金屬蛋白酶抑制劑在骨關節炎發病機制中的作用

骨關節炎（Osteoarthritis，OA）一種隨年齡增長而發生率上升的以關節軟骨退變和關節周圍骨質增生為病理特征的慢性進行性骨關節疾病，主要侵害關節軟骨、骨和滑膜組織，導致關節疼痛、畸形和功能障礙，是引起中老年人疼痛的最常見原因。OA發病機制尚不明確，目前研究表明細胞外周基質（ECM）的破壞是OA發生發展的顯著特征。金屬蛋白酶家族（MMPs）及ADAMTs（ADisintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs）家族中的蛋白聚糖酶是降解ECM的主要蛋白酶。而金屬蛋白酶抑制劑（TIMPs）不僅能抑制蛋白酶對ECM的降解，而且能促進ECM的合成，在ECM的修復與重建及軟骨細胞的凋亡方面都有著重要的意義，其對OA的發生發展及其治療都有著重要的意義。

1 TIMPs的概述

TIMPs是一組相對分子質量低的糖蛋白，由分泌MMPs的細胞同時分泌，能特異性地與MMPs催化活性中心的鋅離子結合，抑制MMPs的活性，促進ECM的沉積和抑制其降解。TIMPs的作用機理是通過其17.19位上的亮氨酸-纈氨酸-異亮氨酸與MMPs的S1'-S2'-S3'區結合，與MMPs第16位上天冬氨酸殘基的羧基和其活性中心的鋅結合，從而抑制其活性。TIMPs不僅能與酶的催化位點結合使酶失活，還能與酶原的某些位點結合阻止TIMPs不僅可抑制MMPs，而且可調節MMPs。目前所知的TIMPs有4種， 即TIMP1-4：

1.1 TIMP-1是相對分子質量為28.5 KDa的糖蛋白，由巨噬細胞、角質生成細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞和內皮細胞合成。廣泛存在于組織和體液中，能被多種細胞因子誘導產生，它能抑制絕大多數的MMPs，可與MMP-9前體及有活性的MMP-1，3，9形成高度親和的非共價鍵結合的復合物。在OA中，TIMP-1的濃度變化與MMP-1和MMP-3呈正相關， MMP-1與TIMP-1在病理性滑膜皺襞和正常滑膜皺襞內的陽性表達具有顯著差異，OA軟骨細胞有高表達的MMP-1，而TIMP-1增加甚少，呈現MMPs與TIMPs的失衡，引起ECM的異常降解[1]。

1.2 TIMP-2是一個相對分子質量為21KDa的非糖基化蛋白，對MMP-2有較高的選擇性抑制，但TIMP-2的作用隨其量的不同而不同，少量的TIMP-2 促進MMP-2的激活，大劑量的TIMP-2則抑制MMP-2[2]。TIMP-2在OA患者與正常人中無明顯差異，但是TIMP-2/MMP-13平衡被打破會加速軟骨的破壞和降解。

1.3 TIMP-3相對分子質量為21KDa，是TIMPS家族中的一個特殊成員，因其是TIMPs家族中唯一存在于ECM當中能與ECM緊密結合的非可溶性蛋白，這顯示了TIMP3作為內源性蛋白酶抑制劑在保護ECM不被降解及修復重塑當中的重要地位，其在抑制MMPs及ADATMs對ECM降解中針對性最強。TIMP-3主要由來自中胚層的一些細胞所產生，TIMP-3對MMPs有額外的調節位點可以促進非轉化細胞的增殖及轉化，并誘導細胞凋亡從而具有抑制腫瘤細胞生長和轉移的作用。TIMP-3基因包含591bp開放閱讀框架，編碼信號膚的9個氨基酸殘基和成熟多肽的188個殘基。用原位雜交技術檢測中期染色體發現，其基因定位于22號染色體q12.1-q13.2區，大多數位于q13.1區。TIMP-3是全功能MMPs抑制劑，除了MMP-3， TIMP-3還可抑制MMP-1，2， 9等MMPs家族的其他成員酶的活性。TIMP-3在OA中表達水平方面主要針對骨關節軟骨及滑膜中TIMP-3的mRNA表達情況進行研究，其表達情況尚有爭議，Su S，Kevorkian L等[3，4]人研究認為OA中軟骨細胞及滑膜中TIMP-3的mRNA水平較正常升高。Davidson RK等[5]研究表明OA中軟骨細胞及滑膜中MMPs及ADAMTs水平大幅度上升，而TIMP-l，3，4水平較正常軟骨細胞及滑膜無明顯改變，它們之問的比例失衡是導致軟骨ECM降解的主要原因。Zreiqat H等[6]研究表明，骨關節軟骨中TIMP-3水平在OA早期水平上升，到了中晚期水平下降低于基礎水平。Mandana Mahmoodi等[7]研究表明TIMP-3基因敲除的小鼠中，TIMP-3表達缺失增加OA的易感性。目前在OA中發現的基質金屬蛋白酶有MMP-1，2，3，7，8，9，12，13，14[2]。在關節軟骨和滑膜為高水平表達。呂大鵬研究發現在TIMP-3基因啟動子區在OA軟骨細胞呈高表達狀態。TIMP-3可抑制MMP1，2，3， 9等MMPs家族的其他成員酶的活性[9]。

