Митохондриальная дисфункция при кардиомиопатиях у детей. Митохондриальные заболевания Митохондриальные заболевания
Описание:
Митохондриальные заболевания - группа наследственных заболеваний, связанных с дефектами в функционировании митохондрий, приводящими к нарушениям энергетических функций в клетках эукариот, в частности, человека.
Митохондриальные заболевания обусловлены генетическими, структурными, биохимическими дефектами митохондрий, приводящими к нарушениям тканевого дыхания. Они передаются только по женской линии к детям обоих полов, так как сперматозоиды передают зиготе половину ядерного генома, а яйцеклетка поставляет и вторую половину генома, и митохондрии. Патологические нарушения клеточного энергетического обмена могут проявляться в виде дефектов различных звеньев в цикле Кребса, в дыхательной цепи, процессах бета-окисления и т. д.
Не все ферменты и другие регуляторы, необходимые для эффективного функционирования митохондрий, кодируются митохондриальной ДНК. Большая часть митохондриальных функций контролируется ядерной.
Можно выделить две группы митохондриальных заболеваний:
Ярко выраженные наследственные синдромы, обусловленные мутациями генов, ответственных за митохондриальные белки (синдром Барта, синдром Кернса-Сейра, синдром Пирсона, синдром MELAS, синдром MERRF и другие).
Вторичные митохондриальные заболевания, включающие нарушение клеточного энергообмена как важное звено формирования патогенеза (болезни соединительной ткани, гликогеноз, печёночная недостаточность, панцитопения, а также , диабет, и другие).
Причины митохондриальных заболеваний:
Повреждение митохондрий в основном возникает из-за воздействия реактивных форм кислорода (РФК). В настоящее время считают, что большинство РФК образуется комплексами I и III, вероятно, вследствие высвобождения электронов под воздействием НАД-Н и ФАД-Н в ЦПЭ. Митохондрии используют приблизительно 85% кислорода, потребляемого клеткой, в процессе образования АТФ. В ходе нормального процесса ОФ от 0.4% до 4.0% всего употребляемого кислорода преобразуется в митохондриях в супероксидные радикалы (О2-). Супероксид трансформируется до пероксида водорода (Н2О2) с помощью ферментов детоксикации- марганцевой супероксиддисмутазы (Mn-СОД) или цинк/медь- супероксиддисмутазы (Cu/Zn СОД),- а затем до воды с помощью глутатионпероксидазы (ГП) или пероксидредоксина III (ПР III). Однако, если эти ферменты не способны достаточно быстро конвертировать РФК, такие как супероксид-радикал, до воды, происходит оксидативное повреждение и аккумулируется в митохондриях. Глутатион в ПР является одним из основных антиоксидантов в организме. Глутатион представляет собой трипептид, содержащий глутамин, глицин и цистеин. ГП требует селен в качестве кофактора.
Показано, сто супероксид in vitro повреждает железо-серный кластер, находящийся в в активном центре аконитазы, фертента цикла ТКК. Из-за этого железо вступает в реакцию с Н2О2 с образованием гидроксильных радикалов через реакцию Фентона (Fenton). Кроме того, оксид азота (NO) образуется в митохондриях с помощью митохондриальной синтазы оксида азота (МтСОА), а также свободно диффундирует в митохондрии из цитозоля. NO реагирует с O2 с образованием другого радикала- пероксинитрита (ONOO-). Вместе эти два радикала и другие радикалы могут нанести существенное повреждение митохондриям и другим компонентам клетки.
В митохондриях элементами, которые особенно подвержены воздействию свободных радикалов, являются липиды, белки, окислительно-восстановительные ферменты и мтДНК. Прямое повреждение митохондриальных белков снижает их аффинность к субстратам или коферментам и таким образом нарушают их функцию. Проблема осложняется тем, что если повреждение митохондрии произошло, то функция митохондрии может быть скомпрометирована увеличением потребностей клетки для процессов репарации энергии. Митохондриальная дисфункция может привести к цепному процессу, при котором митохондриальное повреждение влечет за собой дополнительное повреждение.
Комплекс I особенно чувствителен к воздействию оксида азота (NO). У животных, которым вводили природные и синтетические антагонисты комплекса I, как правило, наблюдается гибель нейронов. Нарушение функции комплекса I было ассоциировано с наследственной оптической нейропатией Лебера, болезнью Паркинсона и другими нейродегенеративными состояниями.
индуцирует образование супероксида в митохондриях эндотелиальными клетками, который является важным медиатором диабетических осложнений, таких как сердечно- сосудистые заболевания. Образование супероксида в эндотелии также способствует развитию , гипертензии, старения, ишемически- реперфузионных повреждений и .
Медиаторы воспаления, такие как фактор опухолей α (ФНОα) in vitro были связаны с митохондриальной дисфункцией и повышали образование ФРК. В модели застойной сердечной недостаточности добавление ФНОα к культуре кардиомиоцитов повышало образование РФК и гипертрофию миоцитов. ФНОα вызывает митохондриальную дисфункцию путем восстановления активности комплекса III в ЦПЭ, увеличивая образование РФК и повреждение мтДНК.
Дефицит питательных веществ или их избыток также может привести к митохондриальной дисфункции. Витамины, минералы и другие метаболиты работают как необходимые кофакторы для синтеза и функционирования митохондриальных ферментов и других составляющих, которые поддерживают функцию митохондрий, и диета с недостатком микрокомпонентов может ускорять старение митохондрий и способствовать нейродегенерации. Например, ферменты участвующие в цепи синтеза гемма, требуют достаточных количеств пиридоксина, железа, меди, цинка и рибофлавина. Недостаток питательных веществ, необходимых для каких- либо компонентов цикла ТКК или ЦПЭ, может привести к увеличению образования свободных радикалов и повреждению мтДНК.
Хорошо известно, что недостаток питательных веществ является широко распространенной причиной патогенеза многих заболеваний и является главным предметом спора в здравоохранении. Недостаток железа главным посредником в развитии общего груза заболеваний, затрагивающих приблизительно 2 миллиарда людей, преимущественно женщин и детей. Это наиболее распространенный тип дефицита питательных веществ. Низкий статус содержания железа снижает активность митохондрий путем выключения комплекса IV и увеличения оксидативного стресса. Механизмы, лежащие в основе процесса влияния дефицита питательных веществ (и в некоторых случаях избыток, как при перегрузке железом) на возникновение, развитие и прогрессирование заболеваний, возникающих вследствие нарушения митохондриальных функций, к настоящему времени уже изучены.
