基质金属蛋白酶及其抑制物对牙周炎发生发展影响的研究进展

孔 晨,杨 楠,王 珏,隋 欣,刘志辉

（吉林大学口腔医院修复科，吉林 长春 130021）

牙周炎是一种发生在牙支持组织的慢性炎症，不仅可造成牙龈红肿、牙周袋溢脓和牙齿松动等局部组织的病变，还与糖尿病、心血管疾病、呼吸系统疾病和痴呆症等全身性疾病有着密切关系［1-3］。目前的研究［2］显示：牙周炎的组织病理学表现包括炎细胞的大量浸润、牙周韧带主纤维束破坏溶解以及牙槽骨的破坏吸收等，许多细胞因子和效应分子如白细胞介素（interleukin，IL）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、前列腺素E2和基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）均参与了该炎症过程。

MMPs包含一系列严格调控的蛋白酶，能降解众多细胞外基质（extracellular matrix，ECM）和基底膜的蛋白成分，而金属蛋白酶组织抑制剂（tissue inhibitor of metalloproteinases，TIMPs） 作为一种内源性蛋白酶抑制剂，通过直接或间接抑制MMPs活性来维持动态平衡［4］。近年来，MMPs越来越多的非基质底物被发现，因此其在免疫反应和炎症疾病中的作用日益受到重视［5］。研究［6］显示：某些MMPs过表达和MMPs/TIMPs的动态平衡被打破是影响牙周组织降解和重塑及促进牙周炎发生发展的重要因素。目前，MMPs和TIMPs在牙周炎发生发展过程中的作用及机制尚未完全阐明，且始终缺乏对MMPs和TIMPs家族与牙周炎关联性的系统报道。基于对国内外研究成果的深入分析，现对MMPs和TIMPs在牙周炎组织中的表达及其在牙周炎发生发展过程中的作用进行归纳，阐述其在牙周炎诊断和治疗中的应用价值，以期为牙周炎的临床防治工作引入新的策略。

1 MMPs和TIMPs的生物学特征

1.1 MMPs的结构、分类和功能

目前，在脊椎动物中已分离鉴别出MMPs家族的28个成员，分别编号为MMP-1～28，至少23个在人体组织中表达，各成员结构相似，一般由信号肽序列、前肽区、催化活性区、铰链区和血红素域5个功能不同的结构域组成，其中催化活性区具有Zn2+和Ca2+离子结合位点，通过与Zn2+结合发挥酶催化作用，与Ca2+结合则有助于其稳定，而血红素域赋予其底物特异性。MMPs成员在上述结构的基础上又各有差异［7］。根据结构域及作用底物的不同，MMPs通常被分为6类：胶原酶（MMP-1、MMP-8、MMP-13和MMP-18），明胶酶（MMP-2和MMP-9）， 间 质 溶 解 素 （MMP-3、 MMP-10 和MMP-11），基质溶解因子（MMP-7和MMP-26），膜型 MMPs（membrane-type MMPs，MT-MMPs）（MMP-14～17、MMP-24和MMP-25），其他MMPs（MMP-12、MMP-19～23、MMP-27和MMP-28）［8］。

MMPs的表达和活化对许多正常生理过程至关重要。MMPs可降解ECM蛋白如胶原蛋白和弹性蛋白，打破细胞间连接，促进细胞增殖、迁移和分化，也可影响细胞表面的生物活性分子，调节各种细胞和信号通路，还能对一些信号分子（IL）进行加工，调节其活性，因此MMPs在胚胎发生、血管形成、创伤修复、白细胞浸润和组织炎症等过程中均发挥着重要作用［9］。但MMPs也可能导致肿瘤进展、纤维性疾病、骨关节炎、缺血性脑卒中和病毒感染的扩散等病理状态［10-11］。尤其MMPs在癌症中的作用已被证实，其水平升高与肿瘤进展和侵袭性有密切关联［12］。

