基質(zhì)金屬蛋白酶在多發(fā)性硬化中的研究進展

李瓊玉(綜述)，洪銘范(審校)

(廣東藥學院附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,廣州 510080)

多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)是一種慢性中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)炎性脫髓鞘的自身免疫性疾病。臨床表現(xiàn)為時間和空間的多發(fā)性，大部分患者具有緩解-復(fù)發(fā)的病程，表現(xiàn)為運動、感覺、精神和認知障礙，嚴重影響患者的生活質(zhì)量。其病因及發(fā)病機制至今尚不完全明確，臨床上尚無有效的根治方法。近年來，隨著生物技術(shù)和分子生物學的高速發(fā)展，越來越多的研究表明基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)，尤其是MMP-9參與MS的病理過程。該文就目前MMPs在MS中的作用及其治療關(guān)系的研究進展予以綜述。

1 MMPs分類及生物學特性

1.1MMPs分類 MMPs是由單核巨噬細胞、內(nèi)皮細胞、結(jié)締組織細胞、中性粒細胞等多種細胞合成與分泌的一類蛋白水解酶，是降解細胞外基質(zhì)必不可少的酶類，可降解細胞外基質(zhì)和基膜的多種蛋白質(zhì)，到目前為止已分離鑒別出28種MMPs，稱為MMP家族[1]。根據(jù)其底物的特異性和氨基酸序列的相似性，可將MMPs分為六類[1-2]：膠原酶類(MMP-1、MMP-8、MMP-13、MMP-18)、明膠酶類(MMP-2、MMP-9)、基質(zhì)溶解素類(MMP-3、MMP-10和MMP-11)、Matrilysins(MMP-7和MMP-26)、膜型MMPs(MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-24、MMP-17和MMP-25)和其他MMPs(MMP-19、MMP-23、MMP-28)。

1.2MMPs生物學特性 MMPs是一種高度保守的鈣鋅依賴性的肽鏈內(nèi)切酶，盡管其種類繁多，大小不一，對底物的專一性不同，但都有一些共同的功能結(jié)構(gòu)域[1]，包括信號肽序列、前肽區(qū)、鉸鏈區(qū)、催化區(qū)域、C端區(qū)，其中鋅離子結(jié)合位點在催化區(qū)域，發(fā)揮對酶的催化作用；分泌型MMPs以無活性的酶原形式存在，膜型MMPs在細胞基質(zhì)以活化形式分泌；活性都依賴于催化區(qū)鋅離子的存在；組織基質(zhì)金屬蛋白酶抑制物(tissue inhibitors of metalloproteinases,TIMP)是其天然的抑制物；MMPs活化后可降解細胞外基質(zhì)，參與組織修復(fù)、生長、防御及免疫應(yīng)答，同時還可以激活或抑制很多信號分子，如受體、黏附分子和生長因子，其表達可受到刺激因素(如生長因子、細胞因子等)的觸發(fā)[3]。

2 MMPs在MS和實驗性自身免疫性腦脊髓炎中的異常表達

在正常的腦組織中某些MMPs呈低水平表達，病理狀態(tài)下則出現(xiàn)表達增加，如MMP-9在一些病理情況下，其基因轉(zhuǎn)錄活性增強，表達增加。已有眾多的動物實驗及組織病理研究證實MS發(fā)病過程中各個環(huán)節(jié)MMPs均有異常表達，并且在臨床上也得到了驗證。Cossins等[4]和Lindberg等[5]在MS患者的腦組織標本中發(fā)現(xiàn)，病灶周圍的巨噬細胞、淋巴細胞中MMP-2、MMP-7和MMP-9表達是升高的，其中MMP-9和MMP-7在病灶中的RNA水平被上調(diào)。實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)動物模型是國際公認的研究MS的理想模型，EAE模型研究表明，發(fā)病高峰期，多種MMPs表達水平是升高的，包括MMP-2,-3,-8,-9,-10,-11,-12,-13,-14,-19,-25，尤其是MMP-12升高最明顯，可達正常水平的157.5倍，其次是MMP-3，而MMP-17和MMP-28表達卻表現(xiàn)為下降[6-7]。以上MMPs的功能及其在MS中的作用仍不明確。

