第二节 遗传代谢病筛查（第1页）

第二节　遗传代谢病筛查

遗传代谢病（IMD）是指有代谢功能缺陷的一大类疾病，属于单基因遗传病的一部分。遗传代谢病种类繁多，常见有500~600种，总数可达数千余种。虽然单一病种的发病率较低，但总体发病率可达活产婴儿的1500。遗传代谢病患儿出生时大多表现正常，随着喂养时间增长，会出现呕吐、昏睡、癫痫、抽搐等症状，一旦发病，会对神经系统或多种脏器造成不可逆转的损伤。我国IMD筛查起步虽晚，但发展迅速。目前传统的“两病”（苯丙酮尿症和先天性甲状腺功能减退症）筛查已覆盖全国95%地区内90%以上的出生人口。自2002年以来，针对约40种IMD的扩展的新生儿筛查已陆续在全国31个省（区、市）300余家实验室开展，估计年筛查量已逾百万次。在技术条件较好的地区，二代测序已普遍用于遗传病的分子诊断。为降低IMD筛查系统的假阴性率和假阳性率，对于将二代测序作为串级质谱法（MSMS）筛查的补充以及确认阳性结果的手段，也进行了一些开创性的尝试。历经近60年的发展，IMD的筛查与诊断已不再单指代谢、酶学、基因等实验室检测，而是包含教育、筛查、随访、诊断、管理和评估等六大要素的不可分割的系统化整体。近40年来，我国IMD的筛查诊断在筛查覆盖率、筛查病种范围、技术创新与推广、筛查系统管理及质量控制等方面取得长足进展，与国际的差距逐渐缩小，但仍存在系统不完善和临床诊断率低等问题。

遗传代谢病不仅病种数量繁多、发病机制复杂，而且其临床表现具有多样性和缺乏特异性（临床表现包括智力落后、生长发育迟缓、精神行为异常、肌张力异常、黄疸、肝脾肿大、反复呕吐、抽搐等）。因此，在过去分析手段不健全的阶段，临床确诊遗传代谢病绝大多数依赖于医师的经验和一些非特异的生化指标，多数情况下，临床医生往往处于推测诊断遗传代谢病而难以做出具体病因诊断的尴尬境地。近年来，随着科技进步，这种局面已经改观。其中，液相色谱-质谱法（liquidatography-tandemmassspeetry，LC-MSMS）分析技术在遗传代谢病筛查中的应用非常重要。

一、代谢病检测的原理

LC-MSMS由液相色谱仪和串联质谱仪构成，其中液相色谱仪的主要作用是进样和初步分离，串联质谱仪是将两台质谱仪以串联的方式连接，即将第一台质谱仪作为分离器，第二台质谱仪作为分析仪来对混合物直接进行分析。待检的样品经液相色谱仪分离后进入第一台质谱仪的离子源，由于蛋白结构、氨基酸性质不同而被电离为各种不同质荷比（mz）的分子离子和碎片离子，然后带有样品信息的离子碎片被加速送入第二台质谱仪的质量分析器，不同的离子在质量分析器中被分离并按质荷比大小依次抵达检测器，经记录即得到按不同质荷比排列的离子质量谱，也就是质谱。串联质谱仪与单级质谱相比，能明显改善信号的信噪比；串联质谱仪对待测样品的需求量大大减少，其检测水平可以达到pg级；在进一步分离之前能对个别化合物进行筛选，大大地节约了时间和费用，既可进行微量物质定量检测，又保证了实验结果的准确性。LC-MSMS技术可以说是高效分离与高灵敏度、高选择性的有机结合。LC-MSMS主要是通过检测干血滤纸片中氨基酸和（或）酰基肉碱、有机酸和脂肪酸的水平，从而协助临床医师诊断不同的氨基酸、有机酸和脂肪酸代谢病。将串联质谱技术引入遗传代谢病筛查能够同时对多种代谢物进行快速检测，实现一种实验检测多种疾病，极大地提高了检测效率。

