殷惠嬌 何勝虎

1 江蘇省蘇北人民醫(yī)院，江蘇省揚(yáng)州市 225001； 2 大連醫(yī)科大學(xué)

心血管疾病(Cardiovascular disease，CVD)是世界范圍內(nèi)威脅人類(lèi)健康的主要原因之一，世界衛(wèi)生組織調(diào)查顯示，與心血管疾病相關(guān)的死亡人數(shù)在2030年預(yù)計(jì)將達(dá)到2 300萬(wàn)。許多心血管疾病如急性冠脈綜合征、高血壓、炎性心肌病和瓣膜疾病等發(fā)展到終末期都會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞泵衰竭，并發(fā)生室性心律失常，最終導(dǎo)致患者死亡[1]。而心肌細(xì)胞Ca2+穩(wěn)態(tài)的異常調(diào)節(jié)是發(fā)生病理生理變化的關(guān)鍵。因此，逆轉(zhuǎn)功能失調(diào)的心肌細(xì)胞Ca2+可能具有治療干預(yù)的潛在可行性。本文主要介紹鈣結(jié)合蛋白S100A1，其在人心肌中的表達(dá)水平最高(主要為左心室)，在血管內(nèi)皮細(xì)胞也有表達(dá)，而在骨骼肌、腦和腎臟中的表達(dá)水平較低，在心血管疾病中發(fā)揮了相當(dāng)獨(dú)特的治療作用。

1 S100A1的蛋白結(jié)構(gòu)及生物學(xué)特性

S100A1是多基因S100蛋白家族的成員，是EF-手型Ca2+結(jié)合蛋白超家族中最大的亞組，由兩個(gè)亞單位組成的對(duì)稱的反向平行二聚體組成。S100A1蛋白是細(xì)胞和分子基本功能的調(diào)節(jié)者，包括細(xì)胞增殖、分化、存活和運(yùn)動(dòng)，以及蛋白質(zhì)磷酸化、酶活性、細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)錄活性以及維持一氧化氮?jiǎng)討B(tài)平衡和調(diào)節(jié)Ca2+動(dòng)力學(xué)[2]。

2 S100A1對(duì)心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞的作用機(jī)制

2.1 調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài) (1)增強(qiáng)肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵(Sarcoendoplasmic reticulum calcium-ATPace2，SERCA2)活性： S100A1與肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵/受磷蛋白復(fù)合物以Ca2+依賴的方式相互作用，從而提高了SERCA2的活性，增強(qiáng)了肌質(zhì)網(wǎng) Ca2+攝取。(2)調(diào)節(jié)阿諾堿受體2(Ryanodine receptor，RYR2)的功能： S100A1調(diào)節(jié)RYR2功能具有雙相效應(yīng)，可減少舒張期肌質(zhì)網(wǎng) Ca2+滲漏，同時(shí)可增加收縮期肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+[3-4]。

2.2 調(diào)節(jié)肌節(jié)僵硬度和Ca2+的反應(yīng) 肌聯(lián)蛋白為S100A1的作用靶點(diǎn)，在Ca2+的介導(dǎo)下，通過(guò)其富含脯氨酸、谷氨酸、纈氨酸、賴氨酸的結(jié)構(gòu)域與S100A1相互作用形成“惡性破壞”分子，這有助于防止發(fā)生心肌僵硬[5]。

2.3 調(diào)節(jié)線粒體功能和能量代謝 S100A1與線粒體ATP酶的F1亞基以Ca2+和pH依賴的方式直接相互作用。S100A1可能通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+的周轉(zhuǎn)來(lái)增加檸檬酸脫氫酶活性和線粒體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的生成。另外，S100A1可能通過(guò)促進(jìn)腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的ATP胞漿易位，增加ATP生成，以此適應(yīng)因肌質(zhì)網(wǎng)和肌絲活性升高引起的對(duì)ATP需求的增加[6]。

2.4 抑制心肌細(xì)胞凋亡 S100A1蛋白通過(guò)激活磷脂酶、C-蛋白激酶、C-絲裂原激活的細(xì)胞外信號(hào)蛋白激酶1/2通路，直接抑制心肌細(xì)胞凋亡[4]。S100A1會(huì)抑制S100B蛋白表達(dá),而S100B蛋白有致心肌細(xì)胞凋亡作用[7]。

