Carlo Dionisi Vici, Convegno Mitocon 2014

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1 Terapie personalizzate: i cocktails di farmaci e gli integratori Mitocon 2014 Carlo Dionisi-Vici U.O.C. Patologia Metabolica Dipartimento di Medicina Pediatrica [email protected]

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1

Terapie personalizzate: i cocktails di farmaci e gli integratori

Mitocon 2014

Carlo Dionisi-Vici U.O.C. Patologia Metabolica

Dipartimento di Medicina Pediatrica

[email protected]

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a) Malattie che causano “intossicazione” (acuta & cronica) Aminoacidopatie - PKU, MSUD, tirosinemia, omocistinuria Acidemie Organiche (Propionica, Metilmalonica, Isovalerica, Glutarica) Difetti del Ciclo dell’Urea Intolleranza a zuccheri - Galattosemia, Intolleranza al Fruttosio Intosicazione da Metalli - rame, ferro Porfirie b) Malattie del Metabolismo Energetico Difetti ossidazione acidi grassi, difetti catena respiratoria, PC, PDH, Krebs Malattie citosoliche (glicolisi/gluconeogenesi/glicogeno, difetti metabolismo pentoso fosfati) c) Malattie da Carenza di Substrati Difetti metabolismo delle vitamine - B12, folati, B6, B1 & metalli – rame Difetti metabolismo creatina Difetti di sintesi dei neurotrasmettitori & aminoacidi - serina, glutammina Difetti di sintesi del colesterolo d) Disordini di Molecole Complesse Malattie lisosomiali Malttie perossisomiali Sindromi CDG Disturbi metabolismo fosfolipidi

Classificazione delle Malattie Metaboliche

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ac. grassi zuccheri proteine

FFA G6P

piruvato

glucosio

lattato acil-CoA

acil-carnitine PDH

ciclo Krebs

I II III IV V

catena respiratoria ATP

β-ossidazione

Acetil-CoA e-

CORPI CHETONICI

aminoacidi

ac.organici

ciclo urea

UREA

NH4+

IL METABOLISMO INTERMEDIO

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Terapia delle Malattie Metaboliche

• Dietetica • Vitamine - cofattori • Farmaci • Terapia cellulare • Trapianto d’organo • Terapia enzimatica sostitutiva • Inibitori sintesi substrati tossici • Terapie chaperon • Terapia genica

nessuna terapia # 40-30% trattamenti di supporto – cure palliative

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Pronto Soccorso OBG 1987 > 3 anni LARINGITE ACUTA Eo: condizioni generali gravi, dispnea intensa, stridore inspiratorio, FR 56/min + ATASSIA

….in ANAMNESI…….. Abortività materna ripetuta Ricorrenti episodi di dispnea/tachipnea con STRIDORE LARINGEO @ 1 e 2 anni: DERMATITE SEBORROICA del capo seguita da ALOPECIA

Esami di laboratorio: lattato elevato pH 7.4 EB – 19 bicarbonati 6 mEq - pCO2 15.4 Anion Gap 25

Malattia Metabolica ???

Diagnosi?……..laringite???

SCARSISSIMA RISPOSTA ALLA TERAPIA STEROIDEA e O2

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Dionisi-Vici C, Bachmann C, Graziani MC, Sabetta G. Laryngeal stridor as a leading symptom in a biotinidase-deficient patient. J Inherit Metab Dis. 1988;11(3):312-3.

Sospetto deficit BIOTINIDASI

BIOTINA 5 mg per os Dopo 2 ore COMPLETA NORMALIZZAZIONE DEL QUADRO RESPIRATORIO E DELLE ALTERAZIONI DI LABORATORIO

ELISA nel 2006 laurea in Economia

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Pt. 1 • 5 mesi diagnosi Leucemia Linfatica Acuta cellule B • Chemioterapia in accordo con INTERFANT 2006 • Diarrea e vomito dopo la prima somministrazione di Metotrexate (MTX) ad alto dosaggio dosaggio • Nutrizione parenterale totale (TPN) • giorno 19: 3 settimane di terapia MTX, deterioramento clinico, tachipnea, letargia • Grave acidosi metabolica + iperlattacidemia • Infusione di bicarbonati senza miglioramento > dialisi • Valutazione matabolica: Analisi degli acidi organici urinari

Pt. 2 • 9 anni diagnosi di Leucemia Mieloide Acuta. • Vomito persistente dopo chemioterapia • Nutrizione parenterale totale (TPN) • giorno 19 TPN: deterioramento clinico, tachipnea, rapido cambiamento dello stato mentale • Grave acidosi metabolica + iperlattacidemia • Infusione di bicarbonati senza miglioramento •Valutazione matabolica: Analisi degli acidi organici urinari

Maiorana 2014

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10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

