Background Muscle biopsy is the gold standard for diagnosis of mitochondrial disorders because of the lack of sensitive biomarkers in serum. Fibroblast growth factor 21 (FGF-21) is a growth factor with regulatory roles in lipid metabolism and the starvation response, and concentrations are raised in skeletal muscle and serum in mice with mitochondrial respiratory chain deficiencies. We investigated in a retrospective diagnostic study whether FGF-21 could be a biomarker for human mitochondrial disorders. Methods We assessed samples from adults and children with mitochondrial disorders or non-mitochondrial neurological disorders (disease controls) from seven study centres in Europe and the USA, and recruited healthy volunteers (healthy controls), matched for age where possible, from the same centres. We used ELISA to measure FGF-21 concentrations in serum or plasma samples (abnormal values were defined as >200 pg/mL). We compared these concentrations with values for lactate, pyruvate, lactate-to-pyruvate ratio, and creatine kinase in serum or plasma and calculated sensitivity, specificity, and positive and negative predictive values for all biomarkers. Findings We analysed serum or plasma from 67 patients (41 adults and 26 children) with mitochondrial disorders, 34 disease controls (22 adults and 12 children), and 74 healthy controls. Mean FGF-21 concentrations in serum were 820 (SD 1151) pg/mL in adult and 1983 (1550) pg/mL in child patients with respiratory chain deficiencies and 76 (58) pg/mL in healthy controls. FGF-21 concentrations were high in patients with mitochondrial disorders affecting skeletal muscle but not in disease controls, including those with dystrophies. In patients with abnormal FGF-21 concentrations in serum, the odds ratio of having a muscle-manifesting mitochondrial disease was 132·0 (95% CI 38·7–450·3). For the identification of muscle-manifesting mitochondrial disease, the sensitivity was 92·3% (95% CI 81·5–97·9%) and specificity was 91·7% (84·8–96·1%). The positive and negative predictive values for FGF-21 were 84·2% (95% CI 72·1–92·5%) and 96·1 (90·4–98·9%). The accuracy of FGF-21 to correctly identify muscle-manifesting respiratory chain disorders was better than that for all conventional biomarkers. The area under the receiver-operating-characteristic curve for FGF-21 was 0·95; by comparison, the values for other biomarkers were 0·83 lactate (p=0·037, 0·83 for pyruvate (p=0·015), 0·72 for the lactate-to-pyruvate ratio (p=0·0002), and 0·77 for creatine kinase (p=0·013). Interpretation Measurement of FGF-21 concentrations in serum identified primary muscle-manifesting respiratory chain deficiencies in adults and children and might be feasible as a first-line diagnostic test for these disorders to reduce the need for muscle biopsy. Funding Sigrid Jusélius Foundation, Jane and Aatos Erkko Foundation, Molecular Medicine Institute of Finland, University of Helsinki, Helsinki University Central Hospital, Academy of Finland, Novo Nordisk, Arvo and Lea Ylppö Foundation.

Leigh syndrome is a progressive neurodegenerative disorder, associated with primary or secondary dysfunction of the mitochondrial oxidative phosphorylation. Despite the fact that Leigh syndrome is the most common phenotype of mitochondrial disorders in children, longitudinal natural history data is missing. This study was undertaken to assess the phenotypic and genotypic spectrum of patients with Leigh syndrome, characterise the clinical course and identify predictors of survival in a large cohort of patients.This is a retrospective study of patients with Leigh syndrome that have been followed at eight centers specialising in mitochondrial diseases in Europe; Gothenburg, Rotterdam, Helsinki, Copenhagen, Stockholm, Brussels, Bergen and Oulu.A total of 130 patients were included (78 males; 52 females), of whom 77 patients had identified pathogenic mutations. The median age of disease onset was 7 months, with 80.8% of patients presenting by the age of 2 years. The most common clinical features were abnormal motor findings, followed by abnormal ocular findings. Epileptic seizures were reported in 40% of patients. Approximately 44% of patients experienced acute exacerbations requiring hospitalisation during the previous year, mainly due to infections. The presence of pathological signs at birth and a history of epileptic seizures were associated with higher occurrence of acute exacerbations and/or relapses. Increased lactate in the cerebrospinal fluid was significantly correlated to a more severe disease course, characterised by early onset before 6 months of age, acute exacerbations and/or relapses, as well as brainstem involvement. 39% of patients had died by the age of 21 years, at a median age of 2.4 years. Disease onset before 6 months of age, failure to thrive, brainstem lesions on neuroimaging and intensive care treatment were significantly associated with poorer survival.This is a multicenter study performed in a large cohort of patients with Leigh syndrome. Our data help define the natural history of Leigh syndrome and identify novel predictors of disease severity and long-term prognosis.

To validate new mitochondrial myopathy serum biomarkers for diagnostic use.We analyzed serum FGF21 (S-FGF21) and GDF15 from patients with (1) mitochondrial diseases and (2) nonmitochondrial disorders partially overlapping with mitochondrial disorder phenotypes. We (3) did a meta-analysis of S-FGF21 in mitochondrial disease and (4) analyzed S-Fgf21 and skeletal muscle Fgf21 expression in 6 mouse models with different muscle-manifesting mitochondrial dysfunctions.We report that S-FGF21 consistently increases in primary mitochondrial myopathy, especially in patients with mitochondrial translation defects or mitochondrial DNA (mtDNA) deletions (675 and 347 pg/mL, respectively; controls: 66 pg/mL, p < 0.0001 for both). This is corroborated in mice (mtDNA deletions 1,163 vs 379 pg/mL, p < 0.0001). However, patients and mice with structural respiratory chain subunit or assembly factor defects showed low induction (human 335 pg/mL, p < 0.05; mice 335 pg/mL, not significant). Overall specificities of FGF21 and GDF15 to find patients with mitochondrial myopathy were 89.3% vs 86.4%, and sensitivities 67.3% and 76.0%, respectively. However, GDF15 was increased also in a wide range of nonmitochondrial conditions.S-FGF21 is a specific biomarker for muscle-manifesting defects of mitochondrial translation, including mitochondrial transfer-RNA mutations and primary and secondary mtDNA deletions, the most common causes of mitochondrial disease. However, normal S-FGF21 does not exclude structural respiratory chain complex or assembly factor defects, important to acknowledge in diagnostics.This study provides Class III evidence that elevated S-FGF21 accurately distinguishes patients with mitochondrial myopathies from patients with other conditions, and FGF21 and GDF15 mitochondrial myopathy from other myopathies.

