齐鲁医学串联质谱技术新生儿遗传代谢病筛查

1、串联质谱技术新生儿遗传代谢病筛查上海市儿童医院田国力12021/10/23 星期六遗传代谢病遗传性代谢病（Inborn Errors of Metabolism, IEM） 是由于基因改变导致某些酶或蛋白质功能发生质/量的改变，引起某些代谢途径上的生化物质发生改变引起一系列疾病。大多数为单基因遗传病遗传方式以常染色体隐性遗传或X连锁隐性遗传为主22021/10/23 星期六遗传代谢病发病机制异常代谢途径代谢物（A1）代谢物(C1) 代谢物 (B1) 代谢物（A2）代谢物(C2) 代谢物 (B2) 代谢物(A) 代谢物(B) 辅酶（C）正常代谢途径酶32021/10/23 星期六疾病特点目前已发

2、现500余种疾病主要类型有氨基酸代谢障碍、有机酸血症、脂肪酸代谢障碍、核酸代谢异常症、金属代谢障碍、线粒体病80%属常染色体隐性遗传单病发生率低，群体患病率高单基因缺陷所致代谢通路阻,大多为单基因遗传病，少数为线粒体基因遗传病表现非特异性，有赖遗传学或生化方法确诊，代谢物、酶学和分子检测常规试验检测：缺乏特异标志物儿科、血液科、神经科、骨科等不同诊室就诊早期症状多无特异性，累及部位和病情轻重差异很大，极易造成误诊新生儿期、幼儿或儿童期发病,某些可至成人期开始发病。42021/10/23 星期六临床特征多在新生儿期、幼儿或儿童期发病。某些可至成人期开始发病。新生儿期发病：呕吐、喂奶困难、反应力低

3、下、呼吸暂停、急促等儿童期发病：可表现为全身多器官受累以神经肌肉系统、呼吸系统、消化系统等症状为主乏力、智力发育迟缓、肌张力增高或降低、癫痫、黄疸、肝脾肿大、呼吸困难代谢性酸中毒、容貌异常、毛发皮肤色素改变、特殊体味饮食、应激反应、体能消耗等为疾病急性发作诱因。52021/10/23 星期六遗传代谢病诊断困难临床症状和体征：缺乏特异性常规检测：缺乏特异标志物特殊试验检测氨基酸分析：氨基酸自动分析仪，高效液相色谱酰基肉碱分析串联质谱技术气相质谱技术酶学分析基因诊断组织活检、成纤维细胞组织培养、脑脊液培养、其他神经病学检查62021/10/23 星期六PKU历史体内高Phe引起患儿智力低下1930

4、提出低苯丙氨酸饮食治疗1950应用饮食治疗仅对PKU同胞有益大多患儿出现不可逆症状后才确诊1963年美国新生儿PKU筛查Pediatrics, 105:89, 2000.72021/10/23 星期六重视遗传代谢病筛查与诊断疾病谱的改变感染性疾病、重度营养不良、肿瘤、先天畸形、遗传代谢性疾病诊断技术的进步生化检测、基因芯片、全基因组测序等治疗方法的提高替代治疗、系谱分析、遗传咨询、器官移植、基因治疗国内外对出生缺陷的重视82021/10/23 星期六新生儿遗传代谢病筛查对新生儿遗传代谢缺陷、先天性内分泌异常以及某些严重的遗传性疾病进行筛查的总称患病新生儿在临床症状出现前能给予治疗，防止或减轻体

5、格和智力发育障碍，避免痴呆或死亡的发生是当今国际上早期发现遗传代谢病患儿的有效措施92021/10/23 星期六是集筛查、早期诊断、及时治疗、预防再发等措施为一体减少出生缺陷，提高人口素质是当今国际上早期发现遗传代谢病患儿的有效措施预防效果显著，成本效益最好 新生儿遗传代谢病筛查102021/10/23 星期六新生儿遗传代谢病筛查技术细菌抑制法:BIA荧光法：FIA, EFIA免疫法：ELISA, DELFIA串联质谱仪：一次检测，多种疾病。检测氨基酸代谢异常，脂肪酸代谢异常和有机酸代谢异常。Microarray platform：分子基因的研究，将DNA点在玻璃芯片上，然后与荧光标记的诊断探

