CC BY
536
Митохондриальная медицина — проблемы и задачи
А.Д. Царегородцев, В.С. Сухоруков
Московский НИИ педиатрии и детской хирургии
Mitochondrial medicine: Problems and tasks
A.D. Tsaregorodtsev, V.S. Sukhorukov
Moscow Research Institute of Pediatrics and Pediatric Surgery
Рассмотрены наиболее актуальные проблемы митохондриальной медицины. Показано, что в своих различных аспектах она пронизывает все большее пространство традиционной патологии, изменяя представление о «классических» заболеваниях, таких как сахарный диабет, шизофрения, сердечная недостаточность и многие другие. Ядро данного направления составили заболевания, обусловленные первичными повреждениями митохондрий, число клинических фенотипов при этом превышает 80, а количество этиологически значимых мутаций приближается к тремстам. Еще шире круг патологических состояний, при которых нарушения митохондрий называют «вторичными». Наконец, большое число патологических состояний связано с экзогенными, в том числе ятрогенными повреждениями митохондрий. Подчеркивается важность изучения индивидуальных особенностей тканевого энергообмена, имеющих большое значение для профилактической медицины. В сравнительном аспекте рассмотрена диагностическая эффективность различных как принятых в клинической практике, так и новых методов оценки полисистемных митохондриальных дисфункций. Необходимость выявления дизэнергетических состояний подчеркивается наличием большой группы энерготропных препаратов, усиливающих интенсивность обмена энергии на клеточном уровне. Актуальность развития науки в соответствующих направлениях обусловлена расширением представлений не только о роли мито-хондриальных дисфункций в патогенезе болезней, но и о роли митохондрий в физиологических и адаптационных регуляциях организма. Решение проблем патогенеза и эпидемиологии митохондриальных заболеваний, их диагностики и лечения, таким образом, относится к первоочередным задачам современной медицины.
Ключевые слова: дети, полисистемные митохондриальные нарушения, патофизиология, генетика, диагностика, лечение.
The paper considers the most urgent problems of mitochondrial medicine. The latter is shown to run through the increasingly more space of traditional pathology in its different aspects, by changing the notion of classical diseases, such as diabetes mellitus, schizophrenia, heart failure, and many others. The core of this area includes diseases that are caused by primary mitochondrial damages with the clinical phenotypes being greater than 80 in number and the etiologically relevant mutations approaching 300. There is an even wider range of abnormalities, in which mitochondrial disorders are called secondary. Finally, a large number of pathological conditions are associated with exogenous mitochondrial damages, including iatrogenic ones. Emphasis is placed on the significance of investigating the individual tissue energy metabolism features that are of great importance for preventive medicine. The diagnostic efficiency of different, both clinically adopted and new, methods in evaluating polysystemic mitochondrial dysfunctions is comparatively considered. The need to detect dysenergy conditions is emphasized by the fact that there is a large group of energotropic medicines that increase energy metabolism rates at the cellular level. The urgency to develop science in relevant areas is determined by not only the extension of the ideas on the role of mitochondrial dysfunctions in the pathogenesis of diseases, but also on the involvement of mitochondria in the physiological and adaptational regulations of the body. Thus, the priority tasks of modern medicine are to solve the problems associated with the pathogenesis and epidemiology of mitochondrial diseases, their diagnosis and treatment.
Key words: children, polysystemic mitochondrial disorders, pathophysiology, genetics, diagnostics, treatment.
Быстрый рост научного знания, характеризующий современные естественные науки, в том числе и медицину, обеспечивает как накопление новых фактов, так и пересмотр уже имеющихся, часто достаточно устоявшихся. Такой пересмотр не всегда принимается быстро и однозначно широкими кругами медицинской общественности, но рано
© А.Д. Царегородцев, В.С. Сухоруков, 2012 Ros Vestn Perinatal Pediat 2012; 4 (2):4-13
Адрес для корреспонденции: Царегородцев Александр Дмитриевич — д.м.н., проф., засл. врач Российской Федерации и Республики Дагестан, директор МНИИ педиатрии и детской хирургии
Сухоруков Владимир Сергеевич — д.м.н., проф., зав. научно-исследовательской лабораторией общей патологии того же института 125412 Москва, ул. Талдомская, д. 2
или поздно давление новой информации становится слишком настойчивым, а результаты научных исследований все более убедительными, игнорировать их становится невозможно, и, наконец, новая область науки занимает свое заслуженное место в умах ученых.
Ярким примером подобной ситуации является раздел медицины, занимающийся заболеваниями, связанными с нарушениями клеточного энергообмена. Почти до конца XX века термин «митохондрия» имел исключительно академическое значение. Даже хорошо устоявшееся представление об этих, обязательных для каждой эукариотической клетки, органеллах цитоплазмы как о жизненно важных структурах, обеспечивающих аэробное окисление,
имело значение для биологии, но не для медицины. За последние двадцать лет ситуация изменилась столь кардинально, что такие словосочетания, как «митохондриальная патология», «митохондри-альные болезни» и «митохондриальная медицина», уже никого не удивляют.
