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Adenosindesaminase (ADA)- und Purinnukleosidphosphorylase (PNP)-Defizienz

C. Speckmann*, U. Wintergerst**, J. Rohr*, M. Hönig*** und Stephan Ehl*

* Zentrum für Kinderheilkunde und Jugendmedizin, Universität Freiburg
** IDC München, Dr. v. Haunersches Kinderspital, Ludwig Maximilian Universität München
*** Universitätsklinik für Kinder- und Jugendmedizin, Universitätsklinikum Ulm

Schlüsselwörter: angeborener Immundefekt, Purinstoffwechsel, ADA, PNP, SCID
Keywords: primary immunodeficiency, purine salvage pathway, ADA, PNP, SCID

Definition

Zwei autosomal rezessiv vererbte Immundefektsyndrome sind mit Enzymdefekten des Purinstoffwechsels assoziiert. Bei beiden Erkrankungen führt ein Enzymmangel im Purinabbau (ein Seitenweg des DNA-Stoffwechsels) zu einem Anstau Lymphozyten-toxischer Metabolite. Ein vollständiger Mangel des Enzyms Adenosindesaminase (ADA) führt zu einer ausgeprägten Lymphopenie mit einer Depletion aller Subpopulationen und somit zu dem klinischen Bild eines SCID mit einem T(-), B(-), NK (-) Phänotyp. Die Purinnukleosidphosphorylase (PNP) Defizienz führt in der Regel zu einem weniger schweren kombinierten Immundefekt mit einer Reduktion der T-Zellen sowie einer variablen B-Zell Dysfunktion, am ehesten auf Boden einer gestörten T-Zell Hilfe. Klinisch milder und immunologisch variabel sind ADA und PNP-Defizienz bei hypomorphen Mutationen, die eine Restfunktion des Proteins erlauben. Typisch für die „late onset“ ADA Defizienz ist eine Präsentation mit weniger schwerer Infektneigung und Zeichen der Immundysregulation.

Molekulare Ursachen und Pathogenese

ADA und PNP sind Schlüsselenzyme im Purinabbau. In einem ersten Schritt desaminiert hierbei ADA Adenosin zu Inosin; PNP baut anschließend Inosin und Guanosin zu Hypoxanthin ab, welches durch die Xanthinoxidase über Xanthin zu Harnsäure metabolisiert wird (s. Abb. 1). Ein Mangel an ADA ist ursächlich für ungefähr 10-15% aller SCID Fälle. Ein PNP Defekt ist mit ca. 2-4% der SCID Erkrankungen deutlich seltener.

Abb. 1a
(Film)


Bei der ADA-Defizienz kommt es aufgrund des Abbaublocks zu einer Akkumulation von Adenosin im Plasma. Desoxy-ATP (dATP) akkumuliert in Erythrozyten, Adenosindiphosphat (ADP) und dATP in Lymphozyten (1). Die erhöhten Konzentrationen dieser Substrate wirken auf unterschiedliche Weise toxisch auf Lymphozyten. Neben einem direkt Apoptose-induzierenden Mechanismus scheint auch die Hemmung anderer Enzyme des DNA-Stoffwechsels (wie beispielsweise der Ribonukleotidreduktase oder der terminalen Deoxynukleotidyltransferase) eine Rolle zu spielen. dADA hemmt zusätzlich die S-Adenosylhomocystein-Hydrolase und damit die Methylierung von Proteinen.

Die PNP-Defizienz ist biochemisch charakterisiert durch einen Anstieg von desoxy-GTP (dGTP) (2). Sowohl dGTP als auch dATP akkumulieren vorrangig in lymphoidem Gewebe. Auch erhöhte dGTP Spiegel inhibieren die Ribonukleotidreduktase, welche essentiell für die Bildung von Desoxynukleotiden ist – den Bausteinen der DNA Synthese. Aufgrund des Stoffwechselblocks kommt es beim PNP-Mangel ferner zu einer Reduktion der Harnsäureproduktion, was von wichtiger diagnostischer Bedeutung ist (s.u.)

