Większość lizosomalnych chorób spichrzeniowych (LChS) jest spowodowana zaburzeniem kwaśnej hydrolizy endogennych substancji wielkocząsteczkowych w lizosomach, czego efektem jest gromadzenie się substratu. Cechą charakterystyczną tych chorób są zmiany w wielu narządach i zawsze postępujący przebieg, chociaż tempo progresji bywa różne. Zajęcie układu siateczkowo-śródbłonkowego powoduje szczególne powikłania hematologiczne; u chorych stwierdza się powiększenie wątroby i śledzony oraz cytopenię.
Fizjologia
Lizosomy wchodzą w skład układu endosomalno-lizosomalnego, zwanego aparatem wodniczkowym albo wakuolarnym. Jego głównymi składnikami są, poza lizosomami, wczesne endosomy, rozmieszczone na obwodzie komórki, i późne endosomy, zwykle otaczające jądro komórkowe. Zadaniem tego układu jest transport i trawienie endocytowanych substancji wielkocząsteczkowych. Lizosom zawiera wiele enzymów hydrolitycznych i jest otoczony błoną posiadającą system transportujący cząsteczki między światłem lizosomu a cytozolem oraz pompę protonową nazywaną pompą wodniczkową.
Poszczególne etapy produkcji enzymów lizosomalnych przedstawiono na rycinie. Enzymy te są glikoproteinami wytwarzanymi w szorstkiej siateczce śródplazmatycznej, nieaktywnymi na tym etapie. Przemieszczają się przez błonę siateczki dzięki sekwencji sygnałowej N-końca. Po zlokalizowaniu ich cząsteczki w przestrzeni aparatu Golgiego dochodzi do przyłączenia reszt mannozo- 6 fosforanu (M6-P). Nabycie takiego znacznika rozdziela glikoproteiny zdążające do lizosomu od białek wydzielniczych. Błąd znakowania M6-P powoduje nieprawidłową lokalizację enzymów lizosomalnych. Nie dotrą one do lizosomu i nie nastąpi rozpad znajdujących się w nim substratów. Istotna część nowo zsyntezowanego enzymu nie zostaje związana z receptorem dla M6-P aparatu Golgiego i jest wydzielana przez komórkę, a następnie jest wychwytywana przez komórki sąsiadujące w procesie endocytozy za pośrednictwem receptorów M6-P obecnych na ich błonach komórkowych. Mukolipidozy typu II i III charakteryzują się znacznie zwiększoną aktywnością w cytozolu i osoczu wielu enzymów lizosomalnych, które wymagają rozpoznania znacznika M6-P do ich receptorowego wychwytu zwrotnego.
Końcowe etapy dojrzewania enzymów lizosomalnych obejmują proteolizę, fałdowanie cząsteczek i ich agregację. Substancje zewnątrzkomórkowe mogą wniknąć do wnętrza komórki drogą endocytozy lub fagocytozy, zależnie od ich rodzaju. Endocytoza wspomagana receptorowo jest głównym mechanizmem internalizacji biologicznie ważnych substancji zewnątrzkomórkowych. Fagocytoza stanowi drogę wejścia do komórki dla drobnoustrojów i szczątków komórkowych. Ostatecznie, wewnątrzkomórkowy materiał zostaje strawiony. Rozkład niektórych glikosfingolipidów przez odpowiednie hydrolazy wymaga obecności białek aktywujących, zwanych sapozynami. Niektóre enzymy lizosomalne muszą występować w kompleksach w celu zachowania prawidłowej aktywności. Na przykład beta-galaktozydaza i neuraminidaza uzyskują stabilną i aktywną konformację dzięki współwystępowaniu z białkiem ochronnym, które ma aktywność katepsyny A.
Funkcja lizosomów i spichrzanie w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) są związane z mikroglejem, czyli makrofagami pochodzącymi z krążących monocytów krwi, które przenikają do mózgu we wczesnym okresie po urodzeniu. Komórki te są w sposób ciągły zastępowane przez monocyty uwalniane ze szpiku kostnego, przekraczające barierę krew-mózg i wnikające do OUN. Lizosomalne substraty wielkocząsteczkowe mogą pochodzić z OUN i spoza OUN, dlatego niektórzy chorzy z niedoborem określonego enzymu mają objawy neurologiczne, a inni nie. Na przykład chorzy na chorobę Gauchera typu I nie mają zmian w OUN (typ nieneuropatyczny), podczas gdy w typie II i III zmiany takie występują (typy neuropatyczne).
