S100B蛋白在小細胞肺癌腦轉移中的應用研究進展

賀嘉慧綜述 胡欽勇 審校

肺癌是世界最常見的惡性腫瘤之一。根據組織學細胞形態,可分為非小細胞肺癌(Non-small Cell Lung Cancer,NSCLC)和小細胞肺癌(Small Cell Lung Cancer,SCLC)兩大類[1]。SCLC患者發生腦轉移(Brain Metastases,BM)的傾向較高,且10-20%的患者在原發腫瘤診斷時便已存在BM,同時高達50%的患者在其病程中出現癥狀性BM[2]。Wen等[3]指出這可能與SCLC的神經內分泌特性有關。

預防性顱腦照射(Prophylactic Cranial Irradiation,PCI)技術已被廣泛應用于SCLC腦轉移的治療。目前研究[3]表明,PCI技術可顯著降低SCLC患者腦轉移風險、提高患者生存率。但由于存在嚴重的神經毒性[4]、患者自我報告的認知能力下降[5]等副作用,使得PCI的廣泛應用存在爭議。因此尋找可靠的高敏感度和高特異度生化標志物,對早期定量評估SCLC腦轉移的進展情況以及改善預后具有重要臨床意義。

S100蛋白家族包含25個成員,參與腫瘤的多個發生發展階段。這些蛋白被認為具有潛在的價值,可以作為新型的生物標志物,用于包括肺癌在內的多種腫瘤的檢測和準確預測。S100B蛋白是S100家族的一個重要成員,S100B在大腦中含量豐富,尤其在星形膠質細胞,正常情況下無法通過血腦屏障(Blood Brain Barrier,BBB);當患者發生顱腦損傷導致BBB破壞時,大量S100B蛋白釋放入血。因此S100B蛋白可作為BBB破壞以及腫瘤發生腦轉移的血清標記物[6]。隨著S100蛋白家族在肺癌中的研究越來越多,許多成員的具體機制已被進一步證實。本文重點闡述S100B蛋白在SCLC腦轉移的發生、發展及早期診斷中的作用,探索S100B作為治療靶點的潛在用途。

1 S100B蛋白概述

S100家族是一種在脊椎動物中進化的EF-hand Ca2+結合信號蛋白,其在生理和病理條件下均能執行增殖、分化、遷移、細胞凋亡、能量代謝、鈣穩態和炎癥等相關功能[7]。1965年,Moore等[8]最早在牛腦組織中分離出S100蛋白家族。該家族成員主要包括S100A1、S100A2、S100A4、S100A6、S100P、S100A8/A9、S100B等25個成員,S100基因大部分位于人類染色體1q21(S100A1-S100A18)的長臂上,而S100B基因主要位于21q22。由于染色體1q21易重排,故S100蛋白成員與多種腫瘤的發生發展有關[9,10]。

S100B蛋白在中樞神經系統的星型膠質細胞、少突膠質細胞中高表達,也表達于周圍神經系統的雪旺(Schwann)細胞[11],以及神經系統外的黑素細胞、脂肪細胞和軟骨細胞[12]。中樞神經系統侵襲性轉移的主要特點為BBB被細胞穿透,以及轉移區域的新血管生成滲漏[13]。而S100B蛋白主要由星形膠質細胞的末梢合成,當BBB被破壞時,它會迅速從大腦中釋放出來,其濃度與腦組織損傷、惡性腫瘤等具有高度相關性,且受細胞分子調節[14],使得S100B成為一個潛在的轉移性腦腫瘤標志物和判斷BBB功能的標志物。

S100B雖然是一種細胞內蛋白,但是可以釋放到細胞外。但不論其所處位置如何,S100B的作用似乎總是濃度依賴的。在低濃度時具有保護和營養作用,在高濃度時具有毒性和促凋亡作用[15]。另外,S100蛋白在心血管、神經和炎癥等疾病中的高表達可能會限制其作為腫瘤生物學標志物的應用[16]。

2 S100B蛋白與SCLC腦轉移

肺癌作為一種惡性腫瘤,具有較高的中樞神經系統轉移傾向,且腦轉移的發生與SCLC患者預后不良高度相關[17]。目前關于SCLC腦轉移的機制尚未完全明確,因此深入研究SCLC腦轉移的發生發展機制對于腦轉移早期診斷、治療及預后具有重要意義。頭部計算機斷層掃描(CT)或磁共振成像(MRI)是檢測腦轉移瘤的金標準,但這兩種影像學方法在靈敏度和特異性上存在顯著差異。考慮到放射成像的成本較高并且不同的放射學中心確診或排除腦轉移病灶的標準存在一定差異,尋找便捷且經濟的血清學診斷標志物來確認進一步放射學檢查的必要性將會為患者帶來獲益[18]。

