MMP-9在口腔癌转移中的研究进展

高瑞琪，姜智雯，秦高伟，刘 新

(吉林大学中日联谊医院 口腔科，吉林 长春130033)

从世界范围看，头颈部恶性肿瘤的发病率较高，口腔恶性肿瘤属于头颈部肿瘤，位居全身恶性肿瘤的第六位。在我国，口腔颌面部的恶性肿瘤以鳞状细胞癌最为多见，占80%以上。口腔癌(OSCC)转移是导致患者死亡的主要原因，在肿瘤转移的过程中，肿瘤细胞诱导血管的形成、肿瘤细胞黏附能力的变化、破坏细胞外基质(ECM)，肿瘤细胞的运动能力和逃避免疫监视对肿瘤的转移也起了重要作用。基质金属蛋白酶(MMPs)能降解细胞外基质，破坏物理屏障，有利于肿瘤细胞的移动，并为新生的血管提供空间。在不同的恶性肿瘤中，经常可以观察到MMPS的过度表达[1],而MMP-9因其在肿瘤的侵袭，以及转移中重要的作用使得它成为研究最广泛的MMPs之一。近年来有研究发现MMP-9可以作为癌症生物学标志物，用来明确癌症的侵袭和转移[2]。本文介绍了MMP-9在口腔癌转移和侵袭中的作用及其在癌症检测诊断和治疗中的研究进展。

1 MMP-9的生物学特点

1.1 MMP-9的来源与结构

MMPs是一个具有 20 多个不同成员的锌依赖性内肽酶家族，最初在脊椎动物——北美蛙类尾巴中被发现[3]，可以分明胶酶、胶原酶、溶基质素、基质溶解素和膜型MMP等[1]。MMPS的表达受多种因素的影响，包括细胞因子、生长因子和肿瘤坏死因子等[4]，它可以在中性条件下与Zn2+或Ca2+等金属离子结合而发挥作用。MMP-9是锌依赖性内肽酶家族成员之一，也被称为明胶酶B,通常在内皮细胞、成骨细胞、破骨细胞、巨噬细胞和恶性肿瘤细胞中表达[5]。MMP-9包含血红素结合蛋白样结构域、催化结构域、信号肽、铰链区和前肽区，但其完整的蛋白酶结构仍不清楚。

MMP-9血红素结合蛋白样结构域是一个由四叶β螺旋桨组成的桶状结构，可以与明胶或胶原蛋白等物底物相互作用，使得该区域对于底物识别的特异性有着重要作用；血红素样结合蛋白样结构区域相对特殊性使得MMP-9在细胞功能中发挥不同的生物学作用。MMP-9的催化域包含Ⅱ型纤连蛋白(FN2)域、活性位点和锌结合区，这些催化结构区域在该酶的催化活动中起着关键作用[6]，其中FN2域对某些底物的结合和降解有着非常重要的作用。MMP-9的铰链区则赋予了血红素结合蛋白样结构域和催化结构域之间的灵活性，这对MMP-9的功能至关重要。MMP-9前肽区通过其半胱氨酸残基中的巯基与Zn2+协同作用而调节酶的活性[2]。

1.2 MMP-9的激活与抑制

MMP-9由19个氨基酸组成的N端信号肽的前酶原在细胞内被合成，随后它作为无活性的pro-MMP-9分泌到细胞外[7]。pro-MMP-9通过几种不同的机制被激活，包括蛋白水解激活、活性氧氧化、蛋白质巯基亚硝基化和变构激活等。MMP-9需要在pro-MMP-9分泌后被其他蛋白质切割后才能激活[8]。MMP-3是MMP-9最有效的激活因子[9]，pro-MMP-9分泌后，MMP-3等蛋白酶可以通过从 pro-MMP-9 中去除N端前肽区域来切割无活性的 pro-MMP-9 从而产生活性 MMP-9，激活后的MMP-9 可以在 MMP-9 切割位点切割其底物。其他与pro-MMP-9激活有关的蛋白酶还包括纤溶酶、组织蛋白酶G、MMP-2、MMP-7、MMP-10 和 MMP-13[5]。

金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)是MMPs的特异性内源性抑制剂，可以与MMP-9的血红素结合蛋白样结构域结合形成复合物，从而阻止MMP-9的激活[2]。已经确定了四种不同的TIMPs,包括TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3 和 TIMP-4。TIMPs的激活和抑制在癌症的生理病理中发挥着重要作用。另外一些人工改性的拟肽、非拟肽、化学改性四环素等也被用作基质金属蛋白酶抑制剂(MMPIs),MMPIs通过与催化结构域中的Zn2+结合而发挥作用，它可以抑制MMPs的活性，从而作为抗肿瘤药物应用于癌症的治疗[10]。

1.3 MMP-9的生物学功能

MMP-9可以降解基底膜(BM)，并可以使ECM及细胞外环境中的蛋白质降解，参与ECM的重建[11]，同时也可以改变细胞与细胞、细胞与ECM的相互作用[4]。通过这些作用使得MMP-9在癌细胞及癌症的迁移和侵袭、肿瘤的转移、血管生成以及肿瘤相关炎症中发挥重要作用。

