基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制物對牙周炎發(fā)生發(fā)展影響的研究進展

孔 晨,楊 楠,王 玨,隋 欣,劉志輝

（吉林大學口腔醫(yī)院修復科，吉林 長春 130021）

牙周炎是一種發(fā)生在牙支持組織的慢性炎癥，不僅可造成牙齦紅腫、牙周袋溢膿和牙齒松動等局部組織的病變，還與糖尿病、心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病和癡呆癥等全身性疾病有著密切關系［1-3］。目前的研究［2］顯示：牙周炎的組織病理學表現(xiàn)包括炎細胞的大量浸潤、牙周韌帶主纖維束破壞溶解以及牙槽骨的破壞吸收等，許多細胞因子和效應分子如白細胞介素（interleukin，IL）、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）、前列腺素E2和基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）均參與了該炎癥過程。

MMPs包含一系列嚴格調(diào)控的蛋白酶，能降解眾多細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）和基底膜的蛋白成分，而金屬蛋白酶組織抑制劑（tissue inhibitor of metalloproteinases，TIMPs） 作為一種內(nèi)源性蛋白酶抑制劑，通過直接或間接抑制MMPs活性來維持動態(tài)平衡［4］。近年來，MMPs越來越多的非基質(zhì)底物被發(fā)現(xiàn)，因此其在免疫反應和炎癥疾病中的作用日益受到重視［5］。研究［6］顯示：某些MMPs過表達和MMPs/TIMPs的動態(tài)平衡被打破是影響牙周組織降解和重塑及促進牙周炎發(fā)生發(fā)展的重要因素。目前，MMPs和TIMPs在牙周炎發(fā)生發(fā)展過程中的作用及機制尚未完全闡明，且始終缺乏對MMPs和TIMPs家族與牙周炎關聯(lián)性的系統(tǒng)報道。基于對國內(nèi)外研究成果的深入分析，現(xiàn)對MMPs和TIMPs在牙周炎組織中的表達及其在牙周炎發(fā)生發(fā)展過程中的作用進行歸納，闡述其在牙周炎診斷和治療中的應用價值，以期為牙周炎的臨床防治工作引入新的策略。

1 MMPs和TIMPs的生物學特征

1.1 MMPs的結(jié)構(gòu)、分類和功能

目前，在脊椎動物中已分離鑒別出MMPs家族的28個成員，分別編號為MMP-1～28，至少23個在人體組織中表達，各成員結(jié)構(gòu)相似，一般由信號肽序列、前肽區(qū)、催化活性區(qū)、鉸鏈區(qū)和血紅素域5個功能不同的結(jié)構(gòu)域組成，其中催化活性區(qū)具有Zn2+和Ca2+離子結(jié)合位點，通過與Zn2+結(jié)合發(fā)揮酶催化作用，與Ca2+結(jié)合則有助于其穩(wěn)定，而血紅素域賦予其底物特異性。MMPs成員在上述結(jié)構(gòu)的基礎上又各有差異［7］。根據(jù)結(jié)構(gòu)域及作用底物的不同，MMPs通常被分為6類：膠原酶（MMP-1、MMP-8、MMP-13和MMP-18），明膠酶（MMP-2和MMP-9）， 間 質(zhì) 溶 解 素 （MMP-3、 MMP-10 和MMP-11），基質(zhì)溶解因子（MMP-7和MMP-26），膜型 MMPs（membrane-type MMPs，MT-MMPs）（MMP-14～17、MMP-24和MMP-25），其他MMPs（MMP-12、MMP-19～23、MMP-27和MMP-28）［8］。

MMPs的表達和活化對許多正常生理過程至關重要。MMPs可降解ECM蛋白如膠原蛋白和彈性蛋白，打破細胞間連接，促進細胞增殖、遷移和分化，也可影響細胞表面的生物活性分子，調(diào)節(jié)各種細胞和信號通路，還能對一些信號分子（IL）進行加工，調(diào)節(jié)其活性，因此MMPs在胚胎發(fā)生、血管形成、創(chuàng)傷修復、白細胞浸潤和組織炎癥等過程中均發(fā)揮著重要作用［9］。但MMPs也可能導致腫瘤進展、纖維性疾病、骨關節(jié)炎、缺血性腦卒中和病毒感染的擴散等病理狀態(tài)［10-11］。尤其MMPs在癌癥中的作用已被證實，其水平升高與腫瘤進展和侵襲性有密切關聯(lián)［12］。

