10 Mitochondriale Enzephalomyopathien

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1 Mitochondriale Enzephalomyopathien 10.1 Einleitung und Klassifikation Begriffsentwicklung. Der Begriff mitochondriale Enzephalomyopathien wurde 1977 von Shapira et al. für eine Gruppe von Erkrankungen eingeführt, die sich durch strukturell oder funktionell alterierte Mitochondrien in Gehirn oder Muskulatur auszeichnen und klinisch verschiedene zerebrale und myopathische Symptome bieten. Neben einigen Einzelfällen wurden damals folgende Syndrome zusammengefasst: Kearns-Shy-, Alpers-, Leigh-, Menke-, Zellweger- und Canavan-Syndrom (Shapira et al. 1977). Mitochondriale Veränderungen. Mitochondriale Veränderungen bei Patienten wurden erstmals bereits 1959 entdeckt: Ernster (Ernster et al. 1959) und Luft (Luft et al. 1962) beschrieben eine junge Frau mit Myopathie bei nicht thyreoidalem Hypermetabolismus, bei der sich biochemisch eine Entkoppelung der oxidativen Phosphorylierung und elektronenmikroskopisch in der Muskelbiopsie abnorme Mitochondrien zeigten. Es blieb jedoch lange bei einer Einzelfallbeschreibung dieses Krankheitsbildes. Auch bei Patienten mit chronisch progressiver externer Ophthalmoplegie (CPEO) fanden sich elektronenmikroskopisch Mitochondrienveränderungen der Augenmuskeln (Mölbert u. Doden 1959). In den darauf folgenden Jahren wurden bei CPEO-Patienten, bei denen sich meist weitere Symptome wie z. B. generalisierte Muskelschwäche, Retinaveränderungen oder Ataxie fanden, auch im Skelettmuskel strukturelle Mitochondrienveränderungen, später auch biochemische Defekte der Atmungskette der Mitochondrien identifiziert. Ragged-red-Fasern. Durch die von Engel u. Cunnigham 1963 eingeführte modifizierte Gomori-Trichrom-Färbung gelang es, auch lichtmikroskopisch Strukturveränderungen der Muskelmitochondrien nachzuweisen. Dabei zeigen sich fuchsinrote, überwiegend subsarkolemmal gelegene Mitochondrienagglomerationen, wobei das intermyofibrilläre Netzwerkvielfach fragmentiert bzw. zerrissen erscheint. Für diese Veränderungen prägten Olson et al die Bezeichnung ¹Ragged-red-Fasernª (Abb u [Farbtafel II]). Weitere mitochondriale Erkrankungen. Beschreibungen mitochondrialer Erkrankungen aus den 60er- und 70er- Jahren umfassten neben CPEO-Patienten häufig auch Kinder, die neben einer Myopathie eine geistige Retardierung oder zerebrale Krampfanfälle zeigten. Neben sporadischen Fällen wurden auch einige familiäre Fälle beobachtet. In den 80er-Jahren wurden einzelne Syndrome wie z. B. ME- LAS (mitochondriale Myopathie, Enzephalopathie, Lactatazidose und schlaganfallähnliche Episoden) oder MERRF (Myoklonus Epilepsie mit ¹Ragged-red-Fasernª) definiert. Veränderungen des mitochondrialen Genoms. Nach der vollständigen Sequenzierung des menschlichen mitochondrialen Genoms und dem Nachweis der maternalen Vererbung der mitochondrialen DNA (mtdna) (Anderson et al. 1981; Giles et al. 1980) begann in den 80er-Jahren die Suche nach Veränderungen des mitochondrialen Genoms bei Patienten mit mitochondrialen Enzephalomyopathien entdeckten Holt et al. Deletionen der mitochondrialen DNA bei Patienten mit mitochondrialen Myopathien. Dabei handelte es sich mit einer Ausnahme jedoch nicht um familiäre, sondern um sporadische Fälle (Holt et al. 1988). Noch im gleichen Jahr beschrieben Wallace et al. bei der maternal vererbten Leberschen Optikusneuropathie die erste Punktmutation der mtdna (Wallace et al. 1988). Bis heute wurden viele genetische Defekte bei Patienten mit mitochondrialen Enzephalomyopathien identifiziert, meist im mitochondrialen Genom, 1995 jedoch erstmals auch in einem nukleären Gen, das für eine Untereinheit der Atmungskette kodiert (Bourgeron et al. 1995). Heutige Begriffsdefinition. Man versteht heute unter den mitochondrialen Enzephalomyopathien eine heterogene Gruppe von Erkrankungen, die auf strukturellen, biochemischen oder genetischen Störungen der Mitochondrien beruhen. Neben Gehirn und Muskulatur können auch das periphere Nervensystem und weitere Organsysteme wie z. B. Herz oder Gastrointestinaltrakt betroffen sein, sodass es sich bei den mitochondrialen Enzephalomyopathien um Multisystemerkrankungen handelt (Abb.10.1). Sie können sowohl sporadisch als auch familiär auftreten, wobei neben dem maternalen d. h. mitochondrialen Erbgang auch ein autosomaler Erbgang beobachtet wird. Mitochondriale Erkrankungen mit biochemischen Defekten, die nicht die oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) betreffen, sollten im engeren Sinne nicht zu den mitochondrialen Enzephalomyopathien gezählt werden. Dazu gehören u. a. Störungen des Fettsäuretransports in die Mitochondrien, der Fettsäureoxidation oder der Pyruvatoxidation. Der manchmal noch verwendete Begriff mitochondriale Zytopathie erscheint nicht gerechtfertigt, da auch Erkrankungen mit nukleären Gendefekten Multisystemcharakter aufweisen können. Klassifikationen. Klassifikationsversuche mitochondrialer Enzephalomyopathien wurden in den 80er-Jahren vorgenommen. DiMauro propagierte eine klinische Klassifikation, nach der bestimmte Syndrome wie MELAS-, MERRF-, Kearns-Sayre-, Leigh- und Alpers-Syndrom als klinische

2 10.2 Biochemische Grundlagen 261 Skelettmuskel Paresen Belastungsintoleranz Gehirn Krampfanfälle Myoklonien Ataxie Ischämien Demenz Herz Kardiomyopathie Reizleitungsstörungen äußere Mitochondrienmembran V IV III II I Bauchspeicheldrüse Diabetes mellitus Innenohr Schwerhörigkeit Abb Multiorganbeteiligung mitochondrialer Enzephalomyopathien. Gatrointestinaltrakt Diarrhö Erbrechen innere Membran Atmungskette Auge externe Ophthalmoplegie Optikusneuropathie Retinopathie Blut Panzytopenie Entitäten voneinander abgrenzbar sind (DiMauro u. Bonilla 1997). Problematisch ist jedoch, dass sich diese Syndrome häufig überschneiden (¹Overlap-Syndromeª), was eine klinische Klassifikation erschwert. Darüber hinaus ist es fraglich, ob die vielen weiteren mittlerweile beschriebenen Syndrome auf abgrenzbaren Entitäten beruhen. Im Gegensatz dazu wurde von Morghan-Hughes auf eine Einteilung in spezifische Krankheitsentitäten verzichtet. Er unterteilte mitochondriale Enzephalomyopathien lediglich dahingehend, ob überwiegend eine Skelettmuskelbeteiligung, eine ZNS-Beteiligung