基质金属蛋白酶参与椎间盘突出组织再吸收的研究进展

覃金定,蒋尧传,肖荣驰

(桂林医学院附属医院骨一科,广西桂林 541001)

基质金属蛋白酶参与椎间盘突出组织再吸收的研究进展

覃金定,蒋尧传*,肖荣驰

(桂林医学院附属医院骨一科,广西桂林 541001)

随着椎间盘退变中椎间盘组织再吸收现象越来越多被报道，作为其吸收机制中重要的因素之一，基质金属蛋白酶(MMPs)也越来越被人们所关注。论文介绍了退变椎间盘组织再吸收的现象,并对参与退变组织吸收过程的MMPs进行重点论述，通过MMPs与其他作用因素间关系的揭示，为临床应用MMPs局部注射治疗腰椎间盘突出症提供更加丰富的理论参考。

基质金属蛋白酶;椎间盘突出;椎间盘退变

目前,在临床实践中,椎间盘退变后髓核组织重吸收现象的报告越来越多。但是,椎间盘组织突出重吸收的现象受关注时间并非太长。1978年，Kirkaldy Wllis W H等[1]试验重现了椎间盘突出的整个病理过程后，首次提出椎间盘突出后存在椎间盘组织的再吸收现象。此后，对椎间盘退变后椎间盘组织的再吸收现象的研究开始吸引了国内外众多临床医生及科研人员的注意力。Guinto F[2]对保守治疗的椎间盘突出患者随访时，首次用CT(Electronic computer X ray tomographytechnology),电子计算机X射线断层扫描技术，观察到椎间盘突出组织的重吸收现象。随着影像学的发展，MRI(magnetic resonance imaging)也逐渐被应用于观察椎间盘再吸收的研究中，并得出了较CT方法更为可靠的、更加严谨的结果，从此，大多数学者开始采用 MRI,即磁共振成像，对颈、胸及腰椎间盘突出并采用保守治疗的病人进行突出椎间盘的再吸收现象的观察。Komori H等[3]于1998年提出使用增强MRI扫描(gadolinium diethylenetri-aminepentaacetic acid, Gd-DTPA)预测椎间盘退变组织自吸收问题，且结果排除了CT扫描时产生的阶段等误差从而让结果更加科学可靠。目前，各种更加精密的检测手段的使用，使椎间盘退变后椎间盘髓核组织的再吸收现象更加容易被发现。

在证实退变椎间盘再吸收现象存在同时，再吸收的机制也引起了学者们的注意及兴趣。大鼠、兔、猪、犬等动物模拟椎间盘突出，并对其再吸收的过程进行研究发现，椎间盘组织的再吸收过程，是一个多因子，多细胞参与的极其复杂的突出物溶解的过程。新生血管、巨噬细胞、各种细胞因子、血管生长因子及各种酶类均参与对突出椎间盘组织的吞噬消化。目前为较多学者认可的可能机制有：①炎性细胞的吞噬作用[4]，该机制认为椎间盘突出后的化学性炎症反应和血管增生可导致单核巨噬细胞等炎性细胞浸润，且突出程度愈重这种变化愈明显，由于炎性细胞的吞噬作用引起突出椎间盘组织的吸收；②机体自身的免疫作用[4]，该观点坚持暴露于血循环中的椎间盘组织成为机体的抗原，可导致自身免疫反应的发生，由此产生的自身抗体或自身致敏淋巴细胞对突出的椎间盘组织产生免疫溶解作用；③生长因子[5]及新生血管因素[4]。相关学者认为，突出椎间盘组织自发性吸收中，突出的椎间盘髓核组织局部刺激促进血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表达。VEGF刺激血管形成作用始终贯穿于突出椎间盘组织血管化的发生发展、突出物吸收过程之中，对椎间盘突出的演化过程有重要的作用；④ MMPs(matrix metalloproteinases)，即基质金属蛋白酶和组织金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of matrix metalloproteinases,TIMPs)因素。Bachmerier B E等[6]运用免疫组化和实时反转录聚合酶链反应(RT-PCR)对退变椎间盘髓核组织进行分析，结果显示髓核标本中MMP-3表达最明显。同时，在分子水平对退变椎间盘髓核组织再吸收的可能机制进行了研究；⑤其他的因素，如白细胞介素，一氧化氮等。Kalb S等[7]试验均独立证实老化椎间盘细胞IL-1、IL-6的表达明显升高，而正常椎间盘组织内检测不到IL-1、IL-6 及其受体的表达。

