Diagnose von mitochondrialen Erkrankungen

Bewertung der Art der Vererbung und Manifestation klinischer Anzeichen mitochondrialer Erkrankungen

Da myotochondriale Erkrankungen in manchen Fällen durch eine Schädigung des Kerngenoms verursacht werden können, folgt die Vererbung den Mendelschen Gesetzen der Vererbung. In Fällen, in denen die Krankheitsentwicklung durch Mutationen in der mitochondrialen DNA verursacht wird, erfolgt die Vererbung mitochondrial, d. h. die Vererbung erfolgt mütterlich. Entwickelt sich die Pathologie schließlich mit gleichzeitiger Schädigung der Gene des Kern- und Mitochondriengenoms, ist die Vererbung komplex und von verschiedenen Faktoren bestimmt. In dieser Hinsicht lassen sich bei der genealogischen Analyse anhand eines formalen Merkmals (der Art der Vererbung gemäß dem Stammbaum) die unterschiedlichsten Vererbungsarten feststellen: autosomal-dominant, autosomal-rezessiv, X-chromosomal und mitochondrial.

Die Entwicklung myotochondrialer Erkrankungen wie der Störung des Brenztraubensäurestoffwechsels oder der Beta-Oxidation von Fettsäuren (Krebs-Zyklus) ist mit Mutationen von Genen des Kerngenoms verbunden. Diese Pathologien sind durch autosomal-rezessive Vererbung gekennzeichnet, wenn die Eltern Träger von Mutationen (Heterozygoten) sind und das Kind Träger beider vom Vater und der Mutter vererbten Mutationen (Homozygoten) ist. Die Eltern sind in der Regel äußerlich gesund, und eine ähnliche Erkrankung oder deren Mikrosymptome sollten bei den Geschwistern des kranken Kindes (Probandengeschwister) und bei Verwandten mütterlicher- und väterlicherseits (Cousins) gesucht werden.

Bei einem rezessiven, X-chromosomalen Vererbungstyp (z. B. neonatale Glutarazidurie Typ II oder Mangel der E1-Untereinheit des Pyruvatkomplexes, Menkes-Krankheit usw.) sind Jungen häufiger betroffen, und Mütter sind Trägerinnen von Mutationen und geben diese an ihre Söhne weiter. Die mütterliche Vererbung unterscheidet sich von der X-chromosomalen Vererbung dadurch, dass beide Geschlechter betroffen sind. In diesen Fällen ist es bei der Analyse des Stammbaums notwendig, die Häufigkeit der Krankheit bei Männern zu analysieren, da sie sich bei Frauen nicht manifestiert. Der Stammbaum zeigt keine Übertragung der Krankheit entlang der Vater-Sohn-Linie, da der Vater nur das Y-Chromosom an seinen Sohn weitergeben kann.

Wenn eine Krankheit aufgrund einer Schädigung des mitochondrialen Genoms entsteht (z. B. eine Reihe von Erkrankungen der Atmungskette, Lebersche Optikusneuropathie, MELAS-, MERF-, NARP-Syndrome usw.), wird die mütterliche Vererbung verfolgt, da das Kind Mitochondrien von der Mutter erbt und diese sowohl an Jungen als auch an Mädchen weitergeben kann. Somit sind beide Geschlechter gleichermaßen betroffen. In diesem Zusammenhang sollte die Übertragung der Krankheit entlang der Mutterlinie im Stammbaum nachverfolgt werden.

Bei der Analyse eines Stammbaums und der Suche nach Symptomen mitochondrialer Erkrankungen bei Verwandten ist zu beachten, dass der Schweregrad der Erkrankung (Ausprägung des Symptoms) stark variieren kann. Dies kann auf die unterschiedliche Anzahl geschädigter Mitochondrien, die Art ihrer Schädigung, die unterschiedliche Verteilung von Mutationen in Zellen usw. zurückzuführen sein. Daher ist es nicht immer möglich, offensichtliche Krankheitszeichen zu erkennen. In einigen Fällen werden entweder einzelne, gelöschte Symptome oder Anzeichen erkannt, die bei gezielter Suche erkannt werden können.

