金屬蛋白酶9及其抑制因子-1在膿毒癥致多器官功能障礙綜合征中的作用

王鵬 余旻

多器官功能障礙綜合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）是不同病因導致的以多個臟器功能障礙和內環(huán)境紊亂為特點的臨床綜合征，病程包括早期器官功能障礙的發(fā)生到衰竭全過程，炎癥反應、凝血激活、免疫應答失調共存于MODS發(fā)病過程，其中免疫應答失調是最重要的致病因素。機體這種免疫應答失調的過程，嚴重時在臨床上表現為全身炎癥反應綜合征（systemic inflammation response syndrome，SIRS），進而發(fā)展為MODS。20世紀90年代已達成了"MODS是過度的SIRS或過度代償性全身抗炎反應綜合征（compensatory antinflammatory response syndrome，CARS）引起的多器官功能障礙"的共識。而膿毒癥是機體針對微生物感染的SIRS，1991年美國胸外醫(yī)師協(xié)會和危重病學會在芝加哥聯(lián)合召開的討論會上即已明確指出，膿毒癥是導致MODS的主要原因。而基質金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）及其抑制因子-1（tissue inhibitor of metalloproteinases-1，TIMP-1）在膿毒癥致MODS病程中起了重要作用。

1 膿毒癥誘發(fā)MODS的分子機制

MODS的發(fā)病機制十分復雜，學者們從缺血-再灌注、胃腸道屏障受損、炎癥失控、代償性抗炎失控、二次打擊以及細胞凋亡等角度對其進行詮釋。實際上，膿毒癥本身也是一個復雜的病理生理過程，根據國內外相關的研究進展將膿毒癥誘發(fā)MODS的機制總結如下：①機體在遭受嚴重感染打擊時，立即啟動防御機制，包括激活中性粒細胞、單核-巨噬細胞等炎癥細胞，釋放以腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）為代表的炎癥細胞因子、蛋白酶等活性物質，并且與免疫細胞之間相互促進，這種免疫應激反應不斷放大，發(fā)展為全身性的炎癥反應。②機體啟動全身炎癥反應的同時，也啟動了抗炎反應，以白細胞介素-10（interleukin -10，IL-10）為代表的抗炎因子大量釋放，同時反應型CD4+T淋巴細胞亞群向非反應型CD8+亞群"漂移"，TNF-α、IL-2等炎癥細胞因子分泌減少，單核細胞失活，發(fā)生全身抗炎反應，導致機體的免疫抑制。③雖然機體發(fā)生全身抗炎反應，但IL-1、氧自由基等炎癥細胞因子和促炎物質可以使中性粒細胞延緩凋亡，從而延長炎癥反應的持續(xù)時間。因此，膿毒癥時機體實際上是處于持續(xù)的炎癥反應和免疫功能低下狀態(tài)，SIRS和CARS共存，它們并不是彼消我長的關系，而是膿毒癥的兩個方面，共同促進MODS發(fā)生。④膿毒癥時，TNF-α、IL-1的大量釋放以及內皮的激活和損傷可激活凝血系統(tǒng)，造成膿毒癥機體的高凝狀態(tài)。隨著病程的發(fā)展，各種凝血因子、抗凝物質以及血小板被消耗，嚴重時發(fā)生消耗性凝血病，推進了MODS進程。⑤膿毒癥時，TNF-α、IL-1、NO、前列腺素等生物活性物質可以使血管擴張，血管平滑肌對兒茶酚胺的反應性降低，造成血管的舒縮調節(jié)功能障礙，血流分布異常，另外血管通透性增加、動靜脈短路開放均可造成組織灌注不足，發(fā)生功能障礙。⑥此外，膿毒癥時，胃腸道、胸腺、脾臟細胞極易發(fā)生凋亡，造成腸道黏膜屏障和免疫功能受損，導致機體內毒素易位和免疫力低下，最終引發(fā)MODS。

2 基質金屬蛋白酶-9 和組織抑制因子-1

MMP-9與其他MMPs成員一樣，是鋅離子依賴的蛋白水解酶，主要以明膠和Ⅳ型膠原（collagen IV，IV-C）為底物，因此又叫明膠酶、IV-C酶。而IV-C是各種基膜特有的重要成分。MMP-9在正常組織中表達量很少，但在炎癥反應時，活化的中性粒細胞、單核細胞、內皮細胞等可合成并釋放大量MMP-9，破壞內皮、上皮基膜結構［4］,從而影響相應組織細胞功能。MMP-9的活性調節(jié)在基因轉錄、酶原活化、抑制物對酶的抑制三個環(huán)節(jié)進行，組織抑制因子-1是其內源性抑制物，常由分泌MMPs的同一細胞合成，可優(yōu)先與MMP-9酶原或活化的MMP-9結合形成高親和力的非共價鍵復合體，抑制MMP-9活性。TIMP-1還參與調節(jié)細胞的增殖，主要功能是促進細胞增殖和抑制細胞凋亡，是近年研究熱點。

