神经丝蛋白轻链与神经系统变性疾病

毛冰洁，刘学源

(南京医科大学上海市第十人民医院临床医学院，上海 200072)

神经丝蛋白是神经纤维的重要组成成分，最初发现于神经元细胞中[1]。电镜下可见，神经丝蛋白广泛分布于神经元细胞胞质中，直径约 10 nm，呈细丝状，定位于树突与细胞核周的神经丝蛋白形态较弯曲，轴突中的神经丝蛋白则呈直的平行排列[2]。神经丝蛋白不仅可维持轴索的形态与直径，而且在保持细胞形态与调节轴浆运输方面起重要作用，同时还可提高有髓鞘神经纤维中神经信号的传导速度[3]。神经丝蛋白由分子量不同的4个亚基组成，4个亚基各自有不同的结构域，因而执行不同的功能，其中分子量较小的组成成分——神经丝蛋白轻链(neurofilament protein light chain，NFL)可作为轴索损伤的生物学标志物[4]。神经元细胞受损后，NFL被释放至细胞间隙，此时，在脑脊液与外周血标本中均可检测到NFL的存在，NFL在神经系统变性疾病中的表达较正常群体均显著升高，而NFL水平异常导致的轴浆运输功能障碍也可能是神经系统变性疾病的发病机制之一[5]。NFL水平不仅可反映疾病进程中神经元的损伤程度，还可反映疾病进程及临床治疗效果[6]。现就NFL与神经系统变性疾病相关性的研究进展予以综述。

1 神经丝蛋白的结构与功能

神经丝蛋白由3种成分组成，包括神经丝三联蛋白、α-内切蛋白和Ⅲ型外周蛋白，其中神经丝三联蛋白又分为NFL、神经丝中链和神经丝重链[1]。神经丝蛋白具有稳固神经元细胞结构的作用，并可维持神经纤维轴突直径，调节神经冲动传导速度[7]。与神经丝中链及神经丝重链相比，NFL可以实现自我组装，是神经丝三联蛋白的重要组成成分。研究发现，部分敲低或敲除模型小鼠NFL基因，其神经元轴突直径显著减小、轴突再生能力减弱，神经传导速度随之降低[8]。神经丝蛋白不仅对神经元轴突功能维持具有重要作用，还参与突触可塑性的调节。有学者发现，敲除神经丝蛋白的转基因小鼠表现出空间记忆受损，而缺失神经丝重链的小鼠则不能继续维持长时程增强过程[9]。

神经系统变性疾病与神经丝蛋白相关，神经丝蛋白亚基的异常运输与组装均可影响神经元轴突功能，而神经元轴浆运输功能障碍是神经系统变性疾病的主要病理表现之一[6]。NFL基因定位于第8号染色体长臂2区，该区域易发生突变，而该基因位点的突变可导致遗传性周围神经疾病(如腓骨肌萎缩症等)的发生[10]。NFL广泛存在于大脑皮质、小脑、下丘脑以及脊髓中，NFL缺失可导致轴突直径减小、轴突的再生能力受限、神经传导速度减慢，因此，NFL与神经系统疾病密切相关[11]。

2 NFL与神经系统变性疾病

神经系统变性疾病是一组慢性、进展性、多变化性的神经系统疾病，主要包括阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)、肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)以及多发性硬化(multiple sclerosis，MS)等。神经元的进行性损伤和丢失是神经系统变性疾病的共同特征，除神经元丢失外，还存在脱髓鞘改变以及胶质细胞增生和吞噬增强，进一步加剧了神经元的丢失[12]。额颞叶变性疾病患者血清NFL水平与认知功能、疾病严重程度以及行为障碍的测量相关，同时还与额颞叶萎缩、γ-氨基丁酸水平降低间接相关，因此血清NFL水平被认为是预测额颞叶变性疾病患者生存概率的最佳预测因子之一[13]。神经系统变性疾病患者多为老年人，发病隐匿、病程较长，临床症状多样且诊断困难，目前尚缺乏特异性的诊断指标，且疾病后期并发症多，给患者本人、家庭及社会均带来沉重的经济负担。

