Cel en ziekte. V. Pathologie van het lysosoom

De reeds verschenen artikelen uit deze reeks zijn gepubliceerd op bl. 1806, 1808, 1868, 1914 en 1961.

V.1. het lysosoom als organel

Met het woord lysosoom, afgeleid van de Griekse woorden ‘luein’ (losmaken) en ‘soma’ (lichaam), wordt een celorganel aangeduid waarin (macro)moleculen en (macro)moleculaire structuren worden afgebroken. De laag-moleculaire componenten die hierbij vrijkomen, worden naar het cytoplasma getransporteerd en hergebruikt. De lysosomen van een cel ‘communiceren’ met elkaar en met andere celcompartimenten. Veelal wordt daarom gesproken van het lysosomale systeem. Vrijwel alle cellen van mens, dier en plant hebben lysosomen. Bij hogere organismen zoals de mens is het lysosomale systeem onder meer betrokken bij celvernieuwing, waarbij relatief grote cellulaire componenten, zoals membraanfragmenten, ribosomen, of complete mitochondriën door het lysosoom worden opgenomen en afgebroken: Het lysosomale systeem van de premature rode bloedcel heeft als bijzondere functie het opruimen van organellen tijdens de rijping tot erytrocyt. De lysosomen van polymorfonucleaire granulocyten en macrofagen hebben als speciale taak de afbraak van in het lichaam binnengedrongen micro-organismen. Verouderde erytrocyten worden in het lysosomale systeem van macrofagen ontleed. Een variëteit van circulerende eiwitten en lipoproteïnen wordt opgenomen en afgebroken in de lysosomen van Kupffer-cellen en hepatocyten. Het lysosomale systeem van osteoclasten is gespecialiseerd in de resorptie van bot, waardoor de noodzakelijke modificatie van bot tijdens groei mogelijk wordt.

De afbraak van (macro)moleculen in het lysosoom wordt gekatalyseerd door enzymen die chemische verbindingen hydrolyseren. Er zijn 40 tot 50 verschillende lysosomale enzymen bekend, die veelal in combinatie nodig zijn om complexe moleculen zoals (glyco)proteïnen, (glyco)lipiden, proteoglycanen en nucleïnezuren af te breken. De laagmoleculaire afbraakprodukten, waaronder monosacchariden en aminozuren, kunnen de lysosomale membraan passeren. Vrij recent onderzoek heeft aangetoond dat zelfs deze kleine moleculen met een massa van minder dan 200 D niet vrij door de membraan diffunderen, maar dat ze over de membraan getransporteerd worden door ‘transporteiwitten’ die deel uitmaken van de lysosomale membraan. De functie van het lysosomale systeem is in figuur V.1 schematisch weergegeven.

Door de continue interactie van lysosomen met andere celorganellen, zoals endosomen, autofagosomen en transportblaasjes afkomstig van het trans-Golgi-gebied, heeft het lysosomale systeem geen vaste vorm of inhoud. De individuele lysosomen zijn meestal sferisch. Het aantal lysosomen kan per celtype sterk verschillen. Zo heeft een skeletspiervezel, met een van nature lage heterofage en autofage activiteit, weinig lysosomen, terwijl een macrofaag daarentegen veel lysosomen bevat. Onder invloed van interne en externe stimuli kan het lysosomale systeem in omvang toenemen. In de volgende paragrafen zullen de veranderingen besproken worden die het lysosomale systeem ondergaat bij deficiëntie van één van de transporteiwitten in de lysosomale membraan of één van de lysosomale enzymen.