近年來，對MS患者血清和腦脊液中的MMPs研究的種類也日漸增多。最初的研究主要是MMP-9，大量研究表明MMP-9在MS患者血清、腦脊液、白細胞及MS病灶中是升高的[8-9]。血漿MMP-9在疾病活動初期迅速升高，急性期腦脊液水平也明顯升高，腦脊液MMP-9的水平與磁共振成像提示的病灶活動性相一致，急性期過后血漿和腦脊液MMP-9水平明顯下降，可能與急性期后相關(guān)免疫過程趨于緩和有關(guān)[10]。葉勵超等[11]研究發(fā)現(xiàn)，緩解-復(fù)發(fā)型MS急性期患者血清活性MMP-9水平較正常體檢者和緩解期組均顯著升高，但是MMP-9的抑制劑TIMP-1水平顯著降低，MMP-9/TIMP-1比值明顯升高。血漿和腦脊液MMP-9水平在急性期的變化表明MMP-9與疾病的活動密切相關(guān)，對血漿和腦脊液MMP-9的檢測可能成為判斷MS病情變化的生物學指標。另外，Yιlmaz等[8]在MS兒童患者研究中發(fā)現(xiàn)，血清中的MMP-7明顯下降，而MS成人及EAE模型研究的結(jié)果為MMP-7在疾病的高峰期病灶多為高表達，這種差異可能與檢測方法、選擇研究對象及其樣本量差異有關(guān)[12]。MMP-2是眾多MMPs中最具有爭議性的，在緩解-復(fù)發(fā)型MS中鞘內(nèi)MMP-2的產(chǎn)生是明顯升高的，但是用不同的實驗方法MMP-2在血清、腦脊液和脫髓鞘病灶中的表達是不一致的[13]，其確切原因尚待進一步研究。

3 MMPs在MS和EAE中的作用及其相關(guān)機制

MS是CNS白質(zhì)損傷為主的脫髓鞘疾病，從病理角度看來，其環(huán)節(jié)包括血腦屏障破壞、血管周圍炎性細胞侵入CNS、髓鞘破壞、軸索損傷及促進疾病發(fā)生的細胞因子釋放等，血腦屏障的破壞出現(xiàn)在MS發(fā)病前期，同時伴有炎性細胞浸潤，隨后才逐漸出現(xiàn)髓鞘的破壞和臨床癥狀。目前，眾多的實驗研究表明，多種MMPs家族成員，尤其是MMP-9參與介導(dǎo)EAE及MS的以上發(fā)病的各個環(huán)節(jié)。MMPs在疾病中起著促進作用。盡管如此，某些MMPs在病程中起著積極有利的作用，其缺乏也可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生。

