Genetisch determinierte Lebererkrankungen

2000
39. BAYERISCHER
INTERNISTEN-KONGRESS
© 2001 W. Zuckschwerdt Verlag München
1
Genetisch determinierte Lebererkrankungen
Diagnostik, Screening und Therapie
Claus Hellerbrand
Klinik und Poliklinik für Innere Medizin I, Universität Regensburg
Seit langem ist bekannt, dass einer Vielzahl von unterschiedlichen Lebererkrankungen eine hereditäre Ursache zugrunde liegt. Durch den großen Wissenszuwachs der Molekularbiologie in den letzten Jahren konnten innerhalb einer Zeitspanne von nur ein paar Jahren die Gene
und die verantwortlichen Mutationen
von wichtigen Erkrankungen identifiziert und charakterisiert werden.
Durch die Identifizierung der krankheitsrelevanten Gene und das Verständnis von
deren Regulation und der Funktion der
Genprodukte wurde unser pathophysiologisches Verständnis für diese Erkrankungen und mögliche Therapieansätze
stark erweitert. Es wächst die Hoffnung
monogenetische Erkrankungen bald
nicht nur symptomatisch zu behandeln,
sondern durch gezielten Ersatz eines
defekten Gens durch eine normale Kopie
dieses Gens diese Erkrankungen auch
funktionell zu behandeln, ja vielleicht sogar heilen zu können.
Die Kenntnis der genetischen Ursache
von Erkrankungen ermöglicht jedoch
auch völlig neue diagnostische Optionen
– bei der Sicherung der Diagnose und insbesondere auch beim Familien-Screening.
Im Folgenden soll am Beispiel der Hämochromatose und des M. Wilson der Einfluss
neuer
molekularbiologischer
Erkenntnisse auf die Diagnostik und die
Therapie hereditären Lebererkrankungen aufgezeigt werden.
Hereditäre Erkrankungen: Geschichte und
molekularbiologische Grundlagen
Vor Entwicklung der Gentechnik war es
sehr schwierig Erbkrankheiten zu analysieren. Nur durch sorgfältige Beobachtung von betroffenen Familien konnte
man die Vererbung von Genen untersuchen. 1911 ordnete man zum ersten mal
ein menschliches Gen einem Chromo-
som zu, als man die geschlechtsgekoppelte Vererbung der Farbenblindheit erkannte (man ordnete sie dem X-Chromosom
zu). Erst 1967 konnte man ein Gen auf einem Autosom (Nichtgeschlechtschromosom) lokalisieren. Mit Hilfe von Hybriden somatischer Zellen lokalisierte man
weitere Gene. Aber erst mit der Klonierung menschlicher Gene 1978 begann die
rasante Entwicklung der Gentechnik.
Entwicklungen in der Mikrotechnik und
der Automatisierung beschleunigten die
Entwicklung in den letzten Jahren rapide. Zur Identifizierung von genetischen
Defekten kommen heute unterschiedliche molekularbiologische Methoden
zum Einsatz. Neben der humangenetischen Kopplungsanalyse u. a. auch die
vergleichende Gensequenzierung gesunder Probanden und von Patienten.
Die hier beschriebenen Erkrankungen
sind autosomal rezessive Erkrankungen.
Die betroffenen Gene liegen auf Autosomen. Personen, die für eine solche Mutation homozygot sind, erkranken. Heterozygote mit nur einem mutierten Gen sind
gewöhnlich nicht beeinträchtigt, man
nennt sie Träger oder Carrier. Die
beschriebenen Lebererkrankungen sind
monogenetische Erkrankungen, also primär unifaktorielle Leiden, von denen
man annimmt, dass sie aus der Mutation
eines einzelnen Gens hervorgehen (obwohl das selbe Gen bei verschiedenen
Patienten unterschiedlich mutiert sein
kann). Störungen können dabei mit einem unterschiedlichen Einsetzen oder einer unterschiedlichen Expression (Penetranz) einhergehen.
