遗传代谢病诊疗新进展及面临的新挑战

郝虎 肖昕

遗传代谢病（inherited metabolic disorders，IMD）又称先天性代谢缺陷（inborn errors of metabolism，IEM），是因参与体内代谢的酶、运载蛋白、膜蛋白或受体等编码基因发生突变，使相关蛋白质结构或功能变化，导致机体生化代谢发生紊乱，造成生化反应的前体、中间、旁路代谢产物蓄积或终末代谢产物缺乏而引起一系列临床症状和体征的一类疾病［1］。IMD涉及体内广泛的代谢途径及各类生化代谢物异常，病因复杂且多数病种临床症状缺乏特异性，常规实验室检查可为其诊断提供一些线索，但IMD的确诊不仅需要借助测定特异性靶标的生化检测技术或分子检测技术，如质谱技术、酶学及基因检测等，同时也依赖检验者和临床医师之间的有效沟通、包括各项技术的适用范围及方法的局限性、临床症状的准确描述等，以便合理的选择和应用。近年来随着生物化学和分子遗传学的不断发展和检测技术的不断完善、新生儿IMD筛查的推广以及临床医生对IMD认知的提高，使得越来越多的患儿得到早期诊断和及时治疗［2-4］，而遗传咨询和产前诊断在IMD中的广泛应用，也有效预防了IMD患儿的出生。总之，国内在IMD诊疗方面发展迅速，成绩瞩目，明显缩短了与发达国家的差距，但仍存在很多问题。本文将对国内遗传代谢病目前诊断和治疗所取得的新进展及面临的新挑战进行阐述，以提高医务人员对遗传代谢病诊断、治疗和预防的认知。

1 临床IMD病种扩展带来的认知挑战

遗传代谢病种类繁多，迄今已发现的病种已超过1 000种，全球常见的约有500～600种。对于IMD的单一病种来说，其发病率很低，约为万分之一至千万分之一，但这类疾病的总体发病率要比想象中高得多，群体患病率估计在1%甚至更高［5-8］。目前国内常见的IMD病种为甲基丙二酸血症、戊二酸血症、3-甲基巴豆酰辅酶A羧化酶缺乏症、异戊酸血症、丙酸血症、高苯丙氨酸血症、酪氨酸血症、高甲硫氨酸血症、枫糖尿症、半乳糖血症、遗传性果糖不耐受、糖原贮积症、尿素循环障碍、Citrin缺陷症、肉碱缺乏症、多种羧化酶缺乏症、肉碱酰基肉碱移位酶缺乏症、多种酰基肉碱辅酶A脱氢酶缺乏症、肝豆状核变性、21-羟化酶缺乏症等［9-11］。

随着临床医学的发展、IMD新生儿筛查的广泛开展以及检测技术的完善，新的IMD病种不断被发现，IMD疾病谱也逐渐扩大。如由于发现膜转运蛋白基因突变所致的脑肌酸缺乏症，扩大了物质转运障碍性疾病的范畴；先天性糖基化疾病的发现，使我们认识到一类全新的遗传性生物合成障碍性疾病。此外，对已认识的IMD及其变异型再认识也是一种新挑战，如以往认为β-氨基己糖苷酶A缺陷所致的Tay-Sachs病主要在婴幼儿时期发病（早发型或经典型），表现为严重精神运动发育迟缓、难治性惊厥发作、视网膜病变，死亡率高；后来发现儿童、成年人中也存在Tay-Sachs病变，且临床表现明显有异于婴幼儿，即以脊髓小脑综合征样症状（共济失调）为主要临床表现而无智力障碍、惊厥发作和视力受损等，因而称之为晚发型或变异型［12-13］。相似的例子还有甲基丙二酰辅酶A变位酶及其辅酶缺陷所致的甲基丙二酸血症，新生儿时期发病的甲基丙二酸血症病情危重，死亡率极高，而儿童、成年时期起病的甲基丙二酸血症病情较轻，多在感染、发热或外科手术等应激状态下诱发［14-15］。起初，人们无法解释相同疾病在发病年龄以及临床表现上的差异性，随着分子遗传学的发展和检测技术的提高，已确认基因突变导致相关酶活性不同改变是其根本原因。此外，一些原来认为不属于IMD的疾病，由于发现其发病与某些特异性酶、受体或转运蛋白密切相关而重新归类，例如由于发现Smith-Lemil-Opitz综合征患者的智力低下、器官受累等病变是因7-脱氢胆固醇还原酶缺陷导致胆固醇缺乏的结果，而将其归入IMD范畴。总之，IMD谱的不断扩大，临床表现的多样性和发病年龄的广泛性，对临床和检测医生提出了极大挑战，如何在错综复杂的条件下早期发现和诊断IMD，需要的不仅是准确无误的检测技术，更需要医务人员对IMD的全面认识。

