O universo das doenças  mitocondriais

Com diferentes padrões, essas enfermidades podem afetar mais de um tipo de célula, tecido e órgão, o que dificulta o diagnóstico e o tratamento

Com amplo espectro de manifestações clínicas e caráter multissistêmico, as mitocondriopatias são doenças genéticas metabólicas caracterizadas por desordens no funcionamento das mitocôndrias, as quais deixam de produzir energia suficiente para o pleno funcionamento celular. Com diferentes padrões, podem afetar mais de um tipo de célula, tecido e órgão, o que dificulta o diagnóstico e, consequentemente, o tratamento deste grupo de enfermidades, que não têm cura até o momento. Estudos epidemiológicos apontam incidência de 1 indivíduo acometido por doença mitocondrial a cada aproximadamente 7,5 mil pessoas. Consideradas raras, as enfermidades têm altas taxas de morbidade e curso progressivo. Com sintomas dos mais diversos que incluem fraqueza muscular e alterações neurológicas ou cardíacas – a depender do tipo de manifestação –, essas doenças podem ser incapacitantes e, geralmente, se apresentam na infância, embora possam se revelar em qualquer fase da vida.

Mitocôndrias são pequenas organelas responsáveis pela fosforilação oxidativa por meio do transporte de elétrons através dos complexos da cadeia respiratória, que geram adenosina trifosfato (ATP), um nucleotídeo responsável pelo armazenamento de energia da respiração celular. Com material genético próprio – o DNA mitocondrial (mtDNA) –, as mitocôndrias contêm um único cromossomo circular com 16569 pares de bases, codificando 13 subunidades proteicas dos complexos da cadeia respiratória, 22 RNA transportadores (tRNA) e dois RNA ribossômicos (rRNA). “Apenas o complexo II tem todas as suas subunidades codificadas pelo DNA nuclear”, descreve a professora doutora Célia Harumi Tengan, responsável pelo Laboratório de Neurologia Molecular e coordenadora do Programa de Pós-graduação em Neurologia/Neurociências da Universidade Federal de São Paulo (Unifesp). 

Cada mitocôndria contém de 5 a 10 genomas e cada célula pode ter dezenas a centenas de mtDNAs, dependendo do tecido. Assim, quando há mutação no mtDNA, a célula pode apresentar um mesmo tipo de genoma (homoplasmia) ou a mistura de moléculas mutantes e normais (heteroplasmia). “A transmissão do mtDNA mutado ocorre durante a divisão das mitocôndrias, sendo que a proporção de mutação passada para cada célula-filha parece ser aleatória. Na verdade, o que determina se a célula e o tecido serão afetados é a proporção, o tipo de mutação e o limiar de cada um deles”, comenta a professora Célia Harumi Tengan. Geralmente, são necessários altos níveis de mtDNA mutado para que a célula apresente uma deficiência na sua função, mas níveis menores podem gerar deficiência em tecidos que apresentam grande requerimento energético e baixo índice de divisão celular, como cérebro e sistemas musculoesquelético e cardíaco.

Apesar de estar localizado na mitocôndria, o mtDNA é responsável por apenas 15% das proteínas da cadeia respiratória, enquanto o restante das proteínas é originado do DNA nuclear que codifica, ainda, as proteínas com funções diversas na mitocôndria – desde a participação em sua estrutura até o controle da replicação e a transcrição do mtDNA. “O funcionamento perfeito da mitocôndria depende da interação entre o DNA nuclear e mitocondrial”, explica a professora doutora Bianca Bianco, pró-reitora adjunta de Pós-graduação e Pesquisa do Centro Universitário Saúde ABC/Faculdade de Medicina do ABC e docente da disciplina de Saúde Sexual, Reprodutiva e Genética Populacional na Instituição.

Do ponto de vista genético, as mitocondriopatias são divididas em doenças associadas a alterações no mtDNA ou mutações no DNA nuclear. “Mutações situadas no mtDNA são transmitidas apenas pelas mães aos seus descendentes, no entanto, somente as filhas transferem para as próximas gerações. Isso acontece pois o mtDNA está presente em abundância apenas no óvulo materno, enquanto o mtDNA do espermatozoide é eliminado após a fecundação. Já as mutações situadas no DNA nuclear poderão ser transmitidas de ambos os pais para seus filhos e filhas, pois o DNA nuclear está presente tanto no óvulo quanto no espermatozoide”, detalha a neurologista pediátrica Juliana Gurgel Giannetti, docente do Departamento de Pediatria da Faculdade de Medicina da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). As especialistas apontam que 20% das mitocondriopatias na infância estão associadas a mutações no mtDNA e 80% às mutações no DNA nuclear.

