引用本文： 王艷麗, 孔慶霞. 線粒體腦肌病與癲癇發病機制的關系. 癲癇雜志, 2015, 1(3): 246-250. doi: 10.7507/2096-0247.20150042 復制
線粒體腦肌病(Mitochondrial encephalomyo-pathy, ME)是一組由線粒體DNA或核DNA缺陷導致線粒體結構或功能障礙、ATP合成不足所致的多系統疾病，其基本特征為輕度活動后即感到極度疲乏無力，休息后好轉，損害常累及骨骼肌、心肌和中樞神經系統等部位[1, 2]。癲癇發作系指大腦神經元異常和過度超同步化放電所引起的臨床表現。ME可分為4型：慢性進行性眼外肌癱瘓(Chronic progressive external ophthalmoplegia, CPEO)、Kearns-Sayre綜合征(Kearns-Sayre syndrome, KSS)、線粒體腦肌病伴高乳酸血癥和卒中樣發作(Mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidemia and stroke-like episodes, MELAS)、肌陣攣性癲癇伴肌肉破碎紅纖維(Myoclonus epilepsy with ragged-red-fiber, MERRF)[3]。以上各型中MELAS是最常見的，如病變侵犯中樞以上各型可以重疊及轉型，病變以神經系統為主，則稱為ME，如Leber遺傳性視神經病、亞急性壞死性腦脊髓病(又稱Leigh病)、Alpers病及Menkes等。現就ME與癲癇發病機制之間的關系做一綜述，加深臨床大夫對ME與癲癇發病機制關系的認識，減少其誤診，使患者得到早診斷、早治療，以改善預后。
1 線粒體腦肌病與癲癇
由于組織對能量依賴程度的不同以及mtDNA突變的異質性和閾值效應，ME臨床表現的差異很大[4-6]，其中癲癇是最常見的臨床表現之一，因此有些患者被長期誤診為難治性癲癇。ME與癲癇之間的發病機制尚未完全闡明，線粒體是半自主性的細胞器, 通過氧化磷酸化合成ATP，為細胞各種生命活動提供能量，參與細胞內能量代謝、細胞凋亡、鈣離子的穩定性以及其他生命活動，如神經細胞中神經遞質的合成等。任何影響呼吸鏈和氧化磷酸化系統及嵌入線粒體內膜上的5個多亞基酶復合物(復合物Ⅰ-Ⅴ)都可導致線粒體疾病。從小鼠模型的研究顯示呼吸鏈的特定抑制劑可誘發癲癇發作。皮下注射氰化鉀(KCN，抑制線粒體細胞色素C氧化酶、COX)導致在處理的小鼠中出現劑量依賴性強直性發作，而3-nitropopionate(抑制劑的復合物II)誘導的陣攣性發作，也是以劑量依賴性方式[7, 8]。能源衰竭無疑起到了重要作用，但并不能解釋線粒體癲癇的表型變異性，也沒有說明為什么癲癇并不是所有的線粒體紊亂的特征之一。線粒體功能障礙的其他方面，例如活性氧的產生，不正常的鈣處理，增加細胞凋亡，也可能促使癲癇產生。從以下幾個方面闡述ME與癲癇發病機制的關系，有助于理解其發病機制之間的關系。
1.1 基因突變
線粒體基因或細胞核基因的缺失或突變導致線粒體結構和功能異常從而引起呼吸鏈功能缺陷和氧化磷酸化障礙是ME發病的根本病因，包括線粒體和核基因組之間雙向信息流的通訊障礙[9-11]，細胞核內原始基因突變控制線粒體基因的豐度和結構，導致疾病產生的原始基因變異可以存在于線粒體，也可存在于細胞[12]。線粒體或細胞核基因突變，導致線粒體功能蛋白合成改變，致使線粒體結構和(或)功能發生異常，干擾腦部相應病區的正常氧化磷酸化過程，造成局部腦組織能量代謝異常(ATP合成障礙)與活性氧自由基的過度堆積。線粒體內膜上的呼吸鏈酶被抑制也可以激發癲癇發作，如一氧化氮(NO)、氰化物等抑制細胞色素C氧化酶。ME mtDNA突變主要分為點突變和大片段缺失。目前已經發現了100多個不同的病理性點突變和200多個類型的缺失。線粒體DNA裸露缺乏組蛋白保護且缺乏有效的修復系統，其突變率遠高于核DNA，并且在細胞內不斷累積，通常按母系遺傳方式傳給子代，突變比例與患者的臨床表型有一定相關性，mtDNA突變比例越高，臨床表現越重，母血mtDNA水平超過35%～40%這個閾值時子代均會患病[13]。