期刊：Nature Reviews Neurology

影响因子：42.937

分类：神经医学

发表日期：2022年2月3日

研究机构：加州大学旧金山分校神经内科、乌尔姆大学附属医院神经内科、美国玛丽亚医院神经内科、意大利博洛尼亚大学医学院、加州大学旧金山分校神经外科等

目前，脑和脊髓疾病的研究中急需血源性生物标记物的参与，高灵敏度免疫分析方法的引入也使得用于诊断监测神经系统疾病的潜在血源性生物标记物数量迅速增加。本文对血液中的GFAP蛋白作为神经疾病生物标志物的应用进行了系统的综述，提出了不同条件下GFAP浓度动态模型，并讨论了GFAP在临床环境中广泛应用存在的局限性。高灵敏度免疫分析的引入助力血液GFAP检测的临床应用，而血液GFAP检测在临床的应用可加速诊断并改善预后，这代表着在精确医学时代向前迈出了重要一步。

2018年，FDA授权在轻度创伤性脑损伤(mTBI)患者中使用血液样本检测GFAP和UCH-L1蛋白，这为以CNS为主的血液生物标记物发展的成功奠定了基础。在过去的十年中，第四代免疫分析方法的建立使得从血样中快速获得可靠蛋白质生物标记物的测量数据成为可能，为CNS衍生标记物领域开辟了新的前景。可轻松量化血液中的标记物并用于疾病活动的诊断和监测，并作为治疗试验的替代终点。关于血液GFAP作为生物标记物的实用性文献也在不断增加。血液中GFAP水平的变化或可实现对几种神经系统疾病中体内星形细胞不同方面反应的纵向评估。本文主要对血液GFAP作为生物标记物的分析、当前证据、观点和局限性等方面进行了系统的综述，旨在概述如何完善其在神经疾病诊断和监测中的应用。

1.GFAP生理学功能

星形胶质细胞约占CNS细胞的30–40%，是血脑屏障(BBB)的组成部分，并与神经系统中的其他细胞(包括神经元)建立许多相互作用。星形胶质细胞是突触正常功能的核心，并通过调节离子稳态来维持轴突代谢(图1)。GFAP属于 III类中间丝状体，特异地表达于中枢神经系统星形胶质细胞胞质内，可以作为星形胶质细胞特异性标志物。迄今为止，有证据表明GFAP有十种细胞亚型(α、β、δ、ζ、κ，∆135, ∆164，∆外显子6和∆外显子7)在神经系统中表达。其中表达最丰富、文献中分析最多的是GFAPα亚型。

2.GFAP检测技术

几种灵敏的酶联免疫吸附试验(ELISA)、电化学发光(ECL)和基于荧光的方法可用于检测体液(例如脑脊液、玻璃体液和羊水)中的GFAP。然而，检测血液中的GFAP历来是一个挑战，因为现有的ELISA检测无法可靠地检测如此低浓度的GFAP。高灵敏度检测技术的发展，如单分子免疫阵列(Simoa)技术，使得在健康个体和患有不同神经疾病个体的血液中检测GFAP成为可能。此外，现在可以通过便携式护理点平台检测血液GFAP，该平台可以在15分钟内提供结果。

3.GFAP病理

GFAP及其分解产物排入血液的机制很复杂，目前仍存在争论。有证据表明，排入方式可能是通过蛛网膜绒毛大量流入血液、沿淋巴系统和颈部淋巴结流动以及CNS屏障(即BBB和血-脑脊液屏障)持续双向液体交换的综合结果。根据现有数据，GFAP在血液中是稳定的(至少有五个冻融循环);然而，分析前混杂因素和聚集相关“钩状效应”的彻底表征仍有待完成。钩状效应部分是由蛋白质聚集体的形成引起的，这些聚集体有助于GFAP的长期稳定。体内病理性GFAP聚集的形成可能伴随致命的神经系统疾病，如亚历山大病。

1.急性中枢神经系统损伤

(1)创伤性脑损伤(Traumatic brain injury-TBI)

TBI是全世界引发残疾的常见原因，主要发生在年轻人中。当前的护理标准要求及时评估TBI的严重程度;然而，这一评估依赖于物理学(例如GCS)和放射学(头部CT)工具，但这些工具存在一些局限性，因此也引发了一系列星形胶质细胞和神经元生物标记物的研究，包括S100β钙结合蛋白(S100B)、GFAP和UCH-L1，目的是提高TBI诊断的准确性和相关决策过程。