2.5 抑制心室重構(gòu) S100A1基因治療在體內(nèi)具有明顯的抗肥厚作用，抑制了細(xì)胞外基質(zhì)基因、α1-腎上腺素能介導(dǎo)的胎兒基因等基因的失控表達(dá)，并阻止了進(jìn)行性心臟擴(kuò)張[8]。此外，對(duì)心力衰竭中S100A1基因單獨(dú)治療組和與美托洛爾聯(lián)合治療組相比較，結(jié)果顯示S100A1與美托洛爾聯(lián)合治療心力衰竭對(duì)心肌重塑具有協(xié)同作用[9]。

2.6 抗心律失常作用 肌質(zhì)網(wǎng)RYR2功能異常會(huì)導(dǎo)致Ca2+不斷流失，影響胞內(nèi)Ca2+濃度梯度形成，頻發(fā)自發(fā)性的Ca2+釋放，引起膜電位振蕩，當(dāng)振幅達(dá)到一定閾值，則可觸發(fā)電活動(dòng)，這可能是出現(xiàn)心律失常的原因之一[10]。S100A1蛋白通過(guò)調(diào)節(jié)肌質(zhì)網(wǎng)RYR2功能，可能有助于防止Ca2+濃度異常引起的心律失常，并降低心力衰竭心肌細(xì)胞心律失常易感性。

2.7 調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞Ca2+的釋放 S100A1在內(nèi)皮細(xì)胞中的主要作用是控制肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+的攝取和釋放[11]。Pleger等[12]首次發(fā)現(xiàn)敲除小鼠主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的S100A1后，這些細(xì)胞分別表現(xiàn)為毒蕈堿能受體和激肽能受體刺激的胞質(zhì)內(nèi)Ca2+釋放和瞬時(shí)釋放功能減弱，提示S100A1在內(nèi)皮細(xì)胞中肌醇-3-磷酸受體調(diào)控的Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起關(guān)鍵作用。

2.8 調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮平衡 研究證明S100A1能調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞的一氧化氮穩(wěn)態(tài)。Pleger等[12]證明了，血管內(nèi)皮和血管S100A1-/-組與對(duì)照組相比基礎(chǔ)一氧化氮產(chǎn)生減少，并且對(duì)血管擴(kuò)張劑(如緩激肽、乙酰膽堿或凝血酶)反應(yīng)受損。另外在內(nèi)皮型一氧化氮合酶表達(dá)不變的情況下，內(nèi)皮細(xì)胞S100A1蛋白缺失或減少可能會(huì)潛在地干擾Ca2+激活的鈣調(diào)蛋白與內(nèi)皮型一氧化氮合酶的結(jié)合，減少一氧化氮的生成。

3 S100A1與心臟疾病

3.1 S100A1與心力衰竭 心力衰竭是心臟疾病發(fā)展的終末階段，會(huì)引發(fā)一些結(jié)構(gòu)和功能失調(diào)，如心室重構(gòu)、心肌細(xì)胞肥大、纖維化、凋亡和內(nèi)皮功能障礙等。目前用于臨床心力衰竭治療的藥物主要是減弱交感神經(jīng)和腎素血管緊張素—醛固酮系統(tǒng)過(guò)度驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)和心臟效應(yīng)。研究表明，心力衰竭發(fā)生后，心肌細(xì)胞Ca2+運(yùn)輸異常，收縮期濃度低于正常，舒張期濃度高于正常，表明肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+能力減弱，更有研究顯示肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵在心力衰竭心肌細(xì)胞中表達(dá)和活性降低。相關(guān)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了缺血性和擴(kuò)張型心肌病引起的心力衰竭心肌細(xì)胞信使RNA和蛋白水平，發(fā)現(xiàn)S100A1轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)水平均下降。Pleger等[12]研究發(fā)現(xiàn)將心力衰竭大鼠的心肌細(xì)胞經(jīng)腺病毒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移后，S100A1蛋白表達(dá)水平恢復(fù)正常，收縮性能恢復(fù)，并能增強(qiáng)肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+的攝取和負(fù)荷。Brinks等[13]在缺血性心衰患者心室組織感染腺病毒S100A1并分離，結(jié)果顯示恢復(fù)S100A1的表達(dá)可以改善衰竭心肌細(xì)胞的收縮率、舒張率和Ca2+濃度。此外，心衰患者心室組織感染腺病毒S100A1還改進(jìn)了速率依賴性和腎上腺素介導(dǎo)的收縮儲(chǔ)備，同時(shí)改善了離體心衰心肌細(xì)胞和線粒體能量代謝異常情況，降低了舒張期肌質(zhì)網(wǎng) Ca2+泄漏和異常去極化的傾向[14]。最近，以腺病毒伴隨病毒(Adenoviral associated vectors, AAV)作為載體，在家豬心肌梗死心力衰竭模型中通過(guò)冠狀動(dòng)脈前靜脈輸送S100A1-AAV9病毒，有效防止了血流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行性惡化，并使心功能改善至接近正常水平，最終成功挽救心力衰竭，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了S100A1基因治療在近臨床環(huán)境中的療效和可行性。這種采用心臟基因傳遞方式，應(yīng)用基因劑量和治療后分析直接適用于人類(lèi)，并可能為首次非人類(lèi)臨床S100A1基因治療安全試驗(yàn)鋪平道路[15]。

