BIOCHEMISTRY OF DISEASE Assistant Professor Dr. Chatchawan Srisawat M.D., Ph.D. INTRODUCTION INTRODUCTION

วัตถุประสงค

• นักศึกษารูจักโรค genetic metabolic disorders ที่สําคัญและสาเหตของุ การเกิดโรคดังกลาว

• นักศึกษาสามารถเขาใจถึงขบวนการทางชีวเคมีที่ปกติ และขบวนการที่เปลี่ยน แปลงไปในโรคทาง metabolic ดังกลาว

• สามารถนําความรูพื้นฐานทางชีวเคมีมาใชในการอธิบายความผิดปกตหริ ือ อาการของโรคทาง metabolic ดังกลาว รวมทั้งหลักการที่นํามาประยุกตใชใน การรักษา INTRODUCTION

• Genetic metabolic disorders เกดจากความบกพริ องแตกําเนิดของการทํางาน ของเอนไซม, cofactor ของเอนไซม หรือ โปรตีนที่ทําหนาที่ขนสง (transporter) ทําใหขบวนการ metabolism ของสารเสียไป INTRODUCTION

• การบกพรองของการทํางานของเอนไซมใน metabolic pathway สามารถทําให เกิดอาการของโรคไดโดย: intermediate in alternative pathway

substrate products enzyme defect

- การคั่งของ substrate หรือ intermediate ใน alternative pathway อาจจะทําใหเกิดพษติ อเซลลและรางกาย

- การลดลงของ product อาจจะเกิดการรบกวนตอ normal metabolism ของสารดังกลาว ทําใหการทํางานของเซลลและรางกายผิดปกติ

• โรค genetic metabolic disorders สวนใหญมีการ ถายทอดแบบ autosomal หรือ x-linked recessive INTRODUCTION

• โรค genetic metabolic disorders แตละโรคพบไดนอย แตเมื่อคดเปิ นกลุม ของโรคโดยรวมแลว จะพบวาเปนโรคกลุมใหญ ที่สามารถพบไดคอนขางบอย

อุบัติการณ: จะพบทารกแรกเกิดปวยดวยโรค metabolic disorder 1 คนตอทารกแรกเก ิดทุกๆ 1400 – 5000 คน

โดยเฉพาะอยางยิ่ง ถาทารกมีอาการของการติดเชื้อในกระแส เลือดโดยไมทราบสาเหตุ จะพบวา โอกาสที่ทารกดังกลาวนาจะ เปนโรค metabolic disorder มีถึง 20%

• ดังนั้น การที่แพทยตระหนักถึงภาวะดังกลาว และใหการวินิจฉัย รวมทั้ง การรักษาที่ถูกตอง ทันทวงที สามารถชวยปองกันการตาย หรือ อาการที่ รุนแรงของโรค เชน ภาวะปญญาออน ไมใหเกิดขึ้นได INTRODUCTION INTRODUCTION

MAJOR CLASSES OF METABOLIC DISEASES Disorders of carbohydrate metabolism - Disorders of fructose metabolism - Disorders of galactose metabolism - Glycogen storage diseases Disorders of fatty acid metabolism - Dyslipidemia* - Fatty acid oxidation defects Disorders of amino acid metabolism - Albinism - Phenylketonuria (PKU) Disorders of nucleic acid metabolism* Organelle-related disorders - Lysosomal storage diseases Disorders of sphyngolipid metabolism Mucopolysaccharidoses * อยูในหัวขออื่นที่จะไดเรียนตอไป DISORDERSDISORDERS OFOF CARBOHYDRATECARBOHYDRATE METABOLISMMETABOLISM DISORDERS OF GALACTOSE METABOLISM

• galactose เปนน้ําตาลที่สําคัญในน้ํานมโดยรวมกับ glucose ในรูปของ lactose จึงเปนแหลงพลังงานที่สําคัญ ในทารกที่ตองดื่มนม

• นอกจากนี้ galactose ยังเปนน้ําตาลชนิดหนึ่งที่เปนสวนประกอบของกลุมน้ําตาล ใน glycoprotein และ glycolipid DISORDERS OF GALACTOSE METABOLISM

Metabolism of galactose

+ galactokinase

galactose galactose-1-phosphate UDP-glucose

Gal-1-P uridyltransferase • รางกายสามารถ เปลี่ยน glucose และ galactose กลับไปมา + ไดตามความตองการ ของรางกาย UDP-galactose glucose-1-phosphate

UDP-Gal 4-epimerase G-6-P glycogen เขาสู glycolysis synthesis

UDP-glucose DISORDERS OF GALACTOSE METABOLISM

ความผิดปกติของ galactose metabolism ทําใหเกิด galactosemia ซึ่งเกิดไดจาก: 1. Galactokinase deficiency 2. Galactose-1-phosphate uridyltransferase deficiency DISORDERS OF GALACTOSE METABOLISM Galactokinase deficiency

galactokinase

galactose galactose-1-phosphate

• ผูปวยไมสามารถเปลี่ยน galactose เปน galactose-1-phosphate ได ทําใหมี galactose ถูกขับออกมาในปสสาวะ

• นอกจากนั้น galactose สวนเกินยังถูกเปลี่ยนเปน galactitol โดย aldose reductase DISORDERS OF GALACTOSE METABOLISM Galactokinase deficiency

• การสะสมของ galactitol ซึ่งมี –OH group มากทําใหดูดน้ําไดด ี ภายใน lens ของตา จะทําใหมี osmotic swelling ของ lens fiber และ denature ของ lens protein