表1|创伤性脑损伤血中GFAP水平的关键研究

关键技术使用：

Elisa：酶联免疫吸附试验技术

CLIA：化学发光免疫分析，

Simoa：单分子酶联免疫技术，灵敏度fg级别，比传统ELISA灵敏度提高1000倍以上，能够检测血液中极低水平的神经学生物标志物，为改善脑损伤和脑病的诊断方式提供可能。

关键研究成果：(部分)

诊断

◆ 对1900多名轻中度TBI参与者进行了一项大型多中心观察性研究(ALERT-TBI研究)，发现除了血清UCH-L1水平高于327pg/ml外，血清GFAP预先设定的临界值为22pg/ml，能够在头颅CT上预测颅内损伤的存在，特征曲线(AUC)面积为0.98。这一发现有助于FDA在2018年批准推出首个基于血液的检测，以避免疑似TBI1患者不必要地接触CT辐射。

◆ 与其他血清生物标记物(例如UCH-L1、S100B和NfL)相比，GFAP是区分脑外伤和头部CT异常个体与脑外伤和正常头部CT扫描个体的最佳标记物。

◆ GFAP水平随临床严重程度和护理路径强度(急诊科<病房<重症监护病房)而变化，尤其是在mTBI40患者中。

◆ 血液中GFAP水平对头部CT扫描不可见的亚临床颅内病变敏感。

◆ 在三中心TRACK-TBI试点队列的169名参与者中，GFAP从一组mTBI参与者的CT上识别颅内创伤参与者的能力随着年龄的增长而下降。

预后

◆ BIO-ProTECT研究发现，血清GFAP和S100B水平与不良预后之间存在关联，包含参与者变量(年龄、性别、GCS评分)和CT评分的模型的预后能力通过纳入生物标记物数据而得到持续改善。

◆ 一项针对243名中重度TBI患者的研究中，与已知的临床预测因子相比，在已知的临床预测因子(年龄、性别、GCS评分)中加入血清GFAP、UCH-L1和微管相关蛋白2测量值，改善了对6个月时有利预后的预测。GFAP和临床预测因子的AUC为0.78，单独用于临床预测因子的AUC为0.69。

总之，GFAP可能是CT甚至MRI难以评估的小而弥漫性结构损伤的可靠替代物，因此，它可以作为颅内病理学的替代标志物。研究人员假设，在诊断过程中增加血清GFAP(以及其他生物标记物)的检测可能比单独的临床分类更能准确地定义“轻度”、“中度”和“重度”TBI;在救护车等急救护理点分析平台，血清中GFAP的有利于指导TBI患者的分类。

(2)外伤性脊髓损伤

针对创伤性脊髓损伤(SCI)的一些研究中，使用了血清GFAP作为区分是否患病以及疾病严重程度的标志物。GFAP水平似乎与SCI的严重程度相关，表明使用GFAP作为神经系统预后(节段运动恢复)的生物标志物在临床上是可行的。

◆ 一个包括CSF和血清S100B、GFAP和IL-8的生化模型，在损伤后24小时进行测量，其结果符合美国脊髓损伤协会(亚洲)给出的疾病等级：在27例SCI患者中的一致比例(89%)。

◆ 重度SCI患者的血清GFAP水平显著高于中度SCI(B级;P<0.05)、轻度SCI(C级;P<0.01)或对照组(椎体骨折但无神经症状的患者;P<0.01)。此外，术后死亡的SCI患者在伤后24小时的血清GFAP水平显著高于存活的SCI患者(P<0.05)。

迄今为止证据非常有限，但血清GFAP水平的测量可以提供一种确定损伤“生物学”严重程度的途径，并预测SCI患者的神经预后，从而支持有关确定可能从手术中受益患者的临床决策。

(3)脑血管意外

反映与脑血管损伤相关的潜在病理生理变化的生物标记物可以改善急性卒中患者的管理和预后评估。先前的研究结果表明，血清GFAP可作为急性卒中症状患者脑内出血的胶质损伤生物标志物。由于血脑屏障的突然破坏和随后的脑损伤，在脑出血的超急性期，血中可以迅速检测到GFAP。因此，相关研究发现，脑出血患者的血清GFAP水平明显高于缺血性卒中患者。