3.2 S100A1與急性冠脈綜合征 急性冠脈綜合征(Acute coronary syndrome，ACS)是由于冠狀動(dòng)脈內(nèi)存在不穩(wěn)定斑塊，在應(yīng)激等誘因下斑塊發(fā)生破裂或糜爛，繼而血栓形成堵塞血管，心肌缺血壞死。ACS可分為急性ST段抬高型心肌梗死(Acute ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)，急性非ST段抬高型心肌梗死和不穩(wěn)定性心絞痛,后兩者合稱為非ST段抬高型急性冠脈綜合征(Acute Coronary Syndrome with Non-ST Elevation，NST-ACS)。有研究探討了非ST段抬高型急性冠脈綜合征患者血漿S100A1水平與全球急性冠狀動(dòng)脈事件注冊(cè)(Global registration of acute coronary events，GRACE)評(píng)分之間的關(guān)系及S100A1蛋白對(duì)其30d預(yù)后的判斷價(jià)值，結(jié)果顯示不同GRACE評(píng)分分組的NST-ACS患者S100A1水平有顯著性差異(P<0.05)，表明S100A1有助于NST-ACS患者早期危險(xiǎn)分層及預(yù)后評(píng)估[16]。另一項(xiàng)研究證實(shí)了STEMI患者血漿S100A1水平顯著提高，提示S100A1升高可能是發(fā)生STEMI的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。并且與CK-MB、高敏心臟蛋白T、超敏C反應(yīng)蛋白水平呈正相關(guān)，可反映STEMI患者心臟正處于炎癥狀態(tài)。此外還發(fā)現(xiàn)S100A1與NT-proBNP、左心室射血分?jǐn)?shù)等心功能密切相關(guān)，尤其是在STEMI急性期[17]。

3.3 S100A1與心肌缺血再灌注損傷 心肌缺血后，應(yīng)盡早使閉塞血管再通，但在缺血心肌重新獲得血流灌注時(shí)，因其在缺血期間組織結(jié)構(gòu)、能量代謝、電生理及心功能的改變使得組織損傷進(jìn)一步加重，這一病理過(guò)程稱為心肌缺血再灌注損傷。Brett等[18]研究了擇期冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)(Coronary artery bypass graft，CABG)或CABG聯(lián)合瓣膜置換術(shù)的患者，利用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察體外循環(huán)開(kāi)始前及結(jié)束時(shí)(即主動(dòng)脈夾閉60min)、成功再灌注30min后S100A1在活檢標(biāo)本中的定位變化，結(jié)果顯示在體外循環(huán)結(jié)束時(shí)(即心肌缺血60min)S100A1的定位發(fā)生了顯著變化，而在成功再灌注30min后發(fā)生可逆性重新定位。進(jìn)一步的半定量測(cè)量顯示，在體外循環(huán)結(jié)束時(shí)熒光強(qiáng)度明顯降低，成功再灌注30min后，伴隨著可逆定位熒光強(qiáng)度水平明顯升高。通過(guò)共聚焦顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在心肌缺血時(shí)S100A1從細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞表面有一個(gè)明顯的錯(cuò)位。這表明缺血引起的S100A1在收縮細(xì)肌絲上從其主要位置釋放可能影響心臟手術(shù)期間心肌細(xì)胞的收縮/松弛特性。通過(guò)比較體外循環(huán)前后S100A1亞細(xì)胞的定位變化，可以預(yù)測(cè)心肌再灌注損傷的發(fā)生，提前為預(yù)防心肌缺血再灌注心律失常的發(fā)生做準(zhǔn)備。