患者可表現為癲癇發作，其中MELAS和MERRF是兩種最常見的由線粒體DNA點突變引起的ME。MELAS主要由線粒體DNA A3243G點突變所致[14]，亦可能與多重線粒體DNA缺失有關；MERRF則以線粒體DNA A8344G點突變為主[15]。MELAS綜合征研究者發現mtDNA、nDNA突變，以及mtDNA與nDNA之間交流缺陷均可導致發病[16]。mtDNA突變的臨床癥狀可以是單系統也可以是多系統的表現，nDNA的突變在嬰兒期及兒童早期發病，通常是致命的[17]。ME是母系遺傳性疾病，子代遺傳的突變mtDNA占mtDNA的比例數較其上一代有所增加，因“異質性”(在不同的組織和不同的時間mtDNA突變的比率不同)和“閾效應”(突變達到一定的水平才能出現臨床癥狀)導致臨床表型在同一母親的子女之間亦有很大的不同，可散在發病[18, 19]，所以患兒母親存在相同基因變異而可無相應臨床表現。
80％MELAS主要因A3243G突變，其編碼在所述的mt-DNA的tRNALeu擺動位置的突變引起呼吸鏈復合物I和IV缺陷，從而導致受損氧化磷酸化。與MERRF關聯A8344G突變也位于擺動堿基位置。通常線粒體tRNA基因突變阻止氨酰化tRNA，擾亂氧化磷酸化的酶蛋白質的合成和表達、折疊和功能。線粒體基因突變的tRNA體現在有關細胞能量學上，包括COX缺陷、MERRF和MELAS。與年齡一樣，線粒體異質性在疾病的嚴重程度上扮演重要角色。除了所述的tRNA氨酰化損害，突變的修飾酶也可影響tRNA表達和豐富、tRNA的修飾、tRNA的折疊、甚至tRNA的成熟(例如，拼接)。一些在tRNA和加工酶的病理突變有可能影響到非規范的tRNA功能，并沒有對翻譯產生顯著影響[20]。
1.2 離子平衡障礙及神經遞質的改變
目前認為癲癇發病機制除遺傳因素外，獲得性病因很多:腦部病變、缺氧性疾患、中毒及代謝紊亂等都可導致癥狀性癲癇。迄今為止，以電解質為核心導致的電變化仍是癲癇發作的本質。可見線粒體基因改變引起離子改變是導致癲癇發病的重要原因。線粒體代謝異常抑制膜通道的主動運輸作用導致細胞內破壞鈣離子平衡而導致癲癇發作[21]。血管細胞內皮線粒體功能減退則會導致血腦屏障的破壞，加重離子穩態改變。這一改變是神經元過度興奮的電生理學基礎，神經元過度興奮臨床常表現為癲癇發作。此外在慢性癲癇階段，癲癇患者神經元鈣離子濃度持續升高，高鈣濃度在保持癲癇自發反復發作中扮演重要角色。高鈣濃度可以改變γ-氨基丁酸受體回收, 也可以增加細胞外釋放谷氨酸。神經遞質抑制或興奮性的失衡可能在慢性癲癇中扮演了角色。興奮性神經遞質谷氨酸被認為是促進氧化應激中的主要因素之一；此外，星形膠質細胞和神經元谷氨酸轉運蛋白對于維持突觸谷氨酸水平非常重要，這對氧化應激非常敏感[22]。興奮過度影響鈣離子信號通路和自由氧的產生，這促使癲癇發作和進一步的細胞損害, 反過來導致更多的谷氨酸釋放, 過度興奮性細胞死亡, 癲癇發作反復不斷[22]。
1.3 活性氧的產生及氧化應激
真核需氧生物體的高效生物能量學裝置離不開氧的存在。如果將其暴露在氧自由基的攻擊中即可產生氧化應激[21]。活性氧可以攻擊多元未飽和的脂肪酸、生物膜、蛋白質、酶和核酸。活性氧同樣可以引起mtDNA損傷，mtDNA損傷可能導致線粒體呼吸鏈損害。活性氧在細胞信號傳導中起重要作用，包括在線粒體中鈣離子調節穩態，反之鈣離子在自由氧的產生中也起到重要作用。活性氧的作用在神經疾病的體內平衡主要體現在中樞神經系統神經元和神經膠質特別容易受到活性氧的有害影響，此外中樞神經系統抗氧化機制十分匱乏。這是因為大腦功能特別重要且富含線粒體并具有高的有氧代謝膜的活性，高的氧消耗、高比表面積與細胞質體積、高濃度的多不飽和脂肪酸、高鐵含量，均可導致神經元網絡容易受到破壞[22]。活性氧破壞鈣離子穩態，增加細胞內的內容和過度刺激鈣離子信號通路，這樣的路徑方式的中斷導致ATP消耗增加，將產生的能量消耗，通過細胞壞死和細胞凋亡增加細胞死亡[23-26]。線粒體能量產生損傷可能是癲癇發作的基礎。抗氧化劑治療的有效性證實活性氧具有潛在的二次損傷作用[27]。腦脂質過氧化水平在KCN小鼠模型增加，支持活性氧的形成在癲癇中的發病機制[28]。
