malattie lisosomiali da accumulo


                       Marco Spada

         Clinica Pediatrica, Università di Torino
 ...
La medicina moderna



Patologia esogena =
1) patologia infettiva
2) malnutrizione




                              Patol...
Mortalità Infantile (morti/1000 bambini < 12 mesi)

         Variazioni periodo 1970 - 2000



30

25

20
                ...
1 ) Malattie genetiche : 5000 malattie
                                 (monogeniche/cromosomiche)
      malattie
cronico-...
Malattie ereditarie del metabolismo
                       altre malattie

Malattie genetiche:
  5000 malattie

          ...
Malattie ereditarie del metabolismo
                                     Classificazione “biochimica”

1) Metabolismo carb...
Malattie ereditarie del metabolismo
      Classificazione “fisiopatologica”
1) difetti sintesi o catabolismo molecole comp...
Malattie ereditarie del metabolismo

                   Attività Centro Malattie Metaboliche
                        Clini...
Malattie ereditarie del metabolismo
           Classificazione “fisiopatologica”

1) difetti sintesi o catabolismo molecol...
perossisomi
Leucina                     Isoleucina                     Valina

  2-chetoisocaproico          2-cheto-3-metilvalerato  ...
Malattie ereditarie del metabolismo
                  Classificazione “fisiopatologica”


          2) intossicazione (50)...
Malattie ereditarie del metabolismo
                Classificazione “fisiopatologica”
             3) difetti di sintesi o...
Malattie ereditarie del metabolismo
               Classificazione “fisiopatologica”

       1) difetti sintesi o cataboli...
Lisosoma: catabolismo molecole complesse:
                               sfingolipidi
                            mucopoli...
sfingolipidosi
Mucopolissaccaridi = Glicosaminoglicani
Le malattie lisosomiali: una storia
Prime descrizioni cliniche
1882: Gaucher (MD Thesis, Faculté de Médicine, Paris)
1898:...
GAUCHER
Malattia di Gaucher


        sfingolipidosi
sistema monocito-macrofagico
Malattia di Gaucher

       La diagnosi biochimica



- β-glucosidasi: leucociti/fibroblasti

- chitotriossidasi)
Malattia di Gaucher
    La diagnosi genetica

1) omogeneità molecolare

    N370S, L444P, 84GG, IVS2

       80 % alleli m...
gaucher
Gaucher




Hemorrhagic
  Infarction

     Necrosis

Osteosclerosis

      Severe
Osteoporosis

      Loss of
Cortical Bone
La malattia di Gaucher: La diagnosi clinica


       Segni                        Segni
                                  ...
La malattia di Gaucher
                 Esperienza della Clinica Pediatrica di Torino
pazienti   Età       Inizio       Ev...
FABRY
Malattia di Fabry

Sfingolipidosi endoteliale


  Malattia vascolare




                             Accumulo endoteliale...
Fisiopatologia :
           modello Gaucher e modello Fabry


 Malattia di Gaucher = malattia da accumulo “classica”

 Pat...
Malattia di Fabry: patologia multisitemica




                            • PELLE      angiocheratoma

                  ...
La malattia di Fabry: la diagnosi clinica


     pediatria               nefrologia            cardiologia             neu...
Malattia di Fabry

          CMP              EXITUS
         Infarto

                                             SNC
  ...
M. di Fabry=
Modello genetico X-linked
Mucopolisaccaridosi
Mucopolissacaridosi tipo I
    (difetto di L-iduronidasi)




L-iduronidasi




                                  Accumulo...
Mucopolissacaridosi tipo I
   (difetto di L-iduronidasi)

    Accumulo progressivo di GAG




   Patologia progressiva mul...
Mucopolissacaridosi tipo I
     (difetto di L-iduronidasi)

                   CLINICA

- encefalopatia progressiva

- fac...
Malattia di Pompe
La Malattia di Pompe
        (Glicogenosi II)
Malattia genetica autosomica recessiva




     difetto dell’enzima lisosomi...
La malattia di Pompe
     La Malattia di Pompe
   (glicogenosi II) II)
        (Glicogenosi




  Basi biochimiche
La Malattia di Pompe
                   (Glicogenosi II)
                     Popolazioni a rischio


- ipotonia del neona...
POMPE Disease
Pompe disease
POMPE Disease
Miopatia della Malattia di Pompe
La Malattia di Pompe
  (Glicogenosi II)

Istologia muscolare
La Malattia di Pompe
  (Glicogenosi II)
La Malattia di Pompe
                          (Glicogenosi II)
                           Diagnosi biochimica


         ...
La Malattia di Pompe
                                  (Glicogenosi II)

                                 Popolazioni a ri...
Terapia delle malattie lisosomiali
Paradigma delle malattie lisosomiali



Substrato accumulato           Enzima lisosomiale:

                             1...
The rationale of treatment of inborn errors of metabolism
                      Enzyme Replacement Therapy (ERT)

        ...
Lysosomal Storage Disorders (LSD)
  - 40 different genetic disorders
                                     Sfingolipids
   ...
1) BMT



1) Gaucher : fino al 1990, oggi non c’e indicazione

2) MPS tipo 1: indicazione nel fenotipo Hurler, entro i due...
2) Terapia enzimatica sostitutiva (ERT)
La medicina “genomica” nella medicina moderna
                   Le biotecnologie
 a) Copiare un gene = una informazione

...
Nell’ambito delle malattie lisosomiali nasce in medicina
il primo modello di terapia enzimatica sostitutiva

