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阿尔茨海默病早期诊断的生物标志物和技术进展!

2023-5-25 11:00| 编辑: 归去来兮| 查看: 1755| 评论: 0|来源: IVD分享库

摘要: 一些脑脊液(CSF)和血液生物标志物已被提出


早期非侵入性诊断方法的发展和新型生物标志物的鉴定,对于阿尔茨海默病(AD)的管理以及促进有效的预后和治疗是必要的。

阿尔茨海默病(AD)是多因素性的,涉及复杂的分子机制,导至神经元变性。早期AD检测的主要挑战包括患者的异质性和缺乏临床前阶段的精确诊断。

一些脑脊液(CSF)和血液生物标志物已被提出,通过识别tau病理和脑淀粉样蛋白β (Aβ)对AD显示出出色的诊断能力。人们正在加紧研究以开发超灵敏的检测技术,并为早期AD诊断找到有效的生物标志物。

为了在全球范围内减轻AD,了解各种脑脊液生物标志物、血液生物标志物和可用于早期诊断的技术是必要的。


这篇综述试图提供有关AD的病理生理学、与AD相关的遗传和非遗传因素、几种潜在的血液和脑脊液生物标志物,如神经丝光、神经颗粒蛋白、Aβ和tau,以及正在开发的用于AD检测的生物标志物的信息。

此外,还讨论了许多技术,如神经成像、光谱技术、生物传感器和神经蛋白质组学,这些技术正在被探索以帮助早期AD检测。

由此获得的见解将有助于发现潜在的生物标志物和合适的技术,在认知功能障碍之前准确诊断早期AD。


鉴定在早期诊断、预后和有效治疗阿尔茨海默病(AD)方面有效的新生物标志物和技术是无可辩驳的。许多神经退行性疾病导至了经济和社会负担的增加,AD 就是这样一种散发性和遗传性疾病;其复杂的病理生理学特征是突触降解、脑萎缩、神经元丢失、淀粉样斑块沉积和以神经原纤维缠结(nft)形式存在的tau蛋白凝结。

在阿尔茨海默病中,神经元会发生退行性变化,导至认知功能障碍和脑容量减少。许多基于抗体的方法和专门的染色被用来检查死后AD大脑的病变类型以及受累模式。β淀粉样蛋白(Aβ)的异常积累和过度磷酸化的tau会导至AD。显微镜下观察发现Aβ在神经元和斑块外的积累干扰了神经元的通讯能力。相比之下,tau蛋白在成熟的各个阶段后过度磷酸化并在神经元内积累。在受影响的神经元内部形成的nft导至轴突不稳定,从而影响细胞之间的营养运输和通信。利用先进的PET(正电子发射地形学)成像和其他技术,可以检测活体大脑内tau和Aβ积累的异常水平。

通常,AD会导至失忆性认知障碍,而其他不常见的变异则会导至非失忆性认知障碍。尸检通过发现主要由淀粉样肽和富含tau蛋白的NFTs组成的老年斑密度增加来证实患者的AD 。然而,对AD中观察到的认知能力下降的机制和病理的清晰认识仍然是难以捉摸的。公认的AD的神经病理学特征是tau蛋白、淀粉样蛋白和突触丧失或功能障碍被广泛探索。突触功能障碍是AD患者认知能力丧失和神经退行性变的原因。明确AD发病过程中的突触功能障碍机制,有助于AD的早期诊断。在老年人中,阿尔茨海默症会进一步导至不可逆的痴呆症;然而,目前尚缺乏有效的治疗阿尔茨海默病的方法。因此,AD的早期诊断对于避免不可逆的神经损伤至关重要,对于辅助药物干预和开发新的治疗策略具有重要意义。由阿尔茨海默病引起的进行性认知能力下降和痴呆影响到1/8的65岁老人。
使用美国衰老和阿尔茨海默氏症协会(NIA-AA)的指南进行尸检分析后确认AD 。NIA-AA提出可以计算AD患者的ABC评分。在该评分中,Braak tangle stage (B)解释了NFTs, modified Consortium to Establish a Registry for AD (C)表示神经样斑块,Thal淀粉样阶段表示β淀粉样斑块(a)。死前诊断是通过分析患者的病史和家族史、生物液检测、神经成像和认知测试来完成的。

AD检测是一个漫长的过程,综合了神经学、心理测试、成像、遗传学和心理学参数。新型生物标志物的发现和具有成本效益的早期非侵入性诊断方法对于管理日益增长的AD及其治疗是极其必要。现有的神经成像技术可以有效地识别脑功能障碍的生化特征。在过去的十年中,研究的重点是识别新的生物标志物和技术,以提高AD的诊断。

理想的生物标志物是可以精确地确定疾病病理和生理的特定实体。有效生物标志物的基本来源包括体液,如脑脊液、尿液和血浆。各种基于脑脊液的生物标志物,如 Aβ、tau、神经粒蛋白 (Ng) 和神经丝轻链 (NfL) 链,与神经影像学技术相结合,可提高 AD 诊断的敏感性。这种组合可以检测神经系统疾病期间的分子变化。tau 和 Aβ 等核心 CSF 生物标志物因其在 AD 诊断中的巨大作用而在临床上得到认可。

迄今为止,名为磷酸化 tau 蛋白 (p-tau)、总 tau 蛋白 (t-tau) 和 Aβ42 的 CSF 关键生物标志物被强调为检测 AD 的有效生物标志物。与氧化应激、尿液、血液和炎症相关的其他生物标志物也被大量探索,以检查它们在 AD 早期检测中的用途。尽管我们对体液中的生物标志物有很多了解,但这些生物标志物在诊断AD方面还有待提高。因此,有人提出监测一种以上的生物标志物,以改善对疾病进展的追踪。

本综述旨在描述不同的有效的生物标志物,特别是脑脊液和血液生物标志物的早期AD诊断。此外,还讨论了各种先进的技术,如神经影像学、生物传感器、神经蛋白质组学、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)和其他新颖的无创技术/方法(补充文件),以帮助早期诊断AD。这些见解将有助于发现新的生物标志物和合适的技术/方法,在认知功能障碍之前熟练地诊断AD。

AD病理生理学
AD患者明确的神经病理学特征包括含tau蛋白的NFTs、tau蛋白的NFTs、neuropil threads和Aβ肽的细胞外斑块沉积。AD病理学的两个主要假说是基于淀粉样蛋白和磷酸化tau蛋白。淀粉样蛋白假说解释了淀粉样蛋白斑块在大脑中的积累导至认知功能下降、突触功能障碍和神经元损伤。突触中发现的淀粉样前体蛋白(APP)转化为Aβ的代谢途径由裂解酶β和γ分泌酶调节。APP裂解产生不同长度的Aβ亚型,如Aβ42、Aβ38和Aβ40 。在这些亚型中,Aβ40是最常见的

tau 过度磷酸化导至神经元退化以及神经元死亡。轴突中的 Tau 在连接和稳定微管、轴突运输和维持细胞完整性方面起着至关重要的作用。

各种丝氨酸、酪氨酸和苏氨酸位点的过度磷酸化会导至 tau 结构发生变化,进而导至 tau 蛋白从微管中脱离。过度磷酸化的 tau 显示成对螺旋丝 (PHF) 形式的聚合并在 NFT 中积累。这些 NFT 导至神经元退化、线粒体缺陷、脑萎缩和细胞死亡。

文献中很少有非 AD tau 病的报道。例如,Pick 小体是在 Pick 病 (PiD) 中发现的异常 tau 蛋白团块,并且还具有神经胶质病变,这与皮质基底神经节变性 (CBD) 和核上性麻痹 (PSP) 有关。在 CBD、PiD 和 PSP 中也报道了一些与 AD 相关的 tau 改变。一项研究发现 Asp421 位点的截断是神经元损伤所特有的,并且发生在 Pick 小体和 NFT 中。

