基质金属蛋白酶作为牙周炎调节因子的研究进展

2019-10-7 17:10  来源:口腔医学
作者:王亚敏 张瑞敏 阅读量:1034

    牙周病是一种在全球范围内常见的影响牙周组织的慢性疾病,包括牙龈、牙周膜、牙骨质和牙槽骨的破坏。细菌-宿主在牙周-生物膜界面上的相互作用将会触发牙龈炎症,导致牙龈炎。随着时间的推移,它可以进展到对牙周支持组织的免疫介导性丧失,即附着丧失,从而确定疾病的破坏性特征。

    牙周炎除了作为成人牙齿缺失的首要原因外,还会增加对其他系统性疾病的易感性,包括心血管疾病、糖尿病和肺部炎症等。牙周炎症介质的产生是宿主反应的一部分,与组织破坏有关的介质包括蛋白酶、细胞因子和前列腺素。其中,来自于宿主和微生物的蛋白酶在牙周炎的组织破坏过程中起着重要的作用,如:基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)。

    1.MMPs的结构、分类、功能及活性调节

    基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)是金属依赖性细胞外蛋白酶的一个大家族,由成纤维细胞、中性粒细胞、巨噬细胞及肿瘤细胞合成和分泌。迄今为止,至少有26种蛋白结构相似,编码基因与胶原酶基因同源的MMPs被发现。根据细胞外基质在胶原酶、明胶酶、基质溶解酶、基质降解素、膜型基质金属蛋白酶及其他MMPs中的底物特异性的不同,将MMPs分为5类:①间质胶原酶类,包括MMP-1、MMP-8、MMP-13、MMP-18,主要降解Ⅰ-Ⅲ型胶原及Ⅷ和Ⅹ型胶原;②明胶(Ⅳ型胶原酶)类:包括明胶酶A(MMP-2)和明胶酶B(MMP-9)。明胶酶可以特异性降解变性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原明胶,也可切割天然Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型胶原;③基质溶解素类:包括MMP-3、MMP-7、MMP-10,有广泛的底物特性,可降解纤黏蛋白、层黏蛋白、弹性蛋白和糖蛋白的蛋白核心以及Ⅳ和Ⅸ型胶原等,另外还可去除Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型原胶原N、C末端肽,起原胶原肽酶作用;④膜型MMP(MT-MMP):包括MMP-14、MMP-15、MMP-16,这种酶表达于细胞表面,除可直接降解基质,还对MMP-2和MMP-13有激活作用;⑤其他类:包括MMP-4、MMP-5、MMP-6、MMP-20。

    MMPs基本结构包括信号肽域、前肽域、催化域、铰链区和血红素结合域,其基本结构通常涉及MMPs底物的识别和定位。大多数MMPs蛋白以非活性mproMMP分泌,随后被其他蛋白水解酶(如丝氨酸蛋白酶、弗林蛋白酶和纤溶酶)处理以产生活性形式。

    MMPs除了激活其他MMPs形成级联效应外,其主要调控细胞外基质的代谢,特异性降解细胞外基质,如:纤维结合蛋白、层黏连蛋白、蛋白聚糖、基底膜胶原蛋白等。多数MMPs基因的转录受内源性生长因子和细胞因子调节,MMPs几乎能降解除多糖以外的全部细胞外基质成分。

    MMPs活性的调节是一个多水平的调节,受到基因表达、酶激活和内源性抑制因子的严格调控。主要涉及四种机制,即MMP基因的正向和负向转录控制;通过从潜伏状态激活;通过底物特异性的差异;通过调节血清抑制剂和金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)来调节MMPs的活化。因此,MMPs在牙周组织中可以是前体形式的、活性的、复杂的、分散的或细胞结合型的。

    2.基质金属蛋白酶介导的炎症反应调节

    牙周炎发病过程中牙周支持组织的丧失是宿主免疫反应的最终后果,而MMPs与广泛的炎性疾病有关,被认为是牙周炎症的主要调控因子。有证据表明,MMPs是牙周病相关组织破坏的最重要的途径。根据以前的研究,在牙周炎患者的龈沟液、种植体周围龈沟液和牙龈组织中检测到显著升高的MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-8和MMP-9。同样,最近的研究也表明MMPs的mRNA水平在发炎的牙龈组织中显著增加。MMPs活性可能通过与其内源性抑制剂(TIMPS)和翻译后修饰以及基因转录水平的相互作用进行调节。

    一些信号分子,如细胞因子、趋化因子和生长因子可以被激活的MMPs处理,从而调节它们的生物功能和/或生物可用性。MMPs通过加工细胞外基质迁移免疫细胞;通过加工趋化因子促进或终止免疫细胞募集分子;通过加工补体、细胞因子和其他非基质生物活性分子加剧或缓解炎症反应。因此,MMPs基因的功能多态性可能会影响MMPs的表达和活性,进而增加患牙周炎的风险。大多数MMPs在静息状态的成人组织中以低水平产生或根本不产生。然而,他们的产生在各种病理和生理事件如胚胎产生、排卵、牙齿萌出、关节炎、炎症状况和恶性肿瘤中被诱导。

