基质金属蛋白酶及其抑制物在慢性阻塞性肺疾病中的相关研究

基质金属蛋白酶及其抑制物在慢性阻塞性肺疾病中的相关研究
目前大多数学者认为蛋白酶与抗蛋白酶之间的不平衡是慢性阻塞性肺疾病（COPD）形成中的一个重要环节。

由于基质金属蛋白酶（MMP）具有降解细胞外基质（ECM）的功能，MMP增多将导致蛋白酶过度水解，细胞外基质形成肺泡腔的扩大，使肺组织失去弹力。

同时气道的慢性炎症导致大量黏液分泌，纤维素的渗出，引起气道狭窄。

金属蛋白酶组织抑制剂（TIMP）具有抑制MMP活性的功能。

MMP的增多及MMP与TIMP之间的不平衡促进了炎症应答对肺组织的损伤，进一步导致COPD的形成。

1 MMP及MMP家族
MMP也称为基质素，是锌、钙依赖的肽链内切酶。

他们区别于其他蛋白水解酶主要在于其活性依赖于金属离子和中性pH的环境。

大部分MMP以酶原的形式分泌。

MMP酶原(pro-MMP)通过许多细胞分泌到基质中，激活的pro-MMP 在局部微环境中可以造成组织结构分离改变。

MMP能降解所有ECM的蛋白成分，包括I型胶原和弹力蛋白。

同时具有修复ECM、促进细胞迁移、分解细胞因子和激活防御素的作用。

但是过量的MMP可能导致组织损伤。

例如：过量的MMP在COPD中可能造成基质的破坏，加重肺组织结构的改变。

但机体对他们的调节很严密。

首先，他们在机体中贮存很少，在分泌之前需要基因转录，除了中性粒细胞MMP-8和MMP-9。

其次，他们的分泌同酶原一样需要溶蛋白性裂解。

在细胞内的MT-MMP的激活需要前蛋白转化酶，例如：弗林蛋白酶(furin)。

再次，通过分泌MMP的特异性抑制剂－TIMP来抑制酶的活性。

因此，TIMP与MMP之间的平衡性决定了基质的循环。

MMP的过量或TIMP的不足可能导致ECM过度降解。

最后，MMP可以通过与细胞的密切接触被区分开来。

目前MMP家族成员已上升到26种[1]，他们具有共同的结构和功能单位