oder eine chronisch progressive externe Ophthalmoplegie vorliegt, entsprechend der Vorstellung, dass es sich bei den verschiedenen Syndromen um Variationen einer Multisystemerkrankung handelt, die durch unterschiedliche Organmanifestationen zustande kommen (Morghan-Hughes et al. 1994). Eine Klassifikation allein nach genetischen, morphologischen oder biochemischen Kriterien ist nicht sinnvoll. So kann eine mitochondriale Mutation zu verschiedensten Phänotypen führen und andererseits können bei einem bestimmten Syndrom verschiedenste Mutationen vorliegen. Unterschiedliche Atmungskettendefekte können innerhalb eines Krankheitsbildes gefunden werden und umgekehrt kann ein bestimmter Enzymdefekt verschiedenste Syndrome bedingen. Auch die Ragged-red-Fasern sind nicht spezifisch für bestimmte Syndrome. Bei manchen Syndromen finden sie sich nahezu regelhaft, bei anderen nur gelegentlich. Eine einheitliche Klassifikation der mitochondrialer Enzephalomyopathien ist aufgrund der Heterogenität bisher nicht erreicht worden. Trotz der Überlappung der klinischen Erscheinungsbilder ist die Beschreibung einzelner Syndrome jedoch hilfreich. Die diagnostischen Kriterien der Syndrome sind eine wichtige Hilfestellung, um Patienten mit mitochondrialen Enzephalomyopathien zu identifizieren. Auûerdem erleichtert die Zuordnung zu einem Syndrom die Suche nach einer molekularen Veränderung. Bei manchen Patienten gelingt diese Zuordnung jedoch nicht, die Beschreibung der einzelnen Symptome ist dann sinnvoller Biochemische Grundlagen Mitochondrien und ATP. Eine wichtige Aufgabe der Mitochondrien besteht in der Synthese des energiereichen Adenosintriphosphat (ATP) in der Atmungskette. Dazu sind in die Innenmembran der Mitochondrien 5 Enzymkomplexe integriert: Q Komplex I = NADH-Coenzym-Q-Reductase, Q Komplex II = Succinat-Coenzym-Q-Reductase, Q Komplex III = Coenzym-Q-Cytochrom-c-Reductase, Q Komplex IV = Cytochrom-c-Oxidase, Q Komplex V = ATP-Synthase (Abb.10.2). Durch die Komplexe I±IV wird an der Innenmembran ein elektrochemischer Protonengradient aufgebaut. Mit Hilfe der ATP-Synthase (Komplex V) wird dieser Gradient zur oxidativen Phosphorylierung von ADP und Phosphat zu ATP genutzt. Alle wichtigen Reaktionen der Zelle (Muskelkontraktion, Aufbau von Ionengradienten, Synthese von Nucleinsäuren, Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten) werden durch ATP getrieben. Mitochondrien existieren in allen Zellen auûer den Erythrozyten. Die bevorzugte Affektion von Muskel- und Nervenzellen bei einer mitochondrialen Störung erklärt man sich durch den hohen Energiebedarf dieser Zellen, der zu einer besonderen Vulnerabilität führen könnte.

3 I I Zierz, Jerusalem. Muskelerkrankungen (ISBN ) 2003 Georg Thieme Verlag Mitochondriale Enzephalomyopathien H + H + H + Intermembranraum innere Membran Komplex I Ubiquinon e e Q Komplex II Komplex III Cytochrom c C e e Komplex IV Komplex V Matrix NADH + H + NAD + Succinat Fumarat 1 / 2 O 2 H 2 O ADP H + ATP Abb Schematische Darstellung der inneren Mitochondrienmembran mit den Enzymkomplexen der Atmungskette. Defekte Mitochondrien. In defekten Mitochondrien kommt es infolge einer verminderten mitochondrialen Oxidationskapazität von NADH zu einem Anstieg des Quotienten NADH/NAD. Dies führt über eine Hemmung der Pyruvatdehydrogenase zu einem Anstieg von Pyruvat, welches durch die zytosolische Lactatdehydrogenase in Lactat überführt wird. Ein erhöhter Lactatwert im Blut ist demnach ein wichtiger Indikator für das Vorliegen eines mitochondrialen Defekts. Weitere Stoffwechselwege. In der mitochondrialen Matrix sind eine Reihe weitere Stoffwechselwege lokalisiert, wie z. B. b-oxidation der Fettsäuren, Pyruvatoxidation, Ketogenese, Krebs- und Harnstoffzyklus. Während die oxidative Phosphorylierung in allen Zellen stattfindet (auûer in Erythrozyten, die keine Mitochondrien besitzen) gibt es Reaktionen der Matrix, die nur in speziellen Organen möglich sind, z. B. der Harnstoffzyklus, der allein in Leberzellen existiert (Zierz u. Jerusalem 1989). Die Oozyte enthält einige hunderttausend mtdna, die Spermien hingegen nur einige hundert, mit der Konsequenz, dass der geringe Anteil paternaler mtdna kaum einen Einfluss auf den Genotyp hat. So vererben Mütter ihre mtdna allen ihren Nachkommen, wogegen nur die Töchter die mtdna an die nächste Generation weitergeben. Mitochondriale Mutationen. Treten mitochondriale Mutationen auf, so sind diese innerhalb einer Zelle nur bei einem Teil der mitochondrialen DNA zu finden. Dieser Zustand mit einem Gemisch von mutierter DNA und Wildtyp-DNA wird als Heteroplasmie bezeichnet. Der Anteil mutierter DNA kann von Gewebe zu Gewebe unter- MELAS- Mutation 3243 D-Loop III 10.3 Genetik der Mitochondrien I Mitochondriales Genom. Mitochondrien sind die einzigen subzellulären Organellen, die eine eigene DNA besitzen. Das mitochondriale Genom besteht aus einer ringförmigen, doppelsträngigen DNA von 16,5 kb, die in ihrer Gesamtstruktur bekannt ist (Abb. 10.3). 13 Strukturproteine, alles Untereinheiten der Atmungskette (7 Untereinheiten des Komplex I, eine des Komplex III, 3 des Komplex IV und 2 des Komplex V), 2 rrna und 22 trna werden von ihm kodiert. Es werden jedoch nur etwa 20 % der Proteine, die die Untereinheiten der mitochondriale Atmungskette bilden, durch die mitochondriale DNA (mtdna) kodiert, der Rest wird durch die nukleäre DNA kodiert. Deshalb sind unterschiedliche Vererbungsmodi möglich. Es wird sowohl ein mitochondrialer, d. h. maternaler Erbgang, als auch ein autosomaler Erbgang beobachtet. Der maternale Vererbungsmodus stellt eine spezifische Eigenschaft der mitochondrialen Genetik dar. IV MERRF- Mutation 8344 IV V common deletion IV I I Hereditäre-Leber- Optikusneuropathie-Mutation NARP- oder Leigh-Mutation 8993 Abb Mitochondriale DNA mit Genverteilung und Mutationen: Weiû dargestellt sind die Gene, die für Strukturproteine der Atmungskette kodieren (Komplex I, III, IV und V), blau die trna-gene und grau die rrna-gene. Die wichtigsten Punktmutationen mitochondrialer Enzephalomyopathien sind mit der Nucleotidposition vermerkt und die Lokalisation der häufigsten mitochondrialen Deletion (¹common deletionª), die bei der Ophthalmoplegia plus gefunden wird, ist dargestellt.

