畢麗鑫,郭新慶

（保定市第三醫(yī)院，河北 保定 0710002;菏澤醫(yī)學(xué)專(zhuān)科學(xué)校，山東 菏澤 274000）

慢性阻塞性肺疾病合并肺間質(zhì)纖維化與基質(zhì)金屬蛋白酶-9及組織型蛋白酶抑制劑-1的關(guān)系

畢麗鑫,郭新慶

（保定市第三醫(yī)院，河北 保定 0710002;菏澤醫(yī)學(xué)專(zhuān)科學(xué)校，山東 菏澤 274000）

慢性阻塞性肺疾病合并肺間質(zhì)纖維化；基質(zhì)金屬蛋白酶-9；組織型金屬蛋白酶抑制劑-1

慢性阻塞性肺疾病合并肺間質(zhì)纖維化（chronic obstructive pulmonary disease combined with pulmonary interstitial fibrosis，PIF-COPD）是COPD進(jìn)展的必然趨勢(shì)和病理結(jié)局。COPD以不可逆的氣流受限為特征，其病理生理基礎(chǔ)還未完全明確。目前普遍認(rèn)為是長(zhǎng)期暴露于有毒顆粒如香煙煙霧導(dǎo)致長(zhǎng)期廣泛的炎癥反應(yīng)遍及全部氣道、肺實(shí)質(zhì)、肺血管[1]。COPD長(zhǎng)期慢性炎癥反應(yīng)以基質(zhì)過(guò)多降解和組織纖維化為特征并與蛋白酶/抗蛋白酶失衡相關(guān)聯(lián)[2，4]。這就是“蛋白酶-抗蛋白酶失衡”假說(shuō)，主要包括絲氨酸蛋白酶如中性蛋白酶和基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）。MMP-9是MMPs的重要成員，在許多COPD患者的血液、痰液、支氣管肺泡灌洗液、肺組織活檢中表達(dá)水平及活性增高，據(jù)此認(rèn)為MMP-9可能在COPD發(fā)展中起重要作用。國(guó)內(nèi)杜敏捷等研究也證明COPD發(fā)展過(guò)程中肺纖維化是一種極為常見(jiàn)的病理改變，是COPD進(jìn)展的必然趨勢(shì)[3]。COPD合并肺纖維化主要發(fā)生部位在支氣管各級(jí)分支，特別是VI級(jí)以下的支氣管分支周?chē)∽儑?yán)重的患者累及了呼吸性細(xì)支氣管和肺泡壁。且以III型膠原纖維為主，引起持續(xù)氣道狹窄和通氣功能障礙，認(rèn)為肺間質(zhì)和肺泡纖維化是病變隨病程向肺組織深處發(fā)展的結(jié)果，可能是炎癥的一種修復(fù)反應(yīng)，也是造成肺通氣和換氣功能障礙的原因[5]。上皮下基底膜的損傷是肺間質(zhì)纖維化病理變化的關(guān)鍵事件，研究表明：基質(zhì)金屬蛋白酶在細(xì)胞外基質(zhì)的降解與重塑的病理生理發(fā)展過(guò)程中起關(guān)鍵作用?；|(zhì)金屬蛋白酶通過(guò)與細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子之間的相互制約與激活，通過(guò)對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)的降解鏈接了炎癥細(xì)胞與肺結(jié)構(gòu)細(xì)胞之間的信息交流，介導(dǎo)了肺泡炎癥與進(jìn)行性肺間質(zhì)纖維化的進(jìn)程[6]。