V.2. de lysosomale stapelingsziekten

V.2.1. Historisch overzicht

De geschiedenis van lysosomale stapelingsziekten begint aan het einde van de vorige eeuw. In die tijd verschenen de eerste klinische rapporten over deze genetisch bepaalde metabole ziekten. De naamgeving van de ziekten was vaak gebaseerd op de naam van de onderzoeker die de ziekte het eerst beschreef, zoals Tay-Sachs (1881, 1887), Gaucher (1882) en Fabry (1898). In de eerste helft van de 20e eeuw werd geleidelijk aan de samenstelling bekend van de macromoleculaire substanties die worden aangetroffen in weefsels van patiënten met lysosomale stapelingsziekten. Het lysosoom werd echter pas in 1955 door De Duve beschreven als een door een membraan begrensd cytoplasmatisch compartiment met zure hydrolasen. Lysosomen werden in 1961 voor het eerst cytochemisch aangetoond op grond van de aanwezigheid van zure fosfatase en enkele andere zure hydrolasen. Het concept van lysosomale stapelingsziekten ontstond in 1963 toen door Hers een deficiëntie van zure ?-glucosidase geconstateerd werd bij een patiënt met glycogeenstapelingsziekte type II. Het lysosomale karakter van deze ziekte werd kort daarna bevestigd toen aangetoond werd dat zure ?-glucosidase inderdaad een lysosomaal enzym is en dat het in de spieren van de patiënt gestapelde glycogeen omsloten is door een membraan.

Inmiddels is de primaire oorzaak van meer dan 30 verschillende lysosomale stapelingsziekten bekend. Bij het merendeel van deze ziekten gaat het om deficiëntie van een van de lysosomale enzymen. Soms echter betreft de deficiëntie een lysosomaal activatoreiwit, zo genoemd omdat een dergelijk eiwit nodig is voor de activatie van een of meer lysosomale enzymen. In het bijzondere geval van I-celziekte (I staat voor cellulaire insluitsels, casu quo gezwollen lysosomen) ontstaat de lysosomale stapeling door de gelijktijdige deficiëntie van vrijwel alle lysosomale enzymen, hetgeen zijn oorzaak vindt in een verstoord transport van nieuw gesynthetiseerde enzymen naar het lysosoom. Een later ontdekte categorie van lysosomale stapelingsziekten wordt gekenmerkt door lysosomale stapeling van laagmoleculaire componenten, zoals het monosaccharide siaalzuur en het aminozuur cystine. Hierbij bestaat een defect van respectievelijk het transporteiwit dat siaalzuur dan wel cystine vanuit het lysosoom naar het cytoplasma transporteert.

V.2.2. Kenmerken

Lysosomale stapelingsziekten worden doorgaans ingedeeld naar de aard van het gestapelde materiaal. Tabel V.1 geeft een overzicht. De incidentie van elk der lysosomale stapelingsziekten is laag en wordt geschat op 1 tot 4 patiënten per 100.000 geboorten. De bekendste uitzonderingen hierop zijn de ziekte van Tay-Sachs en de ziekte van Gaucher, waarvan de dragerfrequentie 1 op 12 is bij asjkenazische joden. Als groep van ziekten verdienen de lysosomale stapelingsziekten zeer zeker aandacht. In de eerste plaats omdat het om meer dan 30 verschillende, celbiologisch verwante ziekten gaat, die tezamen net zo vaak voorkomen als bijvoorbeeld fenylketonurie, waarop alle pasgeborenen getest worden. In de tweede plaats zijn het ernstig invaliderende ziekten met een (langzaam) progressief karakter, waarvoor een therapie vooralsnog ontbreekt. Deze ziekten vragen ook aandacht omdat prenatale diagnostiek via de meting van lysosomale enzymactiviteiten in chorionvlokken en gekweekte vruchtwatercellen mogelijk is en de vraag naar diagnostiek relatief groot is.

Het klinische beeld van een lysosomale stapelingsziekte ontstaat ten gevolge van een enkel niet functionerend en mogelijk afwijkend gevormd orgaan, of is de resultante van een combinatie van afwijkende orgaansystemen. Dysfunctie van een orgaan is op zijn beurt terug te voeren tot afwijkingen van een of meer celtypen waaruit het orgaan is opgebouwd. Bij de lysosomale stapelingsziekten zijn deze afwijkingen vrijwel altijd microscopisch waarneembaar en betreffen abnormaliteiten in vorm, omvang en inhoud van het lysosomale systeem. De abnormaliteiten zijn veelal karakteristiek voor de desbetreffende lysosomale stapelingsziekte of groep van ziekten zoals gerubriceerd in tabel V.1. Hieronder volgen enkele voorbeelden.

