肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一种较为罕见的多系统神经退行性疾病
[1]。ALS的特征是进行性肌肉无力和萎缩,可导致呼吸衰竭和死亡
[2]。ALS的临床诊断通常很棘手,因为其症状与其他神经系统疾病有重叠,而且缺乏特异性的诊断测试。迄今为止,由于ALS的复杂性以及对其潜在致病机制了解有限,目前尚无治疗方法
[3]。为了开发新的治疗方法,客观且高灵敏度的生物标志物对于成功开展临床试验、提供有关疾病预测或进展的重要信息至关重要。在ALS中,多种生物标志物正处于研究探索阶段。目前在神经科学领域最受关注的神经营养因子之一是血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF),ALS患者的脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)中VEGF水平显著升高,被认为是ALS的潜在生物标志物
[4⁃5]。除VEGF外,血管生成素(angiopoietin, ANG)在ALS患者的CSF中降低,而VEGF受体2(VEGF receptor 2, VEGFR2)则升高
[6]。与遗传相关的反式激活反应DNA结合蛋白43(transactive response DNA binding protein 43, TDP⁃43)、视神经蛋白(optineurin, OPTN)也是ALS相关的重要生物标志物,TDP⁃43在高达97%的ALS病例中,在脑和脊髓中可发现含有TDP⁃43的细胞质包涵体,病理性TDP⁃43通过影响细胞内多种生理过程可介导神经退变的发生,在ALS患者的血液及CSF中升高
[7]。
OPTN突变是ALS的相关突变,可能导致免疫反应低效和(或)损伤堆积
[8]。此外,神经炎症与ALS的发病也显著相关,研究发现单核细胞趋化蛋白⁃1(monocyte chemoattractant protein⁃1, MCP⁃1)可能在ALS发病机制中具有协同作用
[9]。但目前,各项研究的结果缺乏一致性,这使得这些指标作为疾病预测生物标志物的潜力并不可靠。本研究尝试检测ALS患者血浆和CSF中的上述生物标志物表达情况,旨在提出可能用于ALS早期诊断的生物标志物组合。
1 资料与方法
1.1 研究对象
2019年1月至2023年2月由十堰市人民医院神经内科门诊前瞻性招募研究受试者。
纳入标准:⑴年龄≥18岁;⑵首次因疑似ALS而前往十堰市人民医院神经内科门诊就诊,接受标准化诊断流程,包括神经系统检查、肌电图、腰椎穿刺和辅助检查等,根据修订的El Escorial诊断标准
[10]被诊断为确诊、拟诊、可能的ALS,所有可能诊断分级的ALS患者在随访期间均转化为拟诊或确诊的ALS;⑶作为常规护理的一部分进行血液采样和腰椎穿刺采集CSF样本,并经患者或其家属同意(签署知情同意书)将样本用于生物标志物研究。
排除标准:⑴合并甲状腺功能减退症或甲状腺功能亢进症;⑵合并认知功能障碍、重度抑郁症、精神分裂症、痴呆(包括阿尔茨海默病)。
根据临床诊断和神经肌电图,27例参与者被纳入ALS组;其他28例参与者最终证实无中枢神经系统疾病,被纳入对照组。
本研究经十堰市人民医院医学伦理委员会批准(编号:syrmyy2019⁃011)。所有受试者都签署了知情同意书。
1.2 数据收集
所有受试者在诊断时都进行了CSF及血液样本取样。采集样本时收集临床资料,包括年龄、性别、体重指数(body mass index, BMI)、吸烟史、饮酒史、病程、疾病进展率、爱丁堡ALS认知行为筛查量表(Edinburgh Cognitive and Behavioral Assessment Screen, ECAS)
[11]、上运动神经元(upper motor neuron, UMN)
