PMC

Teratogeneze způsobená nedostatkem biotinu

Ačkoli nedostatek biotinu natolik závažný, aby způsobil vypadávání vlasů, dermatitidu nebo dysfunkci centrálního nervového systému, nebyl v lidském těhotenství nikdy zaznamenán, několik pozorování vyvolává obavy, že mezní stupně nedostatku biotinu mohou být u lidí teratogenní (7). Tato diskuse poskytuje přehled současných poznatků a zjištění týkajících se stavu biotinu během lidského těhotenství a pokouší se dát do souvislosti potenciální mechanismy teratogeneze způsobené nedostatkem biotinu (obr. 1).

Deficit biotinu je teratogenní u několika druhů zvířat při stupních nedostatku, které nevyvolávají žádné fyzické nálezy u březích zvířat, včetně kuřat, krůt a myší (8). Nedostatek biotinu způsobuje u myší rozštěp rtu a rozštěp patra a narušuje růst dlouhých kostí kostry. Slabý placentární transport biotinu u člověka může predisponovat k nedostatku biotinu u plodu. Studie naší laboratoře a dalších (9,10) poskytly důkaz, že transport biotinu přes lidskou placentu je pomalý a nevytváří podstatný gradient mezi matkou a plodem.

Snížená aktivita enzymů acetyl-CoA karboxylázy (ACC)4 I a II a propionyl-CoA karboxylázy (PCC) závislých na biotinu může způsobit změny v metabolismu lipidů a teoreticky může vést k poruše syntézy PUFA a prostaglandinů. Nedostatek kyseliny arachidonové a prostaglandinů je teratogenní. Například teratogenní účinky glukokortikoidů nebo fenytoinu (dilantinu), které způsobují rozštěp patra u citlivých kmenů myší (11,12), působí alespoň částečně prostřednictvím nedostatku kyseliny arachidonové a prostaglandinů. Glukokortikoidy a fenytoin působí prostřednictvím proteinu inhibujícího fosfolipázu A2 a inhibují uvolňování kyseliny arachidonové z membránových fosfolipidů zprostředkované fosfolipázou A2 (13). Tento nedostatek kyseliny arachidonové vede k nedostatečné syntéze produktů prostaglandinů v cyklooxygenázové dráze (např. prostaglandin E2), které jsou potřebné pro správný růst, elevaci a fúzi patrových plotének. Kyselina arachidonová podávaná subkutánně myší matce snižuje výskyt teratogeneze glukokortikoidy a fenytoinem na polovinu. Podobné snížení teratogeneze způsobuje kyselina arachidonová poskytovaná v plodové kultuře (14). Navíc inhibitory cyklooxygenázy (např. indometacin, aspirin, fenylbutazon) ve vysokých dávkách ve fetální kultuře způsobují přímo rozštěp patra; v nižších dávkách zvrátí zlepšující účinky kyseliny arachidonové (15). Studie Watkinse a spol. (16) ukázaly, že defekty skeletu u mláďat s nedostatkem biotinu jsou způsobeny poruchami metabolismu (n-6) mastných kyselin, zejména sníženým obsahem metafyzárního prostaglandinu E2. Účinky na složení mastných kyselin v kostech a chrupavkách se pravděpodobně týkají savců obecně a zejména lidského plodu. U kojenců s nedostatkem biotinu (17) a potkanů s nedostatkem biotinu (18,19) byly zjištěny abnormality ve složení a metabolismu (n-6) mastných kyselin. Navíc ve studii interakce stravy provedené na potkanech (20) suplementace PUFA téměř zcela zabránila kožním projevům nedostatku biotinu.

Vlivy na genovou expresi by mohly působit synergicky nebo namísto účinků na aktivitu karboxylázy a zprostředkovávat teratogenní účinky nedostatku biotinu. Jak uvádí Zempleni (21), nedostatek biotinu snižuje množství K12-biotinylovaného histonu H4 (K12BioH4) a K9-biotinylovaného histonu H2A (K9BioH2A) v lidských a zvířecích retrotranspozicích. Snížené množství biotinylovaných histonů v těchto lokusech zvyšuje transkripční aktivitu retrotranspozonů, produkci virových částic a četnost retrotranspozic a chromozomálních abnormalit. Vyslovil hypotézu, že genomická nestabilita u myší a lidí s nedostatkem biotinu může být příčinou malformací plodu.

Ať už jsou mechanismy na buněčné a molekulární úrovni jakékoliv, Zempleni a Mock (8) přezkoumali přesvědčivé důkazy, včetně průkopnických pozorování Watanabeho, že nedostatek biotinu u matky je vysoce teratogenní u myší při stupních nedostatku, které u myší matky nevyvolávají žádné příznaky.

Ve studii naší skupiny na myších CD-1 (22) byl stav biotinu u matky kontrolován podáváním stravy s různým obsahem vaječného bílku. Tato a další zde popsané studie na zvířatech byly individuálně schváleny Výborem pro péči o zvířata a jejich použití na University of Arkansas for Medical Sciences.

Ačkoli se u matek neobjevily žádné zjevné příznaky nedostatku, vylučování biotinu se snižovalo a vylučování kyseliny 3-hydroxyisovalerové (3HIA) se zvyšovalo se zvyšující se koncentrací vaječného bílku; míra rozštěpu patra a hypoplazie končetin se blížila 100 % při koncentraci vaječného bílku >5 %. Byly použity následující 3 kontrolní diety: 1) nečištěná strava hlodavců, 2) 0% vaječný bílek a 3) 25% vaječný bílek doplněný dostatečným množstvím biotinu, aby obsadil všechna vazebná místa avidinu a ještě poskytl nadbytek volného biotinu. Všechny 3 skupiny měly podobně nízký výskyt malformací (<3 %).

Stav biotinu u plodu významně koreloval se stavem biotinu u matky, posuzovaným podle jaterního biotinu a aktivity PCC; aktivita PCC u deficitních plodů však byla snížena na ∼20 % deficitních matek. Při následném zkoumání mechanismu snížené aktivity karboxylázy u plodů a matek (23) vedla 5% dieta s vaječným bílkem k očekávanému vysokému výskytu malformací bez zjevných známek nedostatku u matek. U deficientních matek bylo množství jaterních holokarboxyláz pro jaterní ACC, pyruvátkarboxylázu, PCC a β-methylkrotonyl-CoA karboxylázu (MCC) pouze poloviční oproti dostatečným matkám; u deficientních plodů bylo množství jaterních holokarboxyláz <10 % dostatečných plodů. U ACC, PCC, MCC a holokarboxylázy syntetázy se množství mRNA mezi deficientními a dostatečnými plody nebo matkami nelišilo. Pozorované snížení aktivity a hmotnosti biotinylovaných karboxyláz koexistující s normální expresí genů pro karboxylázy podporuje mechanismus, kdy nedostatek biotinu u matky vede k nedostatku dostatečného množství biotinu pro biotinylování apokarboxyláz v plodu, a to navzdory normální expresi genů kódujících apokarboxylázy a syntetázu holokarboxyláz. Relativní zachování aktivity karboxyláz matky naznačuje, že omezené množství biotinu, které je k dispozici pro biotinylování proteinů, je sekvestrováno v játrech matky. Zdá se, že myší plod je na rozdíl od své schopnosti vychytávat některé další mikronutrienty neefektivním parazitem biotinu matky.