线粒体病骨骼肌磁共振31磷波谱的临床应用

赖 鸿综述， 丁卫江审校



线粒体病骨骼肌磁共振31磷波谱的临床应用

赖 鸿综述， 丁卫江审校

线粒体病(mitochondrial disorders)是一组少见的线粒体结构和(或)功能异常导致的以脑和骨骼肌受累为主的能量代谢障碍性多系统疾病，其临床表现高度异质、复杂多样，主要临床类型包括线粒体肌病、线粒体脑肌病、线粒体心肌病、线粒体糖尿病、线粒体胃肠病等[1]。目前线粒体病的确诊主要依靠肌肉病理和线粒体DNA(mtDNA)或核基因突变检测，但前者具有创伤性，后者又受技术条件限制，因此两者临床应用仍有一定局限。近年来，磁共振31磷波谱(31P magnetic resonance spectroscopy，31P-MRS)技术用于线粒体功能研究越来越受关注，被认为是目前唯一无创在体研究线粒体功能的工具[2～4]。骨骼肌31P-MRS扫描可直接、连续、无创性检测生物体骨骼肌能量代谢变化，并已应用于各种神经肌肉病的能量代谢评估[3～5]。线粒体病属能量代谢障碍性疾病，其骨骼肌31P-MRS的临床应用研究更倍受重视，本文就此予以综述。

1 线粒体病

自1951年Leigh描述了亚急性脑脊髓病以来，Luft于1962年正式提出了线粒体病的概念。按受累组织和器官分类可分为：影响骨骼肌的线粒体肌病、影响骨骼肌和中枢神经系统的线粒体脑肌病和影响其他系统的线粒体疾病[1]，其中以线粒体脑肌病最为常见，其主要表型包括慢性进行性眼外肌瘫痪(CPEO)、Kearns-Sayre综合征(KSS)、线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作(MELAS)、肌阵挛性癫痫伴不整红边纤维(MERRF)、亚急性坏死性脑脊髓病(Leigh)、神经病、共济失调和视网膜色素变性综合征(NARP)、Leber遗传视神经病(LHON)等。线粒体病的临床表现复杂多样，可归为下列几个方面：(1)中枢神经系统表现：卒中样发作，共济失调，运动异常包括肌阵挛、肌张力障碍、认知障碍、脊髓病、偏头痛等；(2)肌肉表现：肌无力、运动不能耐受和横纹肌溶解等；(3)周围神经病：感觉神经病和交感神经病；(4)眼外肌麻痹：出现眼外肌麻痹或眼上睑下垂；(5)视力障碍：皮质盲、色素性视网膜病、视神经病；(6)听力障碍；(7)系统性损害：身材矮小、糖尿病、心肌病症状、胃肠道症状、肝脏衰竭等。

肌活检目前仍然是线粒体病的主要确诊手段，其肌肉病理特点为：改良Gomori染色下见肌膜下出现不规则的红色边缘，即不整红边纤维，经电镜证实为异常线粒体堆积[6]，线粒体嵴排列紊乱，有时可见类结晶样包涵体；细胞色素C氧化酶(COX)染色可见COX阴性肌纤维。但肌活检正常并不能排除该病的诊断。mtDNA分析对线粒体病的诊断有决定性意义，80%的MELAS由mtDNA上 tRNALeu(UUR)基因第3243处发生A到G的点突变所致[7]，MERRF主要由于mtDNA上tRNALys基因上第8344处A到G的点突变引起[8]，CPEO和KSS均为mtDNA片段缺失。线粒体病mtDNA点突变和片段缺失类型众多，不断有新的突变类型报道，mtDNA常见突变位点无异常并不能排外诊断，所以mtDNA分析对线粒体病的诊断也受检测条件限制。

2 MRS和31P-MRS

磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy,MRS)是一种无创性地研究活体组织器官代谢、生化变化及对化合物进行定量分析的方法，上世纪70年代中期MRS就已应用于人和动物组织器官的活体检测，其对某些疾病的病理生理变化、早期诊断、预后和疗效的判断都有非常重要的意义。现在用于MRS检查的原子核主要包括：1H、31P、23Na、13C、19F、39K 等，其中以31P和1H最常用。31P-MRS因其不受水信号的干扰，最早应用于活体研究。机体磷化物的浓度和能量代谢密切相关，测定磷代谢产物的浓度及分布可确定细胞的能量状态。因此，31P-MRS能探测高能磷酸化合物和磷脂的含量，反映人体组织细胞的能量代谢变化，对活体组织能量代谢的研究具有不可替代的作用，是研究肌肉病变的重要工具。

