肌萎缩侧索硬化研究进展

曾艳平 肖哲曼 孙瑞迪 卢祖能

肌萎缩侧索硬化症(ALS)是运动神经元(MN)系统的变性疾病, 其病因、发病机制均不明确[1,2];因此也无有效治疗措施。本文将主要回顾近年来有关ALS 病因、病理生理和发病机制研究方面的进展,并简要概述临床相关问题。

1 概 述

ALS5%～10%的病例为家族性(fALS), 90%～95%为散发性(sALS)[1,2]。sALS 的年发病率为1.5 ～2.0/100000,患病率6/100000,男性通常比女性更易患病(1.6∶1)[2]。

1.1 临床特征、变异型及类ALS 综合征[1,2]

ALS 临床特点是由从皮质到脊髓前角各水平MN 丧失所体现的。经典ALS 特指既累及上运动神经元(UMN)、又累及下运动神经元(LMN)的疾病形式。在经典ALS, 身体多个区域的MN 受累, 涉及2 个或以上水平。可累及脊髓前角和脑干的LMN、中央前回皮质脊髓束的UMN, 且常累及额叶前部的MN。LMN 丧失可导致肌肉进行性无力和消瘦(萎缩)。 皮质脊髓的UMN 丧失, 可能出现僵硬(痉挛状态)、反射异常活跃及病理反射。额叶前部MN 的丧失,可能导致特殊形式的认知损害,其中执行功能障碍最常见。

进行性肌萎缩(PMA)是无UMN 体征的LMN 综合征,与ALS 之间的关系一直有争议。许多PMA 患者的病程与经典ALS 无差别,最终会发展为完全的ALS,但有些患者进展相当缓慢, 提示其为脊髓性肌萎缩(spinal muscular atrophy)(一种破坏性小得多的运动神经元病)的变异型。原发性侧索硬化(PLS)是无LMN 受累纯粹的UMN 疾病——该疾病实体也一直有广泛争议。进行性球麻痹(PBP)罕见, 疾病局限于延髓肌肉, 延髓肌肉最先受累者, 大多数会进展为经典ALS。缓慢进展且缺乏UMN 体征者强烈提示类ALS综合征。延髓脊髓性肌萎缩(bulbospinal muscular atrophy)即肯尼迪综合征——X 连锁(Xq11-q12)隐性LMN 综合征,虽然从学术上是脊髓性肌萎缩的变异型, 但可与ALS 相混淆[2]。多灶运动神经病可治疗, 因此是ALS 最重要的鉴别诊断之一;无力一般累及上肢远端肌肉, 呈不同的单神经分布,无UM N 体征,且进展得很缓慢, 神经电生理标志是有传导阻滞。

ALS 病程残酷、呈进展性,50%的患者起病后3～5 年死亡[1,2]。预后不良的指征包括[3]:发病时年龄大;用力肺活量低;从首发症状到就诊时间短;以球部症状起病者。

1.2 诊断性评估[2]

神经传导检测和针肌电图有助于证实A LS 的诊断, 并排除其他类似的周围神经病变。在极少数病例, 当临床或电生理均不能从其他方面显示为LMN 受累, 运动单位数目估计可用于辅助诊断, 但不能成为评估疗效的主要指标, 因为其测定过程存在固有的误差。为了发现类似于A LS 的、可治疗性疾病,必须根据临床情况进行诸多相关的其他实验室检查。必须根据临床表现进行针对性的影像检查, 以排除可解释早期临床表现的结构性病变。极少数情况下需要肌活检。ALS 功能评定量表(ALSFRS)是目前临床试验中最广泛使用的量表。

1.3 诊断标准[4]

世界神经病学联盟的El Escorial 标准[4], 旨在确定每位患者就诊时ALS 的受累程度。比通常用于临床实践的证据要点稍加了限定,但对于疑为ALS 者而言, 该标准的确可提供有条理的评估方法, 可增加临床实践中的客观性, 并使临床研究更便利[2]。

