MMP2、MMP9與結直腸癌的研究進展

劉超 仰曙芬 付玉

結直腸癌是最常見的消化道惡性腫瘤之一，全世界每年約有120萬人發(fā)病。在美國和歐洲國家，結直腸癌的癌癥死亡率排名惡性腫瘤死亡率的第二位，雖然手術聯合輔助治療取得了一定的進展，但是轉移和復發(fā)仍是結直腸癌患者預后的危險因素。因此，針對新的靶點進行治療，可能是治愈結直腸癌的有效方法。目前研究表明，基質金屬蛋白酶2、9(MMP2、MMP9)不僅與結直腸癌的發(fā)生發(fā)展、血管生成相關，而且能通過多種方式促進腫瘤的浸潤和轉移[1]。

基質金屬蛋白酶MMPs，是Zn2+依賴性內肽酶一類水解基底膜(BM)和細胞外基質(ECM)的蛋白水解酶家族。它能促進癌細胞對周圍組織的侵襲和遠處轉移，其活性受到金屬蛋白酶組織抑制因子TIMPs的抑制。MMPs在多種惡性腫瘤中高表達，其中MMP2、MMP9可水解BM和ECM中的IV型膠原等多種成分，在惡性腫瘤進展中作用尤為突出[2]。

一、MMP2、MMP9的結構與功能

(一)MMP2的結構與功能

20世紀60年代，Litta等在尋找能降解基底膜的蛋白酶時發(fā)現了MMP2，它屬于明膠酶A類，是一種Zn離子依賴性肽鏈內切酶。以前酶原的形式由多種細胞如成纖維細胞、巨噬細胞、內皮細胞和惡性腫瘤細胞等分泌，人類MMP2位于染色體16q21，由13個外顯子和12個內含子，結構基因的總長度為27 kb[3]。許多研究表明，MMP2的作用底物主要為W型膠原,在轉錄、分泌、前酶原的激活和與靶細胞表面的結合等過程中表達，有調節(jié)功能的作用。此外，腫瘤浸潤和轉移與它對IV型膠原，層粘連蛋白的降解功能呈現一定的相關性[4]。不僅如此，最近的研究顯示，MMP2有促進腫瘤新生血管形成的能力，因為活化的MPP2，可以在基質的突出部分突破，通過轉染MMP2，將其激活，達到增加腫瘤細胞穿過基底膜基質能力的目的，此外MMP2還能激活MMP9[5]。

(二)MMP9的結構與功能

MMP9是1994年Reponen和sahlberg，在小鼠胚胎發(fā)育中的破骨細胞內發(fā)現的，它屬于明膠酶B類。人類MMP9位于染色體2oq12-q13，基因全長為45o6 bp，MMP9分子量Mr92X×03。MMP9的基本結構包含有以下幾個區(qū)：(1)信號膚區(qū)；(2)N-末端前膚區(qū)；(3)催化基團區(qū)；(4)C末端血紅素結合蛋白樣區(qū)；(5)鉸鏈區(qū)[6]。MMP9主要作用在Zn+和生理PH值下，降解細胞外基質，并進行自身重構。MMP9只有在細胞外基質的環(huán)境中，才能夠被激活，從而具有相應的活性。明膠蛋白B，彈性蛋白，粘連蛋白等是EMC不可缺少的重要成分，它們可以成為MMP9的作用基底物，此外，它和MMP2具有相似的作用，能夠為腫瘤的浸潤，及其后期的轉移提供更便利的條件[7]。MMP9可以被絲氨酸蛋白酶或其他的MMP去除前綴所介導活化，或者對氧化應激直接做出反應，從而擾亂半胱氨酸開關。

