Metabole ziekten veroorzaakt door oxidatieve fosforylatie defecten

Academiejaar 2011 - 2012
Metabole ziekten veroorzaakt door oxidatieve
fosforylatie defecten: klinische
karakteristieken van patiënten met een
verstoorde complex I activiteit
Hanne VANDEVONDELE
Promotor: Prof. Dr. Rudy Van Coster
Co-promotor: dr. Boel De Paepe
Scriptie voorgedragen in de 2 de Master in het kader van de opleiding
MASTER IN DE GENEESKUNDE
“De auteur(s) en de promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie
beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander
gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met
betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van
resultaten uit deze scriptie.”
Datum
(handtekening student (en))
(handtekening promotor)
(Naam student)
(Naam promotor)
VOORWOORD
Bij het selecteren van een onderwerp voor de masterproef van geneeskunde sprong deze titel me al
vlug in het oog. Na bijkomend opzoekwerk zag ik dat complex I deficiënties en de mitochondriale
ziekten in het algemeen, een heel interessant en recent geneeskundig gebied omvat.
Mijn keuze voor de opleiding geneeskunde deed ik omdat ik geïntrigeerd was door het menselijk
lichaam en zijn werkingsmechanisme. Ons lichaam is in bepaalde omstandigheden zo sterk en kan
de meest erbarmelijke situaties aan, maar anderzijds kan een bacterie , een virus of een kleine fout in
ons bouwplan de hele werking van ons lichaam ontregelen. Gefascineerd was ik door het feit dat bij
mitochondriale ziekten slechts een kleine fout in onze genetische code zoveel verschillende klinische
symptomen kan hebben met vaak zo’n grote impact op het menselijk lichaam.
Hoewel het niet altijd even makkelijk was om een weg te vinden tussen de talrijke publicaties , hoop
ik, u als lezer, toch een mooi beeld te geven van de verscheidene klinische symptomen die een patiënt
met complex I deficiëntie kan hebben.
Deze masterproef zou niet mogelijk zijn geweest zonder mijn promotor Prof. Dr. Rudy Van Coster en
begeleidster dr. Boel De Paepe die me altijd met haar raad en antwoorden verder kon helpen. Mijn
dank gaat naar hen beiden uit. Verder zou ik graag mijn ouders en vriend bedanken voor hun
onuitputtelijke steun en het nalezen van deze masterproef.
Hanne VandeVondele
INHOUDSTABEL
ABSTRACT .......................................................................................................................................1
INLEIDING .......................................................................................................................................3
Mitochondriën ................................................................................................................................3
Structuur en ligging .....................................................................................................................3
Functie ........................................................................................................................................4
Genetica ......................................................................................................................................4
Het mitochondriaal DNA.........................................................................................................4
Overerving van mitochondriaal DNA. .....................................................................................5
Oxidatieve fosforylatie ....................................................................................................................6
Structuur en ligging .....................................................................................................................6
Functie ........................................................................................................................................6
Genetica ......................................................................................................................................7
Complex I .......................................................................................................................................8
Structuur en ligging .....................................................................................................................8
Functie ........................................................................................................................................8
Genetica ......................................................................................................................................9
METHODOLOGIE .......................................................................................................................... 10
RESULTATEN ................................................................................................................................ 11
Inleiding ....................................................................................................................................... 11
Epidemiologie ........................................................................................................................... 11
Genetische oorsprong van complex I-deficiëntie ........................................................................ 12
Nucleaire DNA-mutaties ...................................................................................................... 12
Mutaties in de subunits ...................................................................................................... 12
Mutaties in de assemblage factoren .................................................................................... 14
Mitochondriale DNA mutaties. .............................................................................................. 15
De verschillende soort mutaties ............................................................................................. 16
Biochemische gevolgen van de mutaties. ................................................................................... 17
Aantasting van de werking van complex I .............................................................................. 17
Verhoogde reactieve zuurstofradicalen .................................................................................. 18
Verstoorde Ca2+/ATP huishouding ....................................................................................... 18
Diagnose van complex I deficiënties en mitochondriale aandoeningen in het algemeen. ............. 19
Klinische gevolgen van de mutaties ............................................................................................... 21
DE SYNDROMEN .............................................................. Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd.
Leigh en Leigh-like syndroom ............................................................................................... 22
Leigh-syndroom ................................................................................................................ 22
Leigh-like syndroom. ......................................................................................................... 28
Syndromen veroorzaakt door punt mutaties in het mitochondriale DNA ................................ 29
LHON
( Leber hereditary optic neuropathy) .................................................................... 29
MELAS (Mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, and stroke-like
episodes) ........................................................................................................................... 34
MERRF ( Myoclonic epilepsy with ragged red fibers). ..................................................... 37
KSS
(Kearns-Sayre Syndroom) ................................................................................... 41
COMPLEX I DEFICIENTIE................................................ Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd.
Groep 1 : Leigh-syndrome en Leigh-like syndrome ............................................................... 44
Groep 2 : Leukoencefalopatie eventueel gecombineerd met macrocefalie.............................. 44
Groep 3: Neonatale cardiomyopathie al dan niet gecombineerd met encefalopathie. ............... 45
Groep 4: Fatale infantile lactaat acidose (FILA) ..................................................................... 45
Groep 5: Varia....................................................................................................................... 46
DE ROL VAN COMPLEX I IN NEURODEGENERATIEVE ZIEKTEN. . Fout! Bladwijzer niet
gedefinieerd.
DISCUSSIE...................................................................................................................................... 48
CONCLUSIE............................................................................... Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd.
REFERENTIES ................................................................................................................................ 51
ABSTRACT
Complex I maakt deel uit van de oxidatieve fosforylatieketen in de mitochondriën die het genereren
van ATP (adenosinetrifosfaat) als belangrijkste einddoel heeft. ATP is de energiemolecule van ons
lichaam. Aangezien mitochondria in elk celtype voorkomen, behalve de mature rode bloedcellen, is
het niet verwonderlijk dat aantasting van de mitochondria klinische symptomen kan hebben die
meerdere orgaansystemen bevatten. De cellen die het meest energie nodig hebben, zoals
cardiomyocyten, neuronen en skeletspiercellen, zijn dan ook het vaakst aangetast.
Complex I-deficiënties behoren tot de klinisch heterogene groep van de mitochondriale ziekten. De
prevalentie van deze aandoening wordt geschat op 1 op 5000. Men neemt aan dat 1 op 5000 personen
in zijn leven klinische symptomen van een mitochondriale ziekte ontwikkelt. Hiervan is 40%
geassocieerd met een aantasting van complex I.
Complex I bestaat uit 45 subeenheden die gecodeerd worden door nucleair en mitochondriaal DNA.
Zeven subeenheden worden gecodeerd door het mitochondriaal DNA, de overige subeenheden door
het nucleair DNA. Verder codeert nucleair DNA ook voor de assemblage factoren van complex I.
Deze assemblage factoren staan in voor de maturatie en stabiliteit van complex I. Het mitochondriale
DNA is uniek in die zin dat het materneel wordt overgeërfd. Het kan zichzelf dupliceren en delen
waarbij de mtDNA moleculen willekeurig over de dochtercellen worden verdeeld. Hierbij komt het
fenomeen van homoplamsie en heteroplasmie voor. Homoplasmie wil zeggen dat alle mitochondriën
dezelfde mtDNA moleculen bevatten. Bij heteroplasmie krijgen we een mix van verschillende
mtDNA-moleculen. Zo kan in eenzelfde cel een menging van gezond en gemuteerd mtDNA
voorkomen. Niet elke cel krijgt dus dezelfde hoeveelheid aangetast mtDNA. Het aandeel van het
mutante DNA moet een bepaalde drempel overschrijden vooraleer een cel hierop biochemisch
abnormaal zal reageren. Deze dubbele genetische oorsprong en het feit dat mitochondria in bijna elke
cel voorkomen, zorgen voor een grote klinische variabiliteit waarbij de ernst en onset van de ziekte
vaak verschilt.
Wij bespreken hier de verschillende klinische manifestaties van complex I-deficiënties. Allereerst de
syndromen geassocieerd met complex I deficiëntie: symptomen die geregeld samen voorkomen
waardoor we ze kunnen karakteriseren in één groep. Hiertoe behoort het Leigh-syndroom of subacute,
necrotiserende encefalopathie. Deze verwoestende neurodegeneratieve ziekte wordt gekenmerkt door
symmetrische bilaterale laesies in de hersenen met verschillende neurologische symptomen. Het
Leigh-like syndroom lijkt op het Leigh-syndroom, maar heeft niet dezelfde ‘typische’ klinische en
radiologische bevindingen. Vervolgens komen de drie syndromen aan bod waarbij puntmutaties van
het mtDNA verantwoordelijk zijn voor hun ontstaan. a) LHON ( Lebers’ hereditary optic neuropathie),
1
gekarakteriseerd door optische atrofie leidend tot permanente blindheid. b) MELAS (mitochondrial
myopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes) gekenmerkt door mitochondriale myopathie,
encefalopathie , op CVA-gelijkende aanvallen en lactaat acidose. c) MERRF (myoclonic
encephalopathy , ragged red fibers) gekenmerkt door epileptische aanvallen, myoclonus en ragged-red
fibers. Verder bespreken we het syndroom veroorzaakt door grote mtDNA deleties: Kears-Sayre
syndroom. Dit wordt gekenmerkt door chronische progressieve externe oftalmoplegie, degeneratie van
de retina en hartproblemen.
Vervolgens overlopen we de verschillende klinische symptomen van personen met een complex I
deficiëntie. Een groepering in vijf verschillende groepen wordt vooropgesteld. Groep 1 : Leigh en
Leigh-like syndroom. Groep 2 : leuko-encefalopathie al dan niet gecombineerd met macrocefalie.
Groep 3: neonatale cardiomyopathie al dan niet gecombineerd met encefalopathie. Groep 4: FILA
(fatale infantiele lactaat acidose). Tenslotte bespreken we in groep 5 de overige klinische manifestaties
die gevonden werden.
We staan kort stil bij de rol van complex I bij neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van
Parkinson, de ziekte van Alzheimer , de ziekte van Huntington en amyotrofe laterale sclerose.
Voor mitochondriale ziektes is tot heden geen curatieve therapie beschikbaar. De therapie is louter
symptomatisch met psychologische en familiale ondersteuning. Sommige patiënten ondervinden enig
voordeel na het toedienen van een mitochondriale cocktail dat L-carnitine , coenzyme Q10 en
riboflavine bevat. Een ketogeen dieet helpt soms om de epileptische aanvallen te verminderen. Verder
onderzoek is cruciaal zodat de groeiende kennis van de pathologische mechanismen van defecte
oxidatieve fosforylatie complexen de deuren verder opent voor nieuwe therapeutische mogelijkheden.
Bij moeders die risico hebben op een aangetast kind zou prenataal onderzoek aangeboden kunnen
worden.
2
INLEIDING
Deze paper tracht een overzicht te geven van de belangrijkste klinische uitingen van patiënten met een
complex I deficiëntie. In de literatuur zijn talrijke publicaties omtrent mutaties in complex I en zijn
desbetreffende symptomen, maar er bestaat nog geen artikel dat al zijn klinische manifestaties omvat.
Deze masterproef heeft dan ook als doel de lezer een duidelijk en overzichtelijk beeld te geven van
complex I –deficiëntie en zijn talrijke klinische symptomen.
Complex I is een subunit dat deel uitmaakt van de oxidatieve fosforylatie-keten in de mitochondriën.
Hierdoor leiden complex I-deficiënties tot de klinisch heterogene groep van de mitochondriale ziekten.
Het hoofddoel van de oxidatieve fosforylatie is het aanmaken van ATP. Bij een defect in deze
respiratoire keten worden veel verschillende weefsels en organen , die afhankelijk zijn van deze
energie, pathologisch aangetast .
Allereerst gaan we dieper in op structuur, functie en genetica van de mitochondriën, de oxidatieve
fosforylatieketen en complex I om zo de pathologische symptomen beter te verklaren.
Mitochondriën
Structuur en ligging
Mitochondriën bevinden zich in het cytosol van alle eukaryote cellen,
behalve mature rode bloedcellen. (7)
Het aantal mitochondriën in een cel hangt af van het soort cel : het loopt op
van enkele tientallen tot duizenden. De vorm kan variëren van bijna
cirkelvormig tot langwerpig . Daarnaast kunnen ze een doorsnede hebben
van 0,1 micrometer tot bijna 7 micrometer. Hun grootte, aantal en vorm
verschilt dus sterk van cel tot cel. (8)
Figuur 1 EM - beeld en schematische illustratie van een mitochondrion (1)
3
Het zijn organellen met een dubbele membraan, een buitenste membraan en een binnenste, die de
matrix omgeeft. Tussen beide membranen ligt de intermembranaire ruimte. Het binnenste membraan
is niet vlak , maar bestaat uit meerdere instulpingen: de cristae. Zo wordt het oppervlak vergroot wat
een voordeel is voor de vele metabole processen die er zich afspelen. (7)
Functie
De mitochondriën zijn onder andere verantwoordelijk voor de vrije vetzuurverbranding, pyruvaat
oxidatie, heme biosynthese, apoptose , Ca 2+ -huishouding en steroïden-synthese. (7;9)
Mitochondriën zijn echter vooral gekend als dé energiecentrale van ons lichaam aangezien ze de
energiemolecule van ons lichaam synthetiseren: ATP. De respiratoire keten, gesitueerd in het
binnenste membraan, is voor deze synthese verantwoordelijk. Een stoornis in de respiratoire keten en
hierdoor een defect in de energie-huishouding van de cel ligt aan de basis van de mitochondriale
ziekten. Een deficiëntie in de aanmaak van ATP zorgt ervoor dat de cellen niet meer naar behoren
kunnen functioneren met alle pathologische uitingen tot gevolg. (3;7)
Genetica
Uniek aan de mitochondriën is dat hun structuren een dubbele genetische oorsprong hebben. Naast het
nucleaire DNA uit de celkern hebben ze hun eigen
mitochondriaal DNA. (7;10)
Het mitochondriaal DNA
Humaan mitochondriaal DNA (mtDNA) is een gesloten
ring bestaande uit 16569 base-paren. (3;7)
Elke cel heeft talrijke mitochondria en elk
mitochondrion bevat verschillende mtDNA moleculen..
Zo heeft een cel vaak meer dan 1000 mtDNA moleculen.
(3) Elke mtDNA molecule bevat 37 genen die coderen
voor één groot en één klein ribosomaal RNA, 22 transfer
RNA’s en 13 subeenheden van de respiratoire keten.
(7;11)
Figuur 2 illustreert de structuur van het humaan
mitochondriaal DNA. Hiervan coderen de ND genen
Figuur 2 Structuur van humaan mitochondriaal DNA(4)
voor de zeven structurele subeenheden van complex I. (4)
4
Deze dubbele genetische achtergrong speelt een grote rol bij de erfelijke en klinische uiting van de
mitochondriale ziekten. Zowel mutaties in het nucleair als in het mitochondriaal DNA kunnen zorgen
voor stoornissen in de respiratoire keten met verschillende pathologische uitingen als gevolg. (3;12)
Overerving van mitochondriaal DNA.
Het mitochondriaal genoom wordt enkel overgeërfd langs maternale zijde. Enkel de moeder geeft het
mtDNA aan haar nakomelingen over: zowel man als vrouw. De ziekte wordt dus enkel in vrouwelijke
lijn doorgegeven. (7;13)
De mitochondria zelf staan in voor hun replicatie en translatie systeem. De translatie van de mRNA’s
gebeurt in de mitochondriale matrix waarbij ze gebruik maken van nucleair gecodeerde enzymen. Ze
gebruiken hierbij hun eigen mitochondriale code die verschillend is van de nucleaire code. Bij de
mitose wordt het mitochondriale DNA willekeurig over hun dochtercellen verdeeld. (3;7;13)
Daarnaast vindt men bij de mitochondria ook het fenomeen van homoplasmie en heteroplasmie.
