線粒體病血液氨基酸譜和?；鈮A譜的改變特點

張哲　趙亞雯　姚生　李毅　俞萌　劉靖　左越煥　袁云　王朝霞

100034 北京大學第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科(張哲、趙亞雯、李毅、俞萌、劉靖、左越煥、袁云、王朝霞)；100048 中國人民解放軍海軍總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科(姚生)

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線粒體病血液氨基酸譜和?；鈮A譜的改變特點

張哲趙亞雯姚生李毅俞萌劉靖左越煥袁云王朝霞

100034 北京大學第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科(張哲、趙亞雯、李毅、俞萌、劉靖、左越煥、袁云、王朝霞)；100048 中國人民解放軍海軍總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科(姚生)

摘要:目的研究線粒體病患者血液氨基酸譜和?；鈮A譜的變化特點。方法對50例線粒體病、20例多?；o酶A脫氫酶缺陷(MADD)患者和22名健康對照，使用串聯(lián)質(zhì)譜法檢測血液中氨基酸和酰基肉堿水平。選取線粒體病組與MADD組、健康對照組分別比較差異均有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)，而MADD組同健康對照組比較差異無統(tǒng)計學意義(P≥0.05)的氨基酸、酰基肉堿相關(guān)指標繪制ROC曲線，選取曲線下面積(AUC)最大的指標，計算其診斷線粒體病的敏感度、特異度。結(jié)果線粒體病組谷氨酸及鳥氨酸水平分別為中位數(shù)89.80 μmol/L、27.70 μmol/L，均低于MADD組(中位數(shù)113.46 μmol/L、33.52 μmol/L，均P<0.05)和健康對照組(中位數(shù)107.33 μmol/L、34.08 μmol/L，均P<0.001)，丙氨酸/谷氨酸比值(中位數(shù)2.72)高于MADD組(中位數(shù)1.86，P<0.05)和健康對照組(中位數(shù)1.55，P<0.001)。線粒體病組乙酰肉堿、羥丁酰肉堿、羥異戊酰肉堿、戊二酰肉堿、羥棕櫚酰肉堿水平分別為中位數(shù)27.25 μmol/L、0.28 μmol/L、0.33 μmol/L、0.10 μmol/L、0.08 μmol/L，均高于MADD組(中位數(shù)21.32 μmol/L、0.17 μmol/L、0.19 μmol/L、0.09 μmol/L、0.06 μmol/L，均P<0.05)和健康對照組(中位數(shù)21.26 μmol/L、0.18 μmol/L、0.20 μmol/L、0.07 μmol/L、0.05 μmol/L，均P<0.01)。對上述氨基酸、?；鈮A指標繪制ROC曲線，其中丙氨酸/谷氨酸比值A(chǔ)UC 0.864，當丙氨酸/谷氨酸比值>2.17時診斷線粒體病的敏感度和特異度分別為76.00%和85.71%。結(jié)論線粒體病的血氨基酸和?；鈮A改變具有一定規(guī)律，有可能作為該類疾病的輔助檢查方法。

關(guān)鍵詞:串聯(lián)質(zhì)譜法；線粒體??；遺傳性代謝??；氨基酸; ?；鈮A。

線粒體病(mitochondrial disease)是由于線粒體基因或核基因突變，線粒體氧化磷酸化功能障礙、腺苷三磷酸(ATP)合成不足導(dǎo)致的一組疾病，肌肉活檢、基因檢查以及線粒體酶復(fù)合體活性測定是診斷線粒體病的金標準。但是該類疾病均有高度的臨床異質(zhì)性，為臨床初步診斷帶來困難。

為解決線粒體病的臨床初步診斷問題，近年來尋找敏感、特異、無創(chuàng)的生物標志物成為國際上線粒體病研究熱點。國外學者研究發(fā)現(xiàn)線粒體病患者的血液中存在多種氨基酸的改變，血支鏈氨基酸、支鏈氨基酸和谷氨酸比值增加[1]，血丙氨酸升高[2]，這些特點有可能用于線粒體病篩查。目前尚缺乏關(guān)于我國線粒體病患者的血氨基酸和酰基肉堿譜分析的報道，為此，本文總結(jié)一組國內(nèi)線粒體病患者血氨基酸和酰基肉堿水平的特點，探討血氨基酸和酰基肉堿譜檢測對線粒體病的診斷價值。

