伴有TAR DNA结合蛋白43的病理学存在于阿尔茨海默病和皮质退化中，但不存在于其他牛磺酸病中

摘要

病理性TAR-DNA-结合蛋白43（TDP-43）是额颞叶退行性变伴泛素阳性内含物（FTLD-U）和肌萎缩侧索硬化症的一种疾病蛋白。我们通过免疫组织化学和生物化学研究了一系列临床特征明确的τ蛋白病患者大脑中TDP-43病理学的存在、频率和分布，包括182例阿尔茨海默病（AD）、39例皮质基底变性、77例进行性核上性麻痹、，和12例选择疾病病例，并调查这些病例中伴随的TDP-43病理学的临床影响。25.8%的AD患者发现TAR-DNA结合蛋白43病理改变。大约75%的病例局限于齿状回和内嗅皮层；大约25%的患者在额叶和颞叶皮层表现出更广泛的TDP-43病理，类似于与前颗粒蛋白突变相关的FTLD-U亚型。AD患者的TAR-DNA结合蛋白43病理学与显著延长的病程相关，但与临床表现无关（148例诊断为AD，34例诊断为额颞叶变性）。进行性核上性麻痹和皮克病病例未显示TDP-43内含物和TDP-43的生化改变。然而，在15.4%的皮质基底部变性病例中，存在一种独特的以胶质细胞为主的TDP-43病理学，星形细胞斑样结构和卷曲体染色；这与类似于FTLD-U中的生化TDP-43变化有关。这些发现进一步揭示了TDP-43病理学在FTLD-U和肌萎缩侧索硬化以外的疾病中的负担和临床意义。

介绍

额颞叶退行性变（FTLD）是一组异质的进行性神经退行性疾病，表现为语言功能障碍或社交行为和执行功能紊乱(1). 泛素阳性、τ-和α-同核蛋白阴性内含物主要存在于齿状回和额颞皮质的神经元中，是FTLD最常见的神经病理学亚型的特征性病变，即具有泛素阳性内含物的FTLD-U(2-4). TAR-DNA结合蛋白43（TDP-43）最近被确定为FTLD-U和肌萎缩侧索硬化症（ALS）泛素化包涵体中的主要疾病蛋白(5). 这与假设一致，即这些疾病代表了可归入术语TDP-43蛋白病的临床病理学疾病谱(6, 7). TDP-43作为检测FTLD-U和ALS中神经元内含物和轴突的最特异、最敏感的标记物，其最初发现已在一系列广泛的尸检病例中被其他人迅速证实，其中包括370多例散发和家族性FTLD-U和ALS病例(8-13). 此外，TDP-43抗体有助于在这些条件下检测寡突胶质细胞中以前未被识别的病理(9, 14). TAR-DNA-binding protein 43免疫组织化学（IHC）现在也可以研究FTLD-U型TDP-43病理学在其他常见的神经退行性疾病中的共同发生，如阿尔茨海默病（AD）和其他τ蛋白病和路易体（LB）疾病。因为泛素免疫反应存在于这些神经退行性疾病的大多数异常蛋白聚集体中(15)现在，将TDP-43病理学确定为FTLD-U的标志，可以将FTLD-U-相关内含物与其他类型的泛素阳性内含物分离，例如AD中的神经纤维缠结和LBs痴呆（DLB）中的LBs。事实上，最近的报告表明，20%至30%的AD和DLB病例（尤其是那些具有高tau病理负担的DLB病例）表现出与FTLD-U相似的伴随TDP-43病理学(16, 17). 另一种τ病，即关岛帕金森病-痴呆综合征中TDP-43病理学的同时发生(18, 19)进一步表明，TDP-43病理学可能是由tau病理学触发的。其他神经退行性疾病伴发TDP-43病理学的临床相关性尚未进行任何实质性详细检查。因为临床病理研究表明，经神经病理学证实的AD和DLB病例的临床特征可能符合目前FTLD临床诊断的所有标准(20)例如社会和行为的进步变化和/或语言功能的变化(21, 22)我们推测，伴随的TDP-43病理学是导致这些AD临床FTLD变体的异常临床表现的原因。

因此，本研究的目的是：1）分析一系列临床特征明确的τ蛋白病变（n=310）中并发TDP-43病理的存在和频率，包括AD、皮质基底变性（CBD）、进行性核上性麻痹（PSP）和皮克病（Pick disease）病例；以及2）确定伴随TDP-43病理学是否影响这些疾病的临床表现。

材料和方法

案例选择

宾夕法尼亚大学神经退行性疾病研究中心脑库和德国慕尼黑大学神经病理学和朊病毒研究中心脑数据库的数据库使用以下不同队列的纳入标准进行病例搜索。

AD组

该组中的所有病例均被临床诊断为进行性痴呆，并通过神经病理学检查显示出典型的AD病理（CERAD C、Braak和Braak V-VI期），因此符合国家老龄化研究所标准中的AD高可能性标准(23). 在182例纳入病例中，5例患有家族性AD，早老素1基因（n=4）和淀粉样前体蛋白基因（n=1）发生突变。根据纽卡斯尔DLB标准，18例患者杏仁核中发现额外LB，4例患者有边缘LB病理(24).