1.2 TIMPs的結(jié)構(gòu)、分類和功能

TIMPs是內(nèi)源性和天然存在的MMPs抑制劑。目前在人體中已發(fā)現(xiàn)4個TIMPs家族成員：TIMP-1～4。TIMPs分為N端和C端2個結(jié)構(gòu)域，每個結(jié)構(gòu)域通過內(nèi)部的3個二硫鍵保持穩(wěn)定，N端因能獨立抑制MMPs被稱為“抑制域”，但完整TIMPs與MMPs的相互作用跨越2個結(jié)構(gòu)域，顯示出更強的抑制作用［13］。TIMPs以1∶1的比例與MMPs結(jié)合，可抑制MMPs酶原活化及活化MMPs的功能，MMPs/TIMPs比率通常用以確定ECM蛋白質(zhì)降解和組織重塑的程度。每一種TIMPs都能抑制所有已知的MMPs，然而其親和力譜跨越多個數(shù)量級，因此抑制功效也隨TIMPs的不同而變化。除了部分膜型MMPs（MMP-14～16等），TIMP-1是多種MMPs的強抑制劑。除抑制MMPs外，TIMPs還可抑制更廣泛的金屬蛋白酶，如去整合素金屬蛋白酶和含Ⅰ型血小板結(jié)合蛋白基序的去整合素金屬蛋白酶。TIMPs還具有生長因子活性以及抗血管生成和凋亡調(diào)節(jié)等活性［14］。

2 MMPs和TIMPs在牙周炎發(fā)生發(fā)展中的作用

2.1 MMPs在牙周炎組織中的表達和激活

MMPs可由結(jié)締組織、促炎細胞和子宮胎盤細胞產(chǎn)生［15］，在健康組織中其表達水平通常較低，而在許多炎性細胞因子和生長因子的作用下表達上調(diào)，包括TNF-α、表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF） 和 轉(zhuǎn) 化 生 長 因 子 β（transforming growth factor-β，TGF-β） 等，牙周炎期間局部炎細胞的大量聚集，也是導致MMPs分泌量升高的原因，牙菌斑中的病原體同樣能刺激宿主細胞釋放MMPs，MMPs的表達還受到激素、腫瘤啟動子、細胞-細胞接觸和細胞-ECM相互作用的調(diào)節(jié)［16］。

MMPs以酶原形式被分泌出來，是一種由催化位點的半胱氨酸殘基與催化位點的Zn2+之間相互作用導致的非活性形式，通過化學改性破壞這種相互作用或蛋白水解除去酶的前肽可促使酶原活化，該機制被稱為“半胱氨酸開關”。調(diào)節(jié)MMPs激活的機制根據(jù)特定組織和疾病的微環(huán)境而變化，在牙周炎進展期間，MMPs可通過涉及的病原體和宿主蛋白酶獨立或合作級聯(lián)激活。研究［17］顯示：MMP-13能夠通過體外自我溶解誘導MMP-9前體激活以及MMP-13的自動激活，而MMP-9可在體外激活MMP-2和MMP-13的前體，MMP-14可體外激活MMP-8、MMP-13和MMP-2，并且與體內(nèi)牙周炎部位的活性MMP-13關系密切。上述合作級聯(lián)激活的機制加速了牙周炎的進展，導致廣泛的牙周組織破壞。

2.2 MMPs參與牙周炎發(fā)生發(fā)展過程

MMPs對牙周組織的破壞作用表現(xiàn)為直接對牙周組織中ECM蛋白進行降解，以及對信號傳導分子（細胞因子、趨化因子和生長因子）進行加工，調(diào)節(jié)其生物學功能，間接造成炎癥破壞［18］。膠原蛋白是最主要的ECM蛋白，牙周組織中Ⅰ型膠原的降解是造成附著喪失的關鍵，而牙周附著喪失是牙周炎的標志，因此膠原酶（MMP-8和MMP-13）在牙周炎中的作用應受到重視［19］。另一方面，趨化因子和細胞因子的平衡和相對豐富度決定著炎癥反應的持續(xù)時間、強度和性質(zhì)（亞臨床炎癥或破壞性牙周炎）［20］。

2.2.1 MMP-8和MMP-13中性粒細胞來源的MMP-8是牙周組織中最豐富的MMPs，也是宿主細胞產(chǎn)生的主要膠原酶，通過降解牙齦和牙周韌帶膠原導致牙周組織破壞［21］。研究［22］顯示：注射脂多糖能誘導中性粒細胞產(chǎn)生MMP-8和MMP-9，而MMP-8在炎癥期間可降解Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白以及產(chǎn)生趨化性三肽Pro-Gly-Pro來調(diào)節(jié)中性粒細胞遷移。牙周炎患者唾液中平均MMP-8濃度是健康對照者的2.5倍，與具有低水平MMP-8的人群比較，唾液或齦溝液（gingival crevicular fluid，GCF）中MMP-8水平高的群體牙周炎更常見，并且MMP-8水平與牙周袋深度和探診出血等臨床參數(shù)之間有密切關系［23］。值得注意的是，高水平的MMP-8與牙齦炎/種植體周圍黏膜炎轉(zhuǎn)化為牙周炎/種植體周圍炎有關，唾液中MMP-8的上調(diào)在牙周炎的進展之前［24］，提示MMP-8在牙周炎早期診斷和預防方面具有重要的價值。另外，感染齒垢密螺旋體和福賽斯坦納菌的患者GCF中MMP-8水平明顯升高，二者均為牙周炎相關病原菌［25］。

