慢性阻塞性肺疾病合并肺間質纖維化與基質金屬蛋白酶-9及組織型蛋白酶抑制劑-1的關系

畢麗鑫,郭新慶

（保定市第三醫(yī)院，河北 保定 0710002;菏澤醫(yī)學?？茖W校，山東 菏澤 274000）

慢性阻塞性肺疾病合并肺間質纖維化與基質金屬蛋白酶-9及組織型蛋白酶抑制劑-1的關系

畢麗鑫,郭新慶

（保定市第三醫(yī)院，河北 保定 0710002;菏澤醫(yī)學?？茖W校，山東 菏澤 274000）

慢性阻塞性肺疾病合并肺間質纖維化；基質金屬蛋白酶-9；組織型金屬蛋白酶抑制劑-1

慢性阻塞性肺疾病合并肺間質纖維化（chronic obstructive pulmonary disease combined with pulmonary interstitial fibrosis，PIF-COPD）是COPD進展的必然趨勢和病理結局。COPD以不可逆的氣流受限為特征，其病理生理基礎還未完全明確。目前普遍認為是長期暴露于有毒顆粒如香煙煙霧導致長期廣泛的炎癥反應遍及全部氣道、肺實質、肺血管[1]。COPD長期慢性炎癥反應以基質過多降解和組織纖維化為特征并與蛋白酶/抗蛋白酶失衡相關聯(lián)[2，4]。這就是“蛋白酶-抗蛋白酶失衡”假說，主要包括絲氨酸蛋白酶如中性蛋白酶和基質金屬蛋白酶（MMPs）。MMP-9是MMPs的重要成員，在許多COPD患者的血液、痰液、支氣管肺泡灌洗液、肺組織活檢中表達水平及活性增高，據(jù)此認為MMP-9可能在COPD發(fā)展中起重要作用。國內杜敏捷等研究也證明COPD發(fā)展過程中肺纖維化是一種極為常見的病理改變，是COPD進展的必然趨勢[3]。COPD合并肺纖維化主要發(fā)生部位在支氣管各級分支，特別是VI級以下的支氣管分支周圍，病變嚴重的患者累及了呼吸性細支氣管和肺泡壁。且以III型膠原纖維為主，引起持續(xù)氣道狹窄和通氣功能障礙，認為肺間質和肺泡纖維化是病變隨病程向肺組織深處發(fā)展的結果，可能是炎癥的一種修復反應，也是造成肺通氣和換氣功能障礙的原因[5]。上皮下基底膜的損傷是肺間質纖維化病理變化的關鍵事件，研究表明：基質金屬蛋白酶在細胞外基質的降解與重塑的病理生理發(fā)展過程中起關鍵作用?；|金屬蛋白酶通過與細胞因子、生長因子之間的相互制約與激活，通過對細胞外基質的降解鏈接了炎癥細胞與肺結構細胞之間的信息交流，介導了肺泡炎癥與進行性肺間質纖維化的進程[6]。

1 基質金屬蛋白酶-9

MMPs是一類鋅依賴內肽酶，有共同的結構相似性，但是在表達和底物選擇上相區(qū)別。所有的MMPs有以下共同特征：a降解細胞外基質的蛋白質。b均含有鋅離子活化位點。c均需鈣來維持穩(wěn)定。d只有在中性Ph值下發(fā)揮功能。除了膜型基質金屬蛋白酶所有的MMPs也有共同的生物特性，以非活性形式分泌，在細胞外被激活。基于它們的底物專一性及結構特性，MMPs被分成五類：1)膠原酶（MMP-1，-8，-13，-18）。2）明膠酶A、B、C（MMP-2，MMP-9）。3）溶基質酶（MMP-7，-26）。4）溶間質酶（MMP-3，-10，-11）。5）膜型蛋白酶（MT-MMP）包括 MT-1MMP（MMP-14）、MT-2MMP（MMP-15）、MT-3MMP（MMP-16）。MMPs與各種生理和病理條件下的細胞外基質破壞和重塑有關，是各種組織包括肺的炎癥、傳染性疾病、腫瘤的重要發(fā)病機制[7-8]。

1.1 結構特點 MMP-9有五個共同的結構域：N端信號肽區(qū)啟動調節(jié)信號，前肽區(qū)抑制活化信號，催化區(qū)內含具有活化作用的Zn2+，C端類血紅蛋白結合蛋白區(qū)，有四個類血紅蛋白重復序列組成，鉸鏈區(qū)位于類血紅蛋白結合蛋白區(qū)與催化區(qū)之間富含脯氨酸。MMP-9結構獨特之處在于催化區(qū)含有三個II型纖維連接蛋白樣重復序列，使之對明膠酶及彈性蛋白具有高度親和力。

