脑缺血――基质金属蛋白酶-9与血脑屏障损伤的研究进展

1、脑缺血基质金属蛋白酶-9与血脑屏障损伤的研究进展唐坤裕昆明医科大学第二附属医院，云南昆明，650000摘 要：血脑屏障损伤是脑缺血的重要表现，而血脑屏障损伤又将进一步加重脑水肿和脑损伤，形成脑缺血损伤的恶性循环。基质金属蛋白酶-9作为体内最重要的细胞外基质降解酶，与脑缺血中血脑屏障的破坏关系最为密切。明确脑缺血时基质金属蛋白酶-9与血脑屏障损伤的内在联系，对于分析脑缺血病理过程及缺血后治疗起着重要作用。关键词：脑缺血；基质金属蛋白酶-9；血脑屏障中图分类号：R743 文献标识码：ACerebral Ischemia-Tang Kunyu（Dept. of Neurology The 2nd A

2、ffiliated Hospital of Kunming Medical University Kunming Yunnan 650101 China）Abstract: Keywords: 1. 引言脑卒中是当前严重威胁人类健康的主要疾病之一，其中急性缺血性脑卒中是最常见类型，占全部脑卒中的60%-80%1。目前血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）损伤被认为是引起脑缺血继发水肿、出血等并发症的重要原因22，而基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）作为细胞外基质的重要调节蛋白酶，其激活被认为是脑缺血BBB损伤的直接原因2。本文通过阐

3、述MMP-9与BBB之间关系，揭示脑缺血发生发展过程中的某些损伤机制，并对其进行有效干预手段达到卒中预防及治疗的目的。2. 脑缺血中血脑屏障损伤3. MMP-9的结构及功能4. MMP-9的激活与血脑屏障损伤5. 结语2. MMP-9的结构及生理功能2. 基质金属蛋白酶家族基质金属蛋白酶是一组含Zn2+的Ca2+依赖的蛋白质水解内肽酶家族，能够降解绝大多数的细胞外基质（extracellular matrix，ECM）成分，及处理其他MMPs前体（pro-MMPs）和大量生物活性分子2,3。根据MMPs的结构和底物的特异性分为6类4：胶原酶；明胶酶；基质水解酶；基质溶解素；膜型MMPs；其它M

4、MPs。MMPs参与组织结构的维持，在机体ECM的更新与降解、损伤修复、血管再生、肿瘤发生发展、炎症反应等过程中发挥着重要作用。生理条件下，MMPs主要以无活性的酶原（pro-MMPs）形式存在,体内不表达或低表达5。脑缺血及再灌注可诱导MMPs的表达，脑梗死患者发病时急性期MMPs水平明显升高，可以降解细胞外基质造成血管通透性增加、血脑屏障开放，致血管源性脑水肿，同时活化的炎细胞通过破坏了的血脑屏障渗出至脑组织内，并释放许多细胞因子，加重脑组织的缺氧性脑损伤6。其中MMP-9与血脑屏障损伤关系最为密切20。3. 基质金属蛋白酶-9的结构与活性调节明胶酶包括明胶酶A（MMP-2）和明胶酶B（M

5、MP-9）。MMP-9主要由血管内皮细胞、星形胶质细胞、海马神经元和小胶质细胞等细胞分泌21。其分子结构为其他MMPs相同，从N 端至C端依次为信号肽、前肽、催化区。MMP-9的催化区还含3个重复的型纤维连接蛋白，作用于明胶和胶原而发挥其催化作用。转录水平调节作为MMP-9的活性调节重要途径，主要通过前列素E2-环腺苷酸依赖途径进行DNA转录，激素、生长因子和炎性细胞活素均可引起DNA转录的激活3。半胱氨酸作为MMP-9的活性调节的重要基团。在pro-MMP-9中，半胱氨酸与锌结合，以阻碍锌与活性中心的结合，维持酶原的状态；当各种因素使半胱氨酸基团发生改变，锌与活性中心结合，MMP-9则被激活