ผูปวยที่ไมไดรับการรักษาจะมีตอกระจก (cataract) เกดขิ ึ้น DISORDERS OF GALACTOSE METABOLISM Galactose-1-phosphate uridyltransferase deficiency

ผูปวยจะมีการคั่งของ galactose-1-phosphate และ galactose คั่ง

มีการสะสมของ galactitol ทําใหเกิดตอกระจก การสะสมของ galactose-1-phosphate และการลดลงของ inorganic phosphate ในเซลลซึ่งจําเปนในการสราง ATP ทําใหเปนสาเหตุของ พยาธิสภาพของตับ, ไต, และสมอง แตกลไกแนนอนยังไมทราบแนชัด ผูปวยจะมีตับโต ตัวเหลือง การทํางานของตับและไตลมเหลว และอาจมีการพิการทางสมองตามมา DISORDERS OF GALACTOSE METABOLISM การรักษา

• หลีกเลี่ยงการรับประทานนมหรืออาหารที่มีนมเปนสวนประกอบ หรือ ดื่มนมที่ไมมี lactose (lactose-free formula)

Note ผูปวยซึ่งไดรับการรักษาดวย galactose-free diet และไมไดรับ galactose เลย สามารถที่จะมีการเจริญเติบโตและพัฒนาการที่ปกติได เนื่องจากรางกายยังสามารถสังเคราะห galactose ไดจาก glucose (จากการทํางานของ UDP-Gal 4-epimerase) DISORDERS OF GALACTOSE METABOLISM การรักษา DISORDERS OF FRUCTOSE METABOLISM

• fructose เปน monosaccharide ที่สําคัญ ชนิดหนึ่ง เนื่องจากเปนสวนประกอบของ sucrose ซึ่งเปน disaccharide ที่ใชเพิ่ม ความหวานในอาหารที่มีการใชกันอยาง แพรหลาย

• fructose ยังพบในรูป free from ใน น้ําตาลจากน้ําผึ้ง ผลไม และ ผักหลายชนิด DISORDERS OF FRUCTOSE METABOLISM Metabolism of fructose

เขาสู glycolysis หรือ นําไปสราง glucose

ความผิดปกติของ fructose metabolism อาจเกิดไดจาก: 1. fructokinase deficiency ทําใหเกิด essential fructosuria 2. fructose 1-phosphate aldolase (aldolase B) deficiency ทําใหเกิด hereditary fructose intolerance DISORDERS OF FRUCTOSE METABOLISM Essential Fructosuria

• เกิดจากการบกพรองของ fructokinase

• fructose ที่รับประทานเขาไปสวนหนึ่งจะถูก ขับออกทางปสสาวะ และอีกสวนหนึ่งจะถูก metabolized ในกลามเนื้อและเนื้อเยื่อไขมัน โดย hexokinase ซึ่งจะทํางานเมื่อ fructose มี การคั่งและระดับเพิ่มสูงขึ้น

• ผูที่มีการบกพรองของ fructokinase จะ ไมมีอาการทางคลินิค แตอาจตรวจพบวามี reducing sugar ออกมาในปสสาวะ

• ไมตองการการรักษา DISORDERS OF FRUCTOSE METABOLISM Hereditary Fructose Intolerance

• เกิดจากการบกพรองของ aldolase B ทําให เซลลไมสามารถนํา fructose ไปใชเปนพลังงาน หรือเปลี่ยนเปน glucose ได

• เมื่อรับประทานอาหารที่มี fructose จะมีการ สะสมของ fructose 1-phosphate

fructose 1-phosphate ที่เพิ่มสูงขึ้นจะเกิดผล ตอขบวนการ metabolism ดังตอไปนี้ DISORDERS OF FRUCTOSE METABOLISM Hereditary Fructose Intolerance

• fructose 1-phosphate จะยับยั้งการสลาย glycogen (โดยยับยั้ง glycogen phospholyrase) และ ยับยั้ง gluconeogenesis (โดยยับยั้งการเปลี่ยน F6P -> G6P และ การสราง F1,6P จาก glyceraldehyde-3P และ DHAP) ผูปวยจะมีอาการของน้ําตาลในเลือดต่ําหลังรับประทานอาหารที่มี fructose เชนมี อาการคลื่นไส อาเจียน เหงื่อออก ซึม เกร็งกระตุก หรือชัก DISORDERS OF FRUCTOSE METABOLISM Hereditary Fructose Intolerance

• fructose 1-phosphate ที่เพิ่มขึ้นยังทําให inorganic phosphate ที่จําเปนตองใช ในการสราง ATP ลดลง ทําใหเกิดการขาดหรือพรอง ATP ซึ่งเปนแหลงพลังงานของ เซลล ผูปวยมีการเจริญเติบโตลมเหลว การทํางานของตับและไตบกพรอง DISORDERS OF FRUCTOSE METABOLISM การรักษา

• งดอาหารทุกชนิดที่ fructose หรือ sucrose

• การควบคุมอาหารจะทําใหอาการตางๆหายไปอยางรวดเร็ว และการเจริญเติบโตเปนปกติ GLYCOGEN STORAGE DISEASES

•Glycogen เปน homopolymer ของ glucose ที่ทําหนาที่เก็บสะสม กลูโคสในเนื้อเยื่อตางๆ โดยเฉพาะที่ตับและกลามเนื้อ • การสังเคราะหและการสลายของ glycogen อาศัยเอนไซมหลายชนิด และถูกควบคุมดวยฮอรโมน GLYCOGEN STORAGE DISEASES