3 MMP-9和TIMP-1與MODS

3.1 MMP-9與MODS

MODS大鼠的肺、肝、脾、腎組織中均能檢測到MMP-9陽性表達量明顯增加。MMP-9基因啟動子位置存在NF - κB、AP - 1、SP - 1等多種核因子結合位點， TNF-α、IL-1等炎癥細胞因子可通過這些位點使內皮細胞、中性粒細胞、上皮細胞、肝肺巨噬細胞等組織細胞MMP-9的表達增加。而MMP-9不僅僅作為這些細胞因子的下游產物，它可將無活性的前體TNF-α轉化為活性的TNF-α，將前體IL-1β轉化為活性的IL-1β ，并且可在氨基末端的特異性位點裂解趨化因子IL-8，使其催化能力增強為原來的27倍，同時MMP-9的釋放能力增強為原來的10倍。MMP-9與這些細胞因子形成正反饋環(huán)，進一步激活單核-巨噬細胞、中性粒細胞，增強其生物學活性。滕林和余旻等研究酵母多糖誘導MODS大鼠血清及受損組織中內皮損傷的標志物血栓調節(jié)蛋白(thrombomodulin,TM) 、MMP-9與MODS病情進展的相互關系，發(fā)現造模后6 h血清TM和MMP-9質量濃度及組織中TM和MMP-9的陽性表達量即已高于對照組，二者在12 h達到高峰，而肺、腎等受累組織在6、12 h鏡下炎癥改變（組織充血、水腫、炎癥細胞浸潤）明顯，說明血管內皮在MODS早期已有損傷，提出MMP-9可能是內皮功能難以恢復的原因，而內皮的損傷最終導致MODS的發(fā)生。相關的臨床研究也有類似發(fā)現：TM和MMP-9在膿毒癥合并MODS患者的血漿濃度高于非MODS患者，并且膿毒癥患者血漿中TM濃度的變化與MMP-9呈正相關關系。研究證明，應用促紅細胞生成素、米諾環(huán)素、強力霉素等外源性MMP-9抑制劑，可減少微血管的滲出，從而減輕缺血再灌注引起的肺、腎組織水腫及損傷?？梢姡琈MP-9與血管內皮損傷密切相關：MMP-9損傷血管內皮，損傷的內皮分泌MMP-9。而內皮的損傷將進一步啟動和放大凝血過程和炎癥反應。Kolaczkowska等研究了酵母多糖誘發(fā)小鼠急性腹膜炎的分子機制，發(fā)現模型組小鼠MMP-9蛋白表達及明膠酶活性高于正常組和MMP-9抑制劑處理組，并且腹腔滲出液中中性粒細胞、單核細胞、多形核細胞明顯增多；該項目的學者們給正常小鼠腹腔注射了重組MMP-9蛋白，結果發(fā)現腹腔滲出液中單核細胞明顯增多，中性粒細胞和多形核細胞明顯高于正常小鼠，表明MMP-9參與了炎癥細胞滲出過程?，F已有證據 證實了MMP-9有助于炎癥細胞的粘附和遷移。因此，機體在過度炎癥反應的狀態(tài)下，受損激活的血管內皮細胞、中性粒細胞等分泌MMP-9增加，后者破壞內皮基膜，內皮細胞脫落、凋亡，血管壁完整性受損，組織微血管通透性增加，炎癥細胞在趨化因子的作用下穿過血管壁浸潤于組織。這些炎癥細胞在正常生理狀態(tài)下殺滅病原微生物，起防御作用。然而在炎癥反應過程中，組織中大量的炎癥細胞可通過炎癥細胞因子、超氧化物、凋亡信號、顆粒酶、蛋白酶等途徑損害組織細胞，表現為相應器官功能障礙。

可見，MMP-9主要通過與炎癥細胞因子相互作用、促進炎癥細胞向炎癥區(qū)域遷移、損傷血管內皮3個方面加劇炎癥反應，從而加重組織損傷，最終導致MODS發(fā)生。

