网膜素在神经关联疾病中的生物标记物作用

史欢欢,李 斌,陈 霞,赵 宁,牛晓晨,高啟伟,李 武,史文珍*,田 晔*

(1.西北大学附属医院/西安市第三医院神经内科,中国陕西西安710018;2.延安大学医学院,中国陕西延安716000;3.西北大学生命科学学院,中国陕西西安710069)

网膜素(omentin)是一种新型的脂肪因子,由内脏脂肪组织分泌。目前研究报道,网膜素参与调节胰岛素活动、血管内皮功能、胎儿及新生儿发育等生理活动,并在肥胖、2型糖尿病、动脉粥样硬化等多种疾病的发生发展中扮演着重要角色[1]。近些年的研究发现,网膜素参与了多种神经关联疾病(如脑梗死[2]、多发性硬化所致骨质改变[3]等)的病理过程,且具有生物标记物作用。本文主要就网膜素的生物学特征和生理病理功能、网膜素作为生物标记物的潜能及其与神经关联疾病的研究予以综述。

1 网膜素的生物学特性和生理病理功能

网膜素是2003年发现的一种新型脂肪因子[4]。人网膜素基因位于1q21.3,包含8个外显子,7个内含子[5]。网膜素存在两种高度同源的异构体,两者的序列有83%的同源性,分别命名为网膜素1(omentin-1)和网膜素2(omentin-2)。血浆中网膜素主要以网膜素1的形式存在[6],因此目前的研究对象以网膜素1为主。网膜素1也曾被称为intelectin-1(ITLN1)、肠乳铁蛋白因子、内皮凝集素HL-1或呋喃半乳糖结合凝集素[1]。研究发现,网膜素1单体蛋白质由313个氨基酸组成,氨基酸序列的N端存在糖基化位点,人网膜素1蛋白为二硫键连接的三聚体,相对分子质量为120 kD[7]。Wesener等[8]在2015年对重组的人网膜素1蛋白的空间结构进行了解析,发现其包含2个高度折叠的β结构,这两个β结构被7个短α-螺旋及多个随机卷曲结构所包围。

网膜素1蛋白的生理病理功能具有多样性。生理学方面,网膜素1蛋白最初在肠道潘氏细胞中被发现,由于其能够特异性识别微生物细胞壁中的呋喃半乳糖,所以参与了肠道细胞对微生物的防御机制[9]。同时,网膜素1蛋白还可通过激活Akt信号增强胰岛素刺激的葡萄糖摄入[10]。病理学方面,临床研究显示肥胖[11]、2型糖尿病[12]患者血浆网膜素1蛋白水平显著降低,而减轻体重[13]、使用治疗糖尿病的药物(如二甲双胍、吡格列酮)[14]后,患者血浆中网膜素1蛋白的水平上升,提示网膜素1蛋白可能参与了肥胖、2型糖尿病的病理过程。另外,网膜素1蛋白可抑制动脉粥样硬化过程中氧化低密度脂蛋白诱导的泡沫细胞的形成[15]以及血管平滑肌细胞的增殖、迁移和细胞外基质的分泌[16]。相关研究报道,相对于对照组,颈动脉、外周动脉粥样硬化患者血浆中的网膜素1蛋白水平下降[17],这表明网膜素1蛋白具有抗动脉粥样硬化的作用。除此之外,网膜素1蛋白在慢性心脏疾病[18]、结直肠癌[19]等疾病的病理过程中也发挥着作用。

2 网膜素作为生物标记物的潜能及其检测方法

生物标记物是指可以标记系统、器官、组织、细胞及亚细胞结构或功能的改变或可能发生的改变的生化指标。生物标记物的检测可用于疾病诊断、疾病分期、疾病进展与预后评估。理想的生物标记物具有高度的特异性和敏感性,浓度与损伤或者功能异常存在良好相关性,并可通过简单准确的方法快速检测。

2.1 网膜素1作为生物标记物的潜能

首先,网膜素1表达具有组织特异性。研究发现,人网膜素1主要在内脏脂肪组织的间质血管表达,也可见于心外膜脂肪、胸腺、小肠、结肠、网织红细胞等,但在皮下脂肪组织及成熟的脂肪细胞中几乎检测不到[1]。与网膜素1不同,人网膜素2仅在小肠中有发现[11]。其次,血浆网膜素1的蛋白质水平与多种生理病理指标都具有良好的相关性。血浆网膜素1的水平与饱和脂肪酸摄入量、体重指数、胰岛素抵抗、总胆固醇浓度、瘦素浓度和收缩压呈负相关,而与脂联素浓度、高密度脂蛋白浓度呈正相关[16]。再者,网膜素1表达具有疾病特异性,且与疾病的临床分型及严重程度相关。例如：相对于正常人群,肥胖人群中血浆网膜素1的蛋白质水平及内脏脂肪组织中网膜素的基因表达量下降[11];与正常胃粘膜组织相比,胃癌组织中网膜素1的转录本增加,且肠型胃癌组织中网膜素1基因的表达水平高于弥漫性胃癌中网膜素1基因的表达水平[20];Jung等[21]的研究则发现,血浆网膜素1的浓度与心脏自主神经病变的严重程度呈正相关。除此之外,血浆网膜素1蛋白自身也具备生物标记物的特性。体外研究证实网膜素1在哺乳动物网织红细胞的半衰期约为30 h[5]。虽然网膜素1在血浆中的半衰期暂不明确,但研究显示血浆中的网膜素1蛋白在-80℃环境下反复冻融后仍可检出[22],提示其在血浆中稳定存在。该特性满足了网膜素1蛋白的检测稳定性。而且,血浆检测网膜素1蛋白具有损伤小、取材便利的特点,易检性得到了保障。

