КОНСУЛЬТАНТ

Мітохондріальні цитопатії

(проблемний огляд)

Нині мітохондріологія виділилася в самостійний науковий напрям. Більше того, відкриття в останні роки провідної ролі мітохондрій у чутливості до антибіотиків, старінні, апоптозі й нейродегенеративних розладах привело до створення мітохондріальної медицини. Важливим її розділом є хвороби, пов’язані з порушенням функції мітохондрій — мітохондріальні цитопатії (МЦ). Нині більшість дослідників визнають, що мітохондрії в клітинах тварин і хлоропласти в рослинах є далекими нащадками архібактерій, які на початку розвитку життя проникали в первісні еукаріотичні клітини й поступово перетворилися на ендосимбіони. Розвиток геохімії, молекулярного філогенезу і молекулярної біології колись дасть можливість розшифрувати послідовність цих подій. А поки що ми стикаємося з їх результатами і концепція симбіозу сприймається як найбільш імовірна гіпотеза, на користь якої, крім другорядних, свідчать два фундаментальних факти: по-перше, мітохондрії — єдині органели, які мають власний геном, і по-друге, генетичний код мітохондріальної (мітДНК) і ядерної (яДНК) ДНК досить різний. Ці твердження є вагомим аргументом проти існуючого дотепер припущення про виникнення мітохондрій внаслідок компартменталізації частини ядерного генома. У світлі сучасних знань дивно, що ще в 1890 р. Р. Альтман у книзі “Elementarorganismen” назвав ці структури (тоді ще не була усталена назва “мітохондрії”) “біопластом” і припустив, що вони є автономними елементарними живими частинками, що утворюють, подібно до бактерій, колонії в клітині-господарі.

Головна функція мітохондрій — утворення енергії для клітин у вигляді АТФ унаслідок окисного фосфорилювання різних субстратів. Респіраторний ланцюжок складається з п’яти ензимних комплексів. До функцій мітохондрій належать також β-окислення жирних кислот, цикл трикарбонових кислот і низка інших метаболічних функцій. Вони відіграють важливу роль у внутрішньоклітинній сигналізації, апоптозі, проміжному метаболізмі, а також в обміні амінокислот, ліпідів, холестерину, стероїдів і нуклеотидів.

У процесі симбіозу мітохондрії втратили значну частину самостійності й передали більшу частину свого генома ядру клітин. Як наслідок їх життя і функціонування тільки незначною мірою забезпечуються власною ДНК. Більша частина мітохондріальних білків кодується в ядрах клітин і транспортується в мітохондрії з цитоплазми. У постмітотичних клітинах (м’язові волокна, нейрони чи кардіоміоцити) мітохондрії мають обмежену тривалість життя (кілька тижнів). За нормальних умов їх утворення наново вимагає координації між мітохондріальною ДНК, що кодує 13 із 80 білкових субодиниць респіраторного ланцюга, 2 білкові субодиниці мРНК і 22 мітохондріальних тРНК (всього 37 генів), та ядерним геномом, що кодує понад 99% мітохондріальних білків.

Таким чином, мітохондрії, які є нащадками вільно живучих еубактерій, зберегли тільки мінімальні залишки свого генома в еволюційному процесі ендосимбіозу. Більша частина генома була або передана ядру еукаріотичного господаря, або втрачена, оскільки клітини тварин дають мітохондріям “і стіл, і дім”, використовуючи, своєю чергою, енергію, що запасається в продукті життєдіяльності мітохондрій у вигляді АТФ.

Фрагменти з кодуючих і некодуючих ділянок мітДНК містяться, як викопні рештки, в ядерному геномі різних еукаріотів. Буквально останніми роками виявлено поліморфізм включення фрагментів мітДНК в людській популяції і в шимпанзе та визначено швидкість фіксації цих послідовностей у людини. Більше того, виконано кореляцію здобутих даних із спостереженнями включення тих фрагментів, які пов’язані із захворюваннями людини. Засвідчено, що в людини фрагменти мітДНК переважно інтегруються у відомі чи передбачувані гени і, таким чином, можуть бути мутагенними і причинними для нових захворювань.