 1991: Malatt...
gaucher
 ERT
Gaucher

                             ERT and bone disease:
                  British Journal of Radiology, 2002;75:Suppl1...
La malattia di Gaucher: gli effetti delle terapia enzimatica sostitutiva
                           (alglucerasi     imigl...
Shitrit, Zimran, el…
Prediction of severity of bone and lung disease in Gaucher disease
                    Am J Hematol 2...
Efficacy of Enzyme Replacement Therapy in Fabry disease
              (Eng et al, N Engl J Med, 2001)
               1 mg/...
ERT in Fabry disease: Indications for Treatment

       renal                                                 extrarenal

...
ERT in Fabry disease
a) ERT may prevent or reverse the nephropathy in young patients:
        Therapy must be considered i...
Mucopolissacaridosi tipo I
(difetto di L-iduronidasi)


- encefalopatia progressiva

- facies grossolana
- macroglossia
- ...
3) Enzyme Enhancement Therapy (EET)

   low-molecular weight pharmacological chaperons

    Rescue of misfolded or unstabl...
3) Enzyme Enhancement Therapy (EET)


Fabry patient with severe cardiac involvement (cardiac variant)

- heart transplanta...
4) Substrate Reduction Therapy (SRT):
     New approach in the treatment of LSDs

     New form of treatment, but not a ne...
Simplified Biochemical Pathways:
       ceramide as a cornerstone for sphingolipid byosynthesis

 Sphingomyelin           ...
X




     iminosugar :
N-butyldeoxynojirimycin
      (miglustat)
Simplified Biochemical Pathways:
              Gaucher Disease

Sphingomyelin               Ceramide             Galactosy...
Goal of Therapy
     Gaucher disease                                   regular
      macrophage                           ...
Enzyme Replacement

waste material                      waste material degraded
                      add Enzyme
Ceramide-...
Substrate Deprivation Therapy


              less storage of      allows the residual enzyme
less waste
             wast...
Normal cell


Substrate
Substrato                 Enzyme
Inherited sphingolipidosis



Substrate
Substrato                                Enzyme
Substrate Reduction Therapy
            in an inherited sphingolipidosis

Substrate
Substrato                             ...
Substrate Reduction Therapy in LSDs

- oral treatment
- blood-brain barrier crossing



- indication in selected sphingoli...
Screening e Prevenzione
delle Malattie Lisosomiali
The extraordinary lesson from PKU
   (Bob Guthrie - early 1960s)




              Blood spot technology



    screening ...
Mass or Selective Screening Programms
             by blood spot technology
                          Basic criteria

1) C...
Screening
                     for Lysosomal Storage Disorders (LSDs)
                                          Treatable ...
Screening
           for Lysosomal Storage Disorders (LSDs)

                         TWO MAIN AIMS



1) define the real ...
BRAIN
Fabry disease                                     HEART
                                     STROKE


              ...
POMPE Disease




       Giulia, 5 mesi

     Glicogenosi tipo II

Malattia cardiaca e muscolare
          gravissima

   ...
La prevenzione della Malattia di Pompe:
                   una frontiera della medicina moderna



  Fenotipo “variante”  ...
MPS I


     BMT

Since 2003: ERT
Screening for Lysosomal Storage Disorders (LSDs)
                              strategies




1) Not-specific lysosomal pr...
Mass and selective screening for LSDs
                            our strategy
                                        M S...
Pagliardini S, Spada M.
A simple and rapid approach for screening lysosomal disorders.
J Inher Metab Dis, 2003;26(Suppl 2)...
First prospective screening studies for LSDs



Selected populations
                                 Newborns (general po...
Selective screening for Fabry disease:
                      ESRD male population
         (Strategies in Regina Margherit...
Screening for Fabry disease in male patients with ESRD:
                    five lessons (1)

1) The prevalence of Fabry d...
% αGalA activity   Mutation     Age at diagnosis(yr)   Age at ESRD(yr) Cardiac dis.       CVD

1.KJ         <5%           ...
Newborn screening for LSDs
Le malattie lisosomiali: una storia
Prime descrizioni cliniche
1882: Gaucher (MD Thesis, Faculté de Médicine, Paris)
1898:...
Newborn screening for Fabry disease

                             - Piemonte Region, Italy

                             -...
RESULTS



              12 infants were found posititive at
          second blood spot α- gal A determination.
      The...
Biochemical and molecular data in 12 male newborns with α-gal A deficiency


              blood spot α-   plasma α-gal   ...
Newborn screening for Fabry disease
1) Definition of the prevalence of the disorder
 Newborn screening approach           ...
Prevalenza della malattia di Fabry
in popolazioni di pazienti a rischio

   Insufficienza renale = 0.25-0.3 %

     Spada,...
Fabry disease = a model of X-linked disorder




GLA gene mutation = G 260 E (ex 5)
Screening neonatale di massa

                    Pediatria preventiva                           Pediatria eugenetica

Sin...
Screening neonatali: nuove frontiere


1) Malattie cerebrali con danno irreversibile         Fenilchetonuria
   (entro il ...
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Master Spada 18 Gen 08

