多西环素抑制基质金属蛋白酶作用机制的研究进展

于召龙　田纪伟

[摘要]多西环素作为半合成抗生素，因其吸收快、抗菌谱广、不良反应少等优点在临床上应用较广。在对多西环素的研究中发现，其不仅有抑菌作用，而且可能通过抑制炎症因子、信号通路以及基质金属蛋白酶等机制，在组织再生、修复，延缓组织退变等方面具有重要作用。本文拟对多西环素的结构、生物学特性以及对基质金属蛋白酶的抑制作用作一综述。

[关键词]多西环素;基质金属蛋白酶;金属离子;炎症反应;组织修复

[中图分类号] R681.5          [文献标识码] A          [文章编号] 1674-4721（2019）10（c）-0028-04

[Abstract] As a semi-synthetic antibiotic， Doxycycline has been widely used in the clinic due to its advantages of fast absorption， broad antibacterial spectrum and fewer adverse reactions. In the study of Doxycycline， it has been found that Doxycycline not only has antibacterial effect， but also may play an important role in tissue regeneration， repair and delaying the degenerative process by inhibiting inflammatory factors， signaling pathways and activity of matrix metalloproteinases. This paper reviews the structure and biological characteristics of Doxycycline and its inhibitory effect on matrix metalloproteinases.

[Key words] Doxycycline; Matrix metalloproteinases; Mental ions; Inflammatory reaction; Tissue recovery

多西环素（Doxycycline，DOX）是由土霉素合成的广谱类抗生素，根据药敏试验结果，其可用于治疗如革兰阳性菌、革兰阴性菌等多种细菌感染，机制主要是通过干扰敏感菌的蛋白质合成[1]。随着对DOX的深入研究，发现其还具有抗寄生虫[2]、抗炎[3]以及在血管、骨骼等组织中抑制基质金属蛋白酶（MMPs）活性的作用[4-6]。

Gross等[7]在1962年时首次发现间质胶原酶（MMP-1），目前已发现28种MMPs。MMPs是一类活性依赖于Zn2+和Ca2+的蛋白水解酶，主要由巨噬细胞、中性粒细胞、结缔组织细胞以及肿瘤细胞等合成分泌。在刺激因子作用下，如炎性因子白介素-1（IL-1）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等，MMPs产生增多，并进入细胞外基质（ECM）以促进ECM的降解。根据MMPs作用底物的不同，可分为以下几种酶。①胶原酶：MMP-1、MMP-8、MMP-13、MMP-18，主要水解纖维类胶原;②明胶酶：MMP-2、MMP-9，主要水解变性胶原及基膜的主要成分;③间质溶解酶：MMP-3、MMP-10、MMP-11、MMP-12，可水解Ⅳ型胶原、蛋白聚糖等;④膜型MMPs：MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17、MMP-24、MMP-25;⑤基质溶解酶：MMP-7、MMP-26;⑥其他[8]。在生理状态下，MMPs可参与胚胎的形成、炎症细胞转移、伤口愈合、血管生成等;在病理状态下，其可在动脉粥样硬化、肿瘤转移、类风湿性关节炎、骨关节炎、脊柱退行性病变等疾病中发挥作用。

1 DOX的结构及生物学特性

DOX，又名强力霉素、脱氧土霉素等，分子式为C22H24N2O8，结构式[9]见图1，其外观为黄色晶状粉末，易溶于水或甲醇。DOX为半合成广谱抗生素，抗菌活性较强，对于金黄色葡萄球菌、链球菌、炭疽杆菌、沙门菌、布氏杆菌以及衣原体、支原体等均有抑制作用。在细菌增殖过程中，DOX被认为是通过与核糖体的16S rRNA 3′末端结合来抑制蛋白质翻译过程，进一步阻止tRNA与RNA-30S细菌核糖体亚基结合[10]，由于上述作用，细菌蛋白质合成的起始被阻断，从而发挥抑菌作用。

DOX可在体内迅速被吸收，并在短时间内分布到全身大部分组织器官，其半衰期约为16.33 h，经肝脏代谢后，通过胆汁进入消化道排出体外。DOX在四环素类药物中副作用相对较小，常见的有药物肌肉注射给药时的局部刺激、牙釉质发育不全（主要针对8岁以下儿童）、胃肠道的刺激以及二重感染等。

2 DOX对MMPs的抑制作用

近年来，除对DOX的抗菌作用的研究外，有文献报道，DOX在抗炎[3]、抑制牙周炎[6]、促进血管[4]、肌肉[11]、神经组织修复[12]、治疗肿瘤[13]、延缓骨关节[14]及椎间盘退变[15]等均可发挥相应作用，可能与DOX对MMPs的抑制作用有关。

MMPs由多结构域构成，N端存在疏水信号肽序列;前肽区，保守序列PRCGV/NPD主要作用是保持酶原的稳定性;催化活性域，有Zn2+结合位点，可促进酶的催化作用，Ca2+主要参与酶活性的激活;而在C末端区，与酶的底物识别及基质金属蛋白酶组织抑制剂（TIMP）结合有关。MMP的活化过程，是将MMPs的前肽位移，Zn2+活性中心暴露后，底物进入该疏水区域被催化降解。MMPs抑制剂-TIMP，其N端功能区与MMPs Zn2+活性中心以非共价形式结合而抑制MMPs的水解作用。

