鈣衛(wèi)蛋白S100A8/A9在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中作用的研究進(jìn)展

凌園果，徐卡婭，仇文進(jìn)，任長城，陳益民

(1.貴州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，貴陽 550004；2.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，貴陽 550004)

鈣衛(wèi)蛋白S100A8/A9是鈣結(jié)合蛋白(S100)家族的一員，也稱髓系相關(guān)蛋白8/14、MRP8/14、鈣衛(wèi)蛋白[1]。S100于20世紀(jì)60年代中期，在牛腦中被發(fā)現(xiàn)，因可在100%飽和硫酸銨中溶解而得名，該家族的多種蛋白在人類疾病中有重要價(jià)值，其中的S100A8/A9為單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、表皮細(xì)胞分泌的關(guān)鍵細(xì)胞活化因子，主要通過與血清Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)4和晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGE)的相互作用刺激免疫細(xì)胞分泌細(xì)胞因子及炎癥介質(zhì)，以促進(jìn)白細(xì)胞活化和募集[2]。目前已證實(shí)，S100A8/A9作為生物標(biāo)志物可用于評(píng)估糖尿病、痛風(fēng)等的預(yù)后及炎癥程度[1,3]，并對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如阿爾茨海默病、癲癇、腦膜炎、動(dòng)脈瘤)的診斷及預(yù)后具有重要作用。神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，目前神經(jīng)系統(tǒng)各疾病的發(fā)病機(jī)制仍無定論，但神經(jīng)炎癥與神經(jīng)性疾病的診斷、預(yù)后等密不可分，因此S100A8/A9作為新的炎癥標(biāo)志物，其在阿爾茨海默病、癲癇等神經(jīng)性疾病的診斷、治療、預(yù)后中的作用備受關(guān)注[4-5]?，F(xiàn)就S100A8/A9結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能及其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用予以綜述。

1 S100A8/A9的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能

1.1S100A8/A9的結(jié)構(gòu) 機(jī)體內(nèi)的S100A8、S100A9主要以S100A8/A9異二聚體的形式大量存在，其基因位于染色體1q21區(qū)域[6]。人類的S100A8和S100A9分別由93個(gè)氨基酸、113個(gè)氨基酸組成，此外，含有110個(gè)氨基酸的S100A9截短亞型對(duì)每個(gè)亞單位中的單半胱氨酸的氧化都很敏感，其中的聯(lián)系尚不清楚，但可能影響其與鈣離子(Ca2+)、錳離子(Mn2+)和鋅離子(Zn2+)等二價(jià)陽離子的結(jié)合親和力[7]。S100A8和S100A9因具有螺旋-環(huán)-螺旋(EF-hand)基序，使兩者結(jié)合形成異二聚體，并在機(jī)體中大量存在，其他鈣結(jié)合蛋白家族的異二聚體形式還有待研究。

S100A8、S100A9和S100A12共同構(gòu)成的鈣粒蛋白亞家族是一組在炎癥過程中起重要調(diào)節(jié)作用的蛋白質(zhì)。中性粒細(xì)胞及巨噬細(xì)胞可共同表達(dá)上述3種蛋白質(zhì)，并在炎癥發(fā)生時(shí)分泌這些蛋白質(zhì)，其中S100A12常以單體的形式存在[8]。S100蛋白家族一般不表現(xiàn)出酶活性，但可以通過結(jié)合細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)的Ca2+、Zn2+、Mn2+發(fā)揮生物學(xué)功能，從而影響其他蛋白質(zhì)的活性[9]。如單體S100A8和S100A9均具有兩個(gè)EF-hand基序，但與Ca2+結(jié)合的親和力不同，典型的C端EF-hand基序(位點(diǎn)Ⅱ)由12個(gè)氨基酸組成，與Ca2+結(jié)合的親和力較高，而非正規(guī)的N端EF-hand基序(位點(diǎn)Ⅰ)由14個(gè)氨基酸組成，與Ca2+結(jié)合能力較低，導(dǎo)致結(jié)合后C端出現(xiàn)構(gòu)象變化，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，廣泛的疏水間隙暴露，影響目標(biāo)識(shí)別[10]。S100A8/A9的異二聚體分別通過Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)位點(diǎn)與金屬離子結(jié)合，位點(diǎn)Ⅰ易與Zn2+、Mn2+結(jié)合，而位點(diǎn)Ⅱ易與Zn2+穩(wěn)定結(jié)合，但不能結(jié)合Mn2+，S100A8/A9與Zn2+和Mn2+結(jié)合后，與細(xì)菌螯合可促使細(xì)菌缺乏營養(yǎng)支持，從而抑制細(xì)菌增殖[11]。