二、MMP2、MMP9與結直腸癌的關系

(一)MMP2、9對結直腸癌早期影響

最近有研究發(fā)現，腫瘤的侵襲轉移中，MMP2、9起著很重要的作用，而且在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中也占有重要的地位[8]。還有一項研究顯示，在結腸癌組織中，MMP2、9的表達主要處于生長區(qū)間的腫瘤細胞，而且活性也是趨于增加的狀態(tài)。因活性升高而活化的MMP2、9在上述的基質突出位置突破，轉染釋放其生長因子，從而推進腫瘤進程，刺激其生長，結果是結直腸癌的細胞增殖被促進[9]。

許多研究已經證實，當腫瘤的直徑超過2 mm并要繼續(xù)生長時，就必須依賴新生毛細血管。然而，新生毛細血管形成的條件是需要其內皮下的基底膜降解、內皮細胞遷移、增殖。MMP2、P9對腫瘤血管的生成有促進作用，因此它們可以通過這個途徑來促進腫瘤形成[10]。MMP2、9跟這一系列過程息息相關，它們通過啟動血管基底膜的蛋白降解為內皮細胞的轉移打開通路從而形成新血管，此外與活化VEGF因子也有相關[11]。經過更深入的研究發(fā)現，MMP-2在腫瘤細胞內部，對早期階段新的血管形成起著重要作用[12]。Shapiro研究發(fā)現MMP2降解ECM中的層粘連蛋白5之后可以趨向隱藏位點增加內皮細胞的遷移同時釋放VEGF因子，刺激血管的形成[13]。

MMP9還可與其他多種因子作用，促進大腸腫瘤血管的生成和腫瘤細胞增殖，參與腫瘤細胞的免疫逃避,間接促進腫瘤細胞的生長和侵襲；也與細胞表面整合素家族和其他分子附著，促進腫瘤細胞的侵襲和增殖。但是在Thomas的研究中，MMP9敲除鼠的移植靜脈區(qū)血管壁及細胞構成沒有發(fā)生改變，猜測可能由于MMP2參與了補償機制，也可能是MMP-9能使纖溶酶原降解為血管抑素，從而抑制新生血管的形成所致[14]。

還有一些大量的細胞因子，可以協(xié)助MMPs來促進腫瘤血管生成，例如：VEGF，BFGF，腫瘤生長因子，它們可以在上調UPA的基礎上活化纖溶酶，從而激活MMPs,而達到生成新血管的目的。同時，上述因子也可以上調MMPs基因的轉錄[15-16]。此外，還有一些蛋白分子可以上調表達，如：claudin蛋白，它可以直接作用導致MMP2表達同時上調或者過度表達。因此它可以通過MMP2，增強腫瘤細胞的生存侵襲能力[17]。以上研究均證實了MMP2、9在腫瘤的新生過程中發(fā)揮的重要作用。

(二)MMP2、MMP9對結直腸癌轉移的影響

遠處轉移是結直腸癌患者死亡的主要原因，MMPs能夠促進癌癥擴散主要是通過降解ECM，包括兩個主要方面：基膜膜和間質結締組織[18]。體外實驗發(fā)現ECM在細胞遷移、增殖和分化等方面發(fā)揮關鍵作用，同時BM和ECM又是阻礙癌細胞侵襲轉移的屏障，許多生理和病理過程，如：胚胎發(fā)育、組織重塑、胚泡培植、腫瘤侵襲轉移、血管形成等均涉及ECM的降解。還有一項研究顯示，RAS基因可以誘導腫瘤細胞，導致表達增加，MMP2、9的激活可促進腫瘤細胞系和腫瘤細胞的侵襲性，并與惡性表型密切相關[19]。

