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半胱氨酸蛋白酶抑制劑與腦血管疾病的關系

張亞茹綜述， 孫 莉?qū)徯?/p>

半胱氨酸蛋白酶抑制劑，又稱胱抑素C(cystatin C，CysC)，是一種相對分子質(zhì)量較低的蛋白質(zhì)，約13 kD，由人體內(nèi)幾乎所有的有核細胞持續(xù)分泌，并廣泛存在于血液、唾液、腦脊液、精液等細胞外液中，其分泌及排泄恒定，不易受性別、年齡、飲食、感染等外來因素的影響。CysC經(jīng)過腎小球濾過膜后，完全被腎臟近曲小管重吸收及分解代謝，而腎小管本身不能分泌CysC，腎臟是清除體內(nèi)CysC的唯一器官，基于以上特點，CysC可認為是反映腎小球濾過功能及腎小管功能的理想標記物。但它作為一種蛋白酶抑制劑，在血管性疾病中發(fā)揮著重要的作用。

目前，越來越多的研究表明半胱氨酸蛋白酶抑制劑是腦血管疾病的獨立危險因素，但關于半胱氨酸蛋白酶抑制劑在腦血管疾病發(fā)生及診斷中的作用，尤其是作用機制并沒有一個相對完善的說明，現(xiàn)將其總結如下。

1 遺傳性CysC腦淀粉樣血管病(HCCAA)

腦淀粉樣血管病(CAA)作為一種常發(fā)生于老年人的腦內(nèi)微血管病變，病理特征主要是β-淀粉樣蛋白(Aβ)沉積于皮質(zhì)、皮質(zhì)下、軟腦膜中或小血管的中膜以及外膜，血管平滑肌失去了正常的生理功能。CAA多發(fā)生于60歲以上的老年人，臨床易出現(xiàn)反復發(fā)作或多發(fā)腦葉出血，已成為老年非高血壓性腦出血的重要原因之一。伴隨社會發(fā)展、人口逐漸出現(xiàn)老齡化，CAA發(fā)病率亦逐年增高，并且由于老年人普遍使用抗血小板、抗凝類藥物，CAA相關性腦出血日益受到臨床的重視。CAA可分為散發(fā)型和家族型。家族型主要表現(xiàn)為常染色體的顯性遺傳，誘發(fā)家族遺傳性的CAA首要因素是基因突變，除了淀粉樣蛋白前體(APP)基因和早老素基因突變所引起的 CAA外，尚有以下特殊類型：(1)荷蘭型CAA，APP基因的693位密碼子畸變后(位于21號染色體)，原Aβ的第22位谷氨酸被谷氨酰胺替代，病理學表達為CAA以及腦內(nèi)發(fā)生淀粉樣蛋白的沉積。(2)冰島型CAA，即HCCAA，CysC基因發(fā)生突變，第68位的亮氨酸被谷氨酰胺取代，病理上表達成為波及范圍更廣的CAA[1]。在許多臨床研究中發(fā)現(xiàn)，HCCAA患者腦脊液中CysC的濃度會下降1/3左右。在DNA水平上，已從20號染色體上成功分離出含一個點突變的胱抑素C基因，與野生型蛋白的基因比對后發(fā)現(xiàn)，該突變導致了氨基酸替換(Leu-68-Gln L68Q)，使得原有基因上的AluⅠ識別位點的喪失。在蛋白質(zhì)水平上，通過大腸桿菌表達野生型和L68Q 突變型CysC，發(fā)現(xiàn)這兩種蛋白變體均能有效抑制半胱氨酸蛋白酶組織蛋白酶B，但它們在二聚化及形成聚集體時又有很大的不同。正常血清胱抑素C的三維結構，是與組織蛋白酶B形成的復合物結晶，這種結構能對目標酶產(chǎn)生高效的抑制作用，而且leu-68殘渣最終會包埋在蛋白質(zhì)的疏水核心。對其三維結構的核磁共振光譜研究顯示，CysC在蛋白完全展開和變性之前會發(fā)生輕微的、局部的結構變化，導致二聚體的形成。二聚化會使CysC的生物活性完全喪失。L68Q-CysC二聚體的形成相似，但在失活的同時呈現(xiàn)出高度的溫度依賴性(孵育溫度從37 ℃上升到40 ℃，反應速率增加150%)，因此通過醫(yī)療干預來阻斷發(fā)熱期疾病的特質(zhì)載體可能會減少體內(nèi)L68Q-CysC多聚體的形成。但是L68Q-CysC二聚化要比野生型蛋白需要的的溫度低，接近30 ℃就可以形成，表明Leu-68-Gln氨基酸替代降低了蛋白展開的溫度。換句話說，CysC提供了一個機制，使得突變體蛋白穩(wěn)定性的下降與其易發(fā)生淀粉樣沉積的的性質(zhì)相統(tǒng)一[2]。

