Genetische und metabolische Erkrankungen bei Kindern

Die Entdeckung der genetischen Basis des gestörten Stoffwechsels hat die Behandlung von Patienten mit bekannten Stoffwechselerkrankungen stark vorangebracht. Viele weitere genetische und metabolische Erkrankungen und ihre molekularen Ursachen müssen jedoch noch entdeckt werden. Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es, neue krankheitsassoziierte Gene bei Kindern zu entdecken und gleichzeitig einen besonderen Fokus auf Stoffwechselstörungen zu legen, bei denen die molekulare Charakterisierung am wahrscheinlichsten zu neuartigen Therapien führen wird. Das primäre Ziel ist die Identifizierung neuer pathogener Mutationen bei Kindern mit seltenen Mendelschen Störungen. Die sekundären Ziele sind: 1) Optimierung der Methodik für die Sammlung, Verarbeitung und Analyse metabolomischer Proben; und 2) Festlegung normativer Bereiche für eine große Anzahl (möglicherweise bis zu 1000) von Metaboliten bei gesunden Neugeborenen und älteren Kindern.

Ungefähr eine von drei Einweisungen in Kinderkrankenhäuser der Tertiärversorgung ist auf genetisch bedingte Erkrankungen zurückzuführen. Obwohl die meisten dieser Erkrankungen selten sind, sind sie zusammengenommen für einen unverhältnismäßig hohen Anteil an Krankheiten und Todesfällen bei Kindern verantwortlich. Die Entdeckung der genetischen Grundlage seltener Erkrankungen deckt oft die pathophysiologischen Grundlagen häufiger Krankheiten auf. Dies gilt insbesondere für genetisch bedingte Stoffwechselstörungen (angeborene Stoffwechselstörungen, IEM). Es gibt noch viele weitere genetische und metabolische Störungen, die noch entdeckt werden müssen. Von etwa 20.000 bekannten menschlichen Genen sind derzeit weniger als ein Fünftel mit einem Krankheitsphänotyp assoziiert. IEMs sind für uns aus zwei Hauptgründen ein besonderer Schwerpunkt. Erstens werden von den mehreren hundert bekannten IEMs viele bereits wirksam mit Ernährungsumstellungen und/oder medikamentöser Therapie behandelt. Dies weist uns darauf hin, dass die Entdeckung neuer IEM-Gene ein großes Potenzial hat, klinisch umsetzbare Einblicke in die Pathophysiologie und therapeutische Möglichkeiten zu gewinnen, die letztendlich zur Behandlung von Kindern führen, die sonst nicht zu behandeln wären. Zweitens ist der PI dieser Studie, Dr. Ralph DeBerardinis, ein Experte für Metabolomik, die Praxis der Identifizierung und Quantifizierung von Metaboliten aus biologischen Systemen. Wir werden daher ein forschungsbasiertes metabolomisches Profiling zur Bewertung von Patienten mit Verdacht auf IEM oder andere genetische Erkrankungen implementieren. Diese detaillierte Analyse wird die Wahrscheinlichkeit erheblich erhöhen, klinisch relevante Stoffwechselstörungen bei Kindern mit Wachstumsstörungen, Azidose, Hypoglykämie, Hyperammonämie und anderen Anomalien mutmaßlichen genetischen Ursprungs zu identifizieren. Es würde uns auch ermöglichen, Mutationen zu interpretieren, die durch klinische oder forschungsbasierte Genomsequenzierung entdeckt wurden. Wir glauben, dass die Etablierung eines systematischen Verfahrens zur Bewertung sowohl des Metaboloms als auch des Genoms bei kranken Kindern neue Erkenntnisse über die genetischen Grundlagen pädiatrischer Erkrankungen und letztendlich neue Wege zur Behandlung dieser Erkrankungen liefern wird.

In dieser Studie werden die Probanden als zwei Populationen rekrutiert: Kontrollgruppe und erkrankte. In der Kontrollpopulation werden Plasmaproben gesunder Neugeborener zum Zeitpunkt der Blutentnahme für das staatlich vorgeschriebene Neugeborenen-Screening von Parkland entnommen. Wir werden auch Blut von gesunden Kindern aus den Kliniken des Children's Medical Center (CMC) sammeln, wobei wir diese Forschungsprobe wieder mit Venenpunktion für klinisch indizierte Blutentnahmen huckepack tragen. Alle Plasmaproben werden einer Metabolomik unterzogen, um die gesunden Bereiche für eine große Anzahl von Metaboliten zu bestimmen. Dieses umfassende Profil von Metaboliten bei Kindern wird als normativer Bereich verwendet, um abgelegene Metaboliten bei erkrankten Probanden zu identifizieren. Wenn bei dieser normalen Population mutmaßliche metabolische Ausreißer entdeckt werden, werden DNA-Proben, die aus den übrig gebliebenen gepackten Zellen extrahiert wurden, oder Blutproben einer genomischen Sequenzierung unterzogen, um ein Profil der damit verbundenen Genmutationen zu erstellen. Die erkrankte Population wird aus den Kliniken der Abteilung Pädiatrische Genetik und Stoffwechsel in der Abteilung für Pädiatrie/CMC rekrutiert. Den Patienten werden Blut- und DNA-Proben für die Metabolomikanalyse bzw. Next-Generation-Sequenzierung entnommen, um die Stoffwechselanomalien und die damit verbundenen Genmutationen zu bestimmen. Hautfibroblasten von Patienten werden ebenfalls gesammelt und zur biologischen Validierung der metabolischen Wirkungen neuer Mutationen verwendet, insbesondere durch Ergänzung erkrankter Fibroblasten mit Wildtyp-Allelen von Genen, die im Patienten mutiert sind. Wenn bei einem Probanden eine seltene Mendelsche Störung in Betracht gezogen wird, wird Blut von seinen Familienmitgliedern entnommen und metabolomischen und genomischen Analysen unterzogen, um die Identifizierung der mit der Krankheit verbundenen Gene zu erleichtern.