Diagnostiek

Laboratoriumbevindingen

Verdenking mitochondriële aandoening
Aan een mitochondriële aandoening moet gedacht worden bij een progressieve ziekte met betrokkenheid van meerdere orgaansystemen. Organen met hoge energiebehoefte zijn vaker aangedaan, zoals het centraal zenuwstelsel, retina, skeletspier, hart, maar ook endocriene organen, nieren en het niet-muceuze deel van het maagdarmstelsel. Een overzicht van symptomen is hiervoor genoemd, evenals een aantal specifieke mitochondriële syndromen.

Redenen om een spierbiopt te overwegen:

Algemeen:
– Mitochondriële aandoening + andere myopathieën in de differentiaaldiagnose
– Verdenking op een mitochondriële aandoening blijft na negatieve genetische testen
– Verdenking op mtDNA-deletiesyndroom (bijv. CPEO)
– Verkrijgen van bewijs voor pathogeniciteit van genetische varianten

Pediatrische patiënten:
– Onverwacht naderend levenseinde
– Urgent diagnose nodig voor behandelmogelijkheden (parallel testen)
– Uitsluiten van een mitochondriële ziekte (bijv. voorafgaand aan orgaantransplantatie)

Volwassen patiënten:
– Uitsluiten van een mitochondriële ziekte (ook als de verdenking hierop relatief laag is!)

Differentiaaldiagnose
In de differentiaaldiagnose van een mitochondriële aandoening staan o.a. andere metabole ziekten (zoals stoornissen in de vetzuuroxidatie, het aminozuurmetabolisme, het metabolisme van koper, lysosomale aandoeningen en peroxisomale aandoeningen) en andere neuromusculaire ziekten zoals myotone dystrofie, SMA, MS, myasthenia gravis.

Aanvullend onderzoek

Aanvullend onderzoek: eerste stap

* Lengte, gewicht

* Algemeen intern en neurologisch onderzoek

* Bloed: leverenzymen, nierfunctie, ammoniak, bloedbeeld, bloedgas met lactaat, CK, glucose, carnitineprofiel, aminozuurstatus. Indien beschikbaar: FGF-21 of GDF-15.^{(Hubens et al. 2022)}
Bloedonderzoek is bedoeld voor het aantonen van betrokkenheid van meerdere in het mitochondrion gelegen systemen enerzijds en het meer of minder waarschijnlijk maken van een eventueel ander onderliggend lijden anderzijds. Indien er sprake is van een disfunctie in de oxidatieve fosforylering, neemt de productie van ATP af. Dit resulteert in een upregulatie van de glycolyse met als gevolg een verhoogd pyruvaat, wat kan leiden tot een verhoogd alanine of lactaat. Bij mitochondriële aandoeningen kan het lactaat in rust verhoogd zijn maar dat hoeft niet; in de praktijk is dit slechts in zo’n 30% van de patiënten het geval. Een verhoogd lactaat is ook niet specifiek. Differentiaaldiagnostisch moet gedacht worden aan veneuze stuwing (hevig tegenspartelend kind!), hypoxie, hypoperfusie, lever- of nierfalen, toxiciteit, medicatie (o.a. metformine), sepsis, neurodegeneratieve afwijkingen (deels toch ook in het mitochondriële organel gelokaliseerde oorzaak), hyperinsulinemie, chronische thiaminedeficiëntie, insulten en andere metabole aandoeningen. Een verhoogd lactaat gecombineerd met verhoogde citroenzuurcyclusintermediairen en bepaalde neurologische verschijnselen bij neuropediatrische patiënten is beschreven als redelijke voorspeller voor het hebben van een mitochondriële aandoening.^{(van der Ven et al. 2021)}

* Urine: lactaat, aminozuren en organische zuren
Lactaat kan in urine verhoogd zijn door renale tubulaire disfunctie, waarbij het lactaat in plasma normaal kan zijn indien het renaal verlies groot is. In de urine organische zuren kunnen verhoogde citroenzuurcyclusintermediairen worden gezien zoals appelzuur, fumaarzuur, barnsteenzuur. Een fors verhoogd 3 methylglutaconzuur kan richting geven aan de diagnose (groep met verhoogd 3 MGA zoals o.a. MEGDEL-syndroom, Barth-syndroom).

