基質(zhì)金屬蛋白酶與腰椎間盤退變的研究進(jìn)展

陶帥 ，姜宏 ，李曉春 ，劉錦濤 ，錢祥

（1南京中醫(yī)藥大學(xué)，江蘇 南京 210029；2蘇州市中醫(yī)醫(yī)院骨科，江蘇 蘇州 215009）

腰椎間盤退行性變是骨科常見的疾病之一，是引起腰椎間盤突出癥、慢性下腰、神經(jīng)痛的重要病理基礎(chǔ)，其復(fù)雜生理病理改變受到多種因素調(diào)控。目前研究認(rèn)為腰椎間盤退變的實(shí)質(zhì)主要在于椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)的降解和椎間盤髓核細(xì)胞量的減少，而基質(zhì)金屬蛋白酶（Matrix Metalloproteinases，MMPs）在這一退變過程中發(fā)揮著重要作用。本文就近幾年來MMPs在腰椎間盤退變的研究作一概述。

1 椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成

椎間盤主要由豐富的細(xì)胞外基質(zhì)和少量的細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞外基質(zhì)主要由蛋白多糖、水、膠原、年齡色素和少量彈性蛋白等成分組成，從而決定了椎間盤髓核組織可分解壓力，吸收負(fù)荷的的固有特性[1，2]。椎間盤組織中的膠原主要分為Ⅰ型和Ⅱ型膠原，其中80%為Ⅱ型膠原[3]。當(dāng)椎間盤發(fā)生退變時(shí)，Ⅰ型膠原增加，部分Ⅱ型膠原被Ⅰ型所替代，Ⅰ/Ⅱ型膠原的比例發(fā)生變化，同時(shí)膠原纖維鈣化，黏性及凝膠性降低，纖維性增加，髓核吸收承受外力的功能下降而易于損傷[4、5]。國外有學(xué)者認(rèn)為[6]，將椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)中可抵抗壓應(yīng)力的蛋白多糖，可抵抗張應(yīng)力的膠原，可緩沖機(jī)械力的彈性蛋白等多種成分密切配合，是維持椎間盤良好力學(xué)性能的基礎(chǔ)。相反，當(dāng)椎間盤退變時(shí)，這些成分不能良好配合，是導(dǎo)致纖維環(huán)破裂，椎間盤突出的一個(gè)重要原因。

2 MMPs與椎間盤退變的關(guān)系

2.1 MMPs的激活與調(diào)節(jié)

MMPs是一類重要的基質(zhì)蛋白水解酶，由體內(nèi)炎性細(xì)胞及成纖維細(xì)胞分泌，主要參與細(xì)胞外基質(zhì)的降解過程。在正常椎間盤組織中，MMPs通常都是以無活性的酶原形式存在，當(dāng)椎間盤組織發(fā)生退變時(shí)，MMPs被激活并通過發(fā)生級聯(lián)放大反應(yīng)水解細(xì)胞外基質(zhì)[7]。同時(shí)，體內(nèi)有眾多細(xì)胞因子通過影響MMPS的表達(dá)直接或間接參與椎間盤退變過程。

2.1.1 MMPS與VEGF 正常椎間盤組織無血管長入，椎間盤退變與老化時(shí)出現(xiàn)毛細(xì)血管，此時(shí)巨噬細(xì)胞可以通過新生血管侵入基質(zhì)，直接刺激MMPs分泌，同時(shí)血管內(nèi)皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF） 可通過某些途徑激發(fā)蛋白溶酶的活性并使其不斷增殖，進(jìn)一步增強(qiáng)MMPs的分泌，從而對細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行降解[8]。Kokubo Y等[9]通過500例椎間盤退變組織發(fā)現(xiàn)在不同的退變進(jìn)程中，MMPS與VEGF表達(dá)量不一，當(dāng)新生血管從邊緣長入退變椎間盤細(xì)胞時(shí)，MMP-3表達(dá)增強(qiáng)，同時(shí)巨噬細(xì)胞聚集在細(xì)小血管周圍，發(fā)揮自身免疫作用，影響椎間盤退變。Kato等[10]研究證實(shí)VEGF可誘導(dǎo)退變椎間盤組織產(chǎn)生尿激酶，而尿激酶可直接刺激MMPs系統(tǒng)增強(qiáng)蛋白酶的分泌，因此VEGF為降解細(xì)胞外基質(zhì)提供了必須條件，間接影響椎間盤退變。

