基質(zhì)金屬蛋白酶在肺部疾病的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展

張祥欽 江勇 薛芳

1深圳市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科 518000;2河北醫(yī)科大學(xué)期刊社,石家莊 050017

基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)因其可降解幾乎所有細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的特異性功能而一直備受醫(yī)學(xué)研究者的關(guān)注。正如我們所知,ECM一般由膠原蛋白、蛋白多糖、彈性蛋白、纖維連接蛋白等組成,細(xì)胞表面受體將信號通過ECM傳入細(xì)胞內(nèi),可以起到調(diào)控細(xì)胞生存、生長、遷移和分化等功能[1]。MMPs在ECM的組織重構(gòu)和蛋白轉(zhuǎn)換等方面發(fā)揮重要作用,因此影響細(xì)胞的功能調(diào)控,在人體許多疾病的診療方面得到應(yīng)用,其中就包括肺部疾病。本文就MMPs在常見肺部疾病的臨床應(yīng)用方面的研究進(jìn)展作一綜述。

1 MMPs

1.1 MMPs的分類與特性 MMPs來源于巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞以及成纖維細(xì)胞等,已知的MMPs可分為以下6類。(1)間質(zhì)膠原酶:MMP-1、MMP-8、MMP-13和MMP-18;(2)明膠酶:MMP-2和MMP-9;(3)基質(zhì)溶解素:MMP-7和MMP-26;(4)間質(zhì)溶解素:MMP-3、MMP-10、MMP-11和MMP-19;(5)膜型MMPs:MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-17、MMP-24和MMP-25;(6)其他MMPs:MMP-12、MMP-19、MMP-20、MMP-21、MMP-22、MMP-23、MMP-27和MMP-28。MMPs的分類及作用底物見表1。

表1 MMPs的分類及作用底物[2]

大多數(shù)MMPs具有以下共同的特性。(1)結(jié)構(gòu)上的高度同源性:40%～60%的同源性;(2)至少能降解1種ECM成分;(3)以酶原的形式分泌到ECM中,在細(xì)胞外被胰蛋白酶、纖溶酶等激活;(4)在中性p H值條件下依賴鋅(Zn2+)的存在以及鈣(Ca2+)的穩(wěn)定性發(fā)揮活性;(5)存在天然的激活劑和抑制劑[3]。MMPs活性通過MMP基因(m RNA)的表達(dá)、活化前酶的活性形式以及內(nèi)源性基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑(tissue inhibitors of metalloproteinases,TIMPs)的抑制作用等進(jìn)行調(diào)控[4]。

1.2 TIMPs TIMPs是MMPs的天然特異性組織抑制劑,細(xì)胞分泌MMPs的同時也分泌TIMPs,目前發(fā)現(xiàn)有4種:TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和TIMP-4。TIMPs通過在酶發(fā)生階段與MMPs前體形成復(fù)合物以及在MMPs活化階段與MMPs形成復(fù)合物2種途徑來實現(xiàn)對MMPs的抑制作用。但TIMPs的抑制作用選擇性較差,不但可抑制過表達(dá)的MMPs,同時也可以抑制正常表達(dá)的MMPs[2]。

2 MMPs與肺部疾病

2.1 MMPs與肺氣腫、COPD COPD的主要致病機制是蛋白酶-抗蛋白酶失衡,MMPs/TIMPs即為其中關(guān)鍵的一種。當(dāng)人體肺部存在慢性炎癥時,肺部的炎癥細(xì)胞,特別是肺泡巨噬細(xì)胞將會分泌MMPs,MMPs中的膠原酶(MMP-8等)、明膠酶(MMP-2、MMP-9)以及彈性酶(MMP-12等)參與降解ECM,隨著MMPs的分泌,肺泡巨噬細(xì)胞同時分泌TIMPs,但MMPs的量遠(yuǎn)比TIMPs要多,因此MMPs/TIMPs出現(xiàn)失衡,肺實質(zhì)被破壞,從而導(dǎo)致肺氣腫的發(fā)生。TIMPs的修復(fù)作用使膠原沉積,引起支氣管組織增厚、小氣道狹窄、重塑,最終導(dǎo)致COPD的發(fā)展[5]。

