Zespół encefalopatii mitochondrialnej, kwasicy mleczanowej i udaru mózgu (MELAS) występuje, gdy mitochondrialny kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) ulega mutacji, powodując niewystarczającą produkcję energii w komórkach. Pacjenci mogą nabawić się zespołu, ale choroba często przechodzi od matki. Wiek zachorowania jest różny, pacjenci wykazują objawy już w trzecim miesiącu życia, podczas gdy inni nie doświadczają problemów przed ukończeniem 60 roku życia. Jednak większość osób cierpiących na ten zespół wykazuje objawy przed 20 rokiem życia. Ponieważ wszystkie komórki ciała zawierają mitochondria, objawy wtórne do zespołu mogą wystąpić w dowolnym miejscu w ciele, ale generalnie są to problemy wieloukładowe.
Komórki zazwyczaj zawierają setki do tysięcy organelli zwanych mitochondriami. Struktury wytwarzają energię poprzez łańcuch transportu elektronów, który syntetyzuje białka w trifosforan adenozyny (ATP). Mutacje DNA występujące w mitochondriach zaburzają różne elementy tego łańcucha, hamując tworzenie ATP. Pacjenci, u których zdiagnozowano encefalopatię mitochondrialną, często mają mitochondria zawierające normalne DNA i inne ze zmutowanym DNA. Próbując zrekompensować niewystarczającą produkcję energii, nieprawidłowe mitochondria replikują się do większej liczby mitochondriów, które również zawierają mutację genetyczną.
Cytopatia mitochondrialna powoduje również kompensację niewystarczającej produkcji energii poprzez wykorzystanie innych procesów metabolicznych. Organizm na ogół syntetyzuje glukozę do pirogronianu i kwasu mlekowego podczas wysiłku, ale w encefalopatii mitochondrialnej procesy te zachodzą w spoczynku, powodując kwasicę mleczanową. Brak wystarczającej energii komórkowej w połączeniu z produktami ubocznymi procesów metabolicznych powoduje nagromadzenie toksyn, co prowadzi do uszkodzenia i zniszczenia komórek. Naukowcy odkryli również, że pacjenci wykazują nieprawidłową ilość wapnia wewnątrzkomórkowego, powodując zwiększoną pobudliwość błony komórkowej.
Narządy i układy najbardziej dotknięte zespołem to te, które wymagają największej ilości energii. Pacjenci na ogół odczuwają objawy, które wpływają na centralny układ nerwowy, mięśnie sercowe i szkieletowe. Może to mieć również wpływ na trzustkę, wątrobę i nerki.
Objawy ośrodkowego układu nerwowego związane z encefalopatią mitochondrialną obejmują otępienie, drgawki i nieprawidłowości przypominające udar mózgu, które występują w wyniku zmian powstałych w mózgu. Zespół może również wpływać na nerwy czuciowe, powodując ślepotę lub głuchotę. Uszkodzenie lub zniszczenie tkanki nerwowej i mięśniowej często powoduje utratę napięcia mięśniowego, spastyczność i nieprawidłowe ruchy ciała. Dotknięte komórki w sercu mogą powodować zakłócenia przewodzenia, co prowadzi do nieregularnego tętna. Zajęcie trzustki często prowadzi do cukrzycy.
Zespół Leigh, odmiana miopatii mitochondrialnej, znana również jako podostra martwicza encefalomielopatia, dotyka dzieci w wieku od 3 do 12 miesięcy i często pojawia się po infekcji wirusowej. Oprócz wpływania na ośrodkowy układ nerwowy i tkankę mięśniową, zaburzenie to często obejmuje układ sercowy i oddechowy. Małe dzieci cierpiące na tę chorobę często umierają w wieku trzech lat z powodu niewydolności serca lub układu oddechowego.
Specjaliści diagnozują encefalopatię mitochondrialną za pomocą badań obrazowych, badań krwi i płynu mózgowo-rdzeniowego oraz badań komórkowych. Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) zwykle ujawnia zmiany typu zawałowego lub martwą tkankę, niezwiązaną ze strukturami naczyniowymi. Zmiany chorobowe zwykle rozwijają się częściej w tylnej części mózgu. Nieprawidłowości we krwi i płynie mózgowo-rdzeniowym na ogół obejmują podwyższony poziom aminokwasu alaniny i kwasu mlekowego. Komórki pobrane z mięśni ujawniają czerwone, postrzępione włókna.
Próbki komórek pobrane z jamy ustnej i skóry na ogół zawierają mitochondria z wadliwym DNA. Lekarze zazwyczaj traktują pacjentów indywidualnie, ponieważ objawy różnią się w zależności od pacjenta i wpływają na różne układy organizmu. Lekarze często przepisują reżim przeciwutleniaczy, aminokwasów i witamin.