基质金属蛋白酶-9及其抑制剂在中枢神经系统免疫性疾病中的研究进展

Recent Research on Matrix Metalloproteinase-9 and Its Inhibitors in Central Nervous System Immune Diseases

摘要: 中枢神经系统免疫性疾病泛指一类由免疫机制介导的神经系统疾病，其发病机制十分复杂，血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)的破坏在其中起着重要的作用。基质金属蛋白酶(matrix metallopro-teinases, MMPs)家族可通过降解基底膜及紧密连接等成分而破坏BBB，近年来研究发现MMP-9及抑制剂组织金属蛋白酶抑制因子-1 (Tissue inhibitor of metalloproteinase-1, TIMP-1)可通过破坏BBB而参与多种中枢神经系统免疫性疾病的疾病进程，并与疾病的严重程度与预后等相关。本文就MMP-9及TIMP-1在几种中枢神经系统免疫性疾病的研究进展做一综述。

Abstract: Central nervous system immune diseases generally refer to kinds of nervous system diseases me-diated by immune mechanism. Their pathogenesis is very complex, and the destruction of blood- brain barrier (BBB) plays an important role in it. The matrix metalloproteinases (MMPs) family can destroy BBB by degrading basement membrane and tight junctions and other components. In re-cent years, it has been found that MMP-9 and its inhibitor tissue metalloproteinase inhibitor-1 (TIMP-1) take participate in disease process of various central nervous system immune diseases by destroying BBB. MMP-9 and TIMP-1 are related to the severity and prognosis of the disease. This article reviews research progress of MMP-9 and TIMP-1 in several central nervous system immune diseases.

1. 引言

中枢神经系统免疫性疾病泛指一类由免疫机制介导的神经系统疾病，包括多发性硬化(multiple sclerosis, MS)、自身免疫性脑炎(autoimmune encephalitis, AE)、视神经脊髓炎谱系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorders, NMOSD)、抗髓鞘少突胶质细胞糖蛋白抗体相关疾病等，其发病机制复杂，可能与BBB遭到破坏，暴露中枢神经系统抗原及外周免疫细胞及免疫因子进入中枢等相关。MMPs可通过降解细胞外基质(extracellular matrix, ECM)、紧密连接蛋白等破坏BBB，近年来研究发现MMPs参与了多种中枢神经系统免疫性疾病的发生发展进程 [1] 。其中MMP-9及其特异性抑制剂TIMP-1是研究热点。笔者现对MMP-9和TIMP-1结构、功能及其在几种中枢神经系统免疫性疾病的研究进展做一综述。

2. MMP-9的结构

MMPs家族属锌依赖性内肽酶家族，是一类高度保守的蛋白酶，通常以酶原形式存在，活化后几乎能降解ECM的所有成分 [2] 。现已发现至少24种人MMPS，根据特性将其分为6类：胶原酶、明胶酶、基质降解素、膜型基质金属蛋白酶、基质溶解酶及其他类型 [3] 。MMP-9又称明胶酶B，是明胶酶主要成分之一。MMP-9由信号肽结构域、氨基端前肽结构域、锌催化结构域、铰链结构域和类血红素蛋白结构域组成，其锌催化结构域内有一特殊的胶原结合域，这与其可以降解ECM的胶原蛋白相关。

3. MMP-9的生理功能与调节

MMPs广泛分布于大脑及其它组织中，生理条件下，MMP-9以酶原形式存在，需活化后才能发挥生理作用。MMP-9主要由中性粒细胞、胶质细胞、发育过程中的小脑星形细胞和神经元等产生 [4] ，细胞因子、氧化应激、生长因子等可使其活化 [1] 。活化后的MMP-9的底物主要是Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、弹性纤维等 [3] ，进而破坏BBB的基本结构，促进细胞在组织和BBB中迁移，调节包括炎症、BBB破坏、小胶质细胞活化等多种病理过程 [5] 。

TIMPs是一类MMPs蛋白酶抑制剂，目前分为TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4四种，其中TIMP-1是MMP-9的特异性抑制剂 [6] 。TIMP-1有两个功能区，N端功能区的半胱氨酸残基与MMP-9的锌离子活性中心结合；C端功能区可能与明胶酶原的蛋白定位或复合物的形成有关。TIMP-1对MMP-9活性的抑制体现在两个层面：在酶原活化水平，TIMP-1与Pro-MMP-9羧基端的类血红素蛋白结构域结合形成Pro-MMP-9-TIMP-1复合物，从而抑制其活化；在酶原活化后水平，TIMP-1与激活后的MMP-9以1:1的比例非共价键结合，通过与催化结构域的锌离子结合部位相互作用而使酶失活 [7] 。

BBB主要由内皮细胞、星形胶质细胞和由IV型胶原蛋白构成的基底膜等组成，其中最重要的是内皮细胞以及内皮细胞之间的紧密连接蛋白，而紧密连接蛋白主要由跨膜蛋白Occludin、ZO-1和Claudin-5构成 [8] ，其损伤会引起BBB通透性的增加。MMP-9可通过降解BBB的IV型胶原蛋白、紧密连接蛋白等成分而破坏BBB的完整性，参与到中枢神经系统疾病的进程中。

