基質(zhì)金屬蛋白酶-2與2型糖尿病血管病變關(guān)系的研究進(jìn)展

涂晶晶 唐 靈 (桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院老年內(nèi)科，廣西 桂林 541001)

糖尿病(DM)已經(jīng)成為繼腫瘤、心血管病變之后第三大嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的慢性疾病。糖尿病血管病變是糖尿病的主要并發(fā)癥，且是糖尿病致殘致死的主要原因之一。其大血管病變性質(zhì)為動(dòng)脈粥樣硬化，主要累及主動(dòng)脈、冠狀動(dòng)脈等大血管;而微血管病變是糖尿病特有的慢性血管并發(fā)癥，主要表現(xiàn)為腎臟、視網(wǎng)膜等微血管病變。糖尿病血管病變機(jī)制與防治研究已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。2型糖尿病(T2DM)的廣泛代謝異常引起血管基底膜的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，從而使其降解與重構(gòu)機(jī)制失常，在這些病理生理過(guò)程中，細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)作為血管壁的主要成分發(fā)揮重要作用。而基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)是ECM代謝中的關(guān)鍵酶之一，與糖尿病血管病變的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系。因此，現(xiàn)將MMP-2及其與糖尿病大、微血管的關(guān)系綜述如下。

1 MMP-2概述

1.1 MMP-2的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) MMP-2是Zn2+依賴(lài)的MMPs家族的重要成員之一，屬于明膠酶類(lèi)/Ⅳ型膠原酶。主要來(lái)源于巨噬細(xì)胞、所有的成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、泡沫細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、免疫細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞等〔1〕，能特異性與ECM成分相結(jié)合并降解細(xì)胞外基質(zhì)，參與炎性反應(yīng)、缺血缺氧損傷、心血管和癌癥等生理和病理過(guò)程〔2〕。

MMP-2酶原的相對(duì)分子質(zhì)量為72×103，有活性的MMP-2的相對(duì)分子質(zhì)量為66×103，其基因位于人類(lèi)染色體16q13-q21，由13個(gè)外顯子和12個(gè)內(nèi)含子組成，結(jié)構(gòu)基因總長(zhǎng)約27 kb，分子量為72 kU，又稱(chēng)72 kU 膠原酶〔3〕。MMP-2由5個(gè)結(jié)構(gòu)域組成:①信號(hào)肽域:位于氨基末端，主要是使分泌的酶進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外;②前肽域:內(nèi)含一個(gè)半胱氨酸殘基，對(duì)MMP-2酶原形式的維持起重要作用，在活化后此殘基即被水解;③催化域:包含鋅離子結(jié)合位點(diǎn)，含3個(gè)重復(fù)的Ⅱ型纖維素序列，這些序列使MMP-2更易于和底物結(jié)合;④“鉸鏈區(qū)”:用于連接催化域和羧基末端域;⑤血紅素結(jié)合蛋白樣或纖維結(jié)合素樣的羧基末端域:可結(jié)合其他的蛋白質(zhì)，可能與改變MMP-2的活性及底物特異性有關(guān)〔4〕。

MMP-2具有MMPs的共同特性:①能降解一種或多種細(xì)胞外基質(zhì);②以無(wú)活性的酶原形式存在，在細(xì)胞膜或細(xì)胞外被激活，激活后才能降解基質(zhì)成分;③活性中心有一個(gè)鋅離子，與依地酸鈣鈉類(lèi)的螯合劑結(jié)合后活性被抑制;④與其他MMPs有相似的氨基酸序列;⑤能被特異性組織型基質(zhì)金屬蛋白酶抑制物(TIMP)所抑制，但仍保留對(duì)抗抑制劑抑制的作用〔5〕。

1.2 MMP-2的調(diào)節(jié)機(jī)制 MMP-2只有被激活之后才能發(fā)揮降解基質(zhì)及非基質(zhì)的作用。其表達(dá)和活性受到3方面嚴(yán)密調(diào)控:轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控、酶原的激活、內(nèi)源性抑制劑對(duì)其的抑制。

