阿尔茨海默病的生物标记物研究进展

刘亚君 王运良

解放军第960医院，山东 淄博 255300

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种神经退行性疾病，也是痴呆最常见的病因。该病由德国精神和神经病理学家ALZHEIMER于1907年首次报道，尽管过去了几十年，但许多机制仍然未完全了解［1］。AD是现代神经科学和医学诊断面临的最大挑战之一，影响着全球约3 500万人，预计2050年其发病率将增加3 倍。AD 是一种主要见于老年人的疾病，很多患者在65岁以后出现症状，由于目前还不具备从发病初就能进行早期诊断的知识或手段，因此很难证明病理侵犯从何时开始。其中散发性AD（SAD）占90%，5%～15%患者为家族性AD（FAD）。早发性AD（EOAD）发病年龄40～65 岁，65 岁以后的晚发性AD也被称为迟发性AD（LOAD）［2］。通常情况下，AD的症状开始于轻微的记忆障碍，并逐渐发展为认知障碍、大脑功能失调及日常活动受损。虽然遗忘是AD早期发病最常见的症状，但研究者特别关注内侧颞叶记忆功能［3］。被确诊时患者许多脑区均出现了神经元丢失和神经病变。记忆障碍似乎与内侧颞叶萎缩和低激活显著相关，线粒体和皮肤电生理活动可能对检测脑功能的改变有某些作用，但在临床应用可能还有很长的路要走。根据最新的国家老年研究和AD协会工作组的标准，准确诊断可以基于一般的临床和病理生理条件，以及几种体内生物标志物和记忆测试的评估，将AD分为8种类型：前驱AD、AD痴呆、典型AD、非典型AD、混合AD、AD临床前状态、AD和MCI，但各型之间存在某些交叉且缺乏严格的界限［4］。由于目前对AD病因、病理学和明确的诊断标准尚缺乏全面了解，许多学者正在致力于寻找这些问题的答案，有关该病新的标志物，如神经颗粒蛋白、NFL、CCL2、CXCL8、CXCL10、CXCL12、CCL5、CX3CL1、CXCL9不断涌现，通过综述和荟萃分析，对有前景的生物标志物有了更清晰的认识［5-6］。本文对导致AD发生、发展的重要病理机制进行综述。

1 AD发病机制和病理生理学

过去30 a来对AD的研究提供了大量证据，证明异常折叠蛋白的积累导致神经元死亡，随后引起神经退行性变过程［7］。AD最早发现的病理特征是淀粉样蛋白斑块和神经原纤维缠结（NFTs），因此，作为病理机制研究最多的是淀粉样级联和NFTs级联［8］。尽管多年来一直在寻找该病的发病机制或治疗方法，但基于这两种最具特征性的症状，仍然缺乏治愈的方法。除这两种假说外，也有多种假说试图解释疾病的触发，如多巴胺能和淋巴系统假说。