AD病理是临床症状的重要促成因素。AD 症状的出现因人而异。晚期症状开始出现在 60 岁左右,而早期 AD 症状可能出现在 30 到 60 岁之间。AD的可观察症状包括心理和行为改变、失认症、认知缺陷、易怒、异常运动行为、失读症、失范、主观认知下降、嗅觉障碍、幻觉、冷漠、抑郁、焦虑等。AD 中的上述神经精神症状 (NPS) 与有害结果相关,这些结果分为两类,即 AD 的主要结果和次要结果。主要结果包括看护者负担过重、生活质量受到影响、依赖他人、心理健康紊乱导至从早期到晚期的快速进展以及疾病的严重程度。次要结果是 NPS 的变化、照顾者的负担、精神药物的使用以及调解的高成本(如果有)。

在 AD 患者中观察到的交互反应 DNA 结合蛋白 43 (TDP-43) 内含物是不一致的额颞叶变性 (FTLD) 和肌萎缩侧索硬化 (ALS) 的明显特征。在 20-50% 的 AD 患者中观察到的 TDP-43 病理学被认为是通过 Aβ 肽触发的。TDP-43 病理学负责引起神经炎症、记忆丧失、认知障碍和神经功能障碍。尽管通常 Aβ 斑块、tau 病理学和 NFT 是导至 AD 的原因,但一些患者表现出多种病理学以及多种类型的脑相关蛋白病,如图 1 所示。宾夕法尼亚州神经退行性疾病研究中心 (CNDR) 脑库对 247 例 AD 大脑尸检进行了 Aβ、tau、TDP-43 沉积物和 α-突触核蛋白检查,结果显示 35% 的大脑主要有斑块和缠结痴呆症的原因,而 22% 的人表现出所有这四种病症。该数据强调了寻找新型生物标志物的迫切需要,这些生物标志物不仅可以熟练检测 AD 中涉及的单一病理,还可以检测多种病理。

AD的发病率因人而异。晚期症状在60岁左右开始出现,而早期症状可在30至60岁的之间出现。AD的可观察症状包括心理和行为改变、病感缺失、认知缺陷、易怒、异常运动行为、失读症、失范症、主观认知衰退、嗅觉障碍、幻觉、冷漠、抑郁、焦虑等。AD中的上述神经精神症状(NPS)与有害结果有关,可分为两类,即AD的主要结果和次要结果。主要结果包括照顾者负担过重、生活质量受到影响、对他人的依赖、精神健康紊乱导至从早期到晚期的快速发展以及疾病的严重程度。次要结果是NPS的改变,照顾者的负担,精神药物的使用等。

宾夕法尼亚州神经退行性疾病研究中心 (CNDR) 脑库对 247 例 AD 大脑尸检进行了 Aβ、tau、TDP-43 沉积物和 α-突触核蛋白检查,结果显示 35% 的大脑主要有斑块和缠结痴呆症的原因,而 22% 的人表现出所有这四种病症。该数据强调了寻找新型生物标志物的迫切需要,这些生物标志物不仅可以熟练检测 AD 中涉及的单一病理,还可以检测多种病理。


各种证据表明,细胞凋亡的生化和形态学特征与引起神经变性有关。在 AD 中,细胞水平的神经元凋亡可能由氧化应激、钙 (Ca 2+ ) 稳态破坏和内质网 (ER) 应激引起。尸检脑组织调查报告,与健康个体相比,AD 大脑中的细胞氧化应激水平升高。除了破坏膜蛋白和脂质外,活性氧 (ROS) 还会导至 DNA 损伤并通过激活致命的细胞凋亡信号或聚(二磷酸腺苷 (ADP)-核糖)聚合酶 (PARP) 来抑制 p53; 然而,氧化应激究竟如何导至 AD 病理学仍然难以捉摸,但之前研究中很少有证据表明 Aβ 毒性与 ROS 之间存在联系。此外,Ca 2 +过载被认为是细胞凋亡的原因。增加的 Ca 2+释放促进 Ca 2+通过质膜中的钙通道流入。这种扰乱的 Ca 2+稳态增加了神经元对细胞凋亡的脆弱性。此外,细胞内 Ca 2+的积累具有细胞毒性,这也会增加导至神经元死亡的 Aβ 毒性。神经元细胞凋亡的主要途径是 DNA 损伤反应机制,并且与 AD 中的神经变性有关。细胞凋亡的分子机制涉及效应分子,例如 p53、促凋亡 B 细胞淋巴瘤 2 (Bcl-2) 家族成员和前列腺细胞凋亡反应 4 (Par-4)。在 AD 患者的脑组织中,受损的神经元表现出增强的 p53 免疫反应性。在转基因小鼠模型中,p53 水平升高的神经元与 DNA 断裂(细胞凋亡的主要标志)和 Aβ 的过度表达有关. Par-4 是神经细胞凋亡早期机制的潜在因子。然而,Par-4 介导的细胞凋亡背后的确切机制仍不清楚。尸检脑组织和体内动物研究表明,Par-4 在导至 AD 中神经元变性的指导事件中起关键作用。

在AD进展中,神经炎症可能在症状前阶段起作用。它是由对生理免疫监视至关重要的异常小胶质细胞激活以及中枢神经系统(CNS)中病原体的清除所驱动的。神经病理学研究表明,小胶质细胞的激活发生在AD的早期发病阶段,促进了严重的神经毡破坏过程。全基因组关联研究(GWAS)强调,编码对指导免疫功能至关重要的蛋白质的基因在发生突变的情况下可能有助于AD的发展。此外,炎症变化和不适当的免疫功能导至ad病理;AD 5XFAD小鼠模型的研究也证实了这一点,该研究揭示了小胶质细胞在Aβ积聚之前活化。因此,对抗AD需要清楚了解小胶质细胞是如何被激活的。

血管性因素在 AD 中也具有因果作用。脑血管系统是各种致病过程发生的位点,这些过程进一步表明参与导至认知功能障碍。目前已经报道了多种血管方法来进行病理检查,最重要的是血流动力学功能障碍和 BBB 损伤。AD病理是导至正常血管功能改变的原因。血管炎症是一个众所周知的早期事件,其中 AD 病理学促进炎症介质的释放,从而开始恶性循环。

血管炎症可能涉及可引起全身感染的途径,而全身感染可加重AD的症状,并在引起认知障碍方面发挥作用。


血管性病变已被观察到在AD病例中共存。一些证据表明,AD的发生与白质病变、脑微出血、脑血流增加、血脑屏障通透性增加和神经血管耦合减少有关。此外,在AD患者的大脑中也有微血管改变,如毛细血管弯曲增加和毛细血管稀疏。

此外,共病性神经病变影响治疗和疗效,并在AD临床表型的表现中发挥关键作用,值得注意的是,α-突触核蛋白(α-Syn),一种突触前未折叠蛋白,主要与突触核蛋白病变相关,也被观察到参与AD病理。大多数尸检AD脑具有Lewy相关病理(LRP),主要由α-Syn组成,其在轻度认知障碍(MCI)和AD患者的CSF样本中的水平升高与认知丧失相关。α-Syn可能被认为是导至AD病理的AD致病集合中未被识别的成员。

与 AD 相关的遗传和非遗传因素
遗传、非遗传和环境因素共同影响AD的病理。虽然大多数AD病例是散发性的,但在极少数病例中,一些遗传因素如突变型APP、载脂蛋白E (ApoE)、早老素1 (PSEN1)和早老素2 (PSEN2)引起家族遗传性AD。这些基因突变会导至 γ-分泌酶和 APP 发生结构变化,从而增加 Aβ 的积累。非神经元细胞产生负责脂蛋白在大脑中转运的 ApoE。 