诊断

◆ 使用0.29µg/l的血清GFAP临界值可区分急性缺血性卒中引起的脑出血与疑似卒中，敏感性为84.2%，特异性为96.3%(AUC 0.92)。

◆ 在BE FAST II研究中，脑出血患者入院时获得的血清GFAP水平大约是急性缺血性卒中患者的16倍。

预后

◆ 研究测定286名缺血性中风患者入院第一天的血清GFAP水平，并对参与者进行随访68年。在对所有已确定的预测因素进行调整后，多变量分析显示，入院第一天GFAP水平升高独立预测了1年随访期间的不良功能结果

◆ GFAP是蛛网膜下腔出血患者损伤的敏感指标和预后的预测因子

总之，血清GFAP在脑卒中患者的诊断、预后中具有重要作用，尽管血清GFAP诊断应用的一个重要限制可能是区分不同脑卒中亚型的特异性较低。特别是在急性卒中症状中，区分缺血性卒中和脑内出血以及卒中和疑似卒中是至关重要的，尤其是对于正确识别符合时间依赖性再灌注治疗条件的患者。在这种诊断背景下，现有数据并不强烈支持血清GFAP的立即应用。

2.炎症性中枢神经系统疾病

(1)多发性硬化症(MS)

MS是一种复杂的炎症和神经退行性疾病，影响着全世界200多万人。因此，发现一种可靠且易于获得的能反映MS疾病严重程度和进展的生物标志物，对于改善临床工作和指导治疗方法至关重要。用于MS的可靠血液生物标记物需要明确与临床严重程度、疾病活动、残疾恶化和治疗效果的相关性。

使用ELISA或ECL检测GFAP的研究未能确定MS患病人群和非炎症性神经疾病人群血液GFAP水平之间的显著差异。然而，随后使用更灵敏的Simoa分析的研究发现，MS患者人群的血清GFAP水平高于健康对照人群和非炎症性神经疾病人群。

◆ 近期临床复发(RRMS+)后人群样本中的GFAP浓度高于健康对照人群的样本，但稳定性MS(RRMS-)患病人群与健康对照人群之间的GFAP水平无显著差异;TRMS+患者的GFAP水平高于RRMS-患者(分别为129.8 pg/ml和112.9 pg/ml;P<0.012)，但两组之间存在显著重叠。

◆ 多项研究发现血液中GFAP浓度与残疾严重程度之间存在相关性(表2);只有一项研究发现血液中GFAP浓度与疾病持续时间呈正相关。

◆ 一项更大规模试验(EXPAND)的初步结果表明，在基线检查时GFAP水平较高(>第80百分位)的继发性经前综合症患者中，EDSS达到7.0的风险更高(HR 1.96)

表2 |多发性硬化症患者血胶质纤维酸性蛋白水平的关键研究

(2)视神经脊髓炎谱系障碍

视神经脊髓炎谱系障碍(NMOSD)是一种典型的自身免疫性炎性星形细胞病。有关NMOSD中GFAP浓度的研究数据有限，但前景较好。即使使用比ECL或Simoa分析方法敏感度更低的常规ELISA进行检测，NMOSD患者CSF和血清中的GFAP水平也高于健康对照参与者或MS患者。这些发现也得到了使用更敏感分析方法所获得的最新结果的支持，并表明血清GFAP可用于区分NMOSD和MS。

◆ 在一项研究中，33名NMOSD患者的GFAP水平高于16名髓鞘少突胶质细胞糖蛋白抗体相关疾病(MOGAD)患者的GFAP水平，这两种疾病的临床和放射学表现重叠。

◆ 血清GFAP水平与EDSS评分相关，尤其是年轻患者。

◆ GFAP与NfL的比率在NMOSD复发期间增加，在MS复发期间下降(AUC=0.78)，表明这种标记物组合可用于区分这两种疾病。

◆ NMOSD发作之间的GFAP水平与复发风险相关;在依尼昔单抗治疗的NMOSD患者中，血清GFAP水平较基线水平下降了12.9%，在研究的随访期内未出现复发。

总之，GFAP可能不是MS疾病表型分化、疾病活动或治疗效果监测的最合适标记物，因为不同亚组血液中的标记物水平似乎有很大重叠。然而，几项研究发现，高浓度的GFAP与PMS之间存在关联。GFAP浓度与临床严重程度指标之间的一致相关性表明，该标记物在探索和监测RRMS和PMS中的非复发性进展方面具有良好的应用前景。然而，在星形细胞病中，GFAP水平可用于确定复发风险最高的患者。尽管如此，一些旨在确定明确临界值的前瞻性多中心试验可能能够澄清其中一些开放性问题。

