I bersagli neuro-muscolari nelle malattie mitocondriali

Antonio Toscano

Centro di Riferimento Regionale per le Malattie Neuromuscolari Rare Dipartimento di Neuroscienze

Università di Messina

“Le malattie mitocondriali rappresentano un gruppo eterogeneo di sindromi cliniche accomunate da un deficit energetico del metabolismo mitocondriale”. [Wallace, 1999]

I mitocondri sono presenti in tutti i tessuti e le malattie mitocondriali possono teoricamente colpire qualsiasi organo. Le cellule muscolari e quelle nervose sono quasi costantemente coinvolte data la maggiore richiesta di ATP di questi tessuti specie durante lo sviluppo.

Alcune forme di Malattie Mitocondriali sono spesso definite come ”neuro-miopatie mitocondriali”

Motoneuroni - Nervo periferico

Disfunzioni mitocondriali nella SMA

Muscolo scheletrico

Mitochondrial Respiratory Chain

DNA Mitocondriale & DNA Nucleare

DNA mitocondriale

Classificazione genetica delle malattie mitocondriali

• Difetti del DNA mitocondriale – mutazioni puntiformi – riarrangiamenti (delezioni singole, duplicazioni) • Difetti del DNA nucleare – Deficit dei complessi della catena respiratoria – Difetti di importazione delle proteine mitocondriali • Difetti di comunicazione tra il DNA mitocondriale e nucleare – delezioni multiple – deplezione di DNA mitocondriale • Difetti della motilità /fissione/ fusione mitocondriale

MtDNA and Mutations

MtDNA and Deletions

Difetti di importazione delle proteine mitocondriali (Quadri clinici multisistemici severi, esordio infantile)

Deficit di COX difetto di SURF1(sindrome di Leigh) difetto di SCO1 (encefalopatia infantile) difetto di SCO2 (cardiomiopatia+encefalopatia) difetto di COX 10 (encefalopatia infantile) difetto di COX15 (cardiomiopatia ipertrofica fetale Deficit di complesso III difetto di BCS1L (encefalopatia, tubulopatia, epatopatia)

Difetti del DNA nucleare

Difetti di comunicazione tra genoma mitocondriale e nucleare

Disordini mitocondriali in cui mutazioni in geni nucleari determinano alterazioni qualitative (delezioni multiple) e/o quantitative (deplezione) del DNA mitocondriale Forme cliniche

– Oftalmoplegia esterna progressiva (PEO/AR, AD) – Atassia sensitiva, disartria, oftalmoplegia (SANDO) – Atassia spino-cerebellare ed epilessia (SCAE) – Mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy syndrome (MNGIE ) – Sindrome di Alpers – Severe infantile myopathy – Sindrome epatocerebrale – Sindrome di Alpers

Delezioni multiple

Deplezione

Difetti di comunicazione tra genoma mitocondriale e nucleare

Aspetti genetici

Forme dominanti: PEO/AD: mutazioni geni ANT1, POGγ1, 2,Twinkle, RRM2B, DNA2 Forme recessive: PEO/AR, SANDO, SCAE, s. di Apers: Mutazioni POGγ, MNGIE: mut. timidina fosforilasi (TP), MPV17, RRM2B, MGEM1 Miopatia infantile severa: TK2 Sindrome epatocerebrale: dGK

Principali fenotipi neurologici nelle Malattie Mitocondriali

Keogh MJ, Chinnery PF Clinical Medicine 2013

Principali sindromi «storiche» nelle Malattie Mitocondriali

Iter diagnostico

nelle malattie mitocondriali

Indagine anamnestica familiare

Indagini cliniche: neurologiche, cardiache, gastrointestinali, oftalmologiche ed audiologiche

Dosaggio CK: moderatamente elevato o normale, raramente rabdomiolisi e mioglobinuria

Dosaggio acido lattico e piruvico: frequente aumento dei livelli di lattato e piruvato a riposo e/o dopo sforzo muscolare