6、。此外，MMP-9在体内存在多种内源性抑制物（tissue inhibitors to the metalloproteinases，TIMPs），TIMP与MMP-9形成复合物，抑制MMP-9的功能7。4. MMP-9造成血脑屏障损伤的机制与作用4.1 血脑屏障的结构与功能 血脑屏障是存在于中枢神经系统与外周血液循环之间的动态调节界面8。BBB主要由以下结构组成：无窗孔的脑微血管内皮细胞及其细胞间的紧密连接形成BBB的第一道隔膜，是形成屏障作用的主要结构基础。连续的血管基底膜包绕周细胞和内皮细胞，构成BBB的第二道隔膜，是维持BBB完整性的重要结构基础，其主要由IV 型胶原、层连蛋白、纤维连

7、接蛋白以及一些糖蛋白等组成。周细胞间断地贴附于内皮细胞外表面，主要位于微血管分支处。星形胶质细胞的终足形成鞘紧密包绕血管壁，覆盖毛细血管表面积的85%。血脑屏障在生理情况下控制进入神经组织内的物质，使神经组织减少甚至不受循环血液中有害物质的损害，并选择性地将脑内某些有害或过剩物质泵出脑外，从而保证中枢神经系统内环境的稳定平衡，维持中枢神经系统的正常功能23。4.2 脑缺血中MMP-9的作用部位与表达部位 脑缺血时，MMP-9主要表达于血管内皮细胞，主要作用于血管基底膜，造成基底膜成分中明胶、胶原（IV 、V）、层粘连蛋白和弹性蛋白的蛋白水解，导致了血脑屏障完整性破坏和血管源性脑水肿9。另外研究

8、显示，构成紧密连接的膜周蛋白-1（ZO-1）同时是MMP-9的作用底物。Minoru等10研究使用Western印迹法示ZO-1在脑缺血后明显减少，光密度计法分析示脑缺血24h时，ZO-1减少了30%，而在MMP-9基因敲除组，ZO-1没有明显的减少。正常脑组织中MMP-9可有表达，但其程度极低。Dzwonek等11研究发现MMP-9 mRNA和蛋白可见于正常脑组织的海马、皮质和纹状体，主要分布于神经元的胞体和树突，神经胶质细胞尤其是星形胶质细胞和小胶质细胞也可见少量表达，此外, MMP-9还可见于小脑的颗粒细胞和浦肯野细胞。Minoru等10利用大鼠大脑中动脉栓塞模型发现，缺血16h时MMP

9、-9在皮质和纹状体的缺血区域表达上调，24h时更为明显，主要出现在血管的内皮细胞中，同时在脑实质中存在部分表达。另外，Maier等12研究也发现MMP-9在缺血脑组织梗死灶周围的血管表达显著，同时在小神经胶质细胞、星形胶质细胞及中性粒细胞中也有表达。以上倾向认为脑组织缺血时，MMP-9主要表达于缺血组织的血管内皮细胞。4.3 脑缺血中MMP-9的变化 Rosenberg 等13首次对脑梗死动物MMP-9进行动态监测发现，大脑中动脉闭塞后4h，MMP-9水平上升，12h和24h梗死灶内MMP-9的表达明显增加，且与血管源性脑水肿的高峰期一致，提示脑缺血后血脑屏障呈双相性开放，MMP-9在继发性脑

10、损伤和血管源性水肿中起重要作用。Zalewska等14认为，活化的MMP-9可能作用在短暂脑缺血后引起海马CA1区细胞凋亡级联反应中的某个环节。MMP-9基因敲除的大鼠不受脑半球缺血的影响，是由于MMP-9在神经损害方面的主导作用所致15。中性粒细胞作为MMP-9主要的细胞来源，反过来MMP-9又可促进白细胞募集，使BBB破坏,仅次于微血管基底膜的蛋白质水解作用，最终导致脑缺血后神经损伤16。Badaut等17研究表明缺血后2-3天时，脑细胞水肿达到高峰，以后逐渐下降。并测定大鼠脑组织含水量与运用PCR法检测MMP-9 mRNA的表达，其结果显示，脑缺血后MMP-9mRNA的表达在48小时内逐

