Review
Management of inherited and acquired
von Willebrand disorders
Augusto B Federici
Centro Emofilia Trombosi Angelo Bianchi Bonomi, Dipartimento di Medicina interna e Specialità
Mediche, Fondazione IRCCS Ospedale Maggiore Policlinico Mangiagalli, Regina Elena e Università di
Milano, Italia
This Review was partly presented at the SIMTI Interregional Congress, held in Brescia, Italy (10-12 November 2005).
Introduction
Introduzione
When Erik von Willebrand in 1926 described a novel
bleeding disorder in a large family from Foglo on the islands
of Aland in the Gulf of Bothnia, he provided an impressive
and exhaustive description of its clinical and genetic features.
Unlike haemophilia, the epitome of inherited bleeding
disorders, both sexes were affected, and mucosal bleeding
was the dominant symptom. Prolonged bleeding time (BT)
with normal platelet count was the most important laboratory
abnormality and a functional disorder of the platelets
associated with systemic lesion of the vessel wall was
suggested as a possible cause of the disorder. However, he
called the disease "hereditary pseudohaemophilia". To further
complicate the issue, some Authors subsequently called the
disorder "vascular haemophilia".
Only in the 1950s, was it demonstrated that the
prolonged BT in these patients was associated with reduced
FVIII, but we had to wait until the 1970s to clarify that the
deficiency of a new factor, called von Willebrand factor
and different from FVIII, was actually responsible for the
disease. Surprisingly, the reduction of this factor caused
low FVIII, pointing to the close relationships between the
two proteins. In the 1980s, the cloning of the VWF gene set
the basis for unravelling the molecular causes of the
disorder.
Nel 1926, Erik von Willebrand descrisse, in una famiglia
numerosa di Foglo (isoleAland, Golfo di Botnia), una nuova
forma di coagulopatia, dando una illuminante ed esauriente
descrizione delle sue caratteristiche cliniche e genetiche. A
differenza dell'emofilia (esempio paradigmatico di disordine
ereditario della coagulazione), questa forma colpiva entrambi
i sessi e il sintomo prevalente era rappresentato dal
sanguinamento delle mucose. La più importante alterazione
di laboratorio consisteva in un tempo di emorragia (Bleeding
Time, BT) prolungato con conta piastrinica normale, facendo
ipotizzare che la causa della malattia fosse un'alterata funzione
piastrinica, associata a una lesione sistematica delle pareti
vasali. Peraltro, von Willebrand definì la malattia come
"pseudoemofilia ereditaria". A complicare ulteriormente il
problema, altriAutori la indicarono, in seguito, come "emofilia
vascolare".
Soltanto negli anni cinquanta, si dimostrò che il BT
prolungato si associava a una quantità ridotta di Fattore VIII
(FVIII), ma si è dovuto attendere sino agli anni settanta per
chiarire che responsabile della malattia era, in realtà, la
deficienza di un nuovo fattore, che venne chiamato fattore
von Willebrand (VWF), diverso dal FVIII.
Sorprendentemente, il decremento di VWF determinava
anche la riduzione di FVIII, sottolineando la stretta relazione
fra le due proteine. A metà degli anni ottanta, la clonazione
del gene VWF ha permesso di chiarire le cause molecolari
della malattia. La storia della malattia di von Willebrand (von
Willebrand Disease, VWD) è stata l'argomento di una
Rassegna1. Qui, nel 2006, cioè a ottant'anni di distanza dalla
sua prima descrizione, discutiamo i progressi e i problemi
della VWD ereditaria e della sua sindrome acquisita (AVWS).
Correspondence:
Prof. Associato Malattie del Sangue Augusto B. Federici
Centro Emofilia Trombosi Angelo Bianchi Bonomi,
Dipartimento di Medicina interna e Specialità Mediche,
Fondazione IRCCS Ospedale Maggiore Policlinico Mangiagalli,
Regina Elena e Università di Milano
Via Pace 9, 20122 Milano - Italia
E-mail: [email protected]
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Blood Transfus 2006; 4: 40-66
Management of inherited and acquired von Willebrand disorders
ENCODING REGIONS OF VWF
AND FUNCTIONAL DOMAINS
VWF gene in Chromosome 12
5’
bp 0
7
1000
16
2000
1-23
H2 N
3000
D2
5000
6000
7000
8000
Dimers
S-S
Multimers
S-S
163
D1
4000
3’
37
28
D’
D3
FVIII
A1
A2
A3
GPIb
Collagen
(Collagen)
Botrocetin
Heparin
Sulphatide
D4
9000
2813
C1 C2 CK COOH
B1
B2
B3
RGD
α IIbβ3
Figure 1 - Schematic representation of the VWF gene located in chromosome 12 together with the pseudogene in Chromosome 22.