综合各学者关于椎间盘退变后椎间盘髓核组织再吸收机制的观点，吸收发生的具体过程大致如下：椎间盘突出后，暴露于血循环中的椎间盘组织成为机体的抗原，可导致自身免疫反应的发生，由此产生自身抗体或自身致敏淋巴细胞，抗原抗体形成免疫复合物激活补体，吸引中性粒细胞等炎性细胞聚集并产生炎性递质，由此引发的化学性炎症反应可刺激局部血管内皮生长因子的表达，从而促进血管增生，炎性递质可增加血管通透性，单核巨噬细胞，淋巴细胞及成纤维细胞的广泛浸润。同时，椎间盘髓核与巨噬细胞的共存环境，使MMPs得到丰富的表达，并增强MMPs活性的尿激酶纤溶酶原激活物 的表达不断上调，联合其他炎症因子的协同作用，MMPs对突出椎间盘组织进行降解。不过，在椎间盘组织吸收的过程中，各种机制在时间上并不存在明显的界限。在椎间盘退变后，MMPs在椎间盘组织的再吸收中起着重要的作用。对该物质的进一步详细的了解，以为科研或者临床中对其的积极应用提供更为丰富的理论依据，显得至关重要。本文将从MMPs的概念、种类及功能，MMPs活性的调节，MMPs吸收等机制与椎间盘退变后椎间盘再吸收其他机制的关系及MMPs的应用展望进行分别论述。

1 MMPs的概念、种类及功能

MMPs，即基质金属蛋白酶，是一个包含23个成员的酶家族，以Ca2+、Zn2+等金属离子作为辅助因子[8-9]。MMPs 的分类方法主要有3种,按发现先后顺序,分别命名为 MMP-1～ MMP-19; 按MMPs 的底物分为4大类, 即胶原酶( MMP-1、MMP-8和MMP-13)明胶酶(MMP-2、MMP-9),基质溶解酶(MMP-3、MMP-7、MMP-10、MMP-11和MMP-12),膜型MMPs(MMP-14、MMP-15、MMP-16和MMP- 17)[10];按MMPs的分子质量分类,如72 ku胶原酶(MMP-2)、92 ku胶原酶(MMP-9)等。MMPs 的功能主要有两方面:①降解除多糖以外的全部细胞外基质(extracellular matrix,ECM)成分；② MMPs之间互相激活，形成瀑布效应。MMPs催化分解包括胶原蛋白、弹性蛋白、层黏蛋白、纤维粘连蛋白等物质[11]。

2 MMPs活性的调节

2.1 MMPs的活化

MMPs功能的活化，主要通过2个途径：①来自底物的刺激：某种刺激因素引起细胞增殖、ECM 产生增多,其分泌产物与存在于MMPs基因调节序列中的转录因子结合位点结合，诱导MMPs的表达，从而促进组织中ECM的降解，如此方式常见于MMP3、9等发挥作用的过程[12]；②尿激酶型或组织型纤溶酶原激活因子的作用：MMPs 均以无活性的潜酶形式分泌。组织受到刺激后，尿激酶型或组织型纤溶酶原激活因子表达与分泌升高，并激活血浆纤溶酶，后者与间充质溶解素中已被暴露出的锌离子活性中心，进而激活 MMPs，最终对退变组织进行降解[13]。

2.2 MMPs的抑制

TIMPs是MMPs的特异性抑制剂，分为2个功能区，其N端功能区的半胱氨酸残基与MMPs的锌离子活性中心结合，C端功能区与MMPs的其它部位结合以1∶1的比例形成 MMP-TIMP复合体，从而阻断MMPs 与底物结合,同时，在椎间盘突出组织中产生的IL-10，也可以诱导金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)组织抑制剂的产生，同时减少MMPs的分泌[14],最终抑制MMPS活性。

2.3 MMPs在椎间盘髓核组织再吸收过程中的作用

椎间盘由丰富的细胞外基质及少量的椎间盘细胞构成。细胞外基质代谢失衡在椎间盘突出的发生、发展及再吸收过程中有重要的作用，TIMPs及MMPs是基质代谢失衡发生的2类主要的因子。当椎间盘发生一定程度的退变时，MMPs表达增加，TIMPs及MMPs失衡，细胞外基质降解加速，TIMPs通过直接抑制MMPs的分泌来减缓解细胞基质的降解速度。但是，随着椎间盘退变突出程度的加重，MMPs降解酶的活性升高，同时，IL-1可以抑制组织金属蛋白酶抑制剂(TIMPs)的合成[15]，TIMPs降解酶抑制剂的含量降低，导致了MMPs/TIMPs比值明显升高，细胞外基质代谢失衡，蛋白多糖、胶原等结构及成分发生改变，进而加快椎间盘突出组织的降解[16 ]。黄勇等[17]试验发现椎间盘退变区域不仅细胞外基质成分和TGF-ɑ、IGF-1等因子及TIMPs等基质降解酶抑制剂合成缓慢、分泌不足，MMPs表达活跃、活性升高，而且倾向于表达更多的TNF-ɑ 、IL-1、IL-6、IL-8等致炎因子及其受体，直接抑制促合成及抗降解机制，促进基质降解过程，并有可能通过自分泌/旁分泌途径及相互间协同作用，形成级联效应、交织成网。