在肺氣腫及COPD的形成過程中,MMP-9起到重要作用。Abd El-Fatah等[6]通過檢測試驗對象外周血中MMP-9的m RNA水平,發(fā)現(xiàn)重度COPD組MMP-9的m RNA水平較非COPD吸煙者或中度COPD組增加2倍以上,極重度COPD組又較重度COPD組MMP-9 m RNA水平增加40%。另外,一些試驗證明MMP-9 m RNA表達(dá)與COPD患者第1秒用力呼氣容積(forced expiratory volume in the first second,FEV1)、FVC和FEV1/FVC呈負(fù)相關(guān)[7]。因此認(rèn)為MMP-9或許可以作為COPD級別和嚴(yán)重程度的生物標(biāo)志物。但是MMP-9的升高受香煙煙霧等影響明顯。Somborac-Baˇcura等[8]的研究表明在基礎(chǔ)條件下,COPD患者激活多形核白細(xì)胞釋放的MMP-9雖然明顯高于健康對照組(P=0.016),但健康受試者暴露于4%香煙抽提物或0%香煙抽提物環(huán)境下的多形核白細(xì)胞釋放的MMP-9濃度顯著高于COPD患者。而COPD患者大多長期暴露在香煙煙霧環(huán)境中,因此單純測量MMP-9值用于預(yù)測COPD的嚴(yán)重程度存在一定的局限,需要進(jìn)行更大規(guī)模的研究來證明結(jié)果的可重復(fù)性以及明確干擾因素的重要性。

彈性蛋白的破壞是肺氣腫的顯著特征,很多數(shù)據(jù)表明MMP-12具有直接破壞彈性蛋白的功能,因此提出選擇性抑制MMP-12或許可用于治療肺氣腫和小氣道重建。在Le Quément等[9]的實驗中,C57BL/L6小鼠接受選擇性MMP-12抑制劑——AS111793經(jīng)口灌胃給藥后暴露于香煙煙霧中,對其進(jìn)行支氣管肺泡灌洗以觀察炎癥標(biāo)志物的變化,研究發(fā)現(xiàn)暴露在香煙煙霧下的小鼠在第4天支氣管肺泡灌洗液中的中性粒細(xì)胞明顯減少,而在第11天肺泡巨噬細(xì)胞明顯減少。這證明MMP-12抑制劑確實可減少香煙煙霧相關(guān)的炎癥反應(yīng),從而避免炎癥引起的MMPs過多分泌所導(dǎo)致的肺氣腫及COPD的產(chǎn)生。許多實驗都證明了MMP-12在COPD發(fā)展過程中的重要性,但可能是因為MMP-12缺乏商業(yè)化特異性的抑制劑等原因,近年來鮮有文獻(xiàn)報道其在治療肺氣腫及COPD的研究情況。

2.2 MMPs與肺癌 肺癌按細(xì)胞類型分為小細(xì)胞肺癌和非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC),NSCLC包括腺癌、鱗狀細(xì)胞癌、大細(xì)胞癌,約占肺癌總數(shù)的85%。因為NSCLC確診時往往已經(jīng)為晚期,所以預(yù)后往往不良。MMPs可通過調(diào)控ECM功能來影響血管的生成以及腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移,與肺部腫瘤的進(jìn)展和轉(zhuǎn)移相關(guān)[10]。Ⅳ型膠原是血管基底膜的主要結(jié)構(gòu)蛋白,它的降解是腫瘤細(xì)胞侵襲血管的重要一環(huán)。以Ⅳ型膠原為底物的明膠酶MMP-2和MMP-9被認(rèn)為在腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移過程中起重要作用。其中又以MMP-2在體外腫瘤的侵襲性中的作用最為明顯。Li等[11]的研究發(fā)現(xiàn)使用石榴葉提取物可減少MMP-2、MMP-9的表達(dá),從而使NSCLC細(xì)胞株的遷移和侵襲受到抑制。Chetty等[12]利用一種腺病毒介導(dǎo)的miRNA對抗MMP-2基因,抑制MMP-2的表達(dá),進(jìn)而減少了肺癌的侵襲和轉(zhuǎn)移。因此,靶向抑制MMP-2被認(rèn)為是治療肺癌的一個極具潛力的發(fā)展方向。

