基質金屬蛋白酶與肝纖維化關系的研究進展

戈宏焱， 張仕華

(1 內蒙古民族大學附屬醫院， 內蒙古民族大學臨床醫學院 消化內科，內蒙古 通遼 028000 ； 2 內蒙古民族大學， 內蒙古 通遼 028000)

基質金屬蛋白酶與肝纖維化關系的研究進展

戈宏焱1， 張仕華2

(1 內蒙古民族大學附屬醫院， 內蒙古民族大學臨床醫學院 消化內科，內蒙古 通遼 028000 ； 2 內蒙古民族大學， 內蒙古 通遼 028000)

各種原因所致的肝損傷均可導致肝纖維化的發生, 是慢性肝病向肝硬化轉變的病理過程。肝纖維化的形成是由于細胞外基質的合成增加和降解減少導致。而細胞外基質主要由基質金屬蛋白酶降解，基質金屬蛋白酶在肝纖維化的進展、診治過程中起著至關重要的作用。綜述了基質金屬蛋白酶與肝纖維化的關系。

肝硬化； 基質金屬蛋白酶類； 綜述

不同原因導致的慢性肝臟疾病均能引發肝纖維化，包括病毒性肝炎、酒精性肝病和非酒精性肝病等，皆是由于細胞外基質(ECM)的合成與降解失衡所導致[1]。ECM主要是由動物細胞合成并分泌到細胞外的一類大分子物質[2]，主要由膠原、非膠原糖蛋白、基質金屬蛋白酶(MMP)、基質金屬蛋白酶抑制劑(tissue inhibitors of metalloproteinase,TIMP)以及各種細胞因子等物質組成。這些物質構成的網架結構不僅對組織結構起著支持連接作用，同時在細胞的黏附、遷移、分化、增殖、活化等過程中也起著重要的調節功能。正常肝臟組織中ECM合成與降解處于動態平衡之中，MMP和TIMP的相互作用在維持ECM合成與降解平衡中起著關鍵作用[3]。肝臟受損時TIMP-1、TIMP-2 等表達上調,從而對組織內MMP產生普遍抑制作用,使MMP活性降低, 進而阻止了ECM的降解,導致ECM降解減少，沉積增多[4],最終導致肝纖維化的形成，進一步發展成為肝硬化。ECM主要由MMP降解，如果早期積極的采取干預措施，有效降解ECM能使肝纖維化逆轉。因此，MMP在逆轉肝纖維化進程中起著至關重要的作用。本文就MMP與肝纖維化的關系作一綜述。

1 肝纖維化的發病機制

肝纖維化的發生是細胞和分子間相互作用的結果,不同肝臟疾病導致的肝纖維化都有共同的病理特征[5]，肝細胞受到損傷和刺激時分泌血小板衍生生長因子TGFβ、TNF、IL-1等細胞因子和某些小分子物質，這些物質共同作用于肝星狀細胞(HSC)[6]，活化的HSC能刺激機體合成ECM(Ⅰ和Ⅲ型膠原)沉積在肝內。在這種狀態下，MMP通過降解膠原、蛋白多糖等ECM成分，從而影響肝臟組織結構發生重塑[7]。當肝細胞損傷進一步加重時，HSC分泌的TIMP-1、TIMP-2增加，從而使MMP活性受到抑制，使堆積的ECM無法降解，最終發生肝纖維化[8]。

2 MMPs家族成員

MMP在抗纖維化進程中對膠原蛋白和ECM的降解發揮著重要作用，這與MMPs的含量和種類密切相關。MMPs是一組具有高度同源性的內肽酶家族，屬于鋅依賴的肽鏈內切酶[9]。其生物學活性的維持需要Zn2+、Ca2+等離子的輔助和參與，其中Zn2+為酶活性中心的必須基團。目前，在人體中表達的MMPs發現了28種之多[10]，各種MMPs之間存在一段恒定的活性位點基因序列，可被蛋白水解酶激活，被TIMP抑制。MMPs又可以分為6大類，其中與肝纖維化關系最密切的是膠原酶和明膠酶兩類。膠原酶包括膠原酶-1(MMP-1)、膠原酶-2(MMP-8)、膠原酶- 3(MMP-13)和MMP-18,抗纖維化的機制是降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型纖維類膠原[11]；明膠酶包括明膠酶A(MMP-2)和明膠酶B(MMP-9)等，抗纖維化機制主要是降解明膠和層黏連蛋白，也可以降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原[12]。在肝纖維化發展過程中研究較多的是MMP-1、 MMP-2和MMP-9。