6、针反应，检测响应荧光信号数字微流体(Digital Microfluidics):用于溶酶体贮积病的筛查112021/10/23 星期六串联质谱筛查的优势一种疾病一种测试多种疾病多种测试新生儿筛查方案的扩展 将非常昂贵一份血样同时检测超过30多种物质，近40种 代谢疾病。高灵敏性、高选择性快速检测，达到早诊断、早治疗的效果降低了筛查诊断的假阳性和假阴性VS. 传统筛查 串联质谱MS/MS是一种在同一样本中同时测量多种待测物的方法在同个测试平台上检测多个疾病就变得可能122021/10/23 星期六质谱仪组成MS仪主要由离子源、真空接口、质量分析器、检测器等四部分组成样品中被测物质在离子源内电离

7、形成各种质荷比不同带电离子（离子化），经真空接口进入由电场或磁场形成的质量分析器，利用电磁学原理，根据m/z不同将带电离子分开，最后到达检测器被检测，得到样品的质谱图及离子强度132021/10/23 星期六质谱的基本原理将分析物离子化为各种质荷比(m/z)不同的带电粒子应用电磁学原理, 带电粒子按m/z在空间或时间上产生分离排列成的图谱根据它们所形成的谱图、离子峰强度对分析物进行鉴定若同时加入被检测物质对应的内标或外标，既可以进行定量检测。142021/10/23 星期六MS/MS的基本原理两个MS经碰撞室(CID)串联而成最常应用于NBS的是三重四极杆，由两个MS经碰撞室(CID)串联而成

8、一级MS是功能类似于气相和液相色谱的分离器，只允许选择的离子(母离子)通过母离子进人CID产生碎片(子离子)子离子经二级MS选择最终进入检测器通过不同扫描的方式记录即可得到串联质谱图谱，实现对待测物的定性通过样品中加入定量同位素内标，实现待测物定量检测152021/10/23 星期六串联质谱仪一级质谱碰撞室二级质谱扫描特定范围离子或允许特定离子进入碰撞器分离器分子离子碰撞解离形成子离子扫描一定范围子离子选择特定子离子进入检测器分析仪162021/10/23 星期六串联质谱技术设备串联四级杆质谱仪进样器高效液相泵仪器控制及数据处理系统172021/10/23 星期六串联质谱新生儿筛查的基本原理遗

9、传代谢病：由于遗传因素体内正常代谢途径受阻氨基酸代谢病患者血中氨基酸水平异常有机酸血症及脂肪酸代谢障碍病患者血中游离肉碱或不同种类的酰基肉碱水平异常利用串联质谱仪通过检测检测滤纸干血片中氨基酸、游离肉碱及酰基肉碱的水平通过一系列规则来评估结果将化合物浓度和代谢疾病关联起来，综合判断多种遗传代谢病一个测试平台上同时检测多个疾病182021/10/23 星期六串联质谱新生儿筛查的步骤采血后滴于专用采血滤纸片，晾干，制成滤纸干血片采用串联质谱技术，通过同位素内标法(IS)分析物和对应内标的响应比等比于分析物和对应内标的浓度比一次性定量检测新生儿的滤纸干血片样品中的数十种氨基酸、酰基肉碱浓度通过一系列

10、规则来评估结果将化合物浓度和代谢疾病关联起来，综合判断30余种遗传代谢病192021/10/23 星期六衍生化氨基酸扫描质谱图氨基酸m/z同位素m/zAla146.0Ala-d4150.3Leu188.1Leu-d3191.2Phe222.2Phe-d5227.2Tyr238.2Tyr-13C6246.2202021/10/23 星期六串联质谱检测指标名称缩写丙氨酸 AlanineAla精氨酸 ArginineArg瓜氨酸 CitrullineCit鸟氨酸 OrnithineOrn苯丙氨酸 PhenylalaninePhe酪氨酸 TyrosineTyr甘氨酸 GlycineGly亮氨酸 Leu

