金屬蛋白酶抑制劑在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的作用

骨關(guān)節(jié)炎（Osteoarthritis，OA）一種隨年齡增長而發(fā)生率上升的以關(guān)節(jié)軟骨退變和關(guān)節(jié)周圍骨質(zhì)增生為病理特征的慢性進(jìn)行性骨關(guān)節(jié)疾病，主要侵害關(guān)節(jié)軟骨、骨和滑膜組織，導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛、畸形和功能障礙，是引起中老年人疼痛的最常見原因。OA發(fā)病機(jī)制尚不明確，目前研究表明細(xì)胞外周基質(zhì)（ECM）的破壞是OA發(fā)生發(fā)展的顯著特征。金屬蛋白酶家族（MMPs）及ADAMTs（ADisintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs）家族中的蛋白聚糖酶是降解ECM的主要蛋白酶。而金屬蛋白酶抑制劑（TIMPs）不僅能抑制蛋白酶對ECM的降解，而且能促進(jìn)ECM的合成，在ECM的修復(fù)與重建及軟骨細(xì)胞的凋亡方面都有著重要的意義，其對OA的發(fā)生發(fā)展及其治療都有著重要的意義。

1 TIMPs的概述

TIMPs是一組相對分子質(zhì)量低的糖蛋白，由分泌MMPs的細(xì)胞同時分泌，能特異性地與MMPs催化活性中心的鋅離子結(jié)合，抑制MMPs的活性，促進(jìn)ECM的沉積和抑制其降解。TIMPs的作用機(jī)理是通過其17.19位上的亮氨酸-纈氨酸-異亮氨酸與MMPs的S1'-S2'-S3'區(qū)結(jié)合，與MMPs第16位上天冬氨酸殘基的羧基和其活性中心的鋅結(jié)合，從而抑制其活性。TIMPs不僅能與酶的催化位點(diǎn)結(jié)合使酶失活，還能與酶原的某些位點(diǎn)結(jié)合阻止TIMPs不僅可抑制MMPs，而且可調(diào)節(jié)MMPs。目前所知的TIMPs有4種， 即TIMP1-4：

1.1 TIMP-1是相對分子質(zhì)量為28.5 KDa的糖蛋白，由巨噬細(xì)胞、角質(zhì)生成細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞合成。廣泛存在于組織和體液中，能被多種細(xì)胞因子誘導(dǎo)產(chǎn)生，它能抑制絕大多數(shù)的MMPs，可與MMP-9前體及有活性的MMP-1，3，9形成高度親和的非共價鍵結(jié)合的復(fù)合物。在OA中，TIMP-1的濃度變化與MMP-1和MMP-3呈正相關(guān)， MMP-1與TIMP-1在病理性滑膜皺襞和正?；ぐ欞艃?nèi)的陽性表達(dá)具有顯著差異，OA軟骨細(xì)胞有高表達(dá)的MMP-1，而TIMP-1增加甚少，呈現(xiàn)MMPs與TIMPs的失衡，引起ECM的異常降解[1]。

1.2 TIMP-2是一個相對分子質(zhì)量為21KDa的非糖基化蛋白，對MMP-2有較高的選擇性抑制，但TIMP-2的作用隨其量的不同而不同，少量的TIMP-2 促進(jìn)MMP-2的激活，大劑量的TIMP-2則抑制MMP-2[2]。TIMP-2在OA患者與正常人中無明顯差異，但是TIMP-2/MMP-13平衡被打破會加速軟骨的破壞和降解。

