MMP-9与慢性脑缺血认知功能障碍关系的研究进展

张建东， 黎 晓综述， 肖 海审校

慢性脑缺血是指脑组织血供长期低灌注，出现神经系统损伤的一种常见病理状态，从而并发认知功能障碍。研究发现，慢性脑缺血在阿尔茨海默病、血管性痴呆、脑动脉硬化和脑梗死等多种脑血管疾病的发生发展中起着重要的作用。如不及时进行有效治疗将会导致持久性或进展性的认知功能障碍。MMP-9在缺血性脑损伤及其恢复中扮演着重要的角色，其早期参与脑损伤过程，而在后期有助于脑损伤恢复。这种双重作用使MMP-9作为慢性脑缺血的治疗靶点复杂化[1]。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)在神经系统疾病发病机制的研究是一个新的研究热点。同时有研究证据表明MMPs与慢性脑缺血、阿尔茨海默病和血管性痴呆等疾病有紧密联系，并且MMP-9对这些疾病的神经元有直接的毒性作用[2]。也有学者研究发现血清中MMP-9水平与认知功能障碍的严重程度呈明显正相关[3]。慢性脑缺血认知功能障碍严重影响患者的生活质量，同时给社会造成严重的负担，但其发病机制尚不明确。现就MMP-9与慢性脑缺血认知功能障碍关系的研究进展进行综述。

1 MMP-9概述

1.1 MMP-9的结构及生物学作用 MMP-9是一类重要的Zn2+、Ca2+依赖的IV型胶原酶，相对分子质量约为92kDa，其基因位于人类基因组20号染色体上(20q13.12)。由于其具有水解明胶的能力，也被称为明胶酶B。MMP-9结构复杂，可视为多结构域酶，其血红蛋白、O-糖基化和催化结构域分别起支持附着、结合和催化作用[4]。MMP-9是MMPs家族中最为大家所熟知的一员，通常先以酶原(proMMP-9)形式分泌到细胞外，再被分解成活性MMP-9(actMMP-9)形式才能发挥效应。在未成熟脑中MMP-9表达量极低，但在各种生理刺激和病理损伤后MMP-9含量明显升高。MMP-9广泛地参与肿瘤的浸润与转移、动脉粥样硬化、炎症反应、脑缺血及新生血管形成等病理过程[5，6]。此外，MMP-9除了通过和相关蛋白之间的协同作用调节细胞外基质外，还参与了神经细胞的迁移、轴突生长、髓鞘形成和突触可塑性，特别是在学习记忆过程中MMP-9扮演了重要的角色[7]。在内嗅皮质、杏仁核以及新皮质等脑组织内普遍存在MMP-9 mRNA和蛋白表达，尤其是海马锥体细胞胞质和树突有较高的表达。近些年，关于MMP-9的生物学研究从肿瘤领域转向炎症和学习记忆研究。

1.2 MMP-9的活性调控 MMPs的异常活化是各种疾病如神经退行性疾病、免疫失调及纤维化中病理级联反应的常见特征。特别是MMP-9在脑缺血中被高度动态调节。其受到基因水平、蛋白水解作用激活(proMMP-9形式)和特异性抑制因子调控。许多生物活性物质都能调控MMP-9蛋白的表达。促炎因子可以促进MMP-9表达，如IL-1、IL-6、TNF-α等[8]。另外一些抗炎分子能够抑制MMP-9的表达，包括IL-4、IL-10、IFN-β和糖皮质激素。还有黏附分子、凝集素、一些细胞外基质成分、其他MMPs也是MMP-9的激动剂。MMP-9以酶原形式分泌，proMMP-9激活需要其他MMPs、胰蛋白酶、重组组织纤溶酶原激活剂(tPA)和透明质酸的作用。鉴于MMP-9时间依赖的活性，严格调控其表达对维持正常生理状态是不可或缺的[9]。调节MMP-9活性的主要内源性抑制分子是基质金属蛋白酶的组织抑制剂(tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs)。已经鉴定了TIMP的四种亚型(TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和TIMP-4)。TIMP-1对MMP-9具有特异性的亲和力，它以高亲和力结合MMP-9并阻断其活性。此外，其他蛋白质也可以抑制MMP-9。反转录富含半胱氨酸蛋白(RECK)即可以与MMP-9直接结合抑制它的水解活性，也可通过减少细胞内MMP-9的分泌来抑制它的效应[10]。CD44分子可增强MMP-9的活性[11]。

