Brain︱新方法！血浆星形胶质细胞增生GFAP或是阿尔茨海默病检测的新潜在标记物
撰文︱刘心朗
责编︱王思珍
尽管，近年来，靶向β-淀粉样蛋白（amyloid-β，Aβ）的临床试验已得到了令人充满希望的成果。然而，越来越多的证据表明，AD的发病机制不仅仅局限于Aβ斑块和tau缠结，在这其中也存在着与免疫学机制之间的相互联系【1】。因此，研究存在于Aβ代谢和Aβ病理之间的疾病替代治疗途径对于临床治疗AD具有重要意义。
星形胶质细胞（astrocyte）是哺乳动物大脑内体积最大的一种胶质细胞。研究发现，在AD病人的Aβ斑块周围存在病理性的星形胶质细胞的激活或增生（astrocytosis）【2】。然而，尽管星形细胞增生的具体作用尚不清楚，但几项研究却已经表明，活化的星形胶质细胞与AD患者皮层中的Aβ斑块具有相同的空间分布【3-4】，星形胶质细胞在活化过程中穿透Aβ斑块，这可能是为了将斑块与周围的神经纤维网（neuropil）分离并吞噬斑块【5-6】。此外，类似地，AD病人中，激活性星形细胞和tau缠结之间的关系也尚不清楚。
星形胶质细胞增生往往伴随胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）的表达增加。因此，GFAP可作为中枢神经系统损伤时星形胶质细胞增生的生物标志物。最近，对血液中GFAP浓度的分析已经证明，血浆GFAP在区分AD的不同阶段，以及在正电子发射断层扫描（Positron Emission Computed Tomography，PET）检测Aβ方面具有一定的潜力【7-15】。然而，到目前为止，还没有研究证明，星形胶质细胞增生在体内是否与Aβ病理或与tau病理具有相关性。
2021年7月14日，瑞典卡罗林斯卡学院神经生物学、护理科学和社会学系的Joana B. Pereira（第一作者）课题组与瑞典隆德大学临床科学Malmö系的Oskar Hansson课题组合作在Brain上发表了题为Plasma GFAP is an early marker of amyloid-β but not tau pathology in Alzheimer’s disease的研究论文，提出血浆GFAP是与脑Aβ沉积相关的早期且特异性的生物标记物，而不是Tau聚集的标记物。即与脑脊液GFAP相比，血浆GFAP可以更好的体现脑内Aβ的变化，同时可以预测未来Aβ的积累和认知能力的下降。因此，本项研究为今后临床上提供了一种预测AD中Aβ沉积及评估抗Aβ药物的无创工具。
该研究纳入受试者共504名，包括217例Aβ阴性认知未受损（CU Aβ-）患者，71例Aβ阳性认知未受损（CU Aβ+）患者，78例Aβ阳性认知受损（CI Aβ+）患者，68例Aβ阴性认知受损（CI Aβ-）患者，和75例非AD神经变性疾病患者。作者检测受试者血浆和脑脊液中GFAP水平，分析GFAP与Aβ病理（18F-flutemetamol PET）或与tau病理（18F-RO948 PET）之间的关系，并结合及认知测试，从而证明GFAP水平与Aβ病理和（或）tau病理的相关性。
研究显示，血浆GFAP浓度在CI Aβ-中最低，在CU Aβ-、CU Aβ+和CI Aβ+中逐渐上升，说明血浆GFAP水平在AD不同阶段均有上调（图1A）。组间比较发现，血浆GFAP浓度在Aβ阳性病变个体中升高，而脑脊液GFAP则在非AD患者中显著升高（图1A, B），表明脑脊液GFAP可能对非AD的神经变性疾病过程更敏感，可能更适合于检测非AD疾病。
图1 Aβ阳性组的血浆和脑脊液GFAP浓度升高
（图片引自：Pereira et al., Brain 2021: awab223）