2.1.2 MMPS與TNF-α 腫瘤壞死因子-α（Tumor necrosis factor-α，TNF-α）屬于腫瘤壞死因子超家族成員，具有較強(qiáng)的炎性能力，MMPs在其刺激下活性增強(qiáng)且基因易表達(dá)，從而使退變的椎間盤細(xì)胞產(chǎn)生MMPs。姜世峰等[11]認(rèn)為在有Modic改變的退變腰椎間盤終板的基礎(chǔ)上，TNF-α和MMP-3的表達(dá)量明顯高于無Modic改變的退變腰椎間盤終板，TNF-α和MMP-3在腰椎間盤終板退變過程中可能起協(xié)同促進(jìn)作用。杜偉等[12]通過實(shí)驗(yàn)證明MMP-3、TNF-α的表達(dá)與椎間盤退變呈正相關(guān)趨勢，認(rèn)為TNF-α可能與神經(jīng)功能損傷有關(guān)，MMP3與椎間盤突出有關(guān)，并對TNF-α介導(dǎo)的神經(jīng)功能損傷起促進(jìn)作用。Studer RK等[13]研究發(fā)現(xiàn)TNF-α可誘導(dǎo)退變椎間盤分泌MMP-13，其誘導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)可在白細(xì)胞介素-6（Interleukin-6，IL-6）的介入下被放大，認(rèn)為減少IL-6的分泌可幫助維持退變椎間盤的成分、結(jié)構(gòu)和功能。

2.1.3 MMPs與白細(xì)胞介素 研究證實(shí)，椎間盤中存在有多種炎性細(xì)胞因子，其中白細(xì)胞介素系列與MMPs相互作用對椎間盤退變的過程有一定影響[14]。Liu等[4]通過體外培養(yǎng)的人體椎間盤組織發(fā)現(xiàn)在退變的椎間盤中白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）及其受體的含量明顯升高，同時(shí)在IL-1β的刺激下，發(fā)現(xiàn)MMPs的生成量顯著增加，并呈一定的時(shí)效關(guān)系，其中髓核組織的分泌量高于纖維環(huán)組織。王明月等[15]通過免疫組化方法分別檢測腰椎間盤突出癥手術(shù)切除的椎間盤組織（實(shí)驗(yàn)組）和腰外傷骨折患者取出的椎間盤組織（對照組），結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組IL-1α和MMP2的陽性率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對照組，而實(shí)驗(yàn)組中游離型較突出型腰椎間盤突出癥MMP-2的陽性表達(dá)率顯著增高，IL-1α的表達(dá)率無明顯差異，認(rèn)為IL-1α的表達(dá)增強(qiáng)與椎間盤退變程度不呈正相關(guān)性，同時(shí)IL-1α與MMP2在腰椎間盤退變過程中起一定的關(guān)聯(lián)作用。孫東良等[16]通過動物實(shí)驗(yàn)證明IL-1可誘導(dǎo)去除卵巢大鼠椎間盤細(xì)胞中MMP-13的基因表達(dá)增強(qiáng)而使MMP-13的表達(dá)量增加，認(rèn)為IL-1和MMP-13兩者表達(dá)量同時(shí)增加在腰椎間盤退變形成和發(fā)展過程中起到重要作用。

2.1.4 其他因素 近年來，國外有學(xué)者[17]認(rèn)為缺氧誘導(dǎo)因子-1α（Hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α） 與 MMP-2在椎間盤退變過程中表達(dá)都呈增高趨勢，兩者相互依存，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，共同參與椎間盤的退變過程。另外，研究表明[18]高遷移率族蛋白B1、胰島素樣生長因子、血小板衍生因子等均能上調(diào)MMPs的表達(dá)，影響腰椎間盤退變。目前，陳德勝等[19]通過動物實(shí)驗(yàn)得出枸杞多糖可通過能夠抗氧化和抑制炎癥反應(yīng)兩方面來降低大鼠退變椎間盤組織中MMP-3的陽性表達(dá)率，從而延緩了椎間盤退變；此外，他還運(yùn)用動物實(shí)驗(yàn)證明了白藜蘆醇可通過抑制MMP-9的表達(dá)而減輕實(shí)驗(yàn)性腰椎間盤組織退變[20]，進(jìn)一步證實(shí)中草藥提取物在影響腰椎間盤退變方面有一定的調(diào)節(jié)作用。

