基質(zhì)金屬蛋白在椎間盤退變中的相關(guān)研究進展*

王家倫，李大鵬 綜述，黃永輝△ 審校

(1.江蘇大學醫(yī)學院，江蘇鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇大學附屬醫(yī)院骨科，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

椎間盤退變相關(guān)的疾病是臨床上一種常見的慢性疾病，是脊柱大部分肌肉、骨骼疾病的病理基礎。目前針對于椎間盤退變的治療方式較局限，主要是保守治療及外科手術(shù)干預等對癥治療，且沒有早期干預和逆轉(zhuǎn)退變進程的方法，所以急需對椎間退行性變(IDD)病理生理過程進行更深入的研究，提出更有效的治療策略。在過去的十年中對細胞外基質(zhì)(ECM)降解理論的研究越來越受到重視，尤其是基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)。它是引起椎間盤中膠原和蛋白聚糖降解的至關(guān)重要的生物效應物質(zhì)[1]。所以研究MMPs的表達及酶之間的相互作用對ECM的修復再生和延緩椎間盤退變進程有深遠作用，本綜述總結(jié)了MMPs在椎間盤退變中的作用及影響MMPs表達的因素。

1 MMPS家族

MMPs是一種廣泛存在于人體的含鋅的蛋白水解酶家族，可以降解除多糖外幾乎所有ECM。MMPs的結(jié)構(gòu)組成與氨基酸類似，都具有鉸鏈區(qū)、大量氨基酸組成編碼底物的特異序列等，共同特征是都具有一個含鋅離子結(jié)合位點的催化區(qū)，其cDNA具有同源性，主要由炎癥細胞、內(nèi)皮細胞、纖維細胞等以非活性形式分泌，通過蛋白水解作用激活，并且活性的MMPs可與特異性的TIMPs以非共價鍵結(jié)合而抑制。自GROSS和LAPIERE在1962年首次發(fā)現(xiàn)并報道膠原酶以來[2]，至今已發(fā)現(xiàn)28種MMPs人類金屬基質(zhì)蛋白，按照底物的專一性和序列相似性可分為6類[3]：(1)基質(zhì)溶解因子(matrilysins)主要為MMP-7、MMP-26，其作用底物包括部分生長因子、蛋白多糖等多種細胞外基質(zhì)成分。(2)間質(zhì)溶解素(stromelysins)包括MMP-3、MMP-10、MMP-11，其作用底物主要是膠原蛋白、明膠、蛋白多糖。(3)明膠酶類(gelatinases)包含MMP-2、MMP-9，主要降解變性膠原蛋白、明膠、層黏連蛋白。(4)膜型MMPs包括MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17、MMP-24、MMP-25，不僅對纖維連接蛋白及膠原有特殊降解作用，還能輔助激活其他MMPs。(5)間質(zhì)膠原酶(collagenases) 包括MMP-1、MMP-8、MMP-13及MMP-18，其作用廣泛，主要包括各類膠原和大部分蛋白多糖核心。(6)其他未歸類的MMPs包括MMP-12、 MMP-19、MMP-20、MMP-21、MMP-23、MMP-27、MMP-28等，這些MMPs酶類在細胞及組織中的具體作用仍不太清楚，可能具有維持細胞及組織穩(wěn)定性及修復作用。

2 MMPs在退變椎間盤的代謝

在正常椎間盤組織中，MMPs表達最低，在嬰兒期和青春期，用免疫組化的方式檢測MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-7、MMP-9、MMP-10、MMP-13，是低表達或者不表達的[4]。MMP-19在年輕化的椎間盤中高度表達，在老年化的椎間盤中很少表達，它可能和椎間盤的自我修復相關(guān)，但在人類退化的椎間盤(IVD)組織中各種MMPs的表達增加，所以這些蛋白的具體生理作用，還有待研究。

CAMPOS等[5]發(fā)現(xiàn)MMP-1、MMP-2和MMP-3蛋白質(zhì)表達與椎間盤退變形態(tài)學變化高度相關(guān)，并且MMP-1和MMP-3只在嚴重退變的髓核組織中高表達。MMP-1已經(jīng)證實能完整消化Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原，且通過分析椎間盤突出癥患者的椎間盤標本發(fā)現(xiàn)MMP-1表達水平變化和椎間盤的退變等級存在正相關(guān)關(guān)系。胡峰等[6]采用單克隆抗體染色法檢測50例不同嚴重程度椎間盤病變患者的MMP-7表達發(fā)現(xiàn)，MMP-7不僅與椎間盤病變的臨床分級關(guān)聯(lián)，還與椎間盤病變的嚴重程度存在相關(guān)。另一項研究中運用免疫組化方法發(fā)現(xiàn)MMP-7陽性細胞數(shù)量與椎間盤退化等級呈正相關(guān)[7]。相比之下，MMP-13在退變早期即出現(xiàn)較高表達，并且這種表達不隨退變程度的加重而變化[8]。SOBAJIMA等[9]在兔子椎間盤的針刺試驗中發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑-1(TIMP-1)表達大幅度下降到術(shù)前水平的十分之一，轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGF-β1)和分解代謝基因(MMP-3、IL-1β、iNOS)表達升高，并表現(xiàn)出雙峰性特征。同樣的在椎間盤退變的動物試驗中，WEI等[10]發(fā)現(xiàn)在猴子的退變模型中MMP-3的表達升高。在發(fā)生退變的椎間盤中，免疫細胞定位方法發(fā)現(xiàn)MMP-12在纖維環(huán)和髓核中的表達均增加[11]。

