Facult Mdecine Universit de Paris Paris 04 10

Faculté Médecine - Université de Paris – Paris 04 -10 -2019 Hème et Porphyries Héréditaires Pr Laurent Gouya Hôpital Louis Mourier, Biochimie et Génétique Moléculaire Hôpitaux Universitaires Paris Nord Val de Seine INSERM U 1149 - Université Denis Diderot Paris 7 Centre Référence Maladies Rares Porphyries Centre Français des Porphyries - CFP Hôpital Louis Mourier U 1149

1. Présentation Clinique Porphyrie ?

Melle C…, 19 ans, (Mère: Infirmière à l’Hôpital) Janvier 1998 : Hôpital Louis Mourier / Service des Urgences Chirurgie : - Douleurs abdominales intenses +++, nausées ++, vomissements ++ - Examen clinique négatif sauf tachychardie isolée sans fièvre - Imagerie abdomen négative, Échographie : doute sur kyste ovaire droit - Biologie normale… Na+ : 133 - Aucun ATCD familial notable - Pas de diagnostic de sortie : pancréatite médic. ? / kyste ovarien? / «agitation nerveuse» - Hospitalisation « écourtée » en chirurgie après tt intempestif par Haldol Pendant les 3 mois suivants : plusieurs autres hôpitaux de la région… - Douleurs abdominales récurrentes, intenses, sur plusieurs jours, en période lutéale +++, uniquement soulagées par les opiacés - Constipation, tachycardie et poussée hypertensive sont notées - Perte de 10 kilos - Pas de réel diagnostic sinon histrionisme et/ou toxicomanie

Melle C. , Suite Avril : Hôpital Beaujon service de gynéco-obstétrique - douleurs abdominales intenses récurrentes +++ - examen clinique et imagerie négatifs - Cœlioscopie exploratrice : RAS, petit kyste ovaire droit - Porphyrie aiguë évoquée par un jeune interne (…de Bichat) sur la notion d’urines colorées rose-rouge le matin - Envoi d’urines au CFP : acide delta-aminolevulinique ALA , porphobilinogène PBG diagnostic de crise aiguë de Porphyrie confirmé • Traitement en urgence par hémine humaine : Normosang® (Orphan Europe) • Résolution de la crise en 4 jours • CFP : Diagnostic biologique de Porphyrie Aiguë Intermittente (PAI) par déficit partiel (50%) en PBG désaminase (HMBS) • Evolution : crises récurrentes (8 J) depuis 18 ans traitée par hémine humaine en HDJ • Traitement par si. RNA (ALN-AS 1, Anylam®)

Variante… Mme M. 25 ans § Crises douloureuse abdominales récurrentes mensuelles sur plus de 14 mois § Δg de volvulus intermittent du caecum § Hémi-colectomie droite… § …. Réanimation : tétraplégie, hyperalgie, Δg de PAI après 6 jours § Récupération lente après hémine humaine (Normosang®) § Evolution : crises abdominales récurrentes (8 -10 j) et douleurs neurogènes épaules/membres sup § Tt Normosang® moins efficace : 1 -2 jours sans douleurs/semaine § transplantation hépatique en Août 2009 (CHU Lyon) § Suites simples, [ALA/PBG U] normales, plus de crises abdominales mais persistance de douleurs neurogènes

Les Porphyries : définition générale « Erreurs Innées du Métabolisme touchant la Biosynthèse de l’Hème » Urines « porto » “Obscure diseases with confusing names considered only when the need for a diagnosis is desperate” (Antony Mc. Donagh, 1997) Porphyrias, H Puy , L Gouya , JC Deybach, Lancet 2010, 375, 924 -937

2. L’Hème Protoporphyrine IX + Fe 2+ Hémoprotéines Transport et stockage O 22 Hemoglobine / Myoglobine Chaine respiratoire cellulaire Cytochromes Détoxification hépatique Cytochromes P 450 métabolisme H 2 O 22 Catalase / peroxydase Fe 2+ réduction Dcytb (duodenal cytochrome b) Catabolisme Tryptophan 2, 3 dioxygenase Synthèse Prostaglandines Cyclooxygenase synthèse du NO NO Synthases …