另外,其他多種MMPs,如MMP-7、MMP-9、MMP-12、MMP-26同樣被證明可作為預(yù)測NSCLC患者預(yù)后的標(biāo)志物,這可能與它們均以Ⅳ型膠原為底物有關(guān)[13]。但就它們展開的相關(guān)實驗遠(yuǎn)沒有MMP-2和MMP-9多。

2.3 MMPs與肺纖維化 特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一種高發(fā)病率、高病死率的肺部疾病,是各種慢性肺部疾病的最終結(jié)局。目前IPF尚缺乏有效的治療方案,藥物治療只能延緩其進(jìn)展。它的機制尚不明確,可能與肺泡上皮細(xì)胞損傷/活化、成纖維細(xì)胞/肌纖維母細(xì)胞大量增殖及ECM過度沉積有關(guān)[14]。然而一些研究表明,大多數(shù)MMPs對肺纖維化的形成起到的是促進(jìn)作用而非抑制作用。其機制可能是以下幾點:(1)MMP-3、MMP-7等可促進(jìn)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化;(2)MMP-3、MMP-7和MMP-8等可以增加肺部促纖維化介質(zhì)的活性或降低肺部抗纖維化介質(zhì)的水平;(3)MMP-3、MMP-9等促進(jìn)上皮細(xì)胞異常遷移及其他異常修復(fù)過程; (4)MMP-10、MMP-28等誘導(dǎo)肺巨噬細(xì)胞表型由M1型轉(zhuǎn)變?yōu)镸2型;(5)MMP-8促進(jìn)纖維細(xì)胞遷移[14]。

早期識別IPF與其他纖維化性肺疾病對于IPF的治療來說至關(guān)重要,但遺憾的是目前能夠用于鑒別兩者的生物標(biāo)志物很少。Rosas等[15]測定IPF患者及家族性肺纖維化、亞臨床間質(zhì)性肺疾病患者血清中的MMP-7,結(jié)果發(fā)現(xiàn)IPF組血清中的MMP-7濃度明顯高于其他2組,因此認(rèn)為利用MMP-7在肺微環(huán)境中的過度表達(dá)可將IPF與其他慢性肺部疾病區(qū)分開來,從而提出用MMP-7等來鑒別IPF與其他纖維化性肺疾病。White等[16]研究證明當(dāng)MMP-7、血漿表面活性劑蛋白D、骨橋蛋白中一項高于閾值時(MMP-7＞1.75μg/L,血漿表面活性劑蛋白D＞31μg/L,骨橋蛋白＞6μg/L),IPF的OR值為4.4,而當(dāng)三者中有兩者均高于閾值時,IPF的OR值將升至5.0,因此認(rèn)為MMP-7聯(lián)合血漿表面活性劑蛋白D、骨橋蛋白可以提高IPF與其他特發(fā)性間質(zhì)性肺炎診斷的準(zhǔn)確性。

而Maldonado等[17]則認(rèn)為MMP-28定位于IPF患者肺上皮細(xì)胞,以MMP-28作為生物標(biāo)志物能更好地鑒別IPF患者和非IPF患者。在該研究中,IPF組和健康對照組血清中MMP-28的濃度顯著高于非IPF組,當(dāng)MMP-28水平超過4.5μg/L時,IPF診斷的概率顯著增加。研究者在實驗中同時檢測了血清中MMP-7的濃度,IPF組和健康對照組數(shù)值雖有升高,但對鑒別IPF和非IPF并無明確意義。

