Clinical expressions of juvenile hereditary retinal degenerations and macular dystrophies: Electrophysiological and genetic studies

Abstract

Hereditary retinal degenerations are the most frequent reason for severe visual handicap among young people in Scandinavia today. In the six papers included in this thesis the phenotypic expressions, with emphasis on the electrophysiological findings, of five different juvenile hereditary retinal degenerations are described. The diagnoses have been confirmed by genetic analysis. The retinal disorders presented are all caused by mutations in genes identified during the last six years.



Patients with Best disease and three defined mutations (T357C, T130C and C416A) in the VMD2 gene demonstrated a variable, but moderate visual acuity reduction presenting in childhood, atrophic changes in the macula and pathological results of the EOGs. Patients with the new mutation T370C in VMD2 demonstrated an atypical phenotype with mostly a late onset of visual failure.



Batten disease patients, both homozygous and compound heterozygous for the 1.02 kb deletion in the CLN3 gene, presented a severe, widespread retinal degeneration, which could be confirmed by full-field ERG. However, in the patients heterozygous for this deletion the onset of visual failure and the disease progression in terms of other symptoms was delayed.



30 patients with Juvenile X-linked retinoschisis and seven different mutations in XLRS1 presented a wide variability in the phenotype between, as well as within, families with different genotypes, suggesting that additional factors may contribute to the disease severity. Full-field ERG is an important diagnostic tool in confirming the diagnosis in this disorder.



Two pairs of siblings with Stargardt disease, diagnosis confirmed by genetic linkage to the ABCA4 gene region, presented two different clinical expressions of the disease regarding the distribution of the retinal dysfunction, which could be confirmed by full-field ERGs and MERGs.



Ten patients with Rodmonochromacy and different mutations in the CNGA/CNGB3 genes presented a similar clinical phenotype, confirming the essential function of both the a- and the b-subunit of the cGMP-gated cation channel in cone photoreceptor function.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ärftliga näthinnesjukdomar med tidig debut



Elektrofysiologiska och genetiska studier



Ärftliga näthinnesjukdomar är den vanligaste orsaken till allvarligt synhandikapp hos unga människor i dagens Sverige. De flesta av dessa sjukdomar kan ännu inte behandlas, men vi har under de senaste åren fått allt större insikt i de bakomliggande sjukdomsmekanismerna, tack vare att många av de gener som orsakar sjukdomarna har identifierats.



Symptomen vid ärftliga näthinnesjukdomar är i många fall diffusa och svårtolkade, varför det ofta, särskilt hos barn, kan vara svårt att klargöra diagnosen. Synproblemen yttrar sig sällan som en synnedsättning som vi kan upptäcka med ett vanligt syntest, utan problemen kan istället avspeglas i en allmän klumpighet, mörkerrädsla eller ljuskänslighet. För att det synskadade barnet inte ska missuppfattas av sin omgivning är det av största vikt att diagnosen klargörs på ett tidigt stadium. En korrekt diagnos gör att vi kan öka omgivningens förståelse för synhandikappet och barnet kan få hjälp i form av effektiva stödinsatser under skolåren.



Elektrofysiologiska metoder, vilka objektivt mäter näthinnans funktion, är värdefulla hjälpmedel i diagnostiken av ärftliga näthinnesjukdomar. I de sex studier som presenteras i denna avhandling beskrivs den kliniska bilden, inklusive resultaten från elektrofysiologiska undersökningar, vid fem olika ärftliga näthinnesjukdomar, vilka vanligtvis debuterar i barnaåren. Den kliniska diagnosen har bekräftats med hjälp av genetisk analys. Samtliga sjukdomar orsakas av mutationer i gener vilka har identifierats mellan år 1995 och år 2000.



Bakgrund



Ögats insida täcks baktill av en genomskinlig hinna kallad näthinnan, vilken består av flera lager celler. De mest välkända cellerna är de ljuskänsliga fotoreceptorerna, kallade tappar och stavar. I fotoreceptorerna finns ämnen som vid ljuspåverkan startar en kedjereaktion i cellen som resulterar i att ljuset omvandlas till en elektrisk signal. Den elektriska signalen skickas sedan, via synnerven och synbanan, in till syncentrum i bakre delen av hjärnan.



I näthinnan finns viktiga ämnen, proteiner (äggviteämnen), som är nödvändiga för en normal näthinnefunktion. Proteinerna bildas efter avläsning av våra gener. Om det uppstår skador, mutationer, i gener som kodar för viktiga näthinneproteiner, kan det uppstå en ärftlig näthinnesjukdom. Mutationer i olika gener påverkar ofta näthinnefunktionen på olika sätt och kan därmed resultera i skilda sjukdomar. En gen kan även innehålla olika typer av mutationer, vilka kan medföra en varierande skada på proteinet, och därmed skiftande näthinnepåverkan.



