S100β蛋白與脊髓損傷相關(guān)性研究進(jìn)展*

段科科，劉時(shí)璋

1. 西安醫(yī)學(xué)院(西安 710068)；2. 陜西省人民醫(yī)院(西安交通大學(xué)第三附屬醫(yī)院)(西安710068)

脊髓損傷(Spinal cord injury，SCI)是指由外傷、炎癥、腫瘤等不同原因引起，具有相同臨床轉(zhuǎn)歸的一種高致殘率、高病死率并且至今尚無(wú)有效方法可治愈的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，可造成脊髓橫斷性損傷，致?lián)p害平面以下的運(yùn)動(dòng)、感覺、括約肌及自主神經(jīng)功能障礙。SCI病理發(fā)生機(jī)制可以分為原發(fā)性損傷與繼發(fā)性損傷。原發(fā)性損傷指致傷因素直接或間接作用于脊髓所造成的損傷，繼發(fā)性損傷是在原發(fā)性損傷基礎(chǔ)之上，受損的周圍組織進(jìn)一步發(fā)生病變，程度加深，范圍擴(kuò)大。目前針對(duì)脊髓損傷的治療為手術(shù)恢復(fù)急性損傷的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、藥物治療營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)及微環(huán)境、康復(fù)措施強(qiáng)化感覺功能恢復(fù)等多方面協(xié)同[1-2]。對(duì)脊髓損傷的研究集中于對(duì)損傷機(jī)理及損傷后神經(jīng)修復(fù)的相關(guān)探索。

近年，通過(guò)對(duì)損傷后微環(huán)境改變的研究深入，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)微環(huán)境的改變與損傷程度及預(yù)后水平之間存在一定的相關(guān)性，并逐步發(fā)掘和建立急性損傷后微環(huán)境生化改變與臨床損傷分級(jí)之間的聯(lián)系[3-5]。S100β蛋白是EF手型鈣離子結(jié)合蛋白家族的一員，存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，由星型膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞等分泌[6-7]。研究發(fā)現(xiàn)，S100β蛋白的表達(dá)受到了多種細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)，在各種原因所致的腦損傷及顱腦疾病中，S100β蛋白均有一定程度的分泌增高表現(xiàn)[8]。近年來(lái)，學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)S100β蛋白與SCI之間亦存在一定的相關(guān)性[3,9]，本文通過(guò)對(duì)S100β蛋白在脊髓損傷發(fā)病機(jī)理中的相關(guān)作用做一綜述，進(jìn)一步探討S100β蛋白在作為脊髓損傷預(yù)測(cè)指標(biāo)及預(yù)后評(píng)價(jià)因子等方面的潛在作用。

1 S100β蛋白概述

S100蛋白最初是由Moore在1965年從牛腦中分離發(fā)現(xiàn)，并因該蛋白可溶解于100%硫酸銨溶液而得名，屬于細(xì)胞內(nèi)鈣結(jié)合蛋白家族。S100β蛋白作為S100蛋白家族中的一員，主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)，是人腦中最豐富的可溶性蛋白之一。S100β蛋白相對(duì)分子質(zhì)量為21×103，是由兩個(gè)β亞基構(gòu)成的二聚體，在亞基的羧基端含有一個(gè)EF手型鈣離子結(jié)合區(qū)，當(dāng)鈣離子與該區(qū)域結(jié)合后蛋白構(gòu)象發(fā)生改變，暴露出與靶蛋白結(jié)合的位點(diǎn)，發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)[10-11]。

