基质金属蛋白酶及其抑制剂与氟斑牙相关性的研究进展

聂玉宁 汤晔 综述 陈黎明△ 审校

(1.遵义医科大学口腔医学院，贵州 遵义 563000；2.贵阳市口腔医院，贵州 贵阳 550002)

氟斑牙是发育中的牙齿暴露于过量的氟化物导致牙釉质发育矿化缺陷，使釉质的结构和外观发生不良改变的一种牙体硬组织疾病。研究发现，与正常釉质相比氟斑牙釉质中的孔隙增多，存在较多的有机质成分，而这是由于牙釉质基质的釉原蛋白降解延迟和清除障碍。多数研究表明，在釉基质蛋白降解及清除障碍与氟斑牙关系的研究中，基质金属蛋白酶(MMPs)及基质金属蛋白酶抑制剂(TIMPs)有着一定的功能。目前，MMPs和TIMPs在氟斑牙发生发展过程中的作用及机制尚未完全阐明，且始终缺乏对MMPs和TIMPs家族与氟斑牙关联性的系统报道。基于对国内外研究成果的深入分析，本文将从MMPs及TIMPs的生物学特征及各自与氟斑牙的关系展开论述。

1 MMPs和TIMPs的生物学特征

1.1MMPs种类、特点和功能 基质金属蛋白酶(MMPs)是编码细胞外基质(Extrocelluar Matrix，ECM)的内肽酶， 是一类依赖Zn2+和Ca2+的蛋白水解酶，其活性部位涉及金属离子，主要是锌，还包括其他金属，如钴、锰或镍。目前已分离鉴别出26个成员，分别命名为MMP1-26 。根据结构域及作用底物的不同，MMPs通常被分为6类[1-2]：胶原酶(MMP-1、 MMP-8、MMP-13和MMP-18)，明胶酶(MMP-2和 MMP-9)， 间质溶解素 (MMP-3、 MMP-10 和 MMP-11)，基质溶解因子(MMP-7 和 MMP-26)， 膜型MMPs(membrane-typeMMPs，MT-MMPs) (MMP-14～17、MMP-24和 MMP-25)，其他MMPs(MMP-12、MMP-19～23、MMP-27和MMP-28。MMPs的失调可影响许多生理过程，如形态发生、血管生成、组织重塑(如心血管重塑)、胚胎发育、细胞生长和死亡的调节以及伤口愈合[3-4]。MMPs同时也在口腔的生理和病理过程中都起着重要作用。它们已经从龈沟液、牙釉质、唾液以及牙周组织的标本中分离出来。一些研究表明[5-6]，MMPs在口腔组织形成和修复过程中对牙体硬组织和颌骨的有机基质地重塑有着具体作用。

1.2TIMPs种类、特点和功能 TIMPs是一种分泌型金属蛋白酶抑制剂，广泛分布于脊椎动物和无脊椎动物中，TIMPs是MMPs主要内源性抑制因子，能特异地抑制MMPs。TIMP家族有四个同源成员[7-9],分别命名为TIMP-1、-2、-3、-4。然而，MMPs抑制的效果因各TIMPs而异。例如[10]，TIMP-1是许多MMPs的强抑制剂，除了一些膜型MT-MMPs，包括MMP-14、-15、-16、-19和-24[8-9]。同样，TIMP-1、-3都与MMP-9相关，而TIMP-2、-3和-4能够与MMP-2相互作用。但是Lu等学者表明[11]，TIMP-2对MMPs家族所有成员都有抑制作用，且能阻碍所有被激活的MMPs的水解活性，然而有待进一步验证。TIMPs的表达在发育和组织重塑中受到调节，对MMPs有特异性强效抑制作用。

2 MMPs与TIMPs的动态平衡

在大多数的人体组织中，MMPs保持在相当低的表达水平，MMPs和TIMPs之间的平衡维持ECM平衡[12]。TIMPs以1∶1的比例与MMPs结合，可抑制MMPs酶原活化，MMPs/TIMPs 比率通常用以确定蛋白质降解和组织重塑的程度 。然而，随着炎症和重塑活动的某些需求，MMPs表达增加，导致MMPs和TIMPs水平失衡[4,12]，平衡向MMPs倾斜导致蛋白水解增加，而平衡向TIMP倾斜导致蛋白水解减少。

3 MMPs与氟斑牙的关系

MMPs对牙齿发育、分化、生长、成形和凋亡有着重要作用[13]。在釉质发育过程中，90%的釉基质蛋白是釉原蛋白，是釉质分泌期的主要蛋白。釉原蛋白和釉基质蛋白酶是由成釉细胞合成的。成釉细胞分阶段形成牙釉质。随着牙釉质成熟，釉原蛋白被多种蛋白酶水解，如基质金属蛋白酶。它与激肽释放酶相关肽酶4(KLK4)及其底物胶原蛋白V、聚集蛋白聚糖、釉原蛋白一起[14-15]，经历釉原蛋白的裂解，为晶体矿物的生长提供空间。而氟化物引起的蛋白酶活性的变化可能会导致釉原蛋白去除延迟，从而导致釉质基质矿化延迟，形成的釉质晶体孔隙较大[16-17]，而这就是氟斑牙的病理特征。在矿化之前，MMPs可能参与牙釉质和牙本质有机基质的形成，或者它们可能通过控制蛋白多糖的周转来调节矿化。氟化物对蛋白酶的影响可能是减少釉质基质中蛋白酶总量，或改变正在发育的釉质基质内蛋白酶的活性。氟和MMPs之间相互作用的其他证据已经被观察到。有证据表明，MMPs不仅可能参与了氟斑牙和成骨不全症的病因，而且在龋病的进展中起着一定的作用，MMPs在龋病中牙本质胶原蛋白的分解中起着关键作用[18]，此外，MMP-13基因多态性rs478927与巴西亚马逊地区儿童龋齿发生和釉质发育缺陷有关[19]。国内目前MMPs在氟中毒领域的研究多集中于动物实验和体外细胞实验，在人体中变化特点的研究较为少见[20]。目前，MMPs家族中与氟斑牙相关联的主要是MMP-2、MMP-9、MMP-13与MMP-20。

