遗传性代谢病(inherited -bolic disorders, IMD)又称先天性代谢缺陷(inborn errors of -bolism，IEM)，是由于参与体内代谢的某种酶、运载蛋白、膜或受体等的编码基因发生突变，从而导致机体生化代谢紊乱，造成中间、旁路代谢产物蓄积，或终末代谢产物缺乏，引起一系列临床症状的一组疾病[1，2]。IMD 多为常染色体隐性遗传，少数为常染色体显性遗传、X/Y连锁伴性遗传及线粒体遗传等。IMD单一病种发病率低, 属少见病或罕见病, 但其病种多样(迄今已发现的IMD超过1000种)，故总体发病率并不低[1-3]。按发生异常的生化物质不同，IMD主要分为有机酸、氨基酸、碳水化合物、蛋白质、脂质和尿素等先天性代谢缺陷[1] (表1)。

表1 主要IMD的生化分类

生化分类主要IMD

有机酸代谢病

氨基酸代谢病

碳水化合物代谢病

蛋白质代谢病

尿素循环障碍

脂质代谢病

线粒体病

溶酶体贮积病

过氧化小体病

其他

甲基丙二酸血症、丙酸血症、异戊酸血症、戊二酸血症

苯丙酮尿症、非酮症性高甘氨酸血症、遗传性酪氨酸血症、同型半胱氨酸尿症、枫糖尿症、维生素B6依赖症

半乳糖血症、糖原累积症、遗传性果糖不耐受症、磷酸烯酮式丙酮酸羧化酶缺陷症

家族性高脂蛋白血症、无白蛋白血症、转铁蛋白缺乏症

鸟氨酸氨甲酰基转移酶缺乏症、氨甲酰磷酸合成酶缺陷症、精氨酸酶缺陷症、瓜氨酸血症、精氨酸琥珀酸血症

戈谢氏病、尼曼-匹克氏病、Faber病

脂肪酸氧化障碍：肉碱循环缺陷症、短/中/长链乙酰CoA脱氢酶缺陷症;能量代谢障碍：丙酮酸脱氢酶缺陷症、丙酮酸羧化酶缺陷症、Leigh病、线粒体脑肌病

粘多糖病、GM-1神经节苷脂贮积病、甘露糖沉积症、岩藻糖沉积症、Wolman病、Krabbe病

脑肝肾综合征、肾上腺脑白质营养不良

先天性甲状腺功能低下症、先天性肾上腺皮质增生症、Citrin综合征、Crigler-Najjar综合症、肝豆状核变性、Menkes 病、遗传性乳清酸尿症、胰腺囊性纤维性性变

IMD 的临床表现复杂多样，随年龄、性别不同而有差异。半数以上在新生儿出生后数小时或几天内即发病;部分在幼儿期、儿童期、青少年期甚至成年期发病。IMD发病年龄越早，病情越重，死亡率越高，是不明原因危重患儿死亡的重要原因之一，存活者可造成永久性严重损害, 如智力低下、 运动发育迟缓等[1]。必须强调的是，IMD并非均为不治之症，早期治疗对患儿预后意义重大，许多IMD及时采取干预措施可以明显改善预后，部分IMD甚至可以经针对性措施治疗得以临床治愈[1-4]。

早期干预有赖于正确的早期诊断。由于IMD病种数量繁多、发病机理复杂，且其临床表现具有多样性和缺乏特异性，一般传统辅助检查手段不能提供确诊依据，临床医生往往难以作出具体病因诊断，临床确诊大多依赖于患儿体液(血、尿等)中特异性异常代谢物质的发现，或者进行酶学和基因分析。传统的IMD 筛查方法(如Guthrie细菌抑制法、放射免疫分析法、酶联免疫吸附实验等) 都属于“一种实验检测一种疾病”,所花费用高、周期长，不适用于多种疾病的群体筛查[1，3，5]。 1966年，Tanaka采用气相色谱-质谱技术(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)检测到异戊酸血症，为IMD的生化诊断指明了新方向;以后随着技术的不断改进，许多有机酸代谢病因应用GC-MS而得到确诊;进入20世纪，Millington 等[6]首次将串联质谱(tandem mass spectrometry，MS-MS)用于新生儿IMD筛查，Shoemaker和Matsumoto等[7，8]建立了分析尿代谢产物的尿素酶预处理-气相色谱-质谱技术(Urease pretreatment-Gas Chromatography-Mass Spectrometry, UP-GC-MS)，为IMD的筛查和生化诊断开启了新纪元;在此后的20 年的时间里，MS-MS和GC-MS已经发展成为 IMD 筛查中最理想、最成熟、最精确、最特异的分析技术，真正实现了从“一种实验检测一种疾病到一种实验检测多种疾病”的转变, 并且使检测假阳性和假阴性的发生率明显降低[9-11]。

