【摘 要】 目前对动脉粥样硬化提出的最新学说是组织重建学说(Remodeling)，动脉粥样硬化的形成和斑块的破裂与细胞外基质的破坏和重构有密切关系。基质金属蛋白酶(MMPs) 是降解细胞外基质的重要酶类，因此近年来人们对MMPs 的结构、功能、基因表达以及在AS 中的作用进行了一系列的研究，本文作者就这方面的成果作一综述。

    细胞外基质(extracellar matrix， ECM) 是血管壁的主要成分，其降解贯穿于动脉粥样硬化发生发展的整个过程。临床上细胞外基质的过度降解使动脉粥样硬化易于斑块破裂而导致急性冠脉综合征。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs) 是分解细胞外基质的蛋白酶类中最重要的一类，存在于正常人体，自20 世纪80 年代初研究此酶类以来，发现其参与多种病理过程，包括血管再生、肿瘤浸润和转移、炎症反应等。近年来研究领域扩展到心血管疾病，国外大量文献报道了MMPs与动脉粥样硬化和冠心病的内在联系，并取得了一定的研究成果，但我国该领域的相关报道较少。

    1 基质金属蛋白酶

    1.1 MMPs的主要特点[1]  MMPs是一类依赖锌离子的蛋白酶家族，催化机制依赖于活性中心的锌离子；蛋白酶以酶原形式分泌；酶原可被蛋白酶或有机汞制剂激活；激活过程伴随着约10 000 分子量的丢失；cDNA 序列均显示与胶原酶的同源性；激活后的酶可裂解一种或多种细胞外基质成分；酶的活性可被组织金属蛋白酶抑制物抑制。

    已经证明MMPs含有信号肽、前肽和催化区3 个结构区域。①人MMPs中除MMP-14 外均有一个信号肽序列，信号肽的作用是引导翻译后的产物至胞浆内质网；②MMPs主要以酶原形式分泌至胞外，需在激活剂作用下脱去前肽，才有酶活性。前肽区内含有保守性的Pro-Arg-Cys-Cly-Val/Asn-Pro-Asp(PRCGV/NPD)，其中保守的半胱氨酸残基在大多数MMPs酶原活化中有重要作用。而MMP-11、14、15、16、17 直接以酶活性形式分泌至胞外[2]；③催化区有二个Zn2+结合区和至少一个Ca2+结合区，2个Zn2+结合区中1个为催化性Zn2+，位于活性中心内，涉及MMPs的催化过程，另一个为结构性Zn2+。在催化区内明胶酶A、明胶酶B 有一段175 个氨基酸残基的插入序列。这一插入序列是3 个重复的类纤维连接蛋白的结合区，认为其有助于明胶酶与底物相结合。

    MMPs按其作用底物不同分为4 类：① 间质胶原酶(collagenases) 是降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅸ、Ⅹ等间质胶原的起始酶和限速酶。已知MMP-1、MMP-8 作用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原3 条α链上同一位点Gly775-Leu/Ile776，产生两个分别占3/4 和1/4 长的A 和B 片段[3]。② 明胶酶(gelatin ase) 清除Ⅴ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ型胶原，水解不溶性弹性蛋白，进一步降解裂解的胶原片段。③ 基质胶原酶(stomelysins) 激活其它MMPs酶原， 降解蛋白多糖、层粘连蛋白、纤维粘连蛋白和Ⅳ型胶原的非螺旋基团。④膜型金属蛋白酶(membrane-type MMPs， MT-MMPs) 是最近克隆出的MMPs家族新成员。结构中除3 个决定簇外羧基末端有一个插入序列，包括由20 多个氨基酸组成的跨膜结构域(transmembranedomain，TM) 和长度不等的胞浆结构域。TM 的存在使MT-MMPs表现为一种糖蛋白，分布在细胞表面。MT-MMPs可直接降解细胞外基质，并能激活MMP-2。由于分布在细胞表面，人们认为其在细胞迁移中的作用更为重要[4]。

    1.2 MMPs的活性调节 MMPs的调节是一个复杂的多阶段的过程，MMPs的表达与活性受到酶原合成、酶原活化和抑制剂抑制三个水平调控。许多生长因子和细胞因子等活性介质是酶原合成阶段最主要的调节因素，不仅能促进或抑制MMPs mRNA 的转录，而且能影响其半衰期[5]，如胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)、表皮细胞生长因子(EGF)、血小板衍生生长因子BB(PDGF-BB)、成纤维生长因子(DFGF)、白细胞介素1β(IL-1β)、肿瘤坏死因子(TNF-α) 等，可刺激体外培养的内膜间质细胞分泌MMP 增加，也可诱导MMPs的表达。糖皮质激素、肝素、孕酮、维甲酸等可抑制MMPs mRNA 的表达。亦有国内研究表明缺氧对MMP-2 表达有增高趋势，特别是在缺氧初期更为明显。而TIMP-2 变化趋势则与MMP-2 相反。此外，尚有研究指出：单核细胞和VSMCs之间的相互作用可明显增加MMP-3 的活性，这与动脉粥样硬化斑快的稳定性及疾病的进展可能密切相关[6]。