Наследование митохондриальных болезней:
Митохондрии наследуются иначе, чем ядерные гены. Ядерные гены в каждой соматической клетке обычно представлены двумя аллелями (за исключением большинства сцепленных с полом генов у гетерогаметного пола). Один аллель унаследован от отца, другой от матери. Однако митохондрии содержат собственную ДНК, причем в каждой митохондрии человека обычно содержится от 5 до 10 копий кольцевой молекулы ДНК (см. Гетероплазмия), и все митохондрии наследуются от матери. Когда митохондрия делится, копии ДНК случайным образом распределяются между ее потомками. Если только одна из исходных молекул ДНК содержит мутацию, в результате случайного распределения такие мутантные молекулы могут накопиться в некоторых митохондриях. Митохондриальная болезнь начинает проявляться в тот момент, когда заметное число митохондрий во многих клетках данной ткани приобретают мутантные копии ДНК (пороговая экспрессия).
Мутации в митохондриальной ДНК происходят, по разным причинам, намного чаще, чем в ядерной. Это означает, что митохондриальные болезни достаточно часто проявляются из-за спонтанных вновь возникающих мутаций. Иногда темп мутирования увеличивается из-за мутаций в ядерных генах, кодирующих ферменты, которые контролируют репликацию ДНК митохондрий.
Симптомы митохондриальных заболеваний:
Эффекты митохондриальных заболеваний очень разнообразны. Из-за различного распределения дефектных митохондрий в разных органах мутация у одного человека может привести к заболеванию печени, а у другого - к заболеванию мозга. Величина проявления дефекта может быть большой или малой, и она может существенно изменяться, медленно нарастая во времени. Некоторые небольшие дефекты приводят лишь к неспособности пациента выдерживать физическую нагрузку, соответствующую его возрасту, и не сопровождаются серьёзными болезненными проявлениями. Другие дефекты могут быть более опасны, приводя к серьёзной патологии.
В общем случае митохондриальные заболевания проявляются сильнее при локализации дефектных митохондрий в мышцах, мозге, нервной ткани, поскольку эти органы требуют больше всего энергии для выполнения соответствующих функций.
Несмотря на то, что протекание митохондриальных заболеваний сильно отличаются у разных пациентов, на основании общих симптомов и конкретных мутаций, вызывающих болезнь, выделено несколько основных классов этих заболеваний.
Помимо относительно распространённой митохондриальной , встречаются:
7. Митохондриальная нейрогастроинтенстинальная : гастроинтестинальная псевдообструкция и кахексией, нейропатия, энцефалопатия с изменениями белого вещества головного мозга.
Лечение митохондриальных заболеваний:
Для лечения назначают:
В настоящее время лечение митохондриальных заболеваний находится в стадии разработки, но распространённым терапевтическим методом служит симптоматическая профилактика с помощью витаминов. В частности, в лечении синдрома MELAS у ряда пациентов оказались эффективными кофермент Q, который применяется как цитопротектор и антиоксидант при кардиомиопатиях и , рибофлавин и никотинамид. Также в качестве одного из методов применяются пируваты.
В настоящее время проводятся экспериментальные работы по изучению возможности экстракорпорального (in vitro) оплодотворения с использованием химерной яйцеклетки, ядро которой получено из яйцеклетки пациентки с митохондриальным заболеванием, а цитоплазму из другой яйцеклетки от женщины с нормально функционирующими митохондриями (замена ядра).
Митохондриальные болезни, и в частности митохондриальный синдром, который может проявляться поражениями ЦНС, сердца и патологиями скелетной мускулатуры, сегодня являются одним из важнейших разделов нейропедиатрии.
Митохондрия - что это?
Как многие помнят из школьного курса биологии, митохондрия представляет собой одну из клеточных органелл, чьей основной функцией является образование в процессе клеточного дыхания молекулы АТФ. Кроме того, в ней происходит проходит цикл трикарбоновых кислот и множество других процессов. Исследования, проведенные в конце XX века, позволили выявить ключевое значение митохондрий еще и в таких процессах, как чувствительность к лекарствам, старение (запрограммированная гибель клеток). Соответственно, нарушение их функций приводит к недостаточности энергообмена, и как следствие, повреждению и гибели клетки. Особенно ярко эти нарушения проявляются в клетках нервной системы и скелетной мускулатуры.
Митохондриология
Генетические исследования позволили определить, что митохондрии обладают собственным геномом, отличным от генома ядра клетки, и нарушения в ее функционировании чаще всего связаны с происходящими там мутациями. Все это позволило выделить научное направление, изучающее заболевания, связанные с нарушениями функций митохондрий, - митохондриальные цитопатии. Они могут быть как спорадическими, так и врожденными, наследующимися по линии матери.
Симптоматика
Митохондриальный синдром может проявиться в различных системах человека, но наиболее выраженные проявления получают неврологические симптомы. Это связано с тем, что нервная ткань наиболее сильно подвержена влиянию гипоксии. Характерными признаками, позволяющими подозревать митохондриальный синдром при поражении скелетной мускулатуры, являются гипотония, неспособность адекватно переносить физические нагрузки, различные миопатии, офтальмопарез (паралич птоз. Со стороны нервной системы могут быть инсультоподобные проявления, судороги, пирамидные расстройства, расстройства психики. Как правило, митохондриальный синдром у ребенка всегда проявляется задержкой развития или утратой уже полученных навыков, нарушениями психомоторики. Со стороны эндокринной системы не исключено развитие диабета, нарушений функций щитовидной и поджелудочной желез, задержка роста, полового созревания. Поражения сердца могут развиваться как на фоне патологий других органов, так и изолированно. Митохондриальный синдром в этом случае представлен кардиомиопатией.
