Malattia di Pompe: svolta per nuove terapie / Pompe disease: turning to new therapies

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Le glicogenosi sono un gruppo di malattie metaboliche rare che colpiscono un bambino su 100.000 nati. Sono dovute alla carenza o al deficit funzionale di uno degli enzimi coinvolti nel metabolismo del glicogeno, il polisaccaride che funge da deposito e da riserva per le molecole di glucosio, che l'organismo utilizza prontamente in caso di bisogno di energia. Un accumulo di glicogeno nei tessuti (fegato, muscoli, rene, cervello) provoca gravi alterazioni organiche. Le persone affette da glicogenosi, non potendo utilizzare i propri depositi di zuccheri, sono costrette a mangiare continuamente sia di giorno che di notte per evitare di cadere in ipoglicemia, con possibile insorgenza di convulsioni e coma, pertanto richiedono una continua e attenta sorveglianza.

I difetti enzimatici alla base delle glicogenosi sono causati da errori del genoma, che si trasmettono per via ereditaria come fenotipo autosomico recessivo, tranne il tipo VIII, che si eredita come fenotipo recessivo legato al cromosoma X.

Attualmente si conoscono 8 forme di glicogenosi:

• GSD tipo I: è una forma severa che colpisce 1/centomila abitanti, l'enzima mancante è il G6P-fosfatasi presente solo nel fegato; i soggetti affetti da questa patologia non possono resistere al digiuno, andando incontro velocemente ad una crisi ipoglicemica. il G6P-fosfatasi è l'unico enzima in grado di convertire il glicogeno in glucoso, è l'unico enzima del glicogeno all'interno del reticolo endoplasmatico, è presente solo nel fegato e in piccole percentuali nel rene, idrolizza anche il carbamil fosfato e il pirofosfato, si forma nel citosol e un trasportatore lo veicola al RE. Tuttavia in alcune glicogenosi di tipo I il G6P-fosfatasi può essere presente ma viene a mancare il trasportatore di questo che lo veicola al RE. I sintomi che caratterizzano questo tipo di glicogenosi sono: ipoglicemia a digiuno, epatomegalia (dovuta ad un aumento del glicogeno nel fegato), ritardata crescita nell'adolescenza, iperlipidemia con possibile steatosi, aumento dei corpi chetonici e un aumento degli acidi grassi in circolo (perché l'ipoglicemia induce formazione di corpi chetonici, prodotti a partire dagli acidi grassi mobilizzati dal tessuto adiposo). Esistono forme diverse di glicogenosi di tipo I:
  • Ia dove è assente l'unità catalitica di G6P-fosfatasi;
  • IaSP dove manca una proteina che stabilizza l'enzima;
  • Ib manca il trasportatore per il RE;
  • Ic manca il trasportatore di Pi e PP;
  • Id manca il trasportatore del glucoso dal citosol al reticolo.
• GSD tipo II: malattia di Pompe, o deficit di maltasi acida. L'enzima mancante è l'alpha1-4glucosidasi, questo enzima non è specifico per il glicogeno ma idrolizza anche i legami del maltoso (disaccaride costituito da due molecole di glucosio con legame alpha1-4glucosidico) e tutti gli altri materiali aventi questo tipo di legame. L'accumulo si presenta a carico di tutti i tessuti ma soprattutto a livello del fegato e del muscolo scheletrico. Non si riscontrano alterazioni dell'omeostasi glicemica. Esiste una forma infantile severa caratterizzata da cardiomegalia, ipotonia muscolare ed epatomegalia, in questo caso il decesso del paziente si riscontrerà entro i primi 2-3 anni di vita.
• GSD tipo III: riproduce anche se in forma più lieve i sintomi di quella di tipo I. L'enzima mancante è l'enzima deramificante, quindi il glicogeno riesce ad essere degradato solo parzialmente e il quantitativo di glucoso liberato sarà ridotto. Si instaura un aumento di glicogeno epatico e muscolare, caratterizzato da numerose ramificazioni e catene laterali molto corte. È necessario seguire una dieta controllata.
• GSD tipo IV: è tra le più rare di tutte le glicogenosi, l'enzima mancante è l'enzima ramificante (glucosil4-6transferasi), l'assenza di questo comporta una sintesi anomala di glicogeno con scarse ramificazioni e quindi poco solubile. Le manifestazioni cliniche sono: epatomegalia, cirrosi con ipertensione portale, ipotono muscolare e morte nei primi 2-3 anni di vita. È una patologia multi sistemica, quindi, il trapianto di fegato a lungo termine non è ancora noto.
• GSD tipo V: deficit di fosforilasi muscolare, malattia di McArdle si manifesta in individui nella seconda-terza decade, in soggetti che presentano una storia di mioglobinuria, dolori e crampi muscolari.
• GSD tipo VI: deficit di fosforilasi epatica, malattia di Hers può essere:

X-Linked: con un deficit dell'attività fosforil.chinasica del fegato;
Autosomica: o con deficit dell'attività fosforil-chinasica a carico di fegato e muscolo o con deficit dell'attività fosforilasica del fegato.