2.1NFL与AD AD是一种多发于老年人群的神经系统变性疾病，是痴呆患者中最常见的类型。AD患者最初表现为轻度认知障碍，晚期AD患者则可能无法言语或伴有严重的睡眠和运动缺陷，且具有攻击性、偏执或反应迟钝，其典型的病理改变为β淀粉样蛋白异常沉积[14-15]、tau蛋白神经纤维缠结[16-17]以及大脑皮质与海马神经元的进行性丢失。有研究表明，NFL水平与AD密切相关，AD患者脑脊液和尿液中的NFL水平均显著升高，提示NFL可能作为AD的生物标志物[18-19]。杨红旗和陈生弟[20]研究表明，脑脊液中的NFL水平亦与认知功能相关，且其血清检测更敏感、快捷。也有学者认为，血清或脑脊液NFL水平持续升高，可提示AD病情进展[21]。

一项北美的队列研究提示，外周血NFL水平可作为AD的生物标志物且有望作为检测药物疗效的指标，该研究共纳入1 583例受试者，经临床表现、脑脊液β淀粉样蛋白与tau检测、磁共振成像、正电子发射断层显像检查以及认知评分测试发现，在全部受试者中有327例AD患者、855例轻度认知障碍患者、401例健康者；连续11年检测受试者外周血NFL水平，并通过横向与纵向比较发现，与健康者相比，轻度认知障碍患者和AD患者的外周血NFL水平均显著升高，且随着时间的纵向增加，AD患者NFL水平纵向增加的程度最大，表明神经元细胞损伤与NFL水平呈正相关[22]。另有研究比较正常受试者、轻度认知障碍患者、AD患者、非痴呆型PD患者以及痴呆型PD患者外周血NFL水平，结果发现，与正常受试者、轻度认知障碍、非痴呆型PD患者、痴呆型PD患者相比，AD患者外周血NFL水平显著升高，且痴呆型PD患者NFL水平显著高于非痴呆型PD患者；研究还发现，患者外周血NFL水平与AD、PD患者的认知能力相关，提示外周血NFL水平可作为认知障碍的生物标志物，尤其对AD具有一定的特异性[23]。在AD患者的不同阶段，NFL的表达水平也不同，表明NFL对于不同程度AD诊断具有指示作用。有研究表明，脑脊液NFL水平鉴别额颞痴呆与AD的受试者工作特征曲线下面积为0.67，如联合可溶性淀粉样前体蛋白β片段，受试者工作特征曲线下面积可达0.85，表明NFL单独或联合其他指标均可用于鉴别AD与其他类型的神经系统变性疾病[24]。因此，NFL可用于神经系统变性疾病的诊断与鉴别诊断。

体内研究表明，敲除NFL基因后小鼠的突触易损性增加，病理结果则显示，小鼠颅内出现新发的淀粉样斑块，同时伴有小胶质细胞增生，提示NFL可能参与了β淀粉样蛋白代谢与沉积过程并促进β淀粉样蛋白代谢与沉积，且与小胶质细胞功能改变相关[25]。另有研究发现，神经细胞轴突受损后，淀粉样前体蛋白轴浆运输障碍是β淀粉样蛋白斑块沉积的可能因素之一，而沉积物自身亦可阻碍轴浆运输，进一步损伤神经细胞，因此形成恶性循环进一步加剧神经元细胞的损伤；同时，NFL在轴突受损时被释放至神经元胞外，在外周血标本中可检测到NFL的存在[26]。提示神经元损伤所释放的NFL可用于AD的诊断。

2.2NFL与PD PD是一种复杂的进行性神经系统变性疾病，其神经病理学特征是黑质体致密部多巴胺能神经元的退化及神经元轴突内蛋白质的异常聚集。PD的临床症状主要包括运动迟缓、静止性震颤、肌张力障碍、姿势步态障碍等，相应的病理改变为中脑黑质致密部多巴胺能神经元丢失所致的多巴胺水平不足。PD的患病率随着年龄的增长而增加，在>60岁的人群中，PD的患病率>1%，已成为目前最常见的运动障碍性疾病[27]。PD需要与非典型性帕金森综合征(atypical Parkinsonism disorders，APDs)相鉴别，因两者症状(如多系统萎缩、进行性核上性麻痹、橄榄-桥-小脑萎缩症等)相似。