二、检测的局限性

对于部分IMD疾病来说，串联质谱仅的检测结果缺乏特异性，难以对疾病做出精准的诊断，且检测结果极易受患儿病情、采集标本时的生理状态、前期治疗等因素影响，从而造成误诊、漏诊。二代测序技术（NGS）通过对患儿的数百万条DNA片段进行大规模平行测序、生物信息学分析、整合基因表达及调控，可对IMD进行准确的分子诊断，有效弥补了串联质谱技术的不足。长时间保存的干血片样本和新鲜采集的干血片均能很好地用于全基因组测序（WGS）和全外显子组测序（WES），且两张3。2mm大小的干血片样本中含有足够的DNA用于全基因组甲基化分析，因此从技术上解决了对干血片进行基因组水平检测的样本来源问题。采用NGS进行IMD实验室筛查和诊断的最大特点和优势是在单管测试中即可对几乎所有IMD致病基因缺陷进行检测，大大缩短诊断时间，为及时、有效实施IMD早期干预和治疗赢得时机。近来，利用NGS技术进行IMD分子诊断的研究已得到越来越多的关注，但是，NGS分子诊断不仅面临技术层面的问题（如实验操作标准化、海量变异数据的分析与报告、基因组信息的保存和管理等），还存在许多NGS特有的挑战和障碍，在将此类高通量技术广泛应用于新生儿IMD的筛查和诊断工作之前，需对其进行严格的技术验证和评价，以确保在安全、有效、规范的基础上提高我国新生儿IMD实验室筛查和诊断的能力和效率。综上所述，在新生儿IMD的诊断中，质谱技术应该与二代测序技术相辅相成，通过结合临床症状，更快、更准确地诊断IMD，为患儿争取时间早诊断、早治疗，减少后遗症，提高疗效，并对患儿未来疾病的发生发展进行预测、随访及监测。

三、代谢病检测的前景

遗传代谢病的治疗现状已经今非昔比，治疗手段已经得到长足发展，常常可以用饮食限制、补充、分流、抑制、耗竭等治疗策略。2002年，国外有一个遗传代谢病治疗现状的统计，在372种遗传代谢病中，有46种可以治愈，200种可以进行治疗，只有126种治疗无效。也就是说，66%的遗传代谢病是可以治疗的。因此对遗传代谢病进行及早筛查、及早诊断、及早治疗，可有效降低致残风险。

四、代谢病检测的内容

（一）氨基酸代谢缺陷

氨基酸在人体中具有极其重要的生理功能，是构成机体的重要物质，也是体内正常蛋白质的基本构成单位。区别于糖类和脂肪等物质，氨基酸与生命活动有着密切的关系，其代谢过程出现紊乱会导致严重疾病，如高苯丙氨酸血症（Hyperphenylalaninemia，HPA），是最常见的常染色体隐性遗传性氨基酸代谢病。因肝脏苯丙氨酸羟化酶（Phenylalaninehydroxylase，PAH）缺乏或辅酶——四氢生物蝶呤（Tetrahydrobiopterin，BH4）缺乏，人体内苯丙氨酸（Phenylalanine，Phe）不能正常代谢，致使血苯丙氨酸浓度增高。典型PAH缺乏型HPA临床特点为皮肤白皙、头发黄、全身和尿液有特殊的鼠臭味、不同程度智能发育障碍；BH4缺乏症除上述症状外主要表现为肌张力低下。从新生儿筛查角度，时间是很重要的因素，大多数患氨基酸代谢疾病的新生儿，最初的氨基酸筛查是正常的，但随着饮食、蛋白质的合成和一些其他因素的影响，新生儿体内氨基酸浓度逐渐偏离正常值。有些疾病在新生儿期可以临床观察发现，但是有些症状不明显，而且筛查结果会被新生儿饮食、样品收集时间和方法等诸多因素影响。综合串联质谱和基因检测能达到较高的确诊率。

