钙卫蛋白S100A8/A9在神经系统疾病中作用的研究进展

凌园果，徐卡娅，仇文进，任长城，陈益民

(1.贵州医科大学临床医学院，贵阳 550004；2.贵州医科大学附属医院神经外科，贵阳 550004)

钙卫蛋白S100A8/A9是钙结合蛋白(S100)家族的一员，也称髓系相关蛋白8/14、MRP8/14、钙卫蛋白[1]。S100于20世纪60年代中期，在牛脑中被发现，因可在100%饱和硫酸铵中溶解而得名，该家族的多种蛋白在人类疾病中有重要价值，其中的S100A8/A9为单核细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、内皮细胞、表皮细胞分泌的关键细胞活化因子，主要通过与血清Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)4和晚期糖基化终末产物受体(receptor for advanced glycation end products，RAGE)的相互作用刺激免疫细胞分泌细胞因子及炎症介质，以促进白细胞活化和募集[2]。目前已证实，S100A8/A9作为生物标志物可用于评估糖尿病、痛风等的预后及炎症程度[1,3]，并对神经系统疾病(如阿尔茨海默病、癫痫、脑膜炎、动脉瘤)的诊断及预后具有重要作用。神经系统疾病的发病机制复杂，目前神经系统各疾病的发病机制仍无定论，但神经炎症与神经性疾病的诊断、预后等密不可分，因此S100A8/A9作为新的炎症标志物，其在阿尔茨海默病、癫痫等神经性疾病的诊断、治疗、预后中的作用备受关注[4-5]。现就S100A8/A9结构、生物学功能及其在神经系统疾病中的作用予以综述。

1 S100A8/A9的结构和生物学功能

1.1S100A8/A9的结构 机体内的S100A8、S100A9主要以S100A8/A9异二聚体的形式大量存在，其基因位于染色体1q21区域[6]。人类的S100A8和S100A9分别由93个氨基酸、113个氨基酸组成，此外，含有110个氨基酸的S100A9截短亚型对每个亚单位中的单半胱氨酸的氧化都很敏感，其中的联系尚不清楚，但可能影响其与钙离子(Ca2+)、锰离子(Mn2+)和锌离子(Zn2+)等二价阳离子的结合亲和力[7]。S100A8和S100A9因具有螺旋-环-螺旋(EF-hand)基序，使两者结合形成异二聚体，并在机体中大量存在，其他钙结合蛋白家族的异二聚体形式还有待研究。

S100A8、S100A9和S100A12共同构成的钙粒蛋白亚家族是一组在炎症过程中起重要调节作用的蛋白质。中性粒细胞及巨噬细胞可共同表达上述3种蛋白质，并在炎症发生时分泌这些蛋白质，其中S100A12常以单体的形式存在[8]。S100蛋白家族一般不表现出酶活性，但可以通过结合细胞外和细胞内的Ca2+、Zn2+、Mn2+发挥生物学功能，从而影响其他蛋白质的活性[9]。如单体S100A8和S100A9均具有两个EF-hand基序，但与Ca2+结合的亲和力不同，典型的C端EF-hand基序(位点Ⅱ)由12个氨基酸组成，与Ca2+结合的亲和力较高，而非正规的N端EF-hand基序(位点Ⅰ)由14个氨基酸组成，与Ca2+结合能力较低，导致结合后C端出现构象变化，蛋白质结构改变，广泛的疏水间隙暴露，影响目标识别[10]。S100A8/A9的异二聚体分别通过Ⅰ、Ⅱ两个位点与金属离子结合，位点Ⅰ易与Zn2+、Mn2+结合，而位点Ⅱ易与Zn2+稳定结合，但不能结合Mn2+，S100A8/A9与Zn2+和Mn2+结合后，与细菌螯合可促使细菌缺乏营养支持，从而抑制细菌增殖[11]。

