腦脊液和血液中S100B蛋白在阿爾茨海默病中的作用

李芳玲 張魏嘉 熊晶

AD作為神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要表現(xiàn)為進(jìn)行性的認(rèn)知功能障礙，伴日常生活能力的緩慢下降。2015年阿爾茨海默病國(guó)際協(xié)會(huì)(ADI)估計(jì)全球有將近4700萬(wàn)人患有癡呆癥，每年約有1000萬(wàn)新病例被診斷出，預(yù)計(jì)到2050年患有癡呆癥的人數(shù)將增加近3倍，這個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果是令人擔(dān)憂的[1]。在國(guó)內(nèi)有學(xué)者進(jìn)行了流行病學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，盡管從2009～2015年，AD和其他形式癡呆的年齡標(biāo)準(zhǔn)化死亡率有所下降，然而，由于人口老齡化的加重，AD和其他形式癡呆癥的疾病負(fù)擔(dān)正變得越來(lái)越重[2]。隨著癡呆患病人數(shù)的增加全球治療癡呆癥的成本也不斷增加[3]。目前用于治療AD的藥物在延緩疾病進(jìn)展和治愈疾病中的作用并不是很顯著，很多研究者傾向于從危險(xiǎn)因素和早期診斷入手，盡早預(yù)防和診斷AD。2011年美國(guó)國(guó)立老化研究所和阿爾茨海默病協(xié)會(huì)(NIA-AA)將生物標(biāo)志物及影像學(xué)列入AD的診斷中[4]，增加了診斷的準(zhǔn)確性，此后不斷有學(xué)者提出新的生物標(biāo)記物用于AD的診斷，目前已有研究發(fā)現(xiàn)S100B蛋白作為一個(gè)生物標(biāo)志物在AD的發(fā)病過(guò)程中起作用，本文將對(duì)S100B蛋白在AD中的作用進(jìn)行綜述。

1 S100B的起源、分布及發(fā)病機(jī)制

S100B蛋白又稱中樞神經(jīng)特異性蛋白，由學(xué)者M(jìn)oore在1965年首次發(fā)現(xiàn)的，其命名是基于S100蛋白在飽和硫酸銨溶液100%溶解的特性，作為鈣粒蛋白家族的一部分[5]，它可以幫助調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣的水平，并作為多種腦血管和神經(jīng)退行性疾病的潛在生物標(biāo)志物而引起了人們的興趣。大約80%～90%的S100B蛋白分布于大腦，其分布主要與白質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)[6]，細(xì)胞S100B蛋白主要表達(dá)于膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)和(或)細(xì)胞核中，包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和施萬(wàn)細(xì)胞，然而，在脂肪細(xì)胞和骨骼肌成肌細(xì)胞也發(fā)現(xiàn)S100B蛋白的存在[7]。因此，在血清和血漿、尿液、羊水和母乳中也可檢測(cè)到S100B蛋白，該蛋白通過(guò)腎臟排泄。

S100B蛋白具有雙重作用，在很大程度上取決于其局部濃度，當(dāng)以納摩爾濃度(可能是生理濃度)釋放時(shí)，S100B發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)作用并刺激神經(jīng)突生長(zhǎng)，成為促細(xì)胞分裂劑或神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，而在高微摩爾濃度下，S100B被認(rèn)為是一種危險(xiǎn)相關(guān)分子的模式分子，并參與神經(jīng)炎性過(guò)程，導(dǎo)致細(xì)胞損傷和凋亡[8]，這種作用是基于S100B誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子和氧化應(yīng)激相關(guān)酶的能力，并放大其他針對(duì)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的信號(hào)[9]。

S100B蛋白被認(rèn)為在多種細(xì)胞代謝過(guò)程中發(fā)揮作用，主要是通過(guò)結(jié)合關(guān)鍵的突觸蛋白并抑制其磷酸化。S100B過(guò)度分泌到細(xì)胞外的空間，特別是通過(guò)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞，會(huì)導(dǎo)致葡萄糖代謝降低[10]，目前還沒(méi)有全面了解細(xì)胞釋放S100B的機(jī)制。但是，有學(xué)者認(rèn)為可能與IL、促炎細(xì)胞因子、代謝應(yīng)激、TNF-α、胰島素釋放等相互作用有關(guān)[11-12]。先前的研究表明S100B的分泌與MAPK通路有關(guān)，可能與NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)[13]。在細(xì)胞內(nèi)，它具有鈣穩(wěn)態(tài)、蛋白質(zhì)磷酸化、細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)錄、分化、酶活性和代謝調(diào)節(jié)等多種作用[14]。細(xì)胞外S100B水平通過(guò)高級(jí)糖基化終產(chǎn)物受體(RAGE)發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)，RAGE是一種多配體受體，已知可誘導(dǎo)炎癥細(xì)胞反應(yīng)[15]。RAGE在病理應(yīng)激期間也上調(diào)，它本身是AD當(dāng)前的治療靶點(diǎn)。RAGE是主要的S100B細(xì)胞表面受體，并且與配體相互作用觸發(fā)許多信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，包括活化β細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子NF-κB輕鏈增強(qiáng)子，導(dǎo)致炎癥介質(zhì)如誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和促炎性細(xì)胞因子(包括IL-1β、IL-6和TNF-α)的上調(diào)[16]。這些細(xì)胞因子可引起神經(jīng)細(xì)胞凋亡等神經(jīng)毒性作用，可促進(jìn)神經(jīng)退行性變和神經(jīng)炎癥性疾病的進(jìn)展,所以S100B蛋白被認(rèn)為是神經(jīng)炎癥和血腦屏障功能障礙的標(biāo)志物[17]，并且越來(lái)越多的證據(jù)表明，S100B在與AD相關(guān)的致病過(guò)程中起作用。