Exercise Test with a Cycloergometer

(Acid lactate dosage)

0

2

4

6

8

10

12

14

Control

Patient 0

5

10

15 30

60

Aspetti morfologici

Aspetti morfologici

Aspetti ultrastrutturali

Forme sporadiche, matrilineari, AD, AR Esordio intorno ai 20 anni Oftalmoplegia esterna progressiva, modesta debolezza muscolare. Acido lattico nel siero: normale o aumentato Biopsia muscolare: RRF+ COX- Mutazioni: puntiformi, delezioni singole o multiple mtDNA

CPEO

(Oftalmoplegia esterna progressiva cronica)

Forma sporadica Esordio intorno ai 20 anni Oftalmoplegia esterna progressiva, disturbi di conduzione cardiaca, ipogonadismo, atassia, neuropatia sensitiva, atassia cerebellare, debolezza muscolare, retinite pigmentosa, debolezza muscolare prossimale, deterioramento mentale, sordita Acido lattico nel siero: normale o aumentato Biopsia muscolare: RRF+ COX- Mutazioni : delezioni singole mtDNA

Sindrome di Kearns-Sayre (KSS)

Caso 1

• Genitori non consanguinei, entrambi viventi. Il padre di 53 anni, la madre di 45 anni in a.b.s.

• Collaterali: 1 fratello di 19 anni ed una sorella di 12 anni in a.b.s.

• Nato a termine di gravidanza fisiologica, esitata in parto eutocico. Regolare sviluppo psicomotorio

• Dall'età di 6 anni, ridotto accrescimento pondero-staturale

• All’età di 8 anni, riscontro di bassi livelli di GH e cortisolo. Da agosto 2002 a dicembre 2005, praticava terapia con rhGH con modesti risultati. Da allora terapia con cortone acetato

• Dall’età di 15 anni, i genitori notavano che il ragazzo presentava ptosi palpebrale a sinistra, ad andamento fluttuante nel corso della giornata (a dire della madre peggiorava nelle ore serali)

Anamnesi

Esame neurologico (2007) • Bassa statura. Fronte alta. Piede piatto bilaterale. Anisomorfia dentale

con aree discromiche • Ptosi palpebrale da ambo i lati, più accentuata a sinistra, deficit del

muscolo retto laterale (dx e sin). Scapola alata a sinistra. Limitazione dei movimenti di flessione del tronco tipo spina rigida. Non deficit di forza alle prove segmentarie. Riflessi globalmente ridotti Esame neurologico (2012)

• Andatura su base allargata. Stazione eretta possibile sulle punte ma non sui talloni. Impossibile la marcia “a tandem”. Segno di Romberg negativo. Marcata ptosi palpebrale maggiore a sinistra. Oftalmoparesi bilaterale. Lieve frenage telecinetico alle prove indice naso, dismetria a dx . ROT assenti agli arti inferiori, fiacchi agli arti inferiori.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

Esami di laboratorio

CK: nella norma

Dosaggio acido lattico dopo sforzo aerobico: rialzo della lattacidemia dopo sforzo (test al cicloergometro)

0 5 10 15 30 60

min

Esami strumentali

• RM encefalo "alterazione di segnale a carico del nucleo lenticolare e del pallido di entrambi i lati ed a livello cortico-sottocorticale precentrale sinistro, esiti di sofferenza lenticolare bilaterale e sottocorticolale frontale sin"

• EMG + ENG: sofferenza muscolare primitiva con PUM di durata media 12.3 ms (deviazione dalla norma: - 24 %), ampiezza media 0.2 mV

• Visita oftalmologica: “Distrofia epitelio corneale".

• Esame audiometrico “Lieve ipoacusia neurosensoriale"

• ECG “blocco incompleto di branca destra”

• Ecocardiogramma “minima pervietà della fossa ovale con modesto shunt sinistro-destro”

Biopsia muscolare (m. vasto laterale dx)

0

1020

30

40

5060

70

8090

100

Fibre RRF Fibre COX - Fibre SDH +

Andreu AL et al. NEJM 1999 9 patients suffered from exercise intolerance with premature fatigue, myalgias with no other organ involvement

…Here, we identify homozygous nonsense and missense mutations in the orphan gene C20orf72 in three families with a mitochondrial syndrome characterized by external ophthalmoplegia, emaciation and respiratory failure.