1.2細(xì)胞內(nèi)S100A8/A9的生物學(xué)功能 細(xì)胞骨架和質(zhì)膜之間的聯(lián)系受Ca2+介導(dǎo)，其中細(xì)胞內(nèi)S100A8/A9起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，在炎癥過程中，S100A8/A9通過與Ca2+和p38促分裂原活化的蛋白激酶信號(hào)通路的結(jié)合逆轉(zhuǎn)微管形成，導(dǎo)致細(xì)胞骨架重排，促使白細(xì)胞有效遷移[12]，而S100A8/A9基因敲除小鼠出現(xiàn)白細(xì)胞遷移不足的現(xiàn)象，其原因?yàn)槿狈100A8/A9的中性粒細(xì)胞中的聚合微管蛋白減少，細(xì)胞分裂周期蛋白42激活受損，從而影響細(xì)胞骨架的重排，表明細(xì)胞內(nèi)S100A8/A9復(fù)合體對(duì)細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)有重要影響[12]。與Ca2+結(jié)合的S100A8/A9具有抗菌特性，參與機(jī)體保護(hù)，當(dāng)Ca2+結(jié)合環(huán)突變時(shí)，這種抗菌特性基本喪失[13]。除S100A8/A9自身發(fā)揮抗菌作用外，其還通過刺激細(xì)胞核促進(jìn)免疫應(yīng)答。研究顯示，在細(xì)胞核的染色質(zhì)集中區(qū)域可檢測(cè)到S100A8/A9，推測(cè)細(xì)胞核中S100A8/A9可與組蛋白、核小體結(jié)合，繼而影響補(bǔ)體C3的表達(dá)，促使免疫應(yīng)答[14]。

1.3細(xì)胞外S100A8/A9的生物學(xué)功能 S100A8/A9的被動(dòng)釋放是通過細(xì)胞壞死、細(xì)胞損傷后誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。細(xì)胞受損后，免疫細(xì)胞介導(dǎo)炎癥發(fā)生，促使炎癥細(xì)胞募集，使炎癥微環(huán)境和循環(huán)中炎癥細(xì)胞大量分泌S100A8/A9至細(xì)胞外，以此作為宿主炎癥發(fā)生的危險(xiǎn)信號(hào)[15]。S100A8/A9釋放增加后，通過結(jié)合糖胺多糖、RAGE、TLR4對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞起趨化和促炎作用[16]。除趨化、促炎功能外，S100A8/A9還通過上調(diào)黏附分子的表達(dá)以及增強(qiáng)白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用來刺激白細(xì)胞遷移，黏附分子改變內(nèi)皮細(xì)胞之間的細(xì)胞間接觸，促使血管通透性增加以及白細(xì)胞外滲速度加快，通過上調(diào)巨噬細(xì)胞分化抗原1的表達(dá)和增加L-選擇素的脫落，促使中性粒細(xì)胞與纖維蛋白原的黏附，調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答[17]。

2 S100A8/A9在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的意義

蛋白質(zhì)約占免疫細(xì)胞質(zhì)的45%，其中S100A8/A9在中性粒細(xì)胞和髓源性樹突狀細(xì)胞中的儲(chǔ)存量足夠[1]。神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如腦膜炎、阿爾茨海默病、癲癇)的進(jìn)展受到免疫和炎癥微環(huán)境的調(diào)節(jié)，其中S100A8/A9發(fā)揮重要作用[5,18-19]。

