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浅论基质金属蛋白酶及其抑制剂与眼部疾病【关键词】 基质金属蛋白酶及其抑制剂 眼部疾病 基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)是一类金属依赖的水解酶家族，是细胞外基质(extracelluarmatrix，ECM)降解的主要介质，其主要功能是降解细胞外基质，在细胞迁移、组织重建和修复等病理生理过程中发挥作用。MMPs的蛋白水解活性主要靠与其抑制剂(tissueinhibitor ofMMPs，TIMPs)之间平衡来调节。近年来研究表明，两者的调节失衡可导致眼部组织一系列病理生理改变，与眼部许多疾病有关，本文就MMPs与TIMPs在眼部疾病中的作用和临床意义加以综述。 1 MMPs与TIMPs家族、分类、结构、理化特性 MMPs与TIMPs家族及分类 自20世纪80年代初以来，人们对MMPs酶类研究后已发现MMPs至少有20多种，按照这些酶的基本结构和主要作用底物的不同共分为五类，第一类胶原酶：间质胶原酶(MMP1)、多形核细胞胶原酶(MMP8)、胶原酶3，4(MMP13，MMP18)，其主要作用底物为纤维性胶原；第二类明胶酶：明胶酶A(MMP2)、明胶酶B(MMP9)，其主要作用底物为明胶、 、V型胶原和纤连蛋白等；第三类间质溶素：间质溶素1，2，3(MMP3，MMP10，MMP11)和基质溶素(MMP7)，主要水解层粘蛋白、非纤维性胶原和纤连蛋白；第四类膜型金属蛋白酶：膜型金属蛋白酶1，2，3，4(MTMMP1，2，3，4)，主要水解底物为MMP2前体、胶原和明胶；其他类：MMP12、MMP4，5，6等，其水解底物亦相当广泛。MMPs是以酶原形式分泌的，一旦全部被激活，几乎可以降解所有的细胞外基质，因而在体内严格控制MMPs的活性显得尤为重要。MMPs的天然抑制剂主要是基质金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)，TIMPs家族主要有TIMP1，2，3，4。其中TIMP1是MMP9的特异性抑制因子，TIMP2是MMP2的特异性抑制因子，TIMP3的表达则不仅受到细胞有丝分裂的诱导，同时也受细胞周期的调节。研究表明，TIMP4与TIMP1在蛋白结构上有37的同源性，而与TIMP2，3则有51的同源性。在实验条件下，TIMP1和TIMP2可抑制肿瘤生长、浸润和转移1。 因此TIMPs在其功能上有着许多共同点，同时也有一些不同的特点，近来也有其他MMPs抑制剂不同于TIMPs的报道，但进一步研究表明这些抑制因子多是已知TIMPs的变异型。 MMPs及TIMPs结构、理化特性 所有的MMPs都含有信号肽、前肽和催化三个相似的结构区域，信号肽结构区域由1729个氨基酸组成，而N末端的前肽区由约80个氨基酸组成，具有高度保守的氨基酸序列。而所有MMPs催化区域高度保守结合有锌原子，Zn2+被认为是酶的活性中心部位，多数MMPs以水溶性酶原的形式分泌到胞外，在中性pH值及Ca2+和其激动剂的参与下脱去前肽而发挥酶活性作用，降解细胞外基质，而膜型基质金属蛋白酶(MTMMPs)的羧基端存在着一个跨膜结构域，又可将MTMMP结合于细胞膜上，新型MMP间质溶素3(MMP11)则直接以活性形式分泌到细胞外，直接发挥其活性作用2。TIMPs作为MMPs的特异性抑制因子蛋白有如下特点：(1)高度保守的基因结构；(2)这些蛋白都是细胞外分泌的，具有特异性抑制MMPs的活性；(3)存在相对保守空间的12个半胱氨酸残基；(4)都有一个高度保守的N末端结构区域。TIMPs在体内分布广泛，它可与活化的MMPs以11结合，也可以与酶原形式的MMPs结合，从而形成复合体而抑制MMPs活性。 2 MMPsTIMPs的表达调节 MMPs的活性在多种不同的水平上受到调节，包括：(1)转录水平调节：信号系统中所有成分均可通过MMPs基因调控序列中的转录因子影响其表达变化，其中最重要的是蛋白激酶C。转录因子NFkB、AP1、SP1、Egr1等在某些MMPs基因启动子上有其特异性结合位点，当细胞外信号激活这些转录因子后即可诱导MMPs的表达；(2)酶原活化调节：在合成之后，MMPs以酶原的形式分泌到细胞间质。其活性的封闭是由于在锌离子活性中心附近结合有该MMPs前肽链内所含的一个半胱氨酸，后者阻断了活性中心与底物结合。MMPs的激活是将其前肽区劈开，使半胱氨酸与锌离子分离，从而暴露出锌离子活性中心。