119
In dit proefschrift worden verschillende aspecten van de stofwisselingsziekte fenylketonurie (PKU, afkorting van de Engelse term Phenylketonuria) besproken. Alvorens verder op deze ziekte in te gaan, volgt eerst een korte introductie over de stofwisseling. Ontelbare processen zorgen ervoor dat wij het eten dat wij binnenkrijgen kunnen omzetten in energie en in bouwstoffen voor het lichaam. Al die processen bij elkaar noemen we de stofwisseling. Enzymen vervullen een belangrijke rol bij de stofwisseling. Het zijn eiwitten die helpen bij het omzetten van de ene stof in de andere. Als een enzym niet goed werkt, kan de om te zetten stof niet goed worden afgebroken en ontstaat er een tekort aan de stof die bij de omzetting wordt gemaakt. Het voedsel dat wij innemen en dat in het lichaam moet worden verwerkt is grofweg in te delen in drie groepen: koolhydraten (afkomstig uit granen en suikers uit fruit en groente), vetten (uit boter, olie e.d.) en eiwitten. Een grote eiwitbron vormen vlees en andere dierlijke producten zoals melk, yoghurt en eieren, maar ook in granen en in groente en fruit komen eiwitten voor. Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren. Als we eiwitten eten, worden deze gesplitst in het maag-darmkanaal tot losse aminozuren. De aminozuren worden vervolgens opgenomen in de bloedbaan, waarna ze voor drie verschillende doeleinden gebruikt kunnen worden: het lichaam kan er nieuwe eiwitten uit opbouwen, ze kunnen worden omgezet in andere stoffen of ze kunnen worden gebruikt als brandstof. De ziekte die in dit proefschrift wordt besproken is een ziekte waarbij de eiwitstofwisseling verstoord is; PKU. Bij deze ziekte werkt het enzym dat het aminozuur fenylalanine omzet in het aminozuur tyrosine niet. Hierdoor is de fenylalanineconcentratie in het bloed te hoog en is de tyrosineconcentratie aan de lage kant (zie figuur 1). Het belangrijkste ziektekenmerk van PKU is dat patiënten een grote achterstand in de ontwikkeling hebben en verstandelijk gehandicapt raken. fenylalanine hydroxylase Fenylalanine Tyrosine fenylalanine hydroxylase X Figuur 1. Het enzym fenylalanine hydroxylase zorgt voor de omzetting van fenylanine in tyrosine (boven). Bij PKU patiënten is deze omzetting verstoord waardoor de fenylalanine-concentratie verhoogd is (onder). 120
Daarnaast kunnen zij epilepsie ontwikkelen. Patiënten hebben meestal een lichte huid en blond haar en een typische muffe lichaamsgeur. De ziekte werd voor het eerst beschreven in 1934 door Asbjorn Følling, een Noorse arts en chemicus die bij twee kinderen met een verstandelijke handicap een hoge concentratie fenylpyruvaat in de urine vond. Deze stof komt normaal niet of nauwelijks in het lichaam voor, maar werd bij deze kinderen met PKU gevormd als alternatieve afbraakstof van fenylalanine. Tien jaar naar de ontdekking van Følling werd er voor het eerst een behandeling voor PKU ontwikkeld door Horst Bickel en zijn collega s. Om te voorkomen dat de fenylalanineconcentratie in het bloed te hoog werd, werden de patiënten behandeld met een dieet dat weinig fenylalanine, en dus weinig eiwit, bevatte. Omdat een patiënt de andere aminozuren uit het eiwit wel nodig heeft, werd een speciaal mengsel van aminozuren gemaakt dat in plaats van eiwit moet worden ingenomen. Tot op heden worden PKU-patiënten op deze manier behandeld, waarbij de samenstelling van het aminozuurmengsel steeds verder verbeterd is. Aangezien PKU-patiënten wel fenylalanine nodig hebben om eiwitten op te bouwen in het lichaam, mogen zij een klein beetje eiwit per dag eten, meestal afkomstig