多西環素抑制基質金屬蛋白酶作用機制的研究進展

于召龍　田紀偉

[摘要]多西環素作為半合成抗生素，因其吸收快、抗菌譜廣、不良反應少等優點在臨床上應用較廣。在對多西環素的研究中發現，其不僅有抑菌作用，而且可能通過抑制炎癥因子、信號通路以及基質金屬蛋白酶等機制，在組織再生、修復，延緩組織退變等方面具有重要作用。本文擬對多西環素的結構、生物學特性以及對基質金屬蛋白酶的抑制作用作一綜述。

[關鍵詞]多西環素;基質金屬蛋白酶;金屬離子;炎癥反應;組織修復

[中圖分類號] R681.5? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 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

多西環素（Doxycycline，DOX）是由土霉素合成的廣譜類抗生素，根據藥敏試驗結果，其可用于治療如革蘭陽性菌、革蘭陰性菌等多種細菌感染，機制主要是通過干擾敏感菌的蛋白質合成[1]。隨著對DOX的深入研究，發現其還具有抗寄生蟲[2]、抗炎[3]以及在血管、骨骼等組織中抑制基質金屬蛋白酶（MMPs）活性的作用[4-6]。

Gross等[7]在1962年時首次發現間質膠原酶（MMP-1），目前已發現28種MMPs。MMPs是一類活性依賴于Zn2+和Ca2+的蛋白水解酶，主要由巨噬細胞、中性粒細胞、結締組織細胞以及腫瘤細胞等合成分泌。在刺激因子作用下，如炎性因子白介素-1（IL-1）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）等，MMPs產生增多，并進入細胞外基質（ECM）以促進ECM的降解。根據MMPs作用底物的不同，可分為以下幾種酶。①膠原酶：MMP-1、MMP-8、MMP-13、MMP-18，主要水解纖維類膠原;②明膠酶：MMP-2、MMP-9，主要水解變性膠原及基膜的主要成分;③間質溶解酶：MMP-3、MMP-10、MMP-11、MMP-12，可水解Ⅳ型膠原、蛋白聚糖等;④膜型MMPs：MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17、MMP-24、MMP-25;⑤基質溶解酶：MMP-7、MMP-26;⑥其他[8]。在生理狀態下，MMPs可參與胚胎的形成、炎癥細胞轉移、傷口愈合、血管生成等;在病理狀態下，其可在動脈粥樣硬化、腫瘤轉移、類風濕性關節炎、骨關節炎、脊柱退行性病變等疾病中發揮作用。

1 DOX的結構及生物學特性

DOX，又名強力霉素、脫氧土霉素等，分子式為C22H24N2O8，結構式[9]見圖1，其外觀為黃色晶狀粉末，易溶于水或甲醇。DOX為半合成廣譜抗生素，抗菌活性較強，對于金黃色葡萄球菌、鏈球菌、炭疽桿菌、沙門菌、布氏桿菌以及衣原體、支原體等均有抑制作用。在細菌增殖過程中，DOX被認為是通過與核糖體的16S rRNA 3′末端結合來抑制蛋白質翻譯過程，進一步阻止tRNA與RNA-30S細菌核糖體亞基結合[10]，由于上述作用，細菌蛋白質合成的起始被阻斷，從而發揮抑菌作用。

DOX可在體內迅速被吸收，并在短時間內分布到全身大部分組織器官，其半衰期約為16.33 h，經肝臟代謝后，通過膽汁進入消化道排出體外。DOX在四環素類藥物中副作用相對較小，常見的有藥物肌肉注射給藥時的局部刺激、牙釉質發育不全（主要針對8歲以下兒童）、胃腸道的刺激以及二重感染等。

2 DOX對MMPs的抑制作用

近年來，除對DOX的抗菌作用的研究外，有文獻報道，DOX在抗炎[3]、抑制牙周炎[6]、促進血管[4]、肌肉[11]、神經組織修復[12]、治療腫瘤[13]、延緩骨關節[14]及椎間盤退變[15]等均可發揮相應作用，可能與DOX對MMPs的抑制作用有關。

MMPs由多結構域構成，N端存在疏水信號肽序列;前肽區，保守序列PRCGV/NPD主要作用是保持酶原的穩定性;催化活性域，有Zn2+結合位點，可促進酶的催化作用，Ca2+主要參與酶活性的激活;而在C末端區，與酶的底物識別及基質金屬蛋白酶組織抑制劑（TIMP）結合有關。MMP的活化過程，是將MMPs的前肽位移，Zn2+活性中心暴露后，底物進入該疏水區域被催化降解。MMPs抑制劑-TIMP，其N端功能區與MMPs Zn2+活性中心以非共價形式結合而抑制MMPs的水解作用。

