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摘要：假体周围骨溶解引起的无菌性松动是人工关节置换术后中、晚期失败最重要的原因。多数学者认为，假体磨损产生的颗粒会诱发假体周围组织细胞产生一系列生物学反应，并导致假体周围骨溶解。基质金属蛋白酶参与了骨组织中有机质的降解，破骨细胞的分化、成熟及破骨细胞向类骨质的迁移，破坏了骨组织结构完整性。基质金属蛋白酶（MMPs）及其组织抑制剂的相互作用关系在假体松动的研究中越来越为人们所重视。
关键词：MMPs；髋关节；无菌性松动
引言
假体松动是人工关节置换术后最常见的并发症，直接影响假体的使用寿命，并成为术后翻修的主要原因[1]。目前，虽然对人工关节无菌性松动的确切机理尚不清楚，但致病因素基本归纳为两大主要因素：一为生物学因素，即松动由磨损颗粒引起，另一为机械因素。最新研究发现MMPs有可能参与无菌性松动的发病機理[2]。本文就此进行综述。
基质金属蛋白酶及其组成成分：
基质金属蛋白酶，基质金属蛋白酶是一个大家族，因其需要Ca2+、Zn2+等金属离子作为辅助因子而得名。其家族成员具有相似的结构，一般由5个功能不同的结构域组成：（1）疏水信号肽序列[3]；（2）前肽区，主要作用是保持酶原的稳定。当该区域被外源性酶切断后，MMPs酶原被激活；（3）催化活性区，有锌离子结合位点，对酶催化作用的发挥至关重要；（4）富含脯氨酸的铰链区；（5）羧基末端区，与酶的底物特异性有关。其中酶催化活性区和前肽区具有高度保守性。MMPs成员上述结构的基础上各有特点。各种MMP间具有一定的底物特异性，但不是绝对的。同一种MMP可降解多种细胞外基质成份，而某一种细胞外基质成分又可被多种MMP降解，但不同酶的降解效率可不同[4]。
Ⅳ型胶原酶为其中重要的一类，它主要有两种形式，一种被糖化，分子量为92kD，命名为MMP-9；另一种非糖化，分子量为72kD，被称为MMP-2。当前对MMP-2，MMP-9的研究较深入。MMP-2基因位于人类染色体16q21，由13个外显子和12个内含子所组成，结构基因总长度为27kb，与其他金属蛋白酶不同，MMP-2基因5’旁侧序列促进子区域含有2个GC盒而不是TATA盒[5]。活化的MMP-2定位于细胞穿透基质的突出部位，估计其在酶解细胞间基质成分及基底膜的主要成分Ⅳ型胶原中有“钻头”的作用[6]。
MMP s和TIMP s在髋关节假体松动中的作用机制探讨：
1.1骨吸收作用。在正常骨代谢中，破骨细胞的骨吸收作用在骨转换中发挥重要作用并在骨重建中发挥主要调节作用。一旦破骨细胞被激活就能分泌蛋白酶，并在酸性pH环境下溶解骨矿物，降解基质[7]。破骨细胞能分泌多种丝氨酸蛋白酶。其活性在酸性环境中发挥作用，而组织蛋白酶可能是破骨细胞骨吸收中基质降解的必要物质。最近报道[8]，激活的破骨细胞能分泌MMP-9，它在酸性环境中活性最强。间质胶原酶可分解胶原产生胶原片断，后者具有细胞趋化性，能激活破骨细胞，促进破骨细胞的骨吸收作用。Douraiswami[9]等采用原位杂交方法提示：巨噬细胞能分化为具有破骨细胞特点的生物学作用，但成纤维样细胞似乎更具有选种分化能力。选种分化可由关节磨损碎屑所诱导。也能被多种人体因子以及细胞因子，如巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）和TNFa所诱导。文献同时证实吞噬细胞和破骨细胞均能分泌MT1-MMP。它在破骨细胞和其它分化细胞的骨吸收中能直接发挥作用[10]。
1.2基质降解。Martin A等在体外试验中采用免疫组化方法证实明酶A（MMP-2）和其激活剂膜型金属蛋白酶1（Membrane type1-Matrix MethMloprotelnase[11]。MT1-MMP）在界膜吞噬细胞中高表达[12]。假体周围结缔组织主要由I、Ⅳ型腔原和明胶构成，MT1-MMP能激活MMP-2和 MMP-13降解I、Ⅳ型胶原和明胶从而降解假体周围的基质13]。另外MT1-MMP由于其跨膜性特点（transmembrane character）[14]，不仅能降解明胶、层粘连蛋白、纤维结合蛋白和糖蛋白，而且能降解细胞内的基质。MT1-MMP在破骨细胞和成纤维细胞中均存在表明：MT1-MMP不仅可能介导破骨细胞的骨吸收作用，而且能直接降解细胞外基质或激活成纤维细胞分泌的MMP-2和 MMP-1酶原而间接降解胞外基质[15]。
Martin A等在体外试验中采用原位杂交技术提出假说，即 MM-2酶原可被MMP-2、TI MP-2和 MT1-MMP的三分子复合物所调节。激活的MTI-MMP作为TIMP-2的细胞表面受体，结合的 MT1-MMP和 TIMP-2复合物又作为 MMP-2酶原的受体[16]。从而激活MMP-2酶原发挥其生物学作用。此外，MMP-2 m RN A在成纤维细胞中表达，而其蛋白却聚集在多核巨细胞周围，多核巨细胞能分泌 MT1-MMP-2和TIMP-2。且能募集成纤维细胞产生大量MM-2酶原。这样有助于MM-2酶原的激活和局部细胞外基质的降解。