2 临床IMD诊断的新进展及挑战

IMD的发病年龄可在新生儿期、婴幼儿期、儿童期甚至青少年期和成年期，其中近25%的IMD在新生儿期发病［16］。多数IMD临床表现缺乏特异性，可累及全身各个器官尤其是神经系统及消化系统，常表现为抽搐、昏迷、呕吐、黄疸、肝脾肿大、心肌病、肌张力低下、白内障、皮疹、低血糖、酸中毒、电解质紊乱、高乳酸及高血氨等。此外，不同病种可表现出相似的临床症状，而同一病种有可能因不同个体而表现出差异较大的表型。因此，常规的实验室检查只能为IMD的诊断提供线索，而临床确诊常常需要借助测定特异性靶标的生化检测技术或分子检测技术如串联质谱检测技术（tandem mass spectrometry，MS-MS）、气相色谱质谱检测技术（gas chromatography mass spectrometry，GC-MS）、酶学测定及基因检测等。代谢病临床表现多种多样，且不同的技术在IMD诊断中有各自的优势和局限性，因此，检验者与临床医生之间及时有效的信息沟通也是IMD确诊的关键。

近年来，串联质谱技术（tandem mass spectrometry，MS-MS）及气相色谱-质谱技术（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）在临床中被广泛应用，这为IMD的筛查和诊断带来了革命性进展［4，9，17-19］；MS-MS 和 GC-MS 技术通过微量的血液和尿液可以进行上百种代谢产物的检测，实现了从“一次检测一种疾病”到“一次检测多种疾病”的转变，在IMD诊断中发挥着重要作用。然而，MS-MS和GC-MS技术在临床中的应用也面临着各种挑战。质谱技术对疾病的诊断依赖于检测时所采集的血液或尿液中特异性代谢产物的浓度，然而，很多遗传代谢病在发病期和缓解期，其特异性代谢产物的浓度变化差异显著，所以发病期采集血液或尿液进行检测的诊断价值更高。此外，因脏器如肝肾功能异常、药物治疗及其他非代谢性疾病的影响也会引起继发性或一过性的代谢紊乱，检测可能会出现假阳性或假阴性的结果，所以在进行代谢产物分析时需要结合患者的临床表现及其他生化检查综合判断，必要时需检测多次进行验证。目前，质谱技术可以诊断的遗传代谢病病种有限，MS-MS技术可以通过检测血液中50余种氨基酸和酰基肉碱进而诊断30多种遗传代谢病，GC-MS技术可以通过检测尿液中250余种代谢产物进而诊断100多种遗传代谢病，但这相对于现已知的遗传代谢病病种来说只是冰山一角，更多的病种需要在代谢产物中发现其特异性的物质，以待通过质谱技术快速得到诊断。

