線粒體腦肌病伴乳酸酸中毒和卒中樣發作(MELAS)分子病理學和發病機制研究的最新進展

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點突變。主要的臨床癥狀為反復發作的頭痛、癲癇和卒中樣發作。其肌肉病理特點為出現破碎紅纖維(RRF)、細胞色素C氧化酶(COX)陰性肌纖維和琥珀酸脫氫酶(SDH)深染的血管。腦病理表現為受累皮質的層狀壞死和小血管增生［2］。雖然線粒體tRNA(UUR)基因突變已經闡明，但是作為該病的核心癥狀，卒中樣發作的根本發病機制仍未明確。本文從分子病理學角度闡述MELAS綜合征卒中樣發作的基本機制。

King等人［3］發明了一項技術，即通過把從MELAS綜合征患者細胞中取得的線粒體轉移至一缺線粒體DNA(mtDNA)的細胞系(所謂的ρ0胞質雜交體系)，該項技術可以用來研究基因型-表型之間的關系，用來評估mtDNA任何核苷酸改變的致病性。結果發現當mtDNA突變累積達到細胞閾值時，就可以影響細胞結構的穩定性、甲酰化、甲基化、氨基酰化和密碼子識別，引起蛋白質合成缺陷，從而導致呼吸鏈功能缺陷，引起細胞能量代謝異常。

1 MELAS 綜合征的分子病理學［3～5］

1．1 處于穩態水平的tRNALeu(UUR)分子壽命降低ρ0胞質雜交體系研究發現存在 A3243G突變的 tRNALeu(UUR)穩態數量在胞質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。穩態水平的降低在于突變型tRNAs的短壽命周期。

1．2 氨酰化-tRNA(UUR)與不帶電的tRNALeu(UUR)分子的比例下降 2000年，Yasukawa利用固化探測法成功純化了突變型tRNALeu(UUR)基因證實了突變型tRNALeu(UUR)基因引起亮氨酸氨酰化程度很低［3，4］。Park等人對比了野生型和突變型tRNALeu(UUR)基因氨酰化的動力學發現突變型在體外氨酰化效率偏低。據此伴有A3243G突變的氨酰基-tRNALeu(UUR)數量下降可導致蛋白質合成的降低。

1．3 加工中間體如RNA19的積累 通過ρ0胞質雜交體系研究及對來自8位存在A3243G點突變的MELAS患者肌肉樣本分析發現存在RNA19(相當于16srRNA+tRNA(UUR)+ND1基因)的積累。蛋白質合成缺陷是由于包括RNA19在內的假核糖體導致翻譯停止引起的。雖然為什么RNA19會在有點突變的的患者細胞中升高，至今還未明了，但通過研究我們相信RNA19水平的升高在功能紊亂的發病機制中發揮重要作用。

1．4 tRNA修飾缺陷 Yasukawa等人發現在野生型tRNALeu(UUR)存在修飾尿苷，這種修飾發生在尿嘧啶的基礎上，而這種尿嘧啶在含有點突變的基因中是缺乏的。修飾缺陷已由初級擴展方法所證實，這是唯一發現的由點突變引起的修飾缺陷。

以上分子機制可以導致蛋白質合成缺陷，導致呼吸鏈酶缺陷，尤其是復合體I和IV，并導致線粒體細胞病。

2 MELAS綜合征卒中樣發作的假設

2．1 線粒體細胞病學說 Gilchrist等［6］觀察到MELAS患者病灶部位的神經元內含有許多結構異常的線粒體，而且基因檢測發現病變腦組織內存在高比例的突變基因。線粒體DNA(mtDNA)點突變，導致神經元和神經膠質細胞氧化磷酸化異常，導致區域神經元能量代謝失衡，無氧酵解比例上升，乳酸堆積，自由基生成增多，導致細胞穩態失調和慢性乳酸酸中毒，當能量需求增多時，可誘發腦卒中樣發作。

