综 述生命科学仪器 2023年第21卷/第4期18*通讯作者:王丰,E -m a i l :w f e n g @b i t .e d u .c n 国家自然科学基金项目(32071269和32101021)A D 血液早期诊断标志物的研究进展陈 静 王燕峰 王 丰*(北京理工大学生命学院,分子医学与生物诊疗工业和信息化部重点实验室,北京100081)摘要 阿尔兹海默症(A D )是一种具有漫长病理进程的神经退行性疾病,其发展过程从无症状状态到轻度认知障碍(M C I ),最终进展至痴呆可能持续数十年㊂当前,A D 面临的主要挑战是实现早期诊断㊂目前,用于A D 诊断的传统方法主要包括神经心理学量表测试㊁成像技术(如M R I 和P E T )以及脑脊液(C S F )标志物检测㊂然而,量表和成像技术只能用于确诊A D 晚期患者,而C S F 标志物检测虽然可用于早期A D 诊断,但其采集需要进行有创性的腰椎穿刺,因此早期患者的接受程度较低㊂因此,迫切需要发展非侵入性且便捷的早期A D 检测方法,以实现对A D 患者的提前预防和治疗㊂血液标志物检测具备满足早期A D 诊断需求的潜力,近年来关于A D 早期诊断生物标志物的研究取得了巨大的进展㊂在本综述中,我们概述了A D 血液生物标志物,包括A β42/40㊁p -t a u181㊁p -t a u 217㊁p -t a u 231㊁p -t a u 235㊁G F A P 和N F L 的研究进展,并从结构生物学的角度讨论了这些标志物目前的局限性㊂关键词 阿尔兹海默症;血液标志物;早期诊断;结构生物学B l o o dB i o m a r k e r s f o rE a r l y D i a gn o s i s o fA l z h e i m e r sD i s e a s e J i n g C h e n ,Y a n f e n g W a n g ,F e n g W a n g *(S c h o o l o f L i f eS c i e n c e ,B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,M o l e c u l a rM e d i c i n e a n dB i o l o g i c a lD i a gn o s i s K e y L a b o r a t o r y o f M i n i s t r y o f I n d u s t r y a n dI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y ,B e i j i n g 100081,C h i n a )ʌA b s t r a c t ɔA l z h e i m e r 's d i s e a s e (A D )i s a n e u r o d e g e n e r a t i v e d i s o r d e r c h a r a c t e r i z e d b y a l e n g t h y p a t h o l o g i c a l p r o gr e s -s i o n ,s t a r t i n g f r o ma n a s y m p t o m a t i c s t a g e a n d a d v a n c i n g t om i l d c o g n i t i v e i m p a i r m e n t (M C I ),u l t i m a t e l y l e a d i n gt od e m e n t i a t h a t c a n p e r s i s t f o rm a n yy e a r s .T h em a i nc h a l l e n g e i nA D p r e s e n t l y l i e s i na c h i e v i n g e a r l y d i a g n o s i s .C o n v e n t i o n a l d i a g n o s t i cm e t h o d s f o rA De n c o m p a s s n e u r o p s y c h o l o g i c a l a s s e s s m e n t s ,i m a g i n g t e c h n o l o g i e s s u c h a s M R I a n dP E T ,a n dt h ea n a l y s i so f c e r e b r o s p i n a l f l u i d (C S F )b i o m a r k e r s .H o w e v e r ,c o g n i t i v e t e s t sa n d i m a g i n gt e c h n i q u e s c a n s o l e l y c o n f i r m A D i n i t s l a t e r s t a g e s ,w h e r e a s C S Fb i o m a r k e r a n a l y s i s ,a l t h o u g h u s e f u l f o r e a r l y AD d e t e c t i o n ,n e c e s s i t a t e s a n i n v a s i v e l u m b a r p u n c t u r e p r o c e d u r e ,r e s u l t i n g i n l o wa c c e p t a n c e a m o n gi n d i v i d u a l s i n t h e e a r l y s t a g e s o f t h e d i s e a s e .C o n s e q u e n t l y ,t h e r e i s a nu r g e n t r e q u i r e m e n t t od e v e l o p n o n -i n v a s i v ea n dc o n v e n i e n t m e t h o d s f o r e a r l y A Dd e t e c t i o n ,e n a b l i n g e a