基质金属蛋白酶在腰椎间盘退变中的研究进展

徐林军(综述)，许永涛(审校)

(1.石首市人民医院骨科，湖北 石首 434400； 2.荆州市中心医院骨三科，湖北 荆州 434020)

腰腿痛是骨科的常见病，严重影响着患者的生活质量，据不完全统计，80%左右的人一生中都有不同程度腰腿痛的经历，引起腰腿痛最常见的疾病有腰椎间盘突出症、退变性腰椎滑脱、腰椎失稳等一系列腰椎退行性疾病[1]。这些疾病的的共同病理基础为椎间盘退变。椎间盘退变机制目前尚不清楚，但可以肯定的是椎间盘退变是多种因素共同作用的结果，除了正常的老化过程外，基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)活性增高，椎间盘营养代谢异常，异常的机械负荷，炎性介质及细胞凋亡等可能都参与的椎间盘的退变过程，其中MMPs的活性增高起着关键作用[2]。

1 MMPs的生物学特性

MMPs是一组需要Zn2+、Ca2+等金属离子作为辅助因子的同工酶,其功能为参与细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的降解，具有减少细胞外和基膜组分的作用，能降解除多糖以外几乎所有的ECM成分，是降解ECM的关节酶类。MMPs具有相似的结构，由5个功能不同的结构域组成，自N端至C端依次为疏水信号肽序列、前肽结构域、催化结构域及富含脯氨酸的铰链域及C端区。自1962年Gross发现第一种MMPs以来，到目前为止，在人体内的MMPs家族已分离鉴别出28个成员，按其发现的先后顺序，分别命名为MMP-1～28。MMPs具有一定的底物特异性，根据作用底物的不同可将MMPs分为5类：①胶原酶，包括MMP-1、MMP-13等，主要水解的底物是纤维类胶原；②明胶酶，包括MMP-2、MMP-9，主要水解的底物是变性胶原，可以分解糖蛋白、层粘连蛋白和纤维粘连蛋白；③基质溶解酶，包括MMP-3、MMP-7等，水解底物比较广泛，如Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型胶原、明胶、蛋白聚糖以及糖蛋白等；④膜型MMPs，这些酶表达于细胞表面，直接降解基质成分；⑤其他分泌型，包括MMP-25及最近新发发现的MMP-28，功能目前暂不清楚。

2 MMPs在退变椎间盘内的表达异常增高

一般情况下，正常椎间盘基质中ECM的合成代谢和分解代谢之间保持着动态平衡[3]。这主要依赖于ECM中的降解酶与降解酶抑制剂保持恰当的比例，其中主要的是椎间盘组织中MMPs与金属蛋白酶组织抑制物的表达保持着一种平衡状态。椎间盘发生退变时，MMPs的活性异常升高，导致两者之间比例失调，ECM被降解，髓核水分及其固有弹性的丧失，导致椎间盘生物力学功能的减退。Bachmeier等[4]研究表明,在椎间盘退变的过程中，MMP-1、-2、-3、-7、-13的信使RNA(Mrna)表达都有增加，其中以MMP-3的增加最为显著，认为MMP-3可以作为MMPs的代表，是生理和病理状态下ECM代谢的关键酶。沈正清等[5]用半定量反转录聚合酶链反应和免疫组织化学法检测退变椎间盘组织与因腰椎外伤而取出正常椎间盘髓核组织中MMP-3 mRNA和蛋白表达，结果表明MMP-3 mRNA和蛋白在退变椎间盘的髓核与纤维环的表达无明显差异，但都显著高于腰椎外伤组椎间盘髓核组织中的表达，推断MMP-3的表达增加可能参与腰椎间盘退变的进程。钱祥等[6]研究表明,MMP-3、MMP-7在腰椎间盘突出症的破裂型比非破裂型阳性表达率更高，并以此推测MMP-3、MMP-7可能与椎间盘突出重吸收有关，且破裂型比非破裂型更易于重吸收。另有研究表明,MMP-2在退变椎间盘组织内异常增高，显著高于正常椎间盘组织，与椎间盘的退变程度呈正相关[7]。赵瑛等[8]利用反转录聚合酶链反应和蛋白质印迹技术对20例正常腰椎间盘髓核及45例退变腰椎间盘髓核的MMP-9进行了检测，结果显示退变腰椎间盘组髓核MMP-9 mRNA、蛋白质表达水平显著升高，分别是正常腰椎间盘髓核正常组的1.86倍和1.65倍，认为MMP-9与腰椎间盘髓核退变关系密切。MMP-28是最近发现的一种新的MMPs，其功能暂不清楚。Gruber等[9]通过对29例退变的人腰椎间盘组织并结合椎间盘退变的Thompson分型的研究表明,MMP-28在外层纤维的水平显著高于内层纤维环及髓核组织，且与椎间盘的退变相关，MMP-28在Thompson分型的Ⅰ和Ⅱ型的ECM中没有被发现，而在Ⅲ～Ⅴ型中61%的ECM有MMP-28的表达。

3 细胞因子对退变椎间盘中MMPs的调节

正常椎间盘中MMPs通常不以活性形态存在，只有被激活才能降解ECM。MMPs在椎间盘内的表达、活性以及对底物的分解过程都受到严格的调控，众多细胞因子都参与了对MMPs的调节[10]。

