成人线粒体疾病中风样发作期间和之后氨基酸谱的动态紊乱：病例报告
抽象的
母系遗传的糖尿病和耳聋以及线粒体肌病、脑病、乳酸酸中毒和中风样发作是成年人中相对常见的线粒体疾病的例子。线粒体肌病、脑病、乳酸酸中毒和中风样发作被认为与精氨酸和瓜氨酸减少有关。生物标志物（例如生长分化因子-15）已被开发用于辅助诊断线粒体疾病。
一名 55 岁的日本男性，胰岛素使用者，在失去意识后就诊。实验室检查显示糖尿病酮症酸中毒。他和他的母亲有严重的听力障碍。磁共振成像显示双侧病变、癫痫发作以及乳酸与丙酮酸的比率升高，这些都表明诊断为线粒体疾病。我们患者外周血中的线粒体 DNA 呈阳性，存在 3243A>G 突变，这是母系遗传糖尿病和耳聋以及线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和中风样发作的最常见原因。因此，诊断为母系遗传糖尿病和耳聋/线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和中风样发作。我们在中风样发作期间和之后纵向测量了患者血液中的生长分化因子 15 和多种氨基酸。生长分化因子-15在卒中样发作当天升高至极高水平。尽管他的糖尿病随着胰岛素剂量的增加而得到改善，但生长分化因子-15水平逐渐升高，表明他的线粒体功能不全并未改善。精氨酸、瓜氨酸和牛磺酸等多种氨基酸在发作当天降低，第二天急剧升高。相反，天冬氨酸水平在发作当天升高至极高水平，此后逐渐下降。
生长分化因子-15 不仅可用于诊断线粒体疾病，还可作为其急性加重的指标。线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和中风样发作的中风样发作反映了多种氨基酸的急剧紊乱。未来研究应探讨天冬氨酸在这些发作中的作用。
背景
线粒体疾病并不是成年人患糖尿病的罕见原因。日本至少有 1% 的糖尿病患者患有母系遗传性糖尿病和耳聋 (MIDD) [1,2]，这是线粒体疾病的一种亚型。成人线粒体疾病可能被伪装成其他疾病，因此无法诊断 [3]。基因检测并不敏感 [4]。因此，人们开发了线粒体疾病的生物标志物。在生物标志物中，乳酸与丙酮酸的比率最敏感、最特异，仅次于生长分化因子 (GDF)-15 [2,5,6]。然而，乳酸可能会受到糖尿病药物的影响。相比之下，糖尿病治疗不会干扰 GDF-15 [7]。
线粒体疾病的治疗也正在兴起 [6]。线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和中风样发作 (MELAS) 的急性加重与精氨酸 [8,9,10,11] 和瓜氨酸 [12] 减少有关。基于这些发现，静脉注射和口服 L-精氨酸被推荐作为 MELAS 的标准治疗方法 [13,14,15]。据推测，L-精氨酸为一氧化氮合酶提供底物，从而改善 MELAS 中的血管收缩 [16]。另一方面，发现 MELAS 中缺乏线粒体转移 RNA 的牛磺酸修饰 [17]。此外，补充牛磺酸可预防 MELAS 的中风样发作 [18]。
我们描述了一位患有 MIDD/MELAS 的患者，他接受了这些新的诊断和治疗模式（即 GDF-15 和 L-精氨酸）。我们还从 MELAS 中风发作期间和随访期间多种氨基酸的纵向测量中获得了不寻常的发现。
病例介绍
2017 年，一名 55 岁的日本糖尿病患者出现意识丧失和双侧抽搐（第 0 天）。他的左上肢和下肢瘫痪，对疼痛刺激没有反应。他无发热（36.8°C）、高血压（142/92 mmHg）和心动过速（108/分钟）。根据酸中毒（pH 6.95）和仅中度升高的血糖（486 mg/dL 或 27 mmol/L），诊断为糖尿病酮症酸中毒 (DKA)。通过 DKA 的标准治疗（即液体复苏、持续输注胰岛素和补充钾），他在发病 12 小时后恢复意识。左侧偏瘫在第 1 天减轻。我们认为脑梗塞是最可能的鉴别诊断，并进行了磁共振成像 (MRI) 研究。液体衰减反转恢复 (FLAIR) 显示双侧病变（即右颞叶、右顶叶和左颞叶），与血管分布区域不一致（图 1a、b）。最严重的病变从右颞叶（第 0 天）移动到第 9 天的右顶叶（图 1c、d）。FLAIR 中这些双侧或多或少迁移性的发现与线粒体疾病相符，而不是脑梗塞 [19,20,21]。考虑到他的血糖水平仅中度升高，另一种鉴别诊断高血糖性脑病也不太可能。乳酸与丙酮酸的比率（参考值 < 15）反复大于 20。据报道，DKA 中很少出现抽搐，但经常与代谢性脑病有关，尤其是线粒体疾病 [22,23]。综合起来，影像学研究、实验室数据和临床表现均表明 MELAS 是最有可能的诊断。
