基質金屬蛋白酶-2與腦缺血損傷及修復

馬躍文，強琳

基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)最早于1962年由Gross和Lapiere在蝌蚪尾巴中發現，是一組含Zn2+的蛋白酶，能降解細胞外基質(extracellular matrix,ECM)。MMPs參與人體正常生長發育、組織重塑及創傷愈合等過程，及動脈粥樣硬化、關節炎、肺纖維化-血管再生、轉移癌細胞的擴散等病理過程[1]。近年來大量研究表明，MMPs在中樞神經系統生理和病理過程中也有多種作用[2]。

1 概述

典型的MMP結構包括前肽、催化區、連接肽和血液結合素樣結構[3]。體內MMP的活性主要通過基因轉錄、酶原活化和抑制劑調控3個水平進行調節。研究表明，誘導MMP表達的細胞因子包括白細胞介素-1(interleukin-1,IL-1)、腫瘤壞死因子 -α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、 表 皮 生 長 因 子(epidermal growth factor,EGF)、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)等，這些因子通過有絲分裂原激活蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)等信號途徑最終作用于激活蛋白(activator protein,AP)或核因子(nuclear factor,NF)-κB，再與MMP mRNA的調節位點結合而調節MMP的表達。MMP的酶活性受到非特異性和特異性抑制劑的調控，前者包括α2巨球蛋白、α1抗蛋白酶等，后者為MMP組織抑制劑(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)。TIMP與MMP之間處于動態平衡，兩者表達失衡則導致病理學變化。

MMPs按其組織特異性不同可分為膠原酶、明膠酶、間質溶解素、基質溶酶、膜型基質蛋白酶及其他不能分類的基質酶。MMP-2屬于明膠酶，也稱明膠酶A，廣泛存在于腦組織中，膠質細胞中最多。體外實驗表明，活性MMP-2產生于星形膠質細胞、小膠質細胞、少突膠質細胞和神經細胞[4]。MMP-2有兩種形式：無活性的酶原和有活性的酶。MMP-2酶原的相對分子量為72 kD，活性酶的相對分子量為66 kD，其主要底物包括明膠，膠原Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ，層粘連蛋白，彈性蛋白及纖連蛋白。MMP-2在其催化區有3個重復的Ⅱ型纖維連接蛋白，這些重復區域作用于明膠和膠原有助于明膠酶發揮其降解作用[3]。MMP-2以無活性的酶原形式分泌，其前體在細胞表面被膜型金屬蛋白酶(membrane-bound matrix metalloproteinase,MT-MMP)激活，在細胞表面或附近表達其溶膠原活性[3,5]。腦缺血早期，MMP-2可通過降解基底膜破壞血腦屏障，后期則有利于神經血管的再生。

2 MMP-2與腦缺血早期損傷

血腦屏障(BBB)由腦血管內皮細胞、基底膜及星形細胞終足3層構成，是存在于腦組織和血液之間的一個復雜系統，內皮細胞、細胞間緊密連接、星形細胞以及基底膜等成分共同參與構成了血腦屏障的特殊結構和功能，對維持中樞神經系統正常的內環境有重要的意義。其中基底膜是一種特殊形式的ECM，主要由Ⅳ型膠原、層粘連蛋白和纖連蛋白等構成，而這三者都是MMP-2的作用底物；這些成分的破壞能導致血腦屏障完整性的破壞。血腦屏障的完整性在腦缺血再灌注損傷的過程中起著重要作用，局灶性腦缺血可以引起基底膜通透性和結構的變化，而這種變化已被認為是局灶性缺血導致微血管出血的主要原因。

有研究表明，在腦缺血再灌注的早期，MMP-2被MT-MMP激活，破壞緊密連接蛋白[6]，從而使循環中的重組組織型纖溶酶原激活劑(rtPA)等物質進入腦內。向大鼠腦內直接注射MMP-2，可以通過破壞腦毛細血管緊密連接和基底膜，導致血腦屏障的開放，引起血管源性腦水腫[7]。有動物實驗研究表明，腦缺血2 h再灌注3 h和48 h，血腦屏障均開放，其中首次開放與MMP-2水平增高有關，而48 h的血腦屏障開放與MMP-9 的水平相關[8]。Rosenberg[8]及 Sood 等[9]使用 MMPs抑制劑B1101，可以減少缺血后3 h血腦屏障破壞和24 h的腦水腫，但未減少缺血后48 h的腦梗死體積。Rosenberg的研究顯示，再灌注后3 h，星形細胞內MMP-2免疫染色增強，同時提出了再灌注損傷過程中星形細胞主要通過MMP-2調節血腦屏障：在缺血缺氧開始時，星形細胞可能通過MT-MMP激活MMP-2對損傷信號發生反應，而MT-MMP可能被由纖溶原/纖維蛋白溶酶系統作用而產生的纖溶酶原激活物激活[10]。Fukuda等在腦缺血再灌注過程中檢測到MMP-2和MMP-9活性明顯升高，同時伴有Ⅳ型膠原蛋白和層粘蛋白等ECM成分的減少[11]。Heo等發現，靈長類動物腦缺血后1 h，大腦基底節區MMP-2含量明顯增加，此后保持較高水平表達；MMP-2的表達與神經元損傷的范圍及受損神經元的數量呈現高度相關[12]。這些研究表明，MMP-2在腦缺血早期基底膜降解導致神經損傷中有著重要的作用。綜合上述研究，MMP-2在腦缺血早期通過破壞緊密連接和基底膜，致血腦屏障開放。