Homoplasmie wil zeggen dat alle mitochondriën dezelfde mtDNA moleculen bevatten. Bij
heteroplasmie krijgen we een mix van verschillende mtDNA-moleculen. Zo kan in eenzelfde cel een
menging van gezond en gemuteerd mtDNA voorkomen. (7;13)
Figuur 3 Illustratie van heteroplasmie bij het mitochondriaal DNA (7)
De weerslag op de cellulaire functie zal afhangen van de aard van de mutatie en de hoeveelheid
mutante mtDNA moleculen per cel. Het aandeel van het mutante DNA moet een bepaalde drempel
5
overschrijden vooraleer een cel hierop biochemisch abnormaal zal reageren. Dit wordt het tresholdeffect genoemd. (7;13)
Dat significante percentage van mutant mtDNA kan variëren tussen verschillende individuen, zelfs
binnen eenzelfde familie. Maar ook in het individu zelf kan het percentage mutant DNA variëren
tussen de verschillende weefsels, dit door het fenomeen van heteroplasmie en het willekeurig verdelen
van de mtDNA over de dochtercellen. (7;13)
De graad en weefseldistributie van de heteroplasmie bepaalt de fenotypische variabiliteit en ernst van
de ziekte. Hierdoor kan men verklaren waarom mitochondriale ziekten klinisch zo verschillend tot
uiting kunnen komen. (3;4;7)
Oxidatieve fosforylatie
Structuur en ligging
Geïntegreerd in de fosfolipidenlaag van het
mitochondriale membraan bevindt zich de
respiratoire keten of ook het oxidatief fosforylatie
systeem genoemd (OXFOS). (2;14)
De respiratoire keten wordt gevormd door de
interactie van wel meer dan 100 verschillende
polypeptiden, deze vormen dan samen 5 grote
complexen en twee mobiele elektronendragers :
ubiquinone (Q10) en cytochrome c ( cyt c ). (2;14)
Figuur 4 schematische voorstelling van OXFOS in de mitochondria (7)
Functie
De respiratoir keten zorgt voor de aanmaak van ATP. Dit is de laatste stap in het genereren van
energie voor de cel. (2;14)
6
Energierijke elektronen, afkomstig van de glycolyse, het vetmetabolisme of de cyclus van Krebs
worden gedragen door NADH of FADH2. (15)
In de membraan van de mitochondriën worden deze elektronen van complex I naar complex IV
doorgegeven. Aan het einde van de respiratoire keten geeft complex IV zijn elektronen aan de laatste
elektronenacceptor, namelijk moleculaire zuurstof (3;14)
Dit doorgeefsysteem zorgt voor een
elektronenstroom, waarvan de energie
gebruikt wordt om protonen van de matrix
van de mitochondriën te pompen naar de
intermembranaire ruimte. (3;14)
Dit genereert een protonengradiënt over de
endomembraan, die de drijvende kracht
wordt voor het ATP-synthetiserend
complex of complex V. (3;14)
De energie van dit proces wordt gebruikt
voor de synthese van ATP. (3;14)
Figuur 5 Schematische voorstelling van de respiratoire keten (3)
Genetica
Van de meer dan 100 verschillende proteïnen die samen de respiratoire keten vormen, worden er 13
structurele subeenheden gecodeerd door mitochondriale genen. De overige worden gecodeerd door
nucleaire genen.(3)
Alle respiratoire complexen ( behalve complex II) hebben een dubbele genetische oorsprong. (3)
7
Complex I
Structuur en ligging
Complex I of NADH-ubiquinone oxidoreductase is
het grootste en meest ingewikkelde complex van de
vijf oxidatieve fosforylatie complexen. (2;14)
Het heeft de vorm van een L: de hydrofobe arm zit
in het binnenste mitochondriale membraan , de
hydrofiele arm puilt uit in de matrix.
Figuur 6 Schematische voorstelling van complex I (2)
Het bestaat uit 45 verschillende subunits. (2;14;16) Hiervan zijn er 14 noodzakelijk voor de
katalytische functie. Deze ‘core’ subunits worden gecodeerd door genen van zowel het mitochondriaal
als het nucleair DNA. (2;14)
Men vermoedt dat eerst enkele moleculen worden samengesteld in het binnenste mitochondriale
membraan en dat deze dan samen gekoppeld worden om zo complex I te vormen. Bij het
samenstellen van deze pre-complex I modules wordt gebruik gemaakt van assemblage factoren. Tien
assemblage factoren van complex I zijn reeds geïdentificeerd. Daarnaast zorgen zij voor de maturatie
en stabiliteit van het complex. (17)
Functie
Complex I maakt deel uit van de oxidatieve fosforylatie keten dat het genereren van ATP als einddoel
heeft. Meerdere complexen organiseren zich in supercomplexen en deze associatie is essentieel voor
het goed functioneren van de oxidatieve fosforylatie.
Complex I start de elektrontransfer door NADH te oxideren. De twee elektronen die hierbij vrijkomen
worden doorgegeven aan de eerste elektronenacceptor van complex I, een niet-covalent gebonden
flavin mononucleotide ( FMN) , vervolgens worden de elektronen doorgegeven langsheen redox
centra. Deze redox centra zijn acht FeS clusters, twee binucleaire N1a en N2b , en zes tetranucleaire
cluster , N2, N3-N6a,N6b . De laatste acceptor is ubiquinone. Daarna worden de elektronen
doorgegeven aan de volgende complexen van de respiratoire keten. (2;14)
Deze redoxreacties zijn gekoppeld aan het pompen van protonen doorheen de binnenste
mitochondriale membraan wat de membraangradiënt creëert die complex V nodig heeft om ATP aan
te maken. (2) Complex I staat in voor ongeveer 40% van de uiteindelijke gegeneerde energie. (16)
8
Genetica
De 14 core subunits worden gecodeerd door zowel mitochondriaal als nuclear DNA. (18)
De zeven mtDNA gecodeerde subunits ( ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5 en ND6) maken
allemaal deel uit van de membraan arm van complex I.(18)
De nucleair gecodeerde (NDUFV1, NDUFV2, NDUFS1, NDUFS2, NDUFS3, NDUFS7 en NDUFS8)
zijn hoofdzakelijk gelokaliseerd in de matrix arm van het complex. (18)
De 31 andere subunits zijn net zoals de assemblage factoren allemaal nucleair gecodeerd. (18)
Deze dubbele genetische oorsprong zorgt voor de verscheidenheid en complexiteit van de
mitochondriale ziekten. (19)
9
METHODOLOGIE
Voor het vinden van relevante publicaties betreffende het onderwerp van deze masterproef werd
gebruik gemaakt van de wetenschappelijke zoekmachine PubMed. Na het lezen van twee artikels
(14;20) aangebracht door dr. Boel De Paepe werden volgende initiële zoektermen ingevoerd
mitochondrial disease en complex I deficiency. Bijkomende criteria werden toegevoegd om reeds een
eerste selectie uit te voeren, deze waren ‘ reviews’ , ‘publicatie vanaf 2000’ en de taal waarin het
artikel gepubliceerd werd ‘ Engels, Nederlands, Frans en Spaans’. Zo werd een ruim aanbod aan
artikels gevonden die allereerst gebruikt werden om achtergrondinformatie te verwerven. Aan de hand
van deze informatie konden dan meer specifieke additionele zoektermen gebruikt worden en werden
onder andere de namen van specifieke klinische subgroepen afzonderlijk ingevoerd zoals ‘ Leigh
syndrome’ ‘MELAS’ ‘MERRF ’ en ‘ LHON’. Hierbij werd in het mate van het mogelijke gekeken naar
reviews en datum van publicatie. Bij het zoeken naar de verschillende mutaties van complex I
deficiëntie werd vooral een hoge waarde gehecht aan de publicatiedatum, zo dat een zo’n recent
mogelijke update van de verschillende mutaties kon gegeven worden. Daarnaast werd ook gekeken
naar de referenties van gevonden artikels bij verwijzingen naar complex I. Verder werd in de mate
van het mogelijke aandacht gegeven aan de impact factor van het artikel , dat opgezocht werd via ISI
Web of Science en of er geen ‘conflict of interest’ was. Artikels met lage impact factor en/of ‘conflict
of interest’ werden kritisch gelezen en daarbij werd verder getracht de inhoud te staven met
bijkomende publicaties.
10
RESULTATEN
Inleiding
Voor we de verschillende klinische symptomen van patiënten illustreren, bespreken we allereerst de
epidemiologie.
De genetische oorsprong van de mutaties van complex I werd in de inleiding al aangehaald, maar
wordt hieronder meer in detail besproken. Vervolgens zullen we vaststellen wat de biochemische
gevolgen zijn van deze mutaties voor de werking van de mitochondria. Daarna gaan we over naar de
klinische uiting van complex I deficiëntie en hoe we dit kunnen diagnosticeren.
Epidemiologie
Klinische verscheidenheid en variabiliteit van de genetische mutaties kenmerken de mitochondriale
ziekten, waardoor het zeer moeilijk is om een prevalentie te definiëren voor de mitochondriale ziekten.
(19)
Men neemt aan dat symptomen door defecten van de oxidatieve fosforylatie keten bij 1/5000 levende
geboortes worden vastgesteld. (21;22) Waarschijnlijk zijn deze cijfers nog onderschat en verder
onderzoek en grootschalige studies zijn dus nodig om deze cijfers te preciseren . (19)
In 40% van de gevallen is de dysfunctie van de respiratoire keten geassocieerd met een deficiëntie van
complex I. Naast een geïsoleerde deficiëntie ( 25 %) kan ook een gecombineerde deficiëntie ( 15%)
met een ander complex van de respiratoire keten voorkomen. (1;8;23)
11
Genetische oorsprong van complex I-deficiëntie
Complex I deficiëntie kan verschillende oorzaken hebben. Zoals eerder uitgelegd heeft complex I een
dubbele genetische oorsprong met zowel door nucleair als door mitochondriaal DNA gecodeerde
subeenheden. In een recente studie die naar mutaties zocht bij 60 patiënten met complex I-deficiëntie
werd slechts in 5 % van de patiënten een mitochondriale DNA mutatie ontdekt en in slechts 16,7
procent een nucleaire DNA mutatie. (24)
Alhoewel men de laatste jaren steeds meer mutaties ontdekt, kan er tot nu toe slechts bij minder dan
50 % van de patiënten met symptomen van complex I deficiëntie een mutatie gekarakteriseerd worden.
(15;19;24) Nieuwe genetische technieken, waaronder total exome sequencing, bieden perspectieven
om in de toekomst mutaties beter te karakteriseren.(25)
Nucleaire DNA-mutaties
Nucleaire mutaties zorgen vaak al vanaf de geboorte voor een klinisch beeld en kennen nadien een
progressief ernstig verloop met een prognose van slechts enkele levensmaanden. (11;19)
Mutaties in de subunits
Complex I is een multi-enzyme systeem dat bestaat uit 45 subunits. Hiervan worden er 38 door
nucleaire genen gecodeerd.
De translatie hiervan gebeurt in het cytosol waarna ze getransporteerd worden doorheen de
mitochondriale membranen. Deze nucleaire genen zijn verspreid over alle chromosomen , zowel de
autosomale als de geslachtschromosomen. (3)
In totaal werden er tot nu toe 65 pathologische mutaties ontdekt in 14 van de in totaal 38 structurele
complex I subunits. (24) Meer specifiek betreft het mutaties in volgende nucleaire genen NDUFV1,
NDUFV2 ,NDUFS1 ,NDUFS2 ,NDUFS3 ,NDUFS7 ,NDUFS8 ,NDUFS6 24 ,NDUFA1 ,NDUFA2 ,
NDUFA10, NDUFA11 en NDUFA1229 (18) Hiervan zijn de nucleaire NDUFS1, NDUFS2,
NDUFV1 en NDUFS4 genen hotspots voor mutaties , wat wil zeggen dat hier veel frequenter mutaties
in voorkomen in tegenstelling tot de andere nucleaire genen. (24) In figuur 7 en 8 staan de
verschillende mutaties beschreven samen met hun respectievelijke klinische fenotype.
Nucleaire DNA mutaties worden autosomaal recessief overgeërfd; met uitzondering van mutaties in
NDUFA1 , een X-linked gen. (8;18) Daarnaast kunnen ze ook de novo ontstaan. (24)
12
Figuur 7 De mutaties in de subeenheden van de membraan arm van complex I met hun klinische fenotype(24)
13
Figuur 8 De mutaties in de subeenheden van de perifere arm van complex I met hun klinisch fenotype(24)
Mutaties in de assemblage factoren
Naast mutaties in nucleaire genen die coderen voor de subunits van complex I , kunnen er ook
mutaties voorkomen in genen die coderen voor assemblage factoren. Deze factoren zorgen –zoals de
naam zelf zegt- voor de assemblage van complex I. Deze factoren zijn nodig voor de montage en
stabiliteit van complex I. (17)
Mutaties in assemblage factoren werden pas zeer recent gekarakteriseerd. In 2005 werd de eerste
factor ontdekt die een rol speelt in complex I deficiëntie (15)
In totaal zijn tot heden 10 gekende assemblage factoren van complex I ontdekt, in 8 ervan leidt een
mutatie tot complex I deficiëntie. Zeven van hen werden ontdekt in de laatste 3 jaar, wat de
exponentiële groei van dit onderzoeksdomein illustreert. (15;17)
Meer specifiek betreft het mutaties in volgende genen NDUFAF1 ,NDUFAF2 ,NDUFAF3,
NDUFAF4 ,C8orf38, C20orf7 ,ACAD9 en Huind1. (17;18)
Deze mutaties worden autosomaal recessief overgeërfd of ontstaan de novo. (18)
Figuur 9 De mutaties in de assemblage factoren van complex I met hun klinische fenotype(17)
14
Mitochondriale DNA mutaties.
De eerste mitochondriale mutatie die leidde tot pathologische symptomen werd ontdekt in 1988. Deze
ontdekking zorgde ervoor dat de mitochondriale genetica verder uitgespit werd. (15;26).
Mutaties in mtDNA zorgen voor defecten in de volgende zeven gecodeerde subunits: ND1, ND2,
ND3, ND4, ND4L, ND5 en ND6. Er werden reeds mutaties aangetoond in alle mtDNA gecodeerde
subunits.(18) In figuur 10 zien we de frequentste klinische fenotypes veroorzaakt door mtDNA
mutaties in de structurele subeenheden van complex I.
Figuur 10 illustratie van de klinische fenotypes veroorzaakt door mutaties in mt DNA van ND1-ND6(26)
Deze mutaties worden maternaal overgeërfd. Een moeder geeft de mutatie door aan haar dochters en
zonen. In de meeste gevallen is het mtDNA heteroplasmisch en is dus zowel normaal als mutant
mtDNA aanwezig. De proportie van het mutante mtDNA zal dus de ernst en uiting van de klinische
symptomen bepalen. Hierdoor krijgt men binnen een zelfde familie verschillende klinische fenotypes.
(3)
Door de heteroplasmie van de mitochondriale mutaties hebben deze vaker dan de nucleaire een latere
onset en een minder ernstig klinisch beeld. (19)
15
De verschillende soorten mutaties
Op dit histogram (figuur 11) wordt een historisch overzicht gegeven van het cumulatief aantal van
unieke mutaties geassocieerd met complex I deficiëntie. Mutaties van nucleair gecodeerde
subeenheden ( nDNA subunits), mitochondriaal gecodeerde subunits ( mtDNA subunits) en mutaties
in de assemblage factoren ( assembly factors). (15)
Figuur 11 Histogram van mutaties in complex I(15)
Zoals we kunnen afleiden uit figuur 11 is het pas sinds een 10-tal jaar dat mutaties in de nucleaire
gecodeerde genen kunnen worden aangetoond. Voor assemblage factoren is dit zelfs nog recenter. Dit
gegeven en het feit dat tot op heden minder dan de helft van alle mutaties aanwezig bij patiënten met
complex I beschreven zijn, illustreren dat verder onderzoek nodig is en dat de genetica in de toekomst
onze inzichten nog verder zal vergroten.
16
Samengevat kunnen we dus stellen dat complex I deficiëntie kan ontstaan in twee verschillende
genetische locaties die samen of alleen kunnen voorkomen. (27)
We kunnen mutaties hebben in het mitochondriaal DNA dat codeert voor de ND1-ND6 subunits van
complex I of voor tRNA’s. (24;28)
Of mutaties in het nucleair DNA dat codeert voor de andere subunits van complex I. (24)
Tenslotte kunnen er ook mutaties zijn in het nucleaire DNA coderend voor de complex I assemblage
factoren. (15;17;29)
Men stelt vast dat kinderen of personen met vroege onset en ernstig klinisch beeld vaker nucleaire
mutaties hebben. Bij personen met een latere onset en milder klinisch verloop vinden we vaker een
mitochondriale DNA mutatie.(19)
Biochemische gevolgen van de mutaties.
Mutaties in genen die verantwoordelijk zijn voor het correct functioneren van complex I hebben nog
andere consequenties. Naast verminderde functie van complex I, worden de mitochondriën zelf
aangetast. Een verhoging van reactieve zuurstofradicalen en lactaat acidose wordt vastgesteld : beiden
schadelijk voor de cel. Verschillende hypotheses worden naar voor gebracht. Hieronder worden de
drie meest vermelde gevolgen van de mutaties besproken om een idee te geven van de biochemische
gevolgen van deze mutaties.
Aantasting van de werking van complex I
Een logisch gevolg van de mutaties in de genen, verantwoordelijk voor de aanmaak van complex I, is
dat er minder complex I gevormd wordt. Dat kan letterlijk een vermindering zijn van het aantal
complex I structuren , maar daarnaast kan het ook voorkomen dat complex I wel volledig gevormd
wordt , maar minder actief werkt. Bij mutaties in de genen verantwoordelijk voor de assemblage
worden de individuele subunits wel gevormd , maar komen ze niet samen tot een geheel complex. De
werking van complex I in de cel wordt aldus aangetast in verschillende graden van ernst. (30)
17
Verhoogde reactieve zuurstofradicalen
Complex I koppelt de oxidatie van NADH aan de reductie van ubiquinone. Gedurende dit proces
kunnen elektronen ontsnappen en reageren met het omringende zuurstof. Zo wordt superoxide
geproduceerd en afgeleide zuurstofradicalen (ROS). ROS kan functioneren als een signaalmolecule,
maar kan ook schade induceren in de cel. Dit hangt af van het evenwicht tussen de productie van ROS
en de verwijdering ervan door antioxidanten. Als ROS schade induceert, leidt dit tot een verlies van
mitochondriën en zo ook van de cel-functie en integriteit . Maar omgekeerd kan ook, een vermindering
van het aantal actieve complex I moleculen zorgen voor een vermeerdering van ROS, wat op zijn beurt
meer schade kan induceren. (1;8;31)
Een goede werking van Complex I staat dus onder de controle van een goede oxidatieve balans in de
cel. Deze balans is dus duidelijk verstoord bij patiënten met een mitochondriale ziekte.
