阿尔茨海默病体液生物学标记物研究进展

中国科学C辑:生命科学2009年第39卷第9期:821~829引用格式:郑妍鹏,何金生,洪涛.阿尔茨海默病体液生物学标记物研究进展.中国科学C辑:生命科学,2009,39:821—829阿尔茨海默病体液生物学标记物研究进展郑妍鹏①,何金生①∗,洪涛①②∗①北京交通大学,生命科学与生物工程研究院,北京100044;②中国疾病预防控制中心,病毒病预防控制所,北京100052*联系人,E-mail:[e-mail];[e-mail]收稿日期:2009-05-15;接受日期:2009-07-23国家高技术研究发展计划(批准号:2006AA02A247)资助项目摘要由于阿尔茨海默病患者的增多及其危害性,建立能够用于早期诊断的方法受到人们的高度关注.脑脊液和血液中某些生物学标记物与AD的典型病理变化老年斑(senileplaques,SP)和神经元纤维缠结(neurofibrillarytangles,NTFs)相关,在临床诊断和治疗方面显示了广阔的前景,但截止目前尚缺乏灵敏、特异的生物学标记物及分析方法用以诊断和监测疾病进程.本文详细综述了近年来体液中阿尔茨海默病生物学标记物及其分析方法的研究进展,鉴于其病理的复杂性,许多问题仍有待深入研究.关键词阿尔茨海默病生物学标记物脑脊液血浆阿尔茨海默病(Alzheimer'sdisease,AD,又称老年性痴呆)是中枢神经系统一种常见的进行性神经退行性疾病,其临床症状主要表现为进行性记忆力减退、认知功能下降、精神行为异常等,最终带来极高的致死率和致残率.虽然距1907年首次描述AD至今已有100多年时间,而且近年来对AD复杂的发病机理已经有了深入了解,但其确切的病因和发病机制目前仍不清楚,一般认为AD为多因子影响的综合病症,患者的年龄和家族史为最大致病风险因素.AD起病隐匿,进展缓慢,病理上以细胞外老年斑(senileplaques,SP)和细胞内神经纤维缠结(neuro-fibrillarytangles,NTFs)为主要特征.现在研究认为,AD的发病进程经历症状前AD、轻度认知功能障碍(mildcognitiveimpairment,MCI)而逐步发展为AD.鉴于AD病理的复杂性,目前尚无明确、特异、可靠的实验室诊断方法,难以进行早期临床诊断,同时也影响了AD的治疗研究.在AD病人出现痴呆之前作出准确诊断并进行治疗,是目前面临的主要挑战,所以研究重点是AD早期(MCI阶段)或极早期(症状前AD)的诊断和治疗.建立AD早期诊断方法具有极其重要的医学和伦理学价值,同时AD早期诊断方法有助于监测药物治疗效果,因此,寻找和发展灵敏度高、特异性强的AD生物学标记物及早期临床诊断方法迫在眉睫.近年来关于AD生物学标记物的研究报道不断增多[1~3],本文详细综述了近年来AD生物学标记物的研究进展,尤其是与AD典型病理变化SP和NTFs相关的Aβ,APP,tau蛋白等体液中生物学标记物(表1).1脑脊液中生物学标记物脑脊液(cerebrospinalfluid,CSF)直接与脑细胞间隙相连,因此脑细胞的生化变化可通过对脑脊液的分析直接反映出来,是最理想的检测标本.脑脊液中与SP和NTFs密切相关的生物学标记物主要是Aβ40,Aβ42,t-tau(totaltau),p-tau(phospho-tau)等,已经有很多文献证实它们具有很高的临床应用价值.郑妍鹏等:阿尔茨海默病体液生物学标记物研究进展8221.1脑脊液中Aβ40,Aβ42水平Aβ是APP经蛋白酶水解后产生的物质,是形成SP的主要蛋白,主要有两种形式,一种是40个氨基酸残基组成的蛋白片段,称之为Aβ40,一种是由42~43个氨基酸残基组成的蛋白片段,称为Aβ42.研究发现,Aβ42相对于Aβ40,具有更强的聚集能力以及更易形成SP[4].对脑脊液中Aβ水平的定量检测工作,早期研究主要集中于对Aβ40的检测,但由于AD组与对照组之间并无显著性的差异而宣告失败[5,6].