Während ein ADA Mangel toxische Auswirkungen auf alle Lymphozytensubpopulationen hat (T-, B- und NK-Zellen), führt ein Aktivitätsverlust der PNP vorrangig zu einer T-Zell Defizienz. Erst in sehr hohen Konzentrationen bewirken die Metabolite des PNP-Stoffwechsels auch Reifungsstörungen von B-Zellen. Eine geringe Restaktivität der ADA kann auseichen, um eine protektive Immunität zu erhalten (7).

Klinisches Bild

Das klinische Bild der ADA-Defizienz entspricht bei voller Penetranz dem anderer schwerer kombinierter Immundefekte (SCID). Manifestationen treten in aller Regel innerhalb der ersten Lebensmonate auf. Es sind häufig protrahierte Infekte des Gastrointestinaltraktes und der Atemwege (bakterielle Infektionen, Pilzinfektionen insbesondere durch Pneumocystis jirovecii und Virusinfektionen wie RSV, Parainfluenza oder humanes Metapneumovirus), komplizierte Verläufe von Varizellen (auch nach Impfung mit attenuiertem Virus), EBV, CMV oder Adenovirus sowie ein hartnäckiger Soorbefall. Eine Gedeihstörung ist ebenfalls ein wichtiger klinischer Warnhinweis. Bei "late onset" Varianten stehen neben (häufig milderen) infektiologischen Manifestationen oft Zeichen einer Immundysregulation im Vordergrund (Phänotyp eines kombinierten Immundefekts; CID) (3). Hierzu zählen u.a. Autoimmunzytopenien, Asthma, ekzematöse Hauterkrankungen, Thyreoiditiden, Kolitiden und eine Erhöhung des IgE Spiegels. Auch eine scheinbar Infektions-unabhängige interstitielle Lungenerkrankung ist bei ADA-Defizienz beschrieben. In den letzten Jahren wurde eine Rolle von Adenosin beim "airway remodelling" dokumentiert, was diese Befunde erklären könnte.

Nur ein Teil der PNP-defizienten Patienten manifestiert sich früh durch einen SCID Phänotyp. Typischer ist ein Beginn mit rezidivierenden sinopulmonalen Infekten und neurologischen Defiziten; nicht selten auch hier in Verbindung mit Zeichen der Immundysregulation (4).

Neurologische Defizite sind sowohl bei der PNP- als auch ADA-Defizienz häufig (5) und sind von wichtiger diagnostischer und prognostischer Bedeutung. Über die Hälfte aller Patienten mit PNP-Mangel zeigen bereits früh Symptome einer Entwicklungsverzögerung mit progressiver Retardierung, muskuläre Hyper- oder Hypotonie, Spastik, Ataxie und Tremor. Bei einem ADA-Mangel manifestiert sich das neurologische Defizit in der Regel milder und vorrangig als Entwicklungsverzögerung. Bei "late onset" ADA Varianten sind neurologische Störungen bisher nicht beschrieben. Langzeitbeobachtungen von transplantierten ADA SCID Patienten zeigen aber zunehmend, dass die Entwicklung neurologischer Defizite auch durch erfolgreiche Therapie des Immundefekts nicht vollständig verhindert werden kann. So fand sich bei transplantierten ADA-SCID Patienten im Vergleich zu anderen transplantierten SCID-Patienten eine signifikante Reduktion der verbalen Expressivität und des IQ (>2 Standardabweichungen). Darüber hinaus wurden sensorische Hördefizite (v.a. im Hochfrequenzbereich) bei 58% der transplantierten Patienten gefunden (B. Gaspar, EBMT satellite workshop on ADA deficiency, März 2006). Es ist derzeit nicht sicher zu beurteilen, ob prä- oder postnatale Infektionen (v.a. occulte virale ZNS-Infektionen) oder die Einwirkung toxischer Metabolite auf Neuronen für diese Komplikationen verantwortlich sind.

