基質(zhì)金屬蛋白酶與慢性阻塞性肺疾病的相關(guān)研究進(jìn)展

王鴻倫，呂美玉，強(qiáng)麗霞，商行，張亮，金壽德

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院呼吸內(nèi)科，哈爾濱 150001)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種常見的肺部疾病，以持續(xù)性氣流受限為主要特征，可預(yù)防和治療[1]。COPD具有患病率高、致殘率高、病死率高的流行病學(xué)特點(diǎn)，由于其早期發(fā)病隱匿，臨床治療難度較大，給社會(huì)及患者家庭均帶來沉重負(fù)擔(dān)[2-3]。年齡以及主動(dòng)、被動(dòng)吸煙等是COPD的高危因素，其主要病理改變包括慢性氣道炎癥和肺泡結(jié)構(gòu)破壞。蛋白酶-抗蛋白酶失衡可加速氣道組織和肺實(shí)質(zhì)破壞，并通過細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)的過度降解以及炎癥因子的選擇調(diào)控參與氣道重構(gòu)和肺泡上皮修復(fù)進(jìn)程，從而促進(jìn)COPD患者病情發(fā)展，而基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)在其中發(fā)揮重要作用[4-7]。炎癥因子浸潤(rùn)及遺傳基因的多樣性均可影響MMP的結(jié)構(gòu)和功能，而MMP的數(shù)量增加和(或)活性增強(qiáng)也會(huì)通過Wnt等信號(hào)通路及介質(zhì)加重氣道結(jié)構(gòu)和肺組織破壞，并延長(zhǎng)損傷后的反復(fù)修復(fù)過程，導(dǎo)致COPD患者病情發(fā)展?，F(xiàn)就MMP與COPD的相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1 MMP概述

MMP由氣道上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、肺泡Ⅱ型細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等分泌，屬于依賴鋅、鈣等輔助因子活性降解ECM的內(nèi)切蛋白水解酶家族。正常狀態(tài)下，人體外周血中的MMP水平較低[8]。ECM是組成肺泡壁的大分子物質(zhì)，其合成與降解之間的平衡可調(diào)節(jié)組織與細(xì)胞的基礎(chǔ)活動(dòng)，對(duì)維持肺泡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及改善肺功能均具有重要作用。一個(gè)典型的MMP包含前肽結(jié)構(gòu)域、催化結(jié)構(gòu)域、信號(hào)肽等基本結(jié)構(gòu)。依據(jù)酶與底物的親和力及結(jié)構(gòu)域的差異，MMP主要分為膠原酶、明膠酶、間質(zhì)溶解酶和膜型MMP，MMP在細(xì)胞中主要以酶原的形式存在，被激活后才能產(chǎn)生相應(yīng)功能；MMP的主要活化途徑包括：①M(fèi)MP的半胱氨酸序列首先斷裂且部分活化，這個(gè)過程取決于胰蛋白酶、尿激酶等絲氨酸蛋白酶的降解作用，然后經(jīng)其他金屬蛋白酶進(jìn)一步分解形成可行使完全功能的MMP；②在原生質(zhì)膜上被膜型MMP直接介導(dǎo)，在降解細(xì)胞周圍基質(zhì)成分方面發(fā)揮特有功能；③在細(xì)胞內(nèi)被激活[9]?？傊?，MMP可通過降解ECM成分(如明膠、彈性蛋白以及纖連蛋白、層粘連蛋白)影響氣道上皮細(xì)胞、肺泡細(xì)胞等的生長(zhǎng)與遷移、黏附與分化。此外，MMP還可與多種炎癥因子相互促進(jìn)，加重COPD的疾病進(jìn)展。MMP在調(diào)節(jié)、維持氣道和肺部炎癥反應(yīng)中起重要作用，其表達(dá)受白細(xì)胞介素(interleukin，IL)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)等細(xì)胞因子影響。與正常人相比，COPD患者TNF-α、IL-6水平顯著增高，導(dǎo)致MMP分泌增加，而MMP的分泌又可促進(jìn)TNF-α、IL-6等活化，其中TNF-α可促進(jìn)單核-巨噬細(xì)胞對(duì)局部組織的滲透及聚集，而IL-6可增強(qiáng)其他炎癥因子活性[6，8]。MMP還可通過一系列反應(yīng)激活核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號(hào)通路，從而增加MMP的分泌及細(xì)胞間黏附分子-1的表達(dá)，促進(jìn)炎癥細(xì)胞聚集，其中MMP-2、MMP-9、MMP-12在COPD疾病發(fā)展中發(fā)揮重要作用，其基因多態(tài)性可促進(jìn)COPD進(jìn)程，因此可作為COPD的候選臨床指標(biāo)[8，10-15]。

