MMPs和RAGE参与机械通气肺损伤的研究进展

陈翔 黄霞 廖品琥

【关键词】 MMPs;RAGE;VILI

中图分类号：R563.8 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2018.06.025

机械通气（mechanical ventilation，MV）是救治危重病患者的重要手段之一，但机械通气对肺组织的牵张作用也可导致机械通气肺损伤（ventilator induced lung injury，VILI）[1]。基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）通过对肺基底膜的重塑，参与VILI的生物伤过程，同时，晚期糖基化终末产物受体（receptorf or advanced glycation end-products，RAGE）是介导MMPs活性的重要受体，参与介导肺损伤过程的炎性细胞因子释放[2～3]。本文综述MMPs、RAGE及它们在VILI中的互相作用。

1 MMPs概况

1.1 MMPs的分类

MMPs根据作用底物不同被分为5大类。第一类为膠原酶，主要水解底物是纤维素胶原，包括MMP-1、MMP-8、MMP-13、MMP-18;第二类为明胶酶，作用底物为Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型胶原，包括明胶酶A（MMP-2）和明胶酶B（MMP-9）;第三类为基质水解酶类，其水解底物比较广泛，主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅸ型胶原、蛋白聚糖、明胶等，包括MMP-3、MMP-10、MMP-11;第四类是膜型MMPs;第五类是其他MMPs[4]。

1.2 MMPs的结构

MMPs结构上具有高度同源性，所有MMPs基因由同源性的10个外显子，9个内含子组成。MMPs基因经一系列加工处理后，形成并具有以下5个结构域。①信号肽区域：将翻译的产物引导进入内质网，由第1外显子编码;②酶原肽段区域：在催化激活时裂解使MMPs酶原被激活，由第2外显子编码;③催化活性区：该区域为锌离子结合的位点，促使酶催化作用的发挥，由第3～5外显子编码;④富含脯氨酸的铰链区：连接催化活性区和C-羧基末端;⑤C-羧基末端：参与识别大分子底物及与金属蛋白酶组织抑制剂（tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs）结合，与酶的底物特异性相关[5]。

1.3 MMPs/TIMPs的调节

TIMPs是一组能抑制MMPs活性的多功能因子，主要由巨噬细胞、成纤维细胞和内皮细胞合成。目前发现的TIMPs有4种，TIMP1～4，其中TIMP1～2能抑制所有已知MMPs活性。TIMPs主要通过对MMPs的负性调节，参与ECM重塑和机体的病理生理过程：①在MMPs酶原的活化阶段，TIMPs通过与MMPs结合，形成稳定的复合体，阻碍酶原的激活和MMPs的活化;②在活化的MMPs阶段，TIMPs与活化的MMPs结合形成紧密的复合体，阻断MMPs与底物结合而抑制其活性[6]。

2 MMPs参与VILI 进程

生理状态下，MMPs在肺内极低量表达，MMPs/TIMPs处于动态平衡状态，维持ECM的结构完整和功能正常。VILI时，机械张力导致肺内皮细胞和上皮细胞损伤，促使中性粒细胞聚集、激活并释放MMPs，使血浆MMPs上升，并通过MMPs/TIMPs之间的动态调节，影响VILI的发展和转归;同时，VILI的进程与MMPs的表达也相互影响[7]。

机械牵张促使肺血管内皮细胞MMP-2表达上升，MMP-2水平随机械牵张时间增加而上升，协同使用刀豆球蛋白A并不能升高MMP-2的表达水平，提示机械牵张引起MMP-2水平升高[8]。而Haseneen等研究发现机械牵张时膜型1-MMP增加引起了MMP-2的活化，提示机械牵张可以通过膜型1-MMP激活MMP-2参与VILI。机械牵张小鼠胎肺细胞，MMP-2水平升高，MMP-9表达下降，MMP-2表达升高可造成ECM的过度降解以及肺泡上皮基底膜的断裂，MMP-9则更多参与ECM重塑与修复，而非造成炎症反应，这些研究结果表明机械牵张引起MMP-2水平升高和MMP-9表达下降，最终促使肺细胞损伤加重，影响VILI的发展和转归[9]。在VILI进程中，炎性因子如TNF-α、IL-1β等的释放也能提高MMP-2的表达水平，造成肺泡通透性上升，加重肺的损伤[10]。

在实验动物，MV后新生兔肺组织中MMP-2表达水平显著上升，肺组织学观察结果显示，MMP-2表达变化与病理损伤程度一致，提示MMP-2水平可反映肺损伤程度[11]。大潮气量通气促使大鼠MMP-2和MMP-9活性升高，表明MMP-2和MMP-9处于活化状态，对ECM及气管壁和肺泡结构的破坏作用增强，且肺组织MMP-2 mRNA和MMP-9 mRNA表达水平上升，但TIMP-1 mRNA和TIMP-2 mRNA的表达无明显变化，伴随有肺泡壁弥漫性出血水肿及肺泡结构的破坏，PaO2/FiO2下降，提示MMPs与其抑制剂TIMP之间的比例失衡，可能是VILI发生的因素[12]。机械通气导致肺组织有不同程度的中性粒细胞和巨噬细胞浸润，支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中巨噬细胞计数与MMP-9表达水平呈正相关，且MMP-9表达水平与VILI病理改变程度呈正相关;肺组织中性粒细胞计数、活性与肺组织中MMP-9的表达和活性呈正相关，应用四环素类衍生物，抑制中性粒细胞的活性，MMP-9的表达与活性下降，肺损伤程度降低，这些研究结果提示巨噬细胞和中性粒细胞均通过分泌MMP-9参与VILI进展，而MMP-9的表达升高引起ECM的重塑，导致上皮细胞受损，炎症细胞迁移到肺泡腔，释放炎症因子，产生瀑布效应[13]。在MMP-3和MMP-9的基因缺失后，MV的炎性反应和肺损伤程度减轻[14～15]。因此，MV能引起MMPs活性和表达水平的改变，导致MMPs/TIMPs比例失调，参与VILI进展。

