Adenine Phosphoribosyltransferase Deficiency: Prevalence and Clinical Outcomes

Abstract

Adenine phosphoribosyltransferase (APRT) deficiency is a rare autosomal recessive disorder of adenine metabolism that results in the generation and renal excretion of large amounts of the poorly soluble 2,8-dihydroxyadenine (DHA), causing kidney stones and crystal nephropathy which can progress to end-stage kidney disease (ESKD). Treatment with the xanthine oxidoreductase (XOR) inhibitors allopurinol and febuxostat is beneficial but has been underutilized due to missed or delayed diagnosis and guidance for clinical management has been lacking. Information is scarce on the true prevalence of APRT deficiency, the course of the disease, the characteristics of DHA excretion and the response to treatment. The aims of this thesis were to estimate the prevalence of APRT deficiency, examine the reasons for missed diagnosis and study long-term renal outcomes, the course following kidney transplantation and effect of timely intervention, particularly when initiated in childhood. Furthermore, to use a novel UPLC-MS/MS assay to study the urinary excretion of DHA in APRT deficiency patients, heterozygotes and healthy control subjects, to test the sensitivity and specificity of the assay for diagnosis of the disorder and to examine the effect of dietary purine modification and treatment with allopurinol and febuxostat on urinary DHA excretion. In Paper I, all reported and registered cases of APRT deficiency and pathogenic APRT mutations were identified through a search of multiple online sources. Population-based genomic databases were searched for all known disease-causing mutations and the frequency of homozygous genotypes calculated assuming the Hardy-Weinberg equilibrium. The studies described in Papers II-V were based on observational data collected from participants enrolled in the APRT Deficiency Registry of the Rare Kidney Stone Consortium. Four additional patients were referred to the research program from institutions in France and Australia. In Papers II, VI and VII, data and matching biosamples from the APRT Deficiency Registry and Biobank were used for the analysis of urinary DHA excretion using the UPLCMS/ MS assay. Descriptive statistics were used to present the data and groups were compared employing conventional statistical methods. Correlation analysis was performed using Pearson´s or Spearman´s correlation coefficients (r). A total of 438 cases of APRT deficiency were identified worldwide, including 250 in Japan, 37 in Iceland, 33 in France and 26 in the US, together vi with 62 pathogenic mutations in the APRT gene. The prevalence of APRT deficiency appears to be much higher in Iceland and Japan than in other populations, clearly due to a founder effect. Other mutations were rare, but their frequency nevertheless suggests that the disease may be more common in some areas than reflected by the number of reported cases. The median (range) delay between the first symptoms and diagnosis of the disease was 7.5 (0.4-47.9) years. Half of the patients referred to the APRT Deficiency Research Program with stone analysis suggesting DHA had been incorrectly diagnosed with the disorder. Nephrolithiasis was the most common clinical manifestation, observed in 55% of patients at diagnosis, while 38% had chronic kidney disease (CKD) stages 3-5 and one-third had acute kidney injury (AKI). No patients who initiated XOR inhibitor treatment in childhood progressed to CKD stage 3 or above. Patients receiving XOR inhibitor treatment prior to kidney transplantation had a median (range) eGFR of 61.3 (24.0–90.0) mL/min/1.73 m2 at two years post-transplant compared with 16.2 (10.0–39.0) mL/min/1.73 m2 in those who did not initiate drug treatment pre-transplant (p=0.009). Urinary DHA excretion was high but variable in patients with APRT deficiency, whereas DHA was not detected in urine samples from heterozygotes and healthy individuals. Hence, the urinary assay yielded 100% sensitivity and specificity for the diagnosis of the disease. The correlation coefficient between 24-h urinary DHA excretion and the DHA-to-creatinine ratio in first morning void urine samples was 0.84 (p<0.001). No effect of dietary purine intake on urinary DHA excretion was observed, while treatment with allopurinol 400 mg/day and febuxostat 80 mg/day significantly reduced DHA excretion. APRT deficiency is a rare disease but appears to be underdiagnosed in some areas of the world. Nephrolithiasis was found to be the most common clinical manifestation, though progressive CKD and AKI are more frequent than previously reported. Indeed, advanced CKD is a major feature of APRT deficiency, commonly resulting in ESKD. Timely initiation of XOR inhibitor therapy preserves kidney function and prevents recurrence of DHA nephropathy in kidney allografts. The novel UPLC-MS/MS urinary DHA assay appears very accurate in the diagnosis of APRT deficiency, in addition to being useful for monitoring of pharmacotherapy. The work presented in this thesis has significantly advanced the field of APRT deficiency and will hopefully lead to improved outcomes for patients affected by this serious disease.

