Влияние дисфункции митохондрий на клинические проявления наследственных миопатий

Влияние дисфункции митохондрий на клинические проявления наследственных миопатий

Д.А. Харламов, В.С. Сухоруков

Московский НИИ педиатрии и детской хирургии

Impact of mitochondrial dysfunction on the clinical manifestations of inherited myopathies

D.A. Kharlamov, V.S. Sukhorukov

Moscow Research Institute of Pediatrics and Pediatric Surgery

Проанализированы клинические и лабораторные признаки нервно-мышечных заболеваний у 997 больных с митохондриаль-ными миопатиями и энцефаломиопатиями (я=317), с врожденными структурными миопатиями (я=152), прогрессирующими (я=182) и врожденными мышечными дистрофиями (я=128). Оценка митохондриальных функций проводилась с помощью биохимических и морфологических (включая электронную микроскопию) методов. Среди немитохондриальных заболеваний различные митохондриальные нарушения были отмечены при врожденных миопатиях в 52% случаев, при врожденных мышечных дистрофиях — в 27%, при прогрессирующих мышечных дистрофиях — в 39%. Анализ клинической картины у больных с митохондриальными миопатиями по сравнению с другими миопатиями выявил следующие основные особенности: частую полиорганность поражения, волнообразность течения, превалирование утомляемости над снижением мышечной силы, относительно мягкое течение миопатического синдрома, положительную реакцию на энерготропную терапию. В то же время сопутствующие митохондриальные нарушения накладывают отпечаток на течение немитохондриальных ми-опатий, часто имея компенсирующий характер. Показано, что, решая вопрос о назначении энерготропных препаратов при нервно-мышечных заболеваниях, необходимо учитывать клинические (волнообразность течения, возраст, поражение ЦНС) и лабораторные показатели (уровень лактата, соотношение концентраций общего и свободного карнитина в крови, количество «рваных красных волокон» в мышце, а также ультраструктурные изменения митохондрий). Сделан вывод о том, что исследования в области митохондриальных механизмов заболеваний мышц могут привести к более глубокому пониманию патогенеза и к развитию новых направлений в лечении этих тяжелых состояний.

Ключевые слова: дети, миопатия, митохондрия, мышечная дистрофия, врожденная структурная миопатия, пролиферация митохондрий.

Clinical and laboratory signs were analyzed in 997 patients of neuromuscular diseases, including mitochondrial myopathies and encephalomyopathies (я=317), congenital structural myopathies (я=152), and progressive (я=182) and congenital (я=128) muscular dystrophies. Mitochondrial functions were evaluated by biochemical and morphological (including electron microscopy) studies. Among the non-mitochondrial diseases, there were different mitochondrial disorders with congenital myopathies in 52% of cases, with congenital muscular dystrophies in 27%, and with progressive muscular dystrophies in 39%. Analysis of the clinical picture in the patients with mitochondrial myopathies versus other myopathies revealed the following main features: frequent multiorgan lesions; an undulating course, a prevalence of fatigability over decreased muscle strength, a relatively mild course of myopathic syndrome, and a positive response to energy-rich therapy. At the same time, concomitant mitochondrial disorders left traces on the course of non-mitochondrial myopathies frequently of compensatory character. It has been shown that while deciding whether energy-rich drugs are used to treat neuromuscular diseases, it is necessary to keep in mind the clinical (course undulation, age, and central nervous system lesion) and laboratory (lactate level, blood total/free carnitine concentration ratio, the number of ragged red libers in the muscle, and mitochondrial ultrastructural changes) parameters. It is concluded that researches into the mitochondrial mechanisms of muscle diseases may provide a more penetrating insight into the pathogenesis of these severe conditions and lead to the development of new areas in their treatment.

Key words: children, myopathy, mitochondrion, muscular dystrophy, congenital structural myopathy, mitochondrial proliferation.