Verstoorde Ca2+/ATP huishouding
Figuur 12 Schematische voorstelling van de biologische gevolgen in huidfibroblasten van patiënten met geïsoleerde
complex I deficiënte(32)
18
Een goede cel-functie vraagt een precieze coördinatie tussen de mitochondriale ATP productie en de
lokale energievraag. Als een cel meer energie vereist, dienen de mitochondriën meer ATP aan te
maken.
Calcium speelt hierin een cruciale rol aangezien het de mitochondriale oxidatieve fosforylering
activeert. Een cel met een energievraag zal er voor zorgen dat calcium in het cytosol wordt
opgenomen vanuit het ER/SR of extracellulair. Dit verhoogd cytosolisch calcium zal opgenomen
worden in de mitochondriën waar het dan de ATP productie stimuleert. Studies met cellijnen van
patiënten met complex I deficiëntie hebben aangetoond dat bij energienood van een cel er veel minder
cytosolisch calcium, mitochondriaal calcium en bijgevolg minder mitochondriaal ATP gegenereerd
wordt. (32)
Verder vermoedt men dat een verhoogd ROS en veranderde Ca2+ niveaus een adaptieve respons
veroorzaken bij de mitochondriën. Dit uit zich door een veranderde vorm en een veranderde motiliteit
van de mitochondria waardoor deze niet naar behoren functioneren.(23)
Diagnose van complex I deficiënties en mitochondriale aandoeningen in het algemeen.
De diagnose van complex I-deficiëntie en mitochondriale ziektes in het algemeen, blijft een uitdaging
voor de clinicus. Wegens de complexe genetische oorsprong en de verschillende klinische symptomen
bestaat één diagnostisch middel niet. Een mitochondriale ziekte wordt meestal vermoed indien de
klinische symptomen erop wijzen. Zo zou een mitochondriale dysfunctie moeten overwogen worden
in elke differentiaal diagnose van een progressieve multisysteemaandoening. De diagnose wordt
moeilijker wanneer slechts één symptoom aanwezig is. (33;34)
Sommige patiënten presenteren zich met een herkenbaar fenotype en/of een positieve familiale
voorgeschiedenis van mitochondriale aandoeningen. Wanneer dan ook nog eens gekende mutaties
worden teruggevonden, is het relatief simpel om de diagnose van een mitochondriale ziekte te
bevestigen. Bij personen met een herkenbaar fenotype zoals de syndromen Leigh/Leigh-like, LHON,
MELAS en MERRF wordt eerst genetisch onderzoek uitgevoerd om de desbetreffende mutaties op te
sporen. (33;34)
Bij personen bij wie men slechts het vermoeden heeft van een mitochondriale aandoening worden
volgende onderzoeken uitgevoerd.
-Serumonderzoek : Bij personen met een mitochondriale aandoening is het lactaat niveau in het
bloed en cerebrospinaal vocht meestal sterk verhoogd. In het bloed vindt men concentraties van meer
dan 3mM/L en in het CSV meer dan 1,5mM/L. Een normale waarde sluit een mitochondriale
aandoening echter niet uit. (22;34)
19
-Beeldvorming zoals NMR en CT van de hersenen kan vaak typische afwijkingen aantonen,
kenmerkend voor mitochondriale aandoeningen, aangezien de hersenen vaak aangetast worden.(34)
Bij complex I deficiëntie vindt men frequent bilaterale en symmetrische letsels in de hersenstam .(35).
Verder worden de ernst en uitbreiding van de symptomen bepaald door een oftalmologisch,
neurofysiologisch en cardiologisch onderzoek aangezien vaak aantasting van de ogen, spieren en hart
gevonden wordt. Indien andere symptomen vastgesteld worden, vraagt men bijhorende onderzoeken
aan. (33)
-Genetisch onderzoek waarbij men gekende mutaties tracht op te sporen, wordt meestal eerst
uitgevoerd op het bloed. Indien daar geen mutaties worden aangetroffen , wordt verder gezocht via
spier en huidbiopt.(34) Verder worden spierbiopsieën ook gebruikt voor het verzamelen van
histologische bewijzen : zo komen ragged red fibers frequent voor bij mtDNA mutaties zoals
MELAS en MERF, terwijl men ze bij nucleaire mutaties veel minder terugvindt. (36;37) Aangezien
bij oudere gezonde personen ook ragged red fibers kunnen voorkomen, is het belangrijk altijd te
vergelijken met een controlegroep van dezelfde leeftijd. (37)
- Histochemische en biochemische analyse van de mitochondriale OXFOS-complexen kan ons verder
een deficiëntie of slecht functioneren ervan aantonen. (33;34;37)
Deze onderzoeken kunnen we dus laten uitvoeren bij patiënten met een complex I deficiëntie. Verder
in deze paper wordt bij de desbetreffende groepen van complex I deficiëntie enkel hun typische
diagnostische karakteristieken meegedeeld.
Samengevat kunnen we dus stellen dat een specifieke diagnose van een patiënt met een vermoedelijke
mitochondriale ziekte ontstaat door de verschillende bevindingen van klinische anamnese, familiale
historie, biochemische analyse, histopathologische bevindingen en moleculair genetisch onderzoek
samen te voegen om zo tot een mitochondriale aandoening te concluderen. (34;37)
Het stellen van een diagnose is erg belangrijk voor de patiënt en zijn familie. Niet alleen kan er zo
meer informatie en uitleg aangeboden worden: er kan ook meer specifieke medische hulp aan de
patiënt gegeven worden. Aangezien een mitochondriale ziekte vaak erfelijk is, dient bij risicofamilieleden ook diagnostisch onderzoek te gebeuren. Zo kan onder andere ook de recurrentie graad
van de ziekte bepaald worden wat belangrijk kan zijn voor mutatiedragers met een kinderwens. (34)
20
Klinische gevolgen van de mutaties
Aangezien elke cel, buiten de mature rode bloedcellen, in ons lichaam mitochondriën bevat , is het
niet verwonderlijk dat mutaties die de functie van de mitochondriën aantasten een grote invloed
hebben op het voortbestaan van de cel. (7)
Bijna alle cellen zijn afhankelijk van de mitochondriën voor hun energieproductie, dus een
mitochondriale ziekte kan als multisysteem ziekte meer dan één cel-type aantasten. Het zijn echter
vooral de cellen die een hoge nood hebben aan energie, zoals spiercellen en zenuwcellen, die het
meest gevoelig zijn voor aantasting. Zo zijn spierzwakte en neurologische symptomen frequente
manifestaties van mitochondriale aandoeningen. (38-40)
Mitochondriale aandoeningen zijn verder complex in die zin dat ze een verschillende genetische
oorsprong kunnen hebben. Naast het nucleair DNA, is het mtDNA met zijn unieke erfelijkheid,
eveneens verantwoordelijk voor het correct functioneren van de mitochondriën. Dat maakt dat
patiënten met een complex I deficiëntie zich presenteren met verschillende symptomen die variëren in
tijdstip van optreden en ernst. (3;11)
Van alle oxidatieve fosforylatie defecten is complex I deficiëntie de meest voorkomende aantasting,
namelijk 40% van alle OXFOS defecten. (1;23) Het eerste geval van complex I deficiëntie werd
beschreven in 1979 door Morgan-Hudges et al. Twee zussen werden voorgesteld met een
mitochondriale myopathie gekarakteriseerd door spierzwakte, inspanningsintolerantie en fluctuerende
lactaat acidose. (41) Sinds deze melding zijn er verschillende uiteenlopende klinische symptomen
beschreven. Om het overzicht duidelijk te houden, worden in deze paper enkel de meest voorkomende
klinische symptomen van personen met complex I deficiëntie besproken. Bij het overlopen van de
klinische manifestaties van complex I aantasting moet in het achterhoofd gehouden worden dat
theoretisch elk celtype aangetast kan worden met zijn desbetreffende symptomen.
In deze masterproef overlopen we de symptomen als volgt: allereerst bespreken we de symptomen die
vaak samen voorkomen zodat ze worden gegroepeerd in een syndroom. We beginnen met de
syndromen omdat zij vaak een herkenbaar klinisch fenotype hebben en een goede illustratie zijn van
de klinische verscheidenheid van complex I. Daarna groeperen we meer algemeen de symptomen van
personen met een complex I-deficiëntie. Tenslotte wordt kort halt gehouden bij de rol van complex I –
deficiëntie in neurodegeneratieve ziekten.
21
DE SYNDROMEN
Hoewel theoretisch elk celtype kan worden aangetast, komen sommige symptomen zo vaak samen
voor dat ze worden gegroepeerd in syndromen. Bij complex I deficiëntie zijn het Leigh en Leigh-like
syndroom de meest voorkomende syndromen. Deze syndromen worden dan ook eerst besproken.
Vervolgens worden de syndromen geassocieerd met puntmutaties in het mtDNA besproken. We
eindigen met het Kears-Sayre syndroom dat veroorzaakt wordt door grote deleties van mtDNA.
Aangezien de klinische uitingen, zelfs binnen één syndroom, erg verschillend kunnen zijn, bestaat een
typisch geval niet. Desalniettemin zal bij elk grote groep van symptomen een klinische casus naar voor
geschoven worden om het klinisch verloop beter te illustreren. Er wordt getracht om een zo
kenmerkend mogelijk beeld te geven.
Leigh en Leigh-like syndroom
Leigh-syndroom
Inleiding
Leigh syndroom of subacute, necrotiserende encefalopathie is een verwoestende neurodegeneratieve
ziekte. Deze ziekte werd voor het eerst beschreven door Denis Leigh in 1951 bij patiënten met
verschillende neuropathologische uitingen. (20;42)
Leigh-syndroom wordt beschouwd als de meest voorkomende mitochondriale ziekte bij kinderen.
Hiervan is complex-I deficiëntie de frequentste oorzaak.(20;43)
Kenmerkend is dat alle personen die lijden aan dit syndroom bijna gelijkaardige hersenaantastingen
hebben die zowel neuro-radiologisch als neuro-pathologisch vastgesteld kunnen worden. (35;43) De
klinische symptomen en genetische mutaties verschillen daarentegen vaak.(20;35)
Epidemiologie
Men vermoedt dat de incidentie 1 op 40.000 levende geboortes is. Dit maakt het de meest
voorkomende mitochondriale ziekte. De ziekte manifesteert zich meestal na de geboorte, of in de
vroege kindertijd. (20) Er zijn echter ook zeldzame gevallen beschreven van uitingen in of na de
adolescentie. (44)
22
Genetische oorsprong
Fouten in de respiratoire keten, meer bepaald in complex I, II (succinaat dehydrogenase) , IV
( cytochrome C oxidase, COX ) , complex V (ATPase) of in het pyruvaat dehydrogenase complex zijn
verantwoordelijk voor de manifestatie van Leigh-syndroom.(43-45)
Dit syndroom heeft van alle mitochondriale ziektes de meest verspreidde genetische oorsprong. In
zeldzame gevallen kunnen ook niet-mitochondriale ziekten zich uiten als een Leigh syndroom.(20)
In complex I werd de eerste mutatie beschreven in 2004 in het NDUFS3 gen. Nu zijn er mutaties
beschreven in alle 14 genen die coderen voor de structurele subeenheden van complex I. (20)
De activiteit van het complex kan verminderd zijn tot 66 %, dit kan samen met een normale werking
van de andere complexen. Meestal is het defect in het complex aanwezig in alle weefsels. Pyruvaat
dehydrogenase kan secundair gereduceerd zijn.(20)
Nucleaire mutaties
Het gaat dus om mutaties in de genen van het nucleair genoom (NDUFS1–4, NDUFS6–8, NDUFV1–2,
NDUFA1–2 en NDUFA9–A12) die recessief autosomaal worden overgeërfd. (11;46)
Daarnaast vinden we ook mutaties in negen assemblage factoren van complex I (NDUFAF1–4,
C20orf7, Ecsit, NUBPL, C8orf38 en ACAD9) die eveneens recessief autosomaal worden overgeërfd.
(11;46)
Mitochondriale mutaties
De mutaties in het mitochondriaal genoom zorgen voor het maternaal overgeërfde Leigh syndroom,
naar schatting verantwoordelijk voor 30% van de aangetaste patiënten. (47) Mutaties zijn gevonden in
de structurele subeenheden van ND1, ND2, ND3, ND4, ND5 en ND6. Hiervan zijn ND1, ND3 en
ND5 hotspots voor mutaties. (47)
Klinische symptomen
De klinische symptomen zijn talrijk. Meest typisch beginnen de symptomen in de eerste
levensmaanden en overlijden de patiënten binnen de twee jaar. Latere tijdstip van optreden en of
tragere progressie worden echter ook gezien. (20;48)
Vroege onset
De ziekte manifesteert zich meestal voor de leeftijd van twee jaar met een geschiedenis van
ontwikkelingsachterstand, hypotonie of voedingsproblemen. (49) Deze initiële symptomen kunnen dus
zeer onspecifiek zijn. Decompensatie gedurende een intercurrente ziekte is typisch geassocieerd met
psychomotorische retardatie of regressie. Hierna kan een herstelperiode optreden, maar zelden keert de
patiënt terug naar de ontwikkelingsstatus die hij had voor de ziekte.(49)
23
Later ontwikkelen zich neurologische symptomen zoals ataxie, piramidale tekenen of
bewegingsproblemen zoals dystonie. Daarna krijgen we vaak aantasting van de hersenstam, met
oftalmoplegie en respiratoire moeilijkheden.(49)
Het gaat dus om een progressieve vermindering van de functie van het centraal zenuwstelsel. Dit
omdat er steeds meer symmetrische focale laesies ontstaan in de basale ganglia, hersenstam,
cerebellum en cortex van de hersenen.
Deze laesies leiden tot hypoxie, wat resulteert in necrose en apoptose van de hersencellen. (20)
Latere onset
Minder frequent manifesteren de klinische symptomen zich pas in de latere kindertijd of adolescentie.
Vaak krijgen we hier een predominantie van extrapiramidale tekenen zoals dystonie en rigiditeit. De
progressie is vaak veel trager. De patiënten hebben vaak bijna geen neurologische abnormaliteiten en
tonen ook niet de typische Leigh-syndroom symptomen. Vaak blijft de ziekte onveranderd voor jaren
tot men plots een acuut verloop verkrijgt. (20)
Wick R. et al beschreef het geval van een 21-jarige vrouw met evenwichtsproblemen en vermoeden
van multiple sclerose. Ze ontwikkelde plots hoofdpijn en dyspneu. Ze stierf kort daarna aan plotse
cardiale dood. Een autopsie toonde de typische cerebrale laesies van Leigh-syndroom (50)
De meerderheid van de patiënten meldt zich met abnormaliteiten van het centraal en perifeer
zenuwstelstel, zonder aantasting van de andere weefsels. Niet-neurologische symptomen komen echter
ook voor. (20)
De neurologische symptomen
De klinisch neurologische symptomen zijn gerelateerd aan de aantasting van de hersengebieden. De
neurodegeneratie en necrose zorgen voor de hypotonie en psychomotorische regressie.(43;51)
Andere symptomen zijn ataxie, spasticiteit, dystonie, spierzwakte, hypo of hyperreflexie en
onvrijwillige spierbewegingen. Deze zijn ook te wijten aan de centrale aantasting. Bij aantasting van
het perifeer zenuwstelstel verkrijgen we een polyneuropathie. Verder komen epileptische aanvallen
voor, verlammingen van de craniale zenuwen en doofheid. (20;48)
Bij aantasting van de hersenstam ziet men respiratoire moeilijkheden zoals apneu, hyperventilatie of
onregelmatige ademhaling. Daarnaast slikproblemen, persisterende braakneigingen of problemen met
de thermoregulatie met zowel hypo als hyperthermie. (20;43;51)
Oftalmologische problemen die voorkomen zijn optische atrofie die uiteindelijk leidt tot blindheid,
retinitis pigmentosa die allereerst nachtblindheid geeft en later ook het zicht overdag aantast.
Bij oftalmoplegie of verzwakking/verlamming van de externe oogspieren worden oogbewegingen
moeilijk. Verder ziet men ook nystagmus. (20;48)
24
Niet-neurologische manifestaties
Deze kunnen al dan niet samen voorkomen met de neurologische verschijnselen(20).
De symptomen hiervan kunnen cardiaal zijn (hypertrofische en gedilateerde cardiomyopathie). (52)
Bij patiënten met de G13513A mutatie in ND5 krijgen we vaak de associatie Leigh-syndroom met het
Wolf-Parkinson-White conductie defect, waarbij er een extra verbinding is tussen atrium en ventrikel.
Dit conductieprobleem kan leiden tot tachycardieaanvallen met hartstilstand als eventuele ernstige
consequentie.(53-55)
Verder kunnen hepatische symptomen optreden zoals hepatomegalie of leverfalen. Renaal zien we
renale tubulopathie of diffuse glomerulocystische nierschade (56) Zelden vinden we het De Toni
Debr e-Fanconi syndroom waarbij stoffen die normaal terug in het bloed zouden moeten geabsorbeerd
worden ter hoogte van de proximale niertubulus, verloren gaan in de urine. Dit wordt gekarakteriseerd
door volgende symptomen : dehydratatie door zout-en vochtverlies, botpijnen door gestoorde
fosfaatabsorptie, korte gestalte, renale tubulaire acidose type 2 en vermoeidheid. (43) Daarnaast zien
we gastro – intestinale problemen (diarree) , een dysmorf voorkomen ( gespleten lip, rond gezicht) of
endocriene abnormaliteiten (korte gestalte en hypertrichosis). (20)
Illustratieve casus
Een meisje werd geboren na een normale zwangerschap en bevalling. Beide ouders zijn gezond. Sinds
haar eerste levensweken kreeg ze problemen met voeding en gastro-oesofageale reflux werd
vastgesteld. Wanneer ze 3 maanden was, na een eerste vaccinatie, kreeg ze een dystone houding van
de romp, die verkeerdelijk werd toegeschreven aan de gastro-oesofageale reflux. Wanneer ze 5
maanden oud was, na een tweede vaccinatie, begon ze onverklaarbaar te huilen en werden
psychomotorische aantasting en gegeneraliseerde epileptische aanvallen vastgesteld. Ze werd
behandeld met diazepam waardoor ze geen epileptische aanvallen meer had. Op de leeftijd van 7
maanden, na een virale infectie, werd ze opgenomen in het ziekenhuis met psychomotorische
achterstand, dystone-dyskinetische tetraparese, verminderd gehoor en episodische centrale apneu.