3 MMPs在退變椎間盤的表達

椎間盤退變的過程是一個多因素相互作用的復雜過程，相關(guān)的作用機制至今尚未完全研究清楚。椎間盤內(nèi)環(huán)境的破壞是目前支持比較多的理論，尤其是ECM的過度降解引起椎間盤退變的理論被廣泛接受。椎間盤的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵在于基質(zhì)的分解合成之間的平衡，而維持這一平衡的基質(zhì)酶類MMPs的活動至關(guān)重要，而機體通過基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)酶激活以及酶的活性等方式來實現(xiàn)對基質(zhì)酶類的調(diào)控[12]。基因在編碼蛋白質(zhì)方面起著決定性作用，所以在遺傳過程中出現(xiàn)的變異將有可能直接影響椎間盤退變進程及病變的發(fā)生。ZHANG等[13]發(fā)現(xiàn)MMP-2的-735/t多態(tài)性可能與中國漢族人口中LDD的風險和嚴重程度有關(guān)。同樣的，在2015年的研究表明，MMP-14的-378T/C多態(tài)可能影響中國漢族人口發(fā)生IVDD的風險。ZAWILLA等[14]在一項對埃及人群中椎間盤退變的研究中發(fā)現(xiàn)，MMP-3的5A突變等位基和與維生素D受體(VDR)的突變等位基因T與LDD顯著相關(guān)，并且攜帶突變等位基因5A的受試者在暴露于職業(yè)風險因素時更容易受到IDD的影響。RNA作為蛋白質(zhì)表達經(jīng)典調(diào)控成分，同樣對MMPs的表達具有重要影響，從牛尾椎間盤分離的髓核細胞被miR-146a轉(zhuǎn)染后，能夠抑制炎癥因子IL-1介導的MMP-13表達，從而增加Ⅱ型膠原的水平，減少椎間盤退變的發(fā)生，這項研究也為利用內(nèi)源性或外源性途徑產(chǎn)生miR-146a來治療、延緩椎間盤退變提供了思路[15]。

細胞因子同樣對MMPs在椎間盤中的表達有著重要的影響。在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，胰島素樣生長因子1受體(IGF1R)可以提高MMP-3水平，并減少椎間盤中的Ⅱ型膠原，導致椎間盤退變的加速[16]。但在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，IGF1R能抑制牛椎間盤細胞中MMP-2的合成和TIMP-2的表達[17]。KAO等[18]發(fā)現(xiàn)在老鼠體內(nèi)神經(jīng)生長因子(NGF)能上調(diào)MMP-3的表達及抑制TIMP-3，從而提高MMP-3與TIMP-3的比值，并且這種作用能被Ro08-2750這種特異性神經(jīng)生長因子抑制劑阻斷，在進一步的研究中，NGF能通過上調(diào)IL-2的方式來增加MMP-9的表達。所以NGF可能對MMPs的平衡有潛在影響，間接地促進椎間盤退變。腫瘤壞死因子-α(TNF-α)也是促進椎間盤退變的影響因子之一，它可以通過ERK-1/2途徑增強MMP-14啟動子的活性，上調(diào)MMP-14的表達，后者通過增加MMP-2的活性降解細胞外基質(zhì)，引發(fā)退變[19]。同時TNF-α可以明顯刺激體外培養(yǎng)的椎間盤髓核細胞多種MMPs(MMP-3、MMP-9和MMP-13)的表達升高[20]。腫瘤壞死因子樣弱凋亡因子(TWEAK)的作用類似TNF-α可以同時增加MMP-3在基質(zhì)中的表達及其蛋白水解活性[21]。由此可見，椎間盤退變是一種多重基因及多種因素相互作用的復雜疾病。

4 MMPs潛在的靶向治療

考慮到MMPs在ECM降解過程中起著關(guān)鍵作用，這些酶類可通過生物學途徑誘導和調(diào)節(jié)ECM的自我修復，從而提供一條替代手術(shù)治療，早期干預退變進程的新途徑。研究發(fā)現(xiàn)，烏司他丁通過抑制MMP-2的表達，增加Ⅱ型膠原的方式，對體外IL-1誘導的退變兔椎間盤髓核細胞具有保護作用[22]。白藜蘆醇(RSV)是存在于紅酒和葡萄中的一種天然成分，有研究發(fā)現(xiàn)它對軟骨組織具有保護作用，并且用RSV孵育牛椎間盤細胞能有效抑制IL-1b誘導的MMP-13表達，使蛋白聚糖含量增加[23]。上述物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，為抗椎間盤退變藥物的開發(fā)提供了新的思路和材料。另一方面基因?qū)Φ鞍踪|(zhì)的表達起決定性作用，利用基因的修飾和調(diào)節(jié)對影響椎間盤退變的酶類進行調(diào)節(jié)具有生物學治療潛力。TIMPs是 MMPs 特異性的內(nèi)源性抑制因子之一， LECKIE等[24]發(fā)現(xiàn)將攜帶TIMP-1基因的腺病毒注入兔子退變椎間盤模型中，髓核組織中Ⅱ型膠原的含量明顯增加。

5 展 望

目前的研究表明，金屬基質(zhì)蛋白酶類對細胞外基質(zhì)成分有重要調(diào)節(jié)作用，通過調(diào)節(jié)MMPs酶類來預防和治療IVDD具有巨大前景：一方面MMPs含量的檢測將可用作判斷早期IVDD的標準；另一方面針對MMPs研制的藥物將會在延緩限制IVDD發(fā)展方面表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。總而言之，對MMPs等酶類前炎癥遞質(zhì)分子水平的深入研究，能更清楚地揭示多種細胞因子在退變過程中的相互作用，并有可能發(fā)現(xiàn)更多的MMPs，更進一步明確椎間盤退變的發(fā)生機制，為生物復合材料干預和治療IVDD提供理論基礎，同時為臨床早期防治IVDD提供一條新途徑。