PSP集团

所有77例确诊病例均显示tau病理，脑干和基底神经节内有球状缠结和簇状星形胶质细胞，符合典型PSP的神经病理学标准(25). 4例患者出现额外的脑干型LB，6例患者出现典型的嗜银颗粒病的额外tau病理。

CBD集团

根据已发表的标准，CBD的神经病理学诊断是基于大量灰质和白质τ病理学表现，包括皮质和脑干中的缠结、大量线状、星形细胞斑块和卷曲体(26). 我们研究了39个病例。

PiD组

我们选择了12例具有PiD特征性病理特征的患者，即齿状回、颞叶和额叶皮质（Pick小体）以及膨胀神经元（Pick细胞）中大量的tau阳性圆形包涵体(20).

IHC与TDP-43病理学半定量评估

在福尔马林或乙醇固定、石蜡包埋的5μm切片上进行TDP-43（兔多克隆抗体；ProteinTech Group，Chicago，IL；稀释，1:200-1:4500）的免疫组织化学。在选定的TDP-43阳性包涵体病例中，用FTLD-U亚型1（单克隆抗体[mAb]182）和亚型2（mAb137）特异性抗体进行IHC(5, 27). 采用亲和素-生物素复合物检测系统（加利福尼亚州伯林盖姆Vector Laboratories）和3,3′-二氨基联苯胺作为染色原进行免疫组织化学。通过在微波炉中煮沸10 mmol/L柠檬酸盐缓冲液（pH 6.0）中的切片（3次，持续5分钟）来进行抗原提取。使用Alexa Fluor 488-和Alexa Fluor 594偶联的二级抗体（Molecular Probes，Eugene，OR）进行TDP-43和磷酸化tau（克隆AT8；Innogenetics，Gent，Belgium）的双重标记免疫荧光。所有病例的海马结构部分，包括齿状回、脑室下、内嗅皮质和海马旁回、梭状回和邻近颞皮质，均进行TDP-43病理学筛查。在所有这些切片中有TDP-43阳性内含物的病例中，对颞皮质、额叶皮质和髓质的切片进行额外的IHC检查。

研究病例的尸检间隔为4至72小时。固定时间从1天到5年不等。生理核染色未观察到明显变化，这是所有病例TDP-43染色的内部质量控制。

顺序生化分馏和免疫印迹分析

如前所述，使用来自额叶和颞叶皮层以及海马体的冷冻组织，用越来越严格的缓冲液连续提取TDP-43(5, 27). 简单地说，用低盐缓冲液（10 mmol/L Tris，pH 7.5；5mmol/L EDTA；1 mmol/L-二硫苏糖醇；10%蔗糖；和蛋白酶抑制剂混合物）、高盐Triton X缓冲液（低盐缓冲溶液+1%Triton X-100+0.5 mol/L NaCl）、髓鞘洗涤缓冲液（含30%蔗糖的Triton X缓冲器）、，和sarkosyl缓冲液（低盐缓冲液+1%N个-月桂酰肌氨酸+0.5 mol/L NaCl）。将洗涤剂不溶性物质在0.25mL/g尿素缓冲液（7mol/L尿素，2mol/L硫脲，4%3-[（3-氯氨基丙基）二甲氨基]-1-丙磺酸，30mmol/L Tris，pH 8.5）中提取。对于Western blot分析，蛋白质提取物通过Tris-glycine 12%十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳分离，转移到聚偏二氟乙烯膜（Millipore，Billerica，MA），并用TDP-43抗体进行探测。用碱性磷酸酶缀合的抗小鼠或抗兔免疫球蛋白G（DAKO，德国汉堡）检测初级抗体，并通过与硝基蓝四唑鎓/5-溴-4-氯-3-吲哚基磷酸盐（Roche Molecular Biochemicals，德国曼海姆）孵育观察。前几篇文章中描述的FTLD-U病例的蛋白质提取物(5)作为阳性对照。