Диагностика
Митохондриальные болезни чаще всего обнаруживаются в или на первых годах жизни ребенка. По данным зарубежных исследований, эта патология диагностируется у одного новорожденного из 5 тысяч. Для диагностики проводят комплексное клиническое, генетическое, инструментальное, биохимическое и молекулярное обследование. На сегодняшний день существует целый ряд методов, позволяющих определить эту патологию.
- Электромиография - при нормальных результатах на фоне резко выраженной мышечной слабости у пациента позволяет подозревать митохондриальные патологии.
- Лактоацидоз очень часто сопровождает митохондриальные болезни. Конечно, только его присутствия недостаточно для постановки диагноза, но измерение уровня молочной кислоты в крови после физической нагрузки может быть очень информативным.
- Биопсия и гистохимическое исследование полученного биоптата является наиболее информативным.
- Хорошие результаты показывают одновременное применение световой и электронной микроскопии скелетных мышц.
Одним из самых частых заболеваний детского возраста, связанных с генетическими изменениями митохондрий, является синдром Лея, впервые описанный в 1951 году. Первые признаки появляются в возрасте от одного до трех лет, но возможны и более ранние манифестации - на первом месяце жизни или, напротив, после семи лет. Первые проявления заключаются в задержке развития, снижении массы тела, потере аппетита, повторной рвоте. Со временем присоединяется неврологическая симптоматика - нарушение тонуса мышц (гипотония, дистония, гипертонус), судороги, нарушение координации.
Болезнь затрагивает органы зрения: развивается дегенерация сетчатки, глазодвигательные нарушения. У большинства детей заболевание постепенно прогрессирует, нарастают признаки пирамидальных расстройств, появляются расстройства глотания, дыхательной функции.
Одним из детей, страдающих такой патологией, стал Пугачев Ефим, митохондриальный синдром которому был диагностирован в 2014 году. Его мама, Елена, просит помощи у всех неравнодушных людей.
Прогноз, к сожалению, на сегодняшний день чаще всего бывает неутешительным. Это связано как с поздней диагностикой болезни, отсутствием детальной информации о патогенезе, тяжелым состоянием пациентов, связанным с мультисистемностью поражений, так и с отсутствием единого критерия оценки эффективности терапии.
Таким образом, лечение подобных заболеваний находится еще в стадии разработки. Как правило, оно сводится к симптоматической и поддерживающей терапии.
Явление гетероплазмии определяет существование в одной клетке нормальных митохондрий и митохондрий с нарушенной функцией. За счет первых клетка может функционировать какое-то время. Если продукция энергии в ней падает ниже определенного порога, то происходит компенсаторная пролиферация всех митохондрий, включая дефектные. В худшем положении оказываются клетки, которые потребляют много энергии: нейроны, мышечные волокна, кардиомиоциты.
Из-за утечки в дыхательной цепи митохондрии постоянно продуцируют свободные радикалы на уровне 1–2 % поглощенного кислорода. Количество продукции радикалов зависит от мембранного потенциала митохондрий, на изменения которого влияет состояние АТФ-зависимых калиевых каналов митохондрий. Открытие этих каналов влечет за собой возрастание образования свободных радикалов, повреждение других белков митохондриальных мембран и мтДНК. ДНК митохондрий не защищена гистонами и хорошо доступна для радикалов, что проявляется в изменении уровня гетероплазмии. Принято считать, что наличие 10 % митохондрий с измененной ДНК не оказывает влияния на фенотип.
4. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Единой этиологической классификации МЗ в настоящее время не существует из-за неопределенности вклада мутаций ядерного генома в их этиологию и патогенез. Существующие классификации основаны на 2-х принципах : локализации мутантного гена в мтДНК или яДНК и участии мутантного белка в реакциях окислительного фосфорилирования.
Этиологическая классификация (по, 2006) включает митохондриальные болезни, связанные с дефектами:
· мтДНК;
· яДНК;
· интергеномных взаимодействий.
Патогенетическая классификация (по, 2000) подразделяет митохондриальные болезни на обусловленные нарушением:
· карнитинового цикла;
· окисления жирных кислот;
· метаболизма пирувата;
· цикла Кребса;
· работы дыхательной цепи;
· сопряжения окисления и фосфорилирования.
В клинической практике объединяют комбинации часто встречающихся симптомов МЗ в синдромы.
Митохондриальные заболевания - гетерогенная группа заболеваний, характеризующихся генетическими и структурно-биохимическими дефектами митохондрий, нарушением тканевого дыхания. По происхождению МЗ делятся на первичные (наследственные) и вторичные.
Причинами наследственных МЗ являются мутации митохондриального и (или) ядерного генома.
К настоящему времени известно более 200 заболеваний, вызванных мутацией мтДНК.
По мере накопления клинико-диагностических данных в разных странах было установлено, что у детей примерно каждое третье наследственное метаболическое заболевание связано с митохондриями. По данным Н. Г. Даниленко, (2007) в популяциях частота митохондриальных болезней варьирует от 1:5000 до 1:35000. Минимальная частота МЗ в популяции взрослых жителей Великобритании оценивается как (1–3):10000.
Характеристика клинических особенностей МЗ представлена в таблице 2.
Таблица 2 - Клинические особенности митохондриальных заболеваний (по, 2007)
Клинические особенности | Патофизиологическое значение |
Полисистемность, полиорганность, «необъяснимость» сочетания симптомов со стороны органов, не связанных по происхождению | Поражение органов, имеющих близкий «порог» чувствительности к нарушению окислительного фосфорилирования |
Наличие острых эпизодов в дебюте заболевания или в его развернутой стадии | «Метаболический криз», связанный со срывом баланса между потребностями ткани в энергообеспечении и уровнем анаэробного дыхания |
Вариабельный возраст начала симптоматики (от 1 до 7-го десятилетия жизни) | Вариабельный уровень мутантной мтДНК в разных тканях в различный момент времени |
Усугубление симптоматики с возрастом | Нарастание числа мутаций мтДНК и ослабление интенсивности окислительного фосфорилирования по мере старения |
Поражение большинства систем и органов при МЗ можно объяснить тем, что многие процессы, протекающие в организме энергозависимы. Относительная энергозависимость органов и тканей в порядке убывания: ЦНС, скелетные мышцы, миокарда, орган зрения, почки, печень, костный мозг, эндокринная система.