然而最近Simonsen等人[7]应用ELISA、抗体包被-SELDI-TOF和金属离子亲和层析(IMAC30)-SELDI-TOF3种不同方法,对脑脊液样本中Aβ40进行了定量检测.结果显示,只有使用IMAC30-SELDI-TOF法才能检测到脑脊液中Aβ40显著升高,而基于抗体的两种检测方法则无明显变化.Simonsen等人认为,这可能是由于Aβ寡聚化造成的抗原表位掩盖现象或是Aβ结合了载体蛋白所引起的.这表明,随着新的检测原理及检测技术的不断发现和应用,在这一领域将会有更多惊人成果出现.继Motter等人[8]最早报道AD病人脑脊液中Aβ42浓度明显较对照组降低后,已有大量研究[9~17]报道了相似的结论.例如对早期AD病人脑脊液中Aβ42[16],MCI患者脑脊液中Aβ42[9]进行了定量检测,结果均表明脑脊液中Aβ42的定量检测有助于AD早期诊断.Gustafson等人[18]则通过长达8年的纵向研究证实脑脊液中Aβ42能够预测老年妇女认知能力下降程度.多数实验结果显示,AD病人脑脊液中Aβ42的浓度相对于对照组降低50%左右,并且区分AD病人与对照组的特异性为42%~88%,灵敏度为72%~100%.脑脊液中Aβ42水平降低的原因目前还不十分清楚,但可能与Aβ42可溶性强,易于聚集成SP沉积于脑内有关.Gloeckner等人[19]对包括AD、克-雅氏症、Lewy痴呆、额颞叶痴呆以及正常压力脑积水在内的106名患者及其正常对照组脑脊液中t-tau蛋白以及Aβ40,Aβ42进行了定量分析,结果发现,Aβ42水平在所有的痴呆类型中都降低.这就表明,虽然脑脊液中Aβ42可以区分AD病人与其对照组,然而Aβ42水平降低并不能辨别AD患者和其他脑内具有Aβ沉积的疾病.在Aβ40,Aβ42两项指标的联合诊断方面,也有一定的进展.Kanai等人[20]发现,与AD病人脑脊液中Aβ40/Aβ42比值较对照组明显升高,这两项指标的联合应用对AD早期诊断更有意义.Wiltfang等人[21]经过研究也有类似的结论,认为检测Aβ比值比检测原始浓度更具临床价值,并且更进一步证实Aβ42/Aβ40比值在预测MCI发展为AD方面比Aβ42更加有效[22].关于脑脊液中Aβ水平的检测工作,近年来不断有新的研究报道.Kaiser等人[23]对脑脊液样品采集后不同的冷冻处理时间做了研究,结果发现如需检测Aβ42,样本需采集后马上经冷冻处理,否则会影响检测效果.Gelfanova等人[24]应用免疫沉淀技术结合MALDI-Tof-MS方法对脑脊液中的Aβ进行了定量检测,结果显示,AD组Aβ42较正常水平下降43%.近来有研究[25,26]对脑脊液5种Aβ水平(Aβ37,Aβ38,Aβ39,Aβ40,Aβ42)进行了检测报道.Höglund等人[26]对MCI患者及其对照组脑脊液中Aβ水平进行了为期4~6年的跟踪研究,结果发现,脑脊液中Aβ水平预测MCI患者发展为AD患者的灵敏度为91%,特异性为64%,并且随着跟踪研究时间的延长,特异性可增加到94%,这些实验结果与早期研究[27,28]认为可溶性Aβ比老年斑或不溶性Aβ更有意义是一致的.1.2脑脊液中t-tau,p-tau水平tau蛋白具有稳定神经元细胞,起到骨架的作用.若tau蛋白被异常磷酸化或糖基化,则极易形成双螺旋纤维丝,进而形成NTFs,其为AD的主要病理特征之一.对于脑脊液中tau蛋白升高的报道最早见于1993年[29],AD患者脑脊液中t-tau平均比对照组高2~3倍.虽然在发病早期就存在t-tau的升高,但t-tau升高水平与疾病进程无关[30],单独使用t-tau检测作诊断标准缺乏足够的特异性.