9000000

1e+07

1.1e+07

1.2e+07

1.3e+07

1.4e+07

1.5e+07

1.6e+07

1.7e+07

1.8e+07

1.9e+07

Time-->

1 2

3 4

5

6

7

8

is is 9

10

1) Lattato 2) 2-OH-butirrato 3) Piruvato 4) 2-OH-isovalerato 5) 2-cheto-butirrato 6) 2-cheto-isovalerato 7) 2-cheto-3-metil-valerico 8) 2-cheto-isocaproato 9) 2-cheto-glutarato 10) 2-cheto-adipato

Maiorana 2014

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Enzimi dipendenti dalla Tiamina

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L’effetto della Tiamina in caso di deficit secondario

Maiorana 2014

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Carrozzo 2014 submitted

Caso clinico Maschio, primogenito da genitori italiani consanguinei - Nella prima infanzia: ricorrenti episodi di sonnolenza e chetonuria

- All’età di 3 anni dolore muscolare e faticabilità

- All’età di 4,5 anni un episodio di letargia, ipotonia, sudorazione e pallore dopo 17 ore di digiuno. Citolisi epatica GOT/GPT 199/209, chetonuria, epatomegalia, iperecogenicità epatica → biopsia epatica → deficit di fosforilasi (glicogenosi VI) - A 15 anni progressivo sviluppo di intolleranza allo sforzo (test da sforzo interrotto dopo 1 minuto). ECG, ecocardiogramma, neurografia, elettromiografia nella norma

Parametri biochimici: aumento intermittente di lattato plasmatico + un caratteristico profilo di aumento degli AA ramificati e alloisoleucina (range 4-16µM/L) e presenza di α-chetoacidi urinari

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10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00

2000000

4000000

6000000

8000000

1e+07

1.2e+07

1.4e+07

Time >

4

pyruvic

2-OH-isovaleric

2-ketoisovaleric

2-keto3-CH3-valeric

2-ketoisocaproic

lactic

IS

2-ketoglutaric

IS

Carrozzo 2014 submitted

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43 215 245 387 50973 3181

I40LfsX4 G461E

Carrozzo 2014 submitted

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Muscle

DLD

VDAC

Ctrl Pt. 1st Pt. 2nd

Pre-Riboflavin On Riboflavin

On-R

1. Partial restoration of the DLD protein at SDS-page of 2nd muscle biopsy and disappearance of increased mitochondrial proliferation at histochemical reactions (COX, NADH).

2. Complete resolution of clinical symptoms and normalization of urinary organic acid profile

Pre-R

Pt. 2nd

Muscle biopsies

Carrozzo 2014 submitted

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cytosol

FFA fatty acyl-CoA

carnitine

fatty acid oxidation

acetyl-CoA

βOX- cycle e- transfer

fatty acylCoA

carnitine Carnitine cycle

ketones CO2+H2O ketogenesis

mito

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Deficit Primario di Carnitina

No terapia carnitina 3 g/die

Tein 1990; Lamhonwah 2002

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anamnesi negativa, a 2 anni episodio febbrile → trasferita dall’Ospedale di Avezzano al OBG per scompenso cardiaco in cardiomiopatia dilatativa glicemia 23 mg/dl ammonio 215 mcg/dl acido urico 14 mg/dl EB -14 HCO3 12 SGOT 950 SGPT 938 CPK 1036 chetoni urine assenti

Difetto della beta-ossidazione > VLCAD

Ipoglicemia - cardiomiopatia

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DIETOTERAPIA LIPIDI CARBOIDRATI (MAIZENA) PASTI FREQUENTI - ENTERALE OLIO MCT (solo dif. lunga catena) DIGIUNO - FEBBRE – VACCINAZIONI

PRINCIPI DI TRATTAMENTO

FARMACI CARNITINA RIBOFLAVINA

FASI ACUTE INFUSIONE GLUCOSATA

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CINZIA deficit di VLCAD

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carnitina

acil-carnitina acil-CoA

Le acilcarnitine: una finestra sul mitocondrio 16/37

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459.5

542.6

200 250 300 350 400 450 500 550 m/z, amu

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

Inte

nsity

, cps

CTD

MC

AD

SCAD

VLC

AD IV

A H

MG

GA1

- G

A2

MM

A - P

A

CAC

T

LCH

AD -

MTP

Screening acilcarnitine in MSMS

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Enhance electron transfer within the respiratory chain

• Riboflavin (FAD precursor) • Niacin (NADH precursor)

CoQ (Idebenon, EPI-743)

Vitamin E

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Coenzyme Q10 • Primary CoQ deficiencies (mutations in enzymes involved in CoQ synthesis)

• Secondary CoQ deficiencies (mutations in other genes)

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• Neonatal-onset • full-term babies • normal pregnancy • symptom-free period • feeding refusal • vomiting • abnormal posturing, • lethargy, seizures, coma • death within a few days if

not appropriately treated

• Late-onset • variable clinical picture • acute life-threatening

enchephalopathy • intermittent or chronic

symptoms (ataxia, abnormal behaviour, recurrent vomiting with or without ketoacidosis, failure to thrive, liver dysfunction,developmental delay..)

