基质金属蛋白酶在感染性疾病中的作用

赵天生，朱桂仙，骞 腾，夏燕华

(南昌大学a.药学院实验教学部； b.第二临床医学学院1605班； c.基础医学院微生物学教研室，南昌 330006)

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)是钙锌依赖的蛋白水解酶，广泛分布于动植物中，也是动植物体内最重要的蛋白水解系统。作为一种单纯的基质蛋白酶，MMPs在多种生理和病理过程中发挥作用，如月经周期、乳腺发育、伤口愈合、心血管疾病、风湿性疾病、骨关节炎以及肿瘤的侵袭和转移等[1]。此外它还参与机体的抗感染免疫，如募集白细胞、活化细胞因子和趋化因子、活化防御素和抗菌肽等。然而，过量MMPs活性则可能引发感染相关的免疫病理损伤，促进病原体的传播及加剧病情的发展。为此，笔者就MMPs的结构特点、作用机理及其与感染性疾病、传染病病理学的关系进行综述，为MMPs作为感染性疾病治疗靶点的可能提供理论参考。

1 MMPs结构特点及作用机理

MMPs首次发现于蝌蚪的尾巴中[2]，迄今为止已鉴定出至少24种脊椎动物MMPs。根据底物特异性及一级结构的差异性，MMPs可以分为胶原酶(MMP-1、-8、-13和-18)、明胶酶(MMP-2和-9)，间质溶解素(MMP-3，-10和-11)、基质降解酶(MMP-7和-26)、膜型MMPs(MT-1-6-MMPs)以及其他MMPs(MMP-19、-20等)六大类[3]。

MMPs家族成员的分子结构具有高度同源性，一般由5个功能不同的结构域组成，包括疏水信号肽序列、前肽区(保持酶原的稳定)、催化活性区(Zn2+结合位点)、富含脯氨酸的铰链区和羧基末端区(与酶的底物特异性有关)[4]。

许多细胞，如成纤维细胞、平滑肌细胞、巨噬细胞、内皮细胞及哺乳类动物成熟心肌细胞均可分泌MMPs，但由于MMPs可引起宿主组织损伤，MMPs的产生及活化在体内受到严格调控。首先，MMPs极少被储存，只有在需要时通过激活MMPs的基因转录而产生，此即转录水平的调控；其次，新产生的MMPs以酶原形式存在，只有经蛋白酶水解释放半胱氨酸残基后才活化，此为半胱氨酸开关，亦即酶原激活调控；最后，激活后的MMPs还受到金属蛋白酶抑制剂(the tissue inhibitors of metalloproteases,TIMPs)的调控。TIMPs是MMPs的内源性特异性抑制因子，通过与MMPs的Zn2+结合催化结构域相互作用而使酶失活，从而抑制MMPs的生理功能[5]。

作为哺乳动物细胞内最重要的水解酶系统，MMPs参与机体几乎所有组织的发育和修复，并在炎症反应、肿瘤的发生及发展等过程中发挥着重要作用。然而其功能已经远不只ECM重塑还包括多种免疫调节机制，如裂解细胞因子来增强或抑制它们的功能活性等。

2 MMPs与感染性疾病

当有外源微生物入侵时，机体免疫系统必须首先募集白细胞到感染部位，清除病原体并抑制炎症反应的持续发生。MMPs在这个过程中起着重要的作用，主要表现在以下4个方面。

1)MMPs通过降解基质成分在ECM中开辟一条通道便于白细胞迁移。免疫细胞从血液迁移至感染部位需要基底膜降解。体外研究[6]表明，T细胞和树突状细胞的迁移部分依赖于MMP-9。当小鼠的淋巴结中检测到抗原时，淋巴细胞跨过高内皮静脉进入淋巴结需要MMPs活性的存在，如在MMP-3缺失小鼠中，中性粒细胞丧失了迁移至炎性肺组织的能力[7]。

2)MMPs通过调节趋化因子梯度来驱动炎症细胞的募集。在MMP-7基因敲除小鼠中，中性粒细胞表现出迁移障碍，原因是MMP-7可释放一种细胞表面蛋白多糖syndecan-1，这种蛋白多糖与趋化因子CXCL1络合后可建立一个调节中性粒细胞流到肺泡的趋化因子梯度。当MMP-7基因被敲除时就不能形成这种趋化因子梯度，中性粒细胞就不能定向迁移至感染部位[8]。

3)MMPs可直接调节细胞因子和趋化因子活性。MMP-1、-2、-3、-7、-9和-12的膜锚定前体都可释放活性α-肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)，其作用机制类似于TNF-α转化酶[9]。MMPs既可以蛋白裂解的方式激活白介素(Interleukin,IL)1β前体，又可以切割活化形式的IL-1β使其失活，从而实现了正负两方面的调控。MMP-9水解IL-8后得到的一个片段其活性为母体分子的10倍[10]。相反，单核细胞趋化蛋白CCL7被MMP-2水解后得到的片段可作为CCL7受体拮抗剂使用[11]。这种趋化因子被MMPs降解后产生拮抗剂的机制提供了一个有效的负反馈循环，可及时抑制炎症细胞流并结束炎症反应。