V.2.3. De ziekte van Pompe

Het meest kenmerkende symptoom van de ziekte van Pompe, glycogenose type II, is spierzwakte. Het glycogeen dat in de lysosomen accumuleert ten gevolge van een deficiëntie van het lysosomale enzym ?-glucosidase, is geaggregeerd tot korrelige bolletjes, die met de elektronenmicroscoop waarneembaar zijn (figuur V.2). De lysosomen behouden hun sferische vorm. De ?-glucosidasedeficiëntie is erfelijk bepaald en dus in elk celtype van de patiënt in dezelfde mate aanwezig, maar de lysosomale stapeling van glycogeen is het meest aanwezig in skeletspiercellen. De skeletspiervezels hebben van nature weinig lysosomen en deze zijn gelegen aan de periferie van de spiervezel in een perinucleaire regio van het sarcoplasma. Bij ?-glucosidasedeficiëntie worden met glycogeen gevulde lysosomen ook aangetroffen tussen de myofibrillen en wordt degeneratie van myofilamenten waargenomen. Behalve in het lysosoom lijkt de hoeveelheid glycogeen in het sarcoplasma soms ook verhoogd te zijn. Ten aanzien van de pathogenese kan men zich voorstellen dat de spiervezel degenereert omdat het koolhydraatmetabolisme verstoord is. Het is echter ook mogelijk dat de vergrote lysosomen door mechanische krachten openbreken, waardoor de agressieve hydrolasen, waaronder eiwit-afbrekende enzymen, in het sarcoplasma vrijkomen. Bij een gedeeltelijke deficiëntie van ?-glucosidase blijven de pathologische verschijnselen beperkt tot zwakte van de skeletspieren. Soms moeten patiënten gedurende de nacht beademd worden. De eerste symptomen kunnen voor het 10e levensjaar optreden maar ook uitblijven tot na het 50e levensjaar. Bij een volledige enzymdeficiëntie zijn echter ook de hartspiercellen, de levercellen en de neuronen betrokken. Wanneer dit het geval is, overlijden de patiënten voor het 2e levensjaar aan cardiorespiratoire insufficiëntie. Mogelijk ontstaan de afwijkingen primair in de skeletspiervezel, omdat deze cel van nature een lage ?-glucosidase-activiteit heeft, maar een relatief hoge cytoplasmatische glycogeenconcentratie. In dit model wordt ervan uitgegaan dat het glycogeen via autofagie het lysosoom bereikt. Het is onduidelijk hoe het proces van autofagie gereguleerd wordt.

V.2.4. De mucopolysaccharidosen

Bij mucopolysaccharidosen vindt, zoals de naam al aangeeft, stapeling van mucopolysacchariden plaats. Mucopolysacchariden zijn lange suikerketens opgebouwd uit een repeterende eenheid van twee suikers. Deze suikers zijn vaak gesulfateerd en zijn per type mucopolysaccharide verschillend. Zo bestaat er heparansulfaat, keratansulfaat, dermatansulfaat en chondroïtinesulfaat (tabel V.2). Mucopolysacchariden zijn 50 tot 100 repeterende eenheden lang en komen gekoppeld aan een centraal eiwit (het complex heet proteoglycaan) in de extracellulaire matrix voor. Bindweefsel en (gewrichts)kraakbeen zijn rijk aan proteoglycanen. Ook in de botmatrix komen proteoglycanen voor. De proteoglycanen kunnen door hun moleculaire karakter veel water binden, waardoor vorm gegeven wordt aan het bindweefsel van de huid en waardoor mechanische belasting opgevangen kan worden door het gewrichtskraakbeen. Proteoglycanen worden gesynthetiseerd door onder meer fibroblasten, chondroblasten en osteoblasten.

