基質金屬蛋白酶在腰椎間盤退變中的研究進展

徐林軍(綜述)，許永濤(審校)

(1.石首市人民醫院骨科，湖北 石首 434400； 2.荊州市中心醫院骨三科，湖北 荊州 434020)

腰腿痛是骨科的常見病，嚴重影響著患者的生活質量，據不完全統計，80%左右的人一生中都有不同程度腰腿痛的經歷，引起腰腿痛最常見的疾病有腰椎間盤突出癥、退變性腰椎滑脫、腰椎失穩等一系列腰椎退行性疾病[1]。這些疾病的的共同病理基礎為椎間盤退變。椎間盤退變機制目前尚不清楚，但可以肯定的是椎間盤退變是多種因素共同作用的結果，除了正常的老化過程外，基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)活性增高，椎間盤營養代謝異常，異常的機械負荷，炎性介質及細胞凋亡等可能都參與的椎間盤的退變過程，其中MMPs的活性增高起著關鍵作用[2]。

1 MMPs的生物學特性

MMPs是一組需要Zn2+、Ca2+等金屬離子作為輔助因子的同工酶,其功能為參與細胞外基質(extracellular matrix,ECM)的降解，具有減少細胞外和基膜組分的作用，能降解除多糖以外幾乎所有的ECM成分，是降解ECM的關節酶類。MMPs具有相似的結構，由5個功能不同的結構域組成，自N端至C端依次為疏水信號肽序列、前肽結構域、催化結構域及富含脯氨酸的鉸鏈域及C端區。自1962年Gross發現第一種MMPs以來，到目前為止，在人體內的MMPs家族已分離鑒別出28個成員，按其發現的先后順序，分別命名為MMP-1～28。MMPs具有一定的底物特異性，根據作用底物的不同可將MMPs分為5類：①膠原酶，包括MMP-1、MMP-13等，主要水解的底物是纖維類膠原；②明膠酶，包括MMP-2、MMP-9，主要水解的底物是變性膠原，可以分解糖蛋白、層粘連蛋白和纖維粘連蛋白；③基質溶解酶，包括MMP-3、MMP-7等，水解底物比較廣泛，如Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型膠原、明膠、蛋白聚糖以及糖蛋白等；④膜型MMPs，這些酶表達于細胞表面，直接降解基質成分；⑤其他分泌型，包括MMP-25及最近新發發現的MMP-28，功能目前暫不清楚。

2 MMPs在退變椎間盤內的表達異常增高

一般情況下，正常椎間盤基質中ECM的合成代謝和分解代謝之間保持著動態平衡[3]。這主要依賴于ECM中的降解酶與降解酶抑制劑保持恰當的比例，其中主要的是椎間盤組織中MMPs與金屬蛋白酶組織抑制物的表達保持著一種平衡狀態。椎間盤發生退變時，MMPs的活性異常升高，導致兩者之間比例失調，ECM被降解，髓核水分及其固有彈性的喪失，導致椎間盤生物力學功能的減退。Bachmeier等[4]研究表明,在椎間盤退變的過程中，MMP-1、-2、-3、-7、-13的信使RNA(Mrna)表達都有增加，其中以MMP-3的增加最為顯著，認為MMP-3可以作為MMPs的代表，是生理和病理狀態下ECM代謝的關鍵酶。沈正清等[5]用半定量反轉錄聚合酶鏈反應和免疫組織化學法檢測退變椎間盤組織與因腰椎外傷而取出正常椎間盤髓核組織中MMP-3 mRNA和蛋白表達，結果表明MMP-3 mRNA和蛋白在退變椎間盤的髓核與纖維環的表達無明顯差異，但都顯著高于腰椎外傷組椎間盤髓核組織中的表達，推斷MMP-3的表達增加可能參與腰椎間盤退變的進程。錢祥等[6]研究表明,MMP-3、MMP-7在腰椎間盤突出癥的破裂型比非破裂型陽性表達率更高，并以此推測MMP-3、MMP-7可能與椎間盤突出重吸收有關，且破裂型比非破裂型更易于重吸收。另有研究表明,MMP-2在退變椎間盤組織內異常增高，顯著高于正常椎間盤組織，與椎間盤的退變程度呈正相關[7]。趙瑛等[8]利用反轉錄聚合酶鏈反應和蛋白質印跡技術對20例正常腰椎間盤髓核及45例退變腰椎間盤髓核的MMP-9進行了檢測，結果顯示退變腰椎間盤組髓核MMP-9 mRNA、蛋白質表達水平顯著升高，分別是正常腰椎間盤髓核正常組的1.86倍和1.65倍，認為MMP-9與腰椎間盤髓核退變關系密切。MMP-28是最近發現的一種新的MMPs，其功能暫不清楚。Gruber等[9]通過對29例退變的人腰椎間盤組織并結合椎間盤退變的Thompson分型的研究表明,MMP-28在外層纖維的水平顯著高于內層纖維環及髓核組織，且與椎間盤的退變相關，MMP-28在Thompson分型的Ⅰ和Ⅱ型的ECM中沒有被發現，而在Ⅲ～Ⅴ型中61%的ECM有MMP-28的表達。