血浆纤溶素和间质溶解素是MMPs生理性激活因子。血浆纤溶酶由血浆纤溶酶原在尿激酶型纤溶酶原激活物(uPA)或组织型纤溶酶原激活物(tPA)作用下激活。因此，丝氨酸蛋白酶在MMPs活化中起决定性作用；(3)TIMPs：特异性地抑制MMPs活性。TIMPs不是前酶，不需活化。可在转录水平上调节MMPs表达，胞外信号激活转录因子NFKB、NFY、SP1、SP3等可诱导其表达3。 3 基质金属蛋白酶及其抑制剂与眼部疾病 角膜疾病角膜碱烧伤 长期角膜上皮细胞损伤可引起角膜基质溃疡形成。近些年来，国内外很多学者在MMP1及TIMP1的研究上取得了一定的进展。1969年Brown SI等提出碱烧伤后角膜溃疡很大程度上是蛋白水解酶降解角膜细胞外基质的结果。此后BennanMB (1980)、Burns FR (1989)4等也相继发现MMP1可能与角膜溃疡的发生发展有着密切关系。另有研究表明，纤溶酶原纤溶酶系统(PAPlasmin)也参与了碱烧伤后持续性上皮缺损和基质溃疡的发生，在调整MMP1的合成，分泌及活化过程中起到重要的作用。1995年，Kigasawo K等5对于MMP1的来源作出进一步的研究后认为：MMP1主要来源于多形核自细胞(PMNs)，PMNs的破坏作用被认为是碱烧伤后溃疡形成和发展的主要原因 。此外，MMPS也可来源于M，纤维母细胞及角膜本身的细胞成分。Paterson(1994)等6通过观察TIMP1对家兔角膜碱烧伤的疗效发现接受TIMP1治疗的碱烧伤角膜，溃疡的发生发展比单独应用赋形剂治疗者要明显减轻。由此推断TIMP1在抑制角膜溃疡的发生发展中可能起着重要的作用。王依鹭、洪晶等通过建立大鼠碱烧伤模型，发现MMP1及其抑制剂的表达在碱烧伤后不同时间内差异显着，进一步显示出MMP1的表达与角膜溶解的临床病理过程具有同步性。对于TIMP1的研究为尽早防治碱烧伤后角膜溃疡穿孔提供了新的途径。 葡萄膜炎 在Lewis大鼠实验性葡萄膜炎模型中，1 w后房水中MMP2、MMP9表达增加，在炎症最重时二者表达水平达高峰，炎症消退后其表达降至基线水平。在炎症开始后721d，皮下注射合成的MMP抑制剂BB1001，葡萄膜炎可完全消退，14d后用可延缓疾病的发展7，8，葡萄膜炎中浸润的炎细胞产生一些炎性因子(如TNFa、ILla)和MMPs，而炎性因子又可上调MMPs表达，最终引起严重的组织破坏9。因此，针对降低MMPs活性的治疗方法可能是葡萄膜炎治疗的新途径。 翼状胬肉 最近研究表明，胬状胬肉头部成纤维细胞MMP1和MMP3 mRNA、蛋白量及活性明显增强，而在体部表达不增强，在胬肉血管中发现表达提高的潜酶和活性形式的MMP7，在上皮基底膜有MMP7酶原存在。Solomon等10发现IL1B、TNFa显着地上调培养的胬肉体部成纤维细胞MMP1和MMP3的表达。IL1B、TNFa在正常眼球表面和泪液中均存在，上述发现提示胬肉的进行性发展、复发与胬肉成纤维细胞的感染有关，因此控制胬肉切除术中、术后感染对预防胬肉复发有重要意义。 白内障皮质性白内障 皮质性白内障是白内障中最常见的类型，紫外线辐射是其形成的重要因素，Nitin等11利用免疫组化法在人皮质性白内障的晶状体纤维细胞内发现了MMP1的表达，而利用酶谱分析法发现在紫外线照射下MMP1表达增多的同时TIMP1没有明显的升高。因此推测，MMP1和TIMP1的比例失调可能对皮质性白内障中出现的基质重塑、晶状体蛋白聚集起促进作用。另外，氧化损伤也被认为是引发皮质性白内障的重要原因之一，Tamiya等12利用酶谱分析法在H2O2存在的猪晶状体培养基中发现了MMP2和MMP9的存在，而在正常猪晶状体培养基中未测到。由此猜测MMP2和MMP9引起的明胶分解活动在白内障的形成中起作用。 晶状体囊膜下型白内障是细胞外基质聚集、降解异常和LECS转化所致的一种纤维化疾病。徐国兴等13利用免疫组化法发现在以晶状体前后膜下纤维化和混浊为主要病理变化的糖尿病性白内障患者的LECS中MMP2的阳性表达率与正常人比较差异有显着性意义，而TIMP2的阳性率与正常人比较，差异无显着意义。因此推测，MMP2的表达水平增高，而TIMP2的表达水平未能随MMPs增高，两者的比例失衡使ECM 中的 型胶原和层黏连蛋白等降解增多，导致正常LECs赖以增殖和生存的ECM 组成成分发生改变，而ECM 组成成分的改变使LECS发生转化，从而导致晶状体前、后囊膜下纤维化，并最终诱导了囊膜下型白内障的形成。 后发性白内障 术后晶状体赤道部及前囊下残留的LECs在晶状体后囊膜上的增殖、移行及生成的细胞外基质沉积是后发性白内障及纤维化的主要原因。