2.2 MMPS與TIMPS平衡失調(diào)

目前研究認(rèn)為，正常椎間盤的細(xì)胞外基質(zhì)處于不斷合成與分解的相對平衡狀態(tài)，當(dāng)椎間盤髓核組織中的組成成分隨著椎間盤的退變而發(fā)生變化時(shí)，髓核組織失去其原有的特性，這一平衡被打破，加速椎間盤退變。金屬蛋白酶組織抑制劑（Tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs）是一種特異性的基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑，受到多種因子調(diào)控，可通過直接抑制MMPs的分泌來減緩椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)的降解速度，從而對椎間盤退變起一定的保護(hù)作用[4]。陳剛等[21]將退變椎間盤髓核組織和正常椎間盤髓核組織進(jìn)行免疫組化分析，結(jié)果顯示退變髓核細(xì)胞中MMP-1和TIMP-1兩指標(biāo)均較對照組表達(dá)明顯，但在退變椎間盤髓核細(xì)胞中MMP-1較TIMP-1增加顯著，MMP-1/TIMP-1平衡失調(diào)，導(dǎo)致椎間盤退變突出。Bachmeier BE等[22]運(yùn)用免疫組化和實(shí)時(shí)反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）對退變椎間盤髓核組織進(jìn)行分析，結(jié)果顯示髓核標(biāo)本中MMP-3 表達(dá)最明顯，MMP-8、TIMP-1表達(dá)相對正常，而TIMP-2的表達(dá)相對減小，影響MMPs/TIMPs平衡。此外，MMPs/TIMPs平衡失調(diào)還與髓核細(xì)胞所處的酸堿度（PH）環(huán)境，椎間盤所承受負(fù)荷，抗生素的應(yīng)用等多種因素有關(guān)，從而促進(jìn)腰椎間盤退變。

2.3 MMPS與腰椎間盤突出重吸收

目前，腰椎間盤突出后重吸收現(xiàn)象已得到廣泛認(rèn)可，可認(rèn)為是腰椎間盤退變過程的一種特殊發(fā)展形式，大量研究表明突破后縱韌帶的腰椎間盤突出組織較易發(fā)生重吸收現(xiàn)象[23-25]。MMPS可對細(xì)胞外基質(zhì)的水分、蛋白多糖及膠原等多種成分進(jìn)行降解，Minoru等[26]將不同類型的椎間盤髓核組織取出后分別與外周血單核細(xì)胞共培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)突出型和脫出型兩種類型的椎盤髓核組織周圍均有大量單核細(xì)胞附著，MMP-1和 MMP-3均明顯分泌，且脫出型MMPs的表達(dá)量明顯高于突出型，而將髓核組織單獨(dú)培養(yǎng)后MMPs分泌量極少，他們認(rèn)為當(dāng)單核細(xì)胞浸入椎間盤組織后，一方面刺激椎間盤細(xì)胞分泌MMPs直接降解細(xì)胞外基質(zhì)，另一方面通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞趨化因子分泌，使巨噬細(xì)胞對細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行吞噬，促進(jìn)椎間盤組織的重吸收。鄒志遠(yuǎn)等[27]用免疫組化方法檢測56個(gè)退變腰椎間盤組織與10個(gè)正常腰椎間盤組織中MMP-2的表達(dá)，結(jié)果表明在突出型、破裂型、游離型三組退變椎間盤組織中，MMP-2在游離型椎間盤組織中的表達(dá)最明顯，破裂型次之，認(rèn)為MMP-2的分泌多少與椎間盤退變的程度關(guān)系密切。楊圣等[28]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同類型的突出組織MMP-3分泌不同，游離型則比突出型分泌量明顯增多，這正與游離型突出椎間盤組織易發(fā)生重吸收的事實(shí)相符，可以看出MMP-3可促進(jìn)腰椎間盤突出組織發(fā)生重吸收。姜宏等[29]將腰椎間盤突出癥患者手術(shù)取出的髓核組織進(jìn)行免疫組化分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)破裂型較非破裂型突出髓核組織MMP-3、MMP-7陽性表達(dá)率更高，可能與破裂型髓核組織中巨噬細(xì)胞的表達(dá)、炎性介質(zhì)釋放及新生血管化等過程有關(guān)，從而在重吸收中發(fā)揮重要作用。

綜上所述，MMPS參與腰椎間盤退變過程的多個(gè)環(huán)節(jié)，并協(xié)同其他細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)等發(fā)揮重要作用，可作為一種影響椎間盤退變程度的指標(biāo)，通過抑制MMPS表達(dá)而干預(yù)椎間盤退變過程，也可通過增強(qiáng)MMPS活性而誘導(dǎo)已突出的腰椎間盤發(fā)生重吸收，尤其在破裂型腰椎間盤突出癥患者急性發(fā)作且無馬尾神經(jīng)癥狀時(shí)，通過藥物及其他途徑誘導(dǎo)MMPS的高表達(dá)，促進(jìn)重吸收發(fā)生，使重吸收這一“少見現(xiàn)象”向“非少見現(xiàn)象”轉(zhuǎn)化，為今后臨床保守治療腰椎間盤突出癥提供一種新的手段和方法，且更具靶向性、有效性。

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