孔 晨,楊 楠,王 玨,隋 欣,劉志輝

（吉林大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，吉林 長春 130021）

牙周炎是一種發(fā)生在牙支持組織的慢性炎癥，不僅可造成牙齦紅腫、牙周袋溢膿和牙齒松動等局部組織的病變，還與糖尿病、心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病和癡呆癥等全身性疾病有著密切關(guān)系［1-3］。目前的研究［2］顯示：牙周炎的組織病理學(xué)表現(xiàn)包括炎細(xì)胞的大量浸潤、牙周韌帶主纖維束破壞溶解以及牙槽骨的破壞吸收等，許多細(xì)胞因子和效應(yīng)分子如白細(xì)胞介素（interleukin，IL）、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）、前列腺素E2和基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）均參與了該炎癥過程。

MMPs包含一系列嚴(yán)格調(diào)控的蛋白酶，能降解眾多細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）和基底膜的蛋白成分，而金屬蛋白酶組織抑制劑（tissue inhibitor of metalloproteinases，TIMPs） 作為一種內(nèi)源性蛋白酶抑制劑，通過直接或間接抑制MMPs活性來維持動態(tài)平衡［4］。近年來，MMPs越來越多的非基質(zhì)底物被發(fā)現(xiàn)，因此其在免疫反應(yīng)和炎癥疾病中的作用日益受到重視［5］。研究［6］顯示：某些MMPs過表達(dá)和MMPs/TIMPs的動態(tài)平衡被打破是影響牙周組織降解和重塑及促進(jìn)牙周炎發(fā)生發(fā)展的重要因素。目前，MMPs和TIMPs在牙周炎發(fā)生發(fā)展過程中的作用及機(jī)制尚未完全闡明，且始終缺乏對MMPs和TIMPs家族與牙周炎關(guān)聯(lián)性的系統(tǒng)報道?；趯鴥?nèi)外研究成果的深入分析，現(xiàn)對MMPs和TIMPs在牙周炎組織中的表達(dá)及其在牙周炎發(fā)生發(fā)展過程中的作用進(jìn)行歸納，闡述其在牙周炎診斷和治療中的應(yīng)用價值，以期為牙周炎的臨床防治工作引入新的策略。

1 MMPs和TIMPs的生物學(xué)特征

1.1 MMPs的結(jié)構(gòu)、分類和功能

目前，在脊椎動物中已分離鑒別出MMPs家族的28個成員，分別編號為MMP-1～28，至少23個在人體組織中表達(dá)，各成員結(jié)構(gòu)相似，一般由信號肽序列、前肽區(qū)、催化活性區(qū)、鉸鏈區(qū)和血紅素域5個功能不同的結(jié)構(gòu)域組成，其中催化活性區(qū)具有Zn2+和Ca2+離子結(jié)合位點(diǎn)，通過與Zn2+結(jié)合發(fā)揮酶催化作用，與Ca2+結(jié)合則有助于其穩(wěn)定，而血紅素域賦予其底物特異性。MMPs成員在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又各有差異［7］。根據(jù)結(jié)構(gòu)域及作用底物的不同，MMPs通常被分為6類：膠原酶（MMP-1、MMP-8、MMP-13和MMP-18），明膠酶（MMP-2和MMP-9）， 間 質(zhì) 溶 解 素 （MMP-3、 MMP-10 和MMP-11），基質(zhì)溶解因子（MMP-7和MMP-26），膜型 MMPs（membrane-type MMPs，MT-MMPs）（MMP-14～17、MMP-24和MMP-25），其他MMPs（MMP-12、MMP-19～23、MMP-27和MMP-28）［8］。

