線粒體病骨骼肌磁共振31磷波譜的臨床應(yīng)用

賴 鴻綜述， 丁衛(wèi)江審校

?

線粒體病骨骼肌磁共振31磷波譜的臨床應(yīng)用

賴 鴻綜述， 丁衛(wèi)江審校

線粒體病(mitochondrial disorders)是一組少見的線粒體結(jié)構(gòu)和(或)功能異常導(dǎo)致的以腦和骨骼肌受累為主的能量代謝障礙性多系統(tǒng)疾病，其臨床表現(xiàn)高度異質(zhì)、復(fù)雜多樣，主要臨床類型包括線粒體肌病、線粒體腦肌病、線粒體心肌病、線粒體糖尿病、線粒體胃腸病等[1]。目前線粒體病的確診主要依靠肌肉病理和線粒體DNA(mtDNA)或核基因突變檢測(cè)，但前者具有創(chuàng)傷性，后者又受技術(shù)條件限制，因此兩者臨床應(yīng)用仍有一定局限。近年來，磁共振31磷波譜(31P magnetic resonance spectroscopy，31P-MRS)技術(shù)用于線粒體功能研究越來越受關(guān)注，被認(rèn)為是目前唯一無創(chuàng)在體研究線粒體功能的工具[2～4]。骨骼肌31P-MRS掃描可直接、連續(xù)、無創(chuàng)性檢測(cè)生物體骨骼肌能量代謝變化，并已應(yīng)用于各種神經(jīng)肌肉病的能量代謝評(píng)估[3～5]。線粒體病屬能量代謝障礙性疾病，其骨骼肌31P-MRS的臨床應(yīng)用研究更倍受重視，本文就此予以綜述。

1 線粒體病

自1951年Leigh描述了亞急性腦脊髓病以來，Luft于1962年正式提出了線粒體病的概念。按受累組織和器官分類可分為：影響骨骼肌的線粒體肌病、影響骨骼肌和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的線粒體腦肌病和影響其他系統(tǒng)的線粒體疾病[1]，其中以線粒體腦肌病最為常見，其主要表型包括慢性進(jìn)行性眼外肌癱瘓(CPEO)、Kearns-Sayre綜合征(KSS)、線粒體腦肌病伴高乳酸血癥和卒中樣發(fā)作(MELAS)、肌陣攣性癲癇伴不整紅邊纖維(MERRF)、亞急性壞死性腦脊髓病(Leigh)、神經(jīng)病、共濟(jì)失調(diào)和視網(wǎng)膜色素變性綜合征(NARP)、Leber遺傳視神經(jīng)病(LHON)等。線粒體病的臨床表現(xiàn)復(fù)雜多樣，可歸為下列幾個(gè)方面：(1)中樞神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)：卒中樣發(fā)作，共濟(jì)失調(diào)，運(yùn)動(dòng)異常包括肌陣攣、肌張力障礙、認(rèn)知障礙、脊髓病、偏頭痛等；(2)肌肉表現(xiàn)：肌無力、運(yùn)動(dòng)不能耐受和橫紋肌溶解等；(3)周圍神經(jīng)病：感覺神經(jīng)病和交感神經(jīng)??；(4)眼外肌麻痹：出現(xiàn)眼外肌麻痹或眼上瞼下垂；(5)視力障礙：皮質(zhì)盲、色素性視網(wǎng)膜病、視神經(jīng)?。?6)聽力障礙；(7)系統(tǒng)性損害：身材矮小、糖尿病、心肌病癥狀、胃腸道癥狀、肝臟衰竭等。