O fato de as mitocôndrias estarem presentes em todos os tecidos do corpo humano faz com que as doenças a elas relacionadas apresentem desde intolerância a um exercício físico até um caráter multissistêmico, podendo inclusive levar ao óbito precoce. Isso também possibilita diversas combinações entre as inúmeras manifestações descritas na literatura, como as neurológicas, musculares, cardíacas, renais e hepáticas, ou seja, dos órgãos que demandam muita energia. Quando a doença acomete o sistema nervoso central e periférico, por exemplo, causa episódios repetidos de acidente vascular cerebral, mioclonias (contrações musculares repentinas), apneias recorrentes, crises epiléticas, neuropatias periféricas, comprometimento de nervos cranianos, ataxia cerebelar, atraso ou regressão do desenvolvimento neuropsicomotor e perda auditiva neurossensorial, entre outros.

Diagnóstico é o maior desafio

Em razão da grande amplitude clínica e genética das doenças mitocondriais, chegar a um diagnóstico precoce e preciso é um grande desafio. Na maioria dos casos, a suspeita surge apenas quando o paciente apresenta quadro clínico característico de uma doença progressiva que afeta vários sistemas ao mesmo tempo. Por isso, observações clínicas e exames laboratoriais, genéticos, bioquímicos e morfológicos devem ser combinados para avaliar a atividade da cadeia respiratória e a integridade do genoma nuclear e mitocondrial. Os médicos afirmam que não existe tratamento efetivo para os distúrbios mitocondriais, sendo a terapia de cuidados paliativos a melhor solução em alguns casos para controlar os sintomas e melhorar a qualidade de vida dos pacientes.

Para chegar a um diagnóstico, além de investigar detalhadamente os dados clínicos do paciente – tendo como objetivo identificar características que possam sugerir doença mitocondrial – é necessário haver uma combinação com outros recursos de análise. “Na suspeita e a depender de cada caso, o especialista pode solicitar exames como biópsia muscular com histoquímica, estudo bioquímico dos complexos da cadeia respiratória e testes genético-moleculares que, neste caso, são mais complexos e demandam direcionamento quanto à seleção dos genes a serem analisados”, ressalta o professor adjunto da Universidade Federal Fluminense, Alexandre Ribeiro Fernandes. No geral, é um processo difícil e minucioso, de acerto e erro, e muitas vezes não disponível a todos os pacientes uma vez que os exames, especialmente os genéticos, têm valor elevado e são realizados apenas pelo setor privado de saúde.

Mesmo com as novas linhas de pesquisa e o entendimento de muitas dessas manifestações, o tratamento segue limitado. “Não há terapia curativa específica para doenças mitocondriais, nem tratamentos que levem à regressão dessas manifestações. O uso de produtos farmacológicos, vitaminas ou terapias é indicado exclusivamente para tratamento sintomático, com objetivo de reduzir efeitos agressores, buscar a melhora clínica de sintomas secundários e controlar crises convulsivas, diabetes, enxaquecas, arritmias e outras manifestações”, explica a neurologista Juliana Gurgel Giannetti. Dependendo da intensidade, o controle desses sintomas pode diminuir o comprometimento ou a perda de funcionalidade e oferecer uma melhora na qualidade de vida do paciente. Para isso, a melhor estratégia é definir o protocolo mais adequado a cada indivíduo.

Embora a tecnologia de testes genéticos avance rapidamente e a medicina genômica tenha uma capacidade maior de detectar alterações, as mitocondriopatias ainda constituem um grande desafio para os especialistas, pois permanecem as incertezas sobre a patogenicidade, o prognóstico e as limitações cognitivas, assim como a expectativa de reprodução para famílias de risco. “A transmissão de doenças mitocondriais pode ser prevenida com a adoção de uma criança, de embriões ou de oócitos (óvulos), ou através de testes pré-natais, como o teste genético pré-implantação (PGT), que se destina à prevenção de doenças genéticas por meio da seleção de embriões, a depender do defeito genético de base”, sugere a geneticista Bianca Bianco. Para auxiliar os casais podem ser oferecidos serviços de aconselhamento genético, por meio dos quais são abordadas as complexidades sobre prognóstico das doenças, herança mitocondrial, riscos para o feto e seguimento após o nascimento.

