阿尔茨海默病生物标志物应用指南及研究进展

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9月21日

世界阿尔茨海默病(AD)日

摘要

阿尔茨海默病（AD）是一种与岁数相关的神经退行性疾病，估计在将来几十年，AD的发病率将呈指数增进。AD生物标记物的临床应用和相关指南的制订履历了漫长的进程。今朝，临床应用的AD临床诊断尺度首要包罗国际工作组织（IWG）制订的IWG-2尺度，美国国立老化研究所-阿尔茨海默病协会（NIA-AA）制订的NIA-AA尺度和中国老年保健协会老年痴呆及相关疾病专业..（ADC）发布的《中国阿尔茨海默病痴呆诊疗指南（2020年版）》。此外，除了已经确立的脑脊液中的焦点标记物包罗Aβ42、T-tau和P-tau，其他分子病理学途径中可作为诊断AD的标记物的研究在近十年来取得显著提高。本文离别就AD生物标记物应用指南与AD病理历程相关生物标记物的研究进展进行阐述。

阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）是一种与岁数相关的最常见的神经系统退行性疾病。估计在将来几十年，AD的发病率将呈指数增进。截止2021年，我国有跨越1 000万名AD患者，是全球AD患者数量最多的国度。有研究显露［1, 2, 3］，中国AD患者相关的人均经济成本（医疗成本、非医疗成本与间接成本）约为19 144美元，远高于癌症（2 022美元）和心血管疾病（13 408美元）。是以，AD将成为21世纪威胁我国人民生命产业平安及精神健康最严重的疾病之一。

今朝认为，AD是一个从发生病理改变到显现临床症状的一连性疾病过程，病理生理改变在显现临床症状的15~20年前就已经起头［4, 5］。在诸多AD治疗的临床试验中，平日在稍微认知功能障碍（mild cognitive impairment，MCI）期进行干涉被认为是较为有效的［6, 7］。是以，行使AD实验室诊断标记物开展疾病早期筛核对掌握AD的发病率具有主要意义。

一、AD生物标记物应用指南的成长进程

AD生物标记物的国际成长进程

AD生物标记物的临床应用和研究尺度的制订履历了漫长的进程。1984年，美国国立精神病学与说话障碍、卒中和阿尔茨海默病及相关疾病协会（National Institute of Neurological and Communicative Disorders and Stroke-Alzheimer′s Disease and Related Disorders Association，NINCDS-ADRDA）制订了第一个可供临床应用的AD诊断尺度，即NINCDS-ADRDA诊断尺度。该尺度凭据患者的认知能力及行为学临床症状将AD分为3种临床诊断尺度：有或者是AD（probably AD）、较大或者是AD（possible AD）、确诊为AD（definite AD）。个中“确诊为AD”需要在尸检后才能获得明确的诊断^［8］。这一尺度在临床上普遍应用了20多年。然而，因为缺乏特异的生物标记物，该尺度较难将AD与其他痴呆症（例如路易体痴呆、额颞叶痴呆等）区分隔^［9, 10］。跟着现代医学与科学手艺的繁荣成长，例如基于构造性磁共振成像手艺（structural magnetic resonance imaging，sMRI）^［11］与正电子发射体层摄影手艺（position emission tomography，PET）^［12］的神经影像学的显现、脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）/血液/体液成分的精准剖析等，一系列供临床诊断的AD生物标记物被发现并应用。2007年，国际工作组织（International Working Group，IWG）首次将生物标记物纳入AD的诊断尺度，即IWG尺度。其认定的生物学标记物首要有：海马、内嗅皮层、杏仁核体积的MRI（magnetic resonance imaging）影像学剖析，脑脊液成分的非常（Aβ1-42的浓度降低，T-tau卵白及P-tau卵白浓度升高），氟脱氧葡萄糖-正电子发射断层（fluorodeoxyglucose-positron emission tomography，FDG-PET）的影像学剖析^［13］。随后，2011年，美国国立老化研究所-阿尔茨海默病协会（National Institute on Aging-Alzheimer′s Association，NIA-AA）基于以上两版诊断尺度与当前的AD研究进展，将AD的发病过程更新为一连的3个阶段：临床前AD（preclinical AD）、稍微认知功能障碍（mild cognitive impairment，MCI）、老年痴呆（AD dementia），且每个阶段都具有响应的生物学标记物作为诊断尺度^［14］。2014年，国际工作组织将当前更新的生物标记物纳入到AD诊断尺度，提出了IWG-2尺度，同时扩充了AD的分类：即前驱期型AD（prodromal AD）、典型AD（typical AD）、非典型AD（atypical AD）、夹杂型AD（mixed AD）^{［15, 16］}。然而，跟着科学界对AD分子生物学机制的深入探究以及更多新型AD生物标记物的发现，NIA-AA于2018年提出了AT（N）研究框架。该框架中A指β-淀粉样卵白（amyloid β-protein，Aβ）的生物标记物，包罗Aβ-PET阳性和脑脊液中Aβ42（Aβ42或许Aβ42/Aβ40比值）水平下降；T即微管相关卵白Tau（microtubule-associated protein tau）卵白的生物标记物，包罗Tau-PET阳性和脑脊液P-tau（P-tau181或P-tau217）水平升高；N即神经变性或神经元伤害的生物标记物，包罗sMRI成像上的脑组织萎缩、FDG-PET上的代谢降低和脑脊液总Tau卵白以及神经丝轻链（neurofilament light chain，NfL）水平升高。个中，N指标不是AD的特异性指征，工作组认为同时显现“A”和“T”的生物标记物才能诊断为AD^{［17, 18］}。