体内存在 ApoE 等位基因的各种亚型,例如 ε2、ε3 和 ε4。在这些等位基因中,ε4 与 AD 风险增加高度相关,因为纯合子个体患 AD 的几率更高。ApoE 蛋白主要存在于中枢神经系统的星形胶质细胞中,ApoE mRNA 在散发性 AD 的大脑中呈高表达。

引人注目的是,一项针对转基因动物的研究表明,ApoE ε4 的表达与神经病理学和行为缺陷有关。这个等位基因的显着影响是对情景记忆衰退而不是其他认知衰退。 此外,GWAS 在表征与 AD 相关的遗传结构方面取得了显着进步。多年来,GWAS 已鉴定出 75 个与 AD 相关的基因座,其中约 40 个是新的。


此外,性别在潜在的阿尔茨海默病异质性中起着关键作用,与男性相比,女性更容易患阿尔茨海默病,终生风险更高。认知和疾病进展中的这种表型变异是由于男性和女性神经元的解剖学和功能差异。

年龄在 AD 中起着关键作用。随着年龄的增长,AD 患者会出现白质丢失和髓鞘分解。此外,蓝斑区域的细胞丢失会导至血脑屏障破坏 。在症状出现前的 AD 阶段,Aβ 清除机制和抗 ROS 的抗氧化剂生成过程是有效的。然而,随着 AD 的进展,氧化应激的增加导至负责大脑中过度产生促炎分子的细胞介质的上调。 头部外伤在一定程度上对AD有相当大的影响,因为脑外伤会导至BBB损伤,从而引起针对脑浆蛋白的免疫激活。头部受伤后,颞叶的神经元会产生更多的 APP 和 Aβ 亚型的过量产生,从而导至 Aβ 积累。

铝、铅、汞、镉等金属主要与神经毒性有关,并被强调为AD的危险因素。铝已被确定为外源性金属,当个体通过吸入铝基工业或其他环境来源暴露于铝时,铝会参与 AD 患者的斑块形成。铝直接与 Aβ 结合,形成有毒聚集体,并阻碍 tau 蛋白加工。此外,铅金属神经毒性会影响人的长期记忆,导至认知技能和神经传递能力下降。 

分子机制涉及铅与谷胱甘肽的结合,从而导至产生氧化应激。据观察,中枢神经系统发育过程中的铅暴露会增加生命后期患 AD 的风险。汞可以通过疫苗、鱼类消费或城市地区的空气污染来消耗;汞与微管蛋白的半胱氨酸和甲硫氨酸结合,并抑制三磷酸鸟苷 (GTP) 结合和 ADP 核糖化,这对于细胞完整性和预防细胞死亡至关重要。汞暴露于 CNS 导至启动级联事件,例如 tau 过度磷酸化和 NFT 的形成。

此外,很少有证据报道镉在引起 AD 中的作用。镉的消费来源包括大米、蔬菜、海鲜、烟草烟雾和其他环境污染物。吸烟者通常经历的高同型半胱氨酸血症也是 AD 的危险因素。在 AD 的情况下,镉在阻碍适当的 tau蛋白加工方面起着关键作用。

重要的AD框架
生物标志物和尸检报告了 AD 大脑中发生的病理变化。根据病理生理学,AD 的主要生物标志物被命名为 Aβ、tau 和神经退行性变生物标志物。“A/T/N”分类以熟悉且易于理解的形式对这些生物标志物进行分类. 该框架为测试各种病理学和研究生物标志物之间基于认知的相互作用提供了一个平台。在这个分类中,“A”代表基于淀粉样蛋白的生物标志物,如 CSF Aβ42 和淀粉样蛋白 PET,“T”代表 tau 生物标志物,如 tau PET 和 CSF p-tau,而 N 代表神经变性生物标志物,主要是结构 MRI、CSF t -tau 和氟脱氧葡萄糖 (FDG)-PET。其中,tau、Aβ 和淀粉样蛋白 PET 是病理生理生物标志物,而 MRI 和 FDG-PET 代表地形下游生物标志物。这些生物标志物可以表示为阳性和阴性,例如 A+/T+/N-。

只有同时检测到 tau 和 Aβ,才能确认患者患有 AD。否则,“u”用于表示不存在这些生物标志物。所有这三个类别的高可变性反映了更高的认知衰退。“A/T/N”是一个灵活的系统,因为新的生物标志物可以很容易地在发现和验证后添加。

NIA-AA框架采用ATN系统,旨在提供生物标志物的预后价值(用于观察性分析),并将试验人群的异质性最小化(用于干预性研究)。因此,提出了一个使用标准结构和语言构建新的AD概念模型的平台。这个框架有助于研究阿尔茨海默病,从早期到临床症状阶段,比如记忆丧失。这些模型将有助于为AD研究人员提供一个共同的目标。阿尔茨海默病是一种复杂的神经系统疾病,单一的理论无法解释其复杂的病理过程,因此需要建立基于系统的模型来理解阿尔茨海默病病理过程中各种通路之间的相互作用。单个系统的改变会影响AD病理相关的其他通路。

基于系统的模型的主要特征是通过相互关系维护的层次结构,这进一步有助于将它们塑造成一个“复杂的网络”。名为“阿尔茨海默综合症”(AS) 的系统模型就是这样一种模型,它提供了对 AD 开发过程中涉及的复杂关系和不同层次的理解。AS 系统模型的第一级已分配给单一病因学途径(如 p-tau、淀粉样蛋白和神经元退化)之间的相互作用网络。而神经可塑性和胆碱能缺乏的变化构成第二个层次(导至AS临床症状的共同途径)。

几种途径之间的相互作用会扰乱共同途径,从而导至 AS 临床症状的发展。深入了解分子病因学途径之间的各种相互作用对于理解 AD 病理学背后的机制具有重要意义。然而,结合系统级的疾病知识对于在未来提供精确的解决方案是必要的。这需要跨学科合作,包括分子生物学、流行病学、计算生物学、临床神经学和药物学。

生物标志物可能有助于在临床前阶段检测 AD。研究的进步允许个体根据显着水平的 AD 病理学分为阳性或阴性,即 Aβ (A + /A) 或 tau (T + /T) 的存在/不存在或异常/正常水平。AD 框架旨在发现认知衰退与 AD 病理学之间缺乏联系。人群中恢复力和抵抗力等术语的明确性将确保 AD 病理学预防。这将有助于理解大部分患有 AD 病症(例如淀粉样蛋白或 tau)的老年人保持认知正常,而其他老年人没有严重 AD 病症的原因。阻力和弹性框架可用于从根本上区分停止 AD 病理(阻力)与延迟过程和临床观察以及 AD 患者治疗(弹性)的各种风险因素,并用于寻找成功的干预措施。“韧性”一词意味着面对逆境的应对能力;在与 AD 相关病理学程度的背景下,弹性被定义为个人保持好于预期认知表现的能力。 如果大脑具有高弹性,这会延迟AD病理对个体认知水平的有害影响,从而阻碍其临床表现。弹性通常反映在神经变性的变异性方面,与认知功能的损害密切相关,因此定义了认知结果中观察到的变异性。

AD 的生物标志物及其应用
AD 的早期检测可以使用生物指标,如生物标志物来实现。在临床实践中,生物标志物可以熟练地用作早期 AD 诊断和相关风险评估的诊断工具,这将有助于为治疗决策提供指导以及监测个体治疗/护理。生物标志物可以是 DNA、RNA、蛋白质、脂质或任何其他在疾病进展过程中发生变化的代谢物,这些分子的任何变化都有助于疾病的鉴定。新生物标志物的揭示对于早期 AD 检测和防止个体遭受 AD 的致命后果是必不可少的。