隨著對MMPs參與病理過程的不斷研究，其已成為治療某些疾病的藥物作用靶點。而其抑制劑，如四環素、氯己定、銨類化合物等[16]，也在實驗研究中引起諸多學者的重視。有研究報道，四環素（如DOX）對MMPs有高效的抑制作用。

2.1 DOX通過螯合金屬離子，如Zn2+、Ca2+，以抑制MMPs發揮功能

Zn2+對于MMPs的結構穩定性及酶的活性至關重要，有文獻報道，乙二胺四乙酸（EDTA）可螯合Zn2+、Ca2+，1，10-二氮雜菲可螯合Zn2+，可使MMPs失去酶的催化活性[17]。Ryan等[18]通過對糖尿病大鼠模型的皮膚組織研究發現，40 μM的DOX與Zn2+螯合可抑制MMP-8活性，隨著加入Zn2+的濃度增加（5 μM），DOX的抑制作用減弱，DOX對MMP-13也存在類似的效應，通過MMP-8/-13的抑制作用可以促進皮膚組織的愈合，但是對MMP-1的抑制作用相對較弱。也有研究指出，DOX可以螯合Zn2+從而抑制MMP-2/-9的水解作用[19]。在軟骨細胞內，DOX通過對MMPs的抑制，減緩Ⅱ型膠原蛋白及蛋白聚糖的降解作用，關節內注射DOX對骨關節炎有一定的修復作用[14]。

2.2 DOX可抑制炎癥因子介導的MMPs表達

炎性因子在炎癥相關疾病中發揮多種作用，如白介素-17（IL-17），是炎癥反應的早期啟動因子，可通過促進釋放前炎性因子以及后續激活多條信號通路，如JAK/STAT、NF-κB、MAPKs（ERK1/2、p38）等，以放大炎癥反應[20]。在肌肉相關疾病中，如多發性肌炎、皮肌炎，MMP-2/-9參與肌肉的重建，其中，MMP-2多持續表達，而MMP-9在前炎性因子刺激下，可表達或呈激活狀態[21-22]。Obradovic等[23]在研究中發現，DOX可以抑制IL-17介導的MMP-9的表達以及ERK1/2信號通路的激活，而且他認為，5 μg/ml（11 μM）DOX可促進肌管增生，這對于肌肉的重建與修復具有重要意義。Pereira等[24]通過對杜氏肌營養不良癥的研究，指出DOX對于MMP-9及TNF-α有抑制作用。多種炎癥因子（如IL-1、TNF-α）參與椎間盤退變，并且MMPs加速ECM降解。張海飛等[25]在椎間盤髓核細胞的實驗中加入DOX后，MMP-13及Ⅱ型膠原蛋白水平增高，他認為這與DOX抑制ERK1/2、JNK的磷酸化有關。但是，在一項對長期慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的前瞻性研究中發現，DOX對于炎性因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）、炎性標志物（C-反應蛋白）以及MMP-8無明顯抑制作用[26]。

2.3 DOX可降低一氧化氮（NO）介導的MMPs活性

NO作為信號分子在機體內廣泛存在，并且參與多種生理活動（如炎癥反應、氧化應激等）的調節機制，有研究者認為，NO可使pMMP-9催化活性中心Zn2+結合位點暴露，從而激活MMP-9活性[27]。O′Sullivan等[28]在研究中發現，當NO水平在10 μM時，可能促進MMP-9的基因表達及活性增強，而當NO維持在100～500 μM水平時可能會起到相反作用。DOX可以降低因低水平NO引起的MMP-2/-9的活性增強[29]。但是，目前尚無確切證據證明DOX可通過調節NO水平以抑制MMPs發揮功能。

DOX對MMPs抑制作用較為廣泛，其中對MMP-1/-2/-7/-8/-9/-12/-13均有不同程度的抑制作用[30]，但是因為不同組織、器官，其細胞分布類型、外界刺激的形式、細胞微環境改變的差異以及MMPs種類繁多，因此，MMPs常呈差異性表達或多種類型同時表達。DOX可以通過多種機制抑制MMPs的水解作用，而且DOX在氧化應激以及細胞凋亡等方面也發揮不同的作用[31]，目前DOX對MMPs的作用機制有待進一步深入研究。

3總結

隨著對DOX以及MMPs研究的廣泛和深入，在機體不同組織器官，均發現DOX除抑制細菌的作用，而且對MMPs也具有較強的抑制作用。在病理狀態下，MMPs的高表達對于組織、器官可能產生損害作用或者加速組織、器官的退變。因此，通過DOX抑制MMPs作用的研究，MMPs可能會成為治療某些疾病的藥物作用靶點，這對于組織修復及延緩疾病進展具有重要意義。

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（收稿日期：2019-04-26? 本文編輯：任秀蘭）