AD生物标记物的国内成长进程

2012年8月，我国数十位中西医专家构成的中国痴呆临床实践指南工作组编著了中国第一部痴呆的中西医连系循证指南《中国痴呆诊疗指南》^［7］。2018年5月26日，在首届中国脑病大会揭幕式上，中国老年保健协会老年痴呆及相关疾病专业..（Alzheimer′s Disease Chinese，ADC）指南工作组正式发布了《中国痴呆诊疗指南（2017年版）》。2020年3月，ADC历时3年，召集了27个省市区163名神经科、精神科、脑病科、老年科、心理科、影像科、护理和养老范畴的专家，发布了《中国阿尔茨海默病痴呆诊疗指南（2020年版）》。该指南凭据证据和共识形成了17条首要介绍和42条次要介绍。该指南认为，脑脊液中Aβ42浓度降低、Aβ42/Aβ40比值降低、Tau或P-tau181浓度升高、P-tau181/Total-tau比值降低、Aβ42/Total-tau、Aβ42/P-tau比值降低或Total-tau/Aβ42、P-tau181/Aβ42比值升高，血浆中Aβ42浓度降低或Aβ42/Aβ40比值降低、Tau、P-tau181和P-tau217浓度升高均可作为AD诊断的生物标记物。此外，AD致病基因突变例如淀粉样前体卵白（amyloid precursor protein，APP）、早老素卵白1（presenilin 1，PSEN1）或早老素卵白2（presenilin 2，PSEN2）有助于识别早发型、家眷性AD^［19］。易感基因突变例如APOEε4等位基因，有助于展望家眷性AD及脑淀粉样血管病的发病风险^［20］。

二、AD的生物标记物的研究进展

生物标记物能够反映病理过程或治疗干涉后的药物回响。经典理论认为AD的病理过程首要有3种情形：（1）特定大脑区域的神经元丢失，稀奇是内侧和顶侧颞叶结合皮质；（2）神经细胞内神经纤维缠结，由群集并缩短的和高磷酸化的Tau卵白构成；（3）神经细胞外伴发神经炎症的斑块，首要由β淀粉样卵白构成^［21］。

2016年3月，阿尔茨海默精准医学规划（Alzheimer′s Precision Medicine Initiative，APMI），在筛选了跨越28 000份申报后，确定了1 404项基于血液的AD生物标记物的研究。凭据生物标记物研究分类获得如许的究竟：18%的研究基于传统的AD生物标记Aβ和Tau（或其相关肽、卵白质或变体），19%的研究基于遗传标记，29%的研究偏向是生物标记物，34%的研究与新兴分子病理学机制相关，包罗炎症、免疫回响、氧化应激、DNA伤害、线粒体功能障碍和神经或微血管伤害等^［22］。在此将从各个AD病理途径离别介绍相关生物标记物的研究进展。

Aβ卵白相关生物标记物

Aβ卵白是由跨膜卵白Aβ前体卵白（amyloid precursor protein，APP）经由β排泄酶（beta-secretase 1，BACE1）与γ排泄酶依次水解发生的含有37~43个氨基酸的肽段^［23］。个中Aβ40是最常的亚型，而Aβ42与Aβ43亚型水溶性较差，轻易群集形成寡聚体（Aβ oligomers）进而形成纤维（Aβ fibrils）或许斑块（Aβ plagues）^［24］。Aβ级联假说认为这种寡聚体具有较强的神经毒性，能够诱发一系列的AD精神病理改变，包罗Tau卵白的过度磷酸化和群集、小胶质细胞的激活^［25］。