一般认为，IDM的诊断应采取新生儿及高危患儿筛查相结合的方式进行，包括MS-MS和GC-MS在内的质谱技术是公认的IMD筛查技术。质谱技术是根据样品离子的质量电荷比来进行定性和定量研究的一种分析技术，其中MS-MS主要用于血液代谢组分分析，而GC-MS主要用于尿液代谢产物分析，它们的价值在于能够在无症状或症状前期发现IMD，使IMD早期干预成为可能。MS-MS和GC-MS技术具有如下特点：①极高的分析效率和广泛的筛查范围，能在较短时间内完成检测分析出血、尿等体液200余种代谢物，诊断出超过100余种遗传代谢病;②对体内生化物质进行精确无误的分析，特异性、敏感性和可重复性高;③具备充裕的采样时间，婴儿出生后即可开始采样[12-16]。目前，北美、欧洲、日本和新加坡等发达国家已将普遍将MS-MS和GC-MS技术应用于小儿遗传代谢病筛查方案中[ 17-20]，而我国普遍采用的Guthrie细菌抑制法进行新生儿IMD的诊断，只能检测2~4种疾病，法定筛查项目为2种疾病，并且人口覆盖率不足20%。近五年来，我国加大了对新生儿和高危儿筛查项目的推进力度，先后出台了一系列的法律法规，各级政府也在此方面投入了大量的经费，北京、上海、广州、浙江、武汉等地区已经开始建立基于质谱技术的IMD筛查实验室，对新生儿及高危儿进行IMD筛查、诊断和治疗研究[21-32]。

一、MS-MS技术及其检测的IMD

所谓MS-MS技术就是将二个质谱仪经一个碰撞室串联而成，目的是提高检测的特异性和灵敏性。测定样品时，样品首先在离子源中被离子化，随即通过第一级质谱 (MS1) 选择一定质荷比的离子使其进入碰撞室, 与室内的碰撞气(常用的气体为He、Ar、N2等) 进行碰撞诱导裂解产生碎片离子, 再由第二级质谱( MS2)根据质荷比对碎片离子进行选择分析，故MS-MS是一种高灵敏度、高特异性的快速分析技术[12]。近年来MS-MS技术发展较快，能在 2~3分钟内对一个标本(只需数滴血)进行几十种代谢产物分析，可筛查出包括氨基酸、有机酸代谢紊乱、尿素循环障碍和脂肪酸氧化缺陷等在内的40余种 IMD;该方法还可同时自动计算相关物质的比值，两者结合明显降低假阳性和假阴性的发生率，提高对某些疾病诊断的准确性[15，16，20]。例如某血样通过MS-MS分析(AA和AC扫描模式)，发现亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile) 和缬氨酸(Val)等支链氨基酸水平明显升高，且Leu/Ile比值也超过正常范围12倍，提示枫糖尿症存在(图1)。值得注意的是，MS-MS筛查的敏感性很大程度依赖于临界值的选择,并且不能区分同分异构体，因此对于有些IMD仍需进行 GC-MS、酶学和DNA突变等分析来确定。

根据美国医学遗传科学院颁布的新生儿筛查指南[33],在54 种需要筛查的 IMD 疾病中, 有38种可以采用串联质谱方法分析,所涉及的IMD 疾病种类包括氨基酸代谢紊乱,有机酸症, 脂肪酸氧化缺陷(酰基肉毒碱缺乏)和尿素循环缺陷等。