近年來研究還發(fā)現(xiàn)，同其他種類淀粉樣蛋白的清除相似，L68Q-CysC的淀粉樣聚集會誘導分化的THP-1單核細胞系聚集、吞噬清除沉積物并導致炎癥反應。炎癥對淀粉樣疾病的影響是雙面性的，一方面，細胞因子的分泌及免疫細胞的慢性活化有益于消除有毒蛋白質(zhì)；另一方面，這種反應可能也會產(chǎn)生有害的后果，HCCAA患者中高水平的TNF-α等炎癥反應還可以造成血管系統(tǒng)的損害，增加發(fā)生腦出血的可能性，所以要想通過炎癥這條途徑來干預該疾病的進展很難把握干預程度[3]。

2 蛛網(wǎng)膜下腔出血(SAH)及SAH后腦血管痙攣(CVS)

SAH最常見的病因為腦動脈瘤的破裂，而CVS則是患者SAH后致死及致殘的主要原因。SAH后CVS是一個潛在危險因素，它使顱內(nèi)動脈收縮，動脈供應區(qū)域的腦血流量減少，從而產(chǎn)生缺血性神經(jīng)癥狀，出現(xiàn)遲發(fā)性缺血性神經(jīng)功能障礙，但其發(fā)病機制尚未完全清楚，各種原因在CVS的發(fā)病機制中均可起重要作用，如SAH后痙攣的腦血管NO(血管舒張因子)含量的明顯下降、ET-1(血管收縮因子)的持續(xù)升高、膽紅素氧化產(chǎn)物(通過損傷血管平滑肌產(chǎn)生血管收縮和血管病變)的急劇升高等[4]。通過大鼠模型可以發(fā)現(xiàn)，SAH后大鼠基底動脈(BA)會發(fā)生管徑狹窄、管壁增厚，即CVS；自噬相關蛋白LC-3，Beclin-1在基底動脈壁中的表達水平要比正常對照組高很多，即自噬參與了CVS的病理過程；CysC處理組中CVS(BA內(nèi)周長、壁厚度和臨床行為功能)顯著改善，并且這種效果平行于的BA壁中自噬蛋白表達強度。由此可見，CysC通過誘導自噬來預防和改善SAH后CVS的發(fā)生[5]。

3 腦梗死(缺血性腦卒中)

