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【关键词】 糖尿病；基质金属蛋白酶
糖尿病(DM)是一以高血糖为特征的内分泌代谢性疾病，DM慢性并发症已成为威胁病人生命的主要问题。糖尿病及其慢性并发症的发生，与众多细胞因子和酶活性的改变有关，DM导致的代谢异常可引起基底膜结构和功能发生改变，这些改变可使组织血管基底膜的降解与重构机制发生异常，而细胞外基质(Extracellular matrix，ECM)作为血管壁的主要成分在这些生理病理过程中发挥重要作用。正常情况下，ECM处于不断产生和不断降解的动态平衡中，涉及ECM代谢最主要的酶系是基质金属蛋白酶(MMPs)／基质金属蛋白酶组织抑制因子(TIMPs)，MMPs除了有ECM降解作用外，还跟机体生理及病理状态有着多种关联，本文就MMPs系统在DM及其慢性并发症中的作用综述如下。
1 MMPs的简介
1. 1 功能及分类
自1962年发现了第一个MMP——来源于蝌蚪尾组织中的胶原酶后，陆续在动植物中找到MMP家族的一百多个成员。目前已发现并定性的人源MMP有23种［1］。MMPs是一类具有Zn2+依赖性的内源性蛋白水解酶，几乎能降解细胞外基质的所有成分。MMPs以酶原的形式分泌至细胞外，需要在激活剂作用下才有酶活性，纤维蛋白溶酶是体内重要的MMP酶原激活剂，MMP各成员之间也可以相互激活。MMPs在胚胎形成、伤口愈合、组织修复和损伤后组织重塑中均起重要作用，其在细胞间通讯系统中扮演着重要的角色，影响细胞的迁移和肿瘤的侵袭［2］，MMPs还能增强白细胞的迁徙和调节炎症反应的进程［3］。MMPs与脑损伤后血脑屏障的开放、脑水肿形成及神经脱髓鞘有关，故向来被认为在中枢神经系统中起负性作用。然而，在神经中枢突触链接重塑中，MMPs或许有积极意义，最近的研究表明它们很可能还有促进组织再生的作用［4］。MMPs根据其结构和底物特异性可分为6类［1］：①胶原酶：包括MMP-l、-8、-13、-18，主要作用于I、Ⅱ、Ⅲ型胶原；②明胶酶：包括MMP-2、MMP-9，主要作用于变性的胶原和明胶；③间充质溶解素：主要有MMP-3、-10、-11，作用于蛋白多糖和糖蛋白，MMP-3可以激活其他MMPs，特别是在MMP-1激活中起关键作用；④膜型MMP（MT-MMP）：MMP-14～17、24、25，降解I、Ⅱ、Ⅲ型胶原；⑤基质溶解素：MMP-7、MMP-26；⑥其它：MMP-12、-19、-20、-22、-23、-28、epilysin。
1. 2 MMPs的调节
MMPs活性调节主要发生在三个水平：①基因转录：MMPs基因转录受多种生长因子、细胞因子调控。研究表明核因子-κB和转录因子AP-l与MMPs活化密切相关，NF-κB可通过上调MMP-1、MMP-3而活化纤维母细胞；而胰岛素可通过激活MEK途径活化AP-1，进一步激活MMPs基因的转录［5］。一般而言，IL-1、TNF-α、PDGF等上调MMPs表达，而TGF-β、干扰素-γ、类固醇激素等下调MMPs的表达。②酶原活化：MMPs均以酶原形式分泌，在细胞外环境中激活后才能降解胶原及其它蛋白，血浆纤溶酶和间充质溶解素(特别是MMP-3)是已知的生理性MMPs激活剂，MMP-1、MMP-3和MMP-8主要以级联放大方式被纤溶酶活化，MMP-2则主要被MT1-MMP激活。③抑制因子：MMPs的表达和活化并不一定代表最后对ECM的降解能力，因为体内还存在MMPs的特异性和非特异性抑制物，TIMPs即是MMPs的特异性抑制物，能与MMPs的Zn2+ 以1：1高亲合性结合，特异性抑制MMPs对ECM的降解，也能与酶原结合阻止MMPs的活化，从而维持ECM的稳态。目前已发现4种TIMP(TIMP-1、-2、-3、-4)［6］，每一种TIMP对MMPs均有程度不同的抑制作用，其中TIMP-1是体内存在和作用最广的一种TIMPs。许多调节MMPs的生长因子和细胞因子同样调节TIMPs表达，其中TGF-β尤为重要。非特异性抑制物如α-巨球蛋白、四环素衍生物等。α-巨球蛋白由肝脏合成，通过空间位阻效应非特异抑制某些蛋白酶和底物结合，但相对分子量大降低了α-巨球蛋白的组织穿透力，限制了其作为抑制剂的效率。四环素衍生物不但可抑制MMPs产生和活化，而且还可以增加MMPs的降解［2］。
2 MMPs与DM及其慢性并发症
2. 1 MMPs与DM