4. MMP-9和TIMP-1与中枢神经系统免疫性疾病

4.1. MMP-9和TIMP-1与MS

MS是一种以慢性炎症髓鞘脱失和神经变性为主的中枢神经系统炎症脱髓鞘疾病，实验性自身反应性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE)是研究MS常用的动物模型 [9] 。MS的病理特征为BBB的破坏、中枢外周免疫细胞的浸润、脱髓鞘斑块的形成等 [10] ，其中BBB完整性的破坏被认为是MS的最重要病理特征 [11] 。多项研究表明MS的BBB破坏与MMP-9和TIMP-1相关：1) 有研究发现MS患者血清和脑脊液中MMP-9水平明显升高，TIMP-1水平明显降低，表明MS患者体内中MMP-9、TIMP-1水平及二者的免疫平衡发生了较大变化 [12] [13] 。2) 在载脂蛋白E缺失的小鼠EAE模型中发现了过度表达的MMP-9，并证明其表达上调会减少内皮细胞紧密连接蛋白Occludin和Claudin-5表达，从而破坏BBB的完整性 [14] ；3) 郭等 [15] 研究中也证实在EAE组大鼠的小脑白质组织同样存在Occludin、ZO-1和Claudin-5表达缺失，并证实EAE发病过程中有星形胶质细胞的活化及MMP-9表达的增加，推测MMP-9可通过降解紧密连接蛋白Occludin、ZO-1、Claudin-5而破坏BBB，加剧炎性细胞浸润和脱髓鞘。

综前所述，虽MS确切的发病机制尚不清楚，但离不开BBB的破坏。目前认为MS是Ｔ淋巴细胞介导的免疫性疾病，T淋巴细胞可使人星形胶质细胞活化 [16] ，活化的星形胶质细胞通过分泌MMP-9等因子 [15] ，破坏MMP-9、TIMP-1二者的免疫平衡，从而导致BBB的细胞外基质、紧密连接蛋白等成分的降解，从而促使多种炎性因子及炎性细胞浸润到中枢神经系统，引发脱髓鞘事件。并有研究表明，不同类型MS患者的血清MMP-9水平和MMP-9/TIMP-1比值均显著升高，并且这种变化还与疾病的致残性和严重程度相关，提示MMP-9和TIMP-1与MS患者的残疾和严重程度相关 [13] 。

4.2. MMP-9和TIMP-1与自身免疫性脑炎

AE泛指一类由自身免疫机制介导的脑炎，主要症状包括精神行为异常、认知障碍、近事记忆下降、癫痫发作及各种综合征等。AE包括边缘性脑炎、抗N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR)脑炎、急性播散性脑脊髓炎、基底神经节脑炎等 [17] 。AE的发病机制可能与BBB遭到破坏，暴露神经系统的隐匿抗原等有关 [18] 。近年来研究发现MMP-9及TIMP-1可能与参与AE的发病机制并与其预后相关：1) 一项纳入23例边缘性脑炎患者的研究发现，患者急性期血清MMP-9浓度和MMP-9/TIMP-1比值显著高于恢复期 [19] ；2) 一项纳入13例儿童自身免疫性脑炎的研究表明，处于亚急性期的有后遗症的患者其血清MMP-9水平及MMP-9/TIMP-1比值均显著升高，提示MMP-9/TIMP-1比值升高可能是AE合并后遗症的预测因子 [20] 。AE的发病机制可能与MMP-9/TIMP免疫失衡，从而降解IV胶原纤维、紧密连接，破坏BBB而暴露中枢神经系统隐匿抗原相关。

目前有多项研究表明，乙型病毒、单疱病毒、EBV等病毒性脑炎可继发自身免疫性脑炎 [21] [22] [23] 。有研究发现，乙型病毒性脑炎患者其MMP-9和TIMP-1等因子显著增加，并与疾病的严重程度有关 [24] 。单疱病毒性脑炎中MMP-9的水平显著升高，抑制脑脊液中MMP-9表达可以减少神经细胞的凋亡 [25] 。但目前暂无相关研究显示MMP-9和TIMP-1是否与病毒性脑炎继发自身免疫性脑炎相关，有待进一步的研究。

4.3. MMP-9和TIMP-1与NMOSD

NMOSD是一组以中枢神经系统脱髓鞘为特征的自身免疫性疾病，其发病与抗水通道蛋白4 (autoantibody against aquaporin 4, AQP4)抗体有关 [26] 。其确切的发病机制尚不清楚，目前研究认为BBB的病理破坏是NMOSD疾病过程的始动环节 [27] 。多项研究表明NMOSD患者血清和脑脊液MMP-9和粘附分子浓度明显高于MS患者和健康对照组，且与疾病的临床和放射学严重程度相关 [28] [29] 。NMOSD患者血清中的各种体液因子(而非抗体)诱导MMP-9的分泌，MMP-9经过降解基底膜等成分而破坏BBB，促使AQP4抗体进入中枢而引发脱髓鞘等事件 [29] [30] 。

5. 总结与展望

MMP-9及其抑制剂参与多种中枢神经系统免疫性疾病的疾病进程，与其可导致BBB损伤、促使多种免疫细胞及因子进入中枢等相关。目前研究显示，MS、AE及NMOSD等中枢神经系统免疫性疾病中均有MMP-9和/或TIMP-1水平的改变，MMP-9和/或TIMP-1水平与疾病的严重程度、预后等相关。但尚需更进一步的研究揭示MMP-9和TIMP-1之间的失衡机制，有助于开发新的MMPs靶向药物，成为疾病治疗新方案之一。

NOTES

^*通讯作者。