线粒体病简介

原文来源:MDAUSA
翻译者:二医大whizzhyy,校审:复旦大学,上海华山医院吕传真教授,赵重波博士
 

线粒体病简介 2004-6-1

什么是线粒体病?
线粒体病的命名和某些以侵犯人体部位而命名的疾病一样(比如心脏病),因为它们都侵犯我们身体细胞的某一特殊部分,线粒体病主要侵犯有“人体细胞内部发动机”之称的线粒体。
1. 神经系统:惊厥、痉挛、发育迟缓、听力障碍、痴呆、40岁之前的中风症状、视觉系统损害、平衡功能障碍以及周神经病变等。
2. 眼:眼睑下垂(上睑下垂)、眼球运动动障碍(眼外肌麻痹)、失明(视网膜炎、视神经萎缩)、白内障。
3. 心脏:原发性心肌病(心肌衰弱)、传导阻滞。
4. 肝:肝功能衰竭(仅在mtDNA缺失综合征患儿中常见)。
5. 肾:范可尼综合征(尿基本代谢产物丧失)、肌红蛋白尿。
6. 骨骼肌:肌无力、运动不能、抽筋。
7. 消化道:反酸、呕吐、慢性腹泻、肠梗阻。
8. 胰腺:糖尿病。





在我们体内,使细胞发挥功能的能量大多来自线粒体。实际上,它们作为能量供给的主要来源,地位是如此明显乃至典型人体细胞内通常包含数以百计的线粒体。线粒体病可导致某些线粒体功能障碍,从而切断此基础功能单位的通路。
几乎人体内所有细胞的直接能量来源都是线粒体,因此,线粒体病可以说是一种导致多系统紊乱的疾病,它能损伤不止一种体细胞、组织或器官。由于线粒体病患者体内正常和病变线粒体的组成都不径相同,所以其导致的症状也因人而异,即它对机体的影响不会一样。
因为肌细胞和神经细胞对能量的需求特别大,因此神经肌肉方面的问题——比如肌肉无力、运动障碍、听力丧失、平衡协调能力减退、惊厥和学习不能——都是线粒体病的主要特征。该病其他普遍的并发症包括白内障、心肌无力,糖尿病以及发育不良等。一般情况下,线粒体病患者会有以上的二个至多个病症,其中的一些往往同时发生,以至于我们把它们归类为某综合征。
能造成明显肌肉问题的线粒体病称为线粒体肌病(mitochondrial myopathy,myo的意思是肌肉,pathos指疾病),而同时造成明显的肌肉和神经症状的则称为线粒体脑肌病(mitochondrial encephalomyopathy,encephalo的意思是“脑”)。
除去线粒体病许多潜在影响之外,有时候它亦能导致轻微的机体功能障碍。有时候,人体有足够的正常线粒体以代偿病变线粒体而供应细胞能量。同样,因为某些线粒体病的症状(如糖尿病或心律不齐)在一般患者群体中十分普遍,所以对于这些症状,还是有非常有效的治疗方案的(如胰岛素或抗心律不齐药物)。
本文详细描述了造成线粒体病的原因,相关病症表现以及治疗方法,其中尤其强调和线粒体肌病和线粒体脑肌病相关的内容,还包括其所致常见并发症的内容,具体包括:
· Kearns-Sayre综合征(KSS)
· Leigh综合征
· 线粒体DNA缺失综合征(mitochondrial DNA depletion syndrome,MDS)
· 线粒体脑肌病、乳酸中毒以及卒中样发作(mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis and strokelike episodes,MELAS)
· 肌阵挛性癫痫发作伴破碎红纤维(myoclonus epilepsy with ragged red fibers,MERRF)
· 线粒体神经消化道脑肌病(mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy,MNGIE)
· 神经病、共济失调及色素性视网膜炎(neuropathy, ataxia and retinitis pigmentosa,NARP)
· Pearson综合征
· 进行性眼外肌麻痹(progressive external ophthalmoplegia,PEO)