4.TIMP-4是相對分子質量為22 kDa的蛋白類抑制劑，其表達具有組織特異性，它的分泌水平在各臟器差異較大，以心臟最為豐富，其抑制MMP-2，7作用稍強于MMP-1，3，9。已證明它在體外抑制乳腺癌細胞的浸潤，并能阻止新生血管的形成，在裸鼠體內抑制腫瘤細胞生長和轉移具有重要的作用。Su等研究表明TIMP-4在髖OA患者的股骨頭軟骨的表達比股骨頸骨折的患者中高表達。

2 TIMPs在OA中的作用機制

2.1 TIMPs參與了多種生理過程，如胚胎發育，傷口愈合等。在正常生理狀態時，TIMPs與MMPs協同產生維持動態平衡，但是當這種平衡被打破時，ECM的代謝發生異常，可導致如關節炎、組織潰瘍等多種疾病的發生。業已證實OA關節軟骨的損害首先是關節軟骨細胞外基質中II型膠原的破壞，而MMPs與TIMPs的失衡造成了關節軟骨ECM的II型膠原、彈力纖維和蛋白多糖等破壞，使軟骨的拱形纖維結構破壞而受損。TIMPs主要從兩個方面抑制MMPs的活性：①在酶原活化階段，通過影響MMPS的基因轉錄率、酶原的分泌、激活及其mRNA的穩定性來抑制MMPS的生物合成；②在活化的MMPs階段， TIMPs直接與活化的MMPs形成1：1的復合物而抑制其活性，降低ECM的降解，阻斷MMPs激活的瀑布效應。這種結構具有很高的親和性，不可逆而且穩定，從而降低了MMP與膠原底物的結合，抑制MMP的活性[2]。TIMPs與MMPs協調的平衡關系保證了機體內生理狀態下細胞的遷移和ECM的重建，MMPs和TIMPs之間的平衡一旦遭到破壞，將導致一系列病理的過程。此外，MMPs和TIMPs的失衡也可造成關節內韌帶和周圍肌腱內I型膠原降解破壞，從而導致關節不穩定，誘發和加重OA的病理過程。

2.2在OA關節軟骨ECM的降解過程中蛋白聚糖的丟失是OA軟骨早期退變、破壞中最主要且最重要的病理變化。蛋白聚糖降解是一個蛋白水解過程，它的丟失破壞了軟骨ECM功能和結構的完整性，使軟骨失去了抗負荷性能，最終導致不可逆性關節功能喪失。ADAMTs是主要的蛋白聚糖降解酶。在OA患者對蛋白聚糖起水解作用的蛋白聚糖酶中，蛋白聚糖酶1（ADAMT-4）和蛋白聚糖酶2（ADAMT-5）是ADAMTS家族最有效力并且發揮主要作用的蛋白聚糖酶。 TIMPs不僅可以抑制MMPs的活性，也可抑制ADAMTs的活性。人TIMP-3的N端抑制作用域的重組體能抑制ADAMTS一4與ADAMTS一5，且抑制常數顯著低于對MMPs的抑制作用，表明TIMP-3是一種有效的內源ADAMT-4和ADAMT-5抑制物[10]。同時TIMP-3還可有效抑制由IL-1a和維甲酸誘導的蛋白聚糖酶活性，且抑制程度呈劑量依賴性。TIMP-3可以有效防止OA軟骨蛋白聚糖的降解，防止軟骨的退行性變。

3展望

近年來對0A的發病機制有很多的研究，大多的研究都強調MMPs及ADAMTs等蛋白酶對ECM的降解作用。TIMPs作為MMPs及ADAMTs等降解酶的天然抑制劑，其在OA發病機制中的作用受到越來越多的關注。目前運用TIMP-3治療某些相關疾病大多處于試驗階段，有直接提純 TIMP3以局部運用、合成替代物、基因轉染及甲基化干預等多種方法，隨有較多問題尚未解決，但為其在OA中進行基因治療提供了一定的借鑒作用。針對TIMP-3的靶向治療能否為改善OA患者病情，阻止或延緩病情發展均有待于進一步研究證實。

參考文獻：

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[3]Su S， Grover J， RoughIcy PJ， Expression ofthe tissue inhibitor of metalloproteinases （TIMP） gene family in normal and osteoarthritic joints.Rheumatol Int，1999，18（5-6）：183-191.

[4]Kevorkian L， Young DA， Darrah C， et al. Expression profiling of metalloproteinases and their inhibitors in cartilage.Arthritis Rheum.2004.50（1）：13l-141.

[5]Davidson RK， Waters JG， Kevorkian L， et al. Expression profiling of metalloproteinases and their inhibitors in synovium and cartilage. Arthritis Res Ther.2006.8（4）：R124.

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[7]Mandana Mahmoodi， Solmaz Sahebjam， et al. Lack of tissue inhibitor of metalloproteinases·3 results in an enhanced inflammatory response in antigen-induced arthritis.Am J Path.2005，166（6）：I 733-740.

[8]Burrage PS， Brinckerhoff CE. Molecular targets in osteoarthritis：metalloproteinases and their inhibitors.Curr Drug Targets.2007，8（2）：293-303.

[9]呂大鵬.MMP-7、MMP-9及其抑制劑TIMP-3在骨性關節炎滑膜中的表達和意義[D].中國醫科大學，2009.

[10]廖樂樂，王萬春. 軟骨蛋白聚糖酶與骨性關節炎[J].中國骨質疏松雜志. 2010，16（11）： 889-893.編輯/許言