4 10.4 Krankheitsbilder und Syndrome 263 schiedlich sein und ist meist in betroffenen Organen am höchsten. Man vermutet, dass mutierte DNA-Moleküle neben normalen Molekülen bereits in der Eizelle oder Zygote vorliegen und nach dem Zufallsprinzip auf die folgenden Zellgenerationen verteilt werden (mitotische Segregation). Dadurch entstehen Stammzellen mit viel bzw. wenig mutierter DNA, was zu einem unterschiedlichen Heteroplasmiegrad in verschiedenen Geweben führt. Man nimmt an, dass ein bestimmter Schwellenwert an mutierter DNA erreicht werden muss, damit Mutationen der mtdna wirksam werden. Eine mitochondriale Mutation kann daher auch bei klinisch nicht betroffenen Familienangehörigen in geringerem Ausmaû gefunden werden. Allerdings korreliert der Heteroplasmiegrad nicht eng mit der klinischen Ausprägung. Im Muskel von Patienten mit Deletionen der mitochondrialen DNA fand sich jedoch eine enge Korrelation zwischen Heteroplasmiegrad und Schwere des biochemischen Defekts (Gellerich et al. 2002). Bisher sind weit über 100 Punktmutationen und Deletionen der mitochondrialen DNA nachgewiesen worden, die mit mitochondrialen Enzephalomyopathien assoziiert sind. Jedoch ist die Genotyp-Phänotyp-Korrelation häufig gering. Einerseits kann eine mitochondriale Mutation verschiedene Syndrome bedingen, andererseits ein Syndrom durch verschiedene Mutationen hervorgerufen werden. Einzelne Mutation wurden auch in nukleären Genen identifiziert, die für Untereinheiten der Atmungskette kodieren. Auûerdem gibt es Patienten mit autosomalem Erbgang und multiplen Deletionen oder Mangel der mtdna, bei denen sich Mutationen in nukleären Genen finden, die für die Replikation der mitochondrialen DNA mitverantwortlich sind (Di- Mauro u. Bonilla 1997; Finsterer 1997; Hirano u. DiMauro 2001; Deschauer u. Zierz 2003) Krankheitsbilder und Syndrome Ophthalmoplegia plus und Kearns-Sayre-Syndrom Klinik Ophthalmoplegie. Leitsymptom ist eine progressive externe Ophthalmoplegie, charakterisiert durch eine Ptosis und Bewegungseinschränkung der Augen in alle Richtungen unterschiedlichen Ausmaûes (Abb.10.4). Akzessorische Symptome. Meist bieten diese Patienten akzessorische Symptome, die über eine externe Ophthalmoplegie hinausgehen. Dazu gehören insbesondere retinale Degeneration, Reizleitungsstörungen des Herzens, Störungen des zentralen oder peripheren Nervensystems, endokrine Störungen (z. B. Kleinwuchs, Menstruationsunregelmäûigkeiten, Hodenhypoplasie, Diabetes mellitus oder Hypoparathyreoidismus) (Quade et al. 1992) sowie belastungsinduzierte oder permanente Schwäche der Skelettmuskulatur. Die Häufigkeit akzessorischer Symptome ist in Tab.10.1 dargestellt. Die Erkrankung beginnt in der Regel zwischen dem 10. und 40. Lebensjahr, meist ist die Ptose das Erstsymptom. Bemerkenswerterweise geben nur wenige Patienten Doppelbilder an. Die kardiale Mitbeteiligung manifestiert sich als progredient verlaufende faszikuläre Blockierung, meist über Jahre, manchmal aber auch innerhalb von Monaten mit Gefahr eines plötzlichen Herztodes (Zierz et al. 1990b; Nitsch et al. 1990). Die retinalen Veränderungen entsprechen nicht einer klassischen Retinitis pigmentosa, da die Degeneration meist peripapillär (nicht in der Netzhautperipherie) auftritt, keine primäre Degeneration der Photorezeptoren sondern des Pigmentepithels beobachtet wird und sich nur selten schwere Sehstörungen entwickeln (Eagle et al. 1982). Abb Externe Ophthalmoplegie. Ruhestellung (links) und Augenstellungen beim Versuch, maximal nach oben, nach rechts, nach links und nach unten zu blicken.

5 Mitochondriale Enzephalomyopathien Tabelle 10.1 Häufigkeit akzessorischer Symptome bei der Ophthalmoplegia plus (nach Zierz et al. 1990b) Symptome Häufigkeit [%] endokrine Störungen 67 retinale Pigmentveränderung 65 Belastungsintoleranz und Paresen 61 Ataxie oder Tremor 39 kardiale Reizleitungsstörungen 26 Polyneuropathie 23 Demenz 13 Doppelbilder 7 Kearns-Sayre-Syndrom. Die Trias aus progressiver externer Ophthalmoplegie, Retinadegeneration und Herzblock wurde 1958 als Kearns-und-Sayre-Syndrom (KSS) beschrieben (Kearns u. Sayre 1958). Eine spätere Definition des KSS forderte neben der externen Ophthalmoplegie und Retinadegeneration einen Krankheitsbeginn vor dem 20. Lebensjahr und zusätzlich entweder eine Ataxie, Reizleitungsstörungen des Herzens oder eine Erhöhung des Gesamteiweiû von mehr als 1 g/l im Liquor (DiMauro et al. 1985). Ophthalmoplegia plus. Häufig erfüllen Patienten mit externer Ophthalmoplegie und akzessorischen Symptomen nicht alle Kriterien des KSS. Man spricht daher von Ophthalmoplegia plus. Auch der Begriff chronisch progressive externe Ophthalmoplegie (CPEO) wird häufig in diesem Sinne gebraucht und schlieût akzessorische Symptome mit ein. Ob es sich beim KSS um eine von der Ophthalmoplegia plus nosologisch abgrenzbare Entität handelt, ist umstritten. Diagnostik Zerebrale Bildgebung. Im CT kann man hypodense Läsionen und Kalkablagerungen im Bereich der Basalganglien, Hypodensitäten der weiûen Substanz von Groû- und Kleinhirn sowie innere und äuûere Atrophien beobachten. Die Kalkablagerungen treten insbesondere bei Vorliegen eines Hypoparathyreoidismus auf. Im MRT findet man eine T2-Prolongation insbesondere der Thalami und Globi pallidi sowie Veränderungen in der weiûen Hirnsubstanz (Lindner et al. 1997). Muskelbiopsie. Biochemisch lassen sich nur bei 30±50 % der Patienten reduzierte Aktivitäten der verschiedenen Enzymkomplexe der Atmungskette nachweisen. Myohistologisch zeigen sich typischerweise Ragged-red-Fasern und histochemisch Cytochrom-c-Oxidase-(COX-)negative Muskelfasern (Abb.10.5) (Zierz et al. 1990b; Laforet et al. 1995). Molekulargenetik. Meist besteht bei Patienten mit KSS und CPEO keine positive Familienanamnese. Bei den seltenen familiären Fällen wurde sowohl ein maternaler als auch ein autosomaler (dominanter oder rezessiver) Erbgang beschrieben (Deschauer et al. 2001b). Molekulargenetisch finden sich bei 90 % der KSS-Patienten weiträumige singuläre Deletionen der mtdna. Bei CPEO-Patienten findet man sie in etwa der Hälfte der Fälle. Am häufigsten ist dabei eine Deletion von 4900 Basenpaaren (¹common deletionª), die etwa 40 % der Fälle ausmacht (Abb.10.3). Die singulären Deletionen treten fast immer sporadisch auf (Gerbitz et al. 1990; Laforet et al. 1995). Der Nachweis von Deletionen gelingt im Southern-Blot aus Muskel-DNA (Abb. 10.6). Darüber hinaus können bei CPEO/KSS Duplika- Abb Histochemische Darstellung der Cytochrom-c-Oxidase (COX) in einer Muskelbiopsie eines Patienten mit chronisch progressiver externer Ophthalmoplegie (CPEO): Es finden sich Fasern mit starker Anfärbung (Typ-I-Fasern) und schwächerer Anfärbung (Typ-II-Fasern) sowie Fasern, die keine histochemische Reaktion zeigen.