11、cineLeu甲硫氨酸 MethionineMet缬氨酸 ValineVal脯氨酸 ProlinePro212021/10/23 星期六串联质谱检测指标名称缩写名称缩写名称缩写游离肉碱CC0己酰肉碱C6肉豆蔻二烯酰肉碱C14:2乙酰肉碱C2己二酰肉碱C6DC3-羟基肉豆蔻酰肉碱C14-OH丙酰肉碱C3辛酰肉碱C8棕榈酰肉碱C16丙二酰肉碱C3DC辛烯酰肉碱C8:1棕榈烯酰肉碱C16:1丁酰肉碱C4辛二烯酰肉碱C8:23-羟基棕榈烯酰肉碱C16:1-OH3-羟基丁酰肉碱C4-OH葵酰肉碱C103-羟基棕榈酰肉碱C16-OH异戊酰肉碱C5葵烯酰肉碱C10:1十八碳酰肉碱C18异戊烯酰肉碱C5:1葵

12、二烯酰肉碱C10:2十八碳烯酰肉碱C18:13-羟基异戊酰肉碱C5-OH月桂酰肉碱C123-羟基十八碳烯酰肉碱C18:1-OH戊二酰肉碱C5DC肉豆蔻酰肉碱C143-羟基十八碳酰肉碱C18-OH肉豆蔻烯酰肉碱C14:1222021/10/23 星期六高苯丙氨酸血症232021/10/23 星期六中链酰基辅酶A脱氢酶缺乏症242021/10/23 星期六游离肉碱及酰基肉碱有机酸血症相关：C0、C2、C3、3DC、C4、C4-OH、C5、C5-OH、C5DC、C5:1脂肪酸代谢病有关：C0、C4、C5DC、C6、C8、C10、C12、C14、C14:1、C16、C16-OH、C18、C18-OH2

13、52021/10/23 星期六标本前处理方式262021/10/23 星期六衍生化标本前处理方法样品处理过程中加入盐酸正丁醇，引入丁基改变分子结构（除去羧酸功能团），消除潜在负离子，提高正离子模式下的离子化效率酯化作用可以减少潜在的溶剂或其他干扰物质降低分析物极性更好的去溶剂化，样品更加容易进入仪器真空环境酯化作用可以引入测量酰基肉碱和氨基酸方式（游离酸形式）无法检测到的干扰物272021/10/23 星期六非衍生化标本前处理方法无需使用盐酸正丁醇，使用甲醇萃取后可直接进样整个样本预处理步骤仅需半小时，琥珀酰丙酮的测试无需单独处理具有扩展性：类固醇疾病、维生素缺乏等多种临床疾病二羧酸酰基肉碱或

14、氨基酸可能有两个负电荷位置，影响正离子效率 （分子的pKa值、流动相的pH值）282021/10/23 星期六非衍生化法为应用趋势操作繁琐(3h)过程难以标准化对环境和人员有害需要氮吹设备衍生化法非衍生化法操作步骤简单(40min)易于标准化不涉及酸腐、有毒物扩展性好发达国家的遗传代谢病筛查已从传统衍生化法逐步转为非衍生化法（近5年美国12.20%46.84%）292021/10/23 星期六标本前处理方法比较衍生化实验步骤长实验过程2.5小时左右需要氮吹设备丁醇盐酸具有强烈腐蚀性对实验室环境要求高实验人员需防护试剂相对便宜非衍生化简化实验过程实验过程1小时无需氮吹及衍生化过程环境好人员无需特

15、殊防护试剂价格相对贵302021/10/23 星期六美国CDC统计年度N荧光法比例%MS（N）MS%非衍/衍生%衍生化非衍生化2009218135116.175638452.250.82010214135116.399535563.135.72011250236814.7111662269.555.72012248335414.2108666770.661.42013263051019.4%106580471.175.5Phe测定标本数为例312021/10/23 星期六检测指标选择322021/10/23 星期六不同酶缺陷引起不同代谢途径差异引起特定指标升高或降低氨基酸代谢病可有一种或数种氨

16、基酸水平异常有机酸血症或脂肪酸氧化代谢病可有一种或数种酰基肉碱水平异常一种指标异常可提示一种或几种代谢病一种疾病也可对应多种指标异常计算不同氨基酸或酰基肉碱之间的比值，有助于不同疾病之间的鉴别，降低假阳性率或假阴性率。332021/10/23 星期六一个指标对应一种疾病疾病指标丙二酸血症C3DC戊二酸血症I型C5DC精氨酸血症ARG酪氨酸血症TYR342021/10/23 星期六多个指标对应一种疾病：主要指标疾病指标苯酮尿症PHE，TYR，PHE/TYR枫糖尿症LEU/ILE，VAL戊二酸血症第II型C4，C5，C8，C8:1，C10，C12，C14，C16极长链酰基辅酶A脱氢酶缺乏症 C14

