APOE ε4 影响散发性肌萎缩侧索硬化中广泛分布的TDP-43病理亚型

《Acta Neuropathologica》：APOE ε4 influences the widespread TDP-43 pathological subtype in sporadic amyotrophic lateral sclerosis

　　

： 肌萎缩侧索硬化（Amyotrophic lateral sclerosis, ALS）是一种致命的神经退行性疾病，绝大多数散发性病例表现出TAR DNA结合蛋白43（TAR DNA-binding protein 43, TDP-43）病理。TDP-43病理的解剖学分布在患者之间存在差异；然而，导致这种异质性的因素仍不清楚。载脂蛋白E（Apolipoprotein E, APOE）ε4已知可影响几种神经退行性疾病中病理蛋白的扩散，这提出了其也可能调节ALS中TDP-43包涵体病理分布的可能性。研究人员在一个包含145例尸检确诊的散发性ALS病例队列中检验了这一假设。ALS相关的TDP-43病理被分为两种亚型：1型——主要局限于运动区域，和2型——以广泛的皮层受累为特征。通过外显子组测序确定了APOE基因型和已知ALS相关基因中的罕见变异。使用既定的分期系统对淀粉样蛋白-β（Amyloid-β, Aβ）和tau蛋白病理进行了神经病理学评估。应用结构方程模型（Structural equation modeling, SEM）来梳理APOE ε4、临床时间参数、阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）相关病理和ALS TDP-43亚型之间的直接和间接关系。此外，研究人员还使用随机森林模型进行了无偏评估。与非携带者相比，APOE ε4携带者表现出显著更高比例的2型病理。贝叶斯SEM表明，APOE ε4与2型（广泛分布）TDP-43亚型直接相关，且独立于Aβ和tau病理，同时该模型也再现了将APOE ε4与Aβ和tau联系起来的经典级联反应。ALS相关基因中的罕见变异对TDP-43亚型没有显示出明确的影响。这些发现表明，APOE ε4通过独立于经典AD病理的机制，改变了散发性ALS中TDP-43病理的解剖学分布。将APOE基因型纳入ALS分层，可能为基于生物学的亚型特异性治疗方法提供信息。

论文解读文章：

研究背景与动机

肌萎缩侧索硬化（Amyotrophic lateral sclerosis, ALS）是一种致命的神经退行性疾病，绝大多数散发性病例（Sporadic ALS, SALS）的病理标志是神经元和/或胶质细胞中存在TAR DNA结合蛋白43（TDP-43）阳性包涵体。研究人员之前根据TDP-43病理的解剖学分布将其分为两种主要模式：1型，即TDP-43包涵体主要局限于运动系统；2型，即包涵体扩展到运动系统以外，累及额颞叶皮层、海马结构、新纹状体和黑质。2型病理的病例常伴有痴呆。然而，TDP-43包涵体分布异质性的决定因素在很大程度上尚未明确。

载脂蛋白E（APOE）ε4等位基因是包括阿尔茨海默病（AD）在内的多种神经退行性疾病的重要遗传风险因子，已知其可影响Aβ和tau蛋白等病理蛋白的扩散。最近越来越多的证据表明APOE ε4与TDP-43病理相关，例如在AD研究中，APOE ε4是TDP-43包涵体形成的风险因素。此外，大规模蛋白质组学分析揭示了APOE ε4携带者在多种神经退行性疾病中具有保守的、与促炎免疫通路相关的蛋白质特征，这提示APOE ε4可能赋予一种独立于经典神经病理学的、疾病非特异性的生物脆弱性。基于此，研究人员提出假设：APOE ε4可能影响ALS相关TDP-43病理的解剖学分布。为验证此假设，本研究在尸检确诊的散发性ALS队列中，利用结构方程模型（SEM）和随机森林分析，探讨了APOE ε4与ALS TDP-43病理亚型的关系，并排除了Aβ和tau病理等因素的混杂影响。本研究发表于《Acta Neuropathologica》。

主要关键技术方法

本研究采用了多种关键技术方法：

1. 1.
   研究队列与样本：研究纳入了145例于1978年至2023年间在日本新潟大学脑研究所病理学部进行尸检、并经神经病理学诊断为散发性ALS的个体。所有病例中枢神经系统均存在TDP-43阳性包涵体，并提供了DNA分析同意书。
2. 2.
   遗传学分析：通过外显子组测序确定APOE基因型（ε2, ε3, ε4），并检测已知ALS相关基因中的罕见变异（Rare Variant, RV，定义为人群中等位基因频率<0.001的非同义变异）。
3. 3.
   神经病理学评估：对福尔马林固定、石蜡包埋的中枢神经系统多区域样本进行免疫组织化学分析。使用抗磷酸化TDP-43（pTDP-43）抗体评估ALS相关TDP-43病理，并根据海马齿状回是否存在TDP-43神经元胞浆包涵体（Neuronal Cytoplasmic Inclusions, NCIs）将病例分为1型（无）和2型（有）。AD相关病理变化（Aβ斑块和神经原纤维缠结）分别采用Thal分期和Braak分期进行评定。
4. 4.
   统计与建模分析：主要采用贝叶斯结构方程模型（SEM）和随机森林（Random Forest）分析。SEM用于同时评估遗传因素、AD相关病理、临床时间参数与TDP-43病理分布之间的复杂关系，估计其直接和间接效应。随机森林作为无偏的补充方法，用于捕获变量间的非线性关系和交互作用。研究构建了两个分析框架（模型a和模型b），差异在于对临床时间参数的定义不同。

研究结果

数据集详情

共145例散发性ALS病例纳入分析。其中，80例（55.2%）为TDP-43病理1型，65例（44.8%）为2型。与1型病例相比，2型病例发病年龄显著更晚，死亡年龄更大，从发病到死亡或开始通气支持的生存时间显著更短（预后更差），且痴呆频率显著更高。而球部起病的频率在两组间无显著差异。

