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研究S100β蛋白与脊髓损伤的相关性

2020-06-02 145 上传者：管理员

摘要：脊髓损伤(SCI)是一种高致残率、高病死率并且至今尚无有效方法可治愈的中枢神经系统疾病,可造成脊髓横断性损伤,致损害平面以下运动、感觉及自主神经功能障碍。SCI病理发生机制包括原发性损伤与继发性损伤,继发性损伤是指在原发性损伤基础之上,受损的周围组织进一步发生病变,导致损伤的程度加深、范围扩大等改变,其中微环境的改变与损伤程度及预后水平之间存在一定的相关性。存在于中枢神经系统中、由星型胶质细胞和少突胶质细胞等分泌的S100β蛋白在各种原因所致的脑损伤及颅脑疾病中均有一定程度的高表达。近年研究发现S100β蛋白与脊髓损伤的病理机制存在一定的相关性,本文通过对S100β蛋白在脊髓损伤中的相关作用做一综述,探讨S100β蛋白在作为脊髓损伤预测指标及预后评价因子等方面的潜在作用,期望为进一步研究提供参考。

关键词：
S100β蛋白
神经外科
神经系统损伤
继发性损伤
脊髓损伤
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脊髓损伤(Spinalcordinjury,SCI)是指由外伤、炎症、肿瘤等不同原因引起,具有相同临床转归的一种高致残率、高病死率并且至今尚无有效方法可治愈的中枢神经系统疾病,可造成脊髓横断性损伤,致损害平面以下的运动、感觉、括约肌及自主神经功能障碍。SCI病理发生机制可以分为原发性损伤与继发性损伤。原发性损伤指致伤因素直接或间接作用于脊髓所造成的损伤,继发性损伤是在原发性损伤基础之上,受损的周围组织进一步发生病变,程度加深,范围扩大。目前针对脊髓损伤的治疗为手术恢复急性损伤的结构稳定性、药物治疗营养神经及微环境、康复措施强化感觉功能恢复等多方面协同[1,2]。对脊髓损伤的研究集中于对损伤机理及损伤后神经修复的相关探索。

近年,通过对损伤后微环境改变的研究深入,有学者发现微环境的改变与损伤程度及预后水平之间存在一定的相关性,并逐步发掘和建立急性损伤后微环境生化改变与临床损伤分级之间的联系[3,4,5]。S100β蛋白是EF手型钙离子结合蛋白家族的一员,存在于中枢神经系统中,由星型胶质细胞和少突胶质细胞等分泌[6,7]。研究发现,S100β蛋白的表达受到了多种细胞因子的调节,在各种原因所致的脑损伤及颅脑疾病中,S100β蛋白均有一定程度的分泌增高表现[8]。近年来,学者研究发现S100β蛋白与SCI之间亦存在一定的相关性[3,9],本文通过对S100β蛋白在脊髓损伤发病机理中的相关作用做一综述,进一步探讨S100β蛋白在作为脊髓损伤预测指标及预后评价因子等方面的潜在作用。

1、S100β蛋白概述

S100蛋白最初是由Moore在1965年从牛脑中分离发现,并因该蛋白可溶解于100%硫酸铵溶液而得名,属于细胞内钙结合蛋白家族。S100β蛋白作为S100蛋白家族中的一员,主要在中枢神经系统中表达,是人脑中最丰富的可溶性蛋白之一。S100β蛋白相对分子质量为21×103,是由两个β亚基构成的二聚体,在亚基的羧基端含有一个EF手型钙离子结合区,当钙离子与该区域结合后蛋白构象发生改变,暴露出与靶蛋白结合的位点,发挥相应的生物学效应[10,11]。

S100β蛋白主要由中枢神经系统中的星型胶质细胞分泌,在少突胶质细胞、神经祖细胞及在外周组织的脂肪细胞、黑素细胞、皮肤及软骨细胞中亦有少量分泌。S100β蛋白的生理功能存在胞内和胞外双重效应[11]。在胞内,S100β蛋白调节神经元和神经胶质细胞的增殖和分化,抑制细胞凋亡及抑制星形胶质细胞活化等。在胞外,已经被证实存在浓度依赖性效应,在生理浓度(约纳摩尔水平)下,可能通过与转录因子的相互作用调节细胞周期进展、通过增强钙离子通量刺激神经突向外生长、刺激星形胶质细胞增殖、促进神经细胞损伤修复等保护作用;而过量分泌(约微摩尔水平)时,S100β蛋白可导致细胞功能障碍,在神经细胞变性、炎症反应恶化及神经退行性改变等的病理生理中发挥作用[11,12,13]。针对S100β蛋白在神经系统疾病中作用的研究一直是相关领域学者研究的热点,组织损伤后释放到胞外的高浓度S100β蛋白可能通过触发炎症及应激相关酶的释放,导致细胞功能障碍,在神经细胞变性和炎症反应恶化中发挥重要作用。Alejandro,等研究表明,这些细胞外的S100β蛋白主要经晚期糖基化终产物(RAGE)的介导作用,通过RAGE/Rac-1-Cdc42途径促进神经胶质增生,并通过NF-κB激活促进炎症反应[14,15]。Erin等研究认为,S100β蛋白在血脑屏障的完整性被破坏时出现在血液中,S100β蛋白通过参与免疫细胞活化将血脑屏障破坏整合到全身免疫中,外渗的S100β蛋白可以触发全身CNS免疫应答的病理性自身免疫反应[16]。因此,S100β蛋白可以被认为在神经系统疾病病理生理进程中具有重要作用。