MMP-2也稱明膠酶A，其催化區(qū)可憑借空間結(jié)構(gòu)主導(dǎo)MMP-2與底物的連接方式，進(jìn)而加強(qiáng)明膠酶與底物明膠的組合；其C端可介導(dǎo)與ECM或MMP抑制劑結(jié)合，從而影響其生理功能；信號(hào)肽區(qū)則可進(jìn)行準(zhǔn)確定位；前肽區(qū)的主要功能是維持酶原的穩(wěn)定，在酶活化后被水解；鉸鏈區(qū)含有大量脯氨酸[16-17]。MMP-2的底物廣泛，包括變異的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原和天然的Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型膠原以及層粘連蛋白、彈性蛋白和纖連蛋白等。

MMP-9是MMP家族中分子量最大的酶，又稱明膠酶B，由單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等產(chǎn)生[18]。MMP-9擁有特定的Ⅴ型膠原樣功能域，可與ECM選擇性結(jié)合；MMP-9的催化區(qū)有重復(fù)的Ⅱ型纖維連接蛋白結(jié)構(gòu)域，可增強(qiáng)其與明膠或彈性蛋白的結(jié)合力，在人體生理、病理過程中起關(guān)鍵作用[19]。MMP-9是一種多功能酶，其底物廣泛，主要包括Ⅰ型、Ⅳ型膠原蛋白和彈性蛋白等。MMP-9可促進(jìn)中性粒細(xì)胞向胞外轉(zhuǎn)移、聚集以及血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞增殖，同時(shí)還可降解蛋白多糖和核心蛋白，通過激活和釋放相關(guān)細(xì)胞因子參與氣道重構(gòu)，促進(jìn)COPD病情發(fā)展[8，19]。

MMP-12主要由巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等分泌，可降解ECM。MMP-12主要有3個(gè)功能域，即促進(jìn)酶催化作用的催化域、決定底物特異性的血紅素結(jié)合蛋白域以及維持酶原結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前肽域[20]。MMP-12又稱巨噬細(xì)胞彈性蛋白酶，而彈性蛋白占人肺干重的20%以上，在肺內(nèi)分布廣泛，可維持肺內(nèi)小氣道的彈性回縮、避免其過度萎縮[21]。MMP-12的底物也較廣泛，且MMP-12還可激活其他MMP，從而放大蛋白水解作用，促進(jìn)巨噬細(xì)胞活化及其他炎癥因子釋放，參與多種病理生理過程[21-23]。

2 MMP參與COPD

COPD典型的病理表現(xiàn)為氣道組織和肺實(shí)質(zhì)破壞，這與氣道內(nèi)炎癥反應(yīng)以及長(zhǎng)期處于有毒顆粒或氣體環(huán)境下導(dǎo)致的免疫細(xì)胞增殖活化有關(guān)，最終導(dǎo)致蛋白酶-抗蛋白酶失衡[5-7]?？諝庵械挠卸疚镔|(zhì)可導(dǎo)致肺泡吞噬細(xì)胞的功能減弱及氣道屏障功能下降，從而促進(jìn)肺泡巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的聚集和活化，造成大量炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，并釋放多種細(xì)胞因子產(chǎn)生炎癥效應(yīng)，同時(shí)還可增強(qiáng)MMP活性、促進(jìn)MMP產(chǎn)生，加速氣道重構(gòu)進(jìn)程。COPD患者的氣道重構(gòu)以ECM成分沉積為主，MMP的作用則是降解ECM[4，10-11，21]，進(jìn)而導(dǎo)致肺組織受損、結(jié)構(gòu)破壞以及患者肺功能降低。Toll樣受體(Toll like receptor，TLR)、Wnt信號(hào)通路、NF-κB通路等均參與COPD進(jìn)程，并可增強(qiáng)MMP的活性[8，24-25]。而蛋白酶活性增強(qiáng)可加速肺組織結(jié)構(gòu)的破壞，加快肺泡間隔增寬的速度、肺泡及上皮細(xì)胞損傷的反復(fù)修復(fù)進(jìn)程，同時(shí)還可放大炎癥反應(yīng)、激活其他相應(yīng)MMP，共同促進(jìn)COPD的病情發(fā)展和持續(xù)加重。