• GSD tipo VII: deficit di fosfofruttochinasi muscolare, malattia di Tarui, il compito di questo enzima è quello di convertire il F6P in F1,6BP. È un enzima chiave nella regolazione della glicolisi. Manifestazioni cliniche sono: affaticamento muscolare e intolleranza all'esercizio fisico.
• GSD tipo VIII: caratterizzata dalla presenza dell'enzima fosforilasi epatica ma in forma inattiva. Manifestazioni cliniche sono: epatomegalia presente dalla prima infanzia e progressiva cerebropatia degenerativa.

I tipi I, II, III sono le forme più frequenti, coprendo più del 90% dei casi. I soggetti affetti da glicogenosi devono alimentarsi almeno due volte durante la notte. Ciò comporta un sonno non sereno né per loro né per i loro genitori o chi gli sta accanto. Per ovviare a ciò può essere utilizzata la nutrizione enterale notturna, che consente al piccolo di riposare serenamente. Ciò richiede l'applicazione di un sondino naso-gastrico, cioè un tubicino che attraverso la narice raggiunge lo stomaco del paziente. Il sondino va poi collegato con un raccordo a una pompa che spinge per tutta la notte una miscela di latti speciali, evitando in questo modo l'ipoglicemia.

Osservata per la prima volta, grazie a una collaborazione internazionale tra Ibbr-Cnr, Cnrs, Università di Napoli Federico II e Tigem, la struttura dell’enzima alfa-glucosidasi acida, la cui carenza caratterizza la grave patologia genetica che colpisce muscoli scheletrici e cuore. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, apre nuove prospettive di cura.

Avanzamenti importanti in arrivo per una delle patologie genetiche rare più comuni, la malattia di Pompe (dal nome del medico olandese che la descrisse per primo), che riguarda circa 10.000 individui nel mondo e circa 300 persone stimate in Italia con effetti devastanti su muscoli scheletrici e cuore difficili da curare. La malattia si manifesta quando l’organismo non produce quantità sufficienti dell’enzima alfa-glucosidasi acida (Gaa) che in condizioni normali permette la degradazione di una sostanza chiamata glicogeno. Ora un team internazionale di scienziati coordinato dal Centre National de la Recherche Scientifique (Cnrs) di Marsiglia, l’Istituto di bioscienze e biorisorse del Consiglio nazionale delle ricerche (Ibbr-Cnr), l’Università di Napoli 'Federico II' ed il Telethon Institute of Genetics and Medicine (Tigem) di Napoli, per la prima volta ha descritto la struttura di questo enzima riuscendo anche a identificare molecole che possono prevenirne l’inattivazione che determina la patologia. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications.

“La funzione normale dell’alfa-glucosidasi acida è di degradare il glicogeno nei lisosomi, delle vere e proprie centrali di smaltimento rifiuti della cellula”, spiega Gerlind Sulzenbacher, la ricercatrice italiana del Cnrs di Marsiglia che ha coordinato lo studio. “Quando una mutazione colpisce il gene dell’alfa-glucosidasi acida, l’enzima non funziona più in modo efficace e il glicogeno si accumula nella cellula con gravi danni tissutali”.
La malattia di Pompe ha esiti diversi a seconda del suo esordio: “La forma infantile è generalmente fatale nel primo anno di vita mentre quella tardiva ha decorsi variabili con progressivo indebolimento dei muscoli e complicazioni respiratorie e cardiache”, spiega Giancarlo Parenti docente presso il 

Dipartimento di scienze mediche traslazionali dell’Università di Napoli 'Federico II' e ricercatore del Tigem di Napoli. “La terapia enzimatica sostitutiva (Ert) che viene utilizzata attualmente per il trattamento della malattia consiste nel somministrare ai pazienti dosi massicce di enzima così da attenuare l’accumulo di glicogeno. Nonostante i benefici clinici della Ert, la risposta dei pazienti è variabile e la terapia non del tutto efficace. Per questo, da alcuni anni, stiamo studiando un approccio alternativo, la terapia con 'chaperoni' farmacologici o Pct. Si tratta di piccole molecole in grado di legarsi sia all’enzima mutante, sia a quello normale che viene usato per la terapia sostitutiva, aiutandolo a raggiungere il lisosoma per espletare la propria funzione di smaltimento del glicogeno”.