Metoder



Genom att utföra genotyp-fenotypanalyser på patienter med ärftliga näthinnesjukdomar kan vi nå ökad insikt i hur ett bestämt proteinfel påverkar näthinnan. Genotypen är den bestämda mutationen i en viss gen. Fenotypen är det kliniska uttrycket av sjukdomen, näthinnans funktion i dessa fall.



För att beskriva fenotypen använder vi oss av det faktum, att det uppkommer elektriska spänningsförändringar, då man stimulerar näthinnan med ljus. De tre undersökningsmetoder vi använder oss av är full-fälts ERG (elektroretinografi), EOG (elektrooculografi) och multifokal-ERG.



Vid full-fälts ERG mäter vi hela näthinnans funktion. Genom att stimulera näthinnan med ljus av olika styrka, frekvens och intensitet kan vi uppmäta svar från olika celltyper i näthinnan. Svaret avläses från en kontaktlins på ögats hornhinna.



Vid EOG mäter vi den spänning som normalt föreligger mellan ögats främre och bakre del, och som varierar i ljus och mörker. Spänning byggs upp av ögats pigmentepitel, ett tunnt cellskikt strax under tapparna och stavarna. Om pigmentepitelet är sjukt blir EOG-värdet nedsatt.



För att mäta funktionen i centrum av näthinnan (tapparna i gula fläckenområdet) använder vi en metod som kallas multifokal-ERG (MERG).



Patientens genotyp kan vi bestämma genom att undersöka arvsmassan. Hela vår arvsmassa finns i cellkärnorna i kroppens alla celler. Vi kan i ett blodprov från patienten undersöka gener som är viktiga i näthinnan. Eftersom vi har cirka 30000 olika gener måste vi på förhand veta i vilka gener vi ska söka efter mutationer. Med utgångspunkt från våra resultat från den föregående elektrofysiologiska undersökningen väljer vi att söka efter mutationer i en eller ett par olika gener.



Studier



I studie I och IV undersöktes patienter med Bests sjukdom, en sjukdom som drabbar pigmentepitelet och som leder till nedsatt central synskärpa i unga år. Genen för Bests sjukdom, kallad VMD2-genen eller bestrophin-genen, identifierades 1998. VMD2 kodar för ett för oss tidigare okänt protein i näthinnans pigmentepitel.



I studie I presenteras 13 patienter från tre olika familjer med olika mutationer i VMD2. De undersökta patienterna uppvisade en liknande klinisk bild med debut av synnedsättning i unga år, en varierande men måttlig nedsättning av synskärpan och ett stationärt förlopp i ett senare skede av sjukdomen. Samtliga patienter hade ett nedsatt EOG-värde. Proteinfelen hos dessa tre familjer var alla belägna i viktiga delar av bestrophin-proteinet.



I studie IV presenteras en familj med en ny mutation i VMD2. De flesta patienterna i familjen drabbades av synnedsättning först i 40-50-årsåldern, d.v.s. de debuterade ovanligt sent i livet. Den senarelagda debuten av sjukdomen kan bero på att proteinfelet hos familjen sannolikt är av lindrigare typ och därmed fungerar bestrophin-proteinet bra under en stor del av livet. En intressant observation från studien är en pojke med nedsatt EOG-värde, men utan den sjukdomsorsakande mutationen. Slutsatsen härav är, att man vid misstanke om Bests sjukdom, för säker diagnos bör analysera både EOG-värdet och VMD2.



I studie II beskrivs fem patienter med Batten/Spielmeyer-Vogts sjukdom, en sjukdom som debuterar med synnedsättning i 4-8-årsåldern. Efter något år får barnen ofta epilepsi och tilltagande demens. De dör ofta tidigt. Sjukdomen orsakas av mutationer i CLN3-genen, vilken identifierades 1995. En majoritet av patienterna med sjukdomen har en speciell mutation i CLN3 (1.02 kb deletion). Det har visat sig att patienter med enbart en uppsättning av denna mutation kan få en lindrigare sjukdomsbild. Rapporter finns om patienter som levt blinda, men i övrigt friska, upp i medelåldern.



I studien undersöktes näthinnefunktionen med full-fälts ERG hos de fem patienterna, varav tre hade dubbel och två hade enkel uppsättning av mutationen i CLN3. En uttalad näthinneförtvining i unga år kunde konstateras hos båda patientgrupperna. Det visade sig däremot, att patienterna med enkel uppsättning av mutationen debuterade senare med både synproblem och neurologiska symptom, jämfört med patienterna med dubbel mutationsuppsättning. Sannolikt beror den lindrigare sjukdomsbilden på att det finns en viss kvarstående funktion av CLN3-proteinet hos patienter med enkel mutationsuppsättning.