    大多数MMPs和促炎性细胞因子/趋化因子的激活信号,以及促进其基因转录活性增加的信号通路是很常见的。然而,在一些情况下存在某些调节通路,其特异性细胞因子负调节MMPs基因转录。比如IL-4对MMP-3的负调节,MMP-3参与了牙周组织的基质降解,其转录由IL-1β介导的转录因子激活蛋白1(AP-1)调控。有报告表明IL-4信号传导对MMP-3基因转录具有抑制作用,其通过诱导蛋白质复合体AP-1的组分二聚体的替代组装来降低与MMP-3基因启动子位点的内在关联。

    3.多种MMPs在牙周炎中的表达

    在牙龈组织、龈沟液、唾液和血清中可检测到几种不同形式的MMPs,其中MMP-8、MMP-9和MMP-13是牙周支持组织破坏中主要的蛋白酶,它们反映了牙周组织疾病的严重程度、进展和治疗反应。

    3.1MMP-8在牙周炎中的表达

    MMP-8是目前代表牙周炎中最具研究前景性的生物标志物之一。MMP-8具有独特的分解Ⅰ型和Ⅲ型胶原的能力,这对于牙周破坏是至关重要的。Gursoy等通过检测牙周炎患者唾液中MMPs降解后的终末产物发现,MMP-8是一个可以有效区分重度和轻度牙槽骨吸收及健康人的生物标记物。MMP-8主要由中性粒细胞(polymorphonuclear leukocytes,PMN)产生,在牙周疾病中可见到大量持久的中性粒细胞浸润,牙周成纤维细胞、牙骨质细胞和上皮细胞亦能分泌,其能促进细胞外结缔组织基质的降解,从而加速病变的发展;MMP-8还在成骨细胞和骨细胞中表达,在骨的形成和发育中也起着一定作用。

    牙周炎症时,唾液中的PMN增多,同时促炎性因子刺激更多的炎性因子产生,从而激活PMN的能力,促进MMP-8的产生。王丽琴等通过对30例慢性中、重度牙周炎患者与30例牙周健康者的龈沟液(gingival crevicular fluid,GCF)做对比,结果显示病例组GCF中MMP-8含量高于正常对照组,两组差异具有统计学意义(P<0.01)。这说明MMP-8除了参与牙周疾病的发生,同时也影响牙周疾病的严重程度。

    3.2MMP-9在牙周炎中的表达

    MMP-9又名明胶酶B,基本结构包括:N-末端的信号肽区,是维持其正确分泌所必须的;前肽区,与酶原活化有关;催化基团区,与前肽区结合可维持其酶原状态;C-末端的血红素蛋白结构区,可与特定底物、TIMPs等结合,与其激活相关;铰链区、连接催化基团区和血红素蛋白结构区。

    MMP-9主要由中性粒细胞、巨噬细胞和单核细胞等产生,它的基因表达主要受转录调控、酶原活化、内源性抑制三个水平调节,其中,转录调控的作用最为主要。在炎症介质等刺激后,MMP-9基因编码的mRNA增加,以及分泌分子量为92000的酶原,并且在钙离子和锌离子存在的条件下,经纤维蛋白水解酶作用,切去N-端的80个氨基酸残基肽段后即可转变为分子量为82000的酶原的活性形式。

    诸多研究表明,慢性牙周炎患者龈沟液中MMP-9的浓度高于牙龈炎患者,也高于健康对照者。Grantm等应用Luminex Muhianalyte Assay对慢性牙周炎患者龈沟液MMP-9进行测定,结果显示在炎症和非炎症样本中均有MMP-9存在,但炎症位点的活性酶含量明显增高。

    3.3MMP-13在牙周炎中的表达

    MMP-13是可在成纤维细胞、巨噬细胞、成骨细胞、浆细胞和牙龈上皮细胞中均可检测到的胶原酶,与组织中胶原纤维快速转变密切相关。在正常成人组织中几乎不表达,疾病时再生参与组织修复和重塑。虽然其含量不多,但MMP-13与牙周软组织的破坏密切相关。有研究发现,人成骨细胞分泌MMP-13,而MMP-13具有激活成骨细胞分泌前体MMP-9的作用,从而通过MMP-8、MMP-9介导一系列牙周组织破坏。研究显示MMP-13在慢性牙周炎活动部位的活性增加,这可能在慢性牙周炎进展期间软硬组织的降解及前体MMP-9的活化中具有影响。也有研究显示,广泛性侵袭性牙周炎患者唾液中MMP-13的水平高于对照组。

    4.结语

    综上所述,MMPs作为降解细胞质基质的重要酶类,与慢性牙周炎的发生发展密切相关,并在炎症与免疫反应中起着重要的作用。在不同牙周炎患者的血清、唾液与龈沟液中,MMPs的种类和活性也不同,因此,MMPs与临床检测牙周炎患者的指标存在一定的相关性,可以用来反映牙周炎的病变状况。通过牙周基础治疗后,MMPs会有不同程度的改变,进而有望作为衡量牙周基础治疗疗效的评判标准之一。

编辑: 陆美凤

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