3 MMP的激活和抑制

MMP正常狀態下以無活性的酶原形式存在，其酶原活性部位的Zn2+受組氨酸的3個活性部位和半胱氨酸氮端殘基pro區域的抑制。酶原的激活需要蛋白水解酶水解氮端氨基酸pro區域和暴露MMP的催化部位，從而在細胞內外發生作用[13]。MMP一旦被激活就會受到TIMP的抑制，以保持二者的動態平衡。目前[14]人類已知的TIMPs共有4種(TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4)，是一組多基因編碼的蛋白。其中，TIMP-1和TIMP-2通過與血紅素結合蛋白結合對MMP-2和MMP-9發生抑制作用。由此可見，MMP/TIMP的平衡對于MMP的活性調節起著至關重要的作用。在肝纖維化形成過程中，MMP及其抑制因子的平衡起著關鍵作用，但肝纖維化形成的主要原因不是MMP的表達減少，而是TIMP-1和TIMP-2的進行性升高。有研究[15]表明通過抑制TIMP-2的活性可以有效阻斷肝纖維化的進一步發展。

4 MMP與肝纖維化

在多種因素刺激下，肝臟的創傷及修復失去原有的控制而導致慢性肝損傷[16]，包括病毒性肝炎、酒精/非酒精性肝炎等均可導致慢性肝病的發生。如果這些損傷因素持續存在，肝實質會被纖維瘢痕組織取代，導致肝纖維化的發生。在肝纖維化過程中，HSC被激活，刺激肝細胞分泌大量的MMP和TIMP，同時產生大量的ECM，尤其是膠原、連接蛋白和蛋白聚糖等的增加，膠原中又以Ⅰ型和Ⅲ膠原增多為主。在這個過程中ECM和MMP起著關鍵作用。另一方面，在肝纖維化過程中，MMP和TIMP對ECM的調節也起著重要作用。促進ECM各成分的降解是抗纖維化的重要途徑，而影響ECM降解的主要是MMP和TIMP之間的比例。研究[10]報道，多種MMPs均能在不同程度上降解肝纖維進程中的ECM成分。研究[17]報道MMP-1、MMP-8、MMP-13與肝纖維化模型大鼠的肝纖維程度和肝細胞增殖情況明顯相關,MMP-1、MMP-8、MMP-13的表達增加時，纖維化程度明顯減輕和肝細胞增殖程度增加。有研究[18]報道MMP-13主要在肝纖維化瘢痕相關巨噬細胞中表達，當MMP-13基因缺失時，肝纖維化的降解速率降低。此外，也有研究[19]報道MMP-2在肝纖維化降解過程中的作用主要是通過抑制Ⅰ型膠原或者通過抑制TIMP-1的表達，而不是直接蛋白水解膠原。TIMP是MMP專一的抑制劑,可與有活性的MMP不可逆結合,抑制其對ECM的降解活性，導致肝纖維化進展[20]。

4.1 MMP-1與肝纖維化的關系 MMP-1屬于膠原酶類，是MMP家族成員的一部分[21]，主要水解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原。正常機體中MMP-1的含量比較低，肝纖維化時，機體受到各種細胞因子的刺激使MMP-1被激活，表達增加。因此，通過上調MMP的表達和抑制TIMP的活性，可以逆轉早期肝纖維化。研究[22]發現MMP家族成員中對纖維蛋白原的降解作用活性最強的是MMP-1。其活性主要受TIMP-1的調節，肝纖維化早期時MMP-1的表達增加，對細胞外基質膠原的降解增強，并刺激肝細胞增殖，增殖的肝細胞釋放細胞生長因子[23]，進一步刺激肝細胞再生，從而達到修復損傷肝細胞的作用，維持正常肝組織的功能與結構。當肝纖維化明顯加劇時，TIMP-1的抑制作用加強，隨著肝纖維化的進一步加重，MMP-1的表達逐漸減低，對ECM中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原的降解逐漸減少，使肝纖維化進一步加重。

4.2 MMP-2與肝纖維化的關系 MMP-2在機體合成后以酶原的形式分泌到細胞間隙中, 其分子量大小約為72 kD[24]，并受多種生長因子、內分泌激素等物質的調節。MMP-2只有經過一系列的酶聯級反應被激活后才能發揮生物學作用。肝纖維化時，ECM的合成和降解失調。ECM主要由膠原、非膠原糖蛋白和蛋白多糖3種成分構成，均為不溶性蛋白，肝損傷時ECM的含量增加，各組分的含量和比例也會有不同程度的增加。而MMP-2參與ECM動態平衡的調節，在降解ECM中發揮著至關重要的作用，進而促進損傷肝組織的修復。MMP-2 在肝組織內主要降解膠原中的Ⅳ型膠原。近年來，有研究[25]表明，MMP-2表達增加時能降解Ⅰ型膠原；也有研究[26]發現Ⅰ型膠原可以通過ERK1/2、p38 通路活化MMP-2。隨著ECM中Ⅰ型膠原含量的降低，MMP-2的活化程度也隨之減弱，從而保持ECM的動態平衡。