r l ypr e v e n t i o n a n d t r e a t m e n t f o rA D p a t i e n t s .B l o o d -b a s e db i o m a r k e r a n a l y s i s h o l d s p o t e n t i a l i nm e e t i n g t h e d e m a n d s f o r e a r l y A Dd i a g n o s i s ,a n d s i g n i f i c a n t p r o g r e s sh a sb e e nm a d e i n r e c e n t y e a r s i n i d e n t i f y i n g b i o m a r k e r s f o r e a r l y A Dd e t e c t i o n .T h i s r e v i e w p r o v i d e s a n o v e r v i e wo f b l o o d -b a s e d b i o -m a r k e r s f o rA D ,i n c l u d i n g A β42/40,p -t a u 181,p -t a u 217,p -t a u231,p -t a u235,G F A P ,a n dN F L ,w h i l e a l s od i s c u s s i n g t h e i r c u r r e n t l i m i t a t i o n s f r o ma s t r u c t u r a l b i o l o g y s t a n d po i n t .ʌK e y wo r d s ɔA l z h e i m e r sD i s e a s e ;b l o o db i o m a r k e r ;e a r l y d e t e c t i o n ;s t r u c t u r a l b i o l o g y 中图分类号:R 331.1 文献标识码:A D O I :10.11967/2023210803引言截至目前,全球患有痴呆症的人数达到了5000万人,每三秒钟就有一个新病例被发现[1,2]㊂最新模拟数据显示,与2022年相比,2050年欧洲的痴呆症患病率将翻倍,全球将增长三倍[3]㊂阿尔兹海默症(A l z h e i m e r sD i s e a s e ,A D )是当今世界范围内患病最广泛㊁病情最严重的神经退行性疾病㊂临床表现为记忆力衰退㊁学习能力减弱㊁情绪调节障碍以及运动能力丧失㊂阿尔兹海默症不仅对患者的生活造成巨大影响,还会对其亲属朋友带来巨大的痛苦与压力㊂目前我国A D 患者数量居世界首位,给国家和社会带来了沉重的经济生命科学仪器 2023年第21卷/第4期综 述19负担㊂A D 发病过程漫长,其发展过程从无症状阶段到轻度认知障碍(M C I ),再到痴呆可持续数十年㊂目前被F D A 批准上市治疗A D 的药物阿杜那单抗(A d u c a n u m a b )是一种直接靶向A β淀粉样蛋白的单克隆抗体,可与A β特异性结合并降解它,适用于治疗由于A D 出现轻度认知障碍或处在早期痴呆症阶段的患者,可显著减缓认知能力的降低速度,减少淀粉样斑块㊂但由于早期患者极难发现,妨碍了阿杜那单抗的广泛使用㊂因此,使用高灵敏度㊁高准确度的检测方法诊断出A D 早期患者,并及时给予药物治疗具有至关重要的意义㊂1 A D 的诊断方法阿尔兹海默症的主流诊断方法优缺点如图1.A ㊂1.1 量表法 医院通常会使用神经心理学测试量表进行A D 的初步诊断㊂该量表法主要通过检测记忆障碍程度与认知功能来评估患者是否患痴呆类疾病,被广泛使用㊂医院通常使用的量表是1984年的美国国立神经病㊁语言交流障碍和卒中研究所-老年性痴呆及相关疾病学会标准(N I N C D S -A D R D A )与阿尔兹海默症诊断标准神经疾病诊断与统计手册(D S M-Ⅳ),然而它们的准确率大幅波动(65%-96%)且不能区分A D与其他类型的痴呆(特异性仅为23%-88%),因此不能满足临床研究的需要[4]㊂此外,仅靠神经心理学测试来确诊A D 是远远不够的,还须结合体内检测疾病的病理生理学特征来确诊A D ㊂另外,量表只能检测出A D 晚期患者,因此无法作为有效的A D 早期诊断方法㊂1.2 影像学技术成像法 随着技术的进步,科学家们主要利用磁共振成像(M R I )和正电子发射计算机断层成像(P E T )等影像学技术来检测大脑中是否存在病变㊂然而,M R I 和P E T 的成本较高㊂此外,M R I 可能对人体造成严重的危害㊂最近的研究表明,纳米钆作为常用的M R I 造影剂被广泛使用,但它可能对肾脏细胞产生潜在的负面影响㊂严重的副作用可能包括急性肾损伤㊁与钆暴露和钆沉积有关的症状㊁潜在致命的钆脑病以及不可逆的神经系统纤维化[5]㊂另外,A D 的进展是一个缓慢而漫长的过程,脑内的病变如脑萎缩等病理特征通常出现在A D 的晚期阶段㊂因此,在早期阶段,影像学检测无法对A D 进行评估㊂1.3 生物标志物检测法 淀粉样蛋白和t a u 生物标志物的使用彻底改变了A D 的诊断㊂A β和t a u 是两个主要的A D 病理蛋白㊂A D 的病理变化通常发生在临床症状表现之前约20年㊂因此,在轻度认知障碍(M C I )患者中识别A D ,以及在非典型表现的情况下进行鉴别诊断,可以通过使用与淀粉样蛋白和t a u 蛋白有关的生物标志物来实现㊂有研究表明,它们能够将A D 与其他类型的痴呆区分开来[6]㊂为了检测这些生物标志物,脑脊液(C S F )一直是用于诊断的主要工具㊂该方法的优点包括直接进入中枢神经系统(C N S )以及C S F 中含有高水平的脑源性分子与低基质干扰㊂C S F 标志物检测的缺点为采集需要进行腰椎穿刺,具有侵入性,需要住院且价格昂贵,诸多缺点导致C S F 检测不被早期A D 患者所接受㊂C S F 检测属于体液标记物检测的一种,除此之外还有血液与唾液的检测㊂唾液生物标志物虽然目前研究有限,然而便利性和较少的侵入性使得它有很好的前景㊂目前已有一篇使用唾液胶质纤维酸性蛋白(G F A P )作为A D 生物标志物的论文发表[7]㊂目前在全球范围内,寻找体液指标来获得微创和经济可负担的早期A D 