Aanvullend onderzoek: tweede stap

* Genetisch onderzoek:
In de meeste gevallen wordt aanvullend mutatieanalyse ingezet in bloed (Whole Exome Sequencing (WES)) voor nucleaire genen^{(Wortmann et al. 2015)} en mtDNA voor mitochondrieel DNA. Cave heteroplasmie, waardoor mutatie in mtDNA eventueel gemist kan worden in bloed. Een goed alternatief is blaasepitheelcellen uit urine. Indien bloed- en urine-mtDNA negatief is, kan bij een persisterend hoge verdenking een spierbiopt worden verricht. Cave mtDNA-deleties; deze kunnen het best gedetecteerd worden in spier (m.u.v. Pearson syndroom wat het best in bloed kan worden onderzocht).
Tot slot kan ook een ‘Open WES’ worden ingezet, waarbij het gehele DNA wordt onderzocht op mutaties (in overleg met de klinisch geneticus).
In geval van DNA-diagnostiek is het belangrijk ook bloed van de ouders (trio-analyse) af te nemen om de betekenis van gevonden mutaties en varianten beter te kunnen interpreteren. Bij mtDNA-onderzoek wordt geadviseerd terughoudend te zijn met segregatieonderzoek om VUSsen te interpreteren (alleen informatief als familielid echt gezond is), bij voorkeur onderzoek bij index-patiënt.
Het is van belang om op te merken dat een negatief testresultaat van genetische diagnostiek een mitochondriële ziekte NIET uitsluit!

De volgende aanvullende onderzoeken kunnen worden verricht, afhankelijk van de klinische verschijnselen en de differentiaaldiagnose, waarbij de volgorde ook vaak van praktische zaken afhangt:

* MRI hersenen + proton MR spectroscopie (MRS)
De MRI van het brein kan afwijkingen vertonen (cerebrale/cerebellaire atrofie, wittestofafwijkingen, signaalafwijkingen in de basale ganglia), maar dat hoeft niet. Bij een aantal syndromen worden meer specifieke afwijkingen gezien. Bij MELAS worden laesies in de occipitaal- en pariëtaalkwabben gevonden die lijken op ischemie. De laesies houden zich echter niet aan een vasculair territorium en zijn vaak beperkt tot de cortex met relatieve sparing van de diepe witte stof. Bij het syndroom van Leigh worden er symmetrische afwijkende signaalintensiteiten gezien bij de nuclei lentiformis, de nucleus caudatus, thalamus, nucleus ruber en nucleus dentatus. Bij het Kearns-Sayre syndroom (KSS) zijn de bevindingen van subcorticale wittestofafwijkingen met een of meer laesies in de kernen van de hersenstam, basale ganglia of thalamus karakteristiek. Met behulp van proton-MR spectroscopie (MRS) kan het breinmetabolisme in vivo bestudeerd worden, waarbij met name gekeken wordt naar een verlaagd signaal van de metaboliet N-acetylaspartaat (NAA) en de aanwezigheid van een lactaatpiek. Veel studies hebben de lactaatpiek bestudeerd in aangedaan weefsel op de MRI, hetgeen geen specifieke bevinding is. Verhoogd lactaat in aangedaan weefsel kan ook passen bij o.a. infecties en ischemie. De diagnostische waarde is groter indien men een lactaatpiek vindt in niet-aangedaan weefsel op de MRI. De sensitiviteit van de MRS wordt hoger indien deze wordt uitgevoerd in een episode van klinische exacerbatie.