S100β蛋白主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的星型膠質(zhì)細(xì)胞分泌，在少突膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)祖細(xì)胞及在外周組織的脂肪細(xì)胞、黑素細(xì)胞、皮膚及軟骨細(xì)胞中亦有少量分泌。S100β蛋白的生理功能存在胞內(nèi)和胞外雙重效應(yīng)[11]。在胞內(nèi)，S100β蛋白調(diào)節(jié)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的增殖和分化，抑制細(xì)胞凋亡及抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞活化等。在胞外，已經(jīng)被證實(shí)存在濃度依賴性效應(yīng)，在生理濃度(約納摩爾水平)下，可能通過(guò)與轉(zhuǎn)錄因子的相互作用調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進(jìn)展、通過(guò)增強(qiáng)鈣離子通量刺激神經(jīng)突向外生長(zhǎng)、刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖、促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞損傷修復(fù)等保護(hù)作用；而過(guò)量分泌(約微摩爾水平)時(shí)，S100β蛋白可導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙，在神經(jīng)細(xì)胞變性、炎癥反應(yīng)惡化及神經(jīng)退行性改變等的病理生理中發(fā)揮作用[11-13]。針對(duì)S100β蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中作用的研究一直是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點(diǎn)，組織損傷后釋放到胞外的高濃度S100β蛋白可能通過(guò)觸發(fā)炎癥及應(yīng)激相關(guān)酶的釋放，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙，在神經(jīng)細(xì)胞變性和炎癥反應(yīng)惡化中發(fā)揮重要作用。Alejandro,等研究表明，這些細(xì)胞外的S100β蛋白主要經(jīng)晚期糖基化終產(chǎn)物(RAGE)的介導(dǎo)作用，通過(guò)RAGE / Rac-1-Cdc42途徑促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)增生，并通過(guò)NF- κB激活促進(jìn)炎癥反應(yīng)[14-15]。Erin等研究認(rèn)為，S100β蛋白在血腦屏障的完整性被破壞時(shí)出現(xiàn)在血液中，S100β蛋白通過(guò)參與免疫細(xì)胞活化將血腦屏障破壞整合到全身免疫中,外滲的S100β蛋白可以觸發(fā)全身CNS免疫應(yīng)答的病理性自身免疫反應(yīng)[16]。因此，S100β蛋白可以被認(rèn)為在神經(jīng)系統(tǒng)疾病病理生理進(jìn)程中具有重要作用。

2 S100β蛋白與神經(jīng)系統(tǒng)損傷的關(guān)系

S100β蛋白與多種顱腦疾病的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)歸密切相關(guān)，如創(chuàng)傷性腦損傷(Traumatic brain injury， TBI)、腦卒中、腦缺血、神經(jīng)退行性疾病等[17]。S100β蛋白長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是TBI后腦損傷的重要標(biāo)志物，研究發(fā)現(xiàn)在所有類型TBI中均檢測(cè)到血清S100β蛋白濃度增加，局灶性損傷(如腦挫傷和硬膜下血腫)與彌漫性損傷相比呈現(xiàn)更明顯的升高趨勢(shì)[18]，且血清水平升高與其不良預(yù)后相關(guān)[19]。多個(gè)實(shí)驗(yàn)性TBI模型顯示，TBI后早期S100β蛋白水平顯著增加，并持續(xù)長(zhǎng)達(dá)5 d[20]。腦損傷后活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)量的S100β蛋白，而S100β蛋白的釋放可能導(dǎo)致促炎因子如iNOS、TNF-α、IL-1B和IL-6的產(chǎn)生，這些因子會(huì)進(jìn)一步增加小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化及神經(jīng)細(xì)胞的死亡，加重神經(jīng)炎癥并可能導(dǎo)致長(zhǎng)期神經(jīng)功能障礙[8,21]。

研究表明，S100β蛋白刺激小膠質(zhì)細(xì)胞NO的釋放可能依賴于細(xì)胞表面的AGER分子和p38 MAPK等通路的激活，導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生。細(xì)胞外的S100β蛋白促進(jìn)AGER依賴性的AP1和NF-κB轉(zhuǎn)錄細(xì)胞因子、趨化因子和iNOS，以及小膠質(zhì)細(xì)胞中AGER依賴性NO的產(chǎn)生[8]。在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，胞外S100β蛋白可激活A(yù)GER / Rac-1/Cdc42、 AGER/Erk-Akt和AGER/NF-κB通路。細(xì)胞外S100β還可通過(guò)AGER / MAPK/cyclinD1-CDK4通路的激活刺激神經(jīng)變性，以及AGER/NF-κB通路的激活加速細(xì)胞周期[22]。此外，TNF-α在星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放S100β蛋白的過(guò)程中具有重要作用，表明TNF-α可能提高S100β蛋白的細(xì)胞外濃度，促進(jìn)S100β蛋白進(jìn)一步對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的激活作用[23]。Santos等研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的S100β蛋白可抑制少突膠質(zhì)細(xì)胞生成、導(dǎo)致髓鞘形成減少、損害神經(jīng)元和突觸完整性，同時(shí)誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞增生、NF-κB通路激活、加速炎癥進(jìn)展；設(shè)計(jì)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)通過(guò)使用RAGE拮抗劑FPS-ZM1的受體，共處理抑制了S100β蛋白誘導(dǎo)的破壞作用，表明S100β-RAGE軸可能是參與少突膠質(zhì)細(xì)胞生成受損的機(jī)制[15]。