然而,可有效用于AD检测的生物标志物的开发应该经历各种验证过程,例如分析和临床 。

理想的AD生物标志物应具有高度的检测敏感性和特异性(能够将AD与其他疾病以及AD患者与健康患者区分开来)。它在检测 AD 时应该易于量化、稳健、具体且高度精确。在医学领域,利用生物标志物研究疾病和寻找治疗策略正逐渐成为有前景的方法。生物标志物还可作为疾病预防计划的潜在筛选工具。在研究和临床环境中,神经元丢失、功能障碍和各种蛋白质沉积的生物标志物可以通过脑脊液分析或神经影像学获得,这些生物标志物正被广泛用于检测 AD。


目前,CSF 生物标志物存在缺点,例如需要腰椎穿刺,这会导至患者不适,并且是 AD 检测的临床标准的一部分。作为替代方案,血液生物标志物被认为更有前途,因为它们具有成本效益、节省时间,并且对患者来说风险低,可以满足临床测试的迫切需求。为了促进 AD 病理学的药物开发,迫切需要发现更多可以帮助 AD 症状前检测的新型生物标志物。几种药物被批准作为 AD 的可能治疗选择;然而,它们不足以长期缓解症状和神经变性的进展。

大量的神经元破坏使得后期用药物治疗AD变得困难。缺乏经过验证的生物标志物来检测 AD 在其临床前阶段需要开发疾病修饰疗法,例如替代生物标志物 。替代生物标志物还可以直接测量与疾病相关的任何可能迹象。脑成像方法是最常用的替代生物标志物,用于量化疾病进展率并随后识别 AD 早期的有益治疗。一项为期六个月的连续脑部 MRI 作为替代生物标志物的研究发现了临床相关的干预措施,可以将 AD 患者与混合人群区分开来。尽管成像生物标志物显示出一些与自然衰老的混杂效应,但它们在量化大脑内部变化方面的准确性可以帮助药物设计和长期临床试验的剂量方案(Bradley 等人,2002 年)。含有 AD 替代生物标志物(如 Aβ42、t-tau 和 p-tau)的 CSF 液可以监测 AD 的神经病理学。结果表明 t-tau 和 p-tau 比 Aβ 具有更高的重要性,因为它们与 AD 患者的神经病理学改变直接相关。

此外,一些生物流体,如眼液、嗅液和口腔液,可以作为替代生物标志物在早期阶段检测 AD 的经济和非侵入性选择。由于这些是中枢神经系统的延伸部分,来自这些来源的观察可以直接反映受影响的大脑。表中详述了生物体液和其他类别的新兴生物标志物的各种优缺点。


用于 AD 检测的核心 CSF 生物标志物

Tau  

Tau 蛋白是一种细胞内本质上无序的蛋白质,通过促进小管聚合来支持神经元细胞骨架和微管稳定性。它由微管相关 tau 蛋白 (MAPT) 基因编码,缺乏三级结构。Tau 是一种未折叠的蛋白质,会经历 PTM,这对于其定位和与其他蛋白质的相互作用至关重要。PTM 改变蛋白质的静电和电荷,从而改变结构并影响它们的功能、相互作用和聚集。磷酸化、甲基化和乙酰化等 PTM 调节 tau 的正常功能,但在 AD 的情况下,磷酸化会受到干扰。在人脑中,存在六种主要的 tau 蛋白亚型,它们是由于 tau mRNA 的 C 端和 N 端的可变剪接而形成的。N 端的选择性剪接会产生同种型,如 0N、1N 或 2N,而在 C 端,10 位外显子的剪接会形成两种变体,即 4R 和 3R 。2N4R 亚型是 tau 最长的亚型,具有大约 85 个磷酸化位点。磷酸化对于 tau 的正常功能至关重要,其中磷酸盐 (PO 4) 基团掺入发生在丝氨酸、酪氨酸或苏氨酸(极性氨基酸)残基处。磷酸化会增加负电荷(蛋白质中的亲水实体)和静电变化,从而进一步改变与其他蛋白质的相互作用、信号事件及其清除。微管结合域的丝氨酸 214 位和丝氨酸 262 位以及富含脯氨酸的域的苏氨酸 231 位的磷酸化降低了 tau 与微管的结合亲和力。

在健康个体中,CSF tau 浓度通常较低。在症状出现前近 15 年,可以看到 tau 浓度的升高。CSF p-tau 的升高是 AD 特有的,并且在其他神经疾病中保持在正常水平,而 t-tau 在确定点上显示神经元强度。p-tau 和 t-tau 的增加与 AD 疾病的高风险直接相关,可以通过正电子发射断层扫描 (PET) 技术进行测量......


β-淀粉样蛋白 (Aβ)
APP 是一种参与突触功能和信号传导的跨膜蛋白。它被分泌酶切割成长度在 37 到 43 个氨基酸之间的不同异构体,例如 Aβ40 和 Aβ42。在健康个体中,Aβ 的产生和清除之间存在平衡;然而,随着 Aβ 的产生增加或清除减少,AD 患者开始形成淀粉样斑块(图 3 )显微镜检查证实 Aβ 斑块在神经元外积聚; 斑块很容易通过 CSF 生物标志物和 PET 进行测量。这些淀粉样斑块通过充当水槽来降低 Aβ42 的水平。较大的 APP 片段以低聚物的形式聚集,而不溶性原纤维形成老年斑。(图 4)。这些可溶性 Aβ 低聚物促进突触退化,而厚斑块对脑实质造成毒性。失调的 Aβ 寡聚体可以通过抑制谷氨酸再摄取和引起神经元过度激活来诱发神经毒性。

生化和结构研究显示 Aβ42 是 AD 患者所有弥散和老年斑中的主要形式,而 Aβ40 在 CSF 和脑细胞培养物中占优势。在生理 pH 值下,Aβ42 比 Aβ40 更容易聚集并形成老年斑的背景。Aβ 积累可在 AD 病发作前约 20 年发生。Aβ42 浓度与 AD 成反比,即浓度越低,患病的可能性越大.....。
大多数生物标志物审查主要集中在 Aβ42 和 Aβ40 上。然而,其他 Aβ 变体如 Aβ43 也已被强调在 AD 患者中产生并且有聚集成斑块的趋势,而 Aβ37 和 Aβ38 在认知完整的个体中形成并且特别针对脉管系统。在早发/家族性 AD 患者和 AD 相关淀粉样变性实验中观察到 Aβ38 水平升高....。

Ng和NfL
突触活动和可塑性的丢失是 AD 病理学的几个关键方面。突触可塑性是由于神经刺激而导至的突触组织的持续改变,神经刺激负责学习和记忆强化。Ng 是由来自钙调蛋白家族的 NRGN(神经粒素)基因蛋白编码的突触后 C 端肽。在皮质和海马区的树突棘中,Ng 在钙调蛋白的帮助下控制突触活动并保持其可塑性。突触退化导至 Ng 和钙调蛋白的结合效率降低,这会导至 Ca 2+传输受到干扰,从而导至认知能力下降。主要突触退化主要发生在中颞区。

由于 AD 病理学导至 CSF 中的 Ng 从树突中渗出,因此 AD 患者皮质和海马区的 Ng 浓度增加。 钙蛋白酶和脯氨酰内肽酶是切割 Ng 的主要酶,这会降低细胞内 Ng 的浓度,从而导至其功能丧失和突触功能破坏....。

神经丝是一种对轴突生长至关重要的支架蛋白。神经丝存在于三个不同的亚基中,分别称为重神经丝 (NFH)、轻神经丝 (NfL) 和中神经丝 (NFM)。神经丝生物标志物使用非侵入性方式以较低的成本提供轴突残疾信号,并预测轻度认知的进展标志物它的水平在正常情况下稳定且较低,但在神经轴索损伤期间在 CSF 和血液中升高。在 AD 中,CSF 中的 NfL 水平急剧增加,即比血液中的水平高 50 倍。在 AD 中,已在核周体和近端轴突中检测到 NfH 磷酸化的增加。在 AD 的初始临床阶段,脑脊液 NfL 浓度的增加与认知能力下降以及大脑在一段时间内的各种结构变化有关。