У нормальних умовах всі мітохондрії в клітині мають однакову копію ДНК (гомоплазмія). Однак у мітохондріальному геномі можуть відбуватися мутації. Дотепер відомо понад 200 захворювань, викликаних мутацією мітДНК. Вони поділяються на дві групи: точкові мутації білків, тРНК, рРНК в кодуючих ділянках, які часто успадковуються по лінії матері, або ж структурні перестановки — дуплікації і делеції, які зазвичай спорадичні.

Як уже зазначалося, мітДНК кодує тільки 13 поліпептидних субодиниць дихального ланцюга з 80. До того ж ензими й інші чинники, необхідні для транскрипції, реплікації і трансляції, надходять у мітохондрії з цитоплазми клітини. Тому не дивно, що ядерні мутації також можуть призводити до порушення функції мітохондрій і насамперед — розладів окисного фосфорилювання в них. Оскільки знання про ядерний геном протягом останніх років значно розширилися, ідентифікується все більше дефектів мітохондрій, що кодуються ядром. Розрізняють мутації структурних білків і тРНКаз, що порушують функціонування респіраторного ланцюга, і мутації, які порушують інтергеномну взаємодію між ядром і мітохондріями й тим самим викликають вторинні зміни мітДНК. Такі зміни спричиняють головним чином делеції мітДНК або множинні делеції. Вони успадковуються головним чином за законами Менделя.

З огляду на нерівномірний розподіл мітохондрій в клітинах й одночасне існування мутаційних і немутаційних мітДНК в цих органелах (гетероплазмія) розлади можуть проявлятися більшою розмаїтістю симптомів навіть при однакових мутаціях.

Дотепер описано багато варіантів порушення процесу окисного фосфорилювання в мітохондріях людини. Дефект може бути пов’язаний з одним або кількома ферментними комплексами. Як уже було сказано, в одній клітині можуть існувати мітохондрії нормальні та з порушеною функцією. За рахунок перших клітина може функціонувати певний час. Якщо ж продукція енергії в ній падає нижче певного порога, відбувається компенсаторна проліферація всіх мітохондрій, включаючи дефектні. Природно, при цьому в гіршому становищі опиняються клітини, які споживають багато енергії: м’язові волокна, кардіоміоцити, нейрони. Через це невипадково саме в біоптатах скелетних м’язів були вперше виявлені дефектні мітохондрії.

Через дефекти в дихальному ланцюжку мітохондрії постійно продукують вільні радикали на рівні 1–2% поглиненого кисню. Кількість продукції радикалів залежить від мембранного потенціалу мітохондрій, на зміни якого впливає стан АТФ-залежних калієвих каналів. Відкриття останніх має за наслідок зростання утворення вільних радикалів. Вони відіграють величезну роль у старінні мітохондрій і, отже, старінні еукаріотів. Агресивне середовище навколо мітохондрій при значному збільшенні їх кількості та порушенні функції може бути одним із факторів розвитку деструктивних змін у клітинах. Зміни мембранного потенціалу мітохондрій, а також утворення вільних радикалів, своєю чергою, здійснюють шкідливий вплив на інші білки мітохондріальних мембран.

Мітохондріальна ДНК містить дуже невеликі некодуючі ділянки і добре доступна для радикалів, що генеруються респіраторним ланцюжком у процесі аеробного утворення АТФ, а здатність мітохондрій до відновлення досить мала. Тому рівень пошкодження мітДНК, що зростає з віком, впливає на ступінь гетероплазмії. Вважають, що 10% мітохондрій зі зміненою ДНК не впливає на фенотип. Разом з тим висока швидкість їх оновлення і коротке життя створюють своєрідний спосіб відновлення шляхом заміщення для корекції пошкодження вільними радикалами.

Перша згадка про хворобу, пов’язану з дефектом мітохондрій, датується 1962 роком: R. Luft і співавт. описали випадок захворювання, при якому було порушено поєднання дихання і фосфорилювання в мітохондріях скелетних м’язів у пацієнта з нетиреоїдним гіперметаболізмом. Згодом описано клінічні, біохімічні та морфологічні аспекти мітохондріальних енцефаломіопатій. Для розвитку цього напряму дуже корисним було використання модифікованого забарвлення за Гоморі, за допомогою якого вдавалося виявляти в скелетних м’язах волокна зі зміненими мітохондріями — так звані рвані волокна. Особливу роль відіграло запровадження в клінічну практику електронної мікроскопії.