MMPs的表達(dá)和活化對許多正常生理過程至關(guān)重要。MMPs可降解ECM蛋白如膠原蛋白和彈性蛋白，打破細(xì)胞間連接，促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移和分化，也可影響細(xì)胞表面的生物活性分子，調(diào)節(jié)各種細(xì)胞和信號通路，還能對一些信號分子（IL）進(jìn)行加工，調(diào)節(jié)其活性，因此MMPs在胚胎發(fā)生、血管形成、創(chuàng)傷修復(fù)、白細(xì)胞浸潤和組織炎癥等過程中均發(fā)揮著重要作用［9］。但MMPs也可能導(dǎo)致腫瘤進(jìn)展、纖維性疾病、骨關(guān)節(jié)炎、缺血性腦卒中和病毒感染的擴(kuò)散等病理狀態(tài)［10-11］。尤其MMPs在癌癥中的作用已被證實(shí)，其水平升高與腫瘤進(jìn)展和侵襲性有密切關(guān)聯(lián)［12］。

1.2 TIMPs的結(jié)構(gòu)、分類和功能

TIMPs是內(nèi)源性和天然存在的MMPs抑制劑。目前在人體中已發(fā)現(xiàn)4個TIMPs家族成員：TIMP-1～4。TIMPs分為N端和C端2個結(jié)構(gòu)域，每個結(jié)構(gòu)域通過內(nèi)部的3個二硫鍵保持穩(wěn)定，N端因能獨(dú)立抑制MMPs被稱為“抑制域”，但完整TIMPs與MMPs的相互作用跨越2個結(jié)構(gòu)域，顯示出更強(qiáng)的抑制作用［13］。TIMPs以1∶1的比例與MMPs結(jié)合，可抑制MMPs酶原活化及活化MMPs的功能，MMPs/TIMPs比率通常用以確定ECM蛋白質(zhì)降解和組織重塑的程度。每一種TIMPs都能抑制所有已知的MMPs，然而其親和力譜跨越多個數(shù)量級，因此抑制功效也隨TIMPs的不同而變化。除了部分膜型MMPs（MMP-14～16等），TIMP-1是多種MMPs的強(qiáng)抑制劑。除抑制MMPs外，TIMPs還可抑制更廣泛的金屬蛋白酶，如去整合素金屬蛋白酶和含Ⅰ型血小板結(jié)合蛋白基序的去整合素金屬蛋白酶。TIMPs還具有生長因子活性以及抗血管生成和凋亡調(diào)節(jié)等活性［14］。

2 MMPs和TIMPs在牙周炎發(fā)生發(fā)展中的作用

2.1 MMPs在牙周炎組織中的表達(dá)和激活

MMPs可由結(jié)締組織、促炎細(xì)胞和子宮胎盤細(xì)胞產(chǎn)生［15］，在健康組織中其表達(dá)水平通常較低，而在許多炎性細(xì)胞因子和生長因子的作用下表達(dá)上調(diào)，包括TNF-α、表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF） 和 轉(zhuǎn) 化 生 長 因 子 β（transforming growth factor-β，TGF-β） 等，牙周炎期間局部炎細(xì)胞的大量聚集，也是導(dǎo)致MMPs分泌量升高的原因，牙菌斑中的病原體同樣能刺激宿主細(xì)胞釋放MMPs，MMPs的表達(dá)還受到激素、腫瘤啟動子、細(xì)胞-細(xì)胞接觸和細(xì)胞-ECM相互作用的調(diào)節(jié)［16］。

MMPs以酶原形式被分泌出來，是一種由催化位點(diǎn)的半胱氨酸殘基與催化位點(diǎn)的Zn2+之間相互作用導(dǎo)致的非活性形式，通過化學(xué)改性破壞這種相互作用或蛋白水解除去酶的前肽可促使酶原活化，該機(jī)制被稱為“半胱氨酸開關(guān)”。調(diào)節(jié)MMPs激活的機(jī)制根據(jù)特定組織和疾病的微環(huán)境而變化，在牙周炎進(jìn)展期間，MMPs可通過涉及的病原體和宿主蛋白酶獨(dú)立或合作級聯(lián)激活。研究［17］顯示：MMP-13能夠通過體外自我溶解誘導(dǎo)MMP-9前體激活以及MMP-13的自動激活，而MMP-9可在體外激活MMP-2和MMP-13的前體，MMP-14可體外激活MMP-8、MMP-13和MMP-2，并且與體內(nèi)牙周炎部位的活性MMP-13關(guān)系密切。上述合作級聯(lián)激活的機(jī)制加速了牙周炎的進(jìn)展，導(dǎo)致廣泛的牙周組織破壞。

