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医学

收稿日期:2005-07-18;修回日期:2006-01-04

作者简介:毛玲(1981-),女,在读硕士研究生,主要从事脑血管病方面的研究。

基质金属蛋白酶-9与脑缺血血脑屏障损伤的关系

华中科技大学同济医学院附属协和医院神经内科(430022)

毛 玲 查运红 综述 梅元武 审校

摘 要:基质金属蛋白酶-9(MMP-9)是一种基质金属蛋白酶,脑缺血时可以通过降解基底膜及紧密连接破坏血脑屏障,

从而导致脑缺血后继发性脑水肿和脑出血。了解MMP-9及其与脑缺血性损伤的关系、脑缺血时其在中枢神经系统的变化、及其在脑缺血时如何作用于血脑屏障,无疑为预防和治疗脑缺血后的并发症指出了新的方向。关键词:基质金属蛋白酶-9;血脑屏障;脑缺血;脑水肿

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases ,MMPs )是一组Zn 2+依赖的金属蛋白内切酶家族,可以降解绝大部分细胞外基质(extracellular matrix ,ECM )成分。在生理条件下,参与胚胎发生、正常组织重塑、创伤愈合和血管发生;在病理条件下,参与纤维变性、关节炎

等的病理改变及肿瘤的生长、迁移、侵袭和转移等

[1,2]

。研究还发现,MMPs 家族还参与神经系统疾病如多发性硬化、脑外伤、脊髓损伤、脑炎、脑膜炎、脑血管病变等的病理发生。MMPs ,

尤其是MMP-9可以促进缺血脑组织毛细血管破坏,特别是血脑屏障(blood brain barri-er ,BBB )

微血管基底膜,从而导致脑缺血后继发性脑水肿和脑出血[3]

。本文就MMP-9与脑缺血血脑屏障

损伤的关系作一综述。1 MMP-9的生物学特性

1.1 MMP-9在MMPs 家族中的地位及作用

迄今为止,已发现26种MMP 家族成员,其中大

多数都是以无活性的酶原形式由细胞分泌[4]

,其激活

过程与纤维蛋白溶酶系统形成一个“瀑布”样的反应链,MMPs 之间的精细调节对维持ECM 内环境的稳定至关重要。目前人们对MMPs 之间的相互作用还不是很清楚,还没有发现MMP-9可以直接作用于某一种MMP ,但已证实活化的MMP-9可以通过激活纤溶

酶原而在这个反应链中发挥作用

[5]

。1.2 MMP-9的分子结构及功能

MMPs 有着共同的分子结构,从N 端至C 端依次为信号肽、前肽、催化区(含高度保守的锌结合位点、绞链区、血液结合素区),按其分子结构及其底物的不同分为胶原酶、明胶酶、基质溶解酶、膜型基质蛋白酶和其他不能分类的基质酶五类。MMP-9属于明胶酶,在其催化区还含3个重复的Ⅱ型纤维连接蛋

白,这些重复结构作用于明胶和胶原而发挥其催化作用。MMP-9主要作用于ECM 成分,包括胶原(Ⅳ、V 、Ⅶ、X 和X Ⅳ)、明胶、弹力蛋白、半乳凝素-3、聚集蛋白聚糖、纤维连接蛋白、多功能蛋白聚糖、粘连蛋白、内功素和骨结合素;此外,MMP-9还可作用于

非ECM 成分,

如α1-PI 、IL-β和纤溶酶原[5]

。1.3 MMP-9的调控机制

MMP-9活性的调节和所有的MMPs 一样,发生在:①转录水平,MMPs 基因表达受细胞因子、生长因子和癌基因的调控。研究表明MMP-9的启动子区包含AP-1和NF-k B 转录因子结合位点,

细胞因子或生长因子通过MAPK 、ERK1/2、PI3K-Akt /PKB 、JNK 、PKC 、PLD 等信号转导途径最后作用于AP-1或NF-k B 而调节MMP-9的表达

