基質金屬蛋白酶類在顱腦損傷中的作用機制

黃志純 田新華

基質金屬蛋白酶類在顱腦損傷中的作用機制

黃志純 田新華

繼發(fā)性腦損傷是影響顱腦損傷發(fā)展和預后的重要因素之一，早期病情的診斷和進展預測將有助于診斷并進行適當?shù)闹委煟瑴p輕或避免某些繼發(fā)性損傷以提高患者的療效，改善 預 后 。 近 年 來 ，隨 著 對 基 質 金 屬 蛋 白 酶 系 (matrix metalloproteinases，MMPs)的不斷深入研究，金屬蛋白酶系在繼發(fā)性腦損傷中的作用日益受到人們的重視。本文就基質MMPs在顱腦外傷方面的研究概述如下。

一、MMPs家族

(一)MMPs家族概述

MMPs家族是一組含鋅的中性蛋白酶基因家族，屬于金屬蛋白酶超家族中的亞型，主要由血管平滑肌細胞、內皮細胞及單核細胞等產生。在腦組織中，膠質細胞、小膠質細胞、毛細血管內皮細胞、巨噬細胞、中性粒細胞等多種細胞可產生MMPs。MMPs有著共同的分子結構，從N端至C端依次為信號肽、前肽、催化區(qū)，在研究蝌蚪形態(tài)變化時發(fā)現(xiàn)，至今其成員已達 20 多種[1-2]。依據(jù)其底物特異性、蛋白質結構及序 列同源性分為 4 個 亞型：(1)膠 原酶類：MMP-1、MMP-8、MMP-13；(2)明膠酶類：MMP-2、MMP-9，又稱明膠酶 A、B；(3)基 質 降 解 酶 類 ：MMP-3、MMP-10、MMP-11、MMP-7 和MMP-26；(4)膜型金屬蛋白酶類：MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17、MMP-24 和 MMP-25。MMPs的主要功能是降解細胞外基質(extracellularmatrix，ECM)，其中降解血管基底膜的主要成分為：明膠、IV型和V型膠原、黏連蛋白、彈性蛋白及纖連蛋白。一種MMP可以直接降解某一種或幾種ECM，也可以通過激活其他類型的MMPs而發(fā)揮作用，從而形成瀑布效應。在生理條件下，MMPs參與胚胎發(fā)育、組織重塑、創(chuàng)傷愈合和血管發(fā)生；在病理條件下，其參與纖維變性、關節(jié)炎等的病理改變及腫瘤的生長、遷移、侵襲、和轉移等[3-5]。研究還發(fā)現(xiàn)，MMPs尤其是 MMP-9、MMP-2 還參與創(chuàng)傷性中樞神經(jīng)損傷的病理過程。腦毛細血管壁基底膜的主要成分為Ⅳ型膠原、層黏蛋白和纖黏蛋白。腦損傷后直接的機械暴力導致局灶性出血，最終引起血管內皮細胞、平滑肌細胞及膠質細胞分泌MMPs，使基底膜通透性和結構改變，從而導致微血管出血加重病情。

(二)MMP-2、MMP-9 的生理特性

MMP-2、MMP-9 通常在中性 pH 值條件下發(fā)揮活性，需要內源性 Zn2+、Ca2+參與時活性最大。兩者均以無活性的前體形式分泌，經(jīng)蛋白酶水解或在有機汞如4-醋酸氨基苯汞作用下而激活，其活性可被螯合劑或基質金屬蛋白酶組織抑制劑(tissue inhibitorofmetalloproteinase，TIMP)所抑制，不受其他蛋白酶類如絲氨酸蛋白酶類抑制劑的影響。MMP-2活化后分子 質 量 為66 000或62 000。 其ECM底物包括明膠、Ⅳ 、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型膠原、彈性蛋白、層黏連蛋白、纖維連接蛋白、蛋白多糖。MMP-9 主 要以前酶原(78 000～82 000)的形 式合成，其ECM底物包括明膠、Ⅳ、Ⅴ型膠原、彈性蛋白。目前在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(centralnervoussystem，CNS)內有關 MMPs的研究中，免疫組化研究顯示正常人CNS、血管周圍細胞和小膠質細胞有低水平的 MMP-9 的表達，MMP-2 陽性細胞少見。體外培養(yǎng)的大鼠小膠質細胞激活后可分泌MMP-9，人海馬錐體細胞亦可合成MMP-9。有研究報道發(fā)育中的小鼠胚腦有 MMP-9mRNA的表達，提示MMP-9與神經(jīng)發(fā)育有關，而MMP-2 與神經(jīng)軸突的再生有關[6]。很多細胞因子和生長因子調節(jié) MMP-2和 MMP-9的基因轉錄和活性，MMPs的生物活性由轉錄、酶原活化和蛋白水解酶等調節(jié)。具有誘導活化的因素包括白介素-1(IL-1)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、表皮生長因子(EGF)、血管內皮生長因子(VEGF)、血小板衍生生長因子(PDGF)、轉化生長因子β(TGF-β)等；具有抑制作用的因素有干擾素β-1b。TGF-β可增加人成纖維細胞培養(yǎng)基MMP-2 的水平。IL-1α和 TNF-α可促進人血管平滑肌細胞(smoothmuscle cell，SMC)分泌 MMP-9，但對 MMP-2mRNA無影響。MMPs的蛋白水解酶活性受非特異性和特異性抑制劑的抑制，非特異性抑制劑包括a2巨球蛋白、a1抗蛋白酶和 BB-94；特異性抑制劑為 TIMP。目前已發(fā)現(xiàn)的 TIMP 有 4種[7]：TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3 和 TIMP-4。TIMP 以 1∶l的比例與活化的 MMPs結合，并抑制其活性。TIMP-1 抑制大多數(shù) MMPs活性；TIMP-2 除對 MMP-9 以外，對大多數(shù) MMPs均有抑制作用；TIMP-3 具有抑制 MMP-1、2、3、9、13 活性的作用。TIMP-1和TIMP-2是多功能蛋白，結構—功能研究已將 TIMP-1 對 MMP 的抑制作用與其促進作用分開。TIMP-3是唯一存在于ECM內的TIMP家族成員，初步了解它可能是一種細胞最終分化的標志物。TIMP-4 有參與穩(wěn)定 ECM 的功能，目前對其仍知之甚少。

