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NFL是轴突损伤的非特异性标志物，神经元损伤类疾病如阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、额颞叶痴呆(FTD)、亨廷顿病(HD)、肌菱缩侧索硬化(ALS)、脊髓小脑共济失调(SCA)3型等情况下，血液中的NFL水平都会上升。此外，NFL水平也会随着年龄的增长而上升。NFL在阿尔兹海默病诊断中的应用NFL可以用于监测阿尔茨海默病(AD)发展阶段。

NFL可以用于ALS诊断和预后评估。研究发现，ALS患者脑脊液中神经丝蛋白是健康组的10倍，且NFL浓度在脑脊液和血清、血浆中均显著升高。值得注意的是，脑脊液NFL水平在急性/亚急性神经元损伤的疾病中也显著上升。因此确诊ALS除了测定NFL还需要其它神经生物指标的辅助。此外，生存期长的ALS 患者具有较低的NFL水平，而高NFL水平患者具有较快的疾病进展率，表明NFL可以作为预测ALS 生存期的生物标志物。

神经元损伤的标志物NFL可以用于预测组织损伤或脑卒中复发，有助于指导个体化脑卒中治疗。缺血性脑卒中(AIS)是中风的一种，导致的神经元的丢失和反复发生的缺血事件会引起严重残疾。对AIS病人和短暂性脑缺血发作(TIA)病人的血清NFL测定结果显示，相较于健康组，AIS病人血清NFL水平高于健康对照组;TIA病人血清NFL水平低于AIS病人，表明NFL不仅可以用于临床上AIS脑损伤的定量分析，还可以用于区分AIS和TIA病人。