血液生物标志物
早期AD检测大多基于大量的生物标志物,需要侵入性采样,成本高,且非特异性。

例如,淀粉样PET和脑脊液分析在很大程度上成功地证明了与AD疾病相关的特定特征,但价格昂贵。脑脊液生物标记物具有高度敏感性和特异性,可以提供关于AD大脑病理过程的最佳输出。在脑脊液样本中,p-tau-181、Aβ42和t-tau等蛋白质的检测有助于AD的特异性和可靠诊断。然而,从患者身上采集脑脊液样本涉及一种侵入性方法,即腰椎穿刺,它具有一些副作用和禁忌症。为了克服与 CSF 生物标志物相关的这些缺点,血液生物标志物越来越受到关注,并且正在探索将其用作 AD 生物标志物的能力。血浆样本是一种理想的液体,含有多种 AD 生物标志物,例如 tau 蛋白、Aβ40 和 Aβ42。通常用于测定血浆中这些生物标志物的技术包括免疫磁性还原 (IMR) 测定,例如单分子阵列和酶联免疫吸附测定 。

在AD患者的大脑和血液中,tau蛋白浓度通常是同龄健康个体的两倍(Blennow 2017)。作为脑脊液生物标记物检测的替代品,其存在局限性,如腰椎穿刺(对患者来说是一个令人不适的过程),血液生物标记物被认为更有前景,因为它具有成本效益、节省时间和低风险,可以满足临床检测的迫切需求。

然而,血液中的 p-tau 检测需要一种极其灵敏的检测方法。它与神经元死亡直接相关,被认为是早期诊断 AD 的有效生物标志物。血浆 tau 作为生物标志物已被探索以评估其临床应用的潜力。荟萃分析强调了 AD 和血浆 t-tau 之间的关系。血浆 t-tau 水平的升高与灰质密度的降低有关。

尽管如此,与血浆t-tau相关的脑萎缩模式已被观察到与CSF t-tau不同。血浆t-tau浓度的增加是认知能力下降和MCI加重的原因。这些结果表明血浆 t-tau 可用作预后标志物或筛查工具来研究非特异性认知衰退。多项研究中基于血液的 p-tau 分析报告称,与正常对照组相比,其在 AD 患者中的水平有所升高。 

此外,当前的研究旨在开发可以轻松检测血液样本中 Aβ42 的先进技术。超灵敏自动免疫测定和分析测定建议使用 Aβ42 作为合适的筛选生物标志物。Aβ42/Aβ40比值,以及使用超灵敏免疫分析法测定的血浆中Aβ42浓度,已被观察到与脑脊液水平以及使用PET检测的Aβ积累有关。血浆中的 Aβ42/Aβ40 有助于增加 AD 进展的风险。此外,据报道,用磷酸酶抑制剂和蛋白酶抑制剂的混合物对血浆样品进行化学处理有助于减少 Aβ 降解,从而提高血浆中 Aβ 测量的准确性。准确检测Aβ42和Aβ40水平和精确测量Aβ阳性(以Aβ42/Aβ40脑脊液比值作为标准参考)的正常认知能力患者、AD患者和主观认知下降患者在最近的报道中有报道。

此外,使用八种血浆测定法对 Aβ42/Aβ40 进行定量表明,与免疫测定法相比,基于质谱法 (MS) 的方法可在个体早期识别 AD 方面具有更高的精度。一项针对两个独立队列的研究表明,通过两种免疫沉淀耦合质谱 (IP-MS) 方法(即 iP-MS-Shim 和 IP-MS-WashU)确定 Aβ42/Aβ40 和 Aβ-PET 的状态具有很高的辨别准确度。MS 是一种潜在的研究工具,在未来,无论是全自动免疫测定还是 MS 都可以为使用血液生物标志物对疾病进行常规临床评估铺平道路。此外,未来应努力探索 Aβ 血液标记物的临床应用。预计血浆 Aβ 生物标志物在危及生命的疾病 AD 的鉴别诊断中具有说服力,并且可以促进以具有成本效益的方式确定个体大脑中的 Aβ 沉积状态。

随着 AD 患者 NfL 浓度的增加,NfL也被推荐为一种有效的基于血液的生物标志物,用于 AD 检测。少数有使用标准免疫分析技术的研究也报告了 AD 患者血浆 NfL 水平较高。这些免疫测定技术用于准确测定血液样本中存在的大脑特定蛋白质,例如 tau 和 Aβ。血浆 NfL 与 AD 疾病的几种认知、生化和影像学指标有关。 因此,这些累积的证据表明,血浆NfL可能是一种重要的非侵入性诊断工具,用于确定神经退行性变和识别易于认知能力下降和脑萎缩的个体。
胶质纤维酸性蛋白 (GFAP) 是星形胶质细胞中的一种细胞骨架蛋白,也是由神经元损伤(星形胶质细胞增生)引起的异常星形胶质细胞活化和增殖的标志物。这种 GFAP 表达与 AD 大脑中存在的 Aβ 斑块密度有关,因为在 AD 前驱期发现星形胶质细胞增生围绕 Aβ 斑块。此外,AD 和其他痴呆症患者的 CSF 和血液样本显示 GFAP 水平高于健康对照组。例如,一项研究提出,大脑中 Aβ 积累量高的认知正常但老年人(65-90 岁)血浆 GFAP 水平较高,这意味着血浆 GFAP 水平升高可用作早期血液生物标志物来诊断在出现临床症状之前处于 AD 风险中的人。此外,这些发现证实,在 AD 的症状前阶段星形胶质细胞损伤或激活的开始与大脑 Aβ 负担有关。
APP生理和淀粉样蛋白分解产生的可溶性淀粉样前体蛋白(sAPP) α和β与AD的主要潜在病理生理事件相关。此前,很少有研究检查血浆中sAPP-α和sAPP-β浓度的变化是否与AD有关,并探索它们作为AD新型生物标志物的潜在作用。一项研究提供了进一步的证据,表明 sAPP-β 是一种很有前途的新型 AD 生物标志物,有可能提高传统生物标志物的诊断准确性,包括微创诊断过程。

正在开发用于 AD 检测的生物标志物
TNFR1相关蛋白
参与炎症的 CSF 肽和蛋白质,例如肿瘤坏死因子,是预测 AD 进展率的可靠生物标志物。一份包含 15 种 CSF 炎症蛋白的报告显示,与可溶性肿瘤坏死因子受体(sTNFR1、sTNFR2)相关的蛋白质含量较高与进展为痴呆症的风险降低相关。同时,在髓样细胞 2 (TREM2) 上表达的更大的可溶性触发受体水平代表了 AD 痴呆阶段的晚期衰退。sTNFR1 由所有细胞类型分泌,但 sTNFR2 仅由小胶质细胞分泌;此外,VCAM1(血管细胞粘附分子)在小胶质细胞中表达。与正常对照组相比,TREM2 是免疫球蛋白凝集素受体家族的一员,据观察其在 AD 患者的大脑和血液中有所增加。TREM2 在巨噬细胞、小胶质细胞和树突细胞表面表达,并与神经保护作用进一步相关 。核心生物标志物与 sTREM 水平的相关性研究假设 CSF sTREM 与 CSF Aβ 水平和 t-tau 水平呈正相关;然而,它与 p-tau 水平没有任何相关性。TREM2 功能的丧失导至 AD 的发展,TREM2 R47H 突变体的携带者患 AD 的风险更高。对来自老年受试者的 385 个 CSF 样本的研究强调了更高水平的 CSF sTREM2,导至情景记忆和整体认知率的下降减少;高水平的 TREM2 反映疾病进展缓慢。