导致线粒体病的原因是什么?
首先,线粒体病并不具传染性,并不是由于某人做了什么而产生。它是由于基因——即细胞生产蛋白质的蓝图——的突变或转换所引起的。
基因是构建我们机体的重要单位,由父母遗传给子女——不管什么基因,包括任何含有突变或缺陷位点的基因。这就是说,线粒体病是一种可遗传疾病,尽管它对某家族成员的影响各不相同(参见“线粒体病会在家族中遗传吗?”获取更多基因突变及线粒体病的相关信息)。
线粒体病涉及的基因通常表达供线粒体运作所需蛋白质。在每个线粒体中,这些蛋白作为高能分子ATP的装配线而存在,它们的作用就是利用食物中的原料分子合成ATP。这条高效装配线需要大量的氧;在线粒体外部,无氧条件下,几乎没有什么能生产ATP的高效通路。
线粒体装配线起始端蛋白质的作用相当于货物搬运工,即运送原料分子——糖及脂肪——进入线粒体。下一步,其他蛋白酶分解糖及脂肪,从称为电子的微粒状态中提取能量。
装配线末端的蛋白质——即五组复合体I, II, III, IV和V——利用从电子状态获得的能量合成ATP。复合体I和IV的作用是在装配线上来回运输电子,因此我们称之为电子传递链,V号复合体的作用是“合成”ATP,因此又称为ATP合成酶。
某种或几种复合体的缺乏是导致线粒体病的根本原因(实际上,线粒体病有时也可以称为特殊酶缺乏症,比如复合体I缺乏症)。
当某个细胞内充满病变线粒体后,它不仅无法合成ATP——而且会导致未使用原料分子和氧的堆积,使之产生病理性损伤。
堆积的原料分子通过另一种低效途径合成ATP,该途径可能导致具有潜在毒性作用的副产品(如乳酸)产生(这往往发生在细胞缺氧状态,激烈运动后肌细胞都可能产生这种情况)。乳酸在血液中堆积——称为乳酸中毒——通常导致肌肉疲劳,往往造成肌肉和神经组织的损伤。
其间,细胞中未使用的氧可能转化成称为活性氧化基的毒性化合物(这就是所谓抗氧化药物和维生素的靶点)。
线粒体生产的ATP为肌细胞收缩和神经元兴奋提供了主要的能量来源。因此,肌细胞和神经元对线粒体缺陷尤其敏感。这些细胞在能量获得不足和毒性物质堆积的联合作用下,就会产生线粒体肌病和线粒体脑肌病的主要症状。

线粒体病患者的病征是怎样的?

肌病
线粒体肌病的主要症状是肌肉无力、肌肉萎缩以及运动不耐受。请务必牢记,这些病征在各人身上表现程度不径相同,即使是在同一个家族病人当中也是如此。
肌肉无力和肌肉萎缩一般在眼部肌肉和眼睑肌群上表现最为明显。两种最常见的结果是进行性眼肌麻痹,我们称为进行性眼外肌麻痹(PEO),另一种是上眼睑下垂,称为上睑下垂症。一般情况下,PEO患者也许不会注意到视觉障碍的发生,但他们为了看清不同方向的物品,必须通过转动头部的方式来代偿眼部的转动不能。上睑下垂症更有潜在意义上的心理打击作用,因为它不仅削弱患者视力,而且可能导致冷漠表情的产生,但该病征可以同过手术疗法纠正,也可以通过使用有“眼睑下垂支撑带”功能的眼镜防止上眼睑下垂。
线粒体肌病也可能导致颜面部及颈部肌群无力和萎缩,这可能使患者产生发音和吞咽困难。对于这种状况,发音治疗或改进饮食使之容易吞咽的方法是很有效的。有时候,线粒体肌病患者会有四肢肌群无力的情况发生,这时,可以通过拐丈或轮椅来帮助患者行动。
运动不耐受亦称为运动易疲劳,是指患者运动后易发生相当严重的疲劳。运动不耐受的程度随个体不同而不同。某些患者也许仅仅在做诸如慢跑等运动时有困难,而另一些人可能连日常起居活动(如走到邮箱或提取牛奶盒)都无法完成。
有时候,运动不耐受会伴有痛性肌痉挛或外伤诱导的疼痛。痉挛是一种急速肌肉收缩状态就好象暂时“锁”住了肌肉,而外伤诱导疼痛则是由一种称为横纹肌溶解的急性肌肉分解病症所引起。痉挛和横纹肌溶解一般发生在运动不耐受患者“过度运动”的时候,也可能发生在过度运动中或运动后的几个小时。