uit groenten en fruit. Het eten van vlees en zuivelproducten is voor de meeste PKU-patiënten niet toegestaan, omdat ze hiermee teveel fenylalanine binnenkrijgen. In eerste instantie werden patiënten behandeld als duidelijk werd dat zij aan PKU leden. Er was dan al een verstandelijke beperking opgetreden die met de behandeling niet verbeterd, maar wel geremd kon worden. Om te voorkomen dat patiënten met PKU een verstandelijke beperking zouden ontwikkelen werd eind jaren 60 een methode ontwikkeld om bij alle pasgeborenen een paar dagen na de geboorte de fenylalanineconcentratie in het bloed te bepalen om er zo achter te komen of zij PKU hadden of niet. Robert Guthrie bedacht een methode om op een eenvoudige manier bloed af te nemen bij alle pasgeboren middels een hielprik. Hierbij werd een druppel bloed opgevangen op filterpapier. Dit filterpapier, met daarop het opgedroogde bloed, werd vervolgens per post naar het laboratorium gestuurd. Daar kon met behulp van bacteriën worden bekeken of de fenylalanineconcentratie in het bloed te hoog was of niet. Deze uitvinding van dr. Guthrie is een grote doorbraak geweest, niet alleen voor PKU-patiënten, maar ook voor het screenen van pasgeborenen in het algemeen. Tegenwoordig wordt nog steeds op deze manier bloed afgenomen bij bijna alle pasgeborenen in Nederland en andere Westerse landen. De methode om de fenylalanineconcentratie te bepalen is ondertussen gemoderniseerd. Naast PKU wordt door middel van de hielprik ook op andere erfelijke ziekten gescreend. In eerste instantie werd op drie ziektes gescreend. Sinds januari 2007 wordt op 17 ziektes gescreend, waarvan de meeste stofwisselingsziektes zijn. In dit proefschrift zijn verschillende aspecten van PKU behandeld. In hoofdstuk 1 is de huidige behandeling en het effect daarvan op het lichaam van de PKU-patiënt besproken. In hoofdstuk 2 is gekeken naar de groei van kinderen met PKU. Het is bekend dat kinderen met PKU minder goed groeien dan gezonde kinderen. Dit zou veroorzaakt kunnen worden door het dieet. Onderzocht is 121
het verband tussen de groei van kinderen met PKU en de hoeveelheid eiwit die zij innemen. Daarbij is gekeken naar de lengtegroei en de groei van de hoofdomtrek. Bij de eiwitinname is onderscheid gemaakt tussen de eiwitinname uit natuurlijke bronnen (vooral groente en fruit) en de eiwitinname in de vorm van het aminozuurmengsel. Uit de medische dossiers van PKU-patiënten zijn gegevens verzameld. De gegevens over groei en eiwitinname zijn vervolgens met behulp van statistische toetsen onderzocht. De resultaten van het onderzoek tonen een significante relatie tussen de inname van natuurlijk eiwit en de groei van de hoofdomtrek. Er is geen verband gevonden tussen de groei van PKU-patiënten en de inname van het aminozuurmengsel. Dit zou kunnen betekenen dat de samenstelling van het aminozuurmengsel nog niet optimaal is. Het verhogen van de inname van natuurlijk eiwit is niet mogelijk, omdat de inname van fenylalanine aan grenzen gebonden is. Om de groei van PKU-patiënten verder de verbeteren is een verbetering van het aminozuurmengsel gewenst. In hoofdstuk 3 is de vraag aan de orde gekomen of er een verschil is in de lengtegroei en de groei van de hoofdomtrek tussen verschillende groepen PKU-patiënten, die verschillende dieetadviezen kregen ten aanzien van natuurlijk eiwit en de hoeveelheid aminozuurmengsel. Hiertoe is een groep Nederlandse kinderen met PKU vergeleken met een groep Amerikaanse kinderen met PKU. De groei in de beide groepen was gelijk terwijl de Amerikaanse kinderen meer van het