诊断ALS 必须满足如下所有条件, 并且必须排除其他原因所致的如下表现:①有UMN 受累的证据;②有LM N 受累的证据;③有疾病进展的证据(既有起病部位的进展,也有起病部位之外的进展)。

为了应用该标准,可将身体划分为球(面部、嘴部和咽喉部的肌肉)、颈(头后部和颈部、肩部和上背部以及上肢的肌肉)、胸(胸腹部以及脊柱中线部位的肌肉)、腰骶(下背部、腹股沟以及下肢的肌肉)4 个区域或水平来认识[2,4]。

当身体1 个区域既有UMN、又有LMN 受累时, 诊断为可能型。当一个区域的UMN 受累, 并且一个以上肢体显示LM N 受累的电生理证据时,诊断为实验室支持拟诊型。当2个区域既有UM N、又有LMN 受累时, 诊断为拟诊型;当3个或以上区域既有UMN、又有LMN 受累时, 诊断为确诊型。

有ALS 家族史,一旦患者出现M N 疾病的证据,又不能用其他原因来解释,不论受累范围, 就可考虑为确诊型。

2 病因、病理生理及发病机制方面的假说

2.1 fALS 病因

在fALS, 大多数病例呈常染色体显性遗传, 极少数呈隐形遗传[5]。fALS 患者比sALS 平均起病年龄早10 ～20 年,不同家族之间的差异性大于家族内的差异性[2,5]。有些fALS 病例与sALS 难以区分,有些为独特的表型[5]。

2.1.1 铜-锌超氧化物歧化酶1(SOD1)

在有fALS 病史的某些家族,可见21 染色体的SOD1 基因突变[6]。现有研究表明, fALS 有10%～20%是SOD1 基因突变;其表型呈现为LMN 病变[1,2]。基于SOD1 突变体已发现的140 多个等位基因变异,由此决定了疾病的平均起病年龄及进展速度。 最常见的SOD1 突变为A4V 突变, 占SOD 患者的50%;可引起LMN 病变的快速进展, 起病后其平均存活期为12 个月[2]。北美SOD1-A4V 突变的遗传来自400 ～500 年前的2 个共基者(美洲印第安人和欧洲人)[7]。

2.1.2 TAR DNA 结合蛋白(TARDBP)

亦称TDP-43, 是一种RNA 处理蛋白。正常情况下,TDP-43 主要存在于细胞核。在常染色体显性遗传的fALS患者,基因异常也可由于调节RNA 代谢的蛋白的异常而致[2,3]。TDP-43 突变见于5%的fALS 患者[8～10]。

2.1.3 FUS/TLS(在肉瘤融合/在脂肪肉瘤翻译)

ALS-6 为常染色体显性遗传性fALS 的一种类型, FUS/TLS(一种RNA 处理蛋白)的基因突变可引起ALS-6[11,12];在FUS/TLS 突变者,其细胞质包涵体所含的是FUS/TLS,而不是TDP-43。通常情况下, FUS/T LS 集中于细胞核。FUS/TLS 基因突变见于3%～4%的fALS 患者。

2.2 sALS 病因

sALS 病因未知, 但对其了解越来越接近了。目前的研究已表明,遗传、环境及年龄等危险因素之间的相互作用可触使疾病发病。

2.2.1 遗传因素

在sALS, 遗传危险因素可能影响疾病起始。在ALS 患者亲属中,非ALS 神经变性疾病的发病率增高,表明其共同的遗传倾向[13]。然而, 在易患病例(incident cases), 采用方法学上更优的基于人群的研究, 并未证实ALS 患者亲属其非ALS 神经变性疾病增多。搜寻等位基因变异的全基因组分析,已发现了一些感兴趣的位点, 但不同家系存在不同位点[14]。缺乏可重复性表明, 在触发sALS 发病方面非孟德尔遗传形式的作用比预期的要小些,可能至多使终生危险增加50%。

