基質(zhì)蛋白酶9與慢性阻塞性肺疾病的研究進(jìn)展

弋可 黃玲

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是一種常見的、嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾病，以固定的氣道阻塞造成的不可逆的持續(xù)性的氣流受限和氣道中性粒細(xì)胞浸潤增多為特征[1]。目前，COPD是世界第四大死因，全球超過2億人受到該疾病的影響[2-4]。盡管在GOLD 2017 關(guān)于COPD的定義中刪除了慢性炎癥，但在病理生理過程的描述中，依然強(qiáng)調(diào)了慢性炎癥反應(yīng)。 COPD的慢性炎癥過程導(dǎo)致了肺泡壁的破壞從而降低了肺的彈性回縮力，該疾病呈進(jìn)行性發(fā)展，進(jìn)行性下降的肺功能嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。目前仍然認(rèn)為炎癥反應(yīng)、蛋白酶-抗胰蛋白酶的失衡、氧化應(yīng)激反應(yīng)、自主神經(jīng)失調(diào)和肺的加速衰老等是COPD的主要發(fā)病機(jī)制。在肺部，彈性蛋白纖維構(gòu)建了一個(gè)薄的多分枝的網(wǎng)絡(luò)貫穿于整個(gè)呼吸樹去支持呼吸過程中擴(kuò)張或回縮的肺泡?；|(zhì)金屬蛋白酶( matrix metalloproteinase, MMPs)以酶原的形式存在，在正常狀態(tài)下血漿中的濃度很低，但在身體炎癥反應(yīng)加重時(shí)，其受到細(xì)胞轉(zhuǎn)化因子、炎癥細(xì)胞因子、體內(nèi)氧化應(yīng)激的作用，其濃度明顯增加[5]。在不同的細(xì)胞通路下，MMPs是一組可以由內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、支氣管上皮細(xì)胞、肺泡Ⅱ型細(xì)胞、纖維母細(xì)胞、Lara細(xì)胞等分泌的、鋅-鈣依賴的能夠降解全部的細(xì)胞外基質(zhì)成分的內(nèi)切蛋白水解酶家族；例如：其通過破壞微纖維和彈性蛋白核心來裂解彈性蛋白，從而使肺泡失去彈性[6]，參與膠原的溶解及促進(jìn)彈性蛋白酶解離。

MMP-9是MMPs家族中分子量最大的酶，是抗胰蛋白酶的一種，是一個(gè)在生化、病理等領(lǐng)域都存在的多功能酶[7]，由中性粒細(xì)胞合成并儲(chǔ)存到細(xì)胞質(zhì)的部分顆粒中，MMP-9形成于中性粒細(xì)胞的成熟后期，在COPD所特有的炎癥過程中發(fā)揮了重要的作用，有利于中性粒細(xì)胞的外滲和分子間隙基底膜的降解(主要包括：Ⅰ型和Ⅳ型膠原蛋白和彈性蛋白[9])，同時(shí)也有降解蛋白多糖、核心蛋白的作用[10]。眾所周知，MMP-9還有促進(jìn)組織重建，從而激活和釋放生長因子[8]，如血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子A(vascular endothelial growth factora-A, VEGF-A)，能直接誘導(dǎo)肺泡彈性蛋白的降解，這些都能導(dǎo)致膠原蛋白的減少而導(dǎo)致肺氣腫。其活動(dòng)受到組織基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(tissue matrix metalloproteinase inhibitor, TIMPs)的抑制[11]。其中，TIMP-1能抑制大多數(shù)MMPs包括MMP-9，其機(jī)制主要是MMPs與TIMPs以1︰1分子比例在Zn2+活性中心接合形成MMPs-TIMPs復(fù)合體，這種接合不可逆且穩(wěn)定性高，故而降低MMPs的濃度，使其與膠原底物的結(jié)合減少。同時(shí)TIMP-1還具有生長因子樣的特性、調(diào)控細(xì)胞增殖及細(xì)胞凋亡等功能，也有研究把MMP-9/TIMP-1作為評(píng)估COPD的生物學(xué)標(biāo)志物。

一、MMP-9與固有免疫系統(tǒng)之間的關(guān)系

1. 固有免疫系統(tǒng)與COPD的關(guān)系: COPD被認(rèn)為是一個(gè)典型的固有免疫系統(tǒng)疾病，吸入的氣體及粒子引發(fā)炎癥反應(yīng)，促進(jìn)小氣道組織增殖及肺實(shí)質(zhì)的破壞，促進(jìn)免疫細(xì)胞在肺泡間隔的活化。固有免疫應(yīng)答被病原體、吸入氣體及粒子相關(guān)分子模式快速激活，這是高度保守的微生物因素[12]。