Sinais e sintomas se diferenciam de  acordo com a mutação

A depender da mutação, do local e do número de mitocôndrias afetadas dentro de uma célula, os sintomas se diferenciam. De forma geral, os sinais e sintomas que se apresentam na doença mitocondrial são fraqueza e perda de coordenação muscular, uma vez que os músculos necessitam de grande quantidade de energia; alterações cognitivas e degeneração do cérebro; alterações gastrointestinais, quando há mutações relacionadas com o sistema digestivo; problemas cardíacos, como arritmia recorrente; sintomas oftalmológicos, podendo ocasionar perda de visão; e problemas renais ou hepáticos. “As doenças mitocondriais podem surgir em qualquer momento da vida, no entanto, quanto mais cedo for a manifestação da mutação, mais grave são os sintomas e maior o grau de letalidade”, ensina o neurologista pediátrico Alexandre Ribeiro Fernandes, professor adjunto da Universidade Federal Fluminense (UFF) e consultor do Ministério da Saúde.

Quando acometem o sistema neurológico, as doenças mitocondriais podem manifestar-se como um quadro de insuficiência, associando-se a sintomas graves ou não e, de acordo com o conjunto de sintomas, diferentes síndromes clínicas são definidas. Entre as mais frequentes está a síndrome de Leigh, uma encefalopatia infantil progressiva e grave que afeta os sistemas muscular e neurológico, com perda das aquisições prévias durante os primeiros anos de vida. “O paciente deixa de fazer o que já sabia, apresentando perda motora, cognitiva, movimentos involuntários e alteração cardíaca, entre outros sintomas. É uma doença degenerativa, com piora progressiva, principalmente relacionada a períodos de infecção”, descreve a médica neurologista Maria Augusta Montenegro, professora assistente e chefe da Disciplina de Neurologia Infantil do Departamento de Neurologia da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Com prognóstico muito ruim, na maioria dos casos o problema pode levar a óbito precoce ainda na infância.

Entre as miopatias mitocondriais, a epilepsia mioclônica associada a fibras vermelhas (MERRF) é uma das manifestações clínicas com certa recorrência. “Com sintomas como epilepsia com crises mioclônicas generalizadas ou focais, ataxia cerebelar e surdez neurossensorial, essa doença apresenta curso progressivo”, destaca o professor Alexandre Ribeiro Fernandes. Sintomas como demência, atrofia óptica, degeneração dos tratos corticospinais, neuropatia periférica, disfunção tubular proximal, cardiomiopatia, acidose lática e hiperinsulinemia também podem ocorrer. Outra manifestação que surge em qualquer idade, embora seja mais comum nos mais jovens, é a encefalopatia com acidose e episódios semelhantes ao acidente vascular cerebral (MELAS), caracterizada por crises recorrentes de déficits neurológicos focais parecidos com os causados pelo AVC. Mesmo que tenha recuperação do déficit neurológico, sintomas como crises epiléticas, convulsões e enxaquecas podem ser recorrentes.

Com comprometimento progressivo da musculatura ocular extrínseca, associada ou não à miopatia proximal, a oftalmoplegia, a ptose palpebral e a miopatia associada a fibras vermelhas representam a tríade clínica da oftalmoplegia externa crônica progressiva (OECP). “Nesta doença ocular em que o indivíduo tem progressiva incapacidade de mover os olhos e as pálpebras, 80% dos pacientes apresentam rearranjos do mtDNA. O problema parece estar associado a uma mutação espontânea que ocorre depois da fertilização do oócito (óvulo), não tendo sido identificada qualquer herança materna”, comenta a professora Célia Harumi Tengan. Os sintomas podem ser indicativos da síndrome de Kearns-Sayre, quando a oftalmoplegia progressiva tem início antes dos 20 anos de idade e é acompanhada de outros comprometimentos como ataxia, hiperproteinorraquia ou bloqueio cardíaco. O paciente também tende a apresentar sintomas como diabetes, surdez e sinais de neurodegeneração.