（二）有机酸代谢病

有机酸是氨基酸、脂肪酸、类固醇、碳水化合物或者某些药物在人体内代谢的中间产物。由于其代谢途径中某种酶的基因突变和（或）功能缺陷，导致其中间代谢产物和旁路代谢产物异常蓄积，引起代谢性酸中毒及脑、肝、肾、心脏、骨髓等脏器功能损害。除前体物质的蓄积外，旁路代谢产物增加，其他相关有机酸的产生亦随之增多。如甲基丙二酸血症（MMA）、丙酸血症（PA），体内除甲基丙二酸、丙酸的蓄积外，合并3-羟基丙酸、丙酮酸及3-羟基丁酸的蓄积，造成线粒体能量合成功能下降。异常的酸性代谢物蓄积于多脏器，可造成多系统损伤。当感染、应激等诱因存在时，疾病可急性发作，分解代谢增强，异常酸性代谢物进一步增多，病情加剧。有机酸在代谢过程中需与辅酶A结合成酰基辅酶A才能逐步代谢，酰基辅酶A与肉碱结合形成酰基肉碱，辅助有机酸排出。因此有机酸血症病程中过多的有机酸可导致游离肉碱消耗，酰基肉碱累积。鉴于有机酸血症在我国发病率较高，且部分有机酸血症有较好的治疗方法，故行新生儿有机酸血症筛查很有必要，可达到早诊断、早治疗、改善预后的目的。目前用于新生儿有机酸血症筛查的技术主要是血MSMS筛查。另外，基因二代测序技术亦可用于新生儿有机酸血症基因筛查。新生儿血MSMS筛查主要通过检测干血滤纸片中酰基肉碱水平，进行有机酸血症筛查，特异性、敏感性及准确性均较高，且快速、高通量，适合大规模的新生儿群体筛查。作为目前国内外新生儿有机酸血症筛查的主要方法，MSMS筛查经过20余年的应用，已经使数万例患儿得到早诊断及早治疗。

（三）脂肪酸氧化障碍

脂肪酸氧化代谢病（FattyAcidOxidationDisorders，FAOD）是脂肪酸进入线粒体或脂肪酸β氧化所需酶的功能障碍造成脂肪酸氧化受阻和功能障碍及中间代谢物蓄积的一组疾病。美国、澳大利亚、德国、意大利等国家的总体患病率为114545~16033，我国筛查250万名新生儿，FAOD约为115382。FAOD缺乏特异临床表现，累及多器官，包括肝脏、心肌、骨骼肌、脑和肾脏等，甚至会引发猝死。然而，由于FAOD常规实验室检查难以确诊，因此极易造成误诊和漏诊。近几年通过串联质谱检测血酰基肉碱水平，结合尿有机酸分析及基因测序等技术，许多FAOD得到了诊断和及时治疗，预后改善明显。

（四）国内开展状况

我国新生儿疾病筛查起始于1981年。这一年，上海交通大学医学院附属新华医院新生儿筛查中心在陈瑞冠教授的指导下成立。接下来，经过国内外专家齐心协力，新生儿筛查工作在北京部分地区摸索性开展。1982~1983年，国际、国内首次报道了中国新生儿筛查初效。1992年，中华人民共和国卫生部与WHO合作，在全国八大城市推广了新生儿筛查。1997~1999年，中国-芬兰新生儿筛查合作项目又增加了三家筛查中心。新生儿筛查的初效显示了我国开展新生儿筛查具有较好的社会和经济效益，为此也推动了我国政府出台相关法规及管理机构的诞生。1994年10月颁布《中华人民共和国母婴保健法》；1999年9月我国正式成立中华医学会出生缺陷预防与控制专业委员会新生儿疾病筛查学组，同年卫生部临床检验中心对全国筛查中心进行实验室能力比对检验、质量控制，并召开全国首届新生儿筛查学术会议；2001年国务院颁布了《中华人民共和国母婴保健法实施办法》，第二十五条强调医疗保健机构应当按照国家有关规定开展新生儿疾病筛查，再次强调了必须推广新生儿疾病筛查的重要性；2004年卫生部颁布《新生儿疾病筛查技术规范》。2004年，上海市卫生局颁布《关于进一步规范本市新生儿遗传性疾病筛查工作通知》；2008年，上海市开始免费进行新生儿筛查；2010年，上海出生缺陷办启动了新生儿筛查督促及追访工作，完善了新生儿筛查阳性召回、督促随访系统。总体上，政府的法律、法规、政策及规范举措促使全国新生儿筛查率逐步提高，全国筛查率从1995年的2%上升至2014年的90%。新生儿筛查工作虽然在预防出生缺陷上取得了巨大成就，但同时也存在以下问题。

