MMP-9在中枢神经系统感染性疾病诊断中的研究进展

Research Progress of MMP-9 in the Diagnosis of Central Nervous System Infectious Diseases

摘要: 中枢神经系统感染性疾病是病原微生物侵犯中枢神经系统(central nervous system, CNS)的实质、背膜及血管等引起的急性或慢性炎症(或非炎症性)疾病，这些病原微生物包括病毒、细菌、真菌、螺旋体、寄生虫、朊蛋白等。多种物质参与中枢神经系统感染性疾病的发生及发展。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)是一个包括20多种蛋白在内的大家族。它参与胚胎发育、前体细胞或干细胞动员、创面重塑和愈合等生理反应，以及炎症、肿瘤进展和转移、血管内皮细胞损伤等病理反应。其中基质金属蛋白酶-9 (matrix metalloproteinase-9, MMP-9)在中枢神经系统疾病中发挥着重要的作用，无论是中枢神经系统感染性疾病还是肿瘤，目前的研究线索指向MMP-9与血脑屏障(blood brain barrier, BBB)的破坏相关。本文将就其研究现状进行综述和讨论。

Abstract: Infectious diseases of the central nervous system are acute or chronic inflammatory (or non- inflammatory) diseases caused by pathogenic microorganisms invading the substance, dorsal membrane and blood vessels of the central nervous system (CNS). These pathogenic microorganisms include viruses, bacteria, fungi, spirochetes, parasites, prions, etc. Many substances are involved in the occurrence and development of central nervous system infectious diseases. Matrix metalloproteinases (MMPs) are a large family that includes over 20 proteins. It participates in physiological reactions such as embryonic development, mobilization of precursor cells or stem cells, wound remodeling and healing, as well as pathological reactions such as inflammation, tumor progression and metastasis, and damage to vascular endothelial cells. Matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) plays an important role in central nervous system diseases. Whether it is central nervous system infectious diseases or tumors, the current research clues point to the relationship between MMP-9 and the destruction of blood brain barrier (BBB). This article will review and discuss the current research status.

1. 基质金属蛋白酶

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)是一种钙锌依赖性蛋白水解酶，存在于无脊椎动物和植物中。基质金属蛋白酶由多种细胞和组织产生，以中性粒细胞和真皮成纤维细胞为主要来源[1] [2]，是降解细胞外基质并调节正常细胞行为的酶[3]，目前已发现28种MMPs，分别为MMP-1至MMP-28。在脊椎动物中，有28种不同类型的MMPs，至少有23种在人体组织中表达，其中研究相对较多的是MMP-2和MMP-9，其在中枢神经系统感染性疾病及肿瘤中表达显著[4]。MMPs的表达受细胞因子(白介素1和白介素6)、转化生长因子(transforming growth factor, TGF)、肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)和一些激素等的影响。这些MMPs存在于细胞的细胞质、肌节、线粒体和细胞核等不同区室，在细胞因子、激素、生长因子的调节下参与血管生成、组织重塑、伤口愈合和形态改变及肿瘤的进展[5] [6]。在正常生理状态下，MMPs的浓度受到严格调控，表达量很低。这些酶的失调和过表达与各种疾病有关，包括神经退行性疾病、心脑血管疾病、肺部疾病、中枢神经系统(central nervous system, CNS)疾病等[7] [8]。

MMP-9基因位于20号染色体(20q13.12)上[9]，负责降解细胞外基质(Extracellular matrix, ECM)的蛋白质，是炎症期间组织修复和重建必需成分[10]。MMP-9蛋白属于明胶酶家族，主要分解基膜中的变性胶原蛋白和完整的IV型胶原蛋白[11]，该蛋白由多种细胞分泌，包括中性粒细胞、巨噬细胞和成纤维细胞。此外，MMP-9激活细胞因子和趋化因子以调节组织重塑，因此在免疫细胞功能中发挥重要作用[12]。

ECM指的是组织中细胞以外的部分。在为组织细胞提供结构性支持和生存微环境、参与细胞间的信息传递、调节干细胞行为和免疫反应、储藏和调控生长因子及其他生物活性分子、参与和调控组织细胞的机械性和生理生化行为以及将不同的组织隔离等发挥着重要作用。ECM存在于身体中全部的组织中：上皮组织、肌肉组织、结缔组织和神经组织。不同组织由于功能各异，ECM物理特性及组分也各有异[13]-[17]。MMPs可降解ECM所有主要成分，在ECM的组织重塑和蛋白质的降解调控等途径中发挥重要作用[18]。生理状态下，MMPs可调控ECM降解生成，维持ECM正常结构和功能。病理状态下，MMPs参与心血管疾病和炎症疾病的发生及肿瘤细胞的生长和转移等病理过程[19]。

