Nature Medicine：血浆外泌体：揭示额颞叶痴呆(FTD)与肌萎缩侧索硬化症(ALS)的分子诊断新标志物

引言

目前，额颞叶痴呆（frontotemporal dementia, FTD）和肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）谱系疾病还没有可用的疾病修正疗法，这部分归因于缺乏检测分子病理的生物标志物，这是对散发性bvFTD（行为变异型额颞叶痴呆）患者进行分类的前提条件。当前，分子病理的诊断仅能在死后进行，除非是带有病理性突变的遗传病例，可以在死前推断其相关的分子病理。

6月18日Nature Medicine报道的研究“Plasma extracellular vesicle tau and TDP-43 as diagnostic biomarkers in FTD and ALS”，报道了血浆外泌体（extracellular vesicles, EVs）中的Tau和TDP-43蛋白在FTD和 ALS中的诊断价值。FTD和ALS是两种严重的神经退行性疾病，目前缺乏有效的早期诊断生物标志物。该研究的重点是探索血浆EV中可量化的TDP-43和全长Tau蛋白及其3R和4R亚型（isoforms），以区分不同病理类型的FTD和ALS。

研究团队在一组704名患者中检测了EV中的TDP-43和3R/4R Tau比例，这些患者包括37例有遗传证据和31例有神经病理学证据的病例。研究发现，TDP-43在ALS和具有TDP-43病理的bvFTD（行为变异型额颞叶痴呆）中水平较高，而在渐进性核上性麻痹（PSP）中，3R/4R Tau比例较低。相比之下，在具有Tau病理的bvFTD中，3R/4R Tau比例较高。

通过ROC曲线分析，这些标志物能够高效地区分不同诊断组，其曲线下面积（AUC）值均大于0.9。此外，这些标志物还与神经退行性程度以及疾病严重程度的临床和神经心理学指标高度相关。这些发现也在一个包含292名患者的独立验证队列中得到了验证，其中包括34例遗传确诊病例。

FTD包括多种神经退行性疾病，如行为变异型额颞叶痴呆（bvFTD）、语义变异型原发性进行性失语（svPPA）和非流利变异型原发性进行性失语（nfvPPA）。FTD、PSP、皮质基底节变性（CBD）和ALS属于一个具有重叠症状、遗传和分子病理学的疾病连续谱。虽然ALS、FTD-ALS和大约一半的bvFTD病例特征是TDP-43蛋白的细胞内蛋白质包涵体，PSP、CBD和大约40%的bvFTD病例则与Tau病理相关。

该研究表明，血浆EV中的TDP-43和3R/4R Tau比例可以作为FTD、FTD谱系疾病和ALS的分子诊断标志物，为监测疾病进展和临床试验中的目标实现提供了潜在的生物标志物。该研究的发现为未来开发新型诊断工具和治疗方法提供了重要依据。

额颞叶痴呆（frontotemporal dementia, FTD）和肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）是两种严重的神经退行性疾病，具有高度的异质性和复杂性。它们在临床表现、遗传背景和分子病理学方面存在显著重叠，但目前缺乏有效的早期诊断工具，尤其是针对非遗传性的散发病例。

研究招募了一组704名患者，包括37例遗传证据确凿和31例神经病理学确诊的病例。研究对象包括具有TDP-43蛋白病理的ALS患者、4R Tau蛋白病理的PSP患者、具有Tau或TDP-43病理的bvFTD患者，以及健康对照组。通过检测这些患者血浆中的EV，研究团队量化了EV中的TDP-43和3R/4R Tau比例，以评估它们作为诊断标志物的潜力。

研究人员通过质量分析、受试者工作特征（ROC）曲线分析和验证性实验，以确保结果的准确性和可靠性。为了进一步验证研究结果，团队在一个独立的验证队列（包括292名患者，其中34例遗传确诊）中重复了这些实验。

从704名患者中收集血浆样本，包括ALS患者（TDP-43病理）、PSP患者（4R Tau病理）、bvFTD患者（Tau或TDP-43病理）和健康对照组。采用质谱分析（mass spectrometry）检测EVs中的全长Tau蛋白，并区分3R和4R Tau亚型。使用单分子阵列（single-molecule array, SIMOA）技术检测EVs中的TDP-43蛋白水平。测量EV中的Tau和TDP-43蛋白水平，以评估其在不同诊断组中的差异。通过受试者工作特征（ROC）曲线分析评估这些标志物的诊断效能。使用Spearman相关分析评估EV TDP-43和3R/4R Tau比例与临床和神经心理学指标之间的相关性。在独立验证队列（292名患者，包括34例遗传确诊）中重复上述检测和分析，验证初步研究结果的可靠性。

