基质金属蛋白酶

老七

作者：浙江中医药大学  陈文晓

骨关节炎（OA）是生物力学、生物化学、代谢和遗传等因素相互作用的复杂的消耗性疾病，年龄、性别、精神创伤、过度使用、遗传等都可导致关节不同程度的损伤成为OA发生的危险因素，导致其异常的生化过程。OA是一个多种细胞因子参与，经过多种病理途径，多种机制相互作用的复杂的病理过程。其发病机制尚未完全明确，但基质金属蛋白酶－13（MMP－13）介导的Ⅱ型胶原降解和破坏所致软骨细胞赖以发挥生物学基础功能的软骨支架的损害和崩塌是软骨细胞发生变性坏死的重要病理制。本文就MMP－13对Ⅱ型胶原的作用及其抑制剂的研究做一综述。

MMP－13参与软骨基质破坏的机制

型胶原胶原在关节软骨中的作用

解剖上，关节软骨是覆盖在负重关节末端的具有吸收冲击震荡和分散载荷作用的薄层结缔组织。关节软骨是平整光滑的可逆性压缩组织，当关节负重时可以保护负重面下的骨骼免遭生物力学损害。组成关节软骨的软骨细胞嵌在由大量的Ⅱ型胶原和蛋白聚糖聚集蛋白聚糖组成的大量细胞外基质中。

在大型动物和人类的软骨中包含大量散在分布的活细胞（软骨细胞），占总软骨组织的1％～2％。大部分软骨的细胞外基质主要有3种分子组成：水（70％），胶原（20％），蛋白聚糖（5％）。在软骨组织中的胶原主要是三维矩阵形式的三螺旋纤维。胶原主要是由Ⅱ型胶原和Ⅸ及Ⅺ胶原组成的具有抗拉强度和加强组织的纤维网络，Ⅲ型和Ⅵ型胶原大量存在于周围健康的软骨组织中。

在成人关节软骨的胶原纤维有3层结构，一是从软骨表面到潮线的主要平行于软骨表面的薄层胶原纤维；二是胶原纤维缺乏主要方向的较厚的过渡带；三是胶原纤维主要垂直于潮线的深层。胶原蛋白作为动物支架有很多重要的基本特征，这些特性包括热稳定性，机械强度，与其他生物分子特异性相互作用的能力。透明软骨的细胞外基质中，包含各种各样的非胶原蛋白和胶原蛋白，Ⅱ型胶原是胶原的主要组成部分，占胶原总量的80％～95％，在关节承受力和耐摩擦方面是必不可少的。Ⅱ型胶原是由3条完全相同的α链组成的胶原纤维，是关节软骨的主要结构成分，是软骨支架的重要组成部分。

MMP－13对Ⅱ型胶原蛋白的降解和破坏

OA是一种多因素的退行性关节疾病，其主要是关节中的关节软骨基质遭到破坏，关节软骨合成代谢和分解代谢的失衡在OA的发病基质金属蛋白酶－13的测定在骨关节炎中作用的研究进展机制中起着至关重要的作用，其特征是软骨的慢性进行性退变或破坏。成人的正常软骨主要通过细胞外基质（ECM）中合成和分解代谢的微妙平衡的保持所形成的稳态来维持关节的完整功能。

ECM在黏附、生长、细胞凋亡和细胞间通讯中起着重要作用，这些功能的调控是细胞活力的关键，MMPs是降解ECM大多数成分的Zn2＋蛋白酶家族，是软骨基质降解的重要介质。MMPs包括N端信号肽，催化结构域，Zn2＋结合区，铰链区，C端跨膜区，如同其他的蛋白水解酶，MMPs以无活性的酶原或酶前体存在。MMPs在一个单一的位点上裂解天然胶原蛋白，尽管胶原蛋白中包含有一个以上的易切断的键。

纤维胶原类的降解退化在很多生理病理过程中扮演着重要角色，这些胶原包裹成紧密的三螺旋结构以抗拒大部分的蛋白酶，但是很容易在特殊的位点被胶原酶和特定的MMPs所裂解。胶原酶是惟一可以很容易地裂解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原纤维的三螺旋结构域的内源性酶。Ⅱ型胶原是由3条完全相同的α链构成的三螺旋结构，它是软骨组织细胞外基质的主要结构成分，这些分子聚集形成胶原纤维网络，通过分子间的相互交叉连接得以稳定。

最近研究表明，MMPs－13（胶原酶3）是已知的惟一存在于结缔组织中可以裂解Ⅱ型胶原三螺旋结构的蛋白酶，其优先降解Ⅱ型胶原，首先促进胶原三螺旋结构的裂解膨胀，对Ⅱ型胶原的降解和破坏是不可逆性的，但是其如何识别和裂解胶原的三螺旋结构尚不完全清楚。Ⅱ型胶原的降解和破坏导致软骨支架结构的崩塌，软骨细胞赖以发挥功能的结构基础遭到破坏，ECM的平衡破坏进一步加剧，激发进一步的炎症反应和软骨组织破坏，造成炎症与破坏的恶性循环。

MMP－13的测定及其抑制剂的应用

MMP－13在监测OA中的作用MMP－13的浓度变化能够及时反应OA的进展情况和严重程度，与其他的生物学指标的联合应用有利于OA的早期诊断和预防。史广强等临床观察发现OA患者血清中MMP－13水平高于正常人。于伟光等通过实验证实4种血清生物标志物联合检测具有早期诊断和评价骨关节炎的价值。