2 AD和S100B蛋白

2.1 人類研究 目前，有關(guān)S100B水平與AD之間的關(guān)系的研究還比較少，對(duì)臨床診斷為AD的病人的腦組織進(jìn)行尸檢后發(fā)現(xiàn)，與健康個(gè)體相比，S100B過(guò)度表達(dá)[18]，這可能是由于S100B從活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放或星形膠質(zhì)細(xì)胞死亡后在細(xì)胞外空間積聚。腦脊液(CSF)中較高的S100B水平與AD病人的正常腦容量減少有關(guān)，這與神經(jīng)影像學(xué)的研究結(jié)果一致，在AD的早期階段，腦萎縮加速[19]，在近期的一項(xiàng)縱向研究中也發(fā)現(xiàn),S100B可能是腦白質(zhì)老化的一個(gè)信息性生物標(biāo)志物[20]。根據(jù)臨床癡呆(CDR)評(píng)分，輕中度AD病人的CSF中S100B水平高于嚴(yán)重病例和健康對(duì)照組[21]。Christl等[22]也發(fā)現(xiàn)，一方面S100B適用于區(qū)分輕度/中度AD病人和處于疾病晚期的病人，另一方面可以與健康對(duì)照相匹配,還揭示了AD病人的S100B與MMSE評(píng)分之間存在顯著相關(guān)性?？偟膩?lái)說(shuō)，這些結(jié)果表明,CSF中S100B水平升高與AD相關(guān)的神經(jīng)心理癥狀的出現(xiàn)和AD早期的神經(jīng)生理改變之間可能存在關(guān)聯(lián)。

與CSF中S100B水平研究相對(duì)一致的結(jié)果相反，測(cè)定AD病人血清S100B水平的研究報(bào)告了相互矛盾的結(jié)果, Chaves等[23]在2010年進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在CDR評(píng)分中，輕度AD病人血清S100B最低，中、重度分別升高, 血清S100B水平隨著疾病的嚴(yán)重程度而升高，這與Peskind等[13]2001年在CSF中的發(fā)現(xiàn)相反。此外，Lam等[7]的研究報(bào)道顯示，患有AD的個(gè)體的血清S100B水平與對(duì)照組相比有所增加，但是也有研究顯示AD組與健康對(duì)照組血清S100B水平差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[24]。CSF和血清中發(fā)現(xiàn)的差異被認(rèn)為與血腦屏障調(diào)節(jié)顱內(nèi)和外周S100B差異的動(dòng)力學(xué)有關(guān)。也有人提出，S100B低水平分泌以防止Aβ蛋白對(duì)腦的的損傷，但隨著AD的進(jìn)展，S100B增加并參與神經(jīng)元損傷[16]。在健康老年人中，血清S100B與認(rèn)知功能相關(guān)，正常生理濃度(0.24μg/L)下S100B發(fā)揮有益作用[7]。這些結(jié)果表明，CSF中S100B升高與AD嚴(yán)重程度之間存在聯(lián)系,但是，血清S100B水平與AD的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

