基質(zhì)金屬蛋白酶在腰椎間盤退變中的研究進(jìn)展

徐林軍(綜述)，許永濤(審校)

(1.石首市人民醫(yī)院骨科，湖北 石首 434400； 2.荊州市中心醫(yī)院骨三科，湖北 荊州 434020)

腰腿痛是骨科的常見病，嚴(yán)重影響著患者的生活質(zhì)量，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，80%左右的人一生中都有不同程度腰腿痛的經(jīng)歷，引起腰腿痛最常見的疾病有腰椎間盤突出癥、退變性腰椎滑脫、腰椎失穩(wěn)等一系列腰椎退行性疾病[1]。這些疾病的的共同病理基礎(chǔ)為椎間盤退變。椎間盤退變機(jī)制目前尚不清楚，但可以肯定的是椎間盤退變是多種因素共同作用的結(jié)果，除了正常的老化過程外，基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)活性增高，椎間盤營養(yǎng)代謝異常，異常的機(jī)械負(fù)荷，炎性介質(zhì)及細(xì)胞凋亡等可能都參與的椎間盤的退變過程，其中MMPs的活性增高起著關(guān)鍵作用[2]。

1 MMPs的生物學(xué)特性

MMPs是一組需要Zn2+、Ca2+等金屬離子作為輔助因子的同工酶,其功能為參與細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的降解，具有減少細(xì)胞外和基膜組分的作用，能降解除多糖以外幾乎所有的ECM成分，是降解ECM的關(guān)節(jié)酶類。MMPs具有相似的結(jié)構(gòu)，由5個(gè)功能不同的結(jié)構(gòu)域組成，自N端至C端依次為疏水信號肽序列、前肽結(jié)構(gòu)域、催化結(jié)構(gòu)域及富含脯氨酸的鉸鏈域及C端區(qū)。自1962年Gross發(fā)現(xiàn)第一種MMPs以來，到目前為止，在人體內(nèi)的MMPs家族已分離鑒別出28個(gè)成員，按其發(fā)現(xiàn)的先后順序，分別命名為MMP-1～28。MMPs具有一定的底物特異性，根據(jù)作用底物的不同可將MMPs分為5類：①膠原酶，包括MMP-1、MMP-13等，主要水解的底物是纖維類膠原；②明膠酶，包括MMP-2、MMP-9，主要水解的底物是變性膠原，可以分解糖蛋白、層粘連蛋白和纖維粘連蛋白；③基質(zhì)溶解酶，包括MMP-3、MMP-7等，水解底物比較廣泛，如Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型膠原、明膠、蛋白聚糖以及糖蛋白等；④膜型MMPs，這些酶表達(dá)于細(xì)胞表面，直接降解基質(zhì)成分；⑤其他分泌型，包括MMP-25及最近新發(fā)發(fā)現(xiàn)的MMP-28，功能目前暫不清楚。