2. 固有免疫應(yīng)答通過細(xì)胞核因子酉乙蛋白(NF-κB)及Toll樣受體2(TLR2)基因管理MMP-9的產(chǎn)生及釋放: 固有免疫應(yīng)答被模式識(shí)別受體識(shí)別，例如Toll樣受體(Toll-like receptors, TLRs)、 CD14、 膠原凝集素[13]。TLR激活觸發(fā)信號(hào)級(jí)聯(lián)放大，導(dǎo)致自身激活和NF-κB的核轉(zhuǎn)位，在COPD的炎癥反應(yīng)程中，細(xì)胞核因子酉乙蛋白(nuclear factor unitary B protein, NF-κB)是一個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)分子[13]。NF-κB是 p65和p50的異二聚體，在大多數(shù)免疫和炎癥反應(yīng)中扮演著重要的角色，同時(shí)管理著MMP-9的生產(chǎn)和促炎細(xì)胞因子等的反應(yīng)和釋放，包括腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、IL-1、IL-8等[14]。TNF-α、IL-8是NF-κB有效的催化劑，TNF-α激活I(lǐng)κB激酶復(fù)合體(由兩個(gè)催化亞基IKKα、IKKβ和調(diào)節(jié)亞基NF-κB基本調(diào)節(jié)器組成)，激活的IKK隨后通過磷酸化抑制NF-κBα的抑制劑(αBκI)導(dǎo)致αBκI的泛素化和降解以達(dá)到誘導(dǎo)NF-κB表達(dá)的目的。MMP-9的啟動(dòng)子包含NF-κB的結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)MMP-9基因的表達(dá)。因此TNF-α誘導(dǎo)的MMP-9表達(dá)的信號(hào)通路被認(rèn)為是參與肺氣腫和COPD炎癥反應(yīng)擴(kuò)大的潛在目的基因, NF-κB同時(shí)也可以作為COPD治療的一個(gè)潛在的目的基因。同時(shí)TNF-α對(duì)TIMPs的誘導(dǎo)具有雙向性，當(dāng)高濃度TNF-α刺激時(shí)抑制其產(chǎn)生，低濃度時(shí)促進(jìn)其表達(dá)，轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)可以調(diào)節(jié)MMP-9表達(dá)升高，又可以調(diào)節(jié)MMP-3、1的表達(dá)減少，導(dǎo)致細(xì)胞外的基質(zhì)沉積[15]，其系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是復(fù)雜的，多因素的。

TLR受體參與病毒誘導(dǎo)的肺部炎癥反應(yīng)，但其具體機(jī)制目前還不清楚，COPD患者TLR2基因的表達(dá)顯示明顯增加[16]。在COPD患者的外周血粒細(xì)胞TLR2基因的表達(dá)、中性粒細(xì)胞化學(xué)引誘物CXCL8和單核細(xì)胞導(dǎo)致的中性粒細(xì)胞及固有免疫系統(tǒng)關(guān)鍵介質(zhì)，包括MMP-9的刺激下，TLR2受體功能顯示活躍。 TLR2的刺激會(huì)導(dǎo)致來自外周血單核細(xì)胞CXCL8、IL-1、IL-6、TNF-α和來自粒細(xì)胞的MMP-9的釋放增加[9]。中性粒細(xì)胞蛋白酶和固有免疫炎癥細(xì)胞因子的釋放也是受到COPD外周血細(xì)胞TLR2的刺激，炎癥介質(zhì)的釋放在支氣管炎癥中發(fā)揮了重要的作用。這些結(jié)果都表明，固有免疫反應(yīng)在COPD的中性粒細(xì)胞性支氣管炎中扮演了重要的角色，也提示了激活的TLR2和隨后釋放的MMP-9可作為管理COPD中的中性粒細(xì)胞性支氣管炎的關(guān)鍵點(diǎn)。研究表明中性粒細(xì)胞包含的白明膠酶顆粒形成于骨髓細(xì)胞生成的后期階段[17]，而且是MMP-9快速胞外分泌的主要的儲(chǔ)存部位。年齡相關(guān)的中性粒細(xì)胞炎癥反應(yīng)的增加被痰嗜中性粒細(xì)胞及MMP-9的增加所證明，同時(shí)伴隨著TLR2基因表達(dá)和可溶性TLR2蛋白水平的一道增加。在校正過年齡、吸煙量和氣道阻塞的因素后，MMP-9的血漿水平是引起痰中性粒細(xì)胞比例顯著升高的獨(dú)立貢獻(xiàn)者[9]。根據(jù)GOLD分級(jí)對(duì)COPD患者進(jìn)行MMP-9的直接檢測結(jié)果表明，MMP-9的活動(dòng)程度隨著COPD的嚴(yán)重程度的增加而增加。另有結(jié)果表明，MMP-9被TIMP-1所抑制，MMP-9/TIMP-1的失調(diào)可能也是COPD的發(fā)病機(jī)制之一[9]。最近一項(xiàng)研究結(jié)果顯示，在研究MMP-9與流感病毒的發(fā)病機(jī)理上，MMP-9起著調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞遷移到感染呼吸道起到清除病毒的作用[18]。巨噬細(xì)胞表達(dá)CD44，研究發(fā)現(xiàn)，在胞葬作用(凋亡細(xì)胞被吞噬細(xì)胞清除的過程稱為胞葬作用)的過程中，CD44起著重要的作用，COPD患者肺泡巨噬細(xì)胞表面的CD44下降明顯，敲除CD44基因的老鼠，出現(xiàn)肺損傷以后，會(huì)受到存在胞葬作用清除缺陷的TGFβ釋放的炎癥反應(yīng)的破壞，但CD44+的細(xì)胞則不會(huì)出現(xiàn)這種情況。因此，在肺巨噬細(xì)胞CD44表達(dá)的減少有可能支持凋亡細(xì)胞的繼發(fā)性壞死，而MMP-9被證明參與并加速了巨噬細(xì)胞CD44的脫落[19]。