线粒体脑肌病
典型的线粒体脑肌病一般包括以上所述的肌病症状,同时伴有一至多项神经系统症状。此处再次申明,这些症状有着很大的个体差异性。
听力障碍,偏头痛以及惊厥是线粒体脑肌病的一般表现。在其中至少一种的表现中,偏头痛以及惊厥通常伴随中风(脑部血液供应阻断)一起发生。
幸运的是,这些症状中的一些是有非常好的疗效的。通过助听器或互动交流的方式可以改善听力障碍带来的不便。一般而言,药物治疗可以减轻偏头痛带来的痛苦,同时,抗癫痫药物亦可以防止惊厥的发生。目前,科研人员正在研发一些治疗中风药物。
线粒体脑肌病除了影响眼部肌群以外,它也会损伤眼睛本身以及脑部视神经的某些部分(如白内障——晶状体混浊的一种疾病——是线粒体脑肌病的一种常见并发症)。和肌肉问题比较,这更容易造成严重的视力问题。
一般情况下,线粒体脑肌病可能导致共济失调或平衡协调能力障碍。共济失调患者倾向于晕眩易摔倒,但通过理疗和职业疗法以及使用如扶手、拐杖或对于严重患者而言的轮椅之类的辅助器械都可以部分避免此类现象的发生。

线粒体肌病和线粒体脑肌病的特殊问题

呼吸监护
有时,这些疾病可能造成呼吸肌的严重衰竭。
同样,线粒体脑肌病有时候会造成大脑损伤使之失去对呼吸系统的控制。
轻度呼吸困难的病人偶而需要补氧,而重症患者则有可能需要永久性的呼吸机辅助其呼吸。如过你是线粒体病患者,那你需要时刻留意自己是否有呼吸困难的体征(如呼吸短促、晨起头痛等),定时请专家进行呼吸系统检查也是有必要的。

心血管监护
有时候,线粒体病可直接侵犯心脏。在这些情况下,病因往往是心脏节律的阻断,称为传导阻滞。尽管这种情况十分严重,但是它仍然可以使用心脏起搏器来治疗,心脏起搏器的作用在于刺激心脏产生正常的节律。如果你是线粒体病患者,请心血管专家定期检查是你所必须的。

其他潜在健康问题
某些线粒体病患者可能发生严重的肾脏和消化道并发症或/和糖尿病。其中的某些问题是由于肾脏、消化系统或胰腺(糖尿病相关)中线粒体缺陷的直接影响所产生的,其他的问题则是由其他组织中线粒体缺陷而间接导致的。比如说,横纹肌溶解是肌红蛋白从破裂的肌细胞中漏出并随血液进入循环系统而导致肾脏损害,出现肌红蛋白尿,该情况导致肾脏血液滤过入尿超负荷,不能及时清除体内毒物,造成肾脏损伤。

儿童患者的特殊问题
视力:一般情况下,PEO和上睑下垂症可能导致成年患者轻微的视觉障碍,但它们对儿童线粒体肌病患者而言,具有更大的潜在危险。由于童年时期的大脑发育对疾病相当敏感,因此童年期PEO和上睑下垂症有时候能对大脑视觉系统产生永久性的破坏。出于这样的原因,请专家对具有PEO和上睑下垂症体征的儿童进行视力检查是很重要的。
发育迟滞:由于肌肉紊乱,大脑损伤或兼而有之的原因,线粒体病患儿可能难以学习某些技能。比如说,患儿可能在学习从爬到走的过程中花费相当长的时间(如“坐”、“爬”、“走”等动作)。随着他们年龄的增长,他们无法达到同龄儿童应具备的行动能力,或许还会有发音或/和学习障碍。如果你的孩子有以上这些严重的问题,理疗、发音治疗以及学校个人教育计划(individualized education program,IEP)应该对他有所帮助。