Aβ作为最首要的AD生物标记物获得了普遍的研究。2004年，Klunk等首先将Aβ连系PET对AD患者大脑进行成像，Aβ斑块在大脑内的时空分布从而得以可视化的检测。今朝Aβ-PET病理学特征也用于临床上各个时期AD的评价指标^［26］。多项研究表明脑脊液中的AD生物标记物能够在MCI阶段之前检测到，2016年Olsson等的一项meta剖析表明，AD患者脑脊液中的Aβ42（而非Aβ40）比拟正常人也许下降50%，且该指标早于Aβ-PET显现^{［27, 28］}。因为Aβ42/Aβ40比值与临床数据更为接近，所以脑脊液中的Aβ42/Aβ40比值已被纳入临床生物标记物。尽管Aβ-PET与脑脊液生物标记物作为临床诊断指标更为正确，然而其对患者身体危险性较强且费用较高，近年来，血液AD标记物作为更简洁经济的生物标记物逐渐获得成长。2019年，Schindler等的血液质谱学数据验证了AD患者血液中的Aβ42/Aβ40比值转变同脑脊液及PET影像学数据转变一致，随后欧洲与美国将血液Aβ42/Aβ40比值也纳入到了AD生物标记物中^［25］。Aβ在血液中会形成分歧的群集状况（例如二聚体、三聚体甚至纤维等）导致其卵白性质不不乱，无法使用常规的检测血液标本方式（例如ELISA、Western blot），然而在检测试剂盒中到场一些不乱剂后则示意精巧，例如QPLEXTM Alz plus assay试剂盒等^［29］。Aβ血液标记物也同样能够指征AD的临床分期，有研究发现血液的Aβ42水平会跟着患者认知能力的下降而下降^［30］。

除临床承认的Aβ生物标记物，Aβ旌旗通路中的某些要害卵白也将会是AD潜在的生物标记物。多项数据证实，血浆中的BACE1有或者成为展望MCI进展到AD的生物标记物^［31］。有研究者发现，脑脊液中的神经颗粒卵白（neurogranin，Ng）与BACE1的比值能够区分具有相似认知缺陷的抑郁症和老年痴呆患者^［32^］。

Tau卵白相关生物标记物

Tau是一类存在于神经元轴突中的微管连系卵白，首要起着不乱微管的感化。Tau卵白在细胞内易发生翻译后润饰，例如磷酸化、乙酰化、糖基化和泛素化等。Tau卵白被磷酸化后极易发生群集并与微管连系能力削弱，尔后被释放到胞外域进入到突触与神经胶质细胞中，激发神经退行性疾病例如AD^［33］。

Tau-PET与Aβ-PET同样是作为可视化的用于临床诊断的AD生物标记物^［34］。然则，分歧于Aβ在AD患者显现认知下降症状10~20年之前就已经在脑内群集，Tau的群集首要肇端于稍微认知功能障碍（mild cognitive impairment，MCI）阶段并跟着AD症状的成长而加重，所以Tau-PET只能用作AD患者的诊断而非展望^［35］。脑脊液与血液中的T-tau（total-tau）含量也能够反映了神经变性的强度与神经元伤害的严重水平，是用于临床AD诊断的生物标记物之一^［36］。今朝有多种手艺应用于检测血液中的Tau卵白含量，例如超活络免疫检测手艺、免疫磁减量手艺（immune magnetic reduction，IMR）和Simoa（single-molecule array）检测手艺等方式^［37］。因为多种与认知障碍有关的神经退行性疾病都与T-tau的升高有关，所以T-tau并非AD的特异性标记。此外，大量研究证实脑脊液中P-tau181在AD患者中特异性的升高，今朝被纳入AD脑脊液的特异性临床诊断标记物。Janelidze等^［38］发现了血浆P-tau217在区分AD和其他神经退行性疾病方面的正确性能够达到89%~98%，比P-tau181卵白更为正确，但今朝尚未进入临床诊断尺度。此外，神经起原的外泌体中的T-tau或P-tau也具有作为血液生物标记物的潜能，但还需要进一步的研究来验证^［39］。

神经退化相关生物标记物

神经退行性病变首要包罗轴突的退化及突触的丢失，临床上示意为大脑灰质体积与皮层厚度的降低以及海马体的伤害^［40］。FDG-PET经由回响突触葡萄糖代谢水平，被用于作为诊断神经元活性的分子影像学生物标记物^［34］。越来越多的证据表明，AD患者的记忆伤害起头于海马区突触功能受损，突触功能障碍和退化或者是AD患者认知能力下降的直接原因^［41］。