近年來臨床研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，急性腦梗死(AIS)患者體內(nèi)血CysC水平有非常明顯的升高，隨病情好轉而逐漸下降，而且CysC水平與患者發(fā)生AIS的風險呈正相關，這些都表明CysC可作為診斷腦梗死的重要指標。與此同時，動物實驗中發(fā)現(xiàn)CysC在腦缺血再灌注損傷(I/R)后會明顯升高，24 h達高峰，并且顯著降低了梗死的區(qū)域，對神經(jīng)元起著保護性的作用。其可能的機制有：(1)腦梗死后，腦脊液中的CysC通過損傷的血腦屏障進入血漿，導致血漿CysC含量升高；(2)腦梗死可導致急性腦水腫，從而導致顱內(nèi)壓增高，并通過神經(jīng)內(nèi)分泌紊亂機制使腎功能異常，血管緊張素和抗利尿激素分泌增加，腎血流減少，腎小球濾過率降低，血液循環(huán)中排除減少，更加促進血漿CysC增高[6]。(3)在缺血性刺激下，半胱氨酸蛋白酶如Cathepsin B的表達量顯著增加并引起細胞死亡率的升高，而此時神經(jīng)細胞，包括神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細胞可以釋放高水平的CysC，可以作為一種防御機制，通過抑制半胱氨酸蛋白酶的活性起到保護梗死區(qū)腦細胞的作用[7]。

腦梗死中最常見的類型為動脈粥樣硬化血栓性腦梗死，CysC在心血管系統(tǒng)疾病中的作用近年來已經(jīng)顯著得到人們的關注，尤其是在動脈粥樣硬化斑塊形成及穩(wěn)定性維持中的起著重要的作用[8]。目前大多數(shù)研究認為CysC是腦梗死發(fā)生、發(fā)展的獨立危險因素。CysC在動脈粥樣硬化形成中的作用機制尚不完全清楚，目前研究發(fā)現(xiàn)可能有以下幾方面：(1)作為蛋白酶抑制劑：體內(nèi)組織蛋白酶抑制劑與組織蛋白酶的失衡是促使動脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展的主要危險因素，CysC作為組織蛋白酶抑制劑能夠強烈抑制組織蛋白酶B，當兩者的平衡破壞后促使動脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展。細胞外基質(zhì)蛋白合成與降解之間的平衡在血管修復及斑塊的形成及穩(wěn)定性維持中起著關鍵性的作用。已有很多研究證實，金屬蛋白酶和絲氨酸蛋白酶在斑塊膠原纖維和彈性纖維降解中的作用，而溶酶體中的半胱氨酸蛋白酶(cathepsin)也同樣發(fā)揮著重要的作用。CysC是半胱氨酸蛋白酶的強效抑制劑，所以在蛋白質(zhì)的分解代謝、抗原呈遞、骨吸收、激素代謝以及組織重塑過程中對細胞膜和細胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)的分解也起著重要的作用。除外膠原纖維和彈性纖維，斑塊中另一些重要的基質(zhì)成分，如由核心蛋白以共價鍵連接葡糖胺聚糖鏈而成的糖蛋白，組織蛋白酶能通過降解其核心蛋白來降解該成分，cathepsin可以降解參與斑塊鈣化的骨橋蛋白和骨結合素等。相比于正常的血管壁，在動脈硬化斑塊區(qū)巨噬細胞及SMC中cathepsin S、K等的表達量明顯增多，而CysC水平則與上述基質(zhì)成分的含量呈正相關。由此可見，CysC極有可能是通過抑制cathepsin家族蛋白的活性來參與斑塊形成并保持斑塊的穩(wěn)定性[9]。(2)作為炎癥相關蛋白：CysC引起內(nèi)皮細胞損傷，導致血管內(nèi)皮功能紊亂，從而改變內(nèi)皮細胞基因表達，誘導細胞凋亡；CysC引起各種炎性因子和細胞因子的釋放、C反應蛋白濃度的明顯升高，同時CysC及其降解產(chǎn)物可以干預粒細胞的吞噬及趨化功能，介導炎性反應，加速動脈粥樣硬化[10]；CysC通過CD40、CD40L作為免疫炎癥調(diào)節(jié)途徑，誘導粥樣硬化斑塊內(nèi)巨噬細胞和血管平滑肌細胞表達基質(zhì)金屬蛋白酶，導致斑塊破裂；通過激活血小板促進血小板黏附和聚集；抑制纖溶系統(tǒng)活性，引起凝血及抗凝血功能紊亂[11]。(3)其他：CysC通過Bcl-2下調(diào)bax的表達，抑制氧化型低密度脂蛋白誘導的人血管平滑肌細胞凋亡增加，阻止血管平滑肌的損傷和血管壁的重構；CysC導致核轉錄因子迅速而短暫的升高，核轉錄因子的異常激活是動脈粥樣硬化發(fā)生和發(fā)展的始動機制之一。

