Дефицит аминокислот в психоневрологии

История

Почему при подозрении на врожденные нарушения обмена веществ часто оценивали уровни аминокислот в крови пациентов? 

Исторически биохимический анализ повышенных уровней аминокислот или продуктов их распада в жидкостях организма был краеугольным камнем диагностики врожденных нарушений (ошибок) обмена веществ.

Диагностика

Почему дефекты синтеза аминокислот сложнее выявить и интерпретировать , чем их избыток?

Известно, что аминокислоты являются строительными блоками для синтеза пептидов и белков и что они выполняют важные функции в промежуточном метаболизме. Мы также недавно узнали, что нейропсихиатрические  расстройства, обусловленные нарушениями метаболизма могут вызывать целый спектр клинических симптомов, начиная от летальных дефектов развития и заканчивая поздним спастическим парапарезом у взрослых. Однако,  многие аминокислоты имеют свои специфические клеточные функции, например, при нейротрансмиссии или энергетическом обмене и детоксикации.  Выявление недостатков синтеза аминокислот создает особые проблемы для наших биохимических диагностических исследований , поскольку легко пропустить низкие значения, особенно при более мягких фенотипах. В отличие от «классических» врожденных ошибок метаболизма в катаболических путях, при которых повышенные уровни метаболитов легко обнаруживаются в жидкостях организма, дефекты синтеза имеют низкие значения метаболитов или даже его нормальные уровни, аминокислот.  Это делает биохимическую диагностику данной группы метаболических заболеваний достаточно сложной. 

Почему нарушения синтеза глутамина, серина, пролина и аспарагина часто встречаются совместно и  о чем это говорит?

Сообщалось о нарушениях в путях синтеза серинового обмена, глутамина, пролина и, в последнее время, аспарагина. Несмотря на то, что  эти дефекты синтеза аминокислот находятся казалось бы в несвязанных метаболических путях, они , действительно,  имеют много клинических особенностей. У детей с этой патологией,  в первую очередь,  поражается центральная нервная система, что приводит к (врожденной) микроцефалии, ранним приступам судорог и различным степеням умственной отсталости ( задержки психического развития).

Клиническая картина, обусловленная нарушениями синтеза аминокислот

Какая клиническая картина дефицита синтеза серина и пролина? 

У взрослых с дефектами синтеза серина или пролина, могут иметь место спастическая параплегия и несколько форм полинейропатии с умственной отсталостью или без нее, которые по-видимому, являются основными симптомами этих поздних расстройств синтеза аминокислот .

Какие кожные заболевания можно выявить при дефиците пролина, серина и глутамина?

 Аномалии развития головного мозга нередко сопровождаются кожными заболеваниями, такими как кутис-лакса ( Сutis Laxa - болезнь, от которой кожа лица и шеи начинает стареть в ускоренном темпе) при дефектах синтеза пролина; коллодий-подобная кожа и ихтиоз ( группа наследственных заболеваний кожи, которая характеризуется нарушениями ороговения. - при дефиците серина а также некролитическая эритема при дефиците глутамина. 

Исследования 

Нейровизуализация

Какой феномен и почему выявляется при проведении магнитно-резонасной томографии у пациентов с дефицитом синтеза пролина и серина?

Гипомиелинизация с сопутствующей потерей объема мозга и дефектами вращения миелина вокруг аксонов может наблюдаться на снимках магнитно-резонансной томографии головного мозга и , в частности, при исследовании с помощью диффузионного тензорного изображения, при всех видах нарушениях синтеза аминокислот.  

Генетические исследования

Почему важно сопоставлять данные исследований полного генома с уровнями аминокислот в крови и клинической симптоматикой?

В литературе  сообщалось о нескольких ранее неизвестных нейропсихиатрических расстройствах, а также новых фенотипах для уже известных проблемах синтеза аминокислот, что в основном ассоциировалось с секвенированием следующего поколения когорт пациентов с аналогичными клиническими фенотипами. Исследование пациентов с этими дефектами синтеза раскрывает новые и уникальные функции аминокислот, участвующих, например, в развитии центральной нервной системы плода  или поддержании функций периферической нервной системы. При некоторых расстройствах концентрации аминокислот в плазме или спинномозговой жидкости (CSF)  неинформативны, что требует использования методов секвенирования для подтверждения клинического диагноза. Осведомленность о нарушениях синтеза аминокислот важна из-за потенциальных терапевтических ошибок и иногда очень узкого окна возможности изменить течение заболевания и предотвратить неврологические и психические расстройства.