1.2 合成 正常肺組織不表達明膠酶，當炎癥發(fā)生時，支氣管上皮細胞、克拉拉細胞、肺泡II型細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞都能產生MMP-9。白細胞是明膠酶的另一個主要來源，中性粒細胞和嗜酸性粒細胞也能產生MMP-9。巨噬細胞、主細胞和淋巴細胞在炎癥情況下也能釋放MMP-9[9]。

1.3 激 活 就 像 所 有MMPs，除 了MT-MMPs，MMP-9是以無活性的前體形式分泌到細胞外，在細胞外基質中性Ph環(huán)境里，Ca2+存在的條件下MMP-9的前肽區(qū)被絲氨酸蛋白酶通過溶蛋白性裂解作用激活。另外某些自由基可以以非蛋白水解方式直接激活MMP-9。酶原的激活同時伴隨著分子量的減少[10-12]。

2 組織型金屬蛋白酶抑制劑-1

明膠酶的主要生理抑制劑是α2-巨球蛋白和TIMPs。α2-巨球蛋白在循環(huán)中通過巨噬細胞上的清除劑受體清除有活性的MMP-9。組織型金屬蛋白酶（TIMPs）迄今已發(fā)現(xiàn)五個家族成員TIMP-1到TIMP-5。TIMPs是一組低分子量糖蛋白，廣泛分布于組織和體液中，可由成纖維細胞、上皮細胞、內皮細胞等產生和分泌。TIMPs分子分為兩個功能域，其N端功能域的半胱氨酸殘基與MMPs的鋅離子活性中心結合，其C端功能域與MMP前體或MMPs的其他部位結合，以1：1的比例以非共價鍵形成復合體，從而抑制酶原活化或酶和底物結合，達到抑制作用，屬于轉導后調節(jié)。另外，TIMPs還是多功能分子，不僅抑制MMPs活性，而且具有細胞生長因子樣作用，促進成纖維細胞增生及膠原合成，使細胞外基質沉積并抑制其降解。目前認為，TIMPs反應了氣道的修復過程，是氣道纖維化的標志[7,8,13]。

3 基質金屬蛋白酶-9/組織型金屬蛋白酶抑制劑-1與疾病的關系

3.1 MMP-9/TIMP-1失衡與COPD合并肺間質纖維化 Mercer等[14]通過對COPD患者痰液標本進行檢測發(fā)現(xiàn)明膠電泳法及Elisa法檢測到的MMP-9和TIMP-1均顯著高于健康對照組。COPD加重期間MMP-9水平明顯增加，MMP-9/TIMP-1的平衡傾向MMP-9，COPD穩(wěn)定期平衡傾向TIMP-1。MMP-9增多的結果可能導致氣道外基質破壞，氣道重塑和COPD患者肺功能下降。TIMP-1過量表達被認為和纖維化加速及細胞外基質沉積有關[15]。Finaly和同事們[14]發(fā)現(xiàn)來自肺氣腫患者肺泡灌洗液的巨噬細胞中編碼MMP-9的mRNA水平顯著提高，據(jù)此他們認為MMP-9在人類肺氣腫患者的BALF中是增加的，這些酶能水解彈性蛋白，提示這些酶在COPD的發(fā)病機制中有直接作用。Culpitt[16]使用免疫組化法檢測四組志愿者痰中的MMP-1，MMP-8，MMP-9及TIMP-1，結果發(fā)現(xiàn)來自COPD患者痰中的MMP-1，MMP-8，MMP-9的活動較哮喘組、吸煙組及健康不吸煙組增加，TIMP-1也高于其它組。MMP-1，MMP-8，MMP-9和TIMP-1的水平和活動與FEV1呈負相關。有研究證實，肺氣腫緣于蛋白酶/抗蛋白酶失衡，然而抗蛋白酶類卻可以調節(jié)纖維化，蛋白酶抑制劑過度表達的實驗大鼠可以導致肺維化，并伴隨蛋白酶抑制劑水平的上調和基質的過度沉積。在肺纖維化早期MMP-9有高表達，此時肺部病變主要為損傷性改變。隨著纖維化進展MMP-9逐漸下降。TIMP-1在整個纖維化過程中一直呈上升趨勢并維持在一個較高水平。此時TIMP-1表達占優(yōu)勢，肺部主要為纖維增生樣改變[17]。由這些實驗可以說明MMP-9/TIMP-1失衡可能是COPD合并肺間質纖維化的重要發(fā)病機制。

正常情況下MMP-9與TIMP-1處于平衡狀態(tài)，如果MMP-9與TIMP-1比值升高，表明氣道壁以炎癥反應為主，如果MMP-9與TIMP-1比值下降則表明以修復為主。MMP-9和TIMP-1的高表達和比值失衡是肺功能下降的重要因素[18]。

