基質(zhì)金屬蛋白酶及其抑制劑在消化系統(tǒng)腫瘤中作用的研究進(jìn)展

郝 青，郭 穎 綜述，張林西 審校

（1.河北北方學(xué)院附屬第二醫(yī)院外科，河北 宣化075100；2.河北北方學(xué)院病理學(xué)教研室，河北 張家口075000）

人類(lèi)惡性腫瘤的發(fā)生涉及多個(gè)原癌基因的激活和/或抑癌基因的失活，表現(xiàn)為多因素、多基因、多步驟的相互協(xié)同作用，在消化道腫瘤的發(fā)生、發(fā)展上表現(xiàn)尤為顯著，其中基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）和基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制因子（tissue inhibitor of metalloproteinases，TIMPs）具有重要作用。隨著對(duì)MMPs及TIMPs的深入研究，有可能從此方面揭示其異常表達(dá)與消化道腫瘤浸潤(rùn)進(jìn)展的關(guān)系，為臨床早期診斷、安全有效的靶向治療消化系統(tǒng)腫瘤等提供理論依據(jù)。主要針對(duì)MMPs中較為關(guān)鍵的MMP－2、MMP－9及TIMPs在消化系統(tǒng)常見(jiàn)腫瘤中的作用做一概述。

1 MMPs的生物學(xué)特性

MMPs因其含有金屬Zn2＋、Ca2＋而得名，是一類(lèi)結(jié)構(gòu)高度同源、屬分泌型或膜相關(guān)性?xún)?nèi)肽酶類(lèi)，已發(fā)現(xiàn)至少有23個(gè)成員。MMPs能分解絕大多數(shù)細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）成分，同時(shí)參與胚胎發(fā)育、血管形成及組織再吸收等。大多數(shù)MMPs分泌到細(xì)胞外發(fā)揮作用，但在細(xì)胞內(nèi)，無(wú)論是在細(xì)胞核、胞質(zhì)或細(xì)胞器也發(fā)現(xiàn) MMPs，對(duì)于細(xì)胞內(nèi) MMPs的作用仍然缺乏了解[1]。在生理?xiàng)l件下，MMPs以無(wú)活性的酶原形式存在，組織中含量較低。在某些病理情況下，體內(nèi)存在的天然激活劑可激活MMPs，某些特殊的化學(xué)物質(zhì)也具有激活功能。MMPs有以下共同特點(diǎn)：①蛋白酶以酶原形式分泌（可溶性或膜相關(guān)性形式）；②活性中心的Zn2＋是催化機(jī)制的關(guān)鍵，其活性及表達(dá)受到嚴(yán)格調(diào)控；③每種MMPs能裂解一種或多種ECM成分；④可被TIMPs抑制。

正常情況下MMPs和TIMPs保持動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而維持組織細(xì)胞正常生理功能。若此平衡失調(diào)，許多與MMPs功能有關(guān)的病理生理變化就會(huì)發(fā)生紊亂，如癌細(xì)胞的增生、浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移等。其中MMPs家族中的MMP－2、MMP－9在腫瘤的轉(zhuǎn)移和血管生成方面所起作用尤為重要。

1.1 基質(zhì)金屬蛋白酶－2（MMP－2）

MMP－2結(jié)構(gòu)基因總長(zhǎng)度為27kb，由13個(gè)外顯子和12個(gè)內(nèi)含子所組成，位于人類(lèi)染色體16q21。研究發(fā)現(xiàn)，多種細(xì)胞可以分泌無(wú)活性的前酶原MMP－2。其激活位點(diǎn)的金屬離子與氨基末端的半胱氨酸殘基相互作用，進(jìn)而介導(dǎo)著MMP－2的前體狀態(tài)。在細(xì)胞外MMP－2以無(wú)活性的前酶原狀態(tài)存在，可在適宜條件下經(jīng)一系列復(fù)雜的生物學(xué)反應(yīng)激活，現(xiàn)已基本闡明MMP－2在體內(nèi)的激活機(jī)制。MMP－2功能的發(fā)揮受到膜激活劑、整合素受體和TIMP－2等調(diào)控，從而影響了MMP－2的表達(dá)、激活及其降解靶蛋白。

1.2 基質(zhì)金屬蛋白酶－9（MMP－9）

MMP－9基因具有13個(gè)外顯子和9個(gè)內(nèi)含子，位于染色體20q11.2～13.1。它是MMPs家族中相對(duì)分子質(zhì)量最大的酶，最初由Sopata等從中性粒細(xì)胞提取獲得。研究發(fā)現(xiàn)，MMP－9主要由巨噬細(xì)胞、惡性腫瘤細(xì)胞等以酶原形式分泌到細(xì)胞外，在體內(nèi)經(jīng)一系列復(fù)雜的蛋白酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)而激活，其中絲氨酸蛋白酶可能是其最重要的激活劑；此外，活化的MMP－2、MMP－3等也可以激活MMP－9；MMP－9特異性抑制劑主要是TIMP－1，二者形成復(fù)合物從而抑制MMP－9活性。