MMPs的表达和激活受到严格调控，包括基因转录水平调节、蛋白酶原活化水平调控和特异性抑制因子TIMPs的调控，上述3个环节动态维持机体MMPs稳态[20]。MMPs的表达调控主要发生在基因转录水平，许多细胞因子、生长因子、细胞外基质组分和化学因素(高糖毒性和激素等)均可诱导MMPs表达。糖皮质激素和转化生长因子β等可在转录水平抑制MMPs基因表达[21]。酶原活化过程是MMPs发挥其生物学功能的关键环节，包括逐步活化机制、细胞表面活化和细胞内活化途径。绝大多数MMPs mRNA经翻译、修饰后以酶原形式(MMPs前体)分泌至细胞外基质，经丝氨酸蛋白酶、弗林蛋白酶等去除前肽区后活化[22]。TIMPs是MMPs的天然抑制物，是一组可抑制MMPs活性的多基因家族成员，包括TIMP-1~TIMP-4，在调控MMPs活性方面发挥重要作用[23]。

2. 中枢神经系统感染性疾病

中枢神经系统感染(central nervous system infection, CNSI)性疾病按病原学分为病毒性、结核性、细菌性、真菌性、螺旋体、寄生虫、朊蛋白等，临床上最常见的为前4种。尽早明确病原体及积极治疗是降低CNSI患者死亡率、减少并发症及后遗症、改善预后最关键的一步。然而，从脑脊液中提取出病原体是目前临床诊疗的难点，特别是病毒、结核感染早期的临床表现和影像学变化均不具有特异性，且难以在短期内准确、及时分离、培养出病原体。临床医生只能根据患者临床表现及一些非特异性症状进行临床诊断和治疗，病因的进一步明确则需要依靠进一步的影像学、血清学、腰椎穿刺脑脊液检测等[24] [25]。

脑组织中的毛细血管基底膜与间质内的ECM是维持血脑屏障(blood brain barrier, BBB)完整性的重要结构，CNS相对独立，通过BBB与全身免疫系统分隔开来[26]，BBB对维持CNS内环境的稳定具有非常重要的意义。脑组织毛细血管基底膜和ECM的主要成分包括IV型胶原蛋白、层粘连蛋白、纤维粘连蛋白等，这些结构蛋白均是MMPs家族尤其是MMP-9的作用底物。相关研究表明MMP-9在BBB的破坏过程中发挥显著作用，多种细胞参与MMP-9的合成和分泌，其中包括星型胶质细胞，小胶质细胞，巨噬细胞，内皮细胞等[27] [28]。

3. MMP-9与中枢神经系统感染性疾病

研究发现，在中枢神经系统感染性疾病的发病过程中，MMP-9的升高较为明显，这提示MMP-9可能参与CNS感染的病理生理过程，与疾病的严重情况以及患者的预后可能存在某种联系[29]。脑组织ECM结构完整是神经细胞发挥正常生理功能的结构基础。MMPs通过调节脑组织ECM重构，参与了脑膜炎[30]、多发性硬化[31]和阿尔兹海默病[32] [33]等疾病的发病机制。MMPs降解脑组织ECM的同时，部分MMPs (MMP-8和MMP-9)可抑制损伤后脑组织修复、破坏血脑屏障，导致脑血管和脑微血管源性水肿。

MMP-9主要是在以下几个方面参与中枢神经系统感染性疾病的发生发展：

(1) MMP-9与血脑屏障破坏：BBB是保护CNS免受外界病原体侵袭的重要结构。在CNS感染中，病原体如细菌、病毒等可通过血行感染或直接感染途径侵入CNS，激活免疫细胞并释放MMP-9。MMP-9能够降解BBB的主要成分，如IV型胶原蛋白和紧密连接蛋白，导致BBB通透性增加，进一步促进病原体和炎症细胞进入CNS，加重感染。

(2) MMP-9与炎症反应：MMP-9在CNS感染中通过调控炎症因子的释放和白细胞迁移，影响炎症反应的进程。研究表明，MMP-9的高表达与炎症因子如IL-1β和TNF-α的水平升高密切相关。这些炎症因子不仅加剧神经炎症，还可能通过正反馈机制进一步诱导MMP-9的表达，形成恶性循环，导致神经组织损伤。