图 1
脑部磁共振成像。液体衰减反转恢复 (FLAIR) 显示第 0 天右顶叶（箭头 A 指向）、右颞叶（箭头 B）和左颞叶（箭头 C）出现病变（a、b）。右顶叶（箭头 A）病变在第 9 天加重（c、d）。到第 302 天，所有这些病变均减轻（e、f）
我们的患者在一家电子产品商店工作，未报告之前接触过任何有毒物质。他不吸烟也不喝酒。他很瘦（体重指数为 16，43 公斤，165 厘米）。反复测量后，他的餐后 C 肽与葡萄糖的比率较低（平均 0.21×10-2 ng/mg 或 1.26×10-2 nmol/mmol），表明他的糖尿病是由于胰岛素分泌受损造成的 [24,25]。他在 2004 年患上边缘性糖尿病，当时他 40 岁，糖化血红蛋白 (HbA1c) 为 6.6%。第二年，即 2005 年，他经历了第一次 DKA 发作，当时他的 HbA1c 为 12.6%。在本文报道的这一事件发生之前，他一直接受甘精胰岛素 (18 单位/天)、赖脯胰岛素 (8 单位/天) 和格列美脲 (0.5 毫克/天) 治疗。他在 49 岁时注意到听力困难，并在 50 岁时开始佩戴助听器。值得注意的是，他的母亲是一名糖尿病患者，大约在同一个年龄失去了听力。这个家族史强烈暗示他患有 MIDD。
一家商业机构（SRL，东京）对他的外周血进行了基因检测。该检测显示，线粒体 DNA 突变为 3243A>G 阳性，这是 MIDD 和 MELAS 最常见的病因 [26,27,28,29]。MIDD 和 MELAS 在成人中经常重叠 [30]。因此，诊断结果为 MIDD 与 MELAS 重叠 [23]。我们的患者于第 22 天出院，当时他的糖尿病治疗采用格列美脲（0.5 mg/天）、利格列汀（5 mg/天）、甘精胰岛素（18 单位/天）和赖脯胰岛素（8 单位/天）。医生还给他开了阿司匹林（100 mg/天）和瑞舒伐他汀（10 mg/天）。
出院后，我们每月进行一次实验室检查（包括 HbA1c），并调整胰岛素剂量。我们在第 76 天停用格列美脲，此后他的 HbA1c 恶化（图 2a）。然而，随着我们增加胰岛素剂量，HbA1c 有所改善，特别是在第 253 天之后。从第 253 天开始，我们开始针对线粒体疾病进行治疗，使用 L-精氨酸（12 g/天），以及针对线粒体疾病的鸡尾酒疗法，包括 L-肉碱（750 mg/天）、泛癸利酮（辅酶 Q10）（30 mg/天）、呋喃硫胺（75 mg/天）和抗坏血酸（3 g/天）[31,32]。看来这种针对线粒体疾病的治疗改善了我们患者的 HbA1c。
图 2
糖尿病和线粒体疾病的严重程度。糖尿病的严重程度用糖化血红蛋白 (a) 表示。线粒体疾病的严重程度用生长分化因子-15 (b) 和乳酸与丙酮酸的比率 (c) 来评估。这些值沿着从中风样发作开始经过的天数绘制。生长分化因子-15 的参考值低于 707 pg/mL，乳酸与丙酮酸的比率的参考值低于 15。HbA1c糖化血红蛋白，GDF-15生长分化因子-15
到第 302 天，他的脑部病变几乎消失（图 1e、f）。到目前为止，他过着看似健康的生活，没有再发生类似中风的事件或不良事件。
为了评估他的线粒体疾病的严重程度，久留米大学测量了连续收集的血清中的 GDF-15。GDF-15 在第 0 天升高到不可估量的高水平（图 2b），特别是在中风样发作后 8 到 20 小时之间（数据未显示）。此外，即使他的 HbA1c 得到改善，乳酸与丙酮酸的比率（图 2c）和 GDF-15 仍然恶化。
据报道，线粒体疾病会扰乱氨基酸代谢 [10,12]，我们测量了血清中的氨基酸（BML，日本东京）。实验室方案是针对血浆样本设计的。然而，我们使用血清样本，因为据我们所知，没有商业机构测量血清样本中的氨基酸。许多种氨基酸，包括精氨酸、瓜氨酸和牛磺酸，在第 0 天表现出水平下降，但在第 1 天激增（图 3，其他氨基酸见附加文件 1：图 S1）。我们在第 0 天的 10 个时间点测量了氨基酸，以确认这一发现不是由于从单次采样中获得的错误值造成的（未显示数据）。MELAS 中精氨酸和瓜氨酸的减少与之前的报告一致 [12]。值得注意的是，天冬氨酸在第 0 天表现出极高的值（图 3d）。出院后，氨基酸的紊乱似乎仍在继续。
