综述：质谱在罕见病研究与诊断中的应用

《npj Genomic Medicine》：Review: Utility of mass spectrometry in rare disease research and diagnosis

这篇综述聚焦质谱（MS）技术在罕见病研究与诊断领域的应用。阐述了其在疾病基因发现、诊断辅助、疾病监测等方面的重要作用，还探讨了临床转化面临的挑战，为深入了解质谱技术在罕见病领域的价值提供了全面视角。

　　

质谱技术概述

质谱（MS）作为现代研究中的关键分析工具，自 J.J. Thomson 在一个多世纪前发明以来，已取得显著进展。从最初用于分离铀同位素的第一代质谱仪，发展到如今在日常研究中广泛应用的液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS） 。其应用领域也从基础化学拓展到生命科学的各个方面，在罕见病研究与诊断中发挥着日益重要的作用。

质谱在罕见病研究中的应用

1. 辅助诊断：下一代测序（NGS）技术，如外显子组或基因组测序，虽改变了罕见病的遗传诊断方式，但在评估候选变异的致病性方面存在困难。质谱技术，尤其是基于质谱的蛋白质组学，可作为正交验证工具，辅助解释变异的致病性。在 Leigh 综合征等线粒体疾病研究中，通过质谱分析可检测候选基因编码蛋白的丰度、相关复合物以及相互作用蛋白，为确定变异的致病性提供关键证据。例如，在研究 Leigh 综合征相关基因 MRPS34、NDUFC2 和 NDUFAF8 时，质谱分析发现变异对候选蛋白及其相互作用蛋白丰度有负面影响，结合其他证据，确认了变异的致病性 。
2. 疾病基因发现：大量罕见病患者即便经过全面的临床相关基因检测，仍未得到明确诊断。基于质谱的蛋白质组学在寻找新的疾病基因方面展现出重要价值。在对 Leigh 综合征患者的研究中，蛋白质组学分析发现患者皮肤成纤维细胞中，大线粒体核糖体亚基的几种蛋白质丰度显著降低，其中 MRPL39 蛋白变化最为明显。进一步的基因组和转录组研究证实，在 MRPL39 基因中存在致病性复合杂合变异 。此外，通过对疾病模型的蛋白质组学研究，还发现了如 MRPL50、MRPS39、TEFM 和 HMGCS1 等新的疾病相关基因。
3. 疾病建模：了解蛋白质的相互作用、结合伙伴、基本生物学功能和通路，对揭示罕见病的发病机制至关重要。传统蛋白质表征方法存在一定局限性，而基于质谱的蛋白质组学可同时鉴定数千种蛋白质，为研究蛋白质功能和生物学提供了强大工具。在研究胱氨酸转运蛋白（cystinosin）与 mTORC1 信号通路的关系时，由于缺乏可靠抗体，LC - MS/MS 成功展示了二者的相互作用 。在研究 POLR3B 基因变异对 RNA 聚合酶 III 复合物的影响时，通过亲和纯化结合质谱分析，发现变异会导致 RNA 聚合酶 III 复合物组装严重中断，从而加深了对该疾病发病机制的理解 。
4. 新生儿血斑筛查：新生儿血斑筛查（NBS）是早期发现罕见病的重要手段。自 20 世纪 60 年代引入以来，随着质谱技术的发展，尤其是电喷雾电离技术的应用，NBS 从 “一种检测对应一种疾病” 的模式，发展为利用基于质谱的代谢组学检测多种先天性代谢疾病。如今，多数 NBS 实验室采用这种技术，可对婴儿进行 20 - 30 种先天性代谢疾病的筛查，主要检测氨基酸和酰基肉碱等代谢物。例如，中链酰基辅酶 A 脱氢酶缺乏症（medium - chain acyl - CoA dehydrogenase deficiency）可通过 NBS 代谢组学检测及时发现，显著降低了婴儿死亡率 。此外，质谱技术还可用于优化 NBS 检测，如通过二级代谢组学检测减少假阳性结果。
5. 生物标志物筛查：质谱技术能够同时检测多种蛋白质或代谢物，且具有高通量特性，在生物标志物发现领域应用广泛。在 Friedreich 共济失调（FRDA）的研究中，通过对脑脊液蛋白质的分析，鉴定出 172 种差异表达蛋白（DEPs），其中 SORCS3、SCG5、CNDP1 和 NRXN2 等蛋白有望作为生物标志物，辅助疾病诊断和评估治疗效果 。在对酸性鞘磷脂酶缺乏症（ASMD）和尼曼 - 匹克病 C 型（NPC）的研究中，基于质谱的脂质组学分析发现了两种疾病患者与对照组在脂质生物标志物上的差异，有助于精准诊断 。
6. 疾病监测：早期诊断和监测罕见病的进展对患者管理至关重要，质谱技术在这方面发挥着重要作用。在 Tay - Sachs 病（TSD）的研究中，利用基于质谱的脂质组学技术，检测到患者诱导多能干细胞中 GM2 神经节苷脂的显著积累，实现了疾病的早期识别 。在一名患有复杂 I 缺乏症和双等位基因致病性 ACAD9 变异的 6 个月大婴儿的治疗过程中，通过基于质谱的蛋白质组学监测外周血单个核细胞（PBMC）中线粒体复合物 I 的丰度，评估疾病进展和治疗效果 。此外，在 X 连锁肾上腺脑白质营养不良（X - ALD）的研究中，基于质谱的脂质组学检测脑脊液中含超长链脂肪酸的磷脂酰胆碱信号，比传统检测血浆水平更能有效预测疾病严重程度 。

