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Diagnóstico y tratamiento de las alteraciones de la oxidación mitocondrial de las grasas Mercedes Martínez Pardo1, Lilian Gómez López2, Mónica Ruiz Pons3 Félix Sánchez-Valverde Visus4, Jaime Dalmau Serra5 Hospital Ramón y Cajal. Madrid. 2Hospital Sant Joan de Déu. Barcelona. 3Hospital Virgen de la Candelaria. Tenerife. 4Hospital Virgen del Camino. Pamplona. 5Hospital Infantil La Fe. Valencia. 1

INTRODUCCIÓN La oxidación de los ácidos grasos en la mitocondria juega un papel primordial en la producción de energía, especialmente en el ayuno en el que, tras ser estimulados por el glucagón, los triglicéridos del adipocito salen al torrente sanguíneo y se hidrolizan por la lipoproteínlipasa del endotelio vascular generando glicerol y ácidos grasos libres (FFA) de cadena larga, con más de 12 carbonos en su molécula. El glicerol se incorpora a la neoglucogénesis hepática para sintetizar glucosa, y los FFA se transportan al citoplasma de los hepatocitos y de las células del tejido muscular esquelético, para ser oxidados posteriormente en sus mitocondrias respectivas obteniendo Acetil CoA (AcCoA) y cuerpos cetónicos como sustratos energéticos. Para ello precisa la integridad de varios pasos metabólicos sucesivos: 1. Transporte citoplasmático de los FFA y de carnitina. 2. Acilación citoplasmática de los FFA con CoA 3. Sistema del Transporte mitocondrial de los FFAcilCoA unidos a carnitina. 4. β-oxidación mitocondrial de los FFAcilCoA, para síntesis de Acetil CoA 5. Utilización del AcCoA para sintetizar cuerpos cetónicos Los FFA por un lado y la carnitina por otro, se transportan a través de sus respectivos transportadores, al citoplasma de los hepatocitos y de los miocitos. Allí los FFA se acilan con el CoA citoplasmático, por acción de la enzima Acil CoA sintasa, formándose los acilCoA de ácidos grasos de cadena larga, FFAcilCoa, los cuales se transportan al interior de la membrana de

la mitocondria, en forma de ésteres de carnitina, FFAcilcarnitina. El Sistema de transporte mitocondrial de los FFAcilCoA unidos a carnitina está controlado por tres enzimas: Carnitin palmitoil transferasa I (CPT I) que trasforma los FFAcilCoA en FFAcilcarnitina en la membrana externa mitocondrial; Carnitin palmitoil transferasa II (CPT II) que trasforma los FFAcilcarnitina de nuevo en FFAcilCoA en la cara interna de la membrana mitocondrial y Traslocasa que transporta la carnitina desde la cara interna a la externa de la membrana mitocondrial, para volver a esterificarse con los FFAcilCoA. Los FFAcilCoA procedentes de ácidos grasos con nº de carbonos < de 12 (cadena media y corta) no precisan para entrar en la mitocondria, del “Sistema de transporte unido a carnitina“. Una vez dentro de la matriz mitocondrial, todos los FFAcilCoA, se oxidan en posición β a través de la acción de cuatro enzimas, específicas para cada longitud de cadena, muy larga (>24 C, very long, VL), larga (de 13 a 24 C, long, L), media (de 6 a 12 C, medium, M) y corta (de 3-6 C, short, S): la primera reacción enzimática la controlan las Acil CoA deshidrogenasas de diferente longitud de cadena (VLCAD, LCAD, MCAD, SCAD), unidas todas ellas al complejo II de cadena respiratoria mitocondrial, el electro transfer flavoproteína, cuyo cofactor es el Flavinadenin dinucleótido (FAD); la segunda la cataliza la Enoil CoA hidratasa, común para todas las longitudes de cadena; la tercera reacción la catalizan las 3OHacil deshidrogenasas, específicas para cada longitud de cadena (VLCHAD, LCHAD, MCHAD, SCHAD), unidas al complejo I de cadena respiratoria mitocondrial, cuyo cofactor es el Nicotinamidaa-