1.2细胞内S100A8/A9的生物学功能 细胞骨架和质膜之间的联系受Ca2+介导，其中细胞内S100A8/A9起重要作用。研究发现，在炎症过程中，S100A8/A9通过与Ca2+和p38促分裂原活化的蛋白激酶信号通路的结合逆转微管形成，导致细胞骨架重排，促使白细胞有效迁移[12]，而S100A8/A9基因敲除小鼠出现白细胞迁移不足的现象，其原因为缺乏S100A8/A9的中性粒细胞中的聚合微管蛋白减少，细胞分裂周期蛋白42激活受损，从而影响细胞骨架的重排，表明细胞内S100A8/A9复合体对细胞骨架调节有重要影响[12]。与Ca2+结合的S100A8/A9具有抗菌特性，参与机体保护，当Ca2+结合环突变时，这种抗菌特性基本丧失[13]。除S100A8/A9自身发挥抗菌作用外，其还通过刺激细胞核促进免疫应答。研究显示，在细胞核的染色质集中区域可检测到S100A8/A9，推测细胞核中S100A8/A9可与组蛋白、核小体结合，继而影响补体C3的表达，促使免疫应答[14]。

1.3细胞外S100A8/A9的生物学功能 S100A8/A9的被动释放是通过细胞坏死、细胞损伤后诱导实现。细胞受损后，免疫细胞介导炎症发生，促使炎症细胞募集，使炎症微环境和循环中炎症细胞大量分泌S100A8/A9至细胞外，以此作为宿主炎症发生的危险信号[15]。S100A8/A9释放增加后，通过结合糖胺多糖、RAGE、TLR4对内皮细胞、单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞起趋化和促炎作用[16]。除趋化、促炎功能外，S100A8/A9还通过上调黏附分子的表达以及增强白细胞与内皮细胞的相互作用来刺激白细胞迁移，黏附分子改变内皮细胞之间的细胞间接触，促使血管通透性增加以及白细胞外渗速度加快，通过上调巨噬细胞分化抗原1的表达和增加L-选择素的脱落，促使中性粒细胞与纤维蛋白原的黏附，调节免疫应答[17]。

2 S100A8/A9在神经系统疾病中的意义

蛋白质约占免疫细胞质的45%，其中S100A8/A9在中性粒细胞和髓源性树突状细胞中的储存量足够[1]。神经系统疾病(如脑膜炎、阿尔茨海默病、癫痫)的进展受到免疫和炎症微环境的调节，其中S100A8/A9发挥重要作用[5,18-19]。

2.1S100A8/A9与肺炎链球菌性脑膜炎 细菌性脑膜炎属于严重的中枢神经系统感染性疾病，致死、致残率极高，其中肺炎链球菌性脑膜炎最常见，患者往往存在脑水肿、神经发育迟缓、运动障碍、视力损害等后遗症，主要由肺炎链球菌侵袭引起的大量中性粒细胞释放导致[20-22]。中性粒细胞是脑脊液中的主要免疫细胞，肺炎链球菌感染脑脊液时，释放至细胞外的S100A8/A9刺激中性粒细胞发生黏附和迁移，通过增强吞噬作用增加中性粒细胞的杀菌活性，同时S100A8/A9与TLR4结合后可诱导白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α等炎症介质分泌增加，促使炎症级联反应扩大[23]。Wache等[19]发现，肺炎链球菌脑膜炎患者和小鼠的脑脊液中存在大量S100A8/A9的表达；通过将S100A8/A9直接注入小鼠脑脊液发现，在注入S100A8/A9后2～3 d小鼠脑组织神经元丢失，且随时间推移神经元死亡数量递增，在抗生素治疗期间，缺乏S100A8/A9小鼠的炎症消退更好，同时其神经功能保留更完善，证实了S100A8/A9的促炎作用。周阳等[24]的研究证实，S100A8/A9与脑膜炎疾病严重程度、脑水肿、脑肿胀、脑组织神经元的丢失呈正相关，通过抑制剂阻断S100A8/A9分泌增加可改善脑膜炎症状，降低炎症损害。Huang等[25]发现，注射S100A8/A9的肺炎链球菌脑膜炎小鼠的核因子κB p65的表达增强，促炎因子和趋化因子分泌增加，故推测通过直接抑制S100A8/A9分泌或抑制与S100A8/A9激活相关的信号通路可影响炎症反应，但目前其机制尚不清楚，仍需深入了解S100A8/A9的病理生理机制，以进行更详细的干预。

2.2S100A8/A9与癫痫 癫痫是一种神经和全身性疾病，影响全球约7 000万人，且影响人数逐年递增，已成为一个全球健康问题，以反复发生为特征，可能与异常或过度的脑神经活动有关，目前其分子生物学机制仍未阐明，故尚无有效的靶向治疗[26]。因此，亟须寻找新的抗癫痫治疗策略以克服现有抗癫痫药物的局限性。