3.1MMPs在MS和EAE中的促進作用 綜合各種實驗研究可知，MMPs可能通過以下途徑促進MS和EAE的發(fā)生、發(fā)展。

3.1.1破壞血腦屏障降解細胞外基質(zhì)與促進炎性細胞向CNS遷徙 MMP-9幾乎能降解所有的細胞外基質(zhì)成分，包括Ⅳ型膠原層粘連蛋白和纖維連接蛋白，增加血管內(nèi)皮通透性，破壞血管壁的結(jié)構(gòu)。Dong等[14]對不同類型的EAE腦組織標本進行免疫組織化學試驗發(fā)現(xiàn)，急性EAE腦組織和血管周圍迅速遭受到廣泛的炎性細胞浸潤和髓鞘脫失，病灶中的血管周圍炎性細胞、血管內(nèi)皮細胞、腦膜細胞、神經(jīng)纖維細胞等MMP-2和MMP-9的表達不同程度升高。而且MMP-9在EAE大鼠中樞組織高表達早于臨床癥狀的出現(xiàn)，在脊髓中的表達要早于腦組織和外周血[15]。MS復(fù)發(fā)患者血清中的MMP-9水平與神經(jīng)功能評分以及腦脊液和血清中白蛋白比值密切相關(guān)[16]?？赏茰y，MMP-2和MMP-9在EAE早期引起血腦屏障破壞，有利于免疫細胞的浸潤和遷移，誘發(fā)腫瘤壞死因子α的釋放[7]，而后者則參與了MS的發(fā)病機制。此外，MMP-9降解后的基質(zhì)片段可起到明顯的趨化作用，促使巨噬細胞等多種炎性細胞穿過破壞的血腦屏障，進入CNS，繼而引起髓鞘脫失、軸索損傷。與MMP-9相比，MMP-2在MS的發(fā)病機制中的作用頗具爭議，MMP-2在MS的恢復(fù)期活動明顯，可減少炎性反應(yīng)，緩解病情；它在MS中的過度表達既可以起到保護作用又可起到損害作用，因為MMP-2可以促進組織再生也可以協(xié)助CD4+Th1和巨噬細胞進入血腦屏障，損傷軸突[13]。此外，在EAE發(fā)病過程中，巨噬細胞分泌大量的MMP-7，血管周圍的MMP-7可降低內(nèi)皮細胞間的接觸，促進免疫細胞通過血腦屏障[12]。

3.1.2降解髓鞘堿性蛋白 MMPs可以降解髓鞘堿性蛋白(myelin basic protein,MBP)[7]，促進腫瘤壞死因子α等細胞因子成熟從而參與疾病的發(fā)生，同時其降解產(chǎn)物可擴散抗原表位，增強自身免疫反應(yīng)[17]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，MBP對MMP-2，-8，-9，-10,-12和膜固定性(membrane-tethered,MT)-MMP,MT4-MMP,MT5-MMP,MT6-MMP的水解作用敏感，尤其是MT6-MMP對其降解效果更強。MT6-MMP在MS水解MBP發(fā)病機制中起重要的作用，其作用機制是水解免疫細胞中的Golli-MBP亞型后引起特異性自身免疫性T細胞的激活，后者通過破壞的血腦屏障進入腦實質(zhì)并識別神經(jīng)元BMP，同時，在大腦內(nèi)引起炎癥，導(dǎo)致多種MMPs的上調(diào)和BMP的廣泛水解，最終引起MS[18]。因此，可以以MT6-MMP為靶點研究新的、有效的治療MS的方法。

3.1.3MMPs在Fas-FasL中的作用 Fas及FasL是近年來研究最為深入的有關(guān)細胞凋亡的膜表面分子，F(xiàn)asL是通過激活T細胞誘導(dǎo)細胞凋亡的重要因素，在EAE的恢復(fù)階段尤為重要。MMP-7可能通過切斷FasL降低中樞免疫逃避作用[19]。浸潤中樞的巨噬細胞可以產(chǎn)生局部的高濃度MMP-7，造成FasL局部脫落，使中樞的免疫逃避減弱，從而引起免疫反應(yīng)的擴散。MMPs可以穩(wěn)定少突膠質(zhì)細胞表面Fas,使T細胞表面的FasL容易與之結(jié)合,介導(dǎo)T細胞毒性作用,造成少突膠質(zhì)細胞死亡[20]。

3.2MMPs在MS和EAE中的積極作用 Goncalves DaSilva等[21]研究發(fā)現(xiàn)，與同窩出生的帶有MMP-12基因的小鼠對照，MMP-12裸鼠被誘導(dǎo)發(fā)生EAE后臨床癥狀更嚴重，脊髓炎癥范圍更廣，促炎性細胞因子升高更明顯。在MMP-12裸鼠中，Th1/Th2比例明顯升高，MMP-12可以誘導(dǎo)T細胞向Th2極化，降低Th1/Th2比例，從而起到抗炎保護作用[6]。因此，MMP-12在EAE和MS恢復(fù)中是不可缺少的，在抑制多種MMPs為靶點治療MS的同時要注意避免抑制MMP-12。

