基质金属蛋白酶在寄生虫疾病中的研究进展

葛优，古小彬

（四川农业大学动物医学院，四川 成都 611130）

基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases，MMPs）是一种锌依赖的内源性蛋白酶家族，在进化上具有高度保守性，广泛存在于人类、动物、植物和寄生虫体内［1-2］。MMPs通过水解作用降解细胞外基质成分和肽类激素，同时可激活MMPs 前体分子参与胚胎发育、血管生成、组织稳态、伤口修复、炎症反应等多项重要生物学功能［3-4］。寄生虫感染宿主机体时，一方面宿主可产生MMPs，发挥破坏自身的物理屏障或组织结构［5］、调节寄生虫疾病的发展与转归［6］、参与免疫逃避［7］和作为寄生虫病的生物性标志物［8］等作用；另一方面，寄生虫的MMPs具有促进寄生虫入侵宿主［9］和作为寄生虫病的诊断抗原等［10］作用。由此可见，宿主MMPs 与寄生虫MMPs 在寄生虫疾病中具有十分重要的作用。本文从MMPs 的分类和结构、宿主MMPs 和寄生虫MMPs 在寄生虫疾病中的研究进展进行了综述。

1 基质金属蛋白酶的分类和结构

根据作用底物和其结构域的不同组成将MMPs 分为胶原酶（MMP-1-8、-13、-18），明胶酶（MMP-2、-9），间质溶解素（MMP-3、-10、-11），基质溶解因子（MMP-7、-26），膜型基质金属蛋白酶（MT-MMPs）（I 型跨膜蛋白：MMP-14、-15、-16、-24；糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白：MMP-17、-25），以及其他基质金属蛋白酶（MMP-12、-19、-20、-21、-22、-23、-27、-28）［11］。

MMPs 家族具有共同的核心结构：1 个约80个氨基酸前肽区，1 个含锌的催化结构域及其序列HEXGHXXGXXHS（约170 个氨基酸），1 个可变长度的连接肽（也称铰链区）和1个类血红素结构域（约200 个氨基酸）（MMP-7、-23、-26 除外）。前肽区含有半胱氨酸开关基序PRCGXPD，其中的半胱氨酸巯基与活性位点Zn2＋螯合，使MMPs 保持其非活性的proMMP 酶原形式，某些MMPs即通过半胱氨酸开关的裂解及前体被其他蛋白水解酶水解的方式而激活。类血红素结构域主要作为底物的识别序列，以及与金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）相互作用的部位。这些典型的结构在MMPs激活和发挥生理功能过程中起着重要作用［12］。

2 宿主MMPs在寄生虫疾病中的作用

2.1 MMPs 破坏宿主组织屏障 MMPs 可以降解包括胶原、明胶、糖蛋白、蛋白聚糖、粘连蛋白等在内的几乎所有的细胞外基质（ECM）成分，从而破坏血脑屏障、胎盘屏障、皮肤屏障等组织屏障，有利于寄生虫入侵和炎性细胞进入感染位点。

2.1.1 MMPs破坏宿主的血脑屏障 广州管圆线虫（Angiostrongylus cantonensis）感染引起的嗜酸性脑炎小鼠脑脊液中MMP-9 mRNA、蛋白水平和酶活性均显著升高，且随MMP-9 活性的增高脑脊液中的总蛋白含量升高，提示MMP-9 可能破坏血脑屏障的完整性导致脑脊液中蛋白含量升高。后进一步研究发现，感染A.cantonensis小鼠大脑中的紧密连接蛋白claudin-5及IV型胶原蛋白显著下降，同时血脑屏障通透性显著升高，而与野生型小鼠相比，MMP-9基因敲除小鼠大脑中的claudin-5和IV型胶原蛋白明显升高，且血脑屏障通透性明显减弱，表明MMP-9 可通过降解紧密连接蛋白和基底膜中的IV 型胶原来破坏血脑屏障的完整性［13］。小鼠感染A.cantonensis后脑脊液中除MMP-9变化外，MMP-12与基质金属蛋白酶组织抑制因子-1（TIMP-1）的比值也显著升高，进一步分析发现感染小鼠的MMP-12 与弹性蛋白发生互作，且能酶解弹性蛋白，同时MMP-12的含量与弹性蛋白的降解量、嗜酸性粒细胞的数量、血脑屏障的渗透性和蛛网膜下腔的病变程度具有关联性，定位分析发现MMP-12 分布于蛛网膜下腔的血管壁，表明A.cantonensis感染后，升高的MMP-12 通过降解蛛网膜下腔血管中的弹性蛋白来破坏血脑屏障的完整性［5］。