GlycogenolysisGlycogenolysis GLYCOGEN STORAGE DISEASES • ในปจจุบัน พบวามี glycogen storage disease (GSD) อยางนอย 10 ชนิด ตางๆกัน ซึ่งแบงตามความบกพรองของเอนไซมดังตัวอยางขางลาง

เอนไซมที่ผดปกติ ิ affected organs ชนิดของ GSD Glucose-6-phosphatase Liver, kidney type Ia Acid α-1,4-glucosidase Generalized type II Debranching enzyme Liver, muscle type III Branching enzyme Liver type IV Phosphorylase Liver type VI GLYCOGEN STORAGE DISEASES

•GSD ชนิดที่พบบอยคือ type I, II, III และ IV ชนิดอื่นพบไดนอยมาก

• อาการของโรคขึ้นอยูกับชนิดของเอนไซมที่บกพรอง

ตัวอยางอาการของผูปวยดวย GSD type I (Von Gierke’s disease)

• hypoglycemia อยางรุนแรงเมื่ออดอาหารเพียงไมนาน หรือมี ภาวะ stress เชน เปนไข ฯลฯ

• ระดับ lactate ในเลือดสูง จนทําใหเลือดมีภาวะเปนกรด (acidosis) ได

• ระดับ triglyceride ในเลือดสูง

• ตับโตมาก พบ glycogen และ fat สะสมอยูในเซลลตับ

• growth retardation GLYCOGEN STORAGE DISEASES GSD type I liver From gluconeogenesis glucose-6-phosphatase glucose glucose-6-phosphate

glucose-1-phosphate

glycogen phosphorylase debranching enzyme

Glycogen

• เกิดการสะสมของ glucose-6-phosphate - ทําใหไมสามารถสลาย glycogen ไดดี เกดการสะสมของิ glycogen ในตับ ผูปวยจะมีตับโต (hepatomegaly) GLYCOGEN STORAGE DISEASES GSD type I liver From gluconeogenesis glucose-6-phosphatase glucose glucose-6-phosphate

glucose-1-phosphate

glycogen phosphorylase debranching enzyme

Glycogen

• ผูปวยจะมีอาการของ hypoglycemia ในระยะ fasting เนื่องจาก - ไมสามารถผลิต glucose จากขบวนการ glycogenolysis - ไมสามารถผลิต glucose จากขบวนการ gluconeogenesis GLYCOGEN STORAGE DISEASES GSD type I liver Glucose

Glucose-6-phosphate

Fructose-6-phosphate Fructose-2,6-bisphosphate PFK-1 + Fructose-1,6-bisphosphate

Glyceraldehyde-3-phosphate

1,3-bisphosphoglycerate

3-phosphoglycerate

2-phosphoglycerate

Phosphoenolpyruvate

Pyruvate Lactate

• การขาด G-6-phosphatase ทําใหเกิดการสะสมของ G-6-P, F-6-P และ F-2,6-P - กระตุน phosphofructokinase-1 (rate-limiting step ของ glycolysis) ระดับ pyruvate และ lactate เพิ่มสูงขึ้นในเลือด 

ึ้น

ู งข งเคราะห ั ื อดส glycerol บการส ั ั บในเล NADPH าหร ํ ี ระด ส Lipoprotein (VLDL) triacylglycerol acetyl CoA fatty acid ั บและม

ในต ี substrate ม าให ํ ท

citrate น ึ้ DHAP TCA

cycle triacylglycerol acetyl CoA มากข ี่ ท

glycolysis ึ้น oxaloacetate glucose liver pyruvate

การสะสมของ glycolysis GLYCOGEN STORAGE DISEASES มากข างานของ ํ การท triacylglycerol • GSD type I GLYCOGEN STORAGE DISEASES การรักษา

• เนื่องจากอาการของโรคโดยเฉพาะ hypoglycemia จะเกิดขึ้นเมื่อมีการอด อาหาร ดังนั้น ควรปองกันไมใหเกิดการขาดอาหารนานๆ เชน

- การใหอาหารโดยวิธีหยดเขากระเพาะอาหารในตอนกลางคืน (nocturnal gastric drip)

- การใหแปงดิบ (uncooked starch) เพื่อให glucose ถูกยอยและ ปลอยออกมาชาๆในระยะเวลานาน โดยเฉพาะในตอนกลางคืน

• ปองกันไมใหเกิดภาวะ stress เชน เปนไขหวัด หรือ ทองเสีย ฯลฯ

• ใหอาหารที่เปน low-fat, low-cholesterol เพื่อรักษาภาวะไขมันในเลือดสูง (hypertriglyceridemia) DISORDERSDISORDERS OFOF FATTYFATTY ACIDACID METABOLISMMETABOLISM DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION

• การ oxidation ของ fatty acid ใน mitochondria มีบทบาทสําคัญในแงการสราง พลังงานของรางกาย โดยเปนแหลงของ พลังงานถึง 80% ของพลังงานที่รางกาย ตองการ โดยเฉพาะในชวง late fasting stage

• ชวยลดการใชน้ําตาลและความจําเปนใน การสลายโปรตีนเพื่อนําไปสราง glucose DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION ขบวนการ fatty acid oxidation ประกอบดวย 4 ขั้นตอน ซึ่งความบกพรองใน ขั้นตอนดังกลาว จะทําใหเกิดความผิดปกติของ fatty acid oxdiation ขึ้น: 1. Carnitine cycle