3 RAGE概况

RAGE属于免疫球蛋白超家族的膜受体[16]，是多配体受体，在肺组织中主要表达于肺泡巨噬细胞、内皮细胞等。RAGE通过与不同配体结合，促进细胞内氧化应激反应，引起细胞和组织损害[17]。

3.1 RAGE结构

RAGE基因定位于6p21.3，共含有11个外显子，是由胞外域、跨膜域和胞内域共同组成的膜受体，胞外域主要能结合配体;胞内域能结合各种细胞内信号分子，与RAGE信号转导有关[18]。RAGE主要有3种异构体，由蛋白酶水解或者mRNA的选择性剪切产生。①全长型RAGE：具有完整的胞内域，跨膜域和胞内域结构。胞外段具有V型片段紧接2个C型片段的免疫球蛋白样结构，其V型片段含有2个N-糖基化位点，为配体结合部位;胞内段较短。②N端截短型RAGE：N端缺乏V型免疫球蛋白样区域，一般不能与配体结合。③C端截短的RAGE：又称可溶性晚期糖基化终末产物受体（souble receptor for advanced glycation end-products，sRAGE），缺乏C端部分序列。sRAGE仅由胞外段構成，保留与配体结合的能力，但由于缺失跨膜域和胞内域而没有激活信号转导通路功能。sRAGE可与全长RAGE竞争结合配体，抑制信号转导，从而保护细胞免受损伤[19]。

3.2 RAGE参与VILI进程

生理状态下，RAGE主要表达于肺泡Ⅰ型细胞，主要起维持肺泡稳定的作用，在其他组织和细胞中表达较低。机械张力激活细胞表面RAGE，通过与配体相互作用，引起下游炎性因子的转录;同时，机械牵张促使细胞膜表面的RAGE胞外段裂解，通过毛细血管和肺泡壁渗透到血液和肺泡水肿液中，导致RAGE/sRAGE之间出现动态调节，影响VILI的发展和转归[20]。受机械牵张的肺泡上皮细胞，通过激活MAPK的P38α信号转导通道，使RAGE和其mRNA表达量明显上升，调节RAGE的表达，RAGE与配体结合激活信号通路导致下游炎性因子转录，参与了肺损伤的过程[21]。在实验动物，通过NF-κB信号转导通道的激活，MV后小鼠肺组织的RAGE mRNA表达明显上升，小鼠BALF中中性粒细胞数和IL-6、IL-1β等炎症因子水平明显上升，但在RAGE基因敲除的小鼠，MV后RAGE mRNA的炎性细胞因子的表达水平无明显变化，这些实验结果提示是MV引起RAGE的炎性细胞因子的上升表达[22～23]。sRAGE与RAGE竞争结合配体，减低IL-6、MIP-2等炎性细胞因子的表达[22]。肺保护性通气的使用，降低了患者BALF中RAGE和血浆sRAGE的表达水平，抑制RAGE胞外段裂解形成sRAGE，减少了炎症因子的释放，促使PaO2/FiO2下降，减轻肺损伤，改善患者的预后[20～24]。

4 MMPs与RAGE相互作用参与VILI进程

RAGE可通过与配体结合，激活相应的细胞信号转导通道促进炎性因子和MMPs的表达，炎症细胞激活也会释放MMPs。而RAGE通过与AGEs的结合，促使巨噬细胞MMP-9的表达升高[25]。这些研究结果提示，RAGE可以调控MMPs的表达水平，造成ECM的重塑和基底膜的损伤，参与VILI的肺损伤进程。大鼠肺泡上皮细胞的MMP-3、MMP-13与RAGE的表达水平相关，抑制MMP-3、MMP-13活性，RAGE表达也下降，组织学结果显示肺病理损伤程度下降，提示RAGE表达水平与MMPs和肺损伤程度相关。MMP-3、MMP-13还可以促使RAGE胞外段裂解形成sRAGE，sRAGE通过与RAGE竞争结合配体，从而限制肺损伤程度[26]。MMP-9是RAGE介导的ECM和胶原降解的下游效应物，RAGE转基因小鼠的肺泡Ⅱ型细胞中RAGE过度表达，肺组织MMP-9表达升高，病理显示肺泡基底膜破坏，胶原降解，导致肺泡通透性上升，肺水肿[27]。使用抑制MMP-9活性的多西环素预处理MV的小鼠，其肺组织MMP-9活性降低， 其竞争结合配体sRAGE表达上升，抑制RAGE信号通路的激活，减轻肺损伤[28]。因此，RAGE、MMPs共同参与了VILI的发生发展。

5 结语

MMPs和RAGE与VILI的发生发展密切相关，但其在VILI中的作用机制仍需进一步研究。

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