  1. 1. malattie lisosomiali da accumulo Marco Spada Clinica Pediatrica, Università di Torino Ospedale Infantile Regina Margherita, Torino Master Universitario di 2° Livello in Malattie Rare Università degli Studi di Torino, Facoltà di Medicina e Chirurgia Dipartimento di Medicina e Oncologia Sperimentale Torino, 18 Gennaio 2008
  2. 2. La medicina moderna Patologia esogena = 1) patologia infettiva 2) malnutrizione Patologia endogena = Malattie cronico-degenerative
  3. 3. Mortalità Infantile (morti/1000 bambini < 12 mesi) Variazioni periodo 1970 - 2000 30 25 20 1970 15 2000 10 5 0
  4. 4. 1 ) Malattie genetiche : 5000 malattie (monogeniche/cromosomiche) malattie cronico-degenerative Diabete 2 ) Malattie multifattoriali Celiachia (poligeniche) Tumori Fattori genetici (più geni) Fattori ambientali Ipertensione Ateresclerosi fumo alcool Ipercolesterolemia dieta Obesità stress esercizio fisico Demenza inquinamento
  5. 5. Malattie ereditarie del metabolismo altre malattie Malattie genetiche: 5000 malattie malattie ereditarie del metabolismo: Difetto proteine enzimatiche Difetto di proteine di trasporto Difetto di proteine strutturali 500 malattie monogeniche a) difetto di una substrato b) accumulo di un substrato
  6. 6. Malattie ereditarie del metabolismo Classificazione “biochimica” 1) Metabolismo carboidrati 5) Met. Energetico Mitocondriale 9) Metalli - glicogenosi epatiche * - ossidazione piruvato - Metabolismo Rame * - glicogenosi muscolari - Krebs - dif. gluconeogenesi - fosforilazione ossidativa * - galattosemia - β-ox-acidi grassi - fruttosemia (HFI) * - chetogenesi e chetolisi - iperinsulinismi 2) Catabolismo aminoacidi 10) Acidi nucleici 6) Malattie lisosomiali - Purine - PKU (Phe) - sfingolipidosi - Pirimidine - Tirosinemia (Tyr) * - mucopolissacaridosi - Ciclo dell’urea (NH3) * - oligosaccaridosi - Leucinosi (MSUD) * - glicogeno (maltasi acida) - Acidurie organiche: AMM,AP,AIV * - esteri colesterolo (lipasi acida) * - Omocistinuria (Met) - cistinosi 11) Eme - Aciduria glutarica I (Lys) - Porfirie * - B12,folati,biotina 3) Metabolismo lipidi 7) Malattie perossisomiali e acidi biliari - BPD e affini * - dislipidemie * - Iperossaluria (AGT) * 12) Trasporto - difetti sintesi colesterolo - Cistinuria - difetti sintesi acidi biliari * - LPI - glicosurie 4) Neurotrasmettitori 8) Difetti Congeniti Glicosilazione - aminoacidurie - GABA - sindromi CDG - monoamine (BH4)
  7. 7. Malattie ereditarie del metabolismo Classificazione “fisiopatologica” 1) difetti sintesi o catabolismo molecole complesse (patologia organelli cellulari): - malattie perossisomiali (20) - malattie lisosomiali (40) - difetti congeniti di glicosilazione (15) 2) intossicazione (50): - aminoacidopatie (PKU,leucinosi,tirosinemia) - acidosi organiche (AP,AMM,AIV,biotinidasi) - difetti del ciclo dell’urea (OTC,..) - “intolleranze” agli zuccheri (galattosemia,fruttosemia) 3) difetti di sintesi o utilizzo energia cellulare: - glicogenosi - difetti di gluconeogenesi mitocondrio - difetti ossidazione piruvato - difetti ciclo di Krebs - difetti catena respiratoria mitocondriale (40) - difetti β-ossidazione acidi grassi (10)
  8. 8. Malattie ereditarie del metabolismo Attività Centro Malattie Metaboliche Clinica Pediatrica – Torino (2007) - diagnosi e terapia fetale - screening neonatale 320 pazienti - patologie ad esordio acuto neonatale Metabolismo aminoacidi : 218 - patologie ad esordio acuto in età Metabolismo carboidrati: 29 pediatrica Ossidazione acidi grassi: 7 Perossisomiali: 6 - sintomatologia cronica Difetti congeniti glicosilazione: 5 Lisosomiali: 55 - sintomi ad esordio in età adulta
  9. 9. Malattie ereditarie del metabolismo Classificazione “fisiopatologica” 1) difetti sintesi o catabolismo molecole complesse (patologia organelli cellulari): - malattie perossisomiali (20) - malattie lisosomiali (40) - difetti congeniti di glicosilazione (15) 2) intossicazione (50): - aminoacidopatie (PKU,leucinosi,tirosinemia) - acidosi organiche (AP,AMM,AIV,biotinidasi) - difetti del ciclo dell’urea (OTC,..) - “intolleranze” agli zuccheri (galattosemia,fruttosemia) 3) difetti di sintesi o utilizzo energia cellulare: - glicogenosi - difetti di gluconeogenesi mitocondrio - difetti ossidazione piruvato - difetti ciclo di Krebs - difetti catena respiratoria mitocondriale (40) - difetti β-ossidazione acidi grassi (10)
  10. 10. perossisomi
  11. 11. Leucina Isoleucina Valina 2-chetoisocaproico 2-cheto-3-metilvalerato 2-cheto-isovalerato isovalerilCoA 2-metilbutirilCoA isobutirilCoA 3-metilcrotonilCoA TiglilCoA metilacrililCoA 3-metilglutaconilCoA 2-metil-3-OH-butirilCoA 3-OH-isobutirilCoa 3-OH-3-metilglutarilCoA 2-metilacetacetilCoa 3-OH-isobutirrato Metilmalonil semialdeide acetilCoA acetoacetato propionilCoA metilmalonilCoA SuccinilCoA