Після відкриття в 1988 р. мутацій мітДНК концепція мітохондріальних хвороб викликала буквально вибух досліджень у цій ділянці, і 90-ті роки справедливо стали декадою мітохондріального генома.

МЦ — гетерогенна група системних розладів, зумовлених мутаціями мітохондріального або ядерного генома, які уражають переважно м’язову, нервову і нервово-м’язову системи. Мітохондріальні мутації проявляються широким рядом клінічних симптомів. Ці мутації здатні залучати тРНК, рРНК або структурні гени і можуть виражатися біохімічно як дефекти всього електронно-транспортного ланцюга або як дефекти ензимів. МЦ вражають множинні органні системи, але, як зазначалося, переважно уражаються органи з високою метаболічною активністю — мозок і скелетні м’язи. Таким чином, скелетні м’язи є тканиною вибору для виявлення мітохондріальних хвороб.

Протягом останніх років ідентифікація безлічі мітохондріальних генних дефектів, що зумовлюють клінічно абсолютно різні розлади, ставила в безвихідь клініцистів щодо діагностики гетерогенних і складних синдромів. Досить перерахувати характерні ознаки МЦ.

Скелетні м’язи: низька толерантність до фізичного навантаження, гіпотонія, проксимальна міопатія, що включає лицеві і горлянкові м’язи, офтальмопарез, птоз.

Серце: порушення серцевого ритму, гіпертрофічна кардіоміопатія.

ЦНС: атрофія зорового нерва, пігментна ретинопатія, міоклонус, деменція, інсультоподібні епізоди, розлади психіки.

Периферична нервова система: аксональна нейропатія, порушення рухової функції шлунково-кишкового каналу.

Ендокринна система: діабет, гіпопаратироз, порушення екзокринної функції підшлункової залози, низький зріст.

Оскільки МЦ проявляється в людини низкою різних симптомів, клініцисти спробували об’єднати деякі групи найчастіших комбінацій симптомів у синдроми. Всі вони є скороченнями англійських назв симптомів.

MELAS (Mitochondrial Myopathy, Encephalopathy, Lactic Acidosis and Stroke-like episodes) — мітохондріальна міопатія, енцефалопатія, лактоацидоз та інсультоподібні епізоди.

CPEO/PEO (External Ophthalmoplegia, Ophthalmoplegia plus syndrome) — зовнішня офтальмоплегія, синдром офтальмоплегії-плюс.

KSS [Kearns-Sayre Syndrome] (retinopathy, proximal muscle weakness, cardiac arrythmia and ataxia) — синдром Кернс-Сейр — ретинопатія, слабкість проксимальних м’язів кінцівок, аритмія і атаксія.

MERRF (Myoclonic Epilepsy associated with Ragged Red Fibers) — міоклонічна епілепсія з рваними м’язовими волокнами.

LHON (Leber Hereditary Optic Neuropathy) — спадкова нейропатія зорового нерва Лебера.

Leigh syndrome (infantile subacute necrotizing encephalopathy) — синдром Лея — дитяча підгостра некротизуюча енцефалопатія.

NAPR (Neuropathy, Ataxia and Pigmentary Retinopathy) — нейропатія, атаксія і пігментна ретинопатія.

Тут наведено основні синдроми, при цьому слід мати на увазі, що часто їх прояви можуть перехрещуватися. Діапазон і ступінь тяжкості синдромів залежать від того, яка пропорція мітохондрій пошкоджена в клітині.

Найтиповішими при МЦ є неврологічні симптоми, оскільки, як уже зазначалося, тканини, що найбільшою мірою залежать від окисного фосфорилювання, формують основу патогенезу цих розладів. Найчастішою мутацією є 3243 А>G точкова мутація в MTTL-1 мітДНК, представлена клінічно мітохондріальною енцефалопатією, лактоацидозом та інсультоподібними епізодами (MELAS). У таких пацієнтів спостерігаються також міопатія і периферична нейропатія.

МЦ можуть бути спорадичними або спадковими, при цьому вони успадковуються, як і гемофілія, по лінії матері, але, на відміну від гемофілії, уражають осіб обох статей.