首先，为了评估GFAP生物标志物是否与Aβ沉积负荷（严重程度）相关，除了以血浆或脑脊液GFAP作为预测因子之外，作者还通过建立一种Aβ-PET线性回归模型发现血浆中GFAP水平的增加与更大的整体Aβ-PET负荷相关（图2A-D），且voxel-wise分析（一种基于基于立体像素（voxel）的将外界信号拟合为对应大脑反应的形态学分析方法）进一步证实了这些结果（图3A, B）。作者也发现，与血浆GFAP相反，脑脊液GFAP仅在CI Aβ+患者中具有较高的Aβ-PET沉积线性相关性（图2E）。因此，为了确定这些结果是否与tau病理无关，相比较于tau-PET线性回归模型分析，作者重复了以上所有分析后发现，Aβ-PET负荷（量）仍然与血浆GFAP增加有关。
其次，为了评估生物标记物GFAP是否与tau沉积具有相关性，通过建立tau-PET线性回归模型，发现，在CI Aβ+个体中，血浆GFAP水平升高仅与模型Braak III-IV期和V-VI期的tau-PET负荷相关（III-IV: t=2.86，p=0.006；V-VI: t=2.97，p=0.004）。然而，在将整体Aβ-PET作为协变量（III-IV: t=1.60，p=0.114；V-VI: t=2.00，p=0.050）后，这种GFAP与tau-PET负荷的相关性消失，表明这种相关性并不独立于Aβ。
上述两部分结果表明：血浆和脑脊液GFAP浓度与Aβ-PET相关，与tau-PET负荷无关。
图2 血浆和脑脊液GFAP浓度与Aβ-PET相关，与tau-PET负荷无关
（图片引自：Pereira et al., Brain 2021: awab223）
图3 血浆GFAP和Aβ-PET之间的Voxel-wise关联
（图片引自：Pereira et al., Brain 2021: awab223）
进一步的整体Aβ-PET模型拟合分析显示，血浆GFAP可能在AD期间（即AD不同阶段）随着Aβ沉积增加而表现出更大的变化，也就是说，与脑脊液GFAP相比，血浆GFAP可以更好的追踪脑内Aβ负荷的变化情况，特别是早期Aβ负荷的变化情况（图4A-C）。为了进一步研究星形细胞增生与AD病理变化的关系，研究者对所有CU受试者以及CI Aβ+个体进行了中介变量分析（mediation analysis），发现，在CU个体中，血浆GFAP调节全部Aβ-PET和tau-PET I-II、III-IV阶段之间的作用（关系）。此外，血浆GFAP还介导CI的全部Aβ-PET和tau-PET V-VI阶段之间的关系，这些结果表明了在AD发生发展过程中血浆GFAP可能局部调节Aβ病理和tau病理，也提示了继发于Aβ沉积的星形细胞增生可能是AD中tau积累的原因之一。
图4 血浆GFAP显示出随着Aβ-PET负担的早期增加
（图片引自：Pereira et al., Brain 2021: awab223）
再进一步地，通过ROC曲线（即接受者操作特性曲线（receiver operating characteristic curve））分析，作者发现，与脑脊液GFAP和其他神经胶质标志物（如GFAP、YKL-40和sTREM2）相比较，血浆GFAP可以更准确地检测Aβ阳性状态（图 5）。
同时，使用线性混合模型来评估GFAP标记物是否也与新皮质复合区的Aβ随时间变化相关。在控制了年龄、性别、基线Aβ状态和认知障碍状态后，作者发现，血浆GFAP显著预测了整个样本中的纵向Aβ沉积（t=2.888，p=0.004）（图6A），而脑脊液GFAP没有预测（t=1.478，p=0.141）。值得注意的是，这些分析在调整tau-PET负荷后仍然显著（t=2.905，p=0.004），即预测值独立于tau病理。这些结果表明：血浆GFAP 浓度与纵向性Aβ沉积有关。