图 3
自中风样发作以来的一年内，对氨基酸种类进行了测量。测量结果（nmol/mL）显示在中风样发作后（第 0 天）的几天内，包括精氨酸 (a)、瓜氨酸 (b)、牛磺酸 (c)、天冬氨酸 (d)、谷氨酸 (e) 和甘氨酸 (f)。天冬氨酸 (d) 以对数刻度表示，因为它在第 0 天显示出极高的值。使用为血浆样本设计的实验室方案测量血清样本中的氨基酸。因此，没有适用的参考值。精氨酸、天冬氨酸、瓜氨酸、谷氨酸、甘氨酸、牛磺酸
讨论和结论
我们发现了一例与 MELAS 重叠的成人 MIDD 病例。我们的患者有一次中风样发作，可能是由 DKA 引发的（反之亦然）。据我们所知，这是第一份报告，其中介绍了 L-精氨酸疗法对 GDF-15 和多种氨基酸的纵向影响。
此次发作后的一年内，他的临床症状、糖尿病严重程度以及 MRI 检查结果普遍改善。然而，通过 GDF-15 和乳酸与丙酮酸比率测量的线粒体功能不全似乎恶化了。这表明，即使症状似乎有所改善，也有必要长期持续监测线粒体疾病患者的这些值。
线粒体疾病被认为是成人糖尿病的一个重要病因。线粒体疾病可导致危及生命的 DKA [33] 和反复发作的中风样发作。静脉注射 L-精氨酸是治疗 MELAS 中风样发作的有效方法 [8,9]，而口服 L-精氨酸可预防中风样发作 [34]。此外，许多药物对线粒体疾病患者是禁忌的 [13,15,32,35]。因此，尽早发现线粒体疾病患者至关重要。然而，由于线粒体疾病的“异质性”，基因检测可以提供模糊的诊断 [6]。外周血的阴性检测结果可能无法确保重要器官未受影响。肌肉纤维、皮肤和尿液沉渣可能比外周血更准确地代表重要器官的疾病 [36]。然而，据我们所知，日本所有可用的商业测试都只使用外周血或肌肉纤维，后者需要侵入性手术。因此，生物标志物对筛查线粒体疾病更有用。在我们的患者中，GDF-15 在任何给定时间都保持在高水平，强调了其作为线粒体功能障碍生物标志物的效用。特别是，GDF-15 在中风样发作当天（第 0 天）急剧增加。因此，对于患有 MIDD/MELAS 的患者，GDF-15 可能有助于区分中风样发作和中风。
此外，许多种氨基酸在同一天突然增加或减少。这一发现表明，中风样发作反映了一种影响氨基酸代谢的异常病理过程。这种氨基酸紊乱不仅限于精氨酸、瓜氨酸和牛磺酸，还涉及多种氨基酸，正如之前所提出的[12]。值得注意的是，天冬氨酸水平在中风样发作后 8 小时内急剧升高。天冬氨酸以及谷氨酸和甘氨酸（图 3e、f）在发作后数月内保持升高。由于这三种氨基酸是神经递质，这些氨基酸，特别是天冬氨酸，可能参与中风样发作的发病机制。
在本例中，L-精氨酸和线粒体疾病鸡尾酒疗法似乎改善了糖尿病。然而，这可能是偶然的，因为我们在开始这些疗法时增加了胰岛素的剂量。有必要进行大规模研究来探索 L-精氨酸和鸡尾酒疗法对糖尿病的影响。
数据和材料的可用性
本研究获得的所有数据均可向通讯作者索取。纵向收集的血清可根据要求提交。
缩写
糖尿病酮症酸中毒
液体衰减反转恢复
生长分化因子
糖化血红蛋白
线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒和中风样发作
母系遗传的糖尿病和耳聋
磁共振成像
参考
Murphy R, Turnbull DM, Walker M, Hattersley AT. 与 3243A>G 线粒体点突变相关的母系遗传性糖尿病和耳聋 (MIDD) 的临床特征、诊断和治疗。糖尿病医学。2008；25：383-99。
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Fujita Y, Ito M, Kojima T, Yatsuga S, Koga Y, Tanaka M. GDF15 是一种用于评估丙酮酸治疗线粒体疾病疗效的新型生物标志物。线粒体。2015；20：34-42。
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