基质金属蛋白酶－9与脑梗死的研究进展

胡 克（综述） 储照虎（审校）

脑梗死的病理生理过程实质上是在动脉粥样硬化的基础上发生的局部脑组织缺血坏死的过程。脑缺血可引起一系列复杂的导致血管源性水肿的病理变化，包括谷氨酸的释放、白细胞浸润和血－脑屏障的破坏。在实验脑缺血模型中发现，基质金属蛋白酶参与了基底膜和细胞外基质的破坏。MMP－9在脑梗死的病理生理过程中具有双相作用，在急性期主要介导损伤作用而在恢复期可引起半暗带的神经血管重塑。在脑梗死部位 MMP－9明显渗出，这与基底膜IV型胶原降解和血脑屏障的破坏密切相关。越来越多的研究表明，脑梗死后MMP－9的表达增加。本文就 MMP－9的基本特征及其与脑梗死关系的研究现状及进展作一综述。

1 MMP－9的结构

MMPs由多个结构组成，主要分为胶原酶、明胶、基质溶解素、金属弹性蛋白酶、膜型金属蛋白酶（MT－MMPs）和其他作用于结构域及选择性底物的酶［1］。MMPs都有一个前肽区和一个催化区，前者是维持这些酶的潜伏期所必需的，一旦激活随即被裂解；后者主要由含有3个保守组氨酸残基的锌结合序列构成，这些残基融合了重要的金属离子。此外，催化区还包含其他的锌离子和钙离子，这些离子是维持MMPs三维结构的稳定性和酶活性所必需的。明胶酶还含有另外3个插入催化区的重复II型纤维连接蛋白序列，这有利于促进酶结合到相应的基质明胶和胶原蛋白上［1］。MMP－9的 启 动 序 列 在－80bp 有 AP－1 结 合 位 点，而 在－600 bp有NF－κB结合位点。其唯一的连接序列由超过50个氨基酸组成，主要作用是连接活性位点和血红素结合区。此序列被认为是一个独立的蛋白质结构，与V型胶原是不同源的。在连接区的作用下血红素结合区准确地被TIMP－1抑制，同时被LRP－1和巨蛋白所内化。因此，连接区和血红素结合区使被激活的MMP－9的生物利用度降低。

2 MMP－9的表达与调控

MMP－9的转录是一个复杂的过程，并受多种因素调控。白细胞被认为是MMP－9的主要来源，而中性粒细胞的可能性最大。在局灶性脑缺血后MMP－9可促使白细胞聚集，破坏血脑屏障和引起神经元损伤。Wang等研究发现，在缺血性脑组织中MMP－9引起血脑屏障破坏，其主要来源于骨髓源性细胞（bone marrow－derived cell，BMDC）［2］。炎性因子可通过激活 MEK1－Erk，P38，PI3K－Akt信号通路，从而引起MMP－9的分泌。最终这些蛋白酶通过激活AP－1和NF－κB来调节MMP－9转录过程，随后与启动子上的顺式作用元件相结合。这将进一步促进染色质重构复合物，活化因子及转录装置的聚集，从而诱导MMP－9的表达。至少有三种活化因子在MMP－9的表达过程中至关重要，包括CBP／P300，PCAF，CARM1及 GRIP1［3］。然而，其他与 MMP－9表达相关的活化因子尚不明确。MMP－9是以其前酶原（Pro－MMP－9）的形式合成并被分泌到细胞外。在催化区和前肽区之间Pro－MMP－9的活化是通过锌－硫相互作用的破坏完成的［4］。此外，Pro－MMP－9还可被NO通过 MMP－9蛋白的巯基亚甲基化途径激活［5，6］。

3 MMP－9与动脉粥样硬化

研究发现，动脉粥样硬化及血管狭窄与细胞外基质的局部重构和平滑肌细胞的迁移、增殖有关。通常情况下不稳定动脉粥样硬化斑块的纤维帽变薄，平滑肌细胞的数量减少及脂质核增大。含有大量单核细胞来源的巨噬细胞和泡沫细胞的部位更容易发生动脉粥样硬化斑块破裂。因此，有人认为巨噬细胞可通过分泌基质降解蛋白酶来诱导斑块破裂。MMP－9在参与血管平滑肌细胞的移行过程，小鼠巨噬细胞过度表达活性MMP－9可明显增加斑块破裂。此外，MMP－9可降解神经降钙素，通过β－连环蛋白通路引起血管平滑肌细胞的增生［7］。MMPs在动脉粥样硬化的组织中表达，在被激活后参与血管重塑和斑块破裂。在这种情况下单核巨噬细胞中氧化的低密度脂蛋白使 MMP－9的表达升高而此时TIMP－1的表达却下降。这可能有利于动脉粥样硬化斑块中的基质降解。Speidl等研究发现，单核细胞中 MMP－9的数量受一些因素的影响，如肾上腺素、去甲肾上腺素（术后应激）和脂多糖可引起MMP－9水平的上升［8］。在经皮冠状动脉介入治疗中 MMP－9和IL－6从斑块中释放，MMP－9的活性增高。MMP－9可作为评价斑块不稳定性的一个生物学指标［9］。在人类巨噬细胞中补体成分C5a可引起 MMP－9的m RNA水平升高，而在平滑肌细胞中氧化低密度脂蛋白可通过miRNA介导的表观遗传调控来调节MMP－9的表达并参与细胞移行。这可能是一种新的动脉粥样硬化机制［10］。