糖尿病是一组以慢性血糖水平增高为特征的代谢性疾病，MMPs的调节紊乱与DM的发生密切相关。即使是在空腹血糖调节受损和糖耐量减低阶段，体内MMPs水平便可开始升高了［7］。MMP-9是降解Ⅳ型胶原的最主要成员之一，发生糖尿病时，无论是1型还是2型，体内的MMP-9水平及MMP-9/TIMP-1比值都存在异常。Jacqueminet S等［8］通过临床研究发现，1型糖尿病患者的循环血浆中MMP-9、TIMP-1及MMP-9/TIMP-1比值均明显高于非糖尿病者，Derosa等［9］在2型糖尿病患者中的研究也得出了相同的结果，并且发现MMP-2和TIMP-2水平也显著增高。
Thrailkill等［10］研究显示T1DM患者血浆和尿液中MMP-2的水平均显著增高，尿MMP-2可能作为糖尿病肾病肾内病理改变程度的生物学标记。MMPs在DM中的高表达表明MMPs跟DM有着密切的关系。
2. 2 MMPs与DM大血管病变
心血管疾病是糖尿病患者死亡的主要原因之一，糖尿病患者与非糖尿病患者相比发生心血管事件的风险至少高2 ～ 4倍［11］。动脉粥样硬化是糖尿病大血管病变的主要病理特征，ECM是血管壁的主要成分，正常情况下是处于不断更新的动态平衡中，但在动脉粥样硬化形成过程中，MMPs与TIMPs表达失衡，突出表现为MMPs表达增加，活性增强，使ECM合成与分解异常。正常动脉壁细胞不能产生活性的MMPs，但在动脉粥样硬化过程中，血管内皮细胞、平滑肌细胞、巨噬细胞、泡沫细胞均能合成和分泌MMP-9，并以巨噬细胞的作用最强，MMP-9降解基底膜，有利于单核细胞入侵，加速ox-LDL渗透。研究表明，DM患者动脉粥样斑块较非DM者更不稳定，T2DM合并动脉粥样硬化病变者血浆MMP-9水平较单纯T2DM者或单纯动脉粥样硬化者明显升高［12～13］。郭立新等［14］报道T2DM患者血浆MMP-9水平升高，与正常对照相比，无合并症者已现出MMP-9升高，合并大血管病变者则显著升高，同时MMP-9 RT-PCR显示，合并大血管病变组MMP-9 mRNA水平显著高于对照组。而高血糖本身对MMPs／TIMPs的含量和活性有着重要的影响，对人脐静脉内皮细胞进行培养，发现在33mmol／L的高糖状态下内皮细胞表达MMP-2及其活性均增加，而TIMP-2的表达下降［15］。Aljada等［16］发现给健康人口服葡萄糖后，血浆中MMP-9浓度明显升高，Dandona等［17］则发现静脉输注葡萄糖水的患者血MMP-9浓度同样也显著升高。可见MMPs调控的紊乱是血管损害的一个关键因素，而高糖可诱导MMPs的表达，增加DM患者大血管病变的风险。
2. 3 MMPs与DM微血管病变
糖尿病微血管病变以糖尿病肾病（DN）和糖尿病视网膜病变（DR）最为重要。DN的特征是ECM在肾小球沉积，使得肾小球系膜基质积聚和肾小球内基底膜增厚，进而发生硬化。大量研究证实MMPs／TIMPs表达失衡在其中起了很重要的作用，Mclennan等［18］研究表明在STZ诱导6个月DM鼠中MMP-9mRNA活性下降，TIMP-1 mRNA增加，MMP-2mRNA虽增加，但活性下降，肾组织总降解能力下降。体外人体细胞培养研究发现，结缔组织生长因子(Connective tissue growth factor，CTGF)促进DN发展的机制是由于CTGF增加了TIMP-1的表达，从而减少了ECM的降解所致，在给予TIMP-1抗体后可阻断CTGF的该作用［19］。DR可分为两类：背景性视网膜病变和增值性糖尿病视网膜病变（PDR），而PDR是病变的严重阶段，是糖尿病继发的视网膜新生血管性疾病，可导致失明。慢性高糖致视网膜微血管壁损害，组织缺氧刺激诱导血管内皮生长因子表达，引起血管壁渗漏及内皮细胞增生迁移，形成纤维血管膜。内皮细胞迁移的前提是基底膜降解，而MMPs／TIMPs系统调节失衡在其中起了关键性作用。对早期PDR鼠视网膜研究发现，MMP-2、-9、-14水平升高，尤其MMP-9，它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［20］。并且Garcia等［21］应用MMP抑制剂AG3340治疗PDR动物模型，能明显减少血管膜产生。对于PDR患者，Ishizaki［22］的研究表明其玻璃体MMP-9浓度明显升高。细胞凋亡也是引起DR的原因之一，Yang等［23］的实验发现，MMP-2能增加糖尿病视网膜病变中视网膜外膜细胞的凋亡，而这个过程正是通过降解ECM导致的。可见MMPs／TIMPs 系统在DR中所起的重要作用。
2.4 MMPs与糖尿病足（DF）
