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我们知道，早在阿尔茨海默病（AD）临床症状出现前，大脑中β-淀粉样蛋白（Aβ）和tau蛋白就会出现异常变化。因此，脑脊液中的AD相关蛋白质水平可以作为AD早期诊断的生物标志物。
尽管目前已经有了一些像Aβ42、Aβ42/Aβ40比值、磷酸化tau（p-tau）、总tau（t-tau）这样的AD脑脊液生物标志物，但这些指标还难以全面反映AD的临床状态和进展情况。这就需要进一步探索更多AD脑脊液蛋白质组学变化特征，了解AD病理变化，并构建相关预测模型，以改善AD的早期诊断。
近期，美国圣路易斯华盛顿大学Carlos Cruchaga团队发表了一项重要研究成果。通过对2286名受试者脑脊液样本进行蛋白质组学分析后，他们成功识别出了2029种独立的，与AD有关的蛋白质，其中43%是以前报道过的，57%（1164）都是新发现的。
此外，基于AT生物标志物框架（A代表Aβ，T代表tau蛋白）的蛋白伪轨迹分析显示，这些蛋白在疾病不同阶段会呈现出四种动态变化模式，分别与神经元死亡以及tau蛋白磷酸化、小胶质细胞功能以及内溶酶体功能异常、神经可塑性、小胶质细胞-神经元相互作用（晚期）等关键生物学过程相关。
根据这些发现，研究运用机器学习开发了一种高准确性的AD生物标志物预测模型，可以精准区分AD患者与健康个体（曲线下面积AUC>0.90），并预测AD生物标志物阴性个体（即没有Aβ也没有tau蛋白聚集）未来进展为AD的风险。
研究发表在《神经元》上。
论文首页截图
研究先从四个独立大型AD队列（即Knight阿尔茨海默病研究中心Knight ADRC、FundacióACE阿尔茨海默病研究中心FACE、阿尔茨海默病神经影像学倡议数据库ADNI以及Barcelona-1队列）中纳入了2286名受试者的脑脊液样本数据，然后再根据AT框架中Aβ和tau蛋白的水平分成AD生物标志物阴性组（A-T-）与AD生物标志物阳性组（A+T+，AD患者），最后再比较两组受试者脑脊液中蛋白表达差异情况，并采用三阶段研究设计（发现阶段、验证阶段、元分析），识别出与AD有关的蛋白。
纳入的受试者信息以及三阶段设计流程
结果显示，研究最终成功从脑脊液样本中识别出了2029种与AD显著相关的独立蛋白。通过与其他AD相关蛋白组学研究对比后，研究人员发现，这些蛋白中有43%是以前报道过的，57%（1164）都是新发现的。
此外，研究人员还在独立的AD队列（Stanford ADRC，n=132）中进一步验证了这些蛋白的稳健性。提示，这些蛋白可用于后续的蛋白伪轨迹分析和疾病预测模型构建。
AD相关蛋白识别过程
在AT框架中，根据AD进程，Aβ通常早于tau开始发生变化，因此，AD发生的纵向轨迹可以概括为A-T-、A+T-和A+T+。基于这一框架，研究人员进行了蛋白伪轨迹分析。
结果显示，这些蛋白在疾病不同阶段会呈现出四种动态变化模式。
第一组为呈线性增加模式，在该模式下，有471种蛋白，会在疾病进展过程中持续上升（其中代表性蛋白有SMOC1、NEFL、GFAP、GRN、PPP3R1、SNCA），主要涉及神经元死亡、凋亡，以及tau蛋白磷酸化等病理过程，代表疾病早期阶段。
第二组为先升后降模式，在该模式下，有482种蛋白呈现先上升后下降的趋势（代表性蛋白有LILRB3、TNFAIP3、BTK、SPI1、FLT3、NFKB1、FOXO3），主要涉及小胶质细胞功能异常、免疫炎症反应，以及内溶酶体功能异常等病理过程。
第三组为线性下降模式，在该模式下，有184种蛋白，在整个AD过程中持续下降（代表性蛋白有AXIN2、CTNNB1、SIRT6、CES1、IL-6、FOXO1），主要涉及神经可塑性以及胆固醇代谢等生物学过程（代表失去神经保护机制）。
第四组为先降后升模式，在该模式下，有892种蛋白，在AD早期下降，并在晚期上升（代表性蛋白为CSF1、CSF1R、FAS、IGF1、IGF1R、APOE、TREM2、NRGN），主要涉及小胶质细胞-神经元交互作用以及炎症信号通路等生物学过程（代表炎症激活）。
四种模式
以上结果提示，这些蛋白可以有效反映AD疾病状态。因此，进一步，研究人员想在此基础上构建一个AD生物标志物预测模型。鉴于2029种相关蛋白的数量过大，不适用于临床应用，研究团队使用机器学习筛选出了10种具有最强预测能力的最小蛋白组合，作为AD生物标志物预测模型。
结果发现，该模型对AD具有较高的特异性，不仅能精准区分AD患者与健康个体（独立验证队列AUC=0.97），还能预测AD生物标志物阴性个体未来的AD进展风险（在Knight ADRC和ADNI队列中，AD生物标志物阳性个体在14年内发展为AD的概率显著高于阴性个体）。
模型建立和预测性能
总之，该研究作为迄今为止最大规模的AD脑脊液蛋白组学研究，不仅揭示了AD疾病不同阶段的蛋白变化情况，描述了AD的疾病生物学过程，还成功构建了一个高准确度的AD生物标志物预测模型。这些发现不仅加深了我们对AD蛋白组学和发病机制的理解，还为未来AD生物标志物检测和临床诊断提供了新的方向。
参考文献：
[1]Ali M,Timsina J,Western D,et al.Multi-cohort cerebrospinal fluid proteomics identifies robust molecular signatures across the Alzheimer disease continuum.Neuron.Published online March 12,2025.doi:10.1016/j.neuron.2025.02.014
本文作者丨张金旭