1 基質(zhì)金屬蛋白酶-9

MMPs是一類(lèi)鋅依賴(lài)內(nèi)肽酶，有共同的結(jié)構(gòu)相似性，但是在表達(dá)和底物選擇上相區(qū)別。所有的MMPs有以下共同特征：a降解細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白質(zhì)。b均含有鋅離子活化位點(diǎn)。c均需鈣來(lái)維持穩(wěn)定。d只有在中性Ph值下發(fā)揮功能。除了膜型基質(zhì)金屬蛋白酶所有的MMPs也有共同的生物特性，以非活性形式分泌，在細(xì)胞外被激活?；谒鼈兊牡孜飳?zhuān)一性及結(jié)構(gòu)特性，MMPs被分成五類(lèi)：1)膠原酶（MMP-1，-8，-13，-18）。2）明膠酶A、B、C（MMP-2，MMP-9）。3）溶基質(zhì)酶（MMP-7，-26）。4）溶間質(zhì)酶（MMP-3，-10，-11）。5）膜型蛋白酶（MT-MMP）包括 MT-1MMP（MMP-14）、MT-2MMP（MMP-15）、MT-3MMP（MMP-16）。MMPs與各種生理和病理?xiàng)l件下的細(xì)胞外基質(zhì)破壞和重塑有關(guān)，是各種組織包括肺的炎癥、傳染性疾病、腫瘤的重要發(fā)病機(jī)制[7-8]。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) MMP-9有五個(gè)共同的結(jié)構(gòu)域：N端信號(hào)肽區(qū)啟動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)，前肽區(qū)抑制活化信號(hào)，催化區(qū)內(nèi)含具有活化作用的Zn2+，C端類(lèi)血紅蛋白結(jié)合蛋白區(qū)，有四個(gè)類(lèi)血紅蛋白重復(fù)序列組成，鉸鏈區(qū)位于類(lèi)血紅蛋白結(jié)合蛋白區(qū)與催化區(qū)之間富含脯氨酸。MMP-9結(jié)構(gòu)獨(dú)特之處在于催化區(qū)含有三個(gè)II型纖維連接蛋白樣重復(fù)序列，使之對(duì)明膠酶及彈性蛋白具有高度親和力。

1.2 合成 正常肺組織不表達(dá)明膠酶，當(dāng)炎癥發(fā)生時(shí)，支氣管上皮細(xì)胞、克拉拉細(xì)胞、肺泡II型細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞都能產(chǎn)生MMP-9。白細(xì)胞是明膠酶的另一個(gè)主要來(lái)源，中性粒細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞也能產(chǎn)生MMP-9。巨噬細(xì)胞、主細(xì)胞和淋巴細(xì)胞在炎癥情況下也能釋放MMP-9[9]。

1.3 激 活 就 像 所 有MMPs，除 了MT-MMPs，MMP-9是以無(wú)活性的前體形式分泌到細(xì)胞外，在細(xì)胞外基質(zhì)中性Ph環(huán)境里，Ca2+存在的條件下MMP-9的前肽區(qū)被絲氨酸蛋白酶通過(guò)溶蛋白性裂解作用激活。另外某些自由基可以以非蛋白水解方式直接激活MMP-9。酶原的激活同時(shí)伴隨著分子量的減少[10-12]。

2 組織型金屬蛋白酶抑制劑-1

明膠酶的主要生理抑制劑是α2-巨球蛋白和TIMPs。α2-巨球蛋白在循環(huán)中通過(guò)巨噬細(xì)胞上的清除劑受體清除有活性的MMP-9。組織型金屬蛋白酶（TIMPs）迄今已發(fā)現(xiàn)五個(gè)家族成員TIMP-1到TIMP-5。TIMPs是一組低分子量糖蛋白，廣泛分布于組織和體液中，可由成纖維細(xì)胞、上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等產(chǎn)生和分泌。TIMPs分子分為兩個(gè)功能域，其N(xiāo)端功能域的半胱氨酸殘基與MMPs的鋅離子活性中心結(jié)合，其C端功能域與MMP前體或MMPs的其他部位結(jié)合，以1：1的比例以非共價(jià)鍵形成復(fù)合體，從而抑制酶原活化或酶和底物結(jié)合，達(dá)到抑制作用，屬于轉(zhuǎn)導(dǎo)后調(diào)節(jié)。另外，TIMPs還是多功能分子，不僅抑制MMPs活性，而且具有細(xì)胞生長(zhǎng)因子樣作用，促進(jìn)成纖維細(xì)胞增生及膠原合成，使細(xì)胞外基質(zhì)沉積并抑制其降解。目前認(rèn)為，TIMPs反應(yīng)了氣道的修復(fù)過(guò)程，是氣道纖維化的標(biāo)志[7,8,13]。

