基质金属蛋白酶-2与脑缺血损伤及修复

马跃文，强琳

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)最早于1962年由Gross和Lapiere在蝌蚪尾巴中发现，是一组含Zn2+的蛋白酶，能降解细胞外基质(extracellular matrix,ECM)。MMPs参与人体正常生长发育、组织重塑及创伤愈合等过程，及动脉粥样硬化、关节炎、肺纤维化-血管再生、转移癌细胞的扩散等病理过程[1]。近年来大量研究表明，MMPs在中枢神经系统生理和病理过程中也有多种作用[2]。

1 概述

典型的MMP结构包括前肽、催化区、连接肽和血液结合素样结构[3]。体内MMP的活性主要通过基因转录、酶原活化和抑制剂调控3个水平进行调节。研究表明，诱导MMP表达的细胞因子包括白细胞介素-1(interleukin-1,IL-1)、肿瘤坏死因子 -α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、 表 皮 生 长 因 子(epidermal growth factor,EGF)、血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)等，这些因子通过有丝分裂原激活蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)等信号途径最终作用于激活蛋白(activator protein,AP)或核因子(nuclear factor,NF)-κB，再与MMP mRNA的调节位点结合而调节MMP的表达。MMP的酶活性受到非特异性和特异性抑制剂的调控，前者包括α2巨球蛋白、α1抗蛋白酶等，后者为MMP组织抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)。TIMP与MMP之间处于动态平衡，两者表达失衡则导致病理学变化。

MMPs按其组织特异性不同可分为胶原酶、明胶酶、间质溶解素、基质溶酶、膜型基质蛋白酶及其他不能分类的基质酶。MMP-2属于明胶酶，也称明胶酶A，广泛存在于脑组织中，胶质细胞中最多。体外实验表明，活性MMP-2产生于星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞和神经细胞[4]。MMP-2有两种形式：无活性的酶原和有活性的酶。MMP-2酶原的相对分子量为72 kD，活性酶的相对分子量为66 kD，其主要底物包括明胶，胶原Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ，层粘连蛋白，弹性蛋白及纤连蛋白。MMP-2在其催化区有3个重复的Ⅱ型纤维连接蛋白，这些重复区域作用于明胶和胶原有助于明胶酶发挥其降解作用[3]。MMP-2以无活性的酶原形式分泌，其前体在细胞表面被膜型金属蛋白酶(membrane-bound matrix metalloproteinase,MT-MMP)激活，在细胞表面或附近表达其溶胶原活性[3,5]。脑缺血早期，MMP-2可通过降解基底膜破坏血脑屏障，后期则有利于神经血管的再生。

2 MMP-2与脑缺血早期损伤

血脑屏障(BBB)由脑血管内皮细胞、基底膜及星形细胞终足3层构成，是存在于脑组织和血液之间的一个复杂系统，内皮细胞、细胞间紧密连接、星形细胞以及基底膜等成分共同参与构成了血脑屏障的特殊结构和功能，对维持中枢神经系统正常的内环境有重要的意义。其中基底膜是一种特殊形式的ECM，主要由Ⅳ型胶原、层粘连蛋白和纤连蛋白等构成，而这三者都是MMP-2的作用底物；这些成分的破坏能导致血脑屏障完整性的破坏。血脑屏障的完整性在脑缺血再灌注损伤的过程中起着重要作用，局灶性脑缺血可以引起基底膜通透性和结构的变化，而这种变化已被认为是局灶性缺血导致微血管出血的主要原因。

有研究表明，在脑缺血再灌注的早期，MMP-2被MT-MMP激活，破坏紧密连接蛋白[6]，从而使循环中的重组组织型纤溶酶原激活剂(rtPA)等物质进入脑内。向大鼠脑内直接注射MMP-2，可以通过破坏脑毛细血管紧密连接和基底膜，导致血脑屏障的开放，引起血管源性脑水肿[7]。有动物实验研究表明，脑缺血2 h再灌注3 h和48 h，血脑屏障均开放，其中首次开放与MMP-2水平增高有关，而48 h的血脑屏障开放与MMP-9 的水平相关[8]。Rosenberg[8]及 Sood 等[9]使用 MMPs抑制剂B1101，可以减少缺血后3 h血脑屏障破坏和24 h的脑水肿，但未减少缺血后48 h的脑梗死体积。Rosenberg的研究显示，再灌注后3 h，星形细胞内MMP-2免疫染色增强，同时提出了再灌注损伤过程中星形细胞主要通过MMP-2调节血脑屏障：在缺血缺氧开始时，星形细胞可能通过MT-MMP激活MMP-2对损伤信号发生反应，而MT-MMP可能被由纤溶原/纤维蛋白溶酶系统作用而产生的纤溶酶原激活物激活[10]。Fukuda等在脑缺血再灌注过程中检测到MMP-2和MMP-9活性明显升高，同时伴有Ⅳ型胶原蛋白和层粘蛋白等ECM成分的减少[11]。Heo等发现，灵长类动物脑缺血后1 h，大脑基底节区MMP-2含量明显增加，此后保持较高水平表达；MMP-2的表达与神经元损伤的范围及受损神经元的数量呈现高度相关[12]。这些研究表明，MMP-2在脑缺血早期基底膜降解导致神经损伤中有着重要的作用。综合上述研究，MMP-2在脑缺血早期通过破坏紧密连接和基底膜，致血脑屏障开放。

