淺論基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制物與骨性關(guān)節(jié)炎

【關(guān)鍵詞】骨性關(guān)節(jié)炎;基質(zhì)金屬蛋白酶;基質(zhì)金屬蛋白酶抑制物

骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是一種常見的關(guān)節(jié)退行性疾病，表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨破壞，關(guān)節(jié)表面形成骨贅，滑膜細(xì)胞增生，滑膜炎和關(guān)節(jié)間隙變窄。病理過(guò)程以關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)的降解破壞為特征，其發(fā)病原因至今尚不清楚。近年研究表明，OA關(guān)節(jié)軟骨中的基質(zhì)金屬蛋白酶(matrixmetalloproteinases，MMPs)合成增加，基質(zhì)金屬蛋白酶特異性抑制物（TissueInhibitorofMetalloproteinases,TIMPs)合成減少，造成軟骨細(xì)胞外基質(zhì)(extracellularmatrix,ECM)的合成與降解失衡是導(dǎo)致軟骨退變的重要原因［1］。本文就MMPs及TIMPs與OA相關(guān)性研究作一概述。

1MMPs的分類及其酶原激活

MMPs是一類廣泛存在于結(jié)締組織中結(jié)構(gòu)相似的蛋白酶家族，可由成纖維細(xì)胞，上皮細(xì)胞，炎癥細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞分泌，是ECM降解最重要的蛋白水解系統(tǒng)，被認(rèn)為是機(jī)體生理重建和病理破壞的主要基礎(chǔ)因素之一。MMPs因能降解幾乎所有的軟骨細(xì)胞外基質(zhì)而被認(rèn)為在OA發(fā)病過(guò)程中起重要作用。根據(jù)其蛋白結(jié)構(gòu)和作用底物的特異性可以分為5個(gè)亞型：(1)膠原酶(MMP1,8,13)。(2)明膠酶(MMP2,9)。(3)間質(zhì)溶解素(MMP3,10,11)。(4)模型MTMMPs(MMP14,15,16,17,24,25)。(5)其他亞群(MMP7,12,20,23)。MMPs能直接切斷軟骨的II型膠原和蛋白聚糖，使軟骨的拱形纖維結(jié)構(gòu)破壞、受損，軟骨失去彈性，其包繞膠原纖維的分子篩濾過(guò)作用下降，關(guān)節(jié)軟骨易受到降解酶的作用而破壞，并且由于MMP特異性地裂解膠原分子，導(dǎo)致膠原網(wǎng)受到破壞，原本被關(guān)節(jié)軟骨ECM包埋的軟骨細(xì)胞暴露于炎性因子的攻擊之下，最終導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)?。?］。

MMPs在骨關(guān)節(jié)炎的滑膜、軟骨組織均可產(chǎn)生，初始產(chǎn)物為沒(méi)有活性的酶原形式RPPro-MMPs，當(dāng)被尿激酶型纖溶酶原激活物(uPA)激活的纖溶酶裂解后，活化為具有活性的形式MMPs。每種MMPs可在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外被激活，許多有活性的MMPs也能激活其他MMPs酶原，形成瀑布效應(yīng)。有研究［3］表明在OA的病理過(guò)程中，關(guān)節(jié)滑膜細(xì)胞及軟骨細(xì)胞分泌過(guò)量的MMPs，打破了MMPs及其抑制劑TIMPs的平衡,在力學(xué)負(fù)荷和炎性因子的作用下，關(guān)節(jié)軟骨抗應(yīng)力的能力降低，軟骨細(xì)胞發(fā)生凋亡，細(xì)胞外基質(zhì)成分游離出軟骨，最終軟骨被破壞［4］。

2MMPs各亞型在骨關(guān)節(jié)炎中的作用

由于MMPs不同亞型對(duì)各基質(zhì)成分的降解能力存在很大的差異，許多學(xué)者認(rèn)為它們?cè)谲浌峭俗兊牟煌A段所起的作用也可能各有側(cè)重［5］。其中膠原酶、基質(zhì)溶解素和膠原酶的作用是決定性的。

