基质金属蛋白酶的表达与调节在椎间盘退变过程中的作用

周兆明，吴小涛

(1.东南大学 医学院，江苏 南京 210009；2.东南大学附属中大医院 骨科，江苏 南京 210009)

·综 述·

基质金属蛋白酶的表达与调节在椎间盘退变过程中的作用

周兆明1，吴小涛2

(1.东南大学 医学院，江苏 南京 210009；2.东南大学附属中大医院 骨科，江苏 南京 210009)

细胞外基质(ECM)成分改变及破坏是导致椎间盘退变(IDD)的重要原因，目前研究认为，基质金属蛋白酶(MMPs)是引起椎间盘细胞外基质降解的主要酶类。作者对关于椎间盘退变过程中MMPs的表达与调控的文献进行了综述，发现MMPs在退变椎间盘中表达增加，其表达及调控受到一系列因素的综合影响，并与其调控因子构成复杂的网络调节机制，一旦这种调节机制失去平衡，可引起椎间盘ECM降解，并最终引起IDD。若能对MMPs表达调控进行干预，将使得生物治疗椎间盘退变成为可能。

基质金属蛋白酶；表达与调控；细胞外基质；椎间盘退变；文献综述

研究显示，有超过半数的人在一生当中会发生明显的下腰痛[1]，由于椎间盘的退变引起的椎间盘源性腰痛占到全部下腰痛超过40%[2]。椎间盘退变主要表现在细胞和细胞外基质成分合成与降解失衡[3]，基质金属蛋白酶(MMPs)的表达和活化失调控是引起细胞外基质(ECM)降解的重要原因[4]。目前，关于MMPs以及基质金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs)的表达和活化在椎间盘退变过程中的调控机制还没有得到详细阐明。在本文中作者对MMPs的表达与调节在椎间盘退变过程中的作用作一综述。

1 MMPs概述

MMPs是一组锌离子依赖的蛋白酶家族，是最重要的调节ECM动态平衡的酶系。目前将已知的24个成员分为6类[5]：(1) 间质胶原酶(MMP-1、 MMP-8、MMP-13、 MMP-18)，其主要作用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原及蛋白多糖的核心蛋白。(2) 明胶酶类(MMP-2、MMP-9)，主要降解明胶和Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型基底膜胶原以及完整的基底膜。(3) 间质溶解素(MMP-3、MMP-10、MMP-11)，其作用底物主要是弹性纤维、纤维连接蛋白、层粘连蛋白等多聚糖蛋白核心蛋白。(4) 基质溶解因子(MMP-7、MMP-26)，能降解不同的ECM成分，如蛋白多糖和一些生长因子及细胞因子。(5) 膜型MMPs(MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17、MMP-24、MMP-25)，能降解胶原及纤维连接蛋白，还有活化其他MMPs的功能。(6)其他未归类的MMPs(MMP-12、 MMP-19、MMP-20、MMP-21、MMP-23、MMP-27、MMP-28)，这些MMPs在组织基质的稳定和修复方面起着作用，但是具体作用仍不是很清楚。

目前普遍认为，许多疾病状态，包括椎间盘退变及骨关节炎发生，其组织ECM的退变降解与MMPs的表达和激活失调有关。

2 椎间盘及其ECM的构成

正常椎间盘位于上下椎体软骨终板之间，由髓核及包绕在髓核四周的纤维环组成。正常椎间盘的基质成分主要是水分、胶原、蛋白多糖及弹性蛋白。髓核基质中Ⅱ型胶原最多，约占80%，髓核中心其含量最高，向四周越接近纤维环Ⅱ型胶原含量越低，同时含有少量Ⅵ、Ⅸ、Ⅺ型胶原；纤维环基质中Ⅰ型胶原含量最高(80%)，还含有少量的Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ型胶原[6]。

椎间盘发生退变时，其基质成分的主要生化改变表现在：Ⅰ型胶原取代Ⅱ型胶原、出现Ⅲ型及Ⅹ型胶原、蛋白多糖含量下降、髓核水分减少等[7-8]。

3 MMPs及TIMPs在椎间盘退变过程中的表达情况及其意义

近几年，许多学者在退变的椎间盘组织和体外细胞培养体系及动物模型中证实了MMPs和TIMPs的异常表达，并发现这二者的表达水平与椎间盘的退变等级有一定相关性，具体如下。