1.2.1 轉(zhuǎn)錄水平 MMP-2在正常人組織中低水平表達(dá)，炎性因子、激素和生長(zhǎng)因子等因素可影響其轉(zhuǎn)錄及表達(dá)。白介素-1(IL-1)、白介素-12(IL-12)、表皮生長(zhǎng)因子(EGF)、血小板衍生生長(zhǎng)因子(PDGF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-α(TGF-α)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)均能上調(diào)MMP-2的表達(dá)〔6，7〕。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β(TGFβ)、干擾素 γ、類(lèi)固醇激素(包括糖皮質(zhì)激素)和視黃醛則下調(diào)MMP-2的表達(dá)〔8〕。蛋白激酶C(PKC)、ras和src作為MMPs生長(zhǎng)調(diào)控因子的介質(zhì)，也能調(diào)節(jié)MMP-2的產(chǎn)生。早期有報(bào)道〔9〕，脂多糖(LPS)是最強(qiáng)烈的MMP-2活性誘導(dǎo)劑，其增加MMP-2的活性與另一轉(zhuǎn)錄因子核因子κB(NF-κB)有關(guān)，NF-κB抑制劑可抑制 LPS增加內(nèi)皮細(xì)胞MMP-2活性的作用。在人類(lèi)某些細(xì)胞的表面還存在能誘導(dǎo)MMPs表達(dá)的糖蛋白，命名為細(xì)胞外基質(zhì)金屬蛋白酶誘導(dǎo)物，該誘導(dǎo)物可以通過(guò)p38促分裂原活化蛋白激酶通路發(fā)揮作用，增加成纖維細(xì)胞MMP-2的表達(dá)。

1.2.2 酶原的激活 MMP-2 mRNA經(jīng)翻譯、修飾后以酶原形式(pro MMP-2)分泌入細(xì)胞外基質(zhì)中，必須經(jīng)水解去除前肽區(qū)才能被活化發(fā)揮作用。普遍認(rèn)為是由組織型及尿激酶型纖溶酶原激活因子啟動(dòng)的瀑布式酶聯(lián)激活途徑而導(dǎo)致間質(zhì)降解。與其他MMPs不同，MMP-2的激活不依賴(lài)于纖溶酶，而是在細(xì)胞表面由MT1-MMP催化。Mclennan等〔10〕研究發(fā)現(xiàn)，高糖培養(yǎng)基中人系膜細(xì)胞MT1-MMP基因表達(dá)下降，盡管MMP-2基因表達(dá)增加2倍，但其活性卻下降35%。此外，還可通過(guò)磷酸化及過(guò)氧亞硝酸鹽陰離子氧化等方式對(duì)MMP-2進(jìn)行修飾。

1.2.3 內(nèi)源性抑制劑對(duì)其的抑制 MMPs活性也可以被內(nèi)源性基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑(TIMPs)進(jìn)行調(diào)節(jié)。TIMPs是一類(lèi)小分子蛋白，接近23×103，目前發(fā)現(xiàn)其家族有4名成員:TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3 和 TIMP-4。它們與 MMPs以 1∶1緊密結(jié)合從而抑制MMPs的活性。一般TIMPs對(duì)MMPs沒(méi)有高度的選擇性，只是TIMP-2多隨MMP-2表達(dá)而表達(dá)。TIMP-2對(duì)MMP-2具有特異的雙重阻滯性，它既可以與激活的MMP-2結(jié)合使其失活，又可以與MMP-2共價(jià)結(jié)合，阻止其與細(xì)胞表面接觸從而抑制其活性〔11〕。

2 MMP-2與2型糖尿病大血管病變

動(dòng)脈粥樣硬化(AS)是大血管病變的主要病理特征。AS的形成和斑塊的破裂與細(xì)胞外基質(zhì)的破壞和重構(gòu)有密切關(guān)系，而基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)又是降解ECM的重要酶類(lèi)。

正常情況下血管壁內(nèi)皮細(xì)胞與基底膜緊密結(jié)合，形成高選擇性的血管屏障，內(nèi)皮細(xì)胞不分泌MMP-2。當(dāng)AS發(fā)生后，細(xì)胞因子、局部缺氧、氧化低密度脂蛋白、血小板活化因子等可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞分泌MMP-2。血液循環(huán)中的單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞黏附，在血管壁中遷移、吞噬脂質(zhì)后，在演化為巨噬源性泡沫細(xì)胞的過(guò)程中分泌大量MMP-2。在平滑肌細(xì)胞泡沫化的過(guò)程中，也可分泌大量MMP-2。血管壁的機(jī)械牽張力可以通過(guò)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的介導(dǎo)而增加MMP-2 mRNA表達(dá)和其酶原釋放〔12〕，血流動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定、血管壁側(cè)壓力和切應(yīng)力的變化，也是導(dǎo)致MMP-2分泌的重要原因〔13〕。