4 MMPs抑制劑(TIMP-1)在MS和EAE中的作用

TIMP-1是MMP-2、MMP-9的天然抑制劑，是抑制其活性的多功能因子，MMP-9和TIMP-1免疫失調(diào)在MS的發(fā)病中起重要作用[16]。大量研究表明，在EAE[22]或MS[11，16]患者血清、腦脊液中TIMP-1的水平下降，MMP-9/TIMP-1比值明顯上升。在EAE發(fā)病過程中，持續(xù)的、高劑量的TIMP-1既不會影響神經(jīng)組織的修復(fù)又不會損害其行為功能，TIMP-1起著保護神經(jīng)和緩解病情的作用[22]。因此，TIMP-1可作為一種安全的治療MS的候選手段。盡管如此，最近Adamson等[23]研究發(fā)現(xiàn)TIMP-1可由Th1和Th17選擇性地產(chǎn)生，而Th1和Th17來源的TIMP-1促進EAE的發(fā)生、發(fā)展，因為它可以增強炎性細胞的存活能力，其具體的作用機制尚不明確。TIMP-1在EAE和MS中的作用是一個多因素參與的復(fù)雜過程，TIMP-1在MS和EAE中的作用仍需進一步研究。

5 MMPs與MS的治療

近年來，MS的治療取得了極大的進展，但很多藥物的治療機制仍不明確，包括MS緩解期調(diào)節(jié)治療的一線藥物干擾素β、糖皮質(zhì)激素、米諾環(huán)素和雌二醇等，隨著對其作用機制研究資料的不斷積累，發(fā)現(xiàn)這些藥物對MMPs的抑制作用可能是其治療機制之一。大量研究表明，緩解-復(fù)發(fā)型MS患者MMP-9的表達明顯升高，TIMP-1表達下降，MMP-9/TIMP-1比值升高，給予干擾素β治療1年后MMP-9下降至正常水平，而TIMP-1明顯上升[9,24]，MMP-9/TIMP-1比值恢復(fù)正常，病情緩解，提示干擾素β可以修復(fù)MMP-9和TIMP-1間的平衡，緩解病情。糖皮質(zhì)激素目前仍然是MS急性期治療的主要藥物，張興鶴等[25]研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素可以減少MMP-9上升時間、幅度，誘導(dǎo)TIMP-1的表達，縮短病程，加速癥狀的緩解。鑒于糖皮質(zhì)激素的優(yōu)越性，可推測特異性糖皮質(zhì)激素受體激動劑有望成為治療MS的有效新藥物。雌二醇可抑制MMP-9的產(chǎn)生[26]，減少血腦屏障破壞，米諾環(huán)素可上調(diào)TIMP-1水平而抑制明膠酶對血腦屏障的破壞作用[27]，防止免疫活性細胞侵入CNS，減輕炎性反應(yīng)。另外，最近新發(fā)現(xiàn)一種細胞外基質(zhì)金屬蛋白酶誘導(dǎo)物(extracellular matrix metalloproteinase inducer，EMMPRIN),其主要功能是誘導(dǎo)MMPs表達，正常情況其廣泛存在于大腦，在血管內(nèi)皮細胞中的表達是有限的；在EAE大鼠中血管袖套樣改變區(qū)EMMPRIN升高的水平與MMP-9是相一致的；給予抗EMMPRIN治療后，MMPs的活性下降，病情減輕；其作用是通過下調(diào)MMP-9的表達，抑制其對血腦屏障的破壞作用從而減少白細胞浸潤CNS[28-29]。因此，抗EMMPRIN對EAE的治療為MS治療提供了新思路。