肝轉移能夠直接導致結直腸癌患者預后不良，有研究報道，發(fā)現肝轉移患者病灶MMP2的表達超出正常范圍，并且明顯高于周圍正常組織，此外還得出肝基質細胞表達MMP2可以受到原發(fā)癌灶的誘導，從而促進肝轉移發(fā)生[20]。ZengZS的早期研究發(fā)現，MMP9的過表達，異常激活，對結直腸癌同時有肝轉移有重要作用。伴肝轉移的原發(fā)癌灶的MMP9mRNA水平顯著高于不伴肝轉移組，因此可作為一個獨立預測復發(fā)和預后的因素[21]。但是在Bendardaf的實驗中，檢測了實驗組：8例結直腸癌伴肝轉移患者的癌細胞，對照組：4例沒有肝轉移。發(fā)現實驗組中MMP2、9在侵襲邊緣間質染色強度高于癌組織中央區(qū)；細胞漿的染色強度高于間質；其MMP2、9表達率及表達強度均高于對照組，但差異不顯著。猜測可能是由于例數太少，代表性低，從而導致陰性結果[22]。

很早就有學者采用RT-PCR方法，檢測了實驗組48例結直腸癌患者的MMP9mRNA水平，結果表明，在實驗組結直腸癌肝轉移的淋巴結轉移基因的表達水平，高于無淋巴結轉移和肝臟轉移，并存在統(tǒng)計學差異。表明結直腸癌組織中MMP9可以預測轉移并發(fā)揮著重要作用[23]。此外還有研究表明結直腸癌分化程度與MMP2的表達有一定的相關性，但相關性沒有統(tǒng)計學意義。在浸潤深度方面，與MMP2呈現正相關，隨著浸潤深度的增加，MMP2的陽性表達強度和表達率都隨之增加，與對照組比較明顯增高有顯著統(tǒng)計學差異[24]。研究還發(fā)現，MMP9在結腸癌的腫瘤中過度表達，而且保持高表達水平，推測它可能參與后期的浸潤和轉移[25]。

三、臨床應用

(一)MMP2、MMP9作為結直腸癌預后的標志

諸多臨床研究已證實MMP2、9與結直腸癌不良預后相關。在Langers的研究中發(fā)現，結直腸癌患者正常結腸黏膜中MMP2、MMP9水平的高表達，與患者的5年生存率相關，可見這兩個因子具有良好的前瞻預測能力。這兩個參數的聯合是很強的預測因子，所以正常黏膜中MMP 2、MMP9水平可以預示著結直腸癌患者的疾病進程[27]。結直腸癌的肝轉移、發(fā)展、及病理參數與MMP2、MMP9有很強的相關性，這就使得它們可以用于結直腸癌的篩查及風險評估。除此之外，MMP2、9能夠成為有預測能力的結直腸癌診斷因子[10,26]。

(二)以MMP2、MMP9及其抑制劑為靶點治療結直腸癌

國外很多臨床研究已經證實，結直腸癌的不良預后與MMP2、9緊密相關。這是因為IV型膠原明膠纖維鏈接蛋白可被MMP2、9降解，此外，TIMP1、2可以調節(jié)蛋白的水解活性。所以惡性腫瘤的進展與IV膠原酶及其抑制劑密切相關[25]。至今共發(fā)現內生的MMPs抑制因子有以4種：分別是TIMP1、2、3、4。其抑制機制是：與酶形成1：1的非共價復合體。MMP2的抑制劑是TIMP2，與其前體結合抑制表達；MMP9的抑制劑是TIMP1，與其酶原結合抑制活性[26]。

TIMPs在結直腸癌發(fā)生發(fā)展中的作用機制復雜，并呈現顯著高表達。在國外的一項研究中發(fā)現MMP2/TIMP2的比值，可成為一項判斷指標，對腫瘤惡性程度，腫瘤預后進行判斷[28]。此外，在實驗中發(fā)現，正常人或有良性腫瘤的患者，檢測MMP2/TIMP2的值基本在1(0.95-1.05)左右，區(qū)間小。但是有惡性腫瘤或有不良預后的患者，檢測MMP2/TIMP2值基本都>1。[29]。近期的一項ELISA方法研究中發(fā)現(143例D期結直腸癌病例組，100例對照組)，病例組血漿TIMP1水平>對照組血漿TIMP1水平，具有統(tǒng)計學差異(p<0.01),因此得出結論，血漿中TIMP1的高表達與預后差相關，病人血漿TIMP1水平可作為有價值的預后指標[30]。以上數據顯示，在不同時期結直腸癌的發(fā)展，MMP2、9蛋白特異性表達和具體和有效的抑制劑篩選的發(fā)展，這將是未來的研究和臨床工作的重點。