MMP－9生理作用較為廣泛，它能調(diào)節(jié)其他蛋白酶和細(xì)胞因子的活性，它能與CD44結(jié)合釋放儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子－β1；還可以使中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶的活性受到保護(hù)；并且使白細(xì)胞介素－8（IL－8）向中性粒細(xì)胞的趨化活性增加十倍等。

MMP－9還可參與血管生成，研究表明，MMP－9能夠增加血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）作用于受體的效力，進(jìn)而誘導(dǎo)腫瘤血管生成。而生成新血管是癌細(xì)胞一系列惡性行為的基礎(chǔ)，所以測(cè)定癌組織中MMP－9可作為反映腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移的生物學(xué)指標(biāo)。

2 MMPs與消化道腫瘤

2.1 食管癌

食管癌是我國(guó)常見(jiàn)的消化道惡性腫瘤之一，困擾臨床醫(yī)師的難題是癌細(xì)胞易于發(fā)生浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移，也是臨床治愈率較低的原因之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)食管癌進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)識(shí)到MMPs破壞基底膜完整性，在癌細(xì)胞的發(fā)生、浸潤(rùn)及轉(zhuǎn)移中起著重要作用。郭穎等[2－3]研究發(fā)現(xiàn)，MMP－2在食管癌中的陽(yáng)性表達(dá)率明顯高于正常食管黏膜，其表達(dá)與癌細(xì)胞的血管侵襲、侵襲深度、食管旁淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等相關(guān)。另有文獻(xiàn)報(bào)道，食管癌組織中MMP－2、MMP－9等陽(yáng)性表達(dá)與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和血管侵襲有關(guān)，提示MMP－9的高表達(dá)是癌細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移的促進(jìn)因素之一。其機(jī)制為MMP－2、MMP－9通過(guò)降解細(xì)胞外基質(zhì)，使得腫瘤細(xì)胞突破原發(fā)部位正常的基底膜而發(fā)生浸潤(rùn)，突破血管周?chē)幕啄みM(jìn)入脈管系統(tǒng)而發(fā)生轉(zhuǎn)移。MMPs表達(dá)增加在包括食道癌等人類(lèi)常見(jiàn)惡性腫瘤的進(jìn)展中起著關(guān)鍵作用[4]。在食管癌中，上調(diào)的MMPs基因產(chǎn)物可能成為臨床早期檢測(cè)標(biāo)記物[5]。針對(duì)MMP－2基因的RNAi技術(shù)可能是一個(gè)潛在的有效治療食管癌方法[6]。

2.2 胃癌

腫瘤細(xì)胞的無(wú)限性生長(zhǎng)和浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤的最重要的生物學(xué)特征，也是胃癌治療失敗以致死亡的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，MMP－9和VEGF－A在腫瘤組織過(guò)度表達(dá)，他們可能在胃癌的發(fā)生、進(jìn)展、浸潤(rùn)及轉(zhuǎn)移中起協(xié)同作用，或可作為胃癌的預(yù)后生物標(biāo)記物[7]。Zhang等[8]研究報(bào)告MMP－9過(guò)表達(dá)與胃癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和胃癌浸潤(rùn)深度呈正相關(guān)。還有學(xué)者研究證實(shí)MMP－9在胃癌組織中表達(dá)與腫瘤惡性程度、腫瘤侵襲性、腫瘤細(xì)胞增殖指數(shù)和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)。胃癌細(xì)胞能產(chǎn)生過(guò)量的MMP－2和MMP－9，而MMP－2和MMP－9能通過(guò)降解細(xì)胞外基質(zhì)和基底膜，從而促進(jìn)胃癌的發(fā)生發(fā)展。MMP－9mRNA表達(dá)在高于某個(gè)臨界水平后與胃癌患者生存不佳有關(guān)[9]。