IMD多属于单基因遗传病，绝大多数为常染色体隐性遗传，少数为常染色体显性遗传、X连锁伴性遗传或线粒体遗传［20-21］。遗传物质发生改变是遗传代谢病发生的分子机制，所以基因检测在临床遗传代谢病诊断中占有重要的地位，并且具有传统生化检测无法比拟的优势。近年来，随着快速而相对价廉的基因检测技术的成熟，以及更多的单基因病被发现，使得IMD的分子诊断成为可能［22］。然而，必须认识到基因检测结果的复杂性，不是所有的基因序列突变都会导致疾病，而且基因存在多态性。对于诊断实验室和临床医生而言，特异性诊断线粒体电子传递障碍性疾病（如Leigh病）仍存在较大难度，因为线粒体病的临床表现、生化检测（体液中乳酸水平、神经影像学变化等）虽可强烈提示线粒体的可能，但不能确诊；留取患儿组织标本进行皮肤成纤维细胞培养和电镜观察比较麻烦，并且常常得不到明确结论；如果对已知线粒体突变基因分析无肯定结果，就只能进行推论性诊断。进行IMD产前诊断时，应该明确先证者基因突变类型和位点；产前诊断只能对一些致病性明确的基因变异进行检测，在一些新变异或致病性不明确的变异面前则无能为力。随着高通量测序技术（next generation sequencing，NGS）的发展，测序与分析的价格越来越低，可以在出生时通过高通量测序和分析技术了解自身遗传缺陷，逐步替代候选基因的直接测序，并广泛应用于单基因疾病的分子基础研究。根据不同的情况，可采用基于高通量测序技术分析仅应用于特定选择的区域，如编码序列、全外显子测序（whole exon sequencing，WES）或全基因组测序（whole genome sequencing，WGS）。WES能够在单次反应中检测约20 000个基因，诊断率达到22%～41%，但在技术层面也有些限制性，主要包括一些外显子的不完整测序覆盖率，即具有高百分比的胞嘧啶和鸟嘌呤的外显子可能难以测序，难以解释临床意义不明确的序列变异，以及不能检测DNA拷贝数变化。WGS能够覆盖WES所不能检测的基因组非编码区域（不是密码区域）变异，包括内含子，这极大地拓宽了寻找致病基因的范围。但值得一提的是，高通量测序会产生大量数据，如何解读测序结果是一个巨大的挑战，即使只分析外显子组，仍会产生大量数据。对于个别患者，约产生450 000个变异，其中大约几百个不是多态性的，对数据的正确解释需要分子生物学家、生物信息学专家和临床医生之间的紧密合作。此外，鉴定新基因变异也并不意味着明确致病位点，尤其是只在单个患者中存在此变异，不仅需要通过细胞培养或动物模型来进行功能验证，条件允许的话，还应该在具有特定临床表型的批量患者中继续分析及验证该基因。因此，对分子遗传学检测结果解释要慎之又慎，要从临床、生化检测、基因结果等多个方面进行综合评估。

新生儿遗传代谢病筛查是重要的出生缺陷预防手段，在IMD的早期诊疗方面发挥了巨大的作用。多数IMD患儿在孕期及出生时往往是正常的，一旦发病可能会出现一些非特异性的体征如喂养困难、昏迷、呕吐、酸中毒、电解质紊乱及低血糖等，这些体征在其他新生儿疾病中都很常见而不易被诊断，并且病情发展迅速，预后差。然而，新生儿筛查可在患儿发病前通过异常的生化指标提示疾病，让患儿在机体没有明显受损前进行及时的诊断和治疗，从而有效避免或减少严重并发症及神经系统损伤，甚至是挽救生命。近年来国内越来越多的地区如上海、广州、浙江、广西等地区逐渐开展新生儿的遗传代谢病筛查，通过MS-MS技术可以筛查出约30多种遗传代谢病。研究表明，我国自开展新生儿遗传代谢病筛查以来，在预防疾病、挽救生命、改善预后等方面取得了显著的成绩［9，11，17-19］。随着遗传代谢病诊断及治疗的不断发展、社会经济水平的提高，越来越多的遗传代谢性疾病被加入新生儿疾病筛查病谱。此外，值得一提的是，随着DNA测序技术的发展，对所有新生儿进行目标基因组DNA测序筛查已成为可能，这将是IMD筛查的重要发展方向和领域。通过基因筛查的结果预测疾病的发生及发病的严重程度，这会使更多的患者受益，但与此同时也是极大的挑战，因为每个人将携带近百甚至更多的致病变异，如何明确这些变异是否致病，如何判断疾病的发生，如何干预和治疗，如何进行遗传咨询和产前诊断等等，这些都是随之要解决的问题，这也将是一个长期积累和研究的过程。