二、與上皮細(xì)胞修復(fù)的關(guān)系

氣道上皮細(xì)胞在氣道結(jié)構(gòu)和功能的屏障中起著重要的作用，防止吸入的物質(zhì)進(jìn)入肺組織、協(xié)調(diào)固有免疫細(xì)胞的活性和獲得性免疫系統(tǒng)的感應(yīng)。暴露于煙草煙霧、過敏原、空氣中的懸浮顆粒、病原體、有毒氣體及刺激性氣體都可以造成氣道上皮細(xì)胞的損傷，就需要調(diào)動(dòng)修復(fù)機(jī)制來修復(fù)其功能，MMP-9主要在肺上皮細(xì)胞和肺實(shí)質(zhì)細(xì)胞胞漿內(nèi)表達(dá)，研究者通過明膠酶譜法已觀察到支氣管上皮細(xì)胞培養(yǎng)基的MMP-9[20]。在上皮修復(fù)的過程中，轉(zhuǎn)分化的細(xì)胞分泌MMP-9，促使細(xì)胞下層的粘著斑降解，從而使上皮細(xì)胞粘附性降低而導(dǎo)致修復(fù)緩慢。此外，失活的MMP-9已經(jīng)被證明可以減少支氣管上皮細(xì)胞的遷移[21]。研究發(fā)現(xiàn)，COPD的特征性改變不完全可逆的氣流阻塞與氣道重構(gòu)有關(guān)，主要是由于反復(fù)的慢性炎癥損傷及氣道上皮的不完全修復(fù)所致，研究表明，支氣管上皮細(xì)胞中與氣道重構(gòu)相關(guān)的細(xì)胞介質(zhì)，如IL-13、MMP-9以及信號(hào)通路、CA2+水平，在機(jī)械牽拉應(yīng)力的作用下顯著增加。其機(jī)制是通過刺激氣道上皮細(xì)胞上的瞬時(shí)感受器點(diǎn)位1型(TRPC1)從而誘發(fā)CA2+的大量涌入及IL-13、MMP-9的釋放從而擾亂正常上皮細(xì)胞的修復(fù)方式。

三、MMP-9的血清濃度用于評(píng)估氣道阻塞的程度

MMP-9在氣道重塑上也發(fā)揮了重要的作用，促進(jìn)彈性組織解離也是肺氣腫發(fā)生的重要機(jī)制。MMP-9是MMPs家族中主要的促彈性組織解離的酶，來源于循環(huán)中的單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞，其通過降解基底膜的Ⅳ型膠原蛋白和其他的基質(zhì)蛋白來重建和修復(fù)組織。MMP-9的血清濃度和氣道阻塞的嚴(yán)重程度(FEV1/FVC)呈負(fù)相關(guān)[22]，但與MMP-9相關(guān)的一些分子(包括 TIMP-1 and TIMP-2)都與DLCO%沒有顯著相關(guān)性[23-24]，提示MMP-9與組織重構(gòu)導(dǎo)致氣道阻塞相關(guān)而與肺氣腫無關(guān)。在COPD患者和有癥狀的吸煙者的比較實(shí)驗(yàn)中， MMP-9的單獨(dú)測量或與血漿中性粒細(xì)胞多肽(human neutrophilpeptides, HNP)、中性粒細(xì)胞(neutrophile, NE)、 IL-8的組合測量，能夠區(qū)分患者有無肺功能的障礙及氣道阻塞的程度,低比率的MMP-9/TIMP-1也與氣道阻塞的程度相關(guān)[25]。許多研究都表明MMP-9降解膠原蛋白、彈性蛋白和明膠纖維，與氣道阻塞的水平呈負(fù)相關(guān)[23-25]。MMP-9的濃度改變可作為一個(gè)早期呼吸道損傷相關(guān)的指標(biāo)。MMP-9在無癥狀吸煙者和正在吸煙者在排痰性咳嗽中痰MMP-9濃度也存在正相關(guān)[26]，提示蛋白水解的活性增加了COPD患者的支氣管炎，研究不僅僅有血漿MMP-9 濃度，還有痰液MMP-9濃度[27-28]，說明MMP-9在局部和全身的炎癥反應(yīng)都扮演了重要的角色。肺氣腫早、中、晚期各個(gè)組間患者血清MMP-9升高水平并沒有顯著的差異，但還是可以看出MMP-9對(duì)肺組織的破壞作用隨著肺功能損傷嚴(yán)重程度的增加而更加明顯，提示COPD患者在急性加重期各組血清中MMP-9水平與氣道阻塞程度呈正相關(guān)。