Proteoglycanen worden ten dele door dezelfde cellen ook weer afgebroken bij vernieuwing van de extracellulaire matrix. De lysosomen zijn betrokken bij de afbraak van de mucopolysacchariden die via heterofagie worden aangevoerd. Het lysosoom beschikt over sulfatasen om sulfaat van de suikergroepen af te splitsen en over een serie enzymen waarvan ieder enzym apart geschikt is voor het afsplitsen van één specifieke suiker. Het afsplitsen van sulfaat en suikers van het mucopolysaccharide gaat stap voor stap. Als een enzym ontbreekt, stopt het proces en treedt lysosomale stapeling op van een of meer mucopolysacchariden, al naar gelang hun specifieke suikersamenstelling. Op grond van deze gegevens is het niet verwonderlijk dat de pathologische afwijkingen ontstaan in fibroblasten, kraakbeencellen en botcellen. In figuur V.3 worden fibroblasten getoond van een patiënt met de ziekte van Hurler. Ten gevolge van de ?-L-iduronidasedeficiëntie is bij deze ziekte de afbraak van dermatan- en heparansulfaat geblokkeerd.

De stapeling van mucopolysacchariden leidt tot een expansie van het lysosomale systeem. Individuele lysosomen die normaliter lichtmicroscopisch niet zichtbaar zijn, worden nu waarneembaar. De grote lysosomen ontstaan door fusie en door zwelling die te maken heeft met het grote waterbindende vermogen van mucopolysacchariden. De grove gelaatstrekken van een patiënt met de ziekte van Hurler zijn deels het gevolg van stapeling van mucopolysacchariden in cellen van de huid. Skelet- en gewrichtsafwijkingen worden veroorzaakt door een gelijksoortige lysosomale stapeling in osteocyten en chondrocyten. Andere klinische symptomen bij de ziekte van Hurler zijn: een vergrote lever door stapeling in hepatocyten en mentale en motorische retardatie door stapeling van mucopolysacchariden in neuronen.

V.2.5. De sfingolipidosen

V.2.5.1. G_M1-gangliosidose.

Bij de sfingolipidosen vindt lysosomale stapeling plaats van lipiden, waaraan in de meeste gevallen een of meer monosacchariden gekoppeld zijn: zogenaamde glycosfingolipiden. Glycosfingolipiden komen voornamelijk voor in de plasmamembraan van cellen. Een typisch voorbeeld van een glycosfingolipide is G_M1-ganglioside. Vooral neuronen zijn rijk aan G_M1-ganglioside. De afbraak van G_M1-ganglioside in het lysosoom begint met de afsplitsing van de suikermoleculen die aan het lipide gebonden zijn. Eerst wordt het eindstandige galactose ontkoppeld via hydrolyse van de binding tussen galactose en N-acetylgalactosamine. Het lysosomale enzym dat hiervoor zorgt, is ?-galactosidase. Vervolgens splitst ?-N-acetylgalactosaminidase het N-acetylgalactosamine af, dat inmiddels eindstandig is geworden. Pas na afsplitsing van alle suikermoleculen wordt het lipide afgebroken. Dus ook bij de afbraak van G_M1-ganglioside en verwante glycosfingolipiden is, net als bij de afbraak van mucopolysacchariden, een groot aantal verschillende lysosomale enzymen betrokken.

