Biokemiske markører for Alzheimers sygdom

Det anslås, at ca. 40.000 mennesker i Danmark lider af Alzheimers sygdom (AD). AD er en neurodegenerativ demenstilstand, og der findes nu en symptomatisk behandling som kan hæmme funktionstabet i en periode. Desværre er AD svær at diagnosticere, specielt tidligt i forløbet og en definitiv diagnose kan kun stilles post mortem. Med henblik på udvikling af bedre diagnostik er flere biomarkører blevet undersøgt for muligheden for vha. dem at differentiere AD fra andre demensformer og normal aldring. Målinger på blodprøver er endnu ikke udviklet, men til rutinebrug eksisterer der nu analyser, som kan udføres på spinalvæske (CSV). CSV-markørerne omfatter amyloid- β 1-42 (A β 1-42), hvor niveauet er nedsat samt total-tau (t-tau) og fosfo-tau (f-tau), som er forhøjede hos AD-patienter. Mens nedsat A β 1-42 niveau i CSV ikke i sig selv har differentialdiagnostisk værdi, tilfører t-tau og f-tau mere specificitet til AD differentialdiagnostikken over for andre demensformer med bevarelsen af en rimelig sensitivitet.

Alzheimers sygdom i Danmark

Det anslås, at der i Danmark hvert år opstår 13.000 nye demenstilfælde, hvoraf ca. 7.000 vurderes til at være Alzheimers sygdom (AD), og totalt er der ca. 40.000 AD-patienter [1]. AD er en demenssygdom, som er karakteriseret ved jævnt fremadskridende degenerering af hjernevævet med medfølgende funktionstab og neurologiske samt psykiske komplikationer. AD forekommer i autosomal dominant form hos ca. 1% af patienterne, mens de øvrige tilfælde er sporadiske og formentlig skyldes en kombination af genetiske og miljømæssige faktorer [2]. Der findes ingen helbredende behandling af AD, men nyere typer medicin med kolinerg virkning eller N-methyl-D-aspartat (NMDA)-receptor-antagonistaktivitet, dvs. hæmmende glutamaterg neurotoksicitet, kan benyttes til symptomatisk behandling og forsinke funktionstabet.

En sikker (definitiv) AD-diagnose kan endnu kun stilles post mortem ved autopsi af hjernen, men diagnosen kan sandsynliggøres ved klinisk undersøgelse. Ved anvendelse af de kliniske kriterier (Tabel 1), som forudsætter bl.a. testning af kognitive funktioner og udelukkelse af andre årsager ved bl.a. skanning af hjernen, er den diagnostiske sikkerhed i centre, hvor man har erfaring til at stille diagnosen, over 90%. Diagnosen er imidlertid betydelig mere usikker hos patienter i den meget tidlige fase. I de seneste års forskning har der derfor været stor interesse for at finde frem til diagnostiske markører for sygdommen. Interessen har især samlet sig om neuro-imaging-markører, kognitive markører, genetiske markører og cerebrospinalvæske (CSV)-protein- og peptidmarkører. I det følgende vil der specielt blive redegjort for anvendelsen af sidstnævnte.

Patologi

Patoanatomisk er hjernen fra patienter med Alzheimers sygdom karakteriseret ved udtalt atrofi, som i den tidlig fase af sygdommen især rammer de centre i hjernen, som berører hukommelses- og indlæringsprocesserne (Figur 1). I frontal- og temporallapperne ses der således en væsentlig atrofi, som skyldes degenerering af neuritter og synapser i såvel det kolinerge som det glutamaterge system. De AD-specifikke hjernelæsioner udgøres af ekstracellulære proteinaflejringer (senile plaques) og intracellulære fibriller (neurofibrillary tangles), som tidligt i forløbet især findes ophobet i hippocampus, det entorinale cortex og amygdala. Kombinationen af disse forandringer, som blev beskrevet af Alois Alzheimer i 1907 [5], er patognonomisk for AD.

Cerebrospinalvæskebiomarkører for Alzheimers sygdom

De seneste år er der udviklet en række biokemiske markører til hjælp for AD-diagnosen - specielt differentialdiagnostisk over for nogle af de andre demenstilstande, der ligner AD (Tabel 2). De analyser, der p.t. er relevante, er baseret på kvantitative målinger af forskellige proteiner og peptider i CSV.

Amyloid-β peptid 1-42

De senile plaques består primært af abnormt processeret amyloid precursor protein (APP), et forstadie til amyloid β peptid (Aβ ). APP er et membranprotein, som bliver udtrykt i neuroner, men også i f.eks. blodplader. APP's fysiologiske funktion er endnu ikke klarlagt, men man mener, at APP spiller en rolle bl.a. for vækstregulering af neuritter og plasticitet af synapser [7]. APP bliver almindeligvis kløvet af enzymer, der genererer peptidfragmentet Aβ 1-40. Ved AD dannes fejlagtigt større mængder af det lidt længere Aβ 1-42 fragment, der er mere uopløseligt og derfor aggregerer som senile plaques i hjernevævet (Figur 2).