二、MMPs在顱腦損傷中的作用

近年來MMPs與顱腦損傷的相關性逐漸為國內外學者所重視，尤其是 MMP-9 和 MMP-2[8]與缺血性腦損傷關系密切。顱腦損傷后繼發(fā)的缺血、缺氧性損害是造成預后不良的重要因素。重型顱腦損傷后早期腦缺血的發(fā)生率極高，且缺血程度與預后明顯相關[9]。MMPs對神經(jīng)系統(tǒng)的作用和影響十分廣泛，國內外許多研究證實，腦缺血時MMPs表達升高，降解 ECM 導致血腦屏障(blood brain barrier，BBB)破壞，引發(fā)血管源性腦水腫，出血轉化乃至神經(jīng)元損傷[10-12]。多項動物實驗和臨床研究中發(fā)現(xiàn)，腦缺血及再灌注損傷可誘導MMPs的表達，尤其是 MMP-9 和 MMP-2 活性增加[8]。Asahi等[12]發(fā)現(xiàn)MMP-9基因剔除導致大鼠腦缺血后，BBB破壞和白質成分的降解都少于對照組，腦損傷體積也相應減小。在腦損傷病理過程中，MMPs與腦血管通透性增高、BBB破壞、炎性細胞 侵 入 和 腦 水 腫 等 明 顯 相 關[13-15]。 其 中 起 主 導 作 用 的 是MMP-9和MMP-2，早期主要涉及 MMP-2，它是由膜型MMP激活的，短時間內恢復正常；遲發(fā)的BBB開放和破壞可持續(xù)幾天，造成嚴重的腦組織損害、出血、水腫、腦梗死等，MMP-9在腦組織和血中顯著升高而起了主導作用。

(一)MMPs對 BBB 的影響

BBB主要由腦毛細血管內皮細胞、內皮細胞間緊密連接、血管基底膜以及膠質細胞終足構成?；な前@腦毛細血管內皮細胞的一種特殊形式的ECM，主要由Ⅳ型膠原、層粘連蛋白和纖維連接蛋白等構成，這三者均是MMPs的作用底物。腦毛細血管細胞間的緊密連接是由跨膜蛋白和胞漿輔助蛋白(如 ZO-1、ZO-2、ZO-3、AF-6和 cingulin等)等構成的復雜連接體，通過胞漿輔助蛋白(主要為 ZO)與細胞骨架相連接，在內皮細胞間形成連續(xù)的封閉網(wǎng)[16]。ZO-1 是 MMP-9的作用底物，可被MMP-9降解。神經(jīng)創(chuàng)傷時MMP-9活性升高，水解血管基質成分——Ⅳ型膠原、層黏連蛋白和纖維連接蛋白，以及緊密連接蛋白ZO-1，使基膜和緊密連接結構破壞，BBB通透性增加，導致血管源性腦水腫。抑制MMPs活性，可使通透性下降，減低腦水腫[15-17]。

顱腦損傷后缺血、血流動力學改變、炎癥及氧化應激都可以刺激炎性細胞、神經(jīng)元、內皮細胞和膠質細胞，從而激活MMPs系統(tǒng)。神經(jīng)元、星形膠質細胞、少突膠質細胞、小膠質細胞、內皮細胞和侵入的中性粒細胞都可以表達大量MMPs。顱腦損傷所造成的BBB開放和破壞機制，是由多種因素參與的一系列瀑布樣反應過程，最終由MMPs等蛋白酶直 接 參 與 BBB 的 開 放 和 破 壞[10]。 涉 及 到 的 MMPs 包 括MMP-2、MMP-9、MMP-3以及MT-MMP等，起主導作用的是MMP-2、MMP-9，過度表達的MMP-9可破壞BBB，造成血管源性腦水腫，同時炎性細胞侵入缺血受損的腦組織，從而加重腦損害。