AS = acyl-CoA synthetase CU = carnitine transporter* CT = carnitine/acylcarnitine translocase* CPT I = carnitine palmitoyl transferase I* CPT II = carnitine palmitoyl transferase II*

* defective in disorders of fatty acid oxidation DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION ขบวนการ fatty acid oxidation ประกอบดวย 4 ขั้นตอน ซึ่งความบกพรองใน ขั้นตอนดังกลาว จะทําใหเกิดความผิดปกติของ fatty acid oxdiation ขึ้น: 2. Beta oxidation cycle

*

* defective in disorders * of fatty acid oxidation

* DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION ขบวนการ fatty acid oxidation ประกอบดวย 4 ขั้นตอน ซึ่งความบกพรองใน ขั้นตอนดังกลาว จะทําใหเกิดความผิดปกติของ fatty acid oxdiation ขึ้น: 3. Electron transfer

- ETF-Ubiquinone oxidoreductase (ETF-QO)*

-Electron transfer flavoprotein (ETF)* * defective in disorders of fatty acid oxidation

ดู KSA – integration of metabolism เพิ่มเติม DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION ขบวนการ fatty acid oxidation ประกอบดวย 4 ขั้นตอน ซึ่งความบกพรองใน ขั้นตอนดังกลาว จะทําใหเกิดความผิดปกติของ fatty acid oxdiation ขึ้น: 4. Ketogenesis ketone bodies β-OH-butyrate acetoacetate * defective in disorders acetone of fatty acid oxidation

*

* DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION

• อาการและอาการแสดงของผูปวยที่มีความผิดปกติของ fatty acid oxidation สวนใหญจะคลายคลึงกัน เชน :

- ผูปวยจะมีอาการของ hypoglycemia ในชวงที่มีการอดอาหาร หรือ อยูในภาวะ stress

- อาการ hypoglycemia จะเกิดรวมกับภาวะ hypoketosis

- มีระดับของ free fatty acid เพิ่มสูงขึ้นในเลือด

- การทํางานของอวัยวะที่ตองใชพลังงานจากไขมัน เชน กลามเนื้อ , หัวใจ และสมอง อาจลมเหลว

ดู KSA – integration of metabolism เพิ่มเติม DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION adipocyte

triglyceride Acetyl CoA glycerol β-oxidation fatty acid oxaloacetate citrate carnitine TCA cycle free fatty acid

• ในระยะ fasting จะมีการกระตุนขบวนการสลายไขมัน (lipolysis) เพื่อใชเป น แหลงพลังงานแทน glucose -> สงวน glucose ไวใหอวัยวะที่สําคัญ เชน สมอง DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION

glucose-6-phosphate

phosphoenolpyruvate pyruvate

Acetyl CoA Fatty acid

oxaloacetate citrate TCA cycle

• ในผูปวยที่มีความผิดปกติของ fatty acid oxidation เซลลจะใชพลังงานจาก fatty acid ไดไมดี ทําใหตองพึ่ง glucose เปนแหลงของพลังงาน ผูปวยจะมีอาการของ hypoglycemia ในชวงที่มีการอดอาหารและ อวัยวะที่ใช fatty acid เชน หัวใจหรือกลามเนื้อ ทํางานบกพรอง DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION gluconeogensis glucose glucose-6-phosphate

phosphoenolpyruvate pyruvate - glycerolglycerol Acetyl CoA Fatty acid lactatelactate + aminoamino acidacid oxaloacetate citrate TCA cycle liver & kidney

• ในระยะ fasting, จะมีการนํา amino acids, glycerol และ lactate นํามาสราง glucose ขึ้นใหม (gluconeogenesis) • acetyl CoA ที่ไดจาก fatty acid oxidation จะกระตุน เอ็นไซมใน gluconeo- genetic pathway ทําใหมีการสราง glucose เพิ่มขึ้น DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION gluconeogensisgluconeogensis glucose glucose-6-phosphate

phosphoenolpyruvate pyruvate - glycerolglycerol Acetyl CoA Fatty acid lactatelactate + aminoamino acidacid oxaloacetate citrate TCA cycle liver & kidney

• การบกพรองของ fatty acid oxidation ทําให acetyl CoA ลดลง ทําใหการ ทํางานของเอ็นไซมใน gluconeogenetic pathway ลดลงดวย ทําใหอาการ hypoglycemia รุนแรงขึ้น DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION

liver

Ketone free fatty acid β-oxidation Acetyl CoA bodies of fatty acid β-OH-butyrate acetoacetate oxaloacetate acetone citrate TCA cycle

Blood ketone

• ในระยะ fasting, ตับจะสราง ketone bodies จาก acetyl CoA แลวสงไปยัง เนื้อเยื่อตางๆ เพื่อใชเปนแหลงพลังงานแทน glucose DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION

liver

Ketone free fatty acid β-oxidation Acetyl CoA bodies of fatty acid β-OH-butyrate acetoacetate oxaloacetate acetone citrate TCA cycle

Blood ketone

• acetyl CoA ที่ลดลงจะทําใหการสราง ketone ลดลง

อาการ hypoglycemia จะเกิดรวมกับภาวะ hypoketosis DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION adipocyte

triglyceride Acetyl CoA glycerol β-oxidation fatty acid oxaloacetate citrate carnitine TCA cycle free fatty acid

