Stofskiftesygdomme - fra gen til terapi
Fejl i stofskiftet er årsag til over 500 kendte sygdomme. Kortlægningen af det humane genom har forbedret mulighederne for at opklare årsagerne til sygdommene og forstå deres biokemi. Udfordringen er nu at udvikle behandlingsmetoder.
Af Trine Meldgaard Lund, Ernst Christensen, Arne Schousboe og Allan Meldgaard Lund
Fra Lægemiddelforskning 2001
Mere end 500 sygdomme skyldes fejl i kroppens omsætning af forskellige stoffer, og sygdommene er ofte voldsomt invaliderende. Den første stofskiftesygdom blev beskrevet i 1902 af Archibald Garrod, som beskrev gigtsygdommen alkaptonuri, som ødelægger ledene i kroppen. Garrod postulerede, at en arvelig fejl i stofskiftet var årsag til sygdommen, og det blev senere bekræftet, at gigten forårsages af en defekt i nedbrydningen af aminosyren tyrosin. Han vidste nok, at sygdommen var arvelig, men der skulle gå næsten et århundrede, før genet for alkaptonuri blev identificeret, og de arvelige mutationer i genet blev beskrevet hos patienter med sygdommen. En effektiv behandling findes endnu ikke, men er muligvis på vej.
Fælles for stofskiftesygdomme er, at en omsætningsvej i stofskiftet er ændret, fordi et af de involverede enzymer er defekt. Typisk skal enzymet omsætte et substrat til et produkt. Når enzymet ikke fungerer korrekt, vil substratet blive ophobet i kroppen, mens der opstår mangel på produktet. Desuden kan der via alternative reaktionsveje også dannes for meget af andre stoffer. Det er således ophobning af og mangel på bestemte stoffer, som er årsag til symptomerne ved denne gruppe af lidelser.
Forståelse af sygdomsmekanismerne har ført til, at man i dag kan behandle nogle af sygdommene med diæt, hvor de stoffer, som ophobes i kroppen, fjernes fra kosten, mens man tilsætter de stoffer, som kroppen mangler. Et eksempel er Föllings sygdom (phenylketonuri), som ubehandlet fører til dyb åndssvaghed, men hvor intelligensen er normal, hvis børn med sygdommen kommer på diæt umiddelbart efter fødslen.
Enzymdefekterne bag stofskiftesygdommene er forårsaget af mutationer i det gen, der koder for det pågældende enzym. De sidste årtiers kortlægning af det humane genom har givet os en betydelig forståelse af sygdommenes molekylære baggrund. Samtidig har kendskabet til menneskets samlede arvemasse forbedret mulighederne for at identificere de børn, som har en stofskiftesygdom. Udfordringen i de næste årtier er at bruge denne viden til at udvikle effektive behandlingsformer, som rækker videre end den nuværende behandling af symptomerne.
- CT-scanning af hjernen hos et år gammelt barn med GA1. Barnet blev diagnosticeret 7 måneder gammel på grund af bevægeforstyrrelser (dystoni). Der ses den karakteristiske atrofi svarende til pandelapper og tindingelapper. Basalganglierne (putamen og nucleus caudatus) ses ikke på optagelsen, men formodes også at være beskadiget pga. tilstedeværelsen af dystoni.
En alvorlig sygdom
Med dette for øje har vi undersøgt en stofskiftesygdom, som kaldes glutarsyreuri type 1 (GA1). Historien er den samme: De biokemiske ændringer, enzymdefekten og gendefekten er kendt, men den egentlige årsag til sygdommen er ukendt, og behandlingen er derfor kun symptomatisk.
Ved fødslen ser børn med sygdommen umiddelbart raske ud, selv om de kan være lidt slappe, lidt irritable og lidt svære at give mad. Flere af børnene har imidlertid store hoveder, og en CT/MR-scanning af hjernen kan allerede på det tidspunkt vise atrofi, især i pande- og tindingelapperne.
Et år gamle har tre ud af fire børn oplevet en akut krise med svær hjernepåvirkning og været i en grad af koma. Krisen efterlader børnene med udtalte forstyrrelser i deres evne til at bevæge sig. Efterhånden optræder der også spasticitet, og en del af børnene bliver mentalt retarderede. På tidspunktet for den akutte krise viser CT/MR-scanning ødelæggelser dybt inde i hjernen. Disse påvirkninger af hjernen ligner dem, vi ser ved andre neurodegenerative sygdomme, hvor nervecellerne i hjernen henfalder og dør.
GA1 skyldes, at enzymet glutaryl-CoA dehydrogenase ikke fungerer normalt. Hos flere børn med sygdommen har vi tidligere fundet mutationer i det gen, der koder for enzymet. Glutaryl-CoA dehydrogenase er et af nøgleenzymerne i nedbrydningen af aminosyrerne lysin, hydroxylysin og tryptofan. Ved nedsat eller manglende funktion af enzymet ophobes stofskifteprodukterne glutarsyre, trans-glutakonsyre og 3- OH-glutarsyre i kroppen, hvilket formodes at forårsage sygdommens symptomer. Præcist hvordan vides ikke.