1.3 MMP-9的靶标 MMP-9在脑病理生理中起着关键作用，为了解这种蛋白酶的功能，探索其底物蛋白是非常重要的。到目前为止，MMP-9的公认靶标包括生长因子及其前体，细胞表面受体和细胞黏附分子[12，13]。在脑内神经元的靶点中，MMP-9已经成为调控突触可塑性的关键因子，突触型细胞黏附分子已被证明是MMP-9的底物。Bijata等[14]证实蛋白聚糖依赖MMP-9的裂解。蛋白聚糖是一种将细胞外基质组分与肌动蛋白细胞骨架连接的细胞黏附分子，在树突发育起着重要作用。此外，MMP-9和蛋白聚糖在海马表现为兴奋性突触共定位。神经活动的增强导致蛋白聚糖裂解，但MMP-9基因敲除小鼠中不发生这种现象。在N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体激活后，介导树突生长及成熟的细胞间黏附分子-5(ICAM-5)被MMP-9裂解[15]。另外NMDA介导的黏连蛋白-3的裂解也依赖于MMP-9的活性[16]。总之，神经元活性增强后突触结构的突触后组分可被MMP-9裂解。MMP-9底物还包括脑源性神经营养因子(BDNF)和神经生长因子(NGF)[17]。此外，Mantuano等[18]研究表明MMP-9血红蛋白结构域和低密度脂蛋白受体相关蛋白-1(LRP-1)结合可激活细胞信号来促进施万细胞的迁移。Yamauchi等[19]用MMP-9血红蛋白结构域处理神经元后神经突生长增强。由此可见，MMP-9血红蛋白结构域可通过非酶蛋白质-蛋白质相互作用机制发生相应的效应[20]。

2 MMP-9与学习记忆

在大脑发育和脑损伤过程中，MMP-9在突触可塑性及突触重塑中具有重要作用被广泛认可[21]。MMP-9通过调控树突棘形成和兴奋性突触的功能参与突触可塑性，这种可塑性可能是学习和记忆的基础。在不同的行为学实验中(如Morris水迷宫、情境恐惧条件反射和习惯性反应等)，这些研究观察到MMP-9酶原及活性形式的表达增加[2，22，23]。Vaillant等[24]研究小脑发育时发现，运用MMP-9中和抗体可以抑制体外培养的颗粒神经元突起生长，在体敲除MMP-9基因后大量颗粒神经元前体细胞异常迁移。Nagy等[22]发现MMP-9可能是海马突触可塑性的关键媒介。在体外刺激并诱导海马脑片产生长时程增强(LTP)时，海马MMP-9蛋白水平和蛋白水解活性迅速升高；相反，用药物或基因封闭MMP-9，则选择性抑制LTP的产生。LTP是突触可塑性主要形式之一，已被公认是脊椎动物学习和记忆的细胞学基础。此外，MMP-9参与proBDNF向mBDNF的成熟转换过程[25]。BNDF前体(proBDNF)诱导细胞凋亡，BDNF成熟体(mBDNF)诱导细胞存活，proBDNF/mBDNF的平衡比例关系在调节神经细胞存活和突触功能等方面发挥着重要的作用[26]。由此可见，MMP-9广泛的参与到人脑的病理生理过程中。