如何治疗线粒体病?
虽然线粒体肌病和线粒体脑肌病相对罕见,它们在患者群体中潜在的数目仍然十分可观。因此,那些并发症(包括心脏问题、中风、惊厥、偏头痛、听力障碍及糖尿病)通常都有较好的治疗措施(包括药物治疗,修正饮食以及改善生活方式等)(参见“Special Issues”)。
很幸运,这些可治疗病症都是线粒体病最为威胁生命的并发症。也正如此,线粒体病患者能采取一系列诸如健康监护及定期医学检查等措施来照料自己。
除了关注线粒体病一些特殊并发症以外,一些新近,未完全验证的修复或旁路改善缺陷线粒体的治疗方法也值得我们关注。这些方法是基于人体内三种参与ATP合成的自然物质而开发的饮食补充疗法。
其中的一种是肌酸,它可形成一种称为肌酸磷酸盐的高能化合物而成为ATP的储备产物。当某细胞对ATP的需求量超过其本身线粒体的负荷时,肌酸可释放磷酸盐(即ATP中的“P”)迅速加强ATP的供应。实际上,肌酸磷酸盐(亦称为磷酸肌酸)是肌肉做需要大量ATP的爆发运动时首要的供能物质。
另一种物质是肉毒碱,它通过改善运送特定原料分子入线粒体的途径以加强ATP生产的效率,同时它亦能清除ATP生产过程中毒性副产品。
最后要说明的是辅酶Q10或称为coQ10,是电子传递链的组分之一,是使用氧生产ATP的重要组分。某些线粒体病是由于coQ10缺乏造成的,有充分的证据表明coQ10补充疗法对治疗这些疾病很有帮助。一些医生还认为coQ10补充疗法还可以减轻线粒体病带来的痛苦。
肌酸、L-肉毒碱和coQ10补充疗法通常混合为“鸡尾酒”来使用以治疗线粒体病。尽管科学上很难证明这种疗法有什么效用,但是许多线粒体病患者的确从中得到了疗效。最起码,适度采取这三种物质的补充疗法对人体几乎没有害处,但你必须在使用这种疗法之前咨询你的私人医师或MDA医师。

线粒体病的症状有哪些?
注释:一般情况下,下列症状是遵循母系遗传或孟德尔遗传或散发的(病症无家族史)。参见“线粒体病会在家族中遗传吗?”以获取更多遗传类信息。

KSS:Kearns-Sayre综合征
发病年龄:20周岁之前
特征:该病症表现为PEO(PEO一般是该疾病的初期症状)和色素性视网膜炎(即视网膜上有影响视觉的“盐-胡椒”样色素沉着,但通常视力不受太大影响)。该病的其他一般症状包括心脏传导阻滞和共济失调。另一些不典型的症状有智力发育迟缓或有智力衰退迹象,性成熟推迟以及过短身材等。

Leigh综合征:亚急性坏死性线粒体脑肌病  (MILS= maternally inherited Leigh's syndrome,母系遗传Leigh综合征)
发病年龄:婴儿期
特征:Leigh综合征导致大脑损伤,使产生共济失调、惊厥、视觉和听力损伤、发育迟缓以及呼吸肌失控。它亦能造成肌肉无力,特别是能导致吞咽、发音以及眼球运动困难。

MDS:线粒体DNA缺失综合征
发病年龄:婴儿期
特征:通常该病症导致肌肉无力和/或肝功能衰竭,脑损伤则非常罕见。“懒散状”,喂食困难,发育迟缓也很常见,PEO和惊厥较少见。

MELAS:线粒体脑肌病、乳酸中毒以及卒中样发作
发病年龄:童年期或成年早期
特征:MELAS导致大脑周期性卒中发作,由此常使患者发生偏头痛、呕吐及(少见)惊厥,有时造成大脑发生永久性损伤。其他常见症状包括PEO、主动肌群无力、运动不耐受、听力障碍、糖尿病和过短身材。

MERRF:肌阵挛性癫痫发作伴破碎红纤维
发病年龄:童年后期至青春期
特征:最常见的体征是肌阵挛(肌肉阵发性痉挛)、惊厥、共济失调及肌肉无力。该病也能导致听力障碍和过短身材。

MNGIE:线粒体神经消化道脑肌病
发病年龄:通常20岁之前
特征:该并可导致PEO、上睑下垂症、四肢无力以及消化道(消化系统)症状,包括慢性腹泻及腹痛。另一个常见症状是外周神经疾病(周围神经障碍症状,可导致感觉丧失及肌肉无力)。

MARP:神经病、共济失调及色素性视网膜炎
发病年龄:婴儿期至成年
特征:MARP可导致神经疾病(见上述)、共济失调以及色素性视网膜炎(视网膜恶性病变,导致视觉丧失)。亦能导致发育迟缓、惊厥和痴呆。

Pearson综合征
发病年龄:婴儿期
特征:该疾病导致严重的贫血和胰腺疾病。罹患此病的儿童若未死亡可转发为KSS。

PEO:进行性外周眼肌麻痹  
发病年龄:通常为青春期或成年早期
特征:如上所述,PEO往往是线粒体病的一种症状,但有时候它也是一种独立的病症。一般情况下,它和运动不耐受相关联。