4)MMPs还能活化防御素和抗菌肽促进细菌的杀灭。防御素和抗菌肽通过破坏细菌的膜结构而杀死细菌。α-膜型防御素经MMP-7切割后活化，因此，MMP-7基因敲除小鼠需要更长时间才能清除病原菌的感染[12]。大肠杆菌感染肺上皮细胞可引起MMP-7表达上调，甚至单独的细菌成分如鞭毛蛋白也可上调MMP-7[13]，表明MMP-7是宿主对感染产生的早期反应产物。

3 MMPs与传染病病理学

在感染发生过程中，适量MMPs活性对抗感染免疫是有益且必需的，然而过量MMPs也可能导致感染相关的免疫病理损伤，从而加剧疾病的发展。

艾滋痴呆症是慢性HIV感染的严重并发症，其标志是广泛的神经元死亡并伴随着大量激活的巨噬细胞和小胶质细胞流。神经元死亡的确切机制尚不清楚，但有证据表明与脑脊髓液中过量的MMP-9有关。HIV的多种蛋白可上调MMP-9的表达与分泌，如包膜糖蛋白gp120能增加T细胞和胶质瘤细胞MMP-9的分泌[14]。往大鼠脑池内注射HIV Nef蛋白可导致血脑屏障的崩溃，检测发现脑脊液中MMP-9的水平显著升高[15]。在HIV神经毒性动物模型中抑制MMP活性可防止神经功能缺损的发展[16]。此外，MMPs通过调节脑组织ECM重构，还参与了细菌性脑膜炎等疾病的发病机制[17]。

慢性乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)感染与肝炎甚至是肝细胞癌的发生有关。在急性HBV感染中，过度的炎症反应导致肝细胞坏死，这与抗原非特异性淋巴细胞被MMP-8和MMP-9招募到肝实质有关[18]。乙肝病毒X蛋白(HBx)对肝细胞癌的发展至关重要，而过量MMPs的诱导可能是肿瘤侵袭的关键。HBx可上调MMP14的表达与分泌，MMP-14活化可导致小鼠模型和临床肝癌患者肿瘤生长和侵袭[19]。

胃溃疡和胃癌都与幽门螺杆菌(helicobacter pylori，Hp)的慢性感染有关，二者均涉及到ECM的异常降解。体内外研究[20-21]表明，Hp感染可诱生炎性因子TNF-α和IL-1b，在TNF-α和IL-1b的作用下胃上皮细胞高水平分泌多种MMP，其中MMP-24可作为胃癌转移的分子标记，而MT1-MMP则与肿瘤细胞的侵袭有关。

分枝杆菌(mycobacterium)感染可导致肺结核。肺部ECM破溃形成空洞对细菌扩散极为重要，也是病情恶化的表现。VERMA等[22]研究表明，MMPs的高表达有利于结核分枝杆菌的组织播散，在活动性肺结核患者支气管肺泡灌洗液中出现了大量MMP-9 mRNA，多脏器受累的结节病患者的MMP-1基因表达显著增加。动物实验研究[23]发现，在分枝杆菌感染的小鼠组织中，MMP-2和MMP-9的水平增加，这表明细菌通过上调MMPs来破坏ECM促进自身的扩散。

4 总结及展望

机体发生感染时，正常范围内的抗感染免疫有助于清除病原体，然而，过度的炎症反应则可能导致组织损伤，这种组织的破坏甚至有利于病原体的传播或持续感染。无论是清除病原体还是免疫病理损伤，都有基质金属蛋白酶的参与。

MMPs是动植物体最重要的内源性水解酶系统，由于其对ECM强大的水解能力，其产生及活性是严格受到限制的，以此保证MMPs的有效性和机体的安全性。然而，在感染性疾病中，这种限制性所构建的平衡被打破了。在过去的十多年中，越来越多的证据表明，MMPs在正常抗感染免疫中起作用的同时，也有助于免疫病理的发展。一般来说，适量的MMPs活性是抗感染免疫反应所必需的，而过量的MMPs活性则有助于造成免疫病理损伤。

调控MMPs活性，利用MMPs抗感染的有利面，避免过量MMPs所造成的病原体扩散及疾病加重的不利面，是治疗感染性疾病的一个思路。最初对MMPs的关注主要集中在癌症治疗的进展上，并已取得可喜的结果，如通过开发同时具有抑制MMPs基因表达和抑制MMPs酶活性的靶向药物，已实现对部分肿瘤组织MMPs的特异性抑制[24]。将MMPs应用于感染性疾病的治疗也已有初步的进展，如在肺炎球菌性脑膜炎大鼠模型中，抑制MMPs及其TNF-α转化酶活性可降低大鼠的死亡率[25]，而利用化学修饰过的四环素来抑制MMPs活性则可降低脓毒症模型中大鼠的死亡率[26]。MMP-9单克隆抗体GS-5745可使约45%的重度溃疡性结肠炎到控制[27]。未来能否将MMPs广泛应用于人类感染性疾病的治疗还有待进一步对MMPs功能的认识。