3 MMPs吸收机制与腰椎间盘退变后椎间盘再吸收其他机制的关系

Robert S等[18]对手术切除的椎间盘标本进行免疫组化分析，发现突出的椎间盘标本中存在大量有活性的MMPs，并指出这些酶类是由侵入椎间盘内的血管、巨噬细胞和椎间盘细胞产生的。椎间盘退变突出的过程中，这些调节椎间盘细胞外基质代谢的降解酶的活性升高，同时其相对应抑制酶的活性降低，最终加速椎间盘突出组织的降解，这不仅指出MMPs参与椎间盘退变后椎间盘再吸收的总体过程，同时也提示了退变椎间盘组织再吸收的过程中MMPs与椎间盘、巨噬细胞、新生血管等的内在联系。经过在猪、狗、兔子及大鼠等模型上试验研究后，各学者专家对它们的具体关系提出一下主要观点。

3.1 MMPs活性与退变组织的关系

邹志远等[19]在试验中发现，来自退变组织底物的刺激可以活化MMPs，通过激活MMPs的功能，最终降解退变组织基质，并发现退变的程度也可影响MMPs的活化程度。前者利用免疫化检测突出型、破裂型和游离型3组退变椎间盘组织中MMP-2的表达情况，结果发现游离型的表达最明显，破裂型次之；后者在试验研究中也得出游离型椎间盘退变分泌的MMP-3分泌较多。

3.2 MMPs与炎症细胞、血管内皮生长因子及新生血管等的关系

在研究退变椎间盘组织的吸收与新生血管及巨噬细胞等的关系时，众多学者亦发现了MMPs的阳性表达。Matsui Y等[20]对手术切除的腰椎间盘突出标本的CD68、MMP-1和MM-3进行免疫组化染色，发现游离型和破裂型椎间盘突出组织中含丰富的肉芽组织及CD68染色阳性，巨噬细胞肉芽组织内多数细胞和软骨细胞MMP-1和MMP-3染色阳性。该试验显示MMPs与新生血管及巨噬细胞共存的现象。俞海明等[5]试验研究证实椎间盘突出组织VEGF和巨噬细胞表达阳性，新生血管不仅可进一步促进巨噬细胞浸润，还可间接激活MMPs，促进突出椎间盘组织的再吸收。钱祥等[21]将腰椎间盘突出症患者手术取出的髓核组织进行免疫组化分析，结果发现破裂型较非破裂型突出髓核组织MMP-3、MMP-7阳性表达率更高，可能与破裂型髓核组织中巨噬细胞的表达。炎性介质释放及新生血管化等过程有关，从而在重吸收中发挥重要作用。Toru T等[22]通过鼠尾椎间盘与巨噬细胞共同孵育，研究了白细胞介素-1(IL-1)和血管内皮生长因子(VEGF)、基质金属蛋白酶(MMPs)的表达，发现它们在椎间盘中都呈阳性表达，在共育条件下椎间盘组织内形成了新生血管，IL-1、VEGF、MMPs进一步促进了新生血管的形成,为再吸收创造了条件。这在细胞学层面证明了退变椎间盘组织中存在的MMPs与炎症细胞的吞噬作用、血管内皮生长因子及新生血管等的作用存在密切的联系。

3.3 MMPs与机体自身免疫作用及TNF-ɑ的关系

张海平等[23]观察不同类型腰椎间盘突出患者腰椎间盘组织中T、B 淋巴细胞的表达变化，结果显示：当具有自身免疫性的髓核组织一旦暴露于自身免疫系统中，髓核作为自身抗原可引起特异性自身免疫反应。CD4+T 细胞、CD8+T 细胞以及激活的B细胞(IgG+,IgM+)参与了对髓核组织的特异性自身免疫反应。免疫细胞通过刺激巨噬细胞等炎性细胞的聚集，间接加强MMPs的表达。Studer R K 等[24]在此基础上研究发现自身免疫反应与MMPs也有着重要的联系，其提出T细胞、B细胞及TNF-α可诱导退变突出的椎间盘分泌MMP-13，并可在IL-6的介入下发生级联放大反应，产生更多MMP-13，降解细胞外基质，促进再吸收过程的发生。姜世峰等[25]试验结果证实MMPs与TNF-ɑ有关，认为在有Modic改变的退变腰椎间盘终板的基础上，TNF-ɑ和MMP-3的表达量明显高于无modic改变的退变腰椎间盘终板，TNF-ɑ和MMP-3在腰椎间盘终板退变过程中可能起协同促进作用。杜伟等[26]通过试验证明MMP-3及TNF-α的表达与椎间盘退变呈正相关趋势，认为TNF-ɑ可能与神经功能损伤有关，MMP-3与椎间盘突出有关，并对TNF-ɑ介导的神经功能损伤起促进作用。