1.3 TIMP-3相對分子質(zhì)量為21KDa，是TIMPS家族中的一個特殊成員，因其是TIMPs家族中唯一存在于ECM當(dāng)中能與ECM緊密結(jié)合的非可溶性蛋白，這顯示了TIMP3作為內(nèi)源性蛋白酶抑制劑在保護(hù)ECM不被降解及修復(fù)重塑當(dāng)中的重要地位，其在抑制MMPs及ADATMs對ECM降解中針對性最強(qiáng)。TIMP-3主要由來自中胚層的一些細(xì)胞所產(chǎn)生，TIMP-3對MMPs有額外的調(diào)節(jié)位點(diǎn)可以促進(jìn)非轉(zhuǎn)化細(xì)胞的增殖及轉(zhuǎn)化，并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡從而具有抑制腫瘤細(xì)胞生長和轉(zhuǎn)移的作用。TIMP-3基因包含591bp開放閱讀框架，編碼信號膚的9個氨基酸殘基和成熟多肽的188個殘基。用原位雜交技術(shù)檢測中期染色體發(fā)現(xiàn)，其基因定位于22號染色體q12.1-q13.2區(qū)，大多數(shù)位于q13.1區(qū)。TIMP-3是全功能MMPs抑制劑，除了MMP-3， TIMP-3還可抑制MMP-1，2， 9等MMPs家族的其他成員酶的活性。TIMP-3在OA中表達(dá)水平方面主要針對骨關(guān)節(jié)軟骨及滑膜中TIMP-3的mRNA表達(dá)情況進(jìn)行研究，其表達(dá)情況尚有爭議，Su S，Kevorkian L等[3，4]人研究認(rèn)為OA中軟骨細(xì)胞及滑膜中TIMP-3的mRNA水平較正常升高。Davidson RK等[5]研究表明OA中軟骨細(xì)胞及滑膜中MMPs及ADAMTs水平大幅度上升，而TIMP-l，3，4水平較正常軟骨細(xì)胞及滑膜無明顯改變，它們之問的比例失衡是導(dǎo)致軟骨ECM降解的主要原因。Zreiqat H等[6]研究表明，骨關(guān)節(jié)軟骨中TIMP-3水平在OA早期水平上升，到了中晚期水平下降低于基礎(chǔ)水平。Mandana Mahmoodi等[7]研究表明TIMP-3基因敲除的小鼠中，TIMP-3表達(dá)缺失增加OA的易感性。目前在OA中發(fā)現(xiàn)的基質(zhì)金屬蛋白酶有MMP-1，2，3，7，8，9，12，13，14[2]。在關(guān)節(jié)軟骨和滑膜為高水平表達(dá)。呂大鵬研究發(fā)現(xiàn)在TIMP-3基因啟動子區(qū)在OA軟骨細(xì)胞呈高表達(dá)狀態(tài)。TIMP-3可抑制MMP1，2，3， 9等MMPs家族的其他成員酶的活性[9]。

4.TIMP-4是相對分子質(zhì)量為22 kDa的蛋白類抑制劑，其表達(dá)具有組織特異性，它的分泌水平在各臟器差異較大，以心臟最為豐富，其抑制MMP-2，7作用稍強(qiáng)于MMP-1，3，9。已證明它在體外抑制乳腺癌細(xì)胞的浸潤，并能阻止新生血管的形成，在裸鼠體內(nèi)抑制腫瘤細(xì)胞生長和轉(zhuǎn)移具有重要的作用。Su等研究表明TIMP-4在髖OA患者的股骨頭軟骨的表達(dá)比股骨頸骨折的患者中高表達(dá)。

2 TIMPs在OA中的作用機(jī)制

2.1 TIMPs參與了多種生理過程，如胚胎發(fā)育，傷口愈合等。在正常生理狀態(tài)時，TIMPs與MMPs協(xié)同產(chǎn)生維持動態(tài)平衡，但是當(dāng)這種平衡被打破時，ECM的代謝發(fā)生異常，可導(dǎo)致如關(guān)節(jié)炎、組織潰瘍等多種疾病的發(fā)生。業(yè)已證實(shí)OA關(guān)節(jié)軟骨的損害首先是關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中II型膠原的破壞，而MMPs與TIMPs的失衡造成了關(guān)節(jié)軟骨ECM的II型膠原、彈力纖維和蛋白多糖等破壞，使軟骨的拱形纖維結(jié)構(gòu)破壞而受損。TIMPs主要從兩個方面抑制MMPs的活性：①在酶原活化階段，通過影響MMPS的基因轉(zhuǎn)錄率、酶原的分泌、激活及其mRNA的穩(wěn)定性來抑制MMPS的生物合成；②在活化的MMPs階段， TIMPs直接與活化的MMPs形成1：1的復(fù)合物而抑制其活性，降低ECM的降解，阻斷MMPs激活的瀑布效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)具有很高的親和性，不可逆而且穩(wěn)定，從而降低了MMP與膠原底物的結(jié)合，抑制MMP的活性[2]。TIMPs與MMPs協(xié)調(diào)的平衡關(guān)系保證了機(jī)體內(nèi)生理狀態(tài)下細(xì)胞的遷移和ECM的重建，MMPs和TIMPs之間的平衡一旦遭到破壞，將導(dǎo)致一系列病理的過程。此外，MMPs和TIMPs的失衡也可造成關(guān)節(jié)內(nèi)韌帶和周圍肌腱內(nèi)I型膠原降解破壞，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，誘發(fā)和加重OA的病理過程。

