线粒体心肌病：始于基因 重在筛检

韩玲教授	机构： 首都医科大学附属北京安贞医院小儿心内科 介绍： 职称：主任医师；教学职称：教授。从事儿科工作三十余年，1988-1991美国匹兹堡大学医学院附属儿童医院专修小儿心血管专业。专长：先天性心脏病诊断治疗、心脏移植、心肌病、心肌炎。

▲ 首都医科大学附属北京安贞医院小儿心内科 韩玲

线粒体心肌病是一组与线粒体DNA（mtDNA）突变相关的心肌病。随着15年人类基因组计划完成及后基因组时代的开始，极大促进了医学遗传学、分子生物学、微细胞遗传学的进展以及临床特殊检查技术的发展，使心血管病诊治从临床水平进入代谢水平、酶水平乃至基因水平。由于人类mtDNA 分子小、结构简单，使线粒体病、线粒体心肌病的临床研究与分子生物学、分子遗传学研究相对更为深入、广泛和确切。2006年美国心脏学会及2007 年欧洲心脏病学学会的心肌病分类均将线粒体心肌病归类为原发性心肌病中的遗传性心肌病。

线粒体病发病机制多归因于基因突变

线粒体分布于细胞质中，直径一般为0.5~1.0 μm， 大多呈线状，长短不一，一般为1.5~3 μm。线粒体由两层膜包被，外膜光滑，内膜向内折叠成嵴，两层膜间有腔，中央是基质。不同结构部位含有不同的酶类，尤以内膜的氧化磷酸化系统的酶类和呼吸链最为重要，所有酶类均参与线粒体氧化磷酸化、产生三磷酸腺苷能量的过程。因此线粒体是细胞有氧呼吸的基地和产生能量的场所，俗称“细胞的发电厂”，是细胞功能的能量来源。虽然线粒体病目前局限于氧化磷酸化功能缺陷，但现在概念中的线粒体病是一组相当复杂的遗传性疾病。因此，认识线粒体心肌病必须理解线粒体病的临床和发病机制。

1963 年，Nass 在鸡卵母细胞中首次发现线粒体内存在DNA，同年Schatz 成功分离出完整的线粒体DNA。线粒体是人类目前发现的唯一一个细胞核染色体外携带遗传DNA 的细胞器。在有性生殖中，因卵母细胞携带大量线粒体，而精子携带量少且所带线粒体难以进入受精卵，导致线粒体病的遗传方式是不同于孟德尔遗传规律的母系遗传。

通常狭义地将mtDNA 突变所致的线粒体异常称为线粒体病。实际上，编码线粒体蛋白的核DNA 突变也可引起线粒体病，此类疾病表现为孟德尔遗传方式，约占线粒体病的5%。目前还发现一类线粒体病，它可能涉及mtDNA 与核DNA的共同变异。

mtDNA 突变与线粒体病多重相关

mtDNA 具高突变率 人类mtDNA 序列全长16 509 碱基对，内含37 个基因，其中13个多肽编码基因，22 个tRNA基因和2 个rRNA 基因。由于mtDNA 呈裸露状态，没有组蛋白保护，易受到损害，又缺乏有效的修复系统， 因此mtDNA 突变的概率是核DNA突变的10~20 倍，突变率极高。但是由于细胞内线粒体的异质性，即细胞内的线粒体大多不是纯突变型，而是既有野生型（正常线粒体）又有突变型；野生型线粒体对突变型有保护作用；mtDNA 存在纯化效应，因此并非mtDNA 突变即产生严重后果。

线粒体病临床表达存在阈值效应 线粒体病与细胞内突变型和正常型（野生型）线粒体的比例相关，即阈值性。一般出现相应病理改变时，突变mtDNA 的阈值大于70%。但是不同mtDNA 突变的阈值大小不同，如tRNA 基因点突变的阈值为90%， 而mtDNA 大片段缺失的阈值为60%；有些突变表型要求100% 突变率，但有些100% 突变率也未出现表型。阈值是一个相对概念，易受突变类型、组织类型等影响，个体差异很大。不同组织器官对能量的依赖程度不同，依赖程度较高的组织比其他组织更易受氧化磷酸化损伤的影响，较低比例的突变型mtDNA 就可能引起临床症状。

异质性增加诊断难度 线粒体的结构和功能非常复杂，因此线粒体病表现出“异质性”，即同一种临床征象，线粒体的生化分析及生物学分析结果可能不尽相同。一种mtDNA 变异可有不同临床表现，而不同的mtDNA 变异又可能表现相同的临床症状，且大多以综合征出现，造成临床诊断及研究的困境。

研究明确mtDNA 突变致病作用 线粒体病诊断及研究始于1959 年Luft 对1 例线粒体肌病的研究，1962 年报道后引发广泛的线粒体病临床研究及基础研究。临床研究涉及中枢神经系统、骨骼系统、心脏、肝脏、肾脏、内分泌腺，甚至认知障碍、帕金森病等退行性疾病。1981 年，Anderson等完成人类mtDNA 序列测定工作，从此人类开始不断深入探索自身mtDNA与疾病的关系。直到1987 年Wallace 等报道mtDNA 突变和Leber 病关系后，才明确提出mtDNA 突变可引起人类疾病。经过20 多年研究，迄今已确认100 种以上mtDNA致病点突变和200 多种缺失、插入及重排与线粒体病关联。