ORGANIC ACIDURIAS Classical forms > disorders that cause intoxication

High risk of “acute metabolic decompensation” triggered by stress events fever, infections, diarrhoea, fasting,immunisation, etc

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Organ complications

CNS Mental Retardation at long term follow-up (>2ys) ~ 70% of neonatal onset pts Basal ganglia stroke (MMA-PA)

MMAmut0

HEART Cardiomyopathy PA – MMA

KIDNEY Chronic renal failure MMA

PANCREAS Acute pancreatitis in PA

Propionic

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2-oxoisocaproic ac.

Isovaleryl-CoA

3-Methylcrotonyl-CoA

Acetyl-CoA

2-oxo-3methyl-valeric ac.

Tiglyl-CoA

Propionyl-CoA Methylmalonil-Co-A

Succinyl-Co-A

2-oxoisovaleric ac.

Methylacrylyl-CoA

Leucine

2-Methylbutyryl-CoA Isobutyryl-CoA

acetoacetate

Isoleucine Valine

3-Methylglutaconyl-CoA

3-OH-Methylglutaryl-CoA

2-methyl-3-OH butyryl-CoA

2-Methylacetoacetyl-CoA

3-OH-Isobutyryl-CoA

3-OH-Isobutyryc ac.

Methylmalonic semialdeide

methionine odd-chain fatty acids

cholesterol

B 12 biotin

biotin

thiamine

Vitamins in OAs

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PCC

carnitine

propionyl-carnitine

carnitine +

carnitine

CoA

Carnitine buffer function in OAs

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J Pediatr 1996

u. 5-oxoproline 156 2145 17

pl. GSH uM 0,3 0,005 0,1

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GSH:structure and function

NH3+

C

H2C

O-

O

H2C C

O

HHN C

CH2

O

SH

H

NH

CH2

C

O-

O

• GSH is the most abundant non-protein thiol in the cell • Functions: antioxidant, cytoprotection - critical in maintaining cell redox status • GSH is up-regulated during oxiative stress

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Oxidative stress

• Free radical generation is an essential contributor to health and homeostasis

• Free radicals (ROS & nitric oxide) play a vital role as mediators of , cell signalling, vascular tone, cell generation and degeneration, control of cellular homeostasis and defence against microorganisms • Free radical species are physiologically indispensable in maintaining redox homeostasis

severe disturbance in the prooxidants–antioxidants balance leading to cells and organs damage which activates/accelerate disease processes

Free radicals

Mild oxidation/physiology

Oxidative equilibrium

Free radicals

Severe oxidation/pathology

Oxidative stress

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• GSH (or reduced glutathione) is consumed in many enzymatic and non-enzymatic reactions, where it serves as a source of reducing equivalents

• GSH is used by glutathione peroxidases and can exchange with disulfides to yield GSSG

• GSSG (oxidized glutathione) via the action of glutathione reductase regenerates GSH at the expense of NADPH

• The glutathione S-transferases (GST) • plays a protective role generating GS-Pro from GSSG

GSH: uses, loss and replacement

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EPI-743 is a therapeutic small-molecule designed to replete reduced glutathione through NQO1-catalyzed electron transfer from NADPH

EPI-743 is orally bioavailable and readily crosses the BBB

Shrader, W.D. et al 2011

α-tocotrienol quinone

EPI-743 restores glutathione cycle and lowers oxidative stress

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Pastore MGM 2013

EPI743: a treatment for SUCLA2 (& Leigh syndrome)?

Page 39: Carlo Dionisi Vici, Convegno Mitocon 2014

Newcastle Pediatric Mitochondrial Disease Scale

GMF PedQL MDCRS Improvement 10.0±11.1 p 0.006 Improvement 15.0±20.8 p 0.02

Martinelli et al. MGM 2012

EPI743: a treatment for SUCLA2 (& Leigh syndrome)?

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•The apparent safety of most agents has motivated a continued prescriptions • Patients and physicians shoul no longer rely on potentially biased data, with the assiciated costs & risks

• Recommendations for treatment trials in mitochondrial diseases

Nat Rev Neurol 2013

35 studies selected from 1039 publications

The need of an EBM based approach

EPI743

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Cobalamin

Rutsch 2009

Inherited cobalamin defects

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Fischer et al.

Page 43: Carlo Dionisi Vici, Convegno Mitocon 2014

Pastore et al.

GSH in lymphocytes from 18 cblC patients

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C. Dionisi-Vici PI

Retinopathy – optic atrophy - nistagmous

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OX/TOT ratio in IEM

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

CTRLS

NPC-Untreated

NPC-Treated

GAUCHER

GM1

Menkes

Wilson

SO

CBS

MTHFR

CBLC

HHH

OTC

ASL

ASS

VLCAD

MTP

MCAD

CACT

CPT1

PA

MMA

HMG

IVA

MITO

P = significant