線粒體病骨骼肌磁共振31磷波譜的臨床應用

賴 鴻綜述， 丁衛江審校

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線粒體病骨骼肌磁共振31磷波譜的臨床應用

賴 鴻綜述， 丁衛江審校

線粒體病(mitochondrial disorders)是一組少見的線粒體結構和(或)功能異常導致的以腦和骨骼肌受累為主的能量代謝障礙性多系統疾病，其臨床表現高度異質、復雜多樣，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，但前者具有創傷性，后者又受技術條件限制，因此兩者臨床應用仍有一定局限。近年來，磁共振31磷波譜(31P magnetic resonance spectroscopy，31P-MRS)技術用于線粒體功能研究越來越受關注，被認為是目前唯一無創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、無創性檢測生物體骨骼肌能量代謝變化，并已應用于各種神經肌肉病的能量代謝評估[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系統的線粒體腦肌病和影響其他系統的線粒體疾病[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)、神經病、共濟失調和視網膜色素變性綜合征(NARP)、Leber遺傳視神經病(LHON)等。線粒體病的臨床表現復雜多樣，可歸為下列幾個方面：(1)中樞神經系統表現：卒中樣發作，共濟失調，運動異常包括肌陣攣、肌張力障礙、認知障礙、脊髓病、偏頭痛等；(2)肌肉表現：肌無力、運動不能耐受和橫紋肌溶解等；(3)周圍神經病：感覺神經病和交感神經病；(4)眼外肌麻痹：出現眼外肌麻痹或眼上瞼下垂；(5)視力障礙：皮質盲、色素性視網膜病、視神經病；(6)聽力障礙；(7)系統性損害：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，其肌肉病理特點為：改良Gomori染色下見肌膜下出現不規則的紅色邊緣，即不整紅邊纖維，經電鏡證實為異常線粒體堆積[6]，線粒體嵴排列紊亂，有時可見類結晶樣包涵體；細胞色素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處發生A到G的點突變所致[7]，MERRF主要由于mtDNA上tRNALys基因上第8344處A到G的點突變引起[8]，CPEO和KSS均為mtDNA片段缺失。線粒體病mtDNA點突變和片段缺失類型眾多，不斷有新的突變類型報道，mtDNA常見突變位點無異常并不能排外診斷，所以mtDNA分析對線粒體病的診斷也受檢測條件限制。

2 MRS和31P-MRS

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy,MRS)是一種無創性地研究活體組織器官代謝、生化變化及對化合物進行定量分析的方法，上世紀70年代中期MRS就已應用于人和動物組織器官的活體檢測，其對某些疾病的病理生理變化、早期診斷、預后和療效的判斷都有非常重要的意義。現在用于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因其不受水信號的干擾，最早應用于活體研究。機體磷化物的濃度和能量代謝密切相關，測定磷代謝產物的濃度及分布可確定細胞的能量狀態。因此，31P-MRS能探測高能磷酸化合物和磷脂的含量，反映人體組織細胞的能量代謝變化，對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是利用磁共振現象和化學位移作用,無創性地從活體組織內獲得生物化學信息的一種技術。通過射頻脈沖激勵受檢物質的原子核，測量該原子核在弛豫過程中釋放的幅度隨時間呈指數規律衰減的電磁波信號，然后通過傅里葉轉換，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，可以進行動態31P-MRS的研究測量骨骼肌在靜息狀態、收縮期和恢復過程中細胞內高能磷酸化合物的變化，可評價骨骼肌做功時能量的轉換效率，實現對線粒體功能的無創性評價。

正常人的骨骼肌31P-MRS均能清楚觀察到7個代謝產物的共振波峰[9](見圖1A)，分別是磷酸單脂(PME)、 無機磷 (Pi)、 磷酸二脂 (PDE)、磷酸肌酸(PCr)及三磷酸腺苷(γ-ATP、α-ATP 、β-ATP)。PME是磷脂代謝產物,與細胞膜的合成和降解有關。Pi峰的化學位移與細胞內的pH值有關，根據Pi峰相對于PCr的化學位移值可計算出細胞內的pH值。 pH=6.75+log (dis-3.27)/(5.69-dis)，dis為Pi和PCr的相對位移。PDE是磷脂的最終代謝產物，是細胞膜和髓鞘的重要組成成分，被認為與細胞膜的分解有關。PCr 是高能磷酸鹽的儲存形式，其含量多少反映組織能量狀態，是組織能量代謝狀態的一個敏感指標，當肌肉中 ATP含量降低 ，ADP含量升高時，肌酸激酶(CK)催化平衡反應：PCr+ADP?ATP+Cr，從而維持人體組織的能量狀態。相反，當ATP含量增多時可生成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，在磷譜上表現為α、β和γ3個共振峰。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有關。ATP與 Mg2+結合會使β- ATP、γ- ATP共振波峰的化學位移發生改變,此可用來計算細胞內Mg2+濃度[10]。