3 細胞因子對退變椎間盤中MMPs的調節

正常椎間盤中MMPs通常不以活性形態存在，只有被激活才能降解ECM。MMPs在椎間盤內的表達、活性以及對底物的分解過程都受到嚴格的調控，眾多細胞因子都參與了對MMPs的調節[10]。

3.1白細胞介素1 白細胞介素1(interleukin-1，IL-1)是目前在椎間盤中研究較多的細胞因子,主要由巨噬細胞、軟骨細胞等產生。Le Maitre等[11-12]研究表明,退變椎間盤中IL-1顯著增加，但相應的IL-1受體阻滯劑并未增加，經IL-1處理的椎間盤細胞，MMP-3、MMP-13基因表達顯著增加，而蛋白多糖和膠原表達減少。IL-1包括IL-1α和IL-1β兩個亞型。王明月等[13]通過免疫組織化學技術研究IL-1α及MMP-2在突出退變腰椎間盤及正常間盤中的表達表明,IL-1α與MMP-2在突出椎間盤組織中顯著高于腰椎外傷取出的正常椎間盤中的水平，且與椎間盤退變程度呈正相關，推斷IL-1α與MMP-2在誘發腰椎間盤退變過程中可能存在一定的關聯性，并認為IL-1α及MMP-2表達增加可能是導致腰椎間盤退變突出的原因之一。IL-1β在椎間盤退行性變中一直被視為重要的炎性因子導致蛋白多糖降解，促進MMPs表達。劉洋等[14]通過觀察不同水平IL-1β對組織工程化椎間盤細胞MMP-13表達的影響表明，IL-1β對兔組織工程化椎間盤細胞MMP-13表達的調控作用隨其水平的升高而呈正相關。楊冬發等[15]觀察不同水平IL-1β對體外培養的人椎間盤髓核細胞表達MMP-3、-7、-9、-13的作用，發現MMP-3、-7、-9、-13表達隨IL-1β水平升高而升高，在相同的水平下，MMP-7、-13較MMP-3、-9升高明顯，提示IL-1β的存在加速了椎間盤基質分解，且其所誘導的分解可能主要是通過MMP-7、-13起作用。

