基质金属蛋白酶在胸腔积液形成中作用的研究进展

吴伟东，刘清峰，姜锋

(暨南大学附属广州市红十字会医院, 广州 510220)

胸腔积液是以各种病因引起的液体过量积聚在胸膜腔为特点的一种常见临床症候。目前，多种疾病发展至晚期可有胸腔积液形成，如肿瘤、结核、肝硬化、心力衰竭、感染等，而这些疾病通过各种作用机制导致胸腔内液体的过量积聚，包括增加肺毛细血管压力、增加胸膜通透性、降低血浆胶体渗透压及淋巴管阻塞等，从而引起患者胸闷、呼吸困难、喘憋等临床症状。目前引起渗出性胸腔积液的病因主要以恶性肿瘤和肺结核最为常见[1]。但有部分胸腔积液患者通过详细的体格检查、影像学检查、胸腔积液细胞学及组织活检培养等检查后仍不能明确病因，影响疾病的诊断、治疗和预后[2]。因此，在肿瘤性(恶性)胸腔积液的诊断中，为胸腔积液疾病患者寻找快速、准确的诊断方法和有效的治疗措施成为近年来研究热点。研究[3, 4]表明，基质金属蛋白酶(MMPs)与恶性肿瘤的侵袭转移、血管生成及胸腔积液形成密切相关，并且在多种原因所致的胸腔积液中能检测到MMPs和基质金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)存在，提示MMPs和TIMPs可能在各种病因所致胸腔积液的形成中发挥重要作用。现就MMPs在不同病因引起的胸腔积液形成中作用研究进展综述如下。

1 MMPs概述

1.1 MMPs的结构、分类 MMPs是锌离子依赖性内肽酶的大家族，是细胞外基质、细胞凋亡及基底膜降解过程中必不可少的酶，对细胞外基质各种成分具有蛋白水解活性，通过降解各种细胞黏附分子，从而调节细胞-细胞和细胞-细胞外基质相互作用，在肿瘤侵袭、转移和胸腔积液形成中起重要作用，在侵袭、炎症、血管生成等各种病理生理过程中发挥作用[5]。其家族成员具有类似的结构，一般由功能不同的5个结构域组成，分别为疏水信号肽序列、前肽区、催化区、铰链区及跨膜区[6]。MMPs家族至少有28种。根据识别其内源性底物偏好将MMPs分成6类，分别为胶原酶、明胶酶、间质溶解素、基质溶解酶、膜型基质金属蛋白酶(MT-MMPs)及其他未分类的MMPs[7, 8]。

1.2 MMPs的调节 MMPs有3种形式的调节机制：①基因转录水平：多种因素导致MMPs转录水平变化，如生长因子、细胞因子和癌基因等；②酶原激活：多数MMPs从细胞中以非活性酶原(前酶)的形式表达，通过前肽结构域的半胱氨酸-巯基与催化结构域结合的锌离子间相互作用而保持活性，从而阻断酶原的激活。多数MMPs是由组织和血浆蛋白酶、细菌蛋白酶或其他MMPs的参与去除前肽结构域而激活；③酶活性抑制：TIMPs是低相对分子质量分泌型蛋白质家族，由血管内皮细胞、单核巨噬细胞、角质细胞、成纤维细胞等分泌，广泛存在于人体不同组织和体液内。TIMPs的N端功能区的半胱氨酸残基与MMP催化区锌离子活性中心结合，C端功能区与MMP的其他部位结合，形成1∶1的MMP-TIMP复合体，从而阻断MMP与底物的结合，抑制MMP活性[9]。目前已确定有4种亚型：TIMP-1是一种28.5 kD的糖蛋白，抑制所有激活的胶原酶；TIMP-2是一种21 kD的非糖基化蛋白，是MMP-2的抑制剂，可与原MMP-2形成复合物或以非结合形式分泌；TIMP-3和TIMP-4则是从cDNA文库中克隆出来[10]。MMPs在转录、翻译和蛋白质水平上受到严格调控，且与TIMPs水平保持动态平衡。同时MMPs/TIMPs值在调节相关组织的蛋白水解和控制组织损伤方面起关键作用[11]。

