基質金屬蛋白酶與腰椎間盤退變的研究進展

陶帥 ，姜宏 ，李曉春 ，劉錦濤 ，錢祥

（1南京中醫藥大學，江蘇 南京 210029；2蘇州市中醫醫院骨科，江蘇 蘇州 215009）

腰椎間盤退行性變是骨科常見的疾病之一，是引起腰椎間盤突出癥、慢性下腰、神經痛的重要病理基礎，其復雜生理病理改變受到多種因素調控。目前研究認為腰椎間盤退變的實質主要在于椎間盤細胞外基質的降解和椎間盤髓核細胞量的減少，而基質金屬蛋白酶（Matrix Metalloproteinases，MMPs）在這一退變過程中發揮著重要作用。本文就近幾年來MMPs在腰椎間盤退變的研究作一概述。

1 椎間盤細胞外基質構成

椎間盤主要由豐富的細胞外基質和少量的細胞構成，細胞外基質主要由蛋白多糖、水、膠原、年齡色素和少量彈性蛋白等成分組成，從而決定了椎間盤髓核組織可分解壓力，吸收負荷的的固有特性[1，2]。椎間盤組織中的膠原主要分為Ⅰ型和Ⅱ型膠原，其中80%為Ⅱ型膠原[3]。當椎間盤發生退變時，Ⅰ型膠原增加，部分Ⅱ型膠原被Ⅰ型所替代，Ⅰ/Ⅱ型膠原的比例發生變化，同時膠原纖維鈣化，黏性及凝膠性降低，纖維性增加，髓核吸收承受外力的功能下降而易于損傷[4、5]。國外有學者認為[6]，將椎間盤細胞外基質中可抵抗壓應力的蛋白多糖，可抵抗張應力的膠原，可緩沖機械力的彈性蛋白等多種成分密切配合，是維持椎間盤良好力學性能的基礎。相反，當椎間盤退變時，這些成分不能良好配合，是導致纖維環破裂，椎間盤突出的一個重要原因。

2 MMPs與椎間盤退變的關系

2.1 MMPs的激活與調節

MMPs是一類重要的基質蛋白水解酶，由體內炎性細胞及成纖維細胞分泌，主要參與細胞外基質的降解過程。在正常椎間盤組織中，MMPs通常都是以無活性的酶原形式存在，當椎間盤組織發生退變時，MMPs被激活并通過發生級聯放大反應水解細胞外基質[7]。同時，體內有眾多細胞因子通過影響MMPS的表達直接或間接參與椎間盤退變過程。

2.1.1 MMPS與VEGF 正常椎間盤組織無血管長入，椎間盤退變與老化時出現毛細血管，此時巨噬細胞可以通過新生血管侵入基質，直接刺激MMPs分泌，同時血管內皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF） 可通過某些途徑激發蛋白溶酶的活性并使其不斷增殖，進一步增強MMPs的分泌，從而對細胞外基質進行降解[8]。Kokubo Y等[9]通過500例椎間盤退變組織發現在不同的退變進程中，MMPS與VEGF表達量不一，當新生血管從邊緣長入退變椎間盤細胞時，MMP-3表達增強，同時巨噬細胞聚集在細小血管周圍，發揮自身免疫作用，影響椎間盤退變。Kato等[10]研究證實VEGF可誘導退變椎間盤組織產生尿激酶，而尿激酶可直接刺激MMPs系統增強蛋白酶的分泌，因此VEGF為降解細胞外基質提供了必須條件，間接影響椎間盤退變。

2.1.2 MMPS與TNF-α 腫瘤壞死因子-α（Tumor necrosis factor-α，TNF-α）屬于腫瘤壞死因子超家族成員，具有較強的炎性能力，MMPs在其刺激下活性增強且基因易表達，從而使退變的椎間盤細胞產生MMPs。姜世峰等[11]認為在有Modic改變的退變腰椎間盤終板的基礎上，TNF-α和MMP-3的表達量明顯高于無Modic改變的退變腰椎間盤終板，TNF-α和MMP-3在腰椎間盤終板退變過程中可能起協同促進作用。杜偉等[12]通過實驗證明MMP-3、TNF-α的表達與椎間盤退變呈正相關趨勢，認為TNF-α可能與神經功能損傷有關，MMP3與椎間盤突出有關，并對TNF-α介導的神經功能損傷起促進作用。Studer RK等[13]研究發現TNF-α可誘導退變椎間盤分泌MMP-13，其誘導級聯反應可在白細胞介素-6（Interleukin-6，IL-6）的介入下被放大，認為減少IL-6的分泌可幫助維持退變椎間盤的成分、結構和功能。