3.神经变性疾病

一些研究发现，最常见的神经退行性疾病，包括阿尔茨海默病(AD)、朊病毒病、额颞叶变性(FTLD)、帕金森病(PD)、帕金森痴呆(PDD)和路易体痴呆(DLB)，脑脊液中的GFAP水平升高。相反，只有少数研究探讨了这些蛋白病中血液GFAP的水平，需要更广泛的研究来详细解决这一问题。

(1)阿尔茨海默病

◆ 在Oeckl等人的一项研究中，AD、DLB或PDD患者的血液中GFAP水平高于对照、行为变异性额颞叶痴呆(bvFTD)患者或PD患者，而对照、PD和bvFTD患者的血液生物标记物水平没有差异。

◆ AD患者血液中GFAP水平升高(即脑脊液与血清的比值升高)仅归因于神经炎症的异质性局部参与和/或神经退行性疾病中发生的不同类型和模式的星形胶质细胞增生。

◆ 有症状AD患者血液中GFAP水平与皮质aβ沉积之间具有相关性，在疾病早期观察到线性正相关，在更严重的疾病阶段出现分歧。

这些发现表明，星形细胞的损伤或激活始于AD的症状前阶段，并与大脑Aβ负荷有关。

(2)FTLD谱

◆ 与AD的数据相比，FTLD疾病中GFAP的数据不一致。在包括469名遗传性FTD患者的大型多中心遗传性FTD倡议(GENFI)研究中，与对照组相比，GRN突变症状携带者的血浆GFAP水平升高，而其他FTD突变携带者的血浆GFAP水平没有升高。

◆ 生物标志物变化与临床症状的出现有关，在症状前突变携带者中无法检测到。

◆ 与无神经退行性疾病的对照组参与者相比，散发性和遗传性bvFTD患者的血清GFAP水平没有变化。

◆ 在一个大型意大利队列中，与健康对照组相比，除进行性核上性麻痹患者外，其他所有FTLD临床综合征(散发性和遗传性)患者中的血清GFAP水平升高。

该领域正在进行多项研究，其结果可能有助于澄清此处讨论的研究之间的差异。

(3)亚历山大病

血液中GFAP水平在特定的遗传性神经退行性疾病中尤其重要，例如亚历山大病。亚历山大病是由编码GFAP基因的各种显性杂合突变引起的。该病的病理特征是星形胶质细胞内形成细胞质聚集，这些聚集体主要含有GFAP和其他细胞质蛋白。由于该疾病的罕见性，研究亚历山大病患者血液中GFAP水平的研究非常有限。

◆ 一项研究发现，与健康对照组相比，婴幼儿和青少年亚历山大病患者血清中的GFAP水平适度升高，但成年患者血清中的GFAP水平没有升高。

这一发现与亚历山大病患者脑脊液中发现的高浓度GFAP形成对比。这种差异的一个可能解释是钩状效应，即GFAP聚集形成可能会限制其在血液中的检测。血清GFAP可能仍然是亚历山大病未来试验的一个有希望的治疗结果参数，但还需要进一步研究。

(4)其他神经退行性疾病

关于其他神经退行性疾病血液中的GFAP水平的数据很少。

◆ 在一项研究中，与健康对照组相比，遗传性或散发性肌萎缩侧索硬化患者的血液中GFAP浓度没有显著升高。

◆ 另一项研究发现，PD患者的血清GFAP水平高于健康对照组。

◆ 与健康对照组和单纯肝豆状核变性患者相比，具有肝豆状核变性神经表现的患者的血清GFAP水平也升高。

◆ 只有一项研究评估了血管性认知障碍患者的血液中GFAP水平，健康对照组和血管性认知障碍患者之间没有显著差异。

诊断与预后

关于诊断用途的潜力，血清GFAP在神经退行性疾病中显示出良好的表现。血清GFAP可以很好地区分AD患者和对照(AUC 0.91)，此外，血液GFAP能够区分PDD或DLB参与者与对照(AUC 0.87)、PD(AUC 0.88)和bvFTD(AUC 0.79)。除此之外，血浆GFAP水平预测淀粉样PET阳性的准确率为88%，这些发现有助于临床试验候选人的早期确定。