• การที่เซลลมีความบกพรองในการ oxidation ของ fatty acid ผูปวยจะมีระดับ free fatty acid ในเลือดสูง ซึ่งจะมีพิษถาระดับสูงมากเกินไป DISORDERS OF FATTY ACID OXIDATION การรักษา

• ในชวงที่มีอาการเฉียบพลัน ควรให glucose เขาหลอดเลือดดําทันที เพื่อ รักษาภาวะ hypoglycemia และใหไปกระตุนการหลั่ง insulin จนถึงระดับที่ยับยั้ง fatty acid oxidation ของตับและกลามเนื้อได

• เนื่องจากอาการของโรคโดยเฉพาะ hypoglycemia จะเกิดขึ้นเมื่อมีการอด อาหาร ดังนั้น การรักษาในระยะยาว ควรปองกันไมใหเกิดการขาดอาหารนานๆ (ดูการรักษาของ glycogen storage disease)

• การรักษาที่จําเพาะ - การให carnitine เสริมในรายที่มีการขาด carnitine

- การใหอาหารไขมันที่มี medium-chain fatty acid เปน สวนประกอบ จะมีประโยชนในผูปวยที่มีความบกพรองของ carnitine cycle เนื่องจาก กรดไขมัน medium-chain สามารถผานเขาสู mitochondria โดยไมตองใช carnitine DISORDERSDISORDERS OFOF AMINOAMINO ACIDACID METABOLISMMETABOLISM ALBINISM

• สภาพเผือก หรือ albinism เปนกลุมโรคพันธุกรรมที่พบบอย รายงาน ครั้งแรกโดย Sir Archibald Garrod ในป 1908

• พบไดในหลายเชื้อชาติ

• ความผิดปกติเกดจากเซลลิ  melanocyte ซึ่งทําหนาที่สังเคราะห melanin ทํางานบกพรอง ALBINISM

• melanocyte เปนเซลลที่อยูในผิวหนัง, choroid และ iris ของตา ทํา หนาที่สรางเม็ดสี melanin

•melanin ทําหนาที่ absorb แสง UV ไมใหทําอันตรายกับเซลล และยังมี ฤทธิ์ตอตาน free radical ALBINISM Metabolism ของ melanin

tyrosinase tyrosinase

spontaneous ALBINISM

ความผิดปกติทางชีวเคมี

• การขาดเอนไซม tyrosinase เปนสาเหตุสวนใหญของการเกิด albinism

temperature-sensitive tyrosinase ในแมวไทย ALBINISM

ความผิดปกติทางชีวเคมี

• ผูปวยจะมี hypopigmentation ของผิวหนัง และเสนผม ทําใหเสี่ยงตอการเกิดมะเร็งของ ผิวหนังที่เกิดจากการ expose ตอแสง ultraviolet ไดงายกวาคนปกติ

• การที่มี melanin นอยลงในมานตา (iris) และ choroid ของตา ทําใหผูปวยมีปญหาใน การมองเห็น เชน สายตาไมสามารถสูแสงจา ได (photophobia) และ ความคมชัดของ สายตาลดลง ALBINISM การรักษา

• ควรหลีกเลี่ยงแสงแดด โดยสวมเสื้อผาใหมิดชดิ หรือใช lotion ที่มีฤทธิ์ ปองกันแสง ultraviolet ซึ่งจะชวยปองกันการเกิดมะเร็งของผิวหนังได

• การใชแวนกันแดด อาจชวยในเรื่องของ photophobia และ ความ คมชดของการมองเหั ็นได PHENYLKETONURIA

• Phenylketonuria (PKU) เปนโรคที่เกิดจาก ความบกพรองของ metabolism ทําใหมีระดับ ของ phenylalanine ในเลือดสูงกวาปกติ

• ผูปวยมีปญญาออน กลามเนื้อเกร็ง สีผิว ตา ผม จางกวาปกติ ถาวินิจฉัยไดเร็ว และไดรับการ รักษาที่ถูกตอง จะปองกันภาวะปญญาออนได PHENYLKETONURIA

Metabolism of phenylalanine

- one of the essential amino acids

- source: diet และ การสลายโปรตีนในรางกาย

- importance:

1. เปน amino acid ที่ใชในการสรางโปรตีน

2. สลายเปนพลังงานหรือสารตนในการสรางน้ําตาล

3. เปนสารตนของสังเคราะหกรดอะมิโน tyrosine ซึ่ง เปนสารตนของ catecholamine neurotransmitters (e.g. dopamine, nor-, epinephrine) และ melanin PHENYLKETONURIA

Metabolism of phenylalanine

(PAH)

Defects in a conversion of phenylalanine to tyrosine which requires:

- Enzyme: Phenylalanine hydroxylase (PAH)

- Cofactor: Tetrahydrobiopterin (BH4)

•PKU เกิดจาก genetic defects ของเอ็นไซม PAH (98%) หรือเอ็นไซมใน ขบวนการ biopterin metabolism (~1-2%) PHENYLKETONURIA

Metabolism of Biopterins

Defects of synthesis

Defects of PAH recycling PHENYLKETONURIA

Effects of PAH deficiency

การลดลงของ phenylalanine hydroxylase ทําให:

• การเปลี่ยน phenylalanine เปน tyrosine ลดลง -> relative deficiency of tyrosine -> light hair and skin color, impaired synthesis of catecholamine neurotransmitter

