S100B蛋白在小细胞肺癌脑转移中的应用研究进展

贺嘉慧综述 胡钦勇 审校

肺癌是世界最常见的恶性肿瘤之一。根据组织学细胞形态,可分为非小细胞肺癌(Non-small Cell Lung Cancer,NSCLC)和小细胞肺癌(Small Cell Lung Cancer,SCLC)两大类[1]。SCLC患者发生脑转移(Brain Metastases,BM)的倾向较高,且10-20%的患者在原发肿瘤诊断时便已存在BM,同时高达50%的患者在其病程中出现症状性BM[2]。Wen等[3]指出这可能与SCLC的神经内分泌特性有关。

预防性颅脑照射(Prophylactic Cranial Irradiation,PCI)技术已被广泛应用于SCLC脑转移的治疗。目前研究[3]表明,PCI技术可显著降低SCLC患者脑转移风险、提高患者生存率。但由于存在严重的神经毒性[4]、患者自我报告的认知能力下降[5]等副作用,使得PCI的广泛应用存在争议。因此寻找可靠的高敏感度和高特异度生化标志物,对早期定量评估SCLC脑转移的进展情况以及改善预后具有重要临床意义。

S100蛋白家族包含25个成员,参与肿瘤的多个发生发展阶段。这些蛋白被认为具有潜在的价值,可以作为新型的生物标志物,用于包括肺癌在内的多种肿瘤的检测和准确预测。S100B蛋白是S100家族的一个重要成员,S100B在大脑中含量丰富,尤其在星形胶质细胞,正常情况下无法通过血脑屏障(Blood Brain Barrier,BBB);当患者发生颅脑损伤导致BBB破坏时,大量S100B蛋白释放入血。因此S100B蛋白可作为BBB破坏以及肿瘤发生脑转移的血清标记物[6]。随着S100蛋白家族在肺癌中的研究越来越多,许多成员的具体机制已被进一步证实。本文重点阐述S100B蛋白在SCLC脑转移的发生、发展及早期诊断中的作用,探索S100B作为治疗靶点的潜在用途。

1 S100B蛋白概述

S100家族是一种在脊椎动物中进化的EF-hand Ca2+结合信号蛋白,其在生理和病理条件下均能执行增殖、分化、迁移、细胞凋亡、能量代谢、钙稳态和炎症等相关功能[7]。1965年,Moore等[8]最早在牛脑组织中分离出S100蛋白家族。该家族成员主要包括S100A1、S100A2、S100A4、S100A6、S100P、S100A8/A9、S100B等25个成员,S100基因大部分位于人类染色体1q21(S100A1-S100A18)的长臂上,而S100B基因主要位于21q22。由于染色体1q21易重排,故S100蛋白成员与多种肿瘤的发生发展有关[9,10]。

S100B蛋白在中枢神经系统的星型胶质细胞、少突胶质细胞中高表达,也表达于周围神经系统的雪旺(Schwann)细胞[11],以及神经系统外的黑素细胞、脂肪细胞和软骨细胞[12]。中枢神经系统侵袭性转移的主要特点为BBB被细胞穿透,以及转移区域的新血管生成渗漏[13]。而S100B蛋白主要由星形胶质细胞的末梢合成,当BBB被破坏时,它会迅速从大脑中释放出来,其浓度与脑组织损伤、恶性肿瘤等具有高度相关性,且受细胞分子调节[14],使得S100B成为一个潜在的转移性脑肿瘤标志物和判断BBB功能的标志物。

S100B虽然是一种细胞内蛋白,但是可以释放到细胞外。但不论其所处位置如何,S100B的作用似乎总是浓度依赖的。在低浓度时具有保护和营养作用,在高浓度时具有毒性和促凋亡作用[15]。另外,S100蛋白在心血管、神经和炎症等疾病中的高表达可能会限制其作为肿瘤生物学标志物的应用[16]。

2 S100B蛋白与SCLC脑转移

肺癌作为一种恶性肿瘤,具有较高的中枢神经系统转移倾向,且脑转移的发生与SCLC患者预后不良高度相关[17]。目前关于SCLC脑转移的机制尚未完全明确,因此深入研究SCLC脑转移的发生发展机制对于脑转移早期诊断、治疗及预后具有重要意义。头部计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)是检测脑转移瘤的金标准,但这两种影像学方法在灵敏度和特异性上存在显著差异。考虑到放射成像的成本较高并且不同的放射学中心确诊或排除脑转移病灶的标准存在一定差异,寻找便捷且经济的血清学诊断标志物来确认进一步放射学检查的必要性将会为患者带来获益[18]。

