S100β蛋白與脊髓損傷相關性研究進展*

段科科，劉時璋

1. 西安醫學院(西安 710068)；2. 陜西省人民醫院(西安交通大學第三附屬醫院)(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，具有相同臨床轉歸的一種高致殘率、高病死率并且至今尚無有效方法可治愈的中樞神經系統疾病，可造成脊髓橫斷性損傷，致損害平面以下的運動、感覺、括約肌及自主神經功能障礙。SCI病理發生機制可以分為原發性損傷與繼發性損傷。原發性損傷指致傷因素直接或間接作用于脊髓所造成的損傷，繼發性損傷是在原發性損傷基礎之上，受損的周圍組織進一步發生病變，程度加深，范圍擴大。目前針對脊髓損傷的治療為手術恢復急性損傷的結構穩定性、藥物治療營養神經及微環境、康復措施強化感覺功能恢復等多方面協同[1-2]。對脊髓損傷的研究集中于對損傷機理及損傷后神經修復的相關探索。

近年，通過對損傷后微環境改變的研究深入，有學者發現微環境的改變與損傷程度及預后水平之間存在一定的相關性，并逐步發掘和建立急性損傷后微環境生化改變與臨床損傷分級之間的聯系[3-5]。S100β蛋白是EF手型鈣離子結合蛋白家族的一員，存在于中樞神經系統中，由星型膠質細胞和少突膠質細胞等分泌[6-7]。研究發現，S100β蛋白的表達受到了多種細胞因子的調節，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[8]。近年來，學者研究發現S100β蛋白與SCI之間亦存在一定的相關性[3,9]，本文通過對S100β蛋白在脊髓損傷發病機理中的相關作用做一綜述，進一步探討S100β蛋白在作為脊髓損傷預測指標及預后評價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年從牛腦中分離發現，并因該蛋白可溶解于100%硫酸銨溶液而得名，屬于細胞內鈣結合蛋白家族。S100β蛋白作為S100蛋白家族中的一員，主要在中樞神經系統中表達，是人腦中最豐富的可溶性蛋白之一。S100β蛋白相對分子質量為21×103，是由兩個β亞基構成的二聚體，在亞基的羧基端含有一個EF手型鈣離子結合區，當鈣離子與該區域結合后蛋白構象發生改變，暴露出與靶蛋白結合的位點，發揮相應的生物學效應[10-11]。

S100β蛋白主要由中樞神經系統中的星型膠質細胞分泌，在少突膠質細胞、神經祖細胞及在外周組織的脂肪細胞、黑素細胞、皮膚及軟骨細胞中亦有少量分泌。S100β蛋白的生理功能存在胞內和胞外雙重效應[11]。在胞內，S100β蛋白調節神經元和神經膠質細胞的增殖和分化，抑制細胞凋亡及抑制星形膠質細胞活化等。在胞外，已經被證實存在濃度依賴性效應，在生理濃度(約納摩爾水平)下，可能通過與轉錄因子的相互作用調節細胞周期進展、通過增強鈣離子通量刺激神經突向外生長、刺激星形膠質細胞增殖、促進神經細胞損傷修復等保護作用；而過量分泌(約微摩爾水平)時，S100β蛋白可導致細胞功能障礙，在神經細胞變性、炎癥反應惡化及神經退行性改變等的病理生理中發揮作用[11-13]。針對S100β蛋白在神經系統疾病中作用的研究一直是相關領域學者研究的熱點，組織損傷后釋放到胞外的高濃度S100β蛋白可能通過觸發炎癥及應激相關酶的釋放，導致細胞功能障礙，在神經細胞變性和炎癥反應惡化中發揮重要作用。Alejandro,等研究表明，這些細胞外的S100β蛋白主要經晚期糖基化終產物(RAGE)的介導作用，通過RAGE / Rac-1-Cdc42途徑促進神經膠質增生，并通過NF- κB激活促進炎癥反應[14-15]。Erin等研究認為，S100β蛋白在血腦屏障的完整性被破壞時出現在血液中，S100β蛋白通過參與免疫細胞活化將血腦屏障破壞整合到全身免疫中,外滲的S100β蛋白可以觸發全身CNS免疫應答的病理性自身免疫反應[16]。因此，S100β蛋白可以被認為在神經系統疾病病理生理進程中具有重要作用。

