Недостаток на карнитин палмитоилтрансфераза II

Недостатокот на карнитин палмитоилтрансфераза II е автосомно рецесивно наследено генетско метаболичко нарушување кое се одликува со ензимски дефект кој што го спречува транспорт на масни киселини со долг ланец во митохондриите за искористување како извор на енергија. Нарушувањето се манифестира во една од трите клинички форми: смртоносна неонатална, тешка инфантилна хепатокардиомускулна и миопатична.

Дефицитот на карнитин палмитоилтрансфераза II има автосомно рецесивен модел на наследување.

Првпат окарактеризирана личност била во 1973 година од страна на DiMauro и DiMauro, возрасната миопатична форма на оваа болест е предизвикана од физички напорни активности и/или подолги периоди без храна и доведува до огромен мускулен замор и болка. Тоа е едно од најчестите наследни нарушувања на липидниот метаболизам кое влијае на скелетните мускули на возрасните, примарно ги погодува мажите. Недостатокот на CPT II е исто така најчеста причина за наследна миоглобинурија .

Знаци и симптоми

Трите главни типови на дефицит на карнитин палмитоилтрансфераза II класифицирани врз основа на ткивната специфична симптоматологија и возраста на почетокот. Меѓу неколку луѓе на кои им е дијагностициран CPT2, некои имаат непознати и/или нови мутации кои ги ставаат надвор од овие три категории, додека остануваат позитивни за CPT2. Симптомите на болеста се разликуваат во зависност од формата, но најчести симптоми на оваа болест се:

Миопатска форма:

- мијалгија и мускулна слабост;

- кардимиопатија;

- рабдомиолиза;

- намалено мокрење со карактеристична боја на урина (боја на кока кола);

- покачени серумски вредности на креатинин киназа (КК) и миоглобин во крв;

- акутно бубрежно оштетување (АБО) со покачени вредности на деградационите производи во крв (уреа и креатинин);

- покачени хепатални ензими во крв (лактат дехидрогеназа-ЛДХ, аспартат аминотрансфераза АСТ, аланин аминотрансаминза АЛТ).

Тешка инфатилна форма:

- мускулна слабост;

- лицеви абнормалности;

- кардимиопатија, аритимија;

- ецнефалопатија;

- респираторни компликации;

- хипогликемии;

- краток животен век;

- кома и ненадејна смрт.

Летална неонатална форма:

- дисморфични промени на органи (црн дроб, бубрези, срце);

- животен век од неколку недели до еден месец;

Неонатална форма

Неонаталната форма претставува една од најретката клиничка презентација на ова нарушување и скоро секогаш е фатална на брз начин, без оглед на интервенцијата. Симптоматскиот почеток е документиран само неколку часа по раѓањето до 4 дена од животот. Засегнатите новороденчиња обично доживуваат респираторна инсуфициенција, низок шеќер во крвта, напади, зголемување на црниот дроб, откажување на црниот дроб и зголемување на срцето со абнормален срцев ритам што доведува до срцев удар . Во повеќето случаи, елементите на абнормален развој на мозокот и бубрезите се очигледни, понекогаш дури и при пренатален ултразвук. Доенчињата со смртоносна неонатална форма обично живеат не подолго од неколку месеци. Документирани се и невронски миграциски дефекти, на кои често им се припишува ЦНС патологијата на нарушувањето. 

Инфантилна форма

Симптоматската презентација обично може да се јави помеѓу 6 и 24 месечна возраст, но повеќето случаи се документирани кај деца помали од 1 година. Инфантилната форма вклучува повеќе органски системи и првенствено се одликува со хипокетозна хипогликемија (повторливи напади на абнормално ниски нивоа на производи за разградување на маснотии и шеќер во крвта) што често резултира со губење на свеста и активност на напади. Акутната црнодробна инсуфициенција, зголемувањето на црниот дроб и кардиомиопатија се исто така поврзани со инфантилната презентација на ова нарушување. Епизодите се активирани од фебрилни болести, инфекција или пост. Некои случаи на синдром на ненадејна смрт на доенчиња се припишуваат на дефицит на инфантилен CPT II на аутопсијата.