2、S100β蛋白与神经系统损伤的关系

S100β蛋白与多种颅脑疾病的发生、发展、转归密切相关,如创伤性脑损伤(Traumaticbraininjury,TBI)、脑卒中、脑缺血、神经退行性疾病等[17]。S100β蛋白长期以来被认为是TBI后脑损伤的重要标志物,研究发现在所有类型TBI中均检测到血清S100β蛋白浓度增加,局灶性损伤(如脑挫伤和硬膜下血肿)与弥漫性损伤相比呈现更明显的升高趋势[18],且血清水平升高与其不良预后相关[19]。多个实验性TBI模型显示,TBI后早期S100β蛋白水平显著增加,并持续长达5d[20]。脑损伤后活化的星形胶质细胞产生过量的S100β蛋白,而S100β蛋白的释放可能导致促炎因子如iNOS、TNF-α、IL-1B和IL-6的产生,这些因子会进一步增加小胶质细胞和星形胶质细胞的活化及神经细胞的死亡,加重神经炎症并可能导致长期神经功能障碍[8,21]。

研究表明,S100β蛋白刺激小胶质细胞NO的释放可能依赖于细胞表面的AGER分子和p38MAPK等通路的激活,导致ROS的产生。细胞外的S100β蛋白促进AGER依赖性的AP1和NF-κB转录细胞因子、趋化因子和iNOS,以及小胶质细胞中AGER依赖性NO的产生[8]。在星形胶质细胞中,胞外S100β蛋白可激活AGER/Rac-1/Cdc42、AGER/Erk-Akt和AGER/NF-κB通路。细胞外S100β还可通过AGER/MAPK/cyclinD1-CDK4通路的激活刺激神经变性,以及AGER/NF-κB通路的激活加速细胞周期[22]。此外,TNF-α在星形胶质细胞释放S100β蛋白的过程中具有重要作用,表明TNF-α可能提高S100β蛋白的细胞外浓度,促进S100β蛋白进一步对小胶质细胞的激活作用[23]。Santos等研究发现,高浓度的S100β蛋白可抑制少突胶质细胞生成、导致髓鞘形成减少、损害神经元和突触完整性,同时诱导星形胶质细胞增生、NF-κB通路激活、加速炎症进展;设计进一步实验通过使用RAGE拮抗剂FPS-ZM1的受体,共处理抑制了S100β蛋白诱导的破坏作用,表明S100β-RAGE轴可能是参与少突胶质细胞生成受损的机制[15]。

总的来说,S100β促进TB1后炎症进程的激活和发展,并且需要未来进一步的研究来确定S100β蛋白介导的神经炎症作用的具体机制。

3、S100β蛋白与脊髓损伤的关系

通过对S100β蛋白在颅脑损伤中的作用的不断深入研究,学者发现S100β蛋白和脊髓损伤的发生亦存在一定的相关性[3,5]。Yang等人通过构建SCI大鼠模型,发现脑脊液及血清中多种蛋白质生物标志物存在时间相关性升高,其中S100β蛋白在损伤后4h显著升高,而在24h时明显降低,认为S100β蛋白可能是SCI急性期的生物标志物[24];Brian等在通过对27个创伤性SCI患者,损伤后72h内采集的CSF样品的多种炎性细胞因子分析后,发现使用S100β、GFAP和IL-8建立的生化模型与损伤程度(将ASIA分级分为A级与B/C级)及SCI后6个月时运动功能恢复存在相关性,并使用该模型准确地预测了89%的患者的损伤分级[25,26]。有人通过对60例急性SCI患者损伤当日至2周之间血清神经元特异性烯醇化酶(NSE)与S100β的监测发现,超过NSE和S100β临界值的患者发生预后不良的风险增加,而血清水平较低的患者在远期功能评价中获得更好的恢复,二者可作为急性SCI预后的潜在生物标志物[27]。如前所述,在SCI的研究及诊治中需要新的方法来更有效地评估损伤的严重程度、预测患者的预后情况,上述研究发现,包括S100β蛋白在内的多项动态变化中的生化指标可能在SCI的病程中能够起到一定作用,且可以通过多因子联合以排除单一因素敏感性不足的问题[26,28,29]。

