Ipertermia maligna: quando la genetica fa brutti scherzi

Per Ipertermia maligna (IM) si intende una patologia di origine farmacogenetica che colpisce i muscoli scheletrici, caratterizzata da una risposta ipermetabolica ad alcuni farmaci anestetici volatili come alotano, sevoflurano, desflurano e succinilcolina, utilizzati di routine durante gli interventi chirurgici in anestesia generale. Questa condizione non è esclusiva dell’uomo, ma può interessare anche altri mammiferi, tra cui i cani, i maiali e i cavalli.

Si manifesta con un ampio spettro di sintomi, tra cui tachicardia, rigidità muscolare e un forte incremento della temperatura corporea, che in certi casi può superare i 43°C, mettendo il soggetto in serio pericolo di vita.

Sono stati individuati diversi geni che svolgono un ruolo patogenetico nell’ipertermia maligna, e il più studiato è RYR1, che codifica per il Recettore della rianodina 1 (Ryr1), una proteina canale per il calcio del reticolo sarcoplasmatico espressa prevalentemente a livello muscolare, dove regola il metabolismo e altre funzioni biologiche essenziali.

I soggetti predisposti a sviluppare l’ipertermia maligna sono quasi sempre asintomatici, e questo complica particolarmente l’individuazione in regime pre-operatorio. Seppur raramente, i sintomi si possono manifestare in altre situazioni, come ad esempio dopo un forte stress indotto dall’esercizio fisico intenso, oppure dopo l’abuso di alcol e/o droghe.

Anestetici utilizzati in ambito ospedaliero che possono indurre l'Ipertermia maligna — *Figura 1 – Anestetici utilizzati in ambito ospedaliero che possono indurre l’Ipertermia maligna. [fonte: https://healthjade.com/malignant-hyperthermia/]*

Trasmissione ed epidemiologia

L’ipertermia maligna si trasmette verticalmente, seguendo un meccanismo di ereditarietà autosomica dominante. Ciò implica che, affinchè un individuo possa sviluppare la patologia, è sufficiente che uno dei due genitori presenti l’allele mutato.

L’ipertermia maligna mostra penetranza incompleta, ovvero essa non si manifesta fenotipicamente in tutti i soggetti che possiedono l’allele mutato. Uno studio condotto nel 2019 su un campione di persone, ha rivelato che la percentuale di penetranza si attesta intorno al 40%. Questo risiede nel fatto che RyR1 colocalizza e interagisce con diverse proteine, le cui varianti polimorfiche possono esercitare un’attività regolatrice positiva o negativa nei confronti di RYR1.

Secondo nuovi dati epidemiologici, la prevalenza stimata della patologia nella popolazione generale si attesta intorno a 1/2000-3000 individui, mentre gli eventi sintomatologici acuti insorgono ogni 1/50000-100000 interventi chirurgici con anestesia generale.

L’ipertermia maligna si presenta maggiormente nei maschi rispetto alla femmine, con un rapporto di 2:1. Non vi sono differenze sostanziali nei diversi gruppi etnici, mentre l’incidenza più alta si registra nei giovani, con un’età media di 18 anni.

Ruolo di Ryr1 nella patologia

RYR1 è stato il primo gene ad essere associato all’insorgenza dell’IM. Mappa sul cromosoma 19 in posizione 19q13.1 e contiene circa 150 Kb.

Il gene è mutato nel 70-85% dei casi di Ipertermia maligna, e sono state caratterizzate a livello molecolare più di 300 mutazioni, di cui 29 approvate a livello diagnostico dal NAMHR (North American Malignant Hyperthermia Registry), La maggior parte di queste sono mutazioni missenso, ovvero mutazioni in cui la sostituzione di una singola base in un codone provoca un cambiamento amminoacidico nella proteina finale, che in molti casi risulterà malfunzionante.

Il canale è un omotetramero, formato da 4 subunità identiche di 560 kDa. Agisce come un canale di rilascio del calcio dal reticolo sarcoplasmatico. Ryr1 inoltre è si compone di:

Un dominio citoplasmatico: è formato da diversi sottodomini e modula l’attività intracellulare del canale interagendo con ioni Ca²⁺ e Mg²⁺ e altri ligandi, tra cui ATP, rianodina, caffeina, calmodulina e la proteina FKPB12
Un dominio transmembrana: ancora il canale alla membrana del reticolo sarcoplasmatico e rappresenta il poro di passaggio degli ioni.

Mutazioni patogenetiche di questo gene, in presenza di agenti chimici come sevoflurano e desflurano, determinano un forte pool di calcio a livello intracellulare, causando la risposta ipermetabolica tipica dell’IM.