2.2 MMPs參與牙周炎發(fā)生發(fā)展過程

MMPs對牙周組織的破壞作用表現(xiàn)為直接對牙周組織中ECM蛋白進(jìn)行降解，以及對信號傳導(dǎo)分子（細(xì)胞因子、趨化因子和生長因子）進(jìn)行加工，調(diào)節(jié)其生物學(xué)功能，間接造成炎癥破壞［18］。膠原蛋白是最主要的ECM蛋白，牙周組織中Ⅰ型膠原的降解是造成附著喪失的關(guān)鍵，而牙周附著喪失是牙周炎的標(biāo)志，因此膠原酶（MMP-8和MMP-13）在牙周炎中的作用應(yīng)受到重視［19］。另一方面，趨化因子和細(xì)胞因子的平衡和相對豐富度決定著炎癥反應(yīng)的持續(xù)時間、強(qiáng)度和性質(zhì)（亞臨床炎癥或破壞性牙周炎）［20］。

2.2.1 MMP-8和MMP-13中性粒細(xì)胞來源的MMP-8是牙周組織中最豐富的MMPs，也是宿主細(xì)胞產(chǎn)生的主要膠原酶，通過降解牙齦和牙周韌帶膠原導(dǎo)致牙周組織破壞［21］。研究［22］顯示：注射脂多糖能誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞產(chǎn)生MMP-8和MMP-9，而MMP-8在炎癥期間可降解Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白以及產(chǎn)生趨化性三肽Pro-Gly-Pro來調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞遷移。牙周炎患者唾液中平均MMP-8濃度是健康對照者的2.5倍，與具有低水平MMP-8的人群比較，唾液或齦溝液（gingival crevicular fluid，GCF）中MMP-8水平高的群體牙周炎更常見，并且MMP-8水平與牙周袋深度和探診出血等臨床參數(shù)之間有密切關(guān)系［23］。值得注意的是，高水平的MMP-8與牙齦炎/種植體周圍黏膜炎轉(zhuǎn)化為牙周炎/種植體周圍炎有關(guān)，唾液中MMP-8的上調(diào)在牙周炎的進(jìn)展之前［24］，提示MMP-8在牙周炎早期診斷和預(yù)防方面具有重要的價值。另外，感染齒垢密螺旋體和福賽斯坦納菌的患者GCF中MMP-8水平明顯升高，二者均為牙周炎相關(guān)病原菌［25］。

MMP-13又被稱為膠原酶-3，其底物豐富，包括膠原蛋白、明膠、蛋白聚糖、基底膜蛋白多糖和纖維黏連蛋白等，MMP-13主要與礦化骨基質(zhì)有關(guān)，與組織蛋白酶K和MMP-9協(xié)同，在骨基質(zhì)Ⅰ型膠原蛋白的降解中發(fā)揮重要作用［26］。研究［27］顯示：患有牙周炎的受試者唾液MMP-13水平高于對照組，可能與其對牙周軟、硬支持組織的降解和對MMP-9酶原的激活作用有關(guān)，MMP-13和MMP-9的級聯(lián)激活或能克服TIMP-1的保護(hù)作用，可作為牙周炎診斷和藥物研發(fā)的潛在方向。

2.2.2 MMP-9和MMP-2MMP-9被鑒定為診斷牙周病的可能生物標(biāo)志物，可降解Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ、Ⅺ型膠原及彈性蛋白、明膠、纖維黏連蛋白和層黏連蛋白等，在牙周炎癥中發(fā)揮重要作用，并且MMP-9能夠在氨基末端切割中性粒細(xì)胞趨化因子IL-8，加工后的IL-8對炎癥中性粒細(xì)胞的趨化作用增強(qiáng)了10倍［28］。分析血清和GCF中MMP-9水平［29］顯示：牙周炎患者血清及GCF中MMP-9水平明顯高于牙周健康者。KIM等［30］也通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了唾液中MMP-9水平與牙周炎具有明顯的相關(guān)性，并且指出二者之間存在生物學(xué)梯度關(guān)系。研究［31］顯示：MMP-9是具有很高預(yù)測價值的牙周病標(biāo)志物。然而，經(jīng)過非外科牙周治療后，牙周炎患者唾液中MMP-9水平僅降低23.5%［32］，提示MMP-9在評估牙周炎預(yù)后方面的作用可能略有不足。