外泌体
外泌体参与各种神经退行性疾病的发生和发展,例如 AD。
外泌体是直径约 30-150 nm 的纳米囊泡,携带脂质、非编码 RNA(例如 microRNA(miR 或 miRNA)、circRNA 和 lncRNA)、特定蛋白质和功能性 mRNA。这些囊泡可作为症状前 AD 诊断的潜在生物标志物,因为外泌体含量会根据其来源和受体细胞而有所不同。外泌体通过将其负荷传递至靶细胞,在细胞间通讯中发挥着至关重要的作用,从而促进疾病进展,并有助于调节突触可塑性以及神经再生过程。此外,外泌体含有毒性蛋白,可以在 AD 的早期阶段进行诊断.....。

文献中很少有优秀的评论总结外泌体的作用以及它们如何有助于早期和准确的 AD 检测。外泌体参与神经退行性疾病的各种病理过程以及由外泌体介导的 miRNA 转移被认为是细胞间的遗传交换过程。使基于外泌体的生物标志物可用于 AD 诊断的证据碎片包括 (a) 外泌体存在于各种生物体液中,如母乳、血浆、尿液、唾液、血清和各种其他分泌物;因此它们的提取很容易,并且涉及非侵入性程序。(b) 外泌体能够熟练地穿过血脑屏障,且可通过简单的静脉取样检测到.(c) 外泌体含有大量的miRNA,可用于生物标志物分析;这些存在于CNS中的外泌体mirna有助于提供来自其原始细胞的信息,进而有助于准确确定脑组织和神经系统细胞的状态....。

MicroRNA
miRNA 被认为是潜在的生物标志物,因为它们在脑脊液、母乳、尿液、血液、精浆和眼泪等体液中的稳定性和可用性。与 AD 患者的脑脊液样本中的 Aβ40 或 Aβ42 相比,miRNA 的浓度更高,因此表明 miRNA 是早期 AD 检测更敏感的生物标志物。

MicroRNA 可以通过下一代测序 (NGS)、微阵列和定量实时聚合酶链反应 (qRT-PCR) 进行测量。qRT-PCR 之所以被广泛使用,是因为它简单、灵敏,甚至可以测量低水平的 miRNA。对源自 CSF 的外泌体中的小非编码 RNA 的下一代测序分析揭示了 miRNA 和 PIWI 相互作用 RNA (piRNA) 的存在。这项研究提出了一个包含三个 miRNA 和三个 piRNA 的组合特征,可有效检测 AD 并进一步预测 MCI 向 AD 的转化; 此处强调的三个上述 miRNA 是 miR-30a、miR-34c 和 miR-27a。据报道,在具有淀粉样蛋白沉积的小鼠模型中,海马区的 miR-34c 表达增加。此外,AD 患者中 miR-30a 表达的增加与压力相关的神经精神疾病有关,而 miR-27a 表达在 AD 痴呆患者的 CSF 样本中被观察到下降,因此强调 miRNA 作为潜在的用于检测 AD 的生物标志物。尽管 miRNA 生物标志物是侵入性提取的,但这些标志物仍被认为优于传统的 CSF 生物标志物。MiRNA 生物标志物即使在低浓度下也能为 AD 诊断提供高预测准确性,并且在体液中具有高稳定性。此外,miRNA 提供了预测疾病进展的优势,而 CSF 生物标志物尚未被报道提供有关 AD 进展的任何信息。

此外,少数miRNA在大脑中高表达,有助于靶向AD相关基因,可以作为AD的治疗工具。CSF 和血液中的各种 miRNA 生物标志物,如 miR-126-3p、miR-23a-3p、miR-151a-3p、miR-194-5p 和 miR-451a,已被用于早期 AD 检测并显示出有希望的结果。因此,miRNA 可被认为是 AD 的有效生物标志物。

尽管如此,该分析还反映了 piRNA 作为 AD 检测候选生物标志物的潜力。还有一些名为 let-7、miR-15a、miR-101 和 miR-106b 的 miRNA 也被定义为靶向促进 Aβ 产生的 APP;miR-125b-5p 在大脑中大量存在,在脑脊液中下调,并通过改变 tau 激酶的活性和表达促进 tau 磷酸化。此外,miR-146a-5p 在引起神经炎症和神经元退化方面起着至关重要的作用。在 AD 患者的海马区观察到 miR-146a-5p 浓度的上升。

突触功能障碍
淀粉样蛋白沉积、tau蛋白病和炎症导至的突触急剧丧失是 AD 中认知能力下降的强烈迹象,因为它们的功能直接影响一个人的认知活动。因此,多种突触损伤生物标志物(突触囊泡糖蛋白 2A(SV2A)等)的组合反映了临床试验中通过 PET 成像和功能成像在 AD 患者中看到的认知异常。突触参与神经元中的信号传递。钙信号失调导至突触功能障碍,这与神经退行性病理学有关,例如淀粉样蛋白生成增加、认知能力下降、氧化应激、神经元缺陷、蛋白质聚集、细胞骨架和突触传递改变(图 5)。大脑中的钙水平影响 tau 磷酸化和 APP 处理,这进一步涉及 AD 病理学。在人类中,主要存在于小胶质细胞和神经元中的溶解度抗性相关钙结合蛋白 (sorcin) 与 Ca 2+结合并作为 AD 的生物标志物。Sorcin 与参与 ER 稳态的蛋白质相互作用,例如 Ryanodine 受体 2 (Ryr2) 和 Ryanodine 受体 3 (RyR3)。sorcin 的过度表达会增加 Ca 2+水平,导至代谢改变,这是神经障碍的重要早期事件。Sorcin 在大脑中显着表达,其过度表达在神经退行性疾病的发作中具有重要作用。因此,它也可以作为一种新型的、有前途的神经变性标记物进行探索。除了一些突触蛋白,如突触体相关蛋白 25 (SNAP-25) 和 synaptotagmin-1 也有助于从 CSF 样本中检测 AD。SNAP-25 是与功能性突触相关的重要生物标志物,并通过启动突触小泡的融合来指导突触通讯。

早期使用不同免疫测定法检测 AD 中的 SNAP-25 的研究表明,它是分析个体大脑病理变化的灵敏方法。此外,synaptotagmin-1 是 Ca 2+对突触传递和监测突触功能障碍具有重要意义的传感器蛋白。与正常个体相比,它在 AD 患者中的水平发生了变化,因此反映出它是 AD 检测的有希望的标志物。

氧化应急和炎症反应生物标志物
氧化应激与 AD 的早期病理有关。氧化应激是由于 ROS、RNS 以及脂质、DNA 和蛋白质等分子的产生增加而产生的,这些分子因氧化应激条件而受损。氧化应激破坏神经元的蛋白质和脂质,导至 AD;氧化应激与 AD 病理学之间的联系已经确立。已提出由于大脑海马体中的氧化应激导至的各种蛋白质失活导至 MCI 进展为 AD。可以通过测量 3-硝基酪氨酸、甲硫氨酸亚砜、蛋白质羰基等来评估氧化应激对蛋白质造成的损害。 氧化应激引起的 RNA 和 DNA 损伤可以分别通过 8-羟基鸟嘌呤和 8-羟基脱氧鸟苷来估计。此外,氧化应激的增加导至炎症介质(如细胞因子和补体蛋白)的过量产生。