2.1 S100B蛋白在SCLC脑转移发生、发展中的作用

血清S100B水平已被提出作为一种监测工具来预测或检测肺癌患者的脑转移。然而,S100B在肺癌脑转移发生发展中的作用及相关分子机制仍不清楚。

Mu等[17]采用ELISA法测定138例SCLC患者和138例健康对照组血清S100B水平,发现SCLC患者血清S100B蛋白水平显著高于健康对照组(P<0.05)。在SCLC各亚组中,脑转移患者血清S100B水平显著高于其它亚组(P<0.05),各亚组间血清S100B水平无显著差异。钴-60放疗后脑转移患者血清S100B蛋白表达水平显著降低(P<0.05)。随访过程中发现S100B蛋白的高表达通常与较差的预后、较高的1年死亡率和较低的生存率有关。表明大量S100B蛋白聚集不仅会造成神经毒性损伤,还会大大缩短患者的生存时间。放疗后S100B蛋白表达水平降低,癌细胞引起的神经损伤减少。以上研究结果提示S100B蛋白可作为SCLC脑转移的血清学标志物,对早期发现脑转移具有重要的临床应用价值。

Jiang等[19]以PC14/B细胞为模型,采用功能缺失的方法探讨S100B在脑转移中的作用。S100B敲低的PC14/B细胞其凋亡率升高,同时Bcl-2、Bcl-xL mRNA和蛋白水平均下降(Bcl-2和Bcl-xL均是凋亡抑制剂)。表明S100B可抑制癌细胞凋亡,siRNA介导的PC14/B细胞中S100B的下调通过抑制细胞周期进程,减少集落形成和细胞迁移和侵袭活动,从而导致细胞增殖下降;S100B敲低可通过下调Bcl-2和Bcl-xL表达增加PC14/B细胞的凋亡。这些结果提示,通过siRNA敲低S100B可能是一种潜在的治疗S100B过表达的NSCLC脑转移的策略。

2.2 S100B蛋白对SCLC脑转移的早期诊断作用

肿瘤侵袭性转移的第一步是肿瘤细胞进入周围的局部组织并逐渐取代它,进一步播散到更远的位置[20]。中枢神经系统的侵袭性转移以细胞穿过血脑屏障和转移区域新生血管渗漏为特征。Kanner等[13]在51例神经影像学有多种原发或转移性脑病变的患者中测定了53份血清S100B样本,在脑肿瘤病变的患者中,磁共振图像上的钆增强与S100B水平升高相关,S100B作为反映BBB功能的一个血清学标志物,其水平升高表明可能存在影像学检测到的BBB渗漏,且与BBB破坏的时间顺序和程度直接相关。Vogelbaum等[21]的一项前瞻性研究纳入37例无神经系统症状或已知的脑转移史的初诊肺癌患者。根据MRI和血清S100B水平将患者分为3类:(1)S100B水平正常(0.08±0.02μg/L,n=22例),MRI扫描正常;(2)S100B水平升高(0.5±0.28μg/L,n=8例),MRI可见微血管改变,但无转移;(3)S100B水平升高(0.28±0.19μg/L,n=7例),MRI扫描显示转移性脑瘤。结果表明脑微血管疾病患者与脑转移患者的S100水平存在显著重叠,可以认为对于获得了适当的放射学检查,并且确定并排除了可能出现脑微血管疾病的患者,血清S100B水平可作为一种监测工具,用于预测或检测脑转移。血清S100B蛋白既可作为BBB损伤的标志性物质,又可作为肿瘤脑转移的标记物,并且能够显著提高诊断的可靠性。但是由于这两项研究的样本含量较小,仍需更大规模的前瞻性研究来确定S100B作为BBB功能标记物以及作为脑转移早期检测或随访标记物的灵敏度和特异度。

目前肺癌脑转移的主要诊断指标为癌胚抗原(CEA)和细胞角蛋白19片段(CYFRA21-1),研究[6]表明,CEA和CYFRA21-1在肺癌脑转移的诊断及预后评价中的具有较高应用价值,但因单一血清肿瘤标志物的检测特异性不高,联合检测在一定程度上能提高诊断的准确性。Choi等[22]的一项队列研究纳入128名未经治疗的肺癌患者,采用直接ELISA法检测血清S100B蛋白水平,反向ELISA法检测血清S100B自身抗体水平。这些水平在脑转移患者中单独比较,并与没有脑转移的患者联合比较。血清S100B阈值为0.058ng/ml时,诊断肺癌脑转移的敏感度为89%,特异度为43%,准确度为51%;与抗S100B IgG<2.00AU联合使用后,其敏感度为89%,特异度为58.2%,准确度为62.5%。表明S100B和抗S100B IgG联合使用在保持较高的敏感度的同时可以提高特异度和准确度。Marchi等[6]在正常的放射学背景下或存在脑血管疾病情况下比较肺癌和脑转移患者的血清蛋白含量,发现慢性脑血管病及脑转移患者与单纯脑血管病患者相比,脑转移性疾病患者血清中原载脂蛋白(Proapoliprotein)A1较单纯系统性疾病患者显著升高(P<0.05)。这表明原载脂蛋白A1或可与S100B联合检测用于诊断转移性脑肿瘤。积极寻找可与S100B联合检测的血清生物标志物是今后研究的方向。