2.1.3 MMPs與白細胞介素 研究證實，椎間盤中存在有多種炎性細胞因子，其中白細胞介素系列與MMPs相互作用對椎間盤退變的過程有一定影響[14]。Liu等[4]通過體外培養的人體椎間盤組織發現在退變的椎間盤中白細胞介素-1β（IL-1β）及其受體的含量明顯升高，同時在IL-1β的刺激下，發現MMPs的生成量顯著增加，并呈一定的時效關系，其中髓核組織的分泌量高于纖維環組織。王明月等[15]通過免疫組化方法分別檢測腰椎間盤突出癥手術切除的椎間盤組織（實驗組）和腰外傷骨折患者取出的椎間盤組織（對照組），結果顯示實驗組IL-1α和MMP2的陽性率遠遠高于對照組，而實驗組中游離型較突出型腰椎間盤突出癥MMP-2的陽性表達率顯著增高，IL-1α的表達率無明顯差異，認為IL-1α的表達增強與椎間盤退變程度不呈正相關性，同時IL-1α與MMP2在腰椎間盤退變過程中起一定的關聯作用。孫東良等[16]通過動物實驗證明IL-1可誘導去除卵巢大鼠椎間盤細胞中MMP-13的基因表達增強而使MMP-13的表達量增加，認為IL-1和MMP-13兩者表達量同時增加在腰椎間盤退變形成和發展過程中起到重要作用。

2.1.4 其他因素 近年來，國外有學者[17]認為缺氧誘導因子-1α（Hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α） 與 MMP-2在椎間盤退變過程中表達都呈增高趨勢，兩者相互依存，協調統一，共同參與椎間盤的退變過程。另外，研究表明[18]高遷移率族蛋白B1、胰島素樣生長因子、血小板衍生因子等均能上調MMPs的表達，影響腰椎間盤退變。目前，陳德勝等[19]通過動物實驗得出枸杞多糖可通過能夠抗氧化和抑制炎癥反應兩方面來降低大鼠退變椎間盤組織中MMP-3的陽性表達率，從而延緩了椎間盤退變；此外，他還運用動物實驗證明了白藜蘆醇可通過抑制MMP-9的表達而減輕實驗性腰椎間盤組織退變[20]，進一步證實中草藥提取物在影響腰椎間盤退變方面有一定的調節作用。

2.2 MMPS與TIMPS平衡失調

目前研究認為，正常椎間盤的細胞外基質處于不斷合成與分解的相對平衡狀態，當椎間盤髓核組織中的組成成分隨著椎間盤的退變而發生變化時，髓核組織失去其原有的特性，這一平衡被打破，加速椎間盤退變。金屬蛋白酶組織抑制劑（Tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs）是一種特異性的基質金屬蛋白酶抑制劑，受到多種因子調控，可通過直接抑制MMPs的分泌來減緩椎間盤細胞外基質的降解速度，從而對椎間盤退變起一定的保護作用[4]。陳剛等[21]將退變椎間盤髓核組織和正常椎間盤髓核組織進行免疫組化分析，結果顯示退變髓核細胞中MMP-1和TIMP-1兩指標均較對照組表達明顯，但在退變椎間盤髓核細胞中MMP-1較TIMP-1增加顯著，MMP-1/TIMP-1平衡失調，導致椎間盤退變突出。Bachmeier BE等[22]運用免疫組化和實時反轉錄聚合酶鏈反應（RT-PCR）對退變椎間盤髓核組織進行分析，結果顯示髓核標本中MMP-3 表達最明顯，MMP-8、TIMP-1表達相對正常，而TIMP-2的表達相對減小，影響MMPs/TIMPs平衡。此外，MMPs/TIMPs平衡失調還與髓核細胞所處的酸堿度（PH）環境，椎間盤所承受負荷，抗生素的應用等多種因素有關，從而促進腰椎間盤退變。