4.3 MMP-9與肝纖維化的關系 MMP-9屬于MMP家族成員中的Ⅳ型膠原酶[27]，以無活性的酶原形式從細胞內分泌到細胞外，經過一系列的酶聯級反應后被激活，發揮生物學作用。MMP-9主要降解細胞基質中的Ⅳ型膠原和一些變性的膠原。有研究[27]報道MMP-3是MMP-9有效的激活劑，而TIMP-1是MMP-9的特異性抑制劑。隨著肝纖維化的加重，TIMP-1和MMP-9的表達隨之增加，但對于嚴重肝纖維化者TIMP-1的表達超過了MMP-9的表達，而使得MMP/TIMP比例失調，最終導致ECM的降解減少，引發肝纖維化。有研究[28]報道MMP-9能加重肝損傷和促進肝纖維化，尤其在慢性丙型肝炎肝纖維化患者中其促肝纖維化作用更明顯。也有研究[29]表明，MMP-9在肝纖維化逆轉作用中起著重要的作用，MMP-9可以促進HSC的凋亡，進而降低TIMP的水平，另一方面MMP-9 可以降解ECM中過多的Ⅳ型膠原、層黏連蛋白和纖維黏連蛋白等，并與MMP-1協同降解Ⅰ型膠原。MMP-9在肝纖維化的不同階段可能發揮著不同的生物學功能，其具體的機制尚需進一步的研究證實。

5 MMP與肝纖維化的治療

目前的觀點認為肝纖維化早期是可逆轉的,如果不及時加以干預，進一步發展會轉變為肝硬化甚至肝癌。近年來，利用基因水平治療肝纖維化的相關報道越來越多。以病毒為載體轉染靶細胞的技術，在臨床上應用越來越多，尤其是腺病毒載體技術應用較多，利用腺病毒載體轉染細胞，具有效率高、毒性和免疫原性低等優點。Liu等[30]用腺病毒作為MMP-8基因載體來治療乙酰胺誘導的肝纖維化大鼠的研究表明，基因治療組較對照組和模型組肝纖維化程度明顯減輕。Siller-Lopez等[31]通過構建(pro-MMP-8)腺病毒轉染Hela細胞的方法，將MMP-8基因傳遞的技術應用到小鼠肝纖維化模型中，結果表明基因治療方法能夠有效降解Ⅰ型膠原，從而達到抗纖維化的目的。目前，以非病毒為載體的基因傳導也有報道[32]，以MMP-1基因編碼的質粒DNA來治療鏈霉素誘導的腎纖維化，能夠有效的改善血清中纖維化指標。這種方法在肝纖維化大鼠模型中也可能有較好的治療效果。此外，以骨髓間充質干細胞(bone marrowmesenchymal stem cells，BMSC)為靶細胞[33]，用MMP-1基因轉染BMSC，通過攜帶有MMP-1基因的BMSC來治療肝纖維化大鼠，與對照組和模型組相比較，能明顯降低肝纖維化，改善肝功能指標。MMP基因治療肝纖維化能有效改善肝纖維化指標，為肝纖維化的治療提供新的研究方向。

6 小結

正常機體狀態下，肝組織中ECM的合成與降解處于動態平衡。當肝細胞受損時，TIMP-1、TIMP-2 表達上調，MMP活性降低,進而使ECM降解減少，最終導致肝纖維化的發生。值得注意的是，肝纖維化時期積極的干預和治療，肝臟的纖維化是可以逆轉的。研究MMP與肝纖維化之間的關系及其作用的分子機制，對于防治肝纖維化的發生和發展及從基因水平探討肝纖維化治療的新方法具有重要作用和意義。但是，肝纖維化與MMP的表達水平及其具體作用機制仍有待不斷探索與研究。

[1] BATALLER R, BRENNER DA. Liver fibrosis[J]. J Clin Invest, 2005, 115(2): 209-218.

[2] DUARTE S, BABER J, FUJII T, et al. Matrix metalloproteinases in liver injury, repair and fibrosis[J]. Matrix Biol, 2015, 44-46: 147-156.