Ist eine pathophysiologisch relevante
Mutation in einem bestimmten Gen identifiziert,können im weiteren unterschiedlichste Nachweismethoden für die Diagnostik zum Einsatz kommen, wie im folgendem am Beispiel der Hämochromatose beschrieben.
Hämochromatose
Die primäre Hämochromatose ist die
häufigste genetische Erkrankung der
weißen Bevölkerung mit einer Rate an
Erkrankten von 1 : 200 bis 1 : 400 und einer Allel-Frequenz von 1 : 8 bis 1 : 10.Die
hereditäre Hämochromatose ist eine
autosomal rezessive Erkrankung bei der
eine kontinuierlich erhöhte Eisenaufnahme zu einer vermehrten Eisenablagerung und in der Folge zu meist irreversiblen Gewebeschädigungen führt.
Mit der Aderlaßtherapie zur Entfernung
des überschüssigen Eisens steht eine einfache, für den Patienten wenig belastende
und effektive Therapie zur Verfügung.
Dagegen sind bereits manifeste Organschäden meist irreversibel (1). Bisher war
die Diagnose der Hämochromatose noch
vor Manifestation von klinischen Symptomen sehr schwierig, so dass eine Prävention der Eisenüberladung innerer Organe
kaum möglich war. Die klinischen Symptome der Hämochromatose sind sehr
unspezifisch und die „klassischen“ laborchemischen diagnostischen Tests (Bestimmung des Serum-Ferritins und der Transferrinsättigung) sind in der frühzeitigen
Diagnostik der Erkrankung unzuverlässig, bzw. zeigen bei chronischen Lebererkrankungen keine ausreichende Spezifität. Molekulare Diagnostik erlaubt dagegen die eindeutige Identifizierung eines
Großteils der Hämochromatose-Patienten (ebenso wie von betroffenen Verwandten im Rahmen des Familien-Screenings) bereits bevor eine manifeste Eisenüberladung des Organismus mit irreversiblen Organschäden eingetreten ist.
Durch die rechtzeitige Diagnose vermindert sich die Zahl der erforderlichen therapeutischen Aderlässe bis zur Entleerung
der Eisenspeicher,und es ist auch zu erwarten, dass sich in Zukunft auch das klinische
Manifestationsspektrum der Erkrankung
bei Erstdiagnose verändern wird.
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Das Hämochromatosegen HFE
Der häufigste genetische Locus der
Hämochromatose wurde bereits vor
mehr als zwanzig Jahren auf den kurzen
Arm von Chromosom 6 gemappt. Erst
1996 jedoch wurde durch Feder et al. das
HFE Gen als molekulare Ursache identifiziert (2). Das Gen kodiert für das Protein HFE, welches zur MHC Klasse I
gehört. Das HFE Protein wird von vielen
Geweben gering exprimiert, besonders
jedoch in der Leber und auf Dünndarmepithelien. In der Leber lässt sich das Protein in den Kupffer-Zellen und im Endothel nachweisen, nicht jedoch im Parenchym. Im Duodenum, dem Organ, welches die Eisenabsorption reguliert,ist das
HFE Protein nur in Zellen der tiefen
Anteile der Krypten nachweisbar. In großen Studien wies die Mehrheit der
Hämochromatose-Patienten (70–95%)
eine G-zu-A Mutation des Nukleotides
845 auf, welche in einem Austausch von
Zystein zu Tyrosin an Codon 282 resultiert (C282Y) (2) und zu einem Verlust
der HFE Proteinexpression auf der Zelloberfläche führt. Dort interagiert HFE
normalerweise mit dem Transferrinrezeptor und scheint eine regulatorische
Rolle in der zellulären Eisenabsorption
zu spielen (3,4). Die Relevanz der Mutation konnte auch in vivo in einem Maus
Modell nachgewiesen werden: C282Y
Knock-out-Mäuse entwickelten eine signifikante Eisenüberladung und einen
Hämochromatose-Phänotyp (5).