3 S100B蛋白作为治疗靶点的潜在价值

在过去的十年中,免疫检查点抑制剂和靶向治疗已经彻底改变了几种容易发生脑转移的肿瘤的治疗方法,包括转移性NSCLC、黑色素瘤和乳腺癌。但是已经发生脑转移的患者仍不能很好获益[23,24]。这是由于BBB限制了药物进入脑实质[25],同时癌细胞可以获得多重耐药(Multi-drug Resistance,MDR)[26],影响治疗效果甚至导致肿瘤复发或转移[27]。S100蛋白家族在神经退行性疾病、心血管疾病、炎症和多种癌症中发挥着重要的调控作用,在受影响细胞中过表达[28]。在各种癌症中,S100蛋白家族的多个成员在mRNA和蛋白水平上都发生了改变,并参与了与肿瘤发生和进展相关的过程,如细胞增殖、转移、血管生成和免疫逃逸[29,30]。

Ca2+结合的S100B蛋白与转录因子p53结合后刺激细胞增殖和迁移、抑制p53磷酸化、四聚化从而降低p53的抑癌功能,同时下调凋亡和分化[31,32]。抑制S100B-p53的相互作用在黑色素瘤和其它癌症中具有重要意义[33]。S100B-p53相互作用在黑色素瘤发展过程中刺激了能够干扰这种相互作用的分子的产生,包括S100B抑制剂喷他脒(Pentamidin,PTM),但这些分子反而进一步干扰相互作用[34]。同时PTM被证明在C6胶质瘤细胞中具有抑制细胞迁移和促进细胞凋亡的作用[35]。因此,恢复S100B-p53相互作用的S100B抑制剂有望成为有效的治疗靶点[36]。最近的研究探索了针对S100蛋白的治疗方法,包括通过RNA干扰敲除S100蛋白、S100蛋白信号抑制剂、S100蛋白中和抗体、基于化学物质/肽的S100蛋白与其结合分子相互作用的干扰。针对S100家族成员,结合传统化疗药物和其它靶向药物,可能为逆转耐药性和改善晚期癌症患者的预后提供新的治疗策略。除了在肿瘤治疗中的潜在作用外,S100家族成员还可以作为预测各种药物反应的重要生物标志物[37]。其中两个已经确定的家族成员S100B和S100A9的抑制剂分别在黑色素瘤和前列腺癌已开展了临床试验[18]。

S100蛋白通过调节多种生物学途径参与了MDR,并与多种恶性肿瘤的预后相关[38,39]。S100A4[40]和S100B[41]已被证明通过与P53结合并抑制其磷酸化参与肿瘤疾病[42]。多种S100蛋白的失调会导致肿瘤耐药的发展,为肿瘤预测和预后的生物标志物的发展提供了基础。靶向调控失调的S100蛋白是克服多种癌症耐药的潜在方法。尽管有许多关于MDR机制的研究,包括增加活性药物排出和排泄[43],上皮间质转化(Epithelial Mesenchymal Transition,EMT)[44],抑制凋亡[45],增加DNA损伤修复[46],药物靶点[47]突变,肿瘤干细胞(CSCs)[48]激活,调节自噬[49],和肿瘤微环境(TME)[50]的改变,但目前对这些机制的了解还不够全面。因此,有必要对MDR的机制和逆转耐药的有效方法深入研究。

由于肿瘤内和肿瘤间异质性高,同一种肿瘤内可能存在多种耐药机制。不同的S100蛋白成员对不同药物的反应可能不同,肿瘤之间的药物敏感性也存在差异。因此,针对单个分子的治疗通常不足以达到疗效,有必要进一步研究不同S100蛋白在不同类型肿瘤中的作用及作用机制。在未来,探索多靶点治疗的创新方法是非常必要的。

4 小结

总之,S100B蛋白的研究主要集中在对于SCLC脑转移诊断、治疗和预后关系之间的判断,在脑转移侵袭、转移中的机制研究较少,有待进一步的研究。此外,近年来针对S100家族相关耐药拮抗剂开发的研究多局限于基础研究,临床试验有限。未来还需要更多的临床前和临床研究来探索该蛋白家族成员的临床应用,为治疗耐药肿瘤患者提供治疗的新策略。