2.1S100A8/A9與肺炎鏈球菌性腦膜炎 細(xì)菌性腦膜炎屬于嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染性疾病，致死、致殘率極高，其中肺炎鏈球菌性腦膜炎最常見，患者往往存在腦水腫、神經(jīng)發(fā)育遲緩、運(yùn)動(dòng)障礙、視力損害等后遺癥，主要由肺炎鏈球菌侵襲引起的大量中性粒細(xì)胞釋放導(dǎo)致[20-22]。中性粒細(xì)胞是腦脊液中的主要免疫細(xì)胞，肺炎鏈球菌感染腦脊液時(shí)，釋放至細(xì)胞外的S100A8/A9刺激中性粒細(xì)胞發(fā)生黏附和遷移，通過增強(qiáng)吞噬作用增加中性粒細(xì)胞的殺菌活性，同時(shí)S100A8/A9與TLR4結(jié)合后可誘導(dǎo)白細(xì)胞介素-6、腫瘤壞死因子-α等炎癥介質(zhì)分泌增加，促使炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)擴(kuò)大[23]。Wache等[19]發(fā)現(xiàn)，肺炎鏈球菌腦膜炎患者和小鼠的腦脊液中存在大量S100A8/A9的表達(dá)；通過將S100A8/A9直接注入小鼠腦脊液發(fā)現(xiàn)，在注入S100A8/A9后2～3 d小鼠腦組織神經(jīng)元丟失，且隨時(shí)間推移神經(jīng)元死亡數(shù)量遞增，在抗生素治療期間，缺乏S100A8/A9小鼠的炎癥消退更好，同時(shí)其神經(jīng)功能保留更完善，證實(shí)了S100A8/A9的促炎作用。周陽等[24]的研究證實(shí)，S100A8/A9與腦膜炎疾病嚴(yán)重程度、腦水腫、腦腫脹、腦組織神經(jīng)元的丟失呈正相關(guān)，通過抑制劑阻斷S100A8/A9分泌增加可改善腦膜炎癥狀，降低炎癥損害。Huang等[25]發(fā)現(xiàn)，注射S100A8/A9的肺炎鏈球菌腦膜炎小鼠的核因子κB p65的表達(dá)增強(qiáng)，促炎因子和趨化因子分泌增加，故推測(cè)通過直接抑制S100A8/A9分泌或抑制與S100A8/A9激活相關(guān)的信號(hào)通路可影響炎癥反應(yīng)，但目前其機(jī)制尚不清楚，仍需深入了解S100A8/A9的病理生理機(jī)制，以進(jìn)行更詳細(xì)的干預(yù)。

2.2S100A8/A9與癲癇 癲癇是一種神經(jīng)和全身性疾病，影響全球約7 000萬人，且影響人數(shù)逐年遞增，已成為一個(gè)全球健康問題，以反復(fù)發(fā)生為特征，可能與異?；蜻^度的腦神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)，目前其分子生物學(xué)機(jī)制仍未闡明，故尚無有效的靶向治療[26]。因此，亟須尋找新的抗癲癇治療策略以克服現(xiàn)有抗癲癇藥物的局限性。

神經(jīng)炎癥在癲癇發(fā)生及其持續(xù)狀態(tài)中起重要作用，其中先天免疫的關(guān)鍵受體TLR4在癲癇發(fā)生中有重要價(jià)值[5]。Maroso等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，TLR4在人致癇組織中的表達(dá)增加，使用TLR4拮抗劑可縮短癲癇發(fā)作時(shí)間，減少急慢性癲癇復(fù)發(fā)，且TLR4缺陷C3H/HeJ小鼠對(duì)海氨酸誘發(fā)的癲癇具有抗性，表明先天免疫受體TLR4在引發(fā)和延長癲癇發(fā)作時(shí)間中起關(guān)鍵作用。TLR4在癲癇中的作用與其通路中配體的關(guān)系密切，其中S100A8/A9作為TLR4的內(nèi)源性配體在TLR4介導(dǎo)的炎性通路上發(fā)揮重要生物學(xué)特性[1]。

S100A8/A9所致內(nèi)側(cè)顳葉癲癇是一種常見的難治性癲癇[28]。在急性、潛伏、慢性內(nèi)側(cè)顳葉癲癇的整個(gè)發(fā)展階段，海馬中S100A8/A9的表達(dá)水平均高于正常人群，且海馬CA1、CA3和齒狀回等所有區(qū)域均可觀察到S100A8/A9的免疫組織化學(xué)定位，與健康兒童相比，內(nèi)側(cè)顳葉癲癇兒童海馬組織中的S100A8/A9水平明顯升高，其原因在于S100A8/A9與TLR4結(jié)合并觸發(fā)核因子κB信號(hào)通路，促使白細(xì)胞介素-1β產(chǎn)生，從而維持炎癥微環(huán)境的持續(xù)存在，以持續(xù)刺激內(nèi)側(cè)顳葉皮質(zhì)，使癲癇發(fā)作時(shí)間延長[29]?？傊?，S100A8/A9可能作為上調(diào)癲癇易感性的治療靶點(diǎn)，但目前尚無通過拮抗S100A8/A9控制癲癇的實(shí)驗(yàn)研究證據(jù)，故仍有待進(jìn)一步研究。