Нейронам необходимо большое количество АТФ для синтеза нейромедиаторов, регенерации, поддержания необходимого градиента Na + и К+, проведения нервного импульса. Скелетные мышцы в покое потребляют незначительные количества АТФ, но при физической нагрузке эти потребности возрастают в десятки раз. В миокарде постоянно совершается механическая работа, необходимая для циркуляции крови. Почки используют АТФ в процессе реабсорбции веществ при образовании мочи. В печени происходит синтез гликогена, жиров, белков и других соединений.
5. ДИАГНОСТИКА МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Митохондриальные болезни трудны для диагностики. Определяется это отсутствием строгой связи между сайтом мутации и клиническим фенотипом. Это значит, что одна и та же мутация может вызывать разные симптомы, а один и тот же клинический фенотип могут формировать разные мутации.
Поэтому для постановки диагноза митохондриального заболевания важен комплексный подход, основанный на генеалогическом, клиническом, биохимическом , морфологическом (гистологическом), генетическом анализах.
Генеалогический анализ
Наличие в семейном анамнезе синдрома внезапной младенческой смерти, кардиомиопатий, деменций, раннего инсульта, ретинопатий, диабета, задержки развития может указывать на митохондриальную природу имеющегося заболевания.
Клинические проявления митохондриальных заболеваний
Миопатический синдром : слабость и атрофия мышц, снижение миотонического тонуса, мышечные боли, непереносимость физической нагрузки (усиление мышечной слабости, появление рвоты и головной боли).
Центральная нервная система и органы чувств: летаргия, кома, задержка психомоторного развития, деменция, нарушение сознания, атаксия, дистония, эпилепсия, миоклонические судороги, «метаболический инсульт», слепота центрального происхождения, пигментный ретинит, атрофия зрительных нервов, нистагм, катаракта, офтальмоплегия, птоз, нарушение остроты зрения, гипоакузия, дизартрия, сенсорные нарушения, сухость слизистой рта, гипотония, снижение глубоких сухожильных рефлексов, инсультоподобные эпизоды, гемианопсия.
Периферическая нервная система: аксональная нейропатия, нарушение двигательной функции гастроинтестинального тракта.
Сердечно-сосудистая система: кардиомиопатия (обычно гипертрофическая), аритмия, нарушение проводимости.
Желудочно-кишечный тракт: частые диспептические явления (рвота, диарея), атрофия ворсинок кишечника, экзокринная недостаточность поджелудочной железы.
Печень: прогрессирующая печеночная недостаточность (особенно у младенцев), гепатомегалия.
Почки: тубулопатия (по типу синдрома Де Тони-Дебре-Фанкони: фосфатурия, глюкозурия, аминацидурия), нефрит, почечная недостаточность.
Эндокринная система: задержка роста, нарушение полового развития, гипогликемия, сахарный и несахарный диабет, гипотиреоз, гипопаратиреоидизм, гипоталамо-гипофизарная недостаточность, гиперальдостеронизм.
Система кроветворения: панцитопения, макроцитарная анемия .
Основные биохимические проявления митохондриальных заболеваний
Повышение уровня:
· лактата и пирувата в крови (ликворе);
· 3-гидроксимасляной и ацетоуксусной кислот в крови;
· аммиака в крови;
· аминокислот;
· жирных кислот с разной длиной цепи;
· миоглобина;
· продуктов перекисного окисления липидов;
· мочевой экскреции органических кислот.
Снижение:
· активности некоторых ферментов энергетического обмена в митохондриях;
· содержания общего карнитина в крови.
Лактатный ацидоз является практически постоянным спутником митохондриальных болезней, но проявляется и при других формах патологии. Поэтому более эффективным является измерение уровня лактата в венозной крови после умеренной физической нагрузки на велоэргометре.
Основные изменения структуры скелетной мышцы при митохондриальной недостаточности
Морфологическое исследование позволяет с помощью световой и электронной микроскопии в сочетании с гистохимическими методами выявить нарушения количества и строения митохондрий, признаки их дисфункций и снижения активности митохондриальных ферментов.
C ветовая микроскопия с применением различных видов специальной окраски, в т. ч. и для определения активности митохондриальных ферментов выявляет:
· феномен «рваных» (шероховатых) красных волокон (RRF - « ragged » red fibres ) в количестве более 5 % (при окраске по Гомори, Альтману напоминает разрыв волокон по периферии и обусловлен скоплением пролиферирующих генетически измененных митохондрий под сарколеммой);
· гистохимические признаки недостаточности митохондриальных ферментов (цикла Кребса, респираторной цепи), особенно цитратсинтетазы, сукцинатдегидрогеназы и цитохром-С-оксидазы;
· субсарколеммальное накопление гликогена, липидов, кальция (считают, что накопление жировых капель в различных тканях, в т. ч. в мышечных волокнах, происходит в результате нарушения окисления жирных кислот в митохондриях).
При электронной микроскопии определяют:
· пролиферацию митохондрий;
· скопления аномальных митохондрий под сарколеммой;
· полиморфизм митохондрий с нарушением формы и размера, дезорганизацией крист;
· наличие в митохондриях паракристаллических включений;
· наличие митохондриально-липидных комплексов.
Генетический анализ для подтверждения диагноза митохондриального заболевания
Обнаружение любого вида митохондриальной мутации с достаточно высоким соотношением аномальной и нормальной мтДНК подтверждает диагноз митохондриального заболевания или синдрома. Отсутствие митохондриальной мутации позволяет предполагать у пациента наличие патологии, связанной с мутацией яДНК.
Известно, что уровень гетероплазмии во многом определяет фенотипическое проявление мутации. Поэтому, при проведении молекулярного анализа необходимо оценивать количество мутантных мтДНК. Оценка уровня гетероплазмии включает детекцию мутации, однако методы обнаружения мутации не всегда учитывают уровень ее гетероплазмии.
1. Метод клонирования дает достоверные количественные результаты (наиболее трудоемкий и продолжительный).
2. Флуоресцентная ПЦР предоставляет более точные результаты при меньшей трудоемкости (не позволяет выявлять мелкие делеции и вставки).