Grazie a esperimenti di cristallizzazione e di diffrazione ai raggi X i ricercatori sono riusciti ad analizzare nel dettaglio la struttura dell’enzima. “Abbiamo determinato la struttura tridimensionale dell’alfa-glucosidasi acida in forma libera e legata a diversi chaperoni che potranno prevenire l’inattivazione dell’enzima e agire da farmaci”, conclude Marco Moracci ricercatore associato dell’Ibbr-Cnr e docente presso il Dipartimento di biologia dell’Università di Napoli 'Federico II'. “In particolare abbiamo scoperto che una di queste molecole, la 'N-acetil-cisteina' (Nac), essendo un farmaco già impiegato come mucolitico, potrebbe anche essere già disponibile per l’impiego clinico. I farmacologi molecolari potranno valutare se anche altre molecole, magari già approvate come farmaci quali il Nac e dunque di impiego immediato in terapia, sono in grado di stabilizzare l’enzima offrendo nuove terapie per combattere questa malattia”.

ENGLISH

Glycogenoses are a group of rare metabolic diseases that affect a baby of 100,000 births. They are due to the deficiency or functional deficiency of one of the enzymes involved in glycogen metabolism, the storage and reserve polysaccharide for glucose molecules that the body uses readily when needed. A build up of glycogen in the tissues (liver, muscle, kidney, brain) causes severe organic alterations. Glycogenic people, unable to use their own sugar deposits, are forced to eat continually both day and night to avoid falling into hypoglycemia, with possible seizures and coma, so they require constant and careful surveillance.
The enzymatic defects at the base of glycogenosis are caused by genomic errors, which are inherited as a recessive autosomal phenotype, except for type VIII, inherited as a recessive phenotype linked to X-chromosome.
There are currently 8 forms of glycogen:
GSD Type I: It is a severe form that affects 1 / 100,000 inhabitants, the missing enzyme is the G6P-phosphatase present only in the liver; subjects with this disease can not withstand fasting, coming to a rapid hypoglycemic crisis. G6P phosphatase is the only enzyme capable of converting glycogen into glucose, it is the only glycogen enzyme within the endoplasmic reticulum, is present only in the liver and in small percentages in the kidney, also hydrolyzes carbamyl phosphate and pyrophosphate, is formed in the cytosol and a conveyor carries it to the RE. However, in some type I glycogenoses G6P-phosphatase may be present but the conveyor of this is missing, which carries it to the RE. The symptoms that characterize this type of glycogen are: fasting hypoglycemia, hepatomegaly (due to increased glycogen in the liver), delayed growth in adolescence, hyperlipidemia with possible steatosis, increased ketone bodies, and increased circulating fatty acids ( because hypoglycaemia induces formation of ketone bodies, produced from fatty acids mobilized by the adipose tissue). There are different forms of type I glycogenoses:
Ia where the catalytic unity of G6P-phosphatase is absent;
IaSP where a protein that stabilizes the enzyme lacks;
Ib lacks the conveyor for the RE;
Ic lacks Pi and PP conveyor;
Id is missing the glucose conveyor from the cytosol to the reticle.
GSD type II: Pump disease, or acid maltase deficiency. The missing enzyme is alpha-4glucosidase, this enzyme is not specific to glycogen but also hydrolyses the linkages of the malignant (disaccharide consisting of two glucose molecules with alpha-4glucosidic bonds) and all other materials having this type of bond . Accumulation is responsible for all tissues but above all in the liver and skeletal muscle. There are no changes in glycemic homeostasis. There is a severe infant form characterized by cardiomegaly, muscular hypotonia and hepatomegaly, in this case the patient's death will occur within the first 2-3 years of life.
GSD type III: it reproduces even milder symptoms of the type I type. The missing enzyme is the derating enzyme, so the glycogen can only be partially degraded and the amount of gluttered released will be reduced. There is an increase in hepatic and muscular glycogen, characterized by numerous ramifications and very short side chains. You must follow a controlled diet.
GSD type IV: it is among the rarest of all glycogenoses, the missing enzyme is the branching enzyme (glucosyl4-6transferase), the absence of this results in an abnormal glycogen synthesis with poor branching and therefore little solubility. Clinical manifestations are: hepatomegaly, portal hypertension cirrhosis, muscular hypotension and death in the first 2-3 years of life. It is a multi-systemic disease, therefore, long-term liver transplantation is not yet known.
GSD type V: Muscular phosphorylase deficiency, McArdle's disease manifests itself in individuals in the second to third decade, in subjects with a history of myoglobinuria, muscle aches and cramps.
GSD Type VI: Hepatic phosphorylase deficiency, Hers disease can be:
X-Linked: with a deficiency of phosphoryl.chinasic activity of the liver;
Autosomal: either with deficiency of phosphoryl-kinase activity due to liver and muscle or with deficiency of the phosphorylase activity of the liver.
GSD Type VII: Muscle phosphophrychinase deficiency, Tarui's disease, the task of this enzyme is to convert F6P to F1.6BP. It is a key enzyme in regulating glycolysis. Clinical manifestations are: muscle fatigue and intolerance to exercise.
GSD type VIII: characterized by the presence of liver phosphorylase enzyme but in inactive form. Clinical manifestations are: Early childhood hepatomegaly and progressive degenerative cerebrovascular disease.
Types I, II, III are the most common forms, covering more than 90% of cases. Subjects with glycogenics should be fed at least twice during the night. This involves unhealthy sleep neither to them nor to their parents or anyone else beside them. To counteract this, night enteral nutrition can be used, which allows the kid to rest serenely. This requires the application of a naso-gastric probe, that is a tube that reaches the patient's stomach through the nostril. The probe is then connected with a fitting to a pump that pushes all night a mixture of special lips, thus avoiding hypoglycaemia.

