串联质谱

串联质谱技术在新生儿疾病筛查中的应用

遗传性代谢病( inborn error of metabolism，IEM)是一类涉及氨基酸、有机酸、脂肪酸、尿素循环、碳水化合物、类固醇等多种物质代谢的疾病。其种类繁多，是儿科临床的疑难杂症。虽然其单一病种患病率较低，但总体发病率较高，对人口素质、家庭乃至社会的发展构成了极大的威胁。其诊断主要依赖实验室的特异性检查。我国每年出生约2200万新生儿，仅高苯丙氨酸血症（包括苯丙酮尿症）这类疾病，每年就新增患儿1600~1800例。LC-MS/MS 技术的发展使得这类疾病在发病前进行干预成为可能。即在新生儿出生后体内某些代谢产物出现异常,而尚未出现临床症状或者症状不明显时就早期明确诊断，并进行及时而有效的对症治疗，以避免患儿的重要脏器出现不可逆性损害，进而保障儿童正常的体格发育和智能发育。这就是新生儿疾病筛查（neonatal screening）。国际新生儿疾病筛查发展趋势逐步提高到以串联质谱（MS/MS）技术为中心的筛查，如欧美等国目前已经广泛采用LC-MS/MS法对新生儿遗传疾病筛查。串联质谱即两个质谱仪串联后一次进行二级质谱检测,利用超敏性、高特异性、高选择性和快速检验的串联质谱技术，能在2~3 min内对1个标本进行几十种代谢产物分析，通过对这些产物的分析,可以对40种左右遗传性代谢病(包括氨基酸代谢紊乱、有机酸代谢紊乱和脂肪酸代谢紊乱性疾病)进行筛查和诊断。2004年12月美国食品药品管理局（FDA）专门制订了“用串联质谱法分析新生儿氨基酸,游离肉毒碱和酰基肉碱筛选检测系统”的指导性文件。串联质谱技术不仅实现了“一项实验检测一种疾病”向“一项实验检测多种疾病”的转变，提高了检测的效率,同时使筛查过程中常见的假阳性或者假阴性的发生率显著降低,使新生儿疾病筛查在内容和质量上都提高到一个新的水平。串联质谱在临床遗传性代谢病高危患儿选择性筛查方面也发挥着重要作用，上海第二医科大学附属新华医院新生儿筛查中心检测了1000多例全国各地送检的遗传性代谢病高危标本，发现阳性标本达9% ~10%，在22700例新生儿中筛查出阳性病例6例。因此，串联质谱技术是目前开展新生儿筛查和临床遗传性代谢病高危患儿筛查诊断较好的方法和发展方向。目前，LC-MS/MS技术检测相对发生率比较高的一些新生儿代谢疾病如下：中链脂肪酸脱氢酶缺乏症、短链脂肪酸脱氢酶缺乏症、长链脂肪酸代谢异常、卡尼丁（肉碱）吸收障碍、卡尼丁结合酶缺乏、卡尼丁穿透障碍、丙酸血症、甲基丙二酸血症、异戊酸血症、戊二酸血症、3-hydroxy-3-methylglutaric aciduria、中链槭糖尿症(MCAD)、短链槭糖尿症(SCAD)、长链槭糖尿症(LCAD)、超长链槭糖尿症(VLCAD)、瓜氨酸血症、酪氨酸代谢紊乱、高胱氨酸尿、高苯丙氨酸血症、精氨酸酶缺乏症、精氨琥铂酸尿症、高甲硫氨酸血症、苯丙酮尿症、Argininosuccinic acidemia、非酮性高甘胺酸血症、Glutaric Acidemia、3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-lyase De?ciency、?-Ketothiolase De?ciency、Multiple Carboxylase De?ciency等。检测方法与原理：方法一，衍生化法：通过把样品进行“一步法”衍生，可以减少干扰，提高灵敏度。取1~2个滤纸血点(直径3 mm的干血滤纸片，相当于3.2 μL全血)，置于96孔过滤板中，每孔加入含氨基酸和酰基肉碱同位素内标的无水甲醇100 μL，室温放置20 min，以提取血片中的氨基酸和酰基肉碱，然后离心至另一个96孔板中，氮气保护下50℃吹干，加入60 μL正丁醇（（含3 mol/L HCl），密封，65℃孵育15 min进行衍生化。氨基酸衍生反应：