  12. 12. Malattie ereditarie del metabolismo Classificazione “fisiopatologica” 2) intossicazione (50): - aminoacidopatie (PKU,leucinosi,tirosinemia) - acidosi organiche (AP,AMM,AIV,biotinidasi) - difetti del ciclo dell’urea (OTC,..) - “intolleranze” agli zuccheri (galattosemia,fruttosemia) Clinica e laboratorio Intervallo libero Segni di intossicazione: vomito, letargia, coma, epatopatia acuta Crisi ricorrenti Periodi di benessere Laboratorio dell’urgenza: ammonio, EGA, transaminasi, INR, glicemia
  13. 13. Malattie ereditarie del metabolismo Classificazione “fisiopatologica” 3) difetti di sintesi o utilizzo energia cellulare: - glicogenosi - difetti di gluconeogenesi mitocondrio - difetti ossidazione piruvato - difetti ciclo di Krebs - difetti catena respiratoria mitocondriale (40) - difetti β-ossidazione acidi grassi (10) Clinica e laboratorio Segni di “deficit energetico”: Laboratorio: Ipotonia miopatie Ipoglicemia Ipoglicemia Iprelattacidemia Cardiomiopatia CPK SIDS, ALTE
  14. 14. Malattie ereditarie del metabolismo Classificazione “fisiopatologica” 1) difetti sintesi o catabolismo molecole complesse (patologia organelli cellulari): - malattie perossisomiali (20) - malattie lisosomiali (40) - difetti congeniti di glicosilazione (CDG) (15) Clinica e laboratorio Sintomi e segni cronici-progressivi Encefalopatie Patologia multisistemica Non correlazione con alimentazione, stress, infezioni Non segni di laboratorio “dell’urgenza” (ammonio, glicemia, EGA)
  15. 15. Lisosoma: catabolismo molecole complesse: sfingolipidi mucopolisaccaridi oligosaccaridi glicogeno Malattie lisosomiali = 40 enzimopatie ereditarie = Patologia da accumulo = Sintomi permanenti e progressivi: SNC (80%): “leucodistrofie” Midollo osseo: segni scheletrici segni ematologici Fegato Milza Cuore
  16. 16. sfingolipidosi
  17. 17. Mucopolissaccaridi = Glicosaminoglicani
  18. 18. Le malattie lisosomiali: una storia Prime descrizioni cliniche 1882: Gaucher (MD Thesis, Faculté de Médicine, Paris) 1898: Fabry (Arch Dermat Syph)/Anderson (Br J Dermatol) Biochimica dei lisosomi 1955: de Duve (Biochem J): scoperta dei lisosomi (Premio Nobel) 1963: Hers (Biochem J): primo difetto enzimatico lisosomiale descritto (deficit di maltasi acida nella M. di Pompe) 2006: 40 malattie lisosomiali definite biochimicamente Genetica LSD (1980-1990) 1985: Sorge et al (Proc Natl Acad Sci USA) : cloning gene glucocerebrosidasi 1986: Bishop et al (Proc Natl Acad Sci USA): cloning gene α-gal-A Terapia LSD 1984: trapianto di midollo in Gaucher disease-BMT (Rappeport, N Engl J Med) 1991: terapia enzimatica-ERT (Beutler et al, N Engl J Med) 2000: terapia di riduzione del substrato-SRT (Cox et al, Lancet) 1999: terapia di stimolazione enzimatica : EET-chaperon (Fan et al, Nat Med) Screening-Prevenzione LSD 2006: Screening neonatale LSD (Spada, Pagliardini et al, Am J Hum Gen)
  19. 19. GAUCHER
  20. 20. Malattia di Gaucher sfingolipidosi sistema monocito-macrofagico
  21. 21. Malattia di Gaucher La diagnosi biochimica - β-glucosidasi: leucociti/fibroblasti - chitotriossidasi)
  22. 22. Malattia di Gaucher La diagnosi genetica 1) omogeneità molecolare N370S, L444P, 84GG, IVS2 80 % alleli mutati* (* Gaucher Registry, 2000, 766 pazienti 1532 alleli) 2) Genotipo e valore predittivo a) N370S/…. : forma viscerale b) L444P/L444P: forma neurologica
  23. 23. gaucher
  24. 24. Gaucher Hemorrhagic Infarction Necrosis Osteosclerosis Severe Osteoporosis Loss of Cortical Bone
  25. 25. La malattia di Gaucher: La diagnosi clinica Segni Segni Altri segni ematologici-viscerali ortopedici - splenomegalia - alterato - malattia polmonare rimodellamento osseo progressiva - epatosplenomegalia - osteopenia - anemia - fibrosi/ - piastrinopenia - crisi ”ossee” acute cirrosi epatica - anemia+piastrinopenia - dolore scheletrico cronico - cardiomiopatia - diatesi emorragica - deformazioni - osteonecrosi - osteosclerosi - fratture patologiche
  26. 26. La malattia di Gaucher Esperienza della Clinica Pediatrica di Torino pazienti Età Inizio Evoluzione clinica Età alla Inizio Risposta sintomi diagnosi terapia alla terapia Mar. G. 56 aa 50 aa Piastrinopenia, 53 aa 53 aa buona Sospetta leucosi Boc. M. 45 aa 7 aa Splenomegalia, 8 aa 35 aa buona Splenectomia 26 aa Ant. G. 30 aa 10 aa Splenomegalia 29 aa 29 aa 6 mesi piastrinopenia Mar.C. 27 aa 5 aa splenectomia 6 aa 25 aa buona Rub.P 25 aa 3 aa Splenectomia 5 aa 16 aa buona maattia ossea, Scompenso cardiaco Mas. A. 17 aa 3 aa Epato-splenomegalia 6 aa 7 aa buona Bro. S. 11 aa 4 aa Splenomegalia, dolori ossei 10 aa 11 aa 6 mesi
  27. 27. FABRY
  28. 28. Malattia di Fabry Sfingolipidosi endoteliale Malattia vascolare Accumulo endoteliale di GL-3
  29. 29. Fisiopatologia : modello Gaucher e modello Fabry Malattia di Gaucher = malattia da accumulo “classica” Patologia del macrofago malattia da accumulo parenchimale (visceromegalie/infiltrazioni: milza, fegato, midollo osseo) . Malattia di Fabry = malattia da accumulo “peculiare” . Patologia dell’endotelio malattia vascolare (ischemia/infarto) . “end-stage organ disease” (rene, encefalo, coronarie)
