鈣衛蛋白S100A8/A9在神經系統疾病中作用的研究進展

凌園果，徐卡婭，仇文進，任長城，陳益民

(1.貴州醫科大學臨床醫學院，貴陽 550004；2.貴州醫科大學附屬醫院神經外科，貴陽 550004)

鈣衛蛋白S100A8/A9是鈣結合蛋白(S100)家族的一員，也稱髓系相關蛋白8/14、MRP8/14、鈣衛蛋白[1]。S100于20世紀60年代中期，在牛腦中被發現，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值，其中的S100A8/A9為單核細胞、中性粒細胞、淋巴細胞、內皮細胞、表皮細胞分泌的關鍵細胞活化因子，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物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGE)的相互作用刺激免疫細胞分泌細胞因子及炎癥介質，以促進白細胞活化和募集[2]。目前已證實，S100A8/A9作為生物標志物可用于評估糖尿病、痛風等的預后及炎癥程度[1,3]，并對神經系統疾病(如阿爾茨海默病、癲癇、腦膜炎、動脈瘤)的診斷及預后具有重要作用。神經系統疾病的發病機制復雜，目前神經系統各疾病的發病機制仍無定論，但神經炎癥與神經性疾病的診斷、預后等密不可分，因此S100A8/A9作為新的炎癥標志物，其在阿爾茨海默病、癲癇等神經性疾病的診斷、治療、預后中的作用備受關注[4-5]。現就S100A8/A9結構、生物學功能及其在神經系統疾病中的作用予以綜述。

1 S100A8/A9的結構和生物學功能

1.1S100A8/A9的結構 機體內的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區域[6]。人類的S100A8和S100A9分別由93個氨基酸、113個氨基酸組成，此外，含有110個氨基酸的S100A9截短亞型對每個亞單位中的單半胱氨酸的氧化都很敏感，其中的聯系尚不清楚，但可能影響其與鈣離子(Ca2+)、錳離子(Mn2+)和鋅離子(Zn2+)等二價陽離子的結合親和力[7]。S100A8和S100A9因具有螺旋-環-螺旋(EF-hand)基序，使兩者結合形成異二聚體，并在機體中大量存在，其他鈣結合蛋白家族的異二聚體形式還有待研究。

S100A8、S100A9和S100A12共同構成的鈣粒蛋白亞家族是一組在炎癥過程中起重要調節作用的蛋白質。中性粒細胞及巨噬細胞可共同表達上述3種蛋白質，并在炎癥發生時分泌這些蛋白質，其中S100A12常以單體的形式存在[8]。S100蛋白家族一般不表現出酶活性，但可以通過結合細胞外和細胞內的Ca2+、Zn2+、Mn2+發揮生物學功能，從而影響其他蛋白質的活性[9]。如單體S100A8和S100A9均具有兩個EF-hand基序，但與Ca2+結合的親和力不同，典型的C端EF-hand基序(位點Ⅱ)由12個氨基酸組成，與Ca2+結合的親和力較高，而非正規的N端EF-hand基序(位點Ⅰ)由14個氨基酸組成，與Ca2+結合能力較低，導致結合后C端出現構象變化，蛋白質結構改變，廣泛的疏水間隙暴露，影響目標識別[10]。S100A8/A9的異二聚體分別通過Ⅰ、Ⅱ兩個位點與金屬離子結合，位點Ⅰ易與Zn2+、Mn2+結合，而位點Ⅱ易與Zn2+穩定結合，但不能結合Mn2+，S100A8/A9與Zn2+和Mn2+結合后，與細菌螯合可促使細菌缺乏營養支持，從而抑制細菌增殖[11]。