四、展望

MMPs能夠對眾多的蛋白及其生物活性進行調節(jié)，有復雜的分子作用。越來越多的實驗研究證明，結直腸癌發(fā)生、發(fā)展及預后與MMP2、9緊密相關。它們作為臨床診斷指標，預后的因子，引起了大家的重視，并在結直腸癌的的不同階段，發(fā)揮著促進腫瘤生成，轉移的重要作用。所以，在結直腸癌的不同時期，研究MMP2、9的特異性表達，并針對性的開發(fā)高效抑制劑，可以對臨床治療結直腸癌帶來新希望。

[1] Sonata Jodele.Laurence Blavier.Janet M.Yoon.Modifying the soil to affect the seed:role of stromal-derived matrix metalloproteinase in cancer progression.Cancer Metastasis Rev，2006，25:35-43.

[2] Recent Developments in Patent Anti-Cancer Agents Targeting the Matrix Metalloproteinase(MMPs).Recent Patents on Anti-Cancer Drug Discovery,2010,6(33),109-141.

[3] Kahlenberg MS,Stoler DL,Basik M,et al.P53 tumor suppressor Gene status and the degree of genomic instability in sporadic Colorectal cancers.J Natl Cancer Inst,1996,88:1665-1670.

[4] Vihinen P,Kahari VM.Matrix metalloproteinase in cancer:Prognostic markers and therapeutic targets.Int J Cancer,2002,99(2):157-166.

[5] Kleiner DE,Stetler Stevenson WG.Matrix metalloproteinase and metastasis.Cancer Chemotherapy Pharmacology,1999,43:42-51.

[6] SheuJR,FongTH,LiuCM,et al.Expression of matrix metalloProteinase-9 in human Platelets:regulation of Platelet activation in vitro and in vivo studies.Br J PH armaeol,2004,143(l):193-201.

[7] Moran A,Iniesta P,Garcia C,et al.Clinical relevance of MMP-9,MMP2,TIMP21 and TIMP22 in colorectal cancer.Oncology Reports,2005,213:115-120.

[8] J Heinke,M Kerber.Bone morphogenetic protein modulator BMPER is highly expressed in malignant tumors and controls invasive cell behavior.Ontogeny，2012，31(24):2919-2930.

[9] Umadevi Damodharan，Ravikumar Ganesan，Uma C.Radhakrishnan.Expression of MMP2 and MMP9(Gelatinizes A and B)in Human Colon Cancer Cells.Appl Biochem Biotechnol，2011，165:1245-1252.

[10] Min Jung Kang,Sungae Jung,Ji Min Jung，et al.Associations between Single Nucleotide Polymorphisms of MMP2,VEGF,and HIF1A Genes and the Risk of Developing Colorectal Cancer.Anticancer research，2011，31:575-584.

[11] Ltkas JAC,Hawinkels,Kim,et al.VEGF release by MMP9..mediate heparin soleplate cleavage induces colorectal cancer angiogenesis.European Journal of Cancer,2008,44(13):1904-1913.

[12] Laurence Blavier,Janet M，Yves A，et al.DeClerck.Modifying the soil to affect the seed:role of stormily derived matrix metalloproteinase in cancer progression.Cancer Metastasis Rev,2006,25:35-43.

[13] Shapiro S,Khodalev O.Different activation forms of mmp2 oppositely affect the fate of endothelial cells.Am J Physiol Cell Physiol,2010,298(4):942-951.

[14] Thomas AC,Newby AC.Effects of matrix metalloproteinase-9 gene knock-out on vein graft remodeling in mice.J Vasc research,2010,47(4):299-308.

