線粒體腦肌病伴乳酸酸中毒和卒中樣發(fā)作(MELAS)分子病理學(xué)和發(fā)病機(jī)制研究的最新進(jìn)展

李 巖， 劉 楠綜述， 于雪凡審校

線粒體腦肌病伴乳酸酸中毒和卒中樣發(fā)作(MELAS)綜合征是由 Pavlakis［1］于1984年首次命名的一種遺傳性疾病，大約80%的MELAS患者為tRNA(UUR)基因的3243A＞G點(diǎn)突變。主要的臨床癥狀為反復(fù)發(fā)作的頭痛、癲癇和卒中樣發(fā)作。其肌肉病理特點(diǎn)為出現(xiàn)破碎紅纖維(RRF)、細(xì)胞色素C氧化酶(COX)陰性肌纖維和琥珀酸脫氫酶(SDH)深染的血管。腦病理表現(xiàn)為受累皮質(zhì)的層狀壞死和小血管增生［2］。雖然線粒體tRNA(UUR)基因突變已經(jīng)闡明，但是作為該病的核心癥狀，卒中樣發(fā)作的根本發(fā)病機(jī)制仍未明確。本文從分子病理學(xué)角度闡述MELAS綜合征卒中樣發(fā)作的基本機(jī)制。

King等人［3］發(fā)明了一項(xiàng)技術(shù)，即通過(guò)把從MELAS綜合征患者細(xì)胞中取得的線粒體轉(zhuǎn)移至一缺線粒體DNA(mtDNA)的細(xì)胞系(所謂的ρ0胞質(zhì)雜交體系)，該項(xiàng)技術(shù)可以用來(lái)研究基因型-表型之間的關(guān)系，用來(lái)評(píng)估m(xù)tDNA任何核苷酸改變的致病性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)mtDNA突變累積達(dá)到細(xì)胞閾值時(shí)，就可以影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、甲?；?、甲基化、氨基?；兔艽a子識(shí)別，引起蛋白質(zhì)合成缺陷，從而導(dǎo)致呼吸鏈功能缺陷，引起細(xì)胞能量代謝異常。

1 MELAS 綜合征的分子病理學(xué)［3～5］

1．1 處于穩(wěn)態(tài)水平的tRNALeu(UUR)分子壽命降低ρ0胞質(zhì)雜交體系研究發(fā)現(xiàn)存在 A3243G突變的 tRNALeu(UUR)穩(wěn)態(tài)數(shù)量在胞質(zhì)雜交克隆系中為野生型的30%。突變型tRNALeu(UUR)的壽命明顯縮短，野生型的半衰期約為56h，突變型僅為6～12h。穩(wěn)態(tài)水平的降低在于突變型tRNAs的短壽命周期。

1．2 氨?；?tRNA(UUR)與不帶電的tRNALeu(UUR)分子的比例下降 2000年，Yasukawa利用固化探測(cè)法成功純化了突變型tRNALeu(UUR)基因證實(shí)了突變型tRNALeu(UUR)基因引起亮氨酸氨?；潭群艿停?，4］。Park等人對(duì)比了野生型和突變型tRNALeu(UUR)基因氨酰化的動(dòng)力學(xué)發(fā)現(xiàn)突變型在體外氨?；势?。據(jù)此伴有A3243G突變的氨酰基-tRNALeu(UUR)數(shù)量下降可導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成的降低。

1．3 加工中間體如RNA19的積累 通過(guò)ρ0胞質(zhì)雜交體系研究及對(duì)來(lái)自8位存在A3243G點(diǎn)突變的MELAS患者肌肉樣本分析發(fā)現(xiàn)存在RNA19(相當(dāng)于16srRNA+tRNA(UUR)+ND1基因)的積累。蛋白質(zhì)合成缺陷是由于包括RNA19在內(nèi)的假核糖體導(dǎo)致翻譯停止引起的。雖然為什么RNA19會(huì)在有點(diǎn)突變的的患者細(xì)胞中升高，至今還未明了，但通過(guò)研究我們相信RNA19水平的升高在功能紊亂的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。

1．4 tRNA修飾缺陷 Yasukawa等人發(fā)現(xiàn)在野生型tRNALeu(UUR)存在修飾尿苷，這種修飾發(fā)生在尿嘧啶的基礎(chǔ)上，而這種尿嘧啶在含有點(diǎn)突變的基因中是缺乏的。修飾缺陷已由初級(jí)擴(kuò)展方法所證實(shí)，這是唯一發(fā)現(xiàn)的由點(diǎn)突變引起的修飾缺陷。