[6-10]

。②酶原激活水平,MMP-9以无活性的酶原形式分泌,其活化与MMP-2、MMP-3、MMP-13及纤维蛋白溶解系统有关。pro-MMP-9首先与TIMP-1、MMP-3形成pro-MMP-9-TIMP-1-MMP-3复合物,

接着分解成pro-MMP-9和TIMP-1-MMP-3,然后pro-MMP-9由活化的MMP-2、MMP-3(由纤溶酶激活)、MMP-13和纤溶酶(由u-PA 或t-PA 激活)激活。此外,NO 可直接使pro-MMP-9亚硝基化成为有活性的MMP-9[11]。③金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitors of metalloproteinases ,TIMPs )的调节,TIMPs 是MMPs 的内源性抑制剂,不同的TIMPs 对MMPs 家族成员有特异性抑制作用。已经证实TIMP-1与MMP-9特异性结合,形成可溶性非共价复合物而发挥其抑制作用。另外,血浆中的α2巨球蛋白是一种非特异性蛋白酶抑制剂,也能抑制MMP-9的活性。目前已有一些人工合成的MMPs 抑制剂,如巴马司他(BB-94)、马马司他(BB-2516)及苔藓抑

Journal of International Neurology and Neurosurgery 2006,33(1)

素-1等,它们具有选择性抑制某几种MMP的作用,其作用已在动物实验中获得证实[12,13]。

2MMP-9与脑缺血性损伤的关系

脑缺血后常继发脑水肿和脑出血,目前大量的研究表明这可能与MMPs家族,尤其是MMP-9有关。脑缺血血流动力学改变、损伤、炎症及氧化应激都可以调节MMPs的表达及其活性[14],上调的MMP-9通过降解细胞外基质导致脑微血管结构完整性破坏和血脑屏障损坏,造成继发性脑水肿和脑损伤。

2.1脑组织缺血时中枢神经系统MMP-9的变化

Dzwonek等发现MMP-9的mRNA和蛋白可见于正常脑组织的海马、皮质和纹状体,主要分布于神经元的胞体和树突,神经胶质细胞尤其是星形胶质细胞和小胶质细胞也可见少量表达,此外,MMP-9还可见于小脑的颗粒细胞和浦肯野细胞[11]。Wagner等用蛋白质印迹法及明胶酶谱法在正常小鼠脑中未发现有MMP-9蛋白和酶活性的表达,免疫组化法发现MMP-9极低表达;在正常大鼠脑中,免疫组化法和明胶酶谱法没有MMP-9表达[15],这表明正常脑组织MMP-9可有表达,但表达极低。Minoru等通过免疫组织化学法发现,大鼠大脑中动脉栓塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)模型缺血16h时,MMP-9在皮质和纹状体的缺血区域表达上调,24h时更为明显,MMP-9主要出现在血管的内皮细胞中,同时在脑实质中也发现了MMP-9的表达[16]。早在1986年Herron等就已提出内皮细胞能分泌这种蛋白酶[17]。Maier等的实验研究也发现MMP-9在缺血脑组织梗死灶周围的血管表达显著,同时小神经胶质细胞、星形胶质细胞及中性粒细胞也有表达[14]。这些提示在正常脑组织,MMP-9主要表达于海马、皮质和纹状体区的神经元;而当脑组织缺血时,MMP-9主要表达于缺血组织的血管内皮细胞或者是说血管内皮细胞的MMP-9上调最显著。