11、渐增加，在48小时达到高峰，其后逐渐下降的变化过程。表明MMP-9与缺血后细胞水肿有着密切的关系，可能参与了细胞水肿的形成。Rosell等18研究分析5例致命性缺血性脑卒中伴出血并发症患者的脑样本在梗死和缺血区域中性粒细胞浸润严重，且局部MMP-9含量较高，说明炎症性MMP-9的反应与脑卒中的出血并发症有关。Lee等19研究发现MMP-9基因敲除的大鼠不受脑半球缺血的影响, 是由于MMP-9在神经损害方面的主导作用所致。5. 结语大量研究证实, MMP-9是导致缺血再灌注损伤的主要因子,脑缺血再灌注时，BBB损伤的炎性机制涉及多因素、多环节之间的相互作用，互为因果，形成脑缺血损伤的恶性循环。随

12、着MMP-9的表达及调节机制的不断阐明，有利于对MMP-9与血脑屏障的关系得到更好认识，及提供药物预防与治疗的参考，必将为缺血性脑血管疾病的临床诊治提供更多新的理论依据和方法。参考文献1. 中华医学会神经病学分会脑血管病学组急性缺血性脑卒中诊治指南撰写组. 中国急性缺血性脑卒中诊治指南2010, 中国临床医生, 2011; 39(3): 67-73.2. Adibhatla RM and Hatcher JF: Tissue plasminogen activator (tpa) and matrix metalloproteinases in the pathogenesis of stro

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25、 marker of blood-to-CSF barrier disruptionJ. J Neurosci， 2003， 23( 5) : 1949-1955存在问题：中文文献引用格式8 20089 200910 200811 200812 200713 2009Rosell等8的研究认为外周血中性粒细胞是MMP-9的重要来源之一，MMP-9在缺血区及出血转化区的浓度均升高，而其活化形式在转化区升高更明显。通过激光捕获显微切割（laser capture microdissection）技术研究显示在缺血区组成血脑屏障的微血管内皮细胞内含有高水平的MMP-9，在MMP-9含量高的区域内血脑

26、屏障的基本成分发生严重降解。所以MMP-9可能通过降解型胶原导致血脑屏障的破坏从而引起出血转化发生。Park等9通过分别检测梗死后不同时间点的MMP-9水平，得出了在脑梗死后急性期血浆及脑中MMP-9 都会升高的结论。Lei等10也得出相似结论。他们通过动物实验得出血脑屏障渗透性的改变与再灌注时间有关，在缺血再灌注区域，血脑屏障的渗透性在3h开始增加，血脑屏障的渗透性在缺血1d后再灌注时达高峰，随后逐渐下降，而MMP-9在3 h开始增加， 再灌注后2d达高峰，然后逐渐下降。由此可以得出MMP-9在缺血再灌注区域的表达增加与血脑屏障的渗透性增加有关。随着组织型纤溶酶原激活物（tissue pla

27、sm inogen activator, t-PA）的大量应用以及关于溶栓后出血转化研究的深入，也从不同角度研究了MMP-9对血脑屏障的破坏及对出血转化发生的影响。关于t-PA与MMP-9的关系多是一些间接的实验研究。Cuadrado等11研究表明中性粒细胞是MMP-9 的重要来源，静脉输注t-PA可增加出血转化的风险，而t-PA又有促进中性粒细胞脱颗粒释放MMP-9的作用，因此，MMP-9与继发的出血有一定关系。Burggraf等12通过改变t-PA的浓度得出出血转化率会随着浓度的升高而增加的结论, 而这一结论又与t-PA的浓度升高可增加MMP-9的浓度相一致。有研究认为减少MMPs生成的米

28、诺环素同样有抑制凋亡，抗氧化应激的作用，增加损伤后各种细胞因子及胶质细胞的活性 13 。8. Rosell A, Cuadrado E, Ortega-Aznar A. MMP-9-Positive Neutrophil Infiltration Is Associated to Blood-Brain Barrier Breakdown and Basal Lamina Type IV Collagen Degradation During Hemorrhagic Transformation After Human Ischemic Stroke. Stroke, 2008, 3 9(4)

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