1.2 TIMPs的结构、分类和功能

TIMPs是内源性和天然存在的MMPs抑制剂。目前在人体中已发现4个TIMPs家族成员：TIMP-1～4。TIMPs分为N端和C端2个结构域，每个结构域通过内部的3个二硫键保持稳定，N端因能独立抑制MMPs被称为“抑制域”，但完整TIMPs与MMPs的相互作用跨越2个结构域，显示出更强的抑制作用［13］。TIMPs以1∶1的比例与MMPs结合，可抑制MMPs酶原活化及活化MMPs的功能，MMPs/TIMPs比率通常用以确定ECM蛋白质降解和组织重塑的程度。每一种TIMPs都能抑制所有已知的MMPs，然而其亲和力谱跨越多个数量级，因此抑制功效也随TIMPs的不同而变化。除了部分膜型MMPs（MMP-14～16等），TIMP-1是多种MMPs的强抑制剂。除抑制MMPs外，TIMPs还可抑制更广泛的金属蛋白酶，如去整合素金属蛋白酶和含Ⅰ型血小板结合蛋白基序的去整合素金属蛋白酶。TIMPs还具有生长因子活性以及抗血管生成和凋亡调节等活性［14］。

2 MMPs和TIMPs在牙周炎发生发展中的作用

2.1 MMPs在牙周炎组织中的表达和激活

MMPs可由结缔组织、促炎细胞和子宫胎盘细胞产生［15］，在健康组织中其表达水平通常较低，而在许多炎性细胞因子和生长因子的作用下表达上调，包括TNF-α、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF） 和 转 化 生 长 因 子 β（transforming growth factor-β，TGF-β） 等，牙周炎期间局部炎细胞的大量聚集，也是导致MMPs分泌量升高的原因，牙菌斑中的病原体同样能刺激宿主细胞释放MMPs，MMPs的表达还受到激素、肿瘤启动子、细胞-细胞接触和细胞-ECM相互作用的调节［16］。

MMPs以酶原形式被分泌出来，是一种由催化位点的半胱氨酸残基与催化位点的Zn2+之间相互作用导致的非活性形式，通过化学改性破坏这种相互作用或蛋白水解除去酶的前肽可促使酶原活化，该机制被称为“半胱氨酸开关”。调节MMPs激活的机制根据特定组织和疾病的微环境而变化，在牙周炎进展期间，MMPs可通过涉及的病原体和宿主蛋白酶独立或合作级联激活。研究［17］显示：MMP-13能够通过体外自我溶解诱导MMP-9前体激活以及MMP-13的自动激活，而MMP-9可在体外激活MMP-2和MMP-13的前体，MMP-14可体外激活MMP-8、MMP-13和MMP-2，并且与体内牙周炎部位的活性MMP-13关系密切。上述合作级联激活的机制加速了牙周炎的进展，导致广泛的牙周组织破坏。

2.2 MMPs参与牙周炎发生发展过程

MMPs对牙周组织的破坏作用表现为直接对牙周组织中ECM蛋白进行降解，以及对信号传导分子（细胞因子、趋化因子和生长因子）进行加工，调节其生物学功能，间接造成炎症破坏［18］。胶原蛋白是最主要的ECM蛋白，牙周组织中Ⅰ型胶原的降解是造成附着丧失的关键，而牙周附着丧失是牙周炎的标志，因此胶原酶（MMP-8和MMP-13）在牙周炎中的作用应受到重视［19］。另一方面，趋化因子和细胞因子的平衡和相对丰富度决定着炎症反应的持续时间、强度和性质（亚临床炎症或破坏性牙周炎）［20］。

2.2.1 MMP-8和MMP-13中性粒细胞来源的MMP-8是牙周组织中最丰富的MMPs，也是宿主细胞产生的主要胶原酶，通过降解牙龈和牙周韧带胶原导致牙周组织破坏［21］。研究［22］显示：注射脂多糖能诱导中性粒细胞产生MMP-8和MMP-9，而MMP-8在炎症期间可降解Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白以及产生趋化性三肽Pro-Gly-Pro来调节中性粒细胞迁移。牙周炎患者唾液中平均MMP-8浓度是健康对照者的2.5倍，与具有低水平MMP-8的人群比较，唾液或龈沟液（gingival crevicular fluid，GCF）中MMP-8水平高的群体牙周炎更常见，并且MMP-8水平与牙周袋深度和探诊出血等临床参数之间有密切关系［23］。值得注意的是，高水平的MMP-8与牙龈炎/种植体周围黏膜炎转化为牙周炎/种植体周围炎有关，唾液中MMP-8的上调在牙周炎的进展之前［24］，提示MMP-8在牙周炎早期诊断和预防方面具有重要的价值。另外，感染齿垢密螺旋体和福赛斯坦纳菌的患者GCF中MMP-8水平明显升高，二者均为牙周炎相关病原菌［25］。