Более того, это не просто новый раздел медицины, изучающий определенную группу нозологических форм. Митохондриальная медицина в своих различных аспектах пронизывает все большее пространство традиционной патологии, изменяя представление о «классических» заболеваниях, таких как диабет, шизофрения, сердечная недостаточность и многие другие. По всей видимости, серьезное основание имеет концепция одного из родоначальников этого направления D. Wallace о происходящей в настоящий момент смене приоритета главных парадигм в медицине — «анатомической», со времен Везалия выдвигающей на передний план органный принцип патогенеза заболеваний, и «менделевской», опирающейся на связанные с этим именем наследственные закономерности, так или иначе влияющие на здоровье человека. Существенную роль в этом играют, по мнению D. Wallace, положения митохондриаль-ной медицины, расширяющие узкие рамки органной патологии до полисистемных и политканевых закономерностей и привносящие в представления о наследственной предрасположенности положения о внеядерной наследственности [1].
В текущем году митохондриальная медицина отмечает свой 50-летний юбилей. Формальное начало этому направлению положили в 1962 г. R. Luft и его коллеги из Каролинского университета в Швеции [2]. Авторы в своей работе представили описание заболевания, вызванного, по их мнению, первичными политканевыми нарушениями митохондрий.В 1988 г. в нескольких независимых работах были получены доказательства первичной этиологической роли мутаций митохондриальной ДНК в развитии конкретных нозологических форм [3—6]. С тех пор наши знания о заболеваниях, обусловленных первичными повреждениями митохондрий, быстро прогрессируют, число клинических фенотипов при этом превысило 80, а количество этиологически значимых мутаций, по данным сайта MITOWEB, приближается к тремстам. Еще шире круг патологических состояний, при которых нарушения митохондрий называют «вторичными» [7]. Среди таких заболеваний: синдром хронического утомления, мигрени, кардиомиопатии, гликогено-зы, болезни соединительной ткани, полисистемные аутоиммунные заболевания, диабет, рахит, тубуло-патии, панцитопения, гипопаратиреоз, печеночная недостаточность и многие другие. Умеренные нарушения клеточной энергетики (энергодефицитный диатез) могут не проявляться в виде самостоятель-
ного заболевания, однако сказываются на характере течения других болезней.
Актуальность развития науки в соответствующих направлениях обусловлена расширением представлений как о роли митохондрий в физиологических и адаптационных регуляциях организма, так и о значении митохондриальных дисфункций в патогенезе болезней. Решение проблем патогенеза и эпидемиологии митохондриальных заболеваний, их диагностики и лечения, таким образом, относится к первоочередным задачам современной медицины.
О некоторых аспектах митохондриальной физиологии, актуальных для медицины
Говоря о патогенетическом значении нарушений митохондрий, следует помнить, что роль этих органелл не ограничивается простым обеспечением клеток переносчиками энергии. Митохондрии обеспечивают или регулируют поддержание гоме-остаза кальция и мочевой кислоты, синтез стероидов, участие в противовирусной защите, наконец, организуют процессы, контролирующие клеточную дифференцировку и запуск апоптоза.В одной статье невозможно описать все эти функции. Остановимся на двух аспектах, известных пока сравнительно менее остальных.
Первый из них заключается в том, что продуцируемые митохондриями молекулы регулируют важнейшие процессы, происходящие в ядре. Одна из основ теории так называемой «энергетической регуляции эпигенома» [8] заключается в том, что образующийся при деятельности митохондрий цитрат, превращаясь в цитозоле с помощью АТФ-цитратлиазы в ацетил-КоА, попадает частично в ядро и используется для ацетилирования гистонов. В результате, заряд гистонов становится более отрицательным, что уменьшает их сцепление с ДНК, в которой, в свою очередь, активизируются процессы транскрипции и трансляции. Недостаток глюкозы и жирных кислот приводит к снижению митохон-дриальной активности, количества цитрата, уровня ацетилирования ядерных белков и, в конце концов, к снижению ядерной активности в связи с конденсацией хроматина. Ацетилирование — эволюционно более продвинутый механизм регуляции эпигенети-ки по сравнению с наиболее примитивным — фос-форилированием (при котором аденозинфосфаты также придают ядерным белкам дополнительный отрицательный заряд). Еще более эволюционно продвинутый и гибкий механизм — метилирование лизина и аргинина с помощью S-аденозилметио-нина (SAM). Оно повышает межмолекулярное взаимодействие за счет сил Ван дер Ваальса. S-адено-зилметионин образуется в цитоплазме за счет связи L-метионина с АТФ. При этом образование метио-нина из гомоцистеина также регулируется митохондриями.
Для понимания ключевых аспектов полисистемного энергодефицита, вероятно связанного с такими явлениями, как частая инфекционная заболеваемость у детей, очень важны данные еще об одном аспекте митохондриальной физиологии — роли митохондрий в системах внутриклеточной защиты. По всей видимости, существует несколько механизмов, с помощью которых митохондрии активно участвуют в противовирусной защите [9]. Одним из них является механизм, обеспечиваемый белком наружной мембраны митохондрий, названным MAVS (Mitochondrial Antiviral Signaling protein) [10].