[3] ROBERT S, GICQUEL T, VICTONI T, et al. Involvement of matrix metalloproteinases (MMPs) and inflammasome pathway in molecular mechanisms of fibrosis[J]. Biosci Rep, 2016，36(4): e00360.

[4] NIE QH, DUAN GR, LUO XD, et al. Expression of TIMP-1 and TIMP-2 in rats with hepatic fibrosis[J]. World J Gastroenterol, 2004, 10(1): 86-90.

[5] EBRAHIMI H, NADERIAN M, SOHRABPOUR AA. New concepts on pathogenesis and diagnosis of liver fibrosis; a review article[J]. Middle East J Dig Dis, 2016, 8(3): 166.

[6] KOCABAYOGLU P, LADE A, LEE YA, et al. β-PDGF receptor expressed by hepatic stellate cells regulates fibrosis in murine liver injury, but not carcinogenesis[J]. J Hepatol, 2015, 63(1): 141-147.

[7] FAN TT, HU PF, WANG J, et al. Regression effect of hepatocyte nuclear factor 4α on liver cirrhosis in rats[J]. J Dig Dis, 2013, 14(6): 318-327.

[8] MURPHY FR, ISSA R, ZHOU X, et al. Inhibition of apoptosis of activated hepatic stellate cells by tissue inhibitor of metalloproteinase-1 is mediated via effects on matrix metalloproteinase inhibition implications for reversibility of liver fibrosis[J]. J Biol Chem, 2002, 277(13): 11069-11076.

[9] GOMIS-RUTH FX. Structural aspects of the metzincin clan of metalloendopeptidases[J]. Mol Biotechnol, 2003, 24(2): 157-202.

[10] EGEBLAD M, WERB Z. New functions for the matrix metalloproteinases in cancer progression[J]. Nat Rev Cancer, 2002, 2(3): 161-174.

[11] TOKITO A, JOUGASAKI M. Matrix metalloproteinases in non-neoplastic disorders[J]. Int J Mol Sci, 2016, 17(7): 1178.

[12] JIA HZ, PENG XJ. Effect of matrix metalloproteinases in keratoconus[J]. Int Eye Sci, 2016, 16(9): 1644-1647. (in Chinese) 賈洪真, 彭秀軍. 基質金屬蛋白酶對圓錐角膜的影響[J]. 國際眼科雜志, 2016, 16(9): 1644-1647.

[13] MURPHY G, STANTON H, COWELL S, et al. Mechanisms for pro matrix metalloproteinase activation[J]. Apmis, 1999, 107(1-6): 38-44.

[14] BREW K, NAGASE H. The tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs): an ancient family with structural and functional diversity[J]. Biochim Biophys Acta, 2010, 1803(1): 55-71.

[15] BREYNAERT C, de BRUYN M, ARIJS I, et al. Genetic deletion of tissue inhibitor of metalloproteinase-1/TIMP-1 alters inflammation and attenuates fibrosis in dextran sodium sulphate induced murine models of colitis[J]. J Crohns Colitis, 2016, 10(11): 1336-1350.

[16] HERNANDEZ-GEA V, FRIEDMAN SL. Pathogenesis of liver fibrosis[J]. Annu Rev Pathol, 2011, 6: 425-456.

[17] ENDO H, NIIOKA M, SUGIOKA Y, et al. Matrix metalloproteinase-13 promotes recovery from experimental liver cirrhosis in rats[J]. Pathobiology, 2011, 78(5): 239-252.

[18] FALLOWFIELD JA, MIZUNO M, KENDALL TJ, et al. Scar-associated macrophages are a major source of hepatic matrix metalloproteinase-13 and facilitate the resolution of murine hepatic fibrosis[J]. J Immunol, 2007, 178(8): 5288-5295.

[19] ONOZUKA I, KAKINUMA S, KAMIYA A, et al. Cholestatic liver fibrosis and toxin-induced fibrosis are exacerbated in matrix metalloproteinase-2 deficient mice[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2011, 406(1): 134-140.

[20] SAFADI R, FRIEDRMAN SL. Hepatic fibrosis-role of hepatic stellate cell activation[J]. Med Gen Med, 2002, 4(3): 27-27.

[21] CAWSTON T, CARRERE S, CATTERALL J, et al. Matrix metalloproteinases and TIMPs: properties and implications for the treatment of chronic obstructive pulmonary disease[J]. Novartis Found Symp, 2001, 234: 205-218.

[22] QIAO Z, LI Y, LU H, et al. Expression of tissue levels of matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases in renal cell carcinoma[J]. World J Surg Oncol, 2013, 11: 1.

