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线粒体脑肌病是一组累及多系统的复杂疾病，伴有广泛的生化和遗传缺陷。MELAS是研究相对较多的一类综合征性线粒体脑肌病 [16] ，是指包括线粒体肌病、脑病、乳酸中毒和卒中样发作的一组疾病，其发病率约为1/6000。MELAS容易被误诊为癫痫、脑炎及脑梗死等其他脑部疾病。
MELAS是一种罕见的母系遗传病，主要由线粒体DNA缺陷导致线粒体功能缺陷所导致。MELAS的致病原因是线粒体DNA（mtDNA）发生了以下基因的突变，如异亮氨酸tRNA（m.A3243G、m.T3271C）、谷氨酰胺tRNA（m.G4332A）、半胱氨酸tRNA（m.A5814G）、丝氨酸tRNA（m.T7512C、m.G12207A）、组氨酸tRNA（m.G12147A）、Cox3、ND1、ND5、ND6或cytB。其中异亮氨酸tRNA（m.A3243G）突变最为常见，约占80%的病因，其次为m.T3271C。双侧纹状体坏死的MELAS与ND1突变相关，而MELAS/Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy, LHON）重叠综合征则由于ND5基因的点突变。具有MELAS表型的个别病例可携带肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病（myoclonic epilepsy and ragged-red fiber disease, MERRF）的突变位点m.A8344G, MELAS/MERRF重叠综合征与组氨酸tRNA、丝氨酸tRNA或赖氨酸tRNA等基因的突变相关。
MELAS是一种主要累及血管的线粒体代谢病，大脑病变常发生于枕顶叶区域或枕叶，以在小血管内皮细胞和平滑肌细胞发现大量的线粒体为特点，可以看到大脑皮层的分层坏死，表现为小血管的异常增生和神经细胞丢失。MELAS发病的重要原因在于mtDNA发生突变，包括基因点位突变、缺失、重复等，导致线粒体代谢过程受到影响。细胞中糖原以及脂肪酸分泌量和利用率的下降，都将会导致三磷酸腺苷合成受阻，影响线粒体细胞的正常生理功能，继而通过氧化应激反应诱导线粒体细胞凋亡和神经细胞兴奋性损伤。MELAS患者的分子生物学特点包括以下两种。其一，mtDNA基因组结构遭到破坏，出现序列缺失，或被非编码序列打断。正常生理状态下，线粒体的编码基因都没有内含子，且排列较为紧密。而处于病理状态时，mtDNA序列的连续性则会被破坏，导致编码基因的表达异常，影响正常的能量代谢。因此，可以通过观察mtDNA的结构对MELAS进行初步诊断。其二，野生型mtDNA数量减少，突变型mtDNA数量增加，二者之间的比例发生明显改变。突变型mtDNA是否致病在于其数量的多寡以及比例的高低，只有当突变型mtDNA占比超过阈值，才会诱发相应疾病。
MELAS表现为母系遗传，家系成员发病年龄差异较大，患者多在45岁以前发病，以5～15岁最好发，女性多见，多伴神经系统损伤。MELAS患者可表现神经系统损害，如头痛、癫痫发作、运动不耐受，内分泌疾病，如糖尿病、甲状旁腺、甲状腺、肾上腺及脑垂体系功能异常，身材矮小，发际线低，性早熟及弓形足。肌病症状是MELAS的主要和常见症状，运动不耐受发生率可达93%。儿童患者主要临床表现为癫痫、智力发育迟缓、头痛等，而成年患者以认知障碍为主，并可伴有卒中样发作、头痛、语言障碍、癫痫发作等。多数MELAS患者基因突变为m.A3243G位点，但同一位点突变的临床表现可截然不同，提示MELAS具有明显的临床异质性。即使在同一个家系中也很少出现症状完全相同的患者。大多数患者早期发育正常，后来出现多系统受累的症状。有文献报道，所有的线粒体病患者均可出现听力下降。
MELAS患者多有家族史，但典型的家族性MELAS非常少见，MELAS最常见的首发症状是抽搐、间断性头痛、呕吐或肌无力、运动不耐受。MELAS主要诊断依据包括临床表现、血乳酸检测、丙酮酸最小运动量试验、影像学表现、肌肉活检和电镜下发现大量异常线粒体堆积以及mtDNA突变检测。其中，基因诊断是金标准，但检测结果受到取样组织特异性的问题。由于多数MELAS患者为mt.A3243G突变所导致，因此在疑诊MELAS患者的基因诊断过程中，可首先初筛该位点是否突变，若不存在突变再进一步进行全线粒体高通量深度测序。需要强调的是，对临床高度疑似MELAS的患者，如果血液样本中未检测到突变位点，还应对其他组织进行突变检测，如培养的皮肤纤维细胞、毛囊、尿液沉淀物或者活检的骨骼肌组织。
由于MELAS是一种母系遗传病，突变位点会经由女性遗传给下一代，而男性基本上不会将突变传递到下一代。因此，在MELAS家系中，应对所有突变携带者的所有女性亲属进行突变检测，以进行针对性的遗传咨询。由于胚胎或胎儿不同组织的线粒体存在异质性，产前诊断采样组织（如羊水或绒毛）的突变量可能无法代表胎儿整体的状况。而且，随着有丝分裂的不断进行，产前取样组织所检测到的突变量会随着胎儿发育出现变化，产前诊断结果也很难准确预测胎儿出生后的表型。因此，针对线粒体遗传病的产前诊断和遗传咨询目前仍然存在较大的挑战。