Застосування деяких фармакологічних засобів, наприклад зидовудину, також може індукувати проксимальну міопатію і появу рваних волокон. З віком у мітДНК накопичуються мутації, внаслідок чого в людей похилого віку також можуть виникати ці зміни. МітДНК накопичує мутації більш ніж у десять разів швидше порівняно з ядерним геномом. Це пов’язано з тим, що мітДНК позбавлена захисних гістонів і, як уже було сказано, її оточення містить надзвичайно багато реактивних видів кисню, які є побічним продуктом метаболічних процесів, що відбуваються в мітохондріях. Крім того, відновлювальні механізми мітДНК малоефективні порівняно з ядерною.

МЦ трапляються не тільки в людини, а й у тварин. У літературі наведено випадок МЦ у 9-річної німецької вівчарки. Діагноз був встановлений на підставі даних морфологічного, біохімічного і генетичного досліджень.

Остаточний діагноз МЦ ставлять виходячи з результатів біохімічних і молекулярних досліджень, які виконують у спеціалізованих центрах. На щастя, існує ряд рутинних клінічних методів, які можна використовувати при підозрі на МЦ.

Лактоацидоз є практично постійним супутником мітохондріальних хвороб. Однак тільки ця ознака є недостатньою для встановлення діагнозу, оскільки він може виявлятися і при інших патологічних станах. В цьому аспекті може бути корисним визначення рівня лактату в венозній крові після помірного фізичного навантаження, наприклад на велоергометрі.

Дані нейроміографії самі по собі також не можуть бути маркером МЦ. Разом з тим нормальна або близька до нормальної нейроміограма в пацієнтів з вираженою м’язовою слабкістю може бути підставою для підозри щодо мітохондріальної патології. Дані ЕЕГ не є достатньо специфічними.

Дослідження біоптатів скелетних м’язів є найбільш інформативним методом при встановленні діагнозу МЦ. Крім виявлення рваних м’язових волокон при триколірному забарвленні за Гоморі, корисними є інші гістохімічні й імунологічні методи: забарвлення на цитохром с-оксидазу і сукцинатдегідрогеназу, імуногістохімічні дослідження із застосуванням антитіл до окремих субодиниць дихального комплексу. Добрі результати дає електронна мікроскопія скелетних м’язів. Крім того, м’язова тканина зручна для біохімічного вивчення респіраторного ланцюга, а також як матеріал для генетичного дослідження.

Порушення функції мітохондрій супроводжується вираженими змінами їх структури. Як і слід було очікувати, ці зміни найдемонстративніші в скелетних м’язах. У нормальних умовах мітохондрії в скелетних м’язах, що розміщуються між міофібрилами, мають подовжену форму, електронно-щільний матрикс і відносно рідкісні пластинчасті кристи. Вони можуть також утворювати невеликі субсарколемальні скупчення. При електронній мікроскопії м’язів хворих на МЦ стан їх мітохондріального апарату кардинально змінюється. Це стосується кількості мітохондрій, різноманітності їх величини, форми і внутрішньої структури. Іноді структурні зміни заходять настільки далеко, що такі утвори можна ледве ідентифікувати як мітохондрії.

Найхарактерніші зміни мітохондрій зумовлені подовженням крист. Іноді це призводить до подовження самих мітохондрій (вони стають стрічкоподібними), в інших випадках — до спірального закручування крист. Змін зазнають і самі кристи, стаючи з пластинчастих трубчастими. Все це можна розглядати як спробу компенсувати недостатню ефективність функції дихального ланцюга. Ще однією поширеною особливістю дефектних структур є наявність у них паракристалічних включень. Нарешті, цілком реально простежити еволюцію мітохондрій від простіших до складніших.

Морфологічні, зокрема електронно-мікроскопічні дослідження змін мітохондрій в клітинах дозволяють відповісти на деякі питання щодо патогенезу МЦ. Так, переважання в скелетних м’язах патологічно змінених мітохондрій, відносна кількість яких зростає в міру прогресування захворювання, може бути результатом порушення їх нормального життєвого циклу, тобто збільшення тривалості життя поряд із триваючою реплікацією. Про те ж свідчить ускладнення їх структури в міру збільшення розмірів. При цьому зміни, які можна трактувати як реплікацію дефектних мітохондрій, трапляються дуже часто, на відміну від нормальних м’язів, що призводить до утворення скупчень однаково змінених мітохондрій. Постає також питання: що є причиною такого розмаїття структури патологічно змінених мітохондрій? Це результат різних мутацій мітохондріальної або ядерної ДНК, йдеться про різні стадії певних змін чи наявна комбінація того й іншого? Нарешті, можна ще раз згадати про єдність структури і функції.