1.1 淀粉样蛋白假说老年斑的主要成分是β淀粉样蛋白（A β），它是由前体蛋白（淀粉样前体蛋白-APP）不适当水解产生，Aβ蛋白有两种不同形式：Aβ40是一种不引起病理性积聚的蛋白质；Aβ42是一种淀粉样蛋白，是淀粉样斑块的主要成分［9］。APP基因位于染色体21q21，编码由3 个结构域组成的1 型跨膜蛋白：胞质中N 端的长胞外区段、短内皮段和短C端段。APP 蛋白由α、β、γ 3 种分泌酶的酶复合物加工而成。α-分泌酶将APP（CT83）的C端片段转化为83 个氨基酸的可溶性肽，具有调节功能。β-分泌酶切割长度为99个氨基酸（CT99）的N-末端片段，该片段与细胞膜结合。γ-分泌酶通过非均相蛋白水解将CT83和CT99代谢为Aβ40和Aβ42形式的Aβ肽。Aβ42是一种危险的神经毒性形式，具有疏水性，并与老年斑的形成有关，大多数小胶质细胞和星形胶质细胞负责产生这种形式的Aβ［10］。细胞外Aβ蛋白沉积，在控制记忆和认知功能方面起关键作用。研究发现APP基因的多个突变可导致EOAD，大多数突变集中在APP 基因Aβ编码区。早老素1（PSEN1）和早老素2（PSEN2）位于内质网，是γ-分泌酶-蛋白复合物的辅助因子，尽管其机制和作用不同，但也参与了Aβ神经毒性形式的形成和FAD患者的发病［11］。早老素是具有8～9 个跨膜束的高度同源蛋白，在神经细胞中扮演膜受体和钙通道的角色，提供稳态作用。在PSEN1基因已鉴定出185 个显性突变，导致约80%的EAOD-AD。PSEN2 突变数量少，引起约5% EAOD。除基因突变导致AD外，遗传因素也与AD发病有关，其中研究最多的是APOE，尤其是APOE4 亚型。APOE 具有某些不同功能，包括胆固醇转运，它能与引起Aβ沉积形成的病理形态结合，作为膜受体影响新陈代谢。E2、E3和E4的半胱氨酸和精氨酸残基在112 和158 位点不同，一个APOE4 等位基因使AD 发病风险增加3倍，两个等位基因使AD发病风险增加12倍，与此相反，APOE2异构体与AD的风险较低［12］。

1.2 神经原纤维缠结假说AD 第2 个最常见的聚集物是存在于大脑不同区域的NFTs，主要由成对的高磷酸化tau蛋白螺旋丝（PHF）组成。细胞内高磷酸化tau蛋白聚集引起微管功能受损、轴突运输或神经细胞骨架的破坏，从而导致神经元变性［13］。激酶和磷酸酶分别导致tau蛋白的磷酸化和去磷酸化，影响游离tau 蛋白和微管相关蛋白之间的平衡调节。蛋白质磷酸化和去磷酸化之间的失衡导致这种蛋白质与微管的结合受损，并形成PHF 和NFT［14］。磷酸化tau 蛋白结构可能受到Aβ、氧化应激、神经炎症以及影响激酶和磷酸酶的影响，糖原合成酶激酶3（GSK3）、周期蛋白依赖性激酶5（CDK5）和微管亲和力调节激酶（MARK）是3 种最重要的影响酶［15］。研究表明，CDK5参与tau-磷酸化和NFT进展，CDK5作为GSK3激酶的调节因子参与AD的发病。

1.3 淋巴系统假说人脑有4 种主要液体：脑脊液（CSF）、间质液、细胞内液和血液，最近研究发现，阻止β淀粉样蛋白聚集和清除沉积代谢物的机制之一是淋巴系统（GS）［16］。GS 在清除脑实质分子中起重要作用，该研究在慢波睡眠期间进行并首次提供的直接证据，证实在静息状态下，组织间隙“废物”的清除率增加。GS的作用很大程度上取决于CSF的压力和流量，CSF循环的标记物表明，进入GS的通路是从动脉周围开始，该通路围绕着血管平滑肌细胞，与血管周围的星形细胞尾足相连。脑脊液流量与足端星形细胞水通道和水通道蛋白4（AQP4）有关，GS对AD 和其他依赖于代谢异常的神经退行性疾病至关重要［17］。最近一项研究［18］认为，AQP4的不稳定表达与衰老有关，可能更容易受到脑内Aβ聚集的影响。GS 在睡眠时发挥最有效的功能，昼夜节律和睡眠紊乱可能是导致GS功能异常的另一因素。

1.4 多巴胺能假说多巴胺系统（DS）与帕金森病有关，但其在AD 中的作用正在研究中。AD 患者表现的锥体外系症状和淡漠，可以用多巴胺能失调来解释。一项研究显示，与对照组相比，AD 患者的多巴胺受体1、2（D1、D2）浓度降低，应用罗替戈汀等药物治疗AD 患者具有明显效果［19］。AD 动物模型研究［20］也探讨了神经元多巴胺丧失对记忆和奖赏功能的影响，该研究使用过表达人类突变APP的Tg2576小鼠AD模型，显示在小鼠大脑斑块形成之前腹侧被盖区的多巴胺能神经元丧失。这种丧失仅见于腹侧被盖区，而在黑质中没有发现，因此导致大脑记忆和奖惩区域的海马和伏隔核中多巴胺流动减少。