Diagnosestellung

Die Verdachtsdiagnose ergibt sich aus der Anamnese mit auffälligem Infektionsprofil bereits im ersten Lebensjahr; aber auch bei neurologischen Defiziten und Anzeichen einer Immundysregulation sollte differentialdiagnostisch an eine PNP oder ADA Defizienz gedacht werden. Die Patienten zeigen in der Regel eine ausgeprägte Lymphopenie – beim PNP-Mangel hauptsächlich aufgrund einer T-Zell-Defizienz (gelegentlich auch der B-Zellen), beim ADA-Mangel aufgrund einer Reduktion aller Subpopulationen. Bei "late onset" ADA Defizienz sind typischerweise v.a. B- und NK-Zellen deutlich erniedrigt, während T-Zellen in unterschiedlichen Ausmaß nachweisbar sind. Häufig liegen hier, wie bei anderen "leaky" SCID Formen auch Verschiebungen des T-Zell Repertoires vor. Die Reifungsstörung der Lymphozyten führt zu einer Hypoplasie des Thymus, der im Röntgenbild meistens nicht oder nur sehr klein nachweisbar ist. Bei ADA-SCID kann in einigen Fällen radiologisch zusätzlich eine charakteristische Erweiterung der anterioren Rippenenden beobachtet werden (6). Immunglobulinspiegel können je nach Ausmaß des Defektes sehr variabel sein. Spezifische Antikörper fehlen bei SCID Phänotyp, können bei CID Phänotyp aber nachweisbar sein. Patienten mit Autoimmunphänomenen zeigen häufig eine Eosinophilie sowie eine deutliche Erhöhung des Serum-IgE. Die entscheidenden diagnostischen Maßnahmen sind die Messung der reduzierten oder fehlenden Enzymaktivität von ADA bzw. PNP in Erythrozyten sowie die Bestimmung der erhöhten Metabolite. Diese lassen sich im Serum, auf Trockenblutkarten und z.T. im Urin bestimmen. Nach Transfusion von Erythrozytenkonzentraten ist eine Messung der Enzymaktivität unzuverlässig. In diesem Fall können Messungen z.B. an transformierten B-Zell Linien oder Fibroblasten durchgeführt werden. Beim PNP-Mangel ist die Serum-Harnsäure deutlich reduziert, was für die Diagnostik genutzt werden kann. Bei auffälligen metabolischen Befunden sollte die Diagnose genetisch gesichert werden. Für den ADA-Mangel liegen umfangreiche Untersuchungen vor, die eine Genotyp-/Phänotypkorrelation erlauben (7). Dies kann z.B. bei Patienten mit Verdacht auf "late-onset disease" prognostische Aussagen erleichtern. Die Harnsäurespiegel sind beim ADA-Mangel nicht verändert.

Therapie und Prophylaxe

Bei klinischem Phänotyp eines SCID sollten unverzüglich prophylaktische Maßnahmen eingeleitet werden. Hierzu gehören Hygienemaßnahmen, der Einsatz von Antibiotika (PCP-Prophylaxe), Antimykotika und intravenöser Immunglobuline. Nach Stabilisierung stellt die Stammzelltransplantation für beide Erkrankungen die wichtigste kurative Behandlungsmethode dar. Die Überlebensrate der allogen von einem passenden Familienspender transplantierten Patienten wird in der Literatur mit 73% angegeben. Bei „Mismatch“ und haploidenten Transplantaten liegt die 3-Jahres Überlebensrate nur bei 29% (8). Während eine immunologische Rekonstitution durch Stammzelltransplantation möglich ist, bleibt der Einfluß auf die weitere neurologische Entwicklung ungewiss. Hier sind weitere Langzeitbeobachtungen notwendig.

Beim ADA-Mangel konnten in den letzten Jahren zwei weitere Therapien etabliert werden – neben einem Enzymersatz besteht hier auch die Möglichkeit gentherapeutischer Strategien.