2.1MMP參與COPD免疫炎癥反應(yīng) COPD患者病情不穩(wěn)定、反復(fù)發(fā)作均與自身免疫系統(tǒng)功能低下相關(guān)。免疫系統(tǒng)主要通過抗原抗體的相互識(shí)別發(fā)揮功能，如TLR、Wnt蛋白等均可通過影響MMP的數(shù)量及活性參與COPD的發(fā)生發(fā)展。有研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者的TLR2、TLR4水平顯著升高，且TLR2激活可促進(jìn)外周血單核細(xì)胞中MMP-9、TNF-α等釋放，同時(shí)，在MMP的作用下，TLR2的生理功能明顯活躍[8，24，26]。此外，TLR2、TLR4還可促進(jìn)NF-κB核轉(zhuǎn)位并使其激活[8，25]，而NF-κB是一種常見的轉(zhuǎn)錄因子，廣泛存在于真核細(xì)胞中，參與免疫炎癥反應(yīng)及細(xì)胞增殖等。NF-κB是COPD炎癥催化過程中的重要信號(hào)分子，可介導(dǎo)MMP-2、MMP-9以及某些促炎細(xì)胞因子釋放[8，17]，而這些細(xì)胞因子也會(huì)促進(jìn)NF-κB的激活。IκB(inhibitor of nuclear factor kappa-B)是NF-κB抑制劑，IκB激酶(inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase，IKK)由催化亞基IKKα、IKKβ和調(diào)節(jié)亞基IKKγ或NF-κB調(diào)節(jié)劑組成。IKK可以被TNF-α和IL-8激活，激活后的IKK可使IκB的絲氨酸殘基磷酸化和賴氨酸殘基泛素化，從而導(dǎo)致其降解并釋放NF-κB，隨后NF-κB易位至細(xì)胞核參與基因轉(zhuǎn)錄、調(diào)節(jié)下游基因表達(dá)等[8，24]。

MMP-2和MMP-9可裂解轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β并使其活化，而轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β與細(xì)胞因子結(jié)合形成絲氨酸/蘇氨酸激酶復(fù)合體，絲氨酸/蘇氨酸激酶復(fù)合體再與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β受體結(jié)合，進(jìn)一步激活下游底物和蛋白，同時(shí)活化的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β也可進(jìn)一步激活MMP-9；此外，表皮生長(zhǎng)因子也可激活MMP-9，表皮生長(zhǎng)因子可通過與其受體結(jié)合導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活因子3磷酸化，進(jìn)而促進(jìn)MMP-9表達(dá)[27-28]。綜上可知，MMP與炎癥因子及其激活通路共同促進(jìn)COPD的發(fā)展，因此可通過抑制其相關(guān)通路，延緩COPD進(jìn)展。

