骨关节炎中的基质金属蛋白酶及其抑制剂

【前言】骨关节炎中的基质金属蛋白酶及其抑制剂由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。软骨基质由两个主要的ECM成分组成：II型胶原纤维和软骨可聚蛋白聚糖类（约各占45%），还有一些其他含量较少的大分子物质[2]。在正常软骨中，软骨细胞会把合成的大量II型胶原、蛋白多糖等物质分泌到ECM中，构成细胞外纤维网架，给细胞提供支持与保护。这些物质同时被软...

【摘 要】基质金属蛋白酶（MMPs）参与了OA关节组织的病理破坏。这些酶类降解细胞外基质的大分子并调节管理细胞行为的因子。它们也可能参与组织修复，但也因为它们的超表达成为了破坏疾病进程的一部分。许多研究金属蛋白酶作用的早期临床试验均表明基质金属蛋白酶抑制剂（TIMP）治疗OA的效果欠佳。因此，我们需要更准确地掌握不同细胞中的MMPs在疾病过程中的确切作用。新型TIMP应该增加其特异性，不仅要了解其催化域的结构，还要知道其他催化基序在底物结合中的作用，或通过研制金属蛋白酶组织抑制剂来实现。也可以考虑通过调节基因表达或防止蛋白活化来抑制这些酶类。

【关键词】骨关节炎；软骨；MMP和TIMP

【中图分类号】R684.3 【文献标识码】B 【文章编号】1004-7484（2014）01-0029-02

1 简介

骨关节炎（OA） 是一种慢性退行性疾病，是引起关节疼痛和残疾的主要原因[1]。其特征是关节软骨的破坏导致关节功能障碍。这种破坏主要是由于软骨中降解细胞外基质（ECM）大分子的蛋白水解酶活性的升高。长期以来一直在探讨基质金属蛋白酶（MMPs）与疾病发生和潜在治疗靶点之间的确切相关性，并混淆了它们在许多疾病病理方面的广泛作用。

软骨基质由两个主要的ECM成分组成：II型胶原纤维和软骨可聚蛋白聚糖类（约各占45%），还有一些其他含量较少的大分子物质[2]。在正常软骨中，软骨细胞会把合成的大量II型胶原、蛋白多糖等物质分泌到ECM中，构成细胞外纤维网架，给细胞提供支持与保护。这些物质同时被软骨细胞分泌的MMPs降解，维持软骨细胞内外动态平衡。关节软骨损伤时，软骨细胞分泌大量的MMPs对ECM进行降解，软骨细胞失去胶原网络结构支持而破坏，导致OA的发生。

2 MMPs：破坏的主宰者？

MMPs属于金属蛋白酶含锌超家族成员，来源于关节的固有细胞和浸润细胞，包括胶原酶、明胶酶、基质降解素、基质溶解素、膜型MMPs和其他分泌型MMP。MMPs最初是以降解基质的蛋白水解酶为特性的，但最近的研究表明它们作用于ECM还可以释放生长因子或产生新的配体[3]。MMPs也可以从载体蛋白中释放生长因子，激活蛋白酶抑制剂，并激活或灭活炎性细胞因子和炎性趋化因子[3]。因此它们在骨形态发生、骨重塑、伤口愈合和血管生成中有重要作用。大多数情况下，MMPs还有可能参与组织的正常生物过程，如修复和重塑[4]。在OA中，组织试图修复损伤、控制炎症和感染，但过程可能并不完整。这种'落空'的修复伴随基质更新和细胞表面以及胞周分子的调节，可能导致MMPs活性的不平衡，因此造成了组织的破坏。与非关节炎软骨相比，OA关节软骨中的MMP-1、MMP-3、MMP-13，MMP-28均升高。关节软骨的周期性压力负荷可增加MMP-3和MMP-13的表达和活化[5]，甚至单一的压力损伤都可增加MMP-3和TIMP-1mRNAs的表达水平[6]。关节的不稳定、老化、氧化刺激也促进软骨基质的分解。对于造成软骨损伤的MMPs来说，内源性TIMP的水平并不过量。TIMPs是组织中的主要抑制剂。Woessner等[7]在1995年的研究中发现在关节炎中软骨的退变本质上是MMPs和TIMP的不平衡造成的。在各种OA动物模型中应用合成型TIMP预防软骨和骨蛋白水解的实验[8]均支持金属蛋白酶破坏骨关节功能的理论。

