基質(zhì)金屬蛋白酶-2與腦缺血損傷及修復(fù)

馬躍文，強(qiáng)琳

基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)最早于1962年由Gross和Lapiere在蝌蚪尾巴中發(fā)現(xiàn)，是一組含Zn2+的蛋白酶，能降解細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)。MMPs參與人體正常生長(zhǎng)發(fā)育、組織重塑及創(chuàng)傷愈合等過程，及動(dòng)脈粥樣硬化、關(guān)節(jié)炎、肺纖維化-血管再生、轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞的擴(kuò)散等病理過程[1]。近年來大量研究表明，MMPs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理和病理過程中也有多種作用[2]。

1 概述

典型的MMP結(jié)構(gòu)包括前肽、催化區(qū)、連接肽和血液結(jié)合素樣結(jié)構(gòu)[3]。體內(nèi)MMP的活性主要通過基因轉(zhuǎn)錄、酶原活化和抑制劑調(diào)控3個(gè)水平進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究表明，誘導(dǎo)MMP表達(dá)的細(xì)胞因子包括白細(xì)胞介素-1(interleukin-1,IL-1)、腫瘤壞死因子 -α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、 表 皮 生 長(zhǎng) 因 子(epidermal growth factor,EGF)、血小板衍生生長(zhǎng)因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor,FGF)等，這些因子通過有絲分裂原激活蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)等信號(hào)途徑最終作用于激活蛋白(activator protein,AP)或核因子(nuclear factor,NF)-κB，再與MMP mRNA的調(diào)節(jié)位點(diǎn)結(jié)合而調(diào)節(jié)MMP的表達(dá)。MMP的酶活性受到非特異性和特異性抑制劑的調(diào)控，前者包括α2巨球蛋白、α1抗蛋白酶等，后者為MMP組織抑制劑(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)。TIMP與MMP之間處于動(dòng)態(tài)平衡，兩者表達(dá)失衡則導(dǎo)致病理學(xué)變化。

MMPs按其組織特異性不同可分為膠原酶、明膠酶、間質(zhì)溶解素、基質(zhì)溶酶、膜型基質(zhì)蛋白酶及其他不能分類的基質(zhì)酶。MMP-2屬于明膠酶，也稱明膠酶A，廣泛存在于腦組織中，膠質(zhì)細(xì)胞中最多。體外實(shí)驗(yàn)表明，活性MMP-2產(chǎn)生于星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞[4]。MMP-2有兩種形式：無活性的酶原和有活性的酶。MMP-2酶原的相對(duì)分子量為72 kD，活性酶的相對(duì)分子量為66 kD，其主要底物包括明膠，膠原Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ，層粘連蛋白，彈性蛋白及纖連蛋白。MMP-2在其催化區(qū)有3個(gè)重復(fù)的Ⅱ型纖維連接蛋白，這些重復(fù)區(qū)域作用于明膠和膠原有助于明膠酶發(fā)揮其降解作用[3]。MMP-2以無活性的酶原形式分泌，其前體在細(xì)胞表面被膜型金屬蛋白酶(membrane-bound matrix metalloproteinase,MT-MMP)激活，在細(xì)胞表面或附近表達(dá)其溶膠原活性[3,5]。腦缺血早期，MMP-2可通過降解基底膜破壞血腦屏障，后期則有利于神經(jīng)血管的再生。

2 MMP-2與腦缺血早期損傷

血腦屏障(BBB)由腦血管內(nèi)皮細(xì)胞、基底膜及星形細(xì)胞終足3層構(gòu)成，是存在于腦組織和血液之間的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，內(nèi)皮細(xì)胞、細(xì)胞間緊密連接、星形細(xì)胞以及基底膜等成分共同參與構(gòu)成了血腦屏障的特殊結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常的內(nèi)環(huán)境有重要的意義。其中基底膜是一種特殊形式的ECM，主要由Ⅳ型膠原、層粘連蛋白和纖連蛋白等構(gòu)成，而這三者都是MMP-2的作用底物；這些成分的破壞能導(dǎo)致血腦屏障完整性的破壞。血腦屏障的完整性在腦缺血再灌注損傷的過程中起著重要作用，局灶性腦缺血可以引起基底膜通透性和結(jié)構(gòu)的變化，而這種變化已被認(rèn)為是局灶性缺血導(dǎo)致微血管出血的主要原因。

