MEDISAN 2004;8(1):43-50

Hospital Infantil Sur

LAS ENFERMEDADES MITOCONDRIALES: UN RETO PARA LAS CIENCIAS MÉDICAS Dra. Tamara Rubio González 1 y Dr. Manuel Verdecia Jarque 2

RESUMEN Las enfermedades mitocondriales son un grupo heterogéneo de alteraciones, caracterizadas por un fenotipo complejo en el que la mayoría de los pacientes presentan encefalopatía y pueden afectarse los músculos y otros órganos como corazón, hígado, riñones, retina, médula ósea, nervios periféricos y páncreas. La variación en sus manifestaciones clínicas puede explicarse no solo por la heterogeneidad en las mutaciones del ADNmt, sino también por mutaciones en el ADN nuclear que codifica gran parte de las subunidades proteicas de la cadena respiratoria, y más importante aún, por alteraciones del funcionamiento de las numerosas etapas que requiere esta cadena, las cuales están codificadas por ADN nuclear. Su diagnóstico requiere del reconocimiento previo de la presentación clínica y se apoya fundamentalmente en la biopsia de músculo y los estudios moleculares para buscar las mutaciones en el ADNmt. Representan un reto para los médicos y deben ser tratadas por equipos multidisciplinarios.

Descriptores: ENFERMEDADES MITOCONDRIALES; MITOCONDRIA; FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

Límite: HUMANO

Las enfermedades mitocondriales, tam-bién conocidas como encefalomiopatías mito-condriales o afecciones de fosforilación oxida-tiva, son un grupo heterogéneo de alteracio-nes, caracterizadas por un fenotipo complejo en el que la mayoría de los pacientes presen-tan encefalopatía y lesiones musculares, ade-más de que pueden dañarse otros órganos como hígado, riñones, corazón, retina, médula ósea, nervios periféricos y páncreas. 1 - 4

Las mitocondrias son orgánulos citoplas-máticos encargados de producir energía en forma de ATP, mediante un sistema denomi-nado OXPHOS y localizado en su membrana interna;5 aunque también tienen otras funcio-nes en la fisiopatología celular, tales como: re-gulación intracelular de Ca2+, termogénesis y control de la apoptosis. Son los principales ge-neradores de especies reactivas del oxigeno en la célula y pueden provocar la muerte ce-

lular por necrosis en condiciones de estrés oxidativo.6

Estos orgánulos tienen reproducción intra-celular independiente y contienen su propio genoma, lo cual coadyuva a la complejidad de sus alteraciones, causadas por mutaciones en los genes nucleares o mitocondriales.

La genética del ácido desoxirribonucleico mitocondrial (ADNmt) se diferencia de la del ADN nuclear por 4 aspectos fundamentales: 1. Herencia materna: Las mitocondrias y, por

tanto, el ADNmt, solo se transmiten a través del óvulo, cuyo citoplasma es mucho más grande que el del espermatozoide que no contribuye con mitocondrias en la fecun-dación.

2. Poliplasmia: En cada célula hay cientos o miles de moléculas de ADNmt.

3. Segregación mitótica: Durante la división celular, las mitocondrias se distribuyen al azar entre las células hijas.

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1 Especialista de I Grado en Genética Clínica 2 Especialista de I Grado en Oncología

4. Alta velocidad de mutación: La tasa de mutación espontánea del ADNmt es 10 veces mayor que en el ADN nuclear.

El ADN mitocondrial, que se halla empa-quetado en una molécula circular de 16 569 pares de bases, 7, 8 ha sido completamente secuenciado y se conoce que contiene infor-mación para 37 genes: 2 tipos de ácido ribo-nucleico ribosomal (ARNr), 22 ARN de transfe-rencia (ARNt) y 13 polipéptidos que son sub-unidades de enzimas de los complejos de la fosforilación oxidativa (7 subunidades del complejo I, 1 del complejo III, 3 del complejo IV y 2 del complejo V). El complejo II es codifi-cado completamente por el ADN nuclear. 9