MMPs和TIMPs作为降解ECM 成分的重要的蛋白酶在这一过程中起着非常重要的作用。Kawashima等14用免疫组化法检测人眼在白内障囊外摘出及人工晶体植入术后晶状体后囊膜MMP1、MMP2、MMP3、MMP9、TIMP1和TIMP2的表达，发现在术后18个月内，ECM 和LECS均有MMPs和TIMPs的表达，此后MMPs和TIMPs的表达则消失。白内障术后不同时期TIMPs和MMPs的表达则存在明显的差异。 玻璃体视网膜疾病玻璃体液化和后脱离 玻璃体由网状胶原纤维充填着透明质酸构成胶体状态，玻璃体后皮质借一些细胞外基质成分如：纤连蛋白、层连蛋白、蛋白聚糖与视网膜内界膜型纤维附着。VaughanThomas等15研究后认为正常人玻璃体内含有MMP2酶原和MMP9酶原，少量MMP2活性酶可分解变性胶原，维持玻璃体正常状态。随着年龄增加，玻璃体内MMP2酶原和MMP9酶原量无变化，但纤溶酶量增加，可激活MMP，二者共同分解胶原液化玻璃体，同时可能分解玻璃体与内界膜黏连致后脱离。 增生性糖尿病视网膜病变 增生性糖尿病视网膜病变是糖尿病继发的视网膜新生血管性疾病，慢性高糖致视网膜微血管壁损害，组织缺氧刺激诱导VEGF表达，引起血管壁渗漏及内皮细胞增生迁移，形成纤维血管膜。Jin等16发现PDR患者玻璃体液有MMP2和MMP9升高，比较PDR与非PDR患者，发现PDR特有MMP9升高。Giebel等17研究早期PDR 鼠视网膜发现，MMP2、MMP9、MMP14水平升高，尤其MMP9，他们可特异降解内皮细胞的紧密连接蛋白，导致内皮渗漏增加。总之，MMP与VEGF在PDR病理中起协同作用。 年龄相关性黄斑变性 年龄相关性黄斑变性是老年人致盲的主要原因，玻璃膜疣是ARMD的ECM 沉积的异常表现。最近研究发现，在人RPE脉络膜中MMPs和TIMPs广泛存在，在玻璃膜疣中仅检测到TIMP3的高表达，由此推测玻璃膜疣中高浓度的TIMPs抑制了MMPs表达，并致沉积物蛋白酶溶解活性下降18。以上发现表明，MMPs、TIMPs在玻璃体视网膜病变中视网膜ECM 破坏、新生血管生成和纤维化等中发挥重要作用。 综上所述，MMPs、TIMPs参与多种眼部疾病发生和发展过程的多个步骤，因此认识并研究二者在其中的作用机制，可为上述及其他可能有二者参与的眼病的预防和治疗提供新的途径。 【参考文献】 1Khasigov PZ，Podobed OV，Graeheva TS，et0f matrix metalloproteinases and their inhibitors in tumor invasioil And metastasisJ.Biochemistry，2003，68(7)：711-717. 2Nick Di Girdamo，Peter Mcehskey，Andrew Lloyd，et0f MMPs and TIMPs in Human Ptaysia and cultured Pum Epithdial cdlsJ.Investigative Opthalmology and Visual Science，2000，41：671.3Zhang H，Lic，Baqiu PC, et0fintegrim andMMPs during alkalinebuminducedcornealangiogonesisJ.Invest Ophthalmol Vis Sci，2002，43(4)：955.4Burns FR，Berman MB，Brown SI，etprocesses in the corneaM. The Woodlands，TX：Portfolio Publishing， 1989：45.5Kigasawo K，Hayashi K, Kenyon KR, et a1. Inhibition of Drnea ulceration by tetrapeptidylacidJ.Jpn Ophthalmol，1995，39(1)：35.6Paterson CA,Berman MB, Clements JM，ettisue inhibitor of metalloproteinases type 1 suppressescorneal ulceration in rabbits J.Inest Ophthalmo1 Vis Sci，1994，35：677.7Cuello C，W akefield D，Di Girolamoaccumulatlon correla tes with type IV