3 正常骨骼肌31P-MRS

MRS是利用磁共振现象和化学位移作用,无创性地从活体组织内获得生物化学信息的一种技术。通过射频脉冲激励受检物质的原子核，测量该原子核在弛豫过程中释放的幅度随时间呈指数规律衰减的电磁波信号，然后通过傅里叶转换，在化合物固有的位置上显示其峰值。峰下面积与特定频率的原子核共振数目成正比,反映代谢物的浓度,可用来定量分析。

肌肉组织成分较单一，高能磷酸化合物含量高，是31P-MRS研究最理想的器官。此外，骨骼肌能够随意收缩，可以进行动态31P-MRS的研究测量骨骼肌在静息状态、收缩期和恢复过程中细胞内高能磷酸化合物的变化，可评价骨骼肌做功时能量的转换效率，实现对线粒体功能的无创性评价。

正常人的骨骼肌31P-MRS均能清楚观察到7个代谢产物的共振波峰[9](见图1A)，分别是磷酸单脂(PME)、 无机磷 (Pi)、 磷酸二脂 (PDE)、磷酸肌酸(PCr)及三磷酸腺苷(γ-ATP、α-ATP 、β-ATP)。PME是磷脂代谢产物,与细胞膜的合成和降解有关。Pi峰的化学位移与细胞内的pH值有关，根据Pi峰相对于PCr的化学位移值可计算出细胞内的pH值。 pH=6.75+log (dis-3.27)/(5.69-dis)，dis为Pi和PCr的相对位移。PDE是磷脂的最终代谢产物，是细胞膜和髓鞘的重要组成成分，被认为与细胞膜的分解有关。PCr 是高能磷酸盐的储存形式，其含量多少反映组织能量状态，是组织能量代谢状态的一个敏感指标，当肌肉中 ATP含量降低 ，ADP含量升高时，肌酸激酶(CK)催化平衡反应：PCr+ADP↔ATP+Cr，从而维持人体组织的能量状态。相反，当ATP含量增多时可生成PCr保持ATP的浓度。ATP峰是三磷酸腺苷与镁离子(Mg2+) 形成的化合物 (MgATP)的波峰，在磷谱上表现为α、β和γ3个共振峰。ATP的α、γ峰与 ADP的α、β峰相重叠，只有β-ATP峰不与其他峰重叠，因此常用β-ATP的峰下面积代表ATP的含量。Mg2+是ATP进行能量代谢的重要活性成分，其含量与肌肉的很多病理状态有关。ATP与 Mg2+结合会使β- ATP、γ- ATP共振波峰的化学位移发生改变,此可用来计算细胞内Mg2+浓度[10]。

4 正常骨骼肌动态31P-MRS

大多数骨骼肌31P-MRS研究设计一般包括标准的静息-运动-恢复3个阶段，从各个阶段的波谱变化可获得骨骼肌能量代谢的信息[9]。静息状态时31P-MRS可直接测量骨骼肌内未与大分子结合且含量高于1 mmol的代谢物质，如Pi、PCr及ATP等，也可间接计算与能量代谢相关的化合物浓度和指标，如 ADP、 pH 值等，从而对活体细胞能量代谢进行无创性评价，明确其能量代谢特点。运动过程中，细胞内的高能磷酸键互相转换维持肌肉的正常功能。骨骼肌收缩时，分解ATP，释放能量，生成Pi和ADP，PCr在CK的催化下将高能磷酸键传递给ATP，补充骨骼肌的化学能，磷谱上可观察到PCr降低，Pi和ADP升高。运动恢复过程中,肌细胞糖酵解停止而以ADP浓度调控的氧化磷酸化合成 ATP的过程仍以一定加速度持续进行,产生的ATP大部分用于重新合成 PCr，此时磷谱上可见 PCr逐渐增加,Pi逐渐下降,最后至静息水平。因此，动态31P-MRS对代谢物恢复率的研究,可用于线粒体功能的定量评价[11]。

5 线粒体病骨骼肌31PP-MRS的临床应用

线粒体在细胞能量代谢中起着重要作用，呼吸链酶缺陷是导致线粒体病的直接原因，它们发展到最后都造成 ATP生成缺陷从而导致骨骼肌运动耐受下降。目前常用评价线粒体功能的方法均为离体研究或有创检查[12]。31P-MRS由于其具有可重复性及无创性，使其对线粒体病的疗效或疾病进展进行客观和无创性评估成为可能[13]。尽管在临床类型、检测部位等方面有所不同，但目前已有的关于线粒体病骨骼肌31P-MRS的主要研究结果是相似的(见图1B)。

5.1 线粒体(脑)肌病的骨骼肌31P-MRS 线粒体肌病以骨骼肌极度不能耐受疲劳为主要临床特征。线粒体脑肌病以MELAS最常见，以卒中样发作为特点，同时伴有智能减退、身材矮小、神经性听力下降、血乳酸增高等。31P-MRS技术的运用，摆脱了有创诊断的束缚，为临床筛查提供可能。

