基質金屬蛋白酶-9與血腦屏障和結核性腦膜炎

李軍霞， 趙 青， 何紅彥， 陳顏強 ， 張 慶， 孟藝哲， 李 薇

基質金屬蛋白酶-9與血腦屏障和結核性腦膜炎

李軍霞， 趙 青， 何紅彥， 陳顏強 ， 張 慶， 孟藝哲， 李 薇

基質金屬蛋白酶-9； 血腦屏障； 結核性腦膜炎； 單核-星形膠質細胞網絡

基質金屬蛋白酶-9（MMP-9，）是MMP家族中的一員，因其能降解細胞外基質和上皮細胞基底膜而廣泛參與機體的生理和病理過程[1]。血腦屏障是中樞神經系統（CNS）與外周血液之間的重要屏障。在生理情況下，它能阻止血液中的病原微生物和其他大分子物質進入腦組織，從而保持了腦組織內環境的相對穩定。血腦屏障的破壞是許多CNS疾病［如多發性硬化、運動神經元病、阿爾茨海默病、結核性腦膜炎（TBM）、病毒性腦膜炎等］的病理基礎[2]。TBM是結核分枝桿菌侵犯腦實質及腦膜引起的大腦炎癥性病變，致殘率及致死率均較高，給患者和社會帶來了巨大負擔。TBM多由肺結核血行播散至腦組織。近年來，關于MMP-9在血腦屏障的破壞及結核感染尤其是在TBM的發病中所發揮的作用得到廣泛的研究。本文對TBM的發病機制及可能的治療靶點作一綜述。

1 MMP及其組織抑制劑

1.1 MMP

MMP是一組鈣離子依賴的肽鏈內切酶[3]，擁有共同的功能結構域：一個信號肽、一個前肽、一個包含鋅離子的結合位點催化結構域[4]。它能降解所有細胞外基質和基底膜，從而參與細胞外基質的重構，以及調節細胞與細胞、細胞與基質之間的聯系。迄今為止，MMP家族共發現28個成員[5]，依據其結構和作用底物不同分為6大類（見表1）。MMP活性可被其內在抑制因子所抑制，即組織抑制因子（TIMP）。TIMP可以按1∶1比例以非共價鍵形式與MMP結合而抑制MMP的活性。他們同樣在組織發育和重塑中表達，并具有抗血管再生和抗細胞凋亡的作用[6]。

1.2 MMP-9在神經系統中的分泌和調控

MMP-9廣泛存在于CNS和外周神經系統中。其作用底物為Ⅳ型及Ⅴ型膠原，另外還降解除膠原以外的其他基質，如明膠、彈性蛋白和纖維蛋白原。神經組織中MMP-9的分泌細胞可分為3大類：①炎性細胞。如單核細胞、巨噬細胞、T淋巴細胞、中性粒細胞；②神經膠質細胞。星形膠質細胞和小膠質細胞；③組織細胞。神經元、成纖維細胞和血管內皮細胞。在生理條件下，MMP-9以前體形式（pro-MMP-9）被上述細胞分泌，在體內含量很少且活性很低，它的活性可以在轉錄、翻譯、酶原激活及與TIMP相互作用等多個水平被多種物質所調節。研究表明，生長因子，炎性細胞因子IL-1、IL-4 、 IL-6，腫瘤壞死因子（TNFα），γ干擾素，趨化因子及糖皮質激素等[7]

表1 MMP和TIMP[3-6]

2 MMP-9與血腦屏障

血腦屏障的破壞與許多CNS疾病（如創傷性腦損傷、腦炎、多發性硬化等）緊密相關[8]。廣義的腦屏障分三部分，即血腦屏障、血-腦脊液屏障、腦脊液-腦屏障。其中血腦屏障位于血液和CNS的神經組織之間，由CNS無窗孔的毛細血管內皮細胞及細胞間緊密連接、基膜、周細胞、星形膠質細胞腳板組成[9]。血腦屏障破壞時血液中的抗原成分進入腦組織，引起感染及免疫反應。血-腦脊液屏障破壞則導致血中大量炎性細胞由脈絡叢進入腦脊液，促進了腦膜炎的發生。MMP-9與血腦屏障關系密切，主要體現在：①層黏素和Ⅳ型膠原是血腦屏障基膜和CNS基質的主要成分，也是MMP-9的主要作用底物；②血腦屏障的通透性主要取決于血管內皮細胞間的緊密連接，而MMP-9對于細胞間緊密聯系起關鍵作用[10-11]。