MMPs对髋关节假体无菌性松动的影响
自Chamley首次报道全髋关节置换术至今已有30多年的历史[17]。全髋关节置换术有 了迅猛发展。但假体无菌性松动却成为目前亟待解决的难题。目前国外学者研究基质金属蛋白酶及其组织抑制剂在假体松动中的作用已成为热点，尤其对MMP-2、MMP-9、MMp-1 3、MTI-MMP、TIMP-1和TIMP-2的研究更多，但研究还只是初步的，而国内对基质金属蛋白酶及其组织抑制剂在假体松动中的作用的报道甚少[18]。
人工关节置换术中用或不用骨水泥，无论术后是否存在松动，都会在骨与假体界面或骨与骨水泥界面形成界膜。一般易出现在骨水泥--骨或骨--假体界面间。而在骨水泥和假体间却很少形成。目前研究认为界膜的形成是骨对骨水泥或假体的一种组织学反应，是以成纤维细胞、巨噬细胞和异物细胞为主的肉芽组织。根据免疫组化技术、酶的活性和mRNA水平的分析，MMPs和TIMPs广泛存在于假体周围结缔组织中，并参与调节基质重建和转换[19]。MMPs和TIMPs作用的失平衡，以及MMPs对假体周围基质蛋白溶解的活性势必直接消弱假体周围结缔组织的作用，并抑制骨组织形成。导致假体的无菌性松动。近年来的研究显示，人工关节后期松动与假体长期磨损或离解产生颗粒物质所致的生物学反应有关。 人工假体组成成分长期磨损可产生大量颗粒物质，这些物质诱导假体滑膜组织的无菌性炎症，能诱导该膜分泌大量MMPs到滑液中。如MMP-1 MMP-9、MMP-13和 MT1-MMP 等。导致局部区域中MMPs和TIMPs生物学作用失平衡，降低假体稳定性，致假体周围骨溶解，最终发生假体无菌性松动。
结束语
研究MMPs及其组织抑制剂与全髋关节置换术后假体松动的关系，了解其松动机制，有利于提高组织与外来体（包括骨水泥和假体）的生物相容性，进而预防假体无菌性松动的发生。并为将来应用MMPs组织抑制剂干预治疗人工髋关节假体无菌性松动，提高人工关节的使用寿命，提供理论依据。
参考文献：
[1]张晓军.血清降钙素原和C反应蛋白在髋关节置换术感染中的诊断意义[J].贵阳中医学院学报.2012（05）
[2]刘诚，张会英.人工髋关节细菌感染性假体松动与实验室数值的相关性分析[J].中国误诊学杂志.2007（08）
[3]Douraiswami，Balaji，Dilip，Patro K，Harish，B N，Jagdish，Menon.C-reactive protein and interleukin-6 levels in the early detection of infection after open fractures[J].Journal of Orthopaedic Surgery.2012（3）
[4]康焱，鄔培慧，张紫机，等.初次全髋关节置换术后5年以上随访结果与分析[J].中华关节外科杂志（电子版）.2011（05）
[5]Martin A.Buttaro MD，Ignacio Tanoira MD，Fernando Comba MD，Francisco Piccaluga MD.Combining C-reactive Protein and Interleukin-6 May Be Useful to Detect Periprosthetic Hip Infection[J].Clinical Orthopaedics and Related Research?.2010（12）
[6]李金松，王明喜，邵光湘.全髋关节置换术后假体周围关节感染研究进展[J].中国矫形外科杂志.1997（04）
[7]Stephan W.Tohtz MD，Michael Müller MD，Lars Morawietz MD，Tobias Winkler MD，PhD，Carsten Perka MD.Validity of Frozen Sections for Analysis of Periprosthetic Loosening Membranes[J].Clinical Orthopaedics and Related Research?.2010（3）
[8]杨志华，莫坚，王大伟.人工关节后期无菌性松动的研究进展[J].中医正骨.2007（05）
[9]周峰.个性化髋关节假体耦合系统优化新设计方法研究[D].重庆大学 2010
[10]Kayode O.Oduwole，Diarmuid C.Molony，Ray J.Walls，Simi P.Bashir，Kevin J.Mulhall.Increasing financial burden of revision total knee arthroplasty[J].Knee Surgery，Sports Traumatology，Arthroscopy.2010（7）