Erfelijke deficiëntie van ?-galactosidase leidt tot lysosomale stapeling van G_M1-ganglioside en deze stapeling is het prominentst in neuronen, het celtype waarin dit soort glycolipiden het meest voorkomt. G_M1-ganglioside stapelt zich door zijn specifieke moleculaire eigenschappen in karakteristieke patronen. De moleculen vormen net als in cellulaire membranen een dubbellaag, waarbij de hydrofobe vetstaarten van naast en tegenover elkaar liggende moleculen naar het midden wijzen en de hydrofiele suikermoleculen naar de buitenzijde. Meerdere van deze dubbelmembranen rangschikken zich concentrisch of parallel in het lumen van het lysosoom. Figuur V.4 laat hiervan een voorbeeld zien. Ook in gliacellen komt lysosomale stapeling van G_M1-ganglioside voor, zij het over het algemeen in mindere mate. Op biochemische en morfologische gronden is het goed voorstelbaar dat de zenuwcellen in hun functie gestoord worden, hetgeen het optreden van mentale en motorische retardatie bij patiënten met deze ziekte verklaart. Bij patiënten met een volledige ?-galactosidasedeficiëntie ontstaan additionele symptomen, zoals vergroting van de lever, grove gelaatstrekken en afwijkingen aan het skelet. Een verklaring hiervoor is dat ?-galactosidase, behalve bij de afbraak van G_M1-ganglioside, ook betrokken is bij de afbraak van het mucopolysaccharide keratansulfaat, dat opgebouwd is uit galactose en N-acetylglucosamine-eenheden (zie tabel V.2). Het klinische beeld lijkt veel op dat van het Hurler-syndroom.

V.2.5.2. Het Morquio-syndroom type B

Een bijzondere situatie doet zich voor bij de lysosomale stapelingsziekte die bekend staat als het Morquio-syndroom type B. Ook deze ziekte wordt veroorzaakt door een ?-galactosidasedeficiëntie, maar door de specifieke aard van de genetische mutatie heeft ?-galactosidase meer van zijn capaciteit verloren om keratansulfaat af te breken dan om galactose van G_M1-ganglioside af te splitsen. Het klinische beeld wordt gekarakteriseerd door vaak ernstige afwijkingen aan het skelet, maar er is weinig tot geen mentale retardatie.

V.2.5.3. De ziekte van Gaucher

Eén van de bekendste lysosomale stapelingsziekten onder de sfingolipidosen is de ziekte van Gaucher, die veroorzaakt wordt door deficiëntie van het enzym glucocerebrosidase. Glucocerebroside, dat in de lysosomen accumuleert, is qua structuur deels gelijk aan het G_M1-ganglioside. Aangenomen wordt dat dit sfingolipide een afbraakprodukt is van globoside, een neutraal glycolipide dat veel voorkomt in rode bloedcellen, en van ceramide-lactoside, één van de belangrijkste lipiden in witte bloedcellen. Bij veroudering worden deze cellen geëndocyteerd door macrofagen, voornamelijk in de milt en het beenmerg en in mindere mate in de lever (Kupffer-cellen), waarna ze worden afgebroken in het lysosomale systeem. De lysosomale stapeling van glucocerebroside kan leiden tot een dramatische vergroting van de milt. Wanneer de milt verwijderd wordt, treedt meer stapeling op in de lever. De dysfunctie van de milt en van het beenmerg kan de leukocytopenie en de trombocytopenie bij patiënten met de ziekte van Gaucher verklaren. De bij deze ziekte optredende osteoporose wordt geacht het gevolg te zijn van lysosomale stapeling in beenmergmacrofagen en van overmatige osteoclastenactiviteit. De stapeling van glucocerebroside in neuronen is minimaal. Het is dan ook nog onbekend wat de oorzaak is van de neuronale afwijkingen die optreden bij patiënten met de ernstigste vorm van de ziekte van Gaucher (type 2).

De vormen en de structuren waarin glucocerebroside in de lysosomen accumuleert, zijn zeer karakteristiek: het vormt lange tubulaire structuren die parallel aan elkaar verlopen en in feite de vorm van het lysosoom bepalen. De lysosomale membraan voegt zich als het ware naar de structuren van het gestapelde produkt, waardoor langwerpige, soms vertakte, lysosomen ontstaan. Figuur V.5 laat hiervan een typisch voorbeeld zien.

V.2.6. Cystinose

Tot slot is in figuur V.6 een andere opmerkelijke vorm van lysosomen te zien, die bepaald wordt door de vorm van onoplosbare cystinekristallen. Deze ontstaan in het lysosoom bij afwezigheid of een defect van het lysosomale membraaneiwit dat cystine vanuit het lumen van het lysosoom naar het cytoplasma transporteert. De ziekte staat bekend als cystinose en behoort tot de laatste in tabel V.1 genoemde categorie van lysosomale stapelingsziekten.