有研究報道MMP-13和MMP-19在肺纖維化小鼠模型中具有抗纖維化活性,MMP-1和MMP-10具有限制纖維化對損傷的反應(yīng)的潛力[14]。因此,許多研究者也努力嘗試探索它們作為IPF治療靶點的可能性,但目前它們多用于肝纖維化的治療方案,后續(xù)還需要投入更多研究以證明。

2.4 MMPs與肺動脈高壓 目前的研究已經(jīng)證明MMPs和TIMPs的失衡導(dǎo)致肺和心臟的ECM積累和重構(gòu)過程對肺動脈高壓的進(jìn)展起促進(jìn)作用[18]。Wetzl等[19]通過調(diào)查MMP-2、MMP-9、TIMP-1、TIMP-4在隨訪檢查時期的MMPs/TIMPs比值來預(yù)測特發(fā)性肺動脈高壓患者的預(yù)后,結(jié)果發(fā)現(xiàn)MMP-2/TIMP-4與平均肺動脈壓、肺血管阻力、腎小球濾過率和三尖瓣環(huán)狀平縮游走等具有良好的相關(guān)性。因此,認(rèn)為MMP-2/TIMP-4比值可作為疾病嚴(yán)重程度和右心室功能的標(biāo)志。右心衰竭是肺動脈高壓患者最常見的死亡原因。所以,MMP-2/TIMP-4比值可能有助于判斷特發(fā)性肺動脈高壓患者的疾病進(jìn)展,甚至預(yù)測生存期。

2.5 MMPs與肺結(jié)核 肉芽腫性炎癥和肺實質(zhì)的破壞是肺結(jié)核的主要特征,而結(jié)核引起的肉芽腫與結(jié)核分枝桿菌浸潤導(dǎo)致MMPs活性增強有關(guān)[20]。一些研究發(fā)現(xiàn)通過使用MMPs抑制劑,如多西環(huán)素、batimastat、marimastat和其他相關(guān)藥物來抑制MMPs活性、阻礙ECM破壞,從而減少肉芽腫的形成和細(xì)菌負(fù)荷,降低結(jié)核病相關(guān)的發(fā)病率和病死率[21-22]。batimastat是最早進(jìn)入臨床試驗的廣譜MMPs抑制劑之一,Izzo等[23]在感染結(jié)核桿菌的小鼠模型中使用batimastat進(jìn)行實驗,發(fā)現(xiàn)小鼠早期(40 d以前)肺內(nèi)的細(xì)菌負(fù)擔(dān)相對減輕,肉芽腫變小,然而在感染后第60天未見差異。Hernandez-Pando等[24]也曾進(jìn)行了類似的實驗,感染結(jié)核桿菌后立即對小鼠模型進(jìn)行batimastat治療,結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠1個月之后的病死率和組織學(xué)與對照組相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義,甚至病死率還有上升趨勢,這可能與batimastat自身的溶解性差和其相關(guān)的不良反應(yīng)有關(guān)系。

由此看來,單獨使用MMPs抑制劑治療肺結(jié)核不但無益,似乎還有害。Xu等[25]報道了MMPs抑制劑聯(lián)合異煙肼和利福平治療結(jié)核病的進(jìn)展,發(fā)現(xiàn)MMPs抑制劑可以導(dǎo)致覆蓋在外膜細(xì)胞的血管數(shù)量增加,增加受感染的肺組織的穩(wěn)定性,從而增強異煙肼和利福平的作用,提高藥效。令人遺憾的是,batimastat、marimastat等MMPs抑制劑多在Ⅲ期臨床試驗中以失敗告終,使得MMPs抑制劑的新藥開發(fā)研究陷入停滯。多西環(huán)素是目前美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的唯一一種MMPs抑制劑,Gonzalo等[26]嘗試研究阿米卡星聯(lián)合多西環(huán)素對結(jié)核分枝桿菌活性的影響,在實驗中對29株病原菌進(jìn)行藥物干預(yù),發(fā)現(xiàn)藥物在18株病原菌中有協(xié)同作用,而11株病原菌差異無統(tǒng)計學(xué)意義,在實驗中未發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)拮抗作用。該實驗肯定了多西環(huán)素在與其他藥物聯(lián)合使用治療結(jié)核方面具有很好的探索價值,使用多西環(huán)素等MMPs抑制劑作為抗結(jié)核藥物的輔助藥物可能是未來治療肺結(jié)核的一個新方向。