1對象和方法

1.1觀察對象 線粒體病組、多?；o酶A脫氫酶缺陷(multiple acyl-CoA dehydrogenase deficiency，MADD)組(疾病對照組)均為2009-01-01-2014-12-01年就診于北京大學第一醫(yī)院和中國人民解放軍海軍總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科的患者。線粒體病組患者50例，男22例、女28例，就診時年齡5～54歲，平均年齡(23±11.6)歲，均經(jīng)過基因或肌肉病理檢查確診。其中線粒體腦肌病伴高乳酸血癥和卒中樣發(fā)作(mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes，MELAS)37例、慢性進行性眼外肌癱瘓(chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO)6例、單純型線粒體肌病3例、Kearns-Sayer綜合征(Kearns-Sayer syndrome，KSS)2例、肌陣攣癲癇伴破碎樣紅纖維(myoclonic epilepsy with ragged-red fibres，MERRF)1例、MELAS-MERRF-Leigh疊加綜合征1例。MADD患者20例，包括男13例、女7例，就診時年齡12～55歲，平均年齡(38±10.8)歲，其診斷經(jīng)過血液代謝篩查、肌肉活檢和基因檢測證實。22名北京大學第一醫(yī)院的工作人員為健康對照，男10名、女12名，年齡24～36歲，平均年齡(27±2.9)歲，均經(jīng)定期體檢，無癥狀、體征指向特定疾病，且均無肢體乏力等表現(xiàn)和家族遺傳病史。

1.2方法采集所有患者和健康志愿者的空腹外周靜脈血，滴在濾紙片上，晾干后于-20℃保存。將干血片送北京摩爾美康實驗室，使用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)[3]對干血濾紙片分析獲得以下物質(zhì)水平：丙氨酸、精氨酸、天門冬氨酸、瓜氨酸、谷氨酸、甘氨酸、組氨酸、亮氨酸/異亮氨酸、甲硫氨酸、鳥氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸、酪氨酸、纈氨酸，游離肉堿、乙酰肉堿、丙酰肉堿、丁酰肉堿、羥丁酰肉堿、異戊酰肉堿、羥異戊酰肉堿、戊二酰肉堿、戊烯酰肉堿、己酰肉堿、辛酰肉堿、癸酰肉堿、月桂酰肉堿、肉豆蔻酰肉堿、羥肉豆蔻酰肉堿、肉豆蔻烯酰肉堿、棕櫚酰肉堿、羥棕櫚酰肉堿、十八碳酰肉堿。

選取上述指標中線粒體病組與MADD組和健康對照組比較差異均有統(tǒng)計學意義，而MADD組同健康對照組比較差異無統(tǒng)計學意義的指標，繪制該指標的受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC curve)，計算不同指標的曲線下面積(area under the curve，AUC)和診斷切點的比值比(odds ratio，OR)，比較診斷價值，并進一步計算AUC最大的指標診斷線粒體病的敏感性、特異性、陽性似然比、陰性似然比。

1.3統(tǒng)計學處理使用SPSS 19.0進行分析。符合正態(tài)分布的計量資料采用均數(shù)±標準差表示，不符合正態(tài)分布的計量資料采用中位數(shù)〔上下四分位數(shù)間距〕表示。在線粒體病組、MADD組和健康對照組之間各氨基酸、?；鈮A水平兩兩比較，采用Mann-WhitneyU檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。使用MedCalc 12.7繪制該指標的ROC曲線，以Youden指數(shù)最大時該指標的值為診斷切點，計算不同指標的曲線下面積(area under the curve，AUC)和診斷切點的OR值，比較診斷價值。根據(jù)是否大于切點，將各指標轉(zhuǎn)化為二分類變量，進行二分類Logistic回歸分析，選用逐步向前法(依據(jù)似然比檢驗的結(jié)果剔除變量)篩選出獨立因素。計算AUC最大的指標診斷線粒體病的敏感性、特異性、陽性似然比、陰性似然比。

