基于基因的阿爾茲海默癥預(yù)測(cè)方法分析

鄭志遠(yuǎn)　丁春玲

摘 要

隨著全球老齡化現(xiàn)象的日益增多，阿爾茲海默癥在老年人群體中的發(fā)病率比較高，且深受醫(yī)學(xué)界相關(guān)人士的高度重視，本文主要對(duì)阿爾茲海默癥預(yù)測(cè)研究的現(xiàn)狀及主要方法及其特點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析，重點(diǎn)分析介紹了基于基因的阿爾茲海默癥的預(yù)測(cè)方法。

關(guān)鍵詞

阿爾茲海默癥;靶基因;預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)： R749.16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.080

0 引言

阿爾茲海默癥（Alzheimers Disease，AD）在臨床老年人群體中的發(fā)病率比較高，給許多老年人帶來(lái)諸多的困擾，嚴(yán)重危害老年人的身心健康。記憶喪失、思維能力、推理能力下降以及個(gè)性和行為的變化是AD的主要特征[1]，目前在臨床上對(duì)于阿爾茲海默癥的治療還沒(méi)有比較明確、科學(xué)極其有效的方法;但在阿爾茲海默癥的臨床治療中盡早發(fā)現(xiàn)并診斷該疾病，對(duì)挖掘阿爾茲海默癥的基本發(fā)病原理和相關(guān)機(jī)制產(chǎn)生重要意義，并有利于采取科學(xué)方法加以改善和治療，可以進(jìn)一步延緩該疾病的病程。在早期的阿爾茲海默癥發(fā)展中，比較明顯的病癥特征為輕度認(rèn)知障礙（Mild Cognitive Impairment，MCI）。

輕度認(rèn)知障礙介于健康和阿爾茲海默癥中間[2]，也就是說(shuō)，大多數(shù)阿爾茲海默癥患者首先處于健康狀態(tài)，然后隨著病情的不斷發(fā)展而轉(zhuǎn)化為MCI狀態(tài)，最終形成了阿爾茲海默癥。但相關(guān)研究證實(shí)，并非所有患有輕度認(rèn)知障礙的患者最終都會(huì)形成AD，即使會(huì)，也存在著不同的病程發(fā)展模式。所以，在臨床研究中，如何推斷患有輕度認(rèn)知障礙的患者是不是會(huì)出現(xiàn)阿爾茲海默癥，顯得尤為重要。

1 阿爾茲海默癥的預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀

阿爾茲海默是一種慢性的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，嚴(yán)重威脅老年人的生命安全，對(duì)老年人生活質(zhì)量帶來(lái)潛在性威脅。根據(jù)有關(guān)研究，在歐美國(guó)家的中長(zhǎng)期發(fā)展中，對(duì)于超過(guò)65歲的老年人而言，其癡呆癥發(fā)病率超過(guò)4%而低于8%，而對(duì)于我國(guó)超過(guò)65周歲的老年人來(lái)說(shuō)，其癡呆發(fā)病率是7.8%，其中，阿爾茲海默癥的發(fā)病率為4.8%[3]。我國(guó)是世界上眾多國(guó)家中人口數(shù)量最多的個(gè)體，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，人口老齡化現(xiàn)象也將更加普遍，因此，阿爾茲海默癥的發(fā)病率也會(huì)更為突出，對(duì)于患者、家庭及社會(huì)而言，產(chǎn)生諸多的不良影響。

現(xiàn)階段，關(guān)于阿爾茲海默癥的相關(guān)發(fā)病原因，缺乏一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)，而大量科學(xué)研究證實(shí)，阿爾茲海默癥和基因遺傳存在著密切的關(guān)系。而其他一些研究證實(shí)，引起阿爾茲海默癥的主要原因是存在于人體大腦中的一些和認(rèn)知功能相互關(guān)聯(lián)的神經(jīng)細(xì)胞遭受損壞，或者出現(xiàn)異常運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

