MMP-9與肺部疾病的相關性研究

馮強 任壽安

20世紀60年代初,Gross和Lapiere首次在觀察蝌蚪尾巴退化過程中分離出一種具有膠原蛋白水解活性的物質,并描述其為基質金屬蛋白酶(MMPs)[1]。按照發現順序MMPs家族已命名至MMP-28,其中有23種在人體組織中表達[2]。

MMP-9也稱明膠酶-B,基因位點位于人類20號染色體q11.2-q13.1區[3],是其中分子量最大且結構最復雜的成員,從N端到C端包含五個結構域:信號肽區、氨基端前肽區、鋅結合催化區、鉸鏈區和羧基端類血紅素蛋白結合區,其中催化結構域又包括纖維連接蛋白Ⅱ結構域、活性部位和鋅結合區。它在免疫炎癥、增殖、凋亡、遷移、侵襲、血管生成等諸多過程中發揮重要作用。

MMP-9在健康肺組織中的表達極低或檢測不到。然而,在炎癥或其他各類刺激因素(包括香煙煙霧)下,其表達水平顯著增加,并且在慢性阻塞性肺疾病、特發性肺纖維化在內的各種肺部疾病中易于檢測到[4]。

一、MMP-9與肺部疾病的關系

1. MMP-9與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases,COPD)是一種可以預防和治療的,以持續性呼吸道癥狀和不可逆氣流受限為特征的慢性炎癥性肺部疾病,發病率、死亡率逐年上升,炎癥、氧化應激及蛋白酶-蛋白酶抑制劑失衡是COPD的主要病理生理機制已得到廣泛認可[5]。MMP-9、TIMP-1(基質金屬蛋白酶抑制劑-1)作為生物體內重要的一組蛋白酶-蛋白酶抑制劑,其在氣道慢性炎癥疾病中的基礎作用已被充分證明[6, 7],研究發現在慢阻肺大鼠模型血清及肺泡灌洗液(BALF)中MMP-9水平升高,并且其升高程度與支氣管壁壁厚成正相關,該機制可能是通過降解氣道上皮下細胞外基質,促進上皮及炎癥細胞遷移、成纖維細胞增生進而刺激膠原生成,致使氣道重塑[8]。MMP-9作為參與COPD發病機制的眾多炎癥介質之一,與COPD發病及病情嚴重程度密切相關。有研究[9, 10]發現與健康對照組相比,COPD組患者血清MMP-9水平顯著升高,并且與GOLD分級、CAT分數及臨床病史時間成正相關,與FEV1成負相關;此外,Hao[11]等通過測定呼氣凝聚物樣本中MMP-9濃度也得到了同樣的結論,并且發現吸煙者中其水平更高。以上研究通過在不同樣本中探討MMP-9與COPD 的關系最終得出一致的結論,更加有力地證實了MMP-9在COPD發病及病情評估方面存在重要價值。

慢阻肺急性加重是慢阻肺病程中的重要組成部分,早期預防、早期發現和及時治療急性加重對于減輕疾病負擔至關重要。Wells[12]等通過一項多中心前瞻性觀察性研究發現COPD組中MMP-9升高組與明顯的臨床特征相關(更多是當前吸煙者、患慢性支氣管炎的比例更高、白細胞計數及中性粒細胞百分比更高,嗜酸性粒細胞百分比更低),并且在隨訪34個月后,發現MMP-9升高組出現≥1次 AECOPD的絕對風險較MMP-9未升高組增加16%。有研究[13]發現牙周病原體包括F.nucleatum也與COPD惡化有關,其機制可能是通過細胞內ERK 和NF-κB激活來誘導MMP-9過表達實現的。此外,一項納入1542名受試者的隊列研究[14],通過測定血清MMP-9濃度,研究MMP-9與COPD患者預后的關系,該研究觀察隨訪超過9年,結果顯示COPD患者死亡率明顯高于健康對照組,且COPD死亡組中血清MMP-9水平高于存活組,這表明血清MMP-9水平可能與患者死亡風險增加有關。