首先，基层医院存在临床医生遗传学知识良莠不齐的情况，普通民众的遗传学检测认知也需提高。因此，虽然基层临床医生对新生儿基因筛查持乐观态度，但是，对报告的不适当解读可能会给患儿和家庭带来困扰。在推行新生儿基因筛查之前，应该对解读报告的医疗单位进行必要的资质要求，对可进行报告解读的临床医生进行规范化培训，与此同时，需增加国内人民群众对基因检测技术认识和了解的普及度。

其次，在群体层面实施基因组测序技术之前必须考虑筛查的成本效益。虽然快速基因组测序所需的技术可满足大样本测序，但对每个无症状新生儿的基因变异进行注释无疑工作量巨大。随着生物信息技术、人工智能的发展，这些劳动密集型工作似乎可以逐步解决。

另外，新生儿基因筛查对新生儿健康管理、疾病管理、医疗资源利用等的成本效益，也是推行新生儿基因筛查前需提前预估的。对于新生儿基因筛查的成本效益，期待更多研究。

（五）明确代谢病诊断流程

（六）代谢病儿的临床管理思路

定期对本地区新生儿疾病筛查人员进行培训、技术指导、质量管理和相关的健康宣传教育。

承担本地区新生儿疾病筛查有关信息的收集、统计、分析、上报和反馈工作。

新生儿疾病筛查遵循自愿和知情选择的原则。在实施新生儿疾病筛查前，应当将新生儿疾病筛查的项目、条件、方式、灵敏度和费用等情况如实告知新生儿的监护人，并取得签字同意。

发现新生儿遗传代谢病阳性病例时，应当及时通知新生儿监护人进行确诊，并提出治疗和随诊建议，为患有遗传代谢病的新生儿提供治疗方面的便利条件。

（七）罕见病药物临床运用现状及展望

罕见病不罕见，目前罕见病总共影响了全球3。5亿患者，是艾滋病和癌症患者总数的两倍多。虽然在过去的几十年里，在监管和经济激励措施的支持下，我们已经做出了大量的努力来促进罕见疾病疗法的发展，但约7000种罕见疾病中的大多数仍然缺乏具体的治疗方法。绝大多数罕见疾病以孟德尔遗传为特征，最近测序技术的发展和更广泛的应用揭示了新的罕见疾病的病因，并确定了导致先前定义的疾病的新突变。然而，将罕见疾病的致病机制转化为治疗方法的速度远远落后于基础研究的速度。制药工业传统上专注于小分子药物，但分子生物学的进步和我们对人类基因组的理解扩大了药物研发的范围，例如：基于蛋白质的治疗（蛋白质、肽和抗体）、反义寡核苷酸（ASOs）、小干扰RNA（siRNAs）、基因编辑疗法和细胞疗法等。

1。小分子药物：小分子是最成熟的疾病药物平台，由于其多种给药途径、控制剂量、稳定性、合成规模和商品成本普遍较低，作为治疗药物仍然具有吸引力。新的筛选技术和合成化学、计算筛选和结构生物学的进步正使新型生物活性分子的发现和设计成为可能。考虑到在人类基因组中编码的约3000种疾病相关蛋白中，目前只有不到700种作为药物靶标，因此有巨大的潜力来扩大对以前尚未被充分研究的基因作为药物靶点的研发。