6 10.4 Krankheitsbilder und Syndrome MELAS-Syndrom (Mitochondriale Enzephalomyopathie, Lactatazidose und schlaganfallähnliche Episoden) Das MELAS-Syndrom, erstmals 1984 beschrieben (Pavlakis et al. 1984), hat als Besonderheit episodische Attacken mit Übelkeit/Erbrechen, Kopfschmerzen, zerebrale Krampfanfälle, sowie schlaganfallähnliche Episoden (insbesondere mit Hemianopsie und Hemiparesen) und Demenz. Klinik Abb Southern-Blot-Analyse von Patienten mit CPEO nach Linearisierung der ringförmigen mitochondrialen DNA mit dem Restriktionsenzym BamHI, welches die Basenpaare der mitochondrialen DNA nur einmal schneidet. M = Marker. Spur 1 mit DNA aus Kontrollmuskel: Bande bei 16,5 kb, die der nichtdeletierten DNA entspricht. Spur 2 ± 4 mit DNA aus Patientenmuskel: Zusätzlich zur 16,5-kb-Bande zeigen sich kürzere Banden jeweils unterschiedlicher Gröûe und Intensität, die deletierter DNA entsprechen. Man erkennt eine singuläre Deletionvon5kbinSpur2undvon7kbinSpur3bzw.multipleDeletionen in Spur 4. Der Erkrankungsbeginn liegt meist im Kindesalter oder jungen Erwachsenenalter. Die Häufigkeit der einzelnen Symptome ist in Tab.10.2 genannt. Erstsymptome sind am häufigsten Krampfanfälle und rezidivierende Kopfschmerzen noch vor den schlaganfallähnlichen Episoden. Die Diagnose MELAS gilt als sicher bei Vorliegen eines Schlaganfalls vor dem 40. Lebensjahr, Krampfanfällen oder Demenz sowie Lactatazidose oder Ragged-red-Fasern. Auûerdem müssen 2 der 3 folgenden Voraussetzungen vorliegen (Hirano et al. 1992). Q normale frühkindliche Entwicklung, Q rezidivierende Kopfschmerzen, Q Erbrechen. Weitere akzessorische Symptome des MELAS-Syndroms können endokrine Störungen sein, insbesondere hypothalamische/hypophysäre Dysfunktion und Diabetes mellitus (Robecket al. 1996). Nicht selten zeigen Patienten jedoch nicht das Vollbild des MELAS-Syndroms. Maternale Famili- Tabelle 10.2 Symptomhäufigkeit beim MELAS-Syndrom (modifiziert nach Hirano et al. 1992) Symptome Häufigkeit [%] tion (Poulton et al. 1995) oder Punktmutationen der mitochondrialen DNA vorliegen, insbesondere die Mutation an Position 3243 (Moraes et al. 1993; Deschauer et al. 2001b). Bei Patienten mit autosomal-dominantem und rezessivem Erbgang wurden multiple mitochondriale Deletionen gefunden (Zeviani et al. 1989). Der primär ursächliche Gendefekt liegt jedoch in nukleären Genen. Bislang wurden Mutationen in den 3 nukleären Genen Twinkle, Polymerase Gamma und Adenosin-Nucleotid-Translokator 1 gefunden, die für die Replikation der mitochondrialen DNA mitverantwortlich gemacht werden (Hirano u. DiMauro 2001; Deschauer u. Zierz 2003; Deschauer et al. im Druck). Belastungsintoleranz 100 Beginn der Symptomatik vor dem 40. Lebensjahr 100 schlaganfallähnliche Episode 98 zerebrale Krampfanfälle 94 Demenz 90 Schwäche der Extremitäten 88 Kleinwuchs 80 Kopfschmerzen 73 Übelkeit und Erbrechen 73 Hörstörung 71 Ragged-red-Fasern 97 Lactatazidose 91

7 Mitochondriale Enzephalomyopathien enmitglieder können oligo- oder asymptomatisch sein (Abb.10.7). Nur in einem Teil der Fälle liegt jedoch ein maternaler Erbgang vor (Hirano et al. 1992). Diagnostik III-1 II-1 I-1 II-2 Abb Stammbaum einer Familie mit maternalem Erbgang und Nachweis der Punktmutation 3243 der mitochondrialen DNA (MELAS-Mutation). I-1: Krampfanfälle, rezidivierende Kopfschmerzen, Diabetes mellitus und Hirninfarkte, im 69. Lebensjahr verstorben; II-1: 37-jährige Patientin mit Diabetes mellitus, Schwerhörigkeit und externer Ophthalmoplegie; II-2: 40-jähriger Patient mit Ataxie, Demenz, Hirninfarkten, Kardiomyopathie; II-3: 42-jähriger Patient mit Schwerhörigkeit; III-1: 13-jähriger Junge mit Belastungsintoleranz und progredienten Lernschwierigkeiten. Zerebrale Bildgebung. Die am häufigsten beobachteten CT-Veränderungen beim MELAS-Syndrom sind fokale okzipitale und parietale Hypodensitäten. Die Läsionen sind gewöhnlich bilateral, symmetrisch oder asymmetrisch. Eine Erweiterung der äuûeren und inneren Liquorräume und Ausziehung der Okzipitalhörner der Seitenventrikel sowie Basalganglienverkalkungen sind häufig. Im MRT zeigen die Läsionen gewöhnlich ein verlängertes T2-Signal. Auch wird im MRT im Vergleich zur CT deutlich, dass der Kortex mehr betroffen ist als die darunter liegende weiûe Substanz. Die Läsionen lassen sich keinem einzelnen Gefäûterritorium oder der Grenzzone zweier Gefäûterritorien zuordnen (Abb. 10.8). Im diffusionsgewichteten MRT zeigten sich bei einzelnen Patienten während der schlaganfallähnlichen Episoden keine erniedrigten Diffusionskoeffizienten (im Gegensatz zum ischämischen Insult), sondern ein vasogenes Ödem (Yonemura et al. 2001). Dies spricht gegen die Hypothese, dass abnorme Mitochondrien in den Gefäûwänden zu einer Mikroangiopathie führen (Hirano et al. 1992) und unterstützt die Annahme, dass metabolische Veränderungen Ursache der schlaganfallähnlichen Episoden sind. Muskelbiopsie. Biochemisch findet man bei vielen MELAS- Patienten reduzierte Aktivitäten der verschiedensten Enzymkomplexe der Atmungskette. Myohistologisch zeigen fast alle Patienten Ragged-red-Fasern. In über 80 % der ME- LAS-Fälle lassen sich kleine Blutgefäûe in der Succinatdehydrogenase-Färbung starkanfärben, was ein Hinweis auf abnorme Mitochondrien in der Gefäûwand ist und die Mikroangiopathie-Hypothese stützt (Goto et al. 1992). II-3 Molekulargenetik. Molekulargenetisch