2.2.2 其他因素

如神经毒素、谷氨酰胺毒性、氧化应激、病毒感染及重金属毒性、环境和职业暴露等都可能成为ALS 病因。 关于ALS 的外源性危险因素, 仅吸烟很可能与ALS 相关(比不相关的可能性大些)(B 级证据水平)[15,16]。外伤、体力活动、居住在农村地区以及饮酒, 都很可能不是ALS 的危险因素(B级结论)[17]。

2.3 病理生理及发病机制假说及其对治疗的思考

Rosen 的报告[6]之后,早期的研究差不多都寻求ALS 发病机制中自由基的潜在作用。此后, 在明显的sALS 患者也发现有SOD1 突变, 但后来的研究表明, 这些患者中的某些人与要早得多的那一代有关(共同始创效应)[2]。Rosen 的报告十多年过去了,SOD1 基因突变与ALS 之间的联系仍然不清。有关铜伴侣蛋白质以及SOD1 突变“毒性功能获得”(也就是与丧失天然活性无关的毒性)假说,虽然有较深入的研究,但仍然难以捉摸[2]。在ALS, 神经元死亡是否由细胞凋亡所致,也仍然是争论的热点。需要记住的两个基本问题是:①fALS 中与SOD1 有关者不超过20%, 而且f ALS 仅仅占所有ALS 的5%～10%。 ②从出生到死亡, 突变的SOD1酶在所有组织中均可表达。

ALS 是一种灾难性的变性病,影响的是非常特定的神经元群体;SOD1 基因突变人群患ALS 之前, 为什么其正常寿命与健康人差不了多少(一般在60%以上)? 而患A LS 之后,为什么在不到5%的正常寿命中就会导致死亡? 一个可能的答案就在于“M N 的选择性易损”这一概念,或许与MN中钙结合蛋白的量减少有关, 但M N 的大小及其能量需求、MN 轴突的长度以及谷氨酸受体的分子构造可能也很重要[2]。

并非所有SOD1 突变者都会发生ALS。SOD1-A LS 被认为是功能获得性疾病;SOD1 基因敲除鼠不发生ALS, 有1个突变基因和2 个正常基因的转基因鼠, 比有1 个正常基因和1 个突变基因者病情更严重。异常(以及正常)SOD1 蛋白的错折叠和沉淀,被认为是SOD1-ALS 病理生理机制的一部分,但尚不清楚的是:疾病为什么发生? 何时发生? 如何引起LMN ALS 表型?

最近的动物模型的研究表明, 从出生起就用RNA 沉默分子(siRNA)使突变SOD1 的表达沉默,可能预防转基因鼠模型的疾病发病[18]。在人类SOD1 突变者,这是一个令人兴奋的研究方向,但需要克服的首要障碍就是证明临床发病后该方法可有效阻止疾病的发展。

从份量上讲, 编码TDP-43 的基因突变这一致病因素在ALS 并不是最重要的, 但对于经典(Charcot)ALS 似乎是第二重要的原因——仅次于SOD1 突变。基于这个发现,一旦动物模型建立起来,通过与标准SOD1 模型比较——特别是因为SOD1 模型的有效性一直颇受争议, 应该可描绘出选择性MN 死亡机制中共同的致病因素。这一比较将有望给我们以展示——遗传学对临床和神经病理概念的影响到底有多大,因为早期的研究者们是用这些概念来定义诸如ALS等神经疾病综合征的。对于已报道的散发性疾病患者而言,TARDBP 突变的发现也提出了基因突变的重要性[19]。

另外,fALS 也可有FUS/T LS 突变。由此, 关于ALS 大多数类型的病理生理, 已将RNA 代谢紊乱放在了当前的思考核心。 ALS-6 基因变种的发现, 为找到引发fALS 和sALS 的原因提供了重要线索。这种新的基因提供了一种新的疑点:为什么ALS 会持续发展? 我们新的治疗措施应聚焦在哪里? 这很可能给ALS 带来新的治疗方法。