(3) MMP-9与神经损伤：在CNS感染中，MMP-9的过度激活可能导致神经元和胶质细胞的损伤。MMP-9通过降解细胞外基质和促进炎症细胞浸润，直接或间接地破坏神经细胞的结构和功能。此外，MMP-9还可能通过激活凋亡相关信号通路，诱导神经细胞死亡，进一步加重CNS损伤。

3.1. MMP-9与结核性脑膜炎

结核性脑膜炎(TBM)是一种结核分枝杆菌所致的感染性中枢神经系统性疾病，早期症状不明显，并且发展迅速，临床诊疗较为困难。既往多采用头颅CT、MRI、涂片检查、脑脊液细菌培养和脑膜脑组织活检等手段进行诊断，但头颅CT、MRI检查特异性不足，涂片检查敏感性欠佳、漏诊率较高、耗时较长，脑膜脑组织活检危险性较大。结核性脑膜炎在疾病发生、发展中最主要的病理反应是大量的炎症反应和BBB的破坏，其中MMPs在其中扮演着重要的角色[34]。

在一项基于185例TBM患者的研究表明，TBM患者的脑脊液(CSF)中MMP-9、INF-γ、ADA和ESAT-6的表达含量更高，并且重症者高于轻症者，TBM患者预后良好者脑脊液MMP-9、INF-γ、ADA和ESAT-6水平均高于预后不良者，复发者脑脊液ESAT-6、ADA、INF-γ和MMP-9水平高于未复发者[35]。在另一项研究中表明MMP-9和MMP-2在TBM的病理生理学中起作用，与对照组和其他脑膜炎患者相比，TBM患者的脑脊液中发现MMP-9和MMP-2的表达含量更高，并且它们含量越高，患者相关预后越差[36]。Sharada Mailankody [37]等人研究发现，TBM患者脑脊液中MMP-9含量与入院患者格拉斯哥昏迷量表(glasglow comascale, GCS)评分显著相关且为正相关，表明其含量升高时，患者的意识水平可能更好。Shahnawaz Majeed [38]等人通过建立TBM小鼠模型，并给予MMP-9抑制剂，发现当MMP-9抑制后，TBM小鼠长期神经行为结果包括感觉运动功能和海马体相关的空间学习和记忆得到改善。也有相关小鼠研究表明MMP-9的升高对宿主抗结核分枝杆菌感染起到一定的保护作用。因此，对于MMP-9在TBM疾病中的作用，我们应保持一个审慎的态度。

3.2. MMP-9与病毒性脑膜炎

病毒性脑(膜)炎(viral meningitis, VM)是由病毒感染引起的中枢神经系统炎症性疾病。病毒性脑炎主要指病毒感染脑实质而引起其炎症性病变。病毒性脑膜炎主要指病毒累及软脑膜使其出现弥漫性炎症，是无菌性脑膜炎最常见的形式。病毒在CNS中的复制可导致细胞机械和功能的短暂或永久性损伤以及神经细胞死亡[39]。病原体可以通过两种主要机制通过血行传播到达脑脊液，第一个机制是感染免疫细胞，免疫细胞进一步将病原体携带到CNS；第二个机制为病毒及其相关产物穿过毛细血管，作为游离病原体进入脑脊液[40]。病毒性脑膜炎早期病变主要围绕脑血管，之后可出现局部或广泛性的神经细胞坏死及胶质细胞增生等。

病毒性脑膜炎多发于儿童，病情进展迅速，易引起癫痫、智力障碍和视网膜病变等后遗症，对患儿预后造成不良影响[41] [42]。

周瑜等[43]研究也发现，疱疹病毒型脑炎患者的脑脊液中也存在MMP9的表达升高。本研究结果发现，病毒性脑炎及细菌性脑膜炎患儿的血清及脑脊液中均存在MMP9、TIMP1表达及二者比值的异常升高，与现有研究结论一致。Liza Lind等[44]发现水痘带状疱疹病毒中枢神经系统感染患者的脑脊液中趋化因子和MMPs均升高。也有研究表明[45]用犬瘟热病毒(canine distemper virus, CDV)感染小鼠后，病毒几乎只在神经元中复制，并具有独特的表达模式(皮质、下丘脑、单胺能核、海马和脊髓)，而且相关区域的炎症细胞因子如肿瘤坏死因子α和白细胞介素6及MMP-9的含量显著增加，提示中枢神经系统中的病毒复制与炎性细胞因子的产生以及这些细胞因子的生成与MMP-9存在着密切的关系。这些都表明了中枢神经系统病毒性感染与某些MMPs密不可分。