* Liquor cerebrospinalis: cellen, totaal eiwit, glucose, lactaat, pyruvaat, aminozuurstatus. Eventueel hersenspecifieke eiwitten en neurotransmitters.
Bij cerebrale verschijnselen dient ook het lactaat, pyruvaat, totaal eiwit en de aminozuurstatus in liquor bepaald te worden vanwege de mogelijk hogere sensitiviteit t.o.v. veneus lactaat bij de aanwezigheid van deze symptomen. Verhoogd lactaat in de liquor is geen specifieke bevinding, het kan ook voorkomen bij andere metabole aandoeningen, insulten, subarachnoïdale bloedingen, meningitis, encefalitis en ischemie.

* EMG: bij verdenking op myopathie en/of polyneuropathie

* EEG: Bij verdenking op epilepsie/stroke-like episodes

* Intercollegiaal consult: op indicatie oogarts, cardioloog, KNO-arts, revalidatiearts, longarts, klinisch geneticus

* Spierbiopt (gecombineerd met huidbiopt) in Radboudumc
Bij kinderen wordt vaak een open biopt onder narcose verricht, bij volwassenen meestal een naaldbiopt onder lokale verdoving.
Hoe jonger de patiënt, hoe kleiner de kans op het vinden van zichtbare afwijkingen. Bevindingen bij het immunohistochemisch onderzoek kunnen zijn: ragged red fibers op Gomori-kleuring (rode, granulaire deposities van mitochondria; >2% is afwijkend), ragged blue fibres in SDH-kleuring (succinaatdehydrogenase, complex 2), of COX-deficiënte of -negatieve vezels. In circa 50% van de patiënten met een mitochondriële aandoening worden geen afwijkingen gevonden bij normale lichtmicroscopie. Afwijkingen die bij elektronenmicroscopie (EM) gezien kunnen worden zijn: een toename in aantal of grootte van de mitochondriën, toegenomen vet, glycogeen insluitsels (=droplets), toegenomen mitochondriële matrix, abnormale cristae en paracrystalline insluitsels. Deze bevindingen zijn echter niet specifiek voor een mitochondriële aandoening. Normale bevindingen bij EM sluiten de mogelijkheid op een mitochondriële aandoening eveneens niet uit.
Bij biochemisch onderzoek worden de mitochondriële ATP-productie, substraatoxidatiesnelheden en activiteit van de OXPHOS-enzymen gemeten.

* Huidbiopt: In het huidbiopt kan ook biochemisch onderzoek worden gedaan waarbij de activiteit van de OXPHOS-enzymen wordt gemeten.

* Heteroplasmie: In verschillende weefsels kan het heteroplasmiepercentage van een mitochondriële mutatie verschillen. Bloed en urine heteroplasmiepercentage kan bijvoorbeeld veel lager zijn dan in fibroblasten en spier; een laag heteroplasmiepercentage, in bloed bijvoorbeeld, sluit een mitochondriële aandoening dus niet per se uit. Bovendien neemt het percentage heteroplasmie in bloed af bij ouder worden, terwijl dit in niet-delende weefsels stabiel blijft of zelfs kan toenemen.

Indien diagnose uitblijft
Het is mogelijk dat er uiteindelijk geen pathogene mutatie wordt gevonden, maar er wel een sterke verdenking op een mitochondriële aandoening blijft bestaan. Dan kan overwogen worden het genetisch onderzoek (WES-pakket mitochondriële aandoeningen) na 2 tot 5 jaar te herhalen of het exoom te openen. Tevens moet men bij een biochemisch afwijkend spierbiopt bedacht zijn op een secundaire mitochondriële disfunctie bij een andere oorzaak (bijv. myositis).