I flere studier har man vist, at CSV-niveauet af Aβ 1-42 er nedsat hos patienter med AD sammenlignet med raske kontrolpersoner [8]. Specificiteten og sensitiviteten af denne markør over for raske kontrolpersoner ligger over 80%. Differentialdiagnostisk er Aβ 1-42 dog ikke en optimal biomarkør, da nedsatte niveauer også ses ved andre demensformer og hos patienter med CNS-inflammation. Specielt er specificiteten af CSV-Aβ 1-42 lav over for vaskulær demens, da op mod 50% af sådanne patienter har nedsat CSV-Aβ 1-42 [9].

I plasma synes Aβ 1-42-niveauet ikke at være abnormt hos AD-patienter sammenlignet med ikkedemente, aldersmatchede kontrolpersoner [10].

Tau-protein

Det andet helt karakteristiske patohistologiske fund ved AD er de neurofibrillære tangles, som består af tau-protein, der er fosforyleret i abnorm høj grad (hyperfosforyleret). Fysiologisk er tau et mikrotubulusprotein, hvis normale funktion blandt andet er at stabilisere cytoskelettet.

CSV-tau-niveauet (total-tau, t-tau) er forhøjet hos AD-patienter sammenlignet med hos ikkedemente kontrolpersoner [11, 12]. CSV-t-tau er typisk tre gange højere hos AD-patienter end hos kontrolpersoner, og over 85% af AD-patienterne har forhøjede t-tau-niveauer [13]. Forhøjet t-tau er derfor en sensitiv markør for AD. Med hensyn til brug som tidlig markør for AD ses t-tau også at være forhøjet hos de patienter med mild kognitiv svækkelse (MCI), hos hvem der efterfølgende udvikles AD sammenlignet med patienter hos hvem der ikke udvikles AD. Dermed er t-tau en mulig prognostisk biomarkør for AD ved MCI [14]. Forhøjede CSV-t-tau-værdier kan dog også ses ved andre lidelser, hvor der er omfattende og hurtig degenerering af neuroner, specielt ved Creutzfeldt-Jakobs sygdom, men også ved akut apopleksi, vaskulær demens og frontallapsdemens [11, 15].

Endelig er CSV-koncentrationen af t-tau aldersafhængig, og man er nødt til at tage højde for dette i vurderingen af den enkelte patient (Tabel 3). Med de angivne grænser fås en middelspecificitet over for normale kontrolpersoner på 88% ved en sensitivitet på 82% [17].

Threonin-181-fosforyleret tau (f-tau)

Flere områder i tau-proteinet kan være fosforylerede, idet omkring 40 potentielle fosforyleringssites er blevet identificeret [18]. Som biomarkør har man mest fokuseret på tau fosforyleret specifikt på aminosyre 181 (threonin 181) og i de foreliggende assays er det tau fosforyleret på denne aminosyre, der specifikt kvantificeres [19]. Denne variant benævnes i det følgende fosfo-tau (f-tau).

Koncentrationen af f-tau er forhøjet i CSV fra AD-patienter [20]. Ved en sensitivitet på 80% har f-tau en specificitet på 92% over for ikkedemente kontrolpersoner [17]. I forhold til t-tau, som også ses forhøjet hos patienter med akut apopleksi, vaskulær demens og frontallapsdemens, har f-tau højere specificitet for AD [18, 21]. Også f-tau kan bruges som en progressionsmarkør for AD ved MCI, da forhøjede f-tau-niveauer ses hos patienter med MCI hos hvem der senere udvikles AD [9]. Forhøjede f-tau-værdier er dog også målt hos patienter med Creutzfeldt-Jakobs sygdom [22]. Hverken t-tau eller f-tau er så vidt vi ved undersøgt i blodprøver.