Verhoogd lactaat werd vastgesteld in bloed en cerebrospinaal vocht. NMR toonde bilaterale
symmetrische hyperintense laesies op T2-beelden in de basale ganglia, thalami en ventrale
mesencefalon. Fundoscopie toonde retinale depigmentatie. Toen ze 8 maanden oud was, zag men
externe oftalmoplegie en afwezigheid van pupilreflex. Hierna bleef het klinisch beeld stabiel. ( Het
meisje is 15 tijdens schrijven van de casus)
Familiale voorgeschiedenis was negatief. Een vermindering van de activiteit van complex I werd
vastgesteld in een spierbiopt ( een restactiviteit van 36% in vergelijking met de controlegroep). Twee
mutaties werden vastgesteld : namelijk G14792C verantwoordelijk voor aantasting van cytochroom b
25
en A14459A verantwoordelijk voor aantasting van ND6. De moeder was heteroplastisch voor de ND6
mutatie waarbij de mutatieload slechts 2% was waardoor ze geen symptomen kreeg. (57)
Diagnose
Rahman et al (1996) definieerde volgende diagnostische criteria voor Leigh syndrome. (48)
1. Progressieve neurologische ziekte met motorische en mentale ontwikkelingsachterstand
2. Signalen en symptomen van aantasting van de hersenstam en /of de basale ganglia
3. Verhoogde lactaat concentratie in bloed of cerebrospinaal vocht.
Plus één of meer van de volgende kenmerken
4. Karakteristieke verschijnselen van Leigh-syndroom op beeldvorming.
5. Typische neuropathologische veranderingen : meerdere focale symmetrische necrotische
laesies in de basale ganglia, hersenstam, nucleidentati of optische zenuwen. Histologisch
hebben de letsels een spongiform uiterlijk en worden ze gekarakteriseerd door demyelinisatie,
gliosis en vasculaire proliferatie. Verlies van neuronen kan voorkomen , maar typisch worden
de neuronen relatief gespaard. (voor het gebruik van de beeldvorming werd hiermee de
definitieve diagnose gesteld, dit echter post mortem )
6. De typische neuropathie in een aangetaste broer of zus.
CT en NMR-beelden worden gebruikt om de klinische bevindingen te staven en een diagnose te
bevestigen. Op de NMR beelden vinden we bilaterale en bijna altijd symmetrische laesies terug in de
hersenen. Meest kenmerkend bevinden deze laesies zich in de basale ganglia, thalamus, substantia
nigra, nucleus ruber, hersenstam, witte stof en cortex van het cerebellum, witte stof van het cerebrum
en in het ruggenmerg. (20) Deze laesies op de MR-beelden zijn de meest kenmerkende diagnostische
eigenschap van het Leigh-syndroom.(35)
Op de figuur A en B zien we NMR beelden van een
normaal kind.
Bij C en D zien we de bilaterale laesies in de basale
ganglia, ,getoond door de pijlen, bij een patiënt met Leigh
syndroom. (58)
Figuur 13 NMR beelden van een gezond persoon ( A en B) en een
persoon met Leigh-syndroom ( C en D).(58)
26
In het serum vindt men vaak verhoogde niveaus van lactaat en pyruvaat. Dit kan progressief verhogen
gedurende de verdere ontwikkeling van de ziekte. Deze bevindingen vindt men ook terug in het
cerobrospinaal vocht waar ook de lactaat/pyruvaat verhouding verhoogd kan zijn. In de urine kan men
intermediairen van de Krebcyclus terugvinden. Biochemische testing op spierbiopten en
huidfibroblasten tonen vaak een verminderde activiteit van complex I aan. Hoewel beeldvorming het
frequentst gebruikt wordt, kan een spierbiopt vaak definitief de diagnose bevestigen. (46) Daarnaast
kan men ook met genetisch onderzoek eventuele gekende of nieuwe mutaties trachten op te sporen.
(42)
Therapie en prognose
De ziekte is zeer progressief en ernstig, vaak sterft de patiënt voor de leeftijd van twee jaar.(42)
Frequent overlijden ze aan de gevolgen van respiratoir falen. Spontane genezing komt bij aantasting
van complex I niet voor. (20;42)
Algemene maatregelen die kunnen genomen worden zijn : het vermijden van de toxische effecten van
medicatie zoals valproaat, aspirine, aminoglycoside antibiotica en antiretrovirale medicatie. (43)
Daarnaast wordt er soms een lichte verbetering gevonden na toediening van coenzymes of vitamines
die ofwel deel uitmaken van de complexen ofwel de toxische metabolieten bufferen: namelijk
thiamine, L-carnitine, coenzyme-Q. (20;43)
Daarnaast worden soms antioxidanten gegeven die de vrije zuurstofradicalen trachten te verlagen zoals
vitamine C, E, en N-acetylcysteine.
Een studie toonde een verbetering van de externe oftalmoplegie bij een patiënt met een NDUFV1
mutatie na toediening van een ketogeen dieet, de andere symptomen bleven echter ongewijzigd. (43)
27
Leigh-like syndroom.
Zoals de naam reeds zegt lijkt dit syndroom heel erg op het Leigh-syndroom , maar komen alle
gevonden bevindingen niet helemaal overeen met het ‘typische’ Leigh-syndroom. In de literatuur is
het niet altijd even duidelijk wat ze beschouwen als Leigh-like syndroom. Sommige beschouwen
Leigh-like als het syndroom waarbij de klinische symptomen overeen komen met Leigh-syndroom,
maar alle diagnostische gegevens niet. Andere vinden wel deze ‘typische’ diagnostische gegevens,
maar niet de ‘typische’ klinische symptomen en beschouwen dit als Leigh-like syndroom. De meeste
onderzoekers refereren voor de term Leigh-like naar de definitie van Rahman et al (1996). Hij
omschrijft het syndroom als volgt:
“ De term Leigh-like syndroom wordt vaak gebruikt voor individuen met klinische en andere
bevindingen die sterk suggestief zijn voor Leigh syndroom, maar die niet de typische diagnostische
criteria vervullen. Onder andere door atypische neuropathologie: variatie in de distributie of het
karakter van de laesies, of andere ongebruikelijke bevindingen zoals extensieve corticale destructie.
Hierbij kan men ook atypische of normale beeldvorming terugvinden, normale lactaat niveaus in bloed
of cerebrospinaal vocht . Ook bij incomplete evaluatie wordt de term Leigh-like gebruikt “(48)
Wij proberen het klinisch onderscheid te illustreren tussen Leigh en Leigh-like syndroom aan de hand
van volgende casus :
Een jongen werd geboren na 38 weken zwangerschap. Beide ouders zijn gezond. Hij had lichte
dysmorfische kenmerken zoals grove gelaatsuitdrukking, gespleten oogleden, gespleten lip, korte
distale vingerkootjes en een palmaire plooi. Verder had hij groeiachterstand en psychomotorische
achterstand. Toen hij 21 maanden was, kreeg hij een zware aanval met braakneiging, slaperigheid,
myoclonus, algemene hypotonie, hypotermie, bradypneu en bradycardie waardoor hij sterk achteruit
ging. De symptomen wezen op een erge beschadiging van de hersenstam. Verder had hij een
hypertrofe cardiomyopathie. Andere organen waren schijnbaar niet aangetast. Het lactaat niveau was
verhoogd in cerebrospinaal vocht. Een NMR van de hersenen toonde bilaterale T2 hyperintensiteiten
in de substantia nigra en in de dorsale kolom van de medulla oblongata. Spierbiopt toonde
verminderde complex I activiteit aan. Genetische analyse toonde een G13513A mutatie van ND5.
Deze mutatie bleek in de studie van Chol et al. (2003) verantwoordelijk te zijn voor 21% van de
patiënten met complex I deficiëntie en Leigh/Leigh-like syndroom. (59)
Algemeen wordt gesteld dat patiënten met Leigh-like syndroom meestal geen respiratoire stoornissen
hebben en weinig of geen oogproblemen, maar wel vaker een myopathie met later tijdstip van
optreden. Daarnaast zien we ook hypotonie, dystonie, neuropathie , gedragsveranderingen en
epileptische aanvallen. (20)
28
Syndromen veroorzaakt door punt mutaties in het mitochondriale DNA .
De volgende drie syndromen LHON, MELAS en MERRF hebben gemeenschappelijk dat ze allen
worden veroorzaakt door puntmutaties van het mtDNA in genen die coderen voor complex I en/of
andere complexen van de respiratoire keten. Ze kunnen de novo ontstaan, maar worden meestal
maternaal overgeërfd
LHON ( Leber hereditary optic neuropathy)
Inleiding
Deze ziekte werd voor het eerst beschreven door een Duitse oftalmoloog Theodore Leber ( 18401917). Hij merkte het visuele verlies op bij gezinsleden van vier families. (5;6;60)
Deze mitochondriale ziekte is uniek, in die zin dat het in zijn typische vorm slechts één orgaan aantast.
Het betreft namelijk een geïsoleerde atrofie van de optische zenuw. (6;61)
Epidemiologie
Volgens een meta-analyse van Mascialino B et al. is de prevalentie in Europa 1 op 45000 (62) Het tast
vaker mannen aan. (6;60) De oorzaak hiervan is nog niet helemaal duidelijk, men denkt dat een Xlinked factor hierin een rol kan spelen(6;63) of andere anatomische, hormonale en fysiologische
factoren. (60) Verschillende studies rapporteren een vrouw-man ratio die varieert tussen 1op 2 en 1 op
8.(61) De aantasting van de ogen start meestal gedurende de adolescentiejaren. (51;61)
Genetische oorsprong
Van alle patiënten met LHON hebben meer dan 90%
een mutatie in mitochondriale DNA gecodeerde
complex I genen , meer bepaald in T14484C (ND6) ,
G11778A (ND4), en
G3460A (ND1). (5;6;60;61;64)
Slechts een kleine minderheid wordt veroorzaakt
door andere mtDNA mutaties, waarvan de meeste in
de ND genen (61)
Figuur 14 Tabel met de LHON- mutaties in de structurele
subeenheden van complex I met hun vermoedelijke prevalentie (6)
29
Meestal zijn deze mtDNA mutaties homoplasmisch. Heteroplasmie komt echter ook voor. (51;61)
LHON wordt dus maternaal overgeërfd. (5;6;60)
De mutatie G14459A heeft een grote klinische variabiliteit waarbij man en vrouw gelijk worden
aangetast. (61;65) Hierbij kunnen we drie verschillende klinische manifestaties krijgen: namelijk
LHON alleen, LHON plus een fenotype (vaak dystonie) of pediatrische dystonie. Pediatrische
dystonie begint meestal voor het vijfde levensjaar en wordt gekenmerkt door basale ganglia dysfunctie,
spasticiteit, korte gestalte en encefalopathie . (6;65)
De drie meest frequente mutaties G3460A, G11778A en T14484C zijn verantwoordelijk voor een
respectievelijk ernstig, gematigd en eerder mild ziektebeeld.(61)
Klinische symptomen.
Bij slechts 50 procent van de mannen en 10 procent van de vrouwen die één van de drie kenmerkende
mutaties heeft, ontstaat visueel verlies (5;6;60) Hierdoor denkt men dat naast een genetische oorzaak
ook bijkomende mutaties en omgevingselementen bijdragen tot de expressie van LHON. Een gegeven
dat nog verder onderzocht moet worden. (5;6;60;61)
Bij de patiënten die wel de ziekte ontwikkelen, krijgen we in zijn typische vorm een geïsoleerde
atrofie van de optische zenuw. Dit zorgt voor een bilateraal subacuut verlies van het centraal zicht.
(6;60)
De aantasting begint meestal tussen de 18 en 30 jaar waarbij de aantasting snel progressief en ernstig
is. (60)
Het verloop wordt gekenmerkt door drie fases.
Presymptomatische fase
Bij de meeste patiënten krijgen we eerst een presymptomatische fase, deze gaat gepaard met
peripapillaire microangiopathie gekenmerkt door gedilateerde en tortueuze venen. (61) Deze fase kan
jaren duren of zelfs levenslang zijn (5;61)
Acute fase
In de meerderheid van de gevallen gebeurt de aantasting van de ogen bilateraal. Beide ogen worden
gelijktijdig aangetast (25%) of het andere oog krijgt de symptomen iets later (mediaan van acht weken)
(75%). (6;60)
Bij de patiënt ontstaat een wazig, troebel zicht, het onderscheiden van kleuren wordt moeilijker. De
patiënt echter ervaart geen pijn en de pupilreflexen blijven bewaard. (6)
30
Chronische fase
Na ongeveer zes maanden stabiliseert het visuele verlies. Hierbij is de atrofie van de optische zenuw
significant. (6;61)
De dikte van de retinale zenuw correleert met de klinische status van de patiënt. De zenuw wordt
geleidelijk aan dunner. Dit zien we echter ook bij ADOA (autosomaal dominante optische atrofie). Het
onderscheid kan gemaakt worden door genetisch onderzoek. Bij ADOA betreft het een mutatie in het
OPA1 gen. (61)
Associaties
De grootste groep heeft enkel een geïsoleerde aantasting van de optische zenuw. Een kleinere groep ,
die LHON plus genoemd wordt, heeft daarnaast ook nog andere neurologische symptomen zoals
cerebellaire ataxie, psychomotorische regressie, parkinsonisme en encefalopathie. (6;51;60;61;61)
Myopathie en cardiomyopathie komen zelden voor. (51) Een kleine minderheid van LHON dragers,
vooral blanke vrouwen met de G11778A, ontwikkelen klinische kenmerken van multiple sclerose. (51)
Een mutatie in ND1, meer bepaald A3697G zorgt voor de associatie van LHON en spastische dystonie.
(18) De mutatie A3376G in ND1 en de mutatie G13513A in ND5 zorgen voor het overlap syndroom
LHON/MELAS. Hierbij krijgen we klinische manifestaties van beide syndromen. (66;67)
Illustratieve casus
Een viertienjarige jongen meldde zich aan met klachten van visueel verlies in beide ogen sinds een
maand. Het visueel verlies was gradueel en pijnloos. Er waren geen andere symptomen. De patiënt
vermeldde geen oculair trauma of neurologische klachten. Zijn oudere zus had dezelfde klachten
gehad, toen zij elf jaar was. Zij had eveneens een gradueel , pijnloos gezichtsverlies dat uiteindelijk
leidde tot blindheid van beide ogen. Fundus onderzoek van het oog bij haar toonde een bilateraal
optische atrofie. Andere familieleden hadden geen oogklachten.
De jongen werd geëvalueerd, zijn gezichtsscherpte bedroeg 6/60 in beide ogen.. Pupilreflexen waren
aanwezig. Hierna werd genetisch onderzoek verricht naar de drie frequentste mutaties van LHON. De
mutatie G3460A werd gevonden bij de patiënt zelf, al zijn broers en zussen en bij zijn moeder. Dit
toont het maternale overerving aan van deze ziekte, en de variabele klinische expressie van de
mutatie.(63)
31
Figuur 15 Familiestamboom van de patiënt ( aangeduid met zwarte pijl). De familieleden met een mutatie worden
aangeduid met een plus-teken. Personen met klinische symptomen zijn zwart aangekleurd ( oudere zus en patiënt
zelf)(63)
Diagnose
De diagnose wordt gesteld op basis van de klinische
geschiedenis. Daarnaast kan bijkomend oogonderzoek de
waargenomen klinische symptomen bevestigen. Zo wordt bij
fundoscopie peripapillaire microangiopathie met
telangiëctasiën en zwelling van de retinale zenuwlaag
vastgesteld.(6;60)
Op de foto zien we een centrocoecaal scotoom, een
karakteristiek defect van LHON. (5)
Figuur 16 Illustratie van een
centrocoecaal scotoom(5)
Wegens het maternale overervingskarakter is een positief ziektebeeld bij familieleden eveneens zeer
suggestief voor LHON. Bij een negatieve maternale familiehistorie, kan bijkomend genetisch
onderzoek naar de gekende mutaties de diagnose bevestigen. (60)
Prognose en Therapie
De ernst van de symptomen verschilt tussen de patiënten en zelfs binnen verschillende aangetaste
leden van de familie. Soms kan lichte perceptie bewaard blijven en kan zelfs het zicht gedeeltelijk
terug verbeteren, ook na een aantal jaren. (61) Het hangt vooral van de soort mutatie af of het zicht al
dan niet gedeeltelijk bewaard blijft.(6;60) Het grootste herstel ziet men bij de T14484C mutatie. De
patiënten met de G11778A mutatie hebben de laagste herstelgraad. (5;6;60) Ook de leeftijd speelt
enige rol: hoe jonger de patiënt bij het tijdstip van optreden van de symptomen, hoe meer kans op
herstel (5). Hoe dan ook, voor de meerderheid van de patiënten leidt dit syndroom tot permanente
blindheid. (6)
32
Figuur 17 Tabel met de frequentste mutaties van LHON en hun respectievelijke mediane onset, man-vrouw ratio en
visueel herstel percentage (6)
Er is momenteel geen behandeling voor LHON. Er zijn studies die een versnelling van het herstel
rapporteren na toediening van idebedone en vitamine B12 en C. (6;60) Veelbelovende resultaten
worden gemeld met gentherapie, toegepast op dierenmodellen, waarbij onderzoekers de fouten in het
mitochondriaal gen proberen op te lossen door gedeeltelijk het mtDNA gen te recoderen en via
virussen in de nucleaire genetische code te integreren. Verder onderzoek is noodzakelijk.(60)
Oftalmologische symptomen bij complex I
De retina is een orgaan dat veel energie vraagt, vandaar dat we bij mitochondriale ziekten en dit ook
bij complex I-deficiënties, heel vaak aantasting zullen zien van de ogen. Als illustratie hiervan een
studie van Fahnehjelm KT et al.(2011). Zij onderzochten dertien personen met complex I deficiëntie.