Lizosomalne choroby spichrzeniowe
Genetyka molekularna
Wszystkie LChS są chorobami monogenowymi; z wyjątkiem trzech dziedziczą się autosomalnie recesywnie. Tymi wyjątkami są: choroba Huntera (mukopolisacharydoza typu II – MPS II), choroba Fabry’ego oraz opisana niedawno choroba Danona, która dziedziczy się jako cecha dominująca sprzężona z płcią.
Niekiedy osoby zdrowe wykazują bardzo małą aktywność hydrolaz in vitro, tak jak u osób chorych. Jednak aktywność in vivo pozostaje u nich w normie. Taki stan nazywa się niedoborem rzekomym. Nieprawidłowe białka, odpowiedzialne za wystąpienie niedoboru rzekomego, są kodowane przez osobne geny. Przykładami niedoborów rzekomych są niedobory: arylosulfatazy A, heksozaminidazy A i B oraz beta-galaktozydazy.
Ze względu na wspólny mechanizm aktywacji rodziny lizosomalnych sulfataz, obejmującej 13 enzymów, może dojść do ich złożonego niedoboru. Jego przyczyną jest mutacja genu SUMFI, którego produkt enzymatycznie modyfikuje cysteinę do formyloglicyny w centrum aktywnym sulfataz.Znane są dwa geny kodujące sapozyny, białka aktywujące niezbędne dla prawidłowej enzymatycznej hydrolizy glikosfingolipidów. Jeden z nich koduje białko aktywujące GM2, a brak jego aktywności wywołuje gangliozydozę GM2 w wariancie A lub B. Drugi z genów koduje prosapozynę, przetwarzaną następnie do 4 homologicznych sapozyn (A, B, C i D). Niedobory sapozyn powodują wystąpienie objawów klinicznych przypominających LChS. Na przykład mutacje w regionie kodującym Sap B wywołują wariant leukodystrofii metachromatycznej ze spichrzaniem sulfatydów, a niedobór Sap C jest przyczyną wariantu choroby Gauchera ze spichrzaniem glukozoceramidu.
Patofizjologia
Synteza i „obróbka” hydrolaz lizosomalnych jest wieloetapowa, dlatego upośledzenie ich funkcji może mieć wiele przyczyn. Od czasu identyfikacji pierwszego niedoboru enzymu lizosomalnego (choroba Pompego, 1963 r.) opisano ponad 40 LChS. Mogą to być wrodzone zaburzenia syntezy lub fałdowania enzymów, ich aktywacji (np. przy braku sapozyn) lub przemieszczania enzymów; ten ostatni defekt stwierdza się w 2 mukolipidozach: mukolipidozie II, czyli chorobie wtrętów wewnątrzkomórkowych (I-cell disease) i w mukolipidozie III. Ponadto choroby te mogą być skutkiem zaburzeń białek błonowych, tak jak w cystynozie, chorobie Niemanna i Picka typu C oraz w niemowlęcym spichrzaniu kwasu sialowego. W tabeli wymieniono dotychczas poznane LChS, sklasyfikowane według głównego substratu.