2.6 MMPs與支氣管哮喘 許多實驗已經(jīng)證明了MMPs在支氣管哮喘氣道重塑中的重要作用。Chung等[27]隨訪吸入糖皮質(zhì)激素治療及聯(lián)合治療5年的支氣管哮喘患者,發(fā)現(xiàn)FEV1下降快速組的MMP-9水平及MMP-9/TIMP-1比值均高于FEV1下降緩慢組,因此提示MMP-9和MMP-9/TIMP-1的升高是慢性氣道炎癥的一個重要指標(biāo),可導(dǎo)致支氣管哮喘患者肺功能下降。通過測量MMP-9水平可以反映支氣管哮喘的嚴(yán)重程度[28]。

2.7 MMPs與肺炎、ARDS MMPs在肺炎中的作用是復(fù)雜的。一方面,它保護(hù)機體免受自身免疫系統(tǒng)影響;另一方面,活化的MMPs可以促進(jìn)炎癥細(xì)胞向病灶處遷移,并且促進(jìn)病原體傳播,是各種類型肺炎發(fā)病的關(guān)鍵因素。Hong等[29]發(fā)現(xiàn)MMP-2、MMP-9可滅活細(xì)胞因子IL-17A,而IL-17A具有激活和募集中性粒細(xì)胞的作用。MMP-2、MMP-9可通過避免中性粒細(xì)胞的過度聚集而減輕中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)菌殺傷和吞噬,在他們的實驗中,肺炎鏈球菌感染的MMP-2/MMP-9雙缺失小鼠的病死率高于肺炎鏈球感染的正常小鼠。

ARDS的主要特征是肺泡損傷,當(dāng)肺泡損傷后,MMPs破壞組織屏障,中性粒細(xì)胞被募集到病灶處,使炎癥反應(yīng)加重。一項實驗同時對ARDS的動物模型和危重患者進(jìn)行MMP-9的檢測,發(fā)現(xiàn)由脂多糖誘導(dǎo)的ARDS動物模型血漿的MMP-9在12～24 h后達(dá)到峰值,而肺內(nèi)的MMP-9活性則在脂多糖灌注后72 h明顯增加;另外發(fā)現(xiàn),在被觀察的ARDS患者中MMP-9的活性與PaO2/FiO2呈負(fù)相關(guān)[30]。

肺纖維化和ECM重塑是COVID-19相關(guān)肺炎引起急性呼吸衰竭的一個重要機制[31]。Ueland等[32]對21例COVID-19發(fā)生呼吸衰竭的患者進(jìn)行炎癥指標(biāo)檢測,最后發(fā)現(xiàn)MMP-9水平在入院時和入院后3～5 d明顯升高,認(rèn)為MMP-9是急性呼吸衰竭理想的早期指標(biāo)。

3 結(jié)語

綜上所述,MMPs與肺部疾病的發(fā)生、發(fā)展有密切關(guān)系,但目前對MMPs的認(rèn)識相對有限,如一些特異性的靶點及MMPs抑制劑還需要進(jìn)一步的探索和研究。對MMPs亞類與相關(guān)肺疾病的發(fā)病機制的深入研究將有利于MMPs在肺部疾病的臨床診斷與治療中的應(yīng)用。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突