甲基丙二酸血症(methylmalonic acidemia, MMA)是一种因基因变异导致的先天性代谢异常疾病
[1-2],随着高危筛查的普及,我国儿童的发病率已高达1/26 000
[3]。MMA主要是由甲基丙二酰辅酶A变位酶(methylmalonyl⁃coA mutase, MCM)缺陷或维生素B
12(cobalamin, cbl)代谢缺陷导致
[4-5],进而引起多种代谢产物如甲基丙二酸、3⁃羟基丙酸、甲基枸橼酸等异常蓄积,最终导致神经、泌尿、血液等多系统损伤,临床表现为发育迟缓、呕吐、代谢性酸中毒和三系减少等症状
[6-7]。MMA的临床表现、诊断和治疗较为复杂,临床诊断中极易出现误诊、漏诊,且一般年龄越小的患儿临床症状越严重,因此是否得到及时治疗与患儿预后密切相关
[8-10]。目前常见的诊断方法包括新生儿筛查、实验室检查、尿有机酸分析、同型半胱氨酸测定、维生素B
12负荷试验、酶学检查和基因检测等
[11]。串联质谱(tandem mass spectrometry, MS/MS)技术可以在一次分析过程中对多种目标进行检测,大大提高了筛查效率,尤其适用于多种遗传代谢性疾病的诊断
[12-13]。但MS/MS检测结果解读复杂,需要高度专业的知识和经验,对临床操作人员提出了较高要求,限制了该技术的普及。近年来,人工智能(artificial intelligence, AI)得到了飞速发展,该技术可以实现智能化、标准化解读,有效提高临床诊断的效率和准确率
[14-16]。鉴于目前未见MS/MS与AI联合诊断在MMA中的应用报道,本研究计划探究MS/MS联合AI技术诊断新生儿MMA的准确率,并分析诊断准确性的影响因素,以便提高临床诊断准确率,最终构建“筛查-智能诊断-精准治疗”的完整闭环,有助于实现早期干预和提高预后水平。
1 资料与方法
1.1 研究对象
召回我院2019年1月—2024年12月间MMA初筛结果阳性的新生儿246例进行复查,其中男性132例(53.7%),女性114例(46.3%);胎龄37~41周,平均(38.3±1.2)周;平均年龄(3.6±1.3)d;出生体重2.5~4.2 kg,平均(3.4±0.4)kg。纳入标准:(1)新生儿体重>2.5 kg,出生72 h以后,哺乳6次以上;(2)初筛结果阳性的新生儿
[17];(3)均接受MS/MS和基因检测的新生儿。排除标准:(1)伴随心肺功能先天功能障碍(如先天性心脏病、支气管肺发育不良等);(2)合并严重感染者(需满足以下至少2项:体温>38.5℃或<36℃;白细胞计数>15×10
9/L或<4×10
9/L;C反应蛋白>20 mg/L)。本研究已获得我院伦理委员会批准(伦理批号:QHDFY⁃2024061101),所有参与研究的儿童家长均签署了知情同意书。
1.2 MS/MS检测
乙酰肉碱(acetylcarnitine, C2)、丙酰肉碱(propionycarnitine, C3)、甲硫氨酸(methionine, MET)、苯丙氨酸(phenylalanine, PHE)、鸟氨酸(ornithine, ORN)、甘氨酸(glycine, GLY)、乳酸(lactic acid, LAC)和血氨等MS/MS(非衍生化法)检测试剂盒购于山东英盛生物技术有限公司。
所有新生儿取足底血样本滴于采血滤纸片(贵州里定医疗网络科技股份公司),待室温晾干后制作成干血滤纸片,于4℃冷藏保存。检测时用打孔器取1张3.2 mm干滤纸片置于微型板孔内,使用移液器向每孔精确加入90 μL工作液,铝箔密封。在30℃、700 r/min条件下振荡45 min,取上清液85 μL置于另一微型板孔内,封膜后置于超高效液相色谱⁃MS/MS仪(美国Waters公司;色谱柱:1.7 μm,2.1 mm×50 mm,C18)进行检测。上机后取35 μL上清液进样,检测C2、C3、C3/C2、MET、PHE、ORN、GLY、LAC和血氨水平。
MMA诊断标准
[18]:C3>3.5 μmol/L或C3/C2>0.25,伴或不伴MET<8 μmol/L。
1.3 基因检测
基因检测是目前诊断MMA的金标准。采用全外显子组测序,MMA对应的编码基因为