以上分子機(jī)制可以導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成缺陷，導(dǎo)致呼吸鏈酶缺陷，尤其是復(fù)合體I和IV，并導(dǎo)致線粒體細(xì)胞病。

2 MELAS綜合征卒中樣發(fā)作的假設(shè)

2．1 線粒體細(xì)胞病學(xué)說(shuō) Gilchrist等［6］觀察到MELAS患者病灶部位的神經(jīng)元內(nèi)含有許多結(jié)構(gòu)異常的線粒體，而且基因檢測(cè)發(fā)現(xiàn)病變腦組織內(nèi)存在高比例的突變基因。線粒體DNA(mtDNA)點(diǎn)突變，導(dǎo)致神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞氧化磷酸化異常，導(dǎo)致區(qū)域神經(jīng)元能量代謝失衡，無(wú)氧酵解比例上升，乳酸堆積，自由基生成增多，導(dǎo)致細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)和慢性乳酸酸中毒，當(dāng)能量需求增多時(shí)，可誘發(fā)腦卒中樣發(fā)作。

Cropen等［7］推測(cè)乳酸酸中毒范圍的擴(kuò)展引起水腫的擴(kuò)展，可以解釋MELAS卒中樣發(fā)作分布區(qū)不符合血管分布的特點(diǎn)，并因此提出卒中樣發(fā)作可能是一種“代謝性卒中”。磁共振波譜分析研究，MELAS患者大腦中高能量磷酸鹽復(fù)合物水平下降，腦室內(nèi)腦脊液乳酸水平增高，表明MELAS患者中存在線粒體細(xì)胞病。DWI的使用，固態(tài)水的流動(dòng)性可用來(lái)檢測(cè)組織水的表觀彌散系數(shù)(ADC)，研究發(fā)現(xiàn)MELAS患者ADC在卒中樣發(fā)作時(shí)可下降，表明存在細(xì)胞源性水腫，支持代謝因素引起卒中樣發(fā)作。

Katayama等［8］對(duì)21例MELAS患者尸檢的腦組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在梗死樣區(qū)域的周圍組織內(nèi)存在自由基水平增高和自由基清除能力下降。據(jù)此推斷自由基生成增多和清除能力下降可能是誘發(fā)卒中樣發(fā)作的因素之一。

2．2 線粒體血管病學(xué)說(shuō) 最早由Ohama等［9］提出，異常的線粒體于腦內(nèi)小血管的內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞蓄積，并以一種相似的方式增值，這些血管為強(qiáng)琥珀酸脫氫酶反應(yīng)血管(SSVs)。依據(jù)MELAS患者肌肉活檢所見，雖然存在大量異常線粒體，但是破碎紅纖維和血管壁染色均特異性的表現(xiàn)為細(xì)胞色素酶(COX)陽(yáng)性。在分子病理學(xué)方面，單纖維聚合酶鏈反應(yīng)證實(shí)MELAS患者腦小血管壁的線粒體基因突變率高于神經(jīng)元細(xì)胞，并以軟腦膜及大腦皮質(zhì)血管的突變比例最高。

因呼吸鏈酶合成缺陷，線粒體代償性增多，引起COX的活性提高。由于一氧化氮(NO)結(jié)合細(xì)胞色素 C氧化酶(COX)，高活性的COX可使局部的NO濃度下降，并導(dǎo)致琥珀酸脫氫酶反應(yīng)陽(yáng)性血管舒張功能異常，腦組織血流自動(dòng)調(diào)節(jié)能力下降，導(dǎo)致腦組織缺血缺氧而致病。積累的超氧陰離子自由基可與NO反應(yīng)生成強(qiáng)氧化劑，這可能誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞凋亡或細(xì)胞損傷。L-精氨酸［3，4，10］(NO 的前體物質(zhì))的臨床試驗(yàn)證實(shí)靜點(diǎn)精氨酸后可降低卒中發(fā)作頻率及癥狀嚴(yán)重性。盡管病理組織學(xué)的梗死樣病變和臨床卒中樣發(fā)作未必僅僅是由小血管的阻塞或閉塞引起，但是線粒體血管病似乎可以解釋多灶性壞死區(qū)的分布。所有結(jié)果表明:在MELAS腦組織活檢中，線粒體血管病是一種獨(dú)特的且常見的改變。