膠原酶目前所發(fā)現(xiàn)的3種膠原酶都在關(guān)節(jié)軟骨中成活性狀態(tài)，即MMP-1、MMP-8、MMP-13。它們以膠原酶原的形式分布在各自所特異性降解的膠原周圍，在受到刺激時(shí)表達(dá)上調(diào)，激活并降解這些膠原。(1)MMP-1又名間質(zhì)膠原酶，分布廣泛，其主要由成纖維細(xì)胞分泌，是成纖維細(xì)胞型膠原酶，可切割I(lǐng)、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅷ、X型膠原、明膠、可聚蛋白多糖和細(xì)胞粘合素。在正常軟骨中很難發(fā)現(xiàn)，但在OA軟骨中則有明顯升高，而且其作用對(duì)象主要是新生成的II型膠原。在病理狀態(tài)下，軟骨細(xì)胞大量產(chǎn)生MMP-1并激活，作用于軟骨基質(zhì)Ⅱ型膠原α鏈上的Gly775-Leu／Ile776位點(diǎn)，使Ⅱ型膠原裂解，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞，固相結(jié)構(gòu)中的蛋白多糖流失或分解，軟骨基質(zhì)降解速度明顯加快，軟骨發(fā)生破壞和缺損，導(dǎo)致骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)?。?-7］。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，只有控制了MMP-1的活性后，培養(yǎng)基中新生成的Il型膠原才明顯增加［8］。(2)MMP-8即中性粒細(xì)胞膠原酶。其作用是在ASn341-PHe342和GLu373-Ala374位點(diǎn)降解蛋白多糖以及降解基質(zhì)膠原。正常軟骨中可測(cè)到MMP-8的表達(dá),但OA時(shí)其mRNA的表達(dá)明顯升高。此時(shí)MMP-8降解膠原和黏白多糖的能力增加，說(shuō)明該酶在OA的病理變化扮演著重要的角色，但也有學(xué)者認(rèn)為MMP-8在OA并無(wú)特意性的增長(zhǎng)［9］。(3)MMP-13又稱為膠原酶-3，與OA關(guān)系密切，但滑膜細(xì)胞不能合成，可以優(yōu)先降解透明軟骨特征性Ⅱ型膠原，是所知的酶中最有效的Ⅱ型膠原纖維降解酶［10］。其降解能力是MMP-8的10倍。它可直接降解軟骨基質(zhì)中Ⅱ型膠原，且其它許多MMPs亞型對(duì)Ⅱ型膠原降解需要通過(guò)它發(fā)揮作用。其可分解Ⅱ型膠原Gly794-Leu795之間的肽鍵，形成了一個(gè)具有794個(gè)氨基酸的Ⅱ型膠原3/4片段和具有266個(gè)氨基酸的Ⅱ型膠原1/4片段，隨后這2個(gè)膠原前體片段的三螺旋結(jié)構(gòu)解螺旋，并進(jìn)一步由其他蛋白水解酶降解。

基質(zhì)降解素包含基質(zhì)降解素-1、-2、-3三種。(1)基質(zhì)降解素-1(MMP-3)在OA中起著很重要的作用。既往研究表明，OA患者的血清和關(guān)節(jié)液中MMP-3含量較健康人增高，同時(shí)有研究［11-13］表明0A關(guān)節(jié)軟骨及滑液中MMP-3表達(dá)增高水平與軟骨破壞程度相一致。MMP-3可由軟骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞分泌，MMP-3不能直接降解Ⅱ型膠原，但可參與間質(zhì)膠原酶的激活而降解Ⅱ型膠原，不僅降解多種細(xì)胞外基質(zhì)，而且還可激活其他蛋白酶原，其它蛋白酶可降解前肽區(qū)中的誘餌區(qū)從而暴露了MMP-3易于裂解的位點(diǎn)，同時(shí)激活MMP-l,-3,-9,-13酶原，從而產(chǎn)生瀑布放大效應(yīng)，進(jìn)一步加速了軟骨的破壞［14］。在OA時(shí)，軟骨損傷部位出現(xiàn)缺氧和代謝產(chǎn)物堆積而顯示出的酸性環(huán)境更有利于MMP-3發(fā)揮降解作用。MMP-3還可以通過(guò)降低激活纖溶酶原而下調(diào)與細(xì)胞有關(guān)的纖溶酶活性，也可以水解抗纖溶酶(a-AP)，從而促進(jìn)纖溶酶介導(dǎo)的蛋白酶解［15］。(2)基質(zhì)降解素-2(MMP-10)和基質(zhì)降解素-3(MMP-11)在關(guān)節(jié)炎中的相關(guān)研究較少。

明膠酶在中性環(huán)境下明膠酶(MMP-2,-9)有活性，具有降解變性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原明膠的特異能力，也可切割天然Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型膠原，對(duì)纖維結(jié)合素、彈性蛋白也有一定作用：(1)MMP-2來(lái)源于廣譜的間質(zhì)細(xì)胞。有的學(xué)者發(fā)現(xiàn)在正常馬關(guān)節(jié)(軟骨和滑膜)只含有MMP-2酶原，而骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)中則不僅可見MMP-2酶原和而且有活化的MMP-2［16］。說(shuō)明MMP-2在關(guān)節(jié)炎的發(fā)生過(guò)程中確實(shí)起到了一定的作用。(2)MMP-9又稱明膠酶13，是一種糖化蛋白酶，可來(lái)自外周血中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞，特別是血多形中性粒細(xì)胞分解后可釋放大量MMP-9。同時(shí)MMP-9也可來(lái)源于破骨細(xì)胞，表明它除基質(zhì)消化功能外更是一個(gè)重要的骨破壞因素。而且與MMP-1不同，MMP-9的基因表達(dá)位于深層軟骨而不在表面，顯示出它對(duì)骨損壞的位置優(yōu)勢(shì)。在髖關(guān)節(jié)炎患者中，可發(fā)現(xiàn)MMP-9與髖關(guān)節(jié)的迅速破壞呈正相關(guān)，同樣的結(jié)果也分別出現(xiàn)在顳頜關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)［17］。