T-tau卵白是AD轴突变性或伤害的通用标记物。Marklund等^［42］证实，AD患者的脑脊液中T-tau浓度升高，且浓度越高神经变性过程越强烈。此外，也有研究表明经由定量剖析脑脊液中的视锥卵白样卵白1（visinin-like protein 1，VLP-1）与脂肪酸连系卵白（fatty acid-binding protein，FABP）能够反映轴突伤害的水平，二者都在神经元中富集，但与AD的相关性不如T-tau^［43］。

NfL是髓鞘轴突中含量最多的成分之一，当轴突神经炎退化后，NfL将被释放到脑脊液与中枢轮回系统中^［44］。多项研究证实在患者的认知能力下降初期，脑脊液中NfL水平就已经升高，是以NfL将来可成长成为展望临床前AD（preclinical AD）症状的指标^［45］。NfL在其他神经退行性病变中也同样显现转变，所以该指标不具备AD诊断特异性，需要与Aβ/Tau生物标记物结合应用于AD的临床诊断与展望。

神经颗粒卵白Ng（neurogranin，Ng）可介入突触可塑性功能的调节。今朝有多项证据表明，Ng在脑脊液中增加的幅度与MCI期认知能力下降、脑萎缩和葡萄糖代谢削减的严重水平存在定量相关，而且有极高的分辨诊断价格^［46］。

突触前末尾的SNARE复合物卵白，例如突触体相关卵白SNAP25、突触融合卵白SYT1，均为驱动神经递质胞外膜融合的要害构成部门^［47］。AD脑皮质区SNAP25和SYT1卵白水平的降低反映了AD突触退行性变和缺失。此外，ras相关卵白RAB3A也将有望成为突触缺失和功能障碍的标记物，然则还需更多的实验证实^［48］。

α-突触核卵白（α-synuclein）、TDP43卵白在例如帕金森病（Parkinson′s disease PD）、路易体痴呆以及AD等多种退行性疾病中均发生病变，也将有望应用于AD的临床诊断与展望^{［49, 50］}。

因为中枢神经系统存在血脑屏障，且血液成分复杂，故今朝尚未显现可供临床使用的与神经退化相关的血液生物标记物。

神经炎症相关生物标记物

神经炎症（neuroinflammation）是中枢神经系统发生的免疫应答回响，首要由神经元、星形胶质细胞（astrocytes）与小胶质细胞（microglia）所介导^［51］。星形细胞为神经元供应营养，组成血脑屏障的一部门，介入中枢神经系统伤害后的修复机制；小胶质细胞是大脑中固有的巨噬细胞，与中枢神经系统自动免疫防御功能亲切相关。大多数情形下，这两种类型的细胞都是平行激活的，胶质细胞激活与神经元功能缺陷与AD突触可塑性有关^{［51, 52］}。

Ⅱ型髓系细胞触发受体（triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2）的变异体与AD的发病相关，该基因在中枢神经系统的小胶质细胞上选择性表达。有研究发现，AD患者的脑脊液中可溶性髓样细胞触发受体（soluble triggering receptor expressed on myeloid cells 2，sTREM2）的浓度升高，且与T-tau和P-tau浓度升高有关^［53］。

此外，星形胶质细胞、小胶质细胞排泄的卵白在AD患者脑脊液中也被发现升高，例如包罗壳三糖酶、CD14、YKL-40等^［54］。免疫回响和胶质活化的细胞因子或趋化因子，包罗IL-1β、IL-2、IL-6、IL-18、趋化因子配体-10、TNF-α转化酶、TNF受体和干扰素（interferon，IFN-γ）等，以及两种急性期卵白包罗α1-抗胰糜卵白酶（α1-antichymotrypsin，α1-ACT）和高敏感性C-回响卵白（high sensitivity C-reactive protein，hsCRP）也均在AD患者中发生非常^［55］。

此外，外周血中固有免疫细胞的激活状况也或者是对大脑发生影响的早期生物标记物，这些细胞包罗中性粒细胞、单核巨噬细胞、树突状细胞和天然杀伤（natural killer，NK）细胞^［56］。

氧化应激相关生物标记物

氧化应激回响发生的高活性自由基会损坏核酸、卵白质和脂质，这种转变平日发生在神经炎症之后，被认为是神经元伤害的直接原因。

同型半胱氨酸有望成为AD诊断的生物标记物，它的升高直接导致氧化应激，并介入血脑屏障功能障碍、心脑血管疾病、神经元灭亡、Aβ生成和沉积以及Tau卵白磷酸化等病理过程。多项研究表明，血液中同型半胱氨酸水平升高与AD的发病率有关。