2.3 大腸癌

大腸癌是位居我國(guó)第四位的常見(jiàn)惡性腫瘤，且其發(fā)病率有逐年增高的趨勢(shì)。研究表明，MMP－2和MMP－9與大腸癌浸潤(rùn)、分期及預(yù)后密切相關(guān)，MMP－2和MMP－9高表達(dá)的癌組織具有較強(qiáng)浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移能力[10]。MMP－2、MMP－9蛋白在正常黏膜高表達(dá)，與5年生存率差有關(guān)，對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行多變量分析后發(fā)現(xiàn)，二者是獨(dú)立于TNM分期的一個(gè)更強(qiáng)的預(yù)后因子[11]。MMP－2和MMP－9以及其它腫瘤相關(guān)因子的過(guò)度表達(dá)，導(dǎo)致發(fā)生一系列的腫瘤細(xì)胞惡性行為（細(xì)胞外基質(zhì)和基膜破壞、粘附性改變、癌細(xì)胞游走），最終導(dǎo)致腫瘤浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移。而MMP－11和MMP－13對(duì)于可切除結(jié)直腸癌患者具有預(yù)后價(jià)值[12]。

2.4 肝癌

肝細(xì)胞癌最主要的特征是癌細(xì)胞難以調(diào)控地生長(zhǎng)。目前，我國(guó)肝癌死亡率居高不下。Giannelli等[13]研究發(fā)現(xiàn)肝癌組織中MMP－2的酶原和活化形式均高于鄰近正常肝組織，能產(chǎn)生MMP－2的肝癌細(xì)胞具有明顯侵襲表型，此類(lèi)癌細(xì)胞能夠侵襲穿過(guò)基底膜。MMP－9可降解細(xì)胞外基質(zhì)、毛細(xì)淋巴管基膜、門(mén)靜脈血管基膜等，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移進(jìn)入管道以及周?chē)谓M織。所以，MMP－9與肝細(xì)胞癌的侵襲和轉(zhuǎn)移關(guān)系十分密切。有學(xué)者報(bào)道，MMP－9過(guò)度表達(dá)可加速肝細(xì)胞癌的進(jìn)展[14]。而IL－23可以通過(guò)激活NF－κB/p65信號(hào)通路，導(dǎo)致MMP－9表達(dá)上調(diào)而促進(jìn)肝細(xì)胞癌轉(zhuǎn)移[15]。對(duì)于肝細(xì)胞肝癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移患者，MMP－2和CK19表達(dá)是無(wú)病生存和總生存率的獨(dú)立預(yù)后因素[16]。另有報(bào)道MMP－9mRNA表達(dá)水平的增高常伴隨著腫瘤包膜的侵犯，肝細(xì)胞癌組織中MMP－9mRNA、MMP－2mRNA均有強(qiáng)烈表達(dá)時(shí)患者的生存期更短[17]。肝細(xì)胞癌患者肝切除后，對(duì)于總體生存和腫瘤復(fù)發(fā)，MMP－12mRNA可能是一種有價(jià)值的預(yù)后標(biāo)志物[18]。

2.5 膽管癌

膽管癌是一種容易缺乏血供的實(shí)體瘤，其病理學(xué)基礎(chǔ)是膽管癌細(xì)胞于纖維間質(zhì)組織中呈散在的片狀或灶狀分布，小血管在密集的纖維間質(zhì)中被壓迫，迂曲破壞。楊定忠等研究報(bào)道膽管癌組織中MMP－9陽(yáng)性率為76.4%，明顯高于正常膽管組織。Jo等[19]用酶聯(lián)免疫吸附法發(fā)現(xiàn)MMP－2和MMP－9在膽管癌中高表達(dá)。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，MMP－9在膽管癌中高表達(dá)，與腫瘤的TNM分期、病理分級(jí)、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移、浸潤(rùn)深度等有關(guān)，且MMP－9表達(dá)陰性患者一年生存率要明顯高于陽(yáng)性者。隨著膽管癌的惡性程度增加，癌組織中MMP－2和MMP－9的表達(dá)相應(yīng)上調(diào)。研究顯示，MMP－2和MMP－9在膽管癌組織中的表達(dá)，與膽管癌的侵襲轉(zhuǎn)移及預(yù)后關(guān)系密切，這對(duì)判斷患者預(yù)后有一定意義。MMP－7表達(dá)也與肝內(nèi)膽管癌切除患者預(yù)后不良相關(guān)[20]。血清中MMP－7和CA19－9含量可作為區(qū)分膽管癌與良性膽道梗阻性疾病的生物標(biāo)志物[21]。

2.6 胰腺癌

胰腺癌是我國(guó)近年來(lái)發(fā)病率逐漸增高的消化道惡性腫瘤，平均5年生存率不足5%。癌細(xì)胞的浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移是主要死亡原因。關(guān)于MMP－2在胰腺癌中的表達(dá)報(bào)道不多，MMP－9在胰腺癌中表達(dá)研究相對(duì)較多。研究表明，MMP－9在胰腺癌組織中的表達(dá)明顯高于正常胰腺組織。在胰腺導(dǎo)管癌，角化細(xì)胞生長(zhǎng)因子及其受體通過(guò)MMP－9促進(jìn)靜脈浸潤(rùn)，并與肝轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[22]。如果清楚MMPs與胰腺癌浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移相關(guān)的分子調(diào)控機(jī)制并行早期干預(yù)，對(duì)提高其治療效果具有重要意義。

