MMP-9与肺部疾病的相关性研究

冯强 任寿安

20世纪60年代初,Gross和Lapiere首次在观察蝌蚪尾巴退化过程中分离出一种具有胶原蛋白水解活性的物质,并描述其为基质金属蛋白酶(MMPs)[1]。按照发现顺序MMPs家族已命名至MMP-28,其中有23种在人体组织中表达[2]。

MMP-9也称明胶酶-B,基因位点位于人类20号染色体q11.2-q13.1区[3],是其中分子量最大且结构最复杂的成员,从N端到C端包含五个结构域:信号肽区、氨基端前肽区、锌结合催化区、铰链区和羧基端类血红素蛋白结合区,其中催化结构域又包括纤维连接蛋白Ⅱ结构域、活性部位和锌结合区。它在免疫炎症、增殖、凋亡、迁移、侵袭、血管生成等诸多过程中发挥重要作用。

MMP-9在健康肺组织中的表达极低或检测不到。然而,在炎症或其他各类刺激因素(包括香烟烟雾)下,其表达水平显著增加,并且在慢性阻塞性肺疾病、特发性肺纤维化在内的各种肺部疾病中易于检测到[4]。

一、MMP-9与肺部疾病的关系

1. MMP-9与慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases,COPD)是一种可以预防和治疗的,以持续性呼吸道症状和不可逆气流受限为特征的慢性炎症性肺部疾病,发病率、死亡率逐年上升,炎症、氧化应激及蛋白酶-蛋白酶抑制剂失衡是COPD的主要病理生理机制已得到广泛认可[5]。MMP-9、TIMP-1(基质金属蛋白酶抑制剂-1)作为生物体内重要的一组蛋白酶-蛋白酶抑制剂,其在气道慢性炎症疾病中的基础作用已被充分证明[6, 7],研究发现在慢阻肺大鼠模型血清及肺泡灌洗液(BALF)中MMP-9水平升高,并且其升高程度与支气管壁壁厚成正相关,该机制可能是通过降解气道上皮下细胞外基质,促进上皮及炎症细胞迁移、成纤维细胞增生进而刺激胶原生成,致使气道重塑[8]。MMP-9作为参与COPD发病机制的众多炎症介质之一,与COPD发病及病情严重程度密切相关。有研究[9, 10]发现与健康对照组相比,COPD组患者血清MMP-9水平显著升高,并且与GOLD分级、CAT分数及临床病史时间成正相关,与FEV1成负相关;此外,Hao[11]等通过测定呼气凝聚物样本中MMP-9浓度也得到了同样的结论,并且发现吸烟者中其水平更高。以上研究通过在不同样本中探讨MMP-9与COPD 的关系最终得出一致的结论,更加有力地证实了MMP-9在COPD发病及病情评估方面存在重要价值。

慢阻肺急性加重是慢阻肺病程中的重要组成部分,早期预防、早期发现和及时治疗急性加重对于减轻疾病负担至关重要。Wells[12]等通过一项多中心前瞻性观察性研究发现COPD组中MMP-9升高组与明显的临床特征相关(更多是当前吸烟者、患慢性支气管炎的比例更高、白细胞计数及中性粒细胞百分比更高,嗜酸性粒细胞百分比更低),并且在随访34个月后,发现MMP-9升高组出现≥1次 AECOPD的绝对风险较MMP-9未升高组增加16%。有研究[13]发现牙周病原体包括F.nucleatum也与COPD恶化有关,其机制可能是通过细胞内ERK 和NF-κB激活来诱导MMP-9过表达实现的。此外,一项纳入1542名受试者的队列研究[14],通过测定血清MMP-9浓度,研究MMP-9与COPD患者预后的关系,该研究观察随访超过9年,结果显示COPD患者死亡率明显高于健康对照组,且COPD死亡组中血清MMP-9水平高于存活组,这表明血清MMP-9水平可能与患者死亡风险增加有关。

虽然包括吸烟在内的环境因素是COPD的主要危险因素,但遗传因素也与其发病率密切相关。在过去的十年中,已经进行了大量的研究来分析MMP的单核苷酸多态性与人群COPD患病风险之间的关系,但结果却并不一致。一项关于MMP-9 rs3918242多态性与COPD的荟萃分析表明[15]携带MMP-9 rs3918242 C等位基因的人群COPD患病风险高于T等位基因的人群,特别是在高加索人中,在中国人中没有发现这种差异。然而, Yang[16]等研究发现携带MMP-9 rs3918242 C等位基因的中国人群对COPD的易感性较高。总之,这些研究表明MMP-9可用于初诊COPD患者危险分层、评估病情严重程度、预测急性加重及死亡风险。

2. MMP-9与肺纤维化

肺纤维化(pulmonary fibrosis,PF)是一种慢行进行性炎症性肺间质疾病,其发生、发展与长期肺部炎症及持续性肺泡损伤、细胞外基质的损伤、修复和胶原纤维沉积密切相关。MMPs 是一类锌离子依赖的蛋白酶,通过多种途径参与肺纤维化的发病机制,由于其降解细胞外基质的潜力,MMPs在肺纤维化发病机制的背景下获得了极大的关注[17-19]。有研究证实MMP-9在特发性肺纤维化中表达水平增加,并且可能通过TGF-β1信号传导等途径促纤维化作用[20]。Bormann[21]等人通过构建小鼠肺纤维化模型,观察到小鼠肺组织裂解液和BALF中MMP-9、MMP-2水平显著升高,表明其在肺纤维化中发挥重要作用。为了进一步研究二者在肺纤维化过程中的作用,通过基因敲除技术分别敲除MMP-2或MMP-9将实验小鼠分为野生型小鼠、基因敲除MMP-2或MMP-9以及MMP-2和MMP-9组,观察各组间肺组织重塑没有显著差异,提示MMP-2和MMP-9在诱导肺纤维化过程中起从属作用。以上研究证实MMP-9在促进肺纤维化中起到一定的作用,虽然目前肺纤维化的发病机制尚未完全阐明,但MMP-9被认为是肺纤维化形成的下游通路是可以确定的。