大量實驗表明，在CNS病理狀態下[12-15]，如腦出血、腦梗死、多發性硬化、重癥肌無力、肌萎縮側索硬化、阿爾茨海默病時，血腦屏障被破壞，血液MMP-9含量及活性增加，引起血腦屏障通透性增加及神經系統損傷。創傷性腦損傷患者腦脊液中MMP-9含量及活性明顯增加，而且應用MMP-9抑制劑褪黑素可以使創傷性腦損傷的大鼠血腦屏障的通透性得以恢復[16]；在細菌性腦膜炎小鼠模型中，MMP-9通過破壞海馬區域和大腦皮質的血腦屏障而損害了小鼠的認知能力[17]；另外，Sellner等[18]發現細菌性腦膜炎大鼠腦組織中MMP-9 / TIMP-1比例與血腦屏障受損程度明顯相關。

3 MMP與TBM

結核病是由結核分枝桿菌侵犯機體引起的全身性疾病，肺部結核分枝桿菌可通過血行播散至腦、骨、腎、腸道等全身多個器官，其中TBM發病率占結核感染的1 %，其病死率卻高達30 %，是結核感染中最嚴重的類型。目前關于TBM發病機制尚未完全闡明，基于對上述MMP-9與血腦屏障關系的認識，MMP-9在結核分枝桿菌感染，尤其是TBM發病中的作用受到廣泛關注。

3.1 MMP-9與結核分枝桿菌感染

肺結核分枝桿菌感染時，單核-巨噬細胞系統是肺組織抵抗結核分枝桿菌的主要免疫系統，它可以在結核分枝桿菌刺激下分泌大量MMP-9。MMP-9一方面分解細胞外基質并降解基底膜，造成細胞間黏附力降低，結核感染播散，結核空洞形成[19]，另一方面，MMP-9還參與結核肉芽腫形成[20]。MMP-9表達升高是肺結核病變組織區別于正常肺組織的重要特征之一。人們應用結核分枝桿菌的菌體成分如阿拉伯甘露聚糖刺激單核細胞，發現單核細胞反應性分泌MMP-9[21]。肺結核患者血清MMP-9和結核性胸膜炎患者的胸腔積液MMP-9的含量較正常人明顯增加[22-23]。另外，MMP-9可作為評估結核感染病情程度的參考指標。如實驗觀察到肺內結核病變越重，血清MMP-9濃度越高[24]。Matsuura等[25]也發現TBM時，出現CNS并發癥（如意識障礙、排尿障礙等）的患者腦脊液MMP-9含量明顯高于無并發癥的患者。

3.2 MMP-9與TBM

近年來，由于HIV感染者增加以及耐藥結核菌的產生，使得TBM診斷及治療越來越復雜。

3.2.1 TBM與血腦屏障 目前認為，TBM的主要發病機制為：肺內結核分枝桿菌經血液循環（菌血癥）入腦，破壞血腦屏障通透性，在腦實質內及腦膜表面種植，形成結核瘤及腦膜結核結節，結節破潰后，結核分枝桿菌進入腦脊液形成腦膜炎[25]。但對于結核分枝桿菌以何種途徑入腦，何種機制破壞腦組織，目前尚在研究中。但可以肯定的是，血腦屏障的破壞為TBM病理基礎中重要的一環[26]，應用釓噴酸葡胺行頭磁共振強化，顯示腦實質病灶有結節樣、環形強化，腦膜呈線型強化等表現，同樣強有力地證明了TBM中血腦屏障被破壞。

3.2.2 TBM時單核-星形膠質細胞網絡參與分泌MMP-9 目前認為，MMP-9主要由單核-星形膠質細胞網絡產生，大量的MMP-9破壞血腦屏障的通透性，降解細胞外基質及CNS基膜，促進了TBM的發病。星形膠質細胞是CNS數量最多的細胞，在CNS感染時，可以發揮“抗原遞呈細胞”的作用，引發免疫反應。星形膠質細胞的這種功能使得“腦是與免疫系統隔絕的特免器官”這一傳統觀念被打破。Harris等[27]觀察到用結核分枝桿菌直接感染星形膠質細胞并不能使之產生更多的MMP-9，而應用含有被結核分枝桿菌刺激的單核細胞的培養基（不含結核分枝桿菌）來刺激星形膠質細胞，MMP-9的合成及分泌明顯增加， TIMP-1分泌卻無明顯變化。提示TBM時，單核-星形膠質細胞網絡在MMP-9的分泌和TBM的發病過程中均發揮重要作用。即機體免疫系統針對結核分枝桿菌產生了一系列復雜的炎性反應，構建了由血液單核細胞和CNS星形膠質細胞共同參與的復雜炎性細胞網絡，參與到此網絡的還包括眾多細胞因子如γ干擾素、TNF-α、IL-1b和 NFκB轉錄因子蛋白家族等。另外，小膠質細胞在TBM時亦分泌上述諸多細胞因子[28]，因此也發揮著重要的免疫調節作用。

