兒童腦白質(zhì)營養(yǎng)不良的臨床遺傳學(xué)研究進(jìn)展

黃喆蘭 綜述 周文浩 審校

（復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院新生兒科，上海 201102）

1 腦白質(zhì)營養(yǎng)不良的定義

1984年，腦白質(zhì)營養(yǎng)不良（leukodystrophy，LD）被定義為由少突膠質(zhì)細(xì)胞或髓鞘的原發(fā)損傷所導(dǎo)致的腦白質(zhì)病變［1］。2015年，國際腦白質(zhì)營養(yǎng)不良協(xié)會(huì)達(dá)成以下共識(shí)：腦白質(zhì)病（leukoencephalopathy，LE）包含所有獲得性和遺傳性的腦白質(zhì)異常疾病。LD為一組由遺傳性原發(fā)性神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘損傷所導(dǎo)致的腦白質(zhì)病變。遺傳性腦白質(zhì)?。╣enetic leukoencephalopathy，gLE）為存在顯著腦白質(zhì)異常的遺傳性疾病，但不伴有神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘的原發(fā)損害（如全身系統(tǒng)性病變引起的髓鞘繼發(fā)損傷）［2］。2019年，van der Knaap等［3］認(rèn)為所有遺傳因素所導(dǎo)致的LE都可被稱為LD，該定義更廣泛地囊括了2015年共識(shí)中的gLE。

由于腦白質(zhì)相關(guān)疾病的表型和發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，如何對其進(jìn)行定義和分型一直難以統(tǒng)一，但隨著對疾病理解的加深，高通量測序技術(shù)在臨床中普遍應(yīng)用，LD的定義將會(huì)更加符合疾病本質(zhì)。本文將沿用2015年的定義共識(shí)，對近年來LD的臨床遺傳學(xué)研究進(jìn)展展開綜述。

2 LD的流行病學(xué)

由于LD的臨床特征存在顯著異質(zhì)性，因此其流行病學(xué)資料十分有限。國內(nèi)尚無相關(guān)報(bào)道。國外基于住院患兒的流行病學(xué)調(diào)查顯示：遺傳因素所致的兒童LE的總體發(fā)病率約為1.2/10萬，其中約50%為LD［4］。基于人類基因突變數(shù)據(jù)庫（http://www.hgmd.cf.ac.uk）和基因組聚合數(shù)據(jù)庫（http://gnomad.broadinstitute.org）的預(yù)測結(jié)果估計(jì)，約每4 733個(gè)活產(chǎn)兒中即存在1個(gè)LD患兒，該預(yù)測值顯著高于先前的臨床診斷統(tǒng)計(jì)值［5］。雖然近年來有大量基于遺傳學(xué)檢查獲得診斷的LD病例報(bào)道［6-9］，但目前尚未得到基于分子診斷模式的發(fā)病率數(shù)據(jù)。隨著遺傳學(xué)技術(shù)在新生兒篩查和診斷中的廣泛應(yīng)用、基于大規(guī)模人群基因組學(xué)數(shù)據(jù)測算的LD相對頻率［10］、更多LD相關(guān)基因的挖掘［11］，基于遺傳學(xué)檢查的陽性診斷率將得到進(jìn)一步提升，LD的流行病學(xué)數(shù)據(jù)也將得到進(jìn)一步完善［12］。