Znane choroby lizosomalne
mukopolisacharydozy (MPS)
glikoproteinowy
sfingolipidozy
inne lipidozy
glikogenozy spichrzeniowe
mnogie niedobory enzymatyczne
zaburzenia transportu lizosomalnego
inne choroby wywołane defektami białek lizosomów
Stopień nasilenia fenotypu choroby jest ściśle związany z resztkową aktywnością enzymatyczną. Zaproponowano pojęcie aktywności progowej, powyżej której ilość enzymu wystarcza do rozłożenia napływającego substratu; poniżej tego progu następuje gromadzenie substratu. Wykazano, że niewielkie zmiany resztkowej aktywności enzymatycznej mogą znacznie wpływać na tempo akumulacji substratu. Im mniejsza aktywność resztkowa, tym wcześniejszy wiek ujawnienia się choroby i tym cięższy jej przebieg, chociaż stwierdza się znaczne nakładanie typowych aktywności enzymatycznych w różnych postaciach choroby, na przykład w chorobie Gauchera. Wynika stąd, że w odniesieniu do chorób, w których osiągalna jest enzymatyczna terapia zastępcza, resztkowa aktywność enzymatyczna ma zasadnicze znaczenie w przewidywaniu odpowiedzi na leczenie: im mniejsza własna aktywność, tym mniejsza odpowiedź na leczenie.
Gromadzenie się nierozłożonego materiału wskutek upośledzonej aktywności enzymatycznej lizosomów powoduje powstanie typowych zmian histochemicznych i ultrastrukturalnych. Mikroskopia świetlna często ujawnia obładowane makrofagi o charakterystycznym wyglądzie: na przykład zmiętego jedwabiu w chorobie Gauchera lub histiocyty barwy błękitu morskiego w chorobie Niemanna i Picka. Charakterystyczne zmiany ultrastrukturalne opisuje się na podstawie wyglądu ciałek resztkowych; są to wakuole zawierające nierozłożony materiał. Nagromadzony substrat może wywoływać objawy chorobowe w różnoraki sposób. Najbardziej oczywistym jest powiększenie zajętych komórek i tym samym całych narządów.Okazuje się jednak, że zwykłe spichrzanie nie wyjaśnia w pełni powiększenia narządów w LChS. Na przykład kardiomiopatia w chorobie Fabry’ego charakteryzuje się przerostem serca, które osiąga ciężar około 1000 g. Mniej niż 0,5% tej masy to spichrzana substancja – triheksozyd ceramidu. Mechanizm prowadzący do przerostu serca pozostaje niewyjaśniony.
Aktywację makrofagów wskutek spichrzania obserwuje się w wielu LChS. Na przykład w chorobie Gauchera opisywano zwiększone stężenia cytokin i chemokin, co powiązano z ich rolą w patogenezie, szczególnie zmian kostnych. Udokumentowano gromadzenie się substratu poza lizosomami i jego szkodliwy wpływ na szlaki sygnalizacji przezbłonowej i wewnątrzkomórkowej. Sugeruje się również upośledzenie czynności mitochondriów. Koncepcja wtórnych zdarzeń okazała się bardzo ważna dla zrozumienia patogenezy LChS. W każdej z tych chorób może być czynny więcej niż jeden z takich wtórnych mechanizmów. Jest to szczególnie istotne dla możliwości leczenia: pierwotny mechanizm, czyli spichrzanie wewnątrz lizosomów, może się poddawać leczeniu, natomiast zmiany spowodowane zjawiskami wtórnymi mogą być oporne.
Obraz kliniczny
Prawie każda komórka eukariotyczna, z wyjątkiem erytrocytów, ma lizosomy. Ponadto wiele substratów lizosomów ma kluczowe znaczenie dla struktury i czynności komórek. W następstwie tego nieprawidłowa czynność lizosomów ma rozmaite następstwa. Podział LChS na podstawie dominującej grupy zajętych komórek jest przydatny, ponieważ ma największe znaczenie w ich leczeniu.
W większości LChS występują objawy neurologiczne. LChS można podzielić na 2 grupy:
1) choroby, w których wszyscy chorzy mają objawy neurologiczne;
2) choroby, w których objawy te występują tylko w najcięższych postaciach.
To rozróżnienie jest ważne, ponieważ za pojawienie się objawów neurologicznych w tej drugiej grupie prawdopodobnie są odpowiedzialne dodatkowe mechanizmy. Praktycznie we wszystkich mukopolisacharydozach występuje uogólnione zajęcie tkanek pochodzenia mezenchymalnego, czego skutkiem są bardzo charakterystyczne dla tych chorób mnogie dysostozy i zmiany w kręgosłupie.