Muscle biopsies showed mtDNA depletion and multiple mtDNA deletions.

C20orf72, hereafter MGME1 (mitochondrial genome maintenance exonuclease 1), encodes a mitochondrial RecB-type exonuclease belonging to the PD–(D/E)XK nuclease superfamily….

MNGIE syndrome (mitochondrial neuro-gastro-intestinal encephalomyopathy)

• Trasmissione: autosomica recessiva • Causa: mutazioni del gene della timidina fosforilasi Cr. 22

(timidina > timina) • Presentazione clinica – PEO, debolezza dei muscoli prossimali; bassa statura,

neuropatia periferica, leucoencefalopatia, gastroenteropatia, cachessia

• Acidosi lattica • Biopsia muscolare: RRF • Biochimica su muscolo e fegato e ridotta attività di COX • Genetica: al Southern blot deplezione e delezioni

multiple del mtDNA.

Trasmissione matrilineare Esordio in genere in età adulta Neuropatia sensitiva, atassia cerebellare, debolezza muscolare, retinite pigmentosa, debolezza muscolare prossimale, deterioramento mentale Acido lattico nel siero: normale o aumentato Biopsia muscolare: non specifica Mutazioni: nt8993 (la piu’ comune) (%70-80), (%>90 LS)

NARP

(Neuropatia- Atassia-Retinite pigmentosa)

DM

DM + Cardiopatia DM DM DM +

Cardiopatia

CASO 2, G.A., uomo - 59 aa

• Dai 19 aa: progressivo deficit del visus, associato a diplopia → retinite pigmentosa e glaucoma • A 28 aa intervento di cataratta in OO • Dai 39 aa ipertensione arteriosa • Da 2 anni ipoacusia • Da 1 anno intolleranza ai carboidrati

• Da circa 1 anno, difficoltà ad articolare le parole e a deambulare per sensazione di sbandamento, non sente bene il pavimento sotto i piedi. • Da alcuni mesi, ridotta sensibilità alle mani.

• Andatura atassica. • Cecita' in OO, oftalmoplegia • Disfonia, disartria e disfagia. Ipotrofia dei muscoli

temporali. • Forza indenne su tutti i distretti muscolari. • ROT assenti • Lieve ipoestesia tattile a calza e a guanto • Dismetria alla prova indice-naso da ambo i lati

(sx>dx).

ESAME NEUROLOGICO

ITER DIAGNOSTICO

• Esami di Laboratorio: nella norma • Test da sforzo: marcata elevazione della lattacidemia dopo sforzo muscolare

•Visita oculistica: Retinite pigmentosa con subatrofia ottica, pseudofachia • RMN encefalo e midollo cervicale: “Aree di iperintensità in TR lungo nella SB periventricolare e nei centri semiovali; marcata atrofia cerebellare, sia del verme che degli emisferi, e del ponte. Minime protrusioni discali C5-C6-C7, normale ampiezza del canale spinale” • ECG (nella norma) ETT: “lieve ipertrofia del Ventricolo sn. FE 60%” • EMG + VC: “Polineuropatia sensitivo-motoria di tipo prevalentemente demielinizzante” • Es. Audiometrico: Ipoacusia percettiva bilaterale più accentuata a sn

• Biopsia muscolare: variabilità di calibro delle fibre muscolari. Molte fibre con aspetto "ragged". Sono presenti fibre con orletto ipereattivo alla SDH e numerose fibre COX-negative. All'ATPasi miofibrillare si vedono "type grouping" di piccole dimensioni. Il contenuto intrafibrale di glicogeno e di lipidi è normale. Non si vedono accumuli di amiloide.