  30. 30. Malattia di Fabry: patologia multisitemica • PELLE angiocheratoma • NERVI DOLORE Deposito • VASI sfingolipidi • TESSUTI • OCCHIO Opacità corneali • CERVELLO Stroke • CUORE Cardiomiopatia • RENE Insufficienza renale
  31. 31. La malattia di Fabry: la diagnosi clinica pediatria nefrologia cardiologia neurologia Ambito “reumatologico”: - proteinuria - CMP ipertrofica - TIA Dolori e febbre ricorrenti - IRC - stroke - turbe del ritmo - dialisi - atassie - valvulopatie - trapianto - coronaropatie ORL Dermatologia Oculistica - sordità - angiocheratomi - cornea verticillata
  32. 32. Malattia di Fabry CMP EXITUS Infarto SNC 4 “hard” endpoints STROKE GL-3 nei glomeruli ESRD
  33. 33. M. di Fabry= Modello genetico X-linked
  34. 34. Mucopolisaccaridosi
  35. 35. Mucopolissacaridosi tipo I (difetto di L-iduronidasi) L-iduronidasi Accumulo progressivo di GAG Patologia progressiva multisistemica
  36. 36. Mucopolissacaridosi tipo I (difetto di L-iduronidasi) Accumulo progressivo di GAG Patologia progressiva multisistemica Fenotipi clinici 1) Hurler 1) Forma neuropatica 2) Hurler-Scheie 2) Forma non neuropatica 3) Scheie
  37. 37. Mucopolissacaridosi tipo I (difetto di L-iduronidasi) CLINICA - encefalopatia progressiva - facies grossolana - macroglossia - sordità (tipo misto) - epato-splenomegalia - opacità corneali - malattia cardiaca: valvulopatia/CMP - malattia respiratoria ostruttiva - malattia scheletrica : a) deformità ossee (disostosi multipla, cifo-scoliosi) b) artropatia cronica progressiva
  38. 38. Malattia di Pompe
  39. 39. La Malattia di Pompe (Glicogenosi II) Malattia genetica autosomica recessiva difetto dell’enzima lisosomiale α-glucosidasi acida (maltasi acida) accumulo progressivo tissutale di glicogeno a prevalente espressione cardio-muscolare Organi bersaglio: cuore, muscolo scheletrico, muscolo liscio
  40. 40. La malattia di Pompe La Malattia di Pompe (glicogenosi II) II) (Glicogenosi Basi biochimiche
  41. 41. La Malattia di Pompe (Glicogenosi II) Popolazioni a rischio - ipotonia del neonato e del lattante - cardiomiopatia ipetrofica del neonato e del lattante - cardiomiopatia ipertrofica e ipotonia del lattante - miopatia ad esordio clinico variabile (bambino adulto) - iperCPKemia isolata
  42. 42. POMPE Disease
  43. 43. Pompe disease
  44. 44. POMPE Disease
  45. 45. Miopatia della Malattia di Pompe
  46. 46. La Malattia di Pompe (Glicogenosi II) Istologia muscolare
  47. 47. La Malattia di Pompe (Glicogenosi II)
  48. 48. La Malattia di Pompe (Glicogenosi II) Diagnosi biochimica - muscolo Determinazione attività enzimatica - linfociti α-glucosidasi acida - spot di sangue assenza di attività enzimatica attività enzimatica residua Fenotipo classico: Fenotipo “variante”: “early-onset” o forma infantile forma giovanile o dell’ adulto (late-onset)
  49. 49. La Malattia di Pompe (Glicogenosi II) Popolazioni a rischio - ipotonia del neonato e del lattante Fenotipo classico forma infantile (early-onset) - cardiomiopatia ipetrofica del neonato e del lattante - cardiomiopatia ipertrofica e ipotonia del lattante Fenotipo “variante” - miopatia ad esordio clinico variabile (bambino adulto) forma giovanile/adulta (late-onset) - iperCPKemia isolata
  50. 50. Terapia delle malattie lisosomiali
  51. 51. Paradigma delle malattie lisosomiali Substrato accumulato Enzima lisosomiale: 1) assente fenotipi classici 2) ridotto varianti cliniche
  52. 52. The rationale of treatment of inborn errors of metabolism Enzyme Replacement Therapy (ERT) Enzyme Enhancement Therapy (EET) (chaperons) Cofactor/Vitamin Therapy 1) Enzyme level Gene therapy Cellular therapy: BMT HSCT liver cell transplantation (LCT) liver transplantation (OLT) Diet Chelation a) Remove a “toxic” substrate Dialysis Enzyme inhibition 2) Substrate level (NTBC, statine, SRT) b) Add an “useful” substrate (i.e.: biotin, NT, BH4)
  53. 53. Lysosomal Storage Disorders (LSD) - 40 different genetic disorders Sfingolipids Mucopolysaccarides - Storage of complex molecules: Oligosaccharides Glycogen Cystine Treatment Strategies 1) Bone Marrow Transplantation (BMT) Enzyme level 2) Enzyme Replacemet Therapy (ERT) 3) Enzyme enhancement therapy (EET) Substrate level 4) Substrate Reduction Therapy
  54. 54. 1) BMT 1) Gaucher : fino al 1990, oggi non c’e indicazione 2) MPS tipo 1: indicazione nel fenotipo Hurler, entro i due anni di età 3) MPS tipo 2 : scarsi risultati 4) M. di Krabbe : tentativi in pazienti di pochi mesi
  55. 55. 2) Terapia enzimatica sostitutiva (ERT)
  56. 56. La medicina “genomica” nella medicina moderna Le biotecnologie a) Copiare un gene = una informazione b) Inserire questo gene in un sistema “ospite”: batterio, lievito, colture cellulare c) Traduzione dell’informazione in quantità “industriali”: sintesi in vitro di proteine “ricombinanati) insulina, GH vaccini (epatite B) fattore VIII (emofilia) enzimi lisosomiali