2.2 體外研究 越來(lái)越多的證據(jù)表明S100B在與AD相關(guān)的致病過(guò)程中起作用。20世紀(jì)80年代末的研究表明，S100B蛋白在人類組織和AD實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭猩险{(diào)[18]，并且，該蛋白質(zhì)在大腦受最嚴(yán)重影響的區(qū)域表現(xiàn)出較高的表達(dá)水平，并且S100B標(biāo)記的星形膠質(zhì)細(xì)胞聚集在Tau-2標(biāo)記的斑塊周圍和內(nèi)部，而沒(méi)有Tau-2標(biāo)記的斑塊沒(méi)有S100B標(biāo)記的星形膠質(zhì)細(xì)胞[25]，此外，經(jīng)Abeta肽處理的培養(yǎng)星形膠質(zhì)細(xì)胞中S100B的表達(dá)已被證明增加，因此可以假設(shè)AD過(guò)程中涉及星形膠質(zhì)細(xì)胞S100B的致病環(huán)[26]。其他學(xué)者的體外研究表明，活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度表達(dá)S100B，導(dǎo)致Aβ前體蛋白(β-APP)增加，而β-APP是Aβ肽額外積累的來(lái)源，并在診斷為AD的人類顳葉腦組織斑塊中形成營(yíng)養(yǎng)不良的神經(jīng)軸突[27]。S100B在Aβ沉積附近的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá)，這表明S100B會(huì)降低神經(jīng)元的存活率[28]。S100B(10 ng/mL和100 ng/mL)的添加可以以劑量依賴性的方式直接增加β-APP和β-APP mRNA的表達(dá)水平，這可能導(dǎo)致Aβ的產(chǎn)生和沉積增加[29]。IL-1β與S100B一樣，也存在于斑塊內(nèi)和斑塊附近，可能導(dǎo)致APP mRNA水平升高。在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中，注射IL-1β和Aβ1-42導(dǎo)致APP免疫反應(yīng)性降低，而S100B似乎增加了APP水平[30]。

2.3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn) 很多學(xué)者使用小鼠做實(shí)驗(yàn)，對(duì)S100B過(guò)度表達(dá)或敲除S100B的小鼠進(jìn)行了行為學(xué)和病理學(xué)方面的研究，以了解S100B與AD之間的關(guān)系。與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ战M相比，攜有多個(gè)S100B基因拷貝的轉(zhuǎn)基因小鼠在評(píng)估動(dòng)物模型認(rèn)知功能的行為測(cè)試中表現(xiàn)出記憶和學(xué)習(xí)障礙[31], 并且增強(qiáng)了膠質(zhì)細(xì)胞的激活，導(dǎo)致了神經(jīng)炎癥過(guò)程增強(qiáng)。過(guò)表達(dá)S100B的轉(zhuǎn)基因小鼠具有海馬癡呆樣行為障礙，如短期記憶障礙、空間任務(wù)解決能力部分障礙、空間和非空間記憶問(wèn)題、多動(dòng)[32]，這些小鼠通過(guò)增強(qiáng)海馬的長(zhǎng)期電位表現(xiàn)出更強(qiáng)的空間記憶、增強(qiáng)的聯(lián)想情緒記憶和突觸可塑性。這些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，S100B的過(guò)度表達(dá)在行為AD癥狀學(xué)中起作用，并且當(dāng)S100B不存在時(shí)，可能會(huì)增強(qiáng)認(rèn)知能力。

在APP23小鼠的大腦中，AD小鼠模型S100B與Aβ斑塊顯示出共定位，與星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活相容[33]，并且過(guò)度表達(dá)人S100B的轉(zhuǎn)基因小鼠(TghuS100B小鼠)與Tg2576AD小鼠模型雜交，顯示腦實(shí)質(zhì)和腦血管Aβ沉積增加，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)性增生，S100B高水平表達(dá)，促炎細(xì)胞因子水平增加[28]。此外，過(guò)度表達(dá)S100B的小鼠表現(xiàn)出高磷酸化的Tau蛋白結(jié)構(gòu)，S100B參與了5-羥色胺末端的發(fā)育，但是過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致5-羥色胺神經(jīng)支配的減少和海馬末端的喪失，小鼠還表現(xiàn)出了AD中觀察到的神經(jīng)炎癥改變，包括成熟、穩(wěn)定的星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少， 激活小膠質(zhì)細(xì)胞，并增加RAGE受體的小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)[34]。一貫地，使用不同的策略抑制S100B可減弱AD樣病理。特別是抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞S100B合成，阿倫地酸可減少β-淀粉樣沉積以及β-淀粉樣斑塊相關(guān)的反應(yīng)性膠質(zhì)增生(星形細(xì)胞增多癥和小膠質(zhì)細(xì)胞增生癥)[35]。與此一致，戊烷脒是一種抗瘧原蟲(chóng)藥物，他還具有阻斷S100B和轉(zhuǎn)錄因子p53之間相互作用的特性[36]，導(dǎo)致Abeta(1-42)肽誘導(dǎo)的AD小鼠模型的反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞增生減弱和神經(jīng)元丟失[37]。

綜上所述，大部分的人類和動(dòng)物研究表明S100B蛋白參與AD的發(fā)病過(guò)程，且可作為CSF和血清中新的生物標(biāo)志物，以提高診斷和預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,是診斷、預(yù)后、甚至治療的理想中樞神經(jīng)生化指標(biāo)。但是，存在假陽(yáng)性和假陰性實(shí)驗(yàn)室錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。并且由于CSF和血清中S100B水平的差異，其實(shí)用性仍面臨挑戰(zhàn)。未來(lái)需要更多的臨床及動(dòng)物研究來(lái)證實(shí)S100B蛋白在血清中的作用。