统计分析

未付费学生t吨-这些测试用于分析各组之间死亡年龄和疾病持续时间的差异。Fisher精确检验用于比较分类神经病理学和临床变量。显著性水平设为p<0.05。

结果

AD中TDP-43病理的频率和分布

我们研究了182例神经病理学确诊的AD病例(表1). 在25.8%（n=47）的AD患者中发现了TAR-DNA结合蛋白43阳性内含物，主要是神经元胞质内含物（NCIs）和营养不良神经突（DN(表2). 所有47例患有TDP-43病理学的AD患者的内嗅皮层均显示NCI和DN，数量从少量（n=15）到中度（n=19），再到大量（n=13）内含物(图1B). 在TDP-43阳性的AD病例中，70.2%（n=33）的齿状颗粒神经元中发现了神经元胞质内含物，在单个病例中，齿状回中还存在神经元核内内含物（NII）(图1A). 与FTLD-U病例相比，在大多数TDP-43病理的AD病例中（n=35；74.5%），TDP-43的病理局限于内嗅皮层和齿状回（“边缘”分布模式表2根据Amador-Ortiz等人16). 其他12例TDP-43病理的AD患者（25.5%）表现为更广泛的病变，颞叶和额叶皮质的上部皮质层有大量NCI和DN(图1C、D; “漫反射”分布模式表2根据Amador-Ortiz等人16). 再加上在大约50%的病例中检测到NII，具有弥漫TDP-43分布模式的AD病例中TDP-43病理学的形态和分布与最近根据Sampathu等人的分类方案描述的组织学FTLD-U亚型3非常相似(27). 这进一步得到了以下观察结果的支持：单克隆抗体182和137（分别用于检测FTLD-U亚型1和2病例中的TDP-43阳性内含物）没有标记TDP-43阴性AD病例中的阳性内含物（数据未显示）。

11.5%（n=21）的AD患者发现海马和海马下室严重神经元丢失（“海马硬化”），71.4%（n=15）的AD病例与TDP-43病理学相关，证实了先前的结果(16). 大多数海马硬化症患者在CA1区和脑室下区的细胞突起中也显示出密集的TDP-43免疫反应网络(图1F). TDP-43阳性且伴有和不伴有海马硬化症的患者中，具有边缘型和弥漫型TDP-43分布模式的患者比例相似（24:8 vs 11:4）。

磷酸化tau和TDP-43的双重标记免疫荧光实验表明，齿状颗粒神经元中的内含物要么被TDP-43标记，要么被tau标记(图1G-I). 在内嗅和颞皮质中，大多数内含物（>80%）也被标记为TDP-43或tau。一些神经元显示细胞质内含物对两种标记物均呈免疫反应。然而，在大多数这些结构中，tau和TDP-43免疫反应之间只有部分重叠(图1J-L); 有时，在同一神经元中标记出明显离散的内含物(图1M-O).

AD患者合并TDP-43病理与临床表现的相关性

AD病例的统计分析结果总结如下表2。患有和不患有TDP-43病理学的AD患者之间的死亡年龄或性别分布没有差异(表2). 然而，疾病持续时间存在统计学显著差异，即具有TDP-43病理学的AD患者的持续时间比没有TDP-43疾病学的AD病例长（8.5±3.9 vs 10.4±4.9；p=0.0167）。

由于AD患者可能具有导致FTLD临床诊断的临床特征，我们确定AD患者合并TDP-43病理学在这些临床FTLD变体中是否更常见。在本研究的182例AD患者中，148例患者具有AD临床诊断（临床AD），34例患者被诊断为额颞叶痴呆、进行性失语或CBD（统称为“clinFTLD”）(表2). 关于19例clinFTLD组患者的详细临床信息此前已发表(22). 然而，在clinAD组和clinFTLD组中，TDP-43病理病例的百分比相似（27.7%vs 21.4%）。此外，两组TDP-43病理学边缘和弥散模式的频率相似（clinAD为31:10，clinFTLD为4:2）。

合并TDP-43的病理学在CBD中存在，但在PSP和PiD中不存在

为了研究其他τ病中的τ病理学是否与TDP-43积聚相关，我们通过TDP-43 IHC研究了一系列其他τ疾病病例（n=128），包括CBD（n=39）、PSP（n=77）和PiD（n=12）(表1).