Kombination af biomarkører
Amyloid-β , total-tau og fosfo-tau

Kombinationen af CSV Aβ 1-42 og t-tau-målinger giver bedre sensitivitet og specificitet for AD end enkeltanalyserne [23, 24]. Specielt over for raske kontrolpersoner og kontroller med frontallapsdemens er kombinationen af Aβ 1-42 og t-tau en god differentialdiagnostisk markør, mens specificiteten er lavere over for vaskulær demens og Lewy body-demens [25]. Sammenlignet med de enkeltstående markører har kombinationen af de tre CSV-biomarkører en højere specificitet, når man skelner mellem MCI, som konverterer til AD, og MCI, som ikke konverterer til AD [16]. Ved brug af de tre markører, således at to ud af tre skal være abnorme for at kombinationstesten er positiv for AD, får man en specificitet på 97% ved en sensitivitet på 68%. Den bedste enkeltmarkør er t-tau, der har en specificitet på 94% ved en sensitivitet på 73% [16]. Kriteriet for AD er som nævnt at to ud af tre af disse biomarkørniveauer i CSV er abnorme med grænseværdierne lagt som vist i Tabel 3, og de nævnte tal for specificitet og sensitivitet bygger på brug af analyserne til diagnostik af tidlig AD hos hukommelsessvækkede patienter (Tabel 4).

Mønsteranalyser

Studier af protein- og peptidmønstre (proteomics) i CSV og serum fra AD-patienter har givet forskellige specifikke mønstre for AD sammenlignet med kontrolpersoner [26, 27]. Det store potentiale i proteomanalyserne er at man ikke på forhånd kigger efter en bestemt klasse eller type af molekyler men foretager en global analyse, der kan føre til opdagelse af helt nye biomarkører for AD, som efterfølgende kan benyttes til udvikling af mere simple assays. Disse mønstergenkendelsesmetoder er dog endnu for ukarakteriserede og ufuldstændigt validerede i kliniske materialer til at kunne benyttes rutinemæssigt, ligesom analysemetoderne kræver højt specialiseret udstyr, der ikke er almindeligt tilgængeligt.

Kommende spinalvæskebiomarkører
Andre former af amyloid-β og tau

Andre kløvningsfragmenter af Aβ end Aβ 1-42 er blevet specifikt detekteret i CSV fra AD-patienter [28]. Hvorvidt disse andre Aβ -former har selvstændig diagnostisk værdi ved mistanke om AD, kræver dog flere undersøgelser.

Med hensyn til tau har man udover hyperfosforylering også detekteret andre specielle posttranslationelle modifikationer af dette protein ved undersøgelse af hjernemateriale [18, 29]. Såfremt nogle af disse former kan detekteres i CSV, kan de muligvis udgøre endnu mere specifikke biomarkører for AD end de nuværende.

Andre biomarkører

Visse isoprostaner, såsom 8,12-iso-iPF α 2-VI er markører for lipid peroxidation, som igen er et udtryk for det oxidative stress i hjernen, der er forøget ved AD. Forhøjede 8,12-iso-iPF α 2-VI niveauer i urin, blod og CSV er blevet påvist ved AD i nogle men ikke i andre studier. Forhøjet niveau af 3-nitrotyrosin, som også fremkommer ved oxidativt stress, er også blevet påvist i CSV fra AD-patienter [9]. Specificiteten af disse markører for AD er dog meget usikker. Ligeledes kan man ved proteomics studier adskille AD-patienter fra kontrolpersoner ved mønsteranalyse af CSV eller blod, men metoderne er endnu ikke validerede og er endnu for teknisk vanskelige til at blive udført rutinemæssigt.

Optimale markører vil være baseret på let tilgængeligt materiale såsom blodprøver. Der arbejdes på at udvikle Aβ- og tau-analyser i serum, men det er endnu ikke nået et stadium, hvor det kan bruges rutinemæssigt.

Konklusioner

Flere forskellige biomarkører er fundet abnorme ved AD, men kun nogle få, nemlig: Aβ 1-42, t-tau og f-tau er blevet testet i større studier med hensyn til specificitet og sensitivitet overfor normal aldring og andre demenslidelser hos patienter med hukommelsessvækkelse og mulig tidlig AD. CSV Aβ SPAN> 1-42 er nedsat hos AD-patienter, men er ikke optimal differentialdiagnostisk, hvorimod t-tau og f-tau tilfører mere specificitet. Desuden giver kombinationen af Aβ 1-42, t-tau og f-tau en forhøjet specificitet - også differentialdiagnostisk ved MCI som konverterer til AD i forhold til MCI uden progression til AD. Andre varianter af Aβ samt tau end de hidtil kendte er fundet hos AD patienter, men disse varianter er endnu ikke validerede som biomarkører. Der er dog ingen tvivl om at kombinationen af relativt simple kliniske undersøgelser, stadigt mere forfinede billeddannende teknikker og de nye laboratorieanalyser, der er fokus for denne oversigt, giver hidtil uopnåelige muligheder for præcis og tidlig diagnostik af AD hos patienter med demenssymptomer.

Niels H.H. Heegaard, Statens Serum Institut, Artillerivej 5, DK-2300 København S. E-mail: nhe@ssi.dk

Antaget: 19. maj 2005

Interessekonflikter: Ingen angivet