骨關(guān)節(jié)炎中的基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制劑

【摘 要】基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）參與了OA關(guān)節(jié)組織的病理破壞。這些酶類降解細(xì)胞外基質(zhì)的大分子并調(diào)節(jié)管理細(xì)胞行為的因子。它們也可能參與組織修復(fù)，但也因為它們的超表達成為了破壞疾病進程的一部分。許多研究金屬蛋白酶作用的早期臨床試驗均表明基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑（TIMP）治療OA的效果欠佳。因此，我們需要更準(zhǔn)確地掌握不同細(xì)胞中的MMPs在疾病過程中的確切作用。新型TIMP應(yīng)該增加其特異性，不僅要了解其催化域的結(jié)構(gòu)，還要知道其他催化基序在底物結(jié)合中的作用，或通過研制金屬蛋白酶組織抑制劑來實現(xiàn)。也可以考慮通過調(diào)節(jié)基因表達或防止蛋白活化來抑制這些酶類。

【關(guān)鍵詞】骨關(guān)節(jié)炎；軟骨；MMP和TIMP

【中圖分類號】R684.3 【文獻標(biāo)識碼】B 【文章編號】1004-7484（2014）01-0029-02

1 簡介

骨關(guān)節(jié)炎（OA） 是一種慢性退行性疾病，是引起關(guān)節(jié)疼痛和殘疾的主要原因[1]。其特征是關(guān)節(jié)軟骨的破壞導(dǎo)致關(guān)節(jié)功能障礙。這種破壞主要是由于軟骨中降解細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）大分子的蛋白水解酶活性的升高。長期以來一直在探討基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）與疾病發(fā)生和潛在治療靶點之間的確切相關(guān)性，并混淆了它們在許多疾病病理方面的廣泛作用。

軟骨基質(zhì)由兩個主要的ECM成分組成：II型膠原纖維和軟骨可聚蛋白聚糖類（約各占45%），還有一些其他含量較少的大分子物質(zhì)[2]。在正常軟骨中，軟骨細(xì)胞會把合成的大量II型膠原、蛋白多糖等物質(zhì)分泌到ECM中，構(gòu)成細(xì)胞外纖維網(wǎng)架，給細(xì)胞提供支持與保護。這些物質(zhì)同時被軟骨細(xì)胞分泌的MMPs降解，維持軟骨細(xì)胞內(nèi)外動態(tài)平衡。關(guān)節(jié)軟骨損傷時，軟骨細(xì)胞分泌大量的MMPs對ECM進行降解，軟骨細(xì)胞失去膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持而破壞，導(dǎo)致OA的發(fā)生。

2 MMPs：破壞的主宰者？

MMPs屬于金屬蛋白酶含鋅超家族成員，來源于關(guān)節(jié)的固有細(xì)胞和浸潤細(xì)胞，包括膠原酶、明膠酶、基質(zhì)降解素、基質(zhì)溶解素、膜型MMPs和其他分泌型MMP。MMPs最初是以降解基質(zhì)的蛋白水解酶為特性的，但最近的研究表明它們作用于ECM還可以釋放生長因子或產(chǎn)生新的配體[3]。MMPs也可以從載體蛋白中釋放生長因子，激活蛋白酶抑制劑，并激活或滅活炎性細(xì)胞因子和炎性趨化因子[3]。因此它們在骨形態(tài)發(fā)生、骨重塑、傷口愈合和血管生成中有重要作用。大多數(shù)情況下，MMPs還有可能參與組織的正常生物過程，如修復(fù)和重塑[4]。在OA中，組織試圖修復(fù)損傷、控制炎癥和感染，但過程可能并不完整。這種'落空'的修復(fù)伴隨基質(zhì)更新和細(xì)胞表面以及胞周分子的調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致MMPs活性的不平衡，因此造成了組織的破壞。與非關(guān)節(jié)炎軟骨相比，OA關(guān)節(jié)軟骨中的MMP-1、MMP-3、MMP-13，MMP-28均升高。關(guān)節(jié)軟骨的周期性壓力負(fù)荷可增加MMP-3和MMP-13的表達和活化[5]，甚至單一的壓力損傷都可增加MMP-3和TIMP-1mRNAs的表達水平[6]。關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定、老化、氧化刺激也促進軟骨基質(zhì)的分解。對于造成軟骨損傷的MMPs來說，內(nèi)源性TIMP的水平并不過量。TIMPs是組織中的主要抑制劑。Woessner等[7]在1995年的研究中發(fā)現(xiàn)在關(guān)節(jié)炎中軟骨的退變本質(zhì)上是MMPs和TIMP的不平衡造成的。在各種OA動物模型中應(yīng)用合成型TIMP預(yù)防軟骨和骨蛋白水解的實驗[8]均支持金屬蛋白酶破壞骨關(guān)節(jié)功能的理論。

