基质金属蛋白酶（MMPS）与椎间盘退变相关性的研究进展

卢家灵

临床上颈肩腰腿痛的首要诱因是椎间盘退变突出，椎间盘退变（IVDD）是其病理基础，IVDD的原因和退变机制十分复杂，其影响因素之间又相互联系，除了与椎间盘内乳酸堆积、社会因素（如吸烟）、体重、剧烈运动等密切相关外，还有如下几种因素：（1）氧化应激。研究认为生物膜脂质过氧化、细胞内蛋白及酶变性及DNA损伤、导致细胞功能异常、死亡或凋亡是其毒性作用的表现；退变椎间盘细胞本身产生NO的同时加速了自身凋亡，使椎间盘退化[1-4]。（2）炎症因子。炎症因子影响椎间盘细胞活性、胶原蛋白及蛋白多糖的代谢，介导椎间盘组织中血管及神经的长入；介导纤维环血管长入而产生相应临床症状，是肿瘤坏死因子（TNF）-α/核因子（NF）-kB等的作用；白介素（IL）-1可促进蛋白多糖的降解，而IL-6可使炎性细胞聚集，增加细胞炎症因子释放；NO的介导作用抑制软骨细胞蛋白多糖合成[5-9]。（3）生物力学。持续1~2周的剪切力作用使髓核组织承重能力丢失及纤维环破坏，诱导其退变[10]。（4）细胞凋亡因素。Wang F等[11]研究发现，细胞合成II型胶原基质蛋白的量和椎间盘软骨终板细胞活性随着凋亡程度的增加而下降；椎间盘细胞可通过死亡受体途径发生凋亡，导致IVDD发生[12]。（5）椎间盘营养通路，终板硬化可能是IVDD产生的始动因素之一[13]。Gruber等[14]研究也认为终板硬化是IVDD的可能因素；但最近有报道[15]提示，软骨终板营养扩散主要与终板孔隙率及扩散系数相关，随着年龄增长，椎间盘几乎都会发生退变，只有23%~58%有症状的IVDD患者有终板硬化现象。椎间盘营养供给下降可能与椎体毛细血管密度下降相关，终板硬化并不是IVDD的始发因素[16]。（6）MMPs与金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs，tissue inhibitors of metalloproteinases）。这两种物质均存在于ECM中，国内已有研究认为ECM的变化是椎间盘力学特性丧失的直接原因[17]。目前MMPs、TIMPs与IVDD相关性的基础研究很多，是颈肩腰腿痛诊断、预防、干预和治疗的热点，本文就MMPs在IVDD作用相关性的研究进展做一综述。

1 MMPs的特点

MMPs主要参与ECM的代谢，是ECM降解过程中必不可少的一类蛋白水解酶，需要Ca2+、Zn2+等金属离子辅助。特点有：（1）催化机制依赖于活化中心的Zn2+，有一个疏水性N-终端序列和一个高度保守区PRCGVPD，为MMPs的决定性的多肽；（2）以酶原形式分泌并存在，受内源性生长因子和细胞因子调节，通过蛋白水解酶而激活，TIMPs能抑制其活性；（3）结构上有40%~50%同源性；（4）至少能分解一种基质。MMPs分为胶原酶、明胶酶、基质降解酶、膜型实用蛋白酶和其他5个亚类[18]。起主要作用的是MMP-1、3，MMP-1是胶原酶类，主要降解ó型胶原，而MMP-3是以基质中PG和糖蛋白为主要作用底物的基质降解酶，在ECM降解过程中起关键性作用，还可降解ò型胶原的非螺旋区，使ECM降解加快。