Як уже зазначалося, при МЦ можуть бути уражені кілька систем (м’язова, нервова, серцево-судинна та ін.). Якщо йдеться про успадкування захворювання, то це легко пояснити. Однак у випадках набутої МЦ неясним залишається питання: залучаються різні системи одночасно чи послідовно, і якщо останнє твердження справедливе, то який механізм (або механізми) передачі мутацій від системи до системи?

МЦ є відносно новим класом хвороб людини. При цьому їх розрахункова частота становить 1:8000. Тому при виявленні хоча б одного з вище описаних симптомів слід насамперед досліджувати біоптати скелетних м’язів щодо виявлення рваних волокон.

Що стосується терапії цієї форми патології людини, то може йтися поки що тільки про симптоматичну. Лікування включає також антиоксиданти (вітамін Е, ліпоєва кислота), донори та акцептори електронів (коензим Q10, рибофлавін), альтернативні джерела енергії (креатинмоногідрат), агенти, що знижують рівень лактату (дихлорацетат) і фізичні вправи.

Розробка методів генної терапії і загалом патогенетичних методів лікування перебуває на стадії експериментів. Одним із найперспективніших напрямів є спроба змінити рівень гетероплазмії шляхом селективного пригнічення реплікації мітохондрій або руйнування мутантної ДНК. Такий підхід базується на факті, що потрібна велика кількість копій мутантної мітДНК, щоб ефект мутації став фенотипово явним. Аргументується, що при ефективному зменшенні популяції мутантної ДНК збільшується кількість нормальної, наслідком чого є нормалізація фенотипу.

Виявлення мутацій мітДНК як причини МЦ дозволило розпочати їх моделювання на експериментальних тварин. Модель мітохондріальної міопатії була відтворена шляхом пошкодження мітохондріального фактору транскрипції А (Tfam) в скелетних м’язах. У нокаутованих тварин розвивалася міопатія з м’язовими рваними волокнами і прогресуючим порушенням функції дихального ланцюжка в скелетних м’язах.

Дотепер про різні аспекти МЦ опубліковано величезну кількість робіт, і питання їх етіології та патогенезу вже не видаються такими загадковими, як це було лише двадцять років тому. В цій статті представлено найзагальнішу інформацію про названий клас захворювань. По суті вона є лише вступом у цю складну, актуальну й цікаву проблему. Проблема МЦ виникла спочатку як суто клінічна, однак її вивчення вийшло далеко за прикладні межі й збагатило мітохондріологію щодо біології та функцій мітохондрій і механізмів їх порушення. Як результат було визначено новий клас хвороб, унікальних за етіологією і патогенезом, пов’язаних з особливостями походження цих клітинних органел. Нині невідомі форми патології, в основі яких лежить неконтрольована внутрішньоклітинна реплікація органел клітини, що закінчується її загибеллю. Становище ускладнюється ще й тим, що при цьому насамперед гинуть постмітотичні, тобто практично невідтворювані, клітини — нервові і м’язові. Все сказане, а також той факт, що МЦ є аж ніяк не рідкісними захворюваннями і можуть передаватися спадково, роблять клінічний аспект проблеми надзвичайно актуальним, тим більше що з погіршенням екології та зростанням у навколишньому середовищі мутагенних чинників можна очікувати почастішання цієї форми патології. Спадковий же характер великого сегмента МЦ означає ранній початок їх проявів. Тому розробка методів патогенетичної терапії цих розладів залишається принципово важливою.