Eine zweite Mutation an Codon 63
(H63D) durch einen Austausch des Nukleotids 187 von C nach G wird in einer
geringeren Anzahl der Hämochromatose-Patienten detektiert, deren pathophysiologische Relevanz jedoch noch nicht
geklärt ist. So findet man Träger der
H63D Mutation zwar gehäuft bei Patienten mit Hämochromatose, jedoch auch
bei gesunden Individuen, ohne jeden
Hinweis für eine gesteigerte Eisenspeicherung des Organismus. Gleiches gilt
für sogenannte compound-heterozygote
Merkmalsträger, d. h., Individuen die jeweils heterozygote Träger der C282Y und
H63D Mutation sind. Auch diese findet
man im Vergleich zur Normalbevölkerung gehäuft bei Hämochromatose-Patienten, aber eben auch bei phänotypisch
gesunden Individuen. Zusätzliche genetische oder umweltabhängige Faktoren
als Ursache der Erkrankung bei Com-
pound-Heterozygoten oder H63D-homozygot mutierten HämochromatosePatienten werden bei diesen durch ihre
genetische Konstellation eventuell für eine Eisenüberladung prädisponierten
Patienten vermutet.
Zunehmend häufen sich Berichte über
neu identifizierte Mutationen des HFEGens. Diesen spielen jedoch nach gegenwärtigem Kenntnisstand für den klinischen Alltag keine Rolle. Bislang konnte
in keiner größeren Untersuchung endemisch eine Relevanz dieser Mutationen
nachgewiesen werden. Auch „Nachuntersuchungen“ bei nicht 282-homozygoten Patienten mit Hämochromatose zeigten z. B. für die S65C-Mutation des HFEGens keine gehäufte Frequenz (6).
Molekulare Diagnostik der
Hämochromatose
der vor noch nach positiver Diagnosestellung oder Einleitung einer Aderlasstherapie (9).
Stellenwert der molekularen Diagnostik im
klinischen Alltag
Unabhängig von den Vorteilen und neuen diagnostischen Möglichkeiten der
molekularen Diagnostik bei der hereditären Hämochromatose ist zu beachten,
dass – abhängig von der Region – bis zu
30% der Patienten mit Hämochromatose-Phänotyp nicht die hämochromatosetypische Konstellation des HFE-Gens:
„C282Y-homozygot“ aufweisen. Studien
in Deutschland zeigen eine Prävalenz
von 72–95% (10,11) und eigene bislang
unveröffentlichte Daten), in Österreich
von 77,5% (12). Ein negatives genetisches Testergebnis schließt eine Hämochromatose also keineswegs aus.
Für den Nachweis der C282Y und der
H63D Mutation im HFE Gen sind verschiedene Methoden der Detektion entwickeln worden.Am verbreitetsten ist die
Bestimmung mittels Restriktionslängenpolymorphismus (RFLP). Nach Amplifikation mittels PCR und anschließendem
Restriktionsverdau kann der Basenaustausch G → A nachgewiesen werden.
Durch die Mutation ist eine Schnittstelle
für ein Restriktionsenzym entstanden,
was nach Nachweis der DNA-Spaltprodukte auf einem Agarosegel eine einfache Diagnose zulässt.Da dieser Nachweis
relativ zeit- und arbeitsaufwändig ist,sind
verschiedene Verfahren entwickelt worden, welche die Diagnostik beschleunigen. Methoden, bei denen die Mutationen über so genannte SSCP (Singlestrand conformation polymorphism)
Auftrennung in der Kapillarelektrophorese (SSCP-PCR (7)), über ein ELISASystem (HH-ELISA; bislang unveröffentlichte eigene Ergebnisse) oder mit
Hilfe des Light-Cyclers (8) detektiert
werden, führen zur Einsparung von Kosten und Zeit.
Mit zunehmender Verbreitung der genetischen Tests häufen sich auch Berichte
von C282Y-Homozygoten ohne manifeste Eisenüberladung. Die Penetranz der
Erkrankung scheint also nicht 100% zu
sein. Unabhängig von den individuellen
Faktoren, die hier glücklicherweise eine
Manifestation der Erkrankung verhindern, haben diese Patienten jedoch nach
unserem heutigen pathophysiologischen
Verständnis zumindest ein sehr hohes
Risiko eine Eisenüberladung zu entwickeln und sollten daher in regelmäßigen
Zeitabständen kontrolliert werden.