4 MMPs的应用展望

椎间盘突出再吸收现象的存在已经从临床上得到证实，随着对MMPs在退变椎间盘组织再吸收过程中作用的深入认识，可以为巨大突出或破裂型而未出现明显的脊神经根症状及马尾神经综合征时的治疗提供一个保守治疗的理论方案的参考，从而减轻患者手术伤痛及经济负担。硬膜外腔炎性反应对再吸收起着重要的作用，因此行局部药物注射治疗椎间盘脱出可以作为临床上新的尝试，Guo H等[27]发现乌司他丁，一种用于治疗急性胰腺炎、慢性复发性胰腺炎的药物，能有效的抑制IL-1 诱导的兔髓核细胞对iNOS, MMP -2和MMP-3的产生，为药物治疗椎间盘退变性疾病提供了理论基础。但是利用局部炎症反应促进组织吸收的思路，可能对相邻的神经根有害。并且，有专家指出[28]，血清MMPs可加剧动脉斑块不稳定性、促进脑梗死的发生。同时，血清MMPs与类风湿性关节炎等病情加重有关[29]，局部注射MMPs治疗椎间盘突变，促进退变组织吸收时，是否会导致血清MMPs水平的升高，进而引起心脑血管病变及关节炎等疾病的发生？这些都是目前研究的空白，因此，对于局部应用MMPs治疗退变椎间盘引起的椎间盘突出的治疗方案，应该谨慎考虑。

[1] Kirkaldy Willis W H, Wedge J H, Yong Fling K, et al. Pathology and pathogenesis of lumbar spondylosis and stenosis[J].Spine,1978,3(4):319-347.

[2] Guinto F. CT demonstration of disk regression after conservative thcrapy[J].AJR,1984,5(2):832-834.

[3] Komori H, Okawa A, Haro H, et al. Contrast-enhanccd magneticresonance imaging in conservative management of lumbar dischcrniation[J].Spine(Phila Pa 1976),1998,23(1):67-73.

[4] Komori H, Shinomiya K, Nakai O, et al. The natural history of heniated nuclcuspulposus with rxdiculopxthy[J].Spine,1996,21(6):223-225.

[5] 俞海明，李毅中，林金矿，等.环氧化酶-2与血管内皮生长因子-1在突出腰椎间盘中的表达及意义[J].中国脊柱脊髓杂志，2007,17(10):777-780.

[6] Bachmerier B E, Nerlich A, Mittermaier N, et al. Matrix metalloproteinase expression levels suggest distinct enzyme roles during lumbar? diseherniation and degeneration[J]. Eur Spine J,2009,18(11):1573-1586.

[7] Kalb S, Martirosyan N L, Kalani M Y S, et al. GenetiCs of the degenerated intervertebral disc[J].World Neuro-surg,2012,77(3-4):491-501.

[8] 荆鹏伟，刘泽汉，何 旭，等.基质金属蛋自酶与椎间盘的退变[J].中国组织工程研究,2012,16(33):6243-6247.

[9] Knapinska A, Fields G B. Chemical biology for understanding matrix metalloproteinase function[J].Chembiochem,2012,13(14):2002-2020.

[10] Sedlacek R, Mauch S, Kolb B, et al. Matrix metalloproteinase MMP-19 (RASI-1) is expressed on the surface of activated peripheral blood mononuclear cells and is detected as an autoantigen in rheumatoid arthritis[J].Iimmunobiology,1998,198(4):408-423.

[11] Woessner J F, Nagase H. Matrix Metalloproteinases and TIMPs[M].Oxford University Press:Oxford,2000.

[12] Patterson B C, Sang Q A. Angiostatin-converting enzyme activities of human matrilysin (MMP-7) and gelatinase B/type IV collagenase (MMP-9).[J].J Biol Chem,1997,272(46):28823-28825.

[13] Farina A R, Coppa A, Tiberio A, et al, Transforming growth factor-beta1 enhances the invasiveness of human MDA-MB-231 breast cancer cells by up-regulating urokinase activity[J].Int J Gancer,1998,75(5):721-730.