Серин       

 Какой симптоматикой часто проявляются деффекты синтеза серина? 

  В 1996 году  Jaeken и коллеги впервые сообщили о дефектах пути синтеза аминокислоты серина у детей с тяжелыми неврологическими расстройствами.  Низкие уровни серина и (глицина) в плазме и спинномозговой жидкости (CSF) были основными диагностическими признаками, указывающими на дефицит серина. С тех пор сообщалось о дефектах в путях синтеза других аминокислот.

       Сообщалось о дефектах в генах, кодирующих три фермента пути синтеза L-серина, и, что неудивительно, все они вызывают сходные клинические фенотипы. L-серин синтезируется из промежуточного гликолитического 3-фосфоглицерата посредством трех ферментативных превращений. Участвующими в этом процессе ферментами являются 3-фосфоглицератдегидрогеназа (3-PGDH, OMIM 606879), 3-фосфогидроксипируват аминотрансфераза (PSAT, OMIM 610936) и фосфосеринфосфатаза (PSP, OMIM 172480).

        Когда в педиатрической практике впервые были отмечены нарушения с дефицитом серина, оказалось, что между этими тремя дефектами имеются некоторые различия в фенотипе. Тем не менее, благодаря недавним исследованиям, полученным с помощью секвенирования целого экзома, теперь стало очевидным, что невозможно различить генные дефекты по клиническим признакам. Молекулярные дефекты в генах, кодирующих три фермента, могут иметь идентичные фенотипы, начиная от тяжелого летального антенатального фенотипа и заканчивая фенотипом полиневропатии в более старшем возрасте у взрослых.  Тем не менее, признание дефицита серина имеет важное значение, поскольку при лечении L-серином сообщается о хороших результатах лечения.

         Тяжелый и летальный фенотип с дефицитом серина уже был известен как синдром Ней-Лаксова (NLS). В 2014 году две разные группы опубликовали информацию о мутациях в генах синтеза серина у пациентов с  синдромом Ней-Лаксова (Acuna-Hidalgo et al 2014 , Shaheen et al 2014 ). Из этих публикаций было очевидно, что дефекты всех трех генов могут приводить к одному и тому же клиническому фенотипу.

          NLS вызывает внутриутробную или раннюю послеродовую смерть. У больных детей наблюдаются дисморфные признаки, состоящие из проптоза глаз, аномальных век, микроцефалии, маленького круглого рта, обширных скелетных аномалий с контрактурами и перепонками пальцев рук и ног;кожные аномалии, напоминающие коллодийоподобную кожу, и множественные структурные аномалии центральной нервной системы с дефектами нервной трубки, дисплазия коры, увеличенные желудочковые пространства и структурные аномалии мозжечка.  Подчеркнем тот факт, что дефекты в метаболизме серина были обнаружены в результате совместной последовательности секвенирования экзома, а не в результате обнаружения низких значений серина в плазме. Имеются ограниченные данные о концентрациях серина в биологических жидкостях у пациентов с NLS, но , значения серина в плазме могут быть очень низкими (<30 мкмоль / л).

          Большинство детей с дефицитом серина страдают от инфантильного фенотипа, причем основной причиной является дефицит фосфоглицератдегидрогеназы. Многие из детей родились после задержки внутриутробного развития и имели врожденную микроцефалию. После рождения в течение нескольких недель или месяцев развивались судорожные  припадки, а психомоторное развитие практически останавливались, если судороги присутствовалив анамнезе и статусе больных. У детей впоследствии развилась тяжелая спастическая квадриплегия в течение первых лет жизни.

           Важно признать, что врожденная микроцефалия и судороги не являются обязательными. У некоторых детей вначале наблюдается тяжелые психомоторные нарушения, сопровождающияся вторичной микроцефалией и неспособностью развиваться.  Одним из других симптомов, регулярно наблюдаемых у детей, является врожденная катаракта.