Struttura del recettore Ryr1 e hotspot delle principali mutazioni implicate nell'ipertermia maligna — *Figura 2 – Struttura del recettore Ryr1 e hotspot delle principali mutazioni implicate nell’ipertermia maligna. [fonte:https://link.springer.com/]*

Inoltre, questo canale ionico è coinvolto nella patogenesi del CDC (Central Core Disease), un’altra forma di miopatia congenita ereditaria non progressiva, caratterizzata da debolezza muscolare cronica di entità da moderata a severa.

Altri geni associati all’ipertermia maligna

Un altro gene individuato nella patogenesi dell’IM è CACNA1S, che codifica per la subunità alfa S-1 del recettore della diidropiridina (DHPR), un canale del calcio voltaggio – dipendente di tipo L, associato a RYR1 sul tubulo T (un’invaginazione del sarcolemma a forma di tubulo). In condizioni fisiologiche, in seguito a depolarizzazione della membrana, questo canale si apre e consente l’ingresso nel reticolo sarcoplasmatico degli ioni calcio, modulando l’attività di RYR1.

Cooperazione tra RyR1 e DHPR nell'omeostasi del calcio nel reticolo sarcoplasmatico. L'interazione tra i due canali avviene a livello delle triadi muscolari, strutture formate da un tubulo T circondato dalle cisterne del reticolo. La subunità alfa è il sensore del voltaggio che permette l'apertura e la chiusura del canale — Figura 3 – Cooperazione tra RyR1 e DHPR nell’omeostasi del calcio nel reticolo sarcoplasmatico. L’interazione tra i due canali avviene a livello delle triadi muscolari, strutture formate da un tubulo T circondato dalle cisterne del reticolo. La subunità alfa è il sensore del voltaggio che permette l’apertura e la chiusura del canale. *[fonte:https://journals.physiology.org]*

Studi di genetica clinica hanno associato mutazioni di CACNA1S ad altre condizioni patologiche, in particolare alla Paralisi Periodica Ipokaliemica e alla Paralisi Periodica Tireotossica.

STAC3 (Cystein-rich domain-containing protein 3) è un gene che è mutato in circa nell’1% dei pazienti che sviluppano l’ipertermia maligna. Sebbene il suo meccanismo patogenetico sia ancora in gran parte sconosciuto, alcuni studi hanno dimostrato che esso svolge un ruolo cruciale nel processo di eccitazione-contrazione del muscolo scheletrico, regolando la concentrazione citosolica di calcio. Topi knock out per STAC3 mostrano paralisi muscolare e altri difetti muscolari.

Un altro gene che correla con l’IM è JSPR1, che codifica per JP-45, una proteina integrale del sarcolemma. Studi di biologia cellulare hanno svelato che questa proteina colocalizza con RYR1 e interagisce con la calsequestrina, un altro componente essenziale per il mantenimento dell’attività contrattile del muscolo scheletrico.

Fisiopatologia dell’ipertermia maligna

Durante un episodio acuto di Ipertermia maligna, si sviluppano diverse manifestazioni cliniche, tra le quali acidosi, ipertermia e rabdomiolosi (una vera e propria rottura del tessuto muscolare), che sono il risultato di un accumulo massivo di calcio a livello delle cellule muscolari scheletriche. L’ipermetabolismo aerobico e anaerobico che ne segue, causa una serie di modificazioni biochimiche all’interno della cellula, tra cui:

Forte deplezione dei livelli di ATP
Incremento del consumo di ossigeno
Aumento dei livelli cellulari di CO₂
Aumento della produzione di calore

Tutti questi eventi (in misura maggiore la deplezione di ATP) provocano la lisi della membrana plasmatica, e il rilascio di alcune sostanze nel circolo ematico, tra cui potassio, creatinin chinasi (CK) e mioglobina, con conseguente mioglobinuria e potenziale danno renale acuto.

Principali alterazioni del metabolismo muscolare nell'ipertermia maligna. L'acidosi è causata dall'iperproduzione di lattato derivante dalla glicolisi. — *Figura 4 – Principali alterazioni del metabolismo muscolare nell’ipertermia maligna*. *L’acidosi è causata dall’iperproduzione di lattato derivante dalla glicolisi*.
*[fonte:https://www.sciencedirect.com/]*

Inoltre, l’accelerato metabolismo produce più calore di quanto l’organismo sia in grado di dissipare, causando la tipica ipertermia, che in alcuni casi aumenta di 1°C ogni 3/5 minuti. Questo conduce ad un esteso danno multiorgano, specialmente a carico del fegato, del rene e del cervello e allo sviluppo del fenomeno della coagulazione intravascolare disseminata (CID). Questo evento determina l’incremento dell’aggregazione piastrinica e la formazione di coaguli di sangue diffusi in tutto il corpo, con elevato rischio di morte per il paziente.