[12]评分、修订版ALS功能评定量表(Revised Amyotrophic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale, ALSFRS⁃R)
[13]评分。
UMN评分包括病理性敏捷反射的总和,即双侧肱二头肌、旋后肌、三头肌、手指、膝盖和脚踝反射、足底反应、面部和下颌反射的评估,最高评分为16分。英国医学研究理事会(Medical Research Council, MRC)评分
[14]为双侧手臂外展、肘关节屈伸、腕关节屈伸、髋部屈伸、膝关节屈伸、踝背屈的徒手肌力评估总分,评分范围为0~60分,是下肢运动神经元症状的肌肉无力程度的敏感指标。
疾病进展率=(48-初次就诊时的ALSFRS⁃R)评分/首次发病到初次就诊的时间(月)
[15]。
对照组与ALS组患者的年龄、性别比较,差异无统计学意义(
P>0.05),见
表1。
1.3 样本分析
1.3.1 样本采集
经腰椎穿刺收集的CSF样本置于聚丙烯小瓶中,收集后立即在4℃下400 r/min离心10 min。血浆样本通过肘静脉穿刺获得,收集在含有乙二胺四乙酸的管中,血浆在3 000 r/min下离心10 min,放入聚丙烯小瓶中。获得的CSF和血浆样本立即保存在⁃80℃环境中以待分析。
1.3.2 样本检测
采用夹心酶联免疫吸附分析(enzyme⁃linked immunosorbent assay, ELISA)进行样本检测。按照制造商提供的说明书检测血浆及CSF中的VEGF、VEGFR2、OPTN、TDP⁃43、ANG和MCP⁃1水平。VEGF、VEGFR2、OPTN、TDP⁃43和ANG的ELISA试剂盒购自Qayee Biological Technology(中国);MCP⁃1的ELISA试剂盒购自Diaclone SAS(法国)。免疫测定按照供应商提供的说明书进行。血浆样本稀释10倍,CSF样本未稀释。操作步骤简单概括为:加入样品和辣根过氧化物酶偶联物后,在培养皿中孵育。然后清洗微孔板,加入底物试剂。之后加入终止液,在加入终止液后20 min内检测板。用酶联免疫吸附仪(Bio⁃Rad Laboratories,美国)在450 nm处测定吸光度。绘制每个实验的标准曲线,并计算所有样品中各自蛋白质的吸光度值。
1.4 统计学方法
采用SPSS 21.0软件进行统计学分析。连续变量采用Shapiro检验进行正态分布检验。正态分布的连续变量以均数±标准差(±s)表示,组间比较采用独立样本t检验;偏态分布的连续变量以中位数和四分位距[M(P25, P75)]表示,组间比较采用Mann⁃Whitney非参数检验。分类变量以例数和百分率[n(%)]表示,组间比较采用卡方检验。采用单变量、多变量线性回归分析血浆及CSF生物标志物与临床特征的相关性。为避免过度拟合,对单变量进行LASSO回归分析进行筛选。血浆及CSF生物标志物间相关性分析采用斯皮尔曼等级相关分析。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 2组血浆及CSF中生物标志特征谱
ALS组患者血浆及CSF的VEGF、VEGFR2、OPTN、TDP⁃43和ANG均低于对照组,而MCP⁃1高于对照组(
P<0.05),见
表2、
表3。
2.2 ALS患者血浆及CSF中VEGF与临床特征的关系
单变量线性回归分析显示,ALS患者血浆和CSF中VEGF与疾病进展率均呈负相关(
P<0.05),与ALSFRS⁃R评分均呈正相关(
P<0.05),见
表4。
为避免过度拟合,进行LASSO回归分析,结果显示性别、吸烟史、饮酒史、BMI与疾病进展率无相关性;年龄、性别、饮酒史、吸烟史、BMI与ALSFRS⁃R评分无相关性。