Die Entwicklung einer mitochondrialen Pathologie kann mit einer Schädigung großer Bereiche der Mitochondrien, den sogenannten Mikrodeletionen, verbunden sein (z. B. Kearns-Sayre-Syndrom, Pearson-Syndrom, einige Formen von Diabetes mellitus mit Taubheit, progressive externe Ophthalmoplegie usw.). In diesen Fällen werden charakteristische Symptome bei Verwandten häufig nicht gefunden, da die Entwicklung der Krankheit mit der Entstehung neuer Mutationen verbunden ist, die in der Zygote unmittelbar nach der Befruchtung der Eizelle auftraten ( De-novo -Mutation ). Die Krankheit tritt sporadisch auf. Oft werden zusammen mit diesen Krankheiten eine Reihe von Zuständen, die mit multiplen Mutationen der mitochondrialen DNA verbunden sind, autosomal-dominant vererbt: Beispielsweise haben einige Formen der Enzephalomyopathie, Myopathie mit Augenschäden, trotz des Vorhandenseins von mtDNA-Mutationen (multiple Deletionen), einen autosomal-dominanten Vererbungstyp.

Im Gegensatz zur Mendelschen Vererbung ist der autosomal-dominante Vererbungstyp bei mitochondrialen Pathologien jedoch durch eine große Anzahl betroffener Personen in nachfolgenden Generationen gekennzeichnet.

Schließlich können einige mitochondriale Erkrankungen, die oft mit einer Erschöpfung der mtDNA-Mitochondrien oder deren Fehlen in Zellen einhergehen, autosomal-rezessiv vererbt werden. Dazu gehören angeborene Formen von Myopathie, Kardiomyopathie, Neurodistress-Syndrom, Laktatazidose, Leberschäden usw.

Die Untersuchung der Art der erblichen Übertragung der Krankheit ist für die medizinische und genetische Prognose wichtig und erfordert eine gründliche Analyse der klinischen Anzeichen mit Kenntnissen über die Mechanismen der Entstehung mitochondrialer Pathologien und die Arten ihrer Vererbung.

Die Manifestation klinischer Manifestationen variiert stark von den ersten Lebenstagen bis zum Erwachsenenalter. Bei der Analyse dieses Indikators müssen nosologische Formen berücksichtigt werden, da jede von ihnen ein bestimmtes Debütalter hat.

Stoffwechselstörungen bei mitochondrialen Erkrankungen verlaufen in den meisten Fällen progressiv. Die anfänglichen Symptome sind oft mild, schreiten dann fort und können zu erheblichen Behinderungen führen. Seltene Krankheitsformen wie die benigne infantile Myopathie und einige Formen der Leberschen Optikusneuropathie können gutartig sein und sich zurückbilden.

Bei Laboruntersuchungen wird auf die charakteristischen Anzeichen mitochondrialer Erkrankungen geachtet:

• Vorhandensein einer Azidose;
• erhöhte Laktat- und Pyruvatwerte im Blut, ein Anstieg des Laktat-/Pyruvatindex über 15, insbesondere bei Glukosebelastung oder körperlicher Betätigung;
• Hyperketonämie;
• Hypoglykämie;
• Hyperammonämie;
• erhöhte Konzentrationen von Acetessigsäure und 3-Hydroxybutyrat;
• erhöhtes 3-Hydroxybuttersäure/Acetessigsäure-Verhältnis im Blut;
• erhöhte Aminosäurewerte im Blut und Urin (Alanin, Glutamin, Glutaminsäure, Valin, Leucin, Isoleucin);
• erhöhte Fettsäurewerte im Blut;
• Hyperausscheidung organischer Säuren im Urin;
• verringerter Carnitinspiegel im Blut;
• Erhöhung des Myoglobingehalts in biologischen Flüssigkeiten;
• verringerte Aktivität mitochondrialer Enzyme in Myozyten und Fibroblasten.