最后，线性混合模型分析表明，血浆GFAP和脑脊液GFAP均可预测整个队列的认知能力下降，即使在调整了纵向Aβ-PET变化后（血浆GFAP：t = -3.303，p = 0.001；脑脊液GFAP：t = -2.485，p = 0.014)（图6B, C）。这些结果提示：星形细胞增生除了作为Aβ病理学的标志物外，还可能对纵向认知功能产生独立的负面影响，即血浆和脑脊液GFAP浓度与也与纵向认知能力下降有关。
图5 与其他神经胶质细胞标记物相比，血浆GFAP在识别Aβ阳性状态方面具有更大的诊断准确性
（图片引自：Pereira et al., Brain 2021: awab223）
（图片引自：Pereira et al., Brain 2021: awab223）
尽管目前针对AD的研究是以Aβ沉积为起点，随后发生Tau缠结作为神经退行性变研究的中心观点，但胶质细胞在维持神经元功能中同样具有重要意义【16】。在此研究中，作者发现脑脊液GFAP可能对非AD的神经变性疾病过程更敏感，可能更适合于检测非AD疾病。同时，血浆和脑脊液GFAP浓度与Aβ-PET具有相关性，而与tau-PET无关。此外，研究也发现，血浆GFAP可以更好的追踪脑内Aβ的变化情况，而继发于Aβ沉积的星形细胞增生可能是AD中tau缠结的原因之一。相比于脑脊液GFAP和其他胶质标记物，血浆GFAP能够更准确地识别Aβ阳性状态。
在中枢神经系统（CNS）疾病中，受不同类型CNS损伤和不同体外刺激的影响，反应性星形胶质细胞（RAS）的基因表达不同，可划分为不同亚型，其不同亚型对于CNS病程进展具有双重作用：在LPS全身注射诱导的神经炎症模型和大脑中动脉栓塞诱导的脑卒中模型中，RAS的基因表达被分别称为A1型（A1S）和A2型（A2S），A1s对突触具有损害作用，而A2s则上调神经营养因子，对神经具有保护作用【17】。NF-kB通路介导的RAS有促神经炎症的作用，可能是A1s激活的信号通路【18】。其中，具有抗炎症作用的JAK/STAT3通路介导RAS促进脊髓损伤模型的神经元再生，可能是A2s活化的关键通路。因此，针对引起RAS基因表达差异的细胞因子及信号机制的深入研究，或将成为未来治疗AD及其他CNS疾病的潜在靶点。在此项研究中，作者研究了血浆与脑脊液GFAP含量与Aβ沉积的相关性分析，在今后的研究中是否可以通过特点实验手段将RAS进行分型后，再将血液中RAS的不同分化亚型的生物标记物与其相关信号通路的细胞因子进行相关性分析，以得到具体的引起RAS活化的信号机制，便于日后更有针对性的寻找AD及CNS疾病的治疗靶点。
总的来说，这项研究强调了血浆GFAP是与Aβ沉积相关的AD早期特异性生物标志物。因此，血浆中GFAP含量的检测，有可能作为一种无创工具，用以在临床试验中评估抗Aβ药物或抗炎治疗对星形细胞活化的影响。
原文连接： https://doi.org/10.1093/brain/awab223
【2】Nature︱星形胶质细胞来源的IL-3调控小胶质细胞功能, 缓解AD病理变化和认知障碍
【3】JCI︱高天明课题组揭示前额叶皮层在调控焦虑和恐惧中具有相反作用的神经回路
【4】eLife︱单细胞测序和神经环路分析联合揭示大脑启动攻击/防御本能行为的分子遗传编码机制
【5】Nature︱前沿! GluDs将不同突触前信号转导到不同突触后受体应答的机制
【6】Neurosci Bull︱条件性社交恐惧模型: 在小鼠中诱导强烈且特异的社交恐惧
【7】Neuron︱小胶质细胞C9orf72基因缺失促进突触丢失, 学习记忆缺陷的新机制
【8】Sci Adv︱周申如团队发现大脑脑区发育和脑区边界建立的新机制
参考文献（上下滑动查看）
【1】Heneka MT, Carson MJ, El Khoury J et al. Neuroinflammation in Alzheimer's disease. Lancet Neurol. 2015;14:388-405.