2.3 MMPS與腰椎間盤突出重吸收

目前，腰椎間盤突出后重吸收現象已得到廣泛認可，可認為是腰椎間盤退變過程的一種特殊發展形式，大量研究表明突破后縱韌帶的腰椎間盤突出組織較易發生重吸收現象[23-25]。MMPS可對細胞外基質的水分、蛋白多糖及膠原等多種成分進行降解，Minoru等[26]將不同類型的椎間盤髓核組織取出后分別與外周血單核細胞共培養，結果發現突出型和脫出型兩種類型的椎盤髓核組織周圍均有大量單核細胞附著，MMP-1和 MMP-3均明顯分泌，且脫出型MMPs的表達量明顯高于突出型，而將髓核組織單獨培養后MMPs分泌量極少，他們認為當單核細胞浸入椎間盤組織后，一方面刺激椎間盤細胞分泌MMPs直接降解細胞外基質，另一方面通過誘導巨噬細胞趨化因子分泌，使巨噬細胞對細胞外基質進行吞噬，促進椎間盤組織的重吸收。鄒志遠等[27]用免疫組化方法檢測56個退變腰椎間盤組織與10個正常腰椎間盤組織中MMP-2的表達，結果表明在突出型、破裂型、游離型三組退變椎間盤組織中，MMP-2在游離型椎間盤組織中的表達最明顯，破裂型次之，認為MMP-2的分泌多少與椎間盤退變的程度關系密切。楊圣等[28]通過實驗研究發現不同類型的突出組織MMP-3分泌不同，游離型則比突出型分泌量明顯增多，這正與游離型突出椎間盤組織易發生重吸收的事實相符，可以看出MMP-3可促進腰椎間盤突出組織發生重吸收。姜宏等[29]將腰椎間盤突出癥患者手術取出的髓核組織進行免疫組化分析，結果發現破裂型較非破裂型突出髓核組織MMP-3、MMP-7陽性表達率更高，可能與破裂型髓核組織中巨噬細胞的表達、炎性介質釋放及新生血管化等過程有關，從而在重吸收中發揮重要作用。

綜上所述，MMPS參與腰椎間盤退變過程的多個環節，并協同其他細胞因子和炎癥介質等發揮重要作用，可作為一種影響椎間盤退變程度的指標，通過抑制MMPS表達而干預椎間盤退變過程，也可通過增強MMPS活性而誘導已突出的腰椎間盤發生重吸收，尤其在破裂型腰椎間盤突出癥患者急性發作且無馬尾神經癥狀時，通過藥物及其他途徑誘導MMPS的高表達，促進重吸收發生，使重吸收這一“少見現象”向“非少見現象”轉化，為今后臨床保守治療腰椎間盤突出癥提供一種新的手段和方法，且更具靶向性、有效性。

[1] Pei D，Weiss SJ.Furin-dependent intracellular activation of the humanstromelysin 3 zymogen[J].Nature，2004，375：244-247.

[2] Tolonen J，Gronblad M，virri J，et al.Basic fibroblast growth factor immunoreactivity in blood vessels and cells of disc herniation[J].Spine，2004，20：271-276.

[3] Eyre DR，Mastsui Y，Wu JJ.Collagen pobmot phisms of the intervertebral disc[J].Biochem Soc Trans，2005，30（9）：844.848.

[4] Liu J，Roughley P J，Mo rt J S.Identification of human intervertebral discstromelysin and its involvement in matrix degradation[J].JOrthop Res，2004，9：568-75.

[5] 陳振斌，葉君健，謝其揚，等.腰椎間盤突出癥髓核組織的超微病理觀察[J].電子顯微學報，2002，21（4）：364-368.

[6] Michiyo Tsuru，Kensei Nagata.Electron microscopic observation of established chondrocytes derived from human intervertebral disc hermia（KTN-1） and role of macrophages in spontaneous regression of degenerated tissues[J].The Spine Journal，2001，1：422.

[7] Gaetani P，Rodriguez Y，Baena R，et al.Collagenase-l and stromelysindistribution in fresh human herniated intervertebral disc：a possible link to the in vivoinflammatory reactions[J].Neurol Res，2004，21：677-681.

[8] 俞海明，李毅中.炎癥在腰椎間盤退變、突出、吸收發病機制中的作用[J].國際骨科學雜志，2006，7：248-251.