MMP-13又被稱為膠原酶-3，其底物豐富，包括膠原蛋白、明膠、蛋白聚糖、基底膜蛋白多糖和纖維黏連蛋白等，MMP-13主要與礦化骨基質(zhì)有關，與組織蛋白酶K和MMP-9協(xié)同，在骨基質(zhì)Ⅰ型膠原蛋白的降解中發(fā)揮重要作用［26］。研究［27］顯示：患有牙周炎的受試者唾液MMP-13水平高于對照組，可能與其對牙周軟、硬支持組織的降解和對MMP-9酶原的激活作用有關，MMP-13和MMP-9的級聯(lián)激活或能克服TIMP-1的保護作用，可作為牙周炎診斷和藥物研發(fā)的潛在方向。

2.2.2 MMP-9和MMP-2MMP-9被鑒定為診斷牙周病的可能生物標志物，可降解Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ、Ⅺ型膠原及彈性蛋白、明膠、纖維黏連蛋白和層黏連蛋白等，在牙周炎癥中發(fā)揮重要作用，并且MMP-9能夠在氨基末端切割中性粒細胞趨化因子IL-8，加工后的IL-8對炎癥中性粒細胞的趨化作用增強了10倍［28］。分析血清和GCF中MMP-9水平［29］顯示：牙周炎患者血清及GCF中MMP-9水平明顯高于牙周健康者。KIM等［30］也通過實驗證實了唾液中MMP-9水平與牙周炎具有明顯的相關性，并且指出二者之間存在生物學梯度關系。研究［31］顯示：MMP-9是具有很高預測價值的牙周病標志物。然而，經(jīng)過非外科牙周治療后，牙周炎患者唾液中MMP-9水平僅降低23.5%［32］，提示MMP-9在評估牙周炎預后方面的作用可能略有不足。

MMP-2主要來源于牙齦成纖維細胞，負責牙齦組織膠原蛋白的降解，牙周炎患者唾液和血清中MMP-2水平的升高以及牙周治療后的減少，提示MMP-2 參與牙周炎組織破壞［33］。

2.2.3 MMP-3和MMP-10MMP-3和MMP-10直接降解結(jié)締組織中的非膠原蛋白，包括蛋白多糖、纖維黏連蛋白和層黏連蛋白等，同時與其他MMPs相互作用以實現(xiàn)其他降解機制，在牙周炎癥過程中，MMP-3由破骨細胞、破牙骨質(zhì)細胞和牙周膜成纖維細胞等分泌，主要表達于骨吸收活躍的區(qū)域，引起牙槽骨的吸收和改建，GCF中MMP-3水平隨著牙周炎的進展而增加，治療后MMP-3水平降低，并與牙齦指數(shù)、牙周袋深度和臨床附著喪失程度呈正相關關系［34］。與牙周健康者和慢性牙周炎患者比較，侵襲性牙周炎患者MMP-3水平明顯升高，表明MMP-3可能是與侵襲性牙周炎相關的生物標志物［35］。

2.2.4 MMP-14 MT-MMP與牙周炎的相關性的研究較少，HERNáNDEZ等［36］研究顯示：與健康對照組比較，慢性牙周炎患者GCF中MMP-14水平差異無統(tǒng)計學意義。另一項研究［37］顯示：受牙周炎影響的牙齦組織中MMP-14水平明顯升高，提示MMP-14在炎癥環(huán)境中上調(diào)，且可能在牙周組織破壞中發(fā)揮作用，表明除了在膠原蛋白重塑中的作用，MMP-14還可以通過調(diào)節(jié)組織內(nèi)的TNF-α促進炎癥反應，激活MMP-13和MMP-2等其他MMPs來增強蛋白水解潛力，MMP-14也可能在細胞信號傳導中發(fā)揮作用。

可見，多種MMPs在牙周炎癥期間均呈現(xiàn)出高表達或過表達的現(xiàn)象，通過降解ECM蛋白以及與其他分子相互作用或級聯(lián)激活，參與牙周炎的發(fā)生發(fā)展過程。