2 MMPs在退變椎間盤內(nèi)的表達(dá)異常增高

一般情況下，正常椎間盤基質(zhì)中ECM的合成代謝和分解代謝之間保持著動態(tài)平衡[3]。這主要依賴于ECM中的降解酶與降解酶抑制劑保持恰當(dāng)?shù)谋壤?，其中主要的是椎間盤組織中MMPs與金屬蛋白酶組織抑制物的表達(dá)保持著一種平衡狀態(tài)。椎間盤發(fā)生退變時(shí)，MMPs的活性異常升高，導(dǎo)致兩者之間比例失調(diào)，ECM被降解，髓核水分及其固有彈性的喪失，導(dǎo)致椎間盤生物力學(xué)功能的減退。Bachmeier等[4]研究表明,在椎間盤退變的過程中，MMP-1、-2、-3、-7、-13的信使RNA(Mrna)表達(dá)都有增加，其中以MMP-3的增加最為顯著，認(rèn)為MMP-3可以作為MMPs的代表，是生理和病理狀態(tài)下ECM代謝的關(guān)鍵酶。沈正清等[5]用半定量反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)和免疫組織化學(xué)法檢測退變椎間盤組織與因腰椎外傷而取出正常椎間盤髓核組織中MMP-3 mRNA和蛋白表達(dá)，結(jié)果表明MMP-3 mRNA和蛋白在退變椎間盤的髓核與纖維環(huán)的表達(dá)無明顯差異，但都顯著高于腰椎外傷組椎間盤髓核組織中的表達(dá)，推斷MMP-3的表達(dá)增加可能參與腰椎間盤退變的進(jìn)程。錢祥等[6]研究表明,MMP-3、MMP-7在腰椎間盤突出癥的破裂型比非破裂型陽性表達(dá)率更高，并以此推測MMP-3、MMP-7可能與椎間盤突出重吸收有關(guān)，且破裂型比非破裂型更易于重吸收。另有研究表明,MMP-2在退變椎間盤組織內(nèi)異常增高，顯著高于正常椎間盤組織，與椎間盤的退變程度呈正相關(guān)[7]。趙瑛等[8]利用反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)和蛋白質(zhì)印跡技術(shù)對20例正常腰椎間盤髓核及45例退變腰椎間盤髓核的MMP-9進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示退變腰椎間盤組髓核MMP-9 mRNA、蛋白質(zhì)表達(dá)水平顯著升高，分別是正常腰椎間盤髓核正常組的1.86倍和1.65倍，認(rèn)為MMP-9與腰椎間盤髓核退變關(guān)系密切。MMP-28是最近發(fā)現(xiàn)的一種新的MMPs，其功能暫不清楚。Gruber等[9]通過對29例退變的人腰椎間盤組織并結(jié)合椎間盤退變的Thompson分型的研究表明,MMP-28在外層纖維的水平顯著高于內(nèi)層纖維環(huán)及髓核組織，且與椎間盤的退變相關(guān)，MMP-28在Thompson分型的Ⅰ和Ⅱ型的ECM中沒有被發(fā)現(xiàn)，而在Ⅲ～Ⅴ型中61%的ECM有MMP-28的表達(dá)。

3 細(xì)胞因子對退變椎間盤中MMPs的調(diào)節(jié)

正常椎間盤中MMPs通常不以活性形態(tài)存在，只有被激活才能降解ECM。MMPs在椎間盤內(nèi)的表達(dá)、活性以及對底物的分解過程都受到嚴(yán)格的調(diào)控，眾多細(xì)胞因子都參與了對MMPs的調(diào)節(jié)[10]。

3.1白細(xì)胞介素1 白細(xì)胞介素1(interleukin-1，IL-1)是目前在椎間盤中研究較多的細(xì)胞因子,主要由巨噬細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等產(chǎn)生。Le Maitre等[11-12]研究表明,退變椎間盤中IL-1顯著增加，但相應(yīng)的IL-1受體阻滯劑并未增加，經(jīng)IL-1處理的椎間盤細(xì)胞，MMP-3、MMP-13基因表達(dá)顯著增加，而蛋白多糖和膠原表達(dá)減少。IL-1包括IL-1α和IL-1β兩個(gè)亞型。王明月等[13]通過免疫組織化學(xué)技術(shù)研究IL-1α及MMP-2在突出退變腰椎間盤及正常間盤中的表達(dá)表明,IL-1α與MMP-2在突出椎間盤組織中顯著高于腰椎外傷取出的正常椎間盤中的水平，且與椎間盤退變程度呈正相關(guān)，推斷IL-1α與MMP-2在誘發(fā)腰椎間盤退變過程中可能存在一定的關(guān)聯(lián)性，并認(rèn)為IL-1α及MMP-2表達(dá)增加可能是導(dǎo)致腰椎間盤退變突出的原因之一。IL-1β在椎間盤退行性變中一直被視為重要的炎性因子導(dǎo)致蛋白多糖降解，促進(jìn)MMPs表達(dá)。劉洋等[14]通過觀察不同水平IL-1β對組織工程化椎間盤細(xì)胞MMP-13表達(dá)的影響表明，IL-1β對兔組織工程化椎間盤細(xì)胞MMP-13表達(dá)的調(diào)控作用隨其水平的升高而呈正相關(guān)。楊冬發(fā)等[15]觀察不同水平IL-1β對體外培養(yǎng)的人椎間盤髓核細(xì)胞表達(dá)MMP-3、-7、-9、-13的作用，發(fā)現(xiàn)MMP-3、-7、-9、-13表達(dá)隨IL-1β水平升高而升高，在相同的水平下，MMP-7、-13較MMP-3、-9升高明顯，提示IL-1β的存在加速了椎間盤基質(zhì)分解，且其所誘導(dǎo)的分解可能主要是通過MMP-7、-13起作用。