氧化應激是癲癇功能障礙發病機制中的一種作用機制，通過破壞細胞內鈣離子平衡，調節神經元的興奮性和突觸傳遞，使神經元更容易受到額外的壓力，導致癲癇的能量衰竭和神經元的損失。現已證實氧化應激是癲癇發病機制中最重要的初始步驟[29-31]。轉基因小鼠缺乏錳超氧化物歧化酶2(Manganese superoxide dismutase 2，MSOD2)基因，頻繁出現自發的運動性癲癇發作，抗氧化治療可以明顯改善癥狀[32]。其他慢性腦損傷可以導致癲癇，也可能由于腦損傷引起線粒體功能障礙和氧化應激。在動物模型皮質癲癇或顳葉癲癇病人中，存在活性氧增加、氧化損傷和線粒體損傷[31, 33-36]。
1.4 細胞自噬
有研究數據表明, 細胞環境積極修改MELES中呼吸鏈不足表現，神經元自噬是MELES發病機制一個重要的組成部分[37]。膜型自噬標志物(Light chain 3-II，LC3-II)和自噬體的形成增加被發現在MERRF胞質雜種的基礎條件下，指示組成激活的自噬途徑[38]。
1.5 精氨酸合成不足導致一氧化碳水平下降
在某些因素作用下可導致MELAS綜合征NO水平降低，包括血漿不對稱二甲基精氨酸(Asymmetric dimethylarginine, ADMA)濃度較高，由于精氨酸清除的增加和從頭合成精氨酸減少導致精氨酸水平較低[39]。研究表明，補充瓜氨酸比補充精氨酸更有利于提升NO水平，提出NO的產生最主要的由于精氨酸的從頭合成，而瓜氨酸的補充增加精氨酸的從頭合成[40]。精氨酸或瓜氨酸的產生都有利于增加NO的產生，在MELAS患者中補充瓜氨酸可能比精氨酸更加有效[41]。
1.6 肉堿水平下降
肉堿能將長鏈脂肪酸轉入線粒體內進行氧化，隨年齡的增長，體內肉堿水平也會下降，因此補充肉堿能使神經元內線粒體免受毒害，減少神經損傷，增強線粒體內酶的活性，提高線粒體功能，減少癲癇的發生[42]。
1.7 熱休克蛋白水平的下降
MERRF綜合征是一種罕見的疾病，其特點是肌陣攣、肌肉無力、小腦性共濟失調、心臟傳導阻滯和老年癡呆癥，常合并智力低下、聽力障礙和四肢近端無力。有研究表明，來源于細胞胞質雜種細胞MERRF A8344G突變MERRF患者的類淋巴母細胞中熱休克蛋白27(Heat shock protein 27，Hsp27)明顯降低[40]。然而, Hsp27的胞質分布和熱休克反應在野生型和突變體胞質雜種中可以被觀察到。超表達野生型Hsp27的突變MERRF胞質雜種在十字孢堿治療下，細胞死亡明顯降低，表明在Hsp27在A8344G突變的mtDNA細胞中起保護功能[37]。同時，逆轉錄PCR結果顯示在正常和突變胞質雜種之間的mRNA水平沒有差異，表明改變可發生在蛋白質水平。通過MERRF患者的類淋巴母細胞經蛋白酶體抑制劑、饑餓、雷帕霉素和溶酶體抑制劑處理后，Hsp27水平下降，說明Hsp27可能經自噬途徑降解，研究提示在部分MERRF胞質雜種Hsp27更快地周轉; Hsp27是通過自噬途徑下降和Hsp27可能在MERRF細胞有保護作用[38]。Hsp27的調節和自噬途徑可能有助于開發治療MERRF綜合征在未來的治療方案[38]。Wu等[43]研究表明在有攜帶mtDNA A8344G突變的人工培養的細胞中，線粒體DNA突變不僅導致ATP能量產生低下，也可以增加活性氧的水平。
1.8 其他
線粒體癲癇的病因牽連惡性循環，它有可能是線粒體癲癇，也可能由自身免疫應答反應。例如，一個急性播散性腦脊髓炎男性患者，腦活檢組織學檢查出現急性腦病和致病性POLG突變的證據[42]。還有研究發現在MERRF患者的皮膚成纖維細胞抗氧化酶的基因表達失調，錳超氧化物歧化酶蛋白和酶的活性水平增加[43]。也有研究顯示MERRF患者基質金屬蛋白酶1的基因表達和活性增加，這可能有助于細胞骨架重構參與于MERRF患者的肌無力和肌萎縮[38]。有研究表明，Kearns-Sayre綜合征癲癇發作可能與白質病變和腦缺乏葉酸有關，而葉酸補充劑可能導致癥狀在這些個體中獲益[41]。