DF是多种因素引起的疾病，正常皮肤创口在愈合的过程中，组织ECM的合成、沉积和降解保持着动态平衡，而MMPs／TIMPs 系统在创口部位ECM合成和降解的精确调控是非常重要的［24］。许多研究均表明DF慢性伤口中MMPs水平升高，TIMPs水平下降。Lobmann等［25］用ELISA和明胶酶谱方法测得DM患者慢性足部溃疡组织中MMP-2、-8、-9水平均升高，特别是MMP-9升高最为显著，较非DM外伤创口活检组织升高14倍，TIMP-2水平则降低1/2。并且发现DF溃疡中应用蛋白酶抑制剂敷料后伤口愈合明显加快［26］。张正军等［27］的研究表明DF溃疡的渗出液可促进纤维细胞MMP-2、-9的表达并提高其活性。虽然MMPs／TIMPs 系统在DF溃疡中有重要的作用，但其精确的调节机制目前未完全明确，有待进一步深入研究。
3 展望
MMPs／TIMPs系统在糖尿病及其慢性并发症中起着至关重要的作用，不同部位的病变、病变的不同阶段，存在不同类型的MMPs／TIMPs 表达及活性异常，总的来说糖尿病大血管病变、糖尿病视网膜病变及糖尿病足中MMPs表达增加活性增强，糖尿病肾病时MMPs表达减少活性降低。且随着研究的深入，发现MMPs在某些疾病中却起着积极作用，例如其促进组织再生的能力。MMPs系统的精确的调节机制目前未完全明确，仍需作深入研究，利用MMPs／TIMPs作为新的靶点，有望成为治疗糖尿病慢性并发症的新途径，虽然动物实验已经取得一定的进展，但临床应用仍存在不少问题，例如怎样明确疾病某一阶段MMPs到底起何种作用；对机体MMPs的干预将有可能使正常组织发生重构；如何确定准确的给药剂量和给药时间。这些问题均有待进一步研究证实。
【参考文献】
［1］Visse R, Nagase H. Matrix metalloproteinase and tissue inhibitors of metalloproteinase: structure, function, and biochemistry［J］. Circ Res, 2003, 92:827.
［2］Ganea E, Trifan M, Laslo AC, et al. Matrix metalloproteinases: useful and deleterious［J］. Biochem Soc Trans, 2007, 35(Pt 4): 689～691.
［3］Le NT, Xue M, Castelnoble LA, et al. The dual personalities of matrix metalloproteinases in inflammation［J］. Front Biosci, 2007,12:1475～1487.
［4］Larsen PH, DaSilva AG, Conant K, et al. Myelin formation during development of the CNS is delayed in matrix metalloproteinase-9 and -12 null mice［J］. J Neurosci, 2006, 26(8):2207～2214.
［5］Ayala JE, Boustead JN, Chapman SC, et a1. Insulin—mediated activation of activator protein-1 through the mitogen-activated protein kinase pathway stimulates collagenase-1 gene transcription in the MES 13 mesangial cell line［J］. Mol Endocrinol, 2004, 33(1): 263～280.
［6］Nagase H, Visse R, Murphy G. Structure and function of matrix metalloproteinases and TIMPs［J］. Cardiovasc Res, 2006, 69(3):562～573.
［7］沈庆乐, 张存琪. 血清基质金属蛋白酶与糖尿病血管病变的关系［J］.中国微循环, 2004, 8(5):349.
［8］Jacqueminet S, Ben Abdesselam O, Chapman MJ, et al. Elevated circulating levels of matrix metalloproteinase-9 in type 1 diabetic patients with and without retinopathy［J］. Clin Chim Acta, 2006, 367(1-2):103～107.