2結(jié)果

2.1血氨基酸譜的特點 各組氨基酸水平結(jié)果見表1。與MADD組及健康對照組比較，線粒體病組丙氨酸水平、丙氨酸/谷氨酸比值升高(均P<0.05)，谷氨酸、鳥氨酸水平降低(均P<0.05)；線粒體病組精氨酸、天門冬氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸、絲氨酸水平低于健康對照組(P<0.05)；MADD組及健康對照組上述指標比較差異均無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)。線粒體病不同亞型中，MELAS、CPEO丙氨酸/谷氨酸比值中位數(shù)(上下四分位數(shù)間距)分別為2.74(1.64)、2.43(0.93)，均高于MADD組(分別U=118.0，P<0.001；U=31.0，P=0.083)及健康對照組(分別U=79.0，P<0.01；U=17.0，P<0.)。3例線粒體肌病患者丙氨酸/谷氨酸比值分別為2.58、3.04、3.84，2例KSS患者丙氯酸/谷氨酸比值分別為1.56、3.40，MERRF、MELAS-MERRF-Leigh疊加綜合征患者丙氨酸/谷氨酸比值分別為3.08、2.14。

2.2血?；鈮A譜的特點 線粒體病組、MADD組、健康對照組游離肉堿水平分別為32.23(17.71) μmol/L、27.08(17.48) μmol/L、28.60(12.34) μmol/L，三組間兩兩比較差異均有統(tǒng)計學意義(均P≥0.05)。各組酰基肉堿水平結(jié)果見表2。與MADD組及健康對照組比較，線粒體病組乙酰肉堿、羥丁酰肉堿、羥異戊酰肉堿、戊二酰肉堿水平、羥棕櫚酰肉堿水平升高(均P<0.05)，且MADD組和健康對照之間比較差異無統(tǒng)計學意義；與MADD組及健康對照組比較，癸酰肉堿水平降低(P<0.01)，但MADD組和健康對照之間比較差異亦有統(tǒng)計學意義(P<0.01)。

2.3氨基酸譜和?；鈮A譜的診斷價值 線粒體病組丙氨酸/谷氨酸比值、谷氨酸、鳥氨酸、乙酰肉堿、羥丁酰肉堿、羥異戊酰肉堿、戊二酰肉堿、羥棕櫚酰肉堿水平與MADD組和健康對照組比較差異均有統(tǒng)計學意義，且MADD組上述指標同健康對照組比較差異無統(tǒng)計學意義，故繪制該8個指標的ROC曲線(圖1)，各指標的AUC、切點、OR值見表3。丙氨酸/谷氨酸比值、羥異戊酰肉堿、鳥氨酸、羥棕櫚酰肉堿是診斷線粒體病的獨立因素(表4)。當丙氨酸/谷氨酸比值切點取大于2.17〔95%置信區(qū)間(confidence intervals,CI：2.09～2.52)〕時，診斷線粒體病的敏感度76.00%(95%CI：61.8%～86.9%)，特異度85.71%(95%CI：71.5%～94.6%)，陽性似然比5.32(95%CI：2.5～ 11.3)，陰性似然比0.28(95%CI：0.2～ 0.5)。

表 1　各組血氨基酸水平比較 　　〔中位數(shù)(上、下四分位數(shù)間距)，μmol/L〕

注：U1值、P1值：線粒體病組同MADD組比較所得；U2值、P2值：線粒體病組同健康對照組比較所得；U3值、P3值：MADD組同健康對照組比較所得

表 2　各組血酰基肉堿水平比較 　　〔 中位數(shù)(上、下四分位數(shù)間距)，μmol/L〕

注：U1值、P1值：線粒體病組同MADD組比較所得；U2值、P2值：線粒體病組同健康對照組比較所得；U3值、P3值：MADD組同健康對照組比較所得；線粒體病組：50例；MADD組：20例；健康對照組：22名

表 3　8個指標AUC、切點、Youden指數(shù)、OR比較

表 4　線粒體病診斷指標二分類Logistic回歸分析結(jié)果

圖1丙氨酸/谷氨酸比值、谷氨酸、鳥氨酸、乙酰肉堿、羥丁酰肉堿、羥異戊酰肉堿、戊二酰肉堿、羥棕櫚酰肉堿8個指標的ROC曲線比較：丙氨酸/谷氨酸比值的AUC最大(0.864)

3討論

近年在尋找線粒體病生物標志物的研究中，國外學者發(fā)現(xiàn)成纖維細胞生長因子21(FGF21)具有較高的敏感性和特異性[4-5]；Kalko等[6]的研究表明生長分化因子15(GDF15)也可能具有成為線粒體病標志物的潛力。但這些檢查僅能滿足診斷線粒體病的需要，由于該病的罕見性，短期內(nèi)難以普及，而串聯(lián)質(zhì)譜法通過檢測血氨基酸和?；鈮A水平篩查遺傳代謝性疾病，已作為一項比較成熟的技術(shù)在我國廣泛應(yīng)用[7]，因此本研究探討血氨基酸和?；鈮A水平篩查線粒體病的價值。