Heme et ses rôles biologiques régulateurs 1. Répresseur de sa propre synthèse (ALAS 1, foie) 2. Inducteur de son catabolisme (Heme Oxygénase) 3. • • • Hème est une molécule régulatrice: maturation mi. RNA (Di. George. Critical Region 8, Barr et al. PNAS, 2011) Inhibition canaux Ca-dependent (Slo 1 BK, Tang et al. Nature, 2003) - 4. 5 kb Heme Regulatory Motif: HRM, motif CP - Régulation de la transcription: HRE, Heme Regulatory Element Ex: ALAS 1, CYC 1 (cyt. c), CYC 2, CTT 1 (catalase) Trap (tartrate resistant acid phosphatase) gènes Heme HRE-BP GCTAACCA Heme HAP-1 TCCAGA - Régulation de l’initiation de la traduction HRI, Heme Regulated Inhibitor - Post translational regulation: ALAS 1, IRP 2, BACH 1 => Involved in cell differentiation HRE +1

Les Pigments de la Vie : La chlorophylle (Mg) La vitamine B 12 (Co) Le coenzyme F 430 (Ni) L’hème (Fe) Molécule “mère” : l’uroporphyrinogène III

Biosynthèse de l’Hème (1) "Précurseurs" Porphyrin(ogèn)es ALA > PBG Uro > Copro > Proto Matières premières Produits intermédiaires ALA : Acide delta-aminolévulinique Fe 2+ Hème Produit final PBG : Porphobilinogène

Biosynthèse de l’Hème (2) Mitochondrie Compartimentation cellulaire Cytoplasme

Biosynthèse de l’Hème (3) 80% 15% Compartimentation cellulaire 8 enzymes Transporteurs ? ALA, PBG Précurseurs des porphyrines URO, COPRO, PROTO Intermédiaires porphyrinogènes et porphyrines Fe 2+

Biosynthèse de l’Hème (4) Deux sites de production majeure : Succinyl Co. A + Glycine La moelle : 80%, en continu (Hb) Le foie : 15%, à la demande (CYPs) Flux métaboliques adaptés et donc différents : ALA Synthase • 1ère Fe 2+ étape : Uro (Foie, > Copro Proto ALAdeux. PBG ALAS 1 gènes ALAS 1 Chr> 3) Hème ALAS 2 (Moelle érythroïde, Chr X) ALAS 2 Porphyrines "Précurseurs" Pour deux isoenzymes ALA Synthase : ALA-S 1 ALA : Acide delta-aminolévulinique PBG Porphobilinogène • 2: et 3ème étapes : deux promoteurs alternatifs (NE, E) ALA-S 2

Régulation de la Synthèse Erythroïde de l’Hème (1) (80% de l’hème total) Niveau post-transcriptionnel (stabilité ARNm) par la concentration intracellulaire en Fer via les systèmes IRE/IRP ALAS 2 + Une seule utilisation : Synth Hb, Un effecteur : le Fer Gly + Succ. Co. A ALA-S 2 Fe 2+ Tf-r - Fe-Tf-Fe Hème - + + globine Hémoglobine

La bio disponibilité en Fer : le point clé de la régulation de la synthèse d’hème dans le tissu érythroïde (2)

Métabolisme et Régulation de la synthèse hépatique de l’hème (1) ALAS 1 Succinyl Co. A + Glycine ALA-S 1 - ALA Retro inhibition Cyt P 450 (CYPs) 65 % INDUCTIBLES Pool d’Hème Cytochromes Mitochondriaux 15 % Heme Oxygénase CO HO 1 Fe 2+ Bili TRP pyrrolase Catalases, NOS, . . .