Twaalf van deze patiënten hadden oftalmologische symptomen. Vier van de tien patiënten hadden
verlies in gezichtsscherpte . Elf patiënten vertoonden problemen met de oogbewegingen, vooral
saccade-oogbeweging deficiënties. Vijf patiënten vertoonden optische atrofie , bilateraal in vier
patiënten. Bij vier broers en zussen toonde de optische atrofie een gelijkenis met LHON. Deze
patiënten hadden ook de G11778A mutatie. Een operatie voor cataract werd uitgevoerd bij één patient,
een andere patiënt toonde retinale pigmentatie en ptosis. Slechts één patiënt vertoonde geen
pathologische oogsymptomen. (68)
33
MELAS (Mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes )
Inleiding
Het MELAS syndroom werd voor het eerst besproken in 1984 door Pavlakis et al. Het wordt
beschouwd als één van de meest voorkomende mitochondriale encefalopathieën. (69) Door de
polygenetische oorsprong van MELAS zien we vaak overlapsyndromen. (67;70)
Epidemiologie
De prevalentie van de populatie wordt geschat tussen 18,4 en 236 gevallen per 100.000 inwoners. (71)
Genetische oorsprong
MELAS wordt maternaal overgeërfd. (13;71) Hiervan is 80 procent drager van een A3243G mutatie
van het mitochondrial tRNA.(13) Hoewel er specifieke mutaties zijn die zorgen voor de manifestatie
van MELAS heeft het een polygenetische oorsprong. Het is geassocieerd met 29 verschillende
puntmutaties, hierbij horen ook de mutaties in de structurele subeenheden ND1 . ND4 , ND5 en ND6
van complex I. (11) Veel van deze mutaties , zijn ook geïnpliceerd in andere mitochondriale
syndromen. Zo komt de associatie LHON/MELAS, MELAS/MERRF , Leigh/MELAS voor bij
mutaties in ND5. (70;72) En LHON/MELAS bij mutaties in ND1. (66) Bij deze overlapsyndromen
krijgen we klinische symptomen van beide syndromen. (14;66;70)
Klinische symptomen
Meestal start de ziekte tussen de twee en tien jaar en dit bij 70 procent van de gevallen. De vroege
psychomotorische ontwikkeling is meestal normaal (hoewel ontwikkelingsachterstand voorkomt (69))
maar het kind heeft vaak een korte gestalte. (73)
Frequente initiële symptomen van MELAS zijn epileptische aanvallen, braakneigingen en
terugkerende hoofdpijn. De epileptische aanvallen zijn vaak geassocieerd met op CVA- lijkende
aanvallen. Deze zijn zeer suggestief voor MELAS. Men noemt ze gelijkend op CVA omdat ze een
niet-ischemische oorsprong hebben. Men denkt als oorzaak aan een metabool probleem, een defect in
de kleine arteriën en hyperemie. Neuronale hyperexcitabiliteit speelt mogelijks ook een rol. (13;74)
Als gevolg van deze CVA’s krijgen de patiënten motorische problemen en/of oftalmologische
symptomen. Oftalmologische symptomen zijn optische neuritis, hemianopsie, optische atrofie,
corticale blindheid, en wisselende gezichtsscherpte alsook pigmentaire retinopathie. (13;69)
Migraine komt in 77 procent van de gevallen voor en is vaak zeer ernstig gedurende de acute fase van
de epileptische aanval. Progressief neuro-sensorieel gehoorverlies word frequent gezien en is vaak een
vroege klinische manifestatie (1/1000 bij geboorte) en tot 75 procent van de MELAS patiënten.(13)
Vermoeidheid, leerstoornissen, depressie en andere psychiatrische aandoeningen zijn een minder
specifieke manifestatie van MELAS, maar komen vaak voor. (13;69)
34
Inspanningsintolerantie of proximale spierzwakte kan de initiële manifestatie zijn. Kaufmann et al.
(2006) vonden dat 23 (77%) van 30 MELAS-patiënten abnormale perifere zenuwgeleiding hadden,
leidend tot evenwichtsstoornissen, tintelingen of gedaald gevoel in de ledematen.(75) Andere studies
spreken van een aantasting bij 22%.(13;51) Het tast meestal de distale onderste ledematen aan en is
progressief en chronisch. (13) Andere minder frequente neurologische manifestaties zijn myoclonus en
ataxie.
Systemisch kunnen we aantasting krijgen van hart, lever, nieren en endocriene klieren. Diabetes
mellitus is één van de meest voorkomende systemische manifestatie van MELAS. Dit vooral echter
met de A3243G mutatie. Deze mutatie kan zorgen voor het volledige klinische beeld van MELAS,
maar kan ook geïsoleerd of oligosymptomatisch voorkomen. Minder voorkomende endocriene
symptomen zijn hypothalamisch hypogonadisme, hypoparathyreoïdie , hirsutisme en bijnier
insufficiëntie. (69)
Conductiedefecten zoals Wolf-Parkinson-White syndroom (76), long QT syndroom en hypertrofische
cardiomyopathie kunnen, hoewel minder frequent, zich manifesteren bij MELAS patiënten.(69)
Renaal zien we soms nefrotisch syndroom door de focale segmentaire glomerulonefritis.(77) Gastrointestinale ongemakken, van constipatie tot gastroparese, komen frequent voor. (69)
Parsons et al (2010) ondervroegen 35 patiënten met MELAS , hiervan hadden 28 patiënten (80%)
autonome symptomen. Gastro-intestinale ongemakken, orthostatische duizeligheid en koude en
ontkleurde handen en voeten waren de meest frequente klachten onder de mutatiedragers. (78)
Hoe langer de ziekte zich manifesteert , hoe meer neurologische defecten we krijgen. In het
eindstadium krijgen we het beeld van een progressieve accumulatie van neurologische defecten, vaak
geassocieerd met dementie. (13)
Ter illustratie volgende tabel die het
percentage toont van de klinische symptomen
van 45 patiënten met MELAS.
Hoofdpijn, geheugenproblemen, gehoorverlies
en inspanningsintolerantie bleken in deze
studie de meest frequente symptomen te zijn.
(13)
Figuur 18 Tabel met de klinische symptomen van 45
patiënten met MELAS en hun respectievelijke
incidentie(13)
35
Illustratieve casus
Een meisje van 5 jaar met voordien normale ontwikkeling kreeg angstaanvallen en leerproblemen op
school. Toen ze 11 was ontstonden gehoorproblemen. De diagnose van doofheid voor de hoge tonen
werd bevestigd toen ze 14 was. Toen kreeg ze ook last van hoofdpijn, braakneigingen en verschillende
focale epileptische aanvallen. Op NMR en CT zag men een infarct van de pariëtale kwab, later werd
ook aantasting van de occipitale, frontale en temporale kwabben vastgesteld. De lactaat niveaus in
bloed en in cerebrospinaal vocht waren verhoogd. De CVA’s , epileptische aanvallen, corticale
blindheid en andere neurologische symptomen zorgden ervoor dat haar IQ sterk verzwakte. In haar
familie hebben haar zus en halfzus klachten van vermoeidheid, alsook hun moeder, die daarbij ook de
hoge tonen niet kan horen en milde glucose intolerantie heeft. Genetisch onderzoek werd verricht en
een mutatie in de ND1 gen werd verantwoordelijk geacht voor het ontstaan van dit klinische MELAS
beeld. De mutaties werden heteroplasmisch teruggevonden in spierbiopten en huidfibroblasten waarbij
de mutatieload ook correleerde met de aantasting van complex I. (79)
Diagnose
MELAS wordt gekenmerkt door een triade van symptomen die ‘bijna’ altijd voorkomen.
1. Een CVA-lijkende aanval voor de leeftijd van 40 jaar.
2. Encefalopathie gekarakteriseerd door epileptische aanvallen, dementie of beiden.
3. Mitochondriale myopathie, bewezen door lactaat acidose en/of ragged red fibers (RRF) op
spierbiopsie.
Studies wijzen erop dat de lactaat acidose, gemeten in serum of CSF, aanwezig is in 94 procent
van de gevallen. Epileptische aanvallen bij 96 procent van de gevallen en op CVA-lijkende
accidenten in 99 procent van de gevallen (13)
Om de diagnose te bevestigen zijn volgens Hirano et al (1992) twee van de volgende ook noodzakelijk.
1. Normale vroege psychomotorische ontwikkeling
2. Terugkerende hoofdpijn
3. Frequente braakneigingen.
Naast de klinische symptomen en verhoogde lactaatniveaus kan beeldonderzoek een bijdrage leveren
tot de diagnose (NMR beelden die asymmetrische laesies tonen in de occipitale en temporale lobes).
36
De mutaties worden opgespoord in de leukocyten van de patiënten of als alternatief in de
huidfibroblasten, mondmucosa of urinesediment van de patiënt.
Een spierbiopt wordt niet enkel gebruikt om mutaties op te sporen , maar ook om de ragged red fibers
vast te stellen. Dit histologisch beeld krijgt men met een gemodificeerde ‘ Gomori trichrome stain ‘,
de aangetaste mitochondria stapelen zich op in het sarcolemma van de spiervezels en dit geeft het
typische histologische beeld. Ragged red fibers zijn sterk suggestief voor mitochondriale
ziekten(69;80)
Prognose en therapie
Hoewel men soms wat verbetering vaststelt , vindt men echter vaak een progressie van de ziekte. De
typische leeftijd waarop de patiënt overlijdt, ligt tussen de tien en 35 jaar. Intercurrente infecties of
intestinale obstructie zijn vaak het laatste stadium van de ziekte. (73)
Een curatieve behandeling is niet beschikbaar, louter een symptomatische. Het neuro-sensorieel
gehoorverlies kan behandelend worden met een cochleair implant. De epileptische aanvallen reageren
positief op anticonvulsie medicatie. Harttransplantatie wordt voorgesteld bij erge cardiomyopathie.
Met dieet en lichaamsbeweging probeert men het risico van het vroeg ontwikkelen van diabetes te
temperen. (43;69). Andere therapiestrategieën omvatten, onder andere, het geven van antioxidanten,
cytochrome C, vitamine K en C, cofactoren zoals thiamine, riboflavine, humanine.(69) Veel patiënten
nemen een mitochondriale cocktailmedicatie die coenzyme Q10, carnitine, creatine en vitamine E
bevat. (13;69) Onderzoek wordt gedaan met L-arginine.(69) Dit is een donor van NO en werkt als
een vasodilatator van microcirculatie in de hersenen. Het geeft enige hoop in de behandeling van
cerebrovasculaire accidenten waar het de gevolgen van een acute cerebrovasculaire aanval lijkt te
beperken en de frequentie schijnt te doen dalen. (13;43)
MERRF ( Myoclonic epilepsy with ragged red fibers)
Inleiding
Myoclonische epilepsie geassocieerd met abnormaliteiten van de skeletspieren werd voor het eerst
besproken door Tsairis et al ( 1973) . De acroniem myoclonische epilepsie met ragged red fibers
(MERRF) werd gegeven door Fukuhara (1983). Hierdoor wordt soms ook de term Fukuhara-ziekte
gebruikt in de literatuur. (81)
37
Epidemiologie
De prevalentie van het MERRF -syndroom is niet goed gekend. Drie epidemiologische studies die
mtDNA gerelateerde ziektes onderzochten in noord-Europa gaven volgende prevalenties voor de
A8344G mutatie. (Deze mutatie is verantwoordelijk voor 80% van de gevallen van MERRF . )
0-1,5 op 100000 volwassen personen in Noord-Finland Remes et al (2005)
0,25 op 100000 volwassen personen in Noord-Engeland Chinnery et al (2000)
0-0,25 op 100000 kinderen in West-Zweden Darin et al (2001)
Genetische oorsprong
Hoewel er enkele spontane gevallen van mutaties zijn beschreven, betreft de grote meerderheid een
maternaal overgeërfde mutatie. In ongeveer 80% van de gevallen is MERRF toe te schrijven aan een
mutatie in A8344G van het tRNA(Lys) gen. (51;82) Tien procent van de gevallen wordt veroorzaakt
door mutaties in T8356C, G8361A of G8363A. De overige 10 procent van de patiënten hebben
mutaties in G611A tRNA(Phe) gen), G15967A (tRNA(Pro) gen), of T3272C.(51)
Deze mutaties zorgen voor een defect in de translatie van mtDNA gecodeerde geven, waardoor
bepaalde aminozuren niet meer kunnen worden ingebouwd in de eiwitten. Men krijgt deficiënties in de
aanmaak van complex I, III en IV. (81;81)
Klinische symptomen
De meeste kinderen hebben een normale ontwikkeling gedurende de eerste levensjaren, hoewel ze
soms een korte gestalte hebben. Meestal beginnen de symptomen op kinderleeftijd, hoewel ook al
gevallen beschreven zijn met de eerste symptomen op volwassenleeftijd. (81;82)
Een van de eerste symptomen zijn de epileptische aanvallen. Kenmerkend voor MERRF is het
voorkomen van myoclonus : korte spiertrekkingen van het lichaam die focaal of gegeneraliseerd
kunnen voorkomen. (81;83) De myopathie of spierzwakte zorgt ervoor dat de kinderen snel vermoeid
zijn en problemen krijgen met wandelen of oogbewegingen . We zien ptosis van de ogen, daarnaast
kan de retina aangetast worden waardoor ze ’s nachts minder zien , optische atrofie kan ook ontstaan
waardoor ze uiteindelijk blind worden. (81) Naast slechtziendheid , komt slechthorendheid ook
frequent voor. (81;84) Ze hebben moeilijkheden met het coördineren van hun bewegingen (ataxie) en
verliezen het gevoel in hun extremiteiten door perifere neuropathie. (51) Progressieve stijfheid komt
frequent voort. Daarnaast vindt men trage achteruitgang van IQ en verder ziet men ook dementie.
38
Soms ziet men een cardiomyopathie (51;81) Zelden zien we lipomas (85), parkinsonisme, myalgie of
plots respiratoir arrest (51)
Ter illustratie volgende tabel waarbij de
symptomen bij 62 patiënten met MERRF en
hun respectievelijke percentages vermeld zijn.
Myoclonus , epileptische aanvallen en een
normale vroege ontwikkeling bleek in deze
studie aanwezig te zijn bij alle patiënten.
Figuur 19 Tabel van de symptomen van 65 patiënten
van MERRF en hun respectievelijke percentages (86)
Soms is het moeilijk om een onderscheid te maken tussen MELAS en MERRF. In de volgende tabel
ziet u de grootste verschillen tussen de twee syndromen. (83)
Het overlapsyndroom MELAS/MERRF
heeft kenmerken van beide syndromen.
Mutaties in ND5 blijken een hotspot te zijn
voor dit specifiek overlapsyndroom. (87;88)
Figuur 20 Vergelijking van de grootste verschillen in klinische en genetische karakteristieken van MELAS en
MERRF .(83)
39
Illustratieve casus.
Een jongen had een normale ontwikkelingsstatus tot de leeftijd van 6 jaar. Toen kreeg hij na een
griepepisode gegeneraliseerde epileptische aanvallen gekarakteriseerd door myoclonus en tonischclonische aanvallen. Op de leeftijd van 8 jaar ontwikkelde hij ataxie en zijn aandacht verminderde
sterk. Klinisch onderzoek toonde gegeneraliseerde hypotonie, ataxie en neuro-sensorieel
gehoorverlies. Neuropsychologisch onderzoek toonde een progressieve deterioratie van de cognitieve
en motorische vaardigheden. Op school ging het steeds minder goed en zijn schoolresultaten begonnen
er onder te lijden. Neurofysiologisch onderzoek toonde perifere sensoriële en motorische neuropathie
en elektromyografie toonde myopathie aan. Hier was opmerkelijk dat de biochemische analyse van
lactaat in het bloed normaal was. Spierbiopsie toonde de ragged-red fibers. De moeder had sinds haar
adolescente jaren last van migraine-aanvallen. De grootmoeder langs moeders kant had hypertrofische
cardiomyopathie. De zus van de moeder was gestorven aan een hartstilstand op de leeftijd van 22 jaar.