Возрасна форма

Оваа исклучиво миопатична форма на оваа болест е најзастапена и најмалку тешка фенотипска презентација на ова нарушување. Карактеристичните знаци и симптоми вклучуваат рабдомиолиза (распаѓање на мускулните влакна и последователно ослободување на миоглобинот), миоглобинурија, повторливи болки во мускулите и слабост. Ослободувањето на миоглобинот предизвикува урината да биде црвена или кафена и е показател за оштетување на бубрезите што на крајот може да резултира со откажување на бубрезите. Мускулната слабост и болката обично исчезнуваат во рок од неколку часа до денови, а пациентите изгледаат клинички нормални во интервентните периоди помеѓу нападите. Симптомите најчесто се предизвикани од вежбање, но постот, исхраната богата со маснотии, изложеноста на ниски температури, лишувањето од сон или инфекцијата (особено фебрилна болест) исто така може да ја предизвикаат оваа метаболна миопатија. Во мал број случаи, сериозноста на болеста може да се влоши со три опасни по живот компликации кои се резултат на постојана рабдомиолиза: акутна бубрежна инсуфициенција, респираторна инсуфициенција и епизодни абнормални срцеви ритами. Тешките форми може да имаат постојана болка од општа животна активност. Возрасната форма има променлива возраст на почеток. Првото појавување на симптомите обично се јавува помеѓу 6 и 20 години, но е документирано кај пациенти на возраст од 8 месеци, како и кај возрасни на возраст над 50 години. Приближно 80% од случаите пријавени до денес биле од машки пол. 

Биохемија

Ензимска структура

CPT системот директно делува на трансферот на масни киселини помеѓу цитозолот и внатрешната митохондријална матрица. CPT II ги дели структурните елементи со другите членови на семејството на белковини на карнитин ацилтрансфераза. Кристалната структура на CPT II на стаорци неодамна беше разјаснета од Hsiao et al. Човечкиот хомолог на ензимот CPT II покажува 82,2% аминокиселинска секвенца хомологија со белковината на стаорец. Значителни структурни и функционални информации за CPT II се добиени од кристалографските студии со белковината на стаорци.

Покрај сличностите што ги споделуваат ацилтрансферазите, CPT II, исто така, содржи посебно вметнување од 30 остатоци во амино доменот што формира релативно хидрофобна испакнатост составена од два алфа спирала и мал анти-паралелен бета лист. Предложено е дека овој сегмент посредува во поврзувањето на CPT II со внатрешната митохондријална мембрана. Згора на тоа, влошката може да го олесни префрлањето на палмитоилкарнитините директно во активното место на CPT II по транслокацијата низ внатрешната мембрана поради неговата јукстапозиција со тунелот на активното место на ензимот.

Каталитички механизам

Недостаток на карнитин палмитоилтрансфераза II го катализира формирањето на палмитоил-CoA од палмитоилкарнитин увезен во матрицата преку ацилкарнитин транслоказата. Каталитичкото јадро на ензимот CPT II содржи три главни места за врзување кои ги препознаваат структурните аспекти на CoA, палмитоил и карнитин.

Иако кинетичките студии се попречени од високата инхибиција на подлогата, силната инхибиција на производот, многу ниските вредности на Km за ацил-CoA супстратите и сложените детергентни ефекти во однос на формирањето на мицели, студиите покажаа дека Недостаток на карнитин палмитоилтрансфераза II демонстрира механизам со задолжителен редослед во кој ензимот мора да го врзе CoA пред палмитоилкарнитин, а потоа добиениот производ палмитоил-CoA е последниот супстрат што се ослободува од ензимот. Местото за врзување на карнитин е достапно со конформациската промена индуцирана во ензимот со врзувањето на CoA. Се верува дека овој подреден механизам е особено важен така што ензимот соодветно реагира на состојбата на ацилација на митохондријалниот базен на CoA и покрај фактот што концентрациите и на CoA и на ацил-CoA пронајдени во матрицата добро ја надминуваат измерената км вредност на ензимот. (повеќето CPT II веќе ќе ја обврза CoA).

Остатокот од хистидин (на позиција 372 во CPT II) е целосно конзервиран кај сите членови на едно семејството на карнитин ацилтрансфераза и е локализиран на активното место на ензимот, веројатно играјќи директна улога во каталитичкиот механизам на ензимот. Се верува дека општ механизам за оваа реакција вклучува овој хистидин кој делува како општа основа. Поконкретно, оваа реакција се одвива како општ базен-катализиран нуклеофилен напад на тиоестерот на ацетил-CoA од страна на хидроксилната група на карнитин.