            Как и при многих других врожденных нарушениях обмена веществ, которые приводят к энцефалопатии, при сериновом дефиците и инфантильных спазмах, тонико-клонических приступах, тонических, атонических, геластических и миоклонических припадках не было выявлено никаких специфических судорог или особых изменениях на ЭЭГ.  То же самое верно для связанных нарушений ЭЭГ; наблюдалась гипсаритмия и мультифокальная судорожная активность, развивающаяся в направлении синдрома Леннокса-Гасто. Хотя клинические приступы могут быстро реагировать на терапию (в течение нескольких недель), нормализация или улучшение аномалий ЭЭГ может занять гораздо больше времени, в некоторых случаях до 6–12 месяцев. МРТ мозга у пациентов с дефицитом серина показывает выраженное  уменьшение объема белого вещества головного мозга вследствие гипомиелинизации.  Аномалии мозжечка наблюдались при МРТ только у одного пациента с дефицитом PSAT.  Однако, учитывая обширные дефекты мозжечка, которые могут наблюдаться при NLS, аномалии мозжечка, вероятно, будут присутствовать у большего количества пациентов с дефицитом серина, чем сообщалось до сих пор.

        В настоящее время сообщалось только об одной семье с ювенильным фенотипом с гораздо более умеренным дефицитом серина. В литературе также встречаются сообщения о взрослых  пациентах с сериновым дефицитом, также вызванным дефицитом 3-PGDH. У пациентов была диагностирована легкая умственная осталость  и легкая мозжечковая атаксия в детстве, но в зрелом возрасте у них отмечалась прогрессирующая полинейропатия. Кроме того, врожденная катаракта могла быть  прооперирована в младенчестве, ясно демонстрируя, что у отдельных пациентов могут возникать перекрывающиеся симптомы между различными клиническими фенотипами дефицита серина.  Учитывая роль L-серина в синтезе миелина и тот факт, что дефекты серин-пальмитоилтрансферазы являются широко известной причиной полинейропатии (наследственная сенсорная и вегетативная невропатия типа 1, OMIM 605712 и 605,713), вполне вероятно, что существуют взрослые пациенты, которые страдают только полиневропатией и представляют очень слабый конец спектра дефицита серина.

Диагностика

         Биохимические отклонения, обнаруженные у всех пациентов с фенотипом инфантильного, ювенильного или взрослого, были идентичны в плазме и CSF, и поэтому диагноз дефицита серина можно заподозрить по обычному аминокислотному анализу в плазме и CSF в любом возрасте.  Значения в плазме и CSF довольно похожи во всех фенотипах и не коррелируют с выраженностью  заболевания, что означает, что данный фенотип не может быть предсказан на основе результатов аминокислотного анализа. Дефицит серина более выражен в спинномозговой жидкости ( CSF) , и на него не влияет поглощение аминокислот из рациона, что является важным фактором анализа аминокислот в плазме.  Анализ аминокислот мочи для диагностики дефицита серина бесполезен, потому что по все еще неясным причинам экскреция аминокислот у пациентов является нормальной. В то время как ферментные анализы доступны для трех ферментов синтеза L-серина, тестирование ферментов все больше заменяется ДНК-диагностикой. Это связано с проблемами в доступности субстрата, необходимого для анализа 3-PGDH, и обсуждаемой чувствительностью других анализов.

Лечение

          Об успешном лечении L-серином сообщалось у пациентов с детским, ювенильным и взрослым фенотипами. Пациентов с младенческим дефицитом 3-PGDH можно лечить пероральным введением высокой дозы L-серина (500–700 мг / кг / день), а для отдельных детей с недостаточной реакцией судорог на монотерапию L-серином - глицином. (200–300 мг / кг / день) может быть добавлено к лечению и несколько большая доза. Лечение аминокислотами в целом оказывает хорошее влияние на самочувствие и поведение, а также на частоту приступов у пациента.  У некоторых пациентов судороги исчезают, и сопровождающие их аномалии ЭЭГ разрешаются.  В других случаях частота приступов значительно урежается.

      К сожалению, аминокислотная терапия не оказывает положительного влияния на психомоторное развитие пациентов , даже когда их судороги реагируют н атакое лечение.  Никакого прогресса или только очень ограниченный прогресс в психомоторном развитии не наблюдалосьи  во время (долгосрочного) последующего лечения. Тем не менее, лечение может быть успешным, когда аминокислотная терапия начинается до появления симптомов, либо в виде антенатальной терапии L-серином, назначаемой матери, либо в качестве немедленной послеродовой терапии в первый день жизни у все еще бессимптомных пациентов.