3. Денатурирующая высокоразрешающая жидкостная хроматография дает воспроизводимые результаты при любых видах мутаций (делеции, вставки, точковые мутации), находящихся в состоянии гетероплазмии (оценка уровня гетероплазмии более точна по сравнению с 2-мя предыдущими).
4. ПЦР в реальном времени используется для обнаружения и количественной оценки мутаций мтДНК. Используют: гидролизуемые зонды (TaqMan ), интеркалирующий краситель SYBR .
Наиболее точные оценки дают 3 метода:
· минисеквенирование ( SNaP - shot ) - определение однонуклеотидных замен, делеций и инсерций короткими зондами (15–30 нуклеотидов). Участок ДНК несущий мутацию, например C T выделяется и аплифицируется с помощью ПЦР. Этот участок является матрицей. Зонд имеет идентичную структуру, массу 5485 Да, но короче матрицы на один нуклеотид. К смеси зонда и матрицы добавляют нуклеотиды Т и С. Если к зонду присоединится нуклеотид С, то матрица «дикого» типа и ее масса составит 5758 Да. Если нуклеотид Т - матрица была мутантного типа с массой 6102 Да. Затем массу полученных образцов определяют с помощью масс-спектрометра.
· Пиросеквенирование - сочетание секвенирования и синтеза. Матрицу инкубируют в смеси из 4-х ферментов, 4-х дезоксинуклеотидтрифосфатов (dATP , d СТ P , dG Т P , d ТТ P ) и 4-х терминаторов транскрипции dNTP . Присоединение комплементарного нуклеотида сопровождается флуоресцентной биохимической реакцией.
· Biplex Invader - позволяет обнаруживать сразу 2 мутации .
Однако, при сопоставимой точности Biplex Invader оказался наиболее простым в использовании, а SNaPshot - наиболее дорогостоящим.
В настоящее время предпочтение отдается чиповым технологиям , позволяющим анализировать основные патогенные мутации мтДНК сразу во множестве образцов, устанавливая при этом уровень гетероплазмии каждой отдельной мутации.
Алгоритм диагностики митохондриальных заболеваний (по , 2007)
1. Необходимо доказательное клиническое подозрение на наличие митохондриальной болезни. В типичных случаях это может быть выявление клинической картины, характерной для той или иной формы митохондриальной энцефаломиопатии (MELAS, MERRF и т. д.), однако «классические» варианты этих фенотипов встречаются сравнительно редко.
Выявление общепринятых лабораторных маркеров митохондриальной дисфункции, мультисистемного, полиорганного поражения (для этого необходим соответствующий целенаправленный поиск), а также материнского типа наследования указывают на митохондриальную природу болезни.
2. Исследование мтДНК в лимфоцитах (у пациентов с четкими фенотипами MELAS, MERRF, атрофией зрительных нервов Лебера). При выявлении искомой мутации диагноз конкретной митохондриальной болезни может считаться подтвержденным.
3. При отсутствии выявляемых мутаций в лимфоцитах проводят биопсию скелетной мышцы (обычно четырехглавой или дельтовидной), т. к. скелетная мышца является более надежным источником мтДНК (отсутствие клеточных делений в мышце способствует «удержанию» митохондрий, содержащих мутантную мтДНК). Образцы мышечных биоптатов делят на 3 части: одна - для микроскопического исследования (гистология, гистохимия и электронная микроскопия), вторая - для энзимологического и иммунологического анализа (изучение характеристик компонентов дыхательной цепи), третья - для молекулярно-генетического анализа.
4. При отсутствии известных мутаций мтДНК в мышечной ткани проводят развернутый молекулярно-генетический анализ - секвенирование всей цепи мтДНК (или кандидатных генов ядерной ДНК) с целью выявления нового варианта мутации.
5. Идентификация конкретного биохимического дефекта в том или ином звене дыхательной цепи митохондрий является альтернативой изучения скелетной мускулатуры.
6. ЛЕЧЕНИЕ МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
В настоящее времени митохондриальные заболевания практически не излечимы. Однако возможно либо отсрочить развитие заболевания, либо избежать наследования патогенной митохондриальной мутации.
Принципы терапии митохондриальных заболеваний
1. Симптоматическое лечение:
Диета составляется в зависимости от патогенеза.
· При патологии транспорта и окисления жирных кислот рекомендуется частое и дробное питание со снижением калорийности пищи.
· При нарушении обмена пировиноградной кислоты для восполнения дефицита ацетил-Ко-А используется кетогенная диета.
· При дефиците ферментов ЦТК применяется частое кормление.
· При дефиците дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования снижают количество углеводов.
Медикаментозная терапия.
· Препараты, активизирующие перенос электронов в дыхательной цепи (коэнзим Q 10 , витамины К1 и К3, препараты янтарной кислоты, цитохром С).
· Кофакторы энзимных реакций энергетического обмена (никотинамид, рибофлавин, карнитин, липоевая кислота и тиамин).
· Средства, уменьшающие степень лактат-ацидоза (дихлорацетат, димефосфон).
· Антиоксиданты (убихинон, витамин С и Е).
Исключение препаратов, ингибирующих энергообмен (барбитураты, хлорамфеникол).
ИВЛ, противосудорожные препараты, ферменты поджелудочной железы, переливание компонентов крови.
Некоторые родословные наследственных болезней не могут объясняться типичным менделирующим наследованием ядерных генов. Теперь известно, что они вызваны мутациями и проявляют материнское наследование. Болезни, вызываемые мутациями в митДНК, демонстрируют множество необычных особенностей, происходящих из уникальных характеристик биологии и функции митохондрий.
Митохондриальный геном
Не вся РНК и белок, синтезируемые в клетке, кодируются ДНК ядра; небольшая, но важная доля кодируется в генах митохондриального генома. Этот геном состоит из кольцевой хромосомы размером 16,5 килобазы, располагающейся в органеллах митохондриях, а не в ядре. Большинство клеток содержит по крайней мере 1000 молекул митДНК, распределенных по сотням отдельных митохондрий. Важное исключение - зрелый овоцит, имеющий более 100 000 копий митДНК, формирующих до одной трети общего содержания ДНК в этих клетках.