3 MMP-9在脑缺血认知功能障碍的作用

目前研究认为慢性脑缺血导致学习记忆障碍的病理生理学机制尚未完全阐明。已有研究发现，脑缺血后可使脑组织发生病理性级联反应，包括氧化应激、细胞内钙超载、炎症反应、细胞凋亡、兴奋性毒性损伤、突触结构功能异常、中枢胆碱和单胺能系统功能紊乱以及能量代谢障碍等。这几个因素互为因果共同作用导致缺血区细胞凋亡、胀亡、坏死等不可逆性损伤，最终引起脑功能障碍。许多研究已证实脑缺血后MMP-9表达明显增加及其在脑缺血和再灌注损伤中具有毒性作用[7]。当缺血性脑损伤后，MMP-9主要在内皮细胞中表达，其次是神经元、少突胶质细胞、星形胶质细胞。此外，在缺血性损伤后释放的自由基、tPA及其他分子可以激活MMP-9[27]。MMP-9的升高可以产生兴奋性毒性、神经元损伤、细胞凋亡、氧化应激和干扰DNA修复等效应[28]。最重要的是MMP-9可引起血脑屏障的破坏引起脑水肿和出血性转化[29]。Lin等[30]研究发现在缺血性脑损伤大鼠模型中，电针疗法可以通过减少脑超微结构的损伤和抑制MMP-9表达来改善学习和记忆能力。同时抑制MMP-9表达可以抑制血脑屏障分解和减少缺血半暗带中的神经元损伤，从而降低了脑梗死体积。Hadass等[31]证实MMP-9选择性抑制剂SB-3CT可减轻创伤性脑损伤引起的继发性损伤，MMP-9活性减弱可避免神经元损伤和树突变性，从而改善感觉及运动功能和海马相关的空间学习和记忆。更有实验证实，缺血性卒中急性期血清MMP-9水平升高与死亡和残疾风险增加有关，表明血清中MMP-9可能是缺血性卒中的重要预后因素[32]。这些研究也许说明脑组织中的MMP-9表达上调，可能是导致认知功能障碍的重要原因之一，但是其涉及具体机制尚未明确，还有待进一步研究。

4 MMP-9作为脑缺血认知功能障碍治疗的潜在靶点

关于慢性脑缺血认知功能障碍治疗，大量的研究集中对神经保护作用上[33～35]。已经证实缺血性脑病模型中MMP-9异常过度表达在脑损伤发生发展中发挥毒害效应。MMP-9基因沉默模型、使用MMP组织抑制剂、合成的MMP抑制剂和MMP中和抗体的治疗证明可以保护血脑屏障，减少脑缺血后血管性水肿形成、梗死面积和出血性转化，从而改善认知功能障碍[36]。研究发现，在大鼠脑缺血3 h后注射MMP抑制剂可以显着降低脑水肿，并降低tPA溶栓后出血转化的风险[37]。因此，MMP-9可能是治疗脑缺血的重要临床靶标。但MMP-9在缺血性卒中延迟期可能有不同的作用。有研究显示MMP-9在脑缺血后7～14 d在梗死周围皮质中上调，并与神经血管重塑标志物共定位。卒中后7 d用MMP抑制剂治疗可抑制神经血管重塑，增加缺血性脑损伤，并在14 d时恢复损害功能[38]。这表明MMP-9可能介导卒中恢复期间有益的可塑性及重塑。还有研究报道在小鼠局灶性脑缺血的恢复期，MMP-9介导室下带神经母细胞迁移到受损组织，而MMPs抑制剂抑制室下带神经母细胞迁移到纹状体[39]。这些数据表明，MMP-9参与脑梗死后皮质神经血管重塑的内源机制。

总之，MMP-9早期参与脑损伤过程，而在后期有助于脑损伤恢复。因此，通过调节MMP-9的表达治疗脑缺血需要考虑卒中的恢复。此外，为了找到一些新的治疗缺血性疾病的药物，已经对一些药物与MMP-9表达水平之间的关系进行了大量研究。例如四环素衍生物、血管紧张素转化酶抑制剂、环氧合酶抑制剂和抗氧化剂等药物可以降低脑缺血后MMP-9水平的升高，并减少脑缺血损伤，从而对缺血性脑病起到神经保护作用[40，41]。

5 展 望

学习和记忆功能是人类认知的基础，MMP-9介导慢性脑缺血致认知功能障碍的发病机制尚不能明确统一。通过阻断信号通路或抑制MMP-9活化而降低其表达，为慢性脑缺血治疗提供一种新的方法。但仍需进一步研究MMP-9在正常和病理状态下的表达途径。此外，还需要进一步探索药物与MMP-9之间的具体相互作用机制。然而，MMP-9在脑缺血中具有双相作用。它在急性期介导损伤，但在恢复期促进半暗带的神经血管重塑。那么脑缺血后MMP-9增加如何及何时介导损伤到修复的转变呢？由于MMP-9脑内神经元的靶点还不甚清楚，因此探索MMP-9底物更有利于明确修复的过程。

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