I studie III undersöktes 30 patienter med juvenil X-bunden retinoschis, en sjukdom som enbart drabbar pojkar och som leder till en skiktbildning av näthinnan. Sjukdomen debuterar vanligtvis i förskoleåldern och leder till varierande grad av synnedsättning. Diagnosen är ofta svår att fastställa, eftersom sjukdomen uppvisar en stor variabilitet och ofta diskreta ögonbottenfynd. Genen för sjukdomen, kallad XLRS1-genen, identifierades 1997. XLRS1 kodar för ett tidigare okänt näthinneprotein, vilket frisätts från fotoreceptorerna och har en ännu okänd funktion i den inre delen av näthinnan.



I studien undersöktes näthinnefunktionen hos patienter med sju olika mutationer i XLRS1. Det framkom en stor variation i den kliniska bilden mellan, men även inom, familjer med olika mutationer i XLRS1. Detta talar för att det sannolikt finns andra faktorer som påverkar sjukdomsförloppet förutom mutationstypen. Det visade sig att full-fälts ERG är en värdefull metod för att bekräfta diagnosen, men för en säker diagnos bör i nuläget både full-fälts ERG och genetisk analys av XLRS1 utföras på pojkar med oklar synnedsättning.



I studie V undersöktes två familjer, vardera med två syskon, med Stargardts sjukdom. Sjukdomen leder till förtvining av fotoreceptorerna, framförallt i gula fläcken, och medför nedsatt synskärpa, främst försämrad lässyn. Genen för sjukdomen, kallad ABCA4-genen, identifierades 1997. ABCA4 kodar för ett protein i fotoreceptorerna, kallat ABCR-proteinet. Under de senaste åren har det visat sig att mutationer i ABCA4 även kan resultera i allvarligare näthinnesjukdomar, vilka drabbar fotoreceptorerna i hela näthinnan.



Familjerna som undersöktes uppvisade en varierande utbredning av näthinnesjukdomen, vilket kunde bekräftas med full-fälts ERG och multifokal-ERG. I familj B var näthinnepåverkan begränsad till gulafläckenområdet, medan familj A uppvisade en mer utbredd påverkan av näthinnefunktionen. Sannolikt beror skillnaden på att familjerna har olika svårighetsgrad av ABCA4-mutationerna, vilket därmed resulterar i olika grad av fungerande ABCR-protein. Tyvärr kunde endast en misstänkt mutation i ABCA4 identifieras.



I studie VI undersöktes 10 patienter med komplett akromatopsi (total färgblindhet) och en patient med blå-monokromasi (enbart stavarna och de blå tapparna fungerar). Vid komplett akromatopsi föds barnen utan fungerande tappar, vilket medför kraftig central synnedsättning, total avsaknad av färgseende och uttalad ljuskänslighet. Två gener har nyligen identifierats för komplett akromatopsi, kallade CNGA3 och CNGB3 (identifierade 1998 respektive 2000), vilka kodar för två viktiga proteiner i en kanal i tapparna.



I studien undersöktes patienter från åtta olika familjer med sex olika mutationskombinationer i CNGA3/CNGB3. Patienter med olika mutationer visade en liknande sjukdomsbild, vilket bekräftar att både CNGA3 och CNGB3-proteinerna har avgörande betydelse för tapparnas funktion. Hos några av de yngre patienterna kunde små kvarvarande tappsvar uppmätas och hos den äldsta patienten i studien (47 år) kunde tecken till en mer uttalad näthinnepåverkan ses. De senare fynden indikerar att en del patienter med sjukdomen, en sjukdom som vi tidigare betraktat som stationär, eventuellt kan uppvisa en lättare progress över åren.



Sammanfattningsvis kan konstateras, att elektrofysiologiska undersöknings-metoder i kombination med genetisk diagnostik gör det möjligt för oss att idag diagnostisera patienter med ärftliga näthinnesjukdomar på ett tidigt stadium. Vi har under de senaste åren fått ökad insikt i sjukdomarnas genetiska bakgrund, i och med att många av de gener som orsakar sjukdomarna har identifierats. Vår uppgift är nu att försöka klargöra de skadade proteinernas funktioner, kunskap som är grundläggande för att vi på sikt ska kunna utveckla fungerande behandlingsmetoder. Genotyp-fenotypanalyserna i de studier som presenteras i denna avhandling utgör en länk i detta forskningsarbete.

• author: Eksandh, Louise
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Ph D. Skoog, Klas-Olav, Department of Ophthalmology, University Hospital Linköping, S-581 85 Linköping, Sweden
• organization: Ophthalmology, Lund
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ophthalmology
• keywords: Oftalmologi, Ophtalmology, Rod-monochromacy, Stargardt disease, Juvenile X-linked retinoschisis, Spielmeyer-Vogt disease, Best disease, multifocal-ERG, EOG, full-field ERG, Phenotype, genotype
• pages: 121 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocenter, Lund
• defense date: 2001-11-08 10:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e5050e31-5102-4ffe-ac2a-6044e83a8528 (old id 41952)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:22:17
• date last changed: 2018-11-21 21:04:23