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La prevalenza è stimata in circa 1/150.000 nati vivi, sulla base dei dati, pubblicati e non, ricavati dagli screening neonatali.

La MSUD classica esordisce nei primi giorni di vita con difficoltà all'alimentazione e sonnolenza, seguiti da un'encefalopatia ingravescente con letargia, apnea intermittente, movimenti stereotipati (del tipo "tirare di scherma" e "andare in bicicletta") e opistotono. Il coma e l'insufficienza respiratoria centrale sopraggiungono tra i 7 e i 10 giorni dopo la nascita. L'unica anomalia biochimica è rappresentata dalla chetosi. La MSUD intermedia assomiglia clinicamente alla MSUD classica, ma può esordire successivamente e presentare sintomi meno gravi. I pazienti affetti da MSUD intermittente sono asintomatici alla nascita, ma possono mostrare episodi di scompenso acuto o sviluppare sintomi neurologici e ritardo dello sviluppo durante l'infanzia. La MSUD tiamina-sensibile è clinicamente simile alla MSUD intermedia ed è caratterizzata da una maggiore tolleranza alimentare alla leucina dopo terapia con tiamina.

La MSUD è dovuta alle mutazioni dei geni che codificano per le subunità E1a, E1b e E2 del complesso della 2-chetoacido deidrogenasi a catena ramificata (BCKAD), coinvolte nella seconda tappa di degradazione enzimatica degli aminoacidi a catena ramificata (BCAA): leucina, isoleucina e valina. La BCKAD ha quattro subunità: E1a, E1b, E2 e E3, codificate dai geni BCKDHA (19q13.1-q13.2), BCKDHB (6q14.1), DBT (1p31) e DLD (7q31-q32). Le mutazioni di questi geni comportano un accumulo di BCCA (in particolare leucina) e dei loro alfa-chetoacidi a catena ramificata. Le mutazioni della subunità E3 del gene (DLD) non si associano alla MSUD, ma causano un deficit di piruvato deidrogenasi E3 (si veda questo termine). In un solo caso lieve di MSUD intermedia, è stata descritta una mutazione del gene PPM1K (4q22.1).

La MSUD ha una trasmissione autosomica recessiva ed è possibile la consulenza genetica.