AS的形成與發(fā)展過(guò)程也是ECM重建的過(guò)程，在這些過(guò)程中MMP-2發(fā)揮了重要的作用。大量研究發(fā)現(xiàn)，MMP-2主要從3個(gè)方面影響AS斑塊的形成和破裂:①通過(guò)降解ECM，使血管中層平滑肌細(xì)胞(SMC)突破周?chē)M織屏障及由蛋白多糖和膠原構(gòu)成的致密網(wǎng)孔，從中膜移行至內(nèi)膜并進(jìn)行增殖，分泌更多的ECM，形成AS斑塊;②破壞斑塊表面纖維帽成分，削弱其抵抗應(yīng)力的作用，使斑塊易于破裂，繼發(fā)血栓形成和機(jī)化，導(dǎo)致?lián)p害進(jìn)展和斑塊擴(kuò)大〔14〕;③破壞細(xì)胞與基質(zhì)間的相互作用，促進(jìn)可溶性Fas配體和膜結(jié)合型腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的釋放，誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞發(fā)生凋亡，從而加速AS的發(fā)展〔15〕。

Sluijter等〔16〕對(duì)取自150例頸動(dòng)脈內(nèi)膜切除術(shù)患者的AS斑塊進(jìn)行染色分析發(fā)現(xiàn)，MMP-2水平顯著增高。免疫組化分析顯示頸動(dòng)脈內(nèi)膜復(fù)合性斑塊中MMP-2含量增多〔17，18〕。Kuzuya等〔19〕發(fā)現(xiàn)MMP-2基因缺陷小鼠AS斑塊負(fù)荷和SMCs明顯減少。這些實(shí)驗(yàn)均表明MMP-2與AS的形成顯著相關(guān)。

3 MMP-2與2型糖尿病微血管病變

糖尿病腎病(DN)是糖尿病最常見(jiàn)的微血管并發(fā)癥之一，其主要病理學(xué)表現(xiàn)為ECM降解、合成失調(diào)和重塑導(dǎo)致的腎小球硬化和腎小管間質(zhì)纖維化，Ⅳ型膠原是腎小球基底膜(GBM)和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的主要成分，為腎小球的結(jié)構(gòu)支架，而MMP-2能特異性降解IV型膠原及明膠，是降解系膜基質(zhì)最主要酶之一。

DN早期的表現(xiàn)為微量蛋白尿。MMP-2可能通過(guò)兩種機(jī)制導(dǎo)致腎小球損傷或蛋白尿:(1)誘導(dǎo)系膜細(xì)胞由靜止表型轉(zhuǎn)變?yōu)檠装Y表型，出現(xiàn)快速增殖，表達(dá)新型蛋白，合成ECM增多，導(dǎo)致系膜基質(zhì)堆積;(2)可降解基底膜，破壞細(xì)胞與基質(zhì)的正常連接，致腎小球正常結(jié)構(gòu)破壞，影響腎小球ECM的重塑。

DN時(shí)MMP-2活性和蛋白表達(dá)降低的機(jī)制尚未完全明確，可能與下列因素有關(guān):(1)高糖作用:高糖可直接抑制腎臟MMPs的表達(dá)和活化，同時(shí)還上調(diào) TIMPs的表達(dá)〔20〕;(3)細(xì)胞因子的調(diào)節(jié):DN發(fā)生發(fā)展過(guò)程中多種細(xì)胞因子參與調(diào)節(jié)MMP-2的表達(dá)及活性，如高糖使腎臟TGF-β1表達(dá)上調(diào)，TGF-β1既可下調(diào)MMP-2的轉(zhuǎn)錄，又能通過(guò)促進(jìn)TIMPs的表達(dá)、抑制PA的表達(dá)和激活，從而抑制MMP-2的活化〔21〕;糖尿病時(shí)系膜細(xì)胞分泌的過(guò)多的胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)，而IGF-1通過(guò)下調(diào)MMP-2的活性而減弱它對(duì)ECM的降解能力〔22〕;(2)蛋白質(zhì)非酶促糖基化作用:持續(xù)高血糖狀態(tài)下體內(nèi)形成的糖基化終產(chǎn)物(AGEs)，不僅對(duì)蛋白水解酶的敏感性降低，同時(shí)還能抑制MMP-2的合成及活性;另外，AGEs與其受體結(jié)合后誘導(dǎo)多種細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子的合成、釋放，如TGF-β、IL-1等，從而影響MMP-2的基因轉(zhuǎn)錄;(4)其他:如血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)在刺激ECM的合成的同時(shí)，還使MMP-2與TIMP-2表達(dá)比例失衡，MMP-2活性降低〔23〕;另外，DM時(shí)存在明顯的氧化應(yīng)激，而ECM的氧化使其對(duì)MMP-2的降解不敏感。