Этот белок может активировать:
1) проиммунные транскрипционные факторы IRF3, IRF7 (Interferon Regulatory Factors) и NF-kB (Nuclear Factor kappa-Light-chain-enhancer of Activated B Cells), которые, в свою очередь, индуцируют продукцию интерферона 1-го типа и его дальнейшую активность;
2) факторы TRAF2 и TRAF6 (семейство рецепторов к фактору некроза опухолей — Tumor Necrosis Factor Receptor Associated Factor), влияющие на TLR-механизм (Toll-Like Receptors);
3) сигнальные киназы семейства I-kappa — IKKa, IKKß и IKKe, которые активизируют транскрипцию IRF3 и NK-kB.
Недавние исследования показали, что есть взаимодействие между MAVS и Mfn2 (митофузином 2), динаминподобной ГТФазой, включенной в регуляцию митохондриального слияния [11]. Эта работа впервые указала на возможную связь между морфологией митохондрий и иммунитетом. Важно также отметить, что существует, видимо, универсальный механизм блокирования вирусами систем клеточной защиты, связанный с отщеплением белка MAVS от митохондрий.
Второй механизм обеспечивается расположенным в митохондриях членом семейства NOD-подоб-ных рецепторов (NLR). Эти богатые лейцином белки способны определять наличие многих патогенных маркеров, таких как бактериальные липополисаха-риды, активизирующие NF-kB, а также участвовать в деятельности инфламмасом, которые регулируют активацию каспазы 1 и продукцию провоспалитель-ных цитокинов. Митохондриальный белок NLRX1, относящийся к этому семейству, может усиливать продукцию активных форм кислорода (взаимодействуя с белками дыхательной цепи) и стимулировать иммунные механизмы в ответ на бактериальное заражение [12].
Генетические проблемы митохондриальной медицины
Так называемые «первичные» митохондриальные болезни, изучение которых составляет ядро митохондриальной медицины, во многом обязаны нашему знанию о них достижениям генетики. Именно молекулярно-генетическое описание, как правило,
определяет сам факт существования нозологической формы заболевания в этой области.
По разным данным, частота митохондриальных болезней на сегодняшний день в среднем составляет 1:6000 населения. Сведения эти относительны, что связано не только с недостатком абсолютных знаний в данной области, но и с наличием специфических проблем эпидемиологического анализа в митохондриологии. Упомянем три из них. Во-первых, биохимические и морфологические (включая ультраструктурные) нарушения митохондрий встречаются значительно чаще, чем генетические доказательства митохондриальных заболеваний. Это может объясняться как значительным представительством неизвестных пока мутаций ядерных генов митохон-дриальных белков, так и широкой вторичной вовлеченностью митохондрий в патогенез разнообразных наследственных нарушений. Во-вторых, выявляе-мость митохондриальных заболеваний значительно увеличивается с возрастом, что может объясняться особенностями мутационного процесса в митохон-дриальном геноме и, конечно, должно учитываться при эпидемиологических работах.
Наконец, в-третьих, многие косвенные признаки позволяют предположить, что относительно большое количество людей (среди детей, возможно, не менее 15—20%, с возрастом эта цифра значительно выше) имеют индивидуальные особенности клеточной энергетики, не проявляющиеся в виде самостоятельного заболевания, однако сказывающиеся на характере течения других болезней. Нами, например, выявлено влияние таких митохондриаль-ных особенностей на характер послеожогового рубцевания, течение тонзиллитов, некоторых кардиологических, урологических и других заболеваний [7]. Для характеристики риска энергодефицита мы предложили понятие «энергодефицитного диатеза» — скрытой формы относительной индивидуальной недостаточности цитоэнергетического статуса организма. Сам по себе не представляя заболевания, он лишь является генетически обусловленным типовым вариантом индивидуальности клеточного энергообмена достаточно большого, по нашим представлениям, числа людей (не менее 15—20%).
В этом же аспекте следует упомянуть и открытие групповой вариабельности митохондриальной ДНК (мтДНК). Тщательное изучение индивидуальных вариантов мтДНК (гаплотипов) и выделение так называемых гаплогрупп выявило их корреляцию с рисками различных заболеваний — митохондриальных, психических, неврологических, сердечно-сосудистых, эндокринных, онкологических —, наконец, с резистентностью к инфекционным заболеваниям и с продолжительностью жизни [1, 13] (табл. 1). Все это указывает на то, что современная митохондрио-логия может быть использована в качестве потен-
Царегородцее А.Д., Сухорукое В.С. Митохондриальная медицина — проблемы и задачи Таблица 1. Влияние гаплотипов мтДНК на проявление фенотипических особенностей
Гаплогруппа Заболевания
Повышенная вероятность
J Оптическая нейропатия Лебера
J Долгожительство у европейцев
J Сахарный диабет
Т Биполярные аффективные расстройства
D Долгожительство у азиатов
Н Болезнь Паркинсона
Н (п 4336) Болезнь Альцгеймера
J, и Заболевания сетчатки
и Повышение уровня сывороточных иммуноглобулинов Е
и Рак предстательной железы и почек у белых американцев
К Рак молочной железы
N ^10398А) Рак молочной железы и пищевода
Пониженная вероятность
J, ик Болезнь Паркинсона
и, т Болезнь Альцгеймера
т Рак молочной железы
Н Возрастная дегенерация сетчатки
Н Сепсис
Ша Сахарный диабет, метаболический синдром и инфаркт миокарда у азиатов
циально ценного инструмента профилактической медицины.