aminozuurmengsel innamen. De conclusie sluit aan bij de conclusie uit hoofdstuk 2: het verhogen van de hoeveelheid aminozuurmengsel bevordert de groei niet, het lijkt beter om de samenstelling ervan te verbeteren. In de hoofdstukken 4 en 5 is onderzocht hoe het lichaam het aminozuurmengsel verwerkt. Na inname van aminozuren komen deze in de bloedbaan terecht, waarna ze kunnen worden gebruikt voor de opbouw van lichaamseiwitten of kunnen worden verbrand. Bij de verbranding worden de aminozuren omgezet in koolzuurgas dat wordt uitgeademd. Om achtereenvolgens te kunnen onderzoeken hoe groot het deel van de aminozuren uit het aminozuurmengsel is dat wordt gebruikt voor de opbouw van lichaamseiwitten, hoe groot het deel is dat wordt verbrand en hoeveel lichaamseiwit er wordt afgebroken, is een onderzoeksprotocol opgesteld dat gebruik maakt van een gemerkt aminozuur. Hiervoor is het aminozuur valine gebruikt. Een van de koolstofatomen uit het aminozuur valine is verzwaard, waardoor deze stof gemakkelijk gevolgd kan worden door het lichaam. Dit gemerkte aminozuur, een stabiel isotoop, gedraagt zich hetzelfde als een gewoon aminozuur zodat aan de hand van dit gemerkte aminozuur uitspraken kunnen worden gedaan over de verwerking van aminozuren door het lichaam. Het gemerkte aminozuur werd toegediend via een infuus. Vervolgens werden de hoeveelheid gemerkt aminozuur in het bloed en de hoeveelheid gemerkt koolzuurgas in de uitademingslucht gemeten. Met behulp van verschillende formules kon daarna de grootte van de verschillende processen worden berekend. In hoofdstuk 4 was de centrale vraag of de eiwitstofwisseling bij PKU-patiënten hetzelfde is als bij gezonde mensen. De resultaten van het onderzoek hebben aangetoond dat de eiwitstofwisseling van volwassen PKU-patiënten en gezonde vrijwilligers vergelijkbaar is. In hoofdstuk 5 is gekeken naar het effect van een grote en een kleine portie aminozuurmengsel op het eiwitmetabolisme. 122
Er werd onderzocht wat het relatieve effect van een grote en een kleine portie aminozuren is op de hoeveelheid aminozuren die wordt gebruikt voor opbouw van lichaamseiwit, de hoeveelheid eiwitafbraak en de hoeveelheid verbrande aminozuren. Er werden geen verschillen gevonden tussen de beide porties. In het tweede deel van dit proefschrift is de hersensstofwisseling bij PKU-patiënten onderzocht. Door de behandeling met het strenge dieet kan hersenschade bij PKU-patiënten grotendeels worden voorkomen. Echter, de ontwikkeling is niet geheel normaal. Het is onbekend hoe hersenschade bij PKU-patiënten precies ontstaat. Aan de hand van een beter inzicht in dit proces, kan de behandeling worden aangepast om zo de ontwikkeling van PKU-patiënten te optimaliseren. In Hoofdstuk 6 is onderzoek gedaan naar de eiwitopbouw in de hersenen van PKU-patiënten. Hiertoe is gebruik gemaakt van een radioactief gemerkt aminozuur tyrosine en een speciale scanner (positron emissie tomografie; PET). De patiënten kregen radioactief gemerkt tyrosine ingespoten via een infuus en vervolgens werden de hersenen gescand om te zien hoeveel tyrosine werd ingebouwd in de hersenen. De resultaten tonen dat er bij hogere fenylalanineconcentraties in het bloed minder tyrosine wordt ingebouwd in de hersenen. Door een verminderde eiwitopbouw kunnen de hersenen op verschillende manieren minder gaan functioneren. De verminderde inbouw van tyrosine in de hersenen zou veroorzaakt kunnen worden doordat er minder tyrosine de hersenen binnenkomt. De aanvoer van stoffen naar de hersenen wordt zorgvuldig gereguleerd door de zogenaamde