De klinisch-chemische diagnostiek van mitochondriŽle encephalomyopathieŽn

 

Ned Tijdschr Klin Chem 2000; 25: 27-30
 

L.P. van den HEUVEL, J.M.F. TRIJBELS, A.J.M. JANSSEN en J.A.M. SMEITINK

 

 

MitochondriŽle encephalomyopathieŽn zijn ziekten veroorzaakt door structurele en/of functionele afwijkingen van de mitochondriŽn.
Classificatie vindt onder andere plaats op basis van het biochemisch defect.
Er bestaat een grote variabiliteit in klinische expressie en structurele en functionele mitochondriŽle afwijkingen. Een nauwkeurige diagnose is noodzakelijk voor het verstrekken van behandelingsen erfelijkheidsadviezen.

De waarde van de bepaling van lactaat en van andere metabolieten voor de diagnostiek van mitochondriŽle encephalomyopathieŽn wordt besproken.

MitochondriŽn spelen als productie-eenheden van energie een zeer belangrijke rol bij het functioneren van cellen. De energie is nodig voor een uitgebreid scala van processen, zoals warmteproductie, synthese- en transportprocessen. In de spiercellen vereist de contractie veel energie. Deze energie wordt in de vorm van ATP via twee routes in de spiercel aangemaakt: via de glycolyse in het cytoplasma van de cel en via de oxydatieve fosforylering in de mitochondriŽn.

Gedurende de laatste decennia zijn veel patiŽnten beschreven met een stoornis in de mitochondriŽle energievoorziening van de cel (1,2). Deze defecten werden met name aangetoond bij patiŽnten lijdend aan een zogenaamde mitochondriŽle myopathie, een ziekte welke gedefinieerd wordt als spierziekte, gekarakteriseerd door structureel afwijkende mitochondriŽn en/of abnormaal functionerende mitochondriŽn.

Daar mitochondriŽn in alle lichaamscellen behalve erytrocyten voorkomen kan in principe ieder orgaan of weefsel zijn aangedaan. Frequent voorkomende klinische symptomen zijn: spierzwakte, inspanningsintolerantie, hypotonie, cardiomyopathie en aandoeningen van het centrale zenuwstelsel. Uit deze opsomming kan worden afgeleid dat de spierziekte geÔsoleerd maar ook als deel van een "multisystem disorder" kan voorkomen.

Biochemisch worden mitochondriŽle myopathieŽn gekarakteriseerd door stoornissen in de mitochondriŽle energievoorziening. Deze stoornissen kunnen worden onderverdeeld in:

  • Defecten in het transport over het mitochondriŽle membraan. Als voorbeeld zij genoemd deficiŽntie van het carnitine  transportsysteem, waardoor langketen vetzuren intramitochondriŽel niet geoxideerd kunnen worden, alsmede deficiŽnties van de adenine nucleotide translocator (ANT) en "voltage dependent anion channel" (VDAC) (3).
     
  • Defecten in de mitochondriŽle substraatoxidatie. Als voorbeeld kan genoemd worden deficiŽntie van ťťn van de enzymen van het pyruvaat-dehydrogenase- complex, waardoor de oxidatie van pyruvaat gestoord is.
     
  • Defecten in ťťn of meer complexen van de mitochondriŽle ademhalingsketen. Inmiddels zijn defecten in alle complexen beschreven.
     
  • Defecten gepaard gaande met een stoornis in de energieconservering. Het meest bekende voorbeeld in deze categorie is de "Luft disease", waarbij sprake is van losse koppeling van oxidatie en fosforylering (4).

 

De oxidatieve fosforylering:

 

MitochondriŽn zijn subcellulaire organellen die voorkomen in alle kernhoudende cellen. Ze bestaan uit een glad buitenmembraan, een intermembraan ruimte, een geplooid binnenmembraan en een matrix. Het buitenmembraan heeft poriŽn waardoor kleine moleculen vrij kunnen diffunderen. Het binnenmembraan is ondoorlaatbaar voor de meeste moleculen. Het bevat translocatoren voor transport van onder andere ionen en eiwitten.

Een belangrijke functie van mitochondriŽn is de oxidatieve fosforylering (OXFOS). Hieronder wordt verstaan de oxidatie van brandstoffen en de productie van energie in de vorm van adenosine-triphosphaat (ATP).
De elektronentransportketen (complex I-IV, coenzym Q en cytochroom c) en het ATP-synthase (complex V), gelegen in de dubbele lipidelaag van de mitochondriŽle binnenmembraan, vormen gezamenlijk het OXFOS-systeem (Figuur 1).

ATP synthese

Het via de citroenzuurcyclus gevormde NADH en FADH2 wordt gedehydrogeneerd via respectievelijkcomplex I en II van de elektronentransportketen tot NAD+ en FAD.