R = H , 氨基乙酸R = (CH2)2CO2H , 谷氨酸R = CH3 , 丙胺酸R = (CH2)2SCH3 , 蛋氨酸R = CH(CH3)2 , 缬氨酸R = CH2C6H5 , 苯基丙氨酸R = CH2CH(CH3)2 , 亮氨酸R = CH2C6H5OH , 酪氨酸R = CH2OH , 丝氨酸R = (CH2)3NH2 , 鸟氨酸R = CHOHCH3 ,苏氨酸R = (CH2)4NH2, 赖氨酸R = (CH2)3NHCONH2 , 瓜氨酸R=OH, 肉碱R=OCO(CH2)6CH3,辛基肉碱(MCAD), (MADD)R=OCOCH2CH3, 丙基肉碱(CMA) R=OCO(CH2)12CH3,十四烷基肉碱(LCAD), (LCHAD)R=OCO(CH2)2CH3,丁基肉碱(SCAD) R=OCO(CH2)16CH3,十八烷基肉碱R=OCO(CH2)4CH3,己基肉碱(MACD)衍生后的溶液，在氮气保护下50℃吹干。用100 μL 流动相(一般为80％乙睛＋20％水＋0.02%甲酸)再溶解残渣，取20 μL进样，进行FIA-MS/MS分析。方法二，非衍生化法。取1~2个滤纸血点(直径3 mm的干血滤纸片，相当于3.2 μL全血)，置于96孔板中，每孔加入含氨基酸和酰基肉碱同位素内标的无水甲醇100 μL，室温放置30 min，提取血片中的氨基酸和酰基肉碱，然后转移上清液至另一个96孔板中，取20 μL进样，进行FIA-MS/MS分析。新生儿疾病筛查的MS/MS分析，主要同步执行3个扫描模式：母离子扫描(PS)、中性丢失扫描(NL)和多反应检测扫描(MRM)。在母离子扫描中，第二级质谱选择特征的碎片离子，扫描检测第一级质谱中能产生该碎片的所有母离子，主要用于酰基肉碱的分析检测，经CAD后可产生相同的碎片离子(m/z 85)；在中性丢失扫描中，两级质谱分析监测那些产生相同中性碎片的母离子，主要用于氨基酸的分析检测，大多数氨基酸可以产生102u的中性碎片，也有少数例外(甘氨酸56u、精氨酸161u、鸟氨酸119u等)。因此，氨基酸分析一般采用中性丢失扫描，而在酰基肉碱的分析中，多采用母离子扫描。新生儿疾病筛查串联质谱分析所需的试剂：标准试剂。Set A：稳定同位素标记氨基酸对照品混合物，冻干粉，1管，12种/管；Set B：稳定同位素标记乙酰肉碱对照品混合物，冻干粉，1管，8种/管。标准溶液的配制、稀释和保存：浓缩储备液—用1 mL溶剂充分溶解，混匀，即为浓缩储备液；浓缩工作液—将1 mL浓缩储备液（Set A与Set B）混匀，密封保存在4℃。为保证溶液的活性，建议分装，1个月后丢弃。日常工作液—取浓缩工作液，稀释100倍，密封保存在4℃。为保证溶液的