3.3. MMP-9与细菌性脑膜炎

细菌性脑膜炎(bacterial meningitis, BM)是一种严重的中枢神经系统感染性疾病，感染导致颅内压升高进而发生脑疝等危及患者生命[46]。随着医学的发展BM患者病死和致残率虽有所下降，但50%以上的感染患者因神经元损伤而遗留智力、学习及记忆能力等认知功能障碍的后遗症[47]。

在宿主体内，病原菌黏附聚集在脑微血管内皮细胞上，通过破坏内皮细胞之间的紧密连接蛋白，引起BBB通透性变化，进入中枢神经系统。同时，病原菌进入CNS后，使脑组织和血管壁发生炎症反应，毛细血管内皮损伤使BBB通透性增加，进一步加强免疫应答反应、炎性小体及相关信号通路活化，分泌大量的细胞因子和趋化因子及其他的代谢产物(如活性氧)，进一步破坏BBB，最终引发细菌性脑膜炎[48]。

发生BM时，MMP-9溶解细胞外基质、参与破坏血脑屏障等是造成组织损伤的重要机制[49]。Kim等[50]研究证实BM模型脑脊液中MMP-9的水平明显升高，其表达量的高低与脑损伤呈正相关，且MMP-9的产生与氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的产生相关。在一项针对儿童的临床研究[51]中发现，细菌性脑膜炎患儿血清MMP-9水平显著高于病毒性脑炎组。相关研究[52]报道，在细菌性脑膜炎急性期，MMP-9可能增强BBB的通透性，诱导BBB破裂，导致鞘内侵袭，进一步导致基底膜损伤。Okko Savonius等[53]研究发现脑脊液MMP-9含量在细菌性脑膜炎中强烈上调，入院时MMP-9水平升高与严重疾病和死亡风险增加相关，且肺炎链球菌和流感嗜血杆菌引起的脑膜炎之间存在显著差异。这些结果都说明MMP-9可能参与CNS感染疾病的进展，同时对细菌性脑膜炎的诊断具有一定的意义。

3.4. MMP-9与其他中枢神经系统感染性疾病

脑脓肿、单纯疱疹病毒型脑炎(herpes simplex encephalitis, HSE)等作为临床较为常见的中枢神经系统感染性疾病，MMP-9在其发病过程中也有一定的意义。在脑脓肿等细菌感染或创伤性损伤中，MMP-9通过分解微血管基底膜成分(如IV型胶原)，加剧血管源性脑水肿。研究显示，大鼠脑损伤后早期即出现基底膜溶解和红细胞外渗，伴随MMP-9表达逐渐增强。这种基底膜缺失不仅导致血管完整性丧失，还可能引发继发性缺血和炎症细胞浸润，进一步加重脑组织损伤。此外，MMP-9的动态变化与脑水肿程度呈正相关，提示其可作为疾病进展的生物标志物。在单纯疱疹病毒性脑炎(HSE)中，MMP-9的高表达与血脑屏障通透性增加密切相关。动物实验表明，HSV-1感染后第3天和第7天，脑组织中MMP-9活性显著升高，且其来源主要为激活的小胶质细胞。MMP-9通过降解基底膜成分(如IV型胶原)，导致血脑屏障结构破坏，表现为伊文斯蓝渗出和脑水肿加重。抑制MMP-9 (如使用BB-94)可显著降低BBB通透性，提示其作为治疗靶点的潜力。类似机制也见于其他病毒性脑炎，可能与神经炎症的放大和继发性脑损伤相关。

4. 展望

综上所述，在中枢神经系统感染性疾病中，MMP-9扮演着重要的角色。在生理情况下，MMPs的表达伴随着机体的生长发育逐渐下降；在病理情况下，MMPs的表达逐渐上升，对机体产生破坏，加速疾病的进展。目前为止，关于MMP-9在中枢神经系统感染性疾病中的作用的研究相对较少，作用机制尚不完全明确，仍需继续深入研究，以期为相关疾病的治疗提供一个新的方向。

基金项目

云南省教育厅科学研究基金。

NOTES

^*通讯作者。