线粒体心肌病诸多难题亟待攻克

线粒体病患者多存在心肌病且预后较差

1977年，Peter等对扩张型心肌病心肌活检组织的病理研究发现了线粒体的功能缺陷，并提出线粒体异常可导致心肌病。多项研究报道，15%~40%线粒体病儿童存在心肌病。几乎所有线粒体肌病的报道都显示病程中有心肌病表现，且大多为肥厚型心肌病； 因突变mtDNA 随年龄增长在细胞中逐渐积累，线粒体病常表现为与年龄相关的渐进性加重。此外，有报道约50% 儿童线粒体心肌病发展为心衰，约70% 死于30岁之前。Holmgren 等报道的101 例线粒体病（1984-1999 年）中，17 例（17%）发现心肌病，发现时间自出生至27 岁；生化检测显示7 例存在细胞色素C缺陷，7 例存在呼吸链复合酶缺陷，3 例未做检测；9 例发展为心衰，8 例心律失常或心脏传导异常；心肌病组死亡11 例（71%），明显高于无心肌病组的死亡率（26%，P ﹤ 0.001）。提示心肌病变常是线粒体病的死亡原因。

线粒体心肌病主要由mtDNA 突变所致

目前认为线粒体心肌病主要由mtDNA 突变所致，主要包括：（1）线粒体tRNA 基因点突变；（2）线粒体结构基因突变；（3）mtDNA 片段缺失和耗竭。

线粒体tRNA 基因突变多伴有心肌病变或心律失常。如tRNAleu（UUR） 基因A3243G 点突变的MELAS 综合征患者中20%~38% 伴心肌病，主要是肥厚型心肌病；tRNAleu（CUN）基因突变可表现心内膜弹力纤维增生症、扩张型心肌病；tRNALYS基因突变者中10%~22% 有心肌病表现，主要是肥厚型心肌病、心功能不全、心律失常；12SrRNA 基因点突变有限制性心肌病的报道。线粒体结构基因突变报道以肥厚型心肌病多见。mtDNA 片段缺失和耗竭是心肌病的原发因素，还是心肌病心功能不全和代谢改变导致的继发性细胞线粒体异常，至今尚无定论。孟德尔遗传方式的mtDNA 缺损报道约37%伴心脏异常。此外， 有报道mtDNA 基因突变可导致心室心肌致密化不全性心肌病，一项关于儿童线粒体功能障碍的研究中，心室心肌致密化不全性心肌病的发生率为13%。

虽然至今mtDNA 突变引致心肌病的机制知之甚少。但是已有一些研究提示：mtDNA 突变可增加心肌对应激状态的敏感性，直接引起扩张型心肌病；线粒体损伤影响细胞的pH 值，直接或间接影响心肌细胞功能；心脏调控细胞内钙离子储备已被证明可影响线粒体内脱氢酶及心肌收缩力等。也有敲除小鼠ANT-1 基因而形成线粒体缺陷的成功动物模型，主要表现为骨骼肌、心肌内线粒体增生，氧化磷酸化功能缺失及自由基增多，心肌形态表现为肥厚。但是人类线粒体心肌病试验研究对深入理解其发病机制尚差之甚远。

原发性线粒体心肌病颇具临床研究价值

根据2006 年美国心脏学会的心肌病分类和定义，原发性心肌病指病变局限心肌或主要累及心肌；继发性指心肌病变是全身系统疾病的一部分，常有明确病因；线粒体心肌病可以是原发性亦可以是继发性。以上文献报道中，线粒体心肌病单独存在较少，大多同时存在心血管外其他系统的临床症状，如脑、肝脏等。但笔者团队对婴儿、儿童及青少年病例的观察发现，10 例肥厚型心肌病中5 例至少存在1 种外周血白细胞线粒体呼吸链酶缺陷；30 例左心室心肌致密化不全病例（表现为心脏扩大、心律失常）中，9 例至少存在1 种外周血白细胞线粒体呼吸链酶缺陷；其中部分病例接受基因检测，结果呈现家族高发现象。由此提示原发性心肌病的线粒体异常值得临床深入研究。

除了对线粒体脑病、线粒体肌病、线粒体脑肌病等患者密切监测心脏异常（如心肌异常、心功能不全、心律失常），还应提倡对原发性心肌病进行遗传代谢学，尤其是线粒体功能异常筛查，甚至基因检测。近代诊疗技术的发展，如外周血白细胞线粒体呼吸链复合物活性检测、线粒体功能异常筛查、外周血遗传代谢病筛查等为临床提供了无创、简单、安全的检测方法。

临床尚缺乏明确诊治手段

线粒体病的临床研究是近十余年的热点，但是以往检测手段有限，线粒体病诊断仍主要依据临床症状、实验室检查、肌肉活检病理、心肌活检病理及基因学检测。由于组织活检是有创检查，而基因检测可采用外周血细胞，因此以往将基因检测置于组织病理之前。但是受各种因素影响，有基因突变不一定有临床病变，所以造成线粒体病、线粒体心肌病等的临床诊断困难。从发病机制来讲，应是基因变异导致蛋白组学改变，从而引起临床症状，所以临床诊断思路应是依据患者临床症状，首先检测蛋白组学异常，然后再检测突变基因。笔者团队目前采用外周血线粒体功能和线粒体呼吸链复合酶活性检测方法对北京安贞医院小儿心内科的心肌病患儿进行检测，虽然不能确诊线粒体心肌病，但对心肌病的进一步诊断方向，如基因检测和治疗有确切临床价值。

线粒体心肌病与线粒体病一样尚无根治手段，目前治疗主要包括三个方面：（1）对日常生活给出相应指导，如健康饮食、避免过劳、避免感染等；（2）临床症状治疗，如针对各种心肌病、慢性心功能不全、心律失常的治疗；（3）根据线粒体病主要是细胞氧化磷酸化缺陷、能量产生不足，大剂量补充辅酶Q10、左卡尼丁、磷酸肌酸、各种维生素，临床经验证明有益。需要强调，线粒体心肌病治疗也须注重个体化，应在医生指导下进行。

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