肌活檢目前仍然是線粒體病的主要確診手段，其肌肉病理特點(diǎn)為：改良Gomori染色下見肌膜下出現(xiàn)不規(guī)則的紅色邊緣，即不整紅邊纖維，經(jīng)電鏡證實(shí)為異常線粒體堆積[6]，線粒體嵴排列紊亂，有時(shí)可見類結(jié)晶樣包涵體；細(xì)胞色素C氧化酶(COX)染色可見COX陰性肌纖維。但肌活檢正常并不能排除該病的診斷。mtDNA分析對(duì)線粒體病的診斷有決定性意義，80%的MELAS由mtDNA上 tRNALeu(UUR)基因第3243處發(fā)生A到G的點(diǎn)突變所致[7]，MERRF主要由于mtDNA上tRNALys基因上第8344處A到G的點(diǎn)突變引起[8]，CPEO和KSS均為mtDNA片段缺失。線粒體病mtDNA點(diǎn)突變和片段缺失類型眾多，不斷有新的突變類型報(bào)道，mtDNA常見突變位點(diǎn)無異常并不能排外診斷，所以mtDNA分析對(duì)線粒體病的診斷也受檢測(cè)條件限制。

2 MRS和31P-MRS

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy,MRS)是一種無創(chuàng)性地研究活體組織器官代謝、生化變化及對(duì)化合物進(jìn)行定量分析的方法，上世紀(jì)70年代中期MRS就已應(yīng)用于人和動(dòng)物組織器官的活體檢測(cè)，其對(duì)某些疾病的病理生理變化、早期診斷、預(yù)后和療效的判斷都有非常重要的意義?，F(xiàn)在用于MRS檢查的原子核主要包括：1H、31P、23Na、13C、19F、39K 等，其中以31P和1H最常用。31P-MRS因其不受水信號(hào)的干擾，最早應(yīng)用于活體研究。機(jī)體磷化物的濃度和能量代謝密切相關(guān)，測(cè)定磷代謝產(chǎn)物的濃度及分布可確定細(xì)胞的能量狀態(tài)。因此，31P-MRS能探測(cè)高能磷酸化合物和磷脂的含量，反映人體組織細(xì)胞的能量代謝變化，對(duì)活體組織能量代謝的研究具有不可替代的作用，是研究肌肉病變的重要工具。

3 正常骨骼肌31P-MRS

MRS是利用磁共振現(xiàn)象和化學(xué)位移作用,無創(chuàng)性地從活體組織內(nèi)獲得生物化學(xué)信息的一種技術(shù)。通過射頻脈沖激勵(lì)受檢物質(zhì)的原子核，測(cè)量該原子核在弛豫過程中釋放的幅度隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律衰減的電磁波信號(hào)，然后通過傅里葉轉(zhuǎn)換，在化合物固有的位置上顯示其峰值。峰下面積與特定頻率的原子核共振數(shù)目成正比,反映代謝物的濃度,可用來定量分析。

肌肉組織成分較單一，高能磷酸化合物含量高，是31P-MRS研究最理想的器官。此外，骨骼肌能夠隨意收縮，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)31P-MRS的研究測(cè)量骨骼肌在靜息狀態(tài)、收縮期和恢復(fù)過程中細(xì)胞內(nèi)高能磷酸化合物的變化，可評(píng)價(jià)骨骼肌做功時(shí)能量的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)線粒體功能的無創(chuàng)性評(píng)價(jià)。

