Badania biochemiczne

Poziom mleczanu i pirogronianu

Ilościowy stosunek stężenia mleczanu i pirogronianu we krwi pośrednio odzwierciedla cytoplazmatyczny NADH/NAD+ stan redox.
Podniesiony poziom kwasu mlekowego we krwi (uznaje się, że jest to stężenie > 2mM) lub płynie mózgowo-rdzeniowym jest istotnym choć niespecyficznym markerem choroby mitochondrialnej. U pewnej grupy pacjentów stwierdza się poziom mleczanu w normie lub tylko nieznacznie podwyższony. Dotyczy to osób,
u których choroba jest związana z nieprawidłowym działaniem mitochondrialnej polimerazy γ (POLG), neuropatią wzrokową Lebera (ang. Leber’s hereditary optic neuropathy, LHON), zespołem Leigh, zespołem Kearns-Sayre i niedoborem kompleksu I. Podniesiony poziom alaniny w osoczy krwi może być użytecznym wskaźnikiem długotrwałej akumulacji pirogronianu.
Podwyższony poziom mleczanu i/lub pirogronianu w osoczu krwi jest właściwy dla szeregu schorzeń nie należących do grupy chorób mitochondrialnych. Może on również wynikać z błędów w trakcie pobierania próbki, na przykład: zbyt długiego stosowania opaski uciskowej lub jest wynikiem stawiania oporu (dotyczy to głównie pacjentów pediatrycznych). Nieprawidłowe przechowywanie pobranego do badania materiału może przyczynić się do zafałszowania wyników.

Analiza aminokwasów

Ilościowa analiza aminokwasów jest rzadko stosowana w przypadku diagnostyki chorób mitochondrialnych, jednakże jest użyteczna w przypadku podwyższonego poziomu alaniny w osoczu krwi i płynie mózgowo-rdzeniowym.
Można wyznaczyć relatywny wzrost poziomu alaniny poprzez porównanie z poziomem lizyny (normalny stosunek alanina:lizyna<3:1) lub fenyloalaniną i tyrozyną (alanina:fenyloalanina+tyrozyna<4:1). Całkowity wzrost stężenia alaniny powyżej 450µM jest czynnikiem wpływającym na prawdopodobieństwo choroby mitochondrialnej według kryteriów diagnostycznych Nijmegena.
Analizę aminokwasów przeprowadza się korzystając z jonowymiennej chromatografii , spektrometrii mas lub wysokosprawnej chromatografii cieczowej
o odwróconej fazie (ang.  reverse phase high performance liquid chromatography, RP HPLC). Do tego typu badania można użyć krwi lub płynu mózgowo-rdzeniowego.

Analiza kwasów organicznych

Kwasy organiczne są produktem ubocznym katabolizmu białek, węglowodanów i tłuszczy.
Badanie poziomu kwasów organicznych w moczu jest rutynowo wykonywane w przypadku noworodków, u których stwierdzono encefalomiopatię. Umożliwia ono wykrycie między innymi niektórych zaburzeń oksydacji kwasów tłuszczowych. U pacjentów z chorobami mitochondrialnymi obserwuje się zwiększone wydzielanie intermediatów cyklu kwasów trójkarboksylowych (ang. tricarboxylic acid, TCA). Badanie to można przeprowadzić korzystając z chromatografii gazowej lub spektrometrii mas. 

Analiza poziomu karnityny

Karnityna uczestniczy w transporcie wolnych kwasów tłuszczowych z cytosolu do mitochondriów oraz odgrywa istotną rolę w utrzymaniu wewnątrzmitochondrialnej puli koenzymu A (ang. coenzyme A, CoA) i usuwaniu jego zestryfikowanych form z mitochondriów.
Ilościowa analiza poziomu karnityny wolnej i związanej umożliwia między innymi identyfikację zaburzeń oksydacji kwasów tłuszczowych oraz łańcucha oddechowego. W tym celu wykorzystuje się tandemową spektrometrię mas lub HPLC.