Die seit 1987 durchgeführte Behandlung mit PEG (Polyethylen-Glykol) gekoppeltem bovinem ADA nutzt die Tatsache, dass es für therapeutische Zwecke nicht zwingend nötig ist, ADA in Zellen aufzunehmen. Intramuskulär appliziertes PEG-ADA reduziert die Konzentration der Stoffwechselmetabolite im Plasma und anderen Körperflüssigkeiten. Aufgrund eines Gleichgewichts zwischen intra- und extrazellulären Metaboliten, führt eine Reduktion der Plasmakonzentrationen auch zu einer Reduktion intrazellulärer Substrate (9). Die empfohlene Substitutionsdosis mit ADA (ADAGEN®) beträgt 2x30 E/kg KG/Woche s.c. Die Aktivität im Plasma sollte ca. 20-60 µmol/h/ml betragen. Die dAXP Werte sollten innerhalb von 8-12 Wochen auf Werte deutlich unter 1% des Gesamt-Nukleotidpools abfallen. Unter Therapie sollten ferner regelmäßig Kontrollen auf anti-ADA-Antikörpern erfolgen, da diese die Wirkung reduzieren können. Ungefähr die Hälfte der Patienten entwickeln solche Antikörper, wenngleich diese nur selten neutralisierende Eigenschaften besitzen. Dennoch zeigen Langzeitbeobachtungen, dass die initial häufig ansteigenden Lymphozytenzahlen bei allen Patienten wieder abfallen und eine vollständige immunologische Rekonstitution unter dieser (sehr teuren) Therapie nicht erreicht werden kann (10). Sie ermöglicht aber im Regelfall eine Stabilisierung des Patienten (ggf. auch über viele Jahre), bis ein passender Knochenmarkspender gefunden wird, so dass sie nach wie vor zentraler Bestandteil des Therapiekonzepts beim ADA-SCID bleibt.

Der ADA-Mangel steht ferner bereits seit Ende der 1980er Jahre im Fokus gentherapeutischer Heilungsansätze. So war die Behandlung eines erkrankten Kindes mit ADA-transduzierten T-Lymphozyten im Jahr 1990 das erste Gentherapieprotokoll überhaupt, welches in den USA. an einem Menschen durchgeführt wurde. Die erste erfolgreiche Gentherapie des ADA-SCID wurde von Aiuti et al. beschrieben (11). Die Langzeiteffekte (wie Langzeitexpression des Gens und onkogene Transformation) sind z.Zt. aber nicht abschließend abzusehen, so dass der Stellenwert der Gentherapie in der Behandlung des ADA SCID noch nicht sicher beurteilt werden kann. Für eine ausführliche Darstellung des aktuellen Stands der Gentherapie bei primären Immundefekten verweisen wir auf eine weitere Arbeit in dieser Serie.

Prognose

Die Prognose der ADA oder PNP Defizienz mit dem Phänotyp einer SCID Erkrankung ist ohne Transplantation infaust. Eine kurative Stammzelltransplantation sollte unverzüglich angestrebt werden. Problematisch bleibt die Tatsache, dass die (v.a. beim PNP-Mangel zum Teil sehr schwerwiegenden) neurologischen Defizite hierdurch meistens unbeeinflusst bleiben.

Beim ADA-Mangel sind insgesamt knapp 20 Fälle eines "late-onset" Verlaufs mit Manifestation nach dem 2ten Lebensjahr beschrieben worden. Diese Variante ist aufgrund des variablen Phänotyps wahrscheinlich stark unterdiagnostiziert. Auch hier gibt es Patienten, deren Infektionsprofil eine Stammzelltransplantation notwendig macht. Bei den meisten Patienten steht jedoch ein milderer Phänotyp mit Zeichen einer Immundysregulation im Vordergrund. Hier können ggf. auch nur supportive Maßnahmen wie antimikrobielle Prophylaxe, Immunglobulinersatz oder Immunsuppression (z.B. bei schweren Autoimmunzytopenien) indiziert sein. Die Langzeitprognose dieser Patienten ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch offen. Eine Anbindung an ein immunologisches Zentrum zur Überwachung der Immunfunktion ist unbedingt notwendig (s. www.kinderimmunologie.de und www.immundefekt.de).

Literatur

1. Hirschhorn,R., Overview of biochemical abnormalities and molecular genetics of adenosine deaminase deficiency. Pediatr.Res. 33, S35-41, 1993.

2. Nyhan,WL., Disorders of purine and pyrimidine metabolism. Mol Genet Metab., 86(1-2), 25-33, 2005

3. Shovlin,C.L., Simmonds,H.A., Fairbanks,L.D., Deacock,S.J., Hughes,J.M., Lechler,R.I., Webster,A.D., Sun,X.M., Webb,J.C., and Soutar,A.K., Adult onset immunodeficiency caused by inherited adenosine deaminase deficiency. J.Immunol. 153, 2331-2339, 1994.

4. Markert,ML., Purine nucleoside phosporylase deficiency. Immunodefic Rev., 3(1), 45-81, 1991.

5. Rogers,M.H., Lwin,R., Fairbanks,L., Gerritsen,B., and Gaspar,H.B., Cognitive and behavioral abnormalities in adenosine deaminase deficient severe combined immunodeficiency. J.Pediatr. 139, 44-50, 2001.