2.1.2 MMPs破坏宿主的胎盘屏障 刚第弓形虫（Toxoplasma gondii）感染孕妇后，其体内血清和脐带血清中的MMP-2、-9 蛋白水平和酶活性显著升高，且MMP-2、-9与纤连蛋白发生互作。进一步体外实验发现，神经胶质细胞感染T.gondii后，细胞匀浆和上清液中的MMP-2 和MMP-9 含量均升高，同时细胞中纤连蛋白碎片显著增加，免疫沉淀发现MMP-2和MMP-9均与纤连蛋白发生互作，表明弓形虫感染后升高的MMP-2 和MMP-9可参与纤连蛋白的降解［14］。另外，克式锥虫（Trypanosoma cruzi）体外感染人胎盘绒毛膜实验发现，T.cruzi感染后MMP-2 和MMP-9 蛋白表达量和酶活性显著升高，当加入MMPs 抑制剂Doxycycline 时，能抑制T.cruzi感染引起的组织损伤并降低绒毛膜绒毛内的荷虫量，说明MMP-2和MMP-9 至少部分地参与了T.cruzi感染过程中人绒毛膜组织损伤，对锥虫感染具有促进作用［15］。

2.1.3 MMPs破坏宿主的皮肤屏障 受婴儿利什曼原虫（L.infantum）感染的犬受损皮肤中，其MMP-9 蛋白水平和酶活性显著升高，同时观察到大量成熟的胶原纤维降解，且皮肤的损伤程度与炎症程度、宿主荷虫量和成熟胶原纤维降解程度呈正比，表明MMP-9 诱导了真皮胶原成分降解，从而有利于被L.infantum寄生的巨噬细胞向血管扩散，也有利于寄生虫的全身传播和持续性感染的维持［16］。

2.2 MMPs 调节寄生虫疾病的发展与转归 寄生虫感染过程较慢、持续时间较长，而MMPs在寄生虫疾病的漫长发展过程中起着重要的作用，最终导致寄生虫疾病的发展和转归。

2.2.1 MMPs水平与肝、肺损伤相关 MMPs是胶原代谢和纤维化病理生理过程中的关键酶。肝细胞与感染恰氏利什曼原虫（L.chagasi）的巨噬细胞共培养48 h 后，肝细胞形态出现退行性改变，同时肝细胞释放大量损伤标志物——丙氨酸和天冬氨酸转氨酶，而共培养细胞提取液和上清液中MMP-9 酶活性增加，添加金属蛋白酶抑制剂1，10-phenantroline 可显著减少丙氨酸和天冬氨酸转氨酶等肝损伤标志物的释放，提示MMP-9可能通过破坏肝细胞结构而参与肝损伤［17］。A.cantonensis感染后期会引起小鼠肺部出现肉芽肿性纤维化，在此过程中MMP-2、-9、-13蛋白水平升高，其升高与纤连蛋白降解发生的时间基本一致，并且免疫沉淀显示MMP-2、-9、-13分别与纤连蛋白发生互作，表明MMP-2、-9 和-13 可能参与了A.cantonensis诱导的纤维性肉芽肿的纤连蛋白降解，促进肺部肉芽肿消退［18］。

2.2.2 MMPs 水平与脑损伤相关 小鼠感染A.cantonensis后，脑内浦肯野细胞出现变性萎缩和部分消失，小脑中MMP-9 mRNA水平升高，且随变性程度的加深，MMP-9 蛋白水平和酶活性升高，免疫组化发现MMP-9存在于浦肯野细胞中。当加入特异性基质金属蛋白酶抑制剂GM6001后，变性的浦肯野细胞数量和MMP-9 酶活性明显降低，提示MMP-9 的表达可能与A.cantonensis感染小鼠小脑浦肯野细胞的变性有关。猪囊尾蚴（Cysticercus cellulosae）感染引起脑囊尾蚴病的患者（无症状和癫痫症状）的血清MMP-2、-9 蛋白水平均升高，其中仅有癫痫症状患者的血清MMP-9 呈显著升高，表明MMP-9 有助于引起脑囊尾蚴病患者癫痫症状的出现［19］；C.cellulosae感染形成的脑包囊中MMP-9 mRNA 水平显著升高，且退化性包囊中的MMP-9 活性显著高于活动性包囊，提示MMP-9与囊肿分期进展相关［20］。

