Morphologische Veränderungen bei Muskelbiopsien von Patienten mit kindlichem Morbus Pompe vor und unter Enzymersatztherapie

Abstract

Morbus Pompe wurde erstmals im Jahre 1932 von dem niederländischen Pathologen Dr. JC Pompe an einem kleinen Kind mit auffälligen Glykogenablagerungen in den Organen beschrieben. Aufgrund eines Mangels des lysosomalen Enzyms GAA (alpha-1,4-Glucosidase) kommt es zu pathologischen Ablagerungen von Glykogen in den Lysosomen der Zellen und damit zu einem Funktionsverlust. Patienten mit einem GAA Mangel entwickeln eine Muskelerkrankung, wobei das klinische Bild sehr unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann. Je nach Altersbeginn wird eine infantile von einer late-onset Form (juvenil und adult) unterschieden, wobei die infantile Form den schwersten Verlauf hat und die Kinder ohne Behandlung vor dem 1. Lebensjahr an den Folgen einer Kardiomyopathie versterben. Seit dem Jahr 2006 steht eine Enzymersatztherapie (ERT) mit alpha-1,4-Glucosidase (rh-GAA, Myozyme ®) zur Verfügung. Das Ansprechen der Kinder auf die ERT ist jedoch sehr unterschiedlich. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind bisher nicht vollständig verstanden. Ein Therapieabbruch bei fehlendem Ansprechen hat neben ethischen Aspekten auch einen ökonomischen Aspekt für das Gesundheitssystem, da die Therapie sehr teuer ist.Die Fragestellung der vorliegenden Doktorarbeit ist, ob eine Quantifizierung der morphologischen Veränderungen der Skelettmuskulatur in Muskelbiopsien von an M. Pompe erkrankten Kindern, Informationen über das Ansprechen auf die ERT und den Krankheitsverlauf gibt. Dafür wurde eine genaue Klassifizierung der morphometrischen Veränderungen am Skelettmuskelbiopsat etabliert. Die Quantifizierung der morphologischen Veränderungen wurde durch einen neu etablierten Morphologischen Index (Mo-Index) ausgedrückt, wobei Muskelbiopsien von gesunden Kontrollpatienten einen Mo-Index von 0 bis 0,1 und erkrankte Patienten einen Mo-Index zwischen 0 und 5 haben, sowie durch die Unterscheidung in PAS positive, PAS negative und vakuolisierte Fläche.Die untersuchten Muskelbiopsien stammen von betroffenen Kindern mit Morbus Pompe (infantil n=10; juvenil n=3) sowie 4 gesunden Kontrollen. Bei 5 Patienten wurde unter ERT eine Rebiopsie durchgeführt. Die Auswertung der Muskelbiopsien wurde mit dem klinischen Ansprechen (Response) der Kinder auf die ERT korreliert, wobei Muskelbiopsien vor Beginn der Therapie und unter Therapie untersucht wurden. Das klinische Ansprechen auf die ERT wurde in Response 1=gutes Ansprechen, Response 2=mittleres Ansprechen und Response 3=schlechtes Ansprechen unterteilt.Die Ergebnisse zeigen, dass Patienten mit geringeren Muskelveränderungen (dargestellt durch die Mo-Indizes) ein besseres Ansprechen auf die Therapie haben als Patienten mit stark pathologischen Muskelveränderungen. Interessanterweise zeigen sich diese Ergebnisse nicht nur bei Biopsien, welche unter Therapie entnommen wurden, sondern auch vor Beginn der Therapie. Ebenso zeigt sich ein deutlicher Zusammenhang zwischen dem Therapieansprechen und dem Anteil der PAS positiven Fläche zusammen mit der vakuolisierten Fläche, sowie dem alleinigen Vakuolenanteil. Somit ist eine komplette morphometrische Analyse der Skelettmuskulatur spezifischer als die alleinige Betrachtung der Glykogenclearance, da insbesondere die Muskelfasern mit schwerer Schädigung weniger Glykogenablagerungen aufweisen und stattdessen viele Vakuolen bilden. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass die Quantifizierung der Muskelveränderungen mit Hilfe des Mo-Index als möglicher prädiktiver Marker genutzt werden kann, um eine Entscheidung für oder gegen ERT zu treffen. Pompe disease was first described in 1932 by the Dutch pathologist Dr. JC Pompe. The disease occurs due to a lack of the lysosomal enzyme alpha-1,4-glucosidase (GAA) leading to pathological glycogen deposits in the lysosomes of the cell, and thus a functional loss of the affected cells. Patients with GAA deficiency develop a progressive muscle disease with a heterogeneous clinical disease course. Depending on the age of onset two phenotypes are distinguished: the infantile and the late-onset (juvenil and adult). The infantile phenotype has the worst progress. Children without treatment die from cardiomyopathy within the first year of life. Since 2006, an enzyme replacement therapy (ERT) with recombinant human alpha-1,4-glucosidase (rh-GAA, Myozyme ®) is available. However, the clinical response of the children to ERT varies. The underlying mechanisms are not fully understood. Discontinuing ERT in the absence of a response has both ethical as well as economic aspects for the healthcare system because treatment is very expensive.The aim of this dissertation was to investigate whether an exact classification of the morphological changes in the muscle biopsies of affected children with Pompe disease would give information about the clinical response and the disease progress following enzyme replacement therapy. Therefore a precise classification of morphometric changes in skeletal muscle biopsies was established. The quantification of morphological changes is expressed by a newly established "Morphological Index (Mo-Index), where muscle biopsies from healthy control patients have a Mo-Index of 0 and severely affected patients have a Mo-Index between 3-5.In this study, 13 muscle biopsies of affected children with Pompe disease (infantil n=10; juvenil n=3), 4 healthy control biopsies and, in addition, 5 re-biopsies under ERT were examined. The morphological analyses of these muscle biopsies before and during ERT was correlated with the clinical outcome (response) of the children following ERT. The clinical response to ERT was subdivided into response 1=good response, response 2=medium response and response 3=bad response. The results show that patients with subtle muscle changes have a better response to ERT than patients with severe pathological muscle changes. Interestingly, these results were not only seen in biopsies taken during treatment, but also in biopsies before ERT. The results suggest that the quantification of the muscle changes can be used as a potential predictive marker for the decision on ERT.In addition, there is a clear correlation between the response to treatment and the percentage of PAS positive and vacuolated area, as well as the only vacuolated area. Thus, a complete morphometric analysis of skeletal muscle is more detailed as only the glycogen clearance, especially because the muscle fibers with severe damage have less glycogen deposits and instead more vacuoles.