W wielu sfingolipidozach (np. w chorobie Gauchera, chorobie Fabry’ego, chorobie Niemanna i Picka) zajęty jest układ siateczkowo-śródbłonkowy. Możliwości dostępu terapeutycznego do układu siateczkowo-śródbłonkowego są zazwyczaj znacznie większe niż do układu nerwowego i tkanek podporowych, dlatego ta grupa LChS najlepiej odpowiada na leczenie, szczególnie gdy nie ma zmian w OUN. Ważną, chociaż rzadką manifestacją kliniczną LChS jest nieimmunologiczny uogólniony obrzęk płodu (hydrops foetalis), zwłaszcza nawracający, stąd diagnostyka nieimmunologicznego uogólnionego obrzęku płodu powinna obejmować przesiewowe badania w kierunku LChS.
Należy podkreślić, że wszystkie znane LChS charakteryzują się znaczną zmiennością fenotypu.
Leczenie
Najogólniej leczenie przyczynowe można podzielić na enzymatyczne i nieenzymatyczne. Obecnie dostępne terapie enzymatyczne to przeszczep szpiku i enzymatyczna terapia zastępcza.
Przeszczep szpiku
Próby przeszczepiania szpiku przeprowadzono w co najmniej 20 LChS. Jak przedstawiono wcześniej, monocyty są źródłem rezydującej w różnych narządach populacji makrofagów. Po przeszczepieniu komórki te pochodzące od dawcy mogą dostarczyć endogennego enzymu. Enzym ten może być przekazywany do komórek sąsiadujących i powodować ich uwolnienie od substratu. Co ważne, komórki pochodzące od dawcy zostały wykryte również w mózgu człowieka poddanego przeszczepieniu szpiku. Niestety, działanie takiego mechanizmu jest mało prawdopodobne w przypadku tych chorób, w których, tak jak w chorobie Gauchera, enzym jest związany z błoną organelli. Przeszczepienie szpiku powoduje poprawę kliniczną w bardzo zmiennym stopniu. Niestety, bardzo rzadko przynosi całkowite ustąpienie objawów choroby, głównie z dwojakiego powodu: niedostatecznej penetracji tkanek oraz zaawansowanych zmian chorobowych przed podjęciem leczenia.
Enzymatyczna terapia zastępcza
W badaniach eksperymentalnych wykazano wewnątrzkomórkową korekcję spichrzania w następstwie wzbogacenia hodowli fibroblastów enzymem zewnątrzpochodnym. Pierwsze skuteczne leczenie LChS – choroby Gauchera – poprzez enzymatyczną terapię zastępczą zostało rozwinięte przez Brady’ego i wsp. w Narodowych Instytutach Zdrowia USA. Beta-glukozydaza, enzym niedoborowy w tej chorobie, nie jest pobierany przez receptory M6-P (p. wyżej), stąd potrzebna była jego modyfikacja, polegająca na usunięciu glikozylacji, co spowodowało ujawnienie reszty M6-P i dzięki temu pobieranie enzymu. Stosując tę metodę modyfikacji, stwierdzono znaczną poprawę wielu objawów klinicznych choroby Gauchera. Wkrótce potem podjęto próby kliniczne leczenia choroby Fabry’ego i MPS I za pomocą ludzkiego rekombinowanego enzymu. Zakończyły się one wprowadzeniem na rynek odpowiednich preparatów enzymatycznych. Obecnie trwają próby kliniczne enzymatycznej terapii zastępczej w chorobie Pompego, MPS II i MPS VI.
Efekty enzymatycznej terapii zastępczej zależą od wieku ujawnienia się choroby, szybkości jej postępu i obecności objawów neurologicznych.
Terapia nieenzymatyczna
Lecznicze zmniejszenie produkcji substratu po raz pierwszy zastosowano w leczeniu glikosfingolipidoz. Wykazano, że iminowa pochodna cukrowcowa (N-butylodeoksynojirimycyna – NB-DNJ [miglustat – przyp. red.]) hamuje aktywność swoistej dla ceramidów glikozylotransferazy – pierwszy krok biosyntezy glikosfingolipidów. Powoduje to zahamowanie biosyntezy wszystkich glikosfingolipidów pochodnych glikozyloceramidu. Podjęto próby kliniczne leczenia tą metodą choroby Gauchera typu I (nieneuropatycznej) u chorych, którzy nie otrzymywali enzymatycznej terapii zastępczej. Wyniki tych prób wskazują na poprawę objawów choroby. Metoda ta może również odegrać rolę wspomagającą inne leczenie.