2.2.3 MMPs水平与皮肤病变进程相关 感染巴西利什曼原虫（L.braziliensis）患者皮肤中的MMP-9 基因表达显著高于健康者，且处于溃疡前阶段的L.braziliensis感染患者的外周血单核细胞经可溶性L.braziliensis抗原刺激后，细胞中MMP-9 蛋白表达量显著升高，而TIMP-1表达下降，但细胞中MMP-9/TIMP 水平低于典型的溃疡患者，说明MMP-9 表达增加和MMP-9/TIMP 失衡与皮肤利什曼病发展到溃疡阶段密切相关［6］。

2.3 MMPs 作为寄生虫疾病的生物学标志L.braziliensis感染引起皮肤利什曼病（LCL），但其临床治愈后可能发展为黏膜利什曼病（ML）。研究发现，有LCL病史患者的巨噬细胞在未感染和感染L.braziliensis后，其上清中MMP-9 活性均较有ML病史的患者低，说明MMP-9可能作为预测LCL发展为ML的生物标志物［21］。与健康人相比，感染布氏旋毛虫（Trichinella britovi）的患者血清中的MMP-9 蛋白量及活性显著升高，具有明显腹泻、肌痛和面部水肿等症状的患者血清中的MMP-9蛋白量较轻微临床症状患者更高，提示MMP-9可作为旋毛虫病患者临床症状的标志物［22］。

2.4 宿主MMPs 有利于寄生虫的发育 蚊子吸食感染疟原虫（Plasmodium berghei）的小鼠血液后，蚊子MMP-1表达显著升高，但用dsRNA干扰蚊子MMP-1后再吸食P.berghei感染小鼠的血液，发现干扰组蚊子体内的疟原虫卵囊数较未干扰组显著减少，表明蚊子MMP-1 有利于蚊子体内疟原虫卵囊的形成［23］。

3 寄生虫MMPs与寄生虫疾病

寄生虫感染宿主体时，可引起宿主MMPs 发生变化，同时寄生虫亦存在MMPs，但有关寄生虫MMPs 的研究较少。目前，仅有少量关于棘颚口线虫（Gnathostoma spinigerum）和福氏耐格里阿米巴原虫（Naegleria fowleri）的MMPs研究报道。

以G.spinigerum重组MMP蛋白建立的免疫印迹法（WB）和斑点酶联免疫吸附试验方法（Dot-ELISA）对健康个体、棘颚口线虫病患者及其他寄生虫感染患者的血清进行检查，发现WB和Dot-ELISA 具有较高的敏感性（均为100%）和特异性（WB为94.7%；Dot-ELISA为96.1%）［10］，表明MMP蛋白可作为棘颚口线虫病的诊断抗原［24］。N.fowleri感染人工基底膜2 h后，基底膜复合材料被破坏，扫描电镜发现滋养体侵入基底膜中，且在基底膜存在的情况下，N.fowleriMMPs 蛋白的水解活性增加，当使用抑制剂1，10-Phenanthroline后，N.fowleriMMPs 活性及N.fowleri滋养体进入人工基底膜的数量显著受抑制，表明滋养体的活力和入侵至少部分依赖于虫体MMPs蛋白的水解活性［9］。

4 总结

综上所述，在寄生虫感染中，宿主与寄生虫的MMPs 在寄生虫疾病的发生、发展过程中都起着举足轻重的作用。但目前主要集中于部分原虫和蠕虫感染后宿主MMPs 的研究，仍有大量其他寄生虫感染的宿主MMPs研究处于空白。值得注意的是，相对于宿主MMPs的研究而言，对寄生虫来源的MMPs 相关功能的研究还十分匮乏，且宿主和寄生虫二者产生的MMPs之间是否存在相互作用也有待探究。