• Ricerca della mutazione T8993C/G (NARP) è risultata negativa

Malattie mitocondriali con neuropatia periferica

Meccanismi patogenetici nelle neuropatie mitocondriali (Pareyson D. et

al. 2013)

Diagnosi differenziale

Tipi di Neuropatia

• Polineuropatia assonale sensori-motoria

• Polineuropatia demielinizzante (MNGIE, LHON, MERRF)

• Neuropatia sensitiva con atassia (NARP, SANDO, PolG1, MTATP6)

CMT mitocondriali Neuropatie ereditarie caratterizzate da atrofia distale ai 4 arti, ipostenia, disturbi della sensibilità, riflessi osteotendinei assenti e piede cavo Fenotipo CMT nei disordini della “dinamica mitocondriale”:

– CMT2 autosomico-dominanti con segni centrali e atrofia ottica (MFN2) – CMT2 autosomico-recessive (GDAP1)

CASO 3 D.M., donna 38 aa

• Dall’età di 30 aa ha iniziato ad accusare formicolio e riduzione della forza alle mani • Da circa 2 aa ha notato faticabilità agli arti inferiori e parestesie alle gambe

Retinite Pigmentosa Cecità OO

75 aa 71 aa

38 aa 43 aa 48 aa

Parestesie

Disturbi deambulazione

Ipoacusia neurosensoriale

16 aa 10 aa 3 aa

Disturbi deambulazione

• Piede cavo con dita a martello (di discreta entita')

• Andatura steppante specie a ds. Non sta sui talloni.

• Discreta ipotrofia dei mm. delle mani specie I interosseo ed eminenza tenare, e moderata dei mm. delle gambe.

• Moderata ipostenia dei mm. intrinseci delle mani e discreta dei mm. della loggia AL delle gambe

• ROT presenti tranne achillei assenti. • Segno di Duprè bilaterale • Ipoestesia globale distale ai 4 arti.

ESAME NEUROLOGICO

ITER DIAGNOSTICO

•EMG + VC: “Sofferenza neurogena da patologia dei tronchi nervosi periferici di tipo prevalentemente motorio”

•PEM aa sup e inf.: nella norma

•Analisi genetico-molecolare: mutazione mitofusina – CMT2A

•PEA: nella norma •PEV: nella norma

Mutazioni POLG1

Sindrome di Alpers PEO

Cardiomiopatia +/-

Oftalmoparesi

MNGIE

SANDO Encefalopatia Epilettica precoce MELAS

SCAE

Popolazione Pediatrica

Popolazione Adulta

Encefalopatia non diagnosticata Malattia neurologica multisistemica

PEO/Malattia neurologica multisistemica Malattia neurologica con familiarità positiva

Sindrome di Alpers ? Biopsia muscolare Esami di istochimica

Southern blot & LTPCR SI NO

Mut A467T sangue

Biopsia muscolare Esami di istochimica

Southern blot & LTPCR

Sequenziamento di POLG1

Omozigosi per A467T

+

-

Delezioni multiple e + Deplezione

Rilevante sospetto clinico

-

SI

Conclusioni • Le alterazioni neuromuscolari sono un aspetto

relativamente frequente nelle malattie mitocondriali

• Il coinvolgimento miopatico, anche se talora clinicamente non evidente, può essere definito mediante BM ed indirizzare verso la corretta diagnosi

• Le neuropatie periferiche sono talora il sintomo prevalente in varie malattie mitocondriali

• I disturbi del metabolismo mitocondriale possono essere parte della patogenesi delle malattie dei motoneuroni

UOC Neurologia e Malattie Neuromuscolari Dipartimento di Neuroscienze, Università di Messina

G. Vita P. Girlanda C. Rodolico A. Mazzeo M. Aguennouz S. Messina V. Rizzo S. Portaro S. Mondello

E. Barca F. Montagnese A. Ciranni S. Romeo N. Licata M. Marino F. Biasini D. Parisi A. Alfonzo

Principali Fenotipi «CMT» Mitocondriali