2。抗体药物：第一个治疗性单克隆抗体（mAb），小鼠单抗-CD3，于1986年被批准用于治疗同种异体器官移植排斥反应。从那时起，这类以抗体为基础的药物（Fc融合蛋白、抗体片段和抗体-药物偶联物）已成为治疗各种疾病（特别是癌症和免疫疾病）的主要手段。抗体通过调节信号通路、招募细胞或蛋白质到特定位点、传递细胞毒素或中和或调节循环因子来发挥作用。

3。蛋白质替代疗法：如果说抗体药物适合治疗某些蛋白质表达异常或功能增强的罕见病，那么蛋白质替代疗法就是适合治疗蛋白质缺失或功能降低的罕见病。一个突出的例子是使用因子VIII或因子IX分别治疗A型血友病或B型血友病患者。在过去的几十年里，这一领域经历了大量的创新，从血浆衍生产品到重组蛋白，再到具有优越治疗特性的重组工程蛋白，为治疗罕见病提供了重要方法。

4。寡核苷酸疗法：另一种专门针对疾病相关基因的广泛策略是在RNA水平上进行干预。已经开发了几种靶向RNA的方法，其中研究最广泛的是ASOs和siRNAs，它们都可以通过促进其靶标mRNA的降解来减少特定疾病相关蛋白的产生。如抗体一样，ASOs和siRNAs可以作为针对具有明确分子原因的罕见疾病的高度特异性干预措施。原则上任何基因产物都可以被靶向，而不仅仅是细胞表面或某些特定蛋白。ASOs是一种单链分子，通过碱基配对与互补mRNA结合，并通过核糖核酸酶H选择性降解，导致相应蛋白的表达下调。对各种化学修饰的鉴定，如硫代骨架，可以增加ASOs在体内对核酸酶降解的抗性，第二类降解靶mRNA的寡核苷酸疗法是合成siRNA，它们是一类双链RNA，同时加入了修饰的化学骨架来增强其药物性能，但siRNA在体内的传递效率较低，因此它们通常被偶联到脂质纳米颗粒或n-乙酰半乳糖胺等载体上，以保证siRNA利用这些载体实现传递到肝脏的能力。

5。基因和细胞治疗：利用病毒载体的基因治疗可用于罕见疾病，一般包括两种情况。（1）对于某些罕见病，其治疗目标是补偿特定蛋白质表达或功能的损失，如在平滑肌肌动蛋白**A中，载体与表达目的蛋白的基因结合，在适当的启动子的控制下表达目的蛋白，补充目的蛋白在细胞内的功能。相反，对于像亨廷顿病这样的疾病，其目的是抑制致病基因的表达，可以引入短发夹RNA抑或是CRISPR-Cas9技术，还可以利用RNA干扰机制和基因编辑来抑制致病基因的表达。（2）细胞治疗则是将细胞在体外进行基因编辑或蛋白质修饰，然后再移植回患者体内。这种体外基因治疗方法也被认为是一种细胞治疗方法，对罕见的遗传性血液疾病（例如血友病）特别适用，它可以从患者身上收集造血干细胞（HSC），进行基因编辑或修饰，然后移植回患者体内，达到根治疾病的目标。

专家提示

遗传代谢病传统意义上以饮食和支持疗法为主，异基因造血干细胞移植可使健康供体细胞定植于酶缺陷的病患骨髓中，纠正异常代谢，达到根治疾病的目的。但由于血脑屏障的存在，该疗法对神经系统的遗传疾病疗效甚微。基因疗法理论上是针对单基因遗传病致病基因的靶向疗法，包括靶基因的异位替代和抑制靶基因的表达。如果遗传代谢病的先证者基因诊断明确，该家系父母携带者再次生育时可进行产前诊断。若为携带相同突变的胎儿，应告知家长胎儿的致病风险及可能的不良预后，由孕妇及其家庭自行决定是否采取流产或引产。胚胎植入前，应采用遗传学诊断技术对胚胎进行植入前筛查，可避免流产或引产。