Биохемиско значење на мутациите што предизвикуваат болести

Повеќе од 60 мутации на генот се причина за замена или бришење на аминокиселините кои доведуваат до развој на ова заболување. Болеста е генетски условена (автосомно-рецесивна) која се манифестира со нарушена оскидација на митохондријалните масните киселини со долги ланци во клетките на склетената мускулатура. Тоа доведува до намалено енергетско снабдување на склетената мускулатура со што резултира со мијалгија и мускулна слабост, а проследена е со пораст на креатинин киназа (ЦК) и миоглобинот. Поголемиот дел од генетските абнормалности кај пациентите со дефицит на CPT II влијаат на остатоците од аминокиселините донекаде отстранети од активното место на ензимот. Така, се смета дека овие мутации ја компромитираат стабилноста на белковината наместо каталитичката активност на ензимот. Теориите за биохемиското значење на двете најчести мутации се забележани подолу:

• Ser113Leu Hsiao et al. теоретизираат дека оваа мутација може да ја наруши водородната врска помеѓу Ser113 и Arg 498 и мрежата со јонски пар помеѓу Arg498 и Asp376, а со тоа индиректно да влијае на каталитичката ефикасност на остатокот His372. Исаксон и сор. сугерираат дека оваа мутација ја зголемува термолабилноста на ензимот, структурно дестабилизирајќи го. Ова е забележливо во светлината на фактот дека оваа мутација е поврзана со возрасната форма предизвикана од вежбање (т.е., зголемувањето на температурата на средината на телото може да ги влоши ензимските дефекти што доведуваат до симптоматска презентација). Руфер и сор. се шпекулира дека мутацијата на серинот до пообемниот, хидрофобниот леуцин ја менува критичната интеракција со блискиот Phe117, на крајот менувајќи ја положбата и околината на каталитички важните остатоци Trp116 и Arg498, намалувајќи ја ензимската активност.
• Pro50His Овој пролин е 23 остатоци од активното место и се наоѓа веднаш под хидрофобната мембранска влошка во активниот CPT II ензим. Хсијао и сор. се шпекулира дека оваа мутација индиректно ја компромитира поврзаноста помеѓу CPT II и внатрешната митохондријална мембрана и го нарушува префрлањето на супстратот на палмитоилкарнитин во активното место на ензимот.

Ензимска активност и сериозност на болеста

Клиничкото значење на биохемиските последици кои произлегуваат од генетските абнормалности кај пациентите со дефицит на CPT II е спорно прашање. Руфер и сор. ја поддржуваат теоријата дека постои поврзаност помеѓу нивото на ензимска активност и клиничката презентација. Повеќето од истражувачките групи трансфицираа COS-1 клетки со различни CPT II мутации и открија различни нивоа на намалување на ензимската активност во споредба со контролните: Phe352Cys ја намали ензимската активност до 70% од дивиот тип, Ser113Leu ја намали ензимската активност на 34% од дивиот тип, и неколку тешки мутации ја намалија активноста на 5-10% од дивиот тип. Недостаток на карнитин палмитоилтрансфераза II е многу ретко наследно заболување кое доведува до мускулна слабост и мијаглија. Постојат 3 форми: летална неонатална, тешка инфатилна хепатокардиомускуларна форма и миопатска форма. Во клиничката пракса најчесто се среќава миопатската форма  (86 %) која се одликува со мускулна болка и слабост проследена со рекуренти епизоди на рабдомиолиза, а испровоцирани од физичка активност, постење и фебрилни состојби. Тешката инфатилна форма (8 %) се одликува со тешка инторлеранција при воздржување од внес на храна која доведува до хипокетотична хипоклигемија и хепатална енцефалопатија. Леталната неонатална форма (6 %) доведува до дисморфични промени на органи (на пр. цистични диспластични бубрези) и се одликува со фатален исход.