3.2 TIMP-1與MODS

TIMP-1作為MMP-9的抑制物，在不同的受累組織中的表達有差異。張召才等以盲腸結扎穿孔法復制膿毒癥大鼠模型，采用基因芯片技術檢測MMPs及TIMPs在心臟組織中的表達，結果顯示，膿毒癥大鼠心臟MMPs中有12個基因表達較假手術組上調3倍以上，其中包括MMP-9，TIMPs中僅TIMP-3表達上調，認為MMPs在引起組織損傷中起了主要作用，TIMPs通過抑制MMPs，對器官功能可能有一定保護作用。然而TIMP-1的基因5'調節(jié)區(qū)也存在NF - κB的結合位點，因此TNF-α、IL-1等炎癥細胞因子也可使TIMP-1表達增加。實際上，炎癥細胞因子如TNF-α、IL-1，抗炎細胞因子如轉化生長因子-β等均可刺激TIMP-1的合成與分泌。Maitra等同樣用盲腸結扎穿孔模型，采用RT-PCR和Western技術分別從基因和蛋白水平檢測到膿毒癥大鼠肝組織中MMP-9和TIMP-1同時升高。相關的臨床研究也有類似發(fā)現。Lorente等檢測了192例嚴重膿毒癥患者血MMP-9、TIMP-1濃度以及MMP-9/TIMP-1比值，結果顯示膿毒癥患者血TIMP-1濃度較健康對照組顯著升高，尤其死亡組血漿中有更高水平的TIMP-1，分析發(fā)現TIMP-1濃度與膿毒癥預后有密切關系，但其所發(fā)揮的作用并不明確，從抑制MMP-9作用的角度尚無法做出解釋。

TIMP-1有抑制細胞凋亡的功能。Lambert 等研究表明，TIMP-1可活化包含載著斑激酶FAK, P13K和ERKS的細胞生存/增殖信號通路，過表達可上調p-AKT, p-ERK的表達，進而上調抗凋亡蛋白Bcl-2表達以發(fā)揮抗凋亡作用，采用ERK抑制劑以及P13K抑制劑均可阻斷TIMP-1的抗凋亡、促增殖作用；另有研究認為是TIMP-1通過抑制凋亡蛋白Bax的表達從而發(fā)揮抗凋亡作用。研究表明，TIMP-1能抑制多種細胞的凋亡，包括肝細胞、紅細胞、乳腺上皮細胞、腎小球系膜細胞等組織細胞，Burkitt淋巴瘤細胞、神經母細胞瘤細胞等腫瘤細胞以及淋巴細胞、中性粒細胞等免疫細胞。Chromek等的研究證明，炎癥反應過程中，TIMP-1能抑制各種粒細胞凋亡，此外，該研究發(fā)現TIMP-1還具有激活粒細胞、抑制粒細胞遷移的功能。因此膿毒癥發(fā)生時，TIMP-1表達增加，一方面抑制MMP-9活性和抑制組織細胞的凋亡，對器官功能有一定的保護作用；另一方面抑制炎癥細胞的凋亡，這可能是中性粒細胞延緩凋亡的重要原因，造成炎癥反應持續(xù)時間延長，最終導致MODS發(fā)生。

膿毒癥致MODS這一病理生理過程是一個極為復雜的“網絡”系統(tǒng)，而MMP-9及其抑制物TIMP-1同作為"網絡"中的成員，可能也并非簡單的"彼消我長"的關系：機體在遭受嚴重感染打擊后，MMP-9和TIMP-1表達升高，通過增強炎癥細胞因子活性、損傷血管內皮、趨化炎癥細胞浸潤、抑制炎癥細胞凋亡，推進膿毒癥進程，最終演變?yōu)镸ODS。對這一問題的深入研究，有助于揭示MODS的發(fā)病機制，并具有潛在的應用價值。

思考題

1.膿毒癥導致MODS發(fā)生的分子機制

2.TIMP-1除了抑制MMP-9的活性，還有什么作用

（收稿日期：2012-02-17）

（本文編輯：何小軍）

DOI：10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2012.08.034

基金項目：湖北省自然基金資助項目（2009CDZ029）

作者單位：443000 湖北省宜昌，宜昌市第一人民醫(yī)院重癥醫(yī)學科

通信作者：余旻，Email:grace913@sina.com

中華急診醫(yī)學雜志2012年8月第21卷第8期Chin J Emerg Med,August 2012,Vol.21,No.8

P927-928