Diagnostica ed esami di laboratorio

La diagnosi di Ipertermia maligna è basata sia sulle evidenze cliniche della patologia, sia sui risultati di alcuni esami di laboratorio.

Il “gold standard” diagnostico è rappresentato dal test della contrattura in vitro, che monitora il grado di contrattura delle fibre muscolari striate in presenza di sostanze che possono indurre la patologia, come alotano e caffeina. Attraverso la biopsia muscolare vengono prelevate strisce del muscolo Vasto Mediale o Vasto Laterale del muscolo quadricipite, sulle quali si segue il test.

Durante la procedura la fibra muscolare viene stirata, stimolata dapprima ad una frequenza pari a 0.2 Hz e successivamente con alotano e caffeina. La positività al test e quindi la diagnosi di ipertermia maligna è validata in funzione dell’aumento della tensione basale del muscolo stimolato, la quale viene misurata e registrata da un trasduttore isometrico.

Attualmente sono in vigore due protocolli per la diagnosi dell’ipertermia maligna; uno (IVCT) sviluppato dal Gruppo Europeo Ipertermia Maligna (EMHG), e l’altro sviluppato dal Gruppo Nord Americano (NAMHG).

Secondo il protocollo dell’EMHG (quello più accreditato), vi sono tre possibili esiti del test:

MHS: il test risulta positivo sia alla caffeina che all’alotano, e di conseguenza il paziente è suscettibile all’ipertermia maligna.
MHE: Il test è positivo solo ad una delle due sostanze. In questo caso si parla di suscettibilità equivoca all’ipertermia maligna.
MHN: il test è negativo, il paziente non è suscettibile alla patologia.

Il test IVCT è supportato da altri esami di laboratorio, tra cui il dosaggio sierico e urinario della mioglobina, il dosaggio degli elettroliti nel sangue, e lo studio del profilo della coagulazione.

Terapia

Data la gravità della patologia, il trattamento dell’ipertermia in regime operatorio deve essere immediato. Deve essere interrotta immediatamente la somministrazione dell’anestetico, e dopodiché si procede con l’infusione nel paziente per via endovenosa di dantrolene sodico, un farmaco miorilassante che ripristina i livelli fisiologici di calcio a livello muscolare.

Successivamente, al paziente viene indotto l’abbassamento della temperatura corporea attraverso fluidi freddi ed impacchi ghiacciati per evitare conseguenza a livello cerebrale, e viene somministrato ossigeno per soddisfarne l’aumentata richiesta da parte dell’organismo.

Inoltre, viene trattata tempestivamente l’acidosi metabolica indotta dal lattato e viene corretto lo squilibrio elettrolitico.

L’esito positivo dell’intervento dipende in gran parte dalla rapidità nel riconoscimento dei sintomi e dalla risposta individuale del paziente dalla terapia.

Negli ultimi trent’anni, grazie a nuovi studi e scoperte in ambito farmacologico, il tasso di mortalità dell’ipertermia maligna si è abbassato drasticamente, dal 70-80% al 5%, diventando una patologia relativamente gestibile e trattabile.

Fonti

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4524368/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK430828/
Wu S, Ibarra MC, Malicdan MC, Murayama K, Ichihara Y, Kikuchi H, et al. Central core disease is due to RYR1mutations in more than 90 % of patients. Brain. 2006;129(Pt 6):1470–80. [PubMed] [Google Scholar]
Carpenter D, Ringrose C, Leo V, Morris A, Robinson RL, Halsall PJ, et al. The role of CACNA1S in predisposition to malignant hyperthermia. BMC Med Genet. 2009;10:104. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
elson BR, Wu F, Liu Y, Anderson DM, McAnally J, Lin W, et al. Skeletal muscle-specific T-tubule protein STAC3 mediates voltage-induced Ca²⁺ release and contractility. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013;110(29):11881–6. [PMC free article][PubMed] [Google Scholar]
Anderson AA, Altafaj X, Zheng Z, Wang ZM, Delbono O, Ronjat M, et al. The junctional SR protein JP-45 affects the functional expression of the voltage-dependent Ca²⁺ channel Cav1.1. J Cell Sci. 2006;119(Pt 10):2145–55. [PMC free article][PubMed] [Google Scholar]
Robinson R, Carpenter D, Shaw MA, Halsall J, Hopkins P. Mutations in RYR1 in malignant hyperthermia and central core disease. Hum Mutat. 2006;27(10):977–89. [PubMed] [Google Scholar]
https://www.my-personaltrainer.it/benessere/dantrolene.html
http://www.centrodibiotecnologie.org/centro-ipertermia-maligna/
https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/physiolgenomics.00126.2016