有研究表明，在腦缺血再灌注的早期，MMP-2被MT-MMP激活，破壞緊密連接蛋白[6]，從而使循環(huán)中的重組組織型纖溶酶原激活劑(rtPA)等物質(zhì)進(jìn)入腦內(nèi)。向大鼠腦內(nèi)直接注射MMP-2，可以通過破壞腦毛細(xì)血管緊密連接和基底膜，導(dǎo)致血腦屏障的開放，引起血管源性腦水腫[7]。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，腦缺血2 h再灌注3 h和48 h，血腦屏障均開放，其中首次開放與MMP-2水平增高有關(guān)，而48 h的血腦屏障開放與MMP-9 的水平相關(guān)[8]。Rosenberg[8]及 Sood 等[9]使用 MMPs抑制劑B1101，可以減少缺血后3 h血腦屏障破壞和24 h的腦水腫，但未減少缺血后48 h的腦梗死體積。Rosenberg的研究顯示，再灌注后3 h，星形細(xì)胞內(nèi)MMP-2免疫染色增強(qiáng)，同時(shí)提出了再灌注損傷過程中星形細(xì)胞主要通過MMP-2調(diào)節(jié)血腦屏障：在缺血缺氧開始時(shí)，星形細(xì)胞可能通過MT-MMP激活MMP-2對(duì)損傷信號(hào)發(fā)生反應(yīng)，而MT-MMP可能被由纖溶原/纖維蛋白溶酶系統(tǒng)作用而產(chǎn)生的纖溶酶原激活物激活[10]。Fukuda等在腦缺血再灌注過程中檢測(cè)到MMP-2和MMP-9活性明顯升高，同時(shí)伴有Ⅳ型膠原蛋白和層粘蛋白等ECM成分的減少[11]。Heo等發(fā)現(xiàn)，靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦缺血后1 h，大腦基底節(jié)區(qū)MMP-2含量明顯增加，此后保持較高水平表達(dá)；MMP-2的表達(dá)與神經(jīng)元損傷的范圍及受損神經(jīng)元的數(shù)量呈現(xiàn)高度相關(guān)[12]。這些研究表明，MMP-2在腦缺血早期基底膜降解導(dǎo)致神經(jīng)損傷中有著重要的作用。綜合上述研究，MMP-2在腦缺血早期通過破壞緊密連接和基底膜，致血腦屏障開放。

3 MMP-2與腦缺血后血管再生及神經(jīng)修復(fù)

神經(jīng)再生及血管再生是腦缺血后神經(jīng)修復(fù)的重要過程，其中起關(guān)鍵作用的是側(cè)腦室下回和海馬齒狀回下區(qū)。MMPs在再灌注早期發(fā)揮損傷作用的同時(shí)，在恢復(fù)階段對(duì)促進(jìn)血管再生[13]及神經(jīng)再生[14]有著重要作用。MMP的活化至少部分參與缺血誘導(dǎo)的海馬齒狀回神經(jīng)元再生[15]。Reeves等也指出，MMP-2與神經(jīng)損傷后突觸的再生和神經(jīng)元的可塑性有關(guān)[16]。