随着对MMPs参与病理过程的不断研究，其已成为治疗某些疾病的药物作用靶点。而其抑制剂，如四环素、氯己定、铵类化合物等[16]，也在实验研究中引起诸多学者的重视。有研究报道，四环素（如DOX）对MMPs有高效的抑制作用。

2.1 DOX通过螯合金属离子，如Zn2+、Ca2+，以抑制MMPs发挥功能

Zn2+对于MMPs的结构稳定性及酶的活性至关重要，有文献报道，乙二胺四乙酸（EDTA）可螯合Zn2+、Ca2+，1，10-二氮杂菲可螯合Zn2+，可使MMPs失去酶的催化活性[17]。Ryan等[18]通过对糖尿病大鼠模型的皮肤组织研究发现，40 μM的DOX与Zn2+螯合可抑制MMP-8活性，随着加入Zn2+的浓度增加（5 μM），DOX的抑制作用减弱，DOX对MMP-13也存在类似的效应，通过MMP-8/-13的抑制作用可以促进皮肤组织的愈合，但是对MMP-1的抑制作用相对较弱。也有研究指出，DOX可以螯合Zn2+从而抑制MMP-2/-9的水解作用[19]。在软骨细胞内，DOX通过对MMPs的抑制，减缓Ⅱ型胶原蛋白及蛋白聚糖的降解作用，关节内注射DOX对骨关节炎有一定的修复作用[14]。

2.2 DOX可抑制炎症因子介导的MMPs表达

炎性因子在炎症相关疾病中发挥多种作用，如白介素-17（IL-17），是炎癥反应的早期启动因子，可通过促进释放前炎性因子以及后续激活多条信号通路，如JAK/STAT、NF-κB、MAPKs（ERK1/2、p38）等，以放大炎症反应[20]。在肌肉相关疾病中，如多发性肌炎、皮肌炎，MMP-2/-9参与肌肉的重建，其中，MMP-2多持续表达，而MMP-9在前炎性因子刺激下，可表达或呈激活状态[21-22]。Obradovic等[23]在研究中发现，DOX可以抑制IL-17介导的MMP-9的表达以及ERK1/2信号通路的激活，而且他认为，5 μg/ml（11 μM）DOX可促进肌管增生，这对于肌肉的重建与修复具有重要意义。Pereira等[24]通过对杜氏肌营养不良症的研究，指出DOX对于MMP-9及TNF-α有抑制作用。多种炎症因子（如IL-1、TNF-α）参与椎间盘退变，并且MMPs加速ECM降解。张海飞等[25]在椎间盘髓核细胞的实验中加入DOX后，MMP-13及Ⅱ型胶原蛋白水平增高，他认为这与DOX抑制ERK1/2、JNK的磷酸化有关。但是，在一项对长期慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的前瞻性研究中发现，DOX对于炎性因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）、炎性标志物（C-反应蛋白）以及MMP-8无明显抑制作用[26]。

2.3 DOX可降低一氧化氮（NO）介导的MMPs活性

NO作为信号分子在机体内广泛存在，并且参与多种生理活动（如炎症反应、氧化应激等）的调节机制，有研究者认为，NO可使pMMP-9催化活性中心Zn2+结合位点暴露，从而激活MMP-9活性[27]。O′Sullivan等[28]在研究中发现，当NO水平在10 μM时，可能促进MMP-9的基因表达及活性增强，而当NO维持在100～500 μM水平时可能会起到相反作用。DOX可以降低因低水平NO引起的MMP-2/-9的活性增强[29]。但是，目前尚无确切证据证明DOX可通过调节NO水平以抑制MMPs发挥功能。

DOX对MMPs抑制作用较为广泛，其中对MMP-1/-2/-7/-8/-9/-12/-13均有不同程度的抑制作用[30]，但是因为不同组织、器官，其细胞分布类型、外界刺激的形式、细胞微环境改变的差异以及MMPs种类繁多，因此，MMPs常呈差异性表达或多种类型同时表达。DOX可以通过多种机制抑制MMPs的水解作用，而且DOX在氧化应激以及细胞凋亡等方面也发挥不同的作用[31]，目前DOX对MMPs的作用机制有待进一步深入研究。

3总结

随着对DOX以及MMPs研究的广泛和深入，在机体不同组织器官，均发现DOX除抑制细菌的作用，而且对MMPs也具有较强的抑制作用。在病理状态下，MMPs的高表达对于组织、器官可能产生损害作用或者加速组织、器官的退变。因此，通过DOX抑制MMPs作用的研究，MMPs可能会成为治疗某些疾病的药物作用靶点，这对于组织修复及延缓疾病进展具有重要意义。

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（收稿日期：2019-04-26  本文编辑：任秀兰）