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denin dinucleótido (NAD) y por último la β-ceto acil CoA tiolasa. Estas tres últimas, se encuentran unidas formando la llamada “Enzima trifuncional” (MTP) compuesta por 4 subunidades alfa (actividades LCHAD+Enoil hidratasa) y 4 subunidades beta con actividad β-ceto tiolasa. La espiral que sigue un FFAcilCoA intramitocondrial a través de la β-oxidación da lugar a la síntesis de una molécula de Acetil CoA (AcCoA) intramitocondrial + un nuevo FFAcilCoA con 2 carbonos menos en su molécula de los que ha partido. Este nuevo FFAcilCoA (n - 2) vuelve a β-oxidarse dando lugar a un nuevo AcCoA + FFAcilCoa (n - 4) y así sucesivamente hasta convertir el FFAcilCoA con nº de carbonos < 12 que seguirá la oxidación específica para FFAcilCoa de cadena media hasta n< 6 el cual entrará en la de cadena corta. Los AcCoA productos de la β-oxidación mitocondrial en el hepatocito: activan la piruvato carboxilasa, primera enzima de la gluconeogénesis a partir de aminoácidos, activan la síntesis de glucosa; son el sustrato, junto con la glutamina, para síntetizar el N-acetil glutamato, que a su vez activa el inicio del ciclo de la urea para metabolizar el amonio, por último a partir del AcCoA, el hepatocito sintetiza cuerpos cetónicos (β-OH butirato y acetoacetato), substratos alternativos de la glucosa para la obtención de energía en el sistema nervioso central (SNC). Los AcCoA productos de la β-oxidación mitocondrial muscular, entran directamente al ciclo de Krebs muscular para su oxidación en la cadena respiratoria mitocondrial y producción de ATP (energía) + CO2 + H2O. TRASTORNOS DE LA OXIDACIÓN MITOCONDRIAL DE ÁCIDOS GRASOS(1-7) Los trastornos de utilización mitocondrial de los ácidos grasos clínicamente se expresan en hígado (hipoglucemia hipocetósica con hepatomegalia, hiperamoniemia y esteatosis), miocardio (muerte súbita, arritmias, miocardiopatías dilatadas e hipertróficas), músculo esquelético (hipotonía, miopatía lipídica, rabdomiolisis, CPK aumentada), retinopatía pigmentosa y trastornos del sistema nervioso central (hipsarritmias, leucodistrofias etc...). La tabla I resume la clínica de estos trastornos.

Fisiopatología Los defectos de la oxidación mitocondrial de los ácidos grasos, van a dar lugar a dos graves problemas fisiopatológicos, a un defecto de producción de energía y/o a un acúmulo de moléculas tóxicas. Los defectos de transporte citoplasmático de FFA de cadena > 12 C y de carnitina, así como la síntesis de FFAcilCoA citoplasmáticos, imposibilitan cualquier continuación de la oxidación de aquellos con nula producción de energía. Si el trastorno ocurre tras la acilación citoplasmática de los FFA: 1) El exceso de ácidos grasos acilados (FFAcil CoA): - No se pueden β-oxidar en las mitocondrias, acumulándose en éstas y produciendo microesteatosis hepática y/o muscular/miocárdica/renal, llegando a producir roturas mitocondriales con acidosis láctica y fracaso multiorgánico consecuentes con la pérdida de actividades mitocondriales. - Se β-oxidan en los peroxisomas dando lugar a la formación de ácidos grasos dicarboxílicos, “dioicos”. Tanto los FFAcilCoA como sus correspondientes “dioicos” se esterifican con carnitina (“acilcarnitinas”que son tóxicas), produciendo una deficiencia de carnitina libre y aumentando la esterificada, y con glicina (“acilglicinas”), que pueden identificarse en plasma y en orina, respectivamente, para ayudarnos al diagnóstico. El exceso de ácidos dicarboxilicos (el subérico, octanodioico, fué un ejemplo experimental) + el aumento de amonio, inhiben la ATPasa NaK dependiente de los astrocitos dando lugar a un edema cerebral, mayor que el observado sólo con el aumento de amonio. - El sistema de transporte de carnitina se inhibe por el exceso de acilcarnitinas de cadena larga y media, lo que conduce a una deficiencia de carnitina total, aumentando la toxicidad de los FFAcilCoA. 2) La ausencia de síntesis de AcCoA no activa la neoglucogénesis (hipoglucemias), no se sintetizan cuerpos cetónicos (hipocetosis), fracasa la síntesis de sustratos energéticos, y no se activa el ciclo de la urea (hiperamoniemia) con toxicidad grave neuronal.