Митохондриальная хромосома содержит 37 генов. Они кодируют 13 полипептидов - компонентов ферментов окислительного фосфорилирования, два типа рРНК и 22 тРНК, необходимых для трансляции транскриптов генов митохондрий. Остальные полипептиды комплекса окислительного фосфорилирования кодируются ядерным геномом.
В митДНК обнаружено более 100 различных перестроек и 100 разных точковых мутаций, вызывающих болезни у человека, часто поражающие ЦНС и мышечно-скелетную систему (например, миоклонус-эпилепсия с «рваными» красными волокнами - MERRF). Болезни, вызванные этими мутациями, имеют отличающийся тип наследования из-за трех необычных характеристик митохондрий: репликативной сегрегации, гомоплазмии и гетероплазмии, а также материнского наследования.
Репликативная сегрегация митохондриальной хромосомы
Первая уникальная характеристика митохондриальной хромосомы - отсутствие управляемой сегрегации, наблюдаемой в митозе и мейозе 46 ядерных хромосом. При делении клетки многочисленные копии митДНК в каждой митохондрии клетки копируются и произвольно расходятся во вновь синтезированные митохондрии. Митохондрии, в свою очередь, случайно распределяются между дочерними клетками. Этот процесс известен как репликативная сегрегация.
Гомоплазмия и гетероплазмия митохондриальной хромосомы
Вторая уникальная характеристика генетики митДНК возникает из-за того, что большинство клеток содержат много копий молекул митДНК. Когда мутация возникает в митДНК, она сначала присутствует только в одной из молекул в митохондрии. В ходе репликативной сегрегации митохондрия, содержащая мутантную митДНК, производит многочисленные копии мутантнои молекулы.
При делении клетка, содержащая смесь нормальных и мутантных митохондриальных ДНК , может передавать в дочерние клетки весьма различающиеся пропорции мутантнои и дикой митДНК. Одна дочерняя клетка может случайно получить митохондрии, содержащие чистую популяцию нормальных или чистую популяцию мутантных митохондриальных ДНК (ситуация, известная как гомоплазмия). Кроме того, дочерняя клетка может получить смесь митохондрий с мутацией и без нее (гетероплазмия).
Поскольку фенотипическая экспрессия мутации в митДНК зависит от относительных пропорций нормальной и мутантнои митДНК в клетках, формирующих различные ткани, неполная пенетрантность, переменная экспрессивность и плейотропия - типичные характеристики митохондриальных болезней.
Материнское наследование митохондриальной ДНК
Результат, определенный характеристиками генетики митДНК , называется материнским наследованием. Митохондрии сперматозоидов обычно отсутствуют в эмбрионе, поэтому митДНК наследуется от матери. Таким образом, все дети женщины, гомоплазмической по мутации митДНК, унаследуют мутацию, тогда как ни один из потомства мужчины, несущего ту же мутацию, не унаследует дефектную ДНК.
Материнское наследование гомоплазмической мутации митДНК , вызывающей наследственную нейропатию зрительного нерва Лебера.
Особенности материнского наследования при гетероплазмии у матери выявляют дополнительные характеристики генетики митДНК, имеющие медицинское значение. Во-первых, небольшое число молекул митДНК в развивающихся овоцитах впоследствии увеличивается до огромного количества, наблюдаемого в зрелых овоцитах. Это ограничение с последующим умножением митДНК в ходе овогенеза характеризуют так называемое «бутылочное горлышко» генетики митохондрий.
Именно поэтому вариабельность процентного содержания мутантных молекул митДНК , обнаруживаемая в потомстве матери с гетероплазмией, возникает, по крайней мере частично, вследствие увеличения только части митохондриальных хромосом в овогенезе. Можно ожидать, что мать с высокой пропорцией мутантных молекул митДНК более вероятно произведет яйцеклетки с высокой пропорцией мутантных молекул митДНК, и, следовательно, более клинически пораженное потомство, чем мать с более низкой пропорцией. Есть одно исключение из материнского наследования, когда у матери имеется гетероплазмия по делеции в митДНК; по неизвестным причинам делеционная молекула митДНК обычно не передается от клинически больных матерей их детям.
Хотя митохондрии почти всегда наследуются исключительно через мать , существует, по крайней мере, один пример отцовского наследования митДНК у пациентов с митохондриальной миопатией. Следовательно, у пациентов с наблюдаемыми спорадическими мутациями митДНК должна учитываться редкая возможность отцовского наследования митДНК.
Точное определение семейной родословной - важная часть работы с каждым пациентом. Родословные могут демонстрировать как типичные менделирующие варианты наследования, так и более редкие, вызванные митохондриальными мутациями и половым мозаицизмом; или сложные варианты семейных случаев, не соответствующие ни одному из типов наследования. Определение типа наследования важно не только для установления диагноза у пробанда, это также идентифицирует других индивидуумов в семье, находящихся в группе риска и нуждающихся в обследовании и консультировании.
Несмотря на сложные цитогенетические и молекулярные анализы , используемые генетиками, точная семейная история, включая родословную семьи, остается фундаментальным средством для всех врачей и генетических консультантов, используемым при планировании индивидуального лечения пациентов.
Характеристика митохондриального наследования
:
Женщины, гомоплазматические по мутации, передают эту мутацию всем детям; мужчины с аналогичной мутацией - нет.
Женщины, гетероплазматические по точко-вым мутациям и дупликациям, передают их всем детям. Доля мутантных митохондрий у потомков и, следовательно, риск развития и тяжесть болезни могут значительно меняться в зависимости от доли мутантных митохондрий у матери, а также случайно, вследствие небольшого числа митохондрий в «бутылочном горлышке» при созревании овоцитов. Гетероплазматические делеции обычно не наследуются.
Доля мутантных митохондрий в разных тканях гетероплазматических по мутации пациентов может значительно меняться, вызывая различные проявления болезни в одной семье с гетероплазмией митохондриальной мутации. Часто наблюдаются плейотропизм и вариабельная экспрессивность у разных больных в одной семье.
Митохондриальные заболевания (МЗ) — группа наследственных заболеваний, связанных с дефектами в функционировании митохондрий, приводящими к нарушениям энергетических функций в клетках.