2 有關線粒體腦肌病的病理學機制學說
線粒體代謝異常學說、線粒體血管病學說和非缺血性神經-血管細胞學說。其中非缺血性神經-血管細胞學說強調：線粒體功能障礙導致病變區域神經元興奮性增高，其癇樣放電使鄰近區域神經元去極化并向周圍擴散，最終導致能量代謝失衡。
3 線粒體功能障礙和癲癇發作的因果關系
關于線粒體功能障礙和癲癇發作，孰因孰果目前仍存較大爭議，但是兩者之間關系密切。Azakli等[44]研究有助于理解mtDNA突變與癲癇之間的因果關系。他報道了一例成年顳葉癲癇(TLE)并海馬硬化患者全基因組線粒體DNA深測序的結果，該患者在nt16223位置上有突變。運用焦磷酸技術測序來測量來至大腦6個不同的區域及血液中線粒體基因全序列，為了評估線粒體DNA在可能受影響的組織中的變化，他們比較了來至海馬不同腦區和血液的所有標本。在海馬6個不同腦區和血液樣本中發現35個同質和18個異質變化。海馬區域比血液中含有更多地異質性變化。最高的是腦CA2區域和ND2，ND4和ND5基因積累。此外, 齒狀回菌絲層海馬體也有類似的異質變化曲線。線粒體缺陷可能是TLE潛在的發病源。需要大樣本量的類似的患者的相關研究來證實這一假設。另一項研究支持線粒體缺陷導致癲癇，Zhang等[45]研究了Letm1與Wolf-Hirschhorn綜合征癲癇相關性。作者研究了該蛋白在TLE患者中及毛果蕓香堿誘導的大鼠癲癇模型的表達框架，增加了癲癇的敏感性，使用免疫熒光、免疫組織化學、免疫印跡、透射電子顯微鏡的方法，發現該蛋白在TLE患者顯著減少，并發現在實驗鼠癲癇發作后的1~7 d漸漸地減少。Letm1擊倒通過慢病毒軸承LV-Letm1-sh導致線粒體腫脹并減少Letm1靶蛋白表達線粒體基因編碼的細胞色素b。行為研究顯示, 抑制Letm1造成第一次發作的早期發病和發作頻率及持續時間增加。這些結果表明，線粒體缺陷導致癲癇發作的進程。癲癇發作使已經受損的神經元代謝增加。癲癇發作需要消耗能量，而線粒體功能障礙使能量衰竭，神經元死亡使能量產生不足，這就形成了一個惡性循環[46]。
一些研究表明，癲癇發作本身可以觸發線粒體功能障礙[47]，癲癇發作使神經元和神經膠質遭受壞死和凋亡。動物實驗和癲癇患者中可以看到線粒體積極參與通路[48, 49]，導致神經元細胞死亡并且進一步保持永久癲癇的過程[21]。
由于線粒體的氧化磷酸化異常最容易損傷枕皮質與枕葉，所以相當多的患者表現為腦電圖相應腦區的異常放電現象與視覺障礙，其中以皮質損害為主的MELAS不僅具有彌散性全腦異常腦電圖，也可有局灶性改變，特別可見癲癇腦電圖特有的棘慢波綜合、尖慢波綜合。神經科醫生應想到癲癇發作很可能是ME，重要的早期臨床表現要進一步排除需進行詳細的檢查。只有頭腦中時刻建立這樣一種觀念才會避免誤診和漏診。基因學檢測正逐漸成為ME的重要診斷方法。癲癇發作對ME具有重要診斷價值：有研究者統計107例ME患者中有85例以癲癇發作為臨床表現，癲癇發作類型以單純部分性發作和部分性繼發全身性發作最常見，患者多表現為一側或單一肢體抽搐，甚至出現部分性發作持續狀態，有時可繼發四肢強直陣攣樣發作[50]。癲癇發作多呈叢集性，常伴頭痛、嘔吐等，感染常為發作誘因。腦電圖可見局灶性棘波、棘慢波發放。兒童期MELAS型ME，癇樣發作可能是其唯一臨床癥狀。約45%以癲癇發作起病，可出現全面性發作如肌陣攣發作、全面強直-陣攣發作；局灶性發作如單純部分運動/感覺性發作，部分繼發全面性發作，且較易出現癲癇持續狀態[51, 52]。
4 小結
在臨床中如遇年齡較輕，且較難解釋的難治性、進展性癲癇患者，特別是在發病初期即出現癲癇持續狀態者，應當考慮存在ME的可能。ME臨床表現復雜多樣，遠期預后差，死亡率較高，預后與發病年齡和臨床表現密切相關，發病年齡越早，臨床癥狀越多，預后越差。在臨床工作中，我們應當掌握該病的診斷要點，不斷積累總結，結合臨床、神經影像學、病理、基因檢測，作出正確診斷。嚴格遵守全面評價以及個體化的診斷這一原則才能最大限度地提高診斷準確性。早期診斷及積極治療，對于改善患者整體預后具有重要的臨床意義。