De hierbij vrijkomende elektronen worden via de diverse elektronentransportketen complexen en de beide elektronencarriers (coenzym Q en cytochroom c) getransporteerd en reduceren uiteindelijk zuurstof tot water.

Dit elektronentransport bevordert tevens de uitstoot van protonen uit de matrix door het binnenmembraan naar de intermembraanruimte. Deze protonen keren terug via complex V, bestaande uit een protonenkanaal en het ATP-synthase, het enzym dat de synthese van ATP uit adenosine-difosfaat (ADP) en anorganisch fosfaat (Pi) katalyseert(Figuur 2).

De ademhalingsketen complexen
 

Metabool onderzoek van lichaamsvloeistoffen:

De leeftijd waarop de eerste symptomen van OXFOS defecten duidelijk worden en het beloop van deze aandoeningen is buitengewoon heterogeen. Dit wordt ten dele verklaard door de verschillen in de genetische oorzaak. Daar mitochondriŽn in alle kernhoudende cellen voorkomen kan in principe ieder weefsel of orgaan zijn aangedaan. De meest frequent aangedane weefsels en organen zijn die welke een hoge energie-behoefte hebben zoals hersenen, hartspier en skeletspier. Vandaar dat deze groep van ziekten ook wel als mitochondriŽle encephalomyopathieŽn omschreven wordt.

Bij verdenking op mitochondriŽle (encephalo)myopathie moet in ieder geval gestart worden met uitgebreid klinisch-chemisch onderzoek van lichaamsvloeistoffen alvorens weefsel wordt onderzocht.

De meest relevante parameter hierbij vormt lactaat. Bij een storing in het OXFOS neemt zowel de cytosolische NADH/NAD+ - als mitochondriŽle NADH/NAD+ ratio toe. Aangezien het pyruvaat dehydrogenase complex feed-back remming ondervindt onder invloed van een verhoogde NADH/ NAD+ ratio, zal de concentratie van pyruvaat dientengevolge toenemen en tevens van lactaat dat in het cytosol uit pyruvaat wordt gevormd via lactaat dehydrogenase. Tevens kan de cytosolische lactaat/pyruvaat ratio toenemen. De theoretische verklaring kan uit onderstaande vergelijking worden afgeleid. De evenwichtsconstante (K) voor de omzetting van pyruvaat naar lactaat is: K = [Lactaat] [NAD+]/[Pyruvaat][NADH][H+] Daar de evenwichtsconstante (K) van deze reactie constant blijft, kan bij een stoornis in de OXFOS, waarbij de NADH/NAD+ ratio verhoogd is, de evenwichtsligging in de richting van lactaat verschoven worden. Hierdoor ontstaat een verhoogde ratio van lactaat/pyruvaat.

De lactaat/pyruvaat ratio is met name verhoogd bij ernstige stoornissen in ťťn of meer complexen van de mitochondriŽle ademhalingsketen. Bij een deficiŽntie van het pyruvaat dehydrogenase complex wordt een normale lactaat/pyruvaat ratio gevormd (normaalwaarde < 20).
Bepaling van de veelal gepropageerde ratio 3-hydroxybutyraat/ acetoacetaat heeft geen toegevoegde waarde in de klinisch-chemische vůůrscreening naast de lactaat/pyruvaat ratio.

Indien de lactaatconcentratie in plasma de nierdrempel (5-7 mM) overschrijdt, zal de lactaatconcentratie in de urine eveneens toenemen.
Biochemische screening procedures omvatten analysen van de volgende metabolieten in lichaamsvloeistoffen: L-lactaat (bloed, urine en eventueel liquor), aminozuren (serum, urine), vrij en totaal carnitine (bloed) en organische zuren (urine).

Indien het centrale zenuwstelsel klinisch betrokken is bij de pathologie, moet ook het lactaatgehalte in de liquor geanalyseerd worden.
L-lactaat is de meest informatieve metaboliet om te testen. Het kan verhoogd zijn in lichaamsvloeistoffen van patiŽnten met pyruvaat dehydrogenase complex deficiŽntie of een defect in de oxidatieve fosforylering.

n welke lichaamsvloeistof moet lactaat bepaald worden? Bloed lactaatgehalten kunnen sterk variŽren bij een patiŽnt en reflecteren vaak de ernst van het ziektebeeld. Het lactaatgehalte in het bloed wordt beÔnvloed door fysieke inspanning, voeding en stress. Het verdient de voorkeur om in het bloed lactaatgehalten meerdere malen vůůr en na de voeding te analyseren.