利用氙CT、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(SPECT)和正電子發(fā)射斷層成像(PET)［11］技術(shù)顯示在卒中樣發(fā)作前，發(fā)作急性期及亞急性期示蹤物不斷積累并歷時(shí)數(shù)月，表明梗死樣區(qū)域內(nèi)局部腦血流量(rCBV)和局部腦血容量(rCBF)增多，處于高灌注狀態(tài)。而在超急性期(卒中樣發(fā)作約3h)，我們通過(guò)SPM-SPECT觀察到了灌注不足。此外，低灌注和高灌注同時(shí)存在不僅存在于卒中樣發(fā)作急性期也存在于發(fā)作間期，提示MELAS患者存在腦血流動(dòng)力學(xué)的紊亂。［10，11］。

有文獻(xiàn)報(bào)道［12］線粒體突變所致的皮質(zhì)神經(jīng)元受損是MELAS綜合征的根本原因，該觀點(diǎn)認(rèn)為氧化磷酸化過(guò)程的破壞使神經(jīng)元細(xì)胞膜上能量依賴性的離子和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)受阻，影響鉀離子內(nèi)流及谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白大腸埃希菌天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶的活性;同時(shí)，鉀離子和興奮性氨基酸在細(xì)胞外聚集，激活了NMDA受體，破壞了鈣離子的穩(wěn)態(tài)，造成神經(jīng)元興奮性增高，產(chǎn)生同步去極化，并向周圍皮質(zhì)擴(kuò)散，誘發(fā)癲癇發(fā)作。持續(xù)癲癇發(fā)作使毛細(xì)血管通透性增高、周圍腦組織水腫，這種血管源性水腫又導(dǎo)致了卒中樣發(fā)作的出現(xiàn)。［13］。

2．3 非缺血性神經(jīng)血管細(xì)胞學(xué)說(shuō) 2002年有文獻(xiàn)報(bào)道MELAS綜合征的病理生理改變主要表現(xiàn)為毛細(xì)血管通透性增加、過(guò)度灌注、神經(jīng)元易損傷、神經(jīng)元過(guò)度興奮，其中神經(jīng)元過(guò)度興奮可能發(fā)揮核心作用。在此基礎(chǔ)上，lizuka等［14］通過(guò)MELAS綜合征患者的臨床表現(xiàn)、特征及腦電圖(EEG)進(jìn)行研究，提出了非缺血性神經(jīng)血管細(xì)胞學(xué)說(shuō)，提出MELAS卒中樣發(fā)作可以反應(yīng)出神經(jīng)元的過(guò)度興奮(即癲癇活動(dòng))，由于氧化磷酸化缺陷，這種過(guò)度興奮增加了能量需求，引起能量需求和ATP供應(yīng)之間的不平衡，大量神經(jīng)元功能減退，臨床上表現(xiàn)為卒中樣發(fā)作。新近lizuka等［15］通過(guò)對(duì)6例患者18次腦卒中發(fā)作的急性期進(jìn)行連續(xù)性的臨床影像學(xué)研究，同時(shí)采用SPECT對(duì)5例MELAS綜合征患者在慢性期對(duì)乙酰唑胺的局灶性腦血管反應(yīng)(regional cerebrovas cular reactivity rCVR)研究，進(jìn)一步證明卒中樣發(fā)作是神經(jīng)元興奮性過(guò)高導(dǎo)致的非缺血性神經(jīng)血管事件，解釋了MELAS綜合征卒中樣病灶不符合血管分布的特點(diǎn)。

MELAS卒中樣發(fā)作的發(fā)病機(jī)制并不簡(jiǎn)單，伴隨有分子異常和血管異常。線粒體細(xì)胞病已在ρ0胞質(zhì)雜交體系中證實(shí)是分子缺陷所致［3］;線粒體血管病也已在大腦和肌肉病理及血管生理方面得以證明。病理方面，RRF和SSVs呈COX陽(yáng)性，導(dǎo)致了大腦小動(dòng)脈節(jié)段性血管閉塞，進(jìn)而證實(shí)了線粒體血管病理論。PET結(jié)果中腦葡萄糖和氧代謝的解離可能是MELAS的特征表現(xiàn)，這證實(shí)了線粒體細(xì)胞病理論。在不久的將來(lái)，我們將會(huì)闡明MELAS卒中樣發(fā)作的發(fā)病機(jī)制。

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