    1.3 MMPs组织抑制因子(TIMPs) TIMPs 是近年来发现的MMPs的天然抑制物，是一组能抑制MMPs活性的多功能因子家族，是体内细胞分泌的一类蛋白酶抑制剂，在肿瘤组织与间质细胞中均可表达[7]，通过对MMPs的抑制在正常细胞外基质改建和各种病理过程中发挥重要作用。迄今发现有TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3 及TIMP-4 4 种，TIMP-1、2、4 为可溶性分泌蛋白，TIMP-3 是一种结合ECM 的非可溶性蛋白。TIMPs分子包括2 个区域，一个大3 环即N 端区域拥有MMPs抑制活性；一个小3 环， 即C 端区域，可能与明胶酶原的蛋白定位或复合物的形成有关。保守性最强的区域是N 端的前22 个氨基酸(在信号肽断裂位点附近)，已表明这个区域包含着活化位点， 在这位点中的第7 个组氨酸和第9 个甘氨酸与Zn2+ 的相互作用尤显重要。TIMPs在多个环节下调MMPs的活性，可产生抑制新生血管形成的作用，如阻碍MMPs介导的内皮细胞移动，抑制基质中促血管生成因子的释放，防止ECM 降解。TIMPs主要从两个方面抑制MMPs的激活：在酶原活化阶段，TIMPs与pro MMPs可形成稳定的复合体，并阻碍pro MMPs的酶原自我激活；在活化的MMPs阶段，TIMPs可直接与活化的MMPs形成紧密的1：1 复合体，抑制其活性。TIMP-1 是一种糖蛋白，相对分子质量为28500，它可与活化的MMP-9、3、1 形成1：1的复合物而抑制其活性，降低细胞外基质的降解。TIMP-2 是一种非糖蛋白，相对分子质量为21000，TIMP-2 与MMP-2 有很强的亲和力，主要抑制MMP-2 活性，对MMPs家族其他成员的活性也有抑制作用，能阻断所有被激活的MMPs的水解酶活性。

    2 MMPs 与动脉粥样硬化

    2.1 血管壁细胞与MMPs 的关系 从某种程度上讲，动脉粥样硬化的发生是一个慢性炎症过程。正常血管壁内皮细胞与基底膜紧密结合构成血管壁的高度选择性屏障。正常血管壁内皮细胞不能分泌MMPs。当血管内皮细胞受到损害时，会分泌多种炎症因子， 其中氧化修饰低密度脂蛋白(ox-LDL )、瘦素(leption) 等可诱导内皮细胞分泌MMP-2和MMP-9 降解基底膜，有利于单核细胞入侵，加速ox -LDL渗透。动脉粥样硬化斑块内表面及斑快内新生血管壁上的内皮细胞可分泌MMP-1，有效降解纤维原，在动脉粥样硬化斑块及溃疡形成中起一定作用。单核细胞与内皮细胞粘附是动脉粥样硬化发生的关键环节之一。在单核细胞株THP-1 与人脐静脉内皮细胞的粘附实验中发现与单核细胞粘附的内皮细胞可分泌一种相对分子质量为24000～ 36000的物质，促进单核细胞MMP-9 mRNA 的转录和蛋白合成增加4～8 倍，MMP-9 的分解活性也有增强， 是早期导致动脉粥样硬化的关键因子[8，9]。

    循环中的单核细胞与内皮细胞粘附、在血管壁中迁移、吞噬脂质、衍化为巨噬泡沫细胞的过程中，不仅本身可分泌大量MMPs， 还分泌多种细胞因子如IL-1、TNF 等，以自分泌和旁分泌的形式作用于内皮细胞、血管平滑肌细胞，分泌大量MMPs。研究证明，斑块中的巨噬细胞可分泌多种MMPs，如MMP-1、2、3、7、9、12、13 等，降解所有细胞外基质，它们在动脉粥样硬化斑块细胞外基质重构，特别是诱导斑块破裂，诱发急性冠脉综合征的发生中有重要作用。