В последнее десятилетие возрос интерес к изучению наследственных нервно-мышечных заболеваний. Это связано с прогрессом в молекулярной диагностике, появлением новых методов генетиче-

© Д.А. Харламов, В.С. Сухоруков, 2013 Ros Vestn PerinatolPediat 2013; 4:78-82

Адрес для корреспонденции: Харламов Дмитрий Алексеевич — к.м.н., в.н.с. отделения психоневрологии и эпилептологии, рук. детского научно-практического центра нервно-мышечной патологии МНИИ педиатрии и деткой хирургии

Сухоруков Владимир Сергеевич — д.м.н., проф., зав. научно-исследовательской лабораторией общей патологии 125412 Москва, ул. Талдомская, д. 2

ской терапии, показавшей свою эффективность преимущественно в экспериментальных исследованиях, но уже имеющую и практическое применение в клинике. Однако остаются малоисследованными патогенетические механизмы развития этих болезней, а также компенсаторные возможности организма в предотвращении или смягчении их течения. С момента открытия митохондриальных заболеваний [1] стало очевидным, что дисфункции митохондрий играют важную роль в развитии патологических изменений многих органов и, в частности, скелетных мышц. Так как число митохондриальных болезней сейчас

уже значительно превышает количество первых классических митохондриальных синдромов (MERRF, MELAS, Кернса — Сейра и др.), становится все более актуальным определение общих черт клинического течения этих миопатий. В то же время расширенное применение методов оценки митохондриальной дисфункции в миологической практике привело к пониманию того, что многие другие нервно-мышечные заболевания могут сопровождаться «вторичными» изменениями со стороны митохондрий.

Так, более сорока лет назад были описаны пара-кристаллические изменения в митохондриях при врожденной мегакониальной миопатии [2]. В статье A. Afifi и соавт. [3], посвященной возможности определения носительства мутантного гена болезни Дю-шенна посредством электронной микроскопии, авторы описывают нарушения митохондрий, выявленные при исследовании материалов мышечной биопсии у матерей больных мальчиков. Свидетельством универсальности роли митохондрий в патогенезе различных заболеваний мышц является исследование, проведенное J. Müller-Höcker и соавт. [4]. При гистохимическом исследовании мышечных биопсий авторы установили, что нарушение окислительного фосфорилирования в митохондриях при различных миопатиях связано с пролиферацией митохондрий.

В отечественной литературе также уделено внимание исследованию нарушений митохондрий, сопровождающих как митохондриальные миопатии, так и врожденные структурные миопатии и врожденные мышечные дистрофии [5, 6]. Особенностью работ российских исследователей являлась задача сопоставить морфологические и биохимические лабораторные данные с показателями клинической картины заболеваний.

Целью настоящего исследования являлось определение общих клинических характеристик митохон-дриальных миопатий и специфических клинических особенностей, накладываемых митохондриальными изменениями на проявления миопатий другой природы.

характеристика детей и методы

исследования

Проанализированы клинические и лабораторные признаки нервно-мышечных заболеваний у больных, прошедших за последние годы лечение в клинике нашего института. Общее число обследованных больных 997. Из них с митохондриальными миопатиями и митохондриальными энцефаломиопатиями было 317 (32%), с врожденными структурными миопатиями — 152 (20%), с врожденными мышечными дистрофиями — 128 (17%) и с прогрессирующими мышечными дистрофиями — 182 (24%).

Клинические методы исследования включали:

сбор анамнестических сведений о течении беременности и состоянии ребенка в периоде новорожден-ности, оценку раннего психомоторного развития, анализ становления психомоторных навыков, сроков формирования задержки и/или регресса моторного развития; характеристику течения основного заболевания (возраст дебюта, длительность, наличие сопутствующих заболеваний). Оценка неврологического статуса включала: анализ темпов психомоторного и речевого развития, определение наличия двигательных расстройств, координаторных нарушений и нарушений чувствительности, анализ состояния мышечного тонуса, рефлексов; оценку по шкалам моторного развития ^кой, Vignos).

Биохимические методы включали определение уровня молочной и пировиноградной кислот, а также креатинфосфокиназы, лактатдегидрогеназы, транс-аминаз, глюкозы крови.