1）圖像掃描研究：神經(jīng)影像當(dāng)下被普遍應(yīng)用于人體大腦疾病的輔助診斷中，可以為相關(guān)大腦疾病的診斷提供一些功能及結(jié)構(gòu)信息，并有助于研究者從多元化視野分析并掌握患者的基本病情，讓臨床疾病中的早期診斷更加科學(xué)與合理。在圖像掃描技術(shù)的日益成熟下，神經(jīng)影像的類別也更加豐富，現(xiàn)如今，比較常見(jiàn)的圖像掃描技術(shù)就是核磁共振圖像（Magnetic resonance imaging，MRI）、正電子發(fā)射斷層掃描（Position emission tomography，PET）、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT）、彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）等等。因?yàn)槌上裨泶嬖诓町愋?，在不同疾病診斷中可利用不同的神經(jīng)影像技術(shù)，且對(duì)于不同疾病的各種發(fā)展階段而言，該技術(shù)的敏感性也有所差異，效果當(dāng)然也就不同。在腦部疾病的診斷中應(yīng)用CT掃描，其結(jié)果分辨率相對(duì)而言比較低下，很難在圖像中對(duì)大腦灰質(zhì)和大腦白質(zhì)進(jìn)行清晰的區(qū)別，且存在于大腦內(nèi)側(cè)的顳葉區(qū)域及海馬區(qū)域也相對(duì)較為模糊，所以，CT適合于臨床的輔助診斷，而無(wú)法作為直接診斷的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。MRI具有可以高度分辨出軟組織特征，并可以明確大腦中灰質(zhì)及白質(zhì)區(qū)域，可以更加清晰地凸顯大腦結(jié)構(gòu)，MRI檢查是目前臨床上預(yù)測(cè)和診斷AD的最佳成像手段之一?；贒TI的診斷精確度較高，但價(jià)格相對(duì)而言比較昂貴，目前并沒(méi)有被引入醫(yī)療保險(xiǎn)體系中，且在研究中獲得的樣本量比較小。

2）蛋白組學(xué)生物標(biāo)志物研究：關(guān)于阿爾茲海默癥患者基本病理特征，主要是存在于人體大腦內(nèi)部的皮質(zhì)區(qū)域及海馬區(qū)域中的神經(jīng)元細(xì)胞外部產(chǎn)生豐富的β淀粉樣蛋白，并引起膠質(zhì)細(xì)胞的炎性反應(yīng)、神經(jīng)細(xì)胞的消失、異常的突觸功能;大腦與正常人相比較出現(xiàn)明顯的萎縮現(xiàn)象，神經(jīng)組織基本功能及結(jié)構(gòu)也發(fā)生嚴(yán)重的破壞。對(duì)于AD導(dǎo)致的大腦損傷，可以通過(guò)檢測(cè)大腦中腦脊液中的Aβ1-42蛋白、t-tau蛋白及p-tau蛋白等變化來(lái)判斷，在目前臨床研究中具有準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。但在使用腦脊液標(biāo)志物過(guò)程中，往往還受到創(chuàng)性檢查的影響，且在36h范圍內(nèi)，其Aβ42含量的變化比較明顯，在具體的臨床應(yīng)用中面臨著困境。與腦脊液相比較，血液樣本的采集更加經(jīng)濟(jì)和迅速，且是一種非創(chuàng)傷技術(shù)，患者的普遍接受度比較高。

2 基于基因的阿爾茲海默癥的預(yù)測(cè)

除了神經(jīng)影像數(shù)據(jù)外，其余的常見(jiàn)非影像數(shù)據(jù)也可以為研究者的診斷輔助提供重要依據(jù)，其中常見(jiàn)的基因量表和基因數(shù)據(jù)。遺傳基因?qū)υ絹?lái)越多疾病的影響比較大，在近幾年的研究中發(fā)，關(guān)于阿爾茲海默癥生物學(xué)的研究，主要集中于處理基因表達(dá)的數(shù)據(jù)、重構(gòu)基因調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)體系等方面。

在AD的基因預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域，比較有代表性的是miRNA（mcroRNA）靶機(jī)因。miRNA可以對(duì)調(diào)控基因表達(dá)過(guò)程進(jìn)行調(diào)控，其屬于一種內(nèi)源性非編碼的生物小分子，其普遍存在于人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部，在神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)分化與神經(jīng)成熟中扮演著重要作用[4]。miRNA自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直備受關(guān)注，關(guān)于miRNA，主要有兩個(gè)研究方向，其一是作為Biomarker，這方面研究?jī)H需足夠龐大的臨床樣本支撐即可;關(guān)于miRNA的其他研究目標(biāo)主要為功能機(jī)制，在這個(gè)過(guò)程中需要大量miRNA靶基因。在當(dāng)前關(guān)于miRNA的研究中，大多數(shù)研究都以單個(gè)miRNA 為基礎(chǔ)，研究其疾病中的相關(guān)功能、相關(guān)被調(diào)控的基因等，而關(guān)于miRNA的系統(tǒng)性研究、靶基因預(yù)測(cè)等，研究資料比較匱乏。

通過(guò)miRNA和靶基因數(shù)據(jù)的相互匹配，對(duì)與阿爾茲海默癥相關(guān)聯(lián)的miRNA實(shí)施靶基因預(yù)測(cè)與靶基金驗(yàn)證，并構(gòu)建調(diào)控網(wǎng)絡(luò)體系的一般環(huán)節(jié)為：第一，通過(guò)對(duì)各類在線分析工具如常見(jiàn)的TargetScan、Pictar及其miRanda的應(yīng)用，對(duì) miRNA實(shí)施篩選并預(yù)測(cè)靶基因，不斷提升靶基因預(yù)測(cè)的科學(xué)性和準(zhǔn)確率。第二，通過(guò)對(duì)基因表達(dá)、miRNA表達(dá)等數(shù)據(jù)的應(yīng)用，根據(jù)miRNA—靶基因的調(diào)控機(jī)制，驗(yàn)證經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)的靶基因，對(duì)二者的相互關(guān)系進(jìn)行概率分析; 第三，對(duì)經(jīng)過(guò)篩選的miRNA—靶基因進(jìn)行調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，并繪制圖像。