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Diagnóstico y tratamiento de las alteraciones de la oxidación mitocondrial de las grasas

TABLA I. Enfermedades más frecuentes en la oxidación mitocondrial de ácidos graso. Enfermedad

A) Alteraciones del transporte citoplasmático de carnitina (FFA C>12) B) Alteraciones del sistema de transporte de carnitina mitocondrial (FFA C>12) 1. Deficiencia de CPT I 2. Deficiencia de CPT II

3. Deficiencia de traslocasa

Hallazgos bioquímicos En TODAS: hipoglucemia hipocetósica, con relación en plasma de ácidos grasos libres (mM))/ 30H-butirato (mM)> 2, aumento de GOT/GPT, CPK, amonio y lactato. Puede haber aumento de úrico y de triglicéridos (glicerol). Los ácidos orgánicos en orina son típicos en cada enfermedad. Las acilcarnitinas plasmáticas típicas de cada enfermedad – Taquicardia, muerte súbita, – Carnitinemia total < 15 µmol/L. Acilcarnitinas y hepatopatía, miocardiopatía, orgánicos normales. hipoglucemia Síntomas y signos clínicos

Locus del gen afectado

Cr 5, brazo largo

CPTIA11q13 – Hepatopatía, hipoglucemia, – Carnitina total y libre muy altas. Orgánicos y acidosis tubular. No miopatía acilcarnitinas normales. ni miocardiopatía CPT II: 1p32 – Grave (infantil): hepatopatía, – Acilcarnitinas patológicas, orgánicos Reye’s Like, pancreatitis, anormales, Lhipoglucemia, miopatía, carnitinemia < 19 µmol/L arritmias, miocardiopatía – Forma tardía: solo patología muscular. Cr 3p21-31 – Episodios de hipoglucemia – Igual que la deficiencia de CPT II con estrés o en ayunas. Hepatomegalia, encefalopatía. Muerte súbita. Reye's like.

C) Alteraciones de la βoxidación mitocondrial. 1. Deficiencias de las Acil CoA deshidrogenasas. - Cad. muy larga: VLCAD – Miocardiopatía, hepatopatía y miopatía - Cadena larga: LCAD - Cadenamedia: MCAD

– Dicarboxílicos de 6-18 C. Cr 17p11 5 cis tetradeceno dioico. Acilcarnitinas patológicas – Reye’s like. Hepatopatía. – Dicarboxílicos de cadena Cr 1p31 media. 4 cis deceno dioico. Miopatía. No miocardiopatía Acilcarnitinas patológicas. Hexanoilglicina.

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TABLA I. (Continuación) Enfermedades más frecuentes en la oxidación mitocondrial de ácidos grasos. Enfermedad - Cadena corta: SCAD

2. Deficiencia de3-OH-acil deshidrogenasas: – Cadena larga: LCHAD

– Cadena corta: SCHAD – Cadena media: MCHAD

Síntomas y signos clínicos Hallazgos bioquímicos – Etilmalónico. – Leve: asintomáticos Acilcarnitinas – Grave: ptosis palpebral, patológicas. retraso psicomo tor, hipotonía central, acidosis láctica e hiperamoniemia, hipsarritmia.