3.1 MMPs在椎间盘中的表达

在正常椎间盘中MMPs基本没有表达，许多实验观察到老化及退变的椎间盘中MMPs表达增多，并且多与椎间盘退变严重程度相关。Weiler等[8]报道,MMP-1、 MMP-2、MMP-3在婴幼儿及青春期人群的椎间盘(正常椎间盘)中几乎没有表达，但是在成年人及大于15岁的青春期人群椎间盘(退变椎间盘)中，上述MMPs表达则明显增多。Bachmeier等[7]的实验表明，正常椎间盘中大多数MMPs在mRNA水平上也呈低表达。在对人类退变椎间盘的检测中发现，MMP-3的表达水平与椎间盘组织学退变等级明显相关。Weiler等[8]的实验也证实了，MMP-1、MMP-2及MMP-3蛋白表达水平与椎间盘组织形态学退变等级呈正相关。 Crean等[9]的实验同样观察到，MMP-2和MMP-9的表达程度与椎间盘退变影像学分级水平之间有着明显的正相关性。 Roberts等[10]用免疫组化技术检测到，退变椎间盘中MMP-3和MMP-7升高表达最多。也有实验具体表明，在退变的椎间盘中MMP-7和MMP-13表达最高，并且MMP-7和MMP-13在髓核退变早期就出现高表达， MMP-13在椎间盘退变早期就持续高表达，并且在退变后期也没有明显的降低[11-12]。

3.2 TIMPs在椎间盘中的表达

TIMPs是一个多基因家族，目前有4个成员，分别是TIPM-1、TIPM-2、TIPM-3和TIPM-4,其中TIPM-1、TIPM-2和TIPM-3在椎间盘中有表达。与MMPs在椎间盘中的表达状况类似，正常椎间盘中的TIMPs也呈低水平表达[11]。Roberts等[10]的研究发现，相比正常椎间盘组织而言，老化退变的椎间盘组织中TIMP-1和TIMP-2的蛋白表达水平明显增加。Bachmeier等[7]还发现在退变椎间盘中，随着MMPs表达水平的上调TIMP-1、TIMP-2的mRNA及蛋白表达水平也上调，并且在退变伴突出的椎间盘标本中TIMP-1、TIMP-2的表达水平与MMP-1 的表达水平有一定程度的相关性。尽管在退变椎间盘中TIMPs的表达是上调的，并对抗了MMPs对基质的降解作用，但是直到目前为止，TIMPs的调控机制仍未完全得到阐明。

4 MMPs在椎间盘中的调节

MMPs在椎间盘中的调节受到诸多方面因素的影响：年龄因素、各种刺激因素(机械压力刺激、炎症刺激及氧化应激等)和环境因素(吸烟及遗传易感性)。

4.1 机械压力刺激对MMPs表达的调节

诸多实验表明，椎间盘中MMPs表达和所受的压力大小、变化频率及作用时间有明确关系。

Sowa等[13]对髓核组织的体外实验表明，较大的压力可引起MMP-3基因表达的降低。体外实验[14]也表明，受到中等程度牵张拉力的细胞中，MMP-3基因表达减少，酶活性降低；而受到较大牵张拉力的细胞中，MMP-3基因表达减少，其酶活性却增加。Korecki等[15]也发现中等大小压力可引起MMP-3的表达增加，较大且持续存在的压力可引起MMP-3的表达降低。MacLean等[16]在体内实验中发现，对椎间盘动态施加中等大小的压力刺激，可引起MMP-3级MMP-13的表达增加，若施加的压力较小则没有阳性结果。

压力的作用时间及变化频率同样影响椎间盘中MMPs的表达。据Yurube等[17]报道，在长期持续一定的压力作用下，MMP-3的基因表达和蛋白产物都明显增多。Wuertz等[18]的实验结果表明，在动态变化的压力刺激作用下，椎间盘ECM合成增加，而持续存在的恒定压力作用促进ECM的分解代谢并诱发IDD[17-19]。