静息时：线粒体(脑)肌病患者的骨骼肌31P-MRS表现为Pi 峰较高，少数表现为PCr下降，因此35%～85%的线粒体脑肌病患者在静息状态下PCr/Pi降低，患者静息状态下骨骼肌磷酸化的潜力下降。尽管这种PCr/Pi降低并不具有特异性，但对于筛查患者，随访已治疗的患者、孩子，以及对体质虚弱不能活动的患者仍十分有用[14]。

运动状态下：在有氧运动时，线粒体(脑)肌病患者和正常人比较，表现为更快速的肌肉能量下降，这与线粒体ATP合成障碍和非氧化途径的能量产生增加相符。患者的一项运动研究表明，PCr的变化是运动状态下一个更为敏感的指标[15]。

运动恢复过程：恢复期是评价线粒体ATP合成最大速率最敏感和最特异的阶段，此期ATP主要来源于氧化磷酸化，线粒体(脑)肌病在此期的代谢异常主要表现为PCr恢复期延长、快速pH值及运动后ADP恢复延迟[16]。原发于脑的线粒体病患者其运动恢复阶段的代谢异常没有原发于骨骼肌的患者明显[5]。

31P-MRS对治疗的评价：近年来，MRS已经用于评价试验性药物治疗的效果[17]。因为线粒体病发病率低，非常需要这样一种辅助检查手段协助我们进行临床评估。不同于肌肉活检具有创伤性，31P-MRS因其无创性可反复评价药物治疗的反应以及观察疾病的进展情况。第1例报道使用31P-MRS进行疗效评价的是一位呼吸链复合酶Ⅲ严重缺陷患者，该患者经维生素K3及维生素C治疗一段时间后，Pcr/Pi在静息状态下可见中度升高，在运动后可见迅速恢复[14]。在Bendahan等[18]的研究中，2例线粒体肌病患者经辅酶Q10治疗10个月后，临床症状明显好转，31P-MRS 的PCr/Pi较治疗前升高，线粒体功能明显改善。31P-MRS用于观察核黄素、烟酰胺和皮质醇治疗线粒体病的效果也有报道[19,20]。

图1A:正常人静息状态骨骼肌31P-MRS波谱。主要波峰：PCr、Pi、PDE和3个ATP峰(α、β、γ)；B:线粒体病患者静息状态骨骼肌31PP-MRS波谱显示Pi升高和PCr降低(引自Argov Z,et al.[14])

5.2 线粒体糖尿病和2型糖尿病的骨骼肌31P-MRS 由mtDNA点突变所致的糖尿病称为线粒体糖尿病，1997年美国糖尿病学会把它列为特殊类型糖尿病，属于β细胞遗传缺陷疾病，但线粒体糖尿病患者骨骼肌31P-MRS研究在文献上并未见报道。

2型糖尿病与胰岛素抵抗和胰岛素分泌不足有关，是临床最常见的内分泌疾病。近几年随着对线粒体研究的不断深入，线粒体功能缺陷和2型糖尿病的相关病理机制研究受到广泛关注，为我们探索糖尿病的基础病因拓展了思路[21]。

线粒体功能异常和胰岛素抵抗的相关病理机制尚不明确。一般认为线粒体功能异常是胰岛素抵抗病理机制中的关键环节。线粒体功能障碍可导致脂肪酸蓄积，影响骨骼肌和肝脏对胰岛素的敏感性，产生胰岛素抵抗。Green等认为增强线粒体氧化磷酸化功能可有效预防甚至治疗2型糖尿病[22]。但也有证据表明，线粒体功能障碍是2型糖尿病发展所致，高血糖促进解偶联蛋白生成，影响线粒体呼吸链功能，导致氧化磷酸化功能障碍[23]。Schrauwen-Hinderling VB等使用动态31P-MRS研究2型糖尿病患者骨骼肌，分别采集静息期、运动期和恢复期的31P-MRS，结果显示2型糖尿病患者PCr恢复到静息水平的1/2所用的时间较对照组延长45%，表明2型糖尿病患者线粒体功能受损[24]。

6 小 结

31P-MRS被广泛应用于活体组织能量代谢变化的研究，是目前唯一能无创性地监测活体组织能量代谢的可靠方法，动态31P-MRS可实现在体评价线粒体功能，在线粒体相关疾病的研究方面表现出独特的优势。但目前31P-MRS在临床广泛应用还存在一些问题，如磁场强度较低、扫描时间过长、数据处理较复杂及缺乏统一标准等。随着高场磁共振设备和MRS处理软件的不断完善，线粒体病骨骼肌31P-MRS的临床应用研究必将越来越深入。

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1003-2754(2016)10-0958-03

R742

2016-08-05；

2016-09-29

(赣南医学院第一附属医院神经内科，江西 赣州 341000)

丁卫江，E-mail：efydwj@yahoo.com.cn