Na lista de manifestações e sintomas incluem-se, ainda, arritmia cardíaca, perda visual progressiva com degeneração da retina e nervo óptico, bloqueio de condução cardíaca, hemiparesia (paralisia de um dos lados do corpo) e hemianopsia (perda parcial ou completa da visão em uma das metades do campo visual de um ou ambos os olhos), atrofia óptica e catarata, hipoparatireoidismo e hipotireoidismo, e disfunção pancreática exócrina com pseudo-obstrução intestinal, entre outras. “Além das manifestações neurológicas, musculares e cardíacas, existem inúmeras mutações que podem causar as mitocondriopatias com sintomas distintos para cada caso, o que torna o estudo desses genes fundamental para o entendimento e diagnóstico”, enfatiza a médica Maria Augusta Montenegro.

Estudo investiga mitocôndrias e a   infertilidade feminina

Tendo em vista o aumento do número de mulheres com dificuldade reprodutiva nas últimas décadas, impulsionado principalmente pela tentativa de gravidez cada vez mais tardia, pesquisadores do Laboratório de Genética e Biotecnologia (LaGenBio) do Departamento de Genética e Evolução (DGE) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) têm estudado a relação da infertilidade feminina com mutações nas mitocôndrias. Com o uso de ferramentas de biotecnologia, biologia molecular e celular, investigam quais fatores podem afetar a infertilidade no nível dos óvulos. Além disso, trabalham formas de interferir, por meio de terapias, tanto no processo de fertilidade – especialmente de mulheres acima de 35 anos e que não respondem a outros tratamentos de reprodução –, como nas mutações no mtDNA, evitando que o filho desenvolva doenças extremamente graves devido a mutações herdadas da mãe.

Assim como acontece em outras células do corpo, as mitocôndrias também são responsáveis pelo fornecimento de energia para a ovulação, a fecundação e o desenvolvimento embrionário. “Com o envelhecimento das mulheres, as mitocôndrias também envelhecem e não conseguem, em muitos casos, suprir a necessidade energética requerida para esses processos, o que contribui para a infertilidade”, descreve o professor adjunto do Departamento de Genética e Evolução da UFSCar, Marcos Roberto Chiaratti. Isso acontece porque os óvulos, com o tempo, tendem a ter maiores níveis de mutação no mtDNA e as mitocôndrias tendem a ser menos funcionais, provocando diminuição de ATP que leva, por exemplo, a um prejuízo na divisão dos cromossomos durante o desenvolvimento dos óvulos e a um aumento de malformações fetais, comuns nas mulheres com gestação tardia.

Para pesquisar a herança exclusivamente materna das mitocôndrias, as mutações que podem estar localizadas em um gene no mtDNA e a causa da infertilidade, o grupo reproduz essas situações em cobaias. “O que fazemos é gerar animais, especificamente camundongos e bovinos (neste caso, por ter períodos e características de reprodução muito próximos aos dos humanos), que contenham mtDNAs mutantes ou defeitos na herança e função mitocondrial. Ao reproduzi-los, podemos observar quais mecanismos estão regulando a herança dessas mutações e a manifestação ou não das doenças”, descreve o professor Marcos Roberto Chiaratti. Com isso, além de avaliar os casos de doenças mitocondriais, é possível entender a função dessas organelas tanto na reprodução como na fertilidade feminina. Segundo o pesquisador, ao compreender esses fenômenos será possível, no futuro, desenvolver métodos para tentar prevenir o envelhecimento das mitocôndrias ampliando, assim, a vida fértil das mulheres.

Herança mitocondrial – Outra linha de pesquisa do grupo está voltada para manobrar a herança mitocondrial. Uma possibilidade é, antes de aplicar uma tecnologia de reprodução em uma paciente com a mutação, selecionar os óvulos ou embriões – quanto menor o nível de mtDNA mutante, mais baixas as chances de o descendente desenvolver uma doença, o que é defendido no mundo inteiro. “Trabalhamos no desenvolvimento de tecnologias que permitam, por meio de biópsias e com uso de ferramentas moleculares, apontar quais embriões podem ser utilizados para reprodução”, detalha o pesquisador. Mesmo sem um tratamento já definido, o grupo também acredita que, com a utilização de fármacos e/ou ferramentas de edição genética, será possível mitigar os níveis de mutação no óvulo ou embrião, impedindo o desenvolvimento de mitocondriopatias na progênie.