孔薇、張昕等在研究目前多種miRNA的靶基因預(yù)測(cè)方法基礎(chǔ)上，提出了將HCTarget序列應(yīng)用于miRNA靶基因預(yù)測(cè)中的方法。HCtarget作為一種特殊的線性模型，其可以用來(lái)呈現(xiàn)miRNA及mRNA之間的相關(guān)性，并通過(guò)對(duì)馬爾科夫鏈-蒙特卡羅算法的使用來(lái)進(jìn)行靶標(biāo)概率計(jì)算。HCtarget算法首先建立描述miRNA和mRNA關(guān)系的數(shù)學(xué)模型如下：

然后使用一個(gè)傳統(tǒng)的MCMC方法來(lái)反復(fù)評(píng)估參數(shù)和變量，然后以美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心為基礎(chǔ)，充分利用其中的基因表達(dá)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的采集，從而開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。對(duì)基因表達(dá)數(shù)據(jù)內(nèi)存在著的各種冗雜噪聲及數(shù)據(jù)進(jìn)行去除時(shí)，首先需要應(yīng)用T統(tǒng)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)分析與比對(duì)，篩選出169 個(gè)miRNA作為差異表達(dá)miRNA，然后將此169個(gè)不同表達(dá)水平的miRNA和與阿爾茲海默癥有關(guān)系的miRNA實(shí)施匹配，并對(duì)11個(gè)miRNA進(jìn)行篩選，綜合闡述11個(gè)miRNA和阿爾茲海默癥的相關(guān)性。

在進(jìn)行miRNA靶基因預(yù)測(cè)時(shí)，將選取的11個(gè)miRNA進(jìn)行靶基因預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)中的所使用到的軟件主要有TargetScan、Pictar及其miRanda，然后提取出每一個(gè)經(jīng)過(guò)miRNA 進(jìn)行預(yù)測(cè)的靶基因，并與上述實(shí)驗(yàn)中提到的差異表達(dá)基因通過(guò)匹配，獲得相應(yīng)的基因數(shù)據(jù)。最后獲得了11個(gè)不同的miRNA，其對(duì)806個(gè)靶基因具備生物調(diào)控功能[4]，且根據(jù)該信息對(duì)miRNA調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行構(gòu)建，用 Cytoscape軟件繪制出它們之間的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖，據(jù)此預(yù)測(cè)miRNA調(diào)控的靶基因與AD的發(fā)生發(fā)展之間的關(guān)系。

3 總結(jié)

隨著科技發(fā)展水平的不斷提升，人均壽命得到了提升，同時(shí)也讓世界上各個(gè)國(guó)家的人口老齡化特征越發(fā)明顯。而阿爾茲海默癥在老年人中的發(fā)病率比較高，深受當(dāng)前醫(yī)學(xué)界的普遍關(guān)注。我國(guó)也即將進(jìn)入到老齡化社會(huì)形態(tài)中，國(guó)家在各類腦疾病研究中的醫(yī)學(xué)成本投入成本有所增加。本文首先介紹MCI與AD的概念及兩者之間的關(guān)系，然后對(duì)阿爾茲海默癥的預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，介紹了圖像掃描和蛋白組學(xué)生物標(biāo)志物研究這兩大研究途徑的主要方法及特點(diǎn)。最后重點(diǎn)介紹了基于基因的阿爾茲海默癥的預(yù)測(cè)研究的現(xiàn)狀和主要方法，為阿爾茲海默癥的診斷和預(yù)防研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]REDDY P H，TONK S，KUMAR S，et al.A critical evaluation of neuroprotective and neurodegenerative MicroRANS in Alzheimer disease[J].Biochem Biophys Res Sommun，2017，483（4）：1156-1165.

[2]沈競(jìng)揚(yáng).基于遷移學(xué)習(xí)的阿爾茲海默癥轉(zhuǎn)化預(yù)測(cè)方法研究[D].廈門(mén)大學(xué)，2017.

[3]Jack C R，Knopman D S，Jagust W J，et? al.Hypothetical model of dynamic biomarkers of the Alzheimer's? pathological cascade[J].The Lancet? Neurology，2010，9（1）：119-128.

[4]孔薇，張昕，牟曉陽(yáng).阿爾茨海默癥miRNA靶基因預(yù)測(cè)研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43（06）：851-858.