Im Zusammenhang mit genetischen Testmethoden werden auch immer wieder
Bedenken vor Angst und psychischen
Auswirkungen des Tests, des Testergebnisses und der Therapie diskutiert. In
neueste Untersuchungen bei Hämochromatose-Patienten zeigten sich jedoch keinerlei negative Auswirkungen auf die
psychische und physische Verfassung,we-
Eine symptomatische Therapie der
Erkrankung erfolgt derzeit durch Gabe
von Chelatbildnern (D-Penicillamin
oder Triäthylen Tetramin), die mit dem
überschüssigen Kupfer Komplexe bilden.
V. a.zur Aufrechterhaltung der normalen
Kupferbilanz nach initialer Ausschwemmung mit Chelatbildnern, kann auch
Zink zum Einsatz kommen, das die ente-
M. Wilson
Auch der Wilson-Erkrankung liegt ein
monogenetischer Defekt zugrunde.
Pathophysiologische Grundlage ist ein
defektes kupfertransportierendes ATPhydrolisierendes Protein (ATP7B)(13).
Infolge einer unzureichenden biliären
Kupferausscheidung kommt es zu einer
Akkumulation und Ablagerung von toxischem Kupfer vor allem in der Leber und
im zentralen Nervensystem.
3
rale Kupferaufnahme hemmt. In jedem
Fall ist es wichtig die Therapie lebenslang
– auch bei asymptomatischen Patienten –
fortzusetzen,da sich nach Therapieunterbrechung bei einem Großteil der Patienten eine fulminante, meist letale Hepatitis entwickelt Bei fortgeschrittener
Erkrankung oder im akuten Leberversagen kann derzeit nur durch eine Lebertransplantation eine Verbesserung der klinischen Symptomatik erreicht werden.
Genetische Defekte des „M.Wilson Gens“:
ATP7B
ATP7B wurde auf Chromosom 13q14
lokalisiert.Anders als bei der Hämochromatose wurden hier über 100 verschiedenen pathophysiologisch relevante Mutationen des ATP7B-Gens identifiziert. Zu
deren Analyse stehen derzeit noch keine
hinreichend schnellen und kostengünstigen technischen Verfahren zur Verfügung, die in den klinischen Alltag Einzug
finden könnten.
Die molekulare Diagnostik hat jedoch im
Rahmen des Familien-Screenings v.a. bei
Kindern Bedeutung. Sobald der genetische Defekt bei einem Indexpatienten
identifiziert ist, kann in vielen Fällen
durch einfachere Testmethoden eine
molekulare Diagnostik bei den Verwandten eingeleitet werden.
Wichtig wäre es auch unterschiedliche
klinische Verläufe eventuell durch unterschiedliche Defekte des ATP7B-Gens zu
erklären und somit auch vorhersagen zu
können. So könnte auch die Therapie
beeinflusst werden.Insbesondere wäre es
wichtig Patienten bzw. Mutationen zu
identifizieren, die mit (dem Risiko) eines
fulminanten Leberversagens assoziiert
sind. Neueste Untersuchungen scheinen
zwar darauf hinzudeuten, dass Mutationen,die zu einer trunkierten ATP7B-Proteinexpression führen, mit einem höheren Risiko für ein fulminantes Leberversagen assoziiert sind, bislang gelang jedoch keine systematische Genotyp-Phänotyp-Korrelation. Auch Untersuchungen von Ferenci et al. zeigen lediglich eine Assoziation: so scheint die in Deutschland und Österreich häufigste Mutation
(H1069Q) ebenso wie das weibliche Geschlecht häufiger mit einer hepatischen
Manifestation der Erkrankung assoziiert
zu sein (14).