(二)MMPs誘導神經(jīng)細胞凋亡

正常細胞黏附于ECM，激活多種信號傳導通路，保證了細胞的存活、生長和增殖。當細胞與ECM脫離黏附接觸或者是接觸不完全時會出現(xiàn)凋亡，這種凋亡被稱為失巢凋亡。MMPs 尤 其 是 MMP-9 的 過 度 表 達 可 導 致 神 經(jīng) 元 凋 亡[18]。Gu 等[18-19]采 用 神 經(jīng) 元 標 志 物 微 管 相 關 蛋 白 -2 (microtubule-associated protein-2，MAP-2)的 抗 體 和 TUNEL雙重標記方法進行檢測發(fā)現(xiàn)，在體外培養(yǎng)皮質神經(jīng)元中加入活化的 MMP-9 可誘導細胞凋亡，而加入 MMP-9 抑制劑后神經(jīng)元凋亡被阻斷。該實驗顯示，TBI后MMP-9表達的出現(xiàn)時間及高峰到達時間均與細胞凋亡的相應時間一致，兩者都與繼發(fā)性顱腦損傷有關，提示MMP-9可能參與TBI后繼發(fā)性神經(jīng)細胞凋亡過程。

(三)MMPs參與顱腦損傷后的炎癥反應

越來越多的證據(jù)表明，炎癥反應時多種細胞因子可上調MMPs表達。然而，MMPs又不僅僅被動地作為炎癥反應的下游產物而出現(xiàn)，它還對許多促炎因子發(fā)揮正反饋作用，是炎癥反應的“調節(jié)劑”。顱腦損傷作為一種細胞外應激信號，激活了多個信號轉導系統(tǒng)，如氧化應激和絲裂原活化蛋白激酶通路。這2條信號轉導通路涉及的主要蛋白質是活化蛋白 -1(AP-1)和 核 轉 錄 因 子 -kB(NF-kB)。 已 有 研 究 證 實 ，MMP-9 的基因啟動子在 NF-kB、AP-1、SP-1 有結合位點，促炎因子可以通過這些位點上調MMP-9的表達，作為一種炎癥 介 質 參 與 炎 癥 反 應 。MMP-9 可 以 將 分 子 質 量 26 000 的TNF-α 前 體 裂 解 成 為 具 有 活 性 形 式 的 分 子 質 量 17 000 的TNF-α[9]。 TNF-α 則 可 以 通 過 TNF-α 的 受 體 TNFR 誘 導MMP-9的釋放。神經(jīng)創(chuàng)傷后的炎癥反應在創(chuàng)傷后迅速發(fā)生，這種無菌性的炎癥反應，將產生大量的炎癥細胞因子，包括 TNF、IL-1、IL-6 等，這些炎性細胞因子和 MMP-9 之間存在著正反饋的關系，從而加劇了腦損傷后的炎癥反應。

MMPs激活發(fā)生在腦損傷早期，推動了腦外傷后炎癥的發(fā)生發(fā)展。MMPs破壞血管基底膜，而基底膜的降解使中性粒細胞能夠向損傷腦組織聚集、浸潤，由此引發(fā)一系列炎性反應。此外，白細胞介素-6、TNF-α等多種細胞因子又可使MMPs 的 表 達 顯 著 增 高 ，加 重 組 織 損 傷 ，形 成 惡 性 循 環(huán)[13]。因此，在腦損傷、腦缺血后的炎性反應中，MMPs的作用不容忽視。

(四)MMPs參與白質脫髓鞘和軸突變性崩解

髓鞘堿性蛋 白(myelin basic protein，MBP)是構成髓鞘的主要蛋白質，在CNS內由少突膠質細胞合成和分泌。MBP是 MMP-9 的作用底物，MMP-9 特異性地降解 MBP，對其他髓鞘蛋 白如 PLP 和 DM 20 無 降解作用[14]。 腦創(chuàng)傷后 MMP-9的活性升高，可降解MBP，以致髓鞘脫失，白質損傷，腦功能損害。

三、展望

綜上所述，MMPs在顱腦損傷的繼發(fā)性損害的發(fā)生、發(fā)展過程中起重要作用，它參與了BBB的破壞，導致血管源性腦水腫、炎性反應、微循環(huán)障礙、神經(jīng)細胞凋亡、白質脫髓鞘和軸突變性崩解等。深入研究MMPs參與腦損傷后腦繼發(fā)性損害的作用機制，可為顱腦損傷的治療提供新靶標。

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2015-01-02)

(本文編輯：張麗)

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2015.01.011

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田新華，Email：tianxinhua@126.com

黃志純,田新華 .基質金屬蛋白酶類在顱腦損傷中的作用機制[J/CD].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志,2015,1(1):39-41.