線粒體腦肌病(Mitochondrial encephalomyo-pathy, ME)是一組由線粒體DNA或核DNA缺陷導致線粒體結構或功能障礙、ATP合成不足所致的多系統疾病，其基本特征為輕度活動后即感到極度疲乏無力，休息后好轉，損害常累及骨骼肌、心肌和中樞神經系統等部位[1, 2]。癲癇發作系指大腦神經元異常和過度超同步化放電所引起的臨床表現。ME可分為4型：慢性進行性眼外肌癱瘓(Chronic progressive external ophthalmoplegia, CPEO)、Kearns-Sayre綜合征(Kearns-Sayre syndrome, KSS)、線粒體腦肌病伴高乳酸血癥和卒中樣發作(Mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidemia and stroke-like episodes, MELAS)、肌陣攣性癲癇伴肌肉破碎紅纖維(Myoclonus epilepsy with ragged-red-fiber, MERRF)[3]。以上各型中MELAS是最常見的，如病變侵犯中樞以上各型可以重疊及轉型，病變以神經系統為主，則稱為ME，如Leber遺傳性視神經病、亞急性壞死性腦脊髓病(又稱Leigh病)、Alpers病及Menkes等。現就ME與癲癇發病機制之間的關系做一綜述，加深臨床大夫對ME與癲癇發病機制關系的認識，減少其誤診，使患者得到早診斷、早治療，以改善預后。
1 線粒體腦肌病與癲癇
由于組織對能量依賴程度的不同以及mtDNA突變的異質性和閾值效應，ME臨床表現的差異很大[4-6]，其中癲癇是最常見的臨床表現之一，因此有些患者被長期誤診為難治性癲癇。ME與癲癇之間的發病機制尚未完全闡明，線粒體是半自主性的細胞器, 通過氧化磷酸化合成ATP，為細胞各種生命活動提供能量，參與細胞內能量代謝、細胞凋亡、鈣離子的穩定性以及其他生命活動，如神經細胞中神經遞質的合成等。任何影響呼吸鏈和氧化磷酸化系統及嵌入線粒體內膜上的5個多亞基酶復合物(復合物Ⅰ-Ⅴ)都可導致線粒體疾病。從小鼠模型的研究顯示呼吸鏈的特定抑制劑可誘發癲癇發作。皮下注射氰化鉀(KCN，抑制線粒體細胞色素C氧化酶、COX)導致在處理的小鼠中出現劑量依賴性強直性發作，而3-nitropopionate(抑制劑的復合物II)誘導的陣攣性發作，也是以劑量依賴性方式[7, 8]。能源衰竭無疑起到了重要作用，但并不能解釋線粒體癲癇的表型變異性，也沒有說明為什么癲癇并不是所有的線粒體紊亂的特征之一。線粒體功能障礙的其他方面，例如活性氧的產生，不正常的鈣處理，增加細胞凋亡，也可能促使癲癇產生。從以下幾個方面闡述ME與癲癇發病機制的關系，有助于理解其發病機制之間的關系。
1.1 基因突變
線粒體基因或細胞核基因的缺失或突變導致線粒體結構和功能異常從而引起呼吸鏈功能缺陷和氧化磷酸化障礙是ME發病的根本病因，包括線粒體和核基因組之間雙向信息流的通訊障礙[9-11]，細胞核內原始基因突變控制線粒體基因的豐度和結構，導致疾病產生的原始基因變異可以存在于線粒體，也可存在于細胞[12]。線粒體或細胞核基因突變，導致線粒體功能蛋白合成改變，致使線粒體結構和(或)功能發生異常，干擾腦部相應病區的正常氧化磷酸化過程，造成局部腦組織能量代謝異常(ATP合成障礙)與活性氧自由基的過度堆積。線粒體內膜上的呼吸鏈酶被抑制也可以激發癲癇發作，如一氧化氮(NO)、氰化物等抑制細胞色素C氧化酶。ME mtDNA突變主要分為點突變和大片段缺失。目前已經發現了100多個不同的病理性點突變和200多個類型的缺失。線粒體DNA裸露缺乏組蛋白保護且缺乏有效的修復系統，其突變率遠高于核DNA，并且在細胞內不斷累積，通常按母系遺傳方式傳給子代，突變比例與患者的臨床表型有一定相關性，mtDNA突變比例越高，臨床表現越重，母血mtDNA水平超過35%～40%這個閾值時子代均會患病[13]。