此外,通过非侵入性氧化应激标记物早期检测 MCI 和 AD 具有高灵敏度和特异性,主要与脂质过氧化有关。在患有 AD 的患者的血浆、脑脊液和尿液样本中使用非侵入性方法测定脂质过氧化生物标志物也正在成为一种令人满意的早期 AD 筛查方法。由于高脂质浓度和大脑耗氧量较高,脂质过氧化在 AD 的发展中起着至关重要的作用。在 AD 患者的血浆样本中,与健康人相比,氧化脂质的浓度更高。潜在的过氧化生物标志物包括异前列腺素、神经前列腺素、MDA、氢过氧化物和 4-HNE。很少有研究报告确定 AD 患者的异前列素(目标代谢物)。例如,据报道,使用非侵入性方法进行基于脂质过氧化化合物的筛查涉及定义明确的早期 AD 患者和健康个体。在尿液样本中,脂质过氧化化合物使用分析方法进行检测,即液相色谱与串联质谱联用。这些研究包含基于非线性(随机森林)和线性(弹性网)模型的不同回归模型的评估,以区分参与者组。这些回归模型数据与一些脂质过氧化生物标志物相匹配,例如异前列腺素、前列腺素、二同异前列腺素和神经前列腺素,它们作为有效的早期 AD 预测因子存在于尿样中。结果表明个体患有早期 AD 的概率。

除此之外,炎症生物标志物是 AD 的常见病理标志物,并且正在成为早期 AD 检测的另一种有效生物标志物。炎症是通过引起小胶质细胞激活而引发神经变性的主要细胞过程之一 。活化的的小胶质细胞是早期 AD 病理学的主要特征。炎症通过影响细胞骨架对神经元造成损害。先前的研究表明,炎症发生在淀粉样斑块形成之前。Aβ 诱导星形胶质细胞和小胶质细胞释放趋化因子和细胞因子。这些活化的细胞因子和趋化因子进一步促进 Aβ 的积累和表达。此外,炎症与 tau 病理学直接相关。目前,正在不断探索多种炎症生物标志物用于早期 AD 检测的能力。这些标志物的几个例子包括 C 反应蛋白 (CRP)、脑利钠肽 (BNP)、TREM2 和细胞因子。C反应蛋白与导至大脑无症状中风的脑血管损伤有关。此外,BNP 属于肽家族(利钠肽 (NP)),已被认为与 AD 的鉴定有关。AD 患者血液和脑脊液样本中的 TREM2 水平也提供了有关小胶质细胞反应的信息。据报道,在 AD 患者的情况下,TREM2 以及 C 反应蛋白 (CRP) 的浓度均会升高。

Β-位点淀粉样蛋白前体蛋白裂解酶 1 (BACE1)
BACE1 是一种 I 型跨膜天冬氨酰蛋白酶,广泛存在于大脑中,尤其是神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞中。需要 BACE1 来生成所有单体形式的 Aβ,这些 Aβ 会进一步聚集并在 AD 中诱导毒性。它用作 β 分泌酶,切割跨膜 APP 以释放 β-残端,并定义 Aβ 合成的限速催化步骤。AD 大脑和体液中的 BACE1 浓度和酶活性率升高,因此表明 BACE1 在 AD 发病机制中起着至关重要的作用。BACE1 与 AD 涉及的主要病理生理机制之间存在相关性,例如大脑中的蛋白质聚集和突触功能障碍。例如,一份较早的报告表明,健康人群与患有 MCI 和 AD 的患者之间的 BACE1 活性存在显着差异。在药理学试验中,BACE1 生物标志物在临床使用背景下预测疾病方面表现出良好的性能。此外,BACE1 被认为是在早期 AD 阶段减缓 Aβ 合成的有前途的药物靶标。

用于早期检测 AD 的技术
AD 的早期诊断对于预防晚期大规模神经元破坏具有重要意义,即使通过抗 AD 疗法也无法治愈这种情况。因此,研究努力的重点是开发尽早检测 AD 的新技术和新方法,这将有利于避免后期治疗费用的不断增加。在AD早期预测中取得可喜成果的技术;表3讨论了它们的优点和缺点。


神经影像学  

神经影像学是一种很有前途的技术,可以识别由 AD 引起的大脑的解剖学和功能改变,并找出用于早期 AD 诊断的生物标志物。由于缺乏特定的 AD 诊断测试,研究工作的重点是提高神经影像学技术的效率和准确性,以实现早期和准确的 AD 诊断。我们在表4中强调了神经影像学技术及其特征、改进策略和作用。此外,通过神经影像技术检测AD的过程如图所示。


结构成像从解剖学和功能两方面提供了大脑的详细视图,用于结构成像的技术包括磁共振成像 (MRI)、计算机断层扫描 (CT) 和磁共振波谱 (MRS)。导至脑萎缩的神经元组织和突触的进行性丧失是 AD 的固有部分,可以在 MRI 中观察到。结构 MRI 是一种有价值的预测指标,可通过测量海马体和内嗅皮质等区域的萎缩程度和记忆相关结构来观察 MCI 向 AD 的变化。通过 MRI 捕获的海马体和内嗅皮质的体积减少是记忆力下降的关键指标。早期的体积测量区域分割既费力又昂贵,但随着计算技术的进步,支持向量机的软件被用于脑 MRI 的自动分割和评估。此外,全脑容量分析可使用单个脑图谱和统计参数映射进行。与用于 AD 检测的内嗅皮质体积测量相比,海马萎缩不太准确,因为通过它无法检测到整体脑萎缩;此外,海马体积减少与其他痴呆有关。 因此,已经开发出几种先进的机器学习方法来找出脑萎缩的总体模式,从而在区分 MCI 患者和易患 AD 的个体方面提供高精度。

生物传感器
借助表面等离子体共振 (SPR) 检测 AD 生物标志物已得到广泛研究。基于 SPR 的分析甚至可以通过改变 AD 患者的 CSF 或血液样本中的折射率来检测微量的目标分子。生物传感器是用于探测生物分子的分析设备,由此将自然反应转变为光信号或电信号。根据换能器,生物传感器可分为光学传感器、电化学传感器、压电传感器等。在 SPR 分析中,当偏振光照射到镀金薄膜上时,会形成电荷密度波或等离子体激元;因此,观察到特定角度(共振角)的反射光强度降低。附着在金膜表面的配体与生物分子之间的相互作用导至 SPR 曲线移动,表明样品溶液中存在 AD 生物标志物,如补充图 1 所示。对于 AD 的症状前检测,已经研究了许多传感技术,例如荧光测定、电化学发光、表面增强拉曼光谱、电化学生物传感器和基于 SPR 的生物传感器。已经描述了用于早期 AD 生物标志物检测的各种 SPR 生物传感器的详细信息。此外,一项研究提出了一种使用盐酸胍(离液剂)的生物传感器,显示出对血浆中 tau 蛋白诊断的高灵敏度。微管塌陷和神经元细胞死亡导至 tau 蛋白浓度发生变化,从而能够检测 AD。血浆中分析物(tau 蛋白)的精确检测具有各种固有的挑战。在血浆中,已鉴定出超过 3700 种蛋白质,这些蛋白质通过溶剂分子之间的氢键结合而稳定。寻找潜在的血浆 AD 生物标志物的最大挑战是血浆中的这些蛋白质与 tau 蛋白结合并通过隐藏 tau 蛋白的表位造成障碍。

为了克服这个问题,盐酸胍等离液剂可以破坏这些蛋白质之间以及与水分子之间的相互作用。因此,离液剂与纳米等离子体生物传感器的组合通过增加捕获的目标生物分子的数量提供了增强灵敏度的优势。在血浆中,使用离液剂的生物传感器能够测定人血浆中飞摩尔水平的 tau 蛋白,有助于 AD 的早期超灵敏诊断。

神经蛋白质组学
AD 的潜在生物标志物,尤其是 CSF 蛋白,如 Aβ42、肌肽酶 I、嗜铬粒蛋白 A、神经细胞粘附分子 (NCAM)、tau 和几丁质酶 3 样蛋白,也称为 YKL-40,可以通过以下方法在 AD 患者中单独测量基于 MS 的蛋白质组学。基于 MS 的蛋白质组学彻底确定了 AD 中的蛋白质组和蛋白质 PTM。软电离技术,即基质辅助激光解吸/电离和电喷雾电离 (ESI)已成为复杂混合物中蛋白质组学分析的主要方法。