     Интересно отметить, что пациентам с фенотипом ювенильного и взрослого вариантов требуются гораздо меньшие дозы L-серина, чем маленьким детям.  У подростков и взрослых хорошие результаты лечения были получены с 100-150 мг / кг / день L-серина без добавления глицина к лечению. Неясно, какой наиболее подходящий возраст будет для перехода с более высоких доз L-серина на более низкие дозы у детей, которые становятся старше и становятся подростками.

      Интересно, что мутации в гене, кодирующем основной транспортер серина SLC1A4 (OMIM 600229), приводящие к дефекту в транспортере ASCT 1, вызывают симптомы, сходные с теми, которые наблюдаются при нарушениях синтеза серина. 

       Дифференциация мутаций SLC1A4 от нарушений синтеза серина по клиническим признакам представляется трудной, хотя врожденная микроцефалия, по-видимому, чаще встречается у пациентов с дефектами синтеза серина, а о катарактах при дефиците переносчика ASCT1 в литературе не сообщалось.  У пациентов с нарушениями, отличными от дефектов пути синтеза серина, наблюдались очень низкие уровни серина в плазме и серина в CSF. Например, низкие значения серина наблюдались у пациентов с нарушениями метаболизма фолата, синдромом Менкеса, дефицитом комплекса 1 и пациентов с подавляющим вирусным заболеванием.  Причины низких концентраций серина при фолатных расстройствах очевидны, учитывая роль L-серина в метаболизме одиночного углерода, но можно только рассуждать о механизмах, приводящих к низким значениям серина при других расстройствах.

Глутамин 

К чему приводит дефекты синтеза глутамина?  

        Дефицит глютамина (OMIM 610015), по-видимому, является чрезвычайно редким среди нарушений синтеза аминокислот. Глютамин является самой распространенной аминокислотой в плазме человека и CSF. На его долю приходится до 20% общего содержания аминокислот в организме человека. Подобно серину, глютамин является важным метаболитом, участвующим в поддержании азотистого баланса и клеточного энергетического обмена. Однако глютаминсинтетаза также играет ключевую роль в регулировании концентраций аммиака и глутамата в тканях головного мозга путем преобразования этих потенциальных нейротоксических метаболитов в глютамин.

При дефиците глютамина отмечалась дыхательная недостаточность, гипотония, отсутствие спонтанных движений и примитивные рефлексы, а также генерализованные судороги. МРТ пациентов показала обширные нарушения головного мозга с церебральной и мозжечковой атрофией и агирией. Рутинный аминокислотный показывает выраженный  дефицит глютамина в плазме, CSF и мочи. Напротив, концентрации глутамата  были нормальными, и наблюдается только легкая и вариабельная гипераммонемия. Следует отметить, что у пациентов с легким фенотипом анализ аминокислот в плазме в возрасте 6 месяцев демонстрирует значения глютамина чуть ниже контрольного диапазона, что указывает на то, что незначительно низкие концентрации глютамина должны предупредить нас о подозрении на этот диагноз. Наконец, низкие значения глютамина в плазме могут быть связаны с тяжелым заболеванием, особенно у детей, страдающих полиорганной недостаточностью в отделениях интенсивной терапии .

Лечение

 При лечении  пациентам дают увеличивающиеся дозы L-глютамина, до 1020 мг / кг / день, что приводит к коррекции глютамина в плазме, но только к минимальному увеличению значений глютамина в CSF.  Истощение NAD в клетках может быть устранено добавлением никотинамида, и это открытие может открыть новые возможности для (комбинированного) лечения у больных пациентов.

Пролин 

К чему приводят дефекты синтеза пролина?

 Только недавно, в основном благодаря прогрессу в секвенировании экзома, было зарегистрировано большое количество  пациентов и разных дефектов в пути синтеза пролина.  Клинический спектр нарушений синтеза пролина значительно расширился. Поскольку большинство этих пациентов были диагностированы с использованием молекулярных методов, расстройства в основном известны по их генным символам и (обычно) не классифицируются в соответствии с сопровождающими их недостатками ферментов. Дефектами синтеза пролина являются дефицит пиролин-5-карбоксилатсинтазы (PSCS или ALDH18A1), дефицит пиролин-5-карбоксилатредуктазы 1 (PYCR1) и дефицит пиролин-5-карбоксилатредуктазы 2 (PYCR2).