神经炎症在癫痫发生及其持续状态中起重要作用，其中先天免疫的关键受体TLR4在癫痫发生中有重要价值[5]。Maroso等[27]的研究发现，TLR4在人致痫组织中的表达增加，使用TLR4拮抗剂可缩短癫痫发作时间，减少急慢性癫痫复发，且TLR4缺陷C3H/HeJ小鼠对海氨酸诱发的癫痫具有抗性，表明先天免疫受体TLR4在引发和延长癫痫发作时间中起关键作用。TLR4在癫痫中的作用与其通路中配体的关系密切，其中S100A8/A9作为TLR4的内源性配体在TLR4介导的炎性通路上发挥重要生物学特性[1]。

S100A8/A9所致内侧颞叶癫痫是一种常见的难治性癫痫[28]。在急性、潜伏、慢性内侧颞叶癫痫的整个发展阶段，海马中S100A8/A9的表达水平均高于正常人群，且海马CA1、CA3和齿状回等所有区域均可观察到S100A8/A9的免疫组织化学定位，与健康儿童相比，内侧颞叶癫痫儿童海马组织中的S100A8/A9水平明显升高，其原因在于S100A8/A9与TLR4结合并触发核因子κB信号通路，促使白细胞介素-1β产生，从而维持炎症微环境的持续存在，以持续刺激内侧颞叶皮质，使癫痫发作时间延长[29]。总之，S100A8/A9可能作为上调癫痫易感性的治疗靶点，但目前尚无通过拮抗S100A8/A9控制癫痫的实验研究证据，故仍有待进一步研究。

2.3S100A8/A9与阿尔茨海默病 阿尔茨海默病作为神经退行性疾病，与年龄息息相关[30]。其发病机制与人类大脑皮质和边缘区β淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)的细胞外聚集和细胞内神经纤维缠结有关，以记忆丧失和逐渐退化的神经认知功能为主要症状[4]。因此，对Aβ斑块及其周围环境的研究有利于未来阿尔茨海默病治疗策略的制订。在阿尔茨海默病小鼠和阿尔茨海默病患者的大脑中，淀粉样斑块和邻近活化小胶质细胞中的S100A8和S100A9水平均显著上调，提示S100A8/A9在阿尔茨海默病的发病机制中可能具有重要意义[31-32]。研究发现，S100A8/A9诱导小胶质细胞的广泛激活和包括肿瘤坏死因子-α和γ干扰素在内的多种炎症因子的表达，这些因子诱导β-分泌酶1和β-分泌酶2启动子的转录，导致β-分泌酶切割的β淀粉样前体蛋白的C端片段增加，随后Aβ的产生增加[33]。Aβ与S100A9交链区的结合触发了Aβ和S100A9之间的相互作用，可加速原纤维淀粉样结构的形成并降低S100A9介导的细胞毒性[18]。此外，在小鼠AD模型中，S100A8聚集早于Aβ沉积，表明S100A8和Aβ表达之间存在正反馈[18,32]。敲除S100A9的Tg2576小鼠的记忆功能和神经病理学有所改善，同时Aβ和Aβ斑块负荷减少[34]。在β淀粉样前体蛋白/早老素1的小鼠模型中，S100A9的缺失导致小胶质细胞对原纤维淀粉样蛋白和β淀粉样前体蛋白的吞噬增加，从而减轻淀粉样蛋白负荷、改善阿尔茨海默病的症状[33]。因此，S100A8/A9在炎症级联反应和淀粉样斑块之间起着强有力的联系作用，有助于阿尔茨海默病的治疗。