3 LD的遺傳學(xué)病因

遺傳變異如單基因變異、線粒體基因變異、染色體數(shù)目異常和微缺失/微重復(fù)綜合征等均可導(dǎo)致LD。多數(shù)LD為單基因病，根據(jù)在線人類孟德爾遺傳數(shù)據(jù)庫（https://omim.org）的檢索，截至2021年1月已有406種LE有了相對明確的致病基因（涉及410個(gè)基因），其中包含了119種LD，其中最多的為核基因變異相關(guān)的線粒體疾病（102個(gè)），最少的為編碼髓鞘特異性蛋白基因的異常（3個(gè)）。約80%的LD呈常染色體隱性遺傳。線粒體基因變異引起的LD有線粒體腦肌病伴高乳酸血癥和腦卒中樣發(fā)作、Leigh氏腦病、線粒體呼吸鏈功能異常相關(guān)腦病、Kearns-Sayre綜合征等。染色體異常如12p四體綜合征、環(huán)狀18號染色體、49,XXXXY綜合征和染色體18q缺失綜合征等也可導(dǎo)致LD。此外，微缺失/重復(fù)綜合征如6p25微缺失、3p21.31缺失、22q11.2重復(fù)等也被視作LD的發(fā)病原因［13］。

4 LD的基因型-表型關(guān)系

近年來，神經(jīng)病理學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)、遺傳學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展使人們對LD的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深，同時(shí)也產(chǎn)生了多種分類方式。如根據(jù)LD的細(xì)胞病理學(xué)特征，可分為髓鞘形成低下、髓鞘形成障礙、脫髓鞘等［14］；根據(jù)主要累及的腦組織成分可分為原發(fā)性髓鞘病、星形膠質(zhì)細(xì)胞病、小膠質(zhì)細(xì)胞病、白質(zhì)-軸突病、白質(zhì)-血管病等［15］；根據(jù)神經(jīng)影像學(xué)特征可分為髓鞘形成減少、脫髓鞘、髓鞘空泡化、異常髓鞘物質(zhì)堆積、白質(zhì)血管病變等［16-17］。值得注意的是，由于LD的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，上述分類方式不完全獨(dú)立，可能同時(shí)屬于多個(gè)種類。本節(jié)將基于細(xì)胞病理學(xué)特征的分類方式，對各類型LD中常見的基因型-表型關(guān)系進(jìn)行介紹。

4.1 髓鞘形成低下性LD

髓鞘形成低下是指少突膠質(zhì)細(xì)胞的原發(fā)缺陷導(dǎo)致髓鞘無法生成或維持，如佩梅病（Pelizaeus-Merzbacher disease，PMD）、佩梅樣病、POLR基因相關(guān)LD等。以X連鎖隱性遺傳的PMD為例，PLP1基因變異可導(dǎo)致髓鞘的主要成分PLP1蛋白或其剪接變異體DM20的異常折疊，進(jìn)而導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞無法形成或死亡。通過檢測PLP1基因拷貝數(shù)或直接進(jìn)行測序可明確遺傳學(xué)診斷。PMD為遺傳異質(zhì)性疾病，具有嚴(yán)格的基因型-表型相關(guān)性，不同PLP1基因變異類型可導(dǎo)致臨床表型嚴(yán)重程度不同。如重復(fù)變異可致經(jīng)典型PMD，錯(cuò)義變異可表現(xiàn)為更嚴(yán)重的先天型PMD，而無效變異如缺失變異等則可導(dǎo)致病情較輕的無PLP1綜合征和痙攣性截癱Ⅱ型［18］。經(jīng)典型PMD男性患兒多在生后第1年內(nèi)發(fā)病，表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)發(fā)育遲緩、肌張力障礙、眼球震顫、共濟(jì)失調(diào)、痙攣等，并伴有不同程度的智力障礙；先天型PMD患兒生后早期起病，臨床可表現(xiàn)為眼球震顫、肌張力障礙、吞咽困難、癲癇等，運(yùn)動(dòng)智力發(fā)育嚴(yán)重受損，多于兒童期死亡；而無PLP1綜合征和痙攣性截癱Ⅱ型患者神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)相對溫和，通常于青少年期起病，可保留行走能力并伴有輕微的認(rèn)知功能障礙［19］。