Ervaring van de eigen groep heeft aangetoond dat verzet tegen een vena punctie, met name bij kinderen, kan resulteren in een vijfvoudig verhoogd lactaatgehalte in het bloed. Om betrouwbare lactaatgehalten in het bloed te meten bij kinderen wordt geadviseerd een intraveneuze cannula in te brengen. Na 45 minuten bedrust kan het bloedmonster voor analyse afgenomen worden.

Het verdient aanbeveling de bepaling van lactaat zowel in bloed als urine (verzameld tussen 08.00 en 17.00 uur) te verrichten. Wanneer echte lactaatacidurie waargenomen wordt, moet ook lactaat in het bloed bepaald worden aangezien verhoogde excretie van lactaat in de urine ook veroorzaakt kan worden door een verminderde tubulaire reabsorptie.

PatiŽnten (waarbij uiteindelijk een mitochondriopathie is vastgesteld) met een lactaatacidurie en normale lactaatgehalten in het bloed zijn bekend.
Ook de omgekeerde situatie (dat wil zeggen normaal lactaatgehalte in urine ondanks lactaatacidemie) is beschreven.
Zelfs patiŽnten met noch lactaatverhoging in het bloed noch in de urine zijn bekend. Deze patiŽnten zijn dan gebiopteerd op klinische gronden alleen, hetgeen eens te meer duidt op het belang van een integraal onderzoek.
De ervaring van de eigen groep bij patiŽnten met een enzymatisch bewezen defect in het pyruvaat dehydrogenase complex en/of in de complexen van de mitochondriŽle ademhalingsketen is als volgt: bij 25% van deze patiŽnten werd alleen het lactaatgehalte in het bloed gemeten. In 85% van deze patiŽnten was lactaat verhoogd. In 75% van de patiŽnten werd zowel het lactaatgehalte in het bloed als in de urine gemeten: 40% van deze patiŽnten vertoonden verhoogde gehalten in zowel bloed als urine, 10% alleen in het bloed, 20% van de patiŽnten alleen in de urine en 30% van de patiŽnten vertoonde noch in het bloed noch in de urine verhoogde lactaatgehalten.
Bij sommige patiŽnten met verhoogd lactaatgehalte in het bloed werden waarden waargenomen variŽrend van normaal tot duidelijk verhoogd, hetgeen eens te meer de noodzaak toont van herhaalde analysen. Lactaatgehalten in urine zijn leeftijdsafhankelijk (tabel 1) (5).

lactaatgehalten

Lamers et al. (6) vonden echter geen leeftijdsafhankelijk effect voor bloed lactaatgehalten bij twee leeftijdsgroepen (3-5 jaar en 6-15 jaar) na 14 uur vasten.

De eerder genoemde data tonen duidelijk aan dat bepaling van bloed en/of urine lactaatgehalten geen volledig betrouwbare screeningsprocedure vormt. Echter de liquor lactaatconcentratie bij de bovenstaande patiŽntengroep bleek bij meer dan 90% van de patiŽnten verhoogd te zijn. Dit betekent dat de lactaatbepaling in liquor de meest betrouwbare diagnostische procedure vormt, met name bij patiŽnten met neurologische symptomen.

Gegevens over leeftijdsafhankelijkheid van lactaatgehalten in liquor zijn momenteel niet voorhanden. Veelal wordt gelijktijdig lactaat en pyruvaat gemeten, aangezien defecten in OXFOS vaak geassociŽerd zijn met verhoogde lactaat/ pyruvaat ratio in bloed en CSF.
Echter onze ervaring is dat een normale lactaat/pyruvaat ratio een stoornis in de electronentransportketen niet uitsluit.
Bepaling van alanine in bloed en liquor is eveneens aan te bevelen bij de screening van patiŽnten met een mitochondriopathie aangezien hyperalaninemie kan duiden op lactaatacidemie. Deze toename in het alaninegehalte in het bloed wordt veroorzaakt door transaminering van geaccumuleerd pyruvaat naar alanine. Echter patiŽnten met duidelijk verhoogd lactaat in het bloed kunnen normale alanine concentraties in het bloed vertonen.
Bepaling van aminozuren en organische zuren in urine van verdachte patiŽnten is eveneens zinvol, aangezien soms een gegeneraliseerde aminoacidurie en/of verhoogde excretie van organische zuren wordt vastgesteld.
Ten aanzien van de metabole vůůrscreening van verdachte patiŽnten kan derhalve gesteld worden dat bepaling van lactaat, pyruvaat en alanine in bloed en liquor (dit laatste uiteraard alleen bij patiŽnten met een encephalopathie) en van lactaat, aminozuren en organische zuren in urine een goede basis vormt voor selectie van patiŽnten waarbij nadere biochemische diagnostiek geÔndiceerd is. Deze biochemische diagnostiek bestaat uit meting van de oxidatieve capaciteit van de mitochondriŽle ademhalingsketen en bepaling van de activiteit van enzymen van de ademhalingsketen.
 

