阿尔茨海默病相关生物标志物的研究进展

张春腾 李 殊 姚妍妍 郑大勇

华北理工大学药学院 河北唐山 063210；①附属医院

阿尔茨海默病(AD)是一种以进行性记忆损伤和认知障碍为主要临床表现的中枢神经系统退行性疾病[1]，以神经元细胞周围β-淀粉样蛋白(Aβ)聚集、细胞内微管相关蛋白-tau(tau)过度磷酸化形成神经纤维缠结(NFTs)[2]、胆碱能神经元缺失与神经炎症反应等为主要病理特征。AD是导致痴呆的最主要病因，从2009年到2016年其影响的人数全球范围内增长了117%，达到4380万人，预计到2050年AD患病人数将突破1.5亿[3]。因此，AD已发展成为21世纪影响人类健康的巨大挑战之一。

近年来，随着以Aβ淀粉样斑块和tau蛋白为靶标的药物研制和临床试验相继宣告失败，关于AD的研究方向和热点逐渐转向早期诊断和早期干预。有效的生物标志物是AD早期临床诊断、探索发病机制、监测疾病进展和指导药物治疗的重要依据[4-5]，因此寻找理想的AD相关生物标志物至关重要。

1 AD发病机制研究

过去30年大量的研究证据表明，AD患者大脑内神经退行性病变过程与淀粉样斑块中异常折叠的Aβ、神经纤维缠结内的tau蛋白蓄积存在因果关系[6]。然而，迄今为止，以清除淀粉样斑块或者降低Aβ水平为目标的治疗策略和药物研发均宣告失败，基于tau蛋白的临床试验也未取得满意结果[7]，这也使研究人员意识到最初单一的“淀粉样蛋白级联反应假说”的局限性，并逐渐转变研究思路[8]。

临床检查结果和病理学研究的证据足以证明AD的多病因性和复杂性[9]。一些因素如脑血管疾病、创伤性脑损伤、2型糖尿病、饮酒和肥胖都与AD患病风险增加有关[10-14]。此外，胆碱能功能障碍、金属离子如铝离子等摄入、抑郁、过度依赖N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体的兴奋性谷氨酸神经递质传递以及神经炎症反应也都与AD的发病机制相关[15-18]；而积极融入社会的晚年生活方式和高水平的社交活动对降低AD患病风险是有益的[19]。众多的致病因素使得AD变得更为复杂，并且增加了制定临床治疗策略的难度。因此，我们认为，通过更好地整合以上致病因素来阐明AD的发病机制意义重大。

2 AD相关的生物标志物研究

由于AD发病机制的复杂性和不同的病理变化会引起痴呆症临床表型的多样性，并且这些病理改变也存在相互作用，因此寻找可以诊断这些病理变化以提高监测病程和治疗疾病能力的生物标志物具有重要意义。目前，具有研究价值及临床应用价值的生物标志物主要见于脑脊液、血液、细胞外囊泡(EV)，详见表1。

表1 AD相关生物标志物

2.1脑脊液中的生物标志物 脑脊液中AD相关的核心生物标志物有形成大脑皮层淀粉样沉积的Aβ1-42、反应神经退行性病变严重程度的tau总蛋白(t-tau)和与神经纤维缠结变化密切相关的磷酸化tau蛋白(p-tau)[20]。上述脑脊液中关键的生物标志物具有很高的诊断准确率，尤其在轻度认知损伤阶段对于确证AD早期的敏感性和特异性可以达到85%、90%[21]。在评估AD生物标志物的诊断应用时，要求AD患者和认知功能正常的老年人之间病理学改变无显著差异，作为临床诊断的金标准[22]。然而，老年AD患者经常表现出一些如α-突触核蛋白、反式激活反应-DNA结合蛋白(TDP43)基因突变和血管改变等病理学变化[23]，使得该诊断标准实际上是一个不完善的标准，这也排除了任何生物标志物具有100%诊断准确率的可能性。但是，有轻度记忆损伤的患者上述脑脊液生物标志物浓度在健康的范围内，其将不会最终发展为AD[24]。

最近，一些新的脑脊液生物标志物对于AD诊断、预测起到了积极作用。在AD相关的研究中，Aβ寡聚体被认为是一种更具毒性的Aβ，可以引起突触功能障碍[25]，且新的超敏检测技术的出现，使得临床上检测Aβ寡聚体成为可能[26]。另外一个新的候选生物标志物是神经颗粒素(Neurogranin)，研究表明其参与长时程增强和记忆巩固过程[27]，且脑脊液中高浓度的神经颗粒素水平可以预测轻度认知损伤(MCI)向AD的进展过程[28]。此外，在AD潜伏期阶段脑脊液中突触小体相关蛋白-25(SNAP-25)的浓度也是显著增加的[29]。