2 MMPs在椎间盘退变中的作用

目前已发现28种MMPs，而在影响IVDD的ECM中相关研究较多的MMPs有MMP-1、2、3、7、9、13。沈正清等[19]用半定量RT-PCR和免疫组织化学法分别检测退变和创伤的腰椎间盘髓核中的MMP-3mRNA和MMP-3蛋白，发现退变的腰椎间盘髓核组织中两种蛋白的表达明显高于创伤者，MMP-3可能作为腰椎间盘退变的重要调节因子，参与退变进程。研究发现正常髓核内有一定量的MMP-9表达，退变腰椎间盘髓核的MMP-9RNA、蛋白质表达成倍升高，说明退变髓核组织MMP-9代谢活跃，与椎间盘退变、突出密切相关[20]。另有研究表明，在退变椎间盘髓核组织中MMP-2、MMP-14的表达与椎间盘退变程度呈正相关，二者参与了椎间盘的退变过程；该研究还认为：椎间盘结构破坏、髓核弹性丧失、椎间盘出现退变，是MMP-2表达加强、对组织过度破坏，引起椎间盘基质的降解和蛋白多糖含量下降、组成成分和胶原类型改变的结果[21]。

李先安等[22]的实验发现，正常椎间盘标本没有肉芽组织形成，凸出型及韧带下型仅有较少肉芽组织，大多数游离型及经韧带脱出型有肉芽组织，纤维环和髓核中的肉芽组织形成越多，MMP-1、3的表达就更强，提示MMP-1、3的表达差异是临床不同类型椎间盘突出的生化基础，游离型及经韧带脱出型较凸出型及韧带下型的退变程度更为严重。胡峰等[23]检测了五组50例正常和凸出不同类型椎间盘软骨细胞的MMP-7表达，发现MMP-7在正常椎间盘中阳性细胞率为0.58%~1.72%（阴性表达），凸出型为13.50%~29.35%（阳性表达），韧带下型为14.55%~32.58%，经韧带脱出型为71.30%~85.47%，游离型为74.35%~88.65%，椎间盘退变及突出越严重MMP-7表达越强，说明MMP-7与椎间盘的病理改变有关，MMP-7的增加导致组织降解增强，导致IVDD。

临床上，破裂型腰椎间盘突出患者有缩小或重吸收现象，认为是MMP-3、MMP-7能改变椎间盘基质内蛋白多糖、胶原和弹性蛋白等生物大分子的结构、功能及含量，促进突出椎间盘重吸收。破裂型腰椎间盘MMP-3、MMP-7表达较非破裂型更高，这是因为髓核组织突破后纵韧带进入椎管内后与血运接触，新生血管侵入，炎性细胞浸润，产生炎性因子，进一步增强MMP-3、MMP-7的降解作用，促进重吸收，国内有实验证实这一点[24]。

3 MMPs的激活与椎间盘退变

椎间盘组织基质中存在许多激活MMPs的因子，正常人和IVDD患者的椎间盘组织均可测定出MMP-3和IL-1，但在退变椎间盘组织中的MMP-3和IL-1量较正常的要高出很多，推测在退变椎间盘组织中产生过量的MMP-3和IL-1与其基质过度降解有关[25]。在活体动物实验研究中，椎间盘内注射IL-1β引起MMP-3表达水平显著升高，与正常椎间盘内MMP-3表达水平差异有统计学意义（P<0.05），与力学平衡破坏作用下椎间盘内MMP-3表达水平差异无统计学意义（P>0.05）[26]。有学者发现用不同剂量的IL-1β刺激体外培养的髓核细胞，可促进髓核细胞MMP-1、2、9、13的表达，且随IL-1β的浓度升高而升高，说明通过IL-1β的介导，促进髓核细胞MMP-1、2、9、13的表达，加速椎间盘基质分解[27]。

退变椎间盘组织中缺氧微环境可能诱导缺氧诱导因子（HIF）-1过度表达，HIF-1可能激活MMP-2参与IVDD。因为在退变椎间盘中，HIF-1α、MMP-2的表达明显高于正常者，且不同退变程度的表达也不同[28]。

蛋白水解酶（Cathepsin）-L已被证实在退变椎间盘组织中有表达，椎间盘中MMP-3的表达与所注射Cathepsin-L剂量呈正相关，说明Cathepsin-L可能促进MMP-3的激活，推测Cathepsin-L可能促进椎间盘内MMP-3的生成，致使椎间盘内基质降解酶系统平衡被打破，基质以降解为主[29-30]。