雖然包括吸煙在內的環境因素是COPD的主要危險因素,但遺傳因素也與其發病率密切相關。在過去的十年中,已經進行了大量的研究來分析MMP的單核苷酸多態性與人群COPD患病風險之間的關系,但結果卻并不一致。一項關于MMP-9 rs3918242多態性與COPD的薈萃分析表明[15]攜帶MMP-9 rs3918242 C等位基因的人群COPD患病風險高于T等位基因的人群,特別是在高加索人中,在中國人中沒有發現這種差異。然而, Yang[16]等研究發現攜帶MMP-9 rs3918242 C等位基因的中國人群對COPD的易感性較高。總之,這些研究表明MMP-9可用于初診COPD患者危險分層、評估病情嚴重程度、預測急性加重及死亡風險。

2. MMP-9與肺纖維化

肺纖維化(pulmonary fibrosis,PF)是一種慢行進行性炎癥性肺間質疾病,其發生、發展與長期肺部炎癥及持續性肺泡損傷、細胞外基質的損傷、修復和膠原纖維沉積密切相關。MMPs 是一類鋅離子依賴的蛋白酶,通過多種途徑參與肺纖維化的發病機制,由于其降解細胞外基質的潛力,MMPs在肺纖維化發病機制的背景下獲得了極大的關注[17-19]。有研究證實MMP-9在特發性肺纖維化中表達水平增加,并且可能通過TGF-β1信號傳導等途徑促纖維化作用[20]。Bormann[21]等人通過構建小鼠肺纖維化模型,觀察到小鼠肺組織裂解液和BALF中MMP-9、MMP-2水平顯著升高,表明其在肺纖維化中發揮重要作用。為了進一步研究二者在肺纖維化過程中的作用,通過基因敲除技術分別敲除MMP-2或MMP-9將實驗小鼠分為野生型小鼠、基因敲除MMP-2或MMP-9以及MMP-2和MMP-9組,觀察各組間肺組織重塑沒有顯著差異,提示MMP-2和MMP-9在誘導肺纖維化過程中起從屬作用。以上研究證實MMP-9在促進肺纖維化中起到一定的作用,雖然目前肺纖維化的發病機制尚未完全闡明,但MMP-9被認為是肺纖維化形成的下游通路是可以確定的。

鑒于MMP-9在肺纖維化中的作用,有研究提出或許可以將MMP-9作為肺纖維化疾病治療的靶點,Espindola[22]等研究發現在肺纖維化小鼠模型中使用MMP-9抑制劑,顯著降低了小鼠肺重塑。進一步研究發現其靶向治療反應性與Ⅰ型干擾素的表達相關,在富含該因子的環境中應用MMP-9抑制劑通過降低TGF-β1信號傳導和 MMP-9 基因表達,最終起到抗纖維化的作用;相反缺乏該因子,靶向阻斷MMP-9并不會阻斷纖維化過程。此外,研究發現艾拉莫德(IGU)可以減輕博來霉素誘導的肺纖維化,并且這種抗纖維化作用部分是通過抑制MMP-9實現[23]。這些發現提升了我們對MMP-9在肺纖維化中的認識,進一步證實阻斷MMP-9通路可能成為肺纖維化治療的新方向,但應考慮患者群體中細胞反應性的異質性。另有研究發現MMP-9基因多態性與肺纖維化存在密切關聯, Zhang[24]等在一項納入1571名受試者的病例對照研究中發現,與健康對照組相比,MMP-9 1562C> T基因多態性的TT基因和T等位基因頻率在IPF組中顯著升高,提示T等位基因可能是IPF發生的一個危險因素。糖皮質激素治療后,TT、T/C、CC三組中MMP-9水平均較治療前明顯下降,但CC組下降更明顯,表明MMP-9 1562C> T基因多態性可能影響糖皮質激素治療IPF的療效并可能預測IPF治療結果。