[15] Berditchevski F,Chang S,Bodorova J,et al.Generation of monoclonal antibodies to interim-associated proteins Evidence that α3β1 complexes with EMMPRIN/besieging/OX47/M6.J Biol Chem,1997,272:29174-29180.

[16] Guo H,Li R,Zucker S,et al.EMMPRIN(CD-147,an inducer of matrix metalloproteinase synthesis,also binds interstitial collagens to the tumor cells surface.Cancer Res,2000,60(4):888-891.

[17] Carr JB,Williams D,Richards M.Lateral deceits positioning for intramedullary nailing of the femur without the use of a fracture table.Orthopedics,2009,32(10):721-724.

[18] Dake Chu,Zhengwei Zhao,Yi Zhou.Matrix Metalloproteinase-9 is associated with relapse and prognosis of patients with colorectal cancer.Annals Surgical Oncology，2012，19:318-325.

[19] Dan Liu，Wenyuan Duan，Hong Guo，et al.Meta-analysis of associations between polymorphisms in the promoter regions of matrix metalloproteinase and the risk of colorectal cancer.Int J Colorectal Dis，2011，26:1099-1105.

[20] Theret N,Musso O,Campion JP,et al.Over expression of matrix metalloproteiase-2 and tissue inhibitor of matrix metalloproteinase-2 in liver from patients with gastrointestinal adenocaicinoma and no detectable metastasis.Int J Cancer,1997,74(4):426-432.

[21] Zeng ZS,Huang Y,Cohen AM,et al.Prediction of colorectal cancer relapse and survival via tissue RNA levels of matrix MMP-9.J Clink Oncol,1996,14(12):3133-3140.

[22] Bendardaf R,Buhmeida A,Hilska M,et al.MMP-9(gelatinize B)expression is associated with disease-free survival and disease-specific survival in colorectal cancer patients.Cancer Invest,2010,28:38-43.

[23] Koumura H,Sugiyama Y,Kunieda K,et al.Significance in gene expression of matrix metalloproteinase-9,urokinase-type plasminogen activator and tissue inhibitor of metalloproteinase for metastases of gastric and/or colorectal cancer.Ganto Kagaku Ryoho,1997,24(2):324-331.

[24] Wei Dong,Hong Li,Yan Zhang,et al.Matrix metalloproteinase 2 promotes cell growth and invasion in colorectal cancer.Acta Biochim Biophys Sin,2011,43:840-848.

[25] MoranA,Iniesta P,Garcia C,et al.Clinical relevance of MMP-9,MMP2,TIMP21 andTIMP22 in colorectal cancer.Oncology Reports,2005,213:115-120.

[26] Vesna V.Dragutinovic′,Nevena V,et al.Matrix metalloproteinase-2(MMP-2)and-9(MMP-9)in preoperative serum as independent prognostic markers in patients with colorectal cancer.Mol Cell Biochem，2011,355:173-178.

[27] Langers AM，Verspaget HW，Hawinkels LJ.MMP-2 and MMP-9 in normal mucosa are indep-endently associated with outcome of colorectal cancer patients.Br J Cancer，2012，106(9)：1495-1498.

[28] Still K，Robson CN，Autzen P，et a1.Localization and quantification of mRNA for matrix metalloproteinase-2(MMP-2)and tissue inhibitor of matrix metalloproteinase-2(TIMP-2)inhuman benign and malignant prostatic tissue.Prostate，2000,42(1)：218-251.

[29] Ara T，Kusafuka T，Inoue M，et a1.Determination of imbalance between MMP2 and TIMP-2 in human neuroblastoma by reverse transcription polymerase chain reaction and its correlation with tumor progression.J Pediatr Surg，2000，35(3)：4371-4377.

[30] Holten Andersen L，Christensen IJ,Jensen SB,et a1.Saliva and plasma TIMP-1 in patients with colorectal cancer:a prospective study.SCAND J Gastroenterology ,2012,47:1234-1241.