Cr 2p23 – Encefalopatía, retinopatía, – Orgánicos patológicos: (C14 -18:3OH miopatía, miocardiopatía, dicarboxílicos). hepatopatía. HELLP Acilcarnitinas anormales materno (feto afecto) (3OH acilcarnitinas). Puede haber cetonuria ++ Cr 4q22-26 – Pocos casos. Hiperinsulinemia – No se conocen pacientes con MCHAD Cr 2p23 – Igual que en LCHAD

3. Deficiencia del enzima trifuncional (MTP) – Ácidos orgánicos de 4. Glutárico aciduria tipo II. – Clásica: olor a pies, corta-media-larga y muy quistes renales, acidosis, Deficienciamúltiple de larga cadena. Isovalérico hipoglucemia. AcilCoADeshidrogenasas (olor a pies). L-Carnitina (MADD); deficiencia del – Suave: baja. Acilcarnitinas - miopatía y retraso ETF del Complejo II de patológicas de múltiple psicomotor. cadena respiratoria. longitud de C. - asintomático – En ambas: Hipoglucemia – Hiperamoniemia. Acido D)Alteración de la síntesis 3OH3 metil glutárico con intensa acidosis. Aveces de cetónicos, Deficiencia siempre presente en discreta hepatomegalia. de 3-OH-3-metil orina. Reye's like. Pancreatitis. glutarilCoAliasa (L) y Muerte súbita. sintetasa (S) MENOS FRECUENTE * Deficiencia de la 2,4 dienoil CoA reductasa (oxidación ácidos grasos insaturados)

Locus del gen afectado Cr 12q22-ter

– Neonatos: malformaciones, – 2 trans-4 cis C10:2 carnitina. Acidos acidosis respiratoria, orgánicos normales hipotonía persistente. No hipoglucemia

Diagnóstico y diagnóstico diferencial Ante síntomas de afectación multiorgánica especialmente con implicación hepática, muscular, renal, miocárdica, retina y/o encefalopática, hacer el estu-

ETF/ETFQo. Hay 3 genes: aETF 15q23 bETF 19q13 ETFQo 4q32ter C.1p33-ter L Cr 5p13-14 S

Cr 8q21

dio inmediato bioquímico. La tabla II muestra el estudio bioquímico urgente que debemos realizar. La tabla III nos da el diagnóstico diferencial.

E

< 200 µmol /L

14C

Normal

N o baja N Baja Normal

Baja

Baja

Normal 70 < 15 Normal “ “

Acidos orgánicos diagnósticos (O) 3-OH-3 metilglutárico

MCAD

Enfermedad Aminoácidos (S) 3-0H-3metil glutárico aciduria Trastornos de la oxidación mitocondrial de ácidos grasos Trasportador citoplasmático de FFA Trasportador de carnitina citoplasmático CPT 1 Aumentados glutamina, CPT 2 alanina, Traslocasa metionina en todos VLCAD/LCAD

Carnitina total (S) N 50-65 umol/L N Insulina µU/ml Con gluc < 45 mg/dl 10 Normales 14C, + < 12C, 8C, carnitinas Insulina > 10 Normales Ins/glu > 0,34

Acilcarnitinas C > 14 y dicarboxílicas C >14 5 cis tetradecenodioico Suberil (8C) – adipil (6C) – Sebacil (10C) carnitinas. 4 cis decenodioico - Butiril carnitinas

Normales Normales Normales Acilcarnitinas C>14 Acilcarnitinas C>14

Acilcarnitinas (S) Isovalerilcarnitina

TABLA III. Estudio metabólico: Diagnóstico diferencial etiológico definitivo. S= sangre. O= orina.

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Diagnóstico y tratamiento de las alteraciones de la oxidación mitocondrial de las grasas