bloed-hersenbarrière, een laag cellen die slechts enkele stoffen vanzelf doorlaat en die stoffen zoals aminozuren transporteert met speciale transportsystemen. Eén van deze systemen transporteert fenylalanine en een aantal andere grote aminozuren vanuit de bloedbaan naar de hersenen. Fenylalanine bindt relatief gemakkelijk aan dit transportsysteem. Aangezien het transportsysteem normaal gesproken al continu aminozuren transporteert, komt het transport van andere grote aminozuren in het gedrang als de concentratie van fenylalanine hoog is. Dit wordt ook wel competitief transport genoemd. In Hoofdstuk 7 is de vraag gesteld of er inderdaad sprake is van een verminderd transport van aminozuren via de bloedhersenbarrière bij PKU-patiënten met hoge concentraties van fenylalanine. Ook hierbij is gebruik gemaakt van radioactief tyrosine en de PET-scan. Uit de resultaten blijkt dat bij hoge fenylalanineconcentraties in het bloed het transport van tyrosine naar de hersenen beperkt is. De bloed-hersenbarrière lijkt dus een belangrijke rol te spelen bij het ontstaan van hersenschade bij PKU-patiënten. In hoofdstuk 8 zijn hypothesen gevormd over mogelijke oorzaken van het ontstaan van hersenschade. In eerste instantie werd aangenomen dat de hersenschade bij PKU-patiënten een direct gevolg was van de hoge fenylalanineconcentratie, die in de hersenen systemen zou kunnen beschadigen. Het idee dat in hoofdstuk 8 naar voren wordt gebracht en dat ook door onderzoek van anderen wordt ondersteund is dat een hoge fenylalanineconcentratie in het bloed het transport van andere aminozuren naar de hersenen remt. In de hersenen is dan een relatief tekort aan 123
grote aminozuren. Hierdoor kan de eiwitopbouw in de hersenen niet goed plaatsvinden. Dit kan goed verklaren waarom kleine kinderen zo kwetsbaar zijn voor hoge fenylalanineconcentraties; hun hersenen zijn nog volledig in ontwikkeling en moeten nog volgroeien. Bij volwassenen is de structuur van de hersenen ontwikkeld. Er vinden echter nog steeds veranderingen plaats, waarvoor eiwitopbouw noodzakelijk blijft. Als de hypothese dat niet de hoge fenylalanineconcentratie in de hersenen maar de lage concentraties van andere grote aminozuren in de hersenen de oorzaak zijn van de hersenschade klopt, zou het toedienen van extra hoeveelheden grote aminozuren de hersenschade kunnen tegengaan. Wanneer de concentraties van grote aminozuren in het bloed hoog genoeg zijn, kunnen zij ook gemakkelijk naar de hersenen worden getransporteerd. Er zal nog verder onderzoek moeten plaatsvinden naar het effect van deze behandeling. In Hoofdstuk 9 is een samenvatting gegeven van de verschillende hoofdstukken en een beschouwing van het belang van de resultaten. Uit het eerste deel van het proefschrift blijkt dat de dieetbehandeling verder geoptimaliseerd kan worden, waarbij zowel de samenstelling van het aminozuurmengsel alsook de verdeling van het mengsel over de dag belangrijke aandachtspunten zijn. Door een betere samenstelling van het mengsel kan de groei wellicht verder verbeterd worden. Aangezien geen verschillen zijn gevonden in het verwerken van een grote en kleine dosis van aminozuren, zouden PKU-patiënten het aminozurenmengsel wellicht in één grote dosis kunnen innemen in plaats van in drie kleine. Dit zou vanuit sociaal opzicht zeer wenselijk zijn. Uit het tweede deel van het proefschrift blijkt dat de bloed-hersenbarrière een belangrijke rol speelt in het ontstaan van hersenschade en dat het toedienen van extra hoeveelheden grote aminozuren een alternatieve behandelmethode zou kunnen zijn. 124