此外，Wnt信號(hào)通路及相關(guān)因子也可通過調(diào)節(jié)MMP-2、MMP-9的表達(dá)參與COPD病情進(jìn)展。根據(jù)Wnt信號(hào)通路激活是否依賴β聯(lián)蛋白(β-catenin)，可將其分為經(jīng)典Wnt信號(hào)通路和非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路。過氧化物酶體增殖物激活受體δ是經(jīng)典Wnt信號(hào)通路的下游靶點(diǎn)，其表達(dá)可抑制p38促分裂原活化的蛋白激酶活性和TNF-α分泌，進(jìn)而影響MMP的表達(dá)[25]。有研究發(fā)現(xiàn)，與正常人相比，COPD患者上皮細(xì)胞中的Wnt-4水平顯著升高，而經(jīng)外源性Wnt-4處理的人支氣管上皮細(xì)胞中的IL-6、IL-8分泌增加，同時(shí)伴隨CC趨化因子配體2、CC趨化因子配體5水平增加[29]。Durham等[30]研究表明，COPD患者上皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞中的Wnt-4表達(dá)均顯著增加，且Wnt-4可通過p38促分裂原活化的蛋白激酶信號(hào)通路參與氣道上皮IL-8的表達(dá)和CXC趨化因子配體8的分泌。由此可見，COPD病情進(jìn)展離不開MMP特有的活性，炎癥反應(yīng)與免疫應(yīng)答通路均可通過影響MMP的數(shù)量及活性參與COPD進(jìn)程。

2.2MMP參與COPD氣道重構(gòu)及上皮細(xì)胞修復(fù)進(jìn)程 COPD患者不完全可逆的氣流受限與其氣道重構(gòu)有關(guān)[6，9]，同時(shí)伴隨氣道上皮細(xì)胞的反復(fù)修復(fù)且不完全修復(fù)過程。氣道重構(gòu)以ECM沉積、氣道上皮細(xì)胞化生、氣道平滑肌增生等為主要結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式，同時(shí)伴隨小氣道狹窄和肺功能進(jìn)行性降低，因此干預(yù)并改善COPD氣道重構(gòu)對(duì)患者預(yù)后非常重要?？諝庵械膽腋☆w粒、病原微生物、刺激性氣體均可損傷氣道上皮細(xì)胞及氣管黏膜纖毛系統(tǒng)，減弱肺泡吞噬細(xì)胞的功能和纖毛系統(tǒng)的作用。當(dāng)氣道上皮細(xì)胞損傷時(shí)，機(jī)體會(huì)啟動(dòng)修復(fù)機(jī)制修復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能。人體處于感染和煙霧等有害物質(zhì)的長(zhǎng)期刺激下，氣道上皮細(xì)胞處于反復(fù)破壞與修復(fù)中，并呈現(xiàn)不完全修復(fù)狀態(tài)，從而促進(jìn)肺泡巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的聚集和活化，分泌MMP；當(dāng)?shù)鞍酌傅臄?shù)量和活性超過抗蛋白酶的抑制作用時(shí)，ECM降解加速，進(jìn)一步破壞肺組織，導(dǎo)致肺內(nèi)小氣道阻塞進(jìn)程加快，促進(jìn)氣道重構(gòu)的進(jìn)程；同時(shí)，在氣道上皮細(xì)胞修復(fù)過程中，MMP-9分泌進(jìn)一步增加，導(dǎo)致氣道上皮細(xì)胞黏附性降低，使氣道上皮細(xì)胞修復(fù)進(jìn)程減慢[8]。當(dāng)氣道組織損傷或發(fā)生惡變時(shí)，MMP-2的表達(dá)增加，進(jìn)而導(dǎo)致其他MMP活性增強(qiáng)，加速肺泡壁的破壞進(jìn)程[4]。