4、S100β蛋白参与脊髓损伤的机制

SCI引起的持续性炎性改变、继发性轴突变性和神经细胞凋亡或坏死可持续数天至数周,SCI后炎症反应主要由中枢神经系统活化的胶质细胞和外周来源的免疫细胞等分泌细胞因子、趋化因子、活性氧和第二信使调节,是免疫、生化、病理生理过程共同作用的结果,严重程度取决于原发性损伤的机制及继发性损伤的病理过程[30,31]。胶质细胞对SCI反应迅速,在数小时内上调炎性因子表达。已有证据表明,低和高浓度水平的S100β蛋白通过RAGE参与介导对细胞产生相反的效应[10,32]。在低浓度(约纳摩尔水平)时,即S100β蛋白处于生理水平下,S100β蛋白通过激活RAGE参与的Ras/MEK/ERK1/2/NF-κB通路,上调抗凋亡因子Bcl-2,以保护神经元免受毒性刺激[33];通过激活NF-κB通路刺激星形胶质细胞系增殖[34];通过尚未明确的受体产生阻断神经毒素三甲基锡对小胶质细胞的激活作用,通过多种途径起到对组织的保护作用[35]。而在高浓度(约微摩尔水平)时,同样以RAGE介导的方式反而对神经元产生毒性作用。研究发现,当剂量≥500nmol/L时,该蛋白通过产生过量活性氧(ROS)和过量激活ROS依赖的MEK/ERK1/2通路,对神经元产生爆发性毒性作用[36],并增强β-淀粉样蛋白诱导的胶质细胞活化[33];其他研究发现剂量≥250nmol的S100β激活RAGE/ROS/PI3-K/Akt/NADPH氧化酶/ROS途径导致脂质过氧化和Caspase-3活化,致使背根神经节细胞凋亡[37]。高浓度S100β蛋白产生的NO导致星形胶质细胞凋亡,以及共培养神经元的凋亡。此外,S100β上调星形胶质细胞中的IL-1β表达,刺激星形胶质细胞释放IL-6和TNF-α。因此,S100β蛋白可以激活星形胶质细胞,即它可能参与将星形细胞从营养细胞转换为参与脑炎症反应的细胞的过程[11]。S100β蛋白协同细菌内毒素和IFN-γ,上调小胶质细胞中的NOS表达和NO释放参与炎症反应[38]。刺激小胶质细胞NO释放的能力不依赖于RAGE转导活性,但需要小胶质细胞表面RAGE分子作为辅因子,产生ROS并激活MKK6-p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)[38],因此推测在脑炎症过程中,RAGE细胞外结构域可能锚定并将S100β蛋白募集到小胶质细胞表面,从而允许该蛋白质可增强细菌内毒素和IFN-γ刺激NO释放的能力。

研究表明S100β蛋白在细胞外空间持续积累,以使其能够在小胶质细胞中诱导COX-2表达,而在不影响COX-2上调IL-1B或TNF-α的剂量下,S100β蛋白可调节小胶质细胞中酶的释放[23],提示S100β蛋白作用于小胶质细胞在大脑炎症反应的最初阶段从保护性转变为有害性。结果表明通过结合并激活RAGES100β可诱导炎性基因表达并促进单核细胞/巨噬细胞/小胶质细胞和嗜中性粒细胞中的氧化爆发。研究表明,S100β蛋白的二聚体、四聚体、八聚体或寡聚体似乎在RAGE活化的强度和持续时间中具有重要作用,证明尽管RAGE的参与即使可能不是S100β对靶细胞产生影响的唯一手段,但RAGE肯定是S100β的重要受体[15]。综上,针对S100β蛋白在SCI进程中的作用机制,有必要进行进一步的研究。

5、结论与展望

综上所述,大量研究发现S100β在SCI发病过程中发挥一定作用,本文通过回顾和分析相关基础及临床研究发现:①在SCI发生后,脑脊液/血清中可检测到S100β蛋白浓度升高并与疾病严重程度及预后相关;②S100β蛋白在SCI的组织病理机制中起重要作用。因此,未来针对S100β蛋白在SCI的发病机制及预后评价的进一步研究,有望为SCI的临床治疗提供新的思路。

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基金:陕西省科技计划重点项目-社会发展领域(2018ZDXM-SF-057);