Prenatale diagnostiek

Overerving/familie
Mutaties in het mtDNA erven maternaal over. Het fenotype van een mutatie kan aanzienlijk variëren tussen families, maar ook binnen een familie. Een pathogene mutatie wordt doorgegeven aan alle nakomelingen, maar alleen de dochters zullen de mutatie verder doorgeven aan hun kinderen. Dus, een ziekte die bij beide geslachten tot expressie komt, maar niet wordt doorgegeven via de mannelijke lijn, is sterk verdacht voor een mtDNA-defect. Een uitzondering zijn de grote enkele deleties in het mtDNA. Deze treden vaak als single cases binnen een familie op. Het idee is dat deze deleties in een vroeg-embryonaal stadium zijn ontstaan maar niet in de geslachtscellen aanwezig zijn en dus meestal niet overerfbaar zijn (herhalingskans circa 1 op 24).
Behalve puntmutaties en deleties in het mtDNA kan ook worden onderzocht of de hoeveelheid mtDNA is afgenomen ten opzichte van het kernDNA (= depletie). Defecten in genen betrokken bij de replicatie van mtDNA en het behoud van de deoxynucleotide pool zijn hier meestal verantwoordelijk voor. Vaak gaat het hierbij om recessieve aandoeningen veroorzaakt door mutaties in het nDNA. Ook mtDNA multipele deleties (in spierweefsel) zijn vaak secundair aan defecten in het nDNA.
Bij betrokkenheid van het nDNA kan de overerving autosomaal dominant, autosomaal recessief of X-linked zijn. Inmiddels zijn van circa 400 nDNA-coderende genen mutaties bekend die betrokken zijn bij mitochondriële aandoeningen. Het fenotype van een mutatie kan aanzienlijk variëren tussen families, maar ook binnen een familie.

Prenatale diagnostiek en zwangerschap
Prenatale diagnostiek is mogelijk en kan indien gewenst besproken worden met de klinisch geneticus. Hij/zij kan uitleg geven over de procedure en de potentiële risico’s ervan.
Bij de meeste mitochondriële aandoeningen ligt de genetische oorzaak in een nucleair gen, waarvoor reproductieve opties zoals prenatale diagnostiek (PND) en preïmplantatie genetische testen (PGT) beschikbaar zijn. Echter, voor de mitochondriële ziekten veroorzaakt door een defect in het mitochondriële DNA (mtDNA) bepaalt het herhalingsrisico de geschiktheid van de reproductieve opties. Dit vereist een reproductieve counseling op maat. Bij de novo mtDNA-mutaties en overgeërfde mtDNA-mutaties met een laag herhalingsrisico is PND mogelijk. Indien het herhalingsrisico matig tot hoog is, is PGT een geschikte optie. In de overige gevallen, waarbij het risico op een gezond embryo (zeer) laag is, kan mitochondrial replacement therapy (MRT) in de toekomst een mogelijkheid bieden.

Niveau 3

Prenatal diagnosis is generally not possible in case of maternally inherited heteroplasmic mitochondrial DNA (mtDNA) point mutations because of extensive variation in mutation load among embryos and the inability to accurately predict the clinical expression. Hellebrekers et al. performed a systematic review of muscle mutation levels to investigate if PGD could be a better alternative, by investigating the existence of a minimal mutation level below which the chance of an embryo being affected is acceptably low, irrespective of the mtDNA mutation. They found, for the first time, that carriers of heteroplasmic mtDNA mutations will have a fair chance of having healthy offspring by applying PGD. Their conclusions, however, are partly based on estimations and do not provide absolute certainty. Carriers of mtDNA should thus be informed about these constraints.(Hellebrekers et al. 2012)

Indien er sprake is van een enzymdeficiëntie maar er bij de index-patiënt geen genetische oorzaak is gevonden, dan is het onder bepaalde voorwaarden mogelijk om prenataal enzymonderzoek van chorionvilli te doen.
Bij een zwangerschapswens wordt een preconceptioneel consult en een cardiale screening geadviseerd. Wanneer een mitochondriële patiënt zelf zwanger is, dient de zwangerschap te worden beschouwd als hoog-risico zwangerschap en zijn extra controles van moeder en foetus geïndiceerd. Daarnaast is het goed om een bevallingsplan te maken.