В целом, проблемы эпидемиологии во многом определяются особенностями генетической природы митохондрий и путей патологической реализации их разнообразных дефектов. До тех пор, пока медицинская наука не придет к устойчивому пониманию природы митохондриальных заболеваний, мы не сможем окончательно судить об их распространенности.
Сложность молекулярно-генетического изучения митохондриальных болезней заложена в природе последних, определяемой мутациями как ядерных генов, так и генов, находящихся в ДНК самой митохондрии. Митохондриальные болезни были описаны благодаря обнаружению и изучению мтДНК, тем не менее именно наличие внеядерного генома представляет основные диагностические трудности. Дело в том, что в каждой клетке содержатся тысячи митохондрий, а на одну митохондрию приходится от пяти до десяти копий мтДНК. Последняя наследуется от матери и не подвергается рекомбинации. Таким образом, вероятные мутации мтДНК могут сосуществовать в клетке (и в организме, в целом) с неизмененными (дикими) копиями, определяя существование феномена гетероплазмии. Причем в онтогенезе мутантные копии достаются бластомерам,
зародышевым листкам и формирующимся тканям и органам в случайном количестве. То есть распределение мутантных мтДНК по организму мозаично. Патогенез заболевания в таком случае зависит от количественного соотношения мутантных и диких копий (степени гетероплазмии), конкретного варианта мозаичности, энергозависимости пораженных клеток и, конечно, от характера мутаций.
На сегодняшний день описано 225 клинически значимых точковых мутаций мтДНК. Они разделены на две большие группы (табл. 2): мутации структурных генов (мРНК) и мутации, приводящие к нарушению белкового синтеза (тРНК и рРНК). При этом клинические фенотипы ранжированы от мягких, поздно дебютирующих состояний (сенсоневральная тугоухость, окулярная миопатия и сахарный диабет) до разрушительных и часто фатальных инфантильных заболеваний (синдром Ли). Кроме того, описаны 264 крупные перестройки мтДНК (одиночные и множественные делеции, инверсии, инсерции и комплексные перестройки), также связанные с различными патологическими фенотипами.
Так как мтДНК кодирует всего 2% митохондри-альных белков, вероятность наличия этиологически значимых мутаций в ядре намного выше. В то же время известно их значительно меньше. К апрелю
Таблица 2. Основные митохондриальные заболевания, связанные с дефектами мтДНК
Мутации рРНК и тРНК
MELAS, MERRF, MIMAC, «офтальмоплегия+», диабет, кардиомиопатии Мутации иРНК
болезнь Лебера, «атаксия-ретинит» Делеции
синдром Кернса—Сейра, синдром Пирсона, «диабет+глухота», врожденная миоглобинурия, «офтальмоплегия+» Деплеция
полиорганные синдромы раннего возраста
Примечание. рРНК — рибосомальная РНК; тРНК — транспортная РНК; иРНК — информационная РНК; MELAS — митохондриальная энцефалопатия, лактат-ацидоз, инсультоподобные эпизоды; MERRF — миоклонус эпилепсия, рваные красные волокна; MIMAC — матерински наследуемая миопатия, кардиомиопатия.
2012 г. описаны 13 мутаций структурных и 33 мутации неструктурных ядерных генов (табл. 3), вызывающих митохондриальные заболевания. Вероятно, более 80% всех наследственных митохондриальных заболеваний обусловлено ядерными мутациями [14, 15].Ярким примером является растущее понимание значения в этом отношении мутаций кодируемой в ядре ДНК-гамма-полимеразы (POLG) — единственной известной полимеразы в митохондриях. Мутации ее гена (известно уже более 160 вариантов — точковых, микроделеций и микродупликаций), впервые описанные в 2001 г., связаны с многочисленными митохондриальными нарушениями.
Ятрогенные причины митохондриальных нарушений
Помимо врожденных генетических дефектов тканевого энергообмена большую роль в генезе полисистемной митохондриальной недостаточности играют экзогенные факторы — алиментарная недостаточность тех или иных витаминов и витамино-подобных веществ (например, карнитина), действие различных экопатогенов (в частности, тяжелых металлов) и, наконец, ятрогенные причины. Группа
лекарственных препаратов, нарушающих митохон-дриальную активность, достаточно обширна. Это лекарственные средства, применяемые для лечения ВИЧ-инфицированных больных, препараты валь-проевой кислоты и многие другие. Особенно актуальным представляется обсуждение повреждающего действия антибиотиков.
Так как митохондрии сходны с бактериями, антибиотики, действующие на бактериальную систему трансляции, могут существенно повреждать клеточный энергообмен и противопоказаны больным с митохондриальными заболеваниями. Митохон-дриальная рибосома состоит из двух транскриптов рРНК, кодируемых митохондриальным геномом, и примерно из 80 рибосомальных белков, кодируемых ядром. Белковый синтез в митохондрии обеспечивается 22 митохондриально кодируемыми тРНК и зависит от большого числа импортируемых белков, включающих в себя факторы трансляции, аминоацил-тРНК-синтетазы и ферменты, модифицирующие тРНК. Известно около 130 мутаций ми-тохондриального генома, поражающих эти системы.
