基質金屬蛋白酶與慢性阻塞性肺疾病的相關研究進展

王鴻倫，呂美玉，強麗霞，商行，張亮，金壽德

(哈爾濱醫科大學附屬第四醫院呼吸內科，哈爾濱 150001)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種常見的肺部疾病，以持續性氣流受限為主要特征，可預防和治療[1]。COPD具有患病率高、致殘率高、病死率高的流行病學特點，由于其早期發病隱匿，臨床治療難度較大，給社會及患者家庭均帶來沉重負擔[2-3]。年齡以及主動、被動吸煙等是COPD的高危因素，其主要病理改變包括慢性氣道炎癥和肺泡結構破壞。蛋白酶-抗蛋白酶失衡可加速氣道組織和肺實質破壞，并通過細胞外基質(extracellular matrix，ECM)的過度降解以及炎癥因子的選擇調控參與氣道重構和肺泡上皮修復進程，從而促進COPD患者病情發展，而基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)在其中發揮重要作用[4-7]。炎癥因子浸潤及遺傳基因的多樣性均可影響MMP的結構和功能，而MMP的數量增加和(或)活性增強也會通過Wnt等信號通路及介質加重氣道結構和肺組織破壞，并延長損傷后的反復修復過程，導致COPD患者病情發展?，F就MMP與COPD的相關研究進展予以綜述。

1 MMP概述

MMP由氣道上皮細胞、巨噬細胞、肺泡Ⅱ型細胞、中性粒細胞等分泌，屬于依賴鋅、鈣等輔助因子活性降解ECM的內切蛋白水解酶家族。正常狀態下，人體外周血中的MMP水平較低[8]。ECM是組成肺泡壁的大分子物質，其合成與降解之間的平衡可調節組織與細胞的基礎活動，對維持肺泡結構穩定及改善肺功能均具有重要作用。一個典型的MMP包含前肽結構域、催化結構域、信號肽等基本結構。依據酶與底物的親和力及結構域的差異，MMP主要分為膠原酶、明膠酶、間質溶解酶和膜型MMP，MMP在細胞中主要以酶原的形式存在，被激活后才能產生相應功能；MMP的主要活化途徑包括：①MMP的半胱氨酸序列首先斷裂且部分活化，這個過程取決于胰蛋白酶、尿激酶等絲氨酸蛋白酶的降解作用，然后經其他金屬蛋白酶進一步分解形成可行使完全功能的MMP；②在原生質膜上被膜型MMP直接介導，在降解細胞周圍基質成分方面發揮特有功能；③在細胞內被激活[9]?？傊?，MMP可通過降解ECM成分(如明膠、彈性蛋白以及纖連蛋白、層粘連蛋白)影響氣道上皮細胞、肺泡細胞等的生長與遷移、黏附與分化。此外，MMP還可與多種炎癥因子相互促進，加重COPD的疾病進展。MMP在調節、維持氣道和肺部炎癥反應中起重要作用，其表達受白細胞介素(interleukin，IL)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)等細胞因子影響。與正常人相比，COPD患者TNF-α、IL-6水平顯著增高，導致MMP分泌增加，而MMP的分泌又可促進TNF-α、IL-6等活化，其中TNF-α可促進單核-巨噬細胞對局部組織的滲透及聚集，而IL-6可增強其他炎癥因子活性[6，8]。MMP還可通過一系列反應激活核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號通路，從而增加MMP的分泌及細胞間黏附分子-1的表達，促進炎癥細胞聚集，其中MMP-2、MMP-9、MMP-12在COPD疾病發展中發揮重要作用，其基因多態性可促進COPD進程，因此可作為COPD的候選臨床指標[8，10-15]。

MMP-2也稱明膠酶A，其催化區可憑借空間結構主導MMP-2與底物的連接方式，進而加強明膠酶與底物明膠的組合；其C端可介導與ECM或MMP抑制劑結合，從而影響其生理功能；信號肽區則可進行準確定位；前肽區的主要功能是維持酶原的穩定，在酶活化后被水解；鉸鏈區含有大量脯氨酸[16-17]。MMP-2的底物廣泛，包括變異的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原和天然的Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型膠原以及層粘連蛋白、彈性蛋白和纖連蛋白等。