3.2腫瘤壞死因子α 腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)是促進椎間盤退變的細胞因子之一，主要由活化的單核細胞、巨噬細胞等產生的一種細胞因子。Weiler等[16]研究表明,TNF-α在退變椎間盤的髓核及纖維環中比正常椎間盤中表達及水平顯著增高，且與纖維環及髓核的退變程度呈明顯正相關，認為髓核和纖維環的退變程度在椎間盤細胞退變中起重要作用。有研究表明TNF-α的作用機制類似IL-1，但強度卻不及IL-1[17]。Millward-Sadler等[18]通過對比TNF-α與IL-1β在蛋白水平、細胞因子的降解和基因受體方面對人正常和退變的髓核的影響，發現在同一刺激水平時，TNF-α并不能誘導不能引起MMP-3和MMP-9的表達，但是它可以使IL-1β的表達增多，從而說明TNF-α可能是椎間盤退變中重要的啟動因素。Seguin等[19]通過實驗觀察在不同劑量TNF-α干預下的體外培養的髓核組織中的髓核基因表達變化，結果發現蛋白多糖和Ⅱ型膠原基因表達顯著下降，培養48 h后觀察髓核組織蛋白多糖水平較原來減少了3/4左右，同時MMP-1、MMP-3、MMP-13基因表達顯著增加，表明TNF-α能誘導椎間盤發生退變。有研究表明,TNF-α可以通過活化胞外信號調節激酶1/2上調早期生長因子(Egr-1)的表達，并增強Egr-1的DNA與MMP-14啟動子結合的活性，上調MMP-14 mRNA和蛋白表達水平，后者刺激MMP-2的明膠酶活性升高，從而降解ECM，引起椎間盤退變的發生發展[20-21]。

3.3其他細胞因子 除了IL-1及TNF-α外，另有其他眾多細胞因子也參與了對MMPs的調節[22-23]。有研究表明，堿性成纖維細胞生長因子、轉化生長因子、胰島素樣生長因子不僅可以促進ECM的合成，還能抑制MMPs的生成[22]。Pattison等[24]研究轉化生長因子β和胰島素樣生長因子1對羊損傷椎間盤髓核細胞中蛋白多糖和MMP-2的調節作用，實驗結果顯示轉化生長因子β和胰島素樣生長因子1能夠促進髓核細胞分泌蛋白多糖，并可顯著降低髓核細胞中MMP-2的活性水平。Kato等[25]研究證實,血管內皮生長因子可誘導椎間盤表達尿激酶，而尿激酶可直接激活MMPs，導致MMPs的失衡而間盤發生退變。劉鋼等[26]研究表明，基質細胞衍生因子1在退變的椎間盤中顯著升高，并且基質細胞衍生因子1的蛋白水平與Schneiderman分級呈正相關，基質細胞衍生因子1可以促進各種MMPs，如MMP-3、MMP-9和MMP-13的表達和釋放[27-28]。原野等[29]研究表明,退變椎間盤中的核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)、MMP-3水平顯著高于正常組，且兩者具有正相關性，推斷NF-κB作為上游調控基因，作用于細胞因子、炎性因子等通過信號轉導使NF-κB活化，促進MMP-3合成，進而促進椎間盤退變。Vo等[30]研究發現,前列腺素E2可以減少椎間盤細胞蛋白聚糖的合成，并且呈劑量依賴性。且前列腺素E2可以降低抗分解代謝分子金屬蛋白酶組織抑制物1的mRNA的表達，但是前列腺素F2卻增加分解代謝分子MMP-1和MMP-2的mRNA的表達。

4 展 望

MMPs在椎間盤的退變過程中起著關鍵作用，能加速椎間盤的退變進程，最終表現為椎間盤內細胞數量減少和功能降低，聚合蛋白聚糖和主要膠原進行性減少。MMPs活性增高受多種細胞因子因素的調節，許多細胞因子參與這個過程，并起重要作用，但是MMPs是如何受影響，各種細胞因子之間的相互作用仍舊不明確。另外，MMPs的種類較多，各MMPs之間可能又相互影響，具體過程及細節尚不清楚。隨著未來研究的進展，明確MMPs活化的具體機制，從基因或分子生物水平調節MMPs的活化過程，阻止或延緩

椎間盤的退變，從根本上治療腰腿痛。因此，進一步闡明MMPs在椎間盤的退變過程中的作用仍是今后椎間盤退行性變基礎研究的熱點。

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