  57. 57. Nell’ambito delle malattie lisosomiali nasce in medicina il primo modello di terapia enzimatica sostitutiva 1991: Malattia di Gaucher [difetto di β-glucosidasi] 2001: Malattia di Fabry [difetto di α-galattosidasi A] 2002: malattia di Hurler-Scheie (MPS I) [difetto di α-iduronidasi] 2005: malattia di Pompe (glicogenosi II) [difetto di α-glucosidasi acida] 2005: malattia di Hunter (MPS II): [difetto di α-iduronidasi-sulfatasi] 2005: malattia di Maroteaux-Lamy (MPS VI): [difetto di arilsulfatasi B]
  58. 58. gaucher ERT
  59. 59. Gaucher ERT and bone disease: British Journal of Radiology, 2002;75:Suppl1 “Gaucher bone disease can be stabilized or reversed with ERT” Hemorrhagic Infarction Necrosis “ ERT in pediatrics patients: Prevention of Osteosclerosis potential serious skeletal complications” (Bembi, Ciana) Severe Osteoporosis Loss of Cortical Bone
  60. 60. La malattia di Gaucher: gli effetti delle terapia enzimatica sostitutiva (alglucerasi imiglucerasi) - 12 anni di follow-up; > 2500 pazienti in terapia - Weinrab et al. ERT in 1028 pazienti (Gaucher Registry) Am J Med, 2002;113 Efficacia della terapia: > 90 % dei pazienti Dosi/15gg 6 mesi Anemia Piastrinopenia 60 U/kg Epatomegalia 1 anno 30 U/kg Splenomegalia 20 U/kg Cardiomiopatia 15 U/kg Malattia ossea 2-4 anni
  61. 61. Shitrit, Zimran, el… Prediction of severity of bone and lung disease in Gaucher disease Am J Hematol 2003;73:236 118 pazienti 85 % ERT 15 % wait and see 67 % very mild moderate severe 15 % 18 % Bone disease Lung disease
  62. 62. Efficacy of Enzyme Replacement Therapy in Fabry disease (Eng et al, N Engl J Med, 2001) 1 mg/kg iv every other week Primary end p - oint: clearance of renal capillary endothelium Baseline (score 3) Week 20 (score 0)
  63. 63. ERT in Fabry disease: Indications for Treatment renal extrarenal - patients on dialysis: - Cardiomyopathy to avoid cardiac/cerebrovascular complications - Arrythmias - kidney transplanted patients: to avoid cardiac/cerebrovascular complications - Previous coronary artery disease - patients with decreased GFR (CRF): - Previous strokes/TIAs to stop the progression of renal failure - Deafness - early-stage renal disease patients: to stop / to reverse progression of nephropathy - Severe pain syndrome - childrens/adolescents renal asymptomatic: to prevent the nephropathy
  64. 64. ERT in Fabry disease a) ERT may prevent or reverse the nephropathy in young patients: Therapy must be considered in pediatric/adolescent age b) ERT may arrest the progression to renal failure in patient with early-stage nephropathy (2 to 3 year follow-up) c) ERT in chronic renal failure : which is the “point of not return”? dose-dependent clinical efficacy ? d) Prevention of CNS events and cardiac disease in ESRD patients: further follow-up is necessary e) ERT improves the cardiomyopathy (Circulation, 2003) f) ERT improves blood flow velocity (Munich, October 2003) g) ERT may improve cardiac conduction disease h) ERT may improve hearing loss
  65. 65. Mucopolissacaridosi tipo I (difetto di L-iduronidasi) - encefalopatia progressiva - facies grossolana - macroglossia - sordità (tipo misto) - epato-splenomegalia - opacità corneali - malattia cardiaca: “ ERT in MPS I ”, - malattia respiratoria ostruttiva Kakkis et al. N Engl J Med, 2001 - malattia scheletrica : a) deformità ossee b) artropatia cronica progressiva
  66. 66. 3) Enzyme Enhancement Therapy (EET) low-molecular weight pharmacological chaperons Rescue of misfolded or unstable enzyme proteins Increase enzyme function EET in lysosomal disorders Galactose α-gal A activity (Fabry) Deoxygalactonojirimycin (DGJ) (specific mutations) N-deoxynojirimycin (NN-DNJ) β-glucosidasi (Gaucher)
  67. 67. 3) Enzyme Enhancement Therapy (EET) Fabry patient with severe cardiac involvement (cardiac variant) - heart transplantation list - NYHA class IV Galactose (1 g/kg) intravenously Enhancement of α-gal A activity Dramatic clinical improvement NYHA class I No need for heart transplantation (Frustaci et al, N Engl J Med, 2001)
  68. 68. 4) Substrate Reduction Therapy (SRT): New approach in the treatment of LSDs New form of treatment, but not a new concept - In 1970s: first inhibitors of glucosylceramide synthesis - Aim: to balance the rate of synthesis with the impaired rate of breakdown - SRT is efficient only if residual enzyme activity is still present
  69. 69. Simplified Biochemical Pathways: ceramide as a cornerstone for sphingolipid byosynthesis Sphingomyelin Ceramide Galactosyl-ceramide (Niemann-Pick A,B) (Krabbe, MLD) GSL Glucosylceramide Ganglio-series Globo-series Lacto-series (GM1, GM2) (Gaucher) (Fabry)
  70. 70. X iminosugar : N-butyldeoxynojirimycin (miglustat)
  71. 71. Simplified Biochemical Pathways: Gaucher Disease Sphingomyelin Ceramide Galactosyl-ceramide SRT X Glucosylceramide X Ganglio-series Globo-series Gaucher (Tay-Sachs, Sandhoff) (Fabry) Glucosylceramide ≡ glucocerebroside
  72. 72. Goal of Therapy Gaucher disease regular macrophage macrophage • Over time, the Gaucher disease cell becomes full of waste material • These cells store in various parts of body and result in the problems associated with Gaucher disease