The main exons are indicated with the number of base pairs from 5’ to 3’ (Above). DNA domain structure and pre-proVWF polipeptide: the pre-pro-VWF is indicated with amino acids numbered from the amino- (aa 1) to carboxy-terminal
portions (aa 2813) of VWF. Note the important CK and D3 domains for formation of VWF dimers and multimers (Below).
The native mature subunit of VWF, after the cleaving of the pre-pro VWF, is described with its functional domains: the
VWF binding sites for factor VIII (D’ and D3), GpIb, botrocetin, heparin, sulfatide, collagen (A1), collagen (A3) and the
RGD sequence for binding to aIIbb3
The history of von Willebrand disease (VWD) has been
the subject of a review1. We discuss, here, the progress and
the problems on management of inherited VWD and acquired
von Willebrand syndrome (AVWS), in the year 2006, 80 years
after the original description by Erik von Willebrand.
Structure-function of von Willebrand Factor and
its changes during early childhood
Von Willebrand factor (VWF) is synthesized by
endothelial cells and megakaryocytes2. The gene coding
for VWF has been cloned and located at chromosome
12p13.2. It is a large gene composed of about 178 kilobases
and containing 52 exons. A noncoding, partial, highly
homologous pseudogene has been identified in
chromosome 22. The pseudogene spans the gene sequence
from exon 23 to 343. The primary product of the VWF gene
is a 2,813 amino acid protein made of a signal peptide of 22
amino acids (also called a pre-peptide), a large propeptide
of 741 amino acids and a mature VWF molecule containing
2,050 amino acids. In keeping with a recently proposed
nomenclature4, numbering starts from the first amino acid
of the signal peptide, so 764 is the first amino acid of the
mature protein. Different protein regions, corresponding
to four types of repeated domains (D1, D2, D', D3, A1, A2,
A3, D4, B, C1, C2) of cDNA, are responsible for the different
binding functions of the molecule (Figure 1). Mature VWF
Blood Transfus 2006; 4: 40-66
Struttura e funzione del VWF e sue modifiche
nella prima infanzia
Il VWF è sintetizzato dalle cellule endoteliali e dai
megacariociti2. Il gene che lo codifica (VWF) è stato clonato
e localizzato sul braccio corto del cromosoma 12, in
posizione 13.2. Si tratta di un ampio gene, di circa 178
kilobasi, contenente 52 esoni. Sul cromosoma 22 è stato
identificato uno pseudogene, altamente omologo, non
codificante e parziale. Lo pseudogene si estende dall'esone
23 a quello 343. Il prodotto primario del gene VWF è una
proteina di 2.813 amminoacidi (aa), costituita da un peptide
segnale (o prepeptide) di 22 aa, da un propeptide di 741 aa
e da una molecola matura di VWF, costituita da 2.050 aa.
Secondo la nomenclatura più recente4, la numerazione inizia
dal primo aa del peptide segnale, così che il numero 764
rappresenta il primo aa della proteina matura. Differenti
regioni della proteina, che corrispondono ai 4 tipi di
sequenze ripetitive del cDNA (D1, D2, D', D3, A1, A2, A3,
D4, B, C1, C2), sono responsabili delle differenti funzioni di
legame della molecola (Figura 1). Il VWF maturo è il risultato
di un ordinato processo di sistemazione intracellulare, che
determina la conservazione e/o la secrezione di una
glicoproteina multimerica, a siti funzionali (domini) multipli,
noto come VWF.
Il VWF ha, in emostasi, due funzioni principali.
In primo luogo, è essenziale per l'adesione
subendoteliale delle piastrine (plt) e per le interazioni plt41
AB Federici
Table I - Recommended nomenclature
of factor VIII/von Willebrand factor complex
Factor VIII
Protein
Antigen
Function
Von Willebrand factor
Mature Protein
Antigen
Ristocetin cofactor activity
Collagen binding capacity
Factor VIII binding capacity
VIII
VIII:Ag
VIII:C
VWF
VWF:Ag
VWF:RCo
VWF:CB
VWF:FVIIIB
(see reference 6)
is the result of ordered intra-cellular processing, leading to
the storage and/or secretion of a heterogeneous array of
multimeric multidomain glycoproteins, referred to as VWF.
VWF has two major functions in haemostasis. First, it
is essential for platelet subendothelium adhesion and
platelet-to-platelet interactions as well as platelet
aggregation in vessels in which rapid blood flow results in
elevated shear stress, a function partially explored in vivo
by measuring the BT. Adhesion is promoted by the
interaction, of a region of the A1 domain of VWF with
GpIbα on platelet membrane. It is thought that high shear
stress activates the A1 domain of the collagen-bound VWF
by stretching VWF multimers into their filamentous form.