Andere familieleden langs moeders kant bleken gezond. Bij genetisch onderzoek werd de G8361A
mutatie van het mitochondriale tRNA Lys gen gevonden. (89)
Diagnose
De diagnose wordt gesteld op basis van de klinische symptomen met daarnaast, zeer kenmerkend voor
MERRF , het vinden van de ragged red fibers in het spierbiopt. Slechts in zeldzame gevallen vindt
men een MERRF -syndroom zonder dit histologisch bewijs. (82) Op
volgende illustratie ziet u een voorbeeld van het histologisch beeld van de
ragged red fibers. Beeldvorming en biochemische analyse kunnen ons
verder helpen bij de diagnose. Familiale geschiedenis is zeer belangrijk,
en genetisch onderzoek wordt verricht om de mtDNA mutaties op te
sporen.(82;83)
Figuur 21 Illustratie van ragged red fibers (82)
Prognose en therapie
Prognose hangt sterk af van de leeftijd van tijdstip van optreden , de orgaanaantasting en ernst van de
symptomen. (81;82)
Er is geen behandeling voor MERRF . Aan sommige patiënten geeft men coenzyme Q10, L-carnitine
en verschillende vitamines, vaak in een ‘cocktail’ combinatie. De epileptische aanvallen tracht men
onder controle te krijgen met anticonvulsiva. (81;82)
40
KSS (Kearns-Sayre Syndroom)
Inleiding
Deze ziekte werd voor het eerst beschreven in 1958 door Thomas P. Kearns en George Pomeroy Sayre.
Dit syndroom is een zeldzame manifestatie van een mitochondriale dysfunctie.(90)
Epidemiologie
Omdat het zo’n zeldzaam syndroom is, is de incidentie ongekend. (91)
Genetische oorsprong
Dit syndroom is het resultaat van verschillende single deleties of translocaties van het mtDNA.
Hierdoor krijgt men deficiënties in complex I, IV en V. Meestal betreft het hier niet een overgeërfde
vorm, maar gebeuren de mutaties spontaan en de novo. (51;90) In sommige gevallen is een
autosomaal dominant of recessief patroon vastgesteld. Het risico tot maternale overerving wordt
geschat 1 op 24. (90)
Klinische symptomen
De symptomen starten meestal voor de leeftijd van 20 jaar. (92) Het syndroom wordt gekenmerkt door
volgende triade van symptomen. (90;91;93)
1: Chronische progressieve externe oftalmoplegie.
2. Degeneratie van het retina-pigment.
3. Hartproblemen.
De chronische progressieve externe oftalmoplegia word gekenmerkt door een traag progressieve
verzwakking van de oogspieren en vermindering van de oogbewegingen. De oogleden hangen neer en
we krijgen bilaterale ptosis van de ogen. (90;94)
De degeneratie van het retinale pigment zorgt ervoor dat de patiënt ’s nachts slechter gaat zien of
nachtblindheid ontwikkeld. Cataract kan ook ontstaan. (90)
Kenmerkend voor KSS zijn de hartproblemen. In 57% van de gevallen van KSS krijgt men te maken
met volgende manifestaties: Adem-Stokes syncopes, congestief hartfalen , bradycardie , myopathie en
hartstilstand. Wanneer het hart aangetast is, krijgt men heel frequent te maken met een conductiedefect.
Verlengde interventriculaire conductietijd of volledige AV-blok.
41
Op ECG vindt men typisch een PR-interval verlenging die een tweede of derde graads AV-blok
voorafgaat. Plotse cardiale dood wordt gerapporteerd in 20% van de gevallen (90;92;95)
Naast deze triade kan het Kearns-Sayre syndroom verschillende orgaansystemen aantasten.
Naast inspanningsintolerantie komt spierzwakte voor. Ze is eerder proximaal dan distaal aanwezig.
Ook dysfagie door perifere neuropathie of door cricofaryngeale achalasie. Verder zien we
encefalopathie, cerebellaire ataxie, neuro-sensorieel gehoorverlies, bilaterale faciale zwakte,
cognitieve defecten, vermindering in mentale status en dementie. (90;92;94;96)
KSS wordt ook geassocieerd met verschillende endocriene en metabole stoornissen. Een korte gestalte
(38 % ), (93) diabetes mellitus ( 13%) , groeihormoon deficiëntie, hypoparathyreoïdie met
epileptische aanvallen veroorzaakt door hypocalcemie, hypogonadisme (20%) , bot en tandcalcificatie
abnormaliteiten, onregelmatige menstruele cycli, vertraagde puberteit, trage groei, en proximale renale
tubulaire acidose. (90;96)
Illustratieve casus
Een 16-jarige jongen presenteerde zich met graduele progressieve verzwakking van armen en benen
gedurende de laatste twee maanden. Hij kon niet meer goed wandelen of terug goed rechtop komen.
Verder had hij progressieve visuele problemen waaronder nachtblindheid. Hij had
ontwikkelingsachterstand en een IQ van 50. Hij kon niet goed spreken. Zijn cognitieve en sociale
functies waren relatief gespaard. Daarnaast heeft hij een syncope gehad die gevolgd werd door stupor
en bradycardie waarvoor een pacemaker werd geplaatst. Bij klinisch onderzoek kon men de
oftalmoplegie van de laterale rectusspier vaststellen, beperkte oogbewegingen, laaghangende oogleden
en milde ptosis. Fundoscopie toonde retinitis pigmentosa aan. Neurofysiologisch onderzoek
bevestigde de neuropathie die proximaal erger bleek te zijn dan distaal. Spierbioptie ter hoogte van de
dij en een oogspier toonde een sterk verminderde mtDNA hoeveelheid tussen baseparen 742 en 3134
wat de diagnose van Kearns-Sayre syndroom bevestigde. (90)
Diagnose
De diagnose wordt klinisch gesteld en op basis van genetisch onderzoek. Patiënten met KSS vertonen
typisch een deletie van 45-75% van het totale mitochondriale DNA. (91) Daarna helpen radiologische
bevindingen en biochemisch onderzoek de diagnose te bevestigen. (90;94) In het cerebrospinaal vocht
vindt men vaak een verhoogd proteinegehalte. (90)
42
Prognose en therapie
De morbiditeit hangt af van de ernst en het aantal organen dat betrokken is. Cardiaal arrest is frequent
en een doodsoorzaak die te vermijden is mits regelmatige controle. Zo is een jaarlijks ECG en
echocardiografie sterk aan te raden. Audiometrie en bloedonderzoek voor de endocriene stoornissen
worden aanbevolen. Aangezien het syndroom progressief is , is de afloop altijd fataal. Meestal
overlijden de patiënten tussen de 30 en 50 jaar. (90;91)
Er is geen behandeling beschikbaar. Symptomatische behandeling van de pathologische manifestaties
helpen de patiënten langer te overleven. De implantatie van een pacemaker bij patiënten met ECG
abnormaliteiten doet het risico van plotse cardiale dood dalen.(91) Het geven van coenzyme Q of
vitamines helpt in sommige gevallen van KSS. De resultaten zijn echter niet significant en verder
onderzoek is nodig. (90)
COMPLEX I DEFICIENTIE
Men neemt aan dat ongeveer 40% van alle OXFOS-deficiënties te wijten zijn complex I deficiëntie.
(9;12) Complex I deficiëntie kan veroorzaakt worden door zowel mutaties in mtDNA als in nucleair
DNA.(3;3)
In het algemeen kan men stellen dat mtDNA mutaties kunnen worden onderverdeeld in twee groepen:
de grote herschikkingen ( waarbij men duplicaties en deleties ziet van mtDNA) zoals Kearns-Sayre
syndroom en de puntmutaties in het tRNA Leu gen, het tRNA Lys gen en in de ND genen zoals bij
LHON, MELAS en MERRF (6;13;82;91)
Hiernaast ziet u een tabel van Loeffen et
al ( 2000) waarbij de mtDNA mutaties
die zorgen voor geïsoleerd complex I
deficiëntie en het bijhorende klinische
fenotype vermeld staan. Niet zo recent
qua update van de mutaties, maar
desalniettemin wel een goede illustratie
van de klinische fenotypes van personen
met een complex I-deficientie
veroorzaakt door een fout in het
mitochondriale DNA. (28)
Figuur 22 Tabel met de mtDNA mutaties gevonden bij personen met een geïsoleerde complex I deficiëntie en hun
bijhorende klinische fenotype(28)
43
Daarnaast kunnen ook mutaties in het nucleaire DNA van de structurele subeenheden en assemblage
genen van complex I verder zorgen voor een complex I deficiëntie. (17;24;97) Voor een illustratie van
hun bijbehorende klinische fenotypes ; zie figuur 8 en 9.
Verschillende studies zijn uitgevoerd om de klinische symptomen van patiënten met een complex I
deficiëntie te groeperen. Uit alle verzamelde data blijkt dat we personen die gediagnosticeerd worden
met een complex I deficiëntie kunnen categoriseren in 5 verschillende klinische groepen. Groep 1 :
Leigh en Leigh-like syndroom. Groep 2 : leuko-encefalopathie al dan niet gecombineerd met
macrocefalie. Groep 3: neonatale cardiomyopathie al dan niet gecombineerd met encefalopathie.
Groep 4: fatale infantiele lactaat acidose (FILA). Tenslotte bespreken we in groep 5 de overige
klinische manifestaties die gevonden werden. (18;28)
Heel wat moeilijker is het om de incidentie van de verschillende subgroepen te bepalen aangezien we
nog over te weinig data en diagnoses beschikken. (19) Ter illustratie van de mogelijke incidentie een
studie van Loeffen et al (2000) waarbij 27 patiënten met een complex I deficiëntie werden bestudeerd.
Hiervan hadden 7 patiënten Leigh syndroom , 6 patiënten Leigh-like syndroom, 3 patiënten fatale
infantiele lactaat acidose, 3 patiënten neonatale cardiomyopathie met lactaat acidose, 2 patiënten
macrocefalie met progressieve leukodystrofie en een restgroep van 6 had niet specifieke
encefalomyopathie.(28)
Groep 1 : Leigh-syndroom en Leigh-like syndroom
Deze groep werd hierboven al uitgebreid besproken.
Groep 2 : Leuko-encefalopathie eventueel gecombineerd met macrocefalie.
De leuko-encefalopathie, geassocieerd met specifieke complex I deficiëntie , wordt veroorzaakt door
mutaties in de structurele subeenheden of in de assemblage factoren van complex I. Het is een
progressieve neurologische ziekte. Twee klinische beelden worden gezien: één met snelle onset en
zeer ernstig progressief beeld en een andere met een ietwat latere onset en een tragere progressie.
Vroege onset
Bij deze kinderen zien we vanaf de geboorte een psychomotorische vertraging,
ontwikkelingsmoeilijkheden en groeiachterstand. Heel snel ontstaat een ernstig klinisch beeld
gekenmerkt door ernstige spastische quadriparese en mentale retardatie.
44
Latere onset
Deze kinderen hebben de eerste jaren van hun leven geen klinische symptomen, daarna zien we een
acute onset met focale motorische aantasting en soms epileptische aanvallen. De ziekte is progressief,
maar trager. We zien een sterke vermindering van de motorische functies. De cognitieve functie blijft
echter relatief gespaard.
Op NMR beelden van de hersenen ziet men een diffuse leuko-encefalopathie met holten in de witte
stof van de frontale en temporale kwab. Deze caviteiten kunnen progressief groter worden net als de
ventricula waardoor men een macrocefalie ziet. (17;24;28;43)
Groep 3: neonatale cardiomyopathie al dan niet gecombineerd met encefalopathie.
Neonatale cardiomyopathie heeft een ernstig klinisch verloop, waarbij het jonge kind, snel na de
geboorte hartsymptomen ontwikkelt, vaak door een hypertrofe cardiomyopathie. Neurologische
symptomen zien we niet. Deze kinderen overlijden meestal binnen hun eerste levensjaar.
De gecombineerde encefalo-cardiomyopathie is een ernstige, vaak fatale , mitochondriale ziekte. De
kinderen zijn ernstig ziek bij de geboorte door hartfalen en de lactaat acidose. Klinische symptomen
omvatten hypertrofische cardiomyopathie, ernstige myopathie en/ of centrale hypotonie,
ontwikkelingsmoeilijken en respiratoire moeilijkheden. Andere minder frequente symptomen zijn
microcefalie , faciale dysmorfie zoals lage implantatie van de oren, retrognathie en een prominente
neusbrug. Het klinisch verloop is vaak zeer progressief en ernstig, waarbij de kinderen sterven in de
eerste weken na de geboorte. De kinderen die de eerste maanden overleven hebben psychomotorische
achterstand met vaak gecombineerde oculomotorische aantasting zoals nystagmus. Verder zien
cognitieve problemen, ataxie en myopathie.
De NMR beelden van de hersenen zijn meestal niet specifiek. Daarentegen worden wel hoge
lactaatniveaus ontdekt in bloed en cerebrospinaal vocht. Biochemische onderzoek van de respiratoire
keten in spiercellen of huidfibroblasten leidt meestal tot de diagnose. De complex I-activiteit is vaak
sterk gereduceerd. (12;17;24;28;43)
Groep 4: fatale infantiele lactaat acidose (FILA)
Deze mitochondriale aandoening vertoont één van de ergste klinische beelden. Het wordt gekenmerkt
door enorm hoge lactaat/pyruvaat niveaus in bloed en CSV. Dit zorgt voor een ernstige metabole crisis
kort na de geboorte met secundair hart en respiratoir falen. Ze sterven meestal binnen de eerste weken
na de geboorte. FILA komt vaak gecombineerd voor met complex IV deficiëntie. (14;98)
45
Groep 5: varia
In deze groep beschrijven we de symptomen die patiënten met complex I deficiëntie krijgen, maar die
niet echt in één van de andere groepen kunnen ondergebracht worden.
Een patiënt met een complex I deficiëntie kan symptomen krijgen die uitsluitend te maken hebben met
een aantasting van de spieren: een myopathie. De voornaamste symptomen hierbij zijn spierzwakte en
inspanningsintolerantie waarbij we een variabele graad zien in tijdstip van optreden en ernst. (99)
Aantasting van de spieren gebeurt vaak in de ogen , waarbij men een progressieve externe
oftalmoplegie (PEO) en ptosis kan zien. (100-102) De spierzwakte in hoofd en nek zorgt er, onder
andere, voor dat de patiënt moeilijk kan spreken en verder moeilijkheden krijgt bij het slikken. Bij
aantasting van ledematen en romp krijgt men problemen met wandelen, waardoor vele personen in een
rolstoel belanden. (99)
De inspanningsintolerantie is zeer variabel in ernst, sommige personen krijgen alleen last bij
zwaardere fysieke inspanning, terwijl andere al klachten ondervinden bij alledaagse activiteiten. Dit
kan gepaard gaan met klachten van spierkrampen en rhabdomyolyse. (41;97)
Verder heeft de patiënt vaak symptomen van een encefalomyopathie waarbij naast de myopathie ook
neurologische verschijnselen waar te nemen zijn waaronder oogspierparalyse, retinopathie,
gehoorverlies, epileptische aanvallen, dementie, ataxie en myoclonus. Deze symptomen kunnen alleen
of samen voorkomen, maar hebben vaker een vroegere onset en ernstiger verloop. (12;30;39)
Ter illustratie twee casussen van patiënten met complex I deficiëntie die neurologische symptomen
hadden, maar die in geen enkele specifieke voorgaande groep thuisbehoren.
Patiënt 1 had ernstige neonatale hypotonie, dysmorfie, epileptische aanvallen en symptomen van
hersenstamaantasting. Hij stierf 2 maanden na de geboorte. Lactaat niveaus waren extreem hoog en
complex I –activiteit extreem laag. (103)
Patiënt 2 kreeg maanden na de geboorte progressieve dystonie en athetose : een trage ononderbroken
stroom van kronkelende bewegingen van vingers, handen en nek. NMR toonde abnormaliteiten in het
putamen. Complex I activiteit was zeer laag in spierweefsel, maar normaal in fibroblasten. Zijn
oudere broer is gestorven na gelijkaardige symptomen op de leeftijd van 4 jaar. (103)
Andere klinische symptomen die occasioneel teruggevonden werden in de literatuur bij patiënten met
een aantasting van complex I waren hepatomegalie met renale tubulopatie (29;31), cardiomyopathie
met cataract (31), cataract en ontwikkelingsachterstand (31), adrenale calcificaties en lactaat acidose
(97).