4 腦動脈瘤

腦動脈瘤是腦動脈壁的局限性囊性擴張。動脈壁后天性退變學說認為，顱內(nèi)動脈粥樣硬化和高血壓使動脈內(nèi)彈性膜發(fā)生破壞，漸漸膨出形成囊性動脈瘤。采用定量RT-PCR和免疫組化，已經(jīng)證明包括腦血管瘤在內(nèi)的很多擴張型血管病中，動脈壁蛋白酶B、K、S的表達明顯增加，而CysC的表達明顯降低[12]。如上面斑塊穩(wěn)定性的維持中所述，CysC作為半胱氨酸酶抑制劑，其主要功能是調(diào)節(jié)半胱氨酸酶的活性，通過參與蛋白的水解調(diào)控，從而影響細胞內(nèi)外基質(zhì)的降解。在高血壓、高脂血癥等各種損傷因素的作用下，首先是血管內(nèi)皮細胞損傷，繼而平滑肌細胞發(fā)生增殖、遷移等改變，血管開始重構；最后形成動脈粥樣硬化斑塊或者動脈瘤；這個過程會涉及到組織蛋白的降解與合成，必然會有組織蛋白酶的活躍表達，但是作為組織蛋白酶抑制物CysC的下調(diào)加速了這個過程[13]。

5 腦小血管病

腦小血管病( cerebral small vessel diseases，CSVD)是指腦的小的穿支動脈和小動脈(直徑40～200 μm)、毛細血管、小靜脈的病變導致的臨床、認知、影像學及病理表現(xiàn)的綜合征，它是導致腦卒中、其他血管事件和癡呆的重要因素，近半數(shù)的血管性癡呆是由于小血管病引起的。常見腦小血管病的病因有脂質(zhì)透明樣變性、小動脈硬化、動脈粥樣硬化、CAA、伴有皮質(zhì)下梗死和白質(zhì)腦病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病、血管炎等。腦小血管病按腦組織的病理改變可分為3個亞型：腦微出血(CMB)、缺血性腦白質(zhì)病變(WML)、腔隙性腦梗死。

循環(huán)系統(tǒng)中，腦和腎臟作為重要的終末器官，其血管與其他血管有著很大的不同，這兩個器官的血管床均具有高流量、低阻力特點，容易受到收縮壓和舒張壓變化的影響而導致被動血流過度灌注，因此也更容易受到血壓和血流波動變化的損害[14]。一項尸檢研究顯示，腎小球和腦小血管床具有類似的解剖學和血流動力學基礎，它們對血壓波動均高度敏感，在糖尿病、高血壓等血管危險因素的作用下，這些小血管容易發(fā)生脂質(zhì)透明樣變性[15]。因此，腦微血管損傷和腎血管球損傷平行存在。血清CysC水平升高和CMBs的存在可能是高血壓等高危因素導致全身靶器官微血管損傷的指征及突出表現(xiàn)。

已有研究表明，血清CysC水平越高，腎小球濾過率越低，WML體積越大，腔隙性腦梗死和CBM發(fā)生的概率越大，認知障礙發(fā)生的概率越大(MMSE評分)[16，17]。腦微血管結構隨著年齡的增長、持續(xù)受高血壓、高血糖的影響而逐漸脆弱，高血壓可導致腦小血管發(fā)生纖維透明樣變性和微動脈瘤，無高血壓的老年人腦小血管可出現(xiàn)淀粉樣變性，腦的這些微血管病變可以導致出血、梗死和腦白質(zhì)變性，而在這些微血管的病變發(fā)生中，CysC作為一種重要的蛋白酶抑制劑、β淀粉樣蛋白沉積調(diào)節(jié)因子及炎癥相關蛋白，起著很大的作用。