In vivo functie testen:

Sommige patiŽnten, die op grond van klinische symptomen verdacht worden van een mitochondriŽle encephalomyopathie, vertonen geen of slechts geringe lactaatacidemie en/of lactaatacidurie.
Lactaatconcentraties in liquor zijn eveneens niet altijd duidelijk afwijkend. In deze patiŽnten kan een in vivo functie test (met name de glucose tolerantie test) uitkomst bieden.

Het gebruik van de pyruvaat belastingstest (7) wordt ontraden gezien een bijna fatale afloop van deze diagnostische test in de eigen kliniek. De orale glucose tolerantie test wordt uitgevoerd volgens een vast protocol.
Normaal wordt geen of slechts een geringe stijging van het bloed lactaatgehalte waargenomen na belasting, terwijl bij patiŽnten met een defect in de pyruvaat oxidatie duidelijk een toename (tweemaal de uitgangswaarde!) wordt waargenomen.

Het dient echter benadrukt te worden dat een normale glucose tolerantie test een mitochondrieel defect niet geheel uitsluit.
 

Tenslotte:

Vele valkuilen kunnen leiden tot een vals-positieve of vals-negatieve diagnose bij mitochondriŽle myopathieŽn. Vaak moeten klinische, biochemische en morfologische aspecten in combinatie beoordeeld worden om diagnostische fouten te voorkomen.

Lactaat aanwezig in lichaamsvloeistoffen is de meest informatieve metaboliet om te testen bij verdenking op een mitochondriŽle myopathie. Bij voorkeur vindt de lactaatbepaling gelijktijdig plaats in bloed, urine en liquor.

In bloed en liquor wordt tevens pyruvaat bepaald, aangezien een verhoogde lactaat/pyruvaat ratio een extra indicatie vormt voor een defect in de ademhalingsketen. De lactaatbepaling in de liquor vormt de meest betrouwbare diagnostische procedure. Normale lactaatgehalten sluiten een mitochondriŽle myopathie echter niet uit.

Onderzoek noodzakelijk voor een juiste diagnose is complex en dient bij voorkeur plaats te vinden in een centrum met de benodigde expertise. Op basis van de klinische gegevens en van het klinisch-chemisch vůůronderzoek vindt aansluitend geavanceerde biochemische en moleculair genetische diagnostiek plaats, bij voorkeur in spierweefsel,  om een eventueel defect op enzym- en/of DNA niveau te localiseren.

Literatuur:

1. Shoffner JM. Maternal inheritance and the evaluation of oxidative phosphorylation diseases. Lancet 1996; 348: 1283-1288.

2. Smeitink J, Van den Heuvel L. Human complex I in health and disease. Am J Hum Genet 1999; 64: 1501-1510.

3. Huizing M, Ruitenbeek W, Thinnes FP, DePinto V, Wendel U, Trijbels FJM, Smit LME, Ter Laak HJ, Van den Heuvel LP. Deficiency of the Voltage-Dependent Anion Channel: A novel cause of mitochondriocytopathy. Pediatr Res 1996;39: 760-765.

4. Luft R, Ikkos D, Palmieri G, Ernster L, Afzelius B. A case of severe hypermetabolism of nonthyroid origin with a defect in the maintenance of mitochondrial respiratory control: correlated clinical, biochemical, and morphological study. J Clin Invest 1962; 41: 1776-1780.

5. Trijbels JMF, Scholte HR, Ruitenbeek W, Sengers RCA, Janssen AJM, Busch HFM. Problems with the biochemical diagnosis in mitochondrial (encephalo-)myopathies. Eur J Pediatr 1993; 152: 178-184.

6. Lamers KJB, Doesburg WH, GabreŽls FJM, Lemmens WAJG, Romsom AC, Wevers RA, Reinier WO. The concentration of blood components related to fuel metabolism during prolonged fasting in children. Clin Chim Acta 1985; 152: 155-163.

7. Erven PMM, GabreŽls FJM, Wevers RA, Doesburg WH, Ruitenbeek W, Reinier WO, Lamers KJB. Intravenous pyruvate loading test in Leigh syndrome. J Neurol Sci 1987; 77: 217-227.


Laboratorium voor Kindergeneeskunde & Neurologie, Centrum voor MitochondriŽle Ziekten, Academisch Ziekenhuis Nijmegen


Correspondentie: Dr. L.P. van den Heuvel, Laboratorium Kindergeneeskunde & Neurologie (424), Academisch Ziekenhuis Nijmegen, Postbus 9101, 6500 HB Nijmegen.



Terug naar hoofdmenu Hoofdmenu

 


 

Anti-Spam Knop. Schrijf het e-mail adres op, voordat u op de knop drukt