质谱在罕见病研究中的应用效果分析

1. 应用趋势：通过对文献的综合回顾发现，在过去十年中，质谱在罕见病研究中的应用显著增加。在研究的罕见病中，常染色体隐性遗传模式的疾病占比最多，这与常染色体隐性遗传病中功能缺失是常见发病机制，且质谱可检测蛋白质丰度降低有关 。研究病例的合子类型分布也与遗传模式相符，纯合子和复合杂合子是最常见的合子类型 。
2. 变异类型与质谱应用：错义变异是许多罕见病中最常见的致病性变异类型，对其功能后果的预测具有挑战性。基于质谱的蛋白质组学可检测错义变异可能导致的蛋白质组变化，但错义变异也可能导致代谢物或脂质变化而不影响蛋白质丰度，此时基于质谱的代谢组学或脂质组学更适合检测变异后果 。
3. 样本类型与质谱应用：合适的生物样本对建立基因型 - 表型关联至关重要。皮肤成纤维细胞曾是正交测试中最常用的样本类型，但从皮肤活检建立细胞系耗时较长，不适合重症患者快速诊断 。外周血单个核细胞（PBMC）等其他样本类型可解决这一问题，如在对一名疑似线粒体疾病的重症婴儿的研究中，超快速蛋白质组学在 54 小时内完成检测，为变异的致病性提供了功能证据 。

质谱技术临床转化面临的挑战

尽管基于质谱的蛋白质组学在罕见病研究中展现出巨大潜力，但目前仍局限于研究领域，向临床病理学实验室的转化面临诸多挑战。质谱设备昂贵，且需要持续维护和专业人员操作；实验会产生大量复杂数据，需要生物信息学技术进行处理和解读；生物系统的复杂性和样本类型的多样性导致数据标准化困难；虽然质谱对蛋白质检测灵敏度高，但检测小蛋白和低丰度蛋白仍存在挑战；许多基因的组织特异性表达限制了某些蛋白质在特定样本类型中的检测 。此外，目前缺乏规范非靶向质谱蛋白质组学临床转化的法规、认证系统和标准，使得不同实验室间的结果难以比较，也给临床医生的决策带来困难 。

结论与展望

质谱技术在罕见病研究和诊断中是强大的工具，其应用涵盖多个方面，包括生物标志物发现、功能基因组学研究中的蛋白质分析以及新生儿和成人队列的筛查等 。近年来，质谱在为罕见病诊断过程中变异致病性提供功能见解方面的应用显著增加，未来其重要性有望进一步提升 。基于质谱的蛋白质组学有助于解读现有基因组和临床数据中意义不明的变异（VUS），有望提高诊断率，改善罕见病患者的管理 。若能开发出经过临床验证的高通量蛋白质组学检测方法，将革新罕见病的诊断方式，缩短患者的诊断周期，恢复患者家庭的生育信心，并为患者提供更多先进的靶向基因治疗机会 。国际组织如人类蛋白质组组织（HUPO）、RD - Connect 和 UDN 网络等正在努力推动蛋白质组学数据的标准化，未来有望建立统一标准，促进质谱技术在临床中的广泛应用 。