3. MMP-9與非小細胞肺癌

肺癌是臨床中最常見的惡性腫瘤,因其高發病率和低生存率而成為全球所有癌癥死亡的主要原因,其中約85%為非小細胞肺癌(NSCLC)[25]。大多數患者在診斷時即表現為晚期NSCLC,因此臨床工作中迫切需要一些監測腫瘤發生發展的生物標志物來更好的管理肺癌患者,MMP-9通過降解基底膜和細胞外基質破壞癌細胞侵襲屏障,在癌癥遷移和侵襲中具有重要作用。

Zhang[26]等在一項納入240例受試者的病例對照研究中發現NSCLC組血清MMP-9表達水平顯著高于健康對照組,且其表達水平與肺癌TNM分期、分化程度、淋巴結轉移、吸煙史及組織方式密切相關,表明MMP-9在肺癌病情評估方面起著重要作用,Xu等[27]的研究結果也證明了這一觀點,同時還發現可以通過沉默TRIM66逆轉過表達的MMP-9對NSCLC細胞遷移、侵襲和上皮-間充質轉化的影響。此外,MMP-9被認為是預測腫瘤發生轉移的有潛力的生物標志物,Balla[28]等通過一項納入25例非轉移性非小細胞肺癌患者的研究隨訪發現轉移組血清MMP-9水平顯著高于非轉移組,且單因素分析發現MMP-9 AUC值為0.72(95%CI:0.46～0.99)。Rossano[29]等的研究也證實了65 kDa MMP-9在監測腫瘤進展并及早發現轉移中發揮著重要作用,并且猜測未來可以通過靶向治療抑制其水平延緩腫瘤進展。

現多項研究認為MMP-9在對預測腫瘤患者治療預后存在一定價值,一項回顧性研究[30]表明監測血清MMP-9水平變化可能預測NSCLC患者化療結局,并且發現血清CD147和血清MMP-9組合顯著提高了NSCLC對患者化療反應的預測能力。Ding[31]等在一項納入96名受試者的病例對照研究中發現中晚期NSCLC組經放療后,有效治療組血清VEGF和MMP-9水平及活性均顯著低于治療前。表明監測血清VEGF和MMP-9水平可作為評估放療治療中晚期NSCLC療效的新指標。

肺癌是環境因素(如吸煙、空氣污染等)與遺傳因素相互作用的結果。近年來有部分研究發現MMP-9相關基因與NSCLC可能存在一定關聯。Huang[32]等通過一項薈萃分析發現MMP-9 rs3918242在所有人群的隱性或等位基因模型中與NSCLC發病率顯著相關。Li[33]等人的研究得出了同樣的結論,并且進一步發現MMP-9 CC基因型、MMP-13 GG基因型是可能得致癌基因型,未來聯合檢測MMP-9和MMP-13的基因多態性和酶活性有望成為NSCLC的潛在診斷方法。另有研究[34]通過分析肺癌樣本和健康肺組織之間的差異表達基因,發現PTTG1和MMP-9基因是與腫瘤發生相關的關鍵特征基因,增加PTTG1或MMP-9基因表達可以促進細胞遷移和增殖,誘導集落形成并抑制細胞凋亡,表明這二者可能是治療肺癌的重要靶基因。

二、小結

目前,部分肺部疾病患者仍面臨著病情重、治療效果欠佳、疾病負擔較重等情況, 因此對相關疾病的診斷、治療反應及預后評估等方面的研究非常重要。MMP-9作為一種重要的蛋白水解酶,與慢性阻塞性肺疾病、肺纖維化、非小細胞肺癌等肺部疾病的發病、進展及預后方面均存在一定聯系,隨著對其研究進一步深入,將有可能為肺部疾病診治提供新思路。未來可能通過靶向干預MMP-9為肺部疾患的治療提供一種新方法。