[11]Dempsey KE，Riggio MP，Lennon A，et al.Identification of bacteria on the surface of clinically infected and non-infected prosthetic hip joints removed during revision arthroplasties by 16S rRNA gene sequencing and by microbiological culture.Arthritis Research and Therapy.2007
[12]Mohamed Labib Salem.Triggering of toll-like receptor signaling pathways in T cells contributes to the anti-tumor efficacy of T cell responses[J].Immunology Letters.2011（1）
[13]Wilson J.Chang，Luis H.Toledo-Pereyra.Toll-Like Receptor Signaling in Liver Ischemia and Reperfusion[J].Journal of Investigative Surgery.2012（4）
[14]Iwona Mozer-Lisewska，Jan Sikora，Arleta Kowala-Piaskowska，Mariusz Kaczmarek，Grzegorz Dworacki，Jan ?eromski.The Incidence and Significance of Pattern-Recognition Receptors in Chronic Viral Hepatitis Types B and C in Man[J].Archivum Immunologiae et Therapiae Experimentalis.2010（4）
[15]姜海军.基质金属蛋白酶-9在膝关节骨性关节炎患者血清中的表达及意义[D].吉林大学 2010
[16]陈敏，吴卉卉，沈晓丽，杨秀霖.基质金属蛋白酶及其抑制因子与扩张型心肌病的关系[J].中国组织化学与细胞化学杂志.2011（01）
[17]苑伟，段王平，陈崇伟.髋关节翻修治疗骨缺损应用组配式假体与涂层长柄假体临床疗效的Meta分析.中国矫形外科杂志.2014年02期
[18]郭佳勇，尹宗生，刘敬军.羟基磷灰石涂层髋臼假体的Meta分析[J].中国矫形外科杂志.2013（10）
[19]唐侠.早期功能锻炼对膝关节置换术后功能恢复的影响[J].中华全科医学.2014（08）
关键词：MMPs；髋关节；无菌性松动
引言
假体松动是人工关节置换术后最常见的并发症，直接影响假体的使用寿命，并成为术后翻修的主要原因[1]。目前，虽然对人工关节无菌性松动的确切机理尚不清楚，但致病因素基本归纳为两大主要因素：一为生物学因素，即松动由磨损颗粒引起，另一为机械因素。最新研究发现MMPs有可能参与无菌性松动的发病機理[2]。本文就此进行综述。
基质金属蛋白酶及其组成成分：
基质金属蛋白酶，基质金属蛋白酶是一个大家族，因其需要Ca2+、Zn2+等金属离子作为辅助因子而得名。其家族成员具有相似的结构，一般由5个功能不同的结构域组成：（1）疏水信号肽序列[3]；（2）前肽区，主要作用是保持酶原的稳定。当该区域被外源性酶切断后，MMPs酶原被激活；（3）催化活性区，有锌离子结合位点，对酶催化作用的发挥至关重要；（4）富含脯氨酸的铰链区；（5）羧基末端区，与酶的底物特异性有关。其中酶催化活性区和前肽区具有高度保守性。MMPs成员上述结构的基础上各有特点。各种MMP间具有一定的底物特异性，但不是绝对的。同一种MMP可降解多种细胞外基质成份，而某一种细胞外基质成分又可被多种MMP降解，但不同酶的降解效率可不同[4]。
Ⅳ型胶原酶为其中重要的一类，它主要有两种形式，一种被糖化，分子量为92kD，命名为MMP-9；另一种非糖化，分子量为72kD，被称为MMP-2。当前对MMP-2，MMP-9的研究较深入。MMP-2基因位于人类染色体16q21，由13个外显子和12个内含子所组成，结构基因总长度为27kb，与其他金属蛋白酶不同，MMP-2基因5’旁侧序列促进子区域含有2个GC盒而不是TATA盒[5]。活化的MMP-2定位于细胞穿透基质的突出部位，估计其在酶解细胞间基质成分及基底膜的主要成分Ⅳ型胶原中有“钻头”的作用[6]。
MMP s和TIMP s在髋关节假体松动中的作用机制探讨：