患者可表現為癲癇發作，其中MELAS和MERRF是兩種最常見的由線粒體DNA點突變引起的ME。MELAS主要由線粒體DNA A3243G點突變所致[14]，亦可能與多重線粒體DNA缺失有關；MERRF則以線粒體DNA A8344G點突變為主[15]。MELAS綜合征研究者發現mtDNA、nDNA突變，以及mtDNA與nDNA之間交流缺陷均可導致發病[16]。mtDNA突變的臨床癥狀可以是單系統也可以是多系統的表現，nDNA的突變在嬰兒期及兒童早期發病，通常是致命的[17]。ME是母系遺傳性疾病，子代遺傳的突變mtDNA占mtDNA的比例數較其上一代有所增加，因“異質性”(在不同的組織和不同的時間mtDNA突變的比率不同)和“閾效應”(突變達到一定的水平才能出現臨床癥狀)導致臨床表型在同一母親的子女之間亦有很大的不同，可散在發病[18, 19]，所以患兒母親存在相同基因變異而可無相應臨床表現。
80％MELAS主要因A3243G突變，其編碼在所述的mt-DNA的tRNALeu擺動位置的突變引起呼吸鏈復合物I和IV缺陷，從而導致受損氧化磷酸化。與MERRF關聯A8344G突變也位于擺動堿基位置。通常線粒體tRNA基因突變阻止氨酰化tRNA，擾亂氧化磷酸化的酶蛋白質的合成和表達、折疊和功能。線粒體基因突變的tRNA體現在有關細胞能量學上，包括COX缺陷、MERRF和MELAS。與年齡一樣，線粒體異質性在疾病的嚴重程度上扮演重要角色。除了所述的tRNA氨酰化損害，突變的修飾酶也可影響tRNA表達和豐富、tRNA的修飾、tRNA的折疊、甚至tRNA的成熟(例如，拼接)。一些在tRNA和加工酶的病理突變有可能影響到非規范的tRNA功能，并沒有對翻譯產生顯著影響[20]。
1.2 離子平衡障礙及神經遞質的改變
目前認為癲癇發病機制除遺傳因素外，獲得性病因很多:腦部病變、缺氧性疾患、中毒及代謝紊亂等都可導致癥狀性癲癇。迄今為止，以電解質為核心導致的電變化仍是癲癇發作的本質。可見線粒體基因改變引起離子改變是導致癲癇發病的重要原因。線粒體代謝異常抑制膜通道的主動運輸作用導致細胞內破壞鈣離子平衡而導致癲癇發作[21]。血管細胞內皮線粒體功能減退則會導致血腦屏障的破壞，加重離子穩態改變。這一改變是神經元過度興奮的電生理學基礎，神經元過度興奮臨床常表現為癲癇發作。此外在慢性癲癇階段，癲癇患者神經元鈣離子濃度持續升高，高鈣濃度在保持癲癇自發反復發作中扮演重要角色。高鈣濃度可以改變γ-氨基丁酸受體回收, 也可以增加細胞外釋放谷氨酸。神經遞質抑制或興奮性的失衡可能在慢性癲癇中扮演了角色。興奮性神經遞質谷氨酸被認為是促進氧化應激中的主要因素之一；此外，星形膠質細胞和神經元谷氨酸轉運蛋白對于維持突觸谷氨酸水平非常重要，這對氧化應激非常敏感[22]。興奮過度影響鈣離子信號通路和自由氧的產生，這促使癲癇發作和進一步的細胞損害, 反過來導致更多的谷氨酸釋放, 過度興奮性細胞死亡, 癲癇發作反復不斷[22]。
1.3 活性氧的產生及氧化應激
真核需氧生物體的高效生物能量學裝置離不開氧的存在。如果將其暴露在氧自由基的攻擊中即可產生氧化應激[21]。活性氧可以攻擊多元未飽和的脂肪酸、生物膜、蛋白質、酶和核酸。活性氧同樣可以引起mtDNA損傷，mtDNA損傷可能導致線粒體呼吸鏈損害。活性氧在細胞信號傳導中起重要作用，包括在線粒體中鈣離子調節穩態，反之鈣離子在自由氧的產生中也起到重要作用。活性氧的作用在神經疾病的體內平衡主要體現在中樞神經系統神經元和神經膠質特別容易受到活性氧的有害影響，此外中樞神經系統抗氧化機制十分匱乏。這是因為大腦功能特別重要且富含線粒體并具有高的有氧代謝膜的活性，高的氧消耗、高比表面積與細胞質體積、高濃度的多不飽和脂肪酸、高鐵含量，均可導致神經元網絡容易受到破壞[22]。活性氧破壞鈣離子穩態，增加細胞內的內容和過度刺激鈣離子信號通路，這樣的路徑方式的中斷導致ATP消耗增加，將產生的能量消耗，通過細胞壞死和細胞凋亡增加細胞死亡[23-26]。線粒體能量產生損傷可能是癲癇發作的基礎。抗氧化劑治療的有效性證實活性氧具有潛在的二次損傷作用[27]。腦脂質過氧化水平在KCN小鼠模型增加，支持活性氧的形成在癲癇中的發病機制[28]。