Adenínfosfóríbósýltransferasa (APRT)-skortur er sjaldgæfur galli í efnaskiptum adeníns sem erfist víkjandi og leiðir til myndunar mikls magns af 2,8-díhýdroxýadeníns (DHA) og útskilnaðar þess í þvagi, en efnið er mjög torleyst og veldur bæði nýrnasteinum og kristallanýrnameini sem leiðir til langvinns nýrnasjúkdóms (LNS) og jafnvel lokastigsnýrnabilunar (LSNB). Röng sjúkdómsgreining eða alvarleg greiningartöf veldur því að sjúklingar fá oft ekki rétta meðferð í tíma. Meðferð með xanþínoxidóredúktasa (XOR)- hemlunum allópurínóli og febuxóstati getur dregið verulega úr afleiðingum sjúkdómsins. Takmarkaðar leiðbeiningar um meðferð APRT-skorts eru fyrirliggjandi. Þá skortir upplýsingar um algengi APRT-skorts, framrás sjúkdómsins, útskilnað DHA í þvagi og svörun við lyfjameðferð. Markmið með þessari ritgerð voru að meta algengi APRT-skorts, kanna ástæður fyrir rangri greiningu og meta framrás nýrnasjúkdómsins, framvindu eftir ígræðslu nýra og áhrif þess að hefja meðferð með XOR-hemli snemma, einkum í æsku, á sjúkdómsbyrði. Einnig að beita nýrri aðferð sem byggir á háhraðavökvaskilju tengdri tvöföldum massagreini til að rannsaka útskilnað DHA í þvagi hjá sjúklingum með APRT-skort og bera þá saman við arfbera og heilbrigða einstaklinga til að meta næmi og sértæki aðferðarinnar til sjúkdómsgreiningar. Loks var eitt markmiða að skoða áhrif breytilegs magns púrína í fæðu og meðferðar með allópúrínóli og febúxóstati á útskilnað DHA í þvagi. Í grein I var reynt að hafa upp á öllum þekktum tilfellum APRT-skorts og meinvaldandi breytileikum í APRT-geninu með heimildaleit í margvíslegum gagnagrunnum sem aðgengilegir eru á Internetinu. Þá var leitað að öllum þekktum meinvaldandi stökkbreytingum í lýðgrunduðum arfgerðarsöfnum og tíðni arfhreinna einstaklinga reiknuð út frá lögmáli Hardy og Weinberg. Greinar II-V fjölluðu um þýðisrannsóknir sem byggðar voru á gögnum er safnað var frá þátttakendum í APRT Deficiency Registry, en það er alþjóðleg skrá yfir sjúklinga með APRT-skort sem tilheyrir Rare Kidney Stone Consortium. Fjórum sjúklingum til viðbótar var vísað til þátttöku í rannsókninni frá stofnunum í Frakklandi og Ástralíu. Í greinum II, VI og VII voru gögn úr APRT Deficiency Registry og pöruð lífsýni úr lífsýnabanka skrárinnar notuð til rannsóknar á útskilnaði DHA í þvagi sem mældur var með háhraðavökvaskilju tengdri tvöföldum massagreini. Lýsandi tölfræði var beitt og hefðbundnar tölfræðilegar aðferðir notaðar við samanburð hópa. Fylgnigreining var gerð með fylgnistuðlum Pearsons eða Spearmans (r). Alls fundust 438 tifelli af APRT-skorti um allan heim, þar af 250 í Japan, 37 á Íslandi, 33 í Frakklandi og 26 í Bandaríkjunum, ásamt 62 meinvaldandi breytileikum í APRT-geninu. Algengi APRT-skorts virðist mun hærra á Íslandi og í Japan en í öðrum löndum, líklega vegna landnemastökkbreytinga. Aðrar stökkbreytingar reyndust mjög fátíðar en tíðni þeirra bendir þó til að sjúkdómurinn sé víða algengari en fjöldi greindra tilfella gefur til kynna. Töf á sjúkdómsgreiningu frá upphafi einkenna var algeng og var miðgildi (spönn) tímalengdar 7,5 (0,4-47,9) ár. Helmingur sjúklinga sem taldir voru hafa APRT-skort á grunni steinagreiningar reyndist hins vegar ekki hafa sjúkdóminn. Við greiningu voru 55% sjúklinga með nýrnasteina en 38% höfðu LNS á stigi 3-5 og þriðjungur bráðan nýrnaskaða (BNS). Enginn þeirra sjúklinga sem hóf meðferð með XOR-hemli á barnsaldri greindist með LNS á stigi 3 eða hærra. Sjúklingar sem fengu meðferð með XOR-hemli fyrir nýraígræðslu höfðu miðgildi reiknaðs gaukulsíunarhraða (r-GSH) 61,3 (24,0- 90,0) ml/mín./1,73 m2 tveimur árum eftir ígræðsluaðgerðina, samanborið við 16,2 (10,0-39,0) ml/mín./1,73 m2 hjá þeim sem ekki hófu lyfjameðferð fyrir ígræðslu (p=0,009). DHA-útskilnaður í þvagi var mikill en breytilegur hjá sjúklingum með APRT-skort en DHA fannst hvorki í þvagsýnum frá arfblendnum né heilbrigðum einstaklingum. Aðferðin var því bæði 100% næm og sértæk til greiningar á APRT-skorti. Fylgnistuðullinn milli 24 klukkustunda DHA-útskilnaðar og DHA/kreatínín-hlutfalls í fyrsta morgunþvagi var 0,84 (p <0,001). Engin áhrif af neyslu púrína á DHA-útskilnað í þvagi komu fram, en meðferð með allópúrínóli 400 mg á dag og febúxóstati 80 mg daglega dró marktækt úr útskilnaði DHA. APRT-skortur er sjaldgæfur sjúkdómur sem virðist þó vera vangreindur sums staðar í heiminum. Nýrnasteinar eru algengasta birtingarmynd sjúkdómsins en BNS og ágengur LNS án sögu um nýrnasteina eru algengari en áður var talið. Ágengur LNS er ein helsta afleiðing APRT-skorts og leiðir oft til LSNB. Sé meðferð með XOR-hemli hafin snemma tekst að varðveita nýrnastarfsemi og koma í veg fyrir endurkomu DHA-kristallanýrnameins í ígræddum nýrum. Ný aðferð til mælingar á DHA í þvagi virðist vera mjög nákvæm við greiningu á APRT-skorti, auk þess að vera gagnleg til mats á virkni lyfjameðferðar. Rannsóknirnar sem fjallað er um í þessari ritgerð hafa aukið verulega við þekkingu á APRT-skorti og munu vonandi leiða til bættrar útkomu fyrir einstaklinga með þennan alvarlega sjúkdóm.