Dong等的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，大鼠大腦中動(dòng)脈栓塞缺血再灌注7 d時(shí)，缺血前5 min及再灌注前5 min應(yīng)用白藜蘆醇的實(shí)驗(yàn)組中，皮質(zhì)區(qū)微血管數(shù)量較生理鹽水對(duì)照處理組明顯增加，且實(shí)驗(yàn)組梗死區(qū)域MMP-2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)表達(dá)增加[17]，提示高表達(dá)的MMP-2和VEGF可能通過誘導(dǎo)血管發(fā)生而在神經(jīng)保護(hù)中起著重要的作用。Wang等將小鼠腦血管內(nèi)皮細(xì)胞及來源于成年鼠側(cè)腦室下區(qū)的神經(jīng)祖細(xì)胞共培養(yǎng)，給予重組人促紅細(xì)胞生成素24 h、48 h后發(fā)現(xiàn)，MMP-2和MMP-9的表達(dá)顯著增加，神經(jīng)祖細(xì)胞的遷移能力也明顯提高；而使用MMP抑制劑則可以抑制神經(jīng)祖細(xì)胞的遷移[14]。Montaner等發(fā)現(xiàn)，繼往有卒中病史的患者，血漿MMP-2水平較高[18]。Rosenberg的研究顯示，腦缺血再灌注后5 d和21 d，在缺血區(qū)周圍的星形細(xì)胞中可見MMP-2的濃重染色，這時(shí)正是血管生成及神經(jīng)膠質(zhì)增生出現(xiàn)的時(shí)間，提示MMP-2在修復(fù)過程中作用重要，可能有助于血管生成及神經(jīng)膠質(zhì)增生[10]。Rosenberg等用酶譜法檢測(cè)自發(fā)性高血壓鼠(SHR)和Wistar-Kyoto(WKY)鼠持續(xù)腦缺血后1 h、3 h、12 h、24 h和5 d的MMPs表達(dá)，發(fā)現(xiàn)梗死腦組織內(nèi)MMP-2直到缺血后5 d才有明顯增加(P＜0.05)[19]。在Rosenberg等的其他實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，腦缺血2 h再灌注后5 d，MMP-2及其抑制劑TIMP-2水平達(dá)高峰，而此時(shí)腦缺血后組織修復(fù)過程已開始。這些結(jié)果都提示MMP-2可能與腦損傷后組織修復(fù)有關(guān)。

Romannic等觀察到大鼠腦缺血后24 h，MMP-2出現(xiàn)在梗死區(qū)的巨噬細(xì)胞，其活性在第5天達(dá)到高峰，至缺血后30 d仍有明顯的低水平表達(dá)[20]，提示MMP-2可能有助于巨噬細(xì)胞向缺血區(qū)域的轉(zhuǎn)移，利于缺血后期組織修復(fù)過程中細(xì)胞碎片的清理。Sood等發(fā)現(xiàn)，使用MMPs抑制劑B1101在減少缺血后3 h血腦屏障破壞的同時(shí)，加重了缺血后3周和4周的神經(jīng)功能缺損[9]。Anthony等發(fā)現(xiàn)，腦卒中1周后到5年，患者腦實(shí)質(zhì)中性粒細(xì)胞消失，但存在大量表達(dá)MMP-2的巨噬細(xì)胞[21]，也說明MMP-2可能在缺血后組織修復(fù)、神經(jīng)再生過程中起作用。其他研究顯示，MMPs通過多種途徑促進(jìn)大腦重塑，包括調(diào)整細(xì)胞外基質(zhì)、促進(jìn)樹突重塑，通過降解神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕促使軸突延伸及修復(fù)，還能使生長(zhǎng)因子轉(zhuǎn)變成其生物活性形式[2]。

綜合上述研究，我們推測(cè)MMP-2對(duì)腦缺血后期神經(jīng)及血管再生有著重要的促進(jìn)作用，但其作用機(jī)制尚不明確。

4 結(jié)語

MMP-2具有復(fù)雜的生物學(xué)功能，在腦缺血損傷及修復(fù)過程中發(fā)揮著雙重作用。在腦缺血早期，MMP-2通過降解基底膜和破壞緊密連接蛋白，從而損傷血腦屏障；而在腦缺血后期，MMP-2通過促進(jìn)神經(jīng)血管再生，有利于腦組織的修復(fù)。在Sood等的實(shí)驗(yàn)中，MMPs抑制劑減少缺血后3 h血腦屏障破壞的同時(shí)加重了缺血后期的神經(jīng)功能缺損。這些研究結(jié)果為腦缺血的治療提供了一個(gè)新的靶點(diǎn)——應(yīng)用MMP-2及其抑制劑。

但仍有許多問題待于解決，如MMP-2抑制劑治療的時(shí)機(jī)選擇，MMP-2促進(jìn)腦缺血后期神經(jīng)血管再生的機(jī)制。進(jìn)一步研究這些問題才能為將來探索腦缺血后新的治療方法提供科學(xué)依據(jù)。

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