诊断是至关重要的㊂因此,迫切需要寻找非侵入性的㊁具有成本效益的和容易获得的生物标志物来诊断A D ㊂而血液生物标志物正可以满足这些需求[8]㊂全球范围内各研究中心的研究都揭示出A β42㊁p -t a u ㊁N F L ㊁G F A P 等血液生物标志物在A D 早诊中的重要意义(图1.B ),然而各中心给出的结果存在明显差异,其原因可能为队列差异与检测方法差异[9]㊂因此,建立一个标准检测方法或流程对于A D 的早期诊断是至关重要的㊂A D 的生物标志物建立在其病理学和病因学假设的基础上[10,11]㊂研究者们提出了A T N 框架,其中A 代表淀粉样蛋白(a m yl o i d ),T 代表t a u 蛋白,N 代表神经退行性变(n e u r o d e g e n e r a t i o n )㊂神经丝轻链(N F L )㊁神经粒蛋白(n e u r o gr a n i n )和N-甲基-D-天门冬氨酸受体2A (NM D A R 2A )均属于N 类别㊂然而,由于A T N 框架无法满足所有需求,随着越来越多的生物标志物的发现,需要建立一个新的框架㊂此外,G F A P 在近年被发综 述生命科学仪器 2023年第21卷/第4期20现是一种十分有前景的用于识别A D 的血液标志物㊂在本综述中,我们报道了基于A T N 框架和G F A P 的生物标志物的最新发展情况,评估了相关问题,并提出了对A D 早期诊断的观点㊂图1 阿尔茨海默病的诊断方法与生物标志物的分布(A )目前用于检测阿尔茨海默病的方法及其优势和局限性(B )阿尔茨海默病生物标志物在神经细胞中的分布2 A D 血液标志物2.1 A β A β生物标志物的使用得到了淀粉样蛋白假说的支持(图2A ),淀粉样蛋白假说是最主要的假设之一,其主要内容如下:淀粉样前体蛋白(A P P )是一种质膜蛋白,它作为细胞表面受体,可在神经元表面执行与神经突生长,神经元粘附和轴突发生相关的生理功能[12]㊂A P P 可在正常生理条件下被α-分泌酶水解(非αβ途径水解)形成绝大多数可溶的A β40(无毒)与少量A β42(有毒),一旦由于某些原因(如A P O E 基因型为A P O E4[13])导致A P P 进行在神经病理状态下被β-分泌酶与γ-分泌酶水解(αβ途径),产生的A β比正常片段长,更易形成纤维状聚合体,产生的A β42(有毒)数量远高于A β40(无毒),从而导致淀粉样蛋白异常聚集沉淀㊂2.1.1 A β42 A β42作为C S F 生物标志物被广泛使用,在区分A D 或其他疾病如帕金森病(P D )方面有很高的灵敏度和准确度㊂一些研究指出,A D 的第一个变化是C S F A β,紧随其后的是可溶性t a u [14,15]㊂然而A β42不仅在A D 中变化,在非A D 型痴呆(n o n -A D D )中也呈下降趋势,这意味着C S FA β42不能区分A D 和n o n -A D D [16]㊂一些研究表明,C S F A β42/A β40可在鉴别诊断A D 和非A D 痴呆方面也有很好的准确性㊂同时,A β42在血浆中是沉淀状态,因此血浆中的A β42水平比可溶性A β40低10倍㊂由于A β40是可溶性的,而A β42表示A D 的病理学特征,因此科学家们选择利用A β42/A β40的比值作为生物标志物㊂事实证明,C S F 与血浆A β42/A β40在区分A D 和健康人或其他神经变性疾病方面均表现出很好的性能,并且C S F A β42/A β40作为生物标志物比A β42表现得更好[17,18]㊂此外,研究人员指出,A β本身不是一个特别有效的生物标志物,但当与其他生物标志物配对时,结果可以大大增加[16]㊂一项研究使用S i m o a 技术分析瑞典B i o F I N D E R 队列(719人)中A β42和A β40的血浆水平,包括主观认知衰退(S C D )㊁轻度认知障碍(M C I )㊁A D 痴呆症患者和认知健康的老人㊂发现血浆和脑脊液(C S F )中A β42和A β40的水平存在弱正相关㊂在A D 痴呆症中,与所有其他诊断组相比,血浆中的A β42和A β40水平降低㊂然而,在A D 的临床前或前驱阶段,A β42的血浆浓度只是适度下降,而A β40的水平却没有变化㊂这些发现表明,与大脑相比,血浆中A β的下降发生在外周,表明在A D 的痴呆阶段,A β的代谢发生了突出的变化[15]㊂此外,关于A β的研究还有聚集状态,一项研究发现人脑海马组织中存在的局灶型斑块越多,阿尔茨海默病的神经病理就越严重㊂然而,扩散型斑块的数量与A D 神经病理学改变的严重程度没有关系㊂同时,人脑中局灶型斑块的数量与供体的产前日常认知(E C o g )评分呈正相关,而弥漫型斑块的数量则没有实质性的对应㊂因此人脑中的病灶型A β斑块可以作为评估人脑中与AD 相关的病理过程的潜在生物标志物,取代A β斑块的总数[18]㊂2.1.2 A β的结构信息 A β42有两种类型:Ⅰ型和Ⅱ型,冷冻电镜的结构如图2.B ,A β42的结构信息如表1㊂一项研究发现,A β42的毒性构象在生命科学仪器 2023年第21卷/第4期综 述2122-23位点有一个毒性转折结构,这种毒性构象已被确定为快速聚集的低聚体,并在所有A β42构象中显示出强烈的神经毒性和突触毒性㊂这代表了有希望的治疗目标之一[19]㊂图2 A β假说与A β42的冷冻电镜结构(A )淀粉样假说(B )A β42的I 型和I I 型冷冻电镜结构(P D B :8a z s 和8a z t)2.2 T a u T a u 蛋白作为生物标志物的使用受到t a u 假说的支持(图3.A )㊂T a u 假说的核心内容如下:神经纤维缠结(N F T )的发生率是A D 患者的一个重要临床特征㊂T a u 是一种微管结合蛋白,在正常的磷酸化生理状态下,可溶性的t a u 可以与蛋白结合并稳定微管,t a u 在蛋白激酶和磷酸酶的双重作用下处在磷酸化和去磷酸化的动态平衡中㊂而在A D 病理状态下,动态平衡被打破,细胞内的T a u 蛋白被过度磷酸化继而降低溶解度,过度磷酸化的t a u 与微管蛋白竞争结合正常t a u 及其它微管相关蛋白,从而失去促进微管组装的生物活性,导致微管解聚和轴突运输受损,从而导致神经元退化和神经元凋亡,最终导致A D 的发生[20]㊂T a u 生物标志物包括总t a u (t -t a u)和磷酸化t a u (p-t a u ),t -t a u 和p -t a