V.3. nieuwe ontwikkelingen

De hier besproken voorbeelden van lysosomale pathologische afwijkingen werden gekozen om hun verschillende karakter en om een globale indruk te geven van hoe de gegeneraliseerde lysosomale enzymdeficiënties kunnen leiden tot specifieke schade van weefsels. Het huidige onderzoek op het terrein van de lysosomale stapelingsziekten richt zich enerzijds op de biochemische en moleculair-genetische achtergronden van klinische heterogeniteit en anderzijds op de ontwikkeling van methoden voor therapie. De klinische heterogeniteit, kenmerkend voor vrijwel elke lysosomale stapelingsziekte, blijkt samen te gaan met genetische heterogeniteit. Met andere woorden, patiënten met een zelfde lysosomale enzymdeficiëntie hebben niet altijd precies dezelfde mutatie in het gen dat de informatie voor de structuur van het enzym bevat. Iedere mutatie blijkt haar eigen specifieke effect te hebben op de synthese, het intracellulaire transport en de functie van het desbetreffende lysosomale enzym. De synthese kan volledig of gedeeltelijk verstoord zijn en het transport geheel of gedeeltelijk geblokkeerd. Ook functieverlies kan in verschillende gradaties optreden. De combinatie van deze gegevens bepaalt uiteindelijk de mate van lysosomale enzymdeficiëntie en daarmee de aanzet en het verloop van de lysosomale ziekte.

Een huidige trend van onderzoek is het bestuderen van de pathogenese van lysosomale stapelingsziekten met behulp van muismodellen. Deze modellen worden gecreëerd door de lysosomale genen in embryonale stamcellen via genetische recombinatie uit te schakelen en deze gemodificeerde stamcellen vervolgens weer te laten participeren in de vorming van een muizeëmbryo. Onlangs werd een muismodel voor de ziekte van Gaucher beschreven.

Ook op het vlak van therapie werd de afgelopen jaren vooruitgang geboekt. Het meest opmerkelijke resultaat is het effect van intraveneuze toediening van glucocerebrosidase aan patiënten met een niet-neurologische vorm van de ziekte van Gaucher (type 1). De lever en de milt nemen in omvang af tot normale proporties en ook het bloedbeeld wordt normaal. Het effect wordt toegeschreven aan de endocytose van het toegediende glucocerebrosidase door aan de bloedbaan grenzende macrofagen van de lever en de milt, gevolgd door afbraak van het juist in deze cellen gestapelde glucocerebroside. Het is nog te vroeg om te beoordelen of deze vorm van enzymvervangingstherapie ook leidt tot herstel van de botafwijkingen die bij de ziekte van Gaucher voorkomen en of enzymtherapie ook succesvol toegepast kan worden bij de behandeling van patiënten met andere lysosomale stapelingsziekten.

Over de mogelijkheden van gentherapie wordt druk gespeculeerd. De gedachten gaan in eerste instantie uit naar het behandelen van de stamcellen in het beenmerg van de patiënt door het inbrengen van ‘intacte’ lysosomale genen. Bij de ziekte van Gaucher mag na transplantatie van aldus behandelde stamcellen effect verwacht worden, omdat de stamcel via differentiatie dient als bron voor gezonde macrofagen. Bij andere lysosomale stapelingsziekten zal het effect van gentherapie met behulp van beenmergstamcellen afhankelijk zijn van de mate waarin het enzym, dat door de behandelde stamcellen en daarvan afgeleide celtypen gesynthetiseerd wordt, zich naar de aangetaste organen verspreidt. Wanneer betere vectoren en technieken beschikbaar komen voor de efficiënte overdracht van genen naar cellen, in vitro en in vivo, zou gentherapie in de toekomst een methode kunnen worden om patiënten met lysosomale stapelingsziekten te behandelen.