Морфологическое исследование биоптатов скелетных мышц проводилось с помощью следующих методов: окраска нефиксированных замороженных и парафиновых срезов гематоксилином и эозином, фосфорно-вольфрамовой кислотой и гематоксилином; окраски по методам Гомори — Энгела, Маллори, Ван Гизона; выявление гликогена, гликозаминглика-нов, кальция, липидов, активности сукцинатдегидро-геназы и цитохромоксидазы. Для дифференциальной диагностики мышечных дистрофий применялись им-муногистохимические методы с определением наличия белков дистрофина, саркогликанов, дисферлина, коллагена VI типа, ламинина а2, эмерина, десмина, миозина, актина, кавеолина. Для ультраструктурного анализа образцы ткани фиксировали в растворах глу-тарового альдегида и четырехокиси осмия, с последующей заливкой в эпонаралдитовую смесь смол, контрастированием уранилацетатом и цитратом свинца и изучением в электронном микроскопе ЭМ 125 и ЕМ-109 ^ео1).

Отдельно с помощью корреляционного анализа были исследованы клинические и лабораторные показатели наиболее полно обследованных 100 пациентов со следующими диагнозами: врожденные структурные миопатии (п=38), прогрессирующие мышечные дистрофии (п=25), митохондриальные миопатии (п=21), врожденные мышечные дистрофии (п=16).

результаты и обсуждение

Анализ клинической картины у больных с митохондриальными миопатиями по сравнению с другими миопатиями выявил следующие основные особенности:

1) частую полиорганность поражения;

2) относительную волнообразность течения, зависимость ухудшения состояния от соматических заболеваний (в основном респираторных инфекций);

3) превалирование утомляемости над снижением мышечной силы;

4) относительно более мягкое течение миопатиче-ского синдрома;

5) относительно более выраженную реакцию на энерготропную терапию.

Среди больных с заболеваниями, этиологически не связанными с первичными митохондриальными дефектами, митохондриальные изменения отмечались: при врожденных миопатиях у 52% пациентов, при врожденных мышечных дистрофиях — у 27% и при прогрессирующих мышечных дистрофиях — у 39%. В первую очередь эти изменения были связаны с увеличением количества митохондрий. Корреляционный анализ убедительно показал, что сопутствующие митохондриальные нарушения накладывают свой отпечаток на течение «немитохондриальных» миопатий. При этом были выявлены следующие закономерности:

1. Размеры субсарколеммальных митохондри-альных скоплений отрицательно коррелировали со степенью прогрессирования и тяжести заболевания. Таким образом, подтверждается предположение о компенсаторном характере пролиферации митохондрий при немитохондриальных миопатиях.

2. При митохондриальных миопатиях приведенные выше показатели морфологических изменений, наоборот, имеют прямую корреляцию с выраженностью основных клинических проявлений миопатий, с частотой поражения нервной системы и соматических органов. Кроме этого, прямую корреляцию с прогрессированием и тяжестью заболевания имеют показатели уровня молочной кислоты. С нашей точки зрения, это указывает на то, что при митохондри-альных заболеваниях именно митохондриальная дисфункция является причиной миопатии и определяет выраженность клинической симптоматики. В то же время при митохондриальных миопатиях количество «рваных красных волокон» (параметр, напрямую связанный с абсолютным количеством митохондрий) относительно компенсирует снижение мышечной силы, что и в этих случаях не позволяет полностью исключать компенсаторный характер митохондри-альной пролиферации.

3. Частота поражения соматических органов и центральной нервной системы при «немитохон-дриальных» миопатиях отрицательно коррелирует с количеством митохондрий в мышцах, что подтверждает гипотезу о компенсаторном характере реакции со стороны митохондриона.

4. Выраженность волнообразного течения заболевания соответствует выраженности изменения активности митохондриальных феноменов как при ми-тохондриальных, так и при «немитохондриальных» миопатиях, что указывает на ее «митохондриальную» природу.

5. При анализе связи лабораторных показателей с параметрами оценки мышечной силы и мышечной утомляемости при «немитохондриальных» миопатиях выявлено следующее: повышение уровня свободного карнитина, внутримышечного количества гликогена, липидов и кальция является компенсаторно значимым изменением, а нарушение ультраструктуры митохондрий в данной группе свидетельствует о срыве компенсации.

6. При анализе ответа на энерготропную терапию выявлено, что при «немитохондриальных» миопати-ях выраженность ультраструктурных изменений митохондрий прямо коррелирует с положительным эффектом лечения (коэффициент корреляции +0,52).