Wu等〔24〕，用Northern雜交法對(duì)糖尿病大鼠模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠早期腎臟未發(fā)生特征性的結(jié)構(gòu)改變之前，腎臟ECM成分就已發(fā)生了合成增加而降解減少，而在ECM成分改變之前腎臟組織中MMP-2表達(dá)水平已下降，TIMP-1表達(dá)水平增高。Derosa等〔25〕在T2DM患者的研究中也得出了相同的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)MMP-2和TIMP-2水平也顯著增高。Del Prete等〔26〕報(bào)道DN腎小球硬化與MMP-2密切相關(guān)，在16例2型糖尿病患者的腎活檢標(biāo)本中用RT-PCR的方法均未檢測(cè)到MMP-2的基因表達(dá)，而對(duì)照組10例活檢標(biāo)本中均可見(jiàn)MMP-2表達(dá);與對(duì)照組相比，T2DM患者Ⅳ型膠原的分泌也明顯增多。從而認(rèn)為MMP-2表達(dá)下調(diào)不僅是糖尿病的分子機(jī)制現(xiàn)象，而且是DN的標(biāo)志。

4 展望

綜上所述，MMP-2在糖尿病大、微血管病變的發(fā)生、發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。隨著對(duì)MMP-2研究的深入，有可能將MMP-2作為糖尿病血管病變患者臨床常規(guī)非侵入性監(jiān)測(cè)指標(biāo)，成為糖尿病血管并發(fā)癥的良好預(yù)測(cè)因子，從而為糖尿病血管病變的早期診斷提供新的思路，為糖尿病血管發(fā)癥的預(yù)防及治療提供新的理論依據(jù)。

1 Gillian M，Hideaki N.Progress in matrix metalloproteinase research〔J〕.Mole Aspects Medi，2008;29(5):290-308.

2 Rath T，Roderfeld M，Graf J，et al.Matrix metalloproteinases in inflammatory bowel disease-from basic research to clinical significance〔J〕.Z Gastroenterol，2009;47(8):758-69.

3 李廣波，林瑞霞.基質(zhì)金屬蛋白酶-2與腎小球硬化關(guān)系的研究新進(jìn)展〔J〕.中國(guó)當(dāng)代兒科雜志，2008;10(2):269-72.

4 Chow AK，Cena J，Schulz R.Acute actions and novel targets of matrix metalloproteinases in the heart and vasculature〔J〕.Br J Pharmacology，2007;152(2):189-205.

5 Johnson J L.Matrix metalloproteinase:influence on smooth muscle cells and atheros clerotic plaque stability〔J〕.Expert Rev Cardiovasc Ther，2007;5(2):265-82.

6 Hozumi A，Nishimura Y，Nishiuma T，et al.Induction of MMP-9 in normal human bronchial epithelial cells by TNF-α via NF-kB-mediated pathway〔J〕.Lung Cell Mol Physiol，2001;281(6):1444.

7 Mengshol JA，Vincenti MP，Brinckerhoff CE，et al.IL-1 induces collagenase-3(MMP-13)promoter activity in stably transfected chondrocytic cells:requirement for Runx-2 and activation by p38 MAPK and JNK pathways〔J〕.Nucleic Acids Res，2001;29(21):4361-72.

8 Galboiz Y，Shapiro S，Lahat N，et al.Matrix metalloproteinases and their tissue inhibitors as markers of disease subtype and response to interferonβ therapy in relapsing and secondary-progressive multiple sclerosis patients〔J〕.A nn Neurol，2001;50(4):443-51.