La fosforilación oxidativa: proceso me-diante el cual se obtiene energía ATP en la célula a través del sistema generador OXPHOS, que está compuesto por 5 comple-jos enzimáticos proteinlipídicos:

I. NADH – ubiquinona oxidorreductosa II. Succinato – ubiquinona oxirreduc-

tosa III. Ubiquinona – citocromo C oxirreduc-

tosa IV. Citocromo C oxidasa V. ATP sintetasa

Estas enzimas contienen flavina, coen-

zima Q10 (biquinona), grupos hierro-sulfuro, heme y proteína fijadora de cobre.1 Los com-plejos I y II recogen electrones procedentes del metabolismo de carbohidratos, grasas y proteínas y los transfieren secuencialmente a la co-enzima 10, complejo III y complejo IV. 10 1. La variación de las manifestaciones de las

enfermedades mitocondriales pueden ser explicadas no solo por la heterogenicidad en las mutaciones del ADNmt, sino también por las que se producen en el ADN nu-clear -- que codifica gran parte de las sub-unidades proteicas de la cadena respirato-ria – y, más importante aun, por alteracio-nes del funcionamiento de las numerosas etapas que requiere esta cadena, las cuales están codificadas por el ADN nu-clear e incluyen (DiMauro S. Mitochondrial diseases: un update. Resúmenes de la 4ta

Conferencia de Neurología. Santiago de Cuba, 2004: 46-7). 11

2. Transporte de proteínas codificadas por ADN nuclear del citoplasma a la mitocon-dria. Se estima que son necesarias aproximadamente 1 000 proteínas para el

adecuado funcionamiento de la fosforila-ción oxidativa. Los defectos hereditarios de esta compleja maquinaria pueden cau-sar enfermedades mitocondriales.

3. Factores nucleares para el ensambla-miento correcto de los complejos de la ca-dena respiratoria. Las mutaciones de es-tas proteínas se asocian con las afeccio-nes mitocondriales, como es el caso del síndrome de Leigh.

4. La integridad del ADNmt y la replicación de-mandan factores codificados en el ADN nuclear. Se han descrito trastornos de se-ñalización intergenómica, incluidos sín-dromes asociados con deleciones en el ADNmt y reducción de este último.

5. La cadena respiratoria está ¨embebida¨ en la bicapa lipídica de la membrana interna de las mitocondrias. Las modificaciones de esta bicapa pueden producir cuadros mor-bosos, como ha sido descrito en el sín-drome de Barth, por síntesis alterada de cardiolipina.

6. Las mitocondrias se mueven en la célula, se dividen por fisión y se fusionan entre sí. Si estas funciones varían, pueden causar enfermedad mitocondrial, como se ha de-mostrado en la neuropatía óptica autosó-mica dominante. A todo lo anterior se añade que las mito-

condrias pueden lesionarse por al incremento del Ca2+ citosólico, el estrés oxidativo, la fragmentación de los fosfolípidos a través de la fosfolipasa A2 y de la esfingomielina, y por los productos de fragmentación lipídicos que pro-ceden de estos mecanismos, tales como: áci-dos grasos libres y ceramidas. La lesión se manifiesta a través de la formación de un ca-nal de elevada conductancia, llamado transi-ción de permeabilidad mitocondrial, en la membrana interna de la mitocondria. 12 - 16

Las células que más energía requieren en el organismo humano, son las neuronas y las células, tanto musculares como cardíacas; por tanto, ante una disfunción mitocondrial se ve-rán gravemente afectadas.