Cropen等［7］推測乳酸酸中毒范圍的擴展引起水腫的擴展，可以解釋MELAS卒中樣發作分布區不符合血管分布的特點，并因此提出卒中樣發作可能是一種“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合物水平下降，腦室內腦脊液乳酸水平增高，表明MELAS患者中存在線粒體細胞病。DWI的使用，固態水的流動性可用來檢測組織水的表觀彌散系數(ADC)，研究發現MELAS患者ADC在卒中樣發作時可下降，表明存在細胞源性水腫，支持代謝因素引起卒中樣發作。

Katayama等［8］對21例MELAS患者尸檢的腦組織進行研究，發現在梗死樣區域的周圍組織內存在自由基水平增高和自由基清除能力下降。據此推斷自由基生成增多和清除能力下降可能是誘發卒中樣發作的因素之一。

2．2 線粒體血管病學說 最早由Ohama等［9］提出，異常的線粒體于腦內小血管的內皮細胞和平滑肌細胞蓄積，并以一種相似的方式增值，這些血管為強琥珀酸脫氫酶反應血管(SSVs)。依據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為細胞色素酶(COX)陽性。在分子病理學方面，單纖維聚合酶鏈反應證實MELAS患者腦小血管壁的線粒體基因突變率高于神經元細胞，并以軟腦膜及大腦皮質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)結合細胞色素 C氧化酶(COX)，高活性的COX可使局部的NO濃度下降，并導致琥珀酸脫氫酶反應陽性血管舒張功能異常，腦組織血流自動調節能力下降，導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反應生成強氧化劑，這可能誘發神經細胞凋亡或細胞損傷。L-精氨酸［3，4，10］(NO 的前體物質)的臨床試驗證實靜點精氨酸后可降低卒中發作頻率及癥狀嚴重性。盡管病理組織學的梗死樣病變和臨床卒中樣發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的分布。所有結果表明:在MELAS腦組織活檢中，線粒體血管病是一種獨特的且常見的改變。

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

有文獻報道［12］線粒體突變所致的皮質神經元受損是MELAS綜合征的根本原因，該觀點認為氧化磷酸化過程的破壞使神經元細胞膜上能量依賴性的離子和蛋白質轉運受阻，影響鉀離子內流及谷氨酸轉運蛋白大腸埃希菌天冬氨酸氨基轉移酶的活性;同時，鉀離子和興奮性氨基酸在細胞外聚集，激活了NMDA受體，破壞了鈣離子的穩態，造成神經元興奮性增高，產生同步去極化，并向周圍皮質擴散，誘發癲癇發作。持續癲癇發作使毛細血管通透性增高、周圍腦組織水腫，這種血管源性水腫又導致了卒中樣發作的出現。［13］。

2．3 非缺血性神經血管細胞學說 2002年有文獻報道MELAS綜合征的病理生理改變主要表現為毛細血管通透性增加、過度灌注、神經元易損傷、神經元過度興奮，其中神經元過度興奮可能發揮核心作用。在此基礎上，lizuka等［14］通過MELAS綜合征患者的臨床表現、特征及腦電圖(EEG)進行研究，提出了非缺血性神經血管細胞學說，提出MELAS卒中樣發作可以反應出神經元的過度興奮(即癲癇活動)，由于氧化磷酸化缺陷，這種過度興奮增加了能量需求，引起能量需求和ATP供應之間的不平衡，大量神經元功能減退，臨床上表現為卒中樣發作。新近lizuka等［15］通過對6例患者18次腦卒中發作的急性期進行連續性的臨床影像學研究，同時采用SPECT對5例MELAS綜合征患者在慢性期對乙酰唑胺的局灶性腦血管反應(regional cerebrovas cular reactivity rCVR)研究，進一步證明卒中樣發作是神經元興奮性過高導致的非缺血性神經血管事件，解釋了MELAS綜合征卒中樣病灶不符合血管分布的特點。

MELAS卒中樣發作的發病機制并不簡單，伴隨有分子異常和血管異常。線粒體細胞病已在ρ0胞質雜交體系中證實是分子缺陷所致［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陽性，導致了大腦小動脈節段性血管閉塞，進而證實了線粒體血管病理論。PET結果中腦葡萄糖和氧代謝的解離可能是MELAS的特征表現，這證實了線粒體細胞病理論。在不久的將來，我們將會闡明MELAS卒中樣發作的發病機制。

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