3 MMP-2与脑缺血后血管再生及神经修复

神经再生及血管再生是脑缺血后神经修复的重要过程，其中起关键作用的是侧脑室下回和海马齿状回下区。MMPs在再灌注早期发挥损伤作用的同时，在恢复阶段对促进血管再生[13]及神经再生[14]有着重要作用。MMP的活化至少部分参与缺血诱导的海马齿状回神经元再生[15]。Reeves等也指出，MMP-2与神经损伤后突触的再生和神经元的可塑性有关[16]。

Dong等的实验证实，大鼠大脑中动脉栓塞缺血再灌注7 d时，缺血前5 min及再灌注前5 min应用白藜芦醇的实验组中，皮质区微血管数量较生理盐水对照处理组明显增加，且实验组梗死区域MMP-2和血管内皮生长因子(VEGF)表达增加[17]，提示高表达的MMP-2和VEGF可能通过诱导血管发生而在神经保护中起着重要的作用。Wang等将小鼠脑血管内皮细胞及来源于成年鼠侧脑室下区的神经祖细胞共培养，给予重组人促红细胞生成素24 h、48 h后发现，MMP-2和MMP-9的表达显著增加，神经祖细胞的迁移能力也明显提高；而使用MMP抑制剂则可以抑制神经祖细胞的迁移[14]。Montaner等发现，继往有卒中病史的患者，血浆MMP-2水平较高[18]。Rosenberg的研究显示，脑缺血再灌注后5 d和21 d，在缺血区周围的星形细胞中可见MMP-2的浓重染色，这时正是血管生成及神经胶质增生出现的时间，提示MMP-2在修复过程中作用重要，可能有助于血管生成及神经胶质增生[10]。Rosenberg等用酶谱法检测自发性高血压鼠(SHR)和Wistar-Kyoto(WKY)鼠持续脑缺血后1 h、3 h、12 h、24 h和5 d的MMPs表达，发现梗死脑组织内MMP-2直到缺血后5 d才有明显增加(P＜0.05)[19]。在Rosenberg等的其他实验中也发现，脑缺血2 h再灌注后5 d，MMP-2及其抑制剂TIMP-2水平达高峰，而此时脑缺血后组织修复过程已开始。这些结果都提示MMP-2可能与脑损伤后组织修复有关。

Romannic等观察到大鼠脑缺血后24 h，MMP-2出现在梗死区的巨噬细胞，其活性在第5天达到高峰，至缺血后30 d仍有明显的低水平表达[20]，提示MMP-2可能有助于巨噬细胞向缺血区域的转移，利于缺血后期组织修复过程中细胞碎片的清理。Sood等发现，使用MMPs抑制剂B1101在减少缺血后3 h血脑屏障破坏的同时，加重了缺血后3周和4周的神经功能缺损[9]。Anthony等发现，脑卒中1周后到5年，患者脑实质中性粒细胞消失，但存在大量表达MMP-2的巨噬细胞[21]，也说明MMP-2可能在缺血后组织修复、神经再生过程中起作用。其他研究显示，MMPs通过多种途径促进大脑重塑，包括调整细胞外基质、促进树突重塑，通过降解神经胶质瘢痕促使轴突延伸及修复，还能使生长因子转变成其生物活性形式[2]。

综合上述研究，我们推测MMP-2对脑缺血后期神经及血管再生有着重要的促进作用，但其作用机制尚不明确。

4 结语

MMP-2具有复杂的生物学功能，在脑缺血损伤及修复过程中发挥着双重作用。在脑缺血早期，MMP-2通过降解基底膜和破坏紧密连接蛋白，从而损伤血脑屏障；而在脑缺血后期，MMP-2通过促进神经血管再生，有利于脑组织的修复。在Sood等的实验中，MMPs抑制剂减少缺血后3 h血脑屏障破坏的同时加重了缺血后期的神经功能缺损。这些研究结果为脑缺血的治疗提供了一个新的靶点——应用MMP-2及其抑制剂。

但仍有许多问题待于解决，如MMP-2抑制剂治疗的时机选择，MMP-2促进脑缺血后期神经血管再生的机制。进一步研究这些问题才能为将来探索脑缺血后新的治疗方法提供科学依据。

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