在sALS 及非SOD1 突变的fA LS 者均发现TDP-43 阳性包涵体, 且均有1 号染色体编码TDP-43 的基因突变——说明这类疾病的病理机制相似, 最后均导致了选择性易损的、不同神经元的进行性变性[8～10]。

TDP-43、FUS/TLS 突变引发ALS 的机制与SOD1 突变不同。在sALS 患者的MN 胞质中,尽管发现了泛素化的病理性TDP-43 聚集物, 但这并非该病所特有的。因此, 形成病理性TDP-43 及其泛素化, 可能证明细胞死亡机制并非ALS 特有的, 是由上游过程所触发, 导致的临床病变取决于受累的细胞。

就ALS 而言,在最近有关TDP-43 和FUS/TLS 病理的观察之前,许多信息来自于对携带人类SOD1 突变转基因鼠的研究[20]。 突变的SOD1 通过“ 功能获得”发挥作用。 在ALS,以下因素均可能介导该途经,从而引起细胞死亡[20]:①氧化损伤;②线粒体功能障碍;③caspase(半胱天冬酶)介导的细胞死亡(凋亡);④轴突运输缺陷;⑤生长因子表达;⑥胶质细胞病理;⑦谷氨酰胺兴奋毒性。

在ALS, 相对于病理生理的进展, 导致疾病起始的机制——与“发病机制” 这一术语可能要有所区别——仍然未知。

异常基因或基因产物在触使fALS 疾病的发病有作用,并且在疾病进展中也可能起作用。然而,是否发生A LS, 有异常基因既不是必要条件、也不是充分条件, 因为家族性基因携带者并非所有人都发病, 而且基因正常也并不能避免sA LS 的发生。因为ALS 这种疾病并不会在出生时就显现,因此,从出生到疾病发病之间必定有另外的因素介入, 甚至在发病的fALS 患者也是如此。不应将ALS 考虑为一种单一的疾病实体,而应是一个临床诊断, 是不同病理生理级联反应产生了共同的后果,优先导致MN 的进行性丧失。

将发病机制与病理生理区分开来是有其意义的, 因为每一阶段的机制很可能不同, 因此,对那些机制进行干预可能需要采用不同的方法。阻止ALS 的发生, 需要修改或去除疾病发病机制中的部分因素。首要条件是识别ALS 很可能的危险因素。当疾病本身已充分表达可得出诊断之时,再针对引起疾病进展的过程进行治疗, 即所谓机制特异性治疗(mechanism-specific treatments), 可能充其量也只起改善作用。相对于试图抢救受累MN 的治疗而言, 阻止疾病进展的治疗可能更有效。针对疾病临床表现的适应性治疗(adaptive treatments), 是当下治疗ALS 的主要手段。

疾病的病理生理与疾病的临床表达, 其间的“纽带”就是MN 丧失。在肌肉水平,散在的LM N 丧失,可导致各不同运动单位(M U)的失神经支配。疾病早期, 残存的神经纤维建立联系,对那些已死亡、失去轴突联系的MU 进行神经再支配形成较大的M U。只要神经再支配能够跟得上失神经, 临床上可能就发现不了无力。然而, 随着M U 变得越来越大,且随着MU 数目开始减少, 结果就是受累肌肉比M U 正常的肌肉更快出现疲劳。因此,ALS 的首发症状之一就是起病部位的功能易疲劳性(例如, 讲话的声音越往后就变得越低沉)。随着所支配肌肉的M U 数目进一步减少, 神经再支配就跟不上失神经;这时, 所出现的无力就是永久性的, 并且会不断进展,随之受累肌肉逐渐萎缩。在ALS,一般而言,皮质神经元丧失也可能导致无力, 但更常出现的是其他UMN 体征。