3 TIMP的临床试验

一些在动物模型中显示出疗效的TIMP已被用于临床试验，但都未能在OA疾病中显示出明显疗效[8]。在某些病历中，这些抑制剂还出现了不良反应，如肌肉骨骼疼痛和肌腱炎、轻度贫血、肝酶升高等，主要是由于抑制剂缺乏特异性。人类基因组中有50多个与人类金属蛋白酶密切相关的碱性活性中心的类似结构，在一定程度上可以使它们对相同抑制剂敏感。我们对这些酶类的精确功能还了解甚少，但有些动物模型研究正在证明它们在生物学中的重要性，但抑制其活性的结果还不确定。例如，小鼠MMP14基因缺失可引起关节炎样症状。在注射Ⅱ型胶原蛋白和脂质多糖的单克隆抗体后，MMP-2基因敲除小鼠比野生型小鼠的关节炎更严重；在关节失稳的模型中MMP-3基因敲除小鼠比野生型更易发生OA。这些观察结果所强调的概念是，高度特异性抑制剂对避免毒副作用是有必要的。基于这个原因，进一步开发金属蛋白酶抑制剂的另一个先决条件是对靶酶的准确识别。

4 研发选择性TIMP的提议

MMPs的活性受到三个水平的调节，即基因转录水平、无活性酶前体的蛋白水解作用和特异性抑制因子TIMP。抗TNF抗体和IL-1受体拮抗剂可有效地减少MMPs[9]。由于对金属蛋白酶基因表达的复杂调节机制仍然缺乏充分的认识，所以并未建立起MMPs信号肽或转录水平的有效调控。此外，也有人担心，抑制这些水平的同时也可能会影响正常细胞的运行。在OA中，有多种刺激素和细胞信号通路诱导MMPs的表达或激活，软骨细胞是这些破坏性酶的主要细胞来源。在这种情况下，使用合成型TIMP对预防疾病进展可能是有效的。在与S1'底物结合袋牢固结合的高度选择性MMP-13抑制剂方面已得到了最新进展[10]。

开发特异性抑制剂的另一种方法是TIMPs。到目前为止，在人类中发现4种抑制所有MMPs的TIMPs表达，即TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和TIMP-4，但TIMP-1对某些膜型MMPs的抑制作用较弱。TIMP-MMP复合结晶物为开发更具特异性的TIMPs提供了线索。TIMP分子有一个与MMP相互作用的脊状扩展位点。这个区域位于MMPs的活性位点，也就是N-末端Cys1残基的氨基和羰基基团，与锌酶活性位点螯合。围绕TIMPs反应性脊状区域的突变可改变其特异性，也就是特殊MMPs的选择性。例如，TIMP-3或Thr2Gly的N-末端突变可干扰TIMP-3对MMPs的抑制活性[11]。Chung等[12]报告了胶原酶血红素域裂解三倍螺旋胶原蛋白的一个绝对必要条件，表明辅助域可能是开发变构或外部抑制剂的一个好靶点，可能会比传统活性位点抑制剂表现出更高的特异性。

5 结论

OA中的MMPs升高，毫无疑问会在OA疾病进展中导致软骨和骨破坏。但TIMP并不能有效地治疗OA。其原因还不清楚，但可能是由于抑制金属蛋白酶是正常关节生理活动和动态平衡所必不可少的。OA时出现由MMPs引起的软骨基质渐进性破坏。通过TIMP或使用降低金属蛋白酶合成但又不影响基质合成的制剂来减少基质的降解率，可能是行之有效的。产生金属蛋白酶的天然抑制剂包括雷公藤内酯醇，多酚和三萜类。多西环素是一种基质金属蛋白酶活性的弱抑制，并抑制一些MMP的产生，已用于牙周疾病的治疗。一项最近的试验中表明，使用多西环素治疗单侧膝关节OA患者可延缓关节间隙变窄[13]。但并不清楚多西环素是否可以有效地抑制金属蛋白酶的活性或者还有其他活性。

研制新型TIMP不仅需要其更具特异性，还应具备毒副作用小的条件。外部或变构抑制剂对多种蛋白酶都有活性，但需要进一步研究以了解OA中来自于不同细胞的MMPs的功能。因此，提高TIMP的靶向性是一种行之有效的方法。此外，在临床试验中，还需要能有效监测TIMP临床疗效的方法。我们相信这些困难是可以克服的，因为伴随TIMP早期临床试验的失败，我们对这方面知识的了解在迅速地增加。随着许多有用的研究工具和技术的产生[14]，我们最终会得到一个有价值的治疗实体。

参考文献：

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[11] Wei S et al. （2005） Reactive site mutations in tissue inhibitor of metalloproteinase-3 disrupt inhibition of matrix metalloproteinases but not tumor necrosis factor-alpha-converting enzyme. J Biol Chem 280：3287732882

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