• มีการเพิ่มขึ้นของ phenylalanine และ metabolites (phenylketones, phenylamine) PHENYLKETONURIA

Effects of PAH deficiency

• hyperphenylalaninemia จะยับยั้งการขนสงกรดอะมิโนหลายชนิด ผานเซลล, blood brain barrier และ choroid plexus (large neutral amino acid เชน valine, leucine, isoleucine, threonine, histidine, methionine, tyrosine, tryptophan)

ระดับ aromatic & neutral ระดับ phenylalanine amino acids อื่นๆ ในสมองลดลง ในสมองสูงขึ้น

- ยับยั้งการสังเคราะหโปรตีนซึ่งจะ - ยับยั้งการสังเคราะห neuro- กระทบตอการเจริญของ dendrite transmitter ที่สําคัญ เชน dopamine, norepinephrine, serotonin - ยับยั้งการสราง myelin

ผูปวย PKU ที่ไมไดรับการรักษาจึงเกิด mental retardation PHENYLKETONURIA

Effects of biopterin deficiency

• tetrahydrobiopterin (BH4) เปน cofactor ของเอ็นไซมที่สําคัญหลายชนิด เชน tyrosine และ tryptophan hydroxylase, nitric oxide synthase • defects ของ biopterin metabolism ทําใหมี phenylalanine ในเลือดสูงขึ้น รวมกับ defective synthesis ของ dopamine, norepinephrine, epinephrine, serotonin PHENYLKETONURIA

การรักษา

• จุดมุงหมายของการรักษาคือ การพยายามทําใหระดับของ phenylalanine ไมใหสูงมากเกินจนเกิด toxicity ได

• เนื่องจาก Phe เปน essential amino acid ซึ่งรางกายไมสามารถ สังเคราะหไดเอง ดังนั้น การควบคุมระดับของ Phe ในเลือดสามารถทําได โดยการจํากัดอาหาร • ผูปวยควรไดรับนมหรืออาหารที่จํากัด Phe PHENYLKETONURIA

การรักษา

• หลีกเลี่ยงการรับประทานอาหารที่มี Phe สูง เชน เนื้อสัตว, เนย, ไข ฯลฯ หรือ เครื่องดื่มที่มีสารใหความหวาน aspartame เปนสวนประกอบ

Aspartame

• อยางไรก็ตาม ไมควรจะจํากัดการไดรับ Phe มากจนเกินไป เนื่องจาก Phe เปนกรดอะมิโนที่จําเปน PHENYLKETONURIA

• ในรายที่เกิดจากการขาด biopterin cofactor จะมีการขาด neurotransmitter ของระบบประสาทรวมดวย ดังนั้น นอกจากจะจํากัดอาหารที่มี Phe แลว อาจจะ ตองให biopterin รวมกับ precursor ของ neurotransmitter รวมดวย เพอื่ ปองกันไมใหเกิดภาวะปญญาออน LYSOSOMALLYSOSOMAL STORAGESTORAGE DISORDERSDISORDERS LYSOSOMAL STORAGE DISORDERS

•lysosome เปน sac-like organelle ที่บรรจุ hydrolytic enzyme ที่ทํา หนาที่ยอยสลายสารหลายชนิด ซึ่ง อาจจะเปนสิ่งแปลกปลอมจากภายนอก หรือสวนประกอบของเซลลเอง

• lysosomal storage disease เกิด จากความบกพรองแตกําเนิดของ เอนไซมใน lysosome ทําใหเกดการิ คั่งของ substrate ใน lysosome ซึ่ง อาจจะทําใหเกิดการรบกวน normal function ของเซลลได LYSOSOMALLYSOSOMAL STORAGESTORAGE DISORDERSDISORDERS

DISORDERS OF SPHYNGOLIPID METABOLISM DISORDERS OF SPHYNGOLIPID METABOLISM

Sphyngolipid ประกอบดวย:

• Sphyngomyelin - เปนสวนประกอบของ cell membrane มีเฉพาะใน เนื้อเยื่อของมนุษยและสัตว พบมากใน myelin sheath

• Glycolipid ดู Lipid chemistry เพิ่มเติม DISORDERS OF SPHYNGOLIPID METABOLISM

• Glycolipid เปน lipid ที่มี carbohydrate เปนสวนประกอบในโมเลกุล พบที่ lipid membrane ของเซลลทั่วไปในรางกาย

glycolipid

Cell membrane

• Glycolipid มีบทบาทสําคัญในขบวนการ cell-cell recognition, cell adhesion, cell growth and diffrentiation, และ signal transduction DISORDERS OF SPHYNGOLIPID METABOLISM

• sphyngolipid จะถูกยอยสลายใน lysosome ดวย 1. เอนไซมหลายชนิด ความผิดปกติของเอนไซม ดังกลาวจะทําใหเกิดการสะสมของ sphyngolipid 2. ทําใหเกิดเปนโรคขึ้น

เอนไซมที่ผดปกติ ิ โรค 3. 1. ceramidase Farber disease 2. β-glucosidase Gaucher’s disease 4. 3. Galactocerebrosidase Krabbe disease 4. Sulfatidase Metachromatic leukodystrophy 5. 5. Sphyngomyelinase Niemann-Pick disease 6. α-galactosidase Fabry disease 6. 7. β-galactosidase GM1-gangliosidoses 8. β-hexosaminidases Hex-A Tay-Sachs disease 7. Hex-A and Hex-B Sandhoff disease 8. * Gaucher’s disease เปน lysosomal storage disease ที่พบบอยที่สุด DISORDERS OF SPHYNGOLIPID METABOLISM