Las neuronas son particularmente sensi-bles a la disfunción mitocondrial porque, de hecho, la fosforilación oxidativa las provee de ATP y la mitocondria, al participar en la homeostasis celular del Ca2+, interviene deci-sivamente en la modulación de la excitabilidad neural y la transmisión sináptica. La disfunción de las mitocondrias por estrés oxidativo puede generar convulsiones epilépticas. La epilepsia

aparece comúnmente en las enfermedades mitocondriales, particularmente en los síndro-mes MERRF (epilepsia mioclónica con fibras rojasrasgadas) y MELAS (encefalomiopatía mitocondrial, acidosis láctica y episodios pare-cidos al accidente vascular encefálico) (Servi-dei S, Della Marca G. Epilepsia and obstructive sep apnoea in genetically proven mitochondrial encephalomyopathies. Resúmenes de la 4ta Conferencia de Neurología. Santiago de Cuba, 2004: 87-8).

Como si todo lo anterior fuera poco, la disfunción mitocondrial ocasionada por estrés oxidativo ha sido implicada en la patogénesis de enfermedades neurodegenerativas como el

síndrome de Parkinson, la enfermedad de Alz-heimer y la ataxia de Friedreich. 5,17 - 21

Las manifestaciones clínicas de estas afecciones son muy variadas, de modo que pueden consistir en: deterioro de las funciones mentales, trastornos motores, cansancio, in-tolerancia al ejercicio, epilepsia, accidentes vasculares encefálicos, oftalmoplejía, ptosis palpebral, retinosis pigmentaria, hipoacu-sia/sordera, ceguera, cardiopatía, insuficiencia hepática y pancreática, anemia sideroblástica, seudoobstrucción intestinal, acidosis metabó-lica y otras.1, 22

Seguidamente se mencionan las enferme-dades asociadas a los defectos nuclea- res. 8-10, 23

Defectos enzimáticos

• Deficiencia del complejo I (NADH ubiquinona oxidorreductasa)

Presentación

1. Forma neonatal severa, con muerte en los primeros días de vida

2. Síndrome de Leigh con miocardiopatía (el más frecuente) o sin ella

3. Presentación con hepatopatía y tubulopatía renal, cardiomiopatía, catarata y lactacidemia (menos común)

• Deficiencia del complejo II (succinato-uquinona oxidorreductasa)

1. Casos asociados con síndrome de Leigh para glanglioma autonómico dominante y feocromocitoma (familiar y esporádico)

• Deficiencia del complejo III (succionato-citocromo C oxidorreductasa) y del V (ATP sintetasa)

- No se han informado casos relacionados con su deficiencia aislada.

• Deficiencia de coenzima Q10 (en el músculo esquelético)

1. Pacientes con mioglobinuria recurrente, alteraciones del sistema nervioso central (ataxia, epilepsia, retraso mental) y fibras rojas rasgadas (RRF). En la biopsia muscular se encuentra aumento de los lípidos.

2. Pacientes con ataxia cerebelosa, signos piramidales y epilepsia

Deficiencia del complejo IV (citocromo C oxidasa) 1. Forma neonatal con hipotonía, insuficiencia respiratoria y aumento del ácido láctico. Fallecen en los primeros días de la vida.

2. Forma donde se combinan cardiopatía y encefalopatía en niños

ADNmt anormal por defectos de genes nucleares 1. Síndrome de Alpers-Huttenlocher, caracterizado por encefalohepatopatía rápidamente progresiva en niños

2. Síndrome de deleción múltiple del ADNmt autonómico dominante, caracterizado por

oftalmoplejía progresiva externa, debilidad muscular progresiva y catarata bilateral

3. Síndrome mioneurogastrointestinal (MNGIE), caracterizado por episodios de seudoobstrucción intestinal, oftalmoplejía externa,polineuropatía y leucoencefalopatía

De todas ellas, la más frecuente es el sín-drome de Leigh, que no se manifiesta hasta después del primer año de vida, cuando se produce una regresión con hipotonía y apare-cen alteraciones del sistema nervioso central (síndrome piramidal, ataxia, oftalmoplejía, pto-sis, nistagmo, distonía, temblor, atrofia óptica, neuropatía periférica y dificultad respiratoria).