4 MMPs与TIMPs的平衡与椎间盘退变

MMPs是ECM降解过程中主要细胞因子，能降解多糖以外的几乎所有ECM成分，TIMPs是MMPs的特异性和内源性抑制因子之一，可通过非共价结合的方式，与有活性的MMPs 1∶1稳定结合而发挥作用，TIMPs还有抑制细胞凋亡、刺激增殖的作用[31-32]。MMPs与TIMPs含量在退变的椎间盘组织中平行增加，TIMP-1及TIMP-2与椎间盘组织的退变联系较紧密[33]。

洪祖聪等[21]研究发现，TIMP-2在正常椎间盘中有较高表达，但正常椎间盘的TIMP-2阳性率明显高于MMP-2和MMP-14，推测椎间盘退变过程中MMP-2、TIMP-2分别起破坏和保护作用，认为二者在正常椎间盘中处于一种动态平衡，当某些因素使MMP-2不断增加，TIMP-2失去对MMP-2的抑制时，平衡关系破坏，即可能导致腰椎间盘退变。在测定突出和非突出腰椎间盘标本内MMP-3和TIMP-1的表达情况时，也发现两者的不平衡表达或许是腰椎间盘退变的因素[34]。相关学者还发现退变椎间盘组织中TIMP-1、TIMP-2随着MMP-1、MMP-9、MMP-13表达增加而增加，TIMPs的高表达能抑制MMPs的表达[35-36]。

Handa等[37]发现，在生理负荷下TIMP-1含量增高，MMP-3降低，ECM中蛋白多糖合成代谢增加，分解代谢降低；当高于或者低于生理负荷时，MMP-3的含量增高，TIMP-1降低，蛋白多糖的分解高于合成，表明MMPs与TIMPs动态平衡受到机械负荷因素影响。

张博等[38]认为IVDD过程中TIMP-2起保护作用，其升高可能是MMPs降解作用刺激所致，TIMP-2参与MMPs-TIMP-2复合体的形成，抑制MMPs的作用，椎间盘组织中MMPs/TIMP-2表达失衡，可能是基质降解、椎间盘发生组织学退变的重要原因之一。

5 临床应用研究现状

在诊断和病情判断方面，金池等[39]应用显微图像分析系统及免疫组化S-P法检测不同临床病理分型的人腰椎间盘中MMP-7表达情况，观察到MMP-7的表达随着病变进展而增高，与腰椎间盘病变进展有关，但在突破纤维环后无变化，表明MMP-7可能通过影响纤维环而发挥作用，认为通过检测MMP-7可作为诊断椎间盘突出和了解其退变程度的指标。

在IVDD的干预上，有研究认为通过抑制MMP-7的活性可干预腰椎间盘退变的进程[39]。从发现IL-1β可显著增加活体椎间盘内MMP-3来看，若能通过控制IL-1β的分泌或对抗IL-1β的作用以降低MMP-3的分泌，则可抑制椎间盘退变的发生[27]。

MMPs特异性地降解椎间盘基质的作用，目前已被临床利用来治疗腰椎间盘突出症，即胶原酶髓核化学溶解术。国内学者设想能否将MMP-3、MMP-7转移到突出髓核内，以加速突出髓核重吸收过程，从而为治疗椎间盘突出症提供一种新的临床技术[24]。目前尚未有MMP-3、MMP-7转移用于椎间盘突出治疗的报道。

在药物研究方面，谢炜等[40]的动物实验发现喂服或注射中高剂量的葛根素，可使椎间盘内MMP-3含量降低、转化生长因子（TGF）-β1含量增加，推断葛根素可能减少椎间盘内MMP-3生成，促进TGF-β1合成，从而延缓椎间盘的退变。

总之，进一步探索MMPs功能和作用机制，可为用TIMPs生物复合材料干预和治疗IVDD提供理论基础，通过抑制MMPs的合成及其酶活性，增加组织中酶抑制物水平，通过调节MMPs和TIMPs的平衡关系来控制椎间盘基质代谢，是干预和治疗IVDD的一个研究方向，可能成为临床干预和治疗IVDD的一种新途径，有关问题还需更深一步的探索研究。

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