3 MMP-2與腦缺血后血管再生及神經修復

神經再生及血管再生是腦缺血后神經修復的重要過程，其中起關鍵作用的是側腦室下回和海馬齒狀回下區。MMPs在再灌注早期發揮損傷作用的同時，在恢復階段對促進血管再生[13]及神經再生[14]有著重要作用。MMP的活化至少部分參與缺血誘導的海馬齒狀回神經元再生[15]。Reeves等也指出，MMP-2與神經損傷后突觸的再生和神經元的可塑性有關[16]。

Dong等的實驗證實，大鼠大腦中動脈栓塞缺血再灌注7 d時，缺血前5 min及再灌注前5 min應用白藜蘆醇的實驗組中，皮質區微血管數量較生理鹽水對照處理組明顯增加，且實驗組梗死區域MMP-2和血管內皮生長因子(VEGF)表達增加[17]，提示高表達的MMP-2和VEGF可能通過誘導血管發生而在神經保護中起著重要的作用。Wang等將小鼠腦血管內皮細胞及來源于成年鼠側腦室下區的神經祖細胞共培養，給予重組人促紅細胞生成素24 h、48 h后發現，MMP-2和MMP-9的表達顯著增加，神經祖細胞的遷移能力也明顯提高；而使用MMP抑制劑則可以抑制神經祖細胞的遷移[14]。Montaner等發現，繼往有卒中病史的患者，血漿MMP-2水平較高[18]。Rosenberg的研究顯示，腦缺血再灌注后5 d和21 d，在缺血區周圍的星形細胞中可見MMP-2的濃重染色，這時正是血管生成及神經膠質增生出現的時間，提示MMP-2在修復過程中作用重要，可能有助于血管生成及神經膠質增生[10]。Rosenberg等用酶譜法檢測自發性高血壓鼠(SHR)和Wistar-Kyoto(WKY)鼠持續腦缺血后1 h、3 h、12 h、24 h和5 d的MMPs表達，發現梗死腦組織內MMP-2直到缺血后5 d才有明顯增加(P＜0.05)[19]。在Rosenberg等的其他實驗中也發現，腦缺血2 h再灌注后5 d，MMP-2及其抑制劑TIMP-2水平達高峰，而此時腦缺血后組織修復過程已開始。這些結果都提示MMP-2可能與腦損傷后組織修復有關。

Romannic等觀察到大鼠腦缺血后24 h，MMP-2出現在梗死區的巨噬細胞，其活性在第5天達到高峰，至缺血后30 d仍有明顯的低水平表達[20]，提示MMP-2可能有助于巨噬細胞向缺血區域的轉移，利于缺血后期組織修復過程中細胞碎片的清理。Sood等發現，使用MMPs抑制劑B1101在減少缺血后3 h血腦屏障破壞的同時，加重了缺血后3周和4周的神經功能缺損[9]。Anthony等發現，腦卒中1周后到5年，患者腦實質中性粒細胞消失，但存在大量表達MMP-2的巨噬細胞[21]，也說明MMP-2可能在缺血后組織修復、神經再生過程中起作用。其他研究顯示，MMPs通過多種途徑促進大腦重塑，包括調整細胞外基質、促進樹突重塑，通過降解神經膠質瘢痕促使軸突延伸及修復，還能使生長因子轉變成其生物活性形式[2]。

綜合上述研究，我們推測MMP-2對腦缺血后期神經及血管再生有著重要的促進作用，但其作用機制尚不明確。

4 結語

MMP-2具有復雜的生物學功能，在腦缺血損傷及修復過程中發揮著雙重作用。在腦缺血早期，MMP-2通過降解基底膜和破壞緊密連接蛋白，從而損傷血腦屏障；而在腦缺血后期，MMP-2通過促進神經血管再生，有利于腦組織的修復。在Sood等的實驗中，MMPs抑制劑減少缺血后3 h血腦屏障破壞的同時加重了缺血后期的神經功能缺損。這些研究結果為腦缺血的治療提供了一個新的靶點——應用MMP-2及其抑制劑。

但仍有許多問題待于解決，如MMP-2抑制劑治療的時機選擇，MMP-2促進腦缺血后期神經血管再生的機制。進一步研究這些問題才能為將來探索腦缺血后新的治療方法提供科學依據。

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