento di emergenza

Le crisi di scompenso possono manifestarsi in tutte le fasce di età ma più frequentemente vengono osservate in epoca neonatale.
Nel neonato l’iperammoniemia compare generalmente con un periodo di intervallo libero di alcune ore dopo il parto; nelle forme più tardive le crisi sono favorite da episodi febbrili intercorrenti o da un ccessivo apporto proteico. Una volta individuato un paziente in coma iperammoniemico è indispensabile che le procedure diagnostiche (aminoacidi, acido orotico, acidi organici) procedano in parallelo trattamento. A causa dell’estrema tossicità dell’ammonio su sistema nervoso centrale è stato dimostrato che un coma di durata superiore alle 48 ore è sempre seguito da danni neurologici permanenti.

Come semplificato nella Tabella 2, la prima fase del protocollo di terapia prevede la sospensione dell’apporto di proteine, il mantenimento di un adeguato apporto calorico e l’infusione endovenosa di arginina; in questa prima fase prediagnostica si impiegano anche farmaci attivi nelle acidurie organiche.

I primi due punti sono essenziali per la riduzione dell’apporto di azoto che deriva sia dalle proteine esogene ma anche da quelle di origine endogena, ne consegue quindi che la prevenzione del catabolismo con un adeguato apporto calorico riveste una particolare importanza.

L’arginina, che appartiene al gruppo degli aminoacidi non esssenziali, con la rara l’eccezione dell’argininemia è sempre carente nei pazienti con difetto del ciclo dell’urea; l’arginina inoltre agisce come attivatore deella N-acetilglutammato sintetasi favorendo la produzione del carbamilfosfato.

L’escrezione dell’azoto attraverso l’attivazione di vie altrnative si ottiene principalmente con l’impiego del benzoato e del fenilbutirrato: questi composti si legano rispettivamente alla glicina e alla glutammina formando acido ippurico e fenilacetilglutammina che vengono rapidamente eliminati con le urine .
Una mole di benzoato è in grado di sottrarre al pool azotato una mole di azoto mentre una  mole di fenilbutirrato ne sottrae due.

L’impiego di questi farmaci, che per la loro attivazione utilizzano acetil-CoA e carnitina, è controindicato nelle acidemie organiche.
Qualora il paziente non risponda entro le prime ore a questa prima fase del trattamento è indispensabile utilizzare tecniche di depurazione extracorporea per favorire l’eliminazione dell’ammonio; queste comprendono la dialisi peritoneale, l’emofiltrazione e l’emodialisi.

Terapia di mantenimento

Il trattamento a lungo termine dei pazienti con iperammoniemie primitive prevede alcuni principi validi per tutte le malattie ed altri specifici per ciascuna forma morbosa.
La dieta ipoproteica va individuata con attenzione per ciascun paziente ed in considerazione delle varie fasce d’età: nel primo anno di vita l’apporto proteico è maggiore (1.0-1.8 g/kg/die) e diminuisce progressivante durante l’infanzia (1.0 g/kg/die) con un ulteriore riduzione dopo l’adolescenza (3). È comunque raccomandabile nei i primi due anni di vita limitare strettamente l’apporto proteico per evitare elevazioni dell’ammoniemia mantenedo sotto stretto controlllo la curva di crescita (rischio di eccesso di trattamento);
negli anni successivi fino alla pubertà, va invece calcolata la tolleranza massima individuale per l’azoto; nel periodo puberale, per il rischio di ricomparsa di instabilità metabolica, l’apporto di proteine va nuovamente limitato.

La limitazione delle proteine naturali può essere integrata con prodotti dietetici a base di aminoacidi essenziali. È dispensabile che la dieta sia adeguatamente bilanciata nell’apporto calorico per prevenire l’insorgenza di condizioni di catabolismo.
La sola dietoterapia non è comunque quasi mai sufficiente per un adeguato trattamento dei pazienti.

Come già accennato nel paragrafo relativo al trattamento di emergenza un altro fondamentale cardine della terapia è l’impiego di farmaci che favoriscono l’attivazione delle vie alternative dell’escrezione azotata. Il benzoato di sodio viene utilizzato per via orale alla dose di 100-250 mg/kg/die; il fenilbutirrato, di più recente impiego, è usato agli stessi dosaggi del benzoato. Entrambi i farmaci sono utilizzabili da soli o in combinazione e non risultano tossici, fra gli effetti indesiderati vanno ricordati il vomito e la perdita di appetito, il fenilbutirrato ha un sapore particolarmente sgradevole che spesso ne limita l’impiego.