图1 MS-MS分析扫描图(AA和AC模式)

一、GC-MS技术及其检测的IMD

在 GC-MS中，GC的主要作用是将尿液中混合物分离，得到单一组分;质谱则对单一组分的结构和含量逐一定性、定量分析，得到的各种成分的峰共同构成了尿液标本的总离子流图(图2)。GC-MS仪的软件分析系统根据所测物质出峰时间、峰面积积分和特征离子，精确识别物质及其含量[7，11](图 3)。由于人体尿液中含有较多的尿素，明显影响其他微量物质的测定，必须予以去除。利用尿素酶预先分解尿液中的尿素，然后进行GC-MS测定(即UP- GC-MS技术)完全能达到这一要求。UP-GC-MS通过分析尿液中代谢物的信息，可以实现一次进样同时检测氨基酸、有机酸、单糖、二糖、糖醇、卟啉、嘧啶和核酸类等250余种代谢产物[7，15，16]，结合临床，可对120余种IMD作出诊断。尿液 GC-MS分析对 IMD筛查有其优势，除标本易收集、检测IMD病种范围广外，GC-MS是某些有机酸代谢病的确诊方法。这是因为具有挥发性的有机酸血浆水平不稳定，应用 MS-MS测定可能出现假阴性结果，但应用GC-MS检测其尿中代谢产物可以间接反映其前体物质(挥发性酸)的水平。GC-MS用于IMD筛查不足之处在于标本处理成本高,分析时间偏长,不适合大规模常规筛查;某些代谢病的异常产物不经尿液排泄或此法不能检测(如酰基肉毒碱),这些物质不能单独由 GC-MS的方法检出,而必须配合其他方法[15，16]。

图2 UP-GC-MS尿代谢产物测定总离子流图及其分析结果

(甲基丙二酸、甲基枸橼酸等有机酸特异性升高，提示甲基丙二酸尿症)

图3 尿特异性代谢产物甲基丙二酸(MMA)、甲基枸橼酸(Me-citrate)的提取离子图

(MMA出峰时间为7:17，特征离子是218、247;Me-citrate出峰时间为11:58，特征离子是287、479。最终结果分析发现甲基丙二酸比正常范围增高1011倍，甲基枸橼酸比正常范围增高17倍)。

应用MS-MS和GC-MS技术进行筛查和诊断IMD时应该注意：①色谱仪和质谱仪是一种复杂昂贵的分析仪器，对掌握仪器的技术和质量控制要求较高，且 IMD的发生牵涉到复杂的生化反应，分析结果的解释也较复杂，要求技术人员和临床医师具有较高的专业素质;②在IMD筛查和诊断过程中，要选择适当的检测方法。这是因为MS-MS和GC-MS具有各自的检测范围，仅存在部分交叉，故两种检测方法不能完全替代，即有些IMD适合MS-MS检测，有些IMD需要进行GC-MS分析，还有一些IMD同时进行MS-MS和GC-MS测定才能诊断。③MS-MS和GC-MS检测结果可为 IMD诊断提供有价值的线索，但部分疾病的确诊往往要结合临床表现和其他实验室检查结果进行综合分析才能做出。④某些代谢病在发作间歇期代谢异常不明显，饮食或药物可干扰 GC-MS结果，因此一次MS-MS和/或 GC-MS检查有时不能确定或排除 IMD，应在必要时复查。⑤应用用MS-MS和/或GC-MS 进行新生儿疾病筛查时，不仅需要政策上的支持，还要考虑实施的可行性、社会效益和成本效益[12，22，34]。

总之，质谱技术在IMD检测方面具有广阔的前途，MS-MS和GC-MS技术已经成为小儿IMD筛查和诊断的主要技术，欧、美、日本等发达国家已将其作为新生儿及高危儿IMD常规筛查和诊断方法;在国内，北京、上海、广州及武汉等一线城市也已应用MS-MS和GC-MS检测小儿IMD，取得了一定的成效，但总体仍处在起步阶段，相信在不远的将来，随着我国MS-MS和GC-MS技术的不断发展和人才队伍的建立，我国小儿IMD筛查和诊断水平将会有一个突破性提高。

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