De klinisch-chemische diagnostiek van mitochondriële encephalomyopathieën

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

Mitochondriële encephalomyopathieën zijn ziekten veroorzaakt door structurele en/of functionele afwijkingen van de mitochondriën.
Classificatie vindt onder andere plaats op basis van het biochemisch defect.
Er bestaat een grote variabiliteit in klinische expressie en structurele en functionele mitochondriële 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 mitochondriële encephalomyopathieën wordt besproken.

Mitochondriën 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 mitochondriën.

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

Daar mitochondriën 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 geïsoleerd maar ook als deel van een "multisystem disorder" kan voorkomen.

Biochemisch worden mitochondriële myopathieën gekarakteriseerd door stoornissen in de mitochondriële energievoorziening. Deze stoornissen kunnen worden onderverdeeld in:

• Defecten in het transport over het mitochondriële membraan. Als voorbeeld zij genoemd deficiëntie van het carnitine  transportsysteem, waardoor langketen vetzuren intramitochondriëel niet geoxideerd kunnen worden, alsmede deficiënties van de adenine nucleotide translocator (ANT) en "voltage dependent anion channel" (VDAC) (3).
   
• Defecten in de mitochondriële substraatoxidatie. Als voorbeeld kan genoemd worden deficiëntie van één van de enzymen van het pyruvaat-dehydrogenase- complex, waardoor de oxidatie van pyruvaat gestoord is.
   
• Defecten in één of meer complexen van de mitochondriële 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:

Mitochondriën 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 poriën 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 mitochondriën 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 mitochondriële binnenmembraan, vormen gezamenlijk het OXFOS-systeem (Figuur 1).

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 mitochondriën 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 mitochondriële encephalomyopathieën omschreven wordt.

Bij verdenking op mitochondriële (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 mitochondriële 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 één of meer complexen van de mitochondriële ademhalingsketen. Bij een deficiëntie 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 vóórscreening 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 patiënten met pyruvaat dehydrogenase complex deficiëntie of een defect in de oxidatieve fosforylering.

n welke lichaamsvloeistof moet lactaat bepaald worden? Bloed lactaatgehalten kunnen sterk variëren bij een patiënt en reflecteren vaak de ernst van het ziektebeeld. Het lactaatgehalte in het bloed wordt beïnvloed door fysieke inspanning, voeding en stress. Het verdient de voorkeur om in het bloed lactaatgehalten meerdere malen vóór 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.

Patiënten (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 patiënten met noch lactaatverhoging in het bloed noch in de urine zijn bekend. Deze patiënten 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 patiënten met een enzymatisch bewezen defect in het pyruvaat dehydrogenase complex en/of in de complexen van de mitochondriële ademhalingsketen is als volgt: bij 25% van deze patiënten werd alleen het lactaatgehalte in het bloed gemeten. In 85% van deze patiënten was lactaat verhoogd. In 75% van de patiënten werd zowel het lactaatgehalte in het bloed als in de urine gemeten: 40% van deze patiënten vertoonden verhoogde gehalten in zowel bloed als urine, 10% alleen in het bloed, 20% van de patiënten alleen in de urine en 30% van de patiënten vertoonde noch in het bloed noch in de urine verhoogde lactaatgehalten.
Bij sommige patiënten met verhoogd lactaatgehalte in het bloed werden waarden waargenomen variërend van normaal tot duidelijk verhoogd, hetgeen eens te meer de noodzaak toont van herhaalde analysen. Lactaatgehalten in urine zijn leeftijdsafhankelijk (tabel 1) (5).

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 patiëntengroep bleek bij meer dan 90% van de patiënten verhoogd te zijn. Dit betekent dat de lactaatbepaling in liquor de meest betrouwbare diagnostische procedure vormt, met name bij patiënten 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 geassociëerd 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 patiënten 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 patiënten 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 patiënten is eveneens zinvol, aangezien soms een gegeneraliseerde aminoacidurie en/of verhoogde excretie van organische zuren wordt vastgesteld.
Ten aanzien van de metabole vóórscreening van verdachte patiënten kan derhalve gesteld worden dat bepaling van lactaat, pyruvaat en alanine in bloed en liquor (dit laatste uiteraard alleen bij patiënten met een encephalopathie) en van lactaat, aminozuren en organische zuren in urine een goede basis vormt voor selectie van patiënten waarbij nadere biochemische diagnostiek geïndiceerd is. Deze biochemische diagnostiek bestaat uit meting van de oxidatieve capaciteit van de mitochondriële ademhalingsketen en bepaling van de activiteit van enzymen van de ademhalingsketen.
 

In vivo functie testen:

Sommige patiënten, die op grond van klinische symptomen verdacht worden van een mitochondriële encephalomyopathie, vertonen geen of slechts geringe lactaatacidemie en/of lactaatacidurie.
Lactaatconcentraties in liquor zijn eveneens niet altijd duidelijk afwijkend. In deze patiënten 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 patiënten 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:

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, Gabreëls 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, Gabreëls 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.

Hoofdmenu