tragen 80 % der Patienten mit MELAS eine Punktmutation A G der mtdna an Nucleotidposition 3243 (MELAS-Mutation), die zu einem Aminosäureaustausch in der trna für Leucin führt. Jedoch sind auch noch weitere seltenere Mutationen der mitochondrialen DNA mit dem MELAS-Syndrom assoziiert (Goto et al. 1992; Goto 1995). Andererseits kann die Mutation 3243 zu einer Reihe anderer Phenotypen führen, z. B. zu CPEO (Hammans et al. 1995) oder auch zu schmerzhafter Muskelsteife (Deschauer et al. 1999). Besonders häufig (> 90 %) weisen Patienten mit dieser Mutation eine Hörminderung auf (Deschauer et al. 2000a). Die Häufigkeit der Mutation 3243 wurde in einer finnischen epidemiologischen Untersuchung auf mindestens 16/ geschätzt (Majamaa et al. 1998) MERRF-Syndrom (Myoklonus Epilepsie mit Ragged-red-Fasern) Klinik Das MERRF-Syndrom, erstmals 1980 beschrieben (Fukuhara et al. 1980), hat klinisch viele ¾hnlichkeiten mit dem MELAS-Syndrom. Als Leitsymptome findet man Myokloni, generalisierte Krampfanfälle und eine zerebelläre Ataxie. Zusätzliche Symptome sind denen des MELAS-Syndroms Abb Schädel-MRT (T2-Wichtung) einer 28-jährigen Patientin mit MELAS-Syndrom: temporookzipitale Hyperintensitäten linksbetont. Erweiterung der äuûeren und inneren Liquorräume, insbesondere der Hinterhörner der Seitenventrikel mit rechtsbetonter Ausziehung.

8 10.4 Krankheitsbilder und Syndrome 267 Tabelle 10.3 Symptomhäufigkeit beim MERRF-Syndrom (modifiziert nach Hirano et al. 1996; Berkovic et al. 1989) Symptome Häufigkeit [%] Myoklonien 100 zerebrale Krampfanfälle 100 Ataxie 92 Hörstörung 91 Belastungsintoleranz 80 Demenz 75 Neuropathie 63 Kleinwuchs 57 Optikusatrophie 39 Kardiomyopathie 33 Ragged-red-Fasern 92 Lactatazidose 83 Molekulargenetik. Molekulargenetisch lässt sich bei 80 % der Patienten eine Punktmutation der mtdna an Nucleotidposition 8344 im trna-gen für Lysin nachweisen. Seltenere Mutationen wurden im selben Gen an anderen Positionen gefunden, aber auch die MELAS-Mutation 3243 kann zum MERRF-Syndrom führen (Ozawa et al. 1997; Fabrizi et al. 1996) Lebersche hereditäre Optikusneuropathie (LHON) Klinik Diese Erkrankung wurde bereits im Jahre 1871 von dem Heidelberger Ophthalmologen Theodor Leber beschrieben. Mit den anderen mitochondrialen Enzephalomyopathien hat sie klinisch nur wenig ¾hnlichkeit. Vorwiegend bei jungen Männern im Alter von 20 ±30 Jahren kommt es zu einer Sehminderung mit zentralem Skotom. Der Visusverlust ist innerhalb von wenigen Wochen fortschreitend und führt oft zur Erblindung. In der Regel sind beide Augen betroffen, häufig ist die Erkrankung schmerzfrei. Am Augenhintergrund sieht man in der akuten Phase ein Papillenödem und peripapilläre Gefäûveränderungen. Im weiteren Verlauf kommt es zu einer Optikusatrophie mit Abblassung der Papille. Die Leber-Optikusneuropathie ist die häufigste Ursache für eine Erblindung sonst gesunder junger Männer. ähnlich, z. B. Hörstörung, Demenz oder Kleinwuchs (Tab. 10.3). Die Erkrankung kann sowohl in der Kindheit als auch im Erwachsenenalter beginnen, der Verlauf kann langsam progredient oder fulminant sein. Der maternale Erbgang unterscheidet das MERRF-Syndrom von anderen progressiven Myoklonus-Epilepsien vom Typ Unverricht- Lundborg, der Lafora-Einschlusskörpererkrankung, der Sialidose und der neuronalen Zeroidlipofuszinose (Berkovic et al. 1989). Es gibt zahlreiche, sich klinisch überschneidende Fälle von MELAS und MERRF. So kann z. B. ein Patient mit MERRF-Syndrom schlaganfallähnliche Episoden haben oder ein MELAS-Patient zusätzlich Myoklonien. Aber auch andere ¹Overlap-Syndromeª wie MERRF mit CPEO oder dem Leigh-Syndrom sind beobachtet worden (Berkovic et al. 1989; Chen et al. 1993; Verma et al. 1996). Diagnostik Zerebrale Bildgebung. In der zerebralen Bildgebung zeigen sich unspezifische Veränderungen (Kendall et al. 1992). Biopsie. Myohistologisch finden sich meist Ragged-red-Fasern, es gibt jedoch auch Fälle, wo diese fehlen (Berkovic et al. 1989; Andermann et al. 1989). Typischerweise sind die Ragged-red-Fasern COX-negativ. Nur 15 % der Erkrankten sind Frauen. Der Erbgang ist maternal. Aufgrund der Prädominanz der Männer wird ein X-chromosomaler Kofaktor vermutet (Riordan-Eva et al. 1995). Weitere neurologische Symptome können Bewegungsstörungen, wie z. B. Tremor oder Dystonie sein. Bei Frauen mit LHON findet man häufig Symptome wie bei einer multiplen Sklerose (Nikoskelainen et al. 1995; Shoffner et al. 1995). Diagnostik Zerebrale Bildgebung. Orbita-CT und Schädel-CT sind unauffällig. Im MRT können sich jedoch als Zeichen einer Gliose Signalanhebungen im hinteren intraorbitalen Anteil des N. opticus zeigen (Kermode et al. 1989). Auch bei Patienten ohne Symptome einer multiplen Sklerose können im MRT Signalveränderungen der weiûen Substanz auftreten (Dotti et al. 1992). LHON-Patienten mit einer Dystonie weisen im MRT nicht selten Hyperintensitäten im Stammganglienbereich auf (Shoffner et al. 1995). Molekulargenetik. Drei Punktmutationen der mtdna sind für 95 % der Leber-Optikusneuropathien verantwortlich. Sie liegen an Position 11778, 3460 und und treten im Verhältnis 7:1:2 auf (Riordan-Eva u. Wood 1996). Der Nachweis gelingt aus Blutzellen. Auf eine Muskelbiopsie kann daher in der Regel verzichtet werden, auch wenn subsarkolemmale Mitochondrienakkumulationen bei Patienten mit LHON beschrieben sind.