6 結(jié) 語

MMPs在MS中的作用十分復(fù)雜，目前尚處于研究階段。由于研究者所采用的實驗方法、取材、實驗追蹤時間長短和患者的所處病程不同，得出的結(jié)果不一，目前尚無確鑿依據(jù)表明MMPs與MS的特定關(guān)系。對MMPs的研究有助于更進一步了解MS的發(fā)病機制及其病理生理過程，并為MS的預(yù)防和治療提供新的思路。靶向控制MMPs的水平對MS患者是否有效或可能產(chǎn)生嚴重的不良反應(yīng)尚待深入研究。

[1] Benjamin MM,Khalil RA.Metalloproteinase inhibitors as investigative tools in the pathogenesis and management of vascular disease[J].EXS,2012,103:209-279.

[2] Bruschi F,Pinto B.The significance of matrix metalloproteinases in parasitic infections involving the central nervous system[J].Pathogens,2013,2(1):105-129.

[3] Verslegers M,Lemmens K,Van Hove I,etal.Matrix metalloproteinase-2 and-9 as promising benefactors in development,plasticity and repair of the nervous system[J].Prog Neurobiol,2013,105:60-78.

[4] Cossins JA,Clements JM,Ford J,etal.Enhanced expression of MMP-7 and MMP-9 in demyelinating multiple sclerosis lesions[J].Acta Neuropathol,1997,94(6):590-598.

[5] Lindberg RL,DeGroot CJ,Montagne L,etal.The expression profile of matrix metalloproteinases(MMPs) and their inhibitors(TIMPs) in lesions and norml appearing white matter of multiple sclerosis[J].Brain,2001,124(Pt 9):1743-1753.

[6] Weaver A,Goncalves da Silva A,Nuttall RK,etal.An elevated matrix metalloproteinase (MMP) in an animal model of multiple sclerosis isprotective by affecting Th1/Th2 polarization[J].FASEB,2005,19(12):1668-16670.

[7] Hansmann F,Herder V,Kalkuhl A,etal.Matrix metalloproteinase-12 deficiency ameliorates the clinical course and demyelination inTheiler′s murine encephalomyelitis[J].Acta Neuropathol,2012,124(1):127-142.

[8] Yιlmaz ü,Gücüyener K,Atak A,etal.Matrix metalloproteinase-7 and matrix metalloproteinase-9 in pediatric multiple sclerosis[J].Pediatr Neurol,2012,47(3):171-176.

[9] Cox MB,Bowden NA,Scott RJ,etal.Altered expression of the plasminogen activation pathway in peripheral blood mononuclear cells in multiple sclerosis:possible pathomechanism of matrix metalloproteinase activation[J].Mult Scler,2013,19(10):1268-1274.

[10] 劉噴咫,張星虎,劉偉,等.多發(fā)性硬化患者病情演變與血漿和腦脊液基質(zhì)金屬蛋白酶-9水平的相關(guān)性[J].中國神經(jīng)免疫學和神經(jīng)病學雜志,2010,17(5):327-330.

[11] 葉勵超,蔡若蔚,黃玉婷,等.多發(fā)性硬化復(fù)發(fā)、緩解期血清MMP-9、TIMP-1含量的變化[J].福建醫(yī)科大學學報,2012,46(3):196-198.

[12] Buhler LA,Samara R,Guzman E,etal.Matrix metalloproteinase-7 facilitates immune access to the CNS in experimental autoimmune encephalomyelitis[J].BMC Neurosci,2009,10:17.

[13] Fainardi E,Castellazzi M,Tamborino C,etal.Potential relevance of cerebrospinal fluid and serum levels and intrathecal synthesis of active matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) as markers of disease remission in patients with multiple sclerosis[J].Mult Scler,2009,15(5):547-554.