4 MMP－9在脑梗死中的作用

4.1 MMP－9与缺血再灌注

在脑梗死的发展中缺血部位的扩散可促进血管的再生。小面积扩散可使 MMP－9增加，从而引起可溶性Kit配体（soluble Kit ligand，s Kit L）水平的升高。在缺血组织中s Kit L可刺激祖细胞迁移和新的肥大细胞生成。缺血面积的扩散可诱导血管内皮生长因子从肥大细胞中释放，进一步导致肥大细胞生成和 MMP－9水平的上升。在诱导小鼠脑缺血模型中活性 MMP－9水平明显升高。褪黑激素可明显降低MMP－9水平，同时可以减少脑损伤和出血性转化。此外，MMP－9水平的降低还可能与uPA水平的下降及TIMP－1和 PAI－1水平的升高有关［11］。

4.2 MMP－9与脑梗死面积

在脑缺血模型中抑制MMP－9的表达可减小梗死面积。既往有关急性脑梗死MRI的研究发现，脑灌注的时间峰值图及弥散加权成像表现异常，这为评估急性脑梗死时缺血性脑损伤的面积提供了可靠的方法［12，13］。Ulrich等通过研究急性脑梗死患者在灌注成像及弥散加权成像的梗死面积，并检测MMP－9的表达与两者的关系发现，外周血单核细胞中MMP－9的表达水平与梗死面积呈正比［14］。酶谱分析表明，梗死面积与外周血单核细胞中MMP－9的活性并无相关性。溶栓治疗和未经溶栓治疗的患者中无论是 MMP－9的表达（P＝0.766），还是蛋白水解 MMP－9活性（P＝0.111）方面均无显著差异。Montaner等通过对39例心源性脑梗死患者的研究显示，脑梗死面积与 MMP－9水平呈正相关［15］。48hCT结果显示MMP－9的基础水平亦与梗死面积相关（r＝50.322，P＝0.07），发病48 h时 MMP－9与梗死面积的相关性最大。Park等在脑梗死动物模型中发现，血浆中MMP－9的总体水平与脑梗死有明显相关性，尤其是在梗死发生后24 h，此时 MMP－9水平与最终的梗死面积呈正相关［16］。

4.3 MMP－9 与脑梗死后出血性转化 （hemorrhagic transformation，HT）

脑梗死后HT在其治疗过程中受到了极大的关注，虽然HT可能是病程自然进展的一部分，但更多的还是出现在脑梗死急性期抗凝药物的使用和溶栓治疗。另外，其他如年龄、脑梗死的严重程度、高血压病及溶栓药物剂量的控制等均可作为影响因素。Rosell等在脑梗死并发出血患者中的研究发现，出血和未出血的梗死组织中MMP－9含量明显高于对侧部位（P＜0.0001和P＜0.05），与其他两组相比，出血组 MMP－9水平明显升高（P＝0.033和P＜0.0001），表明血液中MMP－9水平与脑梗死后并发出血有关［17］。因此，在急性脑梗死的患者中通过检测血 MMP－9的水平可能为预测脑梗死后出血提供条件。rtPA常用于缺血性脑卒中症状发生3 h内的溶栓治疗，然而溶栓治疗与脑梗死后HT的发生密切相关［18］。

4.4 MMP－9与脑损伤后神经功能恢复

MMP－9在脑梗死急性期可促进血脑屏障的损伤、血管性水肿形成、梗死面积的扩大及出血性转化。但是在脑梗死后特定的时期内 MMP－9可能还有其他方面的作用。在皮质周围梗死后的7～14 d，MMP－9的表达增加，并与神经血管重塑标志物分布一致。梗死后第7 d用MMPs抑制剂治疗可抑制神经血管重塑，增加缺血性脑损伤；在第14 d可损害神经功能恢复［19］。在小鼠短暂局灶性脑缺血后2周的恢复期MMP－9可介导神经母细胞从脑室下区扩大并向受损的组织迁移。而MMPs抑制剂可抑制从脑室下区到纹状体的神经性迁移。Yagi等研究发现，自由基清除剂依达拉奉有助于脑梗死后神经功能的恢复，其不仅可抑制MMP－9蛋白的水平及其m RNA的表达，还可抑制NF－k B的活化［20］。Lei等通过对胶原酶诱导脑出血的大鼠模型研究发现，在ICH恢复期MMP－9可能有促进神经和血管的再生作用［21］。

5 结束语

MMP－9为脑梗死的治疗提供了新的方法。MMP－9基因水平和蛋白水平的调控已为人所知。因此，可探索一种可以通过阻断信号通路和抑制 MMP－9活性的潜在化合物来调节其表达。MMPs的三维结构可为特定MMPs的选择性抑制的结构因素提供新的观点。然而，MMP－9表达的途径还需进一步研究，药物和MMP－9的具体相互作用机制有待进一步探讨。在脑损伤过程中MPP－9水平升高的部位、时间及如何使损伤过渡到修复仍不十分明确。随着关于MMP－9研究的增加，可以更加了解其和脑梗死的关系，抗MMP－9治疗也许成为脑梗死治疗的重要方面。

1 Murphy G，Nagase H.Progress in matrix metalloproteinase research.Mol Aspects Med，2008，29（5）：290－308.

2 Wang GM，Guo QM，Hossain M，et al.Bone marrowderived cells are the major source of MMP－9 contributing to blood – brain barrier dysfunction and infarct formation after ischemic stroke in mice.Brain Res，2009，1294：183－192.