Leczenie czaperonami
Skutkiem mutacji genów kodujących enzymy lizosomalne może być nieprawidłowe fałdowanie białek enzymatycznych. Nieprawidłowe cząsteczki są eliminowane w siateczce śródplazmatycznej, chociaż ich centra aktywne mogą zachowywać aktywność katalityczną. Cząsteczki towarzyszące, zwane czaperonami, biorą udział w takim fałdowaniu lub degradacji białek. Małocząsteczkowe czaperony, odwracalnie wiążące się z nieprawidłowo sfałdowanymi białkami, mogłyby je ratować przed degradacją i powiększyć resztkową aktywność enzymatyczną. Taka metoda leczenia, zwana również wspomagającym leczeniem enzymatycznym, okazała się obiecująca w co najmniej 4 niedoborach enzymatycznych: beta-glukozydazy, beta-galaktozydazy, alfa-galaktozydazy A i beta-heksozaminidazy A.
Opracował dr hab. med. Marek Sanak
Komentarz
Choroby lizosomalne tworzą rodzinę ponad 40 różnych, genetycznie uwarunkowanych chorób, u podstawy których leży specyficzny defekt funkcji lizosomu – aktywności enzymów lub białek transportowych bądź receptorowych. Enzymy lizosomalne to w znakomitej większości hydrolazy, ale ostatnio zidentyfikowano 2 peptydazy: palmitoilotioesterazę i pepinazę, których niedobór odpowiada za niemowlęcą i późnoniemowlęcą postać ceroidolipofuscynozy.
W patomechanizmie chorób lizosomalnych mają znaczenie nie tylko mechaniczne następstwa spichrzania, ale też jego skutki toksyczne (uszkodzenie innych szlaków metabolicznych) oraz wytwarzane cytokiny. Na przykład wykazano, że spichrzanie określonego substratu wpływa hamująco na aktywność innych enzymów lizosomalnych, co prowadzi do wtórnego gromadzenia innych substratów. Tak się dzieje w mukopolisacharydozach – gromadzone mukopolisacharydy (glikozaminoglikany) hamują aktywność enzymów katabolizujących gangliozydy.
Nagromadzone w ośrodkowym układzie nerwowym gangliozydy są odpowiedzialne za postępującą degradację psychoruchową. Częstość występowania różnych chorób lizosomalnych jest charakterystyczna dla danej populacji, a dostępne dane są zawsze wypadkową rzeczywistego występowania choroby i jej wykrywalności. Częstość występowania wszystkich chorób lizosomalnych łącznie szacuje się na 1:7000 do 1:8000. W Polsce wynosi ona 1:23 000 żywych urodzeń, w tym mukopolisacharydozy 1:42 000, a gangliozydozy 1:152 000 (Czartoryska i wsp., 2005).
Choroby lizosomalne, podobnie jak inne choroby metaboliczne genetycznie uwarunkowane, charakteryzują się ogromną różnorodnością obrazu klinicznego (fenotypu). Różnice obserwuje się nawet wśród rodzeństwa. Znajomość genotypu pozwala jednak w pewnym stopniu przewidzieć fenotyp choroby. Homozygotyczność mutacji powodującej znaczną nieprawidłowość struktury białka przejawia się ciężką postacią choroby. Jeżeli natomiast na allelu obok ciężkiej mutacji wystąpi mutacja umożliwiająca syntezę mniej uszkodzonego białka enzymatycznego, to wówczas choroba będzie miała przebieg łagodniejszy, bo aktywność resztkowa enzymu będzie większa i pozwoli na nieco efektywniejszy rozkład substratu. Wiadomo też, że im wcześniej wystąpią objawy kliniczne, tym cięższy będzie przebieg choroby, gdyż choroba ujawnia się dopiero po wyczerpaniu komórkowych mechanizmów kompensacyjnych. Przyczyny zmienności manifestacji klinicznej są jednak bardziej złożone i zależą jeszcze od wielu innych czynników. Na przykład u tej samej osoby różna może być ekspresja danego genu w poszczególnych tkankach; różne jest też zapotrzebowanie na poszczególne enzymy lizosomalne w różnych tkankach (i w różnych okresach życia). Na przykładzie mukopolisacharydozy typu I wykazano, że w mózgu wystarczy resztkowa aktywność enzymu (nawet <0,1% normalnej aktywności) do zachowania prawidłowej funkcji komórek nerwowych (Neufeld i wsp., 2001).