研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者M(jìn)MP-2、MMP-9信使RNA水平均顯著高于正常人群，且MMP-2、MMP-9蛋白在肺泡上皮細(xì)胞、肺泡巨噬細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞中的表達(dá)均顯著上調(diào)；同時(shí)，肺組織中的MMP-2信使RNA及蛋白表達(dá)水平與第1秒用力呼氣容積占預(yù)計(jì)值百分比以及第1秒用力呼氣容積/用力肺活量比值均呈負(fù)相關(guān)[4]。COPD患者支氣管肺泡灌洗液中的MMP-9水平顯著高于正常人群，同時(shí)MMP-9前體水平也顯著增加，而MMP-9表達(dá)與氣流阻塞相關(guān)，且MMP-9基因的多態(tài)性與COPD發(fā)展相關(guān)[11，18-19]。MMP-12被認(rèn)為是COPD病程進(jìn)展的重要致?lián)p因子之一，其可促進(jìn)其他MMP的激活，同時(shí)促進(jìn)病情的反復(fù)發(fā)作[21]。有研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者肺組織中的MMP-12表達(dá)上調(diào)，且其與第1秒用力呼氣容積占預(yù)計(jì)值百分比、第1秒用力呼氣容積/用力肺活量比值呈負(fù)相關(guān)[31]，提示COPD患者M(jìn)MP-12表達(dá)增加可導(dǎo)致彈性蛋白和膠原蛋白分解加速，從而破壞肺泡和氣道的結(jié)構(gòu)，加重局部炎癥反應(yīng)，參與COPD的疾病進(jìn)展。綜上，MMP-2、MMP-9、MMP-12均可引起COPD患者氣道重構(gòu)的發(fā)生，因此抑制其活性或減少其產(chǎn)生均可延緩COPD肺組織與肺泡結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)程，減緩COPD發(fā)展進(jìn)程。

2.3MMP參與COPD肺泡修復(fù)進(jìn)程 蛋白酶活性增強(qiáng)可破壞肺組織結(jié)構(gòu)，肺泡間隔增寬即是其所致結(jié)果之一，且與肺泡上皮細(xì)胞損傷后的修復(fù)異常有關(guān)。MMP與Wnt信號(hào)通路均可參與肺泡修復(fù)過程。在香煙煙霧和彈性蛋白酶誘導(dǎo)的肺氣腫模型中，Wnt/β-catenin信號(hào)通路相關(guān)因子的表達(dá)下調(diào)；在源于小鼠及COPD患者的體外肺組織培養(yǎng)模型中，激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路可導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)顯著增加、MMP-12的表達(dá)降低[25]。此外，抑制Wnt/β-catenin的表達(dá)可降低肺氣腫和COPD患者肺泡上皮細(xì)胞的創(chuàng)傷修復(fù)能力以及全肺勻漿中彈性成分的表達(dá)[32]。研究發(fā)現(xiàn)，缺乏Wnt-2A/2B小鼠的肺發(fā)育異常，敲除小鼠Wnt-5A可導(dǎo)致小鼠肺遠(yuǎn)端氣道過度擴(kuò)張及肺部間質(zhì)增加[25]。研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者肺成纖維細(xì)胞中的Wnt-5A表達(dá)增加，而過表達(dá)Wnt-5A可促進(jìn)MMP-12等彈性蛋白酶所致的肺氣腫的發(fā)展過程；Wnt-5A可通過非經(jīng)典Wnt途徑影響Wnt/β-catenin信號(hào)通路的功能，進(jìn)而減弱肺上皮細(xì)胞創(chuàng)傷修復(fù)和再生能力；Wnt-5A/5B還可通過抑制Wnt/β-catenin信號(hào)阻礙肺泡上皮祖細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化[25，33]。由此可見，未來可通過影響Wnt信號(hào)通路、調(diào)節(jié)MMP的表達(dá)促進(jìn)肺泡修復(fù)進(jìn)程，從而影響肺部疾病的進(jìn)展。

3 小 結(jié)

MMP在COPD的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用，尤其是MMP-2、MMP-9、MMP-12在其中起紐帶作用。MMP-2、MMP-9、MMP-12可與TNF-α、IL-6、IL-8等炎癥因子協(xié)同促進(jìn)COPD患者病情進(jìn)展，而MMP遺傳多態(tài)性也可促進(jìn)COPD患者疾病進(jìn)程。因此，尋找MMP所對(duì)應(yīng)的基因片段并誘導(dǎo)或抑制其表達(dá)，可控制或緩解COPD患者病情。同時(shí)，還可根據(jù)MMP-2、MMP-9、MMP-12的特性，尋找其引起COPD發(fā)生發(fā)展的相關(guān)信號(hào)通路，通過抑制相關(guān)信號(hào)通路的表達(dá)或降低其活性可減緩COPD患者的病情進(jìn)展、改善COPD患者的生活質(zhì)量、減輕患者護(hù)理及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，為呼吸系統(tǒng)疾病的診治提供幫助。