Régulation de la Synthèse Hépatique de l’Hème (2) (15% de l’hème total) Retrocontrôle négatif par le produit final 5 niveaux Un effecteur : l’Hème Gly + Succ. Co. A ALAS 1 - - ALA-S 1 Fe 2+ Hème Apo-protéines Cytochromes Hémoprotéines

5 Niveaux de régulation de l’ALAS 1 (3) 1 2 A B DNA GCTAACCA/////TCCAGA Regulation. Transcriptionelle HRE (Heme responsive element) m. RNA Regulation Post transcriptionelle stabilité m. RNA Pré ALA Synthase 3 Transfert Mitochondrial HRM (Heme regulatory motif) RCPLL C Gly + Suc. Co. A ALA-Syntase Dégradation de la protéine 4 5 Retro-inhibition Directe de l’activité Fe 2+ Heme Apoproteins Hemoproteins

3. Les Porphyries • Un groupe de 8 maladies génétiques rares (1/50. 000) de la chaine de biosynthèse de l’hème • Résultent de 7 déficits et 1 gain de fonction, des activités des enzymes de la chaine de biosynthèse de l’hème dues à des mutations des gènes correspondants • 8 Porphyries héréditaires : • 4 porphyries hépatiques aiguës (dont 2 avec signes cutanées) • 4 porphyries cutanées chroniques …du grec « porphyre » : pigment rouge

Caractéristiques Bio-Cliniques des Porphyries • Accumulation anormale de porphyrines et/ou de leurs précurseurs : acide δ aminolévulinique (ALA) et porphobilinogène (PBG) dans le foie et /ou la moëlle (► sang, urines, selles) • Signes neurologiques: Crises aiguës neuroviscérales • Signes cutanés photo induits (photo dermatoses bulleuses ou algiques) • Signes hématologiques: Anémie • Expression clinique polymorphe et variable • Facteurs déclenchants exogènes et endogènes (Hormones, médicaments, infections, stress, lumière…)

Biosynthèse de l’hème et Porphyries Protoporphyrie liéee à l’X XLP PAI HEME PPE PEC PV CH PCTF/S

Conséquences des régulations « tissus spécifiques » 1. Une classification selon le tissu « producteur » : • Foie : Les porphyries hépatiques (PAI, CH, PV et PC) • Moëlle : Les porphyries érythropoïétiques (PEC, PPE, XLDPP) 2. Des caractéristiques génétiques et populationnelles différentes • Les porphyries hépatiques sont autosomiques et dominantes et débutent à l'âge adulte. • les porphyries érythropoïétiques sont récessives et à début précoce.

Classification clinique des 8 porphyries § Porphyries Hépatiques Aiguës § Porphyrie par déficit en ALAD § Porphyrie Aiguë Intermittente (PAI) § Coproporphyrie Héréditaire (CH) § Porphyrie Variegata (PV) § Porphyries hépatique chroniques: Cutanées, bulleuses/érosives § Porphyrie Cutanée Tardive (PCTf/s) § Porphyries érythropoiétiques: Cutanées, photo-algiques § Protoporphyrie Erythropoïétique (PPE) § Protoporphyrie liée à l’X (XLDPP) § Porphyrie Erythropoïétique Congénitale (PEC) Hépatique : Adulte, Dominant Erythropoïétique : Enfant, Récessif

Porphyries : les symptômes § Neurologiques: Crises aiguës neuroviscérales liées à l'accumulation des précurseurs (ALA, PBG) et/ou au manque d’hème Seulement les Porphyries hépatiques aiguës : PAI, CH, PV § Lésions cutanées, bulleuses ou algiques induites par le rayonnement solaire (photosensibilité), dues à l'accumulation de porphyrines dans la peau Toutes les porphyries, sauf la PAI

Porphyries à manifestations cutanées

Celle que seuls les gynéco-obstétriciens et pédiatres pourraient rencontrer … Porphyrie Erythropoïétique Congénitale La porphyrie la plus rare