Историческая справка:
Понятие «митохондриальные болезни» сформировалось в медицине в конце ХХ века. В первую очередь были изучены болезни, связанные с мутациями митохондриальной ДНК, открытой в начале 60-ых годов. Полная первичная структура митохондриальной ДНК человека была опубликована в 1981 го¬ду и уже в конце 80-ых годов была доказана ведущая роль ее мутаций в развитии ряда наследственных заболеваний. К последним относятся: наследственная атрофия зрительных нервов Лебера, синдром NARP (нейропатия, атаксия, пигментный ретинит), синдром MERRF (миоклонусэпилепсия с "рваными" красными волокнами в скелетных мышцах), синдром MELAS (митохондриальная энцефаломиопатия, лактат-ацидоз, инсультоподобные эпизоды), синдром Кернса-Сейра (пигментный ретинит, наружная офтальмоплегия, блокада сердца, птоз, мозжечковый синдром), синдром Пирсона (поражение костного мозга, панкреатическая и печеночная дисфункции) и многие другие.
В меньшей степени изучены наследственные митохондриальные дефекты, связанные с повреждением ядерного генома.
Патогенез.
Митохондрии отвечают за выработку большей части энергии, необходимой для функционирования клеток. Фактически они являются настолько важным источником энергии, что в каждой клетке их сотни. При МЗ могут «выключиться» как часть митохондрий, так и все они, что приводит к прекращению выработки необходимой энергии
Поскольку наиболее энергоемкими являются нервные и мышечные клетки, при МЗ наиболее распространены мышечные и неврологические проблемы, такие, как мышечная слабость, непереносимость физических нагрузок, потеря слуха, нарушения баланса и координации, эпиприступы.
Митохондриальные зааболевания, вызывающие выраженные мышечные проблемы, именуют митохондриальными миопатиями (myo - означает «мышца», а pathos - «болезнь»), а те, которые вызывают как мышечные, так и неврологические проблемы - митохондриальными энцефаломиопатиями (encephalo - «мозг»)
Когда клетка заполнена дефектными митохондриями, она не только лишена АТФ, но в ней могут накапливаться неиспользуемые молекулы топлива и кислород, что приводит к катастрофическим последствиям. В этом случае избыточные молекулы топлива используются для синтеза АТФ неэффективно, в результате чего могут образовываться потенциально опасные продукты, такие, как молочная кислота (Это также происходит, когда клетки испытывают недостаток кислорода, например - мышечные клетки при усиленных физических нагрузках). Накопление молочной кислоты в крови - лактатацидоз - ассоциировано с мышечной усталостью, и может вызывать повреждение нервной и мышечной тканей.
При этом неиспользуемый в клетке кислород может трансформироваться в разрушительные соединения, именуемые реактивными формами кислорода, включая т. н. свободные радикалы (Они являются мишенью для т. н. антиоксидантных препаратов и витаминов).
Синтезированная в митохондриях АТФ - основной источник энергии для сокращения мышечных и возбуждения нервных клеток (т. к. клетки этих тканей наиболее метаболически активны, энергетически зависимы). Таким образом, нервные и мышечные клетки особенно чувствительны к дефектам митохондрий. Комбинированный эффект от потери энергии и накопления токсинов в этих клетках, надо полагать, и вызывает развитие симптомов митохондриальных миопатий и энцефаломиопатий
Клиника
В случаях, когда человек с мутацией в митохондриальном гене несет смесь нормальной и мутантной ДНК - мутации поначалу могут вообще не иметь внешних проявлений. Нормальные митохондрии до поры до времени обеспечивают клетки энергией, компенсируя недостаточность функции митохондрий с дефектами. На практике это проявляется более или менее длительным бессимптомным периодом при многих митохондриальных заболеваниях. Однако рано или поздно наступает момент, когда дефектные формы накапливаются в количестве, достаточном для проявления патологических признаков. Возраст манифестации заболевания варьирует у разных больных. Раннее начало заболевания приводит к более тяжелому течению и неутешительному прогнозу.
Характерные признаки митохондриальных цитопатий:
Скелетные мышцы: низкая толерантность к физической нагрузке, гипотония, проксимальная миопатия, включающая фациальные и фарингеальные мышцы, офтальмопарез, птоз
Сердце: нарушения сердечного ритма, гипертрофическая миокардиопатия
Центральная нервная система: атрофия зрительного нерва, пигментная ретинопатия, миоклонус, деменция, инсультоподобные эпизоды, расстройства психики
Периферическая нервная система: аксональная нейропатия, нарушения двигательной функции гастроинтестинального тракта
Эндокринная система: диабет, гипопаратиреоидизм, нарушение экзокринной функции панкреас, низкий рост
Таким образом, типичны для митохондриальных заболеваний вовлеченность разных органов и одновременное проявление внешне не связанных между собой аномалий. Примерами служат:
1. Мигрени с мышечной слабостью
2. Наружная офтальмоплегия с нарушением проводимости сердечной мышцы и мозжечковой атаксией
3. Тошнота, рвота с оптической атрофией и кардиомиопатией
4. Низкорослость с миопатией и инсультоподобным и эпизодами
5. Экзокринная дисфункция поджелудочной железы с сидеробластной анемией
6. Энцефало- миопатия с диабетом
7. Диабет с глухотой
8. Глухота с наружной офтальмоплегией, птозом и ретинопатией
9. Задержка развития или потеря навыков и офтальмоплегия, офтальмопарез
Характер и тяжесть клинических проявлений митохондриальных болезней определяется:
Тяжестью мутации мтДНК;
Процентным содержанием мутантной мтДНК в конкретных органах и тканях;
Энергетической потребностью и функциональным резервом органов и тканей, содержащих мтДНК (их “порогом чувствительности” к дефектам окислительного фосфори лирования).
Миопатия
Основные симптомы митохондриальной миопатии - истощение мышц и их слабость, и непереносимость физических нагрузок.