MMP-9是MMP家族中分子量最大的酶，又稱明膠酶B，由單核細胞、中性粒細胞等產生[18]。MMP-9擁有特定的Ⅴ型膠原樣功能域，可與ECM選擇性結合；MMP-9的催化區有重復的Ⅱ型纖維連接蛋白結構域，可增強其與明膠或彈性蛋白的結合力，在人體生理、病理過程中起關鍵作用[19]。MMP-9是一種多功能酶，其底物廣泛，主要包括Ⅰ型、Ⅳ型膠原蛋白和彈性蛋白等。MMP-9可促進中性粒細胞向胞外轉移、聚集以及血管內皮細胞和平滑肌細胞增殖，同時還可降解蛋白多糖和核心蛋白，通過激活和釋放相關細胞因子參與氣道重構，促進COPD病情發展[8，19]。

MMP-12主要由巨噬細胞、中性粒細胞等分泌，可降解ECM。MMP-12主要有3個功能域，即促進酶催化作用的催化域、決定底物特異性的血紅素結合蛋白域以及維持酶原結構穩定性的前肽域[20]。MMP-12又稱巨噬細胞彈性蛋白酶，而彈性蛋白占人肺干重的20%以上，在肺內分布廣泛，可維持肺內小氣道的彈性回縮、避免其過度萎縮[21]。MMP-12的底物也較廣泛，且MMP-12還可激活其他MMP，從而放大蛋白水解作用，促進巨噬細胞活化及其他炎癥因子釋放，參與多種病理生理過程[21-23]。

2 MMP參與COPD

COPD典型的病理表現為氣道組織和肺實質破壞，這與氣道內炎癥反應以及長期處于有毒顆粒或氣體環境下導致的免疫細胞增殖活化有關，最終導致蛋白酶-抗蛋白酶失衡[5-7]?？諝庵械挠卸疚镔|可導致肺泡吞噬細胞的功能減弱及氣道屏障功能下降，從而促進肺泡巨噬細胞和中性粒細胞的聚集和活化，造成大量炎癥細胞浸潤，并釋放多種細胞因子產生炎癥效應，同時還可增強MMP活性、促進MMP產生，加速氣道重構進程。COPD患者的氣道重構以ECM成分沉積為主，MMP的作用則是降解ECM[4，10-11，21]，進而導致肺組織受損、結構破壞以及患者肺功能降低。Toll樣受體(Toll like receptor，TLR)、Wnt信號通路、NF-κB通路等均參與COPD進程，并可增強MMP的活性[8，24-25]。而蛋白酶活性增強可加速肺組織結構的破壞，加快肺泡間隔增寬的速度、肺泡及上皮細胞損傷的反復修復進程，同時還可放大炎癥反應、激活其他相應MMP，共同促進COPD的病情發展和持續加重。

2.1MMP參與COPD免疫炎癥反應 COPD患者病情不穩定、反復發作均與自身免疫系統功能低下相關。免疫系統主要通過抗原抗體的相互識別發揮功能，如TLR、Wnt蛋白等均可通過影響MMP的數量及活性參與COPD的發生發展。有研究發現，COPD患者的TLR2、TLR4水平顯著升高，且TLR2激活可促進外周血單核細胞中MMP-9、TNF-α等釋放，同時，在MMP的作用下，TLR2的生理功能明顯活躍[8，24，26]。此外，TLR2、TLR4還可促進NF-κB核轉位并使其激活[8，25]，而NF-κB是一種常見的轉錄因子，廣泛存在于真核細胞中，參與免疫炎癥反應及細胞增殖等。NF-κB是COPD炎癥催化過程中的重要信號分子，可介導MMP-2、MMP-9以及某些促炎細胞因子釋放[8，17]，而這些細胞因子也會促進NF-κB的激活。IκB(inhibitor of nuclear factor kappa-B)是NF-κB抑制劑，IκB激酶(inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase，IKK)由催化亞基IKKα、IKKβ和調節亞基IKKγ或NF-κB調節劑組成。IKK可以被TNF-α和IL-8激活，激活后的IKK可使IκB的絲氨酸殘基磷酸化和賴氨酸殘基泛素化，從而導致其降解并釋放NF-κB，隨后NF-κB易位至細胞核參與基因轉錄、調節下游基因表達等[8，24]。

