周兆明，吳小濤

(1.東南大學 醫(yī)學院，江蘇 南京 210009；2.東南大學附屬中大醫(yī)院 骨科，江蘇 南京 210009)

·綜 述·

基質金屬蛋白酶的表達與調節(jié)在椎間盤退變過程中的作用

周兆明1，吳小濤2

(1.東南大學 醫(yī)學院，江蘇 南京 210009；2.東南大學附屬中大醫(yī)院 骨科，江蘇 南京 210009)

細胞外基質(ECM)成分改變及破壞是導致椎間盤退變(IDD)的重要原因，目前研究認為，基質金屬蛋白酶(MMPs)是引起椎間盤細胞外基質降解的主要酶類。作者對關于椎間盤退變過程中MMPs的表達與調控的文獻進行了綜述，發(fā)現(xiàn)MMPs在退變椎間盤中表達增加，其表達及調控受到一系列因素的綜合影響，并與其調控因子構成復雜的網絡調節(jié)機制，一旦這種調節(jié)機制失去平衡，可引起椎間盤ECM降解，并最終引起IDD。若能對MMPs表達調控進行干預，將使得生物治療椎間盤退變成為可能。

基質金屬蛋白酶；表達與調控；細胞外基質；椎間盤退變；文獻綜述

研究顯示，有超過半數(shù)的人在一生當中會發(fā)生明顯的下腰痛[1]，由于椎間盤的退變引起的椎間盤源性腰痛占到全部下腰痛超過40%[2]。椎間盤退變主要表現(xiàn)在細胞和細胞外基質成分合成與降解失衡[3]，基質金屬蛋白酶(MMPs)的表達和活化失調控是引起細胞外基質(ECM)降解的重要原因[4]。目前，關于MMPs以及基質金屬蛋白酶組織抑制劑(tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs)的表達和活化在椎間盤退變過程中的調控機制還沒有得到詳細闡明。在本文中作者對MMPs的表達與調節(jié)在椎間盤退變過程中的作用作一綜述。

1 MMPs概述

MMPs是一組鋅離子依賴的蛋白酶家族，是最重要的調節(jié)ECM動態(tài)平衡的酶系。目前將已知的24個成員分為6類[5]：(1) 間質膠原酶(MMP-1、 MMP-8、MMP-13、 MMP-18)，其主要作用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原及蛋白多糖的核心蛋白。(2) 明膠酶類(MMP-2、MMP-9)，主要降解明膠和Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型基底膜膠原以及完整的基底膜。(3) 間質溶解素(MMP-3、MMP-10、MMP-11)，其作用底物主要是彈性纖維、纖維連接蛋白、層粘連蛋白等多聚糖蛋白核心蛋白。(4) 基質溶解因子(MMP-7、MMP-26)，能降解不同的ECM成分，如蛋白多糖和一些生長因子及細胞因子。(5) 膜型MMPs(MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17、MMP-24、MMP-25)，能降解膠原及纖維連接蛋白，還有活化其他MMPs的功能。(6)其他未歸類的MMPs(MMP-12、 MMP-19、MMP-20、MMP-21、MMP-23、MMP-27、MMP-28)，這些MMPs在組織基質的穩(wěn)定和修復方面起著作用，但是具體作用仍不是很清楚。

目前普遍認為，許多疾病狀態(tài)，包括椎間盤退變及骨關節(jié)炎發(fā)生，其組織ECM的退變降解與MMPs的表達和激活失調有關。

2 椎間盤及其ECM的構成

正常椎間盤位于上下椎體軟骨終板之間，由髓核及包繞在髓核四周的纖維環(huán)組成。正常椎間盤的基質成分主要是水分、膠原、蛋白多糖及彈性蛋白。髓核基質中Ⅱ型膠原最多，約占80%，髓核中心其含量最高，向四周越接近纖維環(huán)Ⅱ型膠原含量越低，同時含有少量Ⅵ、Ⅸ、Ⅺ型膠原；纖維環(huán)基質中Ⅰ型膠原含量最高(80%)，還含有少量的Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ型膠原[6]。

椎間盤發(fā)生退變時，其基質成分的主要生化改變表現(xiàn)在：Ⅰ型膠原取代Ⅱ型膠原、出現(xiàn)Ⅲ型及Ⅹ型膠原、蛋白多糖含量下降、髓核水分減少等[7-8]。

3 MMPs及TIMPs在椎間盤退變過程中的表達情況及其意義

近幾年，許多學者在退變的椎間盤組織和體外細胞培養(yǎng)體系及動物模型中證實了MMPs和TIMPs的異常表達，并發(fā)現(xiàn)這二者的表達水平與椎間盤的退變等級有一定相關性，具體如下。