Сепак, повеќето истражувачи не сакаат да го прифатат постоењето на причинско-последична врска помеѓу ензимската функционалност и клиничкиот фенотип. Пријавиле ограничена корелација (нема статистичка значајност) помеѓу генотипската низа и клиничката сериозност на фенотипот во нивните групи на пациенти. Постоела потреба од понатамошни истражувања на оваа тема со цел целосно да се проценат биохемиските последици на овој ензимски недостаток.^{[се бара извор]}

Стапката на оксидација на масни киселини со долг синџир кај пациенти со дефицит на CPT II е предложена како еден од посилните предиктори за клиничката сериозност од преостанатата ензимска активност на CPT II. На пример, една студија покажа дека иако нивото на резидуална CPT II активност кај возрасните наспроти групите со почеток на доенчиња се преклопува, значително намалување на оксидацијата на палмитат било забележано во инфантилната група во споредба со возрасната група. Оваа група заклучи дека и типот и локацијата на CPT2 мутацијата во комбинација со најмалку еден секундарен генетски фактор го модулира флуксот на масни киселини со долг ланец и, според тоа, сериозноста на болеста.

Патофизиологија

Карнитинот е хидрофилна природна супстанца која може да се добие претежно преку диетално месо и млечни производи и се користи од клетките за транспорт на хидрофобни масни киселини. „Карнитинскиот шатл“ е составен од три ензими кои користат карнитин за да го олеснат увозот на хидрофобни масни киселини со долг ланец од цитозолот во митохондријалната матрица за производство на енергија преку β-оксидација.

• Карнитин палмитоилтрансфераза I (CPT I) е локализирана на надворешната митохондријална мембрана и ја катализира реакцијата на естерификација помеѓу карнитинот и палмитоил-CoA за да произведе палмитоилкарнитин. Идентификувани се три ткивни специфични изоформи (црн дроб, мускул, мозок).
• Карнитин-ацилкарнитин транслоказа (CACT) е интегрална белковина на внатрешната митохондријална мембрана кој го транспортира палмитоилкарнитинот од меѓумембранскиот простор во матрицата во замена за молекула на слободен карнитин кој последователно се поместува назад од митохондриите во цитозолот.
• Карнитин палмитоилтрансфераза II (CPT II) е белковина од периферната внатрешна митохондријална мембрана, кој насекаде се наоѓа како мономерна белковина во сите ткива кои оксидираат масни киселини. Ја катализира трансестерификацијата на палмитоилкарнитин назад во палмитоил-CoA кој сега е активиран супстрат за β-оксидација внатре во матрицата.

Молекуларна генетика

Недостатокот на CPT II има еден автосомно рецесивен модел на наследување. CPT2 е генот што го шифрира ензимот CPT II и тој е мапиран на хромозомскиот локус 1p32. Овој ген е изграден од 5 егзони кои кодираат белковина со должина од 658 аминокиселини. Досега, во литературата се пријавени шеесет мутации кои предизвикуваат болести во рамките на кодираната секвенца на CPT2, од кои 41 се смета дека резултираат со замена или бришење на аминокиселините на критичните резидуи.

Последици од аминокиселини од некои пријавени мутации

• Ser113Leu (338C>T) е најчестата блага мутација забележана кај возрасни случаи, таа има забележана алелна фреквенција од 65% кај возрасни случаи, и документирани се и хомозиготни и хетерозиготни случаи.
• Pro50His (149C>A) е исто така релативно чест кај возрасната форма, со алелна фреквенција од 6,5%.
• Arg161Trp, Glu174Lys и Ile502Thr се други хомозиготни благи мутации поврзани со возрасната форма.
• Arg151Gln и Pro227Leu се примери на тешки хомозиготни мутации кои се поврзани со мутисистемската инфантилна/неонатална форма на нарушувањето.
• 18-те познати тешки мутации кои резултираат со прерано скратени белковини немаат резидуална активност на CPT II се поврзани со неонаталниот почеток и веројатно се некомпатибилни со животот во повеќето околности.
• Val368Ile и Met647Val се полиморфизми кои се поврзани со дефицит на CPT II. Овие генетски абнормалности сами по себе не го предизвикуваат директно нарушувањето, но се чини дека го влошуваат намалувањето на ензимската ефикасност кога се комбинираат со една или повеќе примарни CPT2 мутации.