正常人的骨骼肌31P-MRS均能清楚觀察到7個(gè)代謝產(chǎn)物的共振波峰[9](見圖1A)，分別是磷酸單脂(PME)、 無機(jī)磷 (Pi)、 磷酸二脂 (PDE)、磷酸肌酸(PCr)及三磷酸腺苷(γ-ATP、α-ATP 、β-ATP)。PME是磷脂代謝產(chǎn)物,與細(xì)胞膜的合成和降解有關(guān)。Pi峰的化學(xué)位移與細(xì)胞內(nèi)的pH值有關(guān)，根據(jù)Pi峰相對(duì)于PCr的化學(xué)位移值可計(jì)算出細(xì)胞內(nèi)的pH值。 pH=6.75+log (dis-3.27)/(5.69-dis)，dis為Pi和PCr的相對(duì)位移。PDE是磷脂的最終代謝產(chǎn)物，是細(xì)胞膜和髓鞘的重要組成成分，被認(rèn)為與細(xì)胞膜的分解有關(guān)。PCr 是高能磷酸鹽的儲(chǔ)存形式，其含量多少反映組織能量狀態(tài)，是組織能量代謝狀態(tài)的一個(gè)敏感指標(biāo)，當(dāng)肌肉中 ATP含量降低 ，ADP含量升高時(shí)，肌酸激酶(CK)催化平衡反應(yīng)：PCr+ADP?ATP+Cr，從而維持人體組織的能量狀態(tài)。相反，當(dāng)ATP含量增多時(shí)可生成PCr保持ATP的濃度。ATP峰是三磷酸腺苷與鎂離子(Mg2+) 形成的化合物 (MgATP)的波峰，在磷譜上表現(xiàn)為α、β和γ3個(gè)共振峰。ATP的α、γ峰與 ADP的α、β峰相重疊，只有β-ATP峰不與其他峰重疊，因此常用β-ATP的峰下面積代表ATP的含量。Mg2+是ATP進(jìn)行能量代謝的重要活性成分，其含量與肌肉的很多病理狀態(tài)有關(guān)。ATP與 Mg2+結(jié)合會(huì)使β- ATP、γ- ATP共振波峰的化學(xué)位移發(fā)生改變,此可用來計(jì)算細(xì)胞內(nèi)Mg2+濃度[10]。

4 正常骨骼肌動(dòng)態(tài)31P-MRS

大多數(shù)骨骼肌31P-MRS研究設(shè)計(jì)一般包括標(biāo)準(zhǔn)的靜息-運(yùn)動(dòng)-恢復(fù)3個(gè)階段，從各個(gè)階段的波譜變化可獲得骨骼肌能量代謝的信息[9]。靜息狀態(tài)時(shí)31P-MRS可直接測(cè)量骨骼肌內(nèi)未與大分子結(jié)合且含量高于1 mmol的代謝物質(zhì)，如Pi、PCr及ATP等，也可間接計(jì)算與能量代謝相關(guān)的化合物濃度和指標(biāo)，如 ADP、 pH 值等，從而對(duì)活體細(xì)胞能量代謝進(jìn)行無創(chuàng)性評(píng)價(jià)，明確其能量代謝特點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)過程中，細(xì)胞內(nèi)的高能磷酸鍵互相轉(zhuǎn)換維持肌肉的正常功能。骨骼肌收縮時(shí)，分解ATP，釋放能量，生成Pi和ADP，PCr在CK的催化下將高能磷酸鍵傳遞給ATP，補(bǔ)充骨骼肌的化學(xué)能，磷譜上可觀察到PCr降低，Pi和ADP升高。運(yùn)動(dòng)恢復(fù)過程中,肌細(xì)胞糖酵解停止而以ADP濃度調(diào)控的氧化磷酸化合成 ATP的過程仍以一定加速度持續(xù)進(jìn)行,產(chǎn)生的ATP大部分用于重新合成 PCr，此時(shí)磷譜上可見 PCr逐漸增加,Pi逐漸下降,最后至靜息水平。因此，動(dòng)態(tài)31P-MRS對(duì)代謝物恢復(fù)率的研究,可用于線粒體功能的定量評(píng)價(jià)[11]。

5 線粒體病骨骼肌31PP-MRS的臨床應(yīng)用

線粒體在細(xì)胞能量代謝中起著重要作用，呼吸鏈酶缺陷是導(dǎo)致線粒體病的直接原因，它們發(fā)展到最后都造成 ATP生成缺陷從而導(dǎo)致骨骼肌運(yùn)動(dòng)耐受下降。目前常用評(píng)價(jià)線粒體功能的方法均為離體研究或有創(chuàng)檢查[12]。31P-MRS由于其具有可重復(fù)性及無創(chuàng)性，使其對(duì)線粒體病的療效或疾病進(jìn)展進(jìn)行客觀和無創(chuàng)性評(píng)估成為可能[13]。盡管在臨床類型、檢測(cè)部位等方面有所不同，但目前已有的關(guān)于線粒體病骨骼肌31P-MRS的主要研究結(jié)果是相似的(見圖1B)。