Observed for the first time, thanks to an international collaboration between Ibbr-Cnr, Cnrs, University of Naples Federico II and Tigem, the structure of the enzyme acid alpha-glucosidase, whose deficiency characterizes the severe genetic pathology affecting the skeletal muscles and the heart . The study, published in Nature Communications, opens up new care prospects.

Important advances coming to one of the most common rare genetic diseases, Pompe disease (from the name of the Dutch doctor who first described it), which affects around 10,000 individuals worldwide and about 300 estimated people in Italy with devastating effects on skeletal muscles and heart difficult to cure. The disease is manifested when the body does not produce enough acidic alpha-glucosidase enzyme (Gaa), which under normal conditions allows the degradation of a substance called glycogen. Now an international team of scientists coordinated by the National Center for Recherche Scientifique (Cnrs) in Marseille, the Biosciences and Bioresource Institute of the National Research Council (Ibbr-Cnr), the University of Naples Federico II and Telethon The Institute of Genetics and Medicine (Tigem) of Naples for the first time described the structure of this enzyme and also identified molecules that can prevent inactivation that determines the pathology. The results are published in the journal Nature Communications.

"The normal function of acid alpha-glucosidase is to degrade glycogen in the lysosomes, the real waste-disposal centers of the cell," says Gerlind Sulzenbacher, the Italian researcher at the Cnrs of Marseilles, who co-ordinated the study. "When a mutation affects the acid alpha-glucosidase gene, the enzyme does not function effectively and glycogen accumulates in the cell with severe tissue damage."
Pompe's disease has different outcomes depending on its outbreak: "Infant form is generally fatal in the first year of life, while the late one has variable variables with progressive weakening of the muscles and respiratory and cardiac complications," explains Giancarlo Parenti professor at the
Department of Translational Medical Sciences at Naples University 'Federico II' and researcher at Tigem of Naples. "The enzyme replacement therapy (Ert) currently used to treat the disease is to give patients massive doses of the enzyme to mitigate the build up of glycogen. Despite the clinical benefits of Ert, patient response is variable and therapy is not entirely effective. For this, for some years now, we are studying an alternative approach, therapy with pharmacological 'chaperones' or Pct. These are small molecules that can bind both to the mutant enzyme and to the normal one used for the substitution therapy, helping it to reach the lysosome to perform its function of glycogen disposal. "


Through X-ray crystallization and diffraction experiments, the researchers were able to analyze in detail the structure of the enzyme. "We have determined the three-dimensional structure of acid alfa-glucosidase in free form and linked to several chaperons that will prevent inactivation of the enzyme and act from drugs," concludes Marco Moracci, associate researcher of the Ibbr-Cnr and professor at the Department of biology at the University of Naples 'Federico II'. "In particular, we found that one of these molecules," N-acetylcysteine ​​"(Nac), being a drug already used as mucolytic, may also be already available for clinical use. Molecular pharmacologists will be able to assess whether other molecules, perhaps already approved as drugs such as Nac and therefore immediate use in therapy, are able to stabilize the enzyme by offering new therapies to combat this disease. "

Da:

https://it.wikipedia.org/wiki/Glicogenosi

http://www.lescienze.it/lanci/2017/10/26/news/cnr_-_malattia_di_pompe_svolta_per_nuove_terapie-3730613/?ref=nl-Le-Scienze_27-10-2017