9.1 最适新生儿疾病筛查平台

9.1.1 API 2000?、API 3000?、API 3200?系列任一台或多台质谱仪。

9.1.2 ChemoView?新生儿疾病筛查软件

符合GLP和其他相关的标准；

●可控制不同厂商的LC泵和自动进样；

●支持实时处理数据；

●可用于其他疾病标记物的筛查；

●从MRM、母离子扫描、中性丢失扫描数据自动生成浓度、离子强度或浓度比的定制报告

应用实例

1．相关MS/MS图谱苯丙酮尿症（PKU）：患儿苯丙氨酸羟化酶缺乏，苯丙氨酸（Phe）不能分解代谢酪氨酸(Tyr)，血液和尿中浓度升高，发育迟钝；发病率高，世界为1/10000，我国略高，为1/3000；传统方法BIA（细菌抑制实验）灵敏度低，阳性错误结果高（10%），成本高；部分新生儿苯丙氨酸浓度高，但分解代谢，酪氨酸浓度也高，后会恢复正常，BIA 法只测苯丙氨酸浓度；MS/MS测顶Phe/Tyr比值，灵敏度和准确率高，假阳性率几乎为零，测定30万个样品没有出现假阳性结果。氨基酸丁基酯经CID后产生102u的中性碎片，因此，采用中性丢失扫描检测。枫糖尿症(MSUD)：支链氨基酸在氨基转移后所形成的α-支链酮酸必须由线粒体中的支链α酮酸脱氢酶进一步催化脱羧，该酶是一个复合酶系统，由脱羧酶(E1α、E1β两个亚单位)、二氢硫辛酰胺酰基转移酶(E2)和二氢硫辛酰胺酰基脱氢酶(E3)等4部分组成，它们的编码基因分别位于19q13.1～q13.2、6p21～p22、lp2l～3l和7q3l；其中E3还是人体内丙酮酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶的组成部分。这一酶系统还需焦磷酸硫胺作为辅酶参与作用。任一上列基因的突变均会导致这一酶复合体的缺陷，造成各种不同类型的枫糖尿症。酶缺陷造成的支链氨基酸代谢障碍使患儿神经系统中支链氨基酸增高；谷氨酸、谷氨酰胺和γ-氨基丁酸等明显下降；髓质脂类如脑苷脂、蛋白脂质和硫酸脑苷脂等不足。患儿脑白质发生海绵状变化和髓鞘形成障碍，以大脑半球、胼胝体、齿状核周围和锥体束等处最为显著；由于急性代谢紊乱导致死亡的患儿大都有脑水肿。支链氨基酸丁基酯经CID后产生102u的中性碎片，因此，同样采用中性丢失扫描检测。

2．串联质谱技术筛查遗传性代谢病高危儿童上海交通大学医学院附属新华医院顾学范等使用API 2000?LC-MS/MS临床疑诊遗传性代谢病儿童104例，检出阳性标本10例(9.6%)，其中酪氨酸血症1例、同型胱氨酸血症1例、高鸟氨酸血症1例、甲基丙二酸血症2例、丙酸血症1例、3-羟基3-甲基戊二酸裂解酶缺乏症1例、中链酰基辅酶A脱氢酶缺乏症2例、酰基肉碱转移酶Ⅱ缺乏症1例。串联质谱技术可检测30余种遗传性代谢病包括氨基酸代谢紊乱、有机酸代谢

串联质谱在新生儿遗传性代谢病筛查中的应用

遗传性代谢疾病是由于遗传性代谢途径的缺陷，引起异常代谢物的蓄积或重要生理活性物质的缺乏，而导致相应临床症状的疾病。它涉及氨基酸、有机酸、脂肪酸、尿素循环、类固醇、维生素等多种物质的代谢异常，可导致多个系统受损。

该类疾病种类繁多，目前已发现500余种，但这类疾病危害很大，综合患病率高，可达到四千至五千分之一。有些遗传性代谢病在新生儿早期，例如出生后数小时或几天内即发病，部分疾病却可在幼儿期、儿童期、青少年期甚至成年期发病。如果不及早发现，对身体可造成不可逆转的严重损害，如智力低下、终身残疾，甚至死亡，对人口素质、家庭乃至社会的发展构成很大的威胁。

新生儿疾病筛查经过40余年的发展已被普遍认可，新生儿疾病的筛查也逐步由发达国家向发展中国家普及。与此同时，筛查的疾病病种也逐步增多，由最初苯丙酮尿症一种增加到目前的数十种，新生儿疾病筛查的方法也越来越灵敏、可靠，串联质谱技术的发展为逐渐向一次实验检测多种疾病的模式转变提供了可行有效的手段。

我国新生儿疾病筛查起步于20世纪80年代初，首先在上海和北京开展，经过多年年的探索，中国的新生儿疾病筛查经历了从自发开展到有序、系统规划组织的过程。目前，全国各地主要筛查先天性甲低和苯丙酮尿症两种疾病，广东、江苏、上海、山东等部分地区也增加了先天性肾上腺皮质增生症及G6PD的筛查。