總的來(lái)說(shuō)，S100β促進(jìn)TB1后炎癥進(jìn)程的激活和發(fā)展，并且需要未來(lái)進(jìn)一步的研究來(lái)確定S100β蛋白介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥作用的具體機(jī)制。

3 S100β蛋白與脊髓損傷的關(guān)系

通過(guò)對(duì)S100β蛋白在顱腦損傷中的作用的不斷深入研究，學(xué)者發(fā)現(xiàn)S100β蛋白和脊髓損傷的發(fā)生亦存在一定的相關(guān)性[3,5]。Yang等人通過(guò)構(gòu)建SCI大鼠模型，發(fā)現(xiàn)腦脊液及血清中多種蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物存在時(shí)間相關(guān)性升高，其中S100β蛋白在損傷后4 h顯著升高，而在24 h時(shí)明顯降低，認(rèn)為S100β蛋白可能是SCI急性期的生物標(biāo)志物[24]；Brian等在通過(guò)對(duì)27個(gè)創(chuàng)傷性SCI患者，損傷后72 h內(nèi)采集的CSF樣品的多種炎性細(xì)胞因子分析后，發(fā)現(xiàn)使用S100β、GFAP和IL-8建立的生化模型與損傷程度(將ASIA 分級(jí)分為A級(jí)與B/C級(jí))及SCI后6個(gè)月時(shí)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)存在相關(guān)性，并使用該模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了89%的患者的損傷分級(jí)[25-26]。有人通過(guò)對(duì)60例急性SCI患者損傷當(dāng)日至2周之間血清神經(jīng)元特異性烯醇化酶(NSE)與S100β的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)NSE和S100β臨界值的患者發(fā)生預(yù)后不良的風(fēng)險(xiǎn)增加，而血清水平較低的患者在遠(yuǎn)期功能評(píng)價(jià)中獲得更好的恢復(fù)，二者可作為急性SCI預(yù)后的潛在生物標(biāo)志物[27]。如前所述，在SCI的研究及診治中需要新的方法來(lái)更有效地評(píng)估損傷的嚴(yán)重程度、預(yù)測(cè)患者的預(yù)后情況，上述研究發(fā)現(xiàn)，包括S100β蛋白在內(nèi)的多項(xiàng)動(dòng)態(tài)變化中的生化指標(biāo)可能在SCI的病程中能夠起到一定作用，且可以通過(guò)多因子聯(lián)合以排除單一因素敏感性不足的問(wèn)題[26,28-29]。