1.2細胞內S100A8/A9的生物學功能 細胞骨架和質膜之間的聯系受Ca2+介導，其中細胞內S100A8/A9起重要作用。研究發現，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通路的結合逆轉微管形成，導致細胞骨架重排，促使白細胞有效遷移[12]，而S100A8/A9基因敲除小鼠出現白細胞遷移不足的現象，其原因為缺乏S100A8/A9的中性粒細胞中的聚合微管蛋白減少，細胞分裂周期蛋白42激活受損，從而影響細胞骨架的重排，表明細胞內S100A8/A9復合體對細胞骨架調節有重要影響[12]。與Ca2+結合的S100A8/A9具有抗菌特性，參與機體保護，當Ca2+結合環突變時，這種抗菌特性基本喪失[13]。除S100A8/A9自身發揮抗菌作用外，其還通過刺激細胞核促進免疫應答。研究顯示，在細胞核的染色質集中區域可檢測到S100A8/A9，推測細胞核中S100A8/A9可與組蛋白、核小體結合，繼而影響補體C3的表達，促使免疫應答[14]。

1.3細胞外S100A8/A9的生物學功能 S100A8/A9的被動釋放是通過細胞壞死、細胞損傷后誘導實現。細胞受損后，免疫細胞介導炎癥發生，促使炎癥細胞募集，使炎癥微環境和循環中炎癥細胞大量分泌S100A8/A9至細胞外，以此作為宿主炎癥發生的危險信號[15]。S100A8/A9釋放增加后，通過結合糖胺多糖、RAGE、TLR4對內皮細胞、單核細胞、巨噬細胞、中性粒細胞起趨化和促炎作用[16]。除趨化、促炎功能外，S100A8/A9還通過上調黏附分子的表達以及增強白細胞與內皮細胞的相互作用來刺激白細胞遷移，黏附分子改變內皮細胞之間的細胞間接觸，促使血管通透性增加以及白細胞外滲速度加快，通過上調巨噬細胞分化抗原1的表達和增加L-選擇素的脫落，促使中性粒細胞與纖維蛋白原的黏附，調節免疫應答[17]。

2 S100A8/A9在神經系統疾病中的意義

蛋白質約占免疫細胞質的45%，其中S100A8/A9在中性粒細胞和髓源性樹突狀細胞中的儲存量足夠[1]。神經系統疾病(如腦膜炎、阿爾茨海默病、癲癇)的進展受到免疫和炎癥微環境的調節，其中S100A8/A9發揮重要作用[5,18-19]。

2.1S100A8/A9與肺炎鏈球菌性腦膜炎 細菌性腦膜炎屬于嚴重的中樞神經系統感染性疾病，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、神經發育遲緩、運動障礙、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胞釋放導致[20-22]。中性粒細胞是腦脊液中的主要免疫細胞，肺炎鏈球菌感染腦脊液時，釋放至細胞外的S100A8/A9刺激中性粒細胞發生黏附和遷移，通過增強吞噬作用增加中性粒細胞的殺菌活性，同時S100A8/A9與TLR4結合后可誘導白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α等炎癥介質分泌增加，促使炎癥級聯反應擴大[23]。Wache等[19]發現，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；通過將S100A8/A9直接注入小鼠腦脊液發現，在注入S100A8/A9后2～3 d小鼠腦組織神經元丟失，且隨時間推移神經元死亡數量遞增，在抗生素治療期間，缺乏S100A8/A9小鼠的炎癥消退更好，同時其神經功能保留更完善，證實了S100A8/A9的促炎作用。周陽等[24]的研究證實，S100A8/A9與腦膜炎疾病嚴重程度、腦水腫、腦腫脹、腦組織神經元的丟失呈正相關，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]發現，注射S100A8/A9的肺炎鏈球菌腦膜炎小鼠的核因子κB p65的表達增強，促炎因子和趨化因子分泌增加，故推測通過直接抑制S100A8/A9分泌或抑制與S100A8/A9激活相關的信號通路可影響炎癥反應，但目前其機制尚不清楚，仍需深入了解S100A8/A9的病理生理機制，以進行更詳細的干預。