在39例CBD患者中，15.4%（n=6）的患者出现了迄今为止尚未发现的TDP-43病理负担。所有6例患者的齿状颗粒细胞和内嗅皮质中均显示TDP-43阳性NCIs，50%的患者还存在NIIs(图2C). 其中2例患者的TDP-43病理仅限于这些区域，类似于AD患者的边缘分布模式。在其他4例患者中，在颞叶、额叶皮质和基底神经节中观察到一种独特的、更广泛的TDP-43染色模式。灰质区可见大量线状TDP-43阳性内含物，通常呈环状簇状排列，类似星形细胞斑块(图2D)而NCI则很少见。相反，白质中含有丰富的TDP-43免疫反应细胞突起和类似于卷曲体的少突胶质内含物(图2E).

双重标记免疫荧光研究表明，灰质和白质中的大多数TDP-43阳性线状内含物显示出与tau免疫反应的部分但不完全重叠(图3F-K). 大多数少突胶质细胞质内含物要么标记TDP-43或tau，但不是两者都标记(图3I-K).

在TDP-43阳性和TDP-43阴性的CBD组之间，死亡年龄或病程没有显著差异(表3). 所研究的77例PSP或12例PiD患者的海马区均无TDP-43病理改变。

TDP-43阳性AD和CBD病例中TDP-43的生化变化与FTLD-U相似

为了研究具有TDP-43阳性内含物免疫组化证据的AD和CBD病例中的TDP-43蛋白是否以类似于FTLD-U和ALS中所述的方式进行生化修饰，使用强度增加的缓冲液依次提取AD和CBD病例样品，并通过TDP-43免疫印迹分析。经IHC检测，患有TDP-43阳性包涵体的AD患者和CBD患者的TDP-43病理改变与FTLD-U中检测到的类似。这些改变包括额外的TDP-43免疫带，Mrs约为25和45 kd，以及高Mr涂片(图3). IHC未检测到TDP-43病理学的进行性核上性麻痹、CBD、PiD和AD病例仅显示全长TDP-43以类似于正常对照脑的约43-kd条带迁移。免疫印迹显示病理性TDP-43物种与IHC获得的TDP-43阳性包涵体之间存在良好的相关性。因此，TDP-43病理局限于边缘区的AD患者仅在海马样本中表现出病理性TDP-43物种，而在额叶样本中没有表现出病理学TDP-43种类，而IHC检测到TDP-43病变呈弥漫分布的AD患者在两个样本中都表现出特定的生化特征(图3).

讨论

TAR-DNA结合蛋白43最近被确定为FTLD-U和ALS特征性病变中的一种疾病蛋白(5); 它已被迅速确认为在这些条件下检测病理性包涵体的最敏感和特异的标记物(8-13). 本研究的目的是确定以tau病理学为特征的神经退行性疾病谱中TDP-43病理学的频率和分布，包括大量的AD、CBD、PSP和PiD病例，并研究这些情况下伴随TDP-43病变的临床相关性。

尽管AD中大多数特征性τ阳性病变（神经纤维缠结、神经丝和DNA）TDP-43均为阴性，因此证实了我们之前的结果(5, 8)在我们182例AD队列中，约25%的病例检测到了额外的TDP-43病理学改变。该百分比与Amador-Ortiz等人最近的报告一致(16)描述20%至30%AD患者的TDP-43病理学。然而，与TDP-43病理广泛分布于海马和额颞皮质的FTLD-U病例相比，大约75%的AD病例中TDP-43的病理分布仅限于内嗅皮质和齿状回（本研究；16).

最近的几项研究表明，基于泛素和TDP-43阳性内含物的形态和层流分布，FTLD-U病例中的FTLD-U病理是异质的，导致至少有4种不同的亚型的描述(8, 27, 28). 由于这些分类方案主要基于皮层区域的病理结果，因此难以对具有边缘分布模式的AD患者的FTLD-U病理进行亚型划分。然而，在其余25%的TDP-43阳性AD患者中，弥漫性TDP-43病理改变，NCI和小DN主要出现在上皮层区域。根据Sampathu等人(27)或根据Mackenzie等人的分类方案，FTLD-U亚型1(28). 进一步证实这一点的是，这些包涵体中缺乏FTLD-U亚型-1和FTLD-U2亚型特异性抗体的免疫反应性（根据Neumann等人的分类方案进行编号5和Sampathu等人27). 有趣的是，最近发现FTLD-U病例中TDP-43亚型的病理学与家族型FTLD-U-相关，这是由于前颗粒蛋白基因突变所致(8); 这增加了progranulin基因突变或变异可能导致AD中额外的TDP-43病理学的可能性。迄今为止，Brouwers等人在最近的一份报告中仅研究了progranolin基因在AD中的作用(29). 虽然在临床AD病例中，前颗粒蛋白无突变似乎并不常见，但这些作者在11名AD和PD患者中发现了7种错义突变，尽管这些变化的功能后果尚未得到证实。

