线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒和卒中样发作(MELAS)分子病理学和发病机制研究的最新进展

1 MELAS 综合征的分子病理学［3～5］

1．1 处于稳态水平的tRNALeu(UUR)分子寿命降低ρ0胞质杂交体系研究发现存在 A3243G突变的 tRNALeu(UUR)稳态数量在胞质杂交克隆系中为野生型的30%。突变型tRNALeu(UUR)的寿命明显缩短，野生型的半衰期约为56h，突变型仅为6～12h。稳态水平的降低在于突变型tRNAs的短寿命周期。

1．2 氨酰化-tRNA(UUR)与不带电的tRNALeu(UUR)分子的比例下降 2000年，Yasukawa利用固化探测法成功纯化了突变型tRNALeu(UUR)基因证实了突变型tRNALeu(UUR)基因引起亮氨酸氨酰化程度很低［3，4］。Park等人对比了野生型和突变型tRNALeu(UUR)基因氨酰化的动力学发现突变型在体外氨酰化效率偏低。据此伴有A3243G突变的氨酰基-tRNALeu(UUR)数量下降可导致蛋白质合成的降低。

1．3 加工中间体如RNA19的积累通过ρ0胞质杂交体系研究及对来自8位存在A3243G点突变的MELAS患者肌肉样本分析发现存在RNA19(相当于16srRNA+tRNA(UUR)+ND1基因)的积累。蛋白质合成缺陷是由于包括RNA19在内的假核糖体导致翻译停止引起的。虽然为什么RNA19会在有点突变的的患者细胞中升高，至今还未明了，但通过研究我们相信RNA19水平的升高在功能紊乱的发病机制中发挥重要作用。

1．4 tRNA修饰缺陷 Yasukawa等人发现在野生型tRNALeu(UUR)存在修饰尿苷，这种修饰发生在尿嘧啶的基础上，而这种尿嘧啶在含有点突变的基因中是缺乏的。修饰缺陷已由初级扩展方法所证实，这是唯一发现的由点突变引起的修饰缺陷。

以上分子机制可以导致蛋白质合成缺陷，导致呼吸链酶缺陷，尤其是复合体I和IV，并导致线粒体细胞病。

2 MELAS综合征卒中样发作的假设

2．1 线粒体细胞病学说 Gilchrist等［6］观察到MELAS患者病灶部位的神经元内含有许多结构异常的线粒体，而且基因检测发现病变脑组织内存在高比例的突变基因。线粒体DNA(mtDNA)点突变，导致神经元和神经胶质细胞氧化磷酸化异常，导致区域神经元能量代谢失衡，无氧酵解比例上升，乳酸堆积，自由基生成增多，导致细胞稳态失调和慢性乳酸酸中毒，当能量需求增多时，可诱发脑卒中样发作。

Cropen等［7］推测乳酸酸中毒范围的扩展引起水肿的扩展，可以解释MELAS卒中样发作分布区不符合血管分布的特点，并因此提出卒中样发作可能是一种“代谢性卒中”。磁共振波谱分析研究，MELAS患者大脑中高能量磷酸盐复合物水平下降，脑室内脑脊液乳酸水平增高，表明MELAS患者中存在线粒体细胞病。DWI的使用，固态水的流动性可用来检测组织水的表观弥散系数(ADC)，研究发现MELAS患者ADC在卒中样发作时可下降，表明存在细胞源性水肿，支持代谢因素引起卒中样发作。

Katayama等［8］对21例MELAS患者尸检的脑组织进行研究，发现在梗死样区域的周围组织内存在自由基水平增高和自由基清除能力下降。据此推断自由基生成增多和清除能力下降可能是诱发卒中样发作的因素之一。

2．2 线粒体血管病学说最早由Ohama等［9］提出，异常的线粒体于脑内小血管的内皮细胞和平滑肌细胞蓄积，并以一种相似的方式增值，这些血管为强琥珀酸脱氢酶反应血管(SSVs)。依据MELAS患者肌肉活检所见，虽然存在大量异常线粒体，但是破碎红纤维和血管壁染色均特异性的表现为细胞色素酶(COX)阳性。在分子病理学方面，单纤维聚合酶链反应证实MELAS患者脑小血管壁的线粒体基因突变率高于神经元细胞，并以软脑膜及大脑皮质血管的突变比例最高。