9 Mitochondriale Enzephalomyopathien NARP (Neuropathie, Ataxie, Retinitis pigmentosa) Klinisch ist die Erkrankung durch eine Neuropathie (sensorische Polyneuropathie), Ataxie und eine Retinitis pigmentosa (NARP) sowie durch Entwicklungsstörungen, epileptische Anfälle, proximal betonte neurogene Muskelschwäche und demenziellen Abbau charakterisiert. Das NARP-Syndrom manifestiert sich im Erwachsenenalter und beruht auf einer Punktmutation der mtdna am Basenpaar 8993 (Holt et al. 1990). Die beschriebene Mutation ist bemerkenswerterweise jedoch nicht nur für die Ausbildung des NARP-Syndroms verantwortlich zu machen, sondern konnte auch bei Fällen mit Leigh-Syndrom nachgewiesen werden. Der Phänotyp der Mutation ist dabei eine Frage des Anteils an mutierter mtdna: mehr als 90 % mutierter mtdna bedingt das Krankheitsbild eines maternal vererbten Leigh-Syndroms (Tatuch et al. 1992) Morbus Leigh (subakute nekrotisierende Enzephalomyelopathie) Die subakute nekrotisierende Enzephalomyelopathie, erstmals beschrieben von Leigh 1951, ist durch charakteristische pathologische Veränderungen mit zystischen Kavitationen und einer spongiösen Entmarkung in Mittelhirn, Basalganglien und Kleinhirn gekennzeichnet. Klinik Klinisch zeigt sich ein Komplex individuell unterschiedlich starkausgeprägter Symptome bestehend aus Muskelhypotonie, psychomotorischer Retardierung, Ophthalmoplegie, Ptosis, Nystagmus, Dystonie, Saug- bzw. Schluckschwierigkeiten, zerebralen Krampfanfällen, variablen pyramidalen, extrapyramidalen und zerebellären Störungen. Besonders Kinder in den ersten beiden Lebensjahren sind betroffen. Es kommen jedoch auch juvenile und adulte Fälle vor. Die Erkrankung führt innerhalb von 1±4 Jahren zum Tod. In der Mehrzahl der Fälle besteht ein autosomal-rezessiver Erbgang (Van Erven et al. 1987). Diagnostik Es wurden zahlreiche verschiedene biochemische und genetische Defekte beschrieben. So kann die Aktivität verschiedener mitochondrialer Enzyme im Muskel reduziert sein. Nur in Ausnahmefällen gelingt myohistologisch der Nachweis von Ragged-red-Fasern. Die häufigsten CT- bzw. MRT-Veränderungen beim Morbus Leigh sind symmetrische hypodense Läsionen bzw. verlängerte T1 - und T2-Relaxationen vorwiegend der Stammganglien. Bei rezessiven Fällen mit Komplex-IV-Mangel lassen sich Mutationen im nukleären Gen SURF1 nachweisen, dass für die Kombination der Komplex-I-Untereinheiten verantwortlich ist. Kinder mit Leigh-ähnlicher Symptomatikund Kardiomyopathie können Mutation im SCO2-Gen aufweisen, das ebenfalls für die Kombination der Komplex-I-Untereinheiten mitverantwortlich ist. Auch diese Erkrankung wird rezessiv vererbt (Sue et al. 2000). Bei etwa 20 % der Leigh- Patienten wurde die Mutation 8993 der mtdna gefunden, die auch mit dem NARP-Syndrom vergesellschaftet ist. In diesen Fällen ist der Erbgang maternal (maternally inherited Leigh syndrome = MILS) (DiMauro u. Bonilla 1997) MNGIE (myo-, neuro-, gastrointestinale Enzephalopathie) Bei dieser mitochondrialen Enzephalomyopathie stehen neben Ophthalmoplegie, Neuropathie und Leukenzephalopathie insbesondere gastrointestinalen Beschwerden im Vordergrund. Dazu zählen Darmmotilitätsstörung, Diarrhö, Pseudoobstruktion, Übelkeit bzw. Erbrechen, die zu Gewichtsabnahme und Kachexie führen können. Die Erkrankung wird autosomal-rezessiv vererbt. Molekulargenetisch zeigen sich multiple Deletionen oder ein Mangel (Depletion) der mitochondrialen DNA. Der ursächlich Gendefekt ist jedoch nukleär im Thymidin-Phosphorylase-Gen lokalisiert (Nishino et al. 2000). Vor der Suche nach Mutationen in diesem Gen ist der biochemische Nachweis einer verminderten Aktivität der Thymidin-Phosphorylase im Blut sinnvoll Weitere Syndrome In den letzten Jahren wurde eine Reihe weiterer Syndrome im Rahmen der mitochondrialen Enzephalomyopathien beschrieben, bei denen zum Teil Symptome im Vordergrund stehen, die unabhängig von Muskulatur und Nervensystem sind. In der folgenden Liste wird eine nicht vollständige Auswahl dieser Syndrome dargestellt: Q Maternaler Diabetes mellitus mit Taubheit: häufig Mutation 3243 der mtdna, Q Pearson-Syndrom: Panzytopenie, Leber- und Pankreasinsuffizienz, mitochondriale Deletionen, Q MIMYCA-Syndrom (maternal vererbte Myopathie und Kardiomyopathie): verschiedene Mutationen der mtdna, Q Wolfram-Syndrom (DIDMOAD = Diabetes insipidus, Diabetes mellitus, Optikusatrophie, Taubheit): Deletionen der mtdna nachweisbar, zum Teil autosomal-rezessiv vererbt, Q multiple symmetrische Lipomatose (MSL): Lipome besonders am Nacken und an den Schultern in Verbindung mit neurologischen Symptomen (insbesondere Polyneuropathie), Mutation 8344/multiple Deletionen der mtdna, Q Alpers-Syndrom (progressive infantile Poliodystrophie): rasch progediente Erkrankung des Kindesalters mit Zerstörung der grauen Hirnsubstanz, die zu psychomotorischer Retardierung, Krampfanfällen, spastischen Paresen u. a. führt; meist autosomal-rezessiver Erbgang.