На основании полученных данных сделан вывод, что митохондриальные процессы вносят свой вклад в патогенез «немитохондриальных» миопатий. Изменения, происходящие в митохондриях при митохонд-риальных миопатиях, играют роль основных патогенетических факторов, а при «немитохондриальных» миопатиях преимущественно имеют компенсирующий характер.

Оценка эффективности терапии при миопатиях очень сложна, так как вылечить пациента до настоящего времени невозможно. К тому же, несмотря на наличие различных объективных методов оценки моторных функций у детей, часто определяющими являются субъективные факторы. Однако мы провели попытку оценить зависимость эффективности проводимой нами энерготропной терапии от выраженности митохондриальных дисфункций. Всем детям назначалась комплексная энерготропная терапия, включавшая левокарнитин, коэнзим Q ци-тохром C, витамины группы B. Основы данной схемы оформлены патентом Российской Федерации [7]. Клиническая оценка эффективности терапии сопоставлялась с результатами клинических и лабораторных исследований, осуществленных до начала этой терапии. Данные обрабатывались с помощью корреляционного анализа.

Анализ общей группы больных показал, что эффективность энерготропной терапии достоверно выше у больных с волнообразным течением заболевания, а также с выявленными ультраструктурными изменениями митохондрий мышц. Анализ отдельных групп обследованных больных показал, что при структурных миопатиях эта эффективность была также связана положительной корреляцией с волнообразным течением, ультраструктурными нарушениями митохондрий и наличием сопутствующих нарушений ЦНС, а кроме того, обратно коррелировала с уровнем лактата в крови через 1 ч после пищевой нагрузки.

При врожденных миодистрофиях предикторами эффективности энерготропной терапии были в основном лабораторные показатели: уровень лакта-

та в крови натощак, коэффициент общий/свободный карнитин, степень снижения уровня пирувата через 3 ч после пищевой нагрузки. У детей с прогрессирующими мышечными дистрофиями эффективность была связана обратной зависимостью с возрастом детей и с лабораторными показателями: уровнем лактата через 3 ч после нагрузки и коэффициентом общий/свободный карнитин. У детей с митохондри-альными миопатиями эффективность лечения была в первую очередь связана с волнообразным течением заболевания, а также была обратно пропорциональна количеству «рваных красных волокон» в мышце.

Таким образом, при решении вопроса о назначении энерготропных препаратов при различных нервно-мышечных заболеваниях должны учитываться клинические (волнообразность течения, возраст больного, поражение ЦНС) и лабораторные показатели (уровень лактата натощак и после пищевой нагрузки, соотношение концентраций общего и свободного карнитина в крови, количество «рваных красных волокон» в мышце, а также ультраструктурные изменения митохондрий).

В плане обсуждения изучаемой проблемы обратимся к двум продолжающимся исследованиям в ведущих научных учреждениях мира — Падуанском университете и Лондонском нервно-мышечном центре под руководством V. Dubowitz. При изучении заболеваний, связанных с мутацией гена коллагена VI типа (COL6A1-A3), среди которых лучше всего описаны миопатия Бетлема и врожденная мышечная дистрофия Ульриха, было показано, что их патогенез связан с неадекватным открыванием переходной поры канала внутренней мембраны митохондрий [8]. Это нарушение приводит к повышению уровня спонтанного апоптоза, ультраструктурным повреждениям митохондрий и саркоплазматического ретикулума и латентной, т. е. скрытой, митохондриальной дисфункции в скелетных мышцах. Таким образом, нарушения в работе митохондрий ведут не только к дефициту клеточной энергии, но и к более глубоким патологическим последствиям. Эти данные помогли решить вопрос о лечении заболеваний. Применение иммуносупрессора циклоспорина А, нормализующего внутреннюю мембрану митохондрий, показало, что этот препарат потенциально эффективен при лечении указанных заболеваний. В настоящее время проводится исследование сходного препарата

(Дебио 025), который не имеет выраженного иммуно-супрессивного эффекта.