2 S100β蛋白與神經系統損傷的關系

S100β蛋白與多種顱腦疾病的發生、發展、轉歸密切相關，如創傷性腦損傷(Traumatic brain injury， TBI)、腦卒中、腦缺血、神經退行性疾病等[17]。S100β蛋白長期以來被認為是TBI后腦損傷的重要標志物，研究發現在所有類型TBI中均檢測到血清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更明顯的升高趨勢[18]，且血清水平升高與其不良預后相關[19]。多個實驗性TBI模型顯示，TBI后早期S100β蛋白水平顯著增加，并持續長達5 d[20]。腦損傷后活化的星形膠質細胞產生過量的S100β蛋白，而S100β蛋白的釋放可能導致促炎因子如iNOS、TNF-α、IL-1B和IL-6的產生，這些因子會進一步增加小膠質細胞和星形膠質細胞的活化及神經細胞的死亡，加重神經炎癥并可能導致長期神經功能障礙[8,21]。

研究表明，S100β蛋白刺激小膠質細胞NO的釋放可能依賴于細胞表面的AGER分子和p38 MAPK等通路的激活，導致ROS的產生。細胞外的S100β蛋白促進AGER依賴性的AP1和NF-κB轉錄細胞因子、趨化因子和iNOS，以及小膠質細胞中AGER依賴性NO的產生[8]。在星形膠質細胞中，胞外S100β蛋白可激活AGER / Rac-1/Cdc42、 AGER/Erk-Akt和AGER/NF-κB通路。細胞外S100β還可通過AGER / MAPK/cyclinD1-CDK4通路的激活刺激神經變性，以及AGER/NF-κB通路的激活加速細胞周期[22]。此外，TNF-α在星形膠質細胞釋放S100β蛋白的過程中具有重要作用，表明TNF-α可能提高S100β蛋白的細胞外濃度，促進S100β蛋白進一步對小膠質細胞的激活作用[23]。Santos等研究發現，高濃度的S100β蛋白可抑制少突膠質細胞生成、導致髓鞘形成減少、損害神經元和突觸完整性，同時誘導星形膠質細胞增生、NF-κB通路激活、加速炎癥進展；設計進一步實驗通過使用RAGE拮抗劑FPS-ZM1的受體，共處理抑制了S100β蛋白誘導的破壞作用，表明S100β-RAGE軸可能是參與少突膠質細胞生成受損的機制[15]。

總的來說，S100β促進TB1后炎癥進程的激活和發展，并且需要未來進一步的研究來確定S100β蛋白介導的神經炎癥作用的具體機制。

3 S100β蛋白與脊髓損傷的關系

通過對S100β蛋白在顱腦損傷中的作用的不斷深入研究，學者發現S100β蛋白和脊髓損傷的發生亦存在一定的相關性[3,5]。Yang等人通過構建SCI大鼠模型，發現腦脊液及血清中多種蛋白質生物標志物存在時間相關性升高，其中S100β蛋白在損傷后4 h顯著升高，而在24 h時明顯降低，認為S100β蛋白可能是SCI急性期的生物標志物[24]；Brian等在通過對27個創傷性SCI患者，損傷后72 h內采集的CSF樣品的多種炎性細胞因子分析后，發現使用S100β、GFAP和IL-8建立的生化模型與損傷程度(將ASIA 分級分為A級與B/C級)及SCI后6個月時運動功能恢復存在相關性，并使用該模型準確地預測了89%的患者的損傷分級[25-26]。有人通過對60例急性SCI患者損傷當日至2周之間血清神經元特異性烯醇化酶(NSE)與S100β的監測發現，超過NSE和S100β臨界值的患者發生預后不良的風險增加，而血清水平較低的患者在遠期功能評價中獲得更好的恢復，二者可作為急性SCI預后的潛在生物標志物[27]。如前所述，在SCI的研究及診治中需要新的方法來更有效地評估損傷的嚴重程度、預測患者的預后情況，上述研究發現，包括S100β蛋白在內的多項動態變化中的生化指標可能在SCI的病程中能夠起到一定作用，且可以通過多因子聯合以排除單一因素敏感性不足的問題[26,28-29]。