Prevenção envolve terapia de manipulação genética

Há cerca de três décadas, o papel das mitocôndrias para fertilidade do óvulo foi revelado no St. Barnabas Institute, nos Estados Unidos, onde pesquisadores realizaram a transferência de citoplasma (contendo mitocôndrias) de óvulos de mulheres jovens e saudáveis para o de mulheres inférteis. Aparentemente, a infertilidade era causada por mitocôndrias disfuncionais, que tiveram sua função complementada pela suplementação com mitocôndrias normais, doadas por mulheres jovens. “Os resultados dessa tecnologia foram surpreendentes já que, na maioria dos casos, a fertilidade foi restabelecida. Em contrapartida, esse procedimento resultou em bebês com três pais genéticos, que continham o DNA nuclear dos pais propriamente ditos e mtDNA da terceira pessoa que doou as mitocôndrias, o que caracterizava um indivíduo geneticamente modificado. Apesar de as 17 crianças geradas comprovarem a eficácia da técnica, algumas delas apresentaram defeitos genéticos, o que levou a Food and Drug Administration (FDA) – órgão norte-americano de regulação de alimentos e medicamentos – a banir, nos anos 2000, seu uso em clínicas de reprodução assistida em todo o mundo.

Anos mais tarde, com foco na não propagação de doenças mitocondriais, surgiu a terapia de substituição mitocondrial que, por meio de manipulações genéticas, produz embriões saudáveis através da remoção do DNA nuclear de um óvulo e posterior inserção deste em um gameta saudável de uma doadora da própria família, fertilizado pelo espermatozoide do pai. “O método evita que mutações prejudiciais no mtDNA da mulher, que podem provocar as doenças, sejam herdadas pelos filhos”, comenta o pesquisador da UFSCar, Marcos Roberto Chiaratti. Apesar do grande potencial e de se caracterizar como uma forma eficaz e preventiva, há conflitos éticos, políticos e legais que impedem a prática da terapia – exceto no Reino Unido, cuja aprovação aconteceu em 2016 exclusivamente para mulheres portadoras de mutações no mtDNA (os pesquisadores ainda aguardam o nascimento dos primeiros bebês). Outros países têm desenvolvido trabalhos similares, mas são impedidos de realizá-los pela falta de regulamentação e legalidade. 

Para comprovar a eficácia das terapias de substituição de mitocôndrias, o grupo do professor Marcos Roberto Chiaratti vem, ao longo dos anos, trabalhando com modelos animais. Segundo o pesquisador, os estudos têm sido determinantes para comprovar quais defeitos mitocondriais podem afetar a fertilidade dos óvulos, se os resultados são eficientes e se a substituição de mitocôndrias pode restabelecer a capacidade de gerar bebês saudáveis. “Em uma das linhas de pesquisa, bem-sucedida, tratamos óvulos de bovinos com uma droga que causa danos à função mitocondrial, resultando na perda quase total da fertilidade. Na sequência, o citoplasma de óvulos não tratados foi transferido para os que receberam a droga, o que resultou no restabelecimento da fertilidade e no nascimento de bezerros saudáveis”, descreve. O mesmo ocorreu com os experimentos em camundongos, mesmo quando, ao invés de citoplasma, foi transferido um concentrado de mitocôndrias embrionárias. Esses e outros resultados fornecem importantes subsídios acerca do potencial dessas técnicas, porém, outros estudos ainda são necessários antes que essas ferramentas possam ser aplicadas com segurança em humanos.