9 Langholz O，Rockel D，Mauch C，et al.Collagen and collagenase gene expression in three-dimentional collagen lattices are differentially regulated by alpha 1 beta 1 and alpha 2 beta1 integrin〔J〕.J Cell Biol，1995;131:1903-15.

10 Mclennan SV，Martell SY，Yue DK.High glucose concentration inhibit the expression of membrane type metalloproteinase by mesangial cells possible role in mesangium accumulation〔J〕.Diabetologia，2003;43(5):642-8.

11 Rapti M，Knaüper V，Murphy G，et al.Characterization of the A loop Region of TIMP-2:involvement in Pro-MMP-2 activation〔J〕.J Biol Chem，2006;281(33):23386-94.

12 Grote K，F(xiàn)lach I，Luchtefeld M，et al.Mechanical stretch enhances mRNA expression and proenzyme release of matrix metalloproteinase-2(MMP-2)via NAD(P)H oxidase-derived reactive oxygen species〔J〕.Circ Res，2003;92(11):e80-6.

13 Ishikawa Y，Asuwa N，Ishii T，et al.Collagen alteration in vascular remodeling by hemodynamic factors〔J〕.Virchows Arch，2000;437(2):138-48.

14 Morishige K，Shimokawa H，Matsumoto Y，et al.Overexpression of matalloproteinase-9 promotes intravascular thrombus in porcine coronary arteries in vivo〔J〕.Cardiovasc Res，2003;57:572-85.

15 Moreno PR，Murcia AM，et al.Coronary composition and macrophage lnfiltration in atherectomy specimens from patients with diabetes mellitus〔J〕.Circulation，2000;102(18):2180-4.

16 Sluijter JP，Pulskens WP，Schoneveld AH，et al.Matrix metalloproteinase 2 is associated with stable and matrix metalloporteinases 8 and 9 with vulnerable carotid atherosclerotic lesions:a study in human endarterectomy specimen pointing to a role for different extracellular matrix metalloproteinase inducer glycosylation forms〔J〕.Stroke，2006;37(1):235-9.

17 Leclercq A，Houard X，Loyau S，et al.Topology of protease activities reflects atherothrombotic plaque complexity〔J〕.Atherosclerosis，2007;191(1):1-10.

18 Choudhary S，Higgins CL，Chen IY，et al.Quantitation and localization of matrix metallo proteinases and their inhibitors in human carotid endarterectomy tissues〔J〕.Arterioscler Thromb Vasc Biol，2006;26(10):2351-8.

19 Kuzuya M，Nakamura K，Sasaki T，et al.Effect of MMP-2 deficiency on atherosclerotic lesion formation in apoE-deficient mice〔J〕.Arterioscler Thromb Vasc Biol，2006;26(5):1120-5.

20 Mclennan SV，F(xiàn)isher E，Martell SY，et al.Effects of glucose on matrix metalloproteinase and plasmin activities in mesangial cells:possible role in diabetic nephropathy〔J〕.Kidney Int，2000;58(suppl 77):81-7.

21 Singh R，Song RH，Alavi N，et al.High glucose decreases matrix metalloproteinase-2 activity in rat mesangial cells via transforming growth factor-β1〔J〕.Exp Nephrol，2001;9(4):249-57.

22 Lupia E，Elliot SJ，Lenz O，et al.IGF-1 decreases collagen degradation in diabetic NOD mesangial cells:implications for diabetic nephropathy〔J〕.Diabetes，1999;48(8):1638-44.

23 蘇彥君，馬文秀，林瓊真，等.Vaksartan對(duì)糖尿病腎病腎保護(hù)作用的實(shí)驗(yàn)研究〔J〕.中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合腎病雜志，2003;4(4):196-8.

24 Wu K，Setty SM，Mauer SM，et al.Altered kidney matrix gene expression in early stages of experimental diabetes〔J〕.Acta Anat Base，1997;158(3):155-65.

25 Derosa G，D`Angelo A，Tinelli C，et al.Evaluation of metalloproteinase 2 and 9 levels and their inhibitors in diabetic and healthy subjects〔J〕.Diabetes Metab，2007;33(2):129-34.

26 Del Prete D.Down-regulation of glomerular matrix metal metallopropteinase-2 gene in human NIDDM〔J〕.Diabetologia，1997;40(12):1449-54.