MMP-2主要來源于牙齦成纖維細(xì)胞，負(fù)責(zé)牙齦組織膠原蛋白的降解，牙周炎患者唾液和血清中MMP-2水平的升高以及牙周治療后的減少，提示MMP-2 參與牙周炎組織破壞［33］。

2.2.3 MMP-3和MMP-10MMP-3和MMP-10直接降解結(jié)締組織中的非膠原蛋白，包括蛋白多糖、纖維黏連蛋白和層黏連蛋白等，同時與其他MMPs相互作用以實(shí)現(xiàn)其他降解機(jī)制，在牙周炎癥過程中，MMP-3由破骨細(xì)胞、破牙骨質(zhì)細(xì)胞和牙周膜成纖維細(xì)胞等分泌，主要表達(dá)于骨吸收活躍的區(qū)域，引起牙槽骨的吸收和改建，GCF中MMP-3水平隨著牙周炎的進(jìn)展而增加，治療后MMP-3水平降低，并與牙齦指數(shù)、牙周袋深度和臨床附著喪失程度呈正相關(guān)關(guān)系［34］。與牙周健康者和慢性牙周炎患者比較，侵襲性牙周炎患者M(jìn)MP-3水平明顯升高，表明MMP-3可能是與侵襲性牙周炎相關(guān)的生物標(biāo)志物［35］。

2.2.4 MMP-14 MT-MMP與牙周炎的相關(guān)性的研究較少，HERNáNDEZ等［36］研究顯示：與健康對照組比較，慢性牙周炎患者GCF中MMP-14水平差異無統(tǒng)計學(xué)意義。另一項(xiàng)研究［37］顯示：受牙周炎影響的牙齦組織中MMP-14水平明顯升高，提示MMP-14在炎癥環(huán)境中上調(diào)，且可能在牙周組織破壞中發(fā)揮作用，表明除了在膠原蛋白重塑中的作用，MMP-14還可以通過調(diào)節(jié)組織內(nèi)的TNF-α促進(jìn)炎癥反應(yīng)，激活MMP-13和MMP-2等其他MMPs來增強(qiáng)蛋白水解潛力，MMP-14也可能在細(xì)胞信號傳導(dǎo)中發(fā)揮作用。

可見，多種MMPs在牙周炎癥期間均呈現(xiàn)出高表達(dá)或過表達(dá)的現(xiàn)象，通過降解ECM蛋白以及與其他分子相互作用或級聯(lián)激活，參與牙周炎的發(fā)生發(fā)展過程。

2.3 TIMPs在牙周炎發(fā)生發(fā)展過程中的變化

MMPs活性的抑制由TIMPs完成，MMPs和TIMPs的平衡是維持組織健康的重要保障，二者之間的失衡會促進(jìn)牙周病的進(jìn)展。TIMP-1是MMPs最主要的抑制劑，健康人群的TIMP-1水平通常較牙周炎患者更高，反映其抑制MMPs的能力［38］。MOUZAKITI等［39］發(fā)現(xiàn)：慢性牙周炎患者治療后TIMP-1表達(dá)水平升高，MMP-8/TIMP-1和MMP-9/TIMP-1比值均降低。研究［40］顯示：與正常對照組比較，慢性牙周炎患者牙齦組織中TIMP-4 mRNA表達(dá)水平明顯升高，TIMP-1 mRNA表達(dá)水平有所升高但差異無統(tǒng)計學(xué)意義，TIMP-2和TIMP-3 mRNA表達(dá)水平無明顯變化，MMP-1/TIMP-2、MMP-3/TIMP-2、MMP-9/TIMP-2和MMP-1/TIMP-3比值明顯升高，表明MMPs/TIMPs比值在牙周炎發(fā)展中的變化更具有參考價值。