Der diagnostische Wert dieser Indikatoren ist bei Nahrungsaufnahme höher als auf nüchternen Magen. In der Praxis hat sich ein diagnostischer Test bewährt: die Bestimmung von Laktat im Blut vor dem Hintergrund einer Glukosebelastung. Dies ermöglicht eine deutlichere Erkennung des Versagens der Atmungskette bei zusätzlicher Glukosebelastung.

Für die Labordiagnostik mitochondrialer Dysfunktionen und ihrer spezifischen nosologischen Formen reichen konventionelle, routinemäßige biochemische Forschungsmethoden nicht aus; es sind spezielle Tests erforderlich. Die Aktivität von Enzymen lässt sich in Skelettmuskelbiopsien besonders gut analysieren als in anderen Geweben. Es ist möglich, die Aktivität von Atmungskettenenzymen, insbesondere Citrat-Synthetase, Succinat-Dehydrogenase und Cytochrom-C-Oxidase, zu bestimmen.

Daten aus morphologischen und molekulargenetischen Untersuchungen

Morphologische Untersuchungen sind für die Diagnose mitochondrialer Pathologien von besonderer Bedeutung. Aufgrund ihrer hohen Aussagekraft sind häufig Muskelbiopsien und histochemische Untersuchungen der gewonnenen Biopsien erforderlich. Wichtige Informationen können durch die gleichzeitige Untersuchung des Materials mittels Licht- und Elektronenmikroskopie gewonnen werden.

Einer der wichtigsten Marker mitochondrialer Erkrankungen ist das 1963 entdeckte Phänomen der „zerlumpten“ roten Fasern (RRF-Phänomen ). Es ist mit der Bildung genetisch veränderter, abnormaler Mitochondrien entlang der Muskelfaserränder aufgrund von Proliferation und fokaler Ansammlung verbunden. Dieses Phänomen wird lichtmikroskopisch mit einer speziellen Gomori-Färbung nachgewiesen, in den letzten Jahren wurden jedoch verschiedene mitochondriale Marker und verschiedene immunologische Methoden zu diesem Zweck eingesetzt.

Weitere morphologische Anzeichen einer mitochondrialen Pathologie sind:

• eine starke Zunahme der Größe der Mitochondrien;
• Ansammlung von Glykogen, Lipiden und Kalziumkonglomeraten im Subsarkolemm;
• verminderte Aktivität mitochondrialer Enzyme;
• gestörte Verteilung der Aktivitätsgranulate der Enzyme Succinat-Dehydrogenase (SDH), NADH-Oxidoreduktase, Cytochrom-C-Oxidase usw.

Bei Patienten mit mitochondrialen Erkrankungen kann die Lichtmikroskopie des Muskelgewebes unspezifische morphologische Anzeichen aufdecken: lokale Nekrose der Muskelfasern, Ansammlung sarkoplasmatischer Massen, Vorhandensein einer Lyse subsarkolemmärer Bereiche des Sarkoplasmas, Basophilie des Sarkoplasmas, eine erhöhte Anzahl von Muskelkernen, Aktivierung von Regenerationsprozessen usw.

Die Untersuchung der Rolle des Phänomens der „zerlumpten“ roten Fasern zeigte dessen Bedeutung für die Diagnose von Erkrankungen wie MELAS, MERRF, Kearns-Sayre-Syndrom, chronisch progressiver Ophthalmoplegie und anderen mit mtDNA-Mutationen assoziierten Erkrankungen. Dieses Phänomen kann auch bei anderen Erkrankungen auftreten: Muskeldystrophie Duchenne, Dermatomyositis, myotone Dystrophie, Medikamenteneinnahme (Clofibrat) und anderen pathologischen Zuständen. So kann das RRF-Phänomen neben primären mitochondrialen Erkrankungen auch sekundäre mitochondriale Dysfunktionen begleiten.

Heutzutage sind histochemische und elektronenmikroskopische Untersuchungen des Muskelgewebes zur Erkennung von Anzeichen einer mitochondrialen Insuffizienz weit verbreitet. In einigen Fällen helfen sie bei der Diagnose, insbesondere bei einem normalen morphologischen Bild des Muskelgewebes gemäß lichtmikroskopischen Daten.