La supplementazione con aminoacidi è specifica per ciascuna malattia.

Nei deficit di OTC, CPS e NAGS è indispensabile il trattamento con arginina preferibilmente  in combinazione con la citrullina; entrambi questi aminoacidi risultano carenti e la citrullina offre il vantaggio di rimuovere una mole suplementare d’azoto proveniente dall’acido aspartico, il dosaggio va individuato per ciascun paziente ed oscilla dai 100 ai 250 mg/kg/die.

Nella citrullinemia e nell’argininosuccinico aciduria è deficitaria la sola arginina e la dose raccomandata varia dai 250 ai 500 mg/kg/die (le quantità maggiori sono consigliate nella argininosuccinico aciduria).

Nella sindrome HHH la citrullina è preferibile all’arginina e all’ornitina per i per gli effetti sulla sintesi di creatina; nella intolleranza alle proteine con lisinuria, nonostante la presenza di livelli plasmatici spesso aumentati, è indicato il trattamento con citrullina.

Altri farmaci raccomandati nel trattamento delle iperammoniemie primitive sono il carbamilglutammato nel deficit di NAGS, il citrato nell’argininosuccinico aciduria, l’acido folico e la piridossina per i pazienti che assumono benzoato . Per le complicanze sistemiche, probabilmente sostenute da meccanismi autoimmuni, della intolleranza alle proteine con lisinuria sono state proposte sia la terapia cortisonica che quella con immunoglobuline endovena. 

Un presupposto essenziale al trattamento a lungo termine dei pazienti è quello della necessità di un attento monitoraggio clinico e biochimico. Vanno controllati i parametri auxologici, la maturazione ossea, lo sviluppo intellettivo e le neuroimmagini.

Le indagini di laboratorio comprendono esami di primo e secondo livello per il monitoraggio degli indici biochimici e nutrizionali: ammoniemia e aminoacidi su profilo diurno, transaminasi, colinesterasi, bilirubina, albumina, sodio, calcio, fosfatasi alcalina e acido orotico. Vanno individuate e prontamente trattate le condizioni carenziali (vitamine, oligoelementi); il livello plasmatico della glutammina non deve superare le 800 mmol/L; nei pazienti in trattamento con citrullina o arginina, il livello plasmatico della arginina deve mantenersi fra 80 e 150  mmol/L; un buon indicatore dell’apporto di aminoacidi essenziali è la treonina il cui livello deve essere superiore a 80 mmol/L.

Per alcuni casi selezionati di iperammoniemia primitiva che presentavano una estrema instabilità biochimica o quadri fulminati iperacuti è stato effettuato il trapianto fegato mentre è già in fase di avanzata sperimentazione la terapia genica per il deficit di OTC

NAGS

CPS

OTC

CITR

ASA

ARG

HHH

LPI

PLASMA

glutammina

­­

­­

­­

­­

­­

­­

­­

­­

alanina 

n­

n­

n­

n­

n­

n­

n­

n­

citrullina

¯

¯

¯

­­­

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n

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arginina

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¯

¯

¯

¯

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¯

¯

argininosuccinato

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-

-

-

ornitina

n

n

n

n

n

n

­­­

¯

lisina

n

n

n

n

n

n

n¯

¯

URINE

acido orotico

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-

­­

­­

n­

n­

­

n­

lis - arg - orn

-

-

-

-

-

arg­

orn­

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omocitrullina

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-

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-

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-

Sospensione dell’apporto proteico

Terapia antiedemia cerebrale (no nel neonato): mannitolo, evitare cortisonici

Blocco del catabolismo: soluzione glucosata e.v. (# 70 cal/kg)

Se non sono state escluse acidurie organiche: idrossicobalamina 1 mg, biotina 10 mg, tiamina 300 mg, carnitina 100-300 mg/kg

Arginina e.v. 250 mg/kg in 2 ore; mantenimento 250-500 mg/Kg/die in 24 ore

Solo nelle iperammoniemie primitive: benzoato di sodio e.v. 3% 250 mg/kg in 2 ore; mantenimento 250-500 mg/kg in 24 ore