人们对发现新型生物标志物来评估AD病理的其他方面越来越感兴趣,例如突触功能障碍和神经炎症,其中 Ng 和 YKL-40 生物标志物非常有意义。 已经开展的一项研究结果表明,以测量包含健康受试者以及患有其他神经退行性疾病(MCI、AD、帕金森病等)患者的 CSF Ng 和 YKL-40 这两种生物标志物水平的变化与淀粉样蛋白和 tau 病理学密切相关。此外,研究结果表明,Ng 可能被用作标记物来追踪新药对突触完整性的影响,而 YKL-40 可用于检查新药对 AD 神经炎症的影响诊断。

另一种对诊断和预测神经退行性疾病(包括 AD)具有重大前景的新方法是“代谢组学”,它利用个体的代谢组学来显示遗传、转录本、蛋白质和功能网络的变化。代谢组学方法可以检测阿尔茨海默病患者的代谢不稳定和葡萄糖利用降低。代谢组学领域的进步揭示了与 AD 进展相关的动态变化的复杂性,突出了建立创新治疗策略的障碍。此外,代谢组学提供了区分与早期 AD 机制相关的年龄和性别特异性改变的优势,并有助于监测各种实验药物的治疗效果。

其他常用的生物标志物发现平台包括二维差异凝胶电泳 (DIGE) 和定量shotgun法蛋白质组学。然而,由于shotgun法蛋白质组学技术在 AD 生物标志物检测中的广泛使用,2D-DIGE 方法存在一些局限性。shotgun法具有非靶向方法,允许跨生物途径研究多个新候选物。同位素标记技术,如串联质量标签 (TMT)、二亮氨酸 (diLeu)、用于相对和绝对定量的同位素标签 (iTRAQ) 以及细胞培养中氨基酸的稳定同位素标记 (SILAC),可用于样品多重分析。当不同的同量异位标记方法结合使用时,多路复用通道的数量会增加一倍或三倍,这进一步有助于在单个样本中筛选大量目标。最近开发的单细胞组学技术也提供了分子和细胞维度的视角,可以识别与 AD 相关的各种细胞。因此,蛋白质组学在 AD 诊断中的应用在不久的将来似乎很有希望。

一些代谢组学研究已经使用各种技术进行,例如核磁共振波谱(确定认知正常、MCI 和 AD 患者中与 AD 相关的 CSF 或血浆代谢物变化)、液相色谱/电化学阵列(用于检测神经递质通路变化和氧化改变)应激)和液相色谱/质谱代谢组学分析(针对磷脂); 目前,应用于 AD 诊断的诊断工具提出代谢改变是导至早期疾病机制的原因。因此,确定代谢网络,如氨基酸、脂质代谢和其他利用葡萄糖指导的代谢途径,以概述 AD 的准确疾病机制和一些治疗靶点。这些结果以及其他 AD 相关风险因素(如 2 型糖尿病)的发现进一步表明 AD 是一种代谢紊乱。 代谢组学分析可能为理解支持发现用于执行预后和诊断任务的新型生物标志物的疾病机制铺平道路。

EEG和MEG生物标志物的神经生理学测试
大脑的电磁活动与神经元功能相关,其模式提供了人类认知功能的概念。脑电图 (EEG) 和脑磁图 (MEG) 可以反映大脑的磁场模式,可作为临床早期 AD 检测以及神经退行性疾病进展分析的合适标志物。与目前的生物标志物相比,EEG 和 MEG 提供了高时间分辨率,可以无创地评估大脑动力学的微小变化。此外,与依赖血液动力学测量的方法相比,EEG 和 MEG 可以记录神经元内电流产生的磁场,从而提供更准确的神经元活动指标。

脑电图以一种非侵入性、直接且合理廉价的方式从头皮间接监测大脑神经电活动 (Wang et al. 2015 )。应用脑电图作为检测AD的认知生物标志物是一项相对较新的尝试。脑电图有助于根据大脑的电活动提取由 AD 引起的主要异常,即脑电图减慢、同步扰动和复杂性降低 (Wang et al. 2015 )。为了提取这些特征,将 EEG 时域和频域分析应用于 AD 检测,进一步包括事件相关电位 (ERP)、复杂性分析(时域)、相对功率分析和相干性(频域)。在 ERP 中,每当特定事件或刺激发生时,大脑结构区域就会产生非常小的电压。由于与健康对照相比,MCI 和 AD 的潜能表现出更长的潜伏期和更小的振幅,因此 ERP 已被用于探索 AD 队列之间的形态学差异。

MEG 是一种非侵入性技术,用于测量因大脑内部电活动而产生的磁场。这种方法有助于捕获与 AD 相关的大脑信号的早期变化;例如,AD 患者大脑中的振荡频率较低,特别是 δ (2–4 Hz) 和 β (16–28 Hz) 振荡,如 MEG 方法所反映的那样。MEG 方法提供高时间分辨率,有助于检测 AD 患者大脑的电生理变化。这些电生理变化可以描述大脑中与 AD 相关的变化,并将 MCI 患者与对照组区分开来,因此 MEG 可作为早期标记物 。MEG 使用由于大脑中神经元作用产生的电势而产生的电化学活动。MEG 在早期检测节律变化,并提供有关 AD 前驱变化的信息。它可能捕获神经元的磁场。MEG 相对于 EEG 的优势包括其高空间分辨率和更好的信噪比。EEG 和 MEG 记录可以由锥体神经元同步振荡产生。然而,MEG 对垂直于头皮的电流不敏感,而 EEG 对所有初级电流敏感。磁场在均匀性方面对头部不敏感,这使 MEG 比 EEG 具有显着优势。MEG 的高空间分辨率有助于深入分析大脑功能和驱动 AD 患者神经元活动改变的因素。MEG 的主要限制是可用性较低和成本较高。

结论与未来展望

本文综述了各种可用于早期诊断AD的方法。然而,由于目前还没有一种决定性的技术能够准确地检测出不同阶段的AD,对AD患者的准确诊断仍然具有挑战性。

目前,神经影像学和脑脊液生物标志物是较为成熟的检测AD的方法,具有较高的准确性。多模态技术结合新的深度学习方法,可以提高评估质量并准确预测AD患者的分期。

不断改进的诊断方法将为未来开发出有前景的、有效的工具铺平道路,这些工具可以在早期阶段简单、准确地检测出AD和其他神经疾病。
Tau 的核心 CSF 生物标志物(tau、Aβ 和神经元损伤)、结构 MRI 和 PET 成像是目前公认的广泛接受用于 AD 诊断的生物标志物。然而,上述生物标志物的使用受到阻碍,因为它们涉及高昂的费用和有限的可用性。

作为一种替代方案,血液生物标志物具有有效监测疾病进展的优势。不可否认,基于简单血液测试的生物标志物将有利于研究、药物发现和开发以及临床实践。未来,血液生物标志物在个体早期阶段有效预测 AD 的临床应用将更具成本效益,并使广泛的临床获取和有效的人群筛查成为可能。

此外,本综述中未讨论的其他几种体液生物标志物在未来也可能被证明对AD诊断有效。例如,蛋白质/肽生物标志物、脂质、微小rna和氨基酸被广泛研究,以检查它们作为理想生物标志物的潜力,其中一些显示出良好的结果。

阿尔茨海默病(AD)的急剧增长已成为全球关注的重大问题,如果不及时诊断和治疗,可能会在未来几年内造成巨大的社会和经济破坏。为了降低全世界的医疗保健成本,需要解决与 AD 的预防和早期检测有关的许多挑战。


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