  73. 73. Enzyme Replacement waste material waste material degraded add Enzyme Ceramide-Glucose (Replacement Ceramide (Glucocerebroside) Therapy) Glucose
  74. 74. Substrate Deprivation Therapy less storage of allows the residual enzyme less waste waste material in activity to catabolize waste material lysosomes material Own residual enzyme
  75. 75. Normal cell Substrate Substrato Enzyme
  76. 76. Inherited sphingolipidosis Substrate Substrato Enzyme
  77. 77. Substrate Reduction Therapy in an inherited sphingolipidosis Substrate Substrato Enzyme Substrate Reduction = Restore the Balance
  78. 78. Substrate Reduction Therapy in LSDs - oral treatment - blood-brain barrier crossing - indication in selected sphingolipidosis: - Gaucher - Tay-Sachs, Sandhoff, Fabry - efficacy in patients with residual enzyme activity
  79. 79. Screening e Prevenzione delle Malattie Lisosomiali
  80. 80. The extraordinary lesson from PKU (Bob Guthrie - early 1960s) Blood spot technology screening for inborn errors of metabolism a model in modern preventive medicine
  81. 81. Mass or Selective Screening Programms by blood spot technology Basic criteria 1) Characteristics of the disease - treatable - (frequent ?) 2) Characteristics of the screening method - simple (easy methodology and technology) - low-cost (low investment, low cost per analysis) - sensible - specific - efficient (many samples per day)
  82. 82. Screening for Lysosomal Storage Disorders (LSDs) Treatable LSDs 1991: Gaucher disease 2001: Fabry disease 2002: MPS I Pompe disease Results of ERT trials MPS II J Inherir Metab Dis 2005;28(suppl 1) MPS VI Escolar et al: Transplantation of umbilical-cord blood Krabbe in babies with infantile Krabbe’s disease N Eng J Med 2005
  83. 83. Screening for Lysosomal Storage Disorders (LSDs) TWO MAIN AIMS 1) define the real epidemiology (frequency) of the disease (present knowledge is based on retrospective analysis) 2) make an early diagnosis before the onset of irreversible pathology - Newborns - childhood - young adults - family members - selected patient populations
  84. 84. BRAIN Fabry disease HEART STROKE hard endpoints Progressive KIDNEY involvement ESRD
  85. 85. POMPE Disease Giulia, 5 mesi Glicogenosi tipo II Malattia cardiaca e muscolare gravissima Terapia enzimatica sperimentale a 13 mesi
  86. 86. La prevenzione della Malattia di Pompe: una frontiera della medicina moderna Fenotipo “variante” - miopatia ad esordio clinico variabile (bambino adulto) forma giovanile/adulta (late-onset) - iperCPKemia isolata
  87. 87. MPS I BMT Since 2003: ERT
  88. 88. Screening for Lysosomal Storage Disorders (LSDs) strategies 1) Not-specific lysosomal protein markers: LAMP+saposins by immune-based assay (Meikle, Australia, 1997) 2) Specific lysosomal substrates by tandem-mass spectrometry (2001-2005) 3) “Protein profiling” : immune-based assay for lysosomal enzymes (Meikle, Australia, 2004) 4) Direct assay of lysosomal enzymes by tandem mass spectrometry (Gelb,Usa,2004) 5) Fully-automated fluorescent assay of lysosomal enzymes (Pagliardini, Spada-2001)
  89. 89. Mass and selective screening for LSDs our strategy M Spada and S Pagliardini (Regina Margherita Children’s Hospital, Torino, Italy) New screening approach for Fabry Disease. 1st European Round Table on Fabry disease Nice-France 15 June 2001 fully automated fluorescent assay for Fabry screening α-gal A quantification in blood spots Hospital: name or code: > 1000 samples per die date of sampling: Mass and selective screening in large populations
  90. 90. Pagliardini S, Spada M. A simple and rapid approach for screening lysosomal disorders. J Inher Metab Dis, 2003;26(Suppl 2):1. - α-galactosidase A fully automated -β-glucosidase enzyme quantification LSDs screening -chitotriosidase - α-glucosidase > 1000 samples per die -α-iduronidase -any lysosomal enzyme Mass and selective screening in large populations
  91. 91. First prospective screening studies for LSDs Selected populations Newborns (general population) Pagliardini S, Spada M. Spada M. , Pagliardini S First neonatal mass Screening for Fabry disease in screening program end-stage nephropathies for lysosomal storages J Inher Metab Dis, disorders: 2002;28(Suppl 1):148. 18 month experience J Inher Metab Dis, 2005;28(Suppl 1):148.
  92. 92. Selective screening for Fabry disease: ESRD male population (Strategies in Regina Margherita Children’s Hospital, Turin, Italy) α--galactosidase A activity α galactosidase A activity 25.000 tests on dried blood spot on filter paper Screening test on dried blood spot on filter paper (new method) (new method) α- galactosidase A activity α- galactosidase A activity in plasma in plasma (classical method) (classical method) Diagnostic tests a cohort of 8037 ESRD male patients GLA gene sequencing completed the study GLA gene sequencing