CTX－Ⅱ（C－末端的交联端肽Ⅰ型胶原蛋白）是反映关节软骨降解的一个特殊标记，它的检测能够及时敏捷地反映软骨损伤和退化的水平、OA诊断及预测其进程和监测药物治疗效果，因此能够间接反映骨性关节炎患者的情况，与其他生物标志物共同检测，可以反映OA早期的病理变化；CPⅡ（Ⅱ型前胶原的C端前肽）是Ⅱ型胶原的合成标记，CTX－Ⅱ是Ⅱ型胶原的降解标记，可作为潜在的生物学标记物为膝关节OA的亚临床和早期患者提供新的诊断指标；血清COMP的联合应用可以更早地诊断OA和预防其发展。马丽艳等通过实验证实在临床上检测滑膜组织中MMP－13的表达有助于指导骨性关节炎的治疗及病情的评估。MMP－13和其他因子的联合检测可以更高效率地确定OA的进展情况，因此其浓度的测定可以更有利地掌握病变进展和施治时机。

MMP－13抑制剂的应用前景基质金属蛋白酶（MMPs）

与基质金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）的失衡是导致纤维网络主要支架Ⅱ型胶原降解的始动因素。基质金属蛋白酶和它的内源性抑制剂，以1∶1存在于ECM中。ECM中各种组分的降解在很大程度上是由可被TIMPS抑制的MMPs所介导，对MMPs生成和活力的严格调控是ECM动态平衡中必不可少的组成部分。在多种类型的关节炎中，MMPs抑制剂可减少关节破坏和延缓疾病的进展。现今的几种MMPs抑制剂的最常见作用机制是结合于MMP上的Zn2＋位点，从而阻断其活性。MMPs是有前景的药物靶点，其作为标记预测疾病进程和治疗的结果具有重要的诊断潜力，MMPs的结构保证了它在矫形术、风湿病学和初级保健等临床应用的药理学作用靶点，MMPs及其相关蛋白在预测疾病康复和疾病进程结果中具有诊断价值。

几种治疗性质的MMPIS将MMPs作为治疗靶点，试图调控它们的生成、分泌、活化和蛋白水解活性，Herszényi等指出近几年几代合成的MMPIS在Ⅲ期临床的调查研究中，尽管在临床前和临床中有重要的药物靶向研究作用，但大部分由于不良反应和无效在临床应用中失败，因此它们不能作为临床常规用治疗药物。选择性MMP结合肽包括高度可定制的、独特的显影域，需要改进的MMP靶向肽域包括亲和力和稳定性，Ndinguri等研究表明新的显影技术结合生产修饰肽的方法，选择性MMP抑制剂在未来的发展中拥有巨大潜力。

Remacle等通过TIMP域结构参数的重新设计，发现选择性MMP拮抗剂的治疗潜力有着广阔的前景。Meszaros等研究发现MMP－9在OA滑膜液中被发现，而作为复合物的中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）具有保护MMP－9自发降解的功能，抑制NGAL的合成或促进NGAL的降解可能导致MMP－9活力的下降，他们提议通过酶类蛋白相互作用来抑制其他MMP亚型的活力，从而进一步抑制ECM蛋白降解的研究，其对MMP－13抑制剂的开发具有重要参考价值。

尽管TIMPS复合物的结构已经得到认识，但尚未解决的问题是在抑制剂和酶结合时结构灵活性改变的重要性，这也许将成为未来组织工程学设计特殊结构的TIMPs作为潜在治疗剂的关键。Li等认为合成的MMP抑制剂（MMPIs）经历了快速的临床发展，试图控制MMP酶的活性异常生物过程，有限的临床成功限制了它的使用，但是有关药物的研究还在不断发展深入，其中高效性的和选择性的MMPIs可能成为这一领域的突破口。

展望

综上，OA的发病机制虽未明确，但MMP－13特异性地降解Ⅱ型胶原，导致关节软骨胶原纤维三层结构的破坏和Ⅱ型胶原三螺旋结构的裂解，导致软骨细胞赖以发挥其生物学功能的结构基础遭到破坏，进而ECM失衡、产生关节软骨进行性变性与破坏，同时并伴有滑膜和关节腔连续的一系列生理生化和形态学改变的OA病理变化，故被认为是OA发生发展中的核心因素之一。

近年来，随着对OA与MMP－13关系研究的深入，许多临床试验将MMP－13作为预测和监测OA进程和严重程度的指标。由于MMP－13抑制剂能特异性地结合MMP－13，抑制其活性，对OA关节具有保护和治疗作用，因此近年来许多临床试验正将MMP－13作为预防和治疗OA的靶点，成为预防和早期治疗OA的有效方法，成为近年来的研究热点。

Xu等研究证实SMF治疗能显著抑制软骨基质的降解，同时增加蛋白聚糖和胶原的含量，特别是Ⅱ型胶原在关节软骨中的表达在循环中减少CTX－Ⅱ和增加CPⅡ，此外，SMF能干扰（MMPs）－3，－13过表达的同时增强（TIMPs）－1，－3的表达，能够显著降低（MMPs）－3，－13和升高（TIMPs）－1，－3在软骨细胞中的mRNA和蛋白水平，可以有效抑制OA软骨基质的降解，这为中医药在OA中的积极作用提供了分子基础。但是，更进一步的了解MMP－13在OA中的作用机制和开发更加高效性和高选择性的MMP－13抑制剂有待持续的研究和跟进，最终可能为OA的治疗开辟一条新的途径。