如何诊断线粒体病?
线粒体病的所有并发症——肌肉无力、运动不耐受、听力障碍、共济失调、惊厥、学习障碍、白内障、心脏缺陷、糖尿病以及发育迟缓——都不是线粒体病所特有的。当然,如果某患者明显地表现出其中的三至多项病症,特别是当症状显现在不止一个器官系统中时,那么应怀疑是线粒体病患者。
为评估这些病症的进行情况,医师通常首先要询问病人病史,然后为其进行体格及神经项目检查。
体格检查一般包括爆发力和耐力测试,如运动测试,这其中可包括反复紧握拳头、上下爬行梯子等动作。神经检查可包括反射,视觉,发音及基本认知能力(思考能力)检查。
依靠由病史和各项检查的结果,医师可为病人制定进一步针对肌肉、大脑及其他器官损伤部分的测试。
这些测试中最重要的是肌肉活组织切片检查,该检查要求提取患者的小部分肌肉活体标本供检查。检查中,为肌肉组织染色使线粒体呈现红色,线粒体病侵犯的肌肉通常显现红纤维——富含线粒体的肌细胞(肌纤维)破裂。其他染色部分能显示肌肉中必须线粒体酶是否缺失。也可从肌肉中提取线粒体蛋白测试其活性。
除了肌肉组织切片检查,非侵入性技术可在不提取活组织标本的前提下检验肌肉。比如,一项称为肌肉磷磁共振光谱分析(muscle phosphorus magnetic resonance spectroscopy,MRS)的技术可以用来测试磷酸肌酸和ATP(线粒体病中,通常这两种物质是缺乏的)的含量。同样,CT或MRI(核磁共振)都是用肉眼观察肌肉结构的工具。
CT或MRI可用于观察大脑损伤的情况,使用头皮表面电极的脑电图(EEG)则可记录大脑的活动状况。
血检亦可采用,通过该检验可获得血液或脑脊髓液(流通于大脑和脊髓中的液体)中乳酸和未使用原料分子的堆积情况。
对于其他人体器官和组织的功能检查,也可以使用相似的技术。比如,心电图(EKG)可检测心脏活动状况,血检可用于检测肾功能异常的情况。
最后,遗传测试可用于确定某人是否有遗传突变而导致线粒体病。在观念上而言,该测试需要从血液或肌肉活组织中提取遗传物质。必须注意一点,尽管阳性结果可确认疾病的存在,但阴性结果并不能说明受试人没有线粒体病。

线粒体病会在家族中遗传吗?
一般情况下,线粒体病难以在某一家族中定位。但由于该病由基因缺陷所致,因此它们可能在家族中遗传。
为理解线粒体病如何在家族中遗传,首先必须知道有两类基因和线粒体相关。第一类位于细胞核内——即我们体内细胞中包含大多数遗传物质或称为DNA的部分内。第二类仅仅存在于线粒体自身的DNA序列中。
不管是核内DNA(nDNA)还是线粒体DNA(mtDNA)发生点突变都可能导致线粒体病的发生。
大多数nDNA(和任何其含有的点突变位点)遵循孟德尔遗传模式,即意味着单个基因的等位拷贝分别由父母各提供一条。同样,大多由nDNA突变造成的线粒体病(包括Leigh综合征、MNGIE、MDS)都是常染色体隐性的,意味着这类线粒体病的发生需要父母双方提供的基因拷贝都含有相同的点突变。
不像cDNA,mtDNA只能通过母亲传给孩子。那是因为在受精过程中,当精子和卵子融合,精子的线粒体——及其mtDNA——都被破坏了。因此,mtDNA突变引起的线粒体病都是很独特的,因为它们都是母系遗传的(见图)。
另一个mtDNA引发的疾病的特征来自典型的人类细胞——包括卵细胞——只有一个细胞核但有数以百计的线粒体的事实。该事实的结果就是某单一细胞可同时包含变异和正常的线粒体,两者之间的平衡与否决定了细胞是否正常。
这解释了为何线粒体病的症状如此地因人而不同,即使在同一个家族中。
试想一下某妇女的卵细胞(及其体内其他细胞)包含了突变和正常的线粒体,某些细胞中只有一点点非正常线粒体,而另一些则有许多。由一个“最健康”的卵细胞培育的孩子也许不会得病,但“最糟糕”的卵细胞培育的孩子会怎样呢?肯定是一身疾患!
同样,该妇女自己也可能表现线粒体病症状,也可能没有任何症状。
将线粒体疾病遗传给孩子的风险取决于很多因素,包括疾病是由那种基因引起的,是nDNA亦或是mtDNA!
发现更多此类风险的好方法是咨询您的私人医师或MDA医师,同样,也可以参见“遗传和神经肌肉疾病”。

 

 

 

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