Последние экспериментальные исследования показали, что митохондриальная дисфункция также представлена у мышей с моделью мышечной дистрофии Дюшенна и при врожденной мышечной дистрофии с дефицитом мерозина [9]. Также она имела место в изолированных мышечных клетках пациентов с конечностно-поясной мышечной дистрофией 2В (дисферлинопатия), а, следовательно, нужно ожидать подобные изменения при дистальной миопатии Ми-оши [8]. Таким образом, исследования возможностей воздействия на митохондрии при мышечных дистрофиях ведут к открытию новых путей в лечении и этих заболеваний.

Интересное исследование проводится в отношении «стержневых» миопатий [10]. Стержневые миопатии — группа наследственных заболеваний, возникающих, в частности, вследствие мутаций гена рианодинового рецептора и выражающихся врожденной мышечной слабостью. Рианодиновый рецептор регулирует высвобождение кальция из сар-коплазматического ретикулума для осуществления сокращения мышц. Гистопатологический признак заболевания — присутствие внутри мышечного волокна «стержня», или области, лишенной митохондрий. Причина мышечной слабости при стержневой миопатии неизвестна, так как наличие стержней не коррелирует с клинической тяжестью заболевания. При измерении электрического потенциала ми-тохондриальной мембраны у этих пациентов было обнаружено, что он значительно снижен в сравнении с контролем. В то же время было обнаружено увеличение копий митохондриальной ДНК при болезни центрального стержня. Авторы предположили, что при этом заболевании имеет место стимуляция митохондриального биогенеза, компенсирующая функциональный дефицит. Данное исследование подтверждает и нашу гипотезу о компенсаторной функции митохондрий при немитохондриальных врожденных миопатиях.

Мы можем заключить, что исследования в области митохондриальных механизмов развития заболеваний мышц могут привести к более глубокому пониманию патогенеза многих форм нервно-мышечной патологии, а затем и к развитию новых направлений в лечении этих тяжелых состояний.

ЛИТЕРАТУРА

1. Luft R., Ikkos D., Palmieri G. et al. A case of severe hypermetabolism of nonthyroid origin with a defect in the maintenance of mitochondrial respiratory control: A correlated clinical, biochemical, and morphological study. J Clin Invest 1962; 41: 1776-1804.

2. Shy G.M., Gonatas N.K., Perez M. Two childhood myopathies with abnormal mitochondria. I. Megaconial myopathy. II. Pleoconial myopathy. Brain 1966; 89: 1: 133-158.

3. Afifi A.K., Bergman R..A., Zellweger H. A possible role for electron microscopy in detection of carries of Duchenne type muscular dystrophy. J Neurol Neurosurg Psychiatr 1973; 36: 643-650.

4. Müller-Höcker J., Pongratz D., Hübner G. Activation of mitochondrial ATPase as evidence of loosely coupled oxidative phosphorylation in various skeletal muscle disorders. A his-tochemical fine-structural study. J Neurol Sci 1986; 74: 2-3: 199-213.

5. Сухоруков В.С. Очерки митохондриальной патологии. М: Медпрактика-М 2011; 288.

6. Влодавец Д.В. Клиническое значение митохондриальных изменений, обоснование применения энерготроп-ной терапии и оценка ее эффективности при врожден-

ных миопатиях у детей: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. М 2009; 27.

7. Влодавец Д.В., Белоусова Е.Д., Сухоруков В.С. и др. Способ лечения врожденных структурных миопатий и врожденных мышечных дистрофий путем коррекции вторичных митохондриальных нарушений. Патент РФ № 2400221, 2010.

8. Palma E, Angelin A., Tiepolo T. et al. Role of mitochondria in the pathogenesis of muscular dystrophies. Neuromuscular Disorders 2009; 19: 8: 630.

9. Percival J.M., Siegel M.R., Knowels G. et al. Defects in mitochondrial localization and ATP synthesis in the mdx mouse model of Duchenne muscular dystrophy are not alleviated by PDE5 inhibition. Hum Mol Genet 2013; 22: 1: 153—167.

10. Munteanu I., Yasukawa T, Duchen M.R. Uncovering the role of mitochondria in the pathogenesis of core myopathies. Neuromuscular Disorders 2010; 20: Suppl. 1: 24.

Поступила 15.05.12