• Disorder of sphyngolipid metabolism เปนโรคกลุมใหญ มักมีอาการ ทางระบบประสาทเปนสวนใหญ

• แรกเกิดเด็กมกปกตั ิ ตอมาจะมีพัฒนาการลาชาหรือการเจริญเติบโต ลมเหลวเนื่องจากมีการสะสมของ sphyngolipid ในเซลลประสาทของสมอง และไขสันหลัง

• อาจมีตับมามโต กระดูกผิดรปู หรือมีอาการตาบอด

normal eyeground ลักษณะ cherry-red spot ในโรค Niemann-Pick GAUCHER DISEASE: INTRODUCTION

• Phillipe Charles Ernest Gaucher ไดบรรยายเกี่ยวกับโรคนี้ ครั้งแรกในป 1882

• ในป 1965 พบวา Gaucher disease เกิดจากความผิดปกติของ ขบวนการสลาย glycolipid ชนิดหนึ่งชื่อวา glucosylceramide ทําใหเกิดการสะสมของสารดังกลาวภายใน lysosome ของเซลล

The most common lysosomal storage disorder GAUCHER DISEASE: INTRODUCTION

StructureStructure and and metabolism metabolism of of glycolipids glycolipids

sphingosine

ceramide Fatty acid

glucose

glucosylceramideglucosylceramide (glucocerebroside)(glucocerebroside)

various sugars added

various glycolipids (gangliosides, globosides, etc) GAUCHER DISEASE: INTRODUCTION

StructureStructure and and metabolism metabolism of of glycolipids glycolipids

sphingosine

ceramide Fatty acid

glucose glucosylceramide เปน intermediate ใน glucosylceramideglucosylceramide (glucocerebroside) ขบวนการสังเคราะห (glucocerebroside) และสลาย glycolipid

sugars removed various glycolipids (gangliosides, globosides, etc) GAUCHER DISEASE: PATHOGENESIS

glucosylceramide glucose ceramide

acid β-glucosidase (glucosylceramidase or glucocerebosidase)

Gaucher disease เกิดจากความบกพรองแตกําเนิดของเอ็นไซม β-glucosidase (glucosylceramidase) ทําใหมีการคั่งของ glucosylceramide ภายในเซลล GAUCHER DISEASE: PATHOGENESIS

AcidAcidββ-glucosidase-glucosidase

• พบไดทั่วไป แต enzymatic activity จะแตกตางไปในเนื้อเยื่อตางๆ (activity สูงใน placenta, fibroblast และ ต่ําใน white blood cell)

•saposin C มีฤทธิ์กระตุนการทํางานของเอ็นไซม (a rare cause of Gaucher-like disease) GAUCHER DISEASE: PATHOGENESIS

AcidAcidββ-glucosidase-glucosidase

• เปน lysosomal enzyme ทําหนาที่สลาย glucosylceramide

Degradation of glucosylceramide

Exogenous sources: e.g. phagocytosed cells in macrophages Endogenous sources ของ

 ของเซลล membrane  มาจาก lysosome วนใหญ  -glucosidase ส β ภายใน decreased enzymatic activity and/or stability decreased

Deficiency of acid macrophage glucosylceramide ิ นโดย ู กก ถ ี่ -glucosidase ท  β GAUCHER DISEASE: PATHOGENESIS การสะสมของ • macrophage/monocyte in origin • accumulated glucosylceramide เซลล Gaucher cell Mutations of GAUCHER DISEASE: PATHOGENESIS

•Gaucher cell มีความสําคัญใน pathophysiology ของ Gaucher disease GAUCHER DISEASE: PATHOGENESIS

• glucosylsphingosine ซึ่งเปน toxic intermediate ของการสลาย endogenous glucosylceramide สามารถทําใหเกิดการ apoptosis ของ neuron ใน neuronopathic Gaucher disease (type II & III)

glucosylceramide glucose ceramide

β-glucosidase

glucosylsphingosine

Fatty acid removed Toxic! GAUCHER DISEASE: PATHOGENESIS

ผูปวย Gaucher disease ที่มี ผูปวย Gaucher disease ที่มี ตับมามโต และมีอาการทาง ตับมามโตเล็กนอย และมีอาการ ระบบประสาท (generalized ปญญาออนรุนแรง hypotonia)

 ของ ี่ วงป  ท โดยการ ในช ู lysosome  าส -glucosidase เข β uptake ูก  modified acid Enzyme replacement therapy ให Gaucher cell (successful trial 1990) Increase degradation สามารถถ

ู ี ก ู

ี่ม าส  ท จะถ  ในการ ํ าเข

 วน

แล  ํ ามาใช GAUCHER DISEASE: THERAPEUTICS น ื อเอนไซม

หร ํ าให  ท

ได โดยเซลล

lysosomal storage กษา ั

ั กษา glycoproein mannose-6-phosphate uptake lysosome ร disease การร  ี ม ี่  ในป  ยาท งเคราะห ั โดยให ในขบวนการส inhibitor น ิ์ เป ฤทธ 2000) Substrate reduction therapy glucosylceramide (first clinical study

Decrease synthesis GAUCHER DISEASE: THERAPEUTICS กษา ั การร LYSOSOMALLYSOSOMAL STORAGESTORAGE DISORDERSDISORDERS