2.1 S100B蛋白在SCLC腦轉移發生、發展中的作用

血清S100B水平已被提出作為一種監測工具來預測或檢測肺癌患者的腦轉移。然而,S100B在肺癌腦轉移發生發展中的作用及相關分子機制仍不清楚。

Mu等[17]采用ELISA法測定138例SCLC患者和138例健康對照組血清S100B水平,發現SCLC患者血清S100B蛋白水平顯著高于健康對照組(P<0.05)。在SCLC各亞組中,腦轉移患者血清S100B水平顯著高于其它亞組(P<0.05),各亞組間血清S100B水平無顯著差異。鈷-60放療后腦轉移患者血清S100B蛋白表達水平顯著降低(P<0.05)。隨訪過程中發現S100B蛋白的高表達通常與較差的預后、較高的1年死亡率和較低的生存率有關。表明大量S100B蛋白聚集不僅會造成神經毒性損傷,還會大大縮短患者的生存時間。放療后S100B蛋白表達水平降低,癌細胞引起的神經損傷減少。以上研究結果提示S100B蛋白可作為SCLC腦轉移的血清學標志物,對早期發現腦轉移具有重要的臨床應用價值。

Jiang等[19]以PC14/B細胞為模型,采用功能缺失的方法探討S100B在腦轉移中的作用。S100B敲低的PC14/B細胞其凋亡率升高,同時Bcl-2、Bcl-xL mRNA和蛋白水平均下降(Bcl-2和Bcl-xL均是凋亡抑制劑)。表明S100B可抑制癌細胞凋亡,siRNA介導的PC14/B細胞中S100B的下調通過抑制細胞周期進程,減少集落形成和細胞遷移和侵襲活動,從而導致細胞增殖下降;S100B敲低可通過下調Bcl-2和Bcl-xL表達增加PC14/B細胞的凋亡。這些結果提示,通過siRNA敲低S100B可能是一種潛在的治療S100B過表達的NSCLC腦轉移的策略。

2.2 S100B蛋白對SCLC腦轉移的早期診斷作用

腫瘤侵襲性轉移的第一步是腫瘤細胞進入周圍的局部組織并逐漸取代它,進一步播散到更遠的位置[20]。中樞神經系統的侵襲性轉移以細胞穿過血腦屏障和轉移區域新生血管滲漏為特征。Kanner等[13]在51例神經影像學有多種原發或轉移性腦病變的患者中測定了53份血清S100B樣本,在腦腫瘤病變的患者中,磁共振圖像上的釓增強與S100B水平升高相關,S100B作為反映BBB功能的一個血清學標志物,其水平升高表明可能存在影像學檢測到的BBB滲漏,且與BBB破壞的時間順序和程度直接相關。Vogelbaum等[21]的一項前瞻性研究納入37例無神經系統癥狀或已知的腦轉移史的初診肺癌患者。根據MRI和血清S100B水平將患者分為3類:(1)S100B水平正常(0.08±0.02μg/L,n=22例),MRI掃描正常;(2)S100B水平升高(0.5±0.28μg/L,n=8例),MRI可見微血管改變,但無轉移;(3)S100B水平升高(0.28±0.19μg/L,n=7例),MRI掃描顯示轉移性腦瘤。結果表明腦微血管疾病患者與腦轉移患者的S100水平存在顯著重疊,可以認為對于獲得了適當的放射學檢查,并且確定并排除了可能出現腦微血管疾病的患者,血清S100B水平可作為一種監測工具,用于預測或檢測腦轉移。血清S100B蛋白既可作為BBB損傷的標志性物質,又可作為腫瘤腦轉移的標記物,并且能夠顯著提高診斷的可靠性。但是由于這兩項研究的樣本含量較小,仍需更大規模的前瞻性研究來確定S100B作為BBB功能標記物以及作為腦轉移早期檢測或隨訪標記物的靈敏度和特異度。

目前肺癌腦轉移的主要診斷指標為癌胚抗原(CEA)和細胞角蛋白19片段(CYFRA21-1),研究[6]表明,CEA和CYFRA21-1在肺癌腦轉移的診斷及預后評價中的具有較高應用價值,但因單一血清腫瘤標志物的檢測特異性不高,聯合檢測在一定程度上能提高診斷的準確性。Choi等[22]的一項隊列研究納入128名未經治療的肺癌患者,采用直接ELISA法檢測血清S100B蛋白水平,反向ELISA法檢測血清S100B自身抗體水平。這些水平在腦轉移患者中單獨比較,并與沒有腦轉移的患者聯合比較。血清S100B閾值為0.058ng/ml時,診斷肺癌腦轉移的敏感度為89%,特異度為43%,準確度為51%;與抗S100B IgG<2.00AU聯合使用后,其敏感度為89%,特異度為58.2%,準確度為62.5%。表明S100B和抗S100B IgG聯合使用在保持較高的敏感度的同時可以提高特異度和準確度。Marchi等[6]在正常的放射學背景下或存在腦血管疾病情況下比較肺癌和腦轉移患者的血清蛋白含量,發現慢性腦血管病及腦轉移患者與單純腦血管病患者相比,腦轉移性疾病患者血清中原載脂蛋白(Proapoliprotein)A1較單純系統性疾病患者顯著升高(P<0.05)。這表明原載脂蛋白A1或可與S100B聯合檢測用于診斷轉移性腦腫瘤。積極尋找可與S100B聯合檢測的血清生物標志物是今后研究的方向。