3.2腫瘤壞死因子α 腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)是促進(jìn)椎間盤退變的細(xì)胞因子之一，主要由活化的單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等產(chǎn)生的一種細(xì)胞因子。Weiler等[16]研究表明,TNF-α在退變椎間盤的髓核及纖維環(huán)中比正常椎間盤中表達(dá)及水平顯著增高，且與纖維環(huán)及髓核的退變程度呈明顯正相關(guān)，認(rèn)為髓核和纖維環(huán)的退變程度在椎間盤細(xì)胞退變中起重要作用。有研究表明TNF-α的作用機(jī)制類似IL-1，但強(qiáng)度卻不及IL-1[17]。Millward-Sadler等[18]通過對比TNF-α與IL-1β在蛋白水平、細(xì)胞因子的降解和基因受體方面對人正常和退變的髓核的影響，發(fā)現(xiàn)在同一刺激水平時(shí)，TNF-α并不能誘導(dǎo)不能引起MMP-3和MMP-9的表達(dá)，但是它可以使IL-1β的表達(dá)增多，從而說明TNF-α可能是椎間盤退變中重要的啟動因素。Seguin等[19]通過實(shí)驗(yàn)觀察在不同劑量TNF-α干預(yù)下的體外培養(yǎng)的髓核組織中的髓核基因表達(dá)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白多糖和Ⅱ型膠原基因表達(dá)顯著下降，培養(yǎng)48 h后觀察髓核組織蛋白多糖水平較原來減少了3/4左右，同時(shí)MMP-1、MMP-3、MMP-13基因表達(dá)顯著增加，表明TNF-α能誘導(dǎo)椎間盤發(fā)生退變。有研究表明,TNF-α可以通過活化胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2上調(diào)早期生長因子(Egr-1)的表達(dá)，并增強(qiáng)Egr-1的DNA與MMP-14啟動子結(jié)合的活性，上調(diào)MMP-14 mRNA和蛋白表達(dá)水平，后者刺激MMP-2的明膠酶活性升高，從而降解ECM，引起椎間盤退變的發(fā)生發(fā)展[20-21]。

3.3其他細(xì)胞因子 除了IL-1及TNF-α外，另有其他眾多細(xì)胞因子也參與了對MMPs的調(diào)節(jié)[22-23]。有研究表明，堿性成纖維細(xì)胞生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子、胰島素樣生長因子不僅可以促進(jìn)ECM的合成，還能抑制MMPs的生成[22]。Pattison等[24]研究轉(zhuǎn)化生長因子β和胰島素樣生長因子1對羊損傷椎間盤髓核細(xì)胞中蛋白多糖和MMP-2的調(diào)節(jié)作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示轉(zhuǎn)化生長因子β和胰島素樣生長因子1能夠促進(jìn)髓核細(xì)胞分泌蛋白多糖，并可顯著降低髓核細(xì)胞中MMP-2的活性水平。Kato等[25]研究證實(shí),血管內(nèi)皮生長因子可誘導(dǎo)椎間盤表達(dá)尿激酶，而尿激酶可直接激活MMPs，導(dǎo)致MMPs的失衡而間盤發(fā)生退變。劉鋼等[26]研究表明，基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1在退變的椎間盤中顯著升高，并且基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1的蛋白水平與Schneiderman分級呈正相關(guān)，基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1可以促進(jìn)各種MMPs，如MMP-3、MMP-9和MMP-13的表達(dá)和釋放[27-28]。原野等[29]研究表明,退變椎間盤中的核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)、MMP-3水平顯著高于正常組，且兩者具有正相關(guān)性，推斷NF-κB作為上游調(diào)控基因，作用于細(xì)胞因子、炎性因子等通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)使NF-κB活化，促進(jìn)MMP-3合成，進(jìn)而促進(jìn)椎間盤退變。Vo等[30]研究發(fā)現(xiàn),前列腺素E2可以減少椎間盤細(xì)胞蛋白聚糖的合成，并且呈劑量依賴性。且前列腺素E2可以降低抗分解代謝分子金屬蛋白酶組織抑制物1的mRNA的表達(dá)，但是前列腺素F2卻增加分解代謝分子MMP-1和MMP-2的mRNA的表達(dá)。