对进展性神经损伤患者大脑中不同神经退行性疾病病变组合的记录是这些疾病研究中的一个新兴主题。这一点可以通过在AD中不同脑区检测到的LB的高频率来证明，这些LB是在常规诊断研究中检测LB的α-突触核蛋白抗体发展后才被识别出来的。然而，在晚期AD病理的情况下，额外的LB病理对患者临床表现的影响目前尚不确定(24). 因为AD患者可以表现出符合当前FTLD临床诊断标准的临床症状(21, 22)，我们推测这种非典型临床表现可能是由于伴随TDP-43病理学。然而，通过比较临床诊断为AD和临床诊断为FTLD的AD患者中TDP-43病理学的频率和分布模式，我们发现AD队列中TDP-44病理学和FTLD临床表现之间没有关联。因此，目前的数据反对TDP-43病理学对AD患者临床表现的强烈影响。然而，值得注意的是，在本研究中，只检查了一组有限的AD临床表现，并且在未来的研究中必须与AD行为损伤的更大数据集进行更详细的关联，以检测TDP-43阳性和TDP-43阴性AD病例之间可能存在的细微差异。

最有趣的是，通过筛选这一大系列不同的τ蛋白病变，我们在一组CBD病例中发现了之前未被认识到的TDP-43病理负担。在之前的研究中，较少的CBD病例没有观察到这一点(5, 8). CBD齿状回内的内含物与FTLD-U内含物相似，但一种独特的以胶质细胞为主的TDP-43病理学，灰质内的线状结构标记类似星形细胞斑块和少突胶质白质病理学，被确定为CBD的主要病变。然而，在CBD病例中，没有发现TDP-43病理学的明显临床相关性，这些发现的意义目前尚不清楚。对含TDP-43阳性包涵体的AD和CBD患者提取的TDP-43进行生化分析，发现TDP-43在不溶性蛋白组分中的病理改变与FTLD-U和ALS中描述的相同，即N末端截断、过度磷酸化和泛素化(5). 不同脑区之间的免疫组织化学和生化结果也有明显的相关性。

根据以往少数病例的结果(5, 8, 12)在本研究的大量PSP和PiD病例中，IHC未检测到TDP-43病理。此外，我们以一致的方式证明了从PiD和PSP组织中提取的蛋白质组分中TDP-43没有生化变化，从而证实了我们的阴性IHC发现。此外，我们小组最近发表的一篇文章描述了我们尸检病例中保存异常完好的RNA，这表明组织完整性极好(30). 然而，我们的PiD队列中缺乏TDP-43病理学，这与2份报告描述了一部分PiD病例中TDP-43免疫反应性形成对比(13, 31). 有几个原因可以解释这些相互矛盾的结果，包括IHC或组织处理的技术差异、染色的解释和病例选择。在这种情况下，值得一提的是，我们注意到在乙醇或福尔马林固定的病例中，TDP-43免疫反应在生理核TDP-43标记方面没有差异，固定时间从1天到5年不等。此外，Arai等人(13)只能用多克隆抗体检测到皮克体的TDP-43标记，而不能用TDP-43的单克隆抗体检测。不幸的是，Arai等人(13)和/或在Freeman等人的研究中(31)在他们的PiD案例中。

这里和以前的报告中提供的数据，包括另一种τ病——关岛帕金森痴呆症复合体中TDP-43病理学的发现，清楚地表明TDP-43在不同τ病中同时出现(16, 18, 19, 32). 过度磷酸化τ的沉积与TDP-43的积累之间的关系目前尚不清楚。虽然TDP-43和tau免疫反应在相同的神经元中可以发现，但信号仅在大多数标记结构中部分共定位，或如本报告和以前的报告所示标记单独的内含物(16-19). 因此，τ和TDP-43之间的直接相互作用似乎不太可能，但需要进行更详细的生化研究。此外，PSP中缺乏TDP-43病理学，这是一种与CBD在临床、生化、病理和遗传方面具有相似性的τ病(33, 34)也反对τ功能障碍和TDP-43积累之间的简单关系。

总之，我们的研究进一步深入了解了TDP-43病理学在τ蛋白病变谱中的负担，但没有证明在这些情况下伴随TDP-43病变的明显临床意义。

致谢

作者感谢使这项研究成为可能的患者家属。

工具书类

作者注释