Таблица 3. Митохондриальные заболевания, связанные с дефектами ядерной ДНК
Структурные гены
синдром Ли, дефекты I, II и III комплексов дыхательной цепи митохондрий Неструктурные гены
гены сборки дыхательных комплексов (синдромы с ранним дебютом)
гены стабильности мтДНК (синдромы Альперса, SANDO, MNGIE, деплеции мтДНК)
гены митохондриального импорта (синдром Мора—Транебьорга)
гены митохондриального белкового синтеза (фатальная гепатоэнцефалопатия или COXPD1) гены гомеостаза железа (атаксия Фридрейха, ASAT) гены шаперонов (спастическая параплегия)
другие гены (синдромы Барта, СМТ, AD оптическая атрофия, СНН, этилмалоновая ацидурия)
Примечание. MNGIE — мионейрогастроинтестинальная энцефалопатия; SANDO — сенсорная атаксическая невропатия, дизартрия и офтальмопарез; COXPD1 — комбинированная недостаточность окислительного фосфорилирования 1-го типа; ASAT — сидеробласт-ная анемия и спиномозжечковая атаксия; СМТ — болезнь Шарко—Мари—Тута; AD — аутосомно-доминантная; СНН — гипоплазия хряща и волос.
Кроме того, существует группа дефектов, вызванных мутациями ядерно-кодируемых компонентов митохондриальной трансляционной сети [16]. К ней относятся мутации трех трансляционных факторов, двух рибосомальных белков, фактор модификации тРНК и две аминоацил-тРНК синтетазы. У большинства пациентов, имевших указанные дефекты, в раннем грудном возрасте развивался лактат-аци-доз, а позднее — энцефалопатия, кардиомиопатия, тубулопатия или поражение печени.
Большое число детей с врожденными нарушениями окислительного фосфорилирования имеют дефекты трансляции. При этом в неонатальном периоде первые признаки заболевания (тахикардия, диспноэ, гипоактивность, бледность и др.) симулируют серьезную бактериальную инфекцию — пневмонию, менингит, септический шок. Имеет место сходство и лабораторных показателей: лактат-аци-доз, повышение активности печеночных ферментов, гипо- или гипергликемия, высокий уровень мочевой кислоты и креатинина. Поэтому широкое применение антибиотиков в этих случаях — обычная практика. В то же время, учитывая сходство между мито-хондриальными и прокариотическими рибосомами, больные с первично скомпрометированной системой трансляции, получающие антибиотики, подвергаются риску значительного ухудшения состояния.
В этом отношении важны данные большого исследования, проведенного совместно американскими и израильскими учеными [16]. Было изучено действие большой группы антибиотиков на клетки у пациентов с митохондриальными нарушениями. Патологические эффекты при этом усиливались под действием некоторых антибиотиков. Клетки этих пациентов наиболее чувствительны к амино-гликозидам (гентамицин и стрептомицин), тетрациклину и хлорамфениколу. При этом часто отмечается широкий спектр чувствительности к антибиотикам, применяемым в лечебных дозах (например, к докси-циклину). Все это подчеркивает важность развития быстрых методов выявления митохондриальных мутаций.
Проблемы диагностики
Одной из ведущих проблем митохондриальной медицины является необходимость внедрения новых диагностических технологий [17]. В первую очередь, речь идет о развитии методов молекулярно-генетической диагностики. Основные задачи в этой области: охват максимально возможного спектра мутаций мтДНК; определение степени гетероплаз-мии; определение ядерных мутаций, влияющих на митохондриальные функции (см.выше). Максимально продуктивно в этом отношении внедрение современных генетических анализаторов и анализаторов ПЦР (полимеразная цепная реакция) с детекцией флуоресценции в режиме реального времени.
В связи с этим чрезвычайно важно развитие в нашей стране централизованных молекулярно-генетиче-ских лабораторий, способных решать вышеперечисленные задачи дифференциальной диагностики генетически обусловленных нарушений тканевого энергообмена.
Биохимические методы анализа полисистемных дизэнергетических состояний имеют большое значение в диагностике митохондриальных болезней, хотя часто малоспецифичны и требуют уточняющих исследований. Следует обратить внимание на диагностические возможности и актуальность определения концентрации молочной и пировиноградной кислот с вычислением коэффициента лактат/пиру-ват, очень важного для дифференциальной диагностики митохондриальных заболеваний, но мало где используемого в настоящее время.
Большой диагностический потенциал имеет определение соотношения в крови общего и свободного карнитина. Метод хроматомасс-спектро-метрии, благодаря внедрению в нашей стране программ и технологий неонатального скрининга, стал в последние годы достаточно доступен. Как показали исследования, проведенные в нашем институте, у детей, не имеющих клинических и лабораторных признаков дефицита карнитина, коэффициент связанный карнитин/свободный карнитин не превышает 0,6—0,7, в то время как полисистемная митохондриальная недостаточность часто сопровождается его резким увеличением.