进一步校正年龄和病程因素后,血浆(β=⁃0.379,t=⁃2.463,P=0.018)和CSF(β=⁃0.446,t=⁃2.956,P=0.005)中VEGF与疾病进展率呈负相关;校正病程因素后,血浆(β=0.309,t=2.133,P=0.039)和CSF(β=0.434,t=3.287,P=0.002)中VEGF与ALSFRS⁃R评分呈正相关。
2.3 ALS患者血浆及CSF中VEGFR2与临床特征的关系
单变量线性回归分析显示,ALS患者的血浆及CSF中VEGFR2与ALSFRS⁃R评分呈正相关(
P<0.05),见
表5。
为避免过度拟合,进行LASSO回归分析,结果显示性别、吸烟史、饮酒史、BMI与ALSFRS⁃R评分无相关性。
进一步校正年龄和病程因素后,血浆(β=0.284,t=2.092,P=0.043)和CSF(β=0.205,t=2.144,P=0.039)中VEGFR2与ALSFRS⁃R评分均呈正相关。
2.4 ALS患者血浆及CSF中ANG与临床特征的关系
单变量线性回归分析显示,ALS患者的血浆及CSF中ANG与临床特征无相关性(
P>0.05),见
表6。
为避免过度拟合,进行LASSO回归分析,结果显示性别、吸烟史、饮酒史与疾病进展率无相关性。
进一步校正年龄、BMI和病程因素后,血浆中ANG与疾病进展率呈负相关(β=⁃0.301,t=⁃2.165,P=0.036);而CSF中ANG与临床特征无相关性(P>0.05)。
2.5 ALS患者血浆及CSF中TDP⁃43与临床特征的关系
单变量线性回归分析显示,ALS患者的血浆及CSF中TDP⁃43与年龄呈正相关(
P<0.05),见
表7。
为避免过度拟合,进行LASSO回归分析,结果显示性别、吸烟史、饮酒史与年龄无相关性。
进一步校正BMI和病程因素后,ALS患者的血浆(β=0.483,t=3.634,P=0.001)和CSF(β=0.550,t=4.548,P<0.001)中 TDP⁃43与年龄呈正相关。
2.6 ALS患者血浆及CSF中OPTN与临床特征的关系
单变量线性回归分析显示,ALS患者的血浆中OPTN与ALSFRS⁃R评分呈正相关(
P<0.05),见
表8。
为避免过度拟合,通过LASSO回归分析筛选,性别、吸烟史、饮酒史、BMI与ALSFRS⁃R评分无相关性。
进一步校正年龄和病程因素后,ALS患者的血浆中OPTN与ALSFRS⁃R评分呈正相关(β=0.311,t=2.139,P=0.038)。而CSF中OPTN与临床特征无相关性。
2.7 ALS患者血浆及CSF中MCP⁃1与临床特征的关系
单变量线性回归分析显示,ALS患者的血浆中MCP⁃1与疾病进展率呈正相关(
P<0.05),与ALSFRS⁃R评分呈负相关(
P<0.05)。CSF中MCP⁃1与疾病进展率呈正相关(
P<0.05)。见
表9。
为避免过度拟合,进行LASSO回归分析,结果显示性别、吸烟史、饮酒史、BMI与疾病进展率及ALSFRS⁃R评分均无相关性。
进一步校正年龄和病程因素后,ALS患者的血浆中MCP⁃1与疾病进展率呈正相关(β=0.345,t=2.374,P=0.022),与ALSFRS⁃R评分呈负相关(β=⁃0.309,t=⁃2.319,P=0.025)。CSF中MCP⁃1与疾病进展率则无相关性。
2.8 生物标志物间相关性分析
血浆生物标志物间均呈正相关(
P<0.05),见
表10。CSF生物标志物中,VEGF与VEGFR2呈正相关(
P<0.05),TDP⁃43与其他标志物呈正相关(
P<0.05)。见
表11。
3 讨论
ALS是一种神经退行性疾病,其特征是大脑、脑干和脊髓中的运动神经元死亡,从而导致进行性、无痛性肌无力