[14] Dong M,Liu R,Guo L,etal.Pathological findings in rats with experimental allergic encephalomyelitis[J].APMIS,2008,116(11):972-984.

[15] 唐麗梅,洪波,李延崢,等.基質(zhì)金屬蛋白酶9在實驗性自身免疫性腦脊髓炎大鼠發(fā)病過程中的動態(tài)表達[J].腦與神經(jīng)疾病雜志,2011,19(6):407-411.

[16] Hosokawa T,Nakajima H,Doi Y,etal.Increased serum matrix metalloproteinase-9 in neuromyelitis optica:implication of disruption of blood-brain barrier[J].J Neuroimmunol,2011,236(1/2):81-86.

[17] Benesova Y,Vasku A,Novotna H,etal.Matrix metalloproteinase-9 and Matrix metalloproteinase-2 as biomarkers of various cuorses in multiple sclerosis[J].Mult Scler,2009,15(3):316-322.

[18] Shiryaev SA,Savinov AY,Cieplak P,etal.Matrix metalloproteinase proteolysis of the myelin basic protein isoforms is a source of immunogenic peptides in autoimmune multiple osclerosis[J].PLoS One,2009,4(3):e4952.

[19] Ethell DW,Buhler LA.Fas ligand-mediated apoptosis in degenerative disorders of the brain[J].J Clin Immunol,2003,23(6):361-368.

[20] Giraudon P,Malcus C,Chalon A,etal.Astrocytes,cells involved in neuroimmune interactions inthecentral nervous system[J].J Soc Biol,2003,197(2):103-112.

[21] Goncalves DaSilva A,Yong VW.Matrix metalloproteinase-12 deficiency worsens relapsing-remitting experimental autoimmune encephalomyelitis in association with cytokine and chemokine dysregulation[J].Am J Pathol,2009,174(3):898-909.

[22] Althoff GE,Wolfer DP,Timmesfeld N,etal.Long-term expression of tissue-inhibitor of matrix metalloproteinase-1 in the murine central nervous system does not alter the morphological and behavioral phenotype but alleviates the course of experimental allergic encephalomyelitis[J].Am J Pathol,2010,177(2):840-853.

[23] Adamson A,Ghoreschi K,Rittler M,etal.Tissue inhibitor of metalloproteinase 1 is preferentially expressed in Th1 and Th17 T-helper cell subsets and is a direct stat target gene[J].PLoS One,2013,8(3):e59367.

[24] Dhib-Jalbut S,Sumandeep S,Valenzuela R,etal.Immune response during interferon beta-1b treatment in patients with multiple sclerosis who experienced relapses and those who were relapse-free in the START study[J].J Neuroimmunol,2013,254(1/2):131-140.

[25] 張興鶴,盧宏.糖皮質(zhì)激素對多發(fā)性硬化患者血清MMP-9、TIMP-1水平的調(diào)控作用[J].中風與神經(jīng)疾病雜志,2012,29(5):419-422.

[26] 劉金泉,紀寧,尉杰忠,等.雌二醇對實驗性自身免疫性腦脊髓炎大鼠血腦屏障及基質(zhì)金屬蛋白酶-9的影響[J].中國自然醫(yī)學雜志,2012,12(6):401-405.

[27] Niimi N,Kohyama K,Matsumoto Y.Minocycline suppresses experimental autoimmune encephalomyelitis by increasing tissue inhibitors of metalloproteinases[J].Neuropathology,2013，33(6):612-620.

[28] Agrawal SM,Silva C,Tourtellotte WW,etal.EMMPRIN:a novel regulator of leukocyte transmigration into the CNS in multiple sclerosis andexperimental autoimmune encephalomyelitis[J].J Neurosci,2011,31(2):669-677.

[29] Agrawal SM,Silva C,Wang J,etal.A novel anti-EMMPRIN function-blocking antibody reduces T cell proliferation and neurotoxicity:relevance to multiple sclerosis[J].J Neuroinflammation,2012,9:64.