Tratamiento a seguir en los trastornos de la oxidación mitocondrial de los ácidos grasos Irá encaminado a obtener energía a partir de glucosa, evitar y/o quitar el acúmulo de tóxicos (FFAcil CoA, acilcarnitinas, amonio, ácidos orgánicos…) y aportar cofactores. Por otra parte deberemos distinguir el tratamiento urgente, en el debut y en las descompensaciones, del tratamiento de mantenimiento/ preventivo: A) Tratamiento urgente: en el debut y/o descompensaciones a. Tomar las muestras adecuadas para el diagnóstico diferencial etiológico. b. Aporte de sustratos energéticos: glucosa i.v 10 mg/kg/min + insulina si se precisara para mantener glucemias entre 100-120 mg/dl.. c. Quitar tóxicos: se debe corregir la acidosis metabólica con bicarbonato; la hiperamoniemia(8) responde a la administración de Ncarbamil glutamato, Carbaglú®, a dosis de 100 mg/kg/día repartido en 4 dosis/día. La hemodiafiltración veno/ arteriovenosa en niños menores de 10 kg y la hemodiálisis en los demás, son los métodos de elección para eliminar todas las moléculas potencialmente tóxicas y equilibrar el pH. d. Aporte de cofactores: La administración de carnitina deberá ponderarse adecuadamente pues las FFAcilcarnitinas, especialmente de cadena > 12 C, son muy tóxicas. La dosis media i.v es de 50 mg/kg/día en VCAD, LCAD y MCAD. Si se sospecha alteración de LCHAD o de MTP (miocardiopatía, retinosis, hepatopatía, aumento de triglicéridos) no sobrepasar los 15 mg/kg/día. Repartir en 46 dosis. La Riboflavina (vit B2), a 50-100 mg/8 h v.o, puede ser esencial en MADD. e. Prohibición absoluta de administración de aspirina, pivampicilina y valproato. B) Tratamiento de mantenimiento y/o preventivo de descompensaciones 1. Dietético – En trastornos de ácidos grasos de cadena > 12 C: Alimentación evitando, ayunos superiores a 3 4 horas en el primer año de vida ó en situación de

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stress metabólico (fiebre, infecciones) y, superiores a 6 horas a partir del 1º año de vida, siendo necesaria en ocasiones a débito continuo especialmente en la noche. Normocalórica, normoproteica y con ingesta de hidratos de carbono normal, aunque puede ser necesario el aporte de almidones sin hidrolizar (maizena desliada sin cocer) a dosis entre 0,5 2 g/kg/día. Aporte de grasas del 20% máximo de las Kcal, siendo el 3,5% de ácido linoleico, un 7% como linolénico y triglicéridos de cadena larga. Dar MCT (1,5-2 cc/kg/día repartir en 6 dosis), pues se utilizan como precursores de síntesis de AcCoA, siendo indispensable como activador de la neoglucogénesis, como sustrato activador del ciclo de la urea y base de la síntesis de cuerpos cetónicos. Fórmulas actuales con limitación de ácidos grasos de C>12: MONOGEN, DIETA LIBRE DE GRASAS de SHS® En trastornos de ácidos grasos de cadena media y corta: alimentación como en los trastornos de cadena larga. Prohibición absoluta de ingesta de MCT. En MADD: en pacientes de presentación neonatal (fenotipo grave) se recomienda alimentación limitada en: proteínas, grasas estando totalmente prohibido el MCT,y en hidratos de carbono. Los ayunos deberán ser máximos de 4 horas en el primer año de vida y de 6 horas en restantes edades. En las formas suaves de presentación, no es necesario el tratamiento dietético pero sí la prohibición de ingesta de MCT. En 30H3metilglutarico aciduria: limitar proteínas de alto valor biológico a 1 g/kg/día, evitar ayunos de más de 4 h en menores de 1 año y de más de 6 h en mayores de 1 año. Utilizar almidón de maíz (maizena) en crudo, en la última toma nocturna. Dar proteínas exentas de leucina a dosis de 1-2 g/kg/día. Evitar dar MCT (no se forman cetónicos). Mantener 30H3metilglutárico en orina de 24 h < 2.000 mmol/mol de creatinina

2. Tratamiento de cofactores en los defectos de β-oxidación mitocondrial – L-carnitina: dosis máxima de 15 a 25 mg/kg/día de trastornos de cadena larga, y dosis de 50-100 mg/kg/dia en los de cadena media. Repartir en el

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mayor nº de tomas posibles. Riboflavina (vit. B2) a dosis de 100-300 mg/día en MADD. L-glicina: en MADD, para esterificarse con el ácido isovalérico. Dosis 100-150 mg/kg/día para mantener glicinemia > 250 umol/L.

5.

6.

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