2.2MMP-9对脑缺血血脑屏障的作用

Rosenberg等用MCAO模型观察血脑屏障通透性的变化,发现在再灌注3h和48小时时,血脑屏障的通透性明显增加,其中48h时通透性最大,14d后恢复正常。同时他们用酶谱法和反向酶谱法观察了MMP-2、MMP-9和TIMP-2、TIMP-1的表达,发现对照组没有MMP-9表达,实验组MMP-9在再灌注15h时开始增加,48h时达最大量,TIMP-1也在48h时达最大量;MMP-2和TIMP-2在所有的测量时间均可见,于第5天达最大量。通过相关性分析示MMP-2与3h时血脑屏障通透性增加有关,MMP-9与48h 时血脑屏障通透性增加有关[18]。这说明脑缺血后血脑屏障呈双相性开放,双相性开放可能存在不同的机制,有学者认为24h之前血脑屏障通透性升高与内皮吞噬功能增强、MMP-2的作用有关,而24h后血脑屏障的损伤则与MMP-9有关[19]。Gashe等用永久性脑缺血动物模型研究了缺血时MMP-9的表达,发现脑缺血后2h,MMP-9前体表达增加,24h达高峰,而活化的MMP-9则于脑缺血4h时开始出现,同时证实血脑屏障此时开始损坏,实验中未发现有MMP-2的表达[20]。另外,如果在手术前预先给予MMPs抑制剂如BB-94,则可以明显减少血脑屏障的破坏和继发性脑水肿[21]。这些提示MMP-9在脑缺血后血脑屏障损伤及继发性脑水肿中起着重要作用。

2.3MMP-9作用于血脑屏障的分子机制

血脑屏障由中枢神经系统血管内皮细胞、内皮细胞的紧密连接、基底膜以及毛细血管基底膜外的星形胶质细胞终足构成,其中血管内皮细胞及紧密连接是血脑屏障重要的形态学基础,在生理情况下,血脑屏障对维持中枢神经系统内环境的稳定具有重要意义。血脑屏障一旦受损,血管通透性明显增加,引起毛细血管内的水分与血浆蛋白外渗,致细胞间隙内水分增多而形成血管源性脑水肿。脑缺血时,MMP-9主要表达于血管内皮细胞,以前研究者对MMP-9的研究主要集中于血管的基底膜,基底膜是包绕微血管内皮细胞的一种特殊形式的ECM,主要由Ⅳ型胶原、层粘连蛋白和纤粘连蛋白等构成,这三者都是MMP-9的酶作用底物,这些基底膜成分的蛋白水解就导致了血脑屏障完整性破坏和血管源性脑水肿[22]。但是,血脑屏障的功能并不是单由基底膜决定,其主要的生理功能是由血管内皮细胞之间的紧密连接决定的,构成紧密连接的蛋白质分子,包括膜周蛋白(ZO-1、ZO-2、ZO-3)、跨膜蛋白等[23],在这些蛋白质中,目前有研究表明ZO-1也是MMP-9的底物。在Minoru等的研究中,Western印迹法示ZO-1在脑缺血后明显减少,光密度计法分析示脑缺血24h时,ZO-1减少了30%,而在MMP-9基因敲除组,ZO-1没有明显的减少[16]。故缺血后增高的MMP-9可能是通过作用于血脑屏障内皮细胞之间的紧密连接和基底膜而导致血脑屏障受损,通透性增加,从而导致血管源性脑水肿。在Minoru的实验中还发现MMP-9可以降解脑白质的髓磷脂碱性蛋白而致缺血后脑白质损害[16]。

3结语和展望

脑缺血后继发性脑水肿可能与增加的MMP-9破坏血脑屏障有关,因此,我们可以通过抑制缺血后

国际神经病学神经外科学杂志2006年第33卷第1期

MMP-9的表达来减轻继发性脑水肿。但是,目前在脑缺血后增加的MMP-9的调节方面,如脑缺血后周围内环境发生了什么样的变化,是什么样的原因使MMP-9的表达上调还知之甚少,因此,随着人们对这些问题的认识,将有利于我们更好的了解MMP-9与血脑屏障的关系,从而更好的预防及治疗脑缺血继发性脑水肿,降低缺血性卒中的死亡率。

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