4 S100β蛋白參與脊髓損傷的機制

SCI引起的持續性炎性改變、繼發性軸突變性和神經細胞凋亡或壞死可持續數天至數周，SCI 后炎癥反應主要由中樞神經系統活化的膠質細胞和外周來源的免疫細胞等分泌細胞因子、趨化因子、活性氧和第二信使調節，是免疫、生化、病理生理過程共同作用的結果，嚴重程度取決于原發性損傷的機制及繼發性損傷的病理過程[30-31]。膠質細胞對SCI反應迅速，在數小時內上調炎性因子表達。已有證據表明，低和高濃度水平的S100β蛋白通過RAGE參與介導對細胞產生相反的效應[10,32]。在低濃度(約納摩爾水平)時，即S100β蛋白處于生理水平下，S100β蛋白通過激活RAGE參與的Ras/MEK/ERK1/2/NF-κB通路，上調抗凋亡因子Bcl-2 ，以保護神經元免受毒性刺激[33]；通過激活NF-κB通路刺激星形膠質細胞系增殖[34]；通過尚未明確的受體產生阻斷神經毒素三甲基錫對小膠質細胞的激活作用，通過多種途徑起到對組織的保護作用[35]。而在高濃度(約微摩爾水平)時，同樣以RAGE介導的方式反而對神經元產生毒性作用。研究發現，當劑量≥500 nmol/L時，該蛋白通過產生過量活性氧(ROS)和過量激活ROS依賴的MEK/ERK1/2通路，對神經元產生爆發性毒性作用[36]，并增強β-淀粉樣蛋白誘導的膠質細胞活化[33]；其他研究發現劑量≥250 nmol的S100β激活RAGE / ROS / PI3-K / Akt / NADPH氧化酶/ ROS途徑導致脂質過氧化和Caspase-3活化，致使背根神經節細胞凋亡[37]。高濃度S100β蛋白產生的NO導致星形膠質細胞凋亡，以及共培養神經元的凋亡。此外，S100β上調星形膠質細胞中的IL-1β表達，刺激星形膠質細胞釋放IL-6和TNF-α。因此，S100β蛋白可以激活星形膠質細胞，即它可能參與將星形細胞從營養細胞轉換為參與腦炎癥反應的細胞的過程[11]。S100β蛋白協同細菌內毒素和IFN-γ，上調小膠質細胞中的NOS表達和NO釋放參與炎癥反應[38]。刺激小膠質細胞NO釋放的能力不依賴于RAGE轉導活性，但需要小膠質細胞表面RAGE分子作為輔因子，產生ROS并激活MKK6-p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)[38]，因此推測在腦炎癥過程中，RAGE細胞外結構域可能錨定并將S100β蛋白募集到小膠質細胞表面，從而允許該蛋白質可增強細菌內毒素和IFN-γ刺激NO釋放的能力。

研究表明S100β蛋白在細胞外空間持續積累，以使其能夠在小膠質細胞中誘導COX-2表達，而在不影響COX-2上調IL-1B或TNF-α的劑量下，S100β蛋白可調節小膠質細胞中酶的釋放[23]，提示S100β蛋白作用于小膠質細胞在大腦炎癥反應的最初階段從保護性轉變為有害性。結果表明通過結合并激活RAGE S100β可誘導炎性基因表達并促進單核細胞/巨噬細胞/小膠質細胞和嗜中性粒細胞中的氧化爆發。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活化的強度和持續時間中具有重要作用，證明盡管RAGE的參與即使可能不是S100β對靶細胞產生影響的唯一手段，但RAGE肯定是S100β的重要受體[15]。綜上，針對S100β蛋白在SCI進程中的作用機制，有必要進行進一步的研究。

5 結論與展望

綜上所述，大量研究發現S100β在SCI發病過程中發揮一定作用，本文通過回顧和分析相關基礎及臨床研究發現：①在SCI發生后，腦脊液/血清中可檢測到S100β蛋白濃度升高并與疾病嚴重程度及預后相關；②S100β蛋白在SCI的組織病理機制中起重要作用。因此，未來針對S100β蛋白在SCI的發病機制及預后評價的進一步研究，有望為SCI的臨床治療提供新的思路。