u 具有不同的生理意义㊂高浓度的t -t a u 表示皮质神经元的丧失,而p -t a u 的增加表示N F T 的形成㊂2.2.1 t -t a u T-t a u 是目前C S F 的最佳标志物㊂2016年,研究人员对各生物标志物的血浆和血清检测进行了分析,确定在核心生物标志物中,C S F t -t a u 法从对照组有效规模中识别AD (平均比率=2.54,p =0.0001),从A D 有效规模中识别M C I -A D (平均比率=1.76,p =0.0001)的效果最佳㊂然而,由于来自肾脏和周围组织的t a u 表达,它在外周血中的效果较差㊂C S F 中的总t a u 和血浆中的总t a u 之间几乎没有相关性[21]㊂因此,t -t a u 目前没有被列为外周血中A D 的生物标志物㊂但也有一些结果显示,血浆t -t a u 是一个很好的生物标志物㊂一项研究表明,血浆t -t a u 是唯一能够区分A D 和对照组的血浆生物标志物(平均比值=1.95,95%C I 1.12-3.38,p=0.02)[22]㊂此外,他们注意到血浆t -t a u 高于中位数时,所有痴呆症的风险增加62%,A D 痴呆症的风险增加76%[23]㊂2.2.2 p -t a u 最近,p-t a u 已被广泛应用作为阿尔茨海默病的生物标志物,其中包括p -t a u 181㊁p -t a u 217㊁p-t a u 231和p -t a u 235㊂血浆p -t a u 181在A D 早期升高,随着疾病的发展继续增加,并能区分A D 痴呆和其他神经退行性疾病[24]㊂有研究发现血液p -t a u 181能预测T a u 和A β病理,并能很好地区分A D 和其他神经退行性疾病,还能描述A D 的临床连续性[25]㊂一项研究表明,血浆p -t a u181的改变可随A D 病理的发展而增多,但在非A D 引起的痴呆症中却没有改变[25]㊂与该研究一致的是,在526名受试者的队列中,p -t a u 在疾病发生和发展中的相关性显示,与对照组人群相比,血浆p -t a u181在A β+个体中明显升高,并且与C S F p -t a u 181㊁t a u -P E T 和A β-P E T 有良好的联系[26]㊂同时,在认知正常人群(c o gn i t i v eu s u a l ,C U )和M C I 中,那些基线p -t a u181水平高的人有极高的概率发展为A D [24,27]㊂将血液标志物血浆p -t a u 181㊁A β42/A β40比值和N F L 与A D 的阳性检测相比,血浆p -t a u 181方法的敏感性最好,为94.4%,特异性为85.7%,而A β42/A β40比值方法的敏感性只有56.7%,N F L 的敏感性只有43.3%,特异性为88.2%[27]㊂P -t a u217在A D 的不同阶段有明显的变化,但在帕金森病(P D )或血管性痴呆(V D )中数据可以忽略不计㊂在长期纵向研究中,它是唯一与A D 患者淀粉样蛋白沉积增加相应变化的血浆生物标志物,只有p -t a u217的纵向变化与患者的认知功能下降和脑萎缩增加明显相关[28]㊂在淀综 述生命科学仪器 2023年第21卷/第4期22粉样蛋白阳性组中,血浆p -t a u217的增幅大于p-t a u181的增幅,表明在诊断A D 时前者比后者更准确[29-31]㊂与p -t a u181相比,p -ta u217的敏感性和特异性都比p -t a u181高,A U C 数分别为0.96和0.81㊂但其血浆浓度明显较低㊂因此,这限制了p -t a u217作为生物标志物的应用[32,33]㊂随着技术的进步,已经开发出了几种超灵敏的方法,可以检测极低浓度的生物标志物㊂这些方法包括单分子阵列(S i m o a)㊁免疫磁还原(I M R )和无扩增的免疫测定(a -E I MA F )㊂这些技术极大地提高了检测的灵敏度和准确性,即使在非常低的水平下也能检测到生物标志物[34,35]㊂与此同时,大多数老年人同时患有多种疾病,一些疾病如肥胖㊁心梗等可能会影响生物标志物的性能㊂这是由于慢性疾病可能通过改变p -t a u 181和p -t a u 217的代谢,进而改变它们的血浆水平来影响临床诊断[36]㊂为了评估p -t a u 181和p -t a u 217生物标志物排除合并疾病的能力,未来还需要增加临床队列㊂P -t a u 231和p -t a u 235都是最近发现的新型C S F p -t a uA D 生物标志物,且都缺乏血浆结果㊂科学家们发现,在所有的生物标志物中,C S Fp -ta u231在淀粉样蛋白前期阶段最先升高,但这是否会延续到血浆中还不得而知[37]㊂C S F p -t a u 235不仅是A D 的特异性生物标志物,而且在临床前阶段也是一个很有前途的生物标志物㊂因此,它可以在跟踪疾病进展和帮助丰富临床试验招募方面发挥关键作用[38,39]㊂综上,在血浆p -t a u 生物标志物中,p -ta u 181具有最佳的敏感性和准确性,在长期纵向研究中,只有p -t a u217的变化与患者的认知功能下降和脑萎缩程度明显相关,p -ta u231可以在A β+和p -t a u235之前先增加,其作为血液标志物仍有待探索㊂2.2.3 t a u 的结构信息 T a u 蛋白由734个氨基酸组成,其中包含一个微管结合结构域,其余部分呈无规则卷曲(图3.B )㊂关于t a u 的详细结构信息可参考表1㊂A l p h a F o l d 预测得到的蛋白结构如图3.C ㊂目前t a u 的全长结构未被解析㊂由图,4个磷酸化位点均位于不规则卷曲区域内㊂因此,确定总t a u (t -t a u )或磷酸化t a u (p -t a u )的晶体结构十分具有挑战性㊂图3 T a u 假说与T a u 的结构(A )T a u 假说(B )T a u 的结构域划分(C )A l p h a F o l d 预测的T a u 结构微管结合结构域以青色表示,无序区域以绿色表示㊂图中标有P -t a u 181㊁217㊁231和2352.3 N F L2.3.1 N F L 的功能 成熟的神经丝由五个不同的亚单位组成,包括神经丝轻链(N F L )㊁神经丝中链(N F M )㊁神经丝重链(N F H )㊁α-介连蛋白(I N A )和/或外周蛋白(P R P H )[40]㊂神经丝对于维持神经元的直径起着重要作用,并且可能通过与中间丝蛋白P R P H 和I N A 的相互作用形成神经元的丝状网络㊂N F L 是范围最广的中间丝蛋白之一,它是一种神经元特异性的细胞骨架蛋白,主要存在于轴突中㊂N F L 参与多个生理过程,包括调节轴突直径㊁轴突运输㊁中间丝束生成㊁控制神经元死亡㊁大脑皮层发育等[41-43]㊂2.3.2 N F L 作为神经退行性疾病的血液标志物N F L 是轴突损伤的标志物,在神经元损伤后会分泌到脑脊液(C S F )和血液中,因此可反映神经元损伤㊂N F L 在C S F 和血浆中的水平升高,可作为生物标志物来改善临床诊断,并在临床试验中跟踪对神经退行性行为过程的药效作用,以量化血液中的神经元损伤㊂然而,受损的神经元释放N F L 的具体机制及血液中N F L 碎片的具体断裂位点目前尚不清楚,只有一篇文章报导在肌萎缩性脊髓侧索硬化症(A L S )病人的血液中检测到22生命科学仪器 2023年第21卷/第4期综 述23k D 的N F L 片段[44-46]㊂血液中的N F L 水平受多种生理和病理情况的影响(图4.A ),包括中枢或周围神经系统的损伤㊁衰老㊁怀孕等㊂N F L 的增加或减少并不局限于特定的病因,如运动中的头部撞击也可能会诱发N F L 的增加[47]㊂N F L 现在被用来追踪许多疾病的进展,包括额颞叶痴呆症(F T D )和多发性硬化症(M S )(当只有炎症活动发生在脊髓时,N F L 的浓度无明显变化)[48]㊁A L S ㊁H I V 感染中的中枢神经系统损伤和慢性神经炎症[49-53]㊂N F L 还可作为指示中风恢复初期与后期改善的不良预后的生物标志物[54]㊂N F L 也被提议作为预测性生物标志物,然而,其诊断敏感性和特异性可能不如基因检测[55]㊂近年来,N F L 被确定为神经系统疾病的一个潜在标志物[56]㊂一项研究发现,测量血液中的N F L 浓度有助于区分P D 和A P D (非典型帕金森病)㊂因此,N F L 血液检测可能被纳入普通护理和专门诊所的P D 患者的诊断测试中㊂此外,较高的血浆N F L 浓度与P D 表型和较快的运动机能进展有关[57-59]㊂N F L 是否能成为A D 早期诊断中一个有前景的生物标志物,目前尚有争议㊂一些研究表明,N F L 可能是A D 的血液生物标志物,而有些则不是[60]㊂在家族性A D 中,N F L 水平与疾病阶段和严重程度密切相关,N F L 的变化率可以比断层扫描早十年左右发现无症状阶段的A D [61-63]㊂而一些研究表明,血浆N F L 的数量在F T D 和A L S 中是最高的,分别是A D 的2倍和4倍[64]㊂血浆N F L 在A L S 中丰富的原因是A L S 的病理特征是运动神经元(包含人体最长轴突的神经元)的破坏[65]㊂N F L 作为A D 生物标志物使用的共识是N F L 在C S F 与和血液水平均可作为神经变性的非特异性生物标志物㊂尽管如此,考虑到在A D 的前驱和临床前阶段的使用,有希望的证据表明N F L 水平可能在A β病理的M CI 携带者和M C I 非携带者之间有所不同[66]㊂此外,N F L 也可以作为A D 的辅助生物标志物㊂一项研究表明,血浆联合生物标志物N F L -t -t a u 与单一血浆生物标志物t -t a u 和N F L 一起检测时,可以提高敏感性和特异性[67]㊂A s h t o n 等人[28]也发现了类似的结果㊂2.3.3 N F L 的结构信息 N F L 由543个氨基酸组成,有四个结构域(c o i l 1a ㊁c o i l 1b ㊁c o i l 2a &2b 与T a i l E ),在N 端和C 端有翻译后修饰:N 端有O 型糖基化修饰和磷酸化修饰,C 端有O 型糖基化修饰(图4.B ),在T R I M 2和U B E 2的存在下被泛素化[68]㊂目前N F L 的结构还没有被解析,只有A l p h a F o l d 预测的蛋白质结构(图4.C )㊂N F L 未能大量表达纯化使得单克隆抗体的生产和检测技术的开发变得复杂㊂此外,N F L-单克隆抗体复合物的结构不清楚,使高选择性的单克隆抗体的设计变得复杂㊂图4 N F L 的影响因素与结构(A )增加或降低N F L 血液水平的生理和病理因素红色表示该因素可使N F L 水平上升,蓝色表示该因素可使N F L 水平下降(B )N F L 的结构域划分及其修饰㊂(C )由A l ph a F o l d 预测的N F L 结构㊂2.4 G F A P G F A P 属于I I I 类中间丝蛋白,主要在细胞质中表达[69]㊂它作为星形胶质细胞细胞骨架的主要组成部分,特异性地表达于星形胶质细胞,使其成为一种在中枢神经系统发育过程中区分星形胶质细胞和其他胶质细胞的广泛使用的细胞特异性标志物㊂近年来,G F A P 已被确认为创伤性脑损伤的生物标志物[70,71]㊂此外,最近的研究揭示了G F A P 在阿尔茨海默病(A D )进展过程中的显著增加,与p -t a u181和p -t a u 217相比,这种增加明显更高[72]㊂G F A P 的诸多优点如在血浆中的高浓度(与一般在脑脊液中浓度较高的生物标志物不同)㊁易于检测,与非A D 性痴呆患者相比在正常个体中的最低水平,使得它具有作为早期诊断血液标志物的潜力[8]㊂G F A P 的诊断准确性可见于表2㊂G F A P 由432个氨基酸组成㊂目前,G F A P的X 射线晶体衍射结构仅有110-213部分片段,其结构信息见表1㊂经A l p h a F o l d 预测,G F A P 可分为六个结构域:h e a d ㊁I Fr o d ㊁c o i l 1A ㊁c o i l 1B ㊁c o i l 2A 与c o i l 2B ㊂长螺旋结构域的存在可能是综 述生命科学仪器 2023年第21卷/第4期24G F A P 全长结构难以解析的原因㊂表1 A D 血浆生物标志物的结构信息M e t h o d M e t h o d R e s o l u t i o n ( )P o s i t i o n s P D BI D A β40E M 2.81-406W 0O A β42T y p e ⅠE M 2.91-428A Z SA β42T y p e ⅡE M 3.71-428A Z T T a ua m yl o i d f i b r i l E M 3.41-7587S