2.2S100A8/A9與癲癇 癲癇是一種神經和全身性疾病，影響全球約7 000萬人，且影響人數逐年遞增，已成為一個全球健康問題，以反復發生為特征，可能與異常或過度的腦神經活動有關，目前其分子生物學機制仍未闡明，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有抗癲癇藥物的局限性。

神經炎癥在癲癇發生及其持續狀態中起重要作用，其中先天免疫的關鍵受體TLR4在癲癇發生中有重要價值[5]。Maroso等[27]的研究發現，TLR4在人致癇組織中的表達增加，使用TLR4拮抗劑可縮短癲癇發作時間，減少急慢性癲癇復發，且TLR4缺陷C3H/HeJ小鼠對海氨酸誘發的癲癇具有抗性，表明先天免疫受體TLR4在引發和延長癲癇發作時間中起關鍵作用。TLR4在癲癇中的作用與其通路中配體的關系密切，其中S100A8/A9作為TLR4的內源性配體在TLR4介導的炎性通路上發揮重要生物學特性[1]。

S100A8/A9所致內側顳葉癲癇是一種常見的難治性癲癇[28]。在急性、潛伏、慢性內側顳葉癲癇的整個發展階段，海馬中S100A8/A9的表達水平均高于正常人群，且海馬CA1、CA3和齒狀回等所有區域均可觀察到S100A8/A9的免疫組織化學定位，與健康兒童相比，內側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結合并觸發核因子κB信號通路，促使白細胞介素-1β產生，從而維持炎癥微環境的持續存在，以持續刺激內側顳葉皮質，使癲癇發作時間延長[29]。總之，S100A8/A9可能作為上調癲癇易感性的治療靶點，但目前尚無通過拮抗S100A8/A9控制癲癇的實驗研究證據，故仍有待進一步研究。

2.3S100A8/A9與阿爾茨海默病 阿爾茨海默病作為神經退行性疾病，與年齡息息相關[30]。其發病機制與人類大腦皮質和邊緣區β淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)的細胞外聚集和細胞內神經纖維纏結有關，以記憶喪失和逐漸退化的神經認知功能為主要癥狀[4]。因此，對Aβ斑塊及其周圍環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細胞中的S100A8和S100A9水平均顯著上調，提示S100A8/A9在阿爾茨海默病的發病機制中可能具有重要意義[31-32]。研究發現，S100A8/A9誘導小膠質細胞的廣泛激活和包括腫瘤壞死因子-α和γ干擾素在內的多種炎癥因子的表達，這些因子誘導β-分泌酶1和β-分泌酶2啟動子的轉錄，導致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的產生增加[33]。Aβ與S100A9交鏈區的結合觸發了Aβ和S100A9之間的相互作用，可加速原纖維淀粉樣結構的形成并降低S100A9介導的細胞毒性[18]。此外，在小鼠AD模型中，S100A8聚集早于Aβ沉積，表明S100A8和Aβ表達之間存在正反饋[18,32]。敲除S100A9的Tg2576小鼠的記憶功能和神經病理學有所改善，同時Aβ和Aβ斑塊負荷減少[34]。在β淀粉樣前體蛋白/早老素1的小鼠模型中，S100A9的缺失導致小膠質細胞對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荷、改善阿爾茨海默病的癥狀[33]。因此，S100A8/A9在炎癥級聯反應和淀粉樣斑塊之間起著強有力的聯系作用，有助于阿爾茨海默病的治療。