2.3S100A8/A9與阿爾茨海默病 阿爾茨海默病作為神經(jīng)退行性疾病，與年齡息息相關(guān)[30]。其發(fā)病機(jī)制與人類大腦皮質(zhì)和邊緣區(qū)β淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)的細(xì)胞外聚集和細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)有關(guān)，以記憶喪失和逐漸退化的神經(jīng)認(rèn)知功能為主要癥狀[4]。因此，對(duì)Aβ斑塊及其周圍環(huán)境的研究有利于未來阿爾茨海默病治療策略的制訂。在阿爾茨海默病小鼠和阿爾茨海默病患者的大腦中，淀粉樣斑塊和鄰近活化小膠質(zhì)細(xì)胞中的S100A8和S100A9水平均顯著上調(diào)，提示S100A8/A9在阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制中可能具有重要意義[31-32]。研究發(fā)現(xiàn)，S100A8/A9誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞的廣泛激活和包括腫瘤壞死因子-α和γ干擾素在內(nèi)的多種炎癥因子的表達(dá)，這些因子誘導(dǎo)β-分泌酶1和β-分泌酶2啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致β-分泌酶切割的β淀粉樣前體蛋白的C端片段增加，隨后Aβ的產(chǎn)生增加[33]。Aβ與S100A9交鏈區(qū)的結(jié)合觸發(fā)了Aβ和S100A9之間的相互作用，可加速原纖維淀粉樣結(jié)構(gòu)的形成并降低S100A9介導(dǎo)的細(xì)胞毒性[18]。此外，在小鼠AD模型中，S100A8聚集早于Aβ沉積，表明S100A8和Aβ表達(dá)之間存在正反饋[18,32]。敲除S100A9的Tg2576小鼠的記憶功能和神經(jīng)病理學(xué)有所改善，同時(shí)Aβ和Aβ斑塊負(fù)荷減少[34]。在β淀粉樣前體蛋白/早老素1的小鼠模型中，S100A9的缺失導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)原纖維淀粉樣蛋白和β淀粉樣前體蛋白的吞噬增加，從而減輕淀粉樣蛋白負(fù)荷、改善阿爾茨海默病的癥狀[33]。因此，S100A8/A9在炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)和淀粉樣斑塊之間起著強(qiáng)有力的聯(lián)系作用，有助于阿爾茨海默病的治療。

2.4S100A8/A9與腦動(dòng)脈瘤 腦動(dòng)脈瘤具有內(nèi)部彈性層和介質(zhì)破裂的病理性壁結(jié)構(gòu)特征，這導(dǎo)致動(dòng)脈壁的局部弱化[35]。據(jù)估計(jì)，普通人群中未破裂腦動(dòng)脈瘤的患病率為2%～5%[36]。近年來，腦動(dòng)脈瘤形成、生長和破裂的病理生理學(xué)機(jī)制一直是研究的焦點(diǎn)。動(dòng)脈瘤的形成過程與動(dòng)脈粥樣硬化的病理生理機(jī)制相似，兩者均受到巨噬細(xì)胞的影響[37-38]。其中巨噬細(xì)胞分泌的S100A8/A9有助于神經(jīng)炎癥的持續(xù)存在，長期炎癥刺激下的血管壁平滑肌細(xì)胞出現(xiàn)表型調(diào)節(jié)后，血管壁基質(zhì)合成能力下降，而血管壁平滑肌細(xì)胞是動(dòng)脈壁基質(zhì)中主要的基質(zhì)合成細(xì)胞，因此其功能障礙導(dǎo)致膠原合成失調(diào)和細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu)，促使內(nèi)部彈性層逐漸破壞，最終形成動(dòng)脈瘤[39]。既往研究顯示，巨大動(dòng)脈瘤瘤體周圍的S100A8/A9沉積與動(dòng)脈瘤的破裂相關(guān)，推測(cè)這種現(xiàn)象可能由神經(jīng)炎癥引起，并受到RAGE和TLR4的介導(dǎo)[40]。與已破裂的動(dòng)脈瘤相比，未破裂動(dòng)脈瘤以穩(wěn)定方式存在，但并非長期處于炎癥狀態(tài)，隨著檢測(cè)部位的不同，S100A8/A9水平可能存在差異，故推測(cè)未破裂動(dòng)脈瘤的血清S100A8/A9水平未明顯升高。de Korte等[41]的研究亦證實(shí)了上述觀點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)未破裂動(dòng)脈瘤患者血清S100A8/A9水平并未高于正常人群，而動(dòng)脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血患者的動(dòng)、靜脈血清中S100A8/A9水平明顯高于未破裂動(dòng)脈瘤患者，因此S100A8/A9可能對(duì)動(dòng)脈瘤破裂有預(yù)測(cè)價(jià)值。既往存在基礎(chǔ)疾病(如糖尿病、痛風(fēng)、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎)患者的血清S100A8/A9水平亦升高，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)排除基礎(chǔ)疾病干擾后發(fā)現(xiàn)，S100A8/A9在破裂動(dòng)脈瘤慢性炎癥中表達(dá)仍上調(diào)[1,3,42]。最近，Wang等[43]研究顯示，急性動(dòng)脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血患者血清S100A8/A9水平升高，且S100A8/A9水平越高，患者3個(gè)月后的預(yù)后評(píng)分越差、近期并發(fā)癥(如腦水腫、動(dòng)脈瘤破裂復(fù)發(fā)、腦缺血)的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)越大，但目前S100A8/A9在動(dòng)脈瘤中的分子生物學(xué)機(jī)制仍不清楚，尚無法肯定其在動(dòng)脈瘤診斷、預(yù)后等方面的意義。但蛛網(wǎng)膜下腔出血可刺激中性粒細(xì)胞大量釋放，從而刺激細(xì)胞內(nèi)S100A8/A9分泌，S100A8/A9與RAGE和TLR4結(jié)合后，不僅上調(diào)細(xì)胞因子、活性氧類等相關(guān)炎癥介質(zhì)，同時(shí)可正反饋調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞及中性粒細(xì)胞，使S100A8/A9分泌明顯上調(diào)[16,43]。