3.1 MMPs在椎間盤中的表達

在正常椎間盤中MMPs基本沒有表達，許多實驗觀察到老化及退變的椎間盤中MMPs表達增多，并且多與椎間盤退變嚴重程度相關。Weiler等[8]報道,MMP-1、 MMP-2、MMP-3在嬰幼兒及青春期人群的椎間盤(正常椎間盤)中幾乎沒有表達，但是在成年人及大于15歲的青春期人群椎間盤(退變椎間盤)中，上述MMPs表達則明顯增多。Bachmeier等[7]的實驗表明，正常椎間盤中大多數(shù)MMPs在mRNA水平上也呈低表達。在對人類退變椎間盤的檢測中發(fā)現(xiàn)，MMP-3的表達水平與椎間盤組織學退變等級明顯相關。Weiler等[8]的實驗也證實了，MMP-1、MMP-2及MMP-3蛋白表達水平與椎間盤組織形態(tài)學退變等級呈正相關。 Crean等[9]的實驗同樣觀察到，MMP-2和MMP-9的表達程度與椎間盤退變影像學分級水平之間有著明顯的正相關性。 Roberts等[10]用免疫組化技術檢測到，退變椎間盤中MMP-3和MMP-7升高表達最多。也有實驗具體表明，在退變的椎間盤中MMP-7和MMP-13表達最高，并且MMP-7和MMP-13在髓核退變早期就出現(xiàn)高表達， MMP-13在椎間盤退變早期就持續(xù)高表達，并且在退變后期也沒有明顯的降低[11-12]。

3.2 TIMPs在椎間盤中的表達

TIMPs是一個多基因家族，目前有4個成員，分別是TIPM-1、TIPM-2、TIPM-3和TIPM-4,其中TIPM-1、TIPM-2和TIPM-3在椎間盤中有表達。與MMPs在椎間盤中的表達狀況類似，正常椎間盤中的TIMPs也呈低水平表達[11]。Roberts等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，相比正常椎間盤組織而言，老化退變的椎間盤組織中TIMP-1和TIMP-2的蛋白表達水平明顯增加。Bachmeier等[7]還發(fā)現(xiàn)在退變椎間盤中，隨著MMPs表達水平的上調TIMP-1、TIMP-2的mRNA及蛋白表達水平也上調，并且在退變伴突出的椎間盤標本中TIMP-1、TIMP-2的表達水平與MMP-1 的表達水平有一定程度的相關性。盡管在退變椎間盤中TIMPs的表達是上調的，并對抗了MMPs對基質的降解作用，但是直到目前為止，TIMPs的調控機制仍未完全得到闡明。

4 MMPs在椎間盤中的調節(jié)

MMPs在椎間盤中的調節(jié)受到諸多方面因素的影響：年齡因素、各種刺激因素(機械壓力刺激、炎癥刺激及氧化應激等)和環(huán)境因素(吸煙及遺傳易感性)。

4.1 機械壓力刺激對MMPs表達的調節(jié)

諸多實驗表明，椎間盤中MMPs表達和所受的壓力大小、變化頻率及作用時間有明確關系。

Sowa等[13]對髓核組織的體外實驗表明，較大的壓力可引起MMP-3基因表達的降低。體外實驗[14]也表明，受到中等程度牽張拉力的細胞中，MMP-3基因表達減少，酶活性降低；而受到較大牽張拉力的細胞中，MMP-3基因表達減少，其酶活性卻增加。Korecki等[15]也發(fā)現(xiàn)中等大小壓力可引起MMP-3的表達增加，較大且持續(xù)存在的壓力可引起MMP-3的表達降低。MacLean等[16]在體內實驗中發(fā)現(xiàn)，對椎間盤動態(tài)施加中等大小的壓力刺激，可引起MMP-3級MMP-13的表達增加，若施加的壓力較小則沒有陽性結果。

壓力的作用時間及變化頻率同樣影響椎間盤中MMPs的表達。據(jù)Yurube等[17]報道，在長期持續(xù)一定的壓力作用下，MMP-3的基因表達和蛋白產物都明顯增多。Wuertz等[18]的實驗結果表明，在動態(tài)變化的壓力刺激作用下，椎間盤ECM合成增加，而持續(xù)存在的恒定壓力作用促進ECM的分解代謝并誘發(fā)IDD[17-19]。

4.2 炎癥刺激對MMPs表達的調節(jié)