Література

  1. Anglin RE, Garside SL, Tarnopolsky MA, Mazurek MF, Rosebush PI. The psychiatric manifestations of mitochondrial disorders: a case and review of the literature. J Clin Psychiatry. 2012 Apr;73(4):506-12.
  2. Bindoff LA, Engelsen BA. Mitochondrial diseases and epilepsy. Epilepsia. 2012 Sep;53 Suppl 4:92-7.
  3. Cohen BH. Neuromuscular and systemic presentations in adults: diagnoses beyond MERRF and MELAS. Neurotherapeutics. 2013 Apr;10(2):227-42.
  4. El-Hattab AW, Adesina AM, Jones J, Scaglia F. MELAS syndrome: Clinical manifestations, pathogenesis, and treatment options. Mol Genet Metab. 2015 Sep-Oct;116(1-2):4-12.
  5. Finsterer J. Central nervous system manifestations of mitochondrial disorders. Acta Neurol Scand. 2006 Oct;114(4):217-38.
  6. Finsterer J. Cognitive dysfunction in mitochondrial disorders. Acta Neurol Scand. 2012 Jul;126(1):1-11.
  7. Gerards M, Sallevelt SC, Smeets HJ. Leigh syndrome: Resolving the clinical and genetic heterogeneity paves the way for treatment options. Mol Genet Metab. 2016 Mar;117(3):300-12.
  8. Jankauskaitė E, Bartnik E, Kodroń A. Investigating Leber’s hereditary optic neuropathy: Cell models and future perspectives. Mitochondrion. 2017 Jan;32:19-26.
  9. Kabunga P, Lau AK, Phan K, Puranik R, Liang C, Davis RL, Sue CM, Sy RW. Systematic review of cardiac electrical disease in Kearns-Sayre syndrome and mitochondrial cytopathy. Int J Cardiol. 2015 Feb 15;181:303-10.
  10. Kälviäinen R. Progressive Myoclonus Epilepsies. Semin Neurol. 2015 Jun;35(3):293-9.
  11. Kwong JQ, Beal MF, Manfredi G. The role of mitochondria in inherited neurodegenerative diseases. J Neurochem. 2006 Jun;97(6):1659-75.
  12. Lamperti C, Zeviani M. Myoclonus epilepsy in mitochondrial disorders. Epileptic Disord. 2016 Sep 1;18(S2):94-102.
  13. Lorenzoni PJ, Scola RH, Kay CS, Silvado CE, Werneck LC. When should MERRF (myoclonus epilepsy associated with ragged-red fibers) be the diagnosis? Arq Neuropsiquiatr. 2014 Oct;72(10):803-11.
  14. Lorenzoni PJ, Werneck LC, Kay CS, Silvado CE, Scola RH. When should MELAS (Mitochondrial myopathy, Encephalopathy, Lactic Acidosis, and Stroke-like episodes) be the diagnosis? Arq Neuropsiquiatr. 2015 Nov;73(11):959-67.
  15. Magner M, Kolářová H, Honzik T, Švandová I, Zeman J. Clinical manifestation of mitochondrial diseases. Dev Period Med. 2015 Oct-Dec;19(4):441-9.
  16. Phadke M, Lokeshwar MR, Bhutada S, Tampi C, Saxena R, Kohli S, Shah KN. Kearns Sayre Syndrome — case report with review of literature. Indian J Pediatr. 2012 May;79(5):650-4.
  17. Procaccio V, Bris C, Chao de la Barca JM, Oca F, Chevrollier A, Amati-Bonneau P, Bonneau D, Reynier P. Perspectives of drug-based neuroprotection targeting mitochondria. Rev Neurol (Paris). 2014 May;170(5):390-400.
  18. Rasool N, Lessell S, Cestari DM. Leber Hereditary Optic Neuropathy: Bringing the Lab to the Clinic. Semin Ophthalmol. 2016;31(1-2):107-16.
  19. Schaffer SW, Jong CJ, Ito T, Azuma J. Role of taurine in the pathologies of MELAS and MERRF. Amino Acids. 2014 Jan;46(1):47-56.
  20. Tranchant C, Anheim M. Movement disorders in mitochondrial diseases. Rev Neurol (Paris). 2016 Aug — Sep;172(8-9):524-529.
  21. Valero T. Mitochondrial biogenesis: pharmacological approaches. Curr Pharm Des. 2014;20(35):5507-9.
  22. Zhu CC, Traboulsi EI, Parikh S. Ophthalmological findings in 74 patients with mitochondrial disease. Ophthalmic Genet. 2017 Jan-Feb;38(1):67-69.