据报道，AD和MCI患者血液中抗氧化剂含量降低，包罗超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、硒、维生素E等。与对照组比拟，AD和MCI患者的自由基、卵白受损、脂质过氧化和核酸氧化的生物标记物均有所增加，个中首要包罗血红素氧合酶1、卵白质碳基、氧化卵白产品、丙二醛和氢过氧化物等^{［57, 58］}。

MicroRNAs

MicroRNA（miRNA）是一类由内源基因编码的长度为18~25个核苷酸的非编码单链RNA分子。miRNA经由连系于mRNA 3′非编码区在转录后水平调控基因的表达，今朝已稀有据证实某些miRNA对APP或BACE1基因的转录后调控与AD的病剃头生相关^{［59, 60］}。因为miRNA的非常转变与AD神经生物学旌旗通路中的表观遗传学有关，它们已被认为是AD诊断、疾病展望、预后和治疗的候选生物标记物^［61］。

2019年Takousis等对147项数据中AD患者大脑、血液和脑脊液中的miRNA进行了Meta剖析，该数据发现AD患者中有57种miRNA具有显著差别，个中有5种差别最为显着：hsa-miR-181c-5p与hsa-miR-29c-3p在AD患者中表达均上升，hsa-miR-125b-5p、hsa-miR-146a-5p与hsa-miR-223-3p表达则下降^［62］。

本课题组前期对28位受试者（6例轻度AD、7例中度AD、6例重度AD、9名健康对照者）的血清进行高通量测序，筛选出了13个表达差别的miRNAs。随后笔者对207份血清样本（早期AD31例、中期AD52例、晚期AD38例、健康对照86名）经由qRT-PCR验证测序所筛选出的miRNAs，最终筛选出9种较为特异的miRNAs，个中hsa-miR-22-3p在血清中高度表达而且具有更高的活络度和特异性，是以，笔者认为hsa-miR-22-3p具备作为诊断早期AD的生物标记物的潜力^［63］。

结语与瞻望

浩瀚研究表明，经由对AD病理生理历程的分子机制上的深入探究（例如如突触功能障碍、神经炎症和氧化应激等）将有助于斥地AD生物标记物。今朝，与轴突伤害、突触功能障碍相关的生物标记物的早期诊断和预后价格已经获得证实，例如神经颗粒卵白Ng（neurogranin，Ng）在分辨AD和其他神经退行性病变时有特异性。NfL特异性相对较差，然而其对于展望疾病进展和跟踪疾病严重水平效能精巧，所以NfL与AD特异性生物标物的结合应器具有普遍前景。

神经胶质细胞活化被认为是AD病理生理学的首要构成部门。脑脊液中sTREM2和YKL-40水平对早期AD诊断有匡助。然而，它们对AD的特异性存在着争议。稀奇是sTREM2水平随临床分期的动态转变，使得其价格不明确。在纵向评估过程中，一方面，生物标记物的病程阶段依靠性转变遍及存在于突触伤害相关生物标记物中，使其临床应用复杂化；另一方面，这些转变供应了可用于疾病分期和跟踪的线索。此外，考虑到这些病理机制与AD发病亲切相关，能够作为AD润饰疗法的候选靶点。在获得更多实验证据后，这些生物标记物有望在将来施展感化。

对AD进展分歧阶段的分子病理生理学机制的研究和生物标记物的斥地将为更正确、个性化的生物标记靶向治疗奠基根蒂，进一步鞭策精准医疗。在曩昔的十年里，AD生物标记物的研究获得了显著成长。已确立的焦点标记物包罗脑脊液中的Aβ42（Aβ42/Aβ40比例）、T-tau以及P-tau，其经由数百个实验室反复验证获得了一致承认。今朝关于新兴生物标记物的临床应用需要履历一个尺度化的过程，包罗自力的、大规模的验证研究（能够借鉴生物标记物A/T/N分类系统）、分歧实验室把持流程的尺度化、以及贸易斥地过程中的成本最优化设计。此外，经由对血液中可用作初级筛查的AD生物标记物（尤其是可用作早期诊断的生物标记物）的尺度化设计和斥地，进而竖立一个多阶段的诊疗模式，将具有深远的价格和意义。

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作者：王雪莹，李明，卢志明

中华预防医学杂志, 2022,56(3) : 262-269.

DOI：10.3760/cma.j.cn112150-20210916-00902

编纂：As素 | 校对：咸鱼 | 责编：木霖森

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