3 S100B蛋白作為治療靶點的潛在價值

在過去的十年中,免疫檢查點抑制劑和靶向治療已經徹底改變了幾種容易發生腦轉移的腫瘤的治療方法,包括轉移性NSCLC、黑色素瘤和乳腺癌。但是已經發生腦轉移的患者仍不能很好獲益[23,24]。這是由于BBB限制了藥物進入腦實質[25],同時癌細胞可以獲得多重耐藥(Multi-drug Resistance,MDR)[26],影響治療效果甚至導致腫瘤復發或轉移[27]。S100蛋白家族在神經退行性疾病、心血管疾病、炎癥和多種癌癥中發揮著重要的調控作用,在受影響細胞中過表達[28]。在各種癌癥中,S100蛋白家族的多個成員在mRNA和蛋白水平上都發生了改變,并參與了與腫瘤發生和進展相關的過程,如細胞增殖、轉移、血管生成和免疫逃逸[29,30]。

Ca2+結合的S100B蛋白與轉錄因子p53結合后刺激細胞增殖和遷移、抑制p53磷酸化、四聚化從而降低p53的抑癌功能,同時下調凋亡和分化[31,32]。抑制S100B-p53的相互作用在黑色素瘤和其它癌癥中具有重要意義[33]。S100B-p53相互作用在黑色素瘤發展過程中刺激了能夠干擾這種相互作用的分子的產生,包括S100B抑制劑噴他脒(Pentamidin,PTM),但這些分子反而進一步干擾相互作用[34]。同時PTM被證明在C6膠質瘤細胞中具有抑制細胞遷移和促進細胞凋亡的作用[35]。因此,恢復S100B-p53相互作用的S100B抑制劑有望成為有效的治療靶點[36]。最近的研究探索了針對S100蛋白的治療方法,包括通過RNA干擾敲除S100蛋白、S100蛋白信號抑制劑、S100蛋白中和抗體、基于化學物質/肽的S100蛋白與其結合分子相互作用的干擾。針對S100家族成員,結合傳統化療藥物和其它靶向藥物,可能為逆轉耐藥性和改善晚期癌癥患者的預后提供新的治療策略。除了在腫瘤治療中的潛在作用外,S100家族成員還可以作為預測各種藥物反應的重要生物標志物[37]。其中兩個已經確定的家族成員S100B和S100A9的抑制劑分別在黑色素瘤和前列腺癌已開展了臨床試驗[18]。

S100蛋白通過調節多種生物學途徑參與了MDR,并與多種惡性腫瘤的預后相關[38,39]。S100A4[40]和S100B[41]已被證明通過與P53結合并抑制其磷酸化參與腫瘤疾病[42]。多種S100蛋白的失調會導致腫瘤耐藥的發展,為腫瘤預測和預后的生物標志物的發展提供了基礎。靶向調控失調的S100蛋白是克服多種癌癥耐藥的潛在方法。盡管有許多關于MDR機制的研究,包括增加活性藥物排出和排泄[43],上皮間質轉化(Epithelial Mesenchymal Transition,EMT)[44],抑制凋亡[45],增加DNA損傷修復[46],藥物靶點[47]突變,腫瘤干細胞(CSCs)[48]激活,調節自噬[49],和腫瘤微環境(TME)[50]的改變,但目前對這些機制的了解還不夠全面。因此,有必要對MDR的機制和逆轉耐藥的有效方法深入研究。

由于腫瘤內和腫瘤間異質性高,同一種腫瘤內可能存在多種耐藥機制。不同的S100蛋白成員對不同藥物的反應可能不同,腫瘤之間的藥物敏感性也存在差異。因此,針對單個分子的治療通常不足以達到療效,有必要進一步研究不同S100蛋白在不同類型腫瘤中的作用及作用機制。在未來,探索多靶點治療的創新方法是非常必要的。

4 小結

總之,S100B蛋白的研究主要集中在對于SCLC腦轉移診斷、治療和預后關系之間的判斷,在腦轉移侵襲、轉移中的機制研究較少,有待進一步的研究。此外,近年來針對S100家族相關耐藥拮抗劑開發的研究多局限于基礎研究,臨床試驗有限。未來還需要更多的臨床前和臨床研究來探索該蛋白家族成員的臨床應用,為治療耐藥腫瘤患者提供治療的新策略。