MUT、
MMAA、
MMAB、
MMACHC、
MMADHC和
LMBRD1,通过对上述基因的检测可以对MMA进行精确诊断。抽取患儿及其父母外周血2 mL,EDTA抗凝,采用DNA提取试剂盒(德国QIAGEN公司)提取基因组DNA,采用分光光度计(美国Thermo Fisher Scientific公司)测定DNA浓度,将样本稀释至10~20 ng/μL,并确保OD
260 nm/280 nm在1.8~2.0之间。由北京全谱医学检验实验室完成基因测序。测序后参考2015年美国医学遗传学和基因组学学会遗传变异分类标准
[19],将基因变异分为致病性、可疑致病性、临床意义不明和良性变异。本研究将致病性变异、可疑致病性变异认定为MMA。
1.4 AI诊断
收集我院既往1 566例新生儿的初筛资料,纳入标准和排除标准同1.1章节,按9∶1的比例随机分配至训练集和验证集,其中训练集1 409例(MMA 652例,对照757例),验证集157例(MMA 69例,对照88例)。导出训练集新生儿的质谱数据文件(CSV格式)至Anaconda Jupyter(ver. 6.5.2)软件中,使用python程序进行缺失值补充和数据归一化。使用python程序调用支持向量机的AI算法进行模型训练和优化,最终得到基于MS/MS数据的AI诊断方法。
联合诊断采用序列试验,MS/MS初筛阳性者,进一步经AI模型判读,两者均阳性判定为联合诊断阳性,否则为阴性。经基因诊断确诊MMA患儿13例,根据MS/MS联合AI诊断是否准确将其分为诊断正确组(n=12)和诊断错误组(n=1)。
1.5 电生理检查
所有入组新生儿均进行脑电图检查,采用深圳市博英医疗仪器科技有限公司MB8000型8导动态脑电图仪和PcmclA闪光卡记录盒做24 h脑电实时记录。按国际10-20系统放置头皮电极,地线置于额极中点。记录患儿监测过程中清醒、活跃、困倦、安静睡眠及活动睡眠等不同状态下的脑电活动。出现棘波、尖波、棘慢波、尖慢波综合波或其他阵发性节律波则视为异常。
1.6 统计学分析
采用SPSS 26.0统计学软件进行数据处理。计数资料以例数和百分率(%)表示,组间比较采用检验或Fisher确切概率法。采用Kappa一致性检验评估多种诊断方法诊断结果的一致性,Kappa值0.81~1.00为几乎完全一致,0.61~0.80为一致性高,0.41~0.60为一致性中等,0.21~0.40为一致性一般,≤0.20为一致性差。采用受试者操作特征曲线(receiver operating characteristic curve, ROC曲线)分析各诊断方法对新生儿MMA的诊断效能。曲线下面积比较采用Delong检验。采用多因素logistic回归分析诊断准确性的影响因素。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 不同诊断方法对新生儿MMA的诊断结果比较
AI诊断新生儿MMA的阳性率最高(14.6%,36/246),MS/MS诊断次之(11.0%,27/246),联合诊断最低(7.7%,19/246)。联合诊断的MMA阳性率与基因诊断比较,差异无统计学意义(
P>0.05),而MS/MS诊断、AI诊断的阳性率均高于基因诊断(
P<0.05)。见
表1。
2.2 不同诊断方法的灵敏度、特异度、准确率、一致性比较
基因诊断的13例新生儿MMA中,10例MS/MS诊断为阳性,9例AI诊断为阳性,12例联合诊断为阳性。与基因诊断相比,联合诊断的灵敏度为92.3%,特异度为97.0%,准确率为96.7%,一致性高(
Kappa=0.733);MS/MS诊断的灵敏度为76.9%,特异度为92.7%,准确率为91.9%,一致性中等(
Kappa=0.462);AI诊断的灵敏度为69.2%,特异度为88.4%,准确率为87.4%,一致性一般(
Kappa=0.314)。见
表2。
2.3 不同诊断方法对新生儿MMA的效能分析