MMP-2和MMP-9可裂解轉化生長因子-β并使其活化，而轉化生長因子-β與細胞因子結合形成絲氨酸/蘇氨酸激酶復合體，絲氨酸/蘇氨酸激酶復合體再與轉化生長因子-β受體結合，進一步激活下游底物和蛋白，同時活化的轉化生長因子-β也可進一步激活MMP-9；此外，表皮生長因子也可激活MMP-9，表皮生長因子可通過與其受體結合導致轉錄激活因子3磷酸化，進而促進MMP-9表達[27-28]。綜上可知，MMP與炎癥因子及其激活通路共同促進COPD的發展，因此可通過抑制其相關通路，延緩COPD進展。

此外，Wnt信號通路及相關因子也可通過調節MMP-2、MMP-9的表達參與COPD病情進展。根據Wnt信號通路激活是否依賴β聯蛋白(β-catenin)，可將其分為經典Wnt信號通路和非經典Wnt信號通路。過氧化物酶體增殖物激活受體δ是經典Wnt信號通路的下游靶點，其表達可抑制p38促分裂原活化的蛋白激酶活性和TNF-α分泌，進而影響MMP的表達[25]。有研究發現，與正常人相比，COPD患者上皮細胞中的Wnt-4水平顯著升高，而經外源性Wnt-4處理的人支氣管上皮細胞中的IL-6、IL-8分泌增加，同時伴隨CC趨化因子配體2、CC趨化因子配體5水平增加[29]。Durham等[30]研究表明，COPD患者上皮細胞和基質細胞中的Wnt-4表達均顯著增加，且Wnt-4可通過p38促分裂原活化的蛋白激酶信號通路參與氣道上皮IL-8的表達和CXC趨化因子配體8的分泌。由此可見，COPD病情進展離不開MMP特有的活性，炎癥反應與免疫應答通路均可通過影響MMP的數量及活性參與COPD進程。

2.2MMP參與COPD氣道重構及上皮細胞修復進程 COPD患者不完全可逆的氣流受限與其氣道重構有關[6，9]，同時伴隨氣道上皮細胞的反復修復且不完全修復過程。氣道重構以ECM沉積、氣道上皮細胞化生、氣道平滑肌增生等為主要結構表現形式，同時伴隨小氣道狹窄和肺功能進行性降低，因此干預并改善COPD氣道重構對患者預后非常重要?？諝庵械膽腋☆w粒、病原微生物、刺激性氣體均可損傷氣道上皮細胞及氣管黏膜纖毛系統，減弱肺泡吞噬細胞的功能和纖毛系統的作用。當氣道上皮細胞損傷時，機體會啟動修復機制修復其結構和功能。人體處于感染和煙霧等有害物質的長期刺激下，氣道上皮細胞處于反復破壞與修復中，并呈現不完全修復狀態，從而促進肺泡巨噬細胞和中性粒細胞的聚集和活化，分泌MMP；當蛋白酶的數量和活性超過抗蛋白酶的抑制作用時，ECM降解加速，進一步破壞肺組織，導致肺內小氣道阻塞進程加快，促進氣道重構的進程；同時，在氣道上皮細胞修復過程中，MMP-9分泌進一步增加，導致氣道上皮細胞黏附性降低，使氣道上皮細胞修復進程減慢[8]。當氣道組織損傷或發生惡變時，MMP-2的表達增加，進而導致其他MMP活性增強，加速肺泡壁的破壞進程[4]。