4.2 髓鞘形成障礙性LD

髓鞘形成障礙是指形成的髓鞘定位異?；蚬δ墚惓?，如亞歷山大?。ˋlexander disease，AxD）、伴皮質(zhì)下囊腫的巨腦性白質(zhì)腦病、Aicardi-Goutières綜合征等。以常染色體顯性遺傳的AxD為例，GFAP基因的功能獲得性變異可導(dǎo)致星型膠質(zhì)細(xì)胞無法正確調(diào)節(jié)髓鞘形成，形成異常膠質(zhì)纖維酸性蛋白，激活星型膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的多重應(yīng)激途徑而致??；此外，星型膠質(zhì)細(xì)胞的缺陷也可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外離子不平衡，進(jìn)而造成髓鞘內(nèi)液體積聚（空泡化）而致?。?0］。疾病嚴(yán)重程度與GFAP基因的過表達(dá)水平和受影響的氨基酸種類均密切相關(guān)［21］。AxD的發(fā)病年齡從產(chǎn)前到成年期不等，可根據(jù)臨床表現(xiàn)將AxD分為2類，Ⅰ型AxD為早發(fā)型，患兒多在嬰兒期出現(xiàn)整體發(fā)育遲緩、進(jìn)行性的大頭畸形和癲癇發(fā)作，并隨著疾病的進(jìn)展出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能和認(rèn)知能力的退化，多于10年內(nèi)死亡；Ⅱ型則可發(fā)病于所有年齡段，臨床上主要表現(xiàn)為共濟(jì)失調(diào)、構(gòu)音障礙、自主神經(jīng)功能紊亂、眼球運(yùn)動(dòng)障礙、肌陣攣等。而Ⅱ型AxD患者發(fā)病較為隱匿，晚期可出現(xiàn)共濟(jì)失調(diào)、肌陣攣、吞咽困難和構(gòu)音障礙等，伴有不同程度的認(rèn)知能力下降［21］。

4.3 脫髓鞘性LD

脫髓鞘是指已形成的髓鞘丟失或被破壞，多為累及腦白質(zhì)的遺傳代謝性疾?。▏?yán)格定義上屬于gLE），如球形細(xì)胞腦白質(zhì)營養(yǎng)不良/克拉伯病、腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良（adrenoleukodystrophy，ALD）、異染性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良（metachromatic leukodystrophy，MLD）等。以常染色體隱性遺傳的MLD為例，ARSA基因變異可導(dǎo)致芳基硫酸酶A活性降低或缺乏，進(jìn)而導(dǎo)致硫酸鹽在中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中沉積，前者可通過影響細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞應(yīng)激、細(xì)胞凋亡等使髓鞘結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而致病。ARSA基因的變異類型與殘留的芳基硫酸酶A活性密切相關(guān)，也因此產(chǎn)生了不同的疾病類型，然而值得注意的是，由于其他生化或表觀遺傳因素的影響，即使具有相同致病變異的患者，其發(fā)病時(shí)間和臨床表型也有差異［22］。據(jù)推測，酶活性越低，發(fā)病年齡越早，MLD可根據(jù)首發(fā)癥狀的發(fā)生年齡分為晚期嬰兒型、青少年型、成人型。晚期嬰兒型MLD為最常見和最嚴(yán)重的類型，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀出現(xiàn)前通常先出現(xiàn)快速進(jìn)展的周圍神經(jīng)病變，臨床表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)功能受損、痙攣性四肢癱、癲癇發(fā)作、共濟(jì)失調(diào)、視神經(jīng)萎縮和認(rèn)知障礙等，患兒通常于兒童期死亡；青少年型MLD起病于3～16歲間，起病相對隱匿，認(rèn)知障礙和行為改變?yōu)橹饕鸩“Y狀，進(jìn)而發(fā)展為中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)的異常；而成人型MLD起病于16歲后，其典型特征為精神病性癥狀（如幻覺），由于進(jìn)展緩慢，常被誤診為早發(fā)性癡呆或精神分裂癥［23］。