4 展 望

MMPs在椎間盤的退變過程中起著關(guān)鍵作用，能加速椎間盤的退變進(jìn)程，最終表現(xiàn)為椎間盤內(nèi)細(xì)胞數(shù)量減少和功能降低，聚合蛋白聚糖和主要膠原進(jìn)行性減少。MMPs活性增高受多種細(xì)胞因子因素的調(diào)節(jié)，許多細(xì)胞因子參與這個(gè)過程，并起重要作用，但是MMPs是如何受影響，各種細(xì)胞因子之間的相互作用仍舊不明確。另外，MMPs的種類較多，各MMPs之間可能又相互影響，具體過程及細(xì)節(jié)尚不清楚。隨著未來研究的進(jìn)展，明確MMPs活化的具體機(jī)制，從基因或分子生物水平調(diào)節(jié)MMPs的活化過程，阻止或延緩

椎間盤的退變，從根本上治療腰腿痛。因此，進(jìn)一步闡明MMPs在椎間盤的退變過程中的作用仍是今后椎間盤退行性變基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)。

[1] 李松軍,梁寒潔,柯楚群,等.腰椎間盤突出物及髓核炎性因子變化與癥狀性疼痛的關(guān)系[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2008,12(22):4303-4307.

[2] Le Maitre CL,Freemont AJ,Hoyland JA.Localization of degraadative enzymes and their inhibitors in the degenerate human intervertebral disc[J].J Pathol,2004,204(1):47-54.

[3] Kelempisioti A,Eskola PJ,Okuloff A,etal.Genetic susceptibility of intervertebral disc degeneration among young Finnish adults[J].BMC Med Genet,2011,12:153.

[4] Bachmeier BE,Nerlich A,Mittennaier N,etal.Matrix metalloproteinase expression levels suggest distinct enzyme roles during 1umbar discherniation and degeneration[J].Eur Spine J,2009,18(11):1573-1586.

[5] 沈正清,葉君健.MMP-3在退變腰椎間盤組織中的表達(dá)及意義[J].實(shí)用骨科雜志,2012,18(11):993-996.

[6] 錢祥,姜宏,王擁軍,等.MMP3、MMP7在腰椎間盤突出組織中的表達(dá)及其臨床意義[J].中國中醫(yī)骨傷科雜志,2012,20(8):1-3.

[7] 鄒志遠(yuǎn),鄒國耀,唐志宏.退變腰椎間盤組織中MMP-2蛋白的表達(dá)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版,2011,46(1):85-88.

[8] 趙瑛,譚祖鍵,吳雪暉,等.基質(zhì)金屬蛋白酶-9在腰椎間盤髓核組織中的表達(dá)[J].創(chuàng)傷外科雜志,2007,9(3):261-263.

[9] Gruber HE,Ingram JA,Hoelscher GL,etal.Matrix metalloproteinase 28,a novel matrix metalloproteinase,isconstitutively expressed in human intervertebral disc tissue and is present in matrix of more degenerated discs[J].Arthritis Res Ther,2009,11(6):R184.

[10] Yan C,Boyd DD.Regulation of matrix metalloproteinase gene expression[J].J Cell Physiol,2007,211(1):19-26.

[11] Le Maitre CL,Pockert A,Buttle DJ,etal.Matrix synthesis and degradation in human intervertebral disc degeneration[J].Biochem Soc Trans,2007,35(Pt 4):652-655.

[12] Le Maitre CL,Freemont AJ,Hoyland JA.The role of interleukin-1 in the pathogenesis of human intervertebral disc degeneration[J].Arthritis Res Ther,2005,7(4):732-745.

[13] 王明月,屠冠軍.白細(xì)胞介素及金屬蛋白酶在退變腰椎間盤表達(dá)[J].中國公共衛(wèi)生雜志,2009,25(2):164-166.