MMP-13又被称为胶原酶-3，其底物丰富，包括胶原蛋白、明胶、蛋白聚糖、基底膜蛋白多糖和纤维黏连蛋白等，MMP-13主要与矿化骨基质有关，与组织蛋白酶K和MMP-9协同，在骨基质Ⅰ型胶原蛋白的降解中发挥重要作用［26］。研究［27］显示：患有牙周炎的受试者唾液MMP-13水平高于对照组，可能与其对牙周软、硬支持组织的降解和对MMP-9酶原的激活作用有关，MMP-13和MMP-9的级联激活或能克服TIMP-1的保护作用，可作为牙周炎诊断和药物研发的潜在方向。

2.2.2 MMP-9和MMP-2MMP-9被鉴定为诊断牙周病的可能生物标志物，可降解Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ、Ⅺ型胶原及弹性蛋白、明胶、纤维黏连蛋白和层黏连蛋白等，在牙周炎症中发挥重要作用，并且MMP-9能够在氨基末端切割中性粒细胞趋化因子IL-8，加工后的IL-8对炎症中性粒细胞的趋化作用增强了10倍［28］。分析血清和GCF中MMP-9水平［29］显示：牙周炎患者血清及GCF中MMP-9水平明显高于牙周健康者。KIM等［30］也通过实验证实了唾液中MMP-9水平与牙周炎具有明显的相关性，并且指出二者之间存在生物学梯度关系。研究［31］显示：MMP-9是具有很高预测价值的牙周病标志物。然而，经过非外科牙周治疗后，牙周炎患者唾液中MMP-9水平仅降低23.5%［32］，提示MMP-9在评估牙周炎预后方面的作用可能略有不足。

MMP-2主要来源于牙龈成纤维细胞，负责牙龈组织胶原蛋白的降解，牙周炎患者唾液和血清中MMP-2水平的升高以及牙周治疗后的减少，提示MMP-2 参与牙周炎组织破坏［33］。

2.2.3 MMP-3和MMP-10MMP-3和MMP-10直接降解结缔组织中的非胶原蛋白，包括蛋白多糖、纤维黏连蛋白和层黏连蛋白等，同时与其他MMPs相互作用以实现其他降解机制，在牙周炎症过程中，MMP-3由破骨细胞、破牙骨质细胞和牙周膜成纤维细胞等分泌，主要表达于骨吸收活跃的区域，引起牙槽骨的吸收和改建，GCF中MMP-3水平随着牙周炎的进展而增加，治疗后MMP-3水平降低，并与牙龈指数、牙周袋深度和临床附着丧失程度呈正相关关系［34］。与牙周健康者和慢性牙周炎患者比较，侵袭性牙周炎患者MMP-3水平明显升高，表明MMP-3可能是与侵袭性牙周炎相关的生物标志物［35］。

2.2.4 MMP-14 MT-MMP与牙周炎的相关性的研究较少，HERNÁNDEZ等［36］研究显示：与健康对照组比较，慢性牙周炎患者GCF中MMP-14水平差异无统计学意义。另一项研究［37］显示：受牙周炎影响的牙龈组织中MMP-14水平明显升高，提示MMP-14在炎症环境中上调，且可能在牙周组织破坏中发挥作用，表明除了在胶原蛋白重塑中的作用，MMP-14还可以通过调节组织内的TNF-α促进炎症反应，激活MMP-13和MMP-2等其他MMPs来增强蛋白水解潜力，MMP-14也可能在细胞信号传导中发挥作用。

可见，多种MMPs在牙周炎症期间均呈现出高表达或过表达的现象，通过降解ECM蛋白以及与其他分子相互作用或级联激活，参与牙周炎的发生发展过程。

2.3 TIMPs在牙周炎发生发展过程中的变化

MMPs活性的抑制由TIMPs完成，MMPs和TIMPs的平衡是维持组织健康的重要保障，二者之间的失衡会促进牙周病的进展。TIMP-1是MMPs最主要的抑制剂，健康人群的TIMP-1水平通常较牙周炎患者更高，反映其抑制MMPs的能力［38］。MOUZAKITI等［39］发现：慢性牙周炎患者治疗后TIMP-1表达水平升高，MMP-8/TIMP-1和MMP-9/TIMP-1比值均降低。研究［40］显示：与正常对照组比较，慢性牙周炎患者牙龈组织中TIMP-4 mRNA表达水平明显升高，TIMP-1 mRNA表达水平有所升高但差异无统计学意义，TIMP-2和TIMP-3 mRNA表达水平无明显变化，MMP-1/TIMP-2、MMP-3/TIMP-2、MMP-9/TIMP-2和MMP-1/TIMP-3比值明显升高，表明MMPs/TIMPs比值在牙周炎发展中的变化更具有参考价值。

3 MMPs与TIMPs在牙周炎诊断和治疗中的作用

随着对MMPs和TIMPs认识的逐步深入，越来越多的学者开始探索二者在牙周炎诊断和治疗中的价值。目前临床常用的诊断方法（探诊出血和牙周袋深度测定）无法预测牙周炎的发病风险，如果在临床症状和体征出现前进行早期干预，则可以降低牙周损伤的程度［41］。SORSA 等［42］提出将活性MMP-8作为辅助性和预防性诊断工具用于牙周炎分级和分期的设想。还有学者对唾液MMP-9试剂盒的牙周炎诊断能力进行研究，肯定了其筛选牙周炎的有效性［43］。

在牙周炎的治疗方面，唾液中某些MMPs（MMP-8和MMP-9）已被认为可用于牙周炎的随访甚至预后判断，以此为患者提供最佳护理［44］，但目前支持此类论点的文献仍有不足，虽有望将MMPs相关指标与牙周炎预后相关联，但还需要不断加以证实和补充。MMPs是牙周炎治疗的一个重要靶点，抑制MMPs可明显降低牙周支持组织的破坏程度。寻找或合成MMPs的抑制剂是目前研究的焦点之一。原花青素（proanthocyanidin，PA）可抑制MMPs的产生和活性，并使超过90%的可溶性重组MMP-2、MMP-8和MMP-9失活，有可能控制牙周炎等MMPs介导的疾病［45］。由于广谱MMPs抑制剂带来较多不良反应，选择性抑制剂的发展成为必然，目前提出的给予选择性MMPs抑制剂的策略包括施加内源性抑制剂（TIMPs类似物）、外位靶向插入、功能阻断抗体和破坏MMPs与细胞表面受体的相互作用等［46］。此外，调节MMPs基因表达的信号传导途径，下调MMPs表达水平，或者阻断炎症细胞因子，减少其对MMPs表达的诱导作用，均是靶向药物的研发方向［47］。具有Kazal基序的逆转录富含半胱氨酸蛋白（reversion-inducing cysteine-rich protein with Kazal motifs，RECK）是一种能够调节MMPs和抑制血管生成的膜固定糖蛋白，作为细胞表面信号分子，可以在转录水平抑制MMPs的表达，被认为是一种新型的 MMPs抑制剂［48］。

4 结 语

牙周炎作为最常见的口腔疾病之一，各种复杂因素的干扰导致了其具有病程长和难逆转的特点。牙周炎的发生发展与患者血清、唾液和GCF中MMPs（特别是MMP-8、MMP-9和MMP-13）的异常增高以及MMPs/TIMPs的平衡失调有关，临床上可考虑将MMPs水平和MMPs/TIMPs比值作为早期诊断和监测牙周炎病情发展及预后的参考指标。针对MMPs的靶向治疗可以作为牙周炎药物研发的方向，寻找MMPs的抑制剂是目前关于牙周炎治疗的一个热门思路，或可引入新的治疗策略。另一方面，MMPs与细胞因子和趋化因子之间从表达到加工和活化存在着密切的相互作用，但目前对该过程的了解尚不充分。下一步需对牙周炎与MMPs和TIMPs潜在相关性进行更为科学和深入的研究，以期为临床有效防治牙周炎提供可靠的理论依据。