临床研究提示，PD患者外周血NFL水平与正常对照者比较差异无统计学意义，但APDs患者的NFL水平异常升高[28-29]。一项纳入10 059例样本的荟萃分析结果显示，NFL作为神经细胞轴突损伤的生物标志物，有助于PD与APDs的鉴别[5]。与PD患者相比，APDs患者血清中NFL水平显著升高，因此可根据患者血清NFL水平区分APDs与PD人群[5，30]。另有研究证实，较高的脑脊液NFL水平与APDs患者的病死率密切相关[31]。还有文献报道，非痴呆型PD患者脑脊液NFL水平升高可反映早期的白质损伤，而生化与神经影像学证据表明，这种早期的白质损伤可以早于多巴胺能神经元丢失出现[32]。临床研究显示，PD患者外周血NFL水平升高与恶性PD表型及运动症状的快速进展相关，且血浆NFL水平较高的PD患者症状更严重，线性回归分析显示，与其他变量相比，外周血NFL水平可能是预测PD患者2年内运动障碍进展程度的最佳指标[33]。PD发病早期即存在神经元损伤，且主要为神经元轴突损伤，而NFL是神经元损伤的标志物之一。PD患者的早期头颅磁共振成像显示神经元细胞蛋白质损伤，表明NFL在PD早期甚至临床前阶段的诊断方面具有潜在的应用价值[34]。此外，磷脂酶D信号通路的激活与氧化应激诱导的细胞损伤相关，α-突触核蛋白可抑制磷脂酶D信号通路的激活，导致NFL的表达下调，同时还可影响神经丝蛋白网络布局改变，提示NFL可能与神经退行性改变的发生密切相关[35]。

2.3NFL与MS及ALS MS是一种中枢神经系统脱髓鞘和轴索变性类的疾病，常累及脑室周围白质、脑干、小脑与脊髓[29]。MS以病灶多发、病程缓解复发为特点，临床表现具有病程的时间多发性，病理表现具有病灶的空间多发性，神经元脱髓鞘与轴索损伤是MS的主要病理表现[36]。

NFL不仅可作为神经元轴索损伤的生物标志物，还与疾病的严重程度显著相关。有研究表明，MS患者脑脊液与外周血NFL水平均显著升高，且两者呈正相关[37]。根据患者外周血与脑脊液NFL水平，可区分复发或进展阶段的MS患者与缓解期MS患者。Novakova等[38]的研究发现，复发与进展阶段MS患者血清NFL水平均显著高于缓解期MS患者血清NFL水平，而接受MS的疾病调节性治疗可降低患者血清NFL水平，提示NFL可作为一种敏感的临床指标辅助用于MS的诊断、监测病情变化以及评估疗效。另一前瞻性纵向队列研究显示，在长达4年的随访中，经神经影像学检测发现，MS患者脑脊液NFL水平与颅内新发病变及脑容量损失程度均显著相关，提示NFL也可作为预测MS患者预后的指标[39]。

ALS是一种可导致大脑和脊髓运动神经元进行性退化和功能丧失的疾病，根据遗传学可分为家族性和散发性(特发性)，主要影响患者神经运动系统网络，导致四肢、延髓区域以及呼吸肌的持续性、进行性肌肉无力，严重影响患者的生活质量。ALS患者生存期通常为2～5年，仅约15%的患者疾病进展较缓慢，ALS主要的运动外临床表现包括行为学改变、执行功能障碍和语言功能受损等[40]。此外，神经丝重链侧臂结构域或C端尾结构域框内缺失(或插入)均与ALS相关[41]。神经丝异常和神经丝蛋白水平升高不仅限于ALS，下调ALS的超氧化物歧化酶1(G93A)模型小鼠NFL水平和神经丝重链的表达水平，在一定程度亦可增加小鼠的平均寿命，在ALS模型中，运动神经元的退化伴随着血液神经丝蛋白水平升高[42]。有学者使用Simoa技术研究血清NFL水平在中国ALS人群中的诊断价值及其临床相关性，结果显示，血清NFL水平可能成为ALS诊断的潜在生物学标志物，并可反映疾病的严重程度和进展[43]。该研究表明，NFL水平仍是ALS严重程度的最佳标志物，且血清NFL水平与ALS进展密切相关。此外，脑脊液NFL水平联合血清γ干扰素水平可用于区分ALS患者与周围神经炎患者[44]。

3 小 结

NFL可作为神经细胞受损的标志物，在神经细胞受损初期便可检测。AD、PD、MS等神经系统变性疾病患者血清或脑脊液NFL水平均显著升高，充分表明NFL水平可在一定程度反映神经元变性的进程，因此NFL可辅助诊断早期神经退行性病变，但其特异性还有待进一步提高。此外，作为神经系统变性疾病敏感的生物学指标之一，NFL的临界值仍需进一步明确，且神经元受损后释放NFL的具体过程目前尚未完全阐明，同时关于释放NFL的具体始动因素、关键调控靶点的相关研究也相对较少。因此，未来仍需进一步明确NFL在神经系统变性疾病中的具体作用及机制，为神经系统变性疾病的早期诊断、治疗及新药物的研发提供依据。