Elektronenmikroskopische Anzeichen – Nachweis einer mitochondrialen Proliferation, Störung ihrer Form und Größe, Desorganisation und Vergrößerung der Cristae, Ansammlung abnormer Mitochondrien unter dem Sarkolemm, Ansammlung von Lipiden und abnormen parakristallinen (hauptsächlich aus Protein bestehenden) oder osmophilen Einschlüssen zwischen der inneren und äußeren Membran oder innerhalb der Cristae, kugelförmige Cluster, die sich oft in der Matrix befinden (hauptsächlich aus Triglyceriden bestehend) usw.

Bei einigen Patienten können zytochemische Anomalien in den Leukozyten festgestellt werden.

Der Komplex biochemischer und morphologischer Untersuchungen wird durch moderne Methoden der Molekulardiagnostik (Nachweis von Kern- oder Mitochondrienmutationen) ergänzt, die in spezialisierten DNA-Diagnostiklaboren durchgeführt werden. Bei mitochondrialen Erkrankungen werden verschiedene Arten von Mutationen nachgewiesen: Punktmutationen, Deletionen, Duplikationen, quantitative DNA-Anomalien usw.

Liegen keine Mutationen in der mtDNA vor und besteht der Verdacht auf eine mitochondriale Pathologie, wird eine Untersuchung der Kern-DNA durchgeführt.

Diagnostische Kriterien

Es gibt zwei Gruppen von Diagnosekriterien für mitochondriale Erkrankungen. Wichtigste Diagnosekriterien (erste Gruppe).

• Klinisch:
  • etablierte Diagnosen: MERRF, MELAS, NARP, MNGIE, Pearson-Syndrome, Leber-Neuropathie, Leigh- und Alpers-Krankheit;
  • das Vorhandensein von 2 oder einer Kombination der folgenden Zeichen:
    • multisystemische Läsion, pathognomonisch für Erkrankungen der Atmungskette;
    • progressiver Verlauf mit Episoden der Exazerbation oder dem Vorhandensein mitochondrialer Mutationen in der Familie;
    • Ausschluss von Stoffwechsel- und anderen Erkrankungen durch entsprechende Untersuchungen.
• Histologisch – Nachweis des RRF-Phänomens in mehr als 2 % des Muskelgewebes.
• Enzymatisch:
  • Cytochrom-C-Oxidase-negative Fasern;
  • verminderte Aktivität von Enzymen des Atmungskettenkomplexes (<20 % des Normalwerts im Gewebe, <30 % in Zellen oder mehreren Geweben).
• Funktionell – eine Abnahme der ATP-Synthese in Fibroblasten um mehr als 3 Standardabweichungen.
• Molekulargenetisch - pathogenetisch bedeutsame Mutationen der Kern- oder mtDNA.

Zusätzliche Diagnosekriterien (zweite Gruppe).

• Klinisch - unspezifische Symptome, die bei Erkrankungen der Atmungskette auftreten (Totgeburt, verminderte motorische Aktivität des Fötus, früher Tod des Neugeborenen, Bewegungsstörungen, Entwicklungsstörungen, beeinträchtigter Muskeltonus in der Neugeborenenperiode).
• Histologisch – geringer Prozentsatz des RRF-Phänomens, subsarkolemmale Ansammlung von Mitochondrien oder deren Anomalien.
• Enzymatisch – geringe Aktivität von Enzymen des Atmungskomplexes (20–30 % der Norm im Gewebe, 30–40 % in Zellen oder Zelllinien).
• Funktionell – eine Abnahme der ATP-Synthese in Fibroblasten um 2–3 Standardabweichungen oder das Fehlen von Fibroblastenwachstum in einem Medium mit Galaktose.
• Molekulargenetisch – Erkennung von Mutationen in der Kern- oder mtDNA mit einem mutmaßlichen pathogenetischen Zusammenhang.
• Stoffwechsel – Nachweis eines oder mehrerer Metaboliten, die auf eine Störung der zellulären Bioenergetik hinweisen.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ]