ミトコンドリア病の診断

ミトコンドリア疾患の遺伝的性質と臨床徴候の発現の評価

ミオトコンドリア疾患は、核ゲノムの損傷によって引き起こされる場合があるため、その伝承はメンデルの法則に従います。ミトコンドリアDNAの変異が疾患の発症原因である場合、遺伝はミトコンドリア型に一致し、つまり母系で伝承されます。さらに、核ゲノムとミトコンドリアゲノムの遺伝子が同時に損傷した状態で病状が進行すると、遺伝は複雑になり、様々な要因によって決定されます。この点で、形式的特徴（家系図に基づく遺伝の性質）による系図解析では、常染色体優性遺伝、常染色体劣性遺伝、X連鎖遺伝、ミトコンドリア遺伝など、最も多様な遺伝形式を述べることができます。

ピルビン酸代謝異常症や脂肪酸のβ酸化障害（クレブス回路）などのミオトコンドリア疾患の発症は、核ゲノム遺伝子の変異と関連しています。これらの病態は常染色体劣性遺伝を特徴とし、両親が変異の保因者（ヘテロ接合体）であり、子どもは父と母の両方から遺伝した変異の保因者（ホモ接合体）となります。両親は通常、外見上は健康であり、罹患児の兄弟姉妹（発端者兄弟姉妹）や母方および父方の親族（いとこ）において、同様の疾患またはその微小徴候がないか確認する必要があります。

劣性X連鎖遺伝型（新生児グルタル酸尿症II型、ピルビン酸複合体E1サブユニット欠損症、メンケス病など）の場合、男児に発症することが多く、母親が変異のキャリアとなり、息子に遺伝します。母性遺伝はX連鎖遺伝とは異なり、男女ともに発症します。このような場合、家系図を分析する際には、女性には発症しないため、男性の発症率を分析する必要があります。父親は息子にY染色体のみを伝えることができるため、家系図では父子間での疾患の伝承は確認されません。

ミトコンドリアゲノムの損傷によって疾患が発症する場合（例えば、いくつかの呼吸鎖疾患、レーバー視神経症、MELAS、MERF、NARP症候群など）、母系遺伝が考えられます。これは、子どもが母親からミトコンドリアを受け継ぎ、それを男女どちらにも伝達できるためです。したがって、男女ともに罹患率は等しくなります。この点から、母系における疾患の伝播は家系図で追跡する必要があります。

家系図を分析し、親族におけるミトコンドリア疾患の症状を探す際には、疾患の重症度（症状の発現度）が大きく異なる可能性があることに留意する必要があります。これは、損傷したミトコンドリアの数、損傷の性質、細胞内における変異の分布の違いなどに起因する可能性があります。そのため、必ずしも明らかな疾患の兆候を検出できるとは限りません。場合によっては、個々の症状や、標的を絞った検索で検出できる兆候が見つかることもあります。

ミトコンドリア病変の発症は、ミトコンドリアの広範囲にわたる損傷、いわゆる微小欠失（例えば、カーンズ・セイヤー症候群、ピアソン症候群、難聴を伴う糖尿病の一部、進行性外眼筋麻痺など）と関連している可能性があります。これらの場合、疾患の発症は卵子の受精直後に接合子に発生した新しい突然変異（新生突然変異）の出現と関連しているため、血縁者に特徴的な症状が見られないことがよくあります。この疾患は散発性です。多くの場合、これらの疾患とともに、ミトコンドリアDNAの多重変異に関連する多くの疾患が常染色体優性遺伝します。例えば、一部の脳筋症、眼損傷を伴うミオパシーは、mtDNA変異（多重欠失）が存在するにもかかわらず、常染色体優性遺伝型を示します。

しかし、メンデル遺伝とは異なり、ミトコンドリア病理学における常染色体優性遺伝は、後続の世代に多数の罹患した個人が存在するという特徴があります。

最後に、ミトコンドリア疾患の中には、ミトコンドリアDNAの枯渇や細胞内ミトコンドリアの欠損を伴うことが多く、常染色体劣性遺伝するものがあります。これには、先天性ミオパシー、心筋症、神経窮迫症候群、乳酸アシドーシス、肝障害などが含まれます。

病気の遺伝的伝達の性質を研究することは、医学的および遺伝学的予後にとって重要であり、ミトコンドリア病変の形成メカニズムとその遺伝の種類に関する知識を伴う臨床兆候の詳細な分析が必要です。

臨床症状の発現は、生後数日から成人期まで幅広く異なります。この指標を分析する際には、病理学的病型を考慮する必要があります。なぜなら、病理学的病型はそれぞれ特定の発症年齢を持っているからです。

ミトコンドリア病で観察される代謝障害は、ほとんどの場合進行性です。初期症状は軽度であることが多いですが、その後進行し、重篤な障害につながる可能性があります。良性乳児ミオパチーや一部のレーバー視神経症など、まれな病態は良性で、症状が消失する場合もあります。

臨床検査では、ミトコンドリア疾患の特徴的な兆候に注意が払われます。

• アシドーシスの存在;
• 血液中の乳酸およびピルビン酸レベルの上昇、乳酸/ピルビン酸指数の 15 を超える増加、特にブドウ糖負荷または運動による増加。
• 高ケトン血症;
• 低血糖;
• 高アンモニア血症;
• アセト酢酸および3-ヒドロキシ酪酸の濃度の上昇;
• 血液中の3-ヒドロキシ酪酸/アセト酢酸比の上昇;
• 血液中および尿中のアミノ酸濃度の上昇（アラニン、グルタミン、グルタミン酸、バリン、ロイシン、イソロイシン）
• 血液中の脂肪酸レベルの上昇。
• 尿中への有機酸の過剰排泄;
• 血液中のカルニチン濃度の低下
• 生体液中のミオグロビン含有量の増加;
• 心筋細胞および線維芽細胞のミトコンドリア酵素の活性が低下します。

これらの指標の診断価値は、空腹時よりも食物負荷時の方が高くなります。実際には、血糖負荷を背景とした血中乳酸値を測定する診断検査が効果的であることが証明されており、これにより、さらなる血糖負荷に対する呼吸鎖の不全をより明確に検出することができます。

ミトコンドリア機能不全およびその特定の病態を臨床検査で診断するには、従来の一般的な生化学的研究方法だけでは不十分であり、特別な検査を実施する必要があります。骨格筋生検では、他の組織よりも酵素活性を分析するのが特に容易です。呼吸鎖酵素、特にクエン酸合成酵素、コハク酸脱水素酵素、シトクロムC酸化酵素の活性を測定することが可能です。

形態学的および分子遺伝学的研究のデータ

ミトコンドリア病変の診断においては、形態学的検査が特に重要です。その情報価値の高さから、筋組織の生検と得られた生検標本の組織化学検査がしばしば必要となります。光学顕微鏡と電子顕微鏡を用いて同時に標本を観察することで、重要な情報が得られます。

ミトコンドリア疾患の重要なマーカーの一つは、1963年に確立された「ぼろぼろの」赤色線維（RRF現象）です。これは、筋線維の縁に沿って、遺伝子変異を起こした異常ミトコンドリアが増殖と局所的蓄積により形成される現象です。この現象は、特殊なゴモリ染色を用いた光学顕微鏡検査によって検出されますが、近年では様々なミトコンドリアマーカーや免疫学的手法がこの目的に利用されています。

ミトコンドリア病変の他の形態学的兆候には以下のものがあります。

• ミトコンドリアの大きさの急激な増加;
• 筋形質膜下層におけるグリコーゲン、脂質およびカルシウム凝集体の蓄積。
• ミトコンドリア酵素の活性の低下;
• コハク酸脱水素酵素（SDH）、NADH酸化還元酵素、シトクロムC酸化酵素などの酵素の活性顆粒の分布が乱れる。