四、MMP-9其他方面的研究進(jìn)展

1. 參與皮質(zhì)類固醇的抵抗及相關(guān)治療前景: COPD在感染下急性加重惡化，且抵抗糖皮質(zhì)激素，增加治療困難。研究發(fā)現(xiàn)CS和細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)促進(jìn)中性粒細(xì)胞的活化[29]，在暴露于CS的小鼠組，糖皮質(zhì)激素與阻擋MMP-9釋放的效力有關(guān)。支氣管肺泡灌洗液中，MMP-9的表達(dá)也適當(dāng)增加，提示了MMP-9參與了皮質(zhì)類固醇的抵抗。細(xì)胞外基質(zhì)金屬蛋白酶誘導(dǎo)物(extracellular matrix metalloproteinase inducer, EMMPRIN)在支氣管上皮細(xì)胞的表達(dá)比肺泡巨噬細(xì)胞和血液單核細(xì)胞多，EMMPRIN可降低MMP-9中mRNA的表達(dá)從而降低MMP-9的活性[30]，雖然目前還不清楚EMMPRIN是通過什么機(jī)制使MMP-9降低，但依然為COPD的治療提供了新的方向。同時(shí)，氣道重構(gòu)的核心就是MMPs的表達(dá)和調(diào)控，第三代高度選擇性MMP受體抑制劑和針對(duì)MMPs的單克隆抗體都為減輕氣道的重塑提供了有價(jià)值的治療方向。

2. MMP-9對(duì)于COPD診斷及評(píng)估治療的意義： 用邏輯回歸分析數(shù)據(jù)的方法，回顧分析活化的MMP-9/未活化的MMP-9匹配的數(shù)據(jù)[31]，結(jié)果表明MMP-9與COPD的嚴(yán)重性顯著相關(guān)，且獨(dú)立于患者的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征、吸煙狀況、惡化的肺功能、氣道阻塞情況、感染等情況。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)了MMP-9的低水平與COPD更高頻率的急性加重相關(guān)[20]。MMP-9與排痰性咳嗽、下降的FEV1相關(guān)，也和轉(zhuǎn)移因子的下降和斷層掃描上體現(xiàn)的肺的密度下降有關(guān)[32]。在患有COPD的吸煙患者的痰液、肺泡-灌洗液、血液和肺組織都發(fā)現(xiàn)了MMP-9的升高，并且上述研究也闡述了MMP-9對(duì)于氣道阻塞的評(píng)估有作用。

研究表明，經(jīng)過2周維生素D治療，與治療前相比較，AECOPD和COPD兩組治療后的MMP-2和MMP-9較治療前均顯著降低[5]，治療后與治療前比較均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。其機(jī)制可能為維生素D通過降低基質(zhì)金屬蛋白酶來平衡細(xì)胞外基質(zhì)，從而平衡蛋白酶和抗蛋白酶系統(tǒng)。提示MMP-2和MMP-9參與了COPD的發(fā)生與發(fā)展，補(bǔ)充維生素D能夠抑制基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)，在COPD發(fā)生發(fā)展中有重要作用。

雖然關(guān)于MMP-9在COPD的發(fā)病機(jī)制中的作用尚不夠明確，但眾多研究展開了各方面的探索，為今后更加全面認(rèn)識(shí)COPD奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段COPD的診斷主要依靠肺功能。由于其價(jià)值的局限性，生物學(xué)標(biāo)志物MMP-9為COPD的診斷提供了新的思路，MMP-9對(duì)于COPD患者治療方案的評(píng)估亦有潛在的應(yīng)用前景。MMPs相關(guān)的受體抑制劑和針對(duì)MMPs的單克隆抗體也為減輕氣道的重塑提供了新的治療方向。

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