5 LD的臨床遺傳學(xué)診療流程

隨著遺傳學(xué)檢查技術(shù)在臨床的普及和廣泛應(yīng)用，結(jié)合神經(jīng)影像學(xué)檢查和遺傳學(xué)檢查二者的深度表型信息將成為LD的主流診斷模式［12］。該模式顯著提升了LD的診斷率，對評估預(yù)后和指導(dǎo)精準(zhǔn)化治療等有著重要的參考價(jià)值，但全面的病史采集、神經(jīng)影像學(xué)檢查等在LD遺傳學(xué)檢查的前期評估中也不容忽視。LD的臨床遺傳學(xué)診療流程如圖1所示。

圖1 LD的臨床遺傳學(xué)診療流程圖

5.1 病史采集

家族史等臨床信息可以使LD的遺傳學(xué)檢查分析更有針對性。了解疾病發(fā)生的誘因可排除獲得性LE，避免不必要的檢查；明確的家族史可有助于推測LD的遺傳模式。多數(shù)LE患者于兒童期起病，極少數(shù)起病于成人期［24］。如PMD多起病于1歲以內(nèi)；巨軸索神經(jīng)病多起病于5歲以內(nèi)；ALD多起病于幼兒期內(nèi)，新生兒ALD起病于1個(gè)月以內(nèi)；MLD多起病于青春期內(nèi)；成人葡聚糖體病可至成年期才發(fā)病［15］。LD的臨床表現(xiàn)主要可分為神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和非神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。運(yùn)動(dòng)障礙是LD最常見的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀之一，病變累及錐體束時(shí)，患者可出現(xiàn)驚厥、行走能力受限或肌張力障礙等；病變累及周圍神經(jīng)時(shí)，初期可表現(xiàn)為肌張力低下，而至晚期則可出現(xiàn)痙攣發(fā)作；病變累及基底節(jié)時(shí)，可表現(xiàn)為異常不自主運(yùn)動(dòng)。隨著疾病進(jìn)展，以運(yùn)動(dòng)障礙為主要癥狀起病的LD還可出現(xiàn)其他神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，如自主神經(jīng)功能異常、認(rèn)知損害、共濟(jì)失調(diào)、眼球震顫等。除了神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，非神經(jīng)系統(tǒng)癥狀的綜合評估也有助于診斷［13］。如伴皮質(zhì)下囊腫的巨腦性白質(zhì)腦病的特異性表現(xiàn)為巨顱畸形，而Aicardi-Goutières綜合征的特異性表現(xiàn)為小頭畸形［25］。隨著新生兒高通量測序技術(shù)的臨床推廣應(yīng)用，針對患兒不同發(fā)育過程中多維度的自然病史采集有助于LD的早期發(fā)現(xiàn)與精準(zhǔn)管理。

5.2 神經(jīng)影像學(xué)檢查

頭顱MRI是既往診斷LD的主要影像學(xué)檢查手段。各類型LD的MRI特征有共性也有差異［26］，如表1所示。然而生后早期髓鞘發(fā)育變化迅速，很難對圖像進(jìn)行準(zhǔn)確判讀，因此Desai等［27］認(rèn)為6月齡前的患兒主要應(yīng)參考T1加權(quán)像，而T2加權(quán)像對大于6月齡的患兒更有參考價(jià)值。不同MRI序列對大腦結(jié)構(gòu)成分的敏感度不同，目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為T1加權(quán)像、T2加權(quán)像和液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列是疑似LD患者的必選。MRI以低成本的優(yōu)勢為后續(xù)的遺傳學(xué)分析提供了更有針對性的信息，并通過多模態(tài)的神經(jīng)影像學(xué)評估為臨床提供了預(yù)警標(biāo)志物［28］。

表1 不同類型LD的病理變化及MRI特征表現(xiàn)