1.1骨吸收作用。在正常骨代谢中，破骨细胞的骨吸收作用在骨转换中发挥重要作用并在骨重建中发挥主要调节作用。一旦破骨细胞被激活就能分泌蛋白酶，并在酸性pH环境下溶解骨矿物，降解基质[7]。破骨细胞能分泌多种丝氨酸蛋白酶。其活性在酸性环境中发挥作用，而组织蛋白酶可能是破骨细胞骨吸收中基质降解的必要物质。最近报道[8]，激活的破骨细胞能分泌MMP-9，它在酸性环境中活性最强。间质胶原酶可分解胶原产生胶原片断，后者具有细胞趋化性，能激活破骨细胞，促进破骨细胞的骨吸收作用。Douraiswami[9]等采用原位杂交方法提示：巨噬细胞能分化为具有破骨细胞特点的生物学作用，但成纤维样细胞似乎更具有选种分化能力。选种分化可由关节磨损碎屑所诱导。也能被多种人体因子以及细胞因子，如巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）和TNFa所诱导。文献同时证实吞噬细胞和破骨细胞均能分泌MT1-MMP。它在破骨细胞和其它分化细胞的骨吸收中能直接发挥作用[10]。
1.2基质降解。Martin A等在体外试验中采用免疫组化方法证实明酶A（MMP-2）和其激活剂膜型金属蛋白酶1（Membrane type1-Matrix MethMloprotelnase[11]。MT1-MMP）在界膜吞噬细胞中高表达[12]。假体周围结缔组织主要由I、Ⅳ型腔原和明胶构成，MT1-MMP能激活MMP-2和 MMP-13降解I、Ⅳ型胶原和明胶从而降解假体周围的基质13]。另外MT1-MMP由于其跨膜性特点（transmembrane character）[14]，不仅能降解明胶、层粘连蛋白、纤维结合蛋白和糖蛋白，而且能降解细胞内的基质。MT1-MMP在破骨细胞和成纤维细胞中均存在表明：MT1-MMP不仅可能介导破骨细胞的骨吸收作用，而且能直接降解细胞外基质或激活成纤维细胞分泌的MMP-2和 MMP-1酶原而间接降解胞外基质[15]。
Martin A等在体外试验中采用原位杂交技术提出假说，即 MM-2酶原可被MMP-2、TI MP-2和 MT1-MMP的三分子复合物所调节。激活的MTI-MMP作为TIMP-2的细胞表面受体，结合的 MT1-MMP和 TIMP-2复合物又作为 MMP-2酶原的受体[16]。从而激活MMP-2酶原发挥其生物学作用。此外，MMP-2 m RN A在成纤维细胞中表达，而其蛋白却聚集在多核巨细胞周围，多核巨细胞能分泌 MT1-MMP-2和TIMP-2。且能募集成纤维细胞产生大量MM-2酶原。这样有助于MM-2酶原的激活和局部细胞外基质的降解。
MMPs对髋关节假体无菌性松动的影响
自Chamley首次报道全髋关节置换术至今已有30多年的历史[17]。全髋关节置换术有 了迅猛发展。但假体无菌性松动却成为目前亟待解决的难题。目前国外学者研究基质金属蛋白酶及其组织抑制剂在假体松动中的作用已成为热点，尤其对MMP-2、MMP-9、MMp-1 3、MTI-MMP、TIMP-1和TIMP-2的研究更多，但研究还只是初步的，而国内对基质金属蛋白酶及其组织抑制剂在假体松动中的作用的报道甚少[18]。
人工关节置换术中用或不用骨水泥，无论术后是否存在松动，都会在骨与假体界面或骨与骨水泥界面形成界膜。一般易出现在骨水泥--骨或骨--假体界面间。而在骨水泥和假体间却很少形成。目前研究认为界膜的形成是骨对骨水泥或假体的一种组织学反应，是以成纤维细胞、巨噬细胞和异物细胞为主的肉芽组织。根据免疫组化技术、酶的活性和mRNA水平的分析，MMPs和TIMPs广泛存在于假体周围结缔组织中，并参与调节基质重建和转换[19]。MMPs和TIMPs作用的失平衡，以及MMPs对假体周围基质蛋白溶解的活性势必直接消弱假体周围结缔组织的作用，并抑制骨组织形成。导致假体的无菌性松动。近年来的研究显示，人工关节后期松动与假体长期磨损或离解产生颗粒物质所致的生物学反应有关。 人工假体组成成分长期磨损可产生大量颗粒物质，这些物质诱导假体滑膜组织的无菌性炎症，能诱导该膜分泌大量MMPs到滑液中。如MMP-1 MMP-9、MMP-13和 MT1-MMP 等。导致局部区域中MMPs和TIMPs生物学作用失平衡，降低假体稳定性，致假体周围骨溶解，最终发生假体无菌性松动。
结束语
研究MMPs及其组织抑制剂与全髋关节置换术后假体松动的关系，了解其松动机制，有利于提高组织与外来体（包括骨水泥和假体）的生物相容性，进而预防假体无菌性松动的发生。并为将来应用MMPs组织抑制剂干预治疗人工髋关节假体无菌性松动，提高人工关节的使用寿命，提供理论依据。
参考文献：
[1]张晓军.血清降钙素原和C反应蛋白在髋关节置换术感染中的诊断意义[J].贵阳中医学院学报.2012（05）
[2]刘诚，张会英.人工髋关节细菌感染性假体松动与实验室数值的相关性分析[J].中国误诊学杂志.2007（08）
[3]Douraiswami，Balaji，Dilip，Patro K，Harish，B N，Jagdish，Menon.C-reactive protein and interleukin-6 levels in the early detection of infection after open fractures[J].Journal of Orthopaedic Surgery.2012（3）