GFAP水平升高可能是症状前期晚期的一个特征，并与疾病的严重程度有关。即使在有认知障碍风险的认知健康老年人中，血液中GFAP水平也高于对照组，并且与痴呆、转化为AD、认知下降速度更快以及海马体积下降的风险更高相关。

总之，将血液中GFAP作为神经退行性疾病的生物标志物，尤其是与其他标志物相结合，是提高鉴别诊断准确性的更有潜力的方法。在存在淀粉样病变和GRN突变携带者的情况下，较高的GFAP浓度与更快的认知下降、更高的痴呆发病率和更大的转化为症状性认知障碍的可能性相关，这表明了潜在的预后应用。然而，血液中GFAP水平可能受到疾病异质性、疾病分期和异常GFAP聚集形成的影响。需要更多的研究来阐明这些可能的混杂因素的影响。

4.脑肿瘤

与其他结构性神经疾病类似，大量证据表明，脑瘤患者血液中GFAP水平升高。但关于脑肿瘤患者血液中GFAP水平预后价值尚未确定。

◆ 研究发现，多形性胶质母细胞瘤(GBM)患者的血清GFAP水平高于健康对照组、其他非胶质原发性肿瘤患者和脑转移患者，而在其他研究中，在患有高级别(即GBM)和低级别脑瘤的参与者之间，未检测到血液GFAP水平的统计学显著差异。

◆ 在GBM患者中，血液中GFAP浓度与术前肿瘤体积、坏死体积和肿瘤组织中GFAP表达水平相关。

◆ 一项研究发现，血液中GFAP水平与术后残留的恶性组织数量无关。

◆ 在几项研究中，血液中GFAP水平不能帮助预测术后肿瘤复发或总体生存率。

其中主要局限性是，预后相关研究使用的免疫分析法灵敏度低，并且研究参与者少。总的来说，对于评估GFAP在脑肿瘤中的诊断和预后应用而言，使用新的免疫分析方法进行额外的、充分有力的研究是一个尚未满足的需求。

除了上述讨论的情况外，研究人员还观察到其他各种中枢神经系统和全身疾病下血液中GFAP水平的变化情况(表3)。

表3 |与GFAP血液浓度变化相关的其他中枢神经系统和全身性疾病2

除了本综述各部分提到的疾病特异性限制外，准确实施血液中GFAP测量和正确解释结果还面临其他挑战

GFAP是中枢神经系统疾病中星形胶质细胞损伤和激活的公认标志物，是不断扩大的基于中枢神经系统血液生物标志物的一个有价值的补充。在检测技术的飞速发展下，高灵敏度免疫分析技术的引入使血液中的GFAP检测成为可能，其临床应用潜力逐渐激发。

◆ 在TBI领域，可靠的数据表明，该标记物对CT和MRI头部扫描中明显的中枢神经系统损伤具有鉴别能力。重要的是，GFAP诊断性能的历史数据已在使用护理点分析的多中心前瞻性研究中得到验证，如果纳入标准护理，这可能有助于在院前和急性医院环境中对TBI患者进行分类。

◆ 在炎症性神经疾病中，血液中的GFAP检测在PMS中有着广阔的应用前景，因为该标志物可以反映和预测长期残疾恶化，因此有助于治疗决策的制定。

◆ 在老年人群中，GFAP似乎可以预测认知能力下降和转化为显性痴呆症的速度，这使得它成为一个有吸引力的标志物，可以识别有风险的个体，并能够快速启动未来的预防和最终治疗措施。

◆ 最近的研究表明，血液中的GFAP甚至具备追踪由细微的中枢神经系统结构变化引起的各种神经性和系统性疾病变化的能力。

但目前血液GFAP检测进入临床尚存在较多挑战，其可用作临床生物标志物之前需要解决较多知识空白。其中，学术合作是一条可以显著加快填补当前知识空白的途径，并可促进血液中GFAP作为生物标志物在更多疾病中的应用。

参考文献：

1. Khalil, M. et al. Neurofilaments as biomarkers in neurological disorders. Nat. Rev. Neurol. 14, 577–589 (2018).

2. Abdelhak, A. et al. Glial activation markers in CSF and serum from patients with primary progressive multiple sclerosis: potential of serum GFAP as disease severity marker? Front. Neurol. 10, 280 (2019).

3. Blood GFAP as an emerging biomarker in brain and spinal cord disorders[J]. Nature Reviews Neurology.