3 基質(zhì)金屬蛋白酶-9/組織型金屬蛋白酶抑制劑-1與疾病的關(guān)系

3.1 MMP-9/TIMP-1失衡與COPD合并肺間質(zhì)纖維化 Mercer等[14]通過(guò)對(duì)COPD患者痰液標(biāo)本進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)明膠電泳法及Elisa法檢測(cè)到的MMP-9和TIMP-1均顯著高于健康對(duì)照組。COPD加重期間MMP-9水平明顯增加，MMP-9/TIMP-1的平衡傾向MMP-9，COPD穩(wěn)定期平衡傾向TIMP-1。MMP-9增多的結(jié)果可能導(dǎo)致氣道外基質(zhì)破壞，氣道重塑和COPD患者肺功能下降。TIMP-1過(guò)量表達(dá)被認(rèn)為和纖維化加速及細(xì)胞外基質(zhì)沉積有關(guān)[15]。Finaly和同事們[14]發(fā)現(xiàn)來(lái)自肺氣腫患者肺泡灌洗液的巨噬細(xì)胞中編碼MMP-9的mRNA水平顯著提高，據(jù)此他們認(rèn)為MMP-9在人類(lèi)肺氣腫患者的BALF中是增加的，這些酶能水解彈性蛋白，提示這些酶在COPD的發(fā)病機(jī)制中有直接作用。Culpitt[16]使用免疫組化法檢測(cè)四組志愿者痰中的MMP-1，MMP-8，MMP-9及TIMP-1，結(jié)果發(fā)現(xiàn)來(lái)自COPD患者痰中的MMP-1，MMP-8，MMP-9的活動(dòng)較哮喘組、吸煙組及健康不吸煙組增加，TIMP-1也高于其它組。MMP-1，MMP-8，MMP-9和TIMP-1的水平和活動(dòng)與FEV1呈負(fù)相關(guān)。有研究證實(shí)，肺氣腫緣于蛋白酶/抗蛋白酶失衡，然而抗蛋白酶類(lèi)卻可以調(diào)節(jié)纖維化，蛋白酶抑制劑過(guò)度表達(dá)的實(shí)驗(yàn)大鼠可以導(dǎo)致肺維化，并伴隨蛋白酶抑制劑水平的上調(diào)和基質(zhì)的過(guò)度沉積。在肺纖維化早期MMP-9有高表達(dá)，此時(shí)肺部病變主要為損傷性改變。隨著纖維化進(jìn)展MMP-9逐漸下降。TIMP-1在整個(gè)纖維化過(guò)程中一直呈上升趨勢(shì)并維持在一個(gè)較高水平。此時(shí)TIMP-1表達(dá)占優(yōu)勢(shì)，肺部主要為纖維增生樣改變[17]。由這些實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明MMP-9/TIMP-1失衡可能是COPD合并肺間質(zhì)纖維化的重要發(fā)病機(jī)制。

正常情況下MMP-9與TIMP-1處于平衡狀態(tài)，如果MMP-9與TIMP-1比值升高，表明氣道壁以炎癥反應(yīng)為主，如果MMP-9與TIMP-1比值下降則表明以修復(fù)為主。MMP-9和TIMP-1的高表達(dá)和比值失衡是肺功能下降的重要因素[18]。

3.2 MMP-9與哮喘、特發(fā)性肺間質(zhì)纖維化（IPF）、結(jié)核病及胸部腫瘤 對(duì)哮喘患者和健康受試者纖維支氣管鏡檢物行免疫組化印跡和計(jì)算機(jī)輔助圖像分析證實(shí)哮喘患者Ⅲ型膠原、Ⅴ型膠原、黏合素在上皮下沉積與局部MMP-9、TIMP-1表達(dá)增高有關(guān)，MMP-9的表達(dá)強(qiáng)度大于TIMP-1。MMP-9還參與呼吸道炎癥和呼吸道高反應(yīng)性，各種炎性細(xì)胞在向呼吸道移行的過(guò)程中可受到炎性介質(zhì)的調(diào)節(jié)而合成、釋放MMP-9。過(guò)多MMP-9通過(guò)纖維連接蛋白樣重復(fù)序列、類(lèi)血紅蛋白結(jié)合蛋白區(qū)與底物結(jié)合，而降解Ⅳ型膠原、Ⅴ型膠原和彈性蛋白，從而有利于炎性細(xì)胞穿過(guò)基底膜和ECM。MMP-9可使T細(xì)胞浸潤(rùn)到氣管，而淋巴細(xì)胞被認(rèn)為在形成呼吸道高反應(yīng)性的過(guò)程中起重要的作用。另外α2-巨球蛋白也是一個(gè)主要的明膠酶生理抑制劑，哮喘正是缺乏了這種蛋白質(zhì)導(dǎo)致在肺基質(zhì)不能抑制明膠酶的活動(dòng)而產(chǎn)生有害影響。也有研究證實(shí)嚴(yán)重哮喘患者痰中和BALF中MMP-9水平比輕中度患者明顯增高[7,19-20]。Culpitt[15]的實(shí)驗(yàn)也得出哮喘患者痰中 MMP-1，MMP-8，MMP-9的水平高于健康不吸煙組及吸煙組。