3.1MMP-2、MMP-9、MMP-13 MMP-2为一种Zn2+依赖性蛋白水解酶，其功能主要为分解细胞外基质(Extrocelluar Matrix，ECM) 和基底膜(Basement Menbrane，BM)。MMP-13 又被称为胶原酶-3，其底物丰富，包括胶原蛋白、明胶、蛋白聚糖、基底膜蛋白多糖和纤维黏连蛋白等，MMP-13 主要与矿化骨基质有关，与组织蛋白酶-K和MMP-9协同，在骨基质I型胶原蛋白的降解中发挥重要作用[21]。近年来迟波学者和黄华学者研究显示[22-23]：检测氟暴露人群的血清样本中MMP-2、MMP-9、MMP-13的活性，得到结论，氟可能通过诱导MMP-2、MMP-9、MMP-13活性，影响骨代谢，与氟骨症地发生发展有相关。贾志红等学者[24]，观察慢性氟中毒与大鼠骨组织破骨细胞中MMP-9、mRNA表达及骨细胞分化成熟过程的相关影响，得出慢性氟中毒影响大鼠骨组织破骨细胞中MMP-9蛋白、mRNA的表达，并通过调节二者的表达水平影响破骨细胞的分化、成熟过程。

Priscilla等学者研究中[25]，选择并评估了MMP-2与MMP-9基因多态性，在基因多态性rs243865中，遗传变异与MMP-2的下调有关，其中等位基因A与氟斑牙有边缘性关联。在此研究中，Gln-Gln基因型在氟斑牙组中的比例较低，并且也是边缘相关的。这可能是这两个遗传多态性，MMP-2的rs243865和MMP-9的rs17576在更大的样本中可能与氟斑牙有关。提示我们，在今后的研究中需要多种族多地区多样本量来证实。

3.2MMP-20 MMP-20作用于釉原蛋白，对釉质具有特异性。在牙釉质形成中，它的主要功能是促进有机基质与矿物质的有序替换。在国外一些基因敲除实验中，在MMP-20缺失的情况下，有机基质不能被矿化，从而阻止了釉质分泌期晶体的增厚。在咀嚼的压力下，变弱的晶体会崩裂，牙釉质碎片也会从牙冠上脱落。MMP-20缓慢降解珐琅质蛋白质，这些蛋白质分离分泌阶段的薄晶体带，使晶体能够分离。张雪莉等学者[26]通过建立氟斑牙动物模型，得出了过量氟抑制MMP-20的表达，使MMP-20/TIMP-2 的表达失衡，成釉基质蛋白清除延迟，蛋白储留，导致釉质矿化不良，形成氟斑牙，褪黑素对氟斑牙的形成无拮抗作用。

4 TIMPs与氟斑牙的关系

TIMPs对MMPs活性的抑制作用是MMPs活性的重要调节机制。国外Küchler EC学者[27]等在里约热内卢市招募481名6～18岁的受试者，一个公共水供应加氟的城市，评估了脱落的恒牙，采用实时荧光定量PCR技术分析TIMP-1和TIMP-2基因的遗传多态性，得出TIMP-1 rs4898可能与氟斑牙相关，Logistic回归分析显示，TIMP-1 rs4898与氟斑牙相关，过量的氟化物会破坏MMPs/TIMPs的平衡，导致釉质成熟过程中釉质原蛋白去除和矿化延迟。

5 总 结

上文中我们系统性地总结了基质金属蛋白酶及其抑制剂各自的构成与功能，且阐述了它们与氟斑牙之间的关系。从结果可以知道，基质金属蛋白酶及其抑制剂与氟斑牙有着密切地关系。由于氟斑牙的形成与地城环境因素、人类种族、饮食习惯等等有着密不可分的关系，可能很难得出明确的结论。目前，我们无法找到任何来自国人的公开研究。因此，今后的研究需要采用更丰富的多地区大样本，不局限于单个基因和氟斑牙相关性的研究，而是综合考虑基因-环境相互作用以及基因-基因相互作用，利用生物数据库和生物信息学分析，从而更好地了解氟斑牙病因，对氟斑牙的易感性进行早期评价，这将有助于对氟斑牙的早期预防、诊断和治疗。但我们可以更进一步观察到的是，基质金属蛋白酶及抑制剂在牙齿硬组织发育不全的相关性，特定启动子区域的多态性可以影响相关疾病的易感性，希望未来在分子水平上对氟斑牙病因地探索能够更进一步。所以要将研究成果与实际应用结合起来，我们还得进一步地走入国内氟斑牙高发地区进行靶向调研，这样的研究结果才能更好地指导我们国内特殊地区人民的口腔健康预防工作。