2 AD的诊断

AD诊断是现代医学的重大挑战之一，不仅在症状不明显的早期阶段，且在痴呆的最晚期阶段也是如此。由于神经退行性变开始于症状出现之前的相当长时间内，即使痴呆的症状非常明显，诊断的确定性也只能通过尸检实现［21］。近年来，根据生物标志物和影像学数据更新了诊断标准，因此有必要采用多学科方法，包括影像学和临床生物化学方法，并辅以神经心理学分析评估患者的状态［22］。AD 的生化和影像学诊断标准基于AD 的主要特征：Aβ斑块和tau-NFTs。放射性标记分子能够通过血脑屏障并与Aβ斑块或tau-NFTs结合，因此可以评估人脑中的聚集。首次开发的分子是匹兹堡化合物B，其能与Aβ结合，开启了AD 成像时代［23］。在这些分子合成之前，只有通过MRI评估大脑萎缩。除匹兹堡化合物B外，目前已开发出能结合tau聚集体的放射性标记分子用于临床检查。

2.1 AD的生化评估除影像技术外，生物液体的生化评估也用于AD诊断。生化试验评估了两种Aβ亚型（Aβ40、Aβ42）和两种tau 蛋白亚型（磷酸化tau 亚型和总tau 蛋白浓度）。认为CSF 中Aβ42是AD 的生物标志物，CSF中Aβ42浓度较低和脑组织中Aβ42浓度较高与Aβ斑块存在相关，但这种现象不能解释克-雅病和细菌性脑膜炎病例也存在CSF中Aβ42浓度降低和脑组织Aβ42浓度增高的现象［24］。为提高Aβ42作为生物标志物的特异性，研究发现Aβ42/Aβ40的比值明显优于Aβ42浓度在疾病早期检测脑内淀粉样蛋白沉积。CSF总tau蛋白，包括磷酸化和非磷酸化tau是神经退行性变的常见生物标志物，但对AD 无特异性。相反，CSF 磷酸化tau 似乎反映了脑内神经原纤维缠结的形成［25］。为了更好地解释这些结果并减少不同实验室之间的差异，已开发出Erlangen 评分评估AD患者CSF生物标志物。该算法按照神经生物标志物正常（=0）到可能AD（=4）的顺序排列，预测AD 患者轻度认知障碍患者（MCI）到痴呆的演变［26］。

2.2 有前景的生物标志物由于AD 导致神经退行性变，而这些神经变性发生于症状明显之前数年，因此人们开始探索能够在AD 早期诊断中发现脑损伤的生物标志物。神经丝轻多肽（neurofilament light polypeptide，NFL）是人轻肽神经丝蛋白（NEFL）基因编码的一种内源性细胞骨架蛋白，可作为轴突损伤后CSF 和血浆的生物标志物。神经细胞死亡后，在脑间质和CSF中释放NFL，并通过蛛网膜绒毛和血管周围引流系统到达血液［27］。最近研究发现，携带该基因突变患者的血清中NFL浓度在最初症状发生前6.8 a 升高。此外，在症状出现前16 a 评估NFL 的年变化率能够区分突变携带者和非携带者［28］。然而，NFL不能作为AD的特定生物标志物，在其他神经退行性疾病，如克-雅病、肌萎缩性侧索硬化症、额颞叶痴呆、HIV相关痴呆等观察到NFL浓度升高［29］。