退變椎間盤中常能檢測到腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α、白細胞介素(interleukin，IL)-1α和IL-1β以及IL-6。Le Maitre等[20]報道了在IL-1作用下，椎間盤中MMP-3及MMP-13的表達增加。Weiler等[21]的實驗表明，TNF-α與年齡及椎間盤退變組織學分級相關。Sobajima等[22]在體內實驗發(fā)現(xiàn)，在受損傷的椎間盤中，隨著椎間盤退變的嚴重程度進展，可以檢測到IL-1β和MMP-3表達不同程度上調，同時伴有TIMP-1的表達下調。在針刺致動物椎間盤退變模型中觀察到，在椎間盤針刺傷周圍，大量細胞的p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號轉導通路被激活，并且在這些細胞中同時檢測到了IL-1β和IL-8表達。Studer等[23-24]在體外實驗中發(fā)現(xiàn)， 使用TNF-α和IL-1β處理人和兔的椎間盤，可以使TIMP-1∶MMP-3蛋白表達比值下降；具有這一作用的還有一氧化氮、IL-6和前列腺素E2。他們進一步觀察到Ⅰ、Ⅱ型膠原及蛋白聚糖的蛋白表達降低。實驗還進一步觀察到，抑制p38 MAPK的活化因子可以降低上述炎癥因子的作用。Sun等[25]的實驗證實，NF-κB 信號通路特異性抑制劑BAY11-7082可引起IL-1β明顯抑制，減少NF-κB 信號通路激活，MMP-3、MMP-9、MMP-13均明顯減少蛋白表達。該實驗提示，NF-κB 信號通路也是椎間盤退變的重要介導途徑。

4.3 氧化應激對MMPs表達的調節(jié)

Soukane等[26]研究表明，盡管椎間盤內是一個乏氧環(huán)境，但椎間盤內的細胞仍需要消耗氧來完成新陳代謝。老化的椎間盤存在許多裂隙，并引發(fā)新生血管長入，使原本處在低氧環(huán)境中的椎間盤髓核細胞暴露在富氧環(huán)境，從而產生氧化應激。Vo等[27]實驗證實，將椎間盤暴露于煙草煙霧提取物中，椎間盤中的MMPs表達上調，TIMPs表達受抑制。

4.4 基因易感性對MMPs表達的調節(jié)

椎間盤退變與基因多態(tài)性有關。Dong等[28]發(fā)現(xiàn)在中國漢族年輕腰椎間盤退變患者中， 多次檢測到MMP-2基因多態(tài)性-1306C/T。Sun等[29]的研究認為，MMP-9基因多態(tài)性-1562C/T與中國北方年輕漢族人腰椎椎間盤退變性疾病相關。并且攜帶TT或CT基因型的個體其MMP-9蛋白的表達水平高于攜帶CC基因型的個體。Song等[30]在有關中國南方漢族人的研究中發(fā)現(xiàn)，MMP-1啟動子區(qū)域的基因多態(tài)性-1607和腰椎間盤退變有關。Takahashi等[31]的實驗表明，MMP-3啟動子區(qū)域的等位基因5A是促進腰椎間盤退變的危險因素。這些實驗結果表明，位于MMPs啟動子區(qū)域的基因多態(tài)性可能參與了椎間盤退變的發(fā)生發(fā)展。

5 結 論

在椎間盤退變的過程中，MMPs是引起ECM降解的主要因素，其調控過程是一個多因素參加的復雜過程。最近Yang等[32]的實驗提示，17-雌二醇可以抑制MMP-3和MMP-13的表達，并減少大鼠髓核細胞在IL-1β作用下的凋亡。Sun等[33]通過體外實驗證實，脂肪間充質干細胞(adipose-derived stromal cells)與髓核細胞共培養(yǎng)時，可上調組織ECM中TIMPs的表達，減少由于壓力應激而導致的髓核細胞老化和死亡，從一個側面提示了干預MMPs活性可以抑制椎間盤退變。以上對椎間盤退變過程中MMPs表達及調控的研究表明，抑制MMPs表達的刺激因素，減少炎癥遞質、細胞因子的產生，可以從不同水平進行干預，抑制或增加MMPs的合成和活性，使得椎間盤退變相關疾病的預防、緩解及生物治療成為可能。

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2015-02-02

2015-02-12

國家自然科學基金資助項目(81272035)

周兆明(1990-)，男，江蘇鹽城人，在讀碩士研究生。E-mail:zhouzhaoming08@hotmail.com

吳小濤 E-mail:Wuxiaotao@medmail.com.cn

周兆明，吳小濤.基質金屬蛋白酶的表達與調節(jié)在椎間盤退變過程中的作用[J].東南大學學報:醫(yī)學版，2015，34(3)：429-432.

R681.5

A

1671-6264(2015)03-0429-04

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.03.024