2.2 网膜素1的检测方法

建立准确的网膜素1检测方法是网膜素1能否成为生物标记物的关键。理想的网膜素1检测方法应该具备高准确度、高灵敏度、多样本处理并可进行量化分析的特点,同时检测设备应操作简单并且价格适中。现阶段,网膜素1检测方法包括：酶联免疫吸附法(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)[12]、实时聚合酶链式反应(real-time polymerase chain reaction,RT-PCR)[23]、定量逆转录聚合酶链式反应(quantitative reverse transcription polymerase chain reaction,qRT-PCR)[11]等。其中,RT-PCR和qRT-PCR虽然灵敏度和产出率较高,但操作复杂、对设备的要求性高,多见于实验室和小规模的临床研究应用。ELISA是常用的检测技术之一,其将抗原与抗体的特异性反应与酶对底物的高效催化作用结合起来,通过显色所得的吸光值实现样品定量、半定量的快速检测。ELISA具有价格相对便宜、操作简单等优点,应用相对广泛。目前已具有商品化的抗人网膜素1 ELISA检测试剂盒,所检测到的健康人群中血浆网膜素1的水平为5～800 ng/mL[16],人群中网膜素1的血浆水平在女性高于男性[24],但尚无数据对该商品化试剂盒检测血浆网膜素1水平的准确度及灵敏度进行评估,临床亦尚未见大规模应用。总的来讲,目前建立的网膜素1检测方法各有利弊,其中以ELISA检测试剂盒较为适宜临床,但在准确度及灵敏度方面,仍需进一步的研究探索和临床检测。

3 网膜素1与神经系统疾病的关系

网膜素1虽然在内脏脂肪组织选择性高表达,但在其他组织中也有少量表达。Shin等[25]发现在肠道上皮细胞表达的网膜素1蛋白可充当乳铁蛋白受体,参与机体的铁代谢,因此网膜素1也曾被命名为肠乳铁蛋白受体。目前虽无相关研究明确显示网膜素1蛋白在中枢神经系统中表达,但Faucheux等[26]发现,神经元(胞体、树突及轴突)中存在乳铁蛋白受体的表达,其参与神经元的铁代谢。除此之外,Talukder等[27]也在新生小牛的脉络丛中发现了乳铁蛋白受体。虽然存在于中枢神经系统的乳铁蛋白受体与肠乳铁蛋白受体都参与铁代谢,但二者是否为同一物质仍需要进一步的实验探索。

3.1 网膜素1与脑梗死

脑梗死又称缺血性脑卒中,是指各种原因所致脑部血液供应障碍,导致局部脑组织缺血、缺氧性坏死,从而出现相应神经功能缺损的一类临床综合征[28]。数据显示,缺血性脑梗死占到全部卒中病例的70%～90%[29],具有高死亡率、高致残率和高再发率的特点[30]。目前,脑梗死的临床诊断及预后评估主要依据影像学资料及临床症状,具有一定滞后性,因此从基因及分子水平寻求脑梗死早期诊断及预后评估的生物标记物尤为重要。一项来自欧洲营养及癌症前瞻性调查队列的研究发现,在调整了性别、年龄、腰围、吸烟史、饮酒史、高血压、糖尿病、高密度脂蛋白、总胆固醇、甘油三酯水平等常见风险因素后,随着血浆网膜素1蛋白浓度的增高,队列人群发生脑梗死的风险增加,提示血浆网膜素1蛋白浓度升高可能会增加脑梗死的发生率[2]。而另外一项针对266名急性脑梗死患者随访3个月的研究发现,在调整了性别、血糖、吸烟史、中风史、高血压史等因素后,相对于对照组,处于血浆高网膜素1蛋白水平的急性脑梗死患者发生不良功能结局的风险较低[30]。由此可见,血浆网膜素1蛋白浓度不仅在脑梗死的早期诊断具有参考意义,也可用来做疾病的预后评估。

在病理学研究中,Gu等[31]发现,网膜素1蛋白可增加小鼠脑梗死区内皮细胞数量,继而促进血运重建,并可通过促进Akt/eNOS磷酸化而发挥抗神经细胞凋亡的作用。Zhao等[32]发现网膜素1蛋白可通过活化Akt信号促进神经干细胞的生长,而神经干细胞可自我更新并分化为神经细胞和神经胶质细胞,参与神经损伤的修复,这提示网膜素1蛋白在促进神经损伤修复方面发挥作用。综上可知,网膜素1蛋白可能是脑梗死病情诊断及评估的可靠分子标记物;检测血浆网膜素1蛋白不仅可为脑梗死的临床诊断、病情评估提供有效信息,还可避免反复多次的影像学检查,更易被病人接受。