其他類型的MMPImai報(bào)告MMP-7對(duì)蛋白多糖的降解活性是MMP-3的～倍,并且可激活MMP-2和MMP-9對(duì)型膠原進(jìn)一步裂解［18］,在OA軟骨的退化中起著一定的作用。劉謨震等人認(rèn)為MMP-12在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病過(guò)程中也起到一定的作用［18］。剩余的基質(zhì)金屬蛋白酶在關(guān)節(jié)炎中的研究很少，尚須進(jìn)一步探討。

3TIMPs的分類與作用

機(jī)體內(nèi)存在的基質(zhì)金屬蛋白酶抑制物包括非特異性抑制劑和TIMPs。TIMPs是一種內(nèi)源性的、分布廣泛的低分子蛋白質(zhì)，能特異性抑制MMPs活性。目前已發(fā)現(xiàn)4種亞型(TIMP-1至TIMP-4)。TIMP分子包括2個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域，N端結(jié)構(gòu)域擁有MMP抑制活性，C端結(jié)構(gòu)域可能與明膠酶原的蛋白定位或復(fù)合物的形成有關(guān)。保守性最強(qiáng)的區(qū)域是N端的前22個(gè)氨基酸殘基(在信號(hào)肽斷裂位點(diǎn)附近)，在這位點(diǎn)中的第7個(gè)組氨酸和第9個(gè)甘氨酸與Zn2+的相互作用尤顯重要［19］。TIMPs可由滑膜及軟骨細(xì)胞合成，可與活化的MMPs1:1形成不可逆的非共價(jià)結(jié)合，抑制MMPs對(duì)基質(zhì)蛋白質(zhì)的降解。TIMP-1是N-乙酰糖基化蛋白，能抑制絕大多數(shù)的MMP，可與MMP-9前體及有活性的MMP-1，-3，-9形成高度親和的，非共價(jià)鍵結(jié)合的復(fù)合物。TIMP-2是一種非糖基化蛋白，與MMP-2有很強(qiáng)的親和力，主要抑制MMP-2活性，對(duì)MMP家族其他成員的活性也有抑制作用，能阻斷所有被激活的MMP的水解酶活性［20-21］。TIMP-3也是非糖基化蛋白，是全功能MMP抑制劑，對(duì)MMP-2，-9，膠原酶-1及基質(zhì)溶素的抑制作用相似［22］。它抑制MMP-2，7作用稍強(qiáng)于MMP-1，-3，-9。在正常關(guān)節(jié)中MMPs與TIMPs的表達(dá)量極低，而在OA患者關(guān)節(jié)軟骨和滑膜MMPs的表達(dá)明顯增高［20］。在OA的病理過(guò)程中，關(guān)節(jié)滑膜細(xì)胞及軟骨細(xì)胞分泌過(guò)量的MMPs，打破了MMP-TIMP的平衡，造成對(duì)關(guān)節(jié)軟骨ECM的過(guò)度降解，使軟骨逐漸出現(xiàn)糜爛、潰瘍、缺失等一系列退行性變。李德達(dá)［23］通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)OA組與正常對(duì)照組相比，MMP-3升高約10倍，而TIMP-1則升高了5倍，即MMP-3增高的幅度比TIMP-1要大，二者間的平衡被破壞而促進(jìn)了關(guān)節(jié)軟骨的降解。Handa［24］研究發(fā)現(xiàn)，生理程度的靜壓力是一種能夠刺激蛋白多糖和TIMP-1生成的因素。但是當(dāng)壓力過(guò)大(＞30atm)或過(guò)小(＜1atm)，即軟骨面受力不均或異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞MMP-3分泌增多和TIMP-1分泌減少，從而引起關(guān)節(jié)軟骨退變。在力學(xué)負(fù)荷和炎性因子的作用下，關(guān)節(jié)軟骨抗應(yīng)力的能力降低，軟骨細(xì)胞發(fā)生凋亡，細(xì)胞外基質(zhì)成分游離出軟骨，最終軟骨被破壞［25］。

4展望

MMPs的發(fā)現(xiàn)已有40多年．但MMPs在OA中作用的研究最近幾年才被重視。隨著現(xiàn)代科學(xué)的迅猛發(fā)展及國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究，相信未來(lái)在分子水平不斷研究的基礎(chǔ)上，對(duì)OA軟骨基質(zhì)大分子物質(zhì)MMPs的功能、作用機(jī)制等方面的探索將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，為OA理想治療方案提供理論基礎(chǔ)。

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