基质金属蛋白酶与腰椎间盘退变的研究进展

陶帅 ，姜宏 ，李晓春 ，刘锦涛 ，钱祥

（1南京中医药大学，江苏 南京 210029；2苏州市中医医院骨科，江苏 苏州 215009）

腰椎间盘退行性变是骨科常见的疾病之一，是引起腰椎间盘突出症、慢性下腰、神经痛的重要病理基础，其复杂生理病理改变受到多种因素调控。目前研究认为腰椎间盘退变的实质主要在于椎间盘细胞外基质的降解和椎间盘髓核细胞量的减少，而基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinases，MMPs）在这一退变过程中发挥着重要作用。本文就近几年来MMPs在腰椎间盘退变的研究作一概述。

1 椎间盘细胞外基质构成

椎间盘主要由丰富的细胞外基质和少量的细胞构成，细胞外基质主要由蛋白多糖、水、胶原、年龄色素和少量弹性蛋白等成分组成，从而决定了椎间盘髓核组织可分解压力，吸收负荷的的固有特性[1，2]。椎间盘组织中的胶原主要分为Ⅰ型和Ⅱ型胶原，其中80%为Ⅱ型胶原[3]。当椎间盘发生退变时，Ⅰ型胶原增加，部分Ⅱ型胶原被Ⅰ型所替代，Ⅰ/Ⅱ型胶原的比例发生变化，同时胶原纤维钙化，黏性及凝胶性降低，纤维性增加，髓核吸收承受外力的功能下降而易于损伤[4、5]。国外有学者认为[6]，将椎间盘细胞外基质中可抵抗压应力的蛋白多糖，可抵抗张应力的胶原，可缓冲机械力的弹性蛋白等多种成分密切配合，是维持椎间盘良好力学性能的基础。相反，当椎间盘退变时，这些成分不能良好配合，是导致纤维环破裂，椎间盘突出的一个重要原因。

2 MMPs与椎间盘退变的关系

2.1 MMPs的激活与调节

MMPs是一类重要的基质蛋白水解酶，由体内炎性细胞及成纤维细胞分泌，主要参与细胞外基质的降解过程。在正常椎间盘组织中，MMPs通常都是以无活性的酶原形式存在，当椎间盘组织发生退变时，MMPs被激活并通过发生级联放大反应水解细胞外基质[7]。同时，体内有众多细胞因子通过影响MMPS的表达直接或间接参与椎间盘退变过程。

2.1.1 MMPS与VEGF 正常椎间盘组织无血管长入，椎间盘退变与老化时出现毛细血管，此时巨噬细胞可以通过新生血管侵入基质，直接刺激MMPs分泌，同时血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF） 可通过某些途径激发蛋白溶酶的活性并使其不断增殖，进一步增强MMPs的分泌，从而对细胞外基质进行降解[8]。Kokubo Y等[9]通过500例椎间盘退变组织发现在不同的退变进程中，MMPS与VEGF表达量不一，当新生血管从边缘长入退变椎间盘细胞时，MMP-3表达增强，同时巨噬细胞聚集在细小血管周围，发挥自身免疫作用，影响椎间盘退变。Kato等[10]研究证实VEGF可诱导退变椎间盘组织产生尿激酶，而尿激酶可直接刺激MMPs系统增强蛋白酶的分泌，因此VEGF为降解细胞外基质提供了必须条件，间接影响椎间盘退变。

2.1.2 MMPS与TNF-α 肿瘤坏死因子-α（Tumor necrosis factor-α，TNF-α）属于肿瘤坏死因子超家族成员，具有较强的炎性能力，MMPs在其刺激下活性增强且基因易表达，从而使退变的椎间盘细胞产生MMPs。姜世峰等[11]认为在有Modic改变的退变腰椎间盘终板的基础上，TNF-α和MMP-3的表达量明显高于无Modic改变的退变腰椎间盘终板，TNF-α和MMP-3在腰椎间盘终板退变过程中可能起协同促进作用。杜伟等[12]通过实验证明MMP-3、TNF-α的表达与椎间盘退变呈正相关趋势，认为TNF-α可能与神经功能损伤有关，MMP3与椎间盘突出有关，并对TNF-α介导的神经功能损伤起促进作用。Studer RK等[13]研究发现TNF-α可诱导退变椎间盘分泌MMP-13，其诱导级联反应可在白细胞介素-6（Interleukin-6，IL-6）的介入下被放大，认为减少IL-6的分泌可帮助维持退变椎间盘的成分、结构和功能。

2.1.3 MMPs与白细胞介素 研究证实，椎间盘中存在有多种炎性细胞因子，其中白细胞介素系列与MMPs相互作用对椎间盘退变的过程有一定影响[14]。Liu等[4]通过体外培养的人体椎间盘组织发现在退变的椎间盘中白细胞介素-1β（IL-1β）及其受体的含量明显升高，同时在IL-1β的刺激下，发现MMPs的生成量显著增加，并呈一定的时效关系，其中髓核组织的分泌量高于纤维环组织。王明月等[15]通过免疫组化方法分别检测腰椎间盘突出症手术切除的椎间盘组织（实验组）和腰外伤骨折患者取出的椎间盘组织（对照组），结果显示实验组IL-1α和MMP2的阳性率远远高于对照组，而实验组中游离型较突出型腰椎间盘突出症MMP-2的阳性表达率显著增高，IL-1α的表达率无明显差异，认为IL-1α的表达增强与椎间盘退变程度不呈正相关性，同时IL-1α与MMP2在腰椎间盘退变过程中起一定的关联作用。孙东良等[16]通过动物实验证明IL-1可诱导去除卵巢大鼠椎间盘细胞中MMP-13的基因表达增强而使MMP-13的表达量增加，认为IL-1和MMP-13两者表达量同时增加在腰椎间盘退变形成和发展过程中起到重要作用。