3 S100A8/A9作為神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療靶點(diǎn)的可能性

S100A8/A9作為TLR4和RAGE的主要內(nèi)源性配體之一，除激活其自身主要通路外，還可通過激活促分裂原活化的蛋白激酶和NF-κB信號(hào)通路來促使TLR4和RAGE通路的促炎級(jí)聯(lián)反應(yīng)放大[1]。因此，直接靶向抑制或阻斷S100A8/A9通路有利于控制神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如阿爾茨海默病、創(chuàng)傷性腦損傷)的疾病進(jìn)程。Qiu等[44]對(duì)S100A9缺失小鼠構(gòu)建的創(chuàng)傷性腦損傷動(dòng)物模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與一般創(chuàng)傷性腦損傷小鼠相比，S100A9缺失小鼠腦組織中的神經(jīng)炎癥減少、神經(jīng)元損害程度降低。S100A8/A9基因的上調(diào)在阿爾茨海默病神經(jīng)病理學(xué)和記憶障礙中起重要作用，可作為Aβ和神經(jīng)炎癥級(jí)聯(lián)之間的聯(lián)系，可能成為治療靶點(diǎn)[32]。因此，在阿爾茨海默病的慢性炎癥期，減少S100A8/A9分泌可能有助于調(diào)整疾病進(jìn)程、改善預(yù)后。目前尚無直接抑制S100A8/A9的藥物，有實(shí)驗(yàn)顯示，使用喹啉-3-羧基亞胺ABR-215757可成功阻斷小鼠體內(nèi)S100A8/A9與RAGE和TLR4的相互作用，改善神經(jīng)炎癥[45]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)已證明，S100A8/A9可在部分神經(jīng)疾病中發(fā)揮作用，但其臨床應(yīng)用仍需更多研究證據(jù)的支持[24,29,44]。因此，迫切需要了解S100A8/A9的具體生物學(xué)功能及其在不同炎癥疾病中的確切分子機(jī)制。

4 小 結(jié)

S100A8/A9是具有巨大潛力的神經(jīng)系統(tǒng)疾病生物標(biāo)志物及未來治療靶點(diǎn)。作為S100家族的成員之一，S100A8/A9在腦膜炎中具有促炎作用，可加重病情進(jìn)展；并可通過與TLR結(jié)合延長難治性癲癇的持續(xù)時(shí)間；此外，還參與了阿爾茨海默淀粉樣β斑塊的上調(diào)。在腦動(dòng)脈瘤破裂前后，S100A8/A9水平存在顯著差異。在創(chuàng)傷性小鼠模型中，S100A9缺失有利于減少神經(jīng)炎癥、增強(qiáng)對(duì)神經(jīng)元的保護(hù)[44]。目前，通過喹啉-3-羧基亞胺ABR-215757可阻斷S100A8/A9與TLR4的結(jié)合，但尚缺少阻斷S100A8/A9分泌的直接抑制劑。