[9] Kokubo Y，Uchida K，Kobayashi S，et al.Herniated and spondylotic inter-vertebral discs of the human cervical spine：histological and immunohistological findings in 500 enblocsurgical samples.Laboratory investigation[J].JNeurosurg Spine，2008，9（3）：285-295.

[10] Kato T，Haro H，Komon H，et al.Sequential dynamics of inflammatory cytokine，angiogenesis inducing fact or and matrix degrading enzymes during spontaneous resorption of the herniated disc[J].JOrthop Res，2004，22（4）：895-900.

[11] 姜世峰，申才良，董福龍，等.退變腰椎Modic改變及分型與腫瘤壞死因子α、基質金屬蛋白酶3的表達[J].中國組織工程研究，2012，16（26）：4847-4851.

[12] 杜偉，申勇，李寶俊，等. 細胞因子IL-1α、IL-6、TNF-α、MMP3與頸椎間盤退變機制的相關性研究 [J]. 中國矯形外科雜志，2012，20（03）：259-262.

[13] Studer RK，Vo N，Sowa G，et al.Human nucleus pulposus cells react to IL-6：independent actions and amplification of response to IL-1 and TNF-α[J].Spine（Phila Pa 1976），2011，36（8）：593-599.

[14] A rend W P，Guthridge G J.Biological role of interlecukin-1 receptor antagonist isoforms[J].Ann Rheum D is，2000，59：1160-1164.

[15] 王明月，屠冠軍.白細胞介素及金屬蛋白酶在退變腰椎間盤表達[J].中國公共衛生，2009，25（02）：164-166.

[16] 孫東良，張勝強，于靈靈.基質金屬蛋白酶-13、白介素-1在大鼠退變腰椎間盤組織中的表達及意義[J].中國醫藥導報，2012，9（15）：11-13.

[17] 吳偉平，江建明，瞿東濱，等.HIF-1α、MMP-2在退變腰椎間盤髓核中的表達及相關意義[J].南方醫科大學學報，2010，30（05）：1152-1155.

[18] Lotz 1C，Chin JR.Intervertebral disc cell death in dependent on the magnitude and duration of spinal loading [J]. Spine，2000，1477-1483.

[19] 陳德勝，李燕，郭鳳英，等.枸杞多糖對實驗性退變腰椎間盤中基質金屬蛋白酶MMP-3表達的影響[J]. 寧夏醫學雜志，2012，34（04）：303-305.

[20] 陳德勝，李燕，黃凌燕，等.白藜蘆醇對大鼠腰椎間盤退變的影響[J].寧夏醫科大學學報，2011，33（12）：1150-1152.

[21] 陳剛，楊杰山，張廣源.MMP-1及TIMP-1在人退變椎間盤髓核中的表達[J].當代醫學，2011，（16）：46-47.

[22] Bachmerier BE，Nerlich A，Mittermaier N，et al.Matrix metalloproteinase expression levels suggest distinct enzyme roles during lumbar?discherniation and degeneration[J].Eur Spine J，2009，18（11）：1573-1586.

[23] 李曉春，姜宏，劉錦濤，等.TNF-α抑制劑對破裂型腰椎間盤突出重吸收影響的實驗研究[J]. 頸腰痛雜志，2011，32（04）：264-267.

[24] 李曉春，姜宏，劉錦濤.血管內皮生長因子在突出椎間盤重吸收中的表達及其意義[J].頸腰痛雜志，2011，32（02）：88-91.

[25] 劉錦濤，姜宏，王擁軍，等.大鼠破裂型椎間盤突出模型的建立及突出物重吸收機制的研究[J]. 中國骨傷，2010，23（5）：370-372.

[26] Minoru D，Takako K，Toshihiko H，et al.Immunohistologic study of the ruptured inter-vertebral disc of the lumbar spine[J].Spine，1996，21（2）：235-241.

[27] 鄒志遠，鄒國耀，唐志宏.退變腰椎間盤組織中MMP-2蛋白的表達[J].鄭州大學學報（醫學版），2011，46（01）：86-88.

[28] 楊圣，史可中，安榮澤，等.基質金屬蛋白酶-3在突出椎間盤中的表達及其意義[J].中國矯形外科雜志，2000，7（11）：1102-1104.

[29] 錢祥，姜宏，王擁軍，等.MMP-3、MMP-7 在腰椎間盤突出組織中的表達及其臨床意義[J].中國中醫骨傷科雜志，2012，20（08）：1-3.