［9］Derosa G, D'Angelo A, Tinelli C, et al. Evaluation of metalloproteinase 2 and 9 levels and their inhibitors in diabetic and healthy subjects［J］. Diabetes Metab, 2007, 33(2):129～134.
［10］Thrailkill KM, Bunn RC, Moreau CS, et al. Matrix metalloproteinase-2 dysregulation in type 1 diabetes［J］. Diabetes Care, 2007, 30(9):2321～2326.
［11］陈灏珠. 实用内科学［M］. 第12版. 北京: 人民卫生出版社, 2005.
［12］Cipollone F, lezzi A, Fazia M, et al. The receptor RACE as a progression factor amplifying arachidonate-dependent inflammatory and proteolytic response in human atherosclerotic plaques: role of glycemic control［J］. Circulation, 2003, l08: l070～1077.
［13］Marx N, Froehlich J, Siam L, et a1. Antidiabetic PPAR gamma-activator rosiglitazone reduce MMP9 serum levels in type 2 diabetic patients with coronary artery disease［J］. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2003, 23: 283～288.
［14］郭立新, 汪恕萍, 李萍, 等. 基质金属蛋白酶-9与糖尿病血管病变的关系［J］. 中华内分泌代谢杂志, 2002, 18(6): 471～472.
［15］Ho FM, Liu SH, Lin WW, et al. Opposite effects of high glucose on MMP-2 and TIMP-2 in human endothelial cells［J］. J Cell Biochem, 2007, 101(2):442～450.
［16］Aljada A, Ghanim H, Mohanty P, et a1. G1ucose intake induces an increase in activator protein l and early growth response l binding activities, in the expression of tissue factor and matrix metalloproteinase in mononuclear cel1 and in plasma tissue factor and matrix metalloproteinase［J］. Am J Clin Nutr, 2004, 80: 51～57.
［17］Dandona P, Aljada A, Mohanty P, et a1. Insulin suppresses plasma concentration of vascular endothelial growth factor and matrix metalloproteinase-9［J］. Diabetes Care, 2003, 26: 3313～3314.
［18］Melennan S, Kelly DJ, Cox AJ, et a1. Decreased matrix degradation in diabetic nephropathy: effects of ACE inhibition on the expression and activites of matrix metalloproteinase［J］. Diabetologia, 2002, 45(2): 268.
［19］Mclennan, Wang, Moreno, et a1. Connective tissue growth factor mediates high glucose effects on matrix degradation through tissue inhibitor of matrix metalloproteinase type 1: implications for diabetic nephropathy［J］ . Endocrinology, 2004, 145(12): 5646～5655.
［20］Giebel SJ, Menicucci G, McCuire PG, et al. matrix meta11oproteinase in early diabetic retinopathy and their role in alteration of the blood-retinal barrier［J］. Lab Invest, 2005, 85(5): 597～607.
［21］Garcia C, Bartsch DU, Rivero ME, et al. Efficacy of Prinomastat (AG3340), a matrix metalloproteinase inhibitor, in treatment of retinal neovascularization［J］. Curr Eye Res, 2002, 24(1): 33～38.
［22］Ishizaki E, Takai S, Ueki M, et al. Correlation between angiotensin-converting enzyme vascular endothelial growth factor, and matrix metalloproteinase-9 in the vitreous of eyes with diabetic retinopathy［J］. Am J Ophthalmol, 2006, 141(1): l29～134.
［23］Yang R, Liu H, Williams I, et al. Matrix metalloproteinase-2 expression and apoptogenic activity in retinal pericytes: implications in diabetic retinopathy［J］. Ann N Y Acad Sci, 2007, 1103:196～201.
［24］Lobmann R, Sehuhz G, Lehnert H. Proteases and the diabetic foot syndrome: mechanisms and therapeutic implications［J］. Diabetes Care, 2005, 28(2): 461～471.
［25］Lobmann R, Ambrosch A, Schultz G, et a1. Expression of matrix-metalloproteinase and their inhibitors in the wounds of diabetic and non-diabetic patients［J］. Diabetologia, 2002, 45(7): 1011～1016.
［26］Lobmann R, Zemlin C, Motzkau M, et al. Expression of matrix metalloproteinases and growth factors in diabetic foot wounds treated with a protease absorbent dressing［J］. Diabetes Complications, 2006, 20(5):329～335.
［27］张正军, 肖正华, 陈定宇, 等. 黄芪多糖对糖尿病足溃疡渗出液成纤维细胞MMP-2、MMP-9表达的影响［J］. 中国糖尿病杂志, 2007, 15(4): 202～203.
作者单位：广东医学院附属医院内分泌科，广东 湛江 524000.