collagena segelattna seactivity in endotoxin induced uvetttslJ.Br J Ophthalmology，2002,86(3)：8Wallace GR，Whtston RA，Stanford MR，etmatrix metalloprotetna see inhibitor B 1 101 prevents experimental autoimm un euveorettnttts(EAU) J.In ，1999,118(3)：364-370.9Di Gtrolamo N，L1oyd A， Filipic M，Wakefieldexpresston of matrix metalloprotetna ses In VLVO in sclerttts tisue and In vitro in cu1一turcd human scleral fibroblastsJ.Am J Pathoi，1997,150(2)：653-666.10Solomon A，Lee SB，Tseng SC,etof collagenase，strom elystn，and uroklna se-type plasmtnogen acttvator in Primary pterygtum body fibroblasts by inflammatorycytokinesl J.Invest Ophthalmol Vls Scj，2000，41(8)：2154-2163.11Nitin HS，Nick DG，Timothy MN，et a1. Matrix metallopro-teinases and tissue inhibitors of matrix metaIl Droteinases in the human lens：implications for cortical cataract formationJ.Invest Ophthalmol Vis Sci，2004，45：4075-4082.12Tarniya S,Wormstone IM，Marcantonio JM，etof matrix metall0pr0teinases 2 and 9 following stress to the lensJ.Exp Eye Ras，2000，71 (6)：591-597.13徐国兴，胡建章，郑卫东，等.基质金属蛋白酶2和金属蛋白酶2组织抑制因子及转化生长因子B-在糖尿病性白内障患者晶状体上皮细胞的表达及意义J. 中华眼科杂志，2003，39 (7)：411-414.14Kawashima Y， Saika S， Miyamoto T， et a1. Matrix metallo-proteinases and tissue inhibitors of metal 0proteinases of fibrous humans lens capsules with intraocular lensesJ. Curr Eye Res，2000，21 (6)：962-967.15Vaughan LSA,Gibert SJ,Duallce VC,Elcavatedof proteolytic enzymes in the aging human vitreousJ.Invest Ophthalmol Vis Sci，2000，41(11)：3299-3304.16Jin M，Kashiwagi K，IizukaY， etmetallloprotelrmses in human diabetic and nondiabetic vitreousJ.Retina，2001，21(1)：28-33.17Gtebel SJ，Menieueci G，Mc Cmire PG， ettease in early diabetic retinopathy and their role in Alteration of the blood-retinalbalTierJ.Lab Invest，2005，85(5)：597-607.18Leu ST，Batnl S，Radeke MJ，etare cold sports for proteolysis：Expression of trix metauoproteies and their tissue in-h1bitor proteinsmacll1ar degenemtionJ.Exp Eye Res，2002，74(1)：141-154.