5.1 線粒體(腦)肌病的骨骼肌31P-MRS 線粒體肌病以骨骼肌極度不能耐受疲勞為主要臨床特征。線粒體腦肌病以MELAS最常見，以卒中樣發(fā)作為特點(diǎn)，同時(shí)伴有智能減退、身材矮小、神經(jīng)性聽力下降、血乳酸增高等。31P-MRS技術(shù)的運(yùn)用，擺脫了有創(chuàng)診斷的束縛，為臨床篩查提供可能。

靜息時(shí)：線粒體(腦)肌病患者的骨骼肌31P-MRS表現(xiàn)為Pi 峰較高，少數(shù)表現(xiàn)為PCr下降，因此35%～85%的線粒體腦肌病患者在靜息狀態(tài)下PCr/Pi降低，患者靜息狀態(tài)下骨骼肌磷酸化的潛力下降。盡管這種PCr/Pi降低并不具有特異性，但對(duì)于篩查患者，隨訪已治療的患者、孩子，以及對(duì)體質(zhì)虛弱不能活動(dòng)的患者仍十分有用[14]。

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下：在有氧運(yùn)動(dòng)時(shí)，線粒體(腦)肌病患者和正常人比較，表現(xiàn)為更快速的肌肉能量下降，這與線粒體ATP合成障礙和非氧化途徑的能量產(chǎn)生增加相符?；颊叩囊豁?xiàng)運(yùn)動(dòng)研究表明，PCr的變化是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下一個(gè)更為敏感的指標(biāo)[15]。

運(yùn)動(dòng)恢復(fù)過程：恢復(fù)期是評(píng)價(jià)線粒體ATP合成最大速率最敏感和最特異的階段，此期ATP主要來源于氧化磷酸化，線粒體(腦)肌病在此期的代謝異常主要表現(xiàn)為PCr恢復(fù)期延長(zhǎng)、快速pH值及運(yùn)動(dòng)后ADP恢復(fù)延遲[16]。原發(fā)于腦的線粒體病患者其運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段的代謝異常沒有原發(fā)于骨骼肌的患者明顯[5]。

31P-MRS對(duì)治療的評(píng)價(jià)：近年來，MRS已經(jīng)用于評(píng)價(jià)試驗(yàn)性藥物治療的效果[17]。因?yàn)榫€粒體病發(fā)病率低，非常需要這樣一種輔助檢查手段協(xié)助我們進(jìn)行臨床評(píng)估。不同于肌肉活檢具有創(chuàng)傷性，31P-MRS因其無創(chuàng)性可反復(fù)評(píng)價(jià)藥物治療的反應(yīng)以及觀察疾病的進(jìn)展情況。第1例報(bào)道使用31P-MRS進(jìn)行療效評(píng)價(jià)的是一位呼吸鏈復(fù)合酶Ⅲ嚴(yán)重缺陷患者，該患者經(jīng)維生素K3及維生素C治療一段時(shí)間后，Pcr/Pi在靜息狀態(tài)下可見中度升高，在運(yùn)動(dòng)后可見迅速恢復(fù)[14]。在Bendahan等[18]的研究中，2例線粒體肌病患者經(jīng)輔酶Q10治療10個(gè)月后，臨床癥狀明顯好轉(zhuǎn)，31P-MRS 的PCr/Pi較治療前升高，線粒體功能明顯改善。31P-MRS用于觀察核黃素、煙酰胺和皮質(zhì)醇治療線粒體病的效果也有報(bào)道[19,20]。

圖1A:正常人靜息狀態(tài)骨骼肌31P-MRS波譜。主要波峰：PCr、Pi、PDE和3個(gè)ATP峰(α、β、γ)；B:線粒體病患者靜息狀態(tài)骨骼肌31PP-MRS波譜顯示Pi升高和PCr降低(引自Argov Z,et al.[14])