1.3 MMPs的功能 MMPs的功能包括降解细胞外基质、促进新生血管形成、调节细胞-细胞间的黏附、组织重塑及创伤修复等。同时MMPs在肿瘤、结核、心力衰竭、纤维化等病理生理过程发挥作用。如肿瘤的侵袭转移过程中，在MMPs的协助下肿瘤细胞从原发灶脱离、突破细胞外基质和基底膜、随血流或淋巴到达新的部位、促进新生血管生成、形成新的转移灶等。另外MMPs负责细胞外基质和基底膜的降解，在胸腔渗出液形成过程中起关键作用。在正常机体环境下，MMPs和TIMPs维持动态平衡，一旦平衡被打破，则会出现细胞外基质的降解或聚集，在细胞迁移、血管生成、组织重建等过程中发挥重要作用。而MMPs和TIMPs的不平衡存在于疾病各种病理生理过程中。MMPs和TIMPs在不同病因引起的胸腔积液中高表达，使得MMPs可能成为靶向治疗胸腔积液的有力手段，如巴马司他(BB-94)是最先合成并用于临床实验的MMPs抑制剂(MMPIs)，可减轻恶性胸腔积液和腹水，但目前在恶性胸腔积液的治疗上尚无满意结果。此外，还有其他的MMPIs处于临床试验阶段，应用效果并不是很好，不良反应难以解决[9,12]。

2 MMPs在肿瘤性恶性胸腔积液中的作用

胸膜腔内MMPs能通过降解细胞外基质及基底膜，同时可能通过改变间皮和内皮细胞层的完整性和增加血管壁通透性而在胸腔积液形成中发挥作用，促使积液流入胸膜间隙[13]。

恶性肿瘤是导致胸腔积液的主要原因之一，研究表明，42%～77%的胸腔渗出液继发于各种恶性肿瘤，包括肺癌、乳腺癌、胃癌、食管癌、肝癌、结直肠癌等[14]。关于MMPs和TIMPs与肿瘤侵袭、转移关系的研究多见，两者的动态平衡决定细胞外基质的降解程度，继而决定肿瘤的侵袭与转移，同时促进胸腔积液的形成。研究[15]发现，除成纤维细胞、内皮细胞、粒细胞和巨噬细胞外，肿瘤细胞亦可能参与MMP-9的产生，因此MMP-9对基底膜明胶/Ⅳ型胶原的降解被认为是肿瘤侵袭和转移的重要组成部分。不管肿瘤来源于哪种组织类型，过表达的MMPs均指向肿瘤的晚期和侵袭性阶段，而此阶段一般伴有胸腔积液的产生。研究证明，内皮细胞中高水平的MMP-2可促进细胞外基质降解，同时增加内皮细胞的迁移和血管内皮生长因子(VEGF)的释放，刺激新生血管形成，促进肿瘤细胞的侵袭与转移[16]。邱志雄等[17]研究认为，在细胞外基质的降解过程中，MMP-2能使与细胞外基质结合的生长因子如TGFG、bFGF等释放出来，而这些生长因子不仅能促进MMP酶原的大量合成，而且能使VEGF的表达上调，有利于肿瘤的转移和浸润。钱凌等[18]采用酶联免疫吸附试验法检测38例恶性胸腔积液和50例良性胸腔积液发现，恶性胸腔积液中MMP-7、MMP-10表达及各项MMPs/TIMPs值均高于良性胸腔积液，提示胸膜腔在受到恶性肿瘤侵袭转移过程中存在MMPs/TIMPs动态平衡破坏，促进了细胞外基质和基底膜的降解速率，同时导致血管壁通透性升高，引起胸腔积液的产生。其中MMP-7不但能使细胞外基质降解，还能通过降解E-钙黏素的方式来减弱细胞-细胞间的黏附作用，从而降低肿瘤细胞的接触性抑制，从而促进肿瘤细胞的转移和扩散。Fiorelli等[19]研究显示，MMP-9和TIMP-1在恶性胸腔积液中的表达明显高于良性胸腔积液，提示MMP-9主要来源于肿瘤中淋巴细胞，其表达既不受组织学和肿瘤起源的影响，亦不受胸腔积液中肿瘤细胞的影响。肿瘤细胞降解细胞外基质是肿瘤转移的关键步骤，而基底膜和间质基质是肿瘤扩散的第一道屏障。虽然有几种蛋白水解酶参与了这一过程，但MMP-9发挥了关键作用。