3.1白细胞介素1 白细胞介素1(interleukin-1，IL-1)是目前在椎间盘中研究较多的细胞因子,主要由巨噬细胞、软骨细胞等产生。Le Maitre等[11-12]研究表明,退变椎间盘中IL-1显著增加，但相应的IL-1受体阻滞剂并未增加，经IL-1处理的椎间盘细胞，MMP-3、MMP-13基因表达显著增加，而蛋白多糖和胶原表达减少。IL-1包括IL-1α和IL-1β两个亚型。王明月等[13]通过免疫组织化学技术研究IL-1α及MMP-2在突出退变腰椎间盘及正常间盘中的表达表明,IL-1α与MMP-2在突出椎间盘组织中显著高于腰椎外伤取出的正常椎间盘中的水平，且与椎间盘退变程度呈正相关，推断IL-1α与MMP-2在诱发腰椎间盘退变过程中可能存在一定的关联性，并认为IL-1α及MMP-2表达增加可能是导致腰椎间盘退变突出的原因之一。IL-1β在椎间盘退行性变中一直被视为重要的炎性因子导致蛋白多糖降解，促进MMPs表达。刘洋等[14]通过观察不同水平IL-1β对组织工程化椎间盘细胞MMP-13表达的影响表明，IL-1β对兔组织工程化椎间盘细胞MMP-13表达的调控作用随其水平的升高而呈正相关。杨冬发等[15]观察不同水平IL-1β对体外培养的人椎间盘髓核细胞表达MMP-3、-7、-9、-13的作用，发现MMP-3、-7、-9、-13表达随IL-1β水平升高而升高，在相同的水平下，MMP-7、-13较MMP-3、-9升高明显，提示IL-1β的存在加速了椎间盘基质分解，且其所诱导的分解可能主要是通过MMP-7、-13起作用。

3.2肿瘤坏死因子α 肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)是促进椎间盘退变的细胞因子之一，主要由活化的单核细胞、巨噬细胞等产生的一种细胞因子。Weiler等[16]研究表明,TNF-α在退变椎间盘的髓核及纤维环中比正常椎间盘中表达及水平显著增高，且与纤维环及髓核的退变程度呈明显正相关，认为髓核和纤维环的退变程度在椎间盘细胞退变中起重要作用。有研究表明TNF-α的作用机制类似IL-1，但强度却不及IL-1[17]。Millward-Sadler等[18]通过对比TNF-α与IL-1β在蛋白水平、细胞因子的降解和基因受体方面对人正常和退变的髓核的影响，发现在同一刺激水平时，TNF-α并不能诱导不能引起MMP-3和MMP-9的表达，但是它可以使IL-1β的表达增多，从而说明TNF-α可能是椎间盘退变中重要的启动因素。Seguin等[19]通过实验观察在不同剂量TNF-α干预下的体外培养的髓核组织中的髓核基因表达变化，结果发现蛋白多糖和Ⅱ型胶原基因表达显著下降，培养48 h后观察髓核组织蛋白多糖水平较原来减少了3/4左右，同时MMP-1、MMP-3、MMP-13基因表达显著增加，表明TNF-α能诱导椎间盘发生退变。有研究表明,TNF-α可以通过活化胞外信号调节激酶1/2上调早期生长因子(Egr-1)的表达，并增强Egr-1的DNA与MMP-14启动子结合的活性，上调MMP-14 mRNA和蛋白表达水平，后者刺激MMP-2的明胶酶活性升高，从而降解ECM，引起椎间盘退变的发生发展[20-21]。

3.3其他细胞因子 除了IL-1及TNF-α外，另有其他众多细胞因子也参与了对MMPs的调节[22-23]。有研究表明，碱性成纤维细胞生长因子、转化生长因子、胰岛素样生长因子不仅可以促进ECM的合成，还能抑制MMPs的生成[22]。Pattison等[24]研究转化生长因子β和胰岛素样生长因子1对羊损伤椎间盘髓核细胞中蛋白多糖和MMP-2的调节作用，实验结果显示转化生长因子β和胰岛素样生长因子1能够促进髓核细胞分泌蛋白多糖，并可显著降低髓核细胞中MMP-2的活性水平。Kato等[25]研究证实,血管内皮生长因子可诱导椎间盘表达尿激酶，而尿激酶可直接激活MMPs，导致MMPs的失衡而间盘发生退变。刘钢等[26]研究表明，基质细胞衍生因子1在退变的椎间盘中显著升高，并且基质细胞衍生因子1的蛋白水平与Schneiderman分级呈正相关，基质细胞衍生因子1可以促进各种MMPs，如MMP-3、MMP-9和MMP-13的表达和释放[27-28]。原野等[29]研究表明,退变椎间盘中的核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)、MMP-3水平显著高于正常组，且两者具有正相关性，推断NF-κB作为上游调控基因，作用于细胞因子、炎性因子等通过信号转导使NF-κB活化，促进MMP-3合成，进而促进椎间盘退变。Vo等[30]研究发现,前列腺素E2可以减少椎间盘细胞蛋白聚糖的合成，并且呈剂量依赖性。且前列腺素E2可以降低抗分解代谢分子金属蛋白酶组织抑制物1的mRNA的表达，但是前列腺素F2却增加分解代谢分子MMP-1和MMP-2的mRNA的表达。

4 展 望

MMPs在椎间盘的退变过程中起着关键作用，能加速椎间盘的退变进程，最终表现为椎间盘内细胞数量减少和功能降低，聚合蛋白聚糖和主要胶原进行性减少。MMPs活性增高受多种细胞因子因素的调节，许多细胞因子参与这个过程，并起重要作用，但是MMPs是如何受影响，各种细胞因子之间的相互作用仍旧不明确。另外，MMPs的种类较多，各MMPs之间可能又相互影响，具体过程及细节尚不清楚。随着未来研究的进展，明确MMPs活化的具体机制，从基因或分子生物水平调节MMPs的活化过程，阻止或延缓

椎间盘的退变，从根本上治疗腰腿痛。因此，进一步阐明MMPs在椎间盘的退变过程中的作用仍是今后椎间盘退行性变基础研究的热点。

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