2.2在OA關(guān)節(jié)軟骨ECM的降解過程中蛋白聚糖的丟失是OA軟骨早期退變、破壞中最主要且最重要的病理變化。蛋白聚糖降解是一個蛋白水解過程，它的丟失破壞了軟骨ECM功能和結(jié)構(gòu)的完整性，使軟骨失去了抗負(fù)荷性能，最終導(dǎo)致不可逆性關(guān)節(jié)功能喪失。ADAMTs是主要的蛋白聚糖降解酶。在OA患者對蛋白聚糖起水解作用的蛋白聚糖酶中，蛋白聚糖酶1（ADAMT-4）和蛋白聚糖酶2（ADAMT-5）是ADAMTS家族最有效力并且發(fā)揮主要作用的蛋白聚糖酶。 TIMPs不僅可以抑制MMPs的活性，也可抑制ADAMTs的活性。人TIMP-3的N端抑制作用域的重組體能抑制ADAMTS一4與ADAMTS一5，且抑制常數(shù)顯著低于對MMPs的抑制作用，表明TIMP-3是一種有效的內(nèi)源ADAMT-4和ADAMT-5抑制物[10]。同時TIMP-3還可有效抑制由IL-1a和維甲酸誘導(dǎo)的蛋白聚糖酶活性，且抑制程度呈劑量依賴性。TIMP-3可以有效防止OA軟骨蛋白聚糖的降解，防止軟骨的退行性變。

3展望

近年來對0A的發(fā)病機(jī)制有很多的研究，大多的研究都強(qiáng)調(diào)MMPs及ADAMTs等蛋白酶對ECM的降解作用。TIMPs作為MMPs及ADAMTs等降解酶的天然抑制劑，其在OA發(fā)病機(jī)制中的作用受到越來越多的關(guān)注。目前運(yùn)用TIMP-3治療某些相關(guān)疾病大多處于試驗(yàn)階段，有直接提純 TIMP3以局部運(yùn)用、合成替代物、基因轉(zhuǎn)染及甲基化干預(yù)等多種方法，隨有較多問題尚未解決，但為其在OA中進(jìn)行基因治療提供了一定的借鑒作用。針對TIMP-3的靶向治療能否為改善OA患者病情，阻止或延緩病情發(fā)展均有待于進(jìn)一步研究證實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張育， 顧健. 基質(zhì)金屬蛋白酶及組織金屬蛋白酶抑制劑與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[J]. 國際內(nèi)科學(xué)雜志.2007，34（7）：418-421.

[2]呂大鵬.MMP-7、MMP-9及其抑制劑TIMP-3在骨性關(guān)節(jié)炎滑膜中的表達(dá)和意義[D].中國醫(yī)科大學(xué)，2009.

[3]Su S， Grover J， RoughIcy PJ， Expression ofthe tissue inhibitor of metalloproteinases （TIMP） gene family in normal and osteoarthritic joints.Rheumatol Int，1999，18（5-6）：183-191.

[4]Kevorkian L， Young DA， Darrah C， et al. Expression profiling of metalloproteinases and their inhibitors in cartilage.Arthritis Rheum.2004.50（1）：13l-141.

[5]Davidson RK， Waters JG， Kevorkian L， et al. Expression profiling of metalloproteinases and their inhibitors in synovium and cartilage. Arthritis Res Ther.2006.8（4）：R124.

[6]Zreiqat H， Belluoccio D， Smith MM， et al. S100A8 and S1 00A9 in experimental osteoarthritis.Arthritis Res Ther.2010，12（1）：R16.

[7]Mandana Mahmoodi， Solmaz Sahebjam， et al. Lack of tissue inhibitor of metalloproteinases·3 results in an enhanced inflammatory response in antigen-induced arthritis.Am J Path.2005，166（6）：I 733-740.

[8]Burrage PS， Brinckerhoff CE. Molecular targets in osteoarthritis：metalloproteinases and their inhibitors.Curr Drug Targets.2007，8（2）：293-303.

[9]呂大鵬.MMP-7、MMP-9及其抑制劑TIMP-3在骨性關(guān)節(jié)炎滑膜中的表達(dá)和意義[D].中國醫(yī)科大學(xué)，2009.

[10]廖樂樂，王萬春. 軟骨蛋白聚糖酶與骨性關(guān)節(jié)炎[J].中國骨質(zhì)疏松雜志. 2010，16（11）： 889-893.編輯/許言