在DESCRIBE研究亚组1中，不同诊断组患者血浆小型外泌体（sEV）中3R/4R Tau比例的分布及其诊断准确性（Credit: Nature Medicine）

图a：不同诊断组中3R/4R Tau比例的比较

健康对照组（HC）：3R/4R Tau比例的中位数为1.16（IQR [0.99–1.28]），显示出在健康人群中3R和4R Tau亚型的平衡状态。

阿尔茨海默病（AD）：3R/4R Tau比例的中位数为0.91（IQR [0.57–1.25]），与健康对照组接近，表明AD患者中3R和4R Tau亚型也保持平衡。

语义变异型原发性进行性失语（svPPA）：3R/4R Tau比例的中位数为1.00（IQR [0.98–1.11]），显示出与健康对照组类似的平衡状态。

渐进性核上性麻痹（PSP）：3R/4R Tau比例显著降低，中位数为0.18（IQR [0.13–0.29]），与所有其他组比较均有显著差异（P < 0.0001）。

行为变异型额颞叶痴呆（bvFTD）：3R/4R Tau比例显著升高，中位数为2.59（IQR [2.02–3.87]），与健康对照组、AD组和svPPA组均有显著差异（P < 0.001或P < 0.0001）。

图a中的长水平线表示中位数，短水平线表示四分位距（IQR），不同诊断组之间的显著性差异通过Kruskal-Wallis检验和Dunn校正多重比较法进行分析。

图b-h：ROC曲线分析

PSP对比健康对照组（图b）：3R/4R Tau比例的AUC为0.96（95% CI [0.83–0.98]），显示出高诊断准确性。

PSP对比AD组（图c）：AUC为0.99（95% CI [0.90–1.00]）。

PSP对比svPPA组（图d）：AUC为0.96（95% CI [0.90–0.98]）。

PSP对比bvFTD组（图e）：AUC为0.99（95% CI [0.94–1.00]），显示出极高的诊断准确性。

bvFTD对比健康对照组（图f）：3R/4R Tau比例的AUC为0.93（95% CI [0.88–1.00]）。

bvFTD对比AD组（图g）：AUC为0.90（95% CI [0.90–1.00]）。

bvFTD对比svPPA组（图h）：AUC为0.95（95% CI [0.90–0.98]）。

这些ROC曲线分析表明，3R/4R Tau比例在区分不同神经退行性疾病中的诊断效能极高，特别是在区分PSP和bvFTD患者方面。

图i-j：与血浆NfL水平的相关性

PSP组（图i）：3R/4R Tau比例与血浆NfL水平呈显著负相关（Spearman相关系数r = -0.48, P = 0.001），表明在PSP患者中，较低的3R/4R Tau比例对应更高的神经丝轻链（NfL）水平，反映了更严重的神经退行性损伤。

bvFTD组（图j）：3R/4R Tau比例与血浆NfL水平呈显著正相关（Spearman相关系数r = 0.68, P < 0.0001），表明在bvFTD患者中，较高的3R/4R Tau比例对应更高的NfL水平，反映了更严重的神经退行性损伤。

图k-n：3R/4R Tau比例与临床和认知指标的相关性

PSP组（图k-l）：3R/4R Tau比例与多项临床和认知指标显著相关，如蒙特利尔认知评估（MoCA）和PSP评定量表（PSP-RS），低3R/4R Tau比例对应更严重的临床症状。

bvFTD组（图m-n）：3R/4R Tau比例与多项认知和行为症状评分显著相关，如简易精神状态检查量表（MMSE）和功能活动问卷（FAQ），高3R/4R Tau比例对应更严重的认知和功能损伤。

EV TDP-43和Tau水平在不同诊断组中的差异

研究发现，在ALS和具有TDP-43病理的bvFTD患者中，EV中的TDP-43水平显著升高。而在PSP患者中，EV中的3R/4R Tau比例较低。这些标志物能够高效地区分不同的诊断组，其曲线下面积（AUC）值均大于0.9，显示出很高的诊断准确性。

ALS患者中的TDP-43水平：ALS患者中，EV TDP-43水平显著高于健康对照组（P < 0.00001），AUC值为0.99。

PSP患者中的3R/4R Tau比例：PSP患者中，EV 3R/4R Tau比例显著低于健康对照组（P < 0.00001），AUC值为0.96。

bvFTD患者中的TDP-43和3R/4R Tau水平：bvFTD患者中，TDP-43和3R/4R Tau水平显示出不同的病理类型，TDP-43水平高的病例与ALS类似，而3R/4R Tau比例高的病例与PSP类似。