5.3 遺傳學(xué)檢查

目前家系全外顯子組測序（whole exome sequence，WES）是疑似LD的首選。其檢測范圍主要為外顯子組區(qū)域及其剪切位點(diǎn)周圍5～20 bp范圍內(nèi)的單堿基變異和50 bp以內(nèi)的插入/缺失變異，雖然上述區(qū)域只占基因的1%左右，卻包含了85%的致病變異［29］。有文獻(xiàn)報(bào)道，目前基于WES的LD診斷率可高達(dá)73%［12］。將WES應(yīng)用于LD的診斷不但有助于增強(qiáng)診斷特異性，而且還有助于擴(kuò)大LD病種和加深對疾病的理解。WES已幫助發(fā)現(xiàn)了約72種新的LD基因型-表型聯(lián)系，但由于技術(shù)所限，WES無法準(zhǔn)確檢測重復(fù)序列、拷貝數(shù)變異、內(nèi)含子變異等［13］。與WES相比，靶向目標(biāo)基因包測序（targeted panel sequencing，Panel）和全基因組測序（whole genome sequencing，WGS）在LD的使用和研究較為有限［30-31］。雖然Panel價(jià)格低廉，但由于LD的臨床表現(xiàn)異質(zhì)性過高，很難錨定準(zhǔn)確的基因包，因此基因組的低覆蓋率導(dǎo)致了其相對較低的診斷率，LD的隊(duì)列研究顯示Panel的診斷率僅為13.3%［30］。WGS的廣覆蓋度顯著提升了LD的診斷率，但是其高成本和分析難度的增加使其難以被大規(guī)模應(yīng)用到診斷實(shí)踐中。

5.4 精準(zhǔn)化治療

明確的臨床遺傳學(xué)診斷有助于指導(dǎo)患兒個(gè)體化的精準(zhǔn)靶向治療。干細(xì)胞移植在治療LD上有很大潛力，尤其造血干細(xì)胞移植可在早期延長患者的生存期［32-33］，目前研究證實(shí)造血干細(xì)胞移植僅對部分LD，如ALD、MLD、克拉伯病等有效［34-36］。中樞神經(jīng)干細(xì)胞移植的細(xì)胞替代療法也可通過刺激內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生以促進(jìn)髓鞘重塑，而遺傳學(xué)診斷可指導(dǎo)移植的神經(jīng)細(xì)胞類型，如PMD患兒應(yīng)移植少突膠質(zhì)細(xì)胞、AxD患兒應(yīng)移植星形膠質(zhì)細(xì)胞等［37］。此外，基因治療基因治療也有望在未來投入到LD患兒的治療中。然而上述療法尚未在臨床中被廣泛應(yīng)用，支持對癥治療仍是目前大多數(shù)LD患兒的主要選擇，但遺傳學(xué)診斷可以指導(dǎo)不同類型LD的特異性對癥治療。如ALD患兒在發(fā)病前服用不飽和脂肪酸如洛佐倫油或極長鏈脂肪酸可緩解病情進(jìn)展［38］；MLD患兒可在早期行膽囊切除術(shù)預(yù)防膽囊息肉或膽囊癌等［39］；Aicardi-Goutières綜合征患兒全身性應(yīng)用皮質(zhì)醇可緩解自身免疫異常相關(guān)癥狀［40］。

6 總結(jié)與展望

LD是一組以原發(fā)性神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘異常為特征的遺傳異質(zhì)性疾病，多數(shù)具有嚴(yán)格的基因型-表型相關(guān)性。新生兒篩查可通過早期積極的臨床管理，有效降低疾病嚴(yán)重預(yù)后的發(fā)生率，高通量測序的應(yīng)用顯著改善了傳統(tǒng)篩查的診斷效能。目前在我國LD尚未被納入新生兒篩查，然而部分LD是可防可控的，2021年中國新生兒篩查專家共識(shí)首次將ALD納入了新生兒基因篩查推薦疾病清單［41］。隨著對疾病的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和特異性療法的出現(xiàn)，更多LD病種將被納入潛在篩查對象。