46
DE ROL VAN COMPLEX I IN NEURODEGENERATIEVE ZIEKTEN
De laatste jaren is er groeiende interesse in de rol van mitochondriale ziekten als oorzaak van de
neurodegeneratieve ziektes. Dit omdat we bij neurodegeneratieve ziektes zoals de ziekte van
Parkinson, de ziekte van Alzheimer , de ziekte van Huntington en amyotrofe laterale sclerose vaak een
aantasting zien van één of meerdere mitochondriale complexen. (104-107) Vooral aantasting van
complex I en III wordt geassocieerd met deze ziektes. (107)
De hamvraag die we hierbij moeten stellen is de volgende: zorgen de neurodegeneratieve ziektes voor
aantasting van de mitochondria of is het juist de dysfunctie van de mitochondriale complexen die
verantwoordelijk is voor het ontstaan van deze leeftijds-gerelateerde ziektes? (106)
Neurodegeneratieve ziekten worden gekarakteriseerd door een gradueel verlies van neuronen in
bepaalde zones van het centraal zenuwstelsel. Hoge zuurstofnood, hoge productie van ROS, zuurstofgevoelige vetten, een lage antioxidatie verdediging en beperkte vernieuwing en regeneratie capaciteit
van neuronen maken de hersenen uitermate gevoelig aan zuurstofveranderingen (108)
Onderzoekers vermoeden dus dat aantasting van de respiratoire complexen en de daarbij horende ROS
productie schade induceert in de gevoelige neuroncellen. Daarnaast zien we ook bij het ouder worden
een accumulatie van mutaties in de mitochondria die eveneens de neuroncellen kan schaden. (104;107)
Zo worden bij deze vier neurodegeneratieve ziektes mtDNA mutaties en vermindering van complex Iactiviteit vastgesteld (al dan niet gecombineerd met aantasting van de andere mitochondriale
complexen). (105;106;109;110) Men gaat ervan uit dat de oxidatieve stress, door verhoogd ROS,
schade en energieverlies induceert in de neuronen waardoor het klinisch verloop van deze ziekten
beïnvloed wordt. (109;110)
47
DISCUSSIE
De behandeling van een complex I deficiëntie is een enorme uitdaging wegens de complexe
genetische oorsprong en de verschillende klinische symptomen. Tot heden is er geen curatieve
behandeling mogelijk. De behandeling is louter symptomatisch waarbij vaak een multidisciplinaire
aanpak noodzakelijk is. Een belangrijk aspect gaat naar de revalidatie met o.a. fysio- en ergotherapie,
gericht op o.a. energiemanagement en het in stand houden van lichamelijke functies. Verder is
psychologische en familiale steun sterk aangewezen. (9;99;111;112)
Hoewel studies en resultaten elkaar tegenspreken, blijken er wel een aantal middelen te zijn die bij
sommige patiënten kunnen helpen de symptomen te verminderen en de progressie van de ziekte
mogelijk te vertragen.
Zo wordt aan de patiënten vaak een mitochondriale cocktail therapie aangeboden dat L-carnitine ,
coenzyme Q10 en riboflavine bevat. (69;113)
Coenzyme Q10 is een lipofiele mobiele elektronendrager , gelokaliseerd in het binnenste
mitochondriale membraan. Defect van coenzyme Q10 zorgt ervoor dat de elektronen niet meer goed
doorgegeven worden van complex I en II naar complex III. Daarnaast zou het ook de reactieve
zuurstofradicalen bufferen. Daardoor zou het geven van extra coenzyme Q10 enig voordeel kunnen
geven bij mitochondriale aandoeningen.(111)
Riboflavine of vitamine B2 is een precursor van FMN en FAD. Ze zijn cofactoren van complex I en
III. De riboflavine zou de proteolytische afbraak van complex I inhiberen, wat kan leiden tot een
verhoogde complex I activiteit. In sommige patiënten leidt dit tot een verbetering van de spiertonus,
inspanningsintolerantie en normalisering van de serum lactaat niveaus. Hoewel de resultaten variëren
van studie tot studie, demonstreren ze toch een verbetering van de complex I activiteit bij sommige
patiënten. (27;42)
L-carnitine werd reeds bij MELAS besproken omdat vooral daar een positief effect gezien wordt. Bij
MELAS geeft het enige hoop in de behandeling van cerebrovasculaire accidenten waar het de
gevolgen van een acute cerebrovasculaire aanval lijkt te beperken en de frequentie schijnt te doen
dalen.(13;43;111)
Verder blijkt een ketogeen dieet bij sommige personen ook effect de hebben op de klinische
symptomen. Een ketogeen dieet is een vetrijke voeding met beperkte inname van koolhydraten en
eiwitten. Het lichaam schakelt over van koolhydraten naar vetten als energiebron. Hierbij blijven de
zure ketonen als reststoffen over. Hierdoor krijgt men een acidose van het lichaam waardoor de
stofwisseling in de hersenen verandert die op deze manier meer weerstand zou kunnen bieden aan
metabole stress.
48
Studies hebben verder aangetoond dat een ketogeen dieet zorgt voor een upregulatie van de
mitochondriale genen, die instaan voor het energiemetabolisme. Zo zou een ketogeen dieet
bescherming bieden bij neurodegeneratieve ziektes. Dit positieve effect wordt vooral gezien bij
epileptische aanvallen.(27;111) Kang et al (2007) onderzocht het effect van ketogeen diet bij personen
met een complex I deficiëntie die regelmatig epileptische aanvallen kregen. Van de 8 patiënten hadden
5 een vermindering van meer dan 90% in frequentie van epileptische aanvallen en 3 een vermindering
van meer dan 50%. (113)
Dichloro-acetaat is een stof die soms gebruikt wordt om de hoeveelheid lactaat die gevormd wordt te
verminderen. Dichloro-acetaat is een natuurlijk analoog van pyruvaat dat de fosforylatie van pyruvaat
dehydrogenase inhibeert. Hierdoor wordt het pyruvaat dehydrogenase complex geactiveerd waardoor
er blijvend acetyl-CoA gevormd wordt en zo de accumulatie van lactaat vermindert. Clinical trials
toonden aan dat dicholoro-acetaat het bloedlactaat bij bepaalde kinderen met congenitale lactaat
acidose vermindert. Het wordt vooral gebruikt in de acute fase, bij heel hoge lactaatconcentraties.
(43;114)
In feite staan we nog ver van een curatieve therapie ook al bieden bepaalde vitamines, antioxidanten,
enzymtherapie supplementen en een ketogeen dieet in sommige studies beperkte voordelen aan bij
sommige patiënten . Een nieuw medicijn is ook niet gemakkelijk te lanceren omdat de werkzaamheid
ook afhangt van de toedieningsweg, concentratie, biodisponibiliteit, turnover en klaring in het lichaam,
wat dus voor elk individu anders is. Met de eventuele bijwerkingen en effecten op lange termijn moet
ook rekening gehouden worden. (26) Verdere gerandomiseerde gecontroleerde studies met
verschillende therapiemogelijkheden zijn dus noodzakelijk.(114) Onderzoeksgroepen verdiepen zich
momenteel in therapie gericht op het genetische en cellulaire niveau. Gentherapie is echter een grote
uitdaging wegens de polyplasmie en heteroplasmie. Hoewel dit nog een recent onderzoeksgebied is,
biedt het mogelijks interessante toekomstperspectieven aan. Zo zal de groeiende kennis van de
pathologische mechanismes van defecte OXFOS-complexen nieuwe therapeutische mogelijkheden
openen. (115;116)
Verder moet onderzoek gebeuren naar prevalentie en incidentie van de ziektes. Zo zijn tot op heden
ook nog niet alle mutaties en genen ontdekt die een rol spelen bij het ontstaan van een mitochondriale
ziekte, ook al zijn er nieuwe genetische technieken, waaronder total exome sequencing, die
perspectieven aanbieden om in de toekomst mutaties beter te karakteriseren.(19;25) Nu is het ook nog
moeilijk om het verband te voorspellen tussen de ernst van het genotype en fenotype.(99;117)
49
Preventie kan gebeuren door prenatale diagnose waarbij men een chorion villi analyse aanbiedt.
Hiervoor zouden alle mutaties gekend moeten zijn. Bij mutaties in het nucleair gen is men zeker van
een pathologische klinische uitkomst. Moeilijker is het bij de heteroplasmische mtDNA mutaties
waarbij de mutatie load verschilt van weefsel tot weefsel en waarbij men niet zeker kan zijn van de
klinische uitkomst. Eventuele zwangerschap beëindiging bij deze mutaties blijft controversieel en
ethisch erg moeilijk.(19;43)
Samengevat kunnen we dus stellen dat, buiten enkele behandelingen die beperkte voordelen aanbieden
aan de patiënt, de therapie ontoereikend en inadequaat is. Preventie met prenatale diagnose zou
aangeboden kunnen worden aan elke moeder die het risico heeft op een aangetast kind. (43)
CONCLUSIE
De klinische symptomen van personen met een complex I deficiëntie zijn zeer verschillend en
uitgebreid. Algemeen kan men stellen dat men vooral aantasting krijgt van hersenen, spieren en hart.
Sommige patiënten met een complex I deficiëntie presenteren zich met een herkenbaar klinisch
fenotype zoals Leigh en Leigh-like syndroom, MELAS, MERRF , LHON en Kaerns-Sayrne.
Verder blijkt complex I deficiëntie ook een rol te spelen bij het verloop van de neurodegeneratieve
ziektes zoals de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer , de ziekte van Huntington en
amyotrofe laterale sclerose.
De ernst en tijdstip van optreden van de symptomen verschilt sterk tussen de verschillende individuen.
Meestal manifesteren de symptomen zich al kort na de geboorte en is het ziekteproces progressief en
ernstig.
Hoewel men de laatste jaren exponentieel nieuwe informatie aan het vergaren is over complex I en
mitochondriale ziekten in het algemeen, hebben we nog een lange weg te gaan tot het volledig
begrijpen van het pathologisch mechanisme van deze ziekten. Deze nieuwe kennis zal ons helpen bij
nieuwe therapeutische middelen zodat in tegenstelling tot vandaag wel een curatieve behandeling kan
aangeboden worden aan de patiënt.
50
REFERENTIES
(1) Koopman WJ, Nijtmans LG, Dieteren CE, Roestenberg P, Valsecchi F, Smeitink JA, et al.
Mammalian mitochondrial complex I: biogenesis, regulation, and reactive oxygen species
generation. Antioxid Redox Signal 2010 Jun 15;12(12):1431-70.
(2) Hirst J. Towards the molecular mechanism of respiratory complex I. Biochem J 2010 Jan
15;425(2):327-39.
(3) Rotig A. Genetic bases of mitochondrial respiratory chain disorders. Diabetes Metab 2010
Apr;36(2):97-107.
(4) Larsson NG, Clayton DA. Molecular genetic aspects of human mitochondrial disorders. Annu
Rev Genet 1995;29:151-78.
(5) Yen MY, Wang AG, Wei YH. Leber's hereditary optic neuropathy: a multifactorial disease.
Prog Retin Eye Res 2006 Jul;25(4):381-96.
(6) Man PY, Turnbull DM, Chinnery PF. Leber hereditary optic neuropathy. J Med Genet 2002
Mar;39(3):162-9.
(7) Taylor RW, Turnbull DM. Mitochondrial DNA mutations in human disease. Nat Rev Genet
2005 May;6(5):389-402.
(8) Koopman WJ, Verkaart S, Visch HJ, van Emst-de VS, Nijtmans LG, Smeitink JA, et al.
Human NADH:ubiquinone oxidoreductase deficiency: radical changes in mitochondrial
morphology? Am J Physiol Cell Physiol 2007 Jul;293(1):C22-C29.
(9) Valsecchi F, Koopman WJ, Manjeri GR, Rodenburg RJ, Smeitink JA, Willems PH. Complex
I disorders: causes, mechanisms, and development of treatment strategies at the cellular level.
Dev Disabil Res Rev 2010 Jun;16(2):175-82.
(10) Triepels RH, van den Heuvel LP, Trijbels JM, Smeitink JA. Respiratory chain complex I
deficiency. Am J Med Genet 2001;106(1):37-45.
(11) Chinnery PF. Inheritance of mitochondrial disorders. Mitochondrion 2002 Nov;2(1-2):149-55.
(12) Distelmaier F, Koopman WJ, van den Heuvel LP, Rodenburg RJ, Mayatepek E, Willems PH,
et al. Mitochondrial complex I deficiency: from organelle dysfunction to clinical disease.
Brain 2009 Apr;132(Pt 4):833-42.
(13) Sproule DM, Kaufmann P. Mitochondrial encephalopathy, lactic acidosis, and strokelike
episodes: basic concepts, clinical phenotype, and therapeutic management of MELAS
syndrome. Ann N Y Acad Sci 2008 Oct;1142:133-58.
(14) Janssen RJ, Nijtmans LG, van den Heuvel LP, Smeitink JA. Mitochondrial complex I:
structure, function and pathology. J Inherit Metab Dis 2006 Aug;29(4):499-515.
(15) Nouws J, Nijtmans LG, Smeitink JA, Vogel RO. Assembly factors as a new class of disease
genes for mitochondrial complex I deficiency: cause, pathology and treatment options. Brain
2012 Jan;135(Pt 1):12-22.
51
(16) Efremov RG, Baradaran R, Sazanov LA. The architecture of respiratory complex I. Nature
2010 May 27;465(7297):441-5.
(17) Pagniez-Mammeri H, Rak M, Legrand A, Benit P, Rustin P, Slama A. Mitochondrial complex
I deficiency of nuclear origin II. Non-structural genes. Mol Genet Metab 2012
Feb;105(2):173-9.
(18) Haack TB, Madignier F, Herzer M, Lamantea E, Danhauser K, Invernizzi F, et al. Mutation
screening of 75 candidate genes in 152 complex I deficiency cases identifies pathogenic
variants in 16 genes including NDUFB9. J Med Genet 2012 Feb;49(2):83-9.
(19) Thorburn DR. Mitochondrial disorders: prevalence, myths and advances. J Inherit Metab Dis
2004;27(3):349-62.
(20) Finsterer J. Leigh and Leigh-like syndrome in children and adults. Pediatr Neurol 2008
Oct;39(4):223-35.
(21) DiMauro S, Davidzon G. Mitochondrial DNA and disease. Ann Med 2005;37(3):222-32.
(22) Haas RH, Parikh S, Falk MJ, Saneto RP, Wolf NI, Darin N, et al. Mitochondrial disease: a
practical approach for primary care physicians. Pediatrics 2007 Dec;120(6):1326-33.
(23) Willems PH, Smeitink JA, Koopman WJ. Mitochondrial dynamics in human
NADH:ubiquinone oxidoreductase deficiency. Int J Biochem Cell Biol 2009 Oct;41(10):177382.
(24) Pagniez-Mammeri H, Loublier S, Legrand A, Benit P, Rustin P, Slama A. Mitochondrial
complex I deficiency of nuclear origin I. Structural genes. Mol Genet Metab 2012
Feb;105(2):163-72.
(25) Bick D, Dimmock D. Whole exome and whole genome sequencing. Curr Opin Pediatr 2011
Dec;23(6):594-600.
(26) DiMauro S, Schon EA. Mitochondrial disorders in the nervous system. Annu Rev Neurosci
2008;31:91-123.
(27) Roestenberg P, Manjeri GR, Valsecchi F, Smeitink JA, Willems PH, Koopman WJ.
Pharmacological targeting of mitochondrial complex I deficiency: the cellular level and
beyond. Mitochondrion 2012 Jan;12(1):57-65.
(28) Loeffen JL, Smeitink JA, Trijbels JM, Janssen AJ, Triepels RH, Sengers RC, et al. Isolated
complex I deficiency in children: clinical, biochemical and genetic aspects. Hum Mutat
2000;15(2):123-34.
(29) Fernandez-Vizarra E, Tiranti V, Zeviani M. Assembly of the oxidative phosphorylation
system in humans: what we have learned by studying its defects. Biochim Biophys Acta 2009
Jan;1793(1):200-11.
(30) Ugalde C, Janssen RJ, van den Heuvel LP, Smeitink JA, Nijtmans LG. Differences in
assembly or stability of complex I and other mitochondrial OXPHOS complexes in inherited
complex I deficiency. Hum Mol Genet 2004 Mar 15;13(6):659-67.
(31) Pitkanen S, Robinson BH. Mitochondrial complex I deficiency leads to increased production
of superoxide radicals and induction of superoxide dismutase. J Clin Invest 1996 Jul
15;98(2):345-51.
52
(32) Valsecchi F, Esseling JJ, Koopman WJ, Willems PH. Calcium and ATP handling in human
NADH:ubiquinone oxidoreductase deficiency. Biochim Biophys Acta 2009
Dec;1792(12):1130-7.
(33) McFarland R, Taylor RW, Turnbull DM. A neurological perspective on mitochondrial disease.
Lancet Neurol 2010 Aug;9(8):829-40.
(34) Wong LJ, Scaglia F, Graham BH, Craigen WJ. Current molecular diagnostic algorithm for
mitochondrial disorders. Mol Genet Metab 2010 Jun;100(2):111-7.
(35) Lebre AS, Rio M, Faivre dL, Vernerey D, Landrieu P, Slama A, et al. A common pattern of
brain MRI imaging in mitochondrial diseases with complex I deficiency. J Med Genet 2011
Jan;48(1):16-23.
(36) De Vivo DC. The expanding clinical spectrum of mitochondrial diseases. Brain Dev 1993
Jan;15(1):1-22.
(37) De PB, De Bleecker JL, Van CR. Histochemical methods for the diagnosis of mitochondrial
diseases. Curr Protoc Hum Genet 2009 Oct;Chapter 19:Unit19.
(38) Chinnery PF. Mitochondrial Disorders Overview. 1993.
(39) DiMauro S. Mitochondrial diseases. Biochim Biophys Acta 2004 Jul 23;1658(1-2):80-8.
(40) Di DS. Multisystem manifestations of mitochondrial disorders. J Neurol 2009
May;256(5):693-710.
(41) Morgan-Hughes JA, Darveniza P, Landon DN, Land JM, Clark JB. A mitochondrial
myopathy with a deficiency of respiratory chain NADH-CoQ reductase activity. J Neurol Sci
1979 Sep;43(1):27-46.
(42) Lee HF, Tsai CR, Chi CS, Lee HJ, Chen CC. Leigh syndrome: clinical and neuroimaging
follow-up. Pediatr Neurol 2009 Feb;40(2):88-93.
(43) Uziel G, Ghezzi D, Zeviani M. Infantile mitochondrial encephalopathy. Semin Fetal Neonatal
Med 2011 Aug;16(4):205-15.
(44) Ronchi D, Bordoni A, Cosi A, Rizzuti M, Fassone E, Di FA, et al. Unusual adult-onset Leigh
syndrome presentation due to the mitochondrial m.9176T>C mutation. Biochem Biophys Res
Commun 2011 Aug 26;412(2):245-8.