4.2 炎症刺激对MMPs表达的调节

退变椎间盘中常能检测到肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α、白细胞介素(interleukin，IL)-1α和IL-1β以及IL-6。Le Maitre等[20]报道了在IL-1作用下，椎间盘中MMP-3及MMP-13的表达增加。Weiler等[21]的实验表明，TNF-α与年龄及椎间盘退变组织学分级相关。Sobajima等[22]在体内实验发现，在受损伤的椎间盘中，随着椎间盘退变的严重程度进展，可以检测到IL-1β和MMP-3表达不同程度上调，同时伴有TIMP-1的表达下调。在针刺致动物椎间盘退变模型中观察到，在椎间盘针刺伤周围，大量细胞的p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号转导通路被激活，并且在这些细胞中同时检测到了IL-1β和IL-8表达。Studer等[23-24]在体外实验中发现， 使用TNF-α和IL-1β处理人和兔的椎间盘，可以使TIMP-1∶MMP-3蛋白表达比值下降；具有这一作用的还有一氧化氮、IL-6和前列腺素E2。他们进一步观察到Ⅰ、Ⅱ型胶原及蛋白聚糖的蛋白表达降低。实验还进一步观察到，抑制p38 MAPK的活化因子可以降低上述炎症因子的作用。Sun等[25]的实验证实，NF-κB 信号通路特异性抑制剂BAY11-7082可引起IL-1β明显抑制，减少NF-κB 信号通路激活，MMP-3、MMP-9、MMP-13均明显减少蛋白表达。该实验提示，NF-κB 信号通路也是椎间盘退变的重要介导途径。

4.3 氧化应激对MMPs表达的调节

Soukane等[26]研究表明，尽管椎间盘内是一个乏氧环境，但椎间盘内的细胞仍需要消耗氧来完成新陈代谢。老化的椎间盘存在许多裂隙，并引发新生血管长入，使原本处在低氧环境中的椎间盘髓核细胞暴露在富氧环境，从而产生氧化应激。Vo等[27]实验证实，将椎间盘暴露于烟草烟雾提取物中，椎间盘中的MMPs表达上调，TIMPs表达受抑制。

4.4 基因易感性对MMPs表达的调节

椎间盘退变与基因多态性有关。Dong等[28]发现在中国汉族年轻腰椎间盘退变患者中， 多次检测到MMP-2基因多态性-1306C/T。Sun等[29]的研究认为，MMP-9基因多态性-1562C/T与中国北方年轻汉族人腰椎椎间盘退变性疾病相关。并且携带TT或CT基因型的个体其MMP-9蛋白的表达水平高于携带CC基因型的个体。Song等[30]在有关中国南方汉族人的研究中发现，MMP-1启动子区域的基因多态性-1607和腰椎间盘退变有关。Takahashi等[31]的实验表明，MMP-3启动子区域的等位基因5A是促进腰椎间盘退变的危险因素。这些实验结果表明，位于MMPs启动子区域的基因多态性可能参与了椎间盘退变的发生发展。

5 结 论

在椎间盘退变的过程中，MMPs是引起ECM降解的主要因素，其调控过程是一个多因素参加的复杂过程。最近Yang等[32]的实验提示，17-雌二醇可以抑制MMP-3和MMP-13的表达，并减少大鼠髓核细胞在IL-1β作用下的凋亡。Sun等[33]通过体外实验证实，脂肪间充质干细胞(adipose-derived stromal cells)与髓核细胞共培养时，可上调组织ECM中TIMPs的表达，减少由于压力应激而导致的髓核细胞老化和死亡，从一个侧面提示了干预MMPs活性可以抑制椎间盘退变。以上对椎间盘退变过程中MMPs表达及调控的研究表明，抑制MMPs表达的刺激因素，减少炎症递质、细胞因子的产生，可以从不同水平进行干预，抑制或增加MMPs的合成和活性，使得椎间盘退变相关疾病的预防、缓解及生物治疗成为可能。

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2015-02-02

2015-02-12

国家自然科学基金资助项目(81272035)

周兆明(1990-)，男，江苏盐城人，在读硕士研究生。E-mail:zhouzhaoming08@hotmail.com

吴小涛 E-mail:Wuxiaotao@medmail.com.cn

周兆明，吴小涛.基质金属蛋白酶的表达与调节在椎间盘退变过程中的作用[J].东南大学学报:医学版，2015，34(3)：429-432.

R681.5

A

1671-6264(2015)03-0429-04

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.03.024