    巨噬细胞释放的活性氧可直接激活MMPs 酶原。动脉粥样硬化内只有巨噬细胞分泌MMP-12，IL-1、TNF、M-CSF、血管内皮细胞生长因子、PDGF-bb 和TGF 都是通过对MMP-12启动子81 位碱基对AP-1 位点的作用调节mRNA的转录[9]。正常血管壁上平滑肌细胞主要位于中膜层，周围为基底膜所包绕。基底膜与平滑肌细胞接触可维持平滑肌细胞处于收缩表型，限制其移动。在动脉粥样硬化病变中可发现大量平滑肌细胞，失去了收缩功能，不仅吞噬脂质成为泡沫细胞，在泡沫化过程中还分泌大量MMPs，降解细胞外基质，其分泌的多种细胞因子调节自身和其他细胞MMPs的分泌，平滑肌细胞分泌的MMP-2、MMP-9 可有效降解基底膜，有利于细胞迁移[10] 。

    2.2 MMPs 在动脉粥样硬化斑块破裂中的作用 冠状动脉粥样硬化斑块内覆盖脂质中心的纤维帽是决定斑块稳定与否至关重要的因素，其将斑块内具有高度成血栓性的物质与血液成分分隔开，一旦斑块的结构受损或破裂，即可导致二者接触，促使血栓形成，引起完全或不完全冠状动脉阻塞，临床上导致急性冠脉综合征[11]。纤维帽的重要成分为细胞外基质，尤其是胶原纤维， 此外还有蛋白多糖， 弹性蛋白等。纤维帽越厚， 胶原成分含量越多，斑块越不容易破裂。Davies等[12]发现斑块破裂常发生在纤维帽肩部，该处纤维帽最薄，其胶原成分及氨基葡聚糖均很少。体外计算机模拟实验也证实了该处的纤维帽机械性能最弱[13]。斑块纤维帽变薄及胶原成分和蛋白多糖减少的原因目前还不甚明了，但细胞外基质，尤其是胶原纤维降解的增加很可能是其中的机制之一[14]。细胞外基质是斑块破裂与否的一个十分活跃的生物学环节，不稳定斑块中常见到基质降解活性增强[15]。近年来对斑块破裂中基质的降解研究最多的是MMPs。原位杂交和免疫组织化学检查表明人斑块中MMP-3、MMP-1 和明胶酶的表达增加。原位酶谱实验也证明人的粥样斑块，尤其是机械张力最高处，MMP-1 表达增加7倍，而该处又是斑块破裂常见之处，据此推测，在这些部位基质降解过度同时又有机械张力过度而使纤维帽破裂。郭爱桃等的研究结果也证实MMP-1 表达与斑块破裂之间存在明显的正相关关系，即MMP-1 含量越高之处，斑块越易破裂[6]。

    巨噬细胞分泌的MMPs 在斑块破裂中起重要作用。分析发现急性冠脉综合征入侵的巨噬细胞是稳定型心绞痛的4 倍以上，巨噬细胞主要分布于斑块崩解区，与斑块内MMPs 活性部位一致，巨噬细胞密度增加和胶原含量减少直接导致血管壁张力减低[16]。将巨噬细胞与斑块纤维帽共育48 h，胶原代谢无羟基脯氨酸明显增多，可直接降解纤维帽。加入MMPs 抑制剂后无羟基脯氨酸释放[17]。病理学研究发现不稳定斑块有明显的T 细胞浸润。CD40 -CD40 配基信号传导通路在调节MMPs 合成中有重要作用，巨噬细胞平滑肌细胞表面有CD40 分子。激活后T 细胞表面表达CD40 配体，因此可直接激活巨噬细胞平滑肌细胞大量分泌MMPs[18，19]。实验证明重组CD40 配体促进平滑肌细胞分泌MMP-1、3、9 的作用强于IL-1、TNF 。T 细胞分泌的TNF 可抑制细胞因子对平滑肌细胞巨噬细胞分泌MMPs 的诱导作用。

    2. 3 MMPs 与缺血性脑损伤 缺血性脑损伤的原因之一是局部发生炎症反应， 最早是白细胞粘附内皮细胞，继而血脑屏障(BBB) 遭破坏，炎性细胞侵入缺血受伤脑组织，BBB 对维持神经组织内环境的相对稳定十分重要，近年来有人发现脑缺血及再灌注后也出现MMPs 的表达增加，尤其是MMP-2 和MMP-9 的活性增加，与脑微血管通透性、BBB 的通透性、BBB 的崩溃、炎性细胞侵入和脑水肿明显相关。使用合成的MMPs 抑制剂可以不同程度的抑制以上病变。

