综述：有机酸血症的代谢组学研究：当前进展与未来展望

本综述系统探讨了有机酸血症（Organic Acidemias, OAs）的代谢组学研究进展。文章重点介绍了靶向与非靶向代谢组学技术（如GC/MS、LC-MS/MS、NMR）在疾病诊断、生物标志物发现及病理机制研究中的应用，强调了代谢组学在揭示线粒体功能障碍、自噬异常等分子机制中的价值，并展望了人工智能与多组学整合在精准医疗中的前景。

　　

引言与历史背景

有机酸血症（Organic Acidemias, OAs）是一类先天性代谢缺陷，主要涉及支链氨基酸分解代谢中特定酶的活性受损，导致异常有机酸及其代谢物在组织、血液和体液中累积。历史上，乳酸是首个通过实验室方法在血液中检测到的异常有机酸，常与高阴离子间隙代谢性酸中毒相关。20世纪60年代，随着色谱技术（如硅胶色谱、纸色谱和柱色谱）的发展，有机酸检测方法逐步完善。气相色谱（Gas Chromatography, GC）技术的引入显著提升了临床诊断的敏感性和精确性。GC与质谱（Mass Spectrometry, MS）的联用（GC/MS）进一步提高了方法的可靠性，而串联质谱（Tandem Mass Spectrometry, TMS）则实现了血液和尿液中酰基肉碱形式的有机酸检测。目前，GC/MS是尿液有机酸临床诊断的金标准方法，而TMS更适用于新生儿筛查和临床筛查。

有机酸血症的临床表现

尽管有机酸血症在生化水平上具有特异性，但其临床表现极为多样，症状常与其他遗传代谢病或非遗传性疾病（如新生儿感染和败血症）重叠。多数OAs表现为系统性中毒型疾病，早期即影响脑、肝、肌肉、肾和心脏等多个器官。其主要临床表型可分为三类：系统性有机酸血症（如甲基丙二酸血症、丙酸血症和异戊酸血症）、脑性有机酸血症（如戊二酸血症1型）以及导致低血糖的有机酸血症（如3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A裂解酶缺乏症）。这些疾病常表现为代谢性酸中毒、嗜睡、呕吐、昏迷等，未经治疗可导致死亡。

线粒体功能障碍与自噬异常

线粒体缺陷在有机酸血症发病机制中的作用近年备受关注。有毒代谢物的积累直接损害线粒体功能，并通过干扰细胞内自噬通路加剧损伤。例如，丙酸血症中的丙酰辅酶A（Propionyl-CoA）积累抑制三羧酸循环（TCA Cycle）关键酶（如丙酮酸脱氢酶和N-乙酰谷氨酸合成酶），导致能量代谢障碍、活性氧（ROS）增加和钙稳态失衡。自噬（特别是线粒体自噬）的缺陷进一步导致功能障碍线粒体的积累，形成氧化应激的恶性循环，最终引发细胞死亡。常见OAs（如甲基丙二酸血症、丙酸血症和戊二酸血症1型）均伴有乳酸升高、呼吸链复合物活性降低和氧化应激标志物升高，这些特征为靶向代谢组学分析提供了依据。

有机酸代谢组学的一般原理与技术

代谢组学是对细胞、组织和体液中低分子量化合物（代谢物）的全面分析，是诊断和管理有机酸血症等遗传代谢病的重要工具。其主要技术平台包括质谱（MS）和核磁共振（NMR）。NMR可提供定量数据和丰富的分子结构信息，但灵敏度和选择性不及MS技术。MS-based代谢组学分为靶向和非靶向两种方法：靶向分析针对特定化合物组，优化于高灵敏度检测和定量；非靶向分析则旨在无偏见地检测样本中尽可能多的代谢物（通常数千种），依赖高分辨率质谱（如TOF、Orbitrap和FT-ICR）和多元统计分析。非靶向方法的优势在于能发现新的生物标志物、辅助解读全外显子测序中的意义未明变异（VUS），并提高诊断率（较常规筛查高六倍）。然而，其挑战在于处理大量未知临床意义的特征（FUS），这些可能源于饮食、微生物组或药物。NMR spectroscopy（包括体内磁共振波谱MRS）也可用于体液分析，提供非破坏性、定量的代谢物评估。

常见有机酸血症的代谢组学研究

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  甲基丙二酸血症（Methylmalonic Acidemia, MMA）和丙酸血症（Propionic Acidemia, PA）：非靶向代谢组学研究发现，PA和MMA患者血浆中丙酰肉碱（C3）升高，但异戊酰肉碱（C5）仅在MMA中显著增加。新型生物标志物如胱硫醚亚砜、甲基山梨酸和高柠檬酸在PA和MMA中均升高。尿液¹H-NMR可检测丙酸（仅NMR可检测）、3-羟基丙酸和丙酰甘氨酸。

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  异戊酸血症（Isovaleric Acidemia, IVA）：靶向检测显示C5-肉碱升高，尿液GC/MS检测到异戊酰甘氨酸和3-羟基异戊酸。非靶向方法发现新型异戊酰和乙酰氨基酸结合物（如异戊酰天冬酰胺和乙酰色氨酸），这些可能作为解毒机制的一部分。

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  3-羟基-3-甲基戊二酸尿症（HMGCLD）：靶向分析显示C5OH和C6DC升高，非靶向LC-MS检测到3-甲基戊烯二酸和3-羟基-3-甲基戊二酸。脑MRS可识别这些代谢物。

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  β-酮硫解酶缺乏症：靶向TMS检测到tiglylcarnitine（C5:1）和3-羟基异戊酰肉碱（C5OH），非靶向方法发现tiglyl甘氨酸和2-甲基-3-羟基丁酸（2M3HB）。

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  多重羧化酶缺乏症（MCD）：包括全羧化酶合成酶和生物素酶缺乏症，靶向检测显示C5OH升高，尿液GC/MS显示3-羟基异戊酸和甲基柠檬酸升高。

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  戊二酸血症1型（GA1）：靶向检测显示戊二酸（GA）、3-羟基戊二酸和戊二酰肉碱（C5DC）升高，非靶向LC-QTOF和MRS进一步确认这些标志物，并发现N-乙酰天冬氨酸（NAA）降低和乳酸升高。

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  尿黑酸尿症（Alkaptonuria, AKU）：由HGD基因变异导致尿黑酸（HGA）积累，GC/MS可作为快速诊断标记。

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  枫糖尿症（Maple Syrup Urine Disease, MSUD）：尽管归类为氨基酸病，但也是支链有机酸 disorder，靶向检测显示支链氨基酸和相应酮酸升高。

结论与未来展望

许多国家已建立有机酸血症的新生儿筛查程序（表2）。尽管靶向诊断已有成熟代谢物标志物，但代谢组学技术的进步允许检测更专一和细微的代谢物，这些新标志物可能揭示疾病 pathogenesis、表型关联和治疗监测潜力。非靶向代谢组学（如CSF分析）已发现新型代谢物（如4,5-二羟基庚酸），其水平与临床严重度相关。未来，人工智能和多组学整合将推动OAs的精准诊断和管理，从依赖单一代谢物转向疾病特异性网络和模式识别。样本类型和时间（如代谢失代偿期）仍是非靶向方法的关键考虑因素。