[23] IIMURO Y, NISHIO T, MORIMOTO T, et al. Delivery of matrix metalloproteinase-1 attenuates established liver fibrosis in the rat[J]. Gastroenterology, 2003, 124(2): 445-458.

[24] KANDASAMY AD, CHOW AK, ALI MA, et al. Matrix metalloproteinase-2 and myocardial oxidative stress injury: beyond the matrix[J]. Cardiovasc Res, 2010, 85(3): 413-423.

[25] ZOU LL, LIU R, LIU H, et al. Effect of agonists and inhibitorsof matrix metalloproteinases on expression of matrix metall-oproteinase 1/2 and collagen I in human scleral fibroblas [J]. Chin J Ophthalmol and Otorhinolaryngol, 2013, 13(2): 91-95. (in Chinese) 鄒蕾蕾, 劉睿, 劉紅, 等. MMPs激動劑和抑制劑對人鞏膜成纖維細胞MMP1/2以及Ⅰ型膠原表達的作用研究[J]. 中國眼耳鼻喉科雜志, 2013, 13(2): 91-95.

[26] KOONTONGKAEW S, AMOMPHIMOLTHAM P, MONTHANPISUT P, et al. Fibroblasts and extracellular matrix differently modulate MMP activation by primary and metastatic head and neck cancer cells[J]. Med Oncol, 2012, 29(2): 690-703.

[27] NAGASE H, VISSE R, MURPHY G. Structure and function of matrix metalloproteinases and TIMPs[J]. Cardiovasc Res, 2006, 69(3): 562-573.

[28] HELALY GF. Differences in circulating MMP-9 levels with regard to viral load and AST: ALT ratio between chronic hepatitis B and C patients[J]. Br J Biomed Sci, 2011, 68(1): 38-42.

[29] RAMACHANDRAN P, IREDALE JP. Liver fibrosis: a bidirectional model of fibrogenesis and resolution[J]. QJM, 2012, 105(9): 813-817.

[30] LIU J, CHENG X, GUO Z, et al. Truncated active human matrix metalloproteinase-8 delivered by a chimeric adenovirus-hepatitis B virus vector ameliorates rat liver cirrhosis[J]. PLoS One, 2013, 8(1): e53392.

[31] SILLER-LOPEZ F, SANDOVAL A, SALGADO S, et al. Treatment with human metalloproteinase-8 gene delivery ameliorates experimental rat liver cirrhosis[J]. Gastroenterology, 2004, 126(4): 1122-1133.

[32] YANG SW, LEE SM, CHOI EY, et al. Matrix metalloproteinase‐1 induces cleavage of exogenous alphab-crystallin transduced by a cell‐penetrating peptide[J]. J Cell Biochem, 2011, 112(9): 2454-2462.

[33] KUO TK, HUNG SP, CHUANG CH, et al. Stem cell therapy for liver disease: parameters governing the success of using bone marrow mesenchymal stem cells[J]. Gastroenterology, 2008, 134(7): 2111-2121, e1-e3.

引證本文：GE HY, ZHANG SH. Research advances in association between matrix metalloproteinases and liver fibrosis[J]. J Clin Hepatol, 2017, 33(3): 563-566. (in Chinese)

戈宏焱， 張仕華. 基質金屬蛋白酶與肝纖維化關系的研究進展[J]. 臨床肝膽病雜志, 2017, 33(3): 563-566.

(本文編輯：林 姣)

Research advances in association between matrix metalloproteinases and liver fibrosis

GEHongyan,ZHANGShihua.

(DepartmentofGastroenterology,AffiliatedHospitalofInnerMongoliaUniversityfortheNationalities,ClinicalMedicalCollegeofInnerMongoliaUniversityfortheNationalities,Tongliao,InnerMongolia028000,China)

Liver injury caused by various reasons can lead to the occurrence of liver fibrosis, which is the pathological process from chronic liver disease to liver cirrhosis. Liver fibrosis is caused by the increased synthesis and reduced degradation of extracellular matrix (ECM). ECM is mainly degraded by matrix metalloproteinases (MMP), and therefore, MMP play an important role in the progression and diagnosis/treatment of liver fibrosis. This article reviews the research advances in the association between MMP and liver fibrosis.

liver cirrhosis； matrix metalloproteinases； review

10.3969/j.issn.1001-5256.2017.03.037

2016-11-14；

2016-11-29。

內蒙古自然科學基金面上項目(2015MS0805)

戈宏焱(1980-)，女，博士，主要從事肝臟疾病的診治研究。

R575.2

A

1001-5256(2017)03-0563-04