2 MMP-9与OSCC

2.1 MMP-9与OSCC的侵袭和转移

在正常情况下，MMPs在机体内被严格调控并低水平表达，而MMPs的失调与过度表达则会引起癌症在内的各种疾病[1]。MMP-9与OSCC在内的许多癌症的侵袭和转移有关。MMP-9在BM的降解中发挥着重要的作用，BM中的IV型胶原蛋白等可以被MMP-9降解从而使BM遭到破坏，物理屏障——BM的破坏通常被认为是肿瘤侵袭和转移的重要步骤。MMP-9还可以通过切割细胞外基质蛋白以调节ECM重塑，它通过对ECM成分中Ⅱ、IV和V型胶原蛋白以及明胶的蛋白水解，从而促进癌细胞的扩散[12]。除此之外，MMP-9还可以通过调节血管内皮生长因子(VEGF)、促转化生长因子(pro-TGF-β1)和促肿瘤坏死因子(pro-TNF-α)等来调节癌症的发展[4]。一些研究发现OSCC患者中MMP-9的高水平表达与区域淋巴结的远处转移以及预后不良有关。

2.2 MMP-9与OSCC血管生成

实体肿瘤在没有新生血管形成的情况下只能生长1-2 mm，新生血管的形成可以为肿瘤细胞提供营养和氧气并支持其代谢活动，从而能够支持肿瘤更大的生长，在OSCC发展过程中，血管生成不仅与肿瘤生长有关，还与肿瘤的转移有关。MMP-9在血管生成的调控中有着双重作用。一方面，MMP-9通过从细胞外多糖中释放和激活VEGF来增强血管的生成，从而增强癌细胞的生长并促进转移。有研究发现MMP-9 和 VEGF 在侵袭性 OSCC 和转移性肿瘤中的表达水平明显高于非转移性肿瘤[13]。MMP-9还可以通过调节抗血管生成因子来抑制血管生成。与已发生多淋巴转移的原发肿瘤相比，未转移的 OSCC 原发肿瘤有着较高的内皮抑素水平，而在侵袭性肿瘤中可以观察到XVIII型胶原蛋白表达水平的降低 。这与MMP-9可以降解XVIII型胶原蛋白有关。MMP-9降解XVIII型胶原蛋白同时导致内皮抑素的释放，内皮抑素可以抑制血管的生成和内皮细胞的迁移。MMP-9可以使纤维酶原降解而产生血管抑制素，进而影响肿瘤细胞的生长[4]。除了内皮抑素和血管抑制素，MMP-9 还降解IV型胶原蛋白后还可以产生肿瘤抑素，肿瘤抑素亦可以抑制肿瘤中血管的生长。

2.3 MMP-9与OSCC相关的炎症

MMP-9与急性或慢性炎症相关，它可以促进炎症发展或者发挥消炎作用[3]。在OSCC中，无活性的转化生长因子β1(TGF- β1)可以被MMP-9激活；肿瘤细胞可以分泌白细胞介素1 β(IL-1β)并诱导脂质运载蛋白2的表达；脂质运载蛋白2、MMP-9 和脂质运载蛋白 2/MMP-9 复合物的血浆水平与OSCC患者的肿瘤大小及临床阶段有关。趋化因子CXCL8可诱导中性粒细胞释放MMP-9，CXCL8 表达增加与癌细胞迁移，诱导OSCC侵袭有关；趋化因子受体CXCR4 通过调节 MMP-9 表达来调节 OSCC 的侵袭。在OSCC中TGF-1β的水平升高可以导致转录因子Snail表达增强，Snail可以增加MMP-9的表达并触发上皮间质转化(EMT)，随后癌细胞改变它们的形态并减少它们的细胞间及细胞与基质的黏附，这使得癌细胞的侵袭和转移能力增强。

3 OSCC中MMP-9的研究进展

MMP-9在宫颈癌、卵巢癌、乳腺癌、结直肠癌、胰腺癌和OSCC中有着重要的预后意义，有研究表明MMP-9 作为各种癌症的潜在生物标志物有着重要的价值[2，14]。MMP-9的水平可以通过免疫组化分析、明胶酶谱、聚合酶链反应(PCR)以及酶联免疫吸附试验(ELISA)来测定。一些研究证实唾液中MMP-9水平可作为OSCC筛选和预后的标志物[15]，这种方法也因其操作简单、成本低廉等优点成为了高质量医疗保健领域的研发前沿。MMP-9因其在肿瘤生长、转移和调节血管生成中的重要作用，被认为是OSCC在内的多种癌症抗癌药物的重要靶点，调节和抑制MMP-9成为了癌症治疗的一种重要方法，这也使得对该酶家族的临床有效拮抗剂的开发引起了极大的关注。许多MMP-9抑制剂已被用于治疗癌症，但是大多数的MMP-9抑制剂因其选择性差、效果不明显以及抑制其他具有类似亲和力的基质金属蛋白酶而使其临床应用受阻。近年来联合分子建模技术，关于MMP-9抑制剂的相关研究取得了一些进展。在一些研究中通过应用药效团映射、分子对接分析、三维定量结-活性关系(3D-QSAR)和分子动力学模拟等技术等来筛选MMP-9 抑制剂[16-18]。除此之外，定量活性-活性关系(QAAR) 也被应用于设计选择性 MMP-9抑制剂[19-20]。根据这些分子建模技术，高效和选择性强的MMP-9抑制剂被开发设计用于抗癌治疗成为了可能。

4 结语

MMP-9与OSCC的发生、发展及远处转移密切相关。MMP-9 作为各种癌症的潜在生物标志物，可以检测OSCC的进展、转移能力及预后，也可以作为疾病的筛查指标以实现早发现早治疗；同时，针对MMP-9的靶向抗癌药物治疗策略或者MMP-9抑制剂的开发及使用也为OSCC的临床治疗提供了新的研究方法和方向。