Celle que tout médecin pourrait rencontrer au moins une fois… Porphyrie Cutanée Tardive (F/S) la porphyrie hépatique la plus fréquente et la moins sévère (non aiguë)

Photodermatose bulleuse et lésions d'âge variable Porphyrie cutanée tardive

Porphyrie Cutanée Tardive : Bulles

Et celles auxquelles tout médecin doit savoir penser… 4. Porphyries Hépatiques Aiguës Porphyrie Aiguë Intermittente, PAI, (Mlle C…) Coproporphyrie Héréditaire, CH Porphyrie Variégata, PV

Biosynthèse de l’hème et Porphyries Protoporphyrie liéee à l’X XLP PAI HEME PPE PEC PV CH PCTF/S

Le flux de synthèse d’hème dans le foie FECH ALAD UROIIIS UROD PBGD CPO PPOX ALAS Glyc + Succ Fe _ HEME AIP HC VP ALA, PBG, … Porphyrines

Porphyries Hépatiques Aiguës crises aiguës vs signes cutanés PHA

Porphyries hépatiques aigues: symptômes neurologiques Neuro-végétative Douleur abdominale Constipation Vomissements Hypertension Tachycardie Périphérique Neuropathie motrice axonale Douleur des extrémités SNC Anxiété Hallucinations Agitation Epilepsies

Porphyrie Aiguë Intermittente Deux phases : latente et active AIP Succinyl. Co. A ALAS 1 HMBS ALAD ALA HMB PBG + Glycine HEME Cyt. P 450 inducible 5 – 65% Catalase 15% HO-1 CO Fe 2+ Biliverdin Mitochondrial cytochromes 6 % constitutive Porphyrie Aiguë Intermittente, phase latente : RAS ! Mutations hétérozygotes gène HMBS, 50% déficit en activité HMBS Transmission autosomique dominante – pénétrance très faible Pas d’accumulation des précurseurs ALA/PBG (ou faible…) Pas de symptômes : “porteur présymptomatique“

PAI phase active : la crise aiguë, un « big bang » ! TCA Cycle RC Succinyl. Co. A ALAS 1 + ALAD + HMBS ALA HMB PBG + Glycine PAI HEME HO-1 CO Fe 2+ Biliverdine Facteurs précipitants (médicaments, hormones jeûne, stress, infections…) Cyt. P 450 Inductible Catalase Cytochromes Mitochondriaux constitutifs Induction ALAS 1 + déficit pool Hème, par les facteurs précipitants Diminution de l’activité PBGD en dessous de 50% (? ) Accumulation ALA/PBG, ALA neurotoxique ? Symptomatologie aiguë neuro viscérale : Neuropathie porphyrique Succinyl. Co. A « dérivé » du cycle TCA (Krebs) : Baisse du métabolisme énergétique mitochondrial ?

PAI crise aiguë : Traitement Doses cumulatives Hémine D’Heminehumaine Humaine Succinyl. Co. A ALAS 1 HMBS ALAD ALA HMB PBG + Glycine HO-1 HEME HO-1 CO Fe 2+ Biliverdin Glucose (PGC 1α) Facteurs Précipitants Cyt. P 450 Inductibles Catalase Cytochromes Mitochondriaux constitutifs Supprimer Risque de récurrence les facteurs: précipitants induction d’HO-1 par l’hèmine et Perfusion induction d’Hémine récurrente. Humaine d’ALAS 1+par « effet la diminution » Glucosedu Restorer feedbacklenégatif feedback de l’hème négatifdue de l’hème à l’augmentation sur ALAS 1 de la Abaisser sa dégradation la surproduction par HO 1 d’ALA/PBG

Crise aiguë de porphyrie ou crise neurovicérale § Femmes (80 %), hommes (20 %) § Survenue entre 20 et 45 ans, exceptionnelle avant la puberté § Douleurs abdominales : symptômes majeurs § Risque de neuropathie (paralysie +++) § Facteurs déclenchants (jeûne, infections, cycle hormonal, médicaments, alcool, choc affectif, stress, . . . ) § Autosomique dominant § Dans les familles: de 1 à 2 porteurs sur 10