У некоторых индивидов слабость наиболее выражена в мышцах, контролирующих движения глаз и век. Два наиболее частых следствия такой слабости - это постепенный паралич движения глаз (прогрессирующая наружная офтальмоплегия, ПНО), и опущение верхних век (птоз). Зачастую люди автоматически компенсируют ПНО движениями головы для того, чтобы смотреть в различных направлениях, и могут даже не подозревать о каких либо проблемах. Птоз потенциально более неприятен, поскольку может ухудшить зрение, а также придает лицу апатичное выражение, но он может быть скорректирован хирургическим путем, либо использованием специальных очков с устройством для подъема века
Митохондриальные миопатии могут также вызывать слабость других мышц лица и шеи, что приводит к заплетающейся речи и трудностям с глотанием. В этих случаях могут помочь речевая терапия (занятия с логопедом) или включение в рацион питания таких продуктов, которые легче проглатываются.
Непереносимость физических нагрузок, также именуемая усталостью напряжения - это необычное чувство утомления в ответ на физическую активность. Степень этой непереносимости существенно варьируется у разных людей. Некоторые могут испытывать проблемы только при занятиях физкультурой, таких например, как оздоровительный бег, в то время как у других возникают сложности с выполнением повседневных дел, например с выходом к почтовому ящику или поднятием пакета молока.
Энцефаломиопатия
Митохондриальная энцефаломиопатия, как правило, включает некоторые из вышеупомянутых симптомов миопатии, дополненными одним или несколькими неврологическими симптомами. Также как и при миопатии, наблюдается значительная вариабельность симптомов обоего типа и тяжести течения у разных индивидов.
Среди наиболее частых симптомов митохондриальной энцефаломиопатии - нарушения слуха, мигренеподобные головные боли и эпиприступы. По крайней мере, в одном синдроме головные боли и эпиприступы часто сопровождается инсультоподобными эпизодами
Дополнительно к поражению глазных мышц, митохондриальная энцефаломиопатия может поражать как сами глаза, так и участки головного мозга, ответственные за зрение. Например, потеря зрения вследствие оптической атрофии (дегенерации зрительного нерва) или ретинопатии (дегенерации некоторых клеток, выстилающих глазное дно) - обычные симптомы митохондриальной энцефаломиопатии. По сравнению с мышечными проблемами, эти эффекты с большей вероятностью приводят к серьезным нарушениям зрения
Довольно часто митохондриальная энцефаломиопатия вызывает атаксию, или сложности с балансом и координацией.
Диагностика.
Ни один из отличительных симптомов митохондриального заболевания - мышечная слабость, непереносимость нагрузок, ухудшение слуха, атаксия, эпиприступы, неспособность к обучению, катаракта, диабет и низкорослость - не является уникальным именно для такого заболевания. Однако комбинация трех или более из этих симптомов у одного индивида свидетельствует в пользу митохондриального заболевания, особенно если симптомы затрагивают более одной системы организма
Физикальное обследование обычно включает в себя тесты на силу и выносливость, такие например, как повторяющиеся сжатия-разжатия кулака, или подъем и спуск по небольшой лестнице. Неврологическое обследование может включать в себя проверку рефлексов, зрения, речи и базовых когнитивных способностей.
Существует ряд рутинных клинических методов исследования, которые можно использовать при подозрении на митохондриальную цитопатию:
Лактатный ацидоз является практически постоянным спутником митохондриальных болезней (только этот признак является недостаточным для постановки диагноза, так как он может выявляться и при других патологических состояниях; в этом отношении может быть полезным измерение уровня лактата в венозной крови после умеренной физической нагрузки, например на велоэргометре)
ЭМГ-исследование - само по себе данное исследование также не могут быть маркером митохондриальной цитопатии; вместе с тем нормальная или близкая к нормальной ЭМГ у пациентов с выраженной мышечной слабостью может быть подозрительной в отношении митохондриальной патологии.
ЭЭГ - данные ЭЭГ не является достаточно специфическими
Биопсия скелетных мышц - является наиболее информативным методом при постановке диагноза митохондриальной цитопатии - помимо обнаружения RRF при трехцветной окраске по Гомори, полезными являются другие гистохимические и иммунологические исследования: окраска на цитохромс-оксидазу и сукцинатдегидрогеназу, иммунногистохимические исследования с применением антител к отдельным субъединицам дыхательного комплекса; мышечная ткань удобна для биохимического исследования респираторной цепочки, а также как материал для генетического исследования.
Образцы мышечных биоптатов целесообразно делить на три части - одна для микроскопического исследования (гистология, гистохимия и электронная микроскопия), вторая для энзимологического и иммунологического анализа (изучение характеристик компонентов дыхательной цепи) и третья - непосредственно для молекулярно-генетического анализа. Поиск известных мутаций на мышечном материале позволяет в большинстве случаев успешно осуществлять ДНК-диагностику болезни. При отсутствии из вестных мутаций мтДНК в мышечной ткани следующим этапом является развернутый молекулярно-генетический анализ - секвенирование всей цепи мтДНК (или кандидатных генов ядерной ДНК) с целью выявления нового варианта мутации.
Электронно-микроскопическое исследование скелетных мышц - дает прекрасные результаты, поэтому данный метод надо использовать, если имеется такая возможность
Лечение.
Что касается терапии митохондриальных цитопатий, то речь может идти пока только о симптоматической.
Лечение митохондриальных болезней проводится обычно по двум основным направлениям:
Повышение эффективности энергетического обмена в тканях (тиамин, рибофлавин, никотинамид, коэнзим Q10 (кудесан), L-карнитин (элькар), препараты кальция и магния. , витамин С, цитохром С)
Предупреждение повреждения митохондриальных мембран свободными радикалами с помощью антиоксидантов (витамин Е, a-липоевая кислота) и мембранопротекторов.
В практику входят всё новые препараты комбинированного действия, такие, например, как идебенон (Нобен) - улучшенный структурный аналог коэнзима Q10, благоприятно влияющий на активность дыхательного пути и обладающий выраженным антиоксидантным, антиапоптотическим и нейротрофическим действием.
Очевидно, что расширение терапевтического арсенала при митохондриальных болезнях диктует настоятельную необходимость того, чтобы практические врачи различных специальностей (неврологи, психиатры, педиатры, генетики, гематологи и др.) были хорошо знакомы с алгоритмом диагностики этих заболеваний.