6. Cederbaum,S.D., Kaitila,I., Rimoin,D.L., and Stiehm,E.R., The chondro-osseous dysplasia of adenosine deaminase deficiency with severe combined immunodeficiency. J.Pediatr. 89, 737-742, 1976.

7. Arredondo-Vega,F.X., Santisteban,I., Daniels,S., Toutain,S., and Hershfield,M.S., Adenosine deaminase deficiency: genotype-phenotype correlations based on expressed activity of 29 mutant alleles. Am.J.Hum.Genet. 63, 1049-1059, 1998

8. Antoine,C., Muller,S., Cant,A., Cavazzana-Calvo,M., Veys,P., Vossen,J., Fasth,A., Heilmann,C., Wulffraat,N., Seger,R., Blanche,S., Friedrich,W., Abinun,M., Davies,G., Bredius,R., Schulz,A., Landais,P., and Fischer,A., Long-term survival and transplantation of haemopoietic stem cells for immunodeficiencies: report of the European experience 1968-99. Lancet 361, 553-560, 2003.

9. Hershfield,M.S., Buckley,R.H., Greenberg,M.L., Melton,A.L., Schiff,R., Hatem,C., Kurtzberg,J., Markert,M.L., Kobayashi,R.H., Kobayashi,A.L., and et al, Treatment of adenosine deaminase deficiency with polyethylene glycol-modified adenosine deaminase. N.Engl.J.Med. 316, 589-596, 1987.

10. Chan,B., Wara,D, Bastian,J., Hershfield,MS., Bohnsack,J., Azen, CG., Parman,R., Weinberg,K., Kohn,DB., Long-term efficacy of enzyme replacement therapy for adenosine deaminase (ADA)-deficient severe combined immunodefciency (SCID). Clin Immunol., 117(2), 133-43, 2005.

11. Aiuti,A., Slavin,S., Aker,M., Ficara,F., Deola,S., Mortellaro,A., Morecki,S., Andolfi,G., Tabucchi,A., Carlucci,F., Marinello,E., Cattaneo,F., Vai,S., Servida,P., Miniero,R., Roncarolo,M.G., and Bordignon,C., Correction of ADA-SCID by stem cell gene therapy combined with nonmyeloablative conditioning. Science 296, 2410-2413, 2002.

Tabellen

Enzymdefekt Klinik Labor
ADA
Manifestation im 1. Lebensjahr als SCID.Schwere opportunistische Infektionen, Durchfälle, Gedeihstörung, variable neurologische Symptomatik.Ohne Therapie Verlauf infaust.
Lymphopenie,
Phänotyp T(-),
B(-), NK (-),
Immunglobuline↓,
Spezifische Antikörper↓,
ADA Aktivität↓, dATP↑
"Late onset" ADA
Manifestation > 1-2. Lebensjahr. Phänotyp variabel. Häufig Infektanfälligkeit und Immundysregulation (Asthma, Ekzem, Autoimmunzytopenien, Thyreoiditis u.a.m.). Keine neurologische Symptomatik. Klinischer Verlauf variabel.
(variable) Lymphopenie,
Phänotyp T(+/-),
B(-), NK(-),
Immunglobuline +/-
(oft IgE↑)
Spezifische Antikörper +/-,
(z.T. Auto-AK)
ADA-Aktivität↓, dATP↑
PNP
Manifestation variabel in den ersten Jahren.
Neurologische Defizite/Retardierung oft in den ersten Lebensmonaten.
Immundefekt + bis ++
(Infektanfälligleit bis SCID).
(variable) Lymphopenie,
Phänotyp T(-), (B+/-),
NK(+)
Immunglobuline +/-
Spezifische Antikörper +/-,
(z.T. Auto-AK)
PNP-Aktivität↓,
Serum Harnsäure↓

Korrespondenzadresse

PD Dr. med. Stephan Ehl
Zentrum für Kinderheilkunde und Jugendmedizin
Universitätsklinikum Freiburg
Mathildenstraße 1

D-79106 Freiburg

e-mail: stephan.ehl@uniklinik-freiburg.de