            Большинство пациентов с диагнозом дефицита P5CS и дефицита PYCR1 страдали от кожной лаксы, и поэтому эти расстройства классифицируются как аутосомно-рецессивные синдромы кожной лаксы (PSCS AR кожная лакса типа 2b, типа 3а и типа 3b, OMIM 138250). Однако обнаружение детей и взрослых со специфическими гетерозиготными мутациями в ALDH18A1, которые приводят к аутосомно-доминантным формам дефицита пиролин-5-карбоксилатсинтазы (OMIM 616603), сдвигает нашу классическую парадигму дефектов аутосомно-рецессивного фермента в сторону (де ново) аутосомно-доминантной педиатрические и врожденные нарушения метаболизма у взрослых . Поскольку многие пациенты в настоящее время идентифицируются с помощью секвенирования exome, эти результаты имеют важное значение для наших стратегий фильтрации и интерпретации результатов секвенирования следующего поколения (NGS), причем не только для дефектов синтеза пролина, но и для врожденных ошибок метаболизма в целом.

            Как и при дефиците серина, нарушения синтеза пролина могут приводить к широкому спектру симптомов, начиная от тяжелых неонатальных форм и заканчивая спастической параплегией у взрослых.

            Дефицит в P5CS приведет к комбинированному дефициту L-пролина, L-орнитина, L-цитруллина и L-аргинина, расстройство, впервые сообщенное Baumgartner et al ( 2000 ).  В этой первой семье дефицит P5CS был медленно прогрессирующим нейродегенеративным заболеванием, поражающим как центральную, так и периферическую нервную систему, в сочетании с катарактой и обширным поражением соединительной ткани. Тем не менее, у большинства пациентов с дефицитом P5CS, о которых впоследствии сообщалось, был выявлен синдром кутис-лакса.

              Основными признаками дефицита P5CS являются микроцефалия, поражение кожи, прогероидные особенности, умственная отсталость, гипотония, судороги, слабость суставов, (внутриутробная) задержка роста, а также аномалии катаракты и роговицы. У некоторых пациентов также присутствовали дополнительные двигательные расстройства, такие как тремор и дистония .  При МРТ мозга может быть обнаружена гипомиелинизация с тонким мозолистым телом, иногда с нарушениями мозжечка.

                Пациенты с синдромом AR cutis laxa из-за дефицита P5CS демонстрируют много совпадений с пациентами с диагнозом дефицита PYCR1. Пациенты с P5CS чаще встречаются с катарактой и аномалиями роговицы, при дефиците P5CS могут наблюдаться симптомы, редко встречающиеся при дефиците PYCR1, и нарушения аминокислот в плазме. Эти два нарушения могут быть различены только по их ультраструктурным нарушениям при биопсии кожи.

Комбинированный дефицит аминокислот 

Диагностика

                 Аминокислотный анализ в первом семействе с дефицитом P5CS показал комбинированный дефицит пролина, аргинина, цитруллина и орнитина - Низкие значения аргинина, цитруллина и орнитина  наблюдаются при дефектах цикла мочевины и связанных с ним расстройствах, но комбинация с низким содержанием пролина наблюдается только при этом дефекте. Плазменный аммиак незначительно увеличен и уменьшается после еды в отличие от того, что происходит при нарушениях цикла мочевины. Обнаружение низкого пика креатина на MRS головного мозга у Martinelli et al ( 2012 ) очень интересно и, безусловно, может помочь и другим пациентам. Низкий уровень креатина на MRS не только помогает установить диагноз, но также может потенциально использоваться для мониторинга результатов лечения.

                У взрослых с доминантной спастической параплегией значительное снижение уровня цитруллина в плазме было отмечено у всех (4/4) испытуемых, и это снижение могло потенциально служить диагностическим маркером спастической параплегии, связанной с P5CS.  Многие из (педиатрических) пациентов имеют нормальные аминокислоты в плазме при тестировании, и клинический диагноз обычно подтверждается мутационным анализом.Как указывалось ранее, важно понимать, что наблюдения (de novo) гетерозиготных мутаций с доминирующими негативными эффектами требуют тщательной интерпретации результатов последовательностей, особенно при использовании стратегий NGS, и что наличие мутации de novo способствует созданию трио тестирование пациентов и родителей. Подтверждение результатов последовательности, которые трудно интерпретировать, затрудняется отсутствием доступного анализа фермента P5CS.