Niejednakowa jest też ekspresja genów kodujących enzymy zaangażowane w syntezę substratu. W praktyce klinicznej rozpoznawanie chorób lizosomalnych, w zależności od rodzaju choroby, opiera się na badaniu aktywności określonych enzymów lizosomalnych, chemicznym wykazaniu obecności nierozłożonego substratu, badaniu histochemicznym wykrywającym białka błonowe, analizie molekularnej i pomocniczo na badaniu mikroskopowym.
Ogromna różnorodność ekspresji klinicznej powoduje, że nie zawsze jest łatwo na podstawie samych objawów klinicznych trafnie rozpoznać chorobę, a jest to zupełnie niemożliwe w okresie przedobjawowym. Takich chorych można wykryć w ramach rodzinnych lub populacyjnych badań przesiewowych. W 1994 roku grupa holenderskich biochemików zidentyfikowała enzym chitotriozydazę, wytwarzany przez makrofagi pobudzone przez spichrzany substrat. Enzym ten okazał się dobrym markerem chorób lizosomalnych. Poziom chitotriozydazy w surowicy chorych na chorobę Gauchera jest kilkaset razy wyższy niż u osób zdrowych. Jest też podwyższony w chorobie Niemanna i Picka. W chorobie Gauchera chitotriozydaza jest również doskonałym markerem do monitorowania efektów leczenia enzymatycznego.
Niezwykle ważne staje się jak najwcześniejsze (jeszcze w fazie przedobjawowej) wykrywanie chorób lizosomalnych, zwłaszcza wobec powstających nowych sposobów leczenia przyczynowego (tab.). Obecnie najbliższe ideału wydaje się enzymatyczne leczenie substytucyjne. Zostało ono po raz pierwszy na większą skalę i skutecznie zastosowane w chorobie Gauchera. W 1964 roku Brady wykazał, że podanie dożylne izolowanego z łożyska i oczyszczonego enzymu glukocerebrozydazy obniża poziom glukocerebrozydu w wątrobie i we krwi. Jednak oczyszczony enzym był wychwytywany przez komórki wątrobowe i rozkładany, w wyniku czego nie docierał do makrofagów, w których gromadzi się nierozłożony substrat. Dopiero modyfikacja łańcucha cukrowego, tak by zawierał na końcu resztę mannozową, spowodowała, że białko mogło być rozpoznane przez receptory makrofagów i wprowadzone do lizosomów na drodze aktywnej endocytozy. Leczenie substytucyjne chorych na chorobę Gauchera jest możliwe od 1991 roku; obecnie otrzymuje je na świecie >3000 osób. W Polsce chorzy z chorobą Gauchera są leczeni od 1995 roku; aktualnie wszyscy chorzy z potwierdzoną enzymatycznie chorobą otrzymują lek.
Ogromny sukces terapeutyczny enzymatycznego leczenia substytucyjnego w chorobie Gauchera stał się inspiracją i zachętą do stosowania tej metody w leczeniu innych chorób lizosomalnych. Obecnie można już leczyć w ten sposób chorobę Fabry’ego, mukopolisacharydozę typu I i VI oraz chorobę Pompego.
prof. dr hab. med. Anna Tylki-Szymańska
Klinika Chorób Metabolicznych Instytutu Pomnika Centrum Zdrowia Dziecka w Warszawie
Przedruk z „Medycyny Praktycznej”, 2006; 1: 98-106,
za zgodą wydawcy
„Copyright Medycyna Praktyczna”