2.1.4 其他因素 近年来，国外有学者[17]认为缺氧诱导因子-1α（Hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α） 与 MMP-2在椎间盘退变过程中表达都呈增高趋势，两者相互依存，协调统一，共同参与椎间盘的退变过程。另外，研究表明[18]高迁移率族蛋白B1、胰岛素样生长因子、血小板衍生因子等均能上调MMPs的表达，影响腰椎间盘退变。目前，陈德胜等[19]通过动物实验得出枸杞多糖可通过能够抗氧化和抑制炎症反应两方面来降低大鼠退变椎间盘组织中MMP-3的阳性表达率，从而延缓了椎间盘退变；此外，他还运用动物实验证明了白藜芦醇可通过抑制MMP-9的表达而减轻实验性腰椎间盘组织退变[20]，进一步证实中草药提取物在影响腰椎间盘退变方面有一定的调节作用。

2.2 MMPS与TIMPS平衡失调

目前研究认为，正常椎间盘的细胞外基质处于不断合成与分解的相对平衡状态，当椎间盘髓核组织中的组成成分随着椎间盘的退变而发生变化时，髓核组织失去其原有的特性，这一平衡被打破，加速椎间盘退变。金属蛋白酶组织抑制剂（Tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs）是一种特异性的基质金属蛋白酶抑制剂，受到多种因子调控，可通过直接抑制MMPs的分泌来减缓椎间盘细胞外基质的降解速度，从而对椎间盘退变起一定的保护作用[4]。陈刚等[21]将退变椎间盘髓核组织和正常椎间盘髓核组织进行免疫组化分析，结果显示退变髓核细胞中MMP-1和TIMP-1两指标均较对照组表达明显，但在退变椎间盘髓核细胞中MMP-1较TIMP-1增加显著，MMP-1/TIMP-1平衡失调，导致椎间盘退变突出。Bachmeier BE等[22]运用免疫组化和实时反转录聚合酶链反应（RT-PCR）对退变椎间盘髓核组织进行分析，结果显示髓核标本中MMP-3 表达最明显，MMP-8、TIMP-1表达相对正常，而TIMP-2的表达相对减小，影响MMPs/TIMPs平衡。此外，MMPs/TIMPs平衡失调还与髓核细胞所处的酸碱度（PH）环境，椎间盘所承受负荷，抗生素的应用等多种因素有关，从而促进腰椎间盘退变。

2.3 MMPS与腰椎间盘突出重吸收

目前，腰椎间盘突出后重吸收现象已得到广泛认可，可认为是腰椎间盘退变过程的一种特殊发展形式，大量研究表明突破后纵韧带的腰椎间盘突出组织较易发生重吸收现象[23-25]。MMPS可对细胞外基质的水分、蛋白多糖及胶原等多种成分进行降解，Minoru等[26]将不同类型的椎间盘髓核组织取出后分别与外周血单核细胞共培养，结果发现突出型和脱出型两种类型的椎盘髓核组织周围均有大量单核细胞附着，MMP-1和 MMP-3均明显分泌，且脱出型MMPs的表达量明显高于突出型，而将髓核组织单独培养后MMPs分泌量极少，他们认为当单核细胞浸入椎间盘组织后，一方面刺激椎间盘细胞分泌MMPs直接降解细胞外基质，另一方面通过诱导巨噬细胞趋化因子分泌，使巨噬细胞对细胞外基质进行吞噬，促进椎间盘组织的重吸收。邹志远等[27]用免疫组化方法检测56个退变腰椎间盘组织与10个正常腰椎间盘组织中MMP-2的表达，结果表明在突出型、破裂型、游离型三组退变椎间盘组织中，MMP-2在游离型椎间盘组织中的表达最明显，破裂型次之，认为MMP-2的分泌多少与椎间盘退变的程度关系密切。杨圣等[28]通过实验研究发现不同类型的突出组织MMP-3分泌不同，游离型则比突出型分泌量明显增多，这正与游离型突出椎间盘组织易发生重吸收的事实相符，可以看出MMP-3可促进腰椎间盘突出组织发生重吸收。姜宏等[29]将腰椎间盘突出症患者手术取出的髓核组织进行免疫组化分析，结果发现破裂型较非破裂型突出髓核组织MMP-3、MMP-7阳性表达率更高，可能与破裂型髓核组织中巨噬细胞的表达、炎性介质释放及新生血管化等过程有关，从而在重吸收中发挥重要作用。

综上所述，MMPS参与腰椎间盘退变过程的多个环节，并协同其他细胞因子和炎症介质等发挥重要作用，可作为一种影响椎间盘退变程度的指标，通过抑制MMPS表达而干预椎间盘退变过程，也可通过增强MMPS活性而诱导已突出的腰椎间盘发生重吸收，尤其在破裂型腰椎间盘突出症患者急性发作且无马尾神经症状时，通过药物及其他途径诱导MMPS的高表达，促进重吸收发生，使重吸收这一“少见现象”向“非少见现象”转化，为今后临床保守治疗腰椎间盘突出症提供一种新的手段和方法，且更具靶向性、有效性。

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