3.2 MMP-9與哮喘、特發(fā)性肺間質纖維化（IPF）、結核病及胸部腫瘤 對哮喘患者和健康受試者纖維支氣管鏡檢物行免疫組化印跡和計算機輔助圖像分析證實哮喘患者Ⅲ型膠原、Ⅴ型膠原、黏合素在上皮下沉積與局部MMP-9、TIMP-1表達增高有關，MMP-9的表達強度大于TIMP-1。MMP-9還參與呼吸道炎癥和呼吸道高反應性，各種炎性細胞在向呼吸道移行的過程中可受到炎性介質的調節(jié)而合成、釋放MMP-9。過多MMP-9通過纖維連接蛋白樣重復序列、類血紅蛋白結合蛋白區(qū)與底物結合，而降解Ⅳ型膠原、Ⅴ型膠原和彈性蛋白，從而有利于炎性細胞穿過基底膜和ECM。MMP-9可使T細胞浸潤到氣管，而淋巴細胞被認為在形成呼吸道高反應性的過程中起重要的作用。另外α2-巨球蛋白也是一個主要的明膠酶生理抑制劑，哮喘正是缺乏了這種蛋白質導致在肺基質不能抑制明膠酶的活動而產生有害影響。也有研究證實嚴重哮喘患者痰中和BALF中MMP-9水平比輕中度患者明顯增高[7,19-20]。Culpitt[15]的實驗也得出哮喘患者痰中 MMP-1，MMP-8，MMP-9的水平高于健康不吸煙組及吸煙組。

IPF的特點是細胞外基質成份過多沉積導致正常細胞結構破壞，Selmen等人認為過多的抑制明膠酶活動易于罹患IPF。在IPF中MMP-2和MMP-9很少增加，但是某些TIMPs的水平卻有大量增加，包括TIMP-1和TIMP-2，TIMPs和明膠酶失衡利于過多基質蛋白由于降解不足而沉積，導致ECM的數(shù)量逐漸增加[22-23]。 Beeh等[2]研究也證實IPF與COPD氣道分泌MMP-9和TIMP-1，MMP-9/TIMP-1的比率不同，在IPF中，TIMP-1明顯高于MMP-9。

肺結核影響全世界數(shù)以百萬計的人，病原體是細胞內的結核分枝桿菌。在結核有關的胸膜腔積液中證明有高水平的MMP-2和MMP-9。另外許多結核患者血漿的MMP-9水平也升高，并與疾病的嚴重程度相關聯(lián)。MMP-9還與結核性肉芽腫的形成過程有關[1，8]。

肺癌浸潤和轉移過程中癌細胞浸潤、轉移的能力與其誘導產生蛋白酶降解ECM和基底膜的能力密切相關。MMPs就是其中最為重要的一組蛋白酶，它幾乎能降解ECM中的各種蛋白成分，破壞抵抗腫瘤細胞侵襲的組織學屏障，從而促進肺癌的浸潤和轉移。TIMPs是一組能特異性抑制MMPs活性的低分子蛋白質，是體內MMPs活性調節(jié)的重要機制。正常情況下，MMPs和TIMPs相互作用，使ECM處于動態(tài)平衡中，MMPs活性增強或TIMPs活性降低都會破壞ECM的動態(tài)平衡，從而促進肺癌的浸潤和轉移[24]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，MMPs在腫瘤侵襲轉移中的作用除了降解ECM外，它還能促進血管內膜膠原破壞，幫助內皮細胞發(fā)展導致新生血管生成，而后者是腫瘤生長轉移過程中的關鍵因素。TIMPs能特異性結合激活狀態(tài)的MMPs并抑制其活性，因而被看成是一種腫瘤轉移抑制因子。然而，由于TIMPs在體內的生物學功能具有多樣性，它在腫瘤中的作用較為復雜。TIMPs在體內具有生長因子及促血管生成的作用，這又是促進腫瘤生長和轉移的重要因素。TIMPs與肺癌的關系有待進一步研究[25-26]。

4 展望

COPD是包括氣道炎癥反應和廣泛氣道降解的疾病，現(xiàn)有的治療包括β2受體激動劑、吸入激素和氨茶堿，不是非常有效。支氣管舒張藥提供的僅僅是癥狀緩解，不能從根本治療疾病，努力發(fā)展新的治療策略正積極進行。COPD合理的治療依靠闡明疾病進程中的細胞和分子機制。特別需要發(fā)展藥物去控制疾病相關的炎癥反應，纖維化和破壞過程。在這個基礎上提出的蛋白酶抑制劑作為COPD的治療方法有巨大潛力。由于COPD是以聚集中性粒細胞和巨噬細胞為特征，焦點集中在抑制這些細胞聚集拮抗它們的產生。MMPs成為抗炎治療的目標，盡管沒有MMPs抑制劑作為支持COPD治療的臨床資料，但基于眾多研究，大量MMPs抑制劑被人工合成和對一些疾病如風濕和腫瘤作臨床實驗。如何通過調節(jié)MMP-9和TIMP-1之間的平衡來防治COPD還需要深入研究，預計不久的將來會有明顯進展[21-22]。

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1008-4118（2011）03-0089-04

10.3969/j.issn.1008-4118.2011.03.49

2011-09-15