10 10.5 Diagnostisches Vorgehen Mitochondriale Veränderungen bei neurodegenerativen Erkrankungen Aktuell mehren sich die Hinweise, dass auch bei verschiedene neurodegenerativen Erkrankungen eine mitochondriale Störung pathogenetisch bedeutsam ist. Morbus Parkinson. Bei Parkinson-Patienten wurden in der Substantia nigra und in Thrombozyten in verschiedenen Untersuchungen erniedrigte Enzymaktivitäten des Komplex I der Atmungskette gefunden. Anhand von Fusionsexperimenten konnte gezeigt werden, dass noch unbekannte Veränderungen der mitochondrialen DNA diese Defizienz bedingen. Dazu wurde mitochondriale DNA aus Thrombozyten von Parkinson-Patienten mit verminderter Komplex-I-Aktivität mit einer Zellreihe fusioniert, die keine mitochondriale DNA besitzt. Zellkulturen mit mitochondrialer DNA aus Parkinson-Patienten boten gegenüber Kulturen mit mitochondrialer DNA aus Kontrollpersonen eine um 25 % verminderte Komplex-I-Aktivität (Gu et al. 1998; Mizuno et al. 1998). Friedreich-Ataxie. Bei der Friedreich-Ataxie kommt es aufgrund der Trinucleotid-Expansion zu einer verminderten Expression von Frataxin, welches als mitochondriales Protein identifiziert wurde. Anhand von Untersuchungen des Frataxin-Homologon der Hefe wurde eine vermehrte Eisenaufnahme der Mitochondrien und erhöhte Sensitivität gegenüber oxidativem Stress festgestellt (Pandolfo 1998). Spastische Spinalparalyse. Bei einigen Patienten mit autosomal-rezessiv vererbter spastischer Spinalparalyse wurden im Muskel Ragged-red-Fasern und COX-negative Fasern nachgewiesen. Molekulargenetisch fanden sich Mutationen in einer mitochondrialen Metalloprotease, dem sog. Paraplegin (Casari 1998). Weitere Erkrankungen. Mitochondriale Funktionsstörungen wurden auch bei Patienten mit Chorea Huntington, amyotropher Lateralsklerose und Morbus Alzheimer nachgewiesen (Beal 1998). Ob diese in der Pathogenese eine entscheidende Rolle spielen, ist jedoch umstritten. Wie bei den mitochondrialen Enzephalomyopathien vermutet man bei den genannten neurodegenerativen Erkrankungen eine selektive Vulnerabilität bestimmter Zellen, deren Mechanismus jedoch noch nicht verstanden ist Diagnostisches Vorgehen Neben Anamnese und klinischem Befund stützt sich die Diagnose mitochondrialer Enzephalomyopathien auf laborchemische Untersuchungen (in Ruhe und unter Belastung), bildgebende, elektrophysiologische sowie insbesondere myohistologische und molekulargenetische Untersuchungen. Wegen der Heterogenität lässt sich die Diagnose einer mitochondrialen Enzephalomyopathie häufig erst aus der Zusammenschau aller Befunde stellen. Labor. Rund die Hälfte der Patienten weisen einen erhöhten Ruhelactatwert im Serum auf. Bei normalem Lactatwert liegt in einigen Fällen ein erhöhter Lactat/Pyruvat- Quotient (> 24) im Serum vor. Im Liquor zeigt sich bei zwei Drittel der Patienten ein erhöhtes Lactat, insbesondere bei Patienten mit einer Enzephalopathie. Auch die Lactatausscheidung im 24-h-Urin kann erhöht sein (Jackson et al. 1995). Bei etwa 80 % der Patienten mit CPEO kommt es beim Fahrradbelastungstest zu einem Lactatanstieg im Serum, der bei Gesunden ausbleibt (Zierz et al. 1989). Nur selten weisen erhöhte Muskelenzyme im Serum auf eine Beteiligung der Muskulatur hin (Jackson et al. 1995). Zum Nachweis einer nicht seltenen endokrinen Beteiligung sind neben einem Glucosetoleranztest die Untersuchung weiterer endokrinologischer Parameter wie z. B. Schilddrüsenwerte und Funktionstests der hypothalamisch-hypophysären Achse erforderlich (Quade et al. 1992). Elektrophysiologische Untersuchung. Im EMG zeigt sich häufiger ein myopathisches Bild, jedoch können auch neuropathische Muster abgeleitet werden. Im EEG sind epilepsietypische Potenziale beim MERRF-Syndrom typischerweise generalisiert, beim MELAS-Syndrom fokal zu finden. Auch generalisierte oder fokale Verlangsamungen können beobachtet werden. Das EEG kann zur Identifizierung einer subklinischen ZNS-Beteiligung beitragen (Jackson et al. 1995). Ophthalmologische Untersuchung. Retinale Pigmentveränderungen finden sich bei etwa einem Drittel der Patienten mit mitochondrialen Enzephalomyopathien. Man unterscheidet verschiedene Formen. Am häufigsten ist eine ¹Salz-und-Pfeffer-Retinopathieª mit mottenfraûartigen Hypo- und Hyperpigmentierungen (Abb. 10.9). Seltener zeigen sich diffuse Hypopigmentierung bzw. Veränderungen ähnlich der Retinitis pigmentosa mit knochenartigen Formationen. Bei allen Formen kann zusätzlich eine Optikusatrophie, wie sie bei der Leber-Optikusneuropathie beobachtet wird, auftreten. Neben der konventionellen Spiegelung des Augenhintergrundes ist eine Elektroretinographie sowie die Fluoreszeinangiographie zur Identifizierung der Retinaveränderungen hilfreich (Petty et al. 1985). Kardiologische Untersuchung. Die häufige kardiale Mitbeteiligung erfordert stets ein EKG (ggf. Langzeit-EKG) sowie eine Röntgenaufnahme des Thorax und eine Echokardiographie (Nitsch et al. 1990). Zerebrale Bildgebung. Insbesondere beim MELAS-Syndrom (Abb. 10.8) und Morbus Leigh können im CT oder MRT des Schädels spezifische Veränderungen identifiziert werden. Aber auch bei anderen Krankheitsbildern lassen sich häufig unspezifische Veränderungen in der zerebralen Bildgebung finden. Dadurch kann eine subklinisch vorliegende ZNS-Beteiligung aufgedeckt werden (Lindner et al. 1997).

11 Mitochondriale Enzephalomyopathien Abb Augenhintergrund eines Patienten mit mitochondrialer Enzephalomyopathie und retinalen Pigmentveränderungen im Sinne einer ¹Salz-und-Pfeffer- Retinopathieª mit mottenfraûartigen Hypo- und Hyperpigmentierungen. Funktionelle In-vivo-Untersuchungen. Neue Methoden zur Untersuchung der Mitochondrienfunktion in vivo unter Belastung sind die Magnetresonanz-(MR-) und Nahinfrarot-(NIR-)Spektroskopie. Mittels MR-Spektroskopie kann man in verschiedenen Geweben, z. B. Muskulatur oder Gehirn beispielsweise ATP, Kreatinphosphat oder Lactat auch unter Belastung messen (Danielsen u. Ross 1998). Mit der NIR-Spektroskopie wird die relative Oxygenierung der Muskulatur unter Belastung gemessen (Bank u. Chance 1994). Muskelbiopsie. Ein wichtiger morphologischer Hinweis auf eine mitochondriale Funktionsstörung ist der Nachweis von Ragged-red-Fasern (Abb [Farbtafel II] u. 2.25). Auch bei Fehlen einer Myopathie zeigt sich häufig diese myohistologische Veränderung. Bei der Beurteilung eines Nachweises von Ragged-red-Fasern ist zu bedenken, dass diese auch in geringem Maû als altersabhängige unspezifische Veränderung bei Gesunden (unter 1 %) und bei anderen Muskelerkrankungen (insbesondere bei entzündlichen Myopathien) beobachtet werden können (Rifai et al. 1995). Andererseits gibt es Fälle wie z. B. ein Patient mit MERRF- Syndrom, bei dem in einer ersten Biopsie aus dem M. gastrocnemius keine Ragged-red-Fasern zu finden waren und in einer Biopsie kurze Zeit später aus dem M. deltoideus diese reichlich vorlagen (Andermann et al. 1989). Histochemisch ist die Bestimmung der Cytochrom-c-Oxidase (COX) von Bedeutung. Insbesondere bei der CPEO und beim MERRF-Syndrom sind die Ragged-red-Fasern COX-negativ (Abb. 10.5). Auch elektronenmikroskopisch lassen sich die abnormen Mitochondrien mit parakristallinen Einschlüssen gut nachweisen (Abb.10.10) (DiMauro u. Bonilla 1997). Abb Elektronenmikroskopisches Bild von Muskelgewebe eines CPEO-Patienten mit parakristallinen Einschlüssen in den Mitochondrien.