诸如谷氨酸盐之类的氨基酸神经递质当超过其生理浓度时则变得有毒, 所谓兴奋毒性就是指这一过程。一般认为,兴奋毒素类通过触发M N 的钙内流(在膜水平介导)、激活神经细胞内的级联机制(包括自由基中间物), 最终导致神经元死亡[2]。因此,兴奋毒性理论与自由基理论并不互相排斥。

动物模型(包括fALS 转基因模型)也好, 人类的sALS也好,从中可得出的推论非常少。然而, 在sALS 以及动物模型中,目前所认识的谷氨酰胺兴奋毒性作用为利鲁唑的临床试验和批准使用奠定了基础, 谷氨酸释放抑制剂——利鲁唑——作为疾病修饰治疗的药物,就是根据兴奋毒性假说而确定的。相对而言,开发抗氧化剂治疗ALS 的尝试, 结果令人失望。其他发病机制假说一直集中于胞内失调、轴突转运缺陷以及蛋白质聚集体[2]。

2.4 将危险因素与触发ALS 起病相联系

在sALS, 获得性核酸变化可能触发疾病发病。 最近的研究支持该假说, 即ALS 患者中身体相同部位的皮质和脊髓MN 最初同时受累, 并且疾病在皮质和脊髓水平独立扩展[21]。这表明存在一个或多个“ 扩展因子” (agents of spread), 而且在疾病早期的扩展中皮质脊髓神经元有其作用[22]。ALS 在生物学上是局灶起病的, 扩展的确定使这一概念得以具体化。每位患者的疾病表型, 取决于起病部位以及特异性扩展因子的相对亲和性,也就是特异性扩展因子对不同分级水平(额叶前部、皮质脊髓、脊髓/延髓)MN 的相对亲和性[22]。扩展因子的选择性亲和甚至可能适用于一定分级水平内特定的MN,例如, 可导致以特殊LMN 为主的表型(连枷臂综合征、连枷腿综合征)[23]。

在患者UMN、LMN 中发现的大多数生化变化, 很可能是来自那些引发疾病并导致其扩展的下游。 有些变化可能代表了MN 死亡的过程, 而其他一些变化则可能反映了MN为生存所作的努力,即MN 对疾病进展的主要病理过程进行补偿。

3 治疗方面的概况

ALS 的治疗可大致划分为健康教育、机制特异性治疗以及适应性治疗或支持治疗[24]。 国外较强调医疗保健、门诊保健服务、非创伤性呼吸支持。当患者开始出现呼吸衰竭的早期表现(例如睡眠中断),非创伤性呼吸支持可改善患者的生活质量,并延长生命[24]。

在75 岁以下、病程不超过5 年、用力肺活量大于60%的确诊型或拟诊型ALS 患者,在无需气管切开的条件下,利鲁唑比安慰剂延长生存期2 ～3 月——是目前改善sALS 病程的唯一治疗措施[1,2]。

对症治疗包括(1)在有肢体僵硬症状者, 巴氯芬可用于缓解痉挛状态和肌痉挛;盐酸替扎尼定为作用于中枢的肌肉松弛药,可用于UMN 受累为主的患者;(2)抗唾液过多可运用抗胆碱药(阿米替林或安坦)、肾上腺素受体激动药(例如假麻黄碱)、B 型肉毒毒素以及唾液腺放射治疗,粘液溶解药诸如愈创甘油醚(guaifenesin)可稀释分泌物, 室内空气适当的水化、湿化有帮助, 有时可能需要机械吸引装置清除分泌物;(3)选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(例如, 西酞普兰)可用于抗抑郁;(4)常用的抗焦虑药是劳拉西泮,苯二氮卓类药物有潜在的呼吸抑制作用,需注意要逐渐加量;(5)如果需要镇痛药,可考虑给予盐酸曲马多、吗啡或芬太尼(贴剂), 阿片类可能引起呼吸抑制,需注意要逐渐加量;(6)联合应用右美沙芬与奎尼丁已显示对改善强哭强笑有效, 但需更多研究结果来证实[1,2]。