MUCOPOLYSACCHARIDOSES MUCOPOLYSACCHARIDOSIS

Mucopolysaccharide หรือ Glycosaminoglycan (GAG) • เปน polymer ของ amino sugar และ acid sugar เรียงสลับกันเปน disaccharide repeating unit –

glucuronic acid

ตัวอยางของ amino sugar ตัวอยางของ acid sugar

• keratan sulfate, dermatan sulfate, heparan sulfate, chondroitin sulfate ดู carbohydrate chemistry เพิ่มเติม MUCOPOLYSACCHARIDOSIS

•GAGs พบไดใน ground substance ของเนื้อเยื่อเกยวพี่ ันของผิวหนัง, กระดูก, กระดูกออน เปนตน MUCOPOLYSACCHARIDOSIS

•GAGs พบไดใน ground substance ของเนื้อเยื่อเกยวพี่ ันของผิวหนัง, กระดูก, กระดูกออน เปนตน ใน ground substance, GAGs จะรวมกับโปรตีนเปน proteoglycan ทําหนาที่ยึดเหนี่ยวโปรตีนตางๆใน extracellular matrix เชน collagen, elastin กบโปรตั ีน ของเซลล ทําใหเนื้อเยอมื่ ความยี ืดหยุนและแข็งแรง plasma membrane

collagen fiber MUCOPOLYSACCHARIDOSIS

• จากโครงสรางของทางเคมีของ GAGs ที่มี hydrophilic groups (เชน –OH, - -NH2, -COO ) ในโมเลกุลมาก ทําให GAGs มีคุณสมบัติที่อุมน้ําไดมาก GAGs จึงมีหนาที่ดังนี้

- ทําใหเนื้อเยื่อมีความยืดหยุนและเตงตึง

- ทําหนาที่หลอลื่นในเนื้อเยื่อตางๆ

- ชวยปองกันการกระทบกระแทกของเนื้อเยื่อ เชน กระดูกออนของขอ เปนตน MUCOPOLYSACCHARIDOSIS MUCOPOLYSACCHARIDOSIS

•GAGs จะถูกยอยสลายใน lysosome ดวย เอนไซมหลายชนิด ความผิดปกติของเอนไซม ดังกลาวจะทําใหเกิดการสะสมของ GAGs เกิด Dermatan sulfate เปนโรค mucopolysaccharidosis (MPS)

เอนไซมที่ผดปกติ ิ ชนิดของ MPS 1.α-Iduronidase MPS I (Hurler disease) 2. Iduronate sulfatase MPS II (Hunter disease) 3a. Heparan N-sulfatase MPS IIIa Heparan sulfate 3b. a-N-acetylglucos- MPS IIIb aminidase 4a. Galactose-6-sulfatase MPS IVa Keratan sulfate 4b. β-galactosidase MPS IVb 6. NAc-Galactosamine MPS VI 4-sulfate 7. β-Glucuronidase MPS VII MUCOPOLYSACCHARIDOSIS

อาการโดยทั่วไปของโรค mucopolysaccharidosis

- เปนโรคเรื้อรังและอาการจะเพิ่มมากขึ้นตามลําดับ

- เนื่องจากมีการบกพรองของเอนไซมที่ยอยสลาย GAGs ทําใหมีการ สะสมของ GAGs ในเซลล ทําใหมีตับ, มามโต และนอกจากนี้ GAGs ที่เพิ่มมากขึ้นใน extracelluar matrix จะกระตุนใหมีการสราง collagen มากขึ้นในเนื้อเยื่อตางๆ ทําใหกระดูกและใบหนาผิดปกติ ผูปวยอาจมีความผิดปกติของตา หู ทางเดินหายใจ ระบบหัวใจและ หลอดเลือด และเชาวนปญญาต่ํา MUCOPOLYSACCHARIDOSIS

อาการโดยทั่วไปของโรค mucopolysaccharidosis

ลักษณะของใบหนาที่ผิดปกติ (coarse facies) และตับมามโต เนื่องจากการสะสมของ GAGs ในผูปวย MPS II MUCOPOLYSACCHARIDOSIS การรักษา

• โรค MPS ยังไมมีการรักษาที่จําเพาะ นอกจากแกไขภาวะแทรกซอนที่เกิดขึ้นจาก ระบบตางๆ เชน กระดูกและขอ, ระบบหัวใจและหลอดเลือด, ระบบประสาท ฯลฯ

• การรักษาดวยการใหเอนไซมทดแทน (ยังอยูในขั้นทดลอง)

• การปลูกถายไขกระดูก (ยังอยูในขั้นทดลอง)

• การรักษาดวยยีน gene therapy (ยังอยูในขั้นทดลอง) CONCLUSION

• โรค genetic metabolic disorders ถึงแมแตละโรคจะพบไดนอย แตเมอรวมกื่ ัน แลว จะเปนโรคกลุมใหญที่พบไดไมยาก • โรคบางชนิด ถาไดรับการวินิจฉัยและรักษาอยางถูกตองทันทวงที สามารถ ปองกัน morbidity และ mortality จากโรคได (เชน PKU) ดังนั้น แพทยจึงควร ตระหนักถึงโรค metabolic disorder ไวดวย

• การดูแลและปองกันโรคดังกลาวอาจทําไดดังนี้: - genetic counseling - การตรวจวินิจฉัยกอนคลอด (prenatal diagnosis) - การตรวจกรองภาวะผิดปกติในทารกแรกเกิด (newborn screening)