另一种在AD 早期诊断中非常有用的蛋白质是神经颗粒蛋白，这种钙调素结合蛋白主要在受AD影响最大的脑区表达，如皮层和海马。该蛋白由兴奋性神经元产生，与蛋白激酶C 有关［30］。一项研究比较了AD、额颞部痴呆、Lewy体痴呆、帕金森病和多系统萎缩患者CSF 神经颗粒蛋白的水平，发现AD 组CSF神经颗粒蛋白浓度高于对照组，表明CSF较高的神经颗蛋白浓度对AD具有特异性［31］。

动物模型和临床研究已证明炎症在AD 中起核心作用，AD 炎症可加重神经功能缺损，炎症分子可促进血脑屏障通透性。近年来大量研究探讨了AD外周炎症分子浓度的变化，ITALIANI 等［32］检测IL-1家族细胞因子及其受体的循环水平，结果发现AD患者炎性IL-1 家族细胞因子较对照组明显增加，尤其是促炎性细胞因子IL-1α、ILl-1β明显增加。假设可能存在某种生理机制对AD 发病时的炎症环境作出反应，可溶性受体sIL-1R1 和sIL-1R3 浓度增加，但sIL-1R2的浓度不增加。大量研究探讨了AD患者血液或CSF 趋化因子浓度的变化，AD 患者血液CCL2蛋白［也称单核细胞趋化蛋白1（MCP1）］浓度增加，CSF 中CXCL8（以前称IL-8）浓度升高。有趣的是CXCL10［干扰素-γ诱导蛋白10（IP-10）仅在AD患者CSF升高，而AD患者全血CXCL9（γ-干扰素（MIG）诱导的单因子］浓度更高［33］。CXCL12的浓度变化不一致，血 清 和CSF 中CXCL12 浓 度 降 低，而CCL5 和CX3CL1 浓度降低只见于血清。这些蛋白浓度的波动以及不同趋化因子之间的差异可能与其所起的不同作用有关，目前尚无法确定上述趋化因子在外周血中的改变与CNS 退行性变有关，也可能由全身疾病或衰老引起［34］。

3 结论与展望

AD导致的痴呆是老年人的第五大死因，尽管早在一个多世纪之前就发现了该病，但目前尚不清楚AD的确切病理机制，因此是生物医学和临床研究的一个重大挑战。尽管病因不清，但最重要的分子标志是淀粉样斑块和神经原纤维缠结，这些蛋白质的积累会触发细胞死亡，导致持续的、不可逆的神经退行性变。基于目前证据已提出多种假说来解释疾病的发生，包括淀粉样蛋白、神经原纤维缠结、多巴胺能和淋巴系统假说等，但不应低估促炎分子在大脑炎症环境中所起的作用，这种促炎环境可能是疾病的直接结果，也可能导致疾病的发生。研究目的不仅在于了解AD 的病因，更在于提高诊断性检查，以便早期识别AD。AD 诊断应采用多学科方法，评估内容包括：受试者神经心理状况、影像学检查脑组织病理变化，以及特定病理蛋白的生化检测。测定Aβ 40和Aβ42、磷酸化tau 和总tau 水平对AD 诊断具有重要意义，但更重要的是实施Erlangen评分和Aβ40/Aβ42比值以评价疾病的分期。由于经典生物标志物的特异性不足，需要寻找某些有助于早期诊断的新的生物标志物，如某些炎症分子和突触蛋白。尽管对AD生物标志物的研究取得很大进展，但对本病的诊断，尤其是病因诊断仍然没有定论。鉴于AD 是一种异质性、多因素的疾病，诊断应以反映不同病理机制的多种蛋白质分析为基础，结合影像学和神经心理学检查。因此，有必要创建一组特定的蛋白质，其浓度将随疾病的阶段而变化。研究需要团队合作构建精确的疾病模型，通过生物标志物浓度变化，利用人工智能（AI）建立疾病模型提供必要的数据，从而为疾病的发展提供更准确的诊断和信息。未来基于生化、神经影像和生命追踪数据模型有助于识别AD最特异和最敏感的生物标志物，为AD早期诊断和预后提供重要帮助。