3 MMPs在结核性胸腔积液中的作用

结核性胸腔积液是由于胸膜下实质性病变破裂，少量的结核杆菌及其代谢产物进入胸膜腔，进而引发局部免疫反应，大量的炎性细胞、细胞因子和纤维素性蛋白进入胸膜腔内，导致胸膜通透性升高，促使胸腔积液形成[20]。

MMPs是结核病炎症反应和组织破坏的重要介导因子，通过对细胞外基质和基底膜的降解，参与胸腔积液的形成，且结核分枝杆菌已被证明能刺激受感染生物肺组织中MMP-9表达，同时炎症细胞可产生MMP-9，有助于细胞外基质降解和吸收[15]。El等[21]研究发现，胸膜结核组织中MMP-9活性呈较高水平，且在功能上与结核性肉芽肿存在紧密联系，并认为MMP-9活性在结核性胸膜疾病炎症发生发展中有特殊作用。Hsieh等[22]对125例胸腔积液患者研究发现，胸腔积液中ACE和MMP-9活性升高和ACE2活性降低是胸膜结核患者胸膜腔感染的特征，从而得出ACE与ACE2相互作用及MMP-9异常调节可能在结核性胸腔积液发生发展中起重要作用,同时表明血管紧张素1-7通过阻断PI3K/Akt、p38和JNK信号通路降低MMP-2和MMP-9表达和活性，发挥抗迁移和抗侵袭作用。Teixeira等[23]研究发现，MMP-8主要由炎症部位的中性粒细胞分泌，当受到结核或肿瘤病因影响时，可致MMP-8在胸腔积液中释放。研究[24]发现，当MMP-9分泌过多时，可致病情加重，从而有助于结核分枝杆菌的传播，促使胸腔积液形成。

4 MMPs在其他胸腔积液中的作用

肺炎、肝硬化、心力衰竭等均是胸腔积液形成的常见原因，而这些疾病和MMPs/TIMPs动态平衡有关。Iglesias等[25]研究发现，在脓胸或并发肺炎旁积液中MMP-1、MMP-9水平较高，尤其是MMP-8的浓度较高，且与PMN-E、IL-8、TNF-α、u-PA和PAI-1间有密切联系，感染性胸腔积液中TIMP-1异常增高可能是由于炎症介质刺激所致，胸膜腔对细菌损伤的反应，触发炎症级联和抑制纤溶，引起MMPs/TIMPs动态平衡失调，导致细胞外基质的崩解、炎症细胞和成纤维细胞向胸膜腔浸润，使得胸膜腔出现持续的局部炎症和胸膜肥厚。另外，Prystupa等[26]研究表明，MMP-2、MMP-8和MMP-9在酒精性肝病患者中的表达明显升高，提示酒精性肝炎已发展为肝硬化，随着肝组织MMPs含量增加，肝硬化患者血清MMP-2浓度明显升高，并与肝纤维化程度呈正相关。由MMPs调节的细胞外基质循环在心室重构中扮演重要角色。Morishita等[27]研究显示，在慢性心力衰竭患者中，MMP-9、TIMP-1和MMP-9/TIMP-1值与心力衰竭严重程度相关，即使低BNP水平的患者，在中位数109个月的长期随访中，高MMP-9水平亦是心力衰竭事件的强有力预测因素。在这些疾病所致的胸腔积液中均能检测到MMPs和TIMPs，但浓度远低于由肿瘤、结核所引起的胸腔积液者，说明MMPs和TIMPs与多种病因所致胸腔积液有关。

综上所述，MMPs在胸腔积液形成过程中有独特作用。早期针对相应MMPs给予药物干预可减少相关疾病的发生率。