Furthermore GPIbα and VWF are also necessary for
platelet-to-platelet interactions2. The interaction between
GPIbα and VWF can be mimicked in platelet–rich plasma
by addition of the antibiotic ristocetin, which promotes the
binding of VWF to GPIbα of fresh or formalin fixed platelets.
Aggregation of platelets within the growing haemostatic
plug is promoted by the interaction with a second receptor
on platelets, GPIIb-IIIa (or integrin αIIbβ3) which, once
activated, binds to VWF and fibrinogen, recruiting more
platelets into a stable plug. Both these binding activities of
VWF are highly expressed in the largest VWF multimers.
Second, VWF is the specific carrier of factor VIII (FVIII)
in plasma. VWF protects FVIII from proteolytic degradation,
prolonging its half-life in circulation and efficiently localizing
it at the site of vascular injury. Each VWF monomer has one
binding domain, located in the first 272 amino acids of the
mature subunit (D' domain) which can bind one FVIII
molecule, in vivo, however only 1-2 % of available monomers
are occupied by FVIII5. Therefore, any change in plasma
VWF level is usually associated with a concordant change
in FVIII plasma concentration. The correct nomenclature with
abbreviations of the different FVIII/VWF activities, as
approved by the Scientific Standardization Committees –
42
plt, nonché per l'aggregazione delle plt nei vasi, nei quali
un rapido flusso sanguigno determina un'alta forza di
scorrimento, funzione che viene solo parzialmente esplorata
in vivo dal BT. L'adesione delle plt viene promossa
dall'interazione di una regione del dominio A1 del VWF
con la glicoproteina GpIbα sulla membrana piastrinica. Si
ritiene che un'alta forza di slittamento attivi il dominio A1
del VWF, determinando lo scorrimento dei multimeri del
VWF nella loro forma filamentosa. Inoltre, GpIbα e VWF
sono anche necessari per le interazioni plt/plt2.
Tali interazioni possono essere simulate in vitro in un
test RIPA condotto su plasma ricco di plt con l'aggiunta di
ristocetina, un antibiotico che favorisce il legame di VWF
al GpIbα di plt fresche o fissate in formalina. L'aggregazione
piastrinica all'interno del coagulo in via di formazione è
favorita da un secondo recettore sulle plt, il GPIIb-IIIa (o
integrina αIIbβ3), che, una volta attivato, può legare VWF
e fibrinogeno, reclutando ulteriori plt nel tappo emostatico.
Entrambe queste attività di legame del VWF sono
consistentemente espresse nei multimeri del VWF a più
alto peso molecolare.
Secondariamente, il VWF è lo specifico trasportatore di
FVIII nel plasma. Lo protegge dalla proteolisi,
prolungandone l'emivita in circolo e posizionandolo nel
luogo della lesione vascolare. Ogni monomero di VWF ha
un proprio dominio di legame, localizzato nei primi 272 aa
della subunità matura (D'), in grado di legare, in vivo, una
molecola di FVIII; peraltro, soltanto l'1-2% dei monomeri
disponibili sono occupati dal FVIII5.
Quindi, ogni cambiamento nel livello plasmatico di VWF
si associa, di norma, ad un contestuale mutamento della
concentrazione plasmatica del FVIII. In tabella I viene
sintetizzata la nomenclatura corretta, con le abbreviazioni
delle differenti attività del complesso FVIII/VWF, come
approvata dalle Scientific Standardization Committees –
Sub-Committe on VWF della International Society of
Thrombosis and Haemostasis (ISTH-SSC on VWF)6. Il VWF
nativo maturo circola nel plasma dei soggetti normali alla
concentrazione di 5-15 g/mL; i soggetti di gruppo O
mostrano livelli plasmatici di VWF più bassi di quelli dei
soggetti non-O7. Durante lo sviluppo fetale, il VWF
mantiene le sue forme di VWF ad alto peso molecolare
(Figura 2) e il suo livello plasmatico è più alto che nel
neonato o nel lattante (Figura 3): soltanto a 6 mesi di vita
i bambini mostrano il loro reale livello di VWF e di FVIII8,9.
Questi dati possono spiegare perché i neonati, con forma
severa di VWD, di norma non sanguinano, ma ciò deve
essere tenuto in considerazione quando si debba effettuare
una diagnosi di VWD in bambini di 6-8 mesi di vita.
Blood Transfus 2006; 4: 40-66