  93. 93. Screening for Fabry disease in male patients with ESRD: five lessons (1) 1) The prevalence of Fabry disease in ESRD male population: 0.25 % = 21:8037 (1:400) 2) Fabry disease is largely undiagnosed amongst ESRD patients Thadhani et al. ( Kidney International 2002): Spada, Pagliardini ( December 2003): retrospective study mass screening USA Europe Europe 73 / 233.552 = 0,030 % 21/ 8037 = 0,25 % 37 / 132.687 = 0,027 % Clinical strategy Screening strategy 1 10
  94. 94. % αGalA activity Mutation Age at diagnosis(yr) Age at ESRD(yr) Cardiac dis. CVD 1.KJ <5% I317T 26 24 - - 2.DE <5% G325S 44 25 - - 3.PS <5% V269M 40 29 - - 4.BM <5% g10214insT 36 31 - - 5.CF <5% R220X 43 39 CMP - 6.BM <5% N228H 52 48 CAD - 7.MC <5% E59K 53 49 CAD - 8.PD <5% A143T 55 53 - Stroke at 50 y 9.CG <5% A143T 71 54 CMP - 10.CC <5% Q279K 58 56 CAD at 50 y Stroke at 51 y 11.SQ <5% A143T 62 59 CMP - 12.SF 25 % G395A 65 59 CAD at 52 y - 13.MK <5% G360E 68 61 nd nd 14.PG <5% A143T 68 66 CMP - 15.OI <5% D313Y 72 71 CAD at 57 y TIA 16.TS <5% A143 T 82 78 CAD at 42 y Stroke at 40 y
  95. 95. Newborn screening for LSDs
  96. 96. Le malattie lisosomiali: una storia Prime descrizioni cliniche 1882: Gaucher (MD Thesis, Faculté de Médicine, Paris) 1898: Fabry (Arch Dermat Syph)/Anderson (Br J Dermatol) Biochimica dei lisosomi 1955: de Duve (Biochem J): scoperta dei lisosomi (Premio Nobel) 1963: Hers (Biochem J): primo difetto enzimatico lisosomiale descritto (deficit di maltasi acida nella M. di Pompe) 2006: 40 malattie lisosomiali definite biochimicamente Genetica LSD (1980-1990) 1985: Sorge et al (Proc Natl Acad Sci USA) : cloning gene glucocerebrosidasi 1986: Bishop et al (Proc Natl Acad Sci USA): cloning gene α-gal-A Terapia LSD 1984: trapianto di midollo in Gaucher disease-BMT (Rappeport, N Engl J Med) 1991: terapia enzimatica-ERT (Beutler et al, N Engl J Med) 2000: terapia di riduzione del substrato-SRT (Cox et al, Lancet) 1999: terapia di stimolazione enzimatica : EET-chaperon (Fan et al, Nat Med) Screening-Prevenzione LSD 2006: Screening neonatale LSD (Spada, Pagliardini et al, Am J Hum Gen)
  97. 97. Newborn screening for Fabry disease - Piemonte Region, Italy - 37.104 consecutive male newborns Normal mean activity: α--galactosidase A activity α galactosidase A activity Screening 7.7 ± 3.1 nmol/h/ml blood on dried blood spot on dried blood spot Cut-off level: < 1.5 nmol/h/ml (20% normal mean ) α- galactosidase A activity α- galactosidase A activity in plasma in plasma Definite diagnosis GLA gene sequencing GLA gene sequencing
  98. 98. RESULTS 12 infants were found posititive at second blood spot α- gal A determination. The diagnosis of Fabry disease was then confirmed Birth prevalence: 12/ 37.104 1/3100
  99. 99. Biochemical and molecular data in 12 male newborns with α-gal A deficiency blood spot α- plasma α-gal α-gal A gene gal A (> 1.9 A (6-19 mutation nmol/h/ml) nmol/h/ml) 1 0.0 0.8 N215S 2 0.2 0.7 E66G 3 0.0 0.6 M51I 4 0.0 0.8 A73V 5 0.1 0.7 N215S 6 0.0 0.3 F113L 7 0.1 1.1 A143T 8 0.2 0.6 A143T 9 0.2 0.7 R118C 10 0.0 0.2 IVS5 +1G T 11 0.0 0.2 F113L 12 0.4 0.8 A143T
  100. 100. Newborn screening for Fabry disease 1) Definition of the prevalence of the disorder Newborn screening approach Clinical diagnosis/retrospectve studies 1 : 3000 1: 40.000 - 1: 100.000 chronic nephropathy A disease largely misunderstood cerebrovascular disease in medical community hypertrophic cardiomyopathy 2) A simple, low-cost, rapid and efficient tool for prevention strategy early diagnosis General population (newborns) Newborn family members Optimal planning of ERT since pediatric age Start ERT before end-stage organ disease
  101. 101. Prevalenza della malattia di Fabry in popolazioni di pazienti a rischio Insufficienza renale = 0.25-0.3 % Spada, 2002. J Inher Metab Dis Nakao, 2003. Kidney Int Cardiomiopatia ipertrofica = 3-4 % Nakao, 1995. N Engl J Med Sachdev, 2002. Circulation Stroke = 5 % Rolfs, 2005. Lancet
  102. 102. Fabry disease = a model of X-linked disorder GLA gene mutation = G 260 E (ex 5)
  103. 103. Screening neonatale di massa Pediatria preventiva Pediatria eugenetica Sintomi neonatali assenti Sintomi neonatali presenti Sintomi neonatali Terapia efficace [< 2 gg] [ 2-5 gg] [5-15 gg] assenti/presenti Terapia efficace Problemi: Terapia non (poco) efficace diagnosi clinica/dimissione precoce Prognosi infausta PKU galattosemia fibrosi cistica ipotiroidismo SAG biotinidasi organico acidurie Gaucher, Fabry leucinosi difetti β-ox-AG Pompe, MPS I tirosinemia Wilson MCAD
  104. 104. Screening neonatali: nuove frontiere 1) Malattie cerebrali con danno irreversibile Fenilchetonuria (entro il primo anno di vita): Ipotiroidismo ritardo mentale Dif. biotinidasi severa encefalopatia 2) Malattie acute potenzialmente mortali S. adreno-genitale: disidratazione ad esordio neonatale Galattosemia: epatopatia acuta 3) Malattie croniche con danno d’organo irreversibile M. di Gaucher: anemia,piastrinopenia, malattia scheletrica M. di Fabry: insuff. renale, ictus, infarto Glicogenosi II: cardiomiopatia, miopatia MPS1: encefalopatia e malattia scheletrica
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