Andere hereditäre Lebererkrankungen und
Ausblicke für die Diagnostik
Viele weitere monogenetische Erbkrankheiten beruhen auf Gendefekten
hepatischer Enzyme oder Transportsysteme. Bei der zystischen Fibrose ist die
fehlende Expression des CFTR-Gens im
Gallengangsepithel für Obstruktionen
und Entzündungen der Gallenwege mitverantwortlich. Ein Defekt des MRP2Gens ist die Ursache des Dubin-Johnson
Syndroms. Auch bei Patienten mit progressiver familiärer intrahepatischer
Cholestase liegen genetische Defekte
von ATP-bindenden Transportproteinen
zugrunde.
Neben Transportdefekten des hepatobiliären Systems betreffen hereditäre
Erkrankungen auch weitere unterschiedlichste Funktionen der Leber:
1. Störungen des Bilirubinstoffwechsels, wie das Crigler-Najjar- oder das
Gilbert-Meulengracht-Syndrom,
2. Störungen des Aminosäurenstoffwechsel (Tyrosinämie, Phenylketonurie),
3. Störungen des Harnstoffzyklus
(Ornithintranskarbamylase- oder
Arginase-Mangel), oder
4. lysosomale Speicherkrankheiten
(M. Gaucher, M. Hunter).
Die Zukunft wird – schon heute theoretisch mögliche – neue Diagnosetechniken
bringen, welche die simultane Analyse
beliebig vieler Gendefekte schnell und
kostengünstig ermöglichen.
Gentherapeutische Ansätze
Die Gentechnik eröffnet unterschiedliche neue Behandlungsstrategien.So können fehlende Stoffwechselprodukte, beispielsweise auch in Form rekombinanter
Proteine gezielt substituiert werden. In
genauer Kenntnis der pathophysiologischen Mechanismen können aber umgekehrt auch Diätpläne aufgestellt werden
um die Aufnahme von bestimmten Stoffen, die nicht verarbeitet werden können,
zu vermeiden.
Viel versprechende Hoffnung für die Zukunft ist allerdings die Substitution
defekter Gene durch gesunde Kopien –
eine funktionelle Therapie, die bei persistierender Expression des gesunden Gens,
auch zu einer Heilung führen könnte.
Mehrere Strategien für einen solchen
„Gentransfer“ stehen zur Verfügung, Bei
monogenetischen Erkrankungen die auf
isolierten Transport- und Enzymdefekten in der Leber beruhen, erscheint jedoch besonders der so genannte ex vivo
Gentransfer sehr attraktiv. Hier werden
zunächst nach einer Leberteilresektion
die zu transfizierenden Hepatozyten isoliert und in Zellkultur gebracht. In vitro
erfolgt dann der Gentransfer und die
Selektion der erfolgreich transfizierten
Zellen, die danach zum Beispiel durch
Injektion in die Portalvene „zurücktransplantiert“ werden. 1992 wurden so bei einer Patientin mit autosomal dominant
vererbter familiärer Hypercholesterinämie, erfolgreich autologe Hepatozyten
zurücktransfundiert, in die ex vivo eine
funktionierende Kopie des defekten
LDL-Rezeptors transfiziert worden war
(15).
Trotz solcher viel versprechenden Erfolge der modernen Gentechnologie, sind
die entsprechenden Techniken bei den
meisten hereditären Erkrankungen noch
experimentell bzw. wurden erst bei wenigen Patienten klinisch getestet.Allzu große Hoffnungen in Bezug auf die schnelle
und breite Verfügbarkeit gentherapeutischer Behandlungsmöglichkeiten, wurden auch durch schwer wiegende Komplikationen bei der klinischen Anwendung wieder gedämpft.
Im klinischen Alltag gilt es daher auch
weiter gefährdete Patienten frühzeitig zu
identifizieren und so rechtzeitig einer
geeigneten, differenzierten Therapie
zuzuführen. Hierbei kann die moderne
Molekularbiologie in Form molekularer
Diagnostik, wie am Beispiel der Hämochromatose und des M. Wilson aufgezeigt, schon heute erfolgreich eingesetzt
werden und auch bei der genetischen
Beratung große Dienst leisten.
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