本研究發(fā)現(xiàn)，同健康對照比較，線粒體病患者精氨酸水平降低，與國外報道一致[10]。國外學者在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)現(xiàn)補充缺乏的精氨酸能夠改善MELAS患者的腦小血管功能異常、細胞代謝，減少卒中樣發(fā)作的頻率[10-11]。谷氨酸是神經(jīng)元興奮性遞質(zhì)，線粒體DNA A3243G突變可引起細胞對谷氨酸的攝取減少，可能增加細胞外谷氨酸濃度，加重MELAS患者谷氨酸興奮性毒性[12]。至于線粒體病患者血谷氨酸減低，對大腦功能有無保護作用，仍然有待進一步研究。

MADD是由于電子轉(zhuǎn)移黃素蛋白(electron transfer flavoprotein，ETF)或ETF脫氫酶(ETF dehydrogenase，ETFDH)缺陷，引起脂肪酸β-氧化過程中產(chǎn)生的還原型黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)向線粒體呼吸鏈中的泛醌傳遞電子的過程受阻所致。本研究顯示，線粒體病和MADD的代謝缺陷均位于線粒體中，但二者氨基酸譜呈現(xiàn)不同特點，線粒體病患者谷氨酸和鳥氨酸水平低于MADD組，而丙氨酸/谷氨酸比值則高于MADD組，推測出現(xiàn)這種情況的可能原因為MADD呼吸鏈功能大致正常[13]，丙酮酸水平增高不明顯，因此不會出現(xiàn)明顯的丙氨酸/谷氨酸比值升高。

線粒體病患者血?；鈮A譜的特點是乙酰肉堿、羥丁酰肉堿、羥異戊酰肉堿、戊二酰肉堿、羥棕櫚酰肉堿水平升高。乙酰肉堿水平升高反映了乙酰CoA蓄積，與線粒體能量代謝異常有關(guān)；個別?；鈮A水平較對照組(包括MADD和健康對照)升高，提示多種脂肪酸代謝異常，可能與線粒體呼吸鏈功能異常，脂肪酸β-氧化過程障礙導(dǎo)致的脂肪酸轉(zhuǎn)運、利用障礙有關(guān)。同時本研究發(fā)現(xiàn)，線粒體病升高的酰基肉堿以短鏈脂酰為主，而MADD以中長鏈脂酰為主，提示線粒體病與MADD在?；鈮A譜改變方面也存在一定差異。推測其原因為線粒體病患者呼吸鏈功能障礙，F(xiàn)ADH2傳遞電子過程也在一定程度上受到影響，所以出現(xiàn)個別?；鈮A水平升高；MADD患者FADH2傳遞電子障礙更嚴重，中長鏈脂肪酸β-氧化更困難，所以蓄積的?；鈮A的碳鏈相對更長。進一步提示二者雖然同為線粒體內(nèi)代謝異常，但是原發(fā)缺陷部位不同造成代謝譜系呈不同的改變。國外學者報道線粒體病患者血液中游離肉堿水平降低[14]，但本研究的結(jié)果不支持這一點，是否因人群或種族差異所致，尚需進一步擴大樣本量分析。

線粒體病氨基酸譜、?；鈮A譜的改變特點可以作為該類疾病的輔助檢查手段。本研究結(jié)果顯示，有8個指標(丙氨酸/谷氨酸比值、谷氨酸、鳥氨酸、乙酰肉堿、羥丁酰肉堿、羥異戊酰肉堿、戊二酰肉堿、羥棕櫚酰肉堿)在線粒體病與MADD組、健康對照之間差異存在統(tǒng)計學意義，進一步二分類Logistic回歸分析結(jié)果顯示，其中的丙氨酸/谷氨酸比值、羥異戊酰肉堿、鳥氨酸、羥棕櫚酰肉堿是指向線粒體病的獨立因素，因此被認為具有診斷獨立性。本研究結(jié)果顯示，丙氨酸/谷氨酸比值的AUC(0.864)和OR(15.83)均高于其他指標，當丙氨酸/谷氨酸比值>2.17時診斷線粒體病的敏感度和特異度分別為76.00%和86.36%。