2.4S100A8/A9与脑动脉瘤 脑动脉瘤具有内部弹性层和介质破裂的病理性壁结构特征，这导致动脉壁的局部弱化[35]。据估计，普通人群中未破裂脑动脉瘤的患病率为2%～5%[36]。近年来，脑动脉瘤形成、生长和破裂的病理生理学机制一直是研究的焦点。动脉瘤的形成过程与动脉粥样硬化的病理生理机制相似，两者均受到巨噬细胞的影响[37-38]。其中巨噬细胞分泌的S100A8/A9有助于神经炎症的持续存在，长期炎症刺激下的血管壁平滑肌细胞出现表型调节后，血管壁基质合成能力下降，而血管壁平滑肌细胞是动脉壁基质中主要的基质合成细胞，因此其功能障碍导致胶原合成失调和细胞外基质重构，促使内部弹性层逐渐破坏，最终形成动脉瘤[39]。既往研究显示，巨大动脉瘤瘤体周围的S100A8/A9沉积与动脉瘤的破裂相关，推测这种现象可能由神经炎症引起，并受到RAGE和TLR4的介导[40]。与已破裂的动脉瘤相比，未破裂动脉瘤以稳定方式存在，但并非长期处于炎症状态，随着检测部位的不同，S100A8/A9水平可能存在差异，故推测未破裂动脉瘤的血清S100A8/A9水平未明显升高。de Korte等[41]的研究亦证实了上述观点，他们发现未破裂动脉瘤患者血清S100A8/A9水平并未高于正常人群，而动脉瘤性蛛网膜下腔出血患者的动、静脉血清中S100A8/A9水平明显高于未破裂动脉瘤患者，因此S100A8/A9可能对动脉瘤破裂有预测价值。既往存在基础疾病(如糖尿病、痛风、类风湿关节炎)患者的血清S100A8/A9水平亦升高，通过统计学排除基础疾病干扰后发现，S100A8/A9在破裂动脉瘤慢性炎症中表达仍上调[1,3,42]。最近，Wang等[43]研究显示，急性动脉瘤性蛛网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个月后的预后评分越差、近期并发症(如脑水肿、动脉瘤破裂复发、脑缺血)的发生风险越大，但目前S100A8/A9在动脉瘤中的分子生物学机制仍不清楚，尚无法肯定其在动脉瘤诊断、预后等方面的意义。但蛛网膜下腔出血可刺激中性粒细胞大量释放，从而刺激细胞内S100A8/A9分泌，S100A8/A9与RAGE和TLR4结合后，不仅上调细胞因子、活性氧类等相关炎症介质，同时可正反馈调节巨噬细胞及中性粒细胞，使S100A8/A9分泌明显上调[16,43]。

3 S100A8/A9作为神经系统疾病治疗靶点的可能性

S100A8/A9作为TLR4和RAGE的主要内源性配体之一，除激活其自身主要通路外，还可通过激活促分裂原活化的蛋白激酶和NF-κB信号通路来促使TLR4和RAGE通路的促炎级联反应放大[1]。因此，直接靶向抑制或阻断S100A8/A9通路有利于控制神经系统疾病(如阿尔茨海默病、创伤性脑损伤)的疾病进程。Qiu等[44]对S100A9缺失小鼠构建的创伤性脑损伤动物模型进行研究发现，与一般创伤性脑损伤小鼠相比，S100A9缺失小鼠脑组织中的神经炎症减少、神经元损害程度降低。S100A8/A9基因的上调在阿尔茨海默病神经病理学和记忆障碍中起重要作用，可作为Aβ和神经炎症级联之间的联系，可能成为治疗靶点[32]。因此，在阿尔茨海默病的慢性炎症期，减少S100A8/A9分泌可能有助于调整疾病进程、改善预后。目前尚无直接抑制S100A8/A9的药物，有实验显示，使用喹啉-3-羧基亚胺ABR-215757可成功阻断小鼠体内S100A8/A9与RAGE和TLR4的相互作用，改善神经炎症[45]。动物实验和临床试验已证明，S100A8/A9可在部分神经疾病中发挥作用，但其临床应用仍需更多研究证据的支持[24,29,44]。因此，迫切需要了解S100A8/A9的具体生物学功能及其在不同炎症疾病中的确切分子机制。

4 小 结

S100A8/A9是具有巨大潜力的神经系统疾病生物标志物及未来治疗靶点。作为S100家族的成员之一，S100A8/A9在脑膜炎中具有促炎作用，可加重病情进展；并可通过与TLR结合延长难治性癫痫的持续时间；此外，还参与了阿尔茨海默淀粉样β斑块的上调。在脑动脉瘤破裂前后，S100A8/A9水平存在显著差异。在创伤性小鼠模型中，S100A9缺失有利于减少神经炎症、增强对神经元的保护[44]。目前，通过喹啉-3-羧基亚胺ABR-215757可阻断S100A8/A9与TLR4的结合，但尚缺少阻断S100A8/A9分泌的直接抑制剂。