Лечение

              В первом сообщении пациенты получали пероральный L-орнитин. Один пациент получал лечение в возрасте от пяти лет, а его сибс - от 12 лет. Однако,  это лечение L-орнитином не имело клинического эффекта. . L-аргинин назначался потому, что наблюдалось снижение пика креатина на MRS, а терапия L-аргинином восстанавливала низкий уровень креатина при спектроскопии. Поскольку психическая отсталость  является важной особенностью у педиатрических пациентов с дефицитом P5CS, это важный вывод. К сожалению, о других пациентах, получавших L-аргинин, до сих пор не сообщалось. Данные о низком содержании цитруллина у взрослых с доминантной спастической параплегией открывают возможность дополнения L-цитруллином, но о результатах этой терапии также еще не сообщалось. Нет сообщений о попытках лечения пациентов с дефицитом PYCR1 специфической (аминокислотной) терапией.

Дефекты синтеза аспарагина

              Как и у многих пациентов с дефектами синтеза пролина, у пациентов с дефектом аспарагина для диагностики использовались стратегии секвенирования экзома. Исследователи сообщали  о первых пациентах с дефицитом аспарагина (OMIM 615574), вызванным дефектами аспарагинсинтетазы (ASNS ). Из девяти пациентов из четырех семей у большинства была эпилептическая энцефалопатия с трудноизлечимыми припадками, прогрессирующей (врожденной) микроцефалией, тяжелой инвалидностью, осевой гипотонией и спастической тетраплегией. При проведении МРТ отмечалось уменьшение объема головного мозга у всех пациентов. Аспарагинсинтетаза катализирует перенос аммиака из глютамина в аспарагиновую кислоту с образованием аспарагина, который является повсеместно экспрессируемым ферментом. 

              Помимо нашей традиционной ориентации на повышенный уровень аспарагина при катаболических аминокислотных расстройствах, уровень аспарагина обычно низок в плазме, а во многих лабораториях нижний диапазон содержания аспарагина в спинномозговой жидкости установлен на уровне 0 ммоль / л.  У мальчика 5,5 лет терапия L-аспарагином привела к минимальному улучшению психического статуса / сознания. Однако это также неожиданно привело к ухудшению его судорог, и аминокислотная терапия была прекращена.

Выводы

    Дефекты в путях синтеза незаменимых аминокислот L-серина, L-глутамина, L-пролина и L-аспарагина преимущественно влияют на центральную нервную систему, особенно в формах с  началом во младенческом возрасте . Интересно, что дефекты синтеза имеют некоторые общие клинические характеристики, включая:

•  микроцефалию,
• психомоторные нарушения
• умственную отсталость
• судороги
• аномалии белого вещества при МРТ. 

 Дефекты в синтезе серина, глутамина и пролина также связаны со специфическими симптомами кожи, включая коллодийоподобную кожу при дефиците серина, некролитическую эритему при дефиците глютамина и cutis laxa при нарушениях синтеза пролина. В отличие от впечатляющего понимания клинического спектра, который мы наблюдали при расстройствах синтеза аминокислот, сообщения о том, как лечить эти расстройства, все еще редки, но многообещающе при нарушениях синтеза серина.

Целостное секвенирование генома или , по крайней мере, экзома становится  неоценимым для выяснения некоторых из этих нарушений. Биохимическое исследование, традиционно первый подход к пациентам с подозрением на врожденную ошибку или нарушения  метаболизма, является недостаточным, по крайней мере, для диагностики пациентов с дефектами синтеза пролина и аспарагина. Понимание того , что доминантные мутации могут также вызвать нарушения синтеза аминокислот, изменяет нашу классическую парадигму рецессивных врожденных ошибок метаболизма. Этот сдвиг требует тщательной интерпретации молекулярной диагностики и дальнейшей разработки функциональных анализов для этих аминокислотных расстройств, в первую очередь приближенных к методам NGS. ( новог опоколения секвенирования).