PAI et Génétique Transmission autosomique dominante à faible pénétrance 1. Pénétrance familiale (moyenne) : 23 % 2. Pénétrance en population générale • Etude Y. Nordmann et al. (J Int Med, 1997) : prévalence mutations HMBS 1/1600 • Etude Exome Variant Server (L Gouya, 2014) : 6500 exomes : Prévalence mutations HMBS : 1/1000, donc France 60000 porteurs et 590 patients connus Pénétrance population générale (estimée) : 1% Comment expliquer cette différence : Facteurs génétiques et/ou épigénétiques de pénétrance ?

degree of kinship Time Correlation coefficient 10, 4 28, 6 36, 6 II Heritability: 57 -73% 18, 9 24, 4 I 0 I G t-n ep e/ au n nc l ou si ns C ie ce ch ild re n ra nd U ra nd pa re nt -g pa r en t si of fs pr in g bl in g 1 /n 1 3 2 2 he w 0

Facteurs déclenchants et Physiopathologie de la crise aiguë Emballement d’ALAS 1 (hépatique) 1. médicaments lipophiles, hormones stéroïdes - diminution du pool d’hème libre (levée d’inhibition de l’hème) pour la synthèse des cyt. P 450 - activation directe de l’expression d’ALAS 1 (CAR/PXR) 2. jeûne - activation directe de l’expression d’ALAS 1 (PGC 1 -α) 3. infection, stress, inflammation - activation directe de l’expression d’ALAS 1 (FOXO-1 et HNF 4) ) - hypercatabolisme de l’hème par HO-1

Crise aiguë de porphyrie: Incidence des signes et symptômes • Douleurs abdominales et lombaires • Vomissements, Constipation • Faiblesse musculaire • Tachycardie • Insomnie, anxiété, agitation • Hypertension artérielle • Convulsions • Paralysies • Hypo. Natrémie • Urines colorées/rouges* 98 % 72 68 62 60 45 15 10 65 80

Urines rouges Couleur brun-rouge après exposition des urines à la lumière pdt au moins 30 à 45 mn

S. N. Périphérique : axonopathie métabolique porphyrique - Atteinte nerfs périphériques >> nerfs proximaux - Mais pour un nerf donné l’atteinte est proximale et peu distale - Histologie: Dégénérescence axonale primitive, démyélinisation secondaire, nodules de régénération Semin Liver Dis (1982) 2: 108 -124

Diagnostic biologique (1) § ALA, PBG dans les urines (échantillon des urines du matin) : 10 à 50 x N diagnostic de crise aiguë porphyrique Sensibilité et spécificité > 90% § Analyses des porphyrines dans les urines, les selles et le plasma (pic de fluorescence +++) au CFP diagnostic de type de porphyrie hépatique aiguë Urines Selles Plasma: Pic Emission Fluorescence (nm) PAI ALA, PBG, Uroporphyrine Normal 615 -620 CH ALA, PBG, Copro (III) 615 -620 PV ALA, PBG, Copro (III) Proto>Copro (III) 626 -628

Diagnostic biologique (2) § Déficit enzymatique spécifique (approche probabiliste) Confirmation du type de porphyrie Identification des porteurs présymptomatiques dans la famille du patient § Analyse de l'ADN : diagnostic moléculaire (diagnostic de certitude) Identification de la mutation familiale spécifique Identification des porteurs présymptomatiques dans la famille du patient

PAI : mutations du gène HMBS (Hydroxy Methyl Bilane Synthase) U E 1 2 5 § Genotype-phenotype : une activité HMBS résiduelle plus faible par un effet de mutations “allele nul pourrait contribuer à l’expression clinique plus forte de la AIP 10 15