氧化應激是癲癇功能障礙發病機制中的一種作用機制，通過破壞細胞內鈣離子平衡，調節神經元的興奮性和突觸傳遞，使神經元更容易受到額外的壓力，導致癲癇的能量衰竭和神經元的損失。現已證實氧化應激是癲癇發病機制中最重要的初始步驟[29-31]。轉基因小鼠缺乏錳超氧化物歧化酶2(Manganese superoxide dismutase 2，MSOD2)基因，頻繁出現自發的運動性癲癇發作，抗氧化治療可以明顯改善癥狀[32]。其他慢性腦損傷可以導致癲癇，也可能由于腦損傷引起線粒體功能障礙和氧化應激。在動物模型皮質癲癇或顳葉癲癇病人中，存在活性氧增加、氧化損傷和線粒體損傷[31, 33-36]。
1.4 細胞自噬
有研究數據表明, 細胞環境積極修改MELES中呼吸鏈不足表現，神經元自噬是MELES發病機制一個重要的組成部分[37]。膜型自噬標志物(Light chain 3-II，LC3-II)和自噬體的形成增加被發現在MERRF胞質雜種的基礎條件下，指示組成激活的自噬途徑[38]。
1.5 精氨酸合成不足導致一氧化碳水平下降
在某些因素作用下可導致MELAS綜合征NO水平降低，包括血漿不對稱二甲基精氨酸(Asymmetric dimethylarginine, ADMA)濃度較高，由于精氨酸清除的增加和從頭合成精氨酸減少導致精氨酸水平較低[39]。研究表明，補充瓜氨酸比補充精氨酸更有利于提升NO水平，提出NO的產生最主要的由于精氨酸的從頭合成，而瓜氨酸的補充增加精氨酸的從頭合成[40]。精氨酸或瓜氨酸的產生都有利于增加NO的產生，在MELAS患者中補充瓜氨酸可能比精氨酸更加有效[41]。
1.6 肉堿水平下降
肉堿能將長鏈脂肪酸轉入線粒體內進行氧化，隨年齡的增長，體內肉堿水平也會下降，因此補充肉堿能使神經元內線粒體免受毒害，減少神經損傷，增強線粒體內酶的活性，提高線粒體功能，減少癲癇的發生[42]。
1.7 熱休克蛋白水平的下降
MERRF綜合征是一種罕見的疾病，其特點是肌陣攣、肌肉無力、小腦性共濟失調、心臟傳導阻滯和老年癡呆癥，常合并智力低下、聽力障礙和四肢近端無力。有研究表明，來源于細胞胞質雜種細胞MERRF A8344G突變MERRF患者的類淋巴母細胞中熱休克蛋白27(Heat shock protein 27，Hsp27)明顯降低[40]。然而, Hsp27的胞質分布和熱休克反應在野生型和突變體胞質雜種中可以被觀察到。超表達野生型Hsp27的突變MERRF胞質雜種在十字孢堿治療下，細胞死亡明顯降低，表明在Hsp27在A8344G突變的mtDNA細胞中起保護功能[37]。同時，逆轉錄PCR結果顯示在正常和突變胞質雜種之間的mRNA水平沒有差異，表明改變可發生在蛋白質水平。通過MERRF患者的類淋巴母細胞經蛋白酶體抑制劑、饑餓、雷帕霉素和溶酶體抑制劑處理后，Hsp27水平下降，說明Hsp27可能經自噬途徑降解，研究提示在部分MERRF胞質雜種Hsp27更快地周轉; Hsp27是通過自噬途徑下降和Hsp27可能在MERRF細胞有保護作用[38]。Hsp27的調節和自噬途徑可能有助于開發治療MERRF綜合征在未來的治療方案[38]。Wu等[43]研究表明在有攜帶mtDNA A8344G突變的人工培養的細胞中，線粒體DNA突變不僅導致ATP能量產生低下，也可以增加活性氧的水平。
1.8 其他
線粒體癲癇的病因牽連惡性循環，它有可能是線粒體癲癇，也可能由自身免疫應答反應。例如，一個急性播散性腦脊髓炎男性患者，腦活檢組織學檢查出現急性腦病和致病性POLG突變的證據[42]。還有研究發現在MERRF患者的皮膚成纖維細胞抗氧化酶的基因表達失調，錳超氧化物歧化酶蛋白和酶的活性水平增加[43]。也有研究顯示MERRF患者基質金屬蛋白酶1的基因表達和活性增加，這可能有助于細胞骨架重構參與于MERRF患者的肌無力和肌萎縮[38]。有研究表明，Kearns-Sayre綜合征癲癇發作可能與白質病變和腦缺乏葉酸有關，而葉酸補充劑可能導致癥狀在這些個體中獲益[41]。