17、:1， C14 ,C16，中链酰基辅酶A脱氢酶缺乏症 C6，C8,C10，C8/C10352021/10/23 星期六一个指标对应多种疾病疾病指标3-甲基巴豆酰辅酶羧化酶缺乏症C5OH C5OH 3-羟基-3-甲基戊二酸尿症C5OH C6DC B-酮硫解酶缺乏症C5:1 C5OH 3-甲基戊烯二酸血症C5OH多种羧化酶缺乏症C5OH C3362021/10/23 星期六一个指标对应多种疾病疾病指标丙酸血症、甲基丙二酸血症C3瓜氨酸血症、NICCDCitOTC，CPS，NAGSCit372021/10/23 星期六疾病与临床症状疾病临床症状氨基酸代谢障碍PKU、MSUD、尿素循环障碍智力低下、发

18、育迟缓、高血氨有机酸代谢障碍MMA、PA、IVA代谢性酸中毒、嗜睡、呼吸窘迫、周期性代谢危象脂肪酸代谢障碍MCAD、VLCAD、LCHAD低血糖、昏迷、猝死、心肌病382021/10/23 星期六392021/10/23 星期六疾病（缺陷酶）常见缩写主要标志相关比例异戊酸血症（异戊酰基辅酶A脱氢酶缺乏）IVAC5C5/C0, C5/C2, C5/C3戊二酸血症I型（戊二酰辅酶A脱氢酶缺乏）GA IC5-DCC5-DC/C5-OH, C5-DC/C8, C5-DC/C163-羟-3-甲基戊二酰辅酶A裂解酶缺乏症HMGC5-OH, C6-DCC5-OH/C8多种酰基辅酶A脱氢酶缺乏MCDC5-OH

19、C5-OH/C8甲基丙二酸血症(甲基丙二酰-CoA 变位酶)MUTC3C3/C2, C3/C163-甲基巴豆酰辅酶A羧化酶缺乏症（3-甲基巴豆酰辅酶A羧化酶，亚组）3MCCC5-OHC5-OH/C8, C5-OH/C0甲基丙二酸血症（腺苷钴胺素合成）CblA，BC3C3/C2, C3/C16丙酸血症(丙酰-CoA羧化酶)PROPC3C3/C2, C3/C16酮基硫解酶缺乏症BKTC5:1, C5-OHC5-OH/C8甲基丙二酸血症合并同型半胱氨酸血症(MTHF 甲基转移酶）Cbl C,DC3C3/C2,C3/C16,C3/Met甲基丙二酸血症合并同型半胱氨酸血症(MMADHC蛋白)Cbl C,

20、DC3C3/C2, C3/C16, C3/Met 丙二酸血症MALC3-DCC3-DC/C10异丁酰甘氨酸血症(异丁酰-CoA 脱氢酶)IBGC4C4/C2, C4/C3, C4/C82-甲基3-羟基丁酰辅酶A水解酶缺乏症2M3HBAC5-OHC5-OH/C82-甲基丁酰甘氨酸血症(2-甲基丁酰-CoA 脱氢酶)2MBGC5C5/C0, C5/C2, C5/C33-甲基戊二酰血症 (3-甲基戊二酰-CoA 水合酶)3MGAC5-OHC5-OH/C8402021/10/23 星期六412021/10/23 星期六新生儿筛查的首要代谢疾病氨基酸类代谢病6苯丙酮尿症 枫糖浆尿症 同型胱氨酸尿症 瓜氨酸血症 精氨酸琥珀酸血症 酪氨酸血症型脂肪酸类代谢病5中链酰基辅酶A脱氢酶缺乏症极长链乙酰辅酶A脱氢酶缺乏症长链-3-羟酰辅酶A脱氢酶缺乏症三功能蛋白缺乏症肉碱摄取缺陷症有机酸类代谢病9异戊酸血症戊二酸尿症型3-羟基-3-甲基戊