6 血管性癡呆(VaD)

血管性癡呆(VaD)是指由各種腦血管病變引起的腦功能障礙而產(chǎn)生的獲得性智能損傷綜合征，它的發(fā)生是一種多因素致病過程，其危險因素主要包括人口社會學、血管性因素、遺傳史以及可能的其他因素，作為目前唯一可以預防的癡呆，早期發(fā)現(xiàn)并有效控制其危險因素是其治療的重點。在對患有認知障礙和癡呆的老年人群的評估發(fā)現(xiàn)，除原有傳統(tǒng)的危險因素如高血壓、高血糖、高血脂外，同型半胱氨酸、CysC、N端腦鈉肽前體3項中任一項作為血管損傷標志物都可能成為新的預測指標[18]。

目前推測CysC參與VaD的機制如下：(1)作為蛋白酶抑制劑：CysC通過抑制組織蛋白酶B等γ分泌酶的水解作用，抑制淀粉樣片段Aβ的過度產(chǎn)生，后者聚集可形成老年斑；CysC通過抑制組織蛋白酶的作用參與神經(jīng)元的再生與神經(jīng)變性，藥理學研究發(fā)現(xiàn)，組織蛋白酶的藥理性抑制劑可以明顯減少腦缺血后神經(jīng)元的損傷，提示CysC可能是內(nèi)源性神經(jīng)保護因子；CysC通過抑制組織蛋白酶拮抗細胞凋亡及氧化應激，明顯地抑制腫瘤壞死因子α/放線菌素D誘導的血管內(nèi)皮細胞凋亡，有研究表明，在氧化低密度脂蛋白誘導的血管平滑肌細胞凋亡中，活性氧生成量明顯增加，CysC可以有效降低其生成量，推測可能是通過一定的抗氧化作用來完成抗凋亡作用的。(2)CysC的過多沉積使平滑肌細胞進行性減少，從而出現(xiàn)微血管變性和腦出血等腦血管疾病。(3)腦和腎損傷享有共同的通路--微血管病變。內(nèi)皮損傷會導致血腦屏障的缺陷從而增加淀粉樣蛋白轉運與形成，易發(fā)生腔隙性梗死及白質(zhì)改變。腎臟系膜內(nèi)皮的損傷將導致蛋白尿的出現(xiàn)，激活腎間質(zhì)炎癥反應導致腎纖維化而發(fā)生慢性腎臟疾病血清CysC作為血管性損傷的標志物，與血管內(nèi)皮細胞的凋亡及血管的炎癥反應息息相關[19]。

半胱氨酸蛋白酶抑制劑作為一種重要的蛋白酶抑制劑、β淀粉樣蛋白沉積調(diào)節(jié)因子、炎癥相關蛋白及其他重要的角色，對腦血管及神經(jīng)元有著促損傷與損傷后保護的雙重作用，在各種腦血管疾病的發(fā)生中起著重要的作用，它甚至可能是多種腦血管疾病同時存在的一個高危因素。所以半胱氨酸蛋白酶抑制劑作為一種新的腦血管疾病的生物標志物有著良好的應用前景，并為其診斷和治療提供了新的線索。但是這些發(fā)現(xiàn)對于臨床應用來說還遠遠不夠，以后的研究應致力于提高CysC在腦血管疾病診斷中的特異性和敏感性，為臨床工作提供更多的新思路。

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1003-2754(2017)01-0092-03

R743

2016-11-02；

2017-01-05

(吉林大學白求恩第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，吉林 長春 130021)

孫 莉，E-mail：sjnksunli@163.com