3 金屬蛋白酶組織抑制因子（TIMPs）

TIMPs是MMPs的天然抑制劑，TIMPs由單核巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、角質(zhì)細(xì)胞等分泌產(chǎn)生。目前針對(duì)TIMPs的研究較多，已發(fā)現(xiàn)的人類(lèi)TIMPs有4種：TIMP－1、TIMP－2、TIMP－3及TIMP－4。TIMPs廣泛分布于組織及體液中，主要由巨噬細(xì)胞和結(jié)締組織產(chǎn)生。其中TIMP－1蛋白分子質(zhì)量為28.2kD，是由184個(gè)氨基酸殘基組成的糖蛋白。它能抑制MMP－1、MMP－3、MMP－9的活性。TIMP－2最先是從黑色素瘤細(xì)胞中分離出，其蛋白由194個(gè)氨基酸殘基組成。TIMP－2能高選擇性地抑制MMP－2，無(wú)論活化的MMP－2還是無(wú)活性的pro－MMP－2都能與之結(jié)合成復(fù)合物，而且TIMP－2可以抑制MMPs家族中所有成員的水解活性。TIMP－3是一個(gè)分子質(zhì)量為21kD的蛋白質(zhì)，它與ECM有極強(qiáng)的親合力，屬非水溶性蛋白質(zhì)。TIMP－4的分子量為22.6kD，由224個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，其表達(dá)具有組織特異性。

研究發(fā)現(xiàn)，所有MMPs家族成員的活性都能被不同的TIMPs抑制。機(jī)體內(nèi)MMPs和TIMPs之間存在一種平衡關(guān)系，正是這種平衡關(guān)系決定著MMPs的活性。一旦這種關(guān)系失去平衡，就將影響到腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)、浸潤(rùn)及轉(zhuǎn)移。在腫瘤浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移過(guò)程中，MMPs和TIMPs比例失衡比單純的MMPs或TIMPs表達(dá)水平的變化意義更大。其中，TIMP－1和TIMP－2在食管癌的形成進(jìn)展及轉(zhuǎn)移中可能更具有重要作用[4]。對(duì)于胃癌行根治術(shù)后的患者，TIMP－1表達(dá)和TIMP－1與MMP－9表達(dá)的平衡，可能是重要的惡化和復(fù)發(fā)的預(yù)測(cè)因子[23]。TIMP－3和MMP－2表達(dá)與VMAT－1共表達(dá)具有腸類(lèi)癌潛在的預(yù)后和臨床價(jià)值[24]。

MMPs的Zn2＋結(jié)合位點(diǎn)可以被TIMPs家族中所有成員以非共價(jià)鍵形式結(jié)合，進(jìn)而抑制MMPs對(duì)ECM的降解，從而可以抑制癌細(xì)胞的浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移。徐向明研究認(rèn)為T(mén)IMP－2能抑制腫瘤細(xì)胞的入侵。但TIMP－2在人類(lèi)消化道腫瘤中的表達(dá)目前意見(jiàn)不一，有些報(bào)道TIMP－2表達(dá)升高，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)其在腫瘤轉(zhuǎn)移時(shí)表達(dá)下降，提示TIMP－2作為消化道腫瘤轉(zhuǎn)移的監(jiān)測(cè)指標(biāo)僅有參考意義，TIMPs還能阻止或延緩MMPs轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ钚偷腗MPs。

綜上所述，MMPs蛋白的過(guò)表達(dá)參與了消化道腫瘤發(fā)生發(fā)展的諸多環(huán)節(jié)，如腫瘤的生長(zhǎng)、浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移、血管形成等。針對(duì)腫瘤組織中MMPs、TIMPs關(guān)鍵分子的檢測(cè)或可作為判斷消化道腫瘤惡性程度、轉(zhuǎn)移及預(yù)后的重要參考指標(biāo)，應(yīng)用低分子量的TIMPs可以抑制消化道腫瘤細(xì)胞的增殖。隨著MMPs和TIMPs在消化道腫瘤發(fā)生、發(fā)展中作用機(jī)理等方面研究的不斷深入，有可能為臨床進(jìn)行安全有效的早期診斷、治療及預(yù)防提供重要的理論依據(jù)。

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