以基因诊断为金标准,评估联合诊断、MS/MS诊断和AI诊断对MMA的诊断效能,结果显示,ROC曲线下面积分别为0.914(95%CI:0.867~0.935,P<0.001)、0.759(95%CI:0.635~0.816,P<0.001)和0.669(95%CI:0.584~0.776,P<0.001)。对不同诊断方法的ROC曲线下面积进行比较,结果显示,联合诊断的曲线下面积大于MS/MS诊断(Z=4.569,P<0.001)、AI诊断(Z=5.359,P<0.001),MS/MS诊断优于AI诊断(Z=2.715,P<0.001)。
2.4 不同临床特征对诊断准确性的影响因素分析
单因素分析显示,MET、PHE、ORN、GLY、血氨、LAC水平及电生理检查结果均与诊断准确性相关(
P<0.05),见
表3。
将
表3中差异有统计学意义的指标纳入多因素logistic回归分析,结果显示,MET、PHE、ORN、GLY、血氨、LAC水平低,以及电生理检查结果异常均是影响诊断准确性的因素(
P<0.05),见
表4。
3 讨论
MMA传统诊断策略容易导致误诊
[20]。随着医学技术的发展,生化指标检测、MS/MS和气相色谱-质谱等技术已广泛应用于MMA的临床诊断
[21-22]。临床上可通过检测血液酰基肉碱谱、甲基丙二酸和有机酸浓度,辅助判断新生儿是否罹患MMA
[23]。AI同样可以对疾病的发生进行判断,通过MS/MS参数与AI模型相结合的方式对疾病做出诊断
[24]。本研究将MS/MS检测与基于MS/MS参数的AI技术相结合,为MMA诊断提供新的思路。
本研究发现,AI诊断新生儿MMA的阳性率最高,联合诊断阳性率最低。联合诊断的灵敏度为92.3%,特异度为97.0%,与金标准一致性高;MS/MS诊断的灵敏度为76.9%,特异度为92.7%,与金标准一致性中等;AI诊断的灵敏度为69.2%,特异度为88.5%,与金标准一致性一般。与既往研究
[25]比较,本研究中MS/MS诊断的灵敏度较低,推测原因包括:(1)生物标志物截断值选择较为保守,未能平衡灵敏度和特异度,从而导致灵敏度偏低;(2)MS/MS诊断的准确性高度依赖前期处理、仪器校准和数据分析等环节,高通量新生儿筛查中可能存在操作偏差,导致灵敏度偏低。MS/MS诊断与AI诊断在一定程度上均可诊断MMA,但联合诊断明显优于二者单独使用,二者联合的灵敏度和特异度均达到较高水平,可以在临床推广使用。
本研究多因素logistic回归分析显示,MET、PHE、ORN、GLY、血氨、LAC水平及电生理检查结果均是影响诊断准确性的因素。电生理检查结果对新生儿诊断准确性影响较大,可能是因为电生理检查的特异性较差,部分患儿可能因临床症状的不同而表现出不同的生理学参数,因此需要纳入更多样本作为训练集以完善AI辅助诊断。PHE是异亮氨酸、胆固醇及奇数链脂肪酸代谢过程中甲基丙二酰辅酶A的代谢产物,正常情况下会在MCM及维生素B
12的作用下转化,并进行后续的代谢过程
[26-27]。当MCM发生缺陷或维生素B
12代谢异常时,会导致PHE、MET、ORN和GLY的异常堆积,进而引发多种系统的损伤
[28]。PHE、MET、ORN和GLY水平反映MMA患儿的病情,PHE、MET、ORN和GLY水平较低时病情较轻、症状不明显,因此对诊断准确率影响较大
[29]。本研究ROC曲线分析显示,联合诊断、MS/MS诊断和AI诊断曲线下面积分别为0.914、0.759和0.669;联合诊断的曲线下面积大于MS/MS诊断、AI诊断,MS/MS诊断大于AI诊断,联合诊断的诊断效能最佳。提示临床中可将MS/MS联合AI诊断模型作为MMA精准诊断的优选方案,而MS/MS诊断更侧重于需精确量化分析的专科场景,AI诊断则适用于大规模筛查或动态监测场景。
综上,MS/MS联合AI诊断对新生儿MMA的诊断准确率较高,MET、PHE、ORN、GLY、血氨、LAC水平低,以及电生理检查结果异常可影响MMA的诊断准确性。但本研究存在不足:(1)受限于样本量较小和单中心回顾性设计,可能存在一定偏倚,未来研究将扩大样本规模并采用多中心前瞻性设计,提升结果的准确性和普适性;(2)未纳入临床表现,未来将协调多中心收集患儿临床表现信息,并对AI进行训练和完善,以期为MMA患儿提供更加优质、高效的医疗服务。
秦皇岛市科学技术研究与发展计划项目(202401A026)