因呼吸链酶合成缺陷，线粒体代偿性增多，引起COX的活性提高。由于一氧化氮(NO)结合细胞色素 C氧化酶(COX)，高活性的COX可使局部的NO浓度下降，并导致琥珀酸脱氢酶反应阳性血管舒张功能异常，脑组织血流自动调节能力下降，导致脑组织缺血缺氧而致病。积累的超氧阴离子自由基可与NO反应生成强氧化剂，这可能诱发神经细胞凋亡或细胞损伤。L-精氨酸［3，4，10］(NO 的前体物质)的临床试验证实静点精氨酸后可降低卒中发作频率及症状严重性。尽管病理组织学的梗死样病变和临床卒中样发作未必仅仅是由小血管的阻塞或闭塞引起，但是线粒体血管病似乎可以解释多灶性坏死区的分布。所有结果表明:在MELAS脑组织活检中，线粒体血管病是一种独特的且常见的改变。

利用氙CT、单光子发射计算机断层成像技术(SPECT)和正电子发射断层成像(PET)［11］技术显示在卒中样发作前，发作急性期及亚急性期示踪物不断积累并历时数月，表明梗死样区域内局部脑血流量(rCBV)和局部脑血容量(rCBF)增多，处于高灌注状态。而在超急性期(卒中样发作约3h)，我们通过SPM-SPECT观察到了灌注不足。此外，低灌注和高灌注同时存在不仅存在于卒中样发作急性期也存在于发作间期，提示MELAS患者存在脑血流动力学的紊乱。［10，11］。

有文献报道［12］线粒体突变所致的皮质神经元受损是MELAS综合征的根本原因，该观点认为氧化磷酸化过程的破坏使神经元细胞膜上能量依赖性的离子和蛋白质转运受阻，影响钾离子内流及谷氨酸转运蛋白大肠埃希菌天冬氨酸氨基转移酶的活性;同时，钾离子和兴奋性氨基酸在细胞外聚集，激活了NMDA受体，破坏了钙离子的稳态，造成神经元兴奋性增高，产生同步去极化，并向周围皮质扩散，诱发癫痫发作。持续癫痫发作使毛细血管通透性增高、周围脑组织水肿，这种血管源性水肿又导致了卒中样发作的出现。［13］。

2．3 非缺血性神经血管细胞学说 2002年有文献报道MELAS综合征的病理生理改变主要表现为毛细血管通透性增加、过度灌注、神经元易损伤、神经元过度兴奋，其中神经元过度兴奋可能发挥核心作用。在此基础上，lizuka等［14］通过MELAS综合征患者的临床表现、特征及脑电图(EEG)进行研究，提出了非缺血性神经血管细胞学说，提出MELAS卒中样发作可以反应出神经元的过度兴奋(即癫痫活动)，由于氧化磷酸化缺陷，这种过度兴奋增加了能量需求，引起能量需求和ATP供应之间的不平衡，大量神经元功能减退，临床上表现为卒中样发作。新近lizuka等［15］通过对6例患者18次脑卒中发作的急性期进行连续性的临床影像学研究，同时采用SPECT对5例MELAS综合征患者在慢性期对乙酰唑胺的局灶性脑血管反应(regional cerebrovas cular reactivity rCVR)研究，进一步证明卒中样发作是神经元兴奋性过高导致的非缺血性神经血管事件，解释了MELAS综合征卒中样病灶不符合血管分布的特点。

MELAS卒中样发作的发病机制并不简单，伴随有分子异常和血管异常。线粒体细胞病已在ρ0胞质杂交体系中证实是分子缺陷所致［3］;线粒体血管病也已在大脑和肌肉病理及血管生理方面得以证明。病理方面，RRF和SSVs呈COX阳性，导致了大脑小动脉节段性血管闭塞，进而证实了线粒体血管病理论。PET结果中脑葡萄糖和氧代谢的解离可能是MELAS的特征表现，这证实了线粒体细胞病理论。在不久的将来，我们将会阐明MELAS卒中样发作的发病机制。

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