3.2.3 TBM不同時期腦脊液炎性細胞參與分泌MMP-9 TBM時，血液中的炎性細胞（中性粒細胞、淋巴細胞、單核細胞等）通過被破壞的血-腦脊液屏障進入到腦脊液中。腦脊液會隨著TBM不同時期或病情不同而呈現不同的細胞學。TBM時，腦脊液中MMP-9含量及活性明顯增加[25，27，29]，腦脊液中的炎性細胞參與分泌MMP-9并調節其活性，而MMP-9則全程參與了TBM的炎性反應。TBM早期，腦脊液以中性粒細胞為主，呈中性粒細胞反應，經過治療后，腦脊液中性粒細胞逐漸下降，淋巴細胞逐漸增多，呈淋巴細胞反應。Green等[30]研究發現，TBM急性期時，腦脊液中MMP-9與中性粒細胞計數呈明顯正相關，且治療后呈同步變化，提示腦脊液中性粒細胞參與分泌MMP-9，而后者如前所述參與了細胞外基質和上皮細胞基底膜的破壞。Matsuura 等[25]發現，處于亞急性期的TBM腦脊液中MMP-9含量明顯高于急性期TBM，說明亞急性期腦脊液中淋巴細胞同樣分泌高水平MMP-9，并參與了血腦屏障的重構。

3.2.4 MMP-9在TBM免疫反應中發揮雙重作用 結核分枝桿菌感染時保護性的免疫反應和破壞性的遲發變態反應之間存在著錯綜復雜的關系，迄今機制尚未完全闡明。TBM的不同轉歸取決于上述2種反應的孰優孰劣。MMP-9功能影響著TBM的轉歸，其活性與TBM嚴重程度及有無并發癥直接相關[24-25]。適量的MMP-9（結核感染早期或輕度感染時）可以募集更多的巨噬細胞，形成增生性肉芽腫，發揮機體的正面抵抗作用[31]，而過量的MMP-9（亞急性期或有并發癥的TBM時）則參與了機體過度炎性反應，大量破壞細胞外基質和上皮細胞基底膜，引起機體遲發變態反應，造成炎性滲出、增生，結核感染播散。故在TBM早期，血或腦脊液的中性粒細胞或許因分泌MMP-9而發揮了保護性免疫抵抗作用。如研究發現，TBM病初腦脊液淋巴細胞比例越高，中性粒細胞比例越低，其病死率也越高[32]；血淋巴細胞越高，中性粒細胞越低，越提示結核感染，也是因為降低的中性粒細胞分泌的MMP-9不足以募集更多巨噬細胞，不利于結核分枝桿菌的清除[33]。

3.2.5 MMP-9有可能成為TBM的治療靶點MMP-9通過破壞血腦屏障和血-腦脊液屏障的通透性而參與了TBM的發病和病情轉歸，因此，調節（甚或抑制）MMP-9的活性或許可以成為TBM治療靶點之一。糖皮質激素是TBM治療的重要方法，研究表明，糖皮質激素在TBM治療初期（3～8 d）可以通過降低腦脊液中MMP-9的濃度來保護血腦屏障，促進病變恢復，但對TIMP-1及其他MMP/ TIMP作用不大[30]。但同時也發現，在病毒性腦膜炎、隱球菌性腦膜炎、腦寄生蟲感染等其他CNS感染時[5，24]，MMP-9也均有不同程度的增高，故其作為TBM診斷指標的意義可能不大。目前多數研究表明，MMP-9在TBM中有更為明顯的升高，但其能否成為TBM的一個特異性的治療靶點，值得進一步探討。

綜上所述，MMP-9參與了CNS中血腦屏障和血-腦脊液屏障的破壞，在TBM的發病和發展中起重要作用。TBM時，血腦屏障和血-腦脊液屏障被破壞，腦組織中MMP-9的表達明顯增加，同時腦脊液中各類炎性細胞參與合成、分泌MMP-9并調節其活性，引起一系列免疫反應。MMP-9可作為研究TBM發病中的重要因子，幫助我們更好地理解TBM的病理過程，并且MMP-9可作為血腦屏障破壞程度和TBM病情評估的參考指標，具有重大意義。

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Matrix metalloproteinase 9, blood brain barrier and tuberculous meningitis

LI Junxia, ZHAO Qing, HE Hongyan, CHEN Yanqiang, ZHANG Qing, MENG Yizhe, LI Wei. （Department of Neurology, Hebei Chest Hospital, Shijiazhuang 050041, China）

R529.3

A

1009-7708 ( 2017 ) 04-0463-05

10.16718/j.1009-7708.2017.04.022

2016-08-15

2016-10-29

河北省醫學科學研究重點課題計劃（20160491）。

河北省胸科醫院神經內科，石家莊 050041。

李軍霞（1984—），女，碩士研究生，主治醫師，主要從事結核性腦膜炎診治。

趙青，E-mail：zhaoqing2006817@126.com。