Analiza biochemiczna centralnego układu nerwowego

Obrazowanie z użyciem rezonansu magnetycznego (ang. magnetic resonance imaging, MRI) jest bardzo istotne dla oceny struktur anatomicznych u osób
z zaburzeniami neurologiczno-metabolicznymi. Niestety w przypadku chorób mitochondrialnych zmiany w MRI, jeśli są obecne, nie są specyficzne lub mogą zmieniać się z biegiem czasu, co znacznie obniża wartość diagnostyczną tej metody. Nowa technika neuroobrazowania, protonowa spektroskopia rezonansu magnetycznego (ang. proton magnetic resonance spectroscopy, MRS) jest nieinwazyjną metodą pozwalającą na obserwację dynamicznych zmian metabolizmu w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) . Każda z wykrywanych substancji ma unikalną częstotliwość emisji rezonansowej. Kilka związków zaangażowanych w fizjologię mitochondriów takich jak mleczan, N-acetylo-L-asparaginian, bursztynian, kreatyna są wykrywane przez MRS, co sprawia, że jest to użyteczne badanie w procesie oceny prawdopodobieństwa choroby mitochondrialnej.

Testy prowokacyjne

Seria pomiarów stężenia mleczanu, pirogronianu i alaniny w osoczu krwi, poprzedzona podaniem węglowodanów w postaci glukozy lub fruktozy może ujawnić obecność choroby mitochondrialnej.
Testy wysiłkowe są powszechnie stosowane w diagnostyce chorób mitochondrialnych. Jazda na rowerze stacjonarnym lub bieg na bieżni mogą ujawnić obniżoną tolerancję na wysiłek fizyczny, wzmożoną produkcję mleczanu i powolne usuwanie nagromadzonego mleczanu z osocza krwi. Dodatkowo testy wysiłkowe można połączyć z pomiarami nasycenia krwi żylnej tlenem. U pacjentów z zaburzeniami funkcjonowania łańcucha oddechowego nasycenie krwi żylnej tlenem jest zbliżone do poziomu obserwowanego w przypadku krwi tętniczej. Efekt taki jest widoczny, ponieważ dysfunkcja mitochondriów mięśni szkieletowych upośledza zdolność pobierania tlenu z krwi.

Biochemiczna analiza mięśni szkieletowych

Biopsja mięśnia szkieletowego pozwala na przeprowadzenie szeregu badań patologicznych, biochemicznych i molekularnych. Fragmenty bioptatu są wykorzystywane do analiz histochemicznych, immunohistochemicznych i ultrastrukturalnych. Tkankę mięśniową wykorzystuje się również do analizy aktywności enzymów łańcucha oddechowego, a wyizolowany DNA do testów genetycznych.
W biochemicznej analizie mięśni szkieletowych stosuje się spektrofotometryczną ocenę maksymalnej aktywności podjednostek katalitycznych kompleksów enzymów łańcucha oddechowego. Niedobory aktywności kompleksów I, III i IV są typowe dla pacjentów z uogólnionym defektem translacji mitochondrialnej spowodowanej delecjami mtDNA lub mutacjami w ganach tRNA. Podobne zaburzenia są obserwowane u osób z zaburzeniami funkcjonowania polimerazy γ. Niestety wyniki tego typu analiz przeprowadzane w różnych laboratoriach znacznie różnią się między sobą. Konieczna jest standaryzacja metody co ułatwi w znacznym stopniu interpretację wyników.

Innym sposobem pomiaru aktywności łańcucha oddechowego jest stosowanie znakowanych izotopowo substratów takich jak: [1-14C] pirogronian, [U-14C] jabłczan lub [1,4-14C] bursztynian w obecności różnych inhibitorów. Celem taj analizy jest pomiar poziomu produkcji 14CO2 i ATP w stosunku do aktywności syntazy cytrynianowej, co świadczy o ogólnej kondycji mitochondriów. Dodatkowo metoda ta pozawala na identyfikacje poszczególnych kompleksów i ustalenie, który
z nich nie działa prawidłowo.