Las mitocondriopatías asociadas a defec-tos de genes mitocondriales muestran gran variedad de fenotipos y se han descrito más de 70 mutaciones relacionadas con estas afecciones.10 Su clasificación se basa en las características moleculares y genéticas de las mutaciones y se dividen en 2 grupos: 1, 10 • Enfermedades asociadas con mutaciones

puntuales. • Enfermedades atribuibles a reorganizacio-

nes del ADNmt por inserciones o delecio-nes, o ambas. 1, 4

Enfermedades asociadas con mutaciones puntuales

A. Síndrome MERRF (epilepsia mioclónica y

fibras rojas rasgadas): Se caracteriza por epilepsia mioclónica, debilidad proximal, ataxia, sordera y demencia. El inicio puede ser a cualquier edad y hacerlo con otras manifestaciones, tales como: neuropatía periférica, degeneración corticoespinal, atrofia óptica, disfunción multiorgánica con miopatía, disfunción tubular renal proximal, cardiomiopatía y aumento del ácido lác-tico. Se debe a una mutación en el ADNmt (entre 80-90 % de los casos experimenta un cambio A-G en la posición 8344; y un pequeño número, T-C, en la posición 8356) 24,25.

B. Síndrome MELAS (encefalomiopatía mito-condrial, acidosis láctica y episodios pare-cidos a un accidente vascular encefálico): Además de la tríada que le da nombre, puede haber migraña, vómitos, demencia, epilepsia, sordera, ataxia, retinosis pig-mentaria, cardiomiopatía, disfunción tubu-lar renal proximal y miopatía. Su inicio ocurre a cualquier edad. Se asocia con la mutación A-G en el ARNt, en la posición 3243 en 80 % de los casos descritos, aun-que se han notificado otras mutaciones. 26,

27 C. Síndrome NARP: Se presenta con

neuropatía, ataxia y retinosis pigmentaria,

sin fibras rojas rasgadas en la biopsia del músculo. Se asocia a una mutación en el ADNmt, con transición heteroblástica T-G en la posición 8993. 10, 28

D. Neuropatía óptica hereditaria de Leber:

Puede limitarse a una atrofia óptica bilate-ral subaguda o estar asociada a otras ma-nifestaciones, con distonía. Se inicia entre los 12 y 30 años, predominantemente en varones. La mutación más comúnmente informada es A-G en la posición 11778 en el gen ND4, seguida de G-A en el gen ND1, posición 3460. 10, 29

Enfermedades atribuibles a reorganizacio-nes del ADNmt por inserciones o delecio-nes, o ambas

Se caracterizan por una deleción larga o,

más raramente, por una duplicación de 1,3 a 7,6 kb. Estas mutaciones, esporádicas y hete-roplásticas, se asocian a enfermedades co- mo: 1, 28 • Síndrome de Kearns-Sayre • Síndrome de Pearson • Oftalmoplejía externa progresiva crónica

esporádica • Síndromes leucoencefalopáticos

- Síndrome de Kearns-Sayre y síndromes de oftalmoplejía externa progresiva crónica (CPEO): Tienen una triada clásica, cuya presencia hace sospechar una mutación del ADNmt : ptosis, oftalmoplejía y miopatía con fibras rojas rasgadas. Estas manifestaciones clínicas permiten clasificar a los pacientes en 3 grupos, de acuerdo con la edad de ini-cio y la gravedad del cuadro: a) Síndrome de Kearns-Sayre: Forma

más grave, que comienza antes de los 20 años con oftalmoplejía externa, retinosis pigmentaria, alteraciones cardíacas (cardiomiopatías o defectos de la conducción), diabetes mellitas, sordera, ataxia cerebelosa y proteínas en el líquido cefalorraquídeo por encima de 1 g/L.