Abstract We aimed to provide a detailed phenotypic description of status epilepticus (SE) in a large cohort of patients with POLG disease and identify prognostic biomarkers to improve the management of this life-threatening condition. In a multinational, retrospective study with data on patients with POLG disease from seven European countries, we identified those who had SE. The age of SE onset, accompanying clinical, laboratory, imaging and genetic findings were analysed. One hundred and ninety-five patients with genetically confirmed POLG disease were recruited, of whom 67% (130/194) had epilepsy. SE was identified in 77% (97/126), with a median age of SE onset of 7 years. SE was the presenting symptom of the disease in 43% (40/93) of those with SE, while 57% (53/93) developed SE during the disease course. Convulsive SE was reported in 97% (91/94) followed by epilepsia partialis continua in 67% (56/84). Liver impairment 78% (74/95), ataxia 69% (60/87), stroke-like episodes 57% (50/88), were the major comorbidities. In the majority (66%; 57/86) with SE this became refractory or super-refractory. The presence of seizures was associated with significantly higher mortality compared to those without (P ≤ 0.001). The median time from SE debut to death was 5 months. SE is a major clinical feature of POLG disease in early and juvenile to adult-onset disease and can be the presenting feature or arise as part of a multisystem disease. It is associated with high morbidity and mortality, with the majority of patients with SE going on to develop refractory or super-refractory SE.

Abstract Fibrosis, neurodegeneration and cerebral angiomatosis (FINCA) is a childhood-onset multi-organ neurodevelopmental disorder associated with multi-organ manifestations and recurrent infections. The disease is caused by variants in NHLRC2 initiating a cascade of unknown pathological events. Previously, we have demonstrated that despite the significant decrease at the molecular level, the compound heterozygosity of knock out and p.Asp148Tyr alleles in NHLRC2 does not lead to a severe phenotype in mice. Here, we analysed the behavioural and immunological phenotype of the FINCA mice and studied the molecular pathways affected by p.Asp148Tyr in NHLRC2 using mouse and human-derived cell culture models. The FINCA mice displayed a mild hyperactivity and deficient early immune response when challenged with LPS leading to altered cytokine responses, including IFNγ, IL-12, and TNFα. By comparing gene expression and putative interaction partners affected by p.Asp148Tyr, we identified Rho GTPase signalling as the common pathway. Altogether, these results establish a multi-dimensional impact of the p.Asp148Tyr variant in NHLRC2. Knowledge of the molecular pathways affected by NHLRC2 and the natural course of FINCA disease progression are instrumental for the development of effective therapeutics. Summary statement FINCA is a paediatric neurodevelopmental and multi-organ disorder caused by variants in NHLRC2 . Here, mild hyperactivity in connection with altered early immune response is described in the FINCA mouse model.

Abstract Background Transcriptomic and proteomic profiling of human brain tissue is hindered by availability of fresh samples from living patients. Postmortem samples usually represent the advanced disease stage of the patient. Furthermore, the postmortem interval affects the observed transcriptomic and proteomic profiles. Therefore, access to fresh brain tissue samples from living patients is valuable resource to obtain information on metabolically intact tissue. The implantation of deep brain stimulation (DBS) electrodes into the human brain is a neurosurgical treatment for, e.g., movement disorders. Here, we describe an improved approach to collect brain tissue from surgical instruments used in implantation of DBS device for transcriptomics and proteomics analyses. Methods Samples were extracted from guide tubes and recording electrodes used in routine DBS implantation procedure that was carried out to treat patients with Parkinson’s disease, genetic dystonia and tremor. RNA sequencing was carried out to tissue extracted from the recording microelectrodes and liquid chromatography-mass spectrometry was carried out to analyze tissue from guide tubes. To assess the performance of the current approach, obtained datasets were compared with previously published datasets representing brain tissue. Results In RNA sequencing, altogether 32,034 transcripts representing unique Ensembl gene identifiers were detected from eight samples representing both hemispheres of four patients. By using liquid chromatography-mass spectrometry, we identified 734 unique proteins from 31 samples collected from 14 patients. Comparison with previously published brain derived data indicated that both of our datasets reflected the expected brain tissue specific features. The datasets are available via BioStudies database (accession number S-BSST667). Conclusions Surgical instruments used in DBS installation retain enough brain material for protein and gene expression studies. Analysis of the datasets indicated that hemisphere-specific expression data can be obtained from individual patients without any sample pooling and without any modifications to the standard surgical protocol. Comparison with previously published datasets obtained with similar approach proved the robustness and reproducibility of the current improved protocol. This approach overcomes the issues that arise from using postmortem tissue, such as effect of postmortem interval, on proteomic and transcriptomic landscape of the brain and can be used for studying molecular aspects of DBS-treatable diseases.