2 有關線粒體腦肌病的病理學機制學說
線粒體代謝異常學說、線粒體血管病學說和非缺血性神經-血管細胞學說。其中非缺血性神經-血管細胞學說強調：線粒體功能障礙導致病變區域神經元興奮性增高，其癇樣放電使鄰近區域神經元去極化并向周圍擴散，最終導致能量代謝失衡。
3 線粒體功能障礙和癲癇發作的因果關系
關于線粒體功能障礙和癲癇發作，孰因孰果目前仍存較大爭議，但是兩者之間關系密切。Azakli等[44]研究有助于理解mtDNA突變與癲癇之間的因果關系。他報道了一例成年顳葉癲癇(TLE)并海馬硬化患者全基因組線粒體DNA深測序的結果，該患者在nt16223位置上有突變。運用焦磷酸技術測序來測量來至大腦6個不同的區域及血液中線粒體基因全序列，為了評估線粒體DNA在可能受影響的組織中的變化，他們比較了來至海馬不同腦區和血液的所有標本。在海馬6個不同腦區和血液樣本中發現35個同質和18個異質變化。海馬區域比血液中含有更多地異質性變化。最高的是腦CA2區域和ND2，ND4和ND5基因積累。此外, 齒狀回菌絲層海馬體也有類似的異質變化曲線。線粒體缺陷可能是TLE潛在的發病源。需要大樣本量的類似的患者的相關研究來證實這一假設。另一項研究支持線粒體缺陷導致癲癇，Zhang等[45]研究了Letm1與Wolf-Hirschhorn綜合征癲癇相關性。作者研究了該蛋白在TLE患者中及毛果蕓香堿誘導的大鼠癲癇模型的表達框架，增加了癲癇的敏感性，使用免疫熒光、免疫組織化學、免疫印跡、透射電子顯微鏡的方法，發現該蛋白在TLE患者顯著減少，并發現在實驗鼠癲癇發作后的1~7 d漸漸地減少。Letm1擊倒通過慢病毒軸承LV-Letm1-sh導致線粒體腫脹并減少Letm1靶蛋白表達線粒體基因編碼的細胞色素b。行為研究顯示, 抑制Letm1造成第一次發作的早期發病和發作頻率及持續時間增加。這些結果表明，線粒體缺陷導致癲癇發作的進程。癲癇發作使已經受損的神經元代謝增加。癲癇發作需要消耗能量，而線粒體功能障礙使能量衰竭，神經元死亡使能量產生不足，這就形成了一個惡性循環[46]。
一些研究表明，癲癇發作本身可以觸發線粒體功能障礙[47]，癲癇發作使神經元和神經膠質遭受壞死和凋亡。動物實驗和癲癇患者中可以看到線粒體積極參與通路[48, 49]，導致神經元細胞死亡并且進一步保持永久癲癇的過程[21]。
由于線粒體的氧化磷酸化異常最容易損傷枕皮質與枕葉，所以相當多的患者表現為腦電圖相應腦區的異常放電現象與視覺障礙，其中以皮質損害為主的MELAS不僅具有彌散性全腦異常腦電圖，也可有局灶性改變，特別可見癲癇腦電圖特有的棘慢波綜合、尖慢波綜合。神經科醫生應想到癲癇發作很可能是ME，重要的早期臨床表現要進一步排除需進行詳細的檢查。只有頭腦中時刻建立這樣一種觀念才會避免誤診和漏診。基因學檢測正逐漸成為ME的重要診斷方法。癲癇發作對ME具有重要診斷價值：有研究者統計107例ME患者中有85例以癲癇發作為臨床表現，癲癇發作類型以單純部分性發作和部分性繼發全身性發作最常見，患者多表現為一側或單一肢體抽搐，甚至出現部分性發作持續狀態，有時可繼發四肢強直陣攣樣發作[50]。癲癇發作多呈叢集性，常伴頭痛、嘔吐等，感染常為發作誘因。腦電圖可見局灶性棘波、棘慢波發放。兒童期MELAS型ME，癇樣發作可能是其唯一臨床癥狀。約45%以癲癇發作起病，可出現全面性發作如肌陣攣發作、全面強直-陣攣發作；局灶性發作如單純部分運動/感覺性發作，部分繼發全面性發作，且較易出現癲癇持續狀態[51, 52]。
4 小結
在臨床中如遇年齡較輕，且較難解釋的難治性、進展性癲癇患者，特別是在發病初期即出現癲癇持續狀態者，應當考慮存在ME的可能。ME臨床表現復雜多樣，遠期預后差，死亡率較高，預后與發病年齡和臨床表現密切相關，發病年齡越早，臨床癥狀越多，預后越差。在臨床工作中，我們應當掌握該病的診斷要點，不斷積累總結，結合臨床、神經影像學、病理、基因檢測，作出正確診斷。嚴格遵守全面評價以及個體化的診斷這一原則才能最大限度地提高診斷準確性。早期診斷及積極治療，對于改善患者整體預后具有重要的臨床意義。