Неодамнешните истражувања открија дека мутациите поврзани со специфичен фенотип на болеста се сегрегираат на специфични егзони. Во оваа студија, случаите со инфантилен почеток имале мутации во егзонот 4 или 5 на генот CPT2, додека случаите со почеток на возрасни имале најмалку една мутација во егзонот 1 и/или егзонот 3. Оваа група сугерираше дека Ser113Leu (егзон 3) и Pro50His (егзон 1) може да дадат некаква заштитна предност против развојот на тешкиот инфантилен фенотип кај пациенти предиспонирани да развијат возрасна форма на нарушувањето, бидејќи овие две мутации никогаш не биле идентификувани во случаи на сложени хетерозиготни инфантилни случаи. Како поддршка на оваа теорија, независна група пријави два случаи каде што мутациите за кои се покажа дека предизвикуваат инфантилни ( Arg151Gln) или неонатални ( Arg631Cys ) форми кога хомозиготните наместо тоа беа поврзани со поблагиот фенотип со почеток на возрасни кога се присутни како сложени хетерозиготни мутации. со Ser113Leu како втора мутација. Пациентите со миопатска форма имаат нормален животен век. Но, притоа треба да избегнуваат тешки физички активности, да не се воздржуваат од внесување на храна богата со шеќери и масти, да се под лекарски надзор за време на фебрилните состојби. За разлика од миопатската форма, пациентите со тешка инфатилна и летална форма имаат краток животен век кој се одликува со тешка клиничка слика во зависнот од зафатените органи.

Дијагноза

Доенчињата можат да се дијагностицираат со стандардните тестови за скриниг. За разлика од нив, пациентите со историја за појава на болеста по подолг физички напор се дијагностицираат врз основа на клиничката слика (урина со боја на кока кола) и покачените лабораторискити вредности (миоглобин, креатинин киназа, ЛДХ, АСТ, АЛТ, уреа, креатинин). Специфичен тест за дијагностицирање на болеста е иницијална тандем масс спектрометрија на серумски или плазма алкарнитин, со анализи на мутациите и мерења на активност на (CPT2) ензимот во свежи циркулирачки лимфоцити, мастоцити или фибропласти. Пренаталното дијагностицирање е базирано врз основа на комбинирани молекуларни и ензимски тестирања. Но, сепак, треба да се напомене дека постои ризик од 1/4 за развој на тешка инфатилна и летална форма и покрај спроведеното пренаталнато дијагностицирање.

• Тандем масена спектрометрија : неинвазивен, брз метод; значителен врв на C16 е индикативен за генерализиран дефицит на CPT II
• Генетско тестирање и тестирање на носител за да се потврди недостатокот со помош на кожен ензимски тест. Бремените жени исто така може да се подложат на тестирање преку амниоцентеза.
• Студии за ензимска активност кај фибробластите и/или лимфоцитите
• Лабораториски наоди: повеќето пациенти имаат ниски нивоа на вкупен и слободен карнитин и висок сооднос ацилкарнитин: слободен карнитин. Возрасните пациенти често имаат серумски и/или уринарен екран позитивен за присуство на нивоа на миоглобин и серумска креатин киназа и трансаминаза 20-400 пати повисоки од нормалните нивоа за време на напад. Пријавени се знаци на метаболна ацидоза и значајна хиперамонемија кај инфантилни и неонатални случаи.

Третман

Стандардот за третманот и за негатае индивидуаленза кај сите пациенти со дефицит на CPT II обично вклучува ограничувања на продолжената напорна активност и следните одредби:

• Се чини дека трихептаноинот на масна киселина со среден ланец е ефикасна терапија за дефицит на CPT II кај возрасни;
• Ограничување на внесот на липиди, зголемен внес на јаглехидрати ;
• Избегнување на ситуации со пост;
• Инфузии на гликоза за време на инфекции за да се спречи катаболизам;
• Избегнување на валпроична киселина, ибупрофен, диазепам и општа анестезија;
• Модификации во исхраната, вклучително и замена на долг синџир со триглицериди со среден ланец дополнети со Л-карнитин;
• Ригорозен распоред на оброци ;
• Но, веќе при појавата на првите симптоми треба да се побара консултација со лекар. Она што е важно да се потенцира е дека не постои лек што може да ја излечи болеста, туку терапија со спроведување на хигиено-диететски режим;
• Лекарот кој ја следи состојбата на пациентот препорачува да се избегнуваат тешки физички активности, да се избегнува постење (односно да нема воздржување од внесување на храна богата со масти и шеќери). Исто така се препорачува и внес на течности од 2 до 3 литри за 24 часа;