3.2 网膜素1与成神经细胞瘤

成神经细胞瘤(neuroblastoma,NB)是由交感神经系统的原始细胞衍生的肿瘤,为儿童最为常见的颅外肿瘤,其致死率占到儿童肿瘤死亡率的15%[33]。研究发现,在NB组织和细胞系中,网膜素1蛋白的表达量下降,而体外给予和体内过表达网膜素1蛋白均可抑制NB细胞的生长、侵袭和新陈代谢[34]。进一步的研究则发现,网膜素1蛋白对NB的抑制作用是通过上调N-myc下游调节基因2(N-myc downstream-regulated gene 2,NDRG2)实现的[34]。NDRG2被证实在多种肿瘤(如乳腺癌、肝癌、结直肠癌)中表达下调,具有抑制肿瘤生长、侵袭及新陈代谢的功能[35]。在NB细胞系SH-SY5Y、SK-N-BE(2)和SK-N-SH中人们发现,网膜素1可上调NDRG2的表达水平,从而引起其下游信号分子血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、基质金属蛋白酶9(matrix metallopeptidase 9,MMP-9)表达下降[34]。VEGF是介导新生血管形成的关键因素,其不仅能促进肿瘤血管内皮细胞的募集和增殖,还可促进宿主的肿瘤邻近血管向肿瘤血管转化[36]。MMP-9是基质金属蛋白酶家族中的一员,具有降解和重塑细胞外基质的作用。研究发现,MMP-9介导的细胞外基质和血管基底膜的降解可促进早期肿瘤微环境的形成,并促进肿瘤细胞迁移和肿瘤血管的生成[37]。基于以上信息可知,网膜素1蛋白通过下调VEGF、MMP-9的表达水平从而抑制NB病理进展。除此之外,网膜素1蛋白还可增强NDRG2相关转录因子 Krüppel样因子 4(krüppel-like factor 4,KLF4)的表达,继而上调NDRG2的表达[34]。临床研究发现,在年龄小于1岁、分化良好、核分裂指数较低和I期的NB患者中,网膜素1表达较高,且高网膜素1表达水平的NB患者具有更高的生存概率[34]。因此,网膜素1在NB的发生、进展中发挥着重要的作用,检测血浆中网膜素1蛋白的表达水平或将为临床NB的诊断、预后评估提供参考意义。

3.3 网膜素1与多发性硬化的骨质改变

多发性硬化(multiple sclerosis,MS)是免疫介导的中枢神经系统的慢性炎性脱髓鞘性疾病,是一种自身免疫性紊乱疾病。MS患者常因骨量减少、维生素D不足等伴发骨质疏松和骨折[38]。最近的一项纳入35名复发-缓解型MS的病例对照研究显示,相对于正常对照组,MS患者组血浆网膜素1蛋白水平较高,且血浆网膜素1蛋白浓度与MS患者股骨颈骨矿物质密度呈正相关,这种相关性在调整了年龄、体重指数和2,5-羟维生素D水平后依然存在[3]。进一步的研究发现,网膜素1蛋白可通过激活PI3K/Akt信号通路促进人成骨细胞增殖[39]。成骨细胞可以产生骨质,后者可分泌多种细胞因子,调节骨组织的形成和吸收,促进骨组织钙化[40]。以上信息提示,MS患者发生骨质改变时,机体启动“防御”机制,分泌网膜素1蛋白以增加骨矿物质密度。总的来讲,血浆网膜素1蛋白与MS患者股骨颈骨矿物质密度的良好相关性,或可使其成为评估临床MS患者骨代谢的有效生物标记物。

4 展望

网膜素1蛋白通过影响内皮细胞功能、抑制神经细胞凋亡、调节神经干细胞生长等参与神经系统疾病的发生发展。基于此,有学者认为,网膜素1蛋白可能在缺血性脑梗死所致的血管性痴呆以及阿尔茨海默病等神经退行性病变中发挥着重要作用[14]。除此之外,研究发现,血浆网膜素1参与机体能量平衡的维持、葡萄糖代谢、心血管保护、抗炎及氧化应激等生理病理过程,并在肥胖、糖尿病、代谢综合征、动脉粥样硬化、缺血性心脏病、炎症性疾病和癌症等疾病中扮演着重要角色[16]。因此,血浆网膜素1蛋白在作为疾病生物标记物方面具有广阔空间。目前网膜素1蛋白的研究尚处在起步阶段,其作用的受体及在疾病中的具体分子机制还不甚明了。想要使网膜素1蛋白成为一种理想的神经相关疾病的生物标记物,还需进一步明确其在正常人群血浆中的表达水平、与疾病诊断及预后评估的关联程度等。此外,开发高准确度、高敏感度及可操作的血浆网膜素1蛋白水平的检测方法也是目前亟待解决的问题。