[14] 杨 柳，李一经，韩凌霞.白细胞介素-10研究进展[J].动物医学进展,2012,33(6):111-113.

[15] Yurube T, Takada T, Suzuki T, et al. Rat tail static compression model mimics extracellular matrix metabolic; imbalances of matrix metalloproteinases aggrecanases ,and tissue inhibitors of metalloproteinases in intervertebral disc degeneration[J].Arthritis Res Ther,2012,14(2):R51.

[16] 陶 帅，姜 宏，李 晓.腰推间盘突出后自然重吸收的研究进展[J].现代中西医结合杂志,2013,22(1):103-105.

[17] 黄 勇，吴小涛.腰椎间盘退变的病理表现及细胞因子调控机制的研究进展[J].东南大学学报:医学版,2012,31(4):492-496.

[18] Roberts S, Caterson B, Menage J, et al. Matrixmetallo proteinases and aggreeanase:the irrole in disorders of the human in ierverte braldise[J].Spine,2000,25(23):3005-3013.

[19] 邹志远,邹国耀,唐志宏.退变腰椎间盘组织中MMP-2蛋白的表达[J].郑州大学学报:医学版,2011,46(1):86-88.

[20] Matsui Y, Maeda M, Nakagami W, et al. The involvement of matrix metalloproteinases and inflammation in lumbar disc herniation[J].Spine,1998,23(8):863-869.

[21] 钱 祥，姜 宏，王拥军，等.MMl-3、 MMl-7在腰椎间盘突出组织中的表达及临临床意义[J].中国骨伤科杂志,2012,20(8):1-3.

[22] Toru T, Kotaro N , Minoru D ,et al. Intcrlcukin-6 production is up-regulated by interaction between disc tissue and macrophages[J].Spine,2004,29(10):1089-1092.

[23] 张海平，张 烽，姚 羽.腰推间盘哭出髓核的自身免疫性[J].中国组织工程研究,2012,48(16):8931-8937.

[24] Studer R K, Vo N, Sowa Q, et al. Human nucleus pulposus cells react to IL-6: independent actions and amplification of response to IL-1 and TNF-a[J].Spine (Phila Pa 1976),2011,36(8):593-599.

[25] 姜世峰，申才良，董福龙，等.退变腰椎Modic改变及分型与肿瘤坏死因子、基质金属蛋白酶3的表达[J].中国组织工程研究,2012,16(26):4847-4851.

[26] 杜 伟，申 勇，李宝俊，等.细胞因子IL-la、IL-6、TNF-a、MMI′3与颈椎间盘退变机制的相关性研究[J].中国矫形外科杂志,2012,20(3):259-262.

[27] Guo H, Ghang H P, He B R, et al. Effect of ulinastatin on the expres of iNOS, MMP-2, and MMP-3 in degenerated nucleus pulposus cells of rabbits[J].Connect Tissue Res,2013,54(1)29-33.

[28] 吴 健，陈应柱，俞 龙.血清基质金属蛋白酶一水平在不同OCSP亚型老年急性脑梗死患者血清中的变化[J].实用临床医学医药杂志,2013,17(21):41-43.

[29] 谭柏松，黄小兵，刘光明，等.血清RF、抗CCP抗体及MMP-3联合检测在类风湿关节炎早期诊断中的应用[J].国际检验医学杂志,2013,34(9):1087-1090.

Progress on Matrix Metalloproteinases in Absorption of Protrusion of Lumbar Vertebral Disc

QIN Jin-ding,JIANG Yao-chuan,XIAO Rong-chi

(AffiliatedHospitalOfGuilinMedicalCollege,Guilin,Guangxi,541001,China)

Absorption of intervertebral disc tissue after intervertebral disc degeneration has been reported more often than ever,being one of the important factors of the absorption mechanism, MMPs are catching more and more attention of people as well .In this paper, we introduced the phenomenon of absorption about intervertebral disc degeneration firstly, and then discussed mainly MMPs which play an important role in the absorption .We are trying to provide more rich theory evidence for clinical application of MMPs by revealing the relationship between MMPs and other absorption mechanisms.

matrix metalloproteinases；protrusion of the intervertebral disc;intervertebral disc degeneration

2014-07-17

广西医疗卫生适宜技术研究与开发课题(S201407-01);桂林市科学研究与技术开发计划项目(20140120-1-14)

覃金定(1987-)，男，广西贵港人，硕士研究生，主要从事脊柱骨病及关节研究。*

S852.2

:A

:1007-5038(2015)01-0087-05