Pour la pratique on retiendra • Diagnostic de porphyrie évoqué dans le cadre de signes « neuro-viscéraux-psy » atypiques En particulier douleurs abdominales récurrentes: ALA, PBG, dans les urines (échantillon) en urgence Si PBG (> 10 -50 x N) Porphyrie en crise aiguë Contacter le CRMR Porphyries ! www. porphyrie. net

Traitement d’une crise aiguë de porphyrie § Hospitalisation § Eviction de tous les facteurs déclenchants classiques (médicaments, alcool, jeûne…) § Traitement des facteurs déclenchants § Prise en charge de la douleur et du stress : Opiacés et chlorpromazine § Hydrates de carbone (200 -300 g/jour) § Perfusion de Normosang® (hémine humaine, 3 mg/kg/24 heures x 4 jours)

Traitement Hémine humaine (Normosang®) Amélioration clinique rapide dans 99% des cas (CFP: >2000 crises aiguës traitées 1986 -2013) § Disparition douleurs abdo 2 -3 jours § Diminution ALA/PBG urines (1/5) 2 -3 jours § Durée moyenne hospitalisation 3 -5 jours § Complications neurologiques exceptionnelles § Peu d’effets indésirables § Pas de contre-indication pendant la grossesse

La PAI en France Nouveaux patients • Incidence PAI : 0, 14/an/106 • Prévalence PAI : 1/100 000 1ère crise Patients en rémission (88%) ? 1974 - 2018 : 630 patients symptomatiques (F 81%) 60 000 porteurs en France 3 modes d’évolution de la maladie Patients sporadiques (5%) Patients récurrents Classification >1 crise <4 crises /an >4 crises /an (7%)

Patients Recurrents (France 2014) % de patients recurrents 2% en 1980 / 7. 5% en 2014 8 6 4 2 0 1975 1980 1985 1990 1986 1 ere utilisation 1995 2000 1995 AMM Hemine Humaine 2005 2010 2015

Les nouvelles voies thérapeutiques (1) • Les enzymes recombinants humains : Porphozyme® (PBG Désaminase) Essai clinique négatif en France et en Europe… Reprise avec ciblage hépatique toujours d’actualité • La transplantation hépatique (TH) : une solution extrème intérêt parfois clinique et surtout physiopathologique • la thérapie génique – AAV 5 – rh. PBGD (AIPGene Project EU – Unicure) Phase I/II en 2014 – si. RNA anti ALAS 1 (Alnylam USA) phase I/II en 2015

Treatment de la PAI par transplantation hépatique (2) • Crise neurovicérale toujours associées avec une augmentation d’ALA et PBG • Transplantation corrige le déficit enzymatique et la surproduction d’ALA et PBG • Disparition définitive des symptômes aigus Lancet (2004) 363: 705 -706

PAI acquise par transplantation hépatique en domino (3) • Liver transplantation corrects hepatic enzyme defect, normalizes excretion of ALA & PBG, cure the symptoms and the disease • “Acquired AIP“ (with high ALA/PBG and symptoms) in non porphyric « domino transplanted » recipients AIP 3 patients in UK Hepatology. 2014 Feb 22. Epub Lancet (2004) 363: 705 -706 Transpl Intl (2009)23: e 18 -e 21 Ann Intern Med. 2011 19; 154(8): 571 -2

Apports de la TH à la Physiopathologie (4) • La PAI une maladie strictement hépatique (TH et “Domino”) • Production hépatique d’une neurotoxine (ALA) • Le ciblage hépatique est indispensable pour toute perspective thérapeutique nouvelle

si. RNA anti ALAS 1 (ALN-AS 1) Alnylam® (5)

si. RNA anti ALAS 1 (ALN-AS 1) Alnylam® (6) Récepteur aux asialoglycoprotéines: • 500000 copies par hépatocyte • Epuration des glycoprotéines • Endocytose médiée par la clatherine • Endocytose rapide • Recyclage: 15 mm

ARNm médicament Moderna Therapeutics® (7)