4 S100β蛋白參與脊髓損傷的機(jī)制

SCI引起的持續(xù)性炎性改變、繼發(fā)性軸突變性和神經(jīng)細(xì)胞凋亡或壞死可持續(xù)數(shù)天至數(shù)周，SCI 后炎癥反應(yīng)主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)活化的膠質(zhì)細(xì)胞和外周來(lái)源的免疫細(xì)胞等分泌細(xì)胞因子、趨化因子、活性氧和第二信使調(diào)節(jié)，是免疫、生化、病理生理過(guò)程共同作用的結(jié)果，嚴(yán)重程度取決于原發(fā)性損傷的機(jī)制及繼發(fā)性損傷的病理過(guò)程[30-31]。膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)SCI反應(yīng)迅速，在數(shù)小時(shí)內(nèi)上調(diào)炎性因子表達(dá)。已有證據(jù)表明，低和高濃度水平的S100β蛋白通過(guò)RAGE參與介導(dǎo)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生相反的效應(yīng)[10,32]。在低濃度(約納摩爾水平)時(shí)，即S100β蛋白處于生理水平下，S100β蛋白通過(guò)激活RAGE參與的Ras/MEK/ERK1/2/NF-κB通路，上調(diào)抗凋亡因子Bcl-2 ，以保護(hù)神經(jīng)元免受毒性刺激[33]；通過(guò)激活NF-κB通路刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞系增殖[34]；通過(guò)尚未明確的受體產(chǎn)生阻斷神經(jīng)毒素三甲基錫對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的激活作用，通過(guò)多種途徑起到對(duì)組織的保護(hù)作用[35]。而在高濃度(約微摩爾水平)時(shí)，同樣以RAGE介導(dǎo)的方式反而對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)劑量≥500 nmol/L時(shí)，該蛋白通過(guò)產(chǎn)生過(guò)量活性氧(ROS)和過(guò)量激活ROS依賴的MEK/ERK1/2通路，對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生爆發(fā)性毒性作用[36]，并增強(qiáng)β-淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的膠質(zhì)細(xì)胞活化[33]；其他研究發(fā)現(xiàn)劑量≥250 nmol的S100β激活RAGE / ROS / PI3-K / Akt / NADPH氧化酶/ ROS途徑導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化和Caspase-3活化，致使背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡[37]。高濃度S100β蛋白產(chǎn)生的NO導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞凋亡，以及共培養(yǎng)神經(jīng)元的凋亡。此外，S100β上調(diào)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的IL-1β表達(dá)，刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放IL-6和TNF-α。因此，S100β蛋白可以激活星形膠質(zhì)細(xì)胞，即它可能參與將星形細(xì)胞從營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞轉(zhuǎn)換為參與腦炎癥反應(yīng)的細(xì)胞的過(guò)程[11]。S100β蛋白協(xié)同細(xì)菌內(nèi)毒素和IFN-γ，上調(diào)小膠質(zhì)細(xì)胞中的NOS表達(dá)和NO釋放參與炎癥反應(yīng)[38]。刺激小膠質(zhì)細(xì)胞NO釋放的能力不依賴于RAGE轉(zhuǎn)導(dǎo)活性，但需要小膠質(zhì)細(xì)胞表面RAGE分子作為輔因子，產(chǎn)生ROS并激活MKK6-p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)[38]，因此推測(cè)在腦炎癥過(guò)程中，RAGE細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域可能錨定并將S100β蛋白募集到小膠質(zhì)細(xì)胞表面，從而允許該蛋白質(zhì)可增強(qiáng)細(xì)菌內(nèi)毒素和IFN-γ刺激NO釋放的能力。

研究表明S100β蛋白在細(xì)胞外空間持續(xù)積累，以使其能夠在小膠質(zhì)細(xì)胞中誘導(dǎo)COX-2表達(dá)，而在不影響COX-2上調(diào)IL-1B或TNF-α的劑量下，S100β蛋白可調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞中酶的釋放[23]，提示S100β蛋白作用于小膠質(zhì)細(xì)胞在大腦炎癥反應(yīng)的最初階段從保護(hù)性轉(zhuǎn)變?yōu)橛泻π?。結(jié)果表明通過(guò)結(jié)合并激活RAGE S100β可誘導(dǎo)炎性基因表達(dá)并促進(jìn)單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞中的氧化爆發(fā)。研究表明，S100β蛋白的二聚體、四聚體、八聚體或寡聚體似乎在RAGE活化的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間中具有重要作用，證明盡管RAGE的參與即使可能不是S100β對(duì)靶細(xì)胞產(chǎn)生影響的唯一手段，但RAGE肯定是S100β的重要受體[15]。綜上，針對(duì)S100β蛋白在SCI進(jìn)程中的作用機(jī)制，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，大量研究發(fā)現(xiàn)S100β在SCI發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮一定作用，本文通過(guò)回顧和分析相關(guān)基礎(chǔ)及臨床研究發(fā)現(xiàn)：①在SCI發(fā)生后，腦脊液/血清中可檢測(cè)到S100β蛋白濃度升高并與疾病嚴(yán)重程度及預(yù)后相關(guān)；②S100β蛋白在SCI的組織病理機(jī)制中起重要作用。因此，未來(lái)針對(duì)S100β蛋白在SCI的發(fā)病機(jī)制及預(yù)后評(píng)價(jià)的進(jìn)一步研究，有望為SCI的臨床治療提供新的思路。