5.2 線粒體糖尿病和2型糖尿病的骨骼肌31P-MRS 由mtDNA點(diǎn)突變所致的糖尿病稱為線粒體糖尿病，1997年美國(guó)糖尿病學(xué)會(huì)把它列為特殊類型糖尿病，屬于β細(xì)胞遺傳缺陷疾病，但線粒體糖尿病患者骨骼肌31P-MRS研究在文獻(xiàn)上并未見報(bào)道。

2型糖尿病與胰島素抵抗和胰島素分泌不足有關(guān)，是臨床最常見的內(nèi)分泌疾病。近幾年隨著對(duì)線粒體研究的不斷深入，線粒體功能缺陷和2型糖尿病的相關(guān)病理機(jī)制研究受到廣泛關(guān)注，為我們探索糖尿病的基礎(chǔ)病因拓展了思路[21]。

線粒體功能異常和胰島素抵抗的相關(guān)病理機(jī)制尚不明確。一般認(rèn)為線粒體功能異常是胰島素抵抗病理機(jī)制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。線粒體功能障礙可導(dǎo)致脂肪酸蓄積，影響骨骼肌和肝臟對(duì)胰島素的敏感性，產(chǎn)生胰島素抵抗。Green等認(rèn)為增強(qiáng)線粒體氧化磷酸化功能可有效預(yù)防甚至治療2型糖尿病[22]。但也有證據(jù)表明，線粒體功能障礙是2型糖尿病發(fā)展所致，高血糖促進(jìn)解偶聯(lián)蛋白生成，影響線粒體呼吸鏈功能，導(dǎo)致氧化磷酸化功能障礙[23]。Schrauwen-Hinderling VB等使用動(dòng)態(tài)31P-MRS研究2型糖尿病患者骨骼肌，分別采集靜息期、運(yùn)動(dòng)期和恢復(fù)期的31P-MRS，結(jié)果顯示2型糖尿病患者PCr恢復(fù)到靜息水平的1/2所用的時(shí)間較對(duì)照組延長(zhǎng)45%，表明2型糖尿病患者線粒體功能受損[24]。

6 小 結(jié)

31P-MRS被廣泛應(yīng)用于活體組織能量代謝變化的研究，是目前唯一能無創(chuàng)性地監(jiān)測(cè)活體組織能量代謝的可靠方法，動(dòng)態(tài)31P-MRS可實(shí)現(xiàn)在體評(píng)價(jià)線粒體功能，在線粒體相關(guān)疾病的研究方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但目前31P-MRS在臨床廣泛應(yīng)用還存在一些問題，如磁場(chǎng)強(qiáng)度較低、掃描時(shí)間過長(zhǎng)、數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜及缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等。隨著高場(chǎng)磁共振設(shè)備和MRS處理軟件的不斷完善，線粒體病骨骼肌31P-MRS的臨床應(yīng)用研究必將越來越深入。

[1] 沈定國(guó).肌肉疾病[M].北京：人民軍醫(yī)出版社,2007.349-351.

[2]Mattei JP,Bendahan D,Cozzone P.31P magnetic resonance spectroscopy-a tool for diagnostic purposes and pathophysiological in sights in muscle disease[J].Reumatismo,2004,56(1):9-14.

[3]Kam MK,Teo PM,Chau RM,et al.Treatment of nasopharyngeal carcinoma with intensity-modulated radiotherapy:the Hong Kong experience[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2004,60(5):1440-1450.

[4]Moller HE,Kuflemann G,Putzler M,et al.Magnetic resonance spectroscopy in patients with MELAS[J].J Neurel Sci,2005,229 (230):131-139.

[5]李 銀,賴 鴻,丁衛(wèi)江.脂質(zhì)沉積性肌病骨骼肌磁共振31磷波譜的臨床價(jià)值研究[J].中風(fēng)與神經(jīng)疾病雜志,2012,29(5)：415-418.

[6]Lammens M,Schoser B.Metabolische myopathien-einuberblick[J].Pathologe,2009,30(5):370-378.

[7]Goto Yi,Nonaka I,Horai S.A mutation in the tRNA(Leu)(UUR) gene associated with the MELAS subgroup of Mitochondrial encephalomyopathies[J].Nature,1990,348(6302):651-653.