P 1N F L (n o n -s t r u c t u r e)----G F A P X-r a y 2.51110-2136A 9P表2 A D 血浆生物标志物的诊断准确性名称队列A U C准确度(%)灵敏度(%)C u t -o f f (p g/m l )参考文献A β42C A N D I 0.562992.656.7-[16]A β40C A N D I 0.525---[16]A β42/A β40-0.76892.656.70.15[27]t -t a u -0.7372.5467.14-[66]p-t a u 181-0.94485.794.48.4[27]p -t a u 217-0.9289830.27[73]p-t a u 231(n o p l a s m a b i o m a r k e r s y e t )------p-t a u 235(n o p l a s m a b i o m a r k e r s y e t )------N F L K C La n dL u n d c o h o r t s0.858373.28A ge <65:19.37A ge >65:38.04[28]G F A P T R I A D 0.82---[58]N F L +t -t a u-0.8676.4783.75-[66]3 讨论与结论尽管血液生物标志物具有众多益处和前景,但目前仍存在一些问题需要解决㊂首先,血脑屏障限制了大多数分子进入血液循环㊂且血浆中的生物标志物由于血浆的稀释,通常比脑脊液中的丰度低很多,常规方法不易检出㊂未来开发超灵敏技术㊁先进的检测方法和更精确的抗体来降低外周生物标志物的检测下限有助于解决此问题㊂此外,血浆环境十分复杂,生物标志物可能会被酶和蛋白酶体降解,或与其它分子发生相互作用,这可能会影响生物标志物水平的检测[74]㊂另外,血液生物标志物无法反映大脑的实时动态功能状态,其运输机制仍未完全理解㊂为了解决这个问题,NM D A R 2A 被确定为中枢神经系统来源的血浆细胞外囊泡(E V s)的独特标志物㊂这一新型生物标志物在阿尔茨海默病的诊断中具有潜在的筛查工具和替代性痴呆标志物的作用[75]㊂阿尔茨海默病(A D )是一种常见的神经退行性疾病,主要发现于老年群体中㊂早期准确诊断A D 在生物学与医学领域均具有重要意义㊂近年来,血浆生物标志物已成为A D 早诊领域的重大突破[76]㊂A D 生物标志物的发现极大增进了我们对该疾病病理机制的理解,促进了早期诊断,实现了治疗效果的评估,并为探索新的治疗方法开辟了途径㊂A β42/40㊁p -t a u181㊁p -t a u217㊁p -t a u 231㊁p -t a u 235㊁N F L 和G F A P 等血浆生物标志物克服了在某些情况下受限的获取性和高昂的成本的局限性,同时具有非侵入性与相对安全性,因此在A D 诊断领域具有极高的潜力㊂关于A D 生物标志物的这些最新发现引起了生物学和临床领域的广泛兴趣,并有潜力为A D 提供更准确的预测㊂然而,还需要进一步研究开发和验证捕捉这些新的A D 生物标志物特征的检测方法,并标准化临床程序和测试㊂结构生物学研究能够有助于我们更好地理解生命科学仪器 2023年第21卷/第4期综 述25生物标志物的分子结构和功能㊂通过了解生物标志物的三维结构,研究人员可以确定参与其与其他分子(如抗体或受体)相互作用的关键结构域与氨基酸㊂这些信息可以用于设计更具特异性和灵敏度的生物标志物检测方法㊂此外,生物标志物结构研究可以揭示其在疾病进展过程中发生的构象变化,提供其在血液中的真实构象,并提供准确的抗原表位,促进抗体的理性设计和改造㊂总之,结构生物学研究将极大推动A D 早期诊断技术的开发㊂参考文献[1]Z h a n g Y ,L i Y ,M aL .R e c e n t a d v a n c e s i n r e s e a r c ho nA l z h e i -m e r 'sd i s e a s e i n C h i n a [J ].J o u r n a lo fC l i n i c a lN e u r o s c i e n c e,2020,81(1):43-46.[2]M c k h a n nG M ,K n o p m a nDS ,C h e r t k o w H ,e t a l .T h ed i a g-n o s i s o f d e m e n t i a d u e t oA l z h e i m e r 's d i s e a s e :r e c o mm e n d a t i o n s f r o m t h e N a t i o n a l I n s t i t u t e o n A g i n g -A l z h e i m e r 's A s s o c i a t i o nw o r k g r o u p s o n d i a g n o s t i c gu i d e l i n e s f o rA l z h e i m e r 's d i s e a s e [J ].A l z h e i m e r sD e m e n t ,2011,7(3):263-9.[3]D u b o i s ,B r u n o ,F e l d m a n ,H ,J a c o v a ,C l a u d i a .2014."A d v a n -c i n g r e s e a r c hd i a gn o s t i cc r i t e r i af o r A l z h e i m e r 'sd i s e a s e :t h e I WG-2c r i t e r i a (v o l 13,p g 614,2014)."T h eL a n c e tN e u r o l -o g y 13:757-757.[4]徐俊,张颖冬.阿尔茨海默病新的N I N C D S -A D R D A 诊断标准介绍[J ].诊断学理论与实践,2009,8(04):367-71.