    MMPs 对神经系统的作用和影响十分广泛， 参与脑血管病、脑动脉硬化、神经脱髓鞘、脑炎等中枢神经系统(CNS) 多种疾病的病理过程[20]。脑内血管再生-塑形过程中血管内皮细胞分泌的MMPs 影响ECM 的沉积而破坏脑内微血管稳定的关键因素。MMPs与TIMPs 在基质微血管塑形过程中具有重要作用。研究发现，大鼠大脑中动脉闭塞后1 h，MMP-2 表达显著增加[21]，血后3～5 h MMP-9 表达开始增高，24h 达高峰，且与神经元损伤的范围及数目显著相关。TIMPs 在M CAO 缺血组及对照组表达无差异， 应用抗MMP-9 抗体或外源性MMPs 抑制剂可有效减少梗塞面积。

    还有资料证实脑缺血及再灌注后，不同时相，不同程度的出现微血管通透性增加和脑水肿，并且早期的血流再通有助于保护缺血半暗带，而后期的灌注却加重组织损伤。脑出血后MMP-2 及MMP-9 表达的时空改变与脑缺血的改变大致相同。研究结果提示，MMPs通过降解血管外基质、增加血管渗透性及诱导炎性细胞浸润，促使神经元死亡。E-van 蓝染色法显示在脑卒中MMPs 过度表达的同时，血脑屏障渗透性明显增加，提示MMP -9 的过度表达在血脑屏障破坏引起血管源性脑水肿及继发性脑损伤过程中发挥关键作用。MMPs 和丝氨酸蛋白酶是脑中以原型表达的蛋白酶，一旦被激活就攻击毛细血管周围的基底膜，促使血脑屏障开放，介导血管源性脑水肿形成。在卒中后继发性脑水肿高峰期给予外源性MMPs 抑制剂可明显减少注射区域远隔部位脑水、钠含量，提示MMPs 抑制剂有望成为控制脑卒中后继发性脑水肿的新途径。

    3 动脉粥样硬化的治疗展望

    随着人们对MMPs 在动脉粥样硬化中作用了解的日益增多，人们开始研究通过抑制MMPs 活性以延缓动脉粥样硬化的发生和防止斑块破裂。大动脉硬化是血管压力升高的主要因素，对于大动脉特性的结构和遗传学过程的研究为治疗方法提供了理论依据。年龄、粥样硬化和性别是与动脉粥样硬化密切相关的3 个重要因素。研究发现其中任何一种因素都会影响动脉上皮基质和与之相关的内侧平滑肌细胞。细胞外基质蛋白和其调控因子的遗传学和激素的调节，包括MMPs，可能决定某些相对特异性[21]。理论上抑制MMPs 活性可通过以下途径：加入外源性TIMPs；减少局部MMPs 的产生；促进局部TIMPs 合成；研制人工合成的MMPs 抑制剂。外源性TIMPs 受各种因素影响容易发生变性和降解；细胞因子可诱导TIMPs 合成，但副作用较大时使用受到限制。

    合成的MMPs 抑制剂在动物实验中效果不明显。现在已应用转染技术研究MMPs 和TIMPs 在动脉粥样硬化形成中的作用。随着分子生物学技术的进步，利用分子生物学技术使局部TIMPs 过表达用来中和MMPs，为人们治疗动脉粥样硬化带来希望。在动脉粥样硬化及其斑块破裂中MMPs 的过度抑制或激活均不利于动脉粥样硬化的发展，如何适当地调节MMPs的活性将是今后的研究方向：①MMPs 抑制剂。细胞外基质的组成取决于MMPs 活性和TIMPs 之间的平衡。有实验研究显示，MMPs 抑制剂能减小心室的扩大，但尚未见临床应用的报道。②基因治疗动脉粥样硬化。基因治疗动脉粥样硬化斑块的目的是通过基因转移防止动脉粥样硬化斑块破裂，恢复受损血管内皮的功能和防止血栓形成，阻断促炎分子；减轻内皮功能低下和随之存在的促凝状态；抑制信号转导环节和血管过度表达组织因子的通路。③稳定动脉粥样硬化斑块。有关临床试验结果显示，积极的内科疗法可减少有创性治疗。因此既往先入为主的“冠脉腔学”应该让路给对动脉粥样硬化病理生理学的进一步认识，重新谨慎评估稳定斑块的基因因素以配合积极的内科治疗。同时，将来血管病理生理学及分子生物学的研究应以稳定易破斑块以及减少斑块破后血栓形成为方向。

    基质金属蛋白酶与动脉粥样硬化