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于線粒體病臨床篩查的生物標志物是乳酸、丙酮酸和乳酸/丙酮酸比值，在關(guān)于FGF21作為線粒體病生物標志物的研究[4-5]中提及，這3個常用的生物標志物診斷線粒體病的敏感度均偏低，分別為15.09%～52.6%、34.62%～75.0%和11.54%～31.3%，特異度分別為92.8%～98.46%、84.08%～87.2%和98.48%～100.0%。丙氨酸/谷氨酸比值的敏感度明顯高于上述指標，提示完善該檢查可能有利于提高線粒體病診斷的敏感度。不過，本研究未同時檢測乳酸、丙酮酸水平，因而無法直接比較丙氨酸/谷氨酸比值與這些目前常用的檢查診斷效果的優(yōu)劣。

總之，線粒體病具有特征性的血氨基酸和酰基肉堿譜，丙氨酸/谷氨酸比值可以作為線粒體病輔助診斷的生物標志物之一。特別是對非線粒體病診斷和治療中心的醫(yī)療機構(gòu)而言，可以作為一種輔助檢查方法。

志謝：感謝北京大學第一醫(yī)院醫(yī)學統(tǒng)計室李雪迎老師在本研究統(tǒng)計學方法上給予的指導(dǎo)。

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(本文編輯：鄒晨雙)

Blood amino acids and acylcarnitines spectrums in Chinese patients with mitochondrial disease

ZHANGZhe,ZHAOYawen,YAOSheng,LIYi,YUMeng,LIUJing,ZUOYuehuan,YUANYun,WANGZhaoxia*.

*DepartmentofNeurology,PekingUniversityFirstHospital,Beijing100034,China

ABSTRACT:ObjectiveTo discuss the characteristics of blood amino acids and acylcarnitines spectrums of patients with mitochondrial disease. MethodsLevels of amino acid and acylcarnitines were detected among fifty patients with mitochondrial disease, twenty patients with multiple acyl-CoA dehydrogenase deficiency (MADD) and twenty-two cases of healthy adult controls by tandem mass spectrometry. The levels of amino acids and acylcarnitines significantly changed in the mitochondrial disease group compared with those in the MADD group and healthy control group(both P<0.05), and not differed between the latter two (P≥0.05).Related indicators of amino acids and acylcarnitines were chosen to draw ROC curves. The item which shared the largest AUC was selected.The sensitivity and specificity were calculated on diagnosing mitochondrial disease. ResultsThe median levels of glutamate and ornithine in patients with mitochondrial disease were 89.80 μmol/L and 27.70 μmol/L, respectively, lower than those in the MADD group(113.46 μmol/L and 33.52 μmol/L, respectively,both P<0.05), and the healthy control group(107.33 μmol/L and 34.08 μmol/L, respectively,both P<0.001). The median level of alanine/glutamate ratio was 2.72 in the mitochondrial disease group, which was higher than that of the MADD group and healthy control group(1.86,1.55, P<0.001, respectively) . The median levels of C2-1, C4OH-1, C5OH-1, C5DC-1 and C16OH-1 were 27.25 μmol/L, 0.28 μmol/L, 0.33 μmol/L, 0.10 μmol/L and 0.08 μmol/L in the mitochondrial disease group, higher than 21.32 μmol/L, 0.17 μmol/L, 0.19 μmol/L, 0.09 μmol/L and 0.06 μmol/L in the MADD group(P<0.05, respectively),and 21.26 μmol/L, 0.18 mol/L, 0.20 μmol/L, 0.07 μmol/L and 0.05 μmol/L in the healthy control group(P<0.01, respectively). The diagnostic sensitivity and specificity of alanine/glutamate ratio (AUC 0.864)>2.17 for mitochondrial disease were 76.00% and 85.71%, respectively. ConclusionsMitochondrial disease has a specific pattern of blood amino acids and acylcarnitines spectrums. Blood amino acids and acylcarnitines spectrums might be a potential biomarker for the diagnosis of mitochondrial disease.

Key words:tandem mass spectrometry; mitochondrial disease; hereditary metabolic disorders; amino acid; acylcarnitine

doi：10.3969/j.issn.1006-2963.2016.02.009

基金項目：科技部十二五重大專項課題(2011ZX09307-001-07)；國家自然科學基金資助項目(30870864, 81341040)

通訊作者：王朝霞，Email：drwangzx@163.com

中圖分類號：R746.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2963 (2016)02-0117-06

Corresponding author:WANG Zhaoxia, Email：drwangzx@163.com.

(收稿日期：2015-03-08)