[5]D e a g u e r o J ,H o w a r dT ,K u s e w i t tD ,e t a l .T h eo n s e t o f r a r e e a r t hm e t a l l o s i s b e g i n sw i t h r e n a l g a d o l i n i u m-r i c h n a n o p a r t i -c l e s f r o m m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g c o n t r a s t a g e n t e x p o s u r e [J ].S c iR e p,2023,13(1):2025.[6]A l t o m a r eD ,C a p r i o g l i oC ,A s s a l F ,e t a l .D i a g n o s t i cv a l u eo f a m y l o i d -P E Ta n d t a u -P E T :ah e a d -t o -h e a dc o m p a r i s o n [J ].E u r JN u c lM e d M o l I m a g i n g ,2021,48(7):2200-11.[7]K a t s i p i sG ,T z e k a k i EE ,T s o l a k iM ,e t a l .S a l i v a r y G F A Pa s a p o t e n t i a lb i o m a r k e r f o rd i a g n o s i so fm i l dc o g n i t i v e i m p a i r -m e n t a n dA l z h e i m e r 's d i s e a s e a n d i t s c o r r e l a t i o nw i t hn e u r o i n -f l a mm a t i o na n da p o p t o s i s [J ].J o u r n a lo fn e u r o i mm u n o l og y ,2021,361:577744.[8]A n d r e a ,P i l o t t o ,I m a r i s i oA ,C o n f o r t iF ,e t a l .P l a s m aN f L ,c l i n i c a l s u b t y p e s a n dm o t o r p r o g r e s s i o n i nP a r k i n s o n 'sd i s e a s e [J ].P a r k i n s o n i s m &R e l a t e dD i s o r d e r s ,2021.[9]C h o n g JR ,As h t o n N J ,K a r i k a r iT K ,e ta l .P l a s m aP-t a u 181t oA β42r a t i o i sa s s o c i a t e dw i t hb r a i na m y l o i db u r d e n a n dh i p p o c a m p a la t r o p h y i na n A s i a nc o h o r to fA l z h e i m e r 's d i s e a s e p a t i e n t sw i t hc o n c o m i t a n t c e r e b r o v a s c u l a r d i s e a s e [J ].A l z h e i m e r sD e m e n t ,2021,17(10):1649-62.[10]C o u s i n s ,K.A.Q.,J .S .P h i l l i ps ,D.J .I r w i n ,E .B .L e e ,D.A.W o l k ,L .M.S h a w ,H.Z e t t e r b e r g,K.B l e n n o w ,S .E .B u r k e ,N.G.K i n n e y,G.S .G i b b o n s ,C .T.M c M i l l a n ,J .Q.T r o j a n o w s k i ,a n d M.G r o s s m a n .2021."A T N i n c o r p o r a t i n gc e r e b r o s p i n a l f l u i dn e u r o f i l a m e n t l i gh tc h a i nd e t e c t sf r o n t o -t e m p o r a l l o b a rd e g e n e r a t i o n ."A l z h e i m e r s D e m e n t17(5):822-830[11]K o y c h e v ,I .,K.J a n s e n ,A.D e t t e ,L .S h i ,a n d H.H o l l i n g.2021."B l o o d -B a s e d A T N B i o m a r k e r s o f A l z h e i m e r 's D i s e a s e :A M e t a-A n a l y s i s ."J A l z h e i m e r sD i s79(1):177-195.[12]B a u m k o t t e rF ,S c h m i d tN ,V a r g a sC ,e t a l .A m yl o i d p r e c u r -s o r p r o t e i nd i m e r i z a t i o na n d s y n a p t o g e n i c f u n c t i o nd e pe n do n c o p p e r b i n d i n g t ot h e g r o w t hf a c t o r -l i k ed o m a i n [J ].T h e J o u r n a l o f n e u r o s c i e n c e :t h e o f f i c i a l j o u r n a l o f t h eS o c i e t y f o r N e u r o s c i e n c e ,2014,34(33):11159-72.