[8]Shoffner J,Lott M,Lezza A,et al.Myoclonic epilepsy and ragged-red fiber disease (MERRF) is associated with a mitochondrial DNA tRNA(Lys) mutation[J].Cell,1990,61(6):931-937.

[9] Bendahan D,Mattei JP,Kozak-Ribbens G,et al.Non invasive investigation of muscle diseases using31P magnetic resonance spectroscopy：potential in clinical applications[J].Rev Neurol (Paris),2002,158(1):527-540.

[10]Mosher TJ,Williams GD,Doumen C,et al.Error in the calibration of the MgATP chemical-shift limit: effects on the determination of free magnesium by P-31 NMR spectroscopy[J].Magn Reson Med,1992,24(1):163-169.

[11]Marcinek DJ.Mitochondrial dysfunction measured in vivo[J].Acta Physiol Scand,2004,182(4):343.

[12]Dickson LM,Rhodes CJ.Pancreatic-cell growth and survival in the onset of type 2 diabetes:a role for protein kinase B in the Akt[J].Am J Physiol Endocrinol Metab,2004,287(2):192-198.

[13]Asmann YW,Stump CS,Short KR.Skeletal muscle mitochondria functions,mitochondrial DNA copy numbers,and gene transcript profiles in type 2 diabetic and nondiabetic subjects at equal levels of low or high insulin and euglycemia[J].Diabetes,2006,55(12):3309-3319.

[14]Argov Z,Lofberg M,Arnold DL.Insights into muscle diseases gained by phosphorus magnetic resonance spectroscopy[J].Muscle Nerve,2000,23(9):1316-1334.

[15]Kuhl CK,Layer G,Traber F,et al.Mitochondrial encephalomyopathy: correlation of P-31 exercise MR spectroscopy with clinical findings[J].Radiology,1994,192(1):223-230.

[16]Tarnopolsky MA,Parise G.Direct measurement of high-energy phosphate compounds in patients with neuromuscular disease[J].Muscle Nerve,1999,22(9):1228-1233.

[17]Martinuzzi A,Liava A,Trevisi E,et al.Randomized,placebo-controlled,double-blind pilot trial of ramipril in McArdle’s disease[J].Muscle Nerve,2008,37(3):350-357.

[18]Bendahan D,Desnuelle C,Vanuxem D,et al.31P NMR spectroscopy and ergometer exercise test as evidence for muscle oxidative performance improvement with coenzyme Q in mitochondrial myopathies[J].Neurology,1992,42(6):1203-1208.

[19]Penn AM,Lee JW,Thuillier P,et al.MELAS syndrome with mitochondrial tRNA(Leu)(UUR) mutation:correlation of clinical state,nerve conduction,and muscle31P magnetic resonance spectroscopy during treatment with nicotinamide and riboflavin[J].Neurology,1992,42(11):2147-2152.

[20]Heiman-Patterson TD,Argov Z,Chavin JM,et al.Biochemical and genetic studies in a family with mitochondrial myopathy[J].Muscle Nerve,1997,20(10):1219-1224.

[21]Lowell BB,Shulman GI.Mitochondrial dysfunction and type 2 diabetes[J].Science,2005,307(5708):384-387.

[22]Green K,Brand MD,Murphy MP.Prevention of mitochondrial oxidative damage as a therapeutic strategy in diabetes[J].Diabetes,2004,53(1):S110-118.

[23]Langin D.Diabetes,insulin secretion,and the pancreatic BETA-cell mitochondrion[J].N Engl J Med,2001,345(24):1772-1774.

[24]Schrauwen-Hinderling VB,Kooi ME,Hesselink MK,et al.Impaired in vivo mitochondrial function but similar intramyocellular lipid content in patients with type 2 diabetesmellitus and BMI-matched control subjects[J].Diabetologia,2007,50(1):113-120.

1003-2754(2016)10-0958-03

R742

2016-08-05；

2016-09-29

(贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，江西 贛州 341000)

丁衛(wèi)江，E-mail：efydwj@yahoo.com.cn