Sygdomsbilledet kan pege på både en direkte toksisk effekt og en energimangel i lighed med det billede, vi ser for visse neurodegenerative sygdomme, hvor signalstoffet glutaminsyre overstimulerer nervecellerne i hjernen. Energimanglen kan skyldes, at der opstår skader på cellernes kraftværker, mitokondrierne. Ser man på symptomerne, er der også flere ligheder med de neurodegenerative sygdomme.
På denne baggrund ønskede vi at undersøge, om ophobningen af de tre stofskifteprodukter aktiverer nervecellernes receptorer for glutaminsyre og dermed forårsager en celledød, der kan forklare ødelæggelserne i hjernen. Hvis dette er tilfældet, vil en medicinsk behandling, som blokerer receptorerne for glutaminsyre, muligvis kunne forhindre nervecelledøden.
Forgiftning af nerveceller
I vore forsøg bruger vi kulturer af nerveceller fra mus. I modsætning til andre celletyper deler modne nerveceller sig normalt ikke. Men hvis man udtager nerveceller fra musefostre på det rette tidspunkt i deres udvikling, kan man få nerveceller i kultur til at danne et netværk af udløbere, præcis som i den intakte hjerne.
I kulturen såvel som i hjernen foregår kommunikationen mellem nervecellerne via signalstoffer som glutaminsyre. Nervecellerne har flere typer receptorer for glutaminsyre, hvoraf en kaldes NMDA-receptoren. En overstimulering af NMDA-receptorerne forårsager celledød.
Vi kan måle på cellernes overlevelse i kultur ved en test, hvor et gult farvestof tilsættes til kulturerne. Levende celler med intakte mitokondrier er i stand til at omsætte det gule farvestof til et blåt farvestof. Ved at måle på denne omdannelse får vi et mål for cellernes energiomsætning og dermed for deres levedygtighed. Hvis man overstimulerer NMDA-receptorerne og dernæst måler på nervecellernes omdannelse af gult farvestof til blåt, kan man se, at omsætningen falder. Det viser, at mitokondrierne er ødelagt, og at cellerne er mindre levedygtige.
Vi har testet de tre stofskifteprodukter glutarsyre, trans-glutakonsyre og 3-OH-glutarsyre og fundet, at alle tre stoffer slår en del af cellerne ihjel ved blot et døgns behandling i kulturerne. Til sammenligning er patienterne konstant udsat for forhøjede koncentrationer af disse stoffer.
Næste spørgsmål er så, om effekten af stofferne skyldes overstimulering af NMDA-receptorerne eller andre mekanismer. Ved at forbehandle cellerne med et stof, som selektivt blokerer NMDA-receptorerne kan man forhindre celledød, som skyldes overstimulering af NMDA-receptorerne.
I en serie af forsøg, hvor vi først har forbehandlet cellerne med det blokerende stof og dernæst udsat dem for hvert af de tre stoffer, som ophobes i sygdommen, forhindres celledøden. Det er derfor sandsynligt, at de tre stofskifteprodukter overstimulerer nerveceller via NMDA-receptorerne. Den skade, der ses i hjernen hos patienterne, kan således forklares ved denne overstimulering.
Fremtidig behandling
Resultaterne danner basis for at udvikle nye strategier for behandling af GA1 udover den nuværende behandling, som består af en diæt. Behandlingen kunne inkludere blokade af NMDA-receptorerne.
Fremtidige studier må afklare effekten af en sådan behandling. Her kan man bl.a. anvende de såkaldte knockout dyr, hvor der er slukket for et bestemt gen. Hvis genet for enzymet glutaryl-CoA dehydrogenase mangler i et forsøgsdyr, vil vi have en god sygdomsmodel for GA1.
Det er en klar udfordring i den post-genome æra at forbedre behandlingen af GA1 børn og børn med andre stofskiftesygdomme, specielt fordi let tilgængelig screening af nyfødte snart vil muliggøre en tidlig behandling.
- Stofskiftesygdomme skyldes fejl i en omsætningsvej i stofskiftet, og fejlene opstår, fordi et enzym ikke fungerer korrekt. Tegningen viser en skematisk fremstilling af en omsætningsvej. Det defekte enzym, symboliseret ved den sorte blok, skal normalt omsætte substratet A til produktet B, som videre omsættes til produktet C. Når enzymet ikke fungerer korrekt, opstår der mangel på stofferne B og C, mens der sker en ophobning af substratet A og en stigning i nedbrydningsprodukterne D og E via alternative reaktionsveje.
Hent artiklen i pdf-format
