Die mitochondriale Fettsäureoxidation ist die Hauptenergiequelle für das Herz und langsam kontrahierende Skelettmuskeln. Während längerem Fasten oder physiologischem Stress werden durch die β-Oxidation von Fettsäuren in der Leber Ketonkörper gebildet, die dem Gehirn, den Muskeln und anderen Organen Energie liefern. Der mitochondriale Abbau von Fettsäuren erfolgt durch wiederholte Zyklen in einer vierstufigen β-Oxidationsspirale, bei der in jeder Runde ein Molekül FADH2, ein NADH und eine Acetyl-CoA produziert wird. Stoffwechselstörungen, die diesen Weg beeinflussen, werden in der Regel rezessiv vererbt. Betroffene Personen, die einen Mangel an mittelkettiger und sehr langkettiger Acyl-Coenzym-A (CoA) Dehydrogenase (MCAD und VLCAD) haben, können Probleme mit Herz und Skelettmuskeln, nichtketotische Hypoglykämie oder plötzlichen Kindstod aufweisen. Histologische Befunde nach dem Tod zeigen fast immer eine Organlipidose [1].
Der erste Schritt in der β-Oxidationsspirale ist limitierend und wird durch eine Familie von Acyl-CoA-Dehydrogenasen (ACADs) katalysiert, die sich in ihrer Substratspezifität je nach Kohlenstoffkettenlänge der Fettsäure unterscheiden. Die langkettige Acyl-CoA-Dehydrogenase (LCAD; OMIM 609 576) hat eine breite Spezifität mit der meisten Aktivität gegenüber mittleren und langen C10- bis C18-Spezies, obwohl sie hauptsächlich für die Dehydrogenierung von C12-C14-Fettsäurethioestern verantwortlich ist [2]. Wenn einfach und mehrfach ungesättigte Fettsäuren wie Oleat (C18:1) und Linolensäure (C18:2) β-oxidiert und kontinuierlich verkürzt werden, erreicht die Doppelbindung die Positionen 5,6 (oder 4,5), wodurch C14:1 bzw. C14:2 entsteht. An diesem Punkt ist LCAD dafür verantwortlich, den nächsten Schritt der β-Oxidation in den Mitochondrien einzuleiten. In Übereinstimmung mit dieser Rolle im Stoffwechsel ungesättigter Spezies wurde bei LCAD-defizienten Mäusen eine Anreicherung von Acylcarnitinen von C14:1 und C14:2 nachgewiesen [3,4].
Bis zur Entdeckung eines Mangels an sehr langkettiger Acyl-CoA-Dehydrogenase (VLCAD) in den frühen 1990er Jahren wurden Patienten mit einem Mangel an VLCAD als LCAD-defizient angesehen. Bisher wurden keine spezifischen Mutationen im Gen, das für die humane LCAD (Acadl) kodiert, identifiziert und es sind keine definitiv diagnostizierten Fälle einer humanen LCAD-Defizienz bekannt. Die Nichtidentifizierung von Patienten mit LCAD-Defizienz ist überraschend, wenn man die Prävalenz von Krankheiten aufgrund von Defekten in allen anderen Mitgliedern dieser Genfamilie betrachtet. Dies wirft sowohl die Rolle von LCAD im Fettsäurestoffwechsel als auch das Potenzial einer LCAD-Defizienz für die Entstehung von Krankheiten in Frage. Eine humane LCAD-Defizienz kann keine klinische Erkrankung verursachen oder zu einer Gestationsletalität führen, was das Fehlen identifizierter menschlicher Fälle erklären könnte.
Kurtz et al. [3] erzeugten ein Mäusemodell mit LCAD-Defizienz und stark beeinträchtigter Fettsäureoxidation. Paarungen zwischen heterozygoten Mäusen führten zu einer ungewöhnlich niedrigen Anzahl von LCAD-heterozygoten und homozygot defizienten Nachkommen, was auf häufigen Gestationsverlust hinweist. LCAD-/- Mäuse, die geboren wurden, erschienen normal, zeigten jedoch eine stark reduzierte Fastentoleranz mit Leber- und Herzerlipidose, Hypoglykämie, erhöhten freien Fettsäuren im Serum und nichtketotischer Dicarbonsäureurie. Gestationsverlust wurde sowohl bei homozygot defizienten als auch bei heterozygoten Mäusen beobachtet. Guerra et al. [5] stellten fest, dass LCAD-defiziente Mäuse empfindlich gegenüber Kälte sind, ähnlich wie BALB/cByJ-Mäuse, bei denen Mutationen im Gen für kurzkettige Acyl-Coenzym-A-Dehydrogenase (SCAD) vorliegen.
In unserem Labor wurde bereits der Ersatz des murinen SCAD-Gens nachgewiesen [6]. Ein rAAV-Vektor mit Pseudotyp-1-Kapsid, der das murine SCAD-cDNA enthält, wurde in den Muskel Tibialis anterior (TA) von 8 Wochen alten SCAD-/- Mäusen injiziert. Zehn Wochen nach der Injektion wurde die SCAD-Enzymaktivität im TA-Muskel nachgewiesen und die Spiegel von zirkulierendem C4-Butyrylcarnitin waren bei behandelten Mäusen signifikant reduziert. Magnetresonanzspektroskopie (MRS) zeigte einen Rückgang des Lipidpeaks im injizierten TA-Muskel. Die biochemische Korrektur des SCAD-Mangels nach rAAV8-vermittelter Übertragung von mSCAD in die Lebern von SCAD-defizienten Mäusen wurde kürzlich ebenfalls nachgewiesen [7]. Sechs Wochen nach der Behandlung wurde eine signifikante Reduktion von zirkulierendem Butyrylcarnitin bei mit AAV8-mSCAD injizierten SCAD-/- Mäusen festgestellt. Darüber hinaus zeigte MRS eine Reduktion des Lipidgehalts in den Lebern der mit rAAV8-mSCAD behandelten Mäuse. In dieser Studie beschreiben wir den Ersatz des LCAD-Gens im TA-Muskel und in den teilweise defizienten LCAD-Mäusen, einem Surrogatmodell für den menschlichen VLCAD-Mangel.