研究發現，COPD患者MMP-2、MMP-9信使RNA水平均顯著高于正常人群，且MMP-2、MMP-9蛋白在肺泡上皮細胞、肺泡巨噬細胞、血管平滑肌細胞中的表達均顯著上調；同時，肺組織中的MMP-2信使RNA及蛋白表達水平與第1秒用力呼氣容積占預計值百分比以及第1秒用力呼氣容積/用力肺活量比值均呈負相關[4]。COPD患者支氣管肺泡灌洗液中的MMP-9水平顯著高于正常人群，同時MMP-9前體水平也顯著增加，而MMP-9表達與氣流阻塞相關，且MMP-9基因的多態性與COPD發展相關[11，18-19]。MMP-12被認為是COPD病程進展的重要致損因子之一，其可促進其他MMP的激活，同時促進病情的反復發作[21]。有研究發現，COPD患者肺組織中的MMP-12表達上調，且其與第1秒用力呼氣容積占預計值百分比、第1秒用力呼氣容積/用力肺活量比值呈負相關[31]，提示COPD患者MMP-12表達增加可導致彈性蛋白和膠原蛋白分解加速，從而破壞肺泡和氣道的結構，加重局部炎癥反應，參與COPD的疾病進展。綜上，MMP-2、MMP-9、MMP-12均可引起COPD患者氣道重構的發生，因此抑制其活性或減少其產生均可延緩COPD肺組織與肺泡結構的破壞進程，減緩COPD發展進程。

2.3MMP參與COPD肺泡修復進程 蛋白酶活性增強可破壞肺組織結構，肺泡間隔增寬即是其所致結果之一，且與肺泡上皮細胞損傷后的修復異常有關。MMP與Wnt信號通路均可參與肺泡修復過程。在香煙煙霧和彈性蛋白酶誘導的肺氣腫模型中，Wnt/β-catenin信號通路相關因子的表達下調；在源于小鼠及COPD患者的體外肺組織培養模型中，激活Wnt/β-catenin信號通路可導致肺泡上皮細胞標志物的表達顯著增加、MMP-12的表達降低[25]。此外，抑制Wnt/β-catenin的表達可降低肺氣腫和COPD患者肺泡上皮細胞的創傷修復能力以及全肺勻漿中彈性成分的表達[32]。研究發現，缺乏Wnt-2A/2B小鼠的肺發育異常，敲除小鼠Wnt-5A可導致小鼠肺遠端氣道過度擴張及肺部間質增加[25]。研究發現，COPD患者肺成纖維細胞中的Wnt-5A表達增加，而過表達Wnt-5A可促進MMP-12等彈性蛋白酶所致的肺氣腫的發展過程；Wnt-5A可通過非經典Wnt途徑影響Wnt/β-catenin信號通路的功能，進而減弱肺上皮細胞創傷修復和再生能力；Wnt-5A/5B還可通過抑制Wnt/β-catenin信號阻礙肺泡上皮祖細胞的生長和分化[25，33]。由此可見，未來可通過影響Wnt信號通路、調節MMP的表達促進肺泡修復進程，從而影響肺部疾病的進展。

3 小 結

MMP在COPD的發生發展中具有重要作用，尤其是MMP-2、MMP-9、MMP-12在其中起紐帶作用。MMP-2、MMP-9、MMP-12可與TNF-α、IL-6、IL-8等炎癥因子協同促進COPD患者病情進展，而MMP遺傳多態性也可促進COPD患者疾病進程。因此，尋找MMP所對應的基因片段并誘導或抑制其表達，可控制或緩解COPD患者病情。同時，還可根據MMP-2、MMP-9、MMP-12的特性，尋找其引起COPD發生發展的相關信號通路，通過抑制相關信號通路的表達或降低其活性可減緩COPD患者的病情進展、改善COPD患者的生活質量、減輕患者護理及經濟負擔，為呼吸系統疾病的診治提供幫助。