3 TIMP的臨床試驗

一些在動物模型中顯示出療效的TIMP已被用于臨床試驗，但都未能在OA疾病中顯示出明顯療效[8]。在某些病歷中，這些抑制劑還出現(xiàn)了不良反應(yīng)，如肌肉骨骼疼痛和肌腱炎、輕度貧血、肝酶升高等，主要是由于抑制劑缺乏特異性。人類基因組中有50多個與人類金屬蛋白酶密切相關(guān)的堿性活性中心的類似結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以使它們對相同抑制劑敏感。我們對這些酶類的精確功能還了解甚少，但有些動物模型研究正在證明它們在生物學(xué)中的重要性，但抑制其活性的結(jié)果還不確定。例如，小鼠MMP14基因缺失可引起關(guān)節(jié)炎樣癥狀。在注射Ⅱ型膠原蛋白和脂質(zhì)多糖的單克隆抗體后，MMP-2基因敲除小鼠比野生型小鼠的關(guān)節(jié)炎更嚴(yán)重；在關(guān)節(jié)失穩(wěn)的模型中MMP-3基因敲除小鼠比野生型更易發(fā)生OA。這些觀察結(jié)果所強調(diào)的概念是，高度特異性抑制劑對避免毒副作用是有必要的。基于這個原因，進一步開發(fā)金屬蛋白酶抑制劑的另一個先決條件是對靶酶的準(zhǔn)確識別。

4 研發(fā)選擇性TIMP的提議

MMPs的活性受到三個水平的調(diào)節(jié)，即基因轉(zhuǎn)錄水平、無活性酶前體的蛋白水解作用和特異性抑制因子TIMP。抗TNF抗體和IL-1受體拮抗劑可有效地減少MMPs[9]。由于對金屬蛋白酶基因表達的復(fù)雜調(diào)節(jié)機制仍然缺乏充分的認(rèn)識，所以并未建立起MMPs信號肽或轉(zhuǎn)錄水平的有效調(diào)控。此外，也有人擔(dān)心，抑制這些水平的同時也可能會影響正常細(xì)胞的運行。在OA中，有多種刺激素和細(xì)胞信號通路誘導(dǎo)MMPs的表達或激活，軟骨細(xì)胞是這些破壞性酶的主要細(xì)胞來源。在這種情況下，使用合成型TIMP對預(yù)防疾病進展可能是有效的。在與S1'底物結(jié)合袋牢固結(jié)合的高度選擇性MMP-13抑制劑方面已得到了最新進展[10]。

開發(fā)特異性抑制劑的另一種方法是TIMPs。到目前為止，在人類中發(fā)現(xiàn)4種抑制所有MMPs的TIMPs表達，即TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和TIMP-4，但TIMP-1對某些膜型MMPs的抑制作用較弱。TIMP-MMP復(fù)合結(jié)晶物為開發(fā)更具特異性的TIMPs提供了線索。TIMP分子有一個與MMP相互作用的脊?fàn)顢U展位點。這個區(qū)域位于MMPs的活性位點，也就是N-末端Cys1殘基的氨基和羰基基團，與鋅酶活性位點螯合。圍繞TIMPs反應(yīng)性脊?fàn)顓^(qū)域的突變可改變其特異性，也就是特殊MMPs的選擇性。例如，TIMP-3或Thr2Gly的N-末端突變可干擾TIMP-3對MMPs的抑制活性[11]。Chung等[12]報告了膠原酶血紅素域裂解三倍螺旋膠原蛋白的一個絕對必要條件，表明輔助域可能是開發(fā)變構(gòu)或外部抑制劑的一個好靶點，可能會比傳統(tǒng)活性位點抑制劑表現(xiàn)出更高的特異性。

5 結(jié)論

OA中的MMPs升高，毫無疑問會在OA疾病進展中導(dǎo)致軟骨和骨破壞。但TIMP并不能有效地治療OA。其原因還不清楚，但可能是由于抑制金屬蛋白酶是正常關(guān)節(jié)生理活動和動態(tài)平衡所必不可少的。OA時出現(xiàn)由MMPs引起的軟骨基質(zhì)漸進性破壞。通過TIMP或使用降低金屬蛋白酶合成但又不影響基質(zhì)合成的制劑來減少基質(zhì)的降解率，可能是行之有效的。產(chǎn)生金屬蛋白酶的天然抑制劑包括雷公藤內(nèi)酯醇，多酚和三萜類。多西環(huán)素是一種基質(zhì)金屬蛋白酶活性的弱抑制，并抑制一些MMP的產(chǎn)生，已用于牙周疾病的治療。一項最近的試驗中表明，使用多西環(huán)素治療單側(cè)膝關(guān)節(jié)OA患者可延緩關(guān)節(jié)間隙變窄[13]。但并不清楚多西環(huán)素是否可以有效地抑制金屬蛋白酶的活性或者還有其他活性。

研制新型TIMP不僅需要其更具特異性，還應(yīng)具備毒副作用小的條件。外部或變構(gòu)抑制劑對多種蛋白酶都有活性，但需要進一步研究以了解OA中來自于不同細(xì)胞的MMPs的功能。因此，提高TIMP的靶向性是一種行之有效的方法。此外，在臨床試驗中，還需要能有效監(jiān)測TIMP臨床療效的方法。我們相信這些困難是可以克服的，因為伴隨TIMP早期臨床試驗的失敗，我們對這方面知識的了解在迅速地增加。隨著許多有用的研究工具和技術(shù)的產(chǎn)生[14]，我們最終會得到一個有價值的治療實體。

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