2.3 TIMPs在牙周炎發(fā)生發(fā)展過程中的變化

MMPs活性的抑制由TIMPs完成，MMPs和TIMPs的平衡是維持組織健康的重要保障，二者之間的失衡會促進牙周病的進展。TIMP-1是MMPs最主要的抑制劑，健康人群的TIMP-1水平通常較牙周炎患者更高，反映其抑制MMPs的能力［38］。MOUZAKITI等［39］發(fā)現(xiàn)：慢性牙周炎患者治療后TIMP-1表達水平升高，MMP-8/TIMP-1和MMP-9/TIMP-1比值均降低。研究［40］顯示：與正常對照組比較，慢性牙周炎患者牙齦組織中TIMP-4 mRNA表達水平明顯升高，TIMP-1 mRNA表達水平有所升高但差異無統(tǒng)計學意義，TIMP-2和TIMP-3 mRNA表達水平無明顯變化，MMP-1/TIMP-2、MMP-3/TIMP-2、MMP-9/TIMP-2和MMP-1/TIMP-3比值明顯升高，表明MMPs/TIMPs比值在牙周炎發(fā)展中的變化更具有參考價值。

3 MMPs與TIMPs在牙周炎診斷和治療中的作用

隨著對MMPs和TIMPs認識的逐步深入，越來越多的學者開始探索二者在牙周炎診斷和治療中的價值。目前臨床常用的診斷方法（探診出血和牙周袋深度測定）無法預測牙周炎的發(fā)病風險，如果在臨床癥狀和體征出現(xiàn)前進行早期干預，則可以降低牙周損傷的程度［41］。SORSA 等［42］提出將活性MMP-8作為輔助性和預防性診斷工具用于牙周炎分級和分期的設想。還有學者對唾液MMP-9試劑盒的牙周炎診斷能力進行研究，肯定了其篩選牙周炎的有效性［43］。

在牙周炎的治療方面，唾液中某些MMPs（MMP-8和MMP-9）已被認為可用于牙周炎的隨訪甚至預后判斷，以此為患者提供最佳護理［44］，但目前支持此類論點的文獻仍有不足，雖有望將MMPs相關指標與牙周炎預后相關聯(lián)，但還需要不斷加以證實和補充。MMPs是牙周炎治療的一個重要靶點，抑制MMPs可明顯降低牙周支持組織的破壞程度。尋找或合成MMPs的抑制劑是目前研究的焦點之一。原花青素（proanthocyanidin，PA）可抑制MMPs的產(chǎn)生和活性，并使超過90%的可溶性重組MMP-2、MMP-8和MMP-9失活，有可能控制牙周炎等MMPs介導的疾?。?5］。由于廣譜MMPs抑制劑帶來較多不良反應，選擇性抑制劑的發(fā)展成為必然，目前提出的給予選擇性MMPs抑制劑的策略包括施加內(nèi)源性抑制劑（TIMPs類似物）、外位靶向插入、功能阻斷抗體和破壞MMPs與細胞表面受體的相互作用等［46］。此外，調(diào)節(jié)MMPs基因表達的信號傳導途徑，下調(diào)MMPs表達水平，或者阻斷炎癥細胞因子，減少其對MMPs表達的誘導作用，均是靶向藥物的研發(fā)方向［47］。具有Kazal基序的逆轉(zhuǎn)錄富含半胱氨酸蛋白（reversion-inducing cysteine-rich protein with Kazal motifs，RECK）是一種能夠調(diào)節(jié)MMPs和抑制血管生成的膜固定糖蛋白，作為細胞表面信號分子，可以在轉(zhuǎn)錄水平抑制MMPs的表達，被認為是一種新型的 MMPs抑制劑［48］。

4 結(jié) 語

牙周炎作為最常見的口腔疾病之一，各種復雜因素的干擾導致了其具有病程長和難逆轉(zhuǎn)的特點。牙周炎的發(fā)生發(fā)展與患者血清、唾液和GCF中MMPs（特別是MMP-8、MMP-9和MMP-13）的異常增高以及MMPs/TIMPs的平衡失調(diào)有關，臨床上可考慮將MMPs水平和MMPs/TIMPs比值作為早期診斷和監(jiān)測牙周炎病情發(fā)展及預后的參考指標。針對MMPs的靶向治療可以作為牙周炎藥物研發(fā)的方向，尋找MMPs的抑制劑是目前關于牙周炎治療的一個熱門思路，或可引入新的治療策略。另一方面，MMPs與細胞因子和趨化因子之間從表達到加工和活化存在著密切的相互作用，但目前對該過程的了解尚不充分。下一步需對牙周炎與MMPs和TIMPs潛在相關性進行更為科學和深入的研究，以期為臨床有效防治牙周炎提供可靠的理論依據(jù)。