Выявление значительных нарушений со стороны комплексов митохондриальной дыхательной цепи входит в число основных критериев диагностики митохондриальных заболеваний. Почти у половины пациентов с митохондриальными болезнями в тканях обнаруживается изолированный дефицит 1 комплекса дыхательной цепи, приблизительно у Уз — комбинированный дефицит нескольких комплексов, у V — изолированный дефицит IV комплекса дыхательной цепи. Изолированная недостаточность III комплекса и особенно II комплекса дыхательной цепи встречается редко [18]. Однако, несмотря на диагностическую ценность этих определений, которая подчеркивается важностью получаемых результатов для выбора тактики энерготропной терапии, такие исследования в нашей стране практически не проводятся. Отчасти это можно объяснить отсутствием современного полярографического оборудования в клинических лабораториях, отчасти — инвазивно-стью процедуры, проводимой на биопсийном материале мышц, печени и фибробластах. Кроме того, получаемые на выделенных in vitro митохондриях результаты, очевидно, существенно отличаются от соответствующих параметров, характерных для этих органелл в живой клетке [19].
Выявление феномена RRF («ragged» redfibers,
«рваных», или «шероховатых» красных волокон) — мозаично разбросанных скелетно-мышечных волокон с аномальными скоплениями митохондрий под сарколеммой и между миофибриллами — считается одним из основных диагностических доказательств наличия так называемых «первичных» митохондриальных синдромов. Данные световой микроскопии подкрепляются электронно-микроскопическими описаниями изменений количества и ультраструктуры митохондрий, и морфологические методы занимают одно из ведущих мест в диагностике митохондриальных болезней. Их значимость тем более высока, что выявление митохондриальных изменений в скелетной мышце вовсе не обязательно свидетельствует о наличии только митохондриальной миопатии, а является тестом на существование общей полисистемной митохондриальной патологии. При этом следует учитывать, что пролиферация митохондрий, лежащая в основе образования RRF, отражает в большей степени компенсаторную реакцию в ответ на полисистемную и гетерогенную митохон-дриальную недостаточность. Более того, эта пролиферация может представлять собой универсальный механизм адаптации тканей к функциональной недостаточности [7].
Помимо прямой оценки митохондриальных функций с помощью гистохимического выявления активности митохондриальных ферментов в мышце, применение других возможностей гистологического исследования позволяет оценить и косвенные признаки митохондриальной недостаточности. К последним относятся, в частности, накопления (особенно субсарколеммальные) гликогена и липидов — субстратов энергообмена, а также микроконгломератов солей кальция (одна из функций митохондрий — перераспределение излишков кальция в клетке).
Аналогичные структурно-функциональные изменения, в частности гетерогенные аномальные скопления митохондриальных конгломератов, были выявлены нами и в других системах организма (гладкие мышцы, почки), что позволяет рассматривать их как объект прикладной диагностики и как возможную модель для биологических исследований клеточной энергетики.
Сравнительная простота и малая травматичность взятия и обработки крови объясняет интерес к цитохимическому анализу активности митохондриаль-ных ферментов лимфоцитов для диагностики полисистемных митохондриальных нарушений. Ранее в совместном с группой Р. П. Нарциссова исследовании у больных с разными формами митохондриаль-ной недостаточности нами была выявлена достоверная корреляция параметров лимфоцитарных гранул и показателей митохондриальной недостаточности в скелетной мышце [20]. Таким образом, у многих больных с полисистемной митохондриальной не-
достаточностью диагностическая биопсия мышц может быть заменена цитохимическим анализом клеток периферической крови. Комплексный цитохимический анализ является ценным диагностическим инструментом при подборе медикаментозного лечения и при оценке динамики митохондриальной недостаточности в процессе терапии.
Очевидно, значительной перспективой для ми-тохондриальной медицины является внедрение ци-тобиохимического метода [19]. Этот метод создан на основе сочетания метода Р. П. Нарциссова и современных биохимических подходов с использованием сред, приближенных по составу к внутриклеточной среде. По мнению М. Н. Кондрашовой (устное сообщение), как маркер состояния митохондрий он гораздо чувствительнее, чем принятые биохимические методы. В частности, с его помощью можно определять активность отдельных комплексов дыхательной цепи, что позволяет не ставить на повестку дня вопрос о расширении внедрения более инвазивных и чреватых большим количеством артефактов полярографических методов.
Необходимость обследования широкого круга условно здоровых лиц с особой остротой ставит на повестку дня вопрос о минимизации инвазив-ности при проведении медицинских исследований. В связи с этим нами для изучения индивидуальных особенностей энергообмена был предложен метод с использованием чрескожного мониторирования газообмена с помощью транскутанного монитора (патент РФ №2442535). Полученные нами данные подтверждают возможность применения чрескож-ного мониторирования параметров газообмена в качестве неинвазивного метода обследования для выявления нарушений клеточного энергообмена. Мы считаем, что данный метод диагностики энергодефицитных состояний весьма перспективен и после стандартизации может быть рекомендован для внедрения в клиническую практику.