[4]康焱，鄔培慧，张紫机，等.初次全髋关节置换术后5年以上随访结果与分析[J].中华关节外科杂志（电子版）.2011（05）
[5]Martin A.Buttaro MD，Ignacio Tanoira MD，Fernando Comba MD，Francisco Piccaluga MD.Combining C-reactive Protein and Interleukin-6 May Be Useful to Detect Periprosthetic Hip Infection[J].Clinical Orthopaedics and Related Research?.2010（12）
[6]李金松，王明喜，邵光湘.全髋关节置换术后假体周围关节感染研究进展[J].中国矫形外科杂志.1997（04）
[7]Stephan W.Tohtz MD，Michael Müller MD，Lars Morawietz MD，Tobias Winkler MD，PhD，Carsten Perka MD.Validity of Frozen Sections for Analysis of Periprosthetic Loosening Membranes[J].Clinical Orthopaedics and Related Research?.2010（3）
[8]杨志华，莫坚，王大伟.人工关节后期无菌性松动的研究进展[J].中医正骨.2007（05）
[9]周峰.个性化髋关节假体耦合系统优化新设计方法研究[D].重庆大学 2010
[10]Kayode O.Oduwole，Diarmuid C.Molony，Ray J.Walls，Simi P.Bashir，Kevin J.Mulhall.Increasing financial burden of revision total knee arthroplasty[J].Knee Surgery，Sports Traumatology，Arthroscopy.2010（7）
[11]Dempsey KE，Riggio MP，Lennon A，et al.Identification of bacteria on the surface of clinically infected and non-infected prosthetic hip joints removed during revision arthroplasties by 16S rRNA gene sequencing and by microbiological culture.Arthritis Research and Therapy.2007
[12]Mohamed Labib Salem.Triggering of toll-like receptor signaling pathways in T cells contributes to the anti-tumor efficacy of T cell responses[J].Immunology Letters.2011（1）
[13]Wilson J.Chang，Luis H.Toledo-Pereyra.Toll-Like Receptor Signaling in Liver Ischemia and Reperfusion[J].Journal of Investigative Surgery.2012（4）
[14]Iwona Mozer-Lisewska，Jan Sikora，Arleta Kowala-Piaskowska，Mariusz Kaczmarek，Grzegorz Dworacki，Jan ?eromski.The Incidence and Significance of Pattern-Recognition Receptors in Chronic Viral Hepatitis Types B and C in Man[J].Archivum Immunologiae et Therapiae Experimentalis.2010（4）
[15]姜海军.基质金属蛋白酶-9在膝关节骨性关节炎患者血清中的表达及意义[D].吉林大学 2010
[16]陈敏，吴卉卉，沈晓丽，杨秀霖.基质金属蛋白酶及其抑制因子与扩张型心肌病的关系[J].中国组织化学与细胞化学杂志.2011（01）
[17]苑伟，段王平，陈崇伟.髋关节翻修治疗骨缺损应用组配式假体与涂层长柄假体临床疗效的Meta分析.中国矫形外科杂志.2014年02期
[18]郭佳勇，尹宗生，刘敬军.羟基磷灰石涂层髋臼假体的Meta分析[J].中国矫形外科杂志.2013（10）
[19]唐侠.早期功能锻炼对膝关节置换术后功能恢复的影响[J].中华全科医学.2014（08）