2.2血液中的生物标志物 与脑脊液中的生物标志物相比，血液中的生物标志物更容易采集到，因此就检测AD生物标志物而言，无论是在临床诊断、临床试验重复采样甚至高危人群筛查方面，血液样本要比脑脊液样本更具优势。2016年一项包含1039份样本的关于血液生物标志物的国际研究显示，18%的研究是常规的AD生物标志物如Aβ和tau及其相关的肽和蛋白等，19%是基因标志物，29%是生物标志物、34%是与炎症、免疫反应、氧化应激、DNA损伤、线粒体功能障碍和神经、微血管损伤相关的标志物[30]。就常规AD生物标志物而言，Aβ1-42/ Aβ1-40的比值在一些研究中显现出较好的筛查和诊断潜力。值得注意的是，在近期一项使用了单分子阵列(Simoa)技术的大规模群组研究结果显示，血浆和脑脊液中的Aβ1-42、Aβ1-40和Aβ1-42/Aβ1-40水平之间存在一定的相关性。

此外，与认知健康、MCI和主观认知衰退(SCD)人群相比，AD患者血浆中Aβ1-42、Aβ1-40和Aβ1-42/Aβ1-40水平偏低[31]。通过新型高灵敏度免疫分析技术可以成功量化血浆中tau蛋白水平，且与对照组人群相比，AD患者血浆中的tau蛋白水平是升高的。同时，研究发现血浆tau蛋白高水平与认知衰退、脑萎缩和新陈代谢不足相关[32]。近年来，一些新型的血液生物标志物逐渐进入研究者的视野。血清中的神经原纤维素(NF-L)水平与其在脑脊液中的水平高度相关，提示血液检测结果可以很好反映大脑内的病理生理变化[33]，且血浆NF-L可以用来检测AD临床前阶段的神经退行性病变[34]。β-位点淀粉样前体蛋白裂解酶1(BACE1)是裂解淀粉样前体蛋白(APP)生成Aβ第一步反应的关键酶，使用酶联免疫吸附测定(ELISA)方法检测到AD患者血浆中BACE1活性增强[35]。近期的研究也发现，与健康人群相比，MCI人群和AD患者血浆BACE1活性上升；且超过3年随访的结果显示，与稳定型MCI人群相比，最终发展为AD患者的MCI群体的BACE1活性水平显著提高[36]，提示血浆BACE1活性具有预测MCI向AD发展的潜力。另外，Teuber等[37]首次发现，抑制激肽释放酶-8(KLK-8)可以阻碍APP过程，促进Aβ清除、减少Aβ沉积、减轻tau病理、增强神经可塑性，并最终改善记忆，其作为早期AD的生物标志物具有潜在的临床应用价值。

2.3EV生物标志物 EV是由细胞脱落的膜状颗粒，包括外泌体(30～150nm)和通过质膜出芽产生的微泡(150～1000nm)，在神经退行性疾病的发病机制中起着重要作用，并被作为生物标志物进行了相关研究[38]。巴尔的摩老龄化纵向研究(BLSA)旨在验证神经元富集的细胞外囊泡(nEV)作为生物标记物，预测认知健康群体中AD的发展过程。此研究通过分析128名巴尔的摩纵向研究的老年参与者的887个样本和222名认知正常的年龄和性别匹配的对照组人群，来验证nEV中可以预测AD的候选生物标志物，包括nEV浓度和直径、TSG101、t-Tau、p-Tau231、p-tau181、pY-IRS-1、pSer312-IRS-1和Aβ1-42。为了单独或整体评估nEV生物标志物在AD预测中的表现，该研究建立了10个模型，其中模型10达到了最高的预测能力，并结合了所有生物标志物的分析，在检测AD临床前期达到了55.6%的灵敏度和88.7%的特异性[39]。该研究证实多个生物标志物相对单个生物标志物在评价神经功能上的潜在价值，且预测AD具有很高的特异性，为其应用到AD临床检测的进一步发展开辟了道路。

3 结论

全球疾病负担(GBD)研究显示，在2016年，AD已经超过肿瘤发展成为缺血性心脏病、慢性阻塞性肺疾病、脑出血及缺血性卒中之后世界第五大死因[40]。AD作为一种神经退行性疾病，其特征是长期的临床前阶段和不断发展的不可逆的病理过程。因此，生物标志物对于疾病早期患者诊断至关重要，在早期采取相应的治疗措施最为有效。在目前的检测方法中，核磁共振成像(MRI)和正电子发射计算机断层显像(PET)价格昂贵且具放射性，而采集脑脊液检测生物标志物则对患者造成创伤。我们认为，AD相关生物标志物要成为临床应用的一部分，就需要低成本、易采集和非侵入性，而血液生物标志物可以满足这些标准。因此，寻找理想的血液生物标志物是促进AD临床诊断、治疗药物研发及其广泛应用的关键。同时，随着EV体外诊断技术的发展，EV生物标志物也可能成为颇有前景的诊断方法。