3 MMPs與TIMPs在牙周炎診斷和治療中的作用

隨著對MMPs和TIMPs認(rèn)識的逐步深入，越來越多的學(xué)者開始探索二者在牙周炎診斷和治療中的價值。目前臨床常用的診斷方法（探診出血和牙周袋深度測定）無法預(yù)測牙周炎的發(fā)病風(fēng)險，如果在臨床癥狀和體征出現(xiàn)前進(jìn)行早期干預(yù)，則可以降低牙周損傷的程度［41］。SORSA 等［42］提出將活性MMP-8作為輔助性和預(yù)防性診斷工具用于牙周炎分級和分期的設(shè)想。還有學(xué)者對唾液MMP-9試劑盒的牙周炎診斷能力進(jìn)行研究，肯定了其篩選牙周炎的有效性［43］。

在牙周炎的治療方面，唾液中某些MMPs（MMP-8和MMP-9）已被認(rèn)為可用于牙周炎的隨訪甚至預(yù)后判斷，以此為患者提供最佳護(hù)理［44］，但目前支持此類論點(diǎn)的文獻(xiàn)仍有不足，雖有望將MMPs相關(guān)指標(biāo)與牙周炎預(yù)后相關(guān)聯(lián)，但還需要不斷加以證實(shí)和補(bǔ)充。MMPs是牙周炎治療的一個重要靶點(diǎn)，抑制MMPs可明顯降低牙周支持組織的破壞程度。尋找或合成MMPs的抑制劑是目前研究的焦點(diǎn)之一。原花青素（proanthocyanidin，PA）可抑制MMPs的產(chǎn)生和活性，并使超過90%的可溶性重組MMP-2、MMP-8和MMP-9失活，有可能控制牙周炎等MMPs介導(dǎo)的疾?。?5］。由于廣譜MMPs抑制劑帶來較多不良反應(yīng)，選擇性抑制劑的發(fā)展成為必然，目前提出的給予選擇性MMPs抑制劑的策略包括施加內(nèi)源性抑制劑（TIMPs類似物）、外位靶向插入、功能阻斷抗體和破壞MMPs與細(xì)胞表面受體的相互作用等［46］。此外，調(diào)節(jié)MMPs基因表達(dá)的信號傳導(dǎo)途徑，下調(diào)MMPs表達(dá)水平，或者阻斷炎癥細(xì)胞因子，減少其對MMPs表達(dá)的誘導(dǎo)作用，均是靶向藥物的研發(fā)方向［47］。具有Kazal基序的逆轉(zhuǎn)錄富含半胱氨酸蛋白（reversion-inducing cysteine-rich protein with Kazal motifs，RECK）是一種能夠調(diào)節(jié)MMPs和抑制血管生成的膜固定糖蛋白，作為細(xì)胞表面信號分子，可以在轉(zhuǎn)錄水平抑制MMPs的表達(dá)，被認(rèn)為是一種新型的 MMPs抑制劑［48］。

4 結(jié) 語

牙周炎作為最常見的口腔疾病之一，各種復(fù)雜因素的干擾導(dǎo)致了其具有病程長和難逆轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。牙周炎的發(fā)生發(fā)展與患者血清、唾液和GCF中MMPs（特別是MMP-8、MMP-9和MMP-13）的異常增高以及MMPs/TIMPs的平衡失調(diào)有關(guān)，臨床上可考慮將MMPs水平和MMPs/TIMPs比值作為早期診斷和監(jiān)測牙周炎病情發(fā)展及預(yù)后的參考指標(biāo)。針對MMPs的靶向治療可以作為牙周炎藥物研發(fā)的方向，尋找MMPs的抑制劑是目前關(guān)于牙周炎治療的一個熱門思路，或可引入新的治療策略。另一方面，MMPs與細(xì)胞因子和趨化因子之間從表達(dá)到加工和活化存在著密切的相互作用，但目前對該過程的了解尚不充分。下一步需對牙周炎與MMPs和TIMPs潛在相關(guān)性進(jìn)行更為科學(xué)和深入的研究，以期為臨床有效防治牙周炎提供可靠的理論依據(jù)。