2.4S100A8/A9與腦動脈瘤 腦動脈瘤具有內部彈性層和介質破裂的病理性壁結構特征，這導致動脈壁的局部弱化[35]。據估計，普通人群中未破裂腦動脈瘤的患病率為2%～5%[36]。近年來，腦動脈瘤形成、生長和破裂的病理生理學機制一直是研究的焦點。動脈瘤的形成過程與動脈粥樣硬化的病理生理機制相似，兩者均受到巨噬細胞的影響[37-38]。其中巨噬細胞分泌的S100A8/A9有助于神經炎癥的持續存在，長期炎癥刺激下的血管壁平滑肌細胞出現表型調節后，血管壁基質合成能力下降，而血管壁平滑肌細胞是動脈壁基質中主要的基質合成細胞，因此其功能障礙導致膠原合成失調和細胞外基質重構，促使內部彈性層逐漸破壞，最終形成動脈瘤[39]。既往研究顯示，巨大動脈瘤瘤體周圍的S100A8/A9沉積與動脈瘤的破裂相關，推測這種現象可能由神經炎癥引起，并受到RAGE和TLR4的介導[40]。與已破裂的動脈瘤相比，未破裂動脈瘤以穩定方式存在，但并非長期處于炎癥狀態，隨著檢測部位的不同，S100A8/A9水平可能存在差異，故推測未破裂動脈瘤的血清S100A8/A9水平未明顯升高。de Korte等[41]的研究亦證實了上述觀點，他們發現未破裂動脈瘤患者血清S100A8/A9水平并未高于正常人群，而動脈瘤性蛛網膜下腔出血患者的動、靜脈血清中S100A8/A9水平明顯高于未破裂動脈瘤患者，因此S100A8/A9可能對動脈瘤破裂有預測價值。既往存在基礎疾病(如糖尿病、痛風、類風濕關節炎)患者的血清S100A8/A9水平亦升高，通過統計學排除基礎疾病干擾后發現，S100A8/A9在破裂動脈瘤慢性炎癥中表達仍上調[1,3,42]。最近，Wang等[43]研究顯示，急性動脈瘤性蛛網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個月后的預后評分越差、近期并發癥(如腦水腫、動脈瘤破裂復發、腦缺血)的發生風險越大，但目前S100A8/A9在動脈瘤中的分子生物學機制仍不清楚，尚無法肯定其在動脈瘤診斷、預后等方面的意義。但蛛網膜下腔出血可刺激中性粒細胞大量釋放，從而刺激細胞內S100A8/A9分泌，S100A8/A9與RAGE和TLR4結合后，不僅上調細胞因子、活性氧類等相關炎癥介質，同時可正反饋調節巨噬細胞及中性粒細胞，使S100A8/A9分泌明顯上調[16,43]。

3 S100A8/A9作為神經系統疾病治療靶點的可能性

S100A8/A9作為TLR4和RAGE的主要內源性配體之一，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信號通路來促使TLR4和RAGE通路的促炎級聯反應放大[1]。因此，直接靶向抑制或阻斷S100A8/A9通路有利于控制神經系統疾病(如阿爾茨海默病、創傷性腦損傷)的疾病進程。Qiu等[44]對S100A9缺失小鼠構建的創傷性腦損傷動物模型進行研究發現，與一般創傷性腦損傷小鼠相比，S100A9缺失小鼠腦組織中的神經炎癥減少、神經元損害程度降低。S100A8/A9基因的上調在阿爾茨海默病神經病理學和記憶障礙中起重要作用，可作為Aβ和神經炎癥級聯之間的聯系，可能成為治療靶點[32]。因此，在阿爾茨海默病的慢性炎癥期，減少S100A8/A9分泌可能有助于調整疾病進程、改善預后。目前尚無直接抑制S100A8/A9的藥物，有實驗顯示，使用喹啉-3-羧基亞胺ABR-215757可成功阻斷小鼠體內S100A8/A9與RAGE和TLR4的相互作用，改善神經炎癥[45]。動物實驗和臨床試驗已證明，S100A8/A9可在部分神經疾病中發揮作用，但其臨床應用仍需更多研究證據的支持[24,29,44]。因此，迫切需要了解S100A8/A9的具體生物學功能及其在不同炎癥疾病中的確切分子機制。

4 小 結

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