【2】Osborn LM, Kamphuis W, Wadman WJ, Hol EM. Astrogliosis: an integral player in the pathogenesis of Alzheimer's disease. Prog Neurobiol. 2016;144:121-41.
【3】Beach TG, McGeer EG. Lamina-specific arrangement of astrocytic gliosis and senile plaques in Alzheimer's disease visual cortex. Brain Res. 1988;463:357-61.
【4】Perez-Nievas BG, Serrano-Pozo A. Deciphering the astrocyte reaction in Alzheimer’s disease. Front Aging Neurosci. 2018;10:114.
【5】Itagaki S, McGeer PL, Akiyama H, Zhu S, Selkoe D. Relationship of microglia and astrocytes to amyloid deposits of Alzheimer disease. J Neuroimmunology. 1989;24:173-82.
【6】Frost GR, Li YM. The role of astrocytes in amyloid production and Alzheimer's disease. Open Biol. 2017;7:170228.
【7】Rajan KB, Aggarwal NT, McAninch EA et al. Remote Blood Biomarkers of Longitudinal Cognitive Outcomes in a Population Study. Ann Neurol. 2020;88:1065-76.
【8】Oeckl P, Halbgebauer S, Anderl-Straub S et al. Glial fibrillary acidic protein in serum is increased in Alzheimer’s disease and correlates with cognitive impairment. J Alzh Dis. 2019;67:481-8.
【9】Elahi FM, Casaletto KB, La Joie R et al. Plasma biomarkers of astrocytic and neuronal dysfunction in early-and late-onset Alzheimer's disease. Alzheimers & Dem. 2019;16:681-95.
【10】Thijssen EH, Verberk IM, Stoops E, Boxer AL, Teunissen CE. Amyloid, pTau, NfL, and GFAP as biomarkers for Alzheimer’s disease: Clinical study results of AD blood biomarkers. Alzheimers & Dem. 2020;16:e038179.
【11】Asken BM, Elahi FM, La Joie R et al. Plasma Glial Fibrillary Acidic Protein Levels Differ Along the Spectra of Amyloid Burden and Clinical Disease Stage. J Alzh Dis. 2020; In press.
【12】Chatterjee P, Pedrini S, Stoops E et al. Plasma glial fibrillary acidic protein is elevated in cognitively normal older adults at risk of Alzheimer’s disease. Trans Psych. 2021;11:27.
【13】Cicognola C, Janelidze S, Hertze J et al. Plasma Glial Fibrillary Acidic Protein Detects Alzheimer Pathology and Predicts Future Conversion to Alzheimer Dementia in Patients With Mild Cognitive Impairment. Alzheimers Res Ther. 2021; In press.
【14】Verberk IM, Thijssen E, Koelewijn J et al. Combination of plasma amyloid beta (1-42/1-40) and glial fibrillary acidic protein strongly associates with cerebral amyloid pathology. Alzheimers Res Ther. 2020;12:1-4.
【15】Simrén J, Leuzy A, Karikari TK et al. The diagnostic and prognostic capabilities of plasma biomarkers in Alzheimer's disease. Alzheimers & Dem. 2021; In press.
【16】Shao R, Hamel K, Petersen L et al. YKL-40, a secreted glycoprotein, promotes tumor angiogenesis. Oncogene. 2009;28:4456-68.
【17】ZAMANIAN JL, XU L, FOO L C, et al. Genomic analysis of reactive astrogliosis. J Neurosci. 2012,32(18):6391-6410.
【18】LIDDELOW SA, BARRES BA. Reactive Astrocytes: Production, Function, and Therapeutic Potential. Immunity. 2017, 46(6): 957-967.
制版︱王思珍
本文完