Представленные данные охватывают только небольшую часть информации об используемых и потенциально эффективных методах исследования митохондриальных функций. В то же время актуальность выявления дизэнергетических состояний различного рода требует значительной интенсификации исследований в этом направлении. Эта актуальность особенно подчеркивается наличием многочисленных форм лекарственных препаратов и биодобавок, воздействующих на различные стороны мито-хондриальной активности. Подобные воздействия, конечно, не могут быть эффективными без соответствующей диагностической базы. Очевидно, что указанная интенсификация может идти по двум направлениям. Во-первых, это разработка новых, минимально инвазивных и максимально чувствительных и специфичных методов диагностики по-
лисистемной митохондриальной недостаточности. А во-вторых, это расширение внедрения уже разработанных, в том числе и некоторых из вышеперечисленных методов. Последнее — не просто, и требует большой научной работы (в частности, по стандартизации методик и накоплению референтной базы данных), а также значительных организационных усилий. Однако многое сегодня позволяет надеяться, что усилия эти окажутся не напрасными.
Перспективы лечения
Современные возможности и перспективы лечения патологических состояний, обусловленных полисистемной митохондриальной недостаточностью, связаны с большой группой так называемых энерго-тропных препаратов, усиливающих интенсивность обмена энергии на клеточном уровне. Коэнзим Q карнитин, витамины группы В и многие другие вещества этой группы широко используются в современной медицине.
Схемы лекарственной коррекции цитоэнергети-ческой недостаточности у детей активно разрабатываются в настоящее время в нашем институте. Так, примерно у 45 % больных с митохондриальными эн-цефаломиопатиями и не менее чем у 10% больных с другими заболеваниями, сопровождающимися тканевой гипоксией, при надлежащем лечении инвали-дизация может быть существенно снижена (вплоть до полного снятия инвалидности). Данные Е. А. Николаевой свидетельствуют о том, что при митохонд-риальных энцефаломиопатиях комплексная энерго-тропная терапия позволяет добиться существенного клинического эффекта во всех сферах проявления патологического процесса. Результатом лечения является нарастание массы тела, уменьшение выраженности сердечно-сосудистых нарушений, снижение частоты приступов рвоты, судорог, уменьшение выраженности проявлений энцефалопатии и миопа-тии, снижение утомляемости.
При заболеваниях, включающих в свой симпто-мокомплекс «вторичную» митохондриальную недостаточность, также можно добиться улучшения качества жизни больных. Эффектный пример: значительная стимуляция роста (до 6—7 см в год) энер-готропными препаратами — L-карнитином, коэнзи-мом Q и др. — у низкорослых детей c различными неэндокринными наследственными заболеваниями. При некоторых заболеваниях, благодаря энерготроп-ной терапии, впервые была продемонстрирована возможность относительного успеха в лечении (например, при лечении синдрома Ретта и туберозного склероза впервые удалось добиться улучшения когнитивных и эмоциональных функций). Существенный позитивный эффект применения энерготропных препаратов наблюдался и в ряде других отделений нашего института: урологическом (при комплексном лечении гидронефроза и гиперактивного мочевого
пузыря), ожоговом центре (при реабилитации детей после ожогов), кардиологии (при лечении кардиоми-опатий, миокардиодистрофии и нарушений сердечного ритма), пульмонологии (при лечении ряда хронических заболеваний легких) и др.
Применение средств метаболической коррекции позволило оказать существенное влияние на состояние здоровья детей дошкольного возраста с различными вариантами нарушения речевого и психологического развития. Применение препаратов коэнзима Q10, L-карнитина, витаминов группы В и др. приводило при этом к минимизации предъявляемых жалоб, улучшению сна и аппетита, исчезновению или снижению выраженности признаков нарушений психологического развития, к возрастанию выносливости к физическим и интеллектуальным нагрузкам, а также к нормализации лабораторных показателей. Все вышесказанное свидетельствует о необходимости научно-прикладных разработок, направленных на создание современных принципов энерготроп-ного лечения (по отработке состава энерготропных комплексов, тщательному подбору доз активных веществ, определению оптимальных схем назначения).
Практически важным является вопрос о возможности комплексного применения энерготропных средств. Приведенные выше примеры свидетельствуют о необходимости именно совместного использования таких препаратов. Однако при каждой нозологической форме должны разрабатываться свои специализированные комплексы, включающие патогенетически наиболее значимые компоненты клеточного энергообмена: коэнзим Q L-карнитин, цитохром С, янтарная кислота, витамины группы В. Многочисленные данные литературы свидетельствуют о быстром расширении списка потенциально эффективных в этом отношении средств. Как видно из табл. 4, расширение фармацевтического спектра идет по пути появления как новых препаратов в хорошо известных группах, так и новых групп лекарственных веществ (например, группы стимуляторов биогенеза митохондрий и стабилизаторов дыхательных комплексов).
Перспективная возможность широкого применения энерготропных веществ при многочисленных заболеваниях, а также при профилактических и реабилитационных мероприятиях свидетельствует о целесообразности постановки вопроса об экономической эффективности использования энерготропных препаратов. Данный аспект требует специального анализа с привлечением не только специалистов-фармакологов, клиницистов, но и организаторов здравоохранения. Результаты наших исследований свидетельствуют в пользу экономической целесообразности такого подхода, реализация которого позволяет повысить качество жизни у пациентов с различными заболеваниями.