3 Zhao X，Benveniste EN.Transcriptional Activation of human matrix metalloproteinase－9 gene expression by multiple Co－activators.J Mol Biol，2008，383（5）：945－956.

4 Candelario－Jalil E，Yang Y，Rosenberg GA.Diverse roles of matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases in neuroinflammation and cerebral ischemia.Neuroscience，2009，158（3）：983－994.

5 Gu Z，Kaul M，Yan B，et al.S－nitrosylation of matrix metalloproteinases：Signaling pathway to neuronal cell death.Science，2002，297（5584）：1186－1190.

6 Manabe S，Gu Z，Lipon SA.Activation of matrix metalloproteinase－9 via neuronal nitric oxide synthase contributes to NMDA－induced retinal ganglion cell death.Invest Ophthalmol Vis Sci，2005，46（12）：4747－4753.

7 Dwivedi A，Slater SC，George SJ.MMP－9 and－12 cause N－cadherin shedding and thereby beta－catenin signalling and vascular smooth muscle cell proliferation.Cardiovasc Res，2009，81（1）：178－186.

8 Speidl WS，Toller WG，Kaun C，et al.Catecholamines potentiate LPS－induced expression of MMP－1 and MMP－9 in human monocytes and in the human monocytic cell line U937：possible implications for peri－operative plaque instability.FASEB J，2004，18（3）：603－605.

9 Robertson L，Grip L，Mattsson HL，et al.Release of protein as well as activity of MMP－9 from unstable atherosclerotic plaques during percutaneous coronary intervention.J Intern Med，2007，262（6）：659－667.

10 Chen KC，Wang YS，Hu CY，et al.Ox LDL up－regulates microRNA－29b，leading to epigenetic modifications of MMP－2／MMP－9 genes：a novel mechanism for cardiovascular diseases.FASEB J，2011，25（5）：1718－1728.

11 Tai SH，Chen HY，Lee EJ，et al.Melatonin inhibits postischemic matrix metalloproteinase－9（MMP－9）activation via dual modulation of plasminogen／plasmin system and endogenous MMP inhibitor in mice subjected to transient focal cerebral ischemia.J Pineal Res，2010，49（4）：332－341.

12 Neumann－Haefelin T，Wittsack HJ，Wenserski F，et al.Diffusion－and perfusion－weighted MRI.The DWI／PWI mismatch region in acute stroke.Stroke，1999，30（8）：1591－1597.

13 Wittsack HJ，Ritzl A，Fink GR，et al.MR imaging in acute stroke：diffusion－weighted and perfusion imaging parameters for predicting infarct size.Radiology，2002，222（2）：397－403.

14 Ulrich NH，Dehmel T，Wittsack HJ，et al.Peripheral blood levels of matrix metalloproteinase－9 predict lesion volume in acute stroke.J Neurol Sci，2013，34（3）：379－382.

15 Montaner J，Alvarez－Sab n J，Molina C et al.Matrix metalloproteinase expression after human cardioembolic stroke：temporal profile and relation to neurological impairment.Stroke，2001，32（8）：1759－1766.

16 Park KP，Rosell A，Foerch C，et al.Plasma and brain matrix metalloproteinase－9 after acute focal cerebral ischemia in rats.Stroke，2009，40（8）：2836－2842.

17 Rosell A，Cuadrado E，Ortega－Aznar A，et al.MMP－9－positive neutrophil infiltration is associated to blood－brain barrier breakdown and basal lamina type IV collagen degradation during hemorrhagic transformation after human ischemic stroke.Stroke，2008，39（4）：1121－1126.

18 Dong X，Song YN，Liu WG，et al.Mmp－9，a potential target for cerebral ischemic treatment.J Curr Neuropharmacol，2009，7（4）：269－275.

19 Zhao BQ，Wang S，Kim HY，et al.Role of matrix metalloproteinases in delayed cortical responses after stroke.Nat Med，2006，12（4）：441－445.

20 Yagi K，Kitazato KT，Uno M，et al.Edaravone，a free radical scavenger，inhibits MMP－9－related brain hemorrhage in rats treated with tissue plasminogen activator.Stroke，2009，40（2）：626－631.

21 Lei C，Lin S，Zhang C，et al.Activation of cerebral recovery by matrix metalloproteinase－9 after intracerebral hemorrhage.J Neuroscience，2013，230：86－93.