4 正常骨骼肌動態31P-MRS

大多數骨骼肌31P-MRS研究設計一般包括標準的靜息-運動-恢復3個階段，從各個階段的波譜變化可獲得骨骼肌能量代謝的信息[9]。靜息狀態時31P-MRS可直接測量骨骼肌內未與大分子結合且含量高于1 mmol的代謝物質，如Pi、PCr及ATP等，也可間接計算與能量代謝相關的化合物濃度和指標，如 ADP、 pH 值等，從而對活體細胞能量代謝進行無創性評價，明確其能量代謝特點。運動過程中，細胞內的高能磷酸鍵互相轉換維持肌肉的正常功能。骨骼肌收縮時，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，補充骨骼肌的化學能，磷譜上可觀察到PCr降低，Pi和ADP升高。運動恢復過程中,肌細胞糖酵解停止而以ADP濃度調控的氧化磷酸化合成 ATP的過程仍以一定加速度持續進行,產生的ATP大部分用于重新合成 PCr，此時磷譜上可見 PCr逐漸增加,Pi逐漸下降,最后至靜息水平。因此，動態31P-MRS對代謝物恢復率的研究,可用于線粒體功能的定量評價[11]。

5 線粒體病骨骼肌31PP-MRS的臨床應用

線粒體在細胞能量代謝中起著重要作用，呼吸鏈酶缺陷是導致線粒體病的直接原因，它們發展到最后都造成 ATP生成缺陷從而導致骨骼肌運動耐受下降。目前常用評價線粒體功能的方法均為離體研究或有創檢查[12]。31P-MRS由于其具有可重復性及無創性，使其對線粒體病的療效或疾病進展進行客觀和無創性評估成為可能[13]。盡管在臨床類型、檢測部位等方面有所不同，但目前已有的關于線粒體病骨骼肌31P-MRS的主要研究結果是相似的(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，以卒中樣發作為特點，同時伴有智能減退、身材矮小、神經性聽力下降、血乳酸增高等。31P-MRS技術的運用，擺脫了有創診斷的束縛，為臨床篩查提供可能。

靜息時：線粒體(腦)肌病患者的骨骼肌31P-MRS表現為Pi 峰較高，少數表現為PCr下降，因此35%～85%的線粒體腦肌病患者在靜息狀態下PCr/Pi降低，患者靜息狀態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，但對于篩查患者，隨訪已治療的患者、孩子，以及對體質虛弱不能活動的患者仍十分有用[14]。

運動狀態下：在有氧運動時，線粒體(腦)肌病患者和正常人比較，表現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生增加相符。患者的一項運動研究表明，PCr的變化是運動狀態下一個更為敏感的指標[15]。

運動恢復過程：恢復期是評價線粒體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為PCr恢復期延長、快速pH值及運動后ADP恢復延遲[16]。原發于腦的線粒體病患者其運動恢復階段的代謝異常沒有原發于骨骼肌的患者明顯[5]。

31P-MRS對治療的評價：近年來，MRS已經用于評價試驗性藥物治療的效果[17]。因為線粒體病發病率低，非常需要這樣一種輔助檢查手段協助我們進行臨床評估。不同于肌肉活檢具有創傷性，31P-MRS因其無創性可反復評價藥物治療的反應以及觀察疾病的進展情況。第1例報道使用31P-MRS進行療效評價的是一位呼吸鏈復合酶Ⅲ嚴重缺陷患者，該患者經維生素K3及維生素C治療一段時間后，Pcr/Pi在靜息狀態下可見中度升高，在運動后可見迅速恢復[14]。在Bendahan等[18]的研究中，2例線粒體肌病患者經輔酶Q10治療10個月后，臨床癥狀明顯好轉，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、煙酰胺和皮質醇治療線粒體病的效果也有報道[19,20]。

圖1A:正常人靜息狀態骨骼肌31P-MRS波譜。主要波峰：PCr、Pi、PDE和3個ATP峰(α、β、γ)；B:線粒體病患者靜息狀態骨骼肌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點突變所致的糖尿病稱為線粒體糖尿病，1997年美國糖尿病學會把它列為特殊類型糖尿病，屬于β細胞遺傳缺陷疾病，但線粒體糖尿病患者骨骼肌31P-MRS研究在文獻上并未見報道。

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

線粒體功能異常和胰島素抵抗的相關病理機制尚不明確。一般認為線粒體功能異常是胰島素抵抗病理機制中的關鍵環節。線粒體功能障礙可導致脂肪酸蓄積，影響骨骼肌和肝臟對胰島素的敏感性，產生胰島素抵抗。Green等認為增強線粒體氧化磷酸化功能可有效預防甚至治療2型糖尿病[22]。但也有證據表明，線粒體功能障礙是2型糖尿病發展所致，高血糖促進解偶聯蛋白生成，影響線粒體呼吸鏈功能，導致氧化磷酸化功能障礙[23]。Schrauwen-Hinderling VB等使用動態31P-MRS研究2型糖尿病患者骨骼肌，分別采集靜息期、運動期和恢復期的31P-MRS，結果顯示2型糖尿病患者PCr恢復到靜息水平的1/2所用的時間較對照組延長45%，表明2型糖尿病患者線粒體功能受損[24]。

6 小 結

31P-MRS被廣泛應用于活體組織能量代謝變化的研究，是目前唯一能無創性地監測活體組織能量代謝的可靠方法，動態31P-MRS可實現在體評價線粒體功能，在線粒體相關疾病的研究方面表現出獨特的優勢。但目前31P-MRS在臨床廣泛應用還存在一些問題，如磁場強度較低、掃描時間過長、數據處理較復雜及缺乏統一標準等。隨著高場磁共振設備和MRS處理軟件的不斷完善，線粒體病骨骼肌31P-MRS的臨床應用研究必將越來越深入。

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1003-2754(2016)10-0958-03

R742

2016-08-05；

2016-09-29

(贛南醫學院第一附屬醫院神經內科，江西 贛州 341000)

丁衛江，E-mail：efydwj@yahoo.com.cn