Envelhecimento e reparo mitocondrial

O envelhecimento é um processo natural desencadeado pela perda de função gradual dos sistemas biológicos, e caracterizado especialmente pelo aumento no número de células danificadas no corpo humano. Considerado o ‘motor’ responsável por gerar toda a energia consumida pela célula e, consequentemente, para o pleno funcionamento dos órgãos, o DNA mitocondrial (mtDNA) – assim como acontece com o DNA do núcleo – é exposto constantemente a diversos fatores que podem danificá-lo e causar mutações. Quando a capacidade da mitocôndria em produzir ATP é diminuída, o processo de envelhecimento celular é acelerado. Com isso, as células passam a acumular mais lesões no mtDNA que, se não corrigidas por vias de reparo de DNA, podem desencadear doenças secundárias associadas à idade, entre as quais as neurodegenerativas como Parkinson, Alzheimer, câncer ou doenças metabólicas, a exemplo de obesidade e diabetes.

Ao desempenhar papel essencial no metabolismo celular, as mitocôndrias contribuem, por exemplo, para a produção de energia e mecanismos de morte celular. Como a integridade do genoma mitocondrial é fundamental para a manutenção da homeostase celular, mutações patogênicas nesse genoma são frequentes. “Temos mais de 150 mutações identificadas e, apesar de o organismo humano ter vias bioquímicas de reparo de DNA, um grande número de síndromes com amplo espectro clínico é causado por acúmulo de mutações no DNA da organela”, explica a bioquímica Nadja Cristhina de Souza Pinto, professora associada do Departamento de Bioquímica do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQ-USP). Entender sobre os mecanismos de reparo que atuam sobre o genoma mitocondrial é outro desafio para os pesquisadores.

O grupo liderado pela docente estuda as vias moleculares no reconhecimento e reparo de lesões presentes no DNA mitocondrial. “Desta forma é possível determinar como a atividade dessas vias é controlada, identificar alterações em sua eficiência durante o processo patogênico, estabelecer possíveis relações com o envelhecimento normal e alguns processos patológicos humanos, e entender o que acontece com o corpo quando essas vias de reparo deixam de funcionar corretamente”, detalha. Só com a identificação de alterações nas vias de reparo do mtDNA é possível, em conjunto com o entendimento básico do funcionamento dos mecanismos, pensar em intervenções específicas que podem ter um potencial terapêutico nas condições em que é observada.

Com uso de diferentes metodologias de estudo, os pesquisadores têm identificado atividades eficientes de quase todas as vias de reparo do DNA em mitocôndrias. “Uma dessas vias, localizada em mitocôndrias de mamíferos, é denominada reparo por excisão de base e corrige o DNA danificado ao longo do ciclo celular, sendo responsável pela remoção de lesões pequenas que não distorcem a dupla hélice do DNA”, explica a bioquímica. Outra via já identificada em mitocôndrias de vertebrados e plantas é a de reversão direta, em que alguns produtos de reações químicas danosas ao DNA podem ser diretamente desfeitos por enzimas na célula. Evidências experimentais apontam, ainda, a existência das vias de reparo de bases mal pareadas e de quebras de fita dupla, por recombinação homóloga ou por junção de pontas não homólogas de DNA. Essas vias corrigem erros introduzidos durante a replicação do DNA ou a recombinação gênica. Não há, ainda, evidências na literatura sobre a existência de reparo por excisão de nucleotídeos na mitocôndria, apesar de componentes dessa via já terem sido identificados em mitocôndrias de mamíferos.

O acúmulo de lesões está relacionado, ainda, a várias situações patológicas e degenerativas. Dentre as linhas de pesquisa estudadas pelo grupo ao longo dos anos, uma avalia o reparo de mtDNA na doença de Alzheimer. “Em um estudo realizado com amostras de cérebros obtidos do Banco de Encéfalos do Grupo de Estudos em Envelhecimento Cerebral da Faculdade de Medicina da USP,  comparando indivíduos com Alzheimer sintomático, assintomáticos e indivíduos saudáveis, foi possível constatar que o reparo de mtDNA está diminuído em portadores de Alzheimer, o que indica que a baixa atividade desses mecanismos pode ser um fator de risco para a doença”, descreve a pesquisadora. Em outra abordagem, os resultados de um estudo sugeriram que o acúmulo de bases oxidadas do mtDNA e as alterações nas vias de reparo por excisão de bases, que removem essas lesões, desempenham importante papel na morte neuronal. Esses achados evidenciam que entender como essas lesões são reparadas, durante o processo patogênico, pode ter um grande impacto na saúde pública, principalmente tendo em vista o envelhecimento da população mundial observado no último século.

Reprodução proibida sem prévia autorização