EV TDP-43和Tau水平与疾病严重程度的相关性

EV中的TDP-43水平和3R/4R Tau比例不仅能够区分不同的诊断组，还与神经退行性程度以及疾病严重程度的临床和神经心理学指标高度相关。例如，bvFTD患者中较高的EV 3R/4R Tau比例对应更严重的临床和认知损伤，而在PSP患者中，较低的EV 3R/4R Tau比例则与更严重的疾病表现相关。

bvFTD患者中的相关性：bvFTD患者中，EV 3R/4R Tau比例与临床和认知损伤呈正相关（Spearman相关系数r = 0.68, P < 0.0001），与功能活动和行为症状严重程度呈负相关。

PSP患者中的相关性：PSP患者中，EV 3R/4R Tau比例与疾病严重程度呈负相关（Spearman相关系数r = -0.48, P = 0.001）。

在独立验证队列中，研究结果得到了进一步验证。通过检测独立样本中的EV TDP-43和3R/4R Tau比例，研究人员确认了这些标志物在FTD和ALS诊断中的潜力。这些发现为未来的临床应用奠定了基础。

验证队列中的TDP-43和3R/4R Tau比例：在292名患者中，EV TDP-43和3R/4R Tau比例的检测结果与初步研究结果一致，显示出高效的诊断能力。

EV是细胞释放的小囊泡，能够携带蛋白质、核酸和脂类等多种生物分子，参与细胞间的通信和物质运输。在神经退行性疾病中，EV被认为在病理蛋白的扩散和疾病进展中起重要作用。Tau蛋白是微管结合蛋白，存在六种不同的亚型，由可变剪接产生的3R和4R重复区决定。TDP-43是一种RNA结合蛋白，其胞外异常积聚是ALS和FTD的标志性病理特征。

该研究利用EV作为检测工具，成功实现了血浆中全长Tau蛋白及其3R/4R亚型的量化，这是以往通过传统血液检测方法难以实现的。这为未来的疾病早期诊断和治疗监测提供了新的可能性。通过检测血浆中的EV TDP-43和Tau比例，可以在临床上实现对FTD和ALS的早期、非侵入性诊断，有助于改善患者的预后。

此外，该研究的发现还揭示了不同类型FTD和ALS之间的病理差异，为疾病分类和个体化治疗提供了新视角。例如，TDP-43和Tau病理在bvFTD中的不同表现提示了这一疾病的异质性，未来针对不同病理类型的治疗策略可能需要进一步优化和个性化。

尽管本研究结果令人振奋，但仍有一些局限性需要注意。首先，虽然EV TDP-43和Tau比例在诊断中的准确性很高，但其在更大规模人群中的普适性仍需进一步验证。其次，该研究主要集中于特定的神经退行性疾病，其他类型神经疾病中的EV标志物表现尚不明确。最后，EV的具体来源和作用机制仍需进一步研究，以揭示其在疾病进展中的具体作用。

未来，随着技术的不断进步和研究的深入，血浆EV中的生物标志物有望成为神经退行性疾病早期诊断、疾病监测和治疗评估的重要工具。通过对EV中多种蛋白质和核酸的综合分析，可以进一步揭示疾病的复杂机制，推动精准医学的发展。

参考文献

Chatterjee M, Özdemir S, Fritz C, Möbius W, Kleineidam L, Mandelkow E, Biernat J, Doğdu C, Peters O, Cosma NC, Wang X, Schneider LS, Priller J, Spruth E, Kühn AA, Krause P, Klockgether T, Vogt IR, Kimmich O, Spottke A, Hoffmann DC, Fliessbach K, Miklitz C, McCormick C, Weydt P, Falkenburger B, Brandt M, Guenther R, Dinter E, Wiltfang J, Hansen N, Bähr M, Zerr I, Flöel A, Nestor PJ, Düzel E, Glanz W, Incesoy E, Bürger K, Janowitz D, Perneczky R, Rauchmann BS, Hopfner F, Wagemann O, Levin J, Teipel S, Kilimann I, Goerss D, Prudlo J, Gasser T, Brockmann K, Mengel D, Zimmermann M, Synofzik M, Wilke C, Selma-González J, Turon-Sans J, Santos-Santos MA, Alcolea D, Rubio-Guerra S, Fortea J, Carbayo Á, Lleó A, Rojas-García R, Illán-Gala I, Wagner M, Frommann I, Roeske S, Bertram L, Heneka MT, Brosseron F, Ramirez A, Schmid M, Beschorner R, Halle A, Herms J, Neumann M, Barthélemy NR, Bateman RJ, Rizzu P, Heutink P, Dols-Icardo O, Höglinger G, Hermann A, Schneider A. Plasma extracellular vesicle tau and TDP-43 as diagnostic biomarkers in FTD and ALS. Nat Med. 2024 Jun;30(6):1771-1783. doi: 10.1038/s41591-024-02937-4. Epub 2024 Jun 18. PMID: 38890531.

https://www.nature.com/articles/s41591-024-02937-4