4 展 望

4.1 诊断性标记和疾病进展的标记

尽管对ALS 仍没有强效的疾病修饰治疗, 但仍在继续开发各种潜在的药物。因此, 对新的、潜在的治疗,需要有能够进行快速测定的方法学,包括疾病进展的标记。肺活量测定是一种重要的方法, 在ALS 临床试验中可用来评估疾病进展速度,但其可信度仍不确定, 尤其是在球部受累明显者。目前,以鼻吸气的鼻压作为替代的评估方法。运动单位数目估计所需的方法学耗时、计算复杂, 而神经生理学指数易于计算,只需获得计算运动传导速度的常规数据即可。对于UMN 亚临床受累的探测和量化,也描述过一些潜在的方法,例如磁共振扩散张量成像(DTI)及单体素磁共振波谱(HMRS)可作为识别UMN 受累的标记[25]。

4.2 疾病修饰治疗新的送达方法

关于ALS 的疾病修饰治疗, 必须确保所研究的药物尽可能有效送达疾病过程的部位——也就是MN。口服或胃肠外给药可能达不到这种靶向作用。在G39A SOD1 转基因(小)鼠,以表达IGF-1 的腺相关病毒作为工具, 通过注射这种病毒到呼吸肌和肢体肌肉的方法, 从而将IGF-1 送达MN[26]。结果表明, 在这种鼠模型,即使在动物已出现ALS的临床表现之后开始治疗, 也可延长其生存期。 在SOD1 转基因鼠,注射表达血管内皮生长因子的慢病毒载体, 即使仅在出现瘫痪时开始实施治疗也可延缓ALS 的起病、且减慢ALS 的进展[27]。这种载体可使鼠的预期寿命延长30%而无毒副作用——这是迄今为止动物模型中最有效的治疗方法之一。在G39A SOD1 转基因大鼠, 鞘内注射重组血管内皮生长因子,也可延缓瘫痪的发病、且使生存期延长[28]。

4.3 干细胞治疗

干细胞治疗其潜在的恢复机制仍然不确定。除了取代丧失的细胞,其他过程包括细胞融合、神经营养因子释放、内源性干细胞增值以及分化转移也很重要。在ALS,植入自体间质干细胞到脊髓,其可行性和安全性已进行了试验。没有大的不良事件发生,但也没有显示疗效的证据。主要是还不成熟,且存在伦理学问题。在ALS, 干细胞治疗即使是作为试验性治疗,此前仍有大量工作要做。

4.4 未来的方向

由于缺少满意的疾病修饰治疗, 传统意义上ALS 的早期诊断已不是那么必要了。相反,开发更有效治疗的任何尝试就显得越来越重要了。令人鼓舞的是, 高通量技术的发现已显示了潜在的蛋白质组学和代谢靶向, 有可能用作疾病特异性生物标记。在临床试验中, 这可为早期诊断提供机会,并且为监测疾病进展提供替代标记。在临床试验的方法学方面,显示UMN 亚临床受累的可靠方法也将是重要进展[25]。

ALS 有效的疾病修饰治疗可能包括经病毒载体和鞘内注射的方法送达药物。也可运用病毒载体完成基因转移, 目的旨在使突变的基因沉默、干预RNA 或替代有缺陷的基因。这些干预手段在动物模型的研究正在进行中。未来的治疗可能还包括多模式方案,正如抗结核以及癌症化疗方案就是最好的例证。

ALS 是一种进行性、且致命的疾病,即使不是数十年, 在数年中可能仍然如此;正因为这样, 更进一步研究姑息疗法(病痛缓解护理)和症状控制,以改善患者及其家庭的生活质量,将会成为头等大事[24]。过去25 年间,我们对这个疾病的认识已经有了重要进展, 尽管如此, 要达到运动神经元病协会的目标——“远离ALS 的世界” ——我们还有很长的路要走。

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