APOE状态与ALS TDP-43病理亚型及临床特征的关联

在29例APOE ε4携带者中，10例（34.5%）为1型，19例（65.5%）为2型。在116例非携带者中，70例（60.3%）为1型，46例（39.7%）为2型。APOE ε4携带者中2型病理的比例显著高于非携带者。APOE ε2携带状态与ALS亚型比例无关联。APOE ε4或ε2携带状态在发病年龄、生存时间、痴呆患病率或球部起病频率方面均无显著差异。

初始SEM与随机森林模型

研究人员构建了两种SEM模型。模型（a）纳入死亡年龄和整个病程（包括开始机械通气后的时期）；模型（b）纳入发病年龄和生存时间（从症状出现到死亡或开始机械通气的时间）。两种模型均显示APOE ε4和死亡年龄（或发病年龄/生存时间）是影响TDP-43病理亚型的重要因素。

• •
  对AD病理的影响：在两个SEM模型中，APOE ε4和较晚的死亡年龄（或发病年龄）均与更显著的Aβ病理（Thal分期更高）相关。而更晚的死亡年龄（或发病年龄）和更显著的Aβ病理则与更显著的tau病理（Braak NFT分期更高）相关。这再现了APOE ε4通过Aβ影响tau的经典级联。
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  对ALS TDP-43亚型的影响：关键发现是，APOE ε4与更广泛的2型TDP-43病理直接相关。在模型（a）中，APOE ε4和较晚的死亡年龄与2型病理可能性更高相关。在模型（b）中，APOE ε4等位基因数量越多、生存时间越短，与2型病理可能性越高相关。重要的是，从Thal Aβ分期或Braak NFT分期到ALS亚型的路径其95%可信区间包含零，表明APOE ε4对TDP-43病理分布的影响并非主要通过Aβ或tau病理介导，而是存在直接效应。ALS相关基因中的罕见变异对Aβ病理、tau病理或TDP-43亚型均无明确影响。
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  随机森林分析结果：作为补充，随机森林分析（模型b）的平均曲线下面积（AUC）为0.76。对预测TDP-43类型最重要的变量依次是生存时间、发病年龄、APOE ε4等位基因数量、Braak NFT分期、Thal Aβ分期和罕见变异。偏依赖图分析显示，生存时间越短、APOE ε4等位基因数量越多，预测的2型病理概率越高，这与SEM结果一致。

最终SEM（a）模型

根据初始模型中95%可信区间不包含零的路径，重新估计得到了最终SEM（a）模型。该模型拟合良好，并进一步确认了上述核心关系：Thal Aβ分期受APOE ε4和死亡年龄影响；Braak NFT分期受Thal Aβ分期和死亡年龄影响；ALS TDP-43病理亚型受APOE ε4和死亡年龄影响。

SEM与随机森林分析对死亡年龄决定因素的探讨

另一项以死亡年龄为内生变量的SEM分析显示，TDP-43 2型病理和更高的Braak NFT分期与更晚的死亡年龄显著相关，而APOE ε4、Thal Aβ分期和罕见变异未显示直接效应。随机森林分析也表明，对预测死亡年龄最重要的变量是Braak NFT分期和TDP-43 2型病理。

讨论与结论总结

讨论部分核心内容

本研究通过尸检确诊的散发性ALS病例证明，APOE ε4与广泛分布（2型）的TDP-43病理模式相关。这一关联在考虑了两个不同临床时间参数定义的SEM模型以及随机森林分析中均得到一致证实。在临床关联方面，本队列中TDP-43 2型病例倾向于表现出更晚的发病年龄、更快速的疾病进展和更高的痴呆频率，提示广泛的TDP-43病理与一种发病较晚、进展迅速且伴认知损害的临床表型相关。然而，在本队列中，APOE ε4携带者与非携带者之间的临床特征（如预后）无显著差异，这与先前一些研究结果不一致，可能需要更大规模队列的验证。

本研究的一个重要发现是，APOE ε4对TDP-43病理广泛分布的影响，在模型同时纳入AD相关病理指标和临床指标后，仍表现为直接效应，而非由共存的Aβ或tau病理介导。这与一项基于AD的研究结果（APOE ε4对TDP-43有直接和Aβ介导的间接效应）形成对比，可能反映了ALS与AD在疾病背景和TDP-43扩散机制上的根本差异。

研究人员推测，这种直接效应的潜在机制可能与APOE的免疫调节功能有关。近期大规模蛋白质组学研究指出，APOE ε4携带者具有一种富含促炎通路的保守蛋白质特征，且似乎独立于经典神经病理学标志物。APOE ε4赋予的这种生物学脆弱性，可能通过改变神经炎症环境，而非促进Aβ或tau的播种，来推动TDP-43病理在ALS脑中的传播。

研究的局限性包括：APOE ε4携带者数量有限；病理结果是基于二元模式分类，未评估各组内TDP-43病理程度的定量差异；SEM基于观察性数据，不能确定因果关系；TDP-43病理检测仅依赖于磷酸化TDP-43免疫组化这一标准方法。未来需要更大独立队列的验证，并结合新兴的、更灵敏的TDP-43检测技术进行探索。此外，研究主要关注中枢神经系统内的TDP-43病理，未来也有必要探究APOE基因型是否影响皮肤、胃肠道等外周组织中的TDP-43分布。

研究结论翻译

总之，APOE ε4状态与散发性ALS中出现的广泛TDP-43病理亚型相关。将APOE基因分型整合到临床和病理评估中，可能会改善预后分层，并有助于针对ALS特定分子亚型开发靶向治疗策略。