鉴于MMP-9在肺纤维化中的作用,有研究提出或许可以将MMP-9作为肺纤维化疾病治疗的靶点,Espindola[22]等研究发现在肺纤维化小鼠模型中使用MMP-9抑制剂,显著降低了小鼠肺重塑。进一步研究发现其靶向治疗反应性与Ⅰ型干扰素的表达相关,在富含该因子的环境中应用MMP-9抑制剂通过降低TGF-β1信号传导和 MMP-9 基因表达,最终起到抗纤维化的作用;相反缺乏该因子,靶向阻断MMP-9并不会阻断纤维化过程。此外,研究发现艾拉莫德(IGU)可以减轻博来霉素诱导的肺纤维化,并且这种抗纤维化作用部分是通过抑制MMP-9实现[23]。这些发现提升了我们对MMP-9在肺纤维化中的认识,进一步证实阻断MMP-9通路可能成为肺纤维化治疗的新方向,但应考虑患者群体中细胞反应性的异质性。另有研究发现MMP-9基因多态性与肺纤维化存在密切关联, Zhang[24]等在一项纳入1571名受试者的病例对照研究中发现,与健康对照组相比,MMP-9 1562C> T基因多态性的TT基因和T等位基因频率在IPF组中显著升高,提示T等位基因可能是IPF发生的一个危险因素。糖皮质激素治疗后,TT、T/C、CC三组中MMP-9水平均较治疗前明显下降,但CC组下降更明显,表明MMP-9 1562C> T基因多态性可能影响糖皮质激素治疗IPF的疗效并可能预测IPF治疗结果。

3. MMP-9与非小细胞肺癌

肺癌是临床中最常见的恶性肿瘤,因其高发病率和低生存率而成为全球所有癌症死亡的主要原因,其中约85%为非小细胞肺癌(NSCLC)[25]。大多数患者在诊断时即表现为晚期NSCLC,因此临床工作中迫切需要一些监测肿瘤发生发展的生物标志物来更好的管理肺癌患者,MMP-9通过降解基底膜和细胞外基质破坏癌细胞侵袭屏障,在癌症迁移和侵袭中具有重要作用。

Zhang[26]等在一项纳入240例受试者的病例对照研究中发现NSCLC组血清MMP-9表达水平显著高于健康对照组,且其表达水平与肺癌TNM分期、分化程度、淋巴结转移、吸烟史及组织方式密切相关,表明MMP-9在肺癌病情评估方面起着重要作用,Xu等[27]的研究结果也证明了这一观点,同时还发现可以通过沉默TRIM66逆转过表达的MMP-9对NSCLC细胞迁移、侵袭和上皮-间充质转化的影响。此外,MMP-9被认为是预测肿瘤发生转移的有潜力的生物标志物,Balla[28]等通过一项纳入25例非转移性非小细胞肺癌患者的研究随访发现转移组血清MMP-9水平显著高于非转移组,且单因素分析发现MMP-9 AUC值为0.72(95%CI:0.46～0.99)。Rossano[29]等的研究也证实了65 kDa MMP-9在监测肿瘤进展并及早发现转移中发挥着重要作用,并且猜测未来可以通过靶向治疗抑制其水平延缓肿瘤进展。

现多项研究认为MMP-9在对预测肿瘤患者治疗预后存在一定价值,一项回顾性研究[30]表明监测血清MMP-9水平变化可能预测NSCLC患者化疗结局,并且发现血清CD147和血清MMP-9组合显著提高了NSCLC对患者化疗反应的预测能力。Ding[31]等在一项纳入96名受试者的病例对照研究中发现中晚期NSCLC组经放疗后,有效治疗组血清VEGF和MMP-9水平及活性均显著低于治疗前。表明监测血清VEGF和MMP-9水平可作为评估放疗治疗中晚期NSCLC疗效的新指标。

肺癌是环境因素(如吸烟、空气污染等)与遗传因素相互作用的结果。近年来有部分研究发现MMP-9相关基因与NSCLC可能存在一定关联。Huang[32]等通过一项荟萃分析发现MMP-9 rs3918242在所有人群的隐性或等位基因模型中与NSCLC发病率显著相关。Li[33]等人的研究得出了同样的结论,并且进一步发现MMP-9 CC基因型、MMP-13 GG基因型是可能得致癌基因型,未来联合检测MMP-9和MMP-13的基因多态性和酶活性有望成为NSCLC的潜在诊断方法。另有研究[34]通过分析肺癌样本和健康肺组织之间的差异表达基因,发现PTTG1和MMP-9基因是与肿瘤发生相关的关键特征基因,增加PTTG1或MMP-9基因表达可以促进细胞迁移和增殖,诱导集落形成并抑制细胞凋亡,表明这二者可能是治疗肺癌的重要靶基因。

二、小结

目前,部分肺部疾病患者仍面临着病情重、治疗效果欠佳、疾病负担较重等情况, 因此对相关疾病的诊断、治疗反应及预后评估等方面的研究非常重要。MMP-9作为一种重要的蛋白水解酶,与慢性阻塞性肺疾病、肺纤维化、非小细胞肺癌等肺部疾病的发病、进展及预后方面均存在一定联系,随着对其研究进一步深入,将有可能为肺部疾病诊治提供新思路。未来可能通过靶向干预MMP-9为肺部疾患的治疗提供一种新方法。