IPF的特點(diǎn)是細(xì)胞外基質(zhì)成份過(guò)多沉積導(dǎo)致正常細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，Selmen等人認(rèn)為過(guò)多的抑制明膠酶活動(dòng)易于罹患IPF。在IPF中MMP-2和MMP-9很少增加，但是某些TIMPs的水平卻有大量增加，包括TIMP-1和TIMP-2，TIMPs和明膠酶失衡利于過(guò)多基質(zhì)蛋白由于降解不足而沉積，導(dǎo)致ECM的數(shù)量逐漸增加[22-23]。 Beeh等[2]研究也證實(shí)IPF與COPD氣道分泌MMP-9和TIMP-1，MMP-9/TIMP-1的比率不同，在IPF中，TIMP-1明顯高于MMP-9。

肺結(jié)核影響全世界數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人，病原體是細(xì)胞內(nèi)的結(jié)核分枝桿菌。在結(jié)核有關(guān)的胸膜腔積液中證明有高水平的MMP-2和MMP-9。另外許多結(jié)核患者血漿的MMP-9水平也升高，并與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)聯(lián)。MMP-9還與結(jié)核性肉芽腫的形成過(guò)程有關(guān)[1，8]。

肺癌浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移過(guò)程中癌細(xì)胞浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移的能力與其誘導(dǎo)產(chǎn)生蛋白酶降解ECM和基底膜的能力密切相關(guān)。MMPs就是其中最為重要的一組蛋白酶，它幾乎能降解ECM中的各種蛋白成分，破壞抵抗腫瘤細(xì)胞侵襲的組織學(xué)屏障，從而促進(jìn)肺癌的浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移。TIMPs是一組能特異性抑制MMPs活性的低分子蛋白質(zhì)，是體內(nèi)MMPs活性調(diào)節(jié)的重要機(jī)制。正常情況下，MMPs和TIMPs相互作用，使ECM處于動(dòng)態(tài)平衡中，MMPs活性增強(qiáng)或TIMPs活性降低都會(huì)破壞ECM的動(dòng)態(tài)平衡，從而促進(jìn)肺癌的浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移[24]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，MMPs在腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移中的作用除了降解ECM外，它還能促進(jìn)血管內(nèi)膜膠原破壞，幫助內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)展導(dǎo)致新生血管生成，而后者是腫瘤生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移過(guò)程中的關(guān)鍵因素。TIMPs能特異性結(jié)合激活狀態(tài)的MMPs并抑制其活性，因而被看成是一種腫瘤轉(zhuǎn)移抑制因子。然而，由于TIMPs在體內(nèi)的生物學(xué)功能具有多樣性，它在腫瘤中的作用較為復(fù)雜。TIMPs在體內(nèi)具有生長(zhǎng)因子及促血管生成的作用，這又是促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移的重要因素。TIMPs與肺癌的關(guān)系有待進(jìn)一步研究[25-26]。

4 展望

COPD是包括氣道炎癥反應(yīng)和廣泛氣道降解的疾病，現(xiàn)有的治療包括β2受體激動(dòng)劑、吸入激素和氨茶堿，不是非常有效。支氣管舒張藥提供的僅僅是癥狀緩解，不能從根本治療疾病，努力發(fā)展新的治療策略正積極進(jìn)行。COPD合理的治療依靠闡明疾病進(jìn)程中的細(xì)胞和分子機(jī)制。特別需要發(fā)展藥物去控制疾病相關(guān)的炎癥反應(yīng)，纖維化和破壞過(guò)程。在這個(gè)基礎(chǔ)上提出的蛋白酶抑制劑作為COPD的治療方法有巨大潛力。由于COPD是以聚集中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞為特征，焦點(diǎn)集中在抑制這些細(xì)胞聚集拮抗它們的產(chǎn)生。MMPs成為抗炎治療的目標(biāo)，盡管沒(méi)有MMPs抑制劑作為支持COPD治療的臨床資料，但基于眾多研究，大量MMPs抑制劑被人工合成和對(duì)一些疾病如風(fēng)濕和腫瘤作臨床實(shí)驗(yàn)。如何通過(guò)調(diào)節(jié)MMP-9和TIMP-1之間的平衡來(lái)防治COPD還需要深入研究，預(yù)計(jì)不久的將來(lái)會(huì)有明顯進(jìn)展[21-22]。

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2011-09-15