[14] 劉洋,朱書濤,李國軍,等.白細(xì)胞介素1β對組織工程化椎間盤細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶13表達(dá)的作用[J].中國矯形外科雜志,2013,21(5):499-501..

[15] 楊冬發(fā),葉偉,王新光,等.白細(xì)胞介素-1β對髓核細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶-3,7,9,13 mRNA表達(dá)的影響[J/CD].中華臨床醫(yī)師雜志:電子版,2009,3(4):559-567.

[16] Weiler C,Nerlich AG,Bachmeier BE,etal.Expression and distribution of tumor necrosis factor alpha in human lumbar intervertebral discs:a study in surgical specimen and autopsy controls[J].Spine(Phila Pa 1976),2005,30(1):44-53.

[17] Kobayashi M,Squires GR,Mousa A,etal.Role of interleukin-1 and tumor necrosis factor alpha in matrix degradation of human osteoarthriticcartilage[J].Arthritis Rheum,2005,52(1):128-135.

[18] Millward-Sadler SJ,Costello PW,Freemont AJ,etal.Regulation of catabolic gene expression in normal and degenerate human intervertebral disc cells：implications for the pathogenesis of intervertebral disc degeneration[J].Arthritis Res Ther,2009,11(3):r65.

[19] Séguin CA,Pilliar RM,Roughley PJ,etal.Tumor necrosis factor-alpha modulates matrix production and catabolism in nucleus pulposus tissue[J].Spine(Phila Pa 1976),2005,30(17):1940-1948.

[20] Rutges JP,Kummer JA,Oner FC,etal.Increased MMP-2 activity during intervertebral disc degeneration is correlated to MMP-14 levels[J].J Pathol,2008,214(4):523-530.

[21] Séguin CA,Pilliar RM,Madri JA,etal.TNF-alpha induces MMP2 gelatinase activity and MT1-MMP expression in an in vitro model of nucleus pulposus tissue degeneration[J].Spine(Phila Pa 1976),2008,33(4):356-365.

[22] Seki S,Kawagguchi Y,Chibi K,etal.A functional SNP in CILP,encoding cartilage intermediate layer protein,is associated with susceptibility to lumbar disc disease[J].Nat Genet,2005,37(6):607-612.

[23] Lotz JC,Chin JR.Intervertebral disc cell death in dependent on the magnitude and duration of spinal loading[J].Spine(phila Pa 1976),2000,25(12):1477-1483.

[24] Pattison ST,Melrose J,Ghosh P,etal.Regulation of gelatinase-A (MMP-2) production by ovine intervertebral disc nucleus pulposus cells grown in alginate bead culture by transforming growth factor-beta 1 and insulin like growth factor-1[J].Cell Biol Int,2001,25(7):679-689.

[25] Kato T,Haro H,Komori H,etal.Sequential dynamics of inflammatory cytokine,angiogenesis inducing factor and matrix degrading enzymes during spontaneous resorption of the herniated disc[J].J Orthop Res,2004,22(4):895-900.

[26] 劉鋼,馬信龍,鄧樹才.退行性變腰椎間盤中基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1的表達(dá)及意義[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2013,17(24):4488-4494.

[27] Kanbe K,Takagishi K,Chen Q.Stimulation of matrix metalloprotease 3 release from human chondrocytes by the interaction of stromal cell-derived factor 1 and CXC chemokine recaptor 4[J].Arthritis Rheum,2002,46(1):130-137.

[28] Kanbe K,Takemura T,Takeuchi K,etal.Synovectomy reduces stromal-cell-derived factor-1 (SDF-1) which is involved in the destruction of cartilage in osteoarthritis and rheumatoid arthritis[J].J Bone Joint Surg Br,2004,86(2):296-300.

[29] 原野,趙靜,李永民,等.核因子κB、基質(zhì)金屬蛋白酶3在退變腰椎間盤組織中的表達(dá)[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2011,15(22):4111-4114.

[30] Vo NV,Sowa GA,Kang JD.Prostaglandin E2and prostaglandin F2αdifferentially modulate matrix metabolism of human nucleus pulposus cells[J].J Orthop Res,2010,28(10):1259-1566.