b) Síndrome de Pearson: Comienza más temprana y gravemente en la infancia con anemia, leucopenia, trombocitopenia y disfunción pan-creática exocrina; puede estar asociado o no con manifestaciones multisistémicas. Los niños que sobreviven a esta enfermedad,

s

o: -n

a

e a a l, la r

-a, y

-a, s-e -s a

evolucionan hacia el síndrome de Kearns-Sayre. 1, 29

c) Oftalmoplejía crónica progresiva externa (CPEO): Se inicia en la ju-ventud, su gravedad es intermedia y se caracteriza por ptosis bilateral, oftalmoplejía, debilidad e intolerancia al ejercicio. Su forma dominante está asociada con mutaciones del ADN nuclear y múltiples deleciones del ADNmt en el músculo o con mutaciones en el ARNt 29,30

¿Cómo diagnosticar estas enfermedades?

A. Primeramente debe reconocerse la pre-

sentación clínica. Al respecto se describen 3 patrones fundamentales: 1. Oftalmoplejía progresiva 2. Intolerancia al ejercicio con debilidad

en reposo o sin ella 3. Síntomas de alteración del sistema

nervioso central (SNC), con miopatía asociada

B. Los estudios complementarios que pueden ayudar en el diagnóstico, son: 1. Biopsia de músculo: La más útil, debe

estar encaminada a buscar: - fibras rojas rasgadas (RRF) - agregados periféricos en las fibras

con la reacción SDH - respuesta de las fibras con la

reacción COX - aumento de los lípidos dentro de

las fibras musculares. 17

2. Niveles de CPK: Pueden ser normaleo estar ligeramente elevados.

3. Medición de ácido láctico séricPuede encontrarse elevado (por encima de 2,5 mM), con una relaciólactato/piruvato mayor de 20. 1

4. Análisis molecular para la búsquedde mutaciones en el ADNmt .

TRATAMIENTO

Aún no se dispone de una terapéutica qucure estas afecciones. La conducta médicdebe estar dirigida a mejorar la calidad de vidde los pacientes: mejorar su estado nutricionacorregir quirúrgicamente la ptosis, tratar epilepsia y si el caso lo requiere implantamarcapaso cardíaco.

El tratamiento metabólico a estos pacientes incluye: creatina, coenzima Q, riboflavinnicotinamida, tiamina, vitamina E, vitamina CL-carnitina.

CONCLUSIÓN

Las enfermedades mitocondriales pre

sentan gran heterogeneidad genética y clíniclo cual impone conocer sus posibles manifetaciones y las alteraciones metabólicas que sles asocian, para poderlas diagnosticar tempranamente. Requieren, por tanto, ser tratadapor un equipo multidisciplinario para lograr unmejor calidad de vida de los pacientes.

ABSTRACT The Mitochondrial Diseases: A Challenge for the Medical Sciences The mitochondrial diseases constitute a heterogeneous group of alterations caused in most of the patients due to encephalopathy and condition of the muscles and other organs including the heart, liver, kidneys, retina, bone marrow, peripheral nerves and pancreas, whose diagnosis imposes to recognize the clinical manifestations previously and to base mainly in the biopsy of muscles and molecular studies to identify the mutations in the mtDNA. These conditions represent a challenge for the doctors and they should be treated by multidisciplinary teams. Subject headings: MITOCHONDRIAL DISEASES; MITOCHONDRIA; OXIDATIVE PHOSPHORILATION Limit: HUMAN

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Dra. Tamara Rubio González Calle 7 nr 33-A entre 1ra y 2da Ampliación de Fomento, Santiago Cuba oncosur@mediras.scu.sld.cu CÓMO CITAR ESTE ARTÍCULO

Rubio González T, Verdecia Jarque M. Las enfermedades mitocondriales: um reto para las ciencimédicas [artículo en línea]. MEDISAN 2004;8(1http://bvs.sld.cu/revistas/san/vol8_1_04/san08104.htm [consulta: fecha de acceso].