3 临床IMD治疗的新进展及挑战

随着遗传代谢诊断技术的发展，治疗手段也在不断地提高。目前，虽然可治性的IMD仅有一小部分，多数疾病尚无有效的治疗方法，但通过相应的支持或对症治疗，许多IMD的病情可以得到有效控制［23-25］。对于发病机理明确的IMD可采取饮食及药物治疗，如大多数小分子IMD（氨基酸、有机酸、脂肪酸、糖代谢异常）以饮食治疗为主，部分疾病可通过维生素、左卡尼汀和辅酶等进行治疗，临床效果显著［26-27］。另外，一些新型治疗IMD的方法（如器官移植、酶替代治疗、干细胞治疗和基因治疗等）已有长足的进步并应用于临床，对IMD治疗和预后产生了根本性变化，颠覆了“IMD不可治愈”的传统观念，使之成为“可治之症”。

然而，在IMD实际临床治疗中仍有很多问题存在，一些疾病如苯丙酮尿症、酪氨酸血症等，需要通过饮食调控，即低苯丙氨酸和低酪氨酸饮食减少毒性代谢物的积累，该方法已常规应用于患者的治疗中，但特异性的治疗食品及药品尚未实现国产化，存在购买困难、价格昂贵的情况，给患者治疗带来很大不便。部分患者病情严重，需要进行肝肾移植或干细胞治疗，但是我国器官移植和干细胞治疗的规模有限，且存在供体难寻、捐赠人数少和费用昂贵等，这也使得临床治疗明显受限。许多研究者和临床医生对酶替代疗法和基因治疗寄予厚望，但目前进展缓慢。以Gaucher病为例，酶替代疗法对其非神经性病变安全有效，但由于酶是大分子蛋白质，不能有效通过血脑屏障，对中枢神经系统退行性病变疗效不佳。因此，如何使这些大分子酶类通过血脑屏障或者研制能够通过血脑屏障的新的酶分子替代物，已成为需要解决的关键和紧迫问题。目前已有研究开展对酶分子肽段进行特异性修饰使其达到靶向治疗效果，在溶酶体疾病的情况下，特定的酶可以用载脂蛋白LDLR结合域修饰靶向中枢神经系统［28］。

迄今为止，在基因治疗应用基础研究方面已投入了巨大的人力、物力和财力，携带治疗基因到体内的病毒载体，从腺病毒发展到慢病毒以及腺病毒相关病毒均有大量的研究基础，值得我们期待对IMD的彻底根治［29-32］。但鸟氨酸氨甲酰转移酶缺陷症（ornithine transcarbamylase deficiency，OTCD）患儿在接受腺病毒为载体的基因治疗后，最终死于腺病毒引起的免疫反应，导致多器官衰竭［33］，由此引发的基因治疗担忧仍然是不容忽视的问题之一。2012年欧洲批准了首个基因治疗产品用于治疗脂蛋白脂酶缺乏症，为基因治疗带来了新的希望［34］。当然，新的挑战也不断出现，治疗基因导入后的插入突变、受体免疫反应、精确的基因靶向以及治疗基因的生殖传递等均是基础和临床科学家所需要共同面对的最具挑战性的问题。

4 小结与展望

遗传代谢病属于罕见病，但其影响了全球范围的患者及家庭，带来了沉重的经济及精神负担。分子生物学技术的进步使得我们能够发现新的致病基因，确诊更多的遗传代谢病，也同时有助于开发新的靶向特定缺陷基因、功能蛋白及代谢通路的药物、实施细胞水平的基因治疗。精确的早期诊断能够帮助临床给予及时的对症治疗，有效防止副作用及降低死亡率。在未来几年随着分子技术进步，以及罕见疾病的分子病理学知识的增长，将会给遗传代谢病带来革新的发展。同时，新生儿筛查更大范围的普及也能够在全民范围内快速筛查和诊断遗传代谢病，以便立即采取适当的治疗。总之，挑战与机遇是并存的，我们相信随着技术进步、新生儿筛查的广泛普及，能够为遗传代谢病患者提供明确诊断及治疗，这不仅能提高患者及家庭生活质量，同时也具有巨大的社会价值。