[16]。ALS可导致患者瘫痪,在严重病例中,可能导致呼吸衰竭,从而致使患者死亡。在ALS遗传学方面,大约10%的病例可归类为家族性,其余90%的病例被认为是散发性,虽然大多数ALS病例是由单基因突变引起的,但也有一部分病例可归因于几个基因(少基因)突变
[17]。疾病病理生理学的变异性使ALS成为多系统退行性疾病或多变量疾病。这种多系统退化使诊断、预后和治疗策略更加复杂。因此,对疾病进行早期预测和预后预测有助于找到有效的治疗方案,并延缓疾病的进展。
在本研究中,我们对CSF和血浆中多种生物标志物与临床特征的关联,以及这些生物标志物的相互关联进行了分析,结果显示,ALS组患者的血浆及CSF中VEGF、VEGFR2、OPTN、TDP⁃43和ANG均低于对照组,而MCP⁃1高于对照组。
TDP⁃43是一种异质性核糖核蛋白,在生理条件下主要分布在细胞核内。在大多数ALS病例中,被转移到细胞质中,在那里改变结构,并形成包涵体
[18]。研究显示,TDP⁃43在患者的血浆及CSF中升高
[19]。然而,有研究认为,ALS患者的CSF中TDP⁃43的升高并不是神经退行性病变期间释放到CSF中的简单结果,这种TDP⁃43在ALS中的过度表达和过量产生可能是一种代偿机制,以维持核内功能
[18]。但在本研究中,仅发现TDP⁃43在CSF和血浆中的表达与ALS患者年龄相关。TDP⁃43病理改变主要位于边缘系统区域,而无额颞叶变性,这种病理改变常见于老年人群(>80岁)
[20]。衰老本身就是一系列神经退行性疾病的风险因素,并且随着年龄的增长,并发的神经病理过程较为常见。有针对大量老年人大脑的病理学研究称,至少1/3老年人的大脑存在多种蛋白病,其中就包括TDP⁃43蛋白病
[21]。
ALS患者经常携带
VEGF基因突变,VEGF对运动神经元具有营养和神经保护作用。在运动神经元和内皮细胞分泌VEGF后,促进内皮细胞的形成、周细胞增殖和迁移,从而维持小血管壁的完整性。这保证了局部优化的氧气及能量供应,以及有毒代谢物的去除,从而保护了运动神经元免受氧化应激和谷氨酸介导的兴奋性毒性,同时也避免了磷酸化TDP⁃43介导的神经变性
[22]。本研究中,VEGF与患者疾病进展率呈负相关,而与ALSFRS⁃R评分呈正相关,表明VEGF可能是ALS的保护因子。
VEGFR2为VEGF的受体,在ALS患者的脊髓样本中,发现VEGF及VEGFR2表达降低
[23]。本研究结果显示,ALS患者的血浆及CSF中VEGFR2与ALSFRS⁃R评分呈正相关。
ANG除了在新生血管形成中的作用外,还被证明是一种神经营养和神经保护因子。
ANG的错义突变通过核糖核酸溶解活性或核易位活性,又或这两种功能都丧失而引起ALS
[24]。本研究也发现在多变量线性回归分析中,血浆ANG与疾病进展率呈负相关。
OPTN具有核因子⁃κB抑制活性,并抑制肿瘤坏死因子⁃α介导的核因子⁃κB活化,
OPTN突变激活肿瘤坏死因子⁃α和半胱天冬酶通路,破坏TDP⁃43的核定位信号。因此,OPTN作为蛋白质包涵体在ALS患者的运动神经元中增加和积累。有研究认为,ALS患者血浆中OPTN降低,可能阻碍了TDP⁃43的调节
[4]。
MCP⁃1是一种8 kDa分泌蛋白,具有促炎作用。在散发性及家族性ALS患者的血清和CSF中均可发现MCP⁃1水平升高
[25]。本研究中,ALS患者的血浆和CSF中MCP⁃1与疾病进展率呈正相关。此外,血浆MCP⁃1与ALSFRS⁃R评分呈负相关。
本研究中分析的6种液体生物标志物与ALS患者的年龄、疾病严重程度,以及疾病进展有相关性。在血浆和CSF中,VEGF、VEGFR2、ANG、OPTN、TDP⁃43和MCP⁃1都存在相关性,表明这6种生物标志物之间存在串扰。因此,需要一项更全面的研究来分析这些生物标志物对疾病进展的影响,以了解这些标志物在疾病进展中的作用,明确这些生物标志物用于疾病早期诊断的可行性。
湖北省卫生健康委科研项目(WJ2023Ml96)