(45) Yang YL, Sun F, Zhang Y, Qian N, Yuan Y, Wang ZX, et al. Clinical and laboratory survey
of 65 Chinese patients with Leigh syndrome. Chin Med J (Engl ) 2006 Mar 5;119(5):373-7.
(46) Assouline Z, Jambou M, Rio M, Bole-Feysot C, de LP, Barnerias C, et al. A constant and
similar assembly defect of mitochondrial respiratory chain complex I allows rapid
identification of NDUFS4 mutations in patients with Leigh syndrome. Biochim Biophys Acta
2012 Feb 3;1822(6):1062-9.
(47) Nesbitt V, Morrison PJ, Crushell E, Donnelly DE, Alston CL, He L, et al. The clinical
spectrum of the m.10191T>C mutation in complex I-deficient Leigh syndrome. Dev Med
Child Neurol 2012 Feb 27.
(48) Rahman S, Blok RB, Dahl HH, Danks DM, Kirby DM, Chow CW, et al. Leigh syndrome:
clinical features and biochemical and DNA abnormalities. Ann Neurol 1996 Mar;39(3):343-51.
53
(49) Huntsman RJ, Sinclair DB, Bhargava R, Chan A. Atypical presentations of leigh syndrome: a
case series and review. Pediatr Neurol 2005 May;32(5):334-40.
(50) Wick R, Scott G, Byard RW. Mechanisms of unexpected death and autopsy findings in Leigh
syndrome (subacute necrotising encephalomyelopathy). J Forensic Leg Med 2007
Jan;14(1):42-5.
(51) Finsterer J. Inherited mitochondrial neuropathies. J Neurol Sci 2011 May 15;304(1-2):9-16.
(52) Agapitos E, Pavlopoulos PM, Patsouris E, Davaris P. Subacute necrotizing
encephalomyelopathy (Leigh's disease): a clinicopathologic study of ten cases. Gen Diagn
Pathol 1997 Jun;142(5-6):335-41.
(53) Ruiter EM, Siers MH, van den Elzen C, van Engelen BG, Smeitink JA, Rodenburg RJ, et al.
The mitochondrial 13513G > A mutation is most frequent in Leigh syndrome combined with
reduced complex I activity, optic atrophy and/or Wolff-Parkinson-White. Eur J Hum Genet
2007 Feb;15(2):155-61.
(54) Kirby DM, Boneh A, Chow CW, Ohtake A, Ryan MT, Thyagarajan D, et al. Low mutant load
of mitochondrial DNA G13513A mutation can cause Leigh's disease. Ann Neurol 2003
Oct;54(4):473-8.
(55) Sudo A, Honzawa S, Nonaka I, Goto Y. Leigh syndrome caused by mitochondrial DNA
G13513A mutation: frequency and clinical features in Japan. J Hum Genet 2004;49(2):92-6.
(56) Yamakawa T, Yoshida F, Kumagai T, Watanabe H, Takano A, Mizuno M, et al.
Glomerulocystic kidney associated with subacute necrotizing-encephalomyelopathy. Am J
Kidney Dis 2001 Feb;37(2):E14.
(57) Ronchi D, Cosi A, Tonduti D, Orcesi S, Bordoni A, Fortunato F, et al. Clinical and molecular
features of an infant patient affected by Leigh Disease associated to m.14459G>A
mitochondrial DNA mutation: a case report. BMC Neurol 2011;11:85.
(58) Vanniarajan A, Rajshekher GP, Joshi MB, Reddy AG, Singh L, Thangaraj K. Novel
mitochondrial mutation in the ND4 gene associated with Leigh syndrome. Acta Neurol Scand
2006 Nov;114(5):350-3.
(59) Chol M, Lebon S, Benit P, Chretien D, de LP, Goldenberg A, et al. The mitochondrial DNA
G13513A MELAS mutation in the NADH dehydrogenase 5 gene is a frequent cause of Leighlike syndrome with isolated complex I deficiency. J Med Genet 2003 Mar;40(3):188-91.
(60) Koilkonda RD, Guy J. Leber's Hereditary Optic Neuropathy-Gene Therapy: From Benchtop to
Bedside. J Ophthalmol 2011;2011:179412.
(61) Tonska K, Kodron A, Bartnik E. Genotype-phenotype correlations in Leber hereditary optic
neuropathy. Biochim Biophys Acta 2010 Jun;1797(6-7):1119-23.
(62) Mascialino B, Leinonen M, Meier T. Meta-analysis of the prevalence of Leber hereditary
optic neuropathy mtDNA mutations in Europe. Eur J Ophthalmol 2011 Sep 16;0.
(63) Verma IC, Bijarnia S, Saxena R, Kohli S, Puri RD, Thomas E, et al. Leber's hereditary optic
neuropathy with molecular characterization in two Indian families. Indian J Ophthalmol 2005
Sep;53(3):167-71.
54
(64) Spruijt L, Smeets HJ, Hendrickx A, Bettink-Remeijer MW, Maat-Kievit A, Schoonderwoerd
KC, et al. A MELAS-associated ND1 mutation causing leber hereditary optic neuropathy and
spastic dystonia. Arch Neurol 2007 Jun;64(6):890-3.
(65) Gropman A, Chen TJ, Perng CL, Krasnewich D, Chernoff E, Tifft C, et al. Variable clinical
manifestation of homoplasmic G14459A mitochondrial DNA mutation. Am J Med Genet A
2004 Feb 1;124A(4):377-82.
(66) Blakely EL, de SR, King A, Schwarzer V, Harrower T, Dawidek G, et al. LHON/MELAS
overlap syndrome associated with a mitochondrial MTND1 gene mutation. Eur J Hum Genet
2005 May;13(5):623-7.
(67) Hsieh YT, Yang MT, Peng YJ, Hsu WC. Central retinal vein occlusion as the initial
manifestation of LHON / MELAS overlap syndrome with mitochondrial DNA G13513A
mutation--case report and literature review. Ophthalmic Genet 2011 Mar;32(1):31-8.
(68) Fahnehjelm KT, Olsson M, Naess K, Wiberg M, Ygge J, Martin L, et al. Visual function,
ocular motility and ocular characteristics in patients with mitochondrial complex I deficiency.
Acta Ophthalmol 2012 Feb;90(1):32-43.
(69) Bhuvaneswar CG, Goetz JL, Stern TA. Multiple neurologic, psychiatric, and endocrine
complaints in a young woman: a case discussion and review of the clinical features and
management of mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, and stroke. Prim
Care Companion J Clin Psychiatry 2008;10(3):237-44.
(70) Melone MA, Tessa A, Petrini S, Lus G, Sampaolo S, di FG, et al. Revelation of a new
mitochondrial DNA mutation (G12147A) in a MELAS/MERRF phenotype. Arch Neurol
2004 Feb;61(2):269-72.
(71) Kaufman KR, Zuber N, Rueda-Lara MA, Tobia A. MELAS with recurrent complex partial
seizures, nonconvulsive status epilepticus, psychosis, and behavioral disturbances: case
analysis with literature review. Epilepsy Behav 2010 Aug;18(4):494-7.
(72) Blok MJ, Spruijt L, de Coo IF, Schoonderwoerd K, Hendrickx A, Smeets HJ. Mutations in the
ND5 subunit of complex I of the mitochondrial DNA are a frequent cause of oxidative
phosphorylation disease. J Med Genet 2007 Apr;44(4):e74.
(73) Hirano M, Pavlakis SG. Mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, and
strokelike episodes (MELAS): current concepts. J Child Neurol 1994 Jan;9(1):4-13.
(74) Testai FD, Gorelick PB. Inherited metabolic disorders and stroke part 1: Fabry disease and
mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, and strokelike episodes. Arch
Neurol 2010 Jan;67(1):19-24.
(75) Kaufmann P, Pascual JM, Anziska Y, Gooch CL, Engelstad K, Jhung S, et al. Nerve
conduction abnormalities in patients with MELAS and the A3243G mutation. Arch Neurol
2006 May;63(5):746-8.
(76) Lee MH, Sung YJ, Yoon JH, Kim J, Oh IY, Choi EK, et al. Wolff-Parkinson-white syndrome
in a patient with mitochondrial encephalopathy, lactic acidosis and stroke-like episodes
syndrome. Korean Circ J 2011 Nov;41(11):674-6.
(77) Piccoli GB, Davico BL, Campisi P, Vigotti FN, Ferraresi M, Fassio F, et al. Chronic kidney
disease, severe arterial and arteriolar sclerosis and kidney neoplasia: on the spectrum of
kidney involvement in MELAS syndrome. BMC Nephrol 2012 Feb 21;13(1):9.
55
(78) Parsons T, Weimer L, Engelstad K, Linker A, Battista V, Wei Y, et al. Autonomic symptoms
in carriers of the m.3243A>G mitochondrial DNA mutation. Arch Neurol 2010
Aug;67(8):976-9.
(79) Kirby DM, McFarland R, Ohtake A, Dunning C, Ryan MT, Wilson C, et al. Mutations of the
mitochondrial ND1 gene as a cause of MELAS. J Med Genet 2004 Oct;41(10):784-9.
(80) Pitkanen S, Feigenbaum A, Laframboise R, Robinson BH. NADH-coenzyme Q reductase
(complex I) deficiency: heterogeneity in phenotype and biochemical findings. J Inherit Metab
Dis 1996;19(5):675-86.
(81) Bindoff LA, Desnuelle C, Birch-Machin MA, Pellissier JF, Serratrice G, Dravet C, et al.
Multiple defects of the mitochondrial respiratory chain in a mitochondrial encephalopathy
(MERRF): a clinical, biochemical and molecular study. J Neurol Sci 1991 Mar;102(1):17-24.
(82) Lorenzoni PJ, Scola RH, Kay CS, Arndt RC, Silvado CE, Werneck LC. MERRF: Clinical
features, muscle biopsy and molecular genetics in Brazilian patients. Mitochondrion 2011
May;11(3):528-32.
(83) Brackmann F, Abicht A, Ahting U, Schroder R, Trollmann R. Classical MERRF phenotype
associated with mitochondrial tRNA(Leu) (m.3243A>G) mutation. Eur J Pediatr 2012 Jan 25.
(84) Kokotas H, Petersen MB, Willems PJ. Mitochondrial deafness. Clin Genet 2007
May;71(5):379-91.
(85) Kobayashi J, Nagao M, Miyamoto K, Matsubara S. MERRF syndrome presenting with
multiple symmetric lipomatosis in a Japanese patient. Intern Med 2010;49(5):479-82.
(86) Hirano M DS. Clinical features of mitochondrial myopathies and encephalomyopathies. In:
Lane RJM, editor. Handbook of Muscle Disease. volume 1 ed. Marcel Dekker Inc; 1996. p.
479-504.
(87) Liolitsa D, Rahman S, Benton S, Carr LJ, Hanna MG. Is the mitochondrial complex I ND5
gene a hot-spot for MELAS causing mutations? Ann Neurol 2003 Jan;53(1):128-32.
(88) Nakamura M, Yabe I, Sudo A, Hosoki K, Yaguchi H, Saitoh S, et al. MERRF/MELAS
overlap syndrome: a double pathogenic mutation in mitochondrial tRNA genes. J Med Genet
2010 Oct;47(10):659-64.
(89) Rossmanith W, Raffelsberger T, Roka J, Kornek B, Feucht M, Bittner RE. The expanding
mutational spectrum of MERRF substitution G8361A in the mitochondrial tRNALys gene.
Ann Neurol 2003 Dec;54(6):820-3.
(90) Phadke M, Lokeshwar MR, Bhutada S, Tampi C, Saxena R, Kohli S, et al. Kearns Sayre
Syndrome-Case Report with Review of Literature. Indian J Pediatr 2012 Jan 10.
(91) Young TJ, Shah AK, Lee MH, Hayes DL. Kearns-Sayre syndrome: a case report and review
of cardiovascular complications. Pacing Clin Electrophysiol 2005 May;28(5):454-7.
(92) Young TJ, Shah AK, Lee MH, Hayes DL. Kearns-Sayre syndrome: a case report and review
of cardiovascular complications. Pacing Clin Electrophysiol 2005 May;28(5):454-7.
(93) Laloi-Michelin M, Virally M, Jardel C, Meas T, Ingster-Moati I, Lombes A, et al. Kearns
Sayre syndrome: an unusual form of mitochondrial diabetes. Diabetes Metab 2006
Apr;32(2):182-6.
56
(94) Alemany PA, Garcia GP, Meana Moris AR. [Kearns-Sayre syndrome.]. An Pediatr (Barc )
2012 Jan 7.
(95) Gobu P, Karthikeyan B, Prasath A, Santhosh S, Balachander J. Kearns Sayre Syndrome (KSS)
- A Rare Cause For Cardiac Pacing. Indian Pacing Electrophysiol J 2011;10(12):547-50.
(96) Harvey JN, Barnett D. Endocrine dysfunction in Kearns-Sayre syndrome. Clin Endocrinol
(Oxf) 1992 Jul;37(1):97-103.
(97) Meulemans A, Lissens W, Van CR, De ML, Smet J, Nassogne MC, et al. Analysis of the
mitochondrial encoded subunits of complex I in 20 patients with a complex I deficiency. Eur J
Paediatr Neurol 2004;8(6):299-306.
(98) Blakely EL, Rennie KJ, Jones L, Elstner M, Chrzanowska-Lightowlers ZM, White CB, et al.
Sporadic intragenic inversion of the mitochondrial DNA MTND1 gene causing fatal infantile
lactic acidosis. Pediatr Res 2006 Mar;59(3):440-4.
(99) Pfeffer G, Chinnery PF. Diagnosis and treatment of mitochondrial myopathies. Ann Med 2011
Aug 25.
(100) Bau V, Zierz S. Update on chronic progressive external ophthalmoplegia. Strabismus 2005
Sep;13(3):133-42.
(101) Greaves LC, Yu-Wai-Man P, Blakely EL, Krishnan KJ, Beadle NE, Kerin J, et al.
Mitochondrial DNA defects and selective extraocular muscle involvement in CPEO. Invest
Ophthalmol Vis Sci 2010 Jul;51(7):3340-6.
(102) Smits BW, Fermont J, Delnooz CC, Kalkman JS, Bleijenberg G, van Engelen BG. Disease
impact in chronic progressive external ophthalmoplegia: more than meets the eye.
Neuromuscul Disord 2011 Apr;21(4):272-8.
(103) Bugiani M, Invernizzi F, Alberio S, Briem E, Lamantea E, Carrara F, et al. Clinical and
molecular findings in children with complex I deficiency. Biochim Biophys Acta 2004 Dec
6;1659(2-3):136-47.
(104) Gibson GE, Starkov A, Blass JP, Ratan RR, Beal MF. Cause and consequence: mitochondrial
dysfunction initiates and propagates neuronal dysfunction, neuronal death and behavioral
abnormalities in age-associated neurodegenerative diseases. Biochim Biophys Acta 2010
Jan;1802(1):122-34.
(105) Du H, Yan SS. Mitochondrial medicine for neurodegenerative diseases. Int J Biochem Cell
Biol 2010 May;42(5):560-72.
(106) Pathak RU, Davey GP. Complex I and energy thresholds in the brain. Biochim Biophys Acta
2008 Jul;1777(7-8):777-82.
(107) Breuer ME, Koopman WJ, Koene S, Nooteboom M, Rodenburg RJ, Willems PH, et al. The
role of mitochondrial OXPHOS dysfunction in the development of neurologic diseases.
Neurobiol Dis 2012 Mar 9.
(108) Gao HM, Zhou H, Hong JS. NADPH oxidases: novel therapeutic targets for
neurodegenerative diseases. Trends Pharmacol Sci 2012 Apr 12.
(109) Mancuso M, Orsucci D, LoGerfo A, Calsolaro V, Siciliano G. Clinical features and
pathogenesis of Alzheimer's disease: involvement of mitochondria and mitochondrial DNA.
Adv Exp Med Biol 2010;685:34-44.
57
(110) Wijesekera LC, Leigh PN. Amyotrophic lateral sclerosis. Orphanet J Rare Dis 2009;4:3.
(111) Hassani A, Horvath R, Chinnery PF. Mitochondrial myopathies: developments in treatment.
Curr Opin Neurol 2010 Oct;23(5):459-65.
(112) Pfeffer G, Majamaa K, Turnbull DM, Thorburn D, Chinnery PF. Treatment for mitochondrial
disorders. Cochrane Database Syst Rev 2012;4:CD004426.
(113) Kang HC, Lee YM, Kim HD, Lee JS, Slama A. Safe and effective use of the ketogenic diet in
children with epilepsy and mitochondrial respiratory chain complex defects. Epilepsia 2007
Jan;48(1):82-8.
(114) Kerr DS. Treatment of mitochondrial electron transport chain disorders: a review of clinical
trials over the past decade. Mol Genet Metab 2010 Mar;99(3):246-55.
(115) Scarpelli M, Cotelli MS, Mancuso M, Tomelleri G, Tonin P, Baronchelli C, et al. Current
options in the treatment of mitochondrial diseases. Recent Pat CNS Drug Discov 2010
Nov;5(3):203-9.
(116) DiMauro S, Mancuso M. Mitochondrial diseases: therapeutic approaches. Biosci Rep 2007
Jun;27(1-3):125-37.
(117) Thajeb P, Dai D, Chiang MF, Shyu WC. Genotype-phenotype correlation of maternally
inherited disorders due to mutations in mitochondrial DNA. Taiwan J Obstet Gynecol 2006
Sep;45(3):201-7.
58