12 10.6 Therapieansätze Therapieansätze Eine kurative Therapie mitochondrialer Enzephalomyopathien existiert nicht. Es wurden Versuche unternommen, durch die Gabe von Kofaktoren der Atmungskette die Erkrankungen positiv zu beeinflussen. Coenzym Q. Zahlreiche Therapieversuche mit Coenzym Q erbrachten widersprüchliche Ergebnisse. Kontrollierte Studien hierzu liegen nicht vor (Zierz et al. 1990a). In Einzelfällen, insbesondere bei Coenzym-Q-Mangel, ist ein Behandlungsversuch jedoch gerechtfertigt. Carnitinsubstitution. Störungen des mitochondrialen Stoffwechsels können auch zu einem sekundären Carnitinmangel führen, sodass bei Nachweis eines solchen Carnitinmangels eine Substitution vorgenommen werden kann. Vitamine. Eine Blockierung des Elektronentransports im Komplex III der Atmungskette kann durch die Gabe von Vitamin C und Vitamin K umgangen werden und kann bei nachgewiesener verminderter Komplex-III-Aktivität versucht werden. Abb Agarose-Gelelektrophorese eines PCR-Amplifikats nach Spaltung mit dem Restriktionsenzym ApaI. Bei Vorliegen der Mutation 3243 A G wird das 330-bp-Fragment in 2 Fragmente mit 213 und 117 bp geschnitten. Spur 1 mit DNA aus Kontrollmuskel, Spur 2 mit DNA aus Muskel eines Patienten mitmelas-syndrom,spur3mitdnaausblutdiesespatienten. Der Heteroplasmiegrad beträgt im Muskel 43 %, im Blut 12 %. M=Marker. Biochemisch können in der Muskelbiopsie an intakten Mitochondrien Sauerstoffverbrauchsmessungen zur Untersuchung der oxidativen Phosphorylierung durchgeführt werden (Haller et al. 1994). Enzymatische Aktivitätsbestimmung mitochondrialer Enzyme und der Komplexe der Atmungskette sind auch aus gefrorenem Muskelgewebe möglich (Fischer et al. 1985). Veränderungen des mitochondrialen Genoms können in vielen Fällen in DNA aus Blutzellen nachgewiesen werden. Aufgrund der Heteroplasmie kann in Blutzellen aber ein nur geringer Anteil mutierter DNA (unterhalb der Nachweisgrenze) vorliegen, sodass DNA aus betroffenen Organen, z. B. aus Muskelgewebe untersucht werden muss. Dies trifft insbesondere auf Deletionen der mtdna zu (DiMauro u. Bonilla 1997). Mitochondriale Deletionen können mittels Southern-Blot (Abb.10.6) oder Long-PCR nachgewiesen werden, Punktmutation mittels PCR und anschlieûender Restriktionsspaltung (Abb.10.11). Kreatin. Im Tierversuch wurden in kreatinfreien Muskelzellen kristallartige Einschlüsse beobachtet, die an histologische Veränderungen bei mitochondrialen Enzephalomyopathien erinnern (Wyss u. Wallimann 1994). Daher wurden bei Patienten mit mitochondrialen Enzephalomyopathien 3 Pilotstudien mit Kreatin unternommen. Eine Studie an nur 7 Patienten ergab eine Zunahme der Kraft bei groûer Belastung (Tarnopolsky et al. 1997). Bei 4 Kindern zeigte sich unter Kreatin eine geringe Zunahme der maximalen Kraft und bei 3 Kindern eine verbesserte Ausdauerleistung (Borchert et al. 1999). Eine Studie an 16 Patienten zeigte allerdings keinen relevanten positiven Effekt (Klopstocket al. 2000). Weitere supportive Therapiemaûnahmen. Obwohl eine Hyperlaktatämie meist nicht zu einer behandlungsbedürftigen Azidose führt, kann in seltenen Fällen die Gabe von Natriumbicarbonat notwendig werden. In Einzelfallberichten wurde mit Dichloracetat erfolgreich der Lactatazidose entgegengewirkt. Eine lebensrettende Maûnahme ist die rechtzeitige Implantation eines Schrittmachers bei Herzrhythmusstörungen (insbesondere bei CPEO). Eine Ptosis kann operativ durch Lidraffung behandelt werden. Bei der antiepileptischen Therapie sollte aus theoretischen Überlegungen auf Valproat verzichtet werden (Walker u. Byrne 1995; Finsterer 1997). Hörstörungen können durch ein Hörgerät gebessert werden, in Einzelfällen kann auch ein Cochlea-Implantat indiziert sein. Bei schwerer Myopathie kann einer nächtlichen Hypoventilation durch Maskenbeatmung entgegengewirkt werden. Die Behandlung eines Diabetes mellitus erfolgt nach allgemeinen Richtlinien. Moderates körperliches Training kann die bei mitochondrialen Enzephalomyopathien häufig vorliegende Belas-

13 Mitochondriale Enzephalomyopathien tungsintoleranz vermindern (Taivassalo et al. 1998). Gentherapie könnte eine zukünftige Möglichkeit darstellen. Zwar lassen sich bei vielen Patienten Defekte der mitochondrialen DNA finden, jedoch fehlt es bisher an etablierten Vektoren. Literatur Andermann F, Berkovic S, Caarpenter S, Andermann E. The Ramsay Hunt Syndrome is no longer a useful diagnostic category. Movement Disorders. 1989;4:13 ± 7. Anderson S, Bankier AT, Barrell BG, de Bruijn MHL, Coulson AR, Drouin J, et al. Sequence and organization of the human mitochondrial genome. Nature. 1981;290:457 ± 65. BankW, Chance B. An oxidative defect in metabolic myopathies: diagnosis by noninvasive tissue oximetry. Ann Neurol. 1994;36: 830±7. Beal MF: Mitochondrial dysfunction in neurodegenrative diseases. Biochiom Biophys Acta. 1998;1366:211±23. Berkovic SF, Carpenter S, Evans A, Karpati G, Shoubridge EA, Andermann F, et al. Myoclonus epilepsy and ragged-red fibers (MERRF). 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