串联质谱技术目前已广泛应用于各种高端实验室，是更为先进、有效的分析技术，传统的新生儿筛查通过一次实验只能检测一种疾病，多种疾病需要多次检测来完成。串联质谱技术可以分析血液中多种化合物的浓度，通过检测样品中物质的质荷比（相对分子质量），对物质进行定性和定量分析，可同时检测一滴血中70余种氨基酸和酰基肉碱，可以对40余种氨基酸、有机酸和脂肪酸氧化代谢病进行快速的筛查和诊断，通过一次检测便可以知道代谢产物数值是否在正常范围。是一种高灵敏性、高特异性、高选择性及快速检测的技术。

目前欧、美、澳洲及中国台湾地区都已经普及串联质谱新生儿疾病筛查方案，此方案可以更有效、更早地找出这些遗传性代谢疾病，为针对性治疗提供有效依据，为遗传性代谢病的预防开辟了新的领域。我们国家于2002年开始使用串联质谱进行遗传代谢病新生儿筛查和临床疑似遗传代谢病患者检测，使我国的遗传代谢病的筛查、诊断及治疗技术有了显著提高。上海新华医院利用串联质谱技术筛查269341例新生儿，筛查出14种74例遗传代谢病，阳性率为1/3640。2008年浙江省新生儿疾病筛查中心引进了全球最先进的Waters串联质谱技术，在对2153份临床样本实验中，共发现4例与代谢有关的疾病，验证这项技术推广普及的价值。目前杭州市区出生的新生儿全部由政府买单进行串联质谱和其他疾病的筛查。山东省济南市新筛中心已在本院出生新生儿开始进行试筛查，青岛市新筛中心仪器预计在9月份安装使用，济宁市新筛中心最近对串联质谱仪器也在进行考察。

高危儿童遗传代谢病的诊断及其他与氨基酸代谢有关的疾病诊治

高危儿童遗传代谢病的诊断及其他与氨基酸代谢有关的疾病诊治高危儿童遗传代谢病的诊断及其他与氨基酸代谢有关的疾病诊治高危儿童遗传代谢病的诊断及其他与氨基酸代谢有关的疾病诊治

遗传性代谢疾病患儿急性期病情危重，死亡率极高，早期诊断、合理治疗是

决定预后的关键。传统的辅助检查手段也难以提供确诊依据，所以此类疾病的具体病因诊断难度较大，许多患儿因此错过了最佳干预期而致愚、致残，甚至致命。但是，近年来，随着串联质谱、有机酸分析及氨基酸分析等技术的发展，遗传性代谢疾病的早期确诊率大幅提高，随着治疗经验的不断积累，许多疾患的预后明显改善，尤其重要的是有一些遗传性代谢疾病明确诊断后是可以挽救患儿并能因此获得针对性的合理治疗。例如，由于多种羧化酶缺陷症或生物素酶缺乏是相对少见的一组遗传性代谢疾病，临床表现各异，婴儿期以严重酸中毒、皮疹和皮肤脱屑发病，迟发者以神经系统症状发病。早期诊断及时给予生物素治疗可使相当一部分患者症状缓解，并可防止和改善中枢神经系统不可逆损害的预后。甲基丙二酸尿症合并同型半胱氨酸血症采用叶酸、维生素B12及甜菜碱等治疗后有较理想预后的，国内外均有不少患儿健康成长。

目前串联质谱技术可筛查疾病

1 氨基酸类代谢病

苯酮尿症高胱氨酸尿症枫糖尿症酪氨酸血症瓜氨酸血症精氨酸血症高氨血症

2脂肪酸类代谢病：

极长链脂肪酸代谢异常长链脂肪酸代谢异常中链脂肪酸代谢异常短链脂肪酸代谢异常肉碱穿透障碍肉碱结合酶缺乏症第一型肉碱结合酶缺乏症第二型肉碱吸收障碍

3有机酸类代谢病：

戊二酸血症第二型甲基丙二酸血症丙酸血症异戊酸血症3-甲基巴豆酰辅酶A羧化酶缺乏症3-羟基-3-甲基戊二酸尿症三功能蛋白缺乏症乙基丙二酸血症

丙二酸血症

异丁酰基辅酶A脱氢酶缺乏症

如何采用串联质谱技术对新生儿遗传代谢病进行筛查？

宝宝生后72小时或进食48小时后，由专业护士采集新生儿的足跟血，在专用滤纸片上滴２－３滴，晾干后血片送往筛查中心统一检测，发现异常，医院会主动通知家长，并推荐遗传性代谢疾病的诊疗专家进一步追踪及检查。