4 S100A1與血管疾病

4.1 S100A1與動(dòng)脈高壓 動(dòng)脈高壓是指因遺傳、自身免疫及血管內(nèi)皮、平滑肌功能障礙發(fā)生的病理生理過(guò)程，常見(jiàn)的有肺動(dòng)脈高壓，肺動(dòng)脈持續(xù)高壓繼而右心室結(jié)構(gòu)或功能改變，最終會(huì)促使右心室擴(kuò)大和右心衰竭的發(fā)生。一些實(shí)驗(yàn)應(yīng)用免疫熒光顯微鏡證實(shí)了內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞中表達(dá)了S100A1，其同時(shí)存在于嚙齒動(dòng)物和人血管的毛細(xì)血管、冠狀動(dòng)脈、主動(dòng)脈和股動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中。共聚焦免疫熒光顯微鏡顯示S100A1與內(nèi)皮細(xì)胞肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵以及肌醇-3-磷酸受體共定位。值得關(guān)注的是，實(shí)驗(yàn)中S100A1-/-小鼠最終會(huì)發(fā)展成動(dòng)脈高壓，并在體內(nèi)完全缺乏對(duì)緩激肽的血管反應(yīng)，同樣劑量的緩激肽則使對(duì)照組小鼠動(dòng)脈血壓顯著下降[19]。內(nèi)皮細(xì)胞S100A1表達(dá)減少可能限制血管一氧化氮供應(yīng)，并會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致因血管壁氧化酶活性增加引起的一氧化氮/氧化還原失衡。從這個(gè)角度來(lái)看，S100A1可以被視為一個(gè)新的靶點(diǎn)，可以通過(guò)恢復(fù)NO/氧化還原平衡來(lái)治療調(diào)節(jié)血管功能。這一新概念得到了數(shù)據(jù)的支持，數(shù)據(jù)顯示，S100A1基因轉(zhuǎn)染到人冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)增強(qiáng)了乙酰膽堿誘導(dǎo)的一氧化氮產(chǎn)生。因此，由于缺乏S100A1導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)一氧化氮生成不足，最終引起血管舒張功能異常并形成動(dòng)脈高壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可能為治療高血壓病和研究心力衰竭引起的血管收縮作用機(jī)制提供新視角。

4.2 S100A1與慢性嚴(yán)重肢體缺血 慢性嚴(yán)重肢體缺血(Chronic critical limb ischemia，CLI)是最嚴(yán)重的外周動(dòng)脈閉塞性疾病，高達(dá)40%的患者在診斷1年內(nèi)截肢，臨床預(yù)后差。研究發(fā)現(xiàn)慢性嚴(yán)重肢體缺血患者缺氧組織中S100A1表達(dá)幾乎完全喪失。Teichert等[20]對(duì)小鼠行股動(dòng)脈切除術(shù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行S100A1基因敲除，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組小鼠腓腸肌活檢標(biāo)本S100A1信使RNA數(shù)量減少。對(duì)照組小鼠術(shù)后患肢活動(dòng)情況下降，但在術(shù)后第7天情況有所改善最終恢復(fù)正常，而實(shí)驗(yàn)組小鼠由于患肢一氧化氮生成不足表現(xiàn)出較高的組織壞死率和缺血肢體自動(dòng)截肢，并且用超聲多普勒可觀察到在術(shù)后15d左右，實(shí)驗(yàn)組小鼠缺血肢體血流減少了近80%。S100A1蛋白對(duì)內(nèi)皮型一氧化氮合酶具有正向調(diào)節(jié)作用，S100A1基因敲除后，內(nèi)皮型一氧化氮合酶功能受損，導(dǎo)致一氧化氮生成不足，這可能是直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)組患肢截肢的原因。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為臨床治療慢性嚴(yán)重肢體缺血疾病提供新思路。

5 結(jié)語(yǔ)

S100A1蛋白與心血管的關(guān)系為臨床治療方案提供新思路。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的成功證明S100A1基因有望用于治療人類(lèi)終末期心力衰竭。但是考慮到臨床中心力衰竭往往合并其他危險(xiǎn)因素和疾病，使用藥物方面也有許多差異，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)非自交系動(dòng)物模型，盡可能完整模擬人類(lèi)終末期心力衰竭模型來(lái)接近臨床?？傊?，隨著研究深入，經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò)渡， S100A1基因治療最終可成為治療心血管疾病的一種有效臨床治療方案。