[13]S e r r a n o -p o z oA ,D a s S ,H ym a nBT.A P O Ea n dA l z h e i m e r 's d i s e a s e :a d v a n c e s i n g e n e t i c s ,p a t h o p h y s i o l o g y ,a n dt h e r a -p e u t i c a p p r o a c h e s [J ].T h eL a n c e tN e u r o l o g y,2021,20(1):68-80.[14]P a l m q v i s t S ,I n s e l PS ,S t o m r u dE ,e t a l .C e r e b r o s pi n a l f l u i d a n d p l a s m ab i o m a r k e rt r a j e c t o r i e s w i t hi n c r e a s i n g a m y l o i d d e po s i t i o n i nA l z h e i m e r 's d i s e a s e [J ].E M B O m o l e c u l a rm e d i -c i n e ,2019,11(12):e 11170.[15]L e u z y A ,M a t t s s o n -C a r l g r e n N ,P a l m qv i s tS ,e t a l .B l o o d -b a s e db i o m a r k e r s f o rA l z h e i m e r 'sd i s e a s e [J ].E M B O m o -l e c u l a rm e d i c i n e ,2022,14(1):e 14408.[16]G a oF ,L vX ,D a i L ,e t a l .Ac o m b i n a t i o nm o d e l o fA Db i o -m a r k e r s r e v e a l e d b y m a c h i n e l e a r n i n g p r e c i s e l y pr e d i c t s A l z h e i m e r 'sd e m e n t i a :C h i n a A g i n g a n d N e u r o d e ge n e r a t i v e I n i t i a t i v e (C A N D I )s t u d y [J ].A l z h e i m e r sD e m e n t ,2022.[17]S c h i n d l e r SE ,B o l l i n g e r JG ,O v o dV ,e t a l .H i gh -p r e c i s i o n p l a s m a β-a m yl o i d42/40p r e d i c t sc u r r e n ta n df u t u r eb r a i n a m y l o i d o s i s [J ].N e u r o l o g y ,2019,93(17):e 1647-e 59[18]F a nL ,J i a n r uS ,X u eW ,e t a l .F o c a l -t y pe ,b u t n o tD if u s e -t y p e ,A m y l o i d B e t a P l a qu e s a r e C o r r e l a t e d w i t h A l z h e i m e r s N e u r o p a t h o l o g y ,C o g n i t i v e D y s f u n c t i o n ,a n d N e u r o i n f a mm a t i o n i n t h eH u m a nH i p p o c a m p u s [M ].2022.[19]I z u oN ,K a s a h a r aC ,M u r a k a m i K ,e t a l .A T o x i cC o n f o r m e ro fA β42w i t h aT u r n a t 22-23i s aN o v e l T h e r a p e u t i cT a r g e t f o rA l z h e i m e r 'sD i s e a s e [J ].S c iR e p ,2017,7(1):11811.[20]B l e n n o w K ,D eL e o n MJ ,Z e t t e r b e r g H.A l z h e i m e r 's d i s e a s e [J ].T h eL a n c e t ,2006,368(9533):387-403.[21]M a t t s s o nN ,Z e t t e r b e r g H ,J a n e l i d z eS ,e t a l .P l a s m a t a u i n A l z h e i m e r d i s e a s e [J ].N e u r o l o g y,2016,87(17):1827-35.[22]O l s s o nB ,L a u t n e rR ,A n d r e a s s o n U ,e t a l .C S Fa n db l o o db i o m a r k e r s f o rt h ed i a g n o s i so fA l z h e i m e r 'sd i s e a s e :as ys -t e m a t i c r e v i e w a n d m e t a -a n a l y s i s [J ].T h e L a n c e t N e u r o l o g y,2016,15(7):673-84.[23]P a s e M P ,B e i s e rA S ,H i m a l i IJJ ,e ta l .A s s e s s m e n to fP l a s m aT o t a lT a uL e v e la saP r e d i c t i v eB i o m a r k e rf o rD e -。
