Plasma phospholipidome analysis reveals a different profile between children with phenylketonuria and healthy children

Abstract

Phenylketonuria (PKU) is the most prevalent innate error in amino acid metabolism. PKU is characterized by the deficiency of a phenylalanine (Phe) metabolism enzyme, phenylalanine hydroxylase, which is responsible for the conversion of Phe into tyrosine (Tyr). Deficiency of this enzyme causes the accumulation of Phe, which may cause severe cognitive impairment. Early diagnosis through neonatal screening and a rapid therapeutic implementation are essential to prevent irreversible sequelae. Therapeutic approach for PKU is based on strict control of Phe intake through a lifelong diet restricted in proteinrich food. High dietary restrictions can lead to imbalances in other nutrients, notably lipids. Previous plasma/serum and red blood cells studies of PKU patients with Phe-restricted diet revealed lipid changes, namely in lipoprotein’s components and fatty acid profile. Despite the changes already reported, further studies are needed to understand in detail the changes in the lipid profile of PKU patients, particularly at the level of phospholipids, which also have important signalling and regulatory functions. Thus, the main aim of this work was to study the phenylketonuric phospholipidome in order to identify the occurrence of changes in lipid profile. To this end, the plasma phospholipidenriched extracts obtained from PKU and healthy children (control group, CT) were analysed by HILIC-MS/MS and GC-MS. Using this approach, 187 lipid species belonging to 9 different phospholipid classes and 3 ceramides were identified. Principal component analysis of lipid species dataset showed a distinction between PKU and CT groups. Univariate analysis revealed that 146 phospholipid species were significantly different between groups. The species with major variation included phosphatidylcholines (PC), bearing polyunsaturated fatty acids (PUFA), which were more abundant in the PKU group. For patients with diet supplemented with PUFA, the higher level of PUFA-containing lipid species may be related with such supplementation. This study was the first report comparing the plasma polar lipidome of PKU and healthy children, highlighting that the phospholipidome of PKU children is significantly altered when compared with healthy children. In conclusion, the lipidomic approach used in this work allowed the analysis and identification of the phospholipid profile of PKU and healthy children. However, further studies with larger cohorts are needed to clarify if the changes identified are specific to the phenylketonuric children, namely those with PUFA supplementation.

A fenilcetonúria (PKU) é o erro inato mais prevalente no metabolismo de aminoácidos. A PKU é caracterizada pela deficiência de uma enzima do metabolismo da fenilalanina (Phe), a fenilalanina hidroxilase, a qual é responsável pela conversão de Phe em tirosina (Tyr). A deficiência desta enzima causa a acumulação de Phe, podendo causar um comprometimento cognitivo grave. Assim, o diagnóstico precoce através do rastreio neonatal e uma rápida implementação do tratamento são essenciais para evitar sequelas irreversíveis. A abordagem terapêutica usada na PKU baseia-se no controlo rigoroso do aporte de Phe através uma dieta restrita em alimentos ricos em proteínas que deve ser mantida durante toda a vida. As elevadas restrições na dieta podem levar a desequilíbrios noutros nutrientes, nomeadamente em lípidos. Estudos anteriores com plasma/soro e glóbulos vermelhos de pacientes com PKU com dieta restrita em Phe revelaram alterações lipídicas, nomeadamente nos componentes de lipoproteínas e no perfil de ácidos gordos. Apesar das alterações já reportadas, são necessários mais estudos para compreender em detalhe as alterações no perfil lipídico de pacientes com PKU, nomeadamente a nível dos fosfolípidos, os quais também têm importantes funções de sinalização e regulação. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi estudar o fosfolipidoma de fenilcetonúricos, a fim de identificar a ocorrência de alterações no perfil lipídico. Para tal, extratos plasmáticos enriquecidos em fosfolípidos obtidos a partir de crianças com PKU e de crianças saudáveis (grupo controlo, CT) foram analisados por HILICMS/MS e GC-MS. Deste modo, foram identificadas 187 espécies lipídicas pertencentes a 9 classes diferentes de fosfolípidos e 3 ceramidas. A análise de componentes principais do conjunto de dados das espécies lipídicas mostrou uma distinção entre os grupos PKU e CT. A análise univariada revelou que 146 espécies de fosfolípidos foram significativamente diferentes entre os dois grupos. As espécies com maior variação incluíram principalmente fosfatidilcolinas, contendo ácidos gordos polinsaturados (PUFA), estando estas mais abundantes no grupo PKU. Para doentes com uma dieta suplementada com PUFA, os níveis elevados de espécies contendo PUFA podem estar relacionados com a suplementação. Este estudo foi o primeiro a comparar o lipidoma polar plasmático de crianças com PKU e de crianças saudáveis, realçando que o fosfolipidoma de crianças com PKU está significativamente alterado quando comparado com crianças saudáveis. Em suma, a abordagem lipidómica usada neste estudo permitiu a análise e identificação do perfil fosfolipídico de crianças com PKU e de crianças saudáveis. Contudo, mais estudos são necessários para esclarecer se alterações identificadas são específicas de crianças fenilcetonúricas, nomeadamente daquelas que fazem suplementação com PUFA.