对包括AD、克-雅氏症、Lewy痴呆、额颞叶痴呆以及正常压力脑积水在内的106名患者及其正常对照组脑脊液中t-tau蛋白进行了定量分析[19],结果发现,除了正常压力脑积水之外,t-tau蛋白在所有病人中都反常地增高,因此其不能作为区分患者痴呆类型的标记物.p-tau是形成NTFs的主要物质,已有ELISA方法可以对5个磷酸化位点进行检测[31].有研究发现,脑脊液中p-tau231鉴别AD和其他神经系统疾病的灵中国科学C辑:生命科学2009年第39卷第9期823敏度为85%,特异性为97%[32].通过对p-tau199和p-tau181的检测也可以得到类似的实验结果[33,34].Boban等人[35]对AD和血管性痴呆患者脑脊液中t-tau,p-tau199和p-tau181水平进行了研究,结果显示这3种标记物在AD患者中明显高于血管性痴呆及健康对照组,但在区分AD患者和血管性痴呆方面,t-tau,p-tau199的特异性则比p-tau181更强.Ringman等人[22]则对家族性AD及其对照组脑脊液t-tau,p-tau181水平进行了比较,研究结果表明两者水平升高是症状前AD的灵敏指标.有研究证实,p-tau可鉴定MCI患者中潜在的AD患者[32].对于非特异性脑损伤如急性脑卒中,p-tau含量不会如t-tau般升高,这更说明p-tau对NTFs形成的特异性,作为AD和其他疾病的鉴别诊断,p-tau有更高的灵敏度和特异性.1.3脑脊液中Aβ42和tau的联合分析联合分析脑脊液中Aβ42降低以及tau升高两种指标,能够显著提高AD诊断的特异性.Stomrud等人[36]实验结果证实,Aβ42水平的降低,Aβ42和tau蛋白的联合检测,能够预测健康人群中的认知功能下降.Engelborghs等人[37]对经尸检确诊的痴呆患者及其对照组脑脊液样本中的Aβ42,t-tau,p-tau(181P)水平进行了检测.实验结果表明,应用Aβ42,t-tau模型区分AD患者和其他痴呆以及对照组的灵敏度为90%,特异性为89%;应用p-tau(181P)和Aβ42模型区分AD患者和其他痴呆的灵敏度为80%,特异性为93%.近来有研究[38]报道,Aβ42和t-tau联合检测在区分AD患者方面灵敏度可以达到85.29%,在区分对照组方面特异性可以达到96.77%.为了比较不同年龄AD患者及其对照组脑脊液中Aβ42,t-tau和p-tau181水平[39],AD组和对照组均分为年轻组(65岁)和年长组(≥65岁).实验结果显示,对照组中年长组相比于年轻组有更低的Aβ42和更高的p-tau水平,这就意味着对于老年人来说,即使在认知能力正常的情况下也可能发生了AD的病理变化.有报道对MCI和AD患者全脑萎缩率与脑脊液生物学标记物(Aβ42,t-tau或p-tau181)是否存在关联进行了纵向研究[40],结果发现二者间存在一些互补关系.Fagan等人[41]对脑脊液中Aβ40,Aβ42,tau,p-tau(181P)以及血浆中Aβ40,Aβ42等生物学标记物进行了1~8年的纵向研究.研究结果表明,在AD极早期,同样存在与后期相同的脑脊液生物学标记物改变特征;脑脊液中Aβ42水平结合神经影像可以增加临床诊断的可信度;脑脊液中tau/Aβ42比值在预测AD方面显示了可喜的前景.采用夹心ELISA法对正常压力脑水肿(iNPH)患者、AD患者及对照组脑脊液中的t-tau,p-tau(181P)及Aβ42进行了检测[42].实验结果发现,t-tau在iNPH患者中显著增高,在AD患者中明显增高,而Aβ42在二者中都降低;p-tau(181P)在AD患者中显著增高,但在iNPH患者中则无明显变化,故而认为p-tau(181P)单独或与t-tau结合在区分AD患者和iNPH患者上具有重要作用.近来有报道[43]应用夹心ELISA法检测脑脊液中Aβ42,tau,p-tau(181P),并用核磁共振技术分析相应样本的内侧颞叶,以比较两者在AD诊断上的一致性.结果发现,脑脊液标记物和核磁共振成像在诊断方面没有相关性,但均有助于AD的诊