ミトコンドリア疾患の患者では、筋組織の光学顕微鏡検査により、筋線維の局所壊死、筋小胞体塊の蓄積、筋小胞体下領域の溶解の存在、筋小胞体の好塩基性化、筋核数の増加、再生プロセスの活性化などの非特異的な形態学的徴候が明らかになることがあります。

「ぼろぼろの」赤色線維現象の役割に関する研究により、MELAS、MERRF、カーンズ・セイヤー症候群、慢性進行性眼筋麻痺、その他mtDNA変異に関連する疾患の診断において、その重要性が示されました。この現象は、デュシェンヌ型筋ジストロフィー、皮膚筋炎、筋強直性ジストロフィー、薬物（クロフィブラート）の服用、その他の病態においても発現する可能性があります。したがって、RRF現象は、原発性ミトコンドリア疾患とともに、二次性ミトコンドリア機能不全を伴う可能性があります。

現在、ミトコンドリア機能不全の兆候を検出するために、筋組織の組織化学および電子顕微鏡検査が広く普及しています。特に光学顕微鏡データに基づく筋組織の正常な形態学的画像と組み合わせることで、診断に役立つ場合があります。

電子顕微鏡的徴候 - ミトコンドリアの増殖、その形状および大きさの破壊、クリステの崩壊および拡大、筋鞘下の異常なミトコンドリアの蓄積、内膜と外膜の間またはクリステ内に局在する脂質および異常な準結晶（主にタンパク質からなる）または好浸透性封入体の蓄積、多くの場合マトリックス内に位置する球状クラスター（主にトリグリセリドからなる）など。

一部の患者では、白血球の細胞化学的異常が検出されることがあります。

生化学的研究と形態学的研究の複合的な研究は、最新の分子診断法（核またはミトコンドリアの変異の検出）によって補完され、これらは専門のDNA診断研究所で実施されます。ミトコンドリア疾患では、点突然変異、欠失、重複、定量的DNA異常など、様々な種類の変異が検出されます。

MtDNA に変異がない場合でも、ミトコンドリア病変が疑われる場合は、核 DNA 検査が行われます。

診断基準

ミトコンドリア疾患の診断基準は2つのグループに分かれています。主な診断基準（第1グループ）。

• 臨床：
  • 確立された診断: MERRF、MELAS、NARP、MNGIE、ピアソン症候群、レーバー神経障害、リー病およびアルパース病。
  • 以下の兆候の 2 つまたはその組み合わせの存在:
    • 多臓器性病変、呼吸連鎖疾患の特徴的所見。
    • 増悪を繰り返す進行性の経過、または家族内にミトコンドリア変異が存在する場合。
    • 適切な検査を実施して代謝疾患やその他の疾患を除外します。
• 組織学的 - 筋肉組織の 2% 以上で RRF 現象が検出されました。
• 酵素：
  • シトクロムcオキシダーゼ陰性繊維;
  • 呼吸鎖複合体の酵素の活性低下（組織では正常値の 20% 未満、細胞またはいくつかの組織では 30% 未満）。
• 機能的 - 線維芽細胞における ATP 合成が 3 標準偏差以上減少します。
• 分子遺伝学的 - 核または mtDNA の病原性に重大な変異。

追加の診断基準（第 2 グループ）。

• 臨床的 - 呼吸鎖の疾患で生じる非特異的な症状（死産、胎児の運動活動の低下、新生児の早期死亡、運動障害、発達障害、新生児期の筋緊張障害）。
• 組織学的 - RRF 現象、ミトコンドリアの筋細胞膜下蓄積またはその異常がわずかに存在します。
• 酵素 - 呼吸複合酵素の活性が低い（組織では標準値の 20 ～ 30%、細胞または細胞株では 30 ～ 40%）。
• 機能的 - 線維芽細胞における ATP 合成が 2 ～ 3 標準偏差減少するか、またはガラクトースを含む培地で線維芽細胞が成長しない状態。
• 分子遺伝学 - 病因的関連性が疑われる核DNAまたはmtDNAの変異の検出。
• 代謝 - 細胞の生体エネルギーの乱れを示す 1 つ以上の代謝物の検出。

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