RADIOMETER
Мониторы серии ТСМ4
неинвазивный мониторинг газов крови в неонатологии
tcp02 tcpCO. Sp02 ' Пульс
\J
Внимание! }
I-:--—zw Готов г ь / ? 159
rw -w-• £— '
«—1
/А
кЛ
4
Представительство компании «Радиометр Медикал АпС» 119048, Москва, ул. Усачева 33, стр. 1 тел. +7 (495) 937-2118; тел./факс +7 (495) 937-2117 E-mail: [email protected]; www.radiometer.com
Таблица 4. Основные препараты, применяемые или разрабатываемые для лечения митохондриальных нарушений
Группа препаратов Препараты
Антиоксиданты Тролокс, витамин E, витамин C
Митохондриотропы Антиоксиданты в соединении с трифенилфосфоние-вым катионом (ТРР): митохинон (MitoQ), MitoVitE, MitoTEMPOL, MitoPBN, SKQ (хиноны Скулачева)
SS-пептиды
Уменьшающие степень лактат-ацидоза Дихлорацетат, димефосфон
Участники дыхательной цепи Витамины Kj и К3, коэнзим Q10, янтарная кислота, цитохром С, биофлавоноиды
Кофакторы энергообмена L-карнитин, витамины РР, Вр В2, липоевая кислота, биотин
Стимуляторы биогенеза митохондрий PPAR у, ресвератрол
Стабилизаторы дыхательных комплексов Кардиолипин
ЛИТЕРАТУРА
1. Wallace D.C. Mitochondria as Chi. Genetics 2008; 179: 727 — 735.
2. Luft R., Ikkos D., Palmieri G. e al. A case of severe hypermetabolism of non-thyroid 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.
3. Holt I.J., Harding A.E., Morgan-Hughes J.A. Deletions of muscle mitochondrial DNA in patients with mitochondrial myopathies. Nature 1988; 331: 717—719.
4. Wallace D.C, Singh G, Lott M.T. et al. Mitochondrial DNA mutation associated with Leber's hereditary optic neuropathy. Science 1988; 242: 1427—1430.
5. Wallace D.C., Zheng X., Lott M.T. et al. Familial mitochondrial encephalomyopathy (MERRF): genetic, pathophysiological, and biochemical characterization of a mitochondrial DNA disease. Cell 1988; 55: 601—610.
6. Zeviani M, Moraes C.T., DiMauro S. et al. Deletions of mitochondrial DNA in Kearns-Seyre syndrome. Neurology 1988; 38: 1339—1346.
7. Сухорукое В.С. Очерки митохондриальной патологии. М: Медпрактика-М 2011; 288.
8. Wallace D.C., Fan W. Energetics, epigenetics, mitochondrial genetics. Mitochondrion 2010; 10: 12—31.
9. Scott I. The role of mitochondria in the mammalian antiviral defense system. Mitochondrion 2010; 10: 316—320.
10. Seth R..B, Sun L, Ea C.K. et al. Identification and characterization of MAVS, a mitochondrial antiviral signaling protein that activates NF-kB and IRF3. Cell 2005; 122: 669—682.
11. Yasukawa K, Oshiumi H, TakedaM. et al. Mitofusin 2 inhibits mitochondrial antiviral signaling. Sci Signal 2009; 2: ra47.
12. Tattoli I., Carneiro L.A., Jehanno M. et al. NLRX1 is a mitochondrial NOD-like receptor that amplifies NF-kB and JNK
pathways by inducing reactive oxygen species production. EMBO Rep 2008; 9: 293—300.
13. Pierron D, Letellier T, Grossman L. Mitogroup: Continent-specific clusters of mito-chondrial OXPHOS complexes based on nuclear non-synonymous polymorphisms. Mitochondrion 2012; 12: 237—241.
14. Uusimaa J., Finnila S, Remes A.M. et al. Molecular epidemiology of childhood mitochondrial encephalomyopathies in a Finnish population: sequence analysis of entire mtDNA of 17 children reveals heteroplasmic mutations in tRNAArg, tRNAGlu, and tRNALeu(UUR) genes. Pediatrics 2004; 114: 2: 443—450.
15. Uusimaa J., Remes A., Rantala H. et al. Childhood encephalopathies and myopathies: a prospective study in a defined population to assess the frequency of mitochondrial disorders. Pediatrics 2000; 105: 3: 598—603.
16. Jones C.N., Miller C., Tenenbaum A. et al. Antibiotic effects on mitochondrial translation and in patients with mitochon-drial translational defects. Mitochondrion 2009; 9: 429—437.
17. Сухорукое В.С. Проблемы диагностики митохондриальной недостаточности. Клинико-лабораторный консилиум 2012.
18. Thornburn D.R., Chow C.W., Kirby D.M. Respiratory chain enzyme analysis in muscle and liver. Mitochondrion 2004; 4: 363—375.
19. Kondrashova M., Zakharchenko M., Khunderyakova N. Preservation of the in vivo state of mitochondrial network for ex vivo physiological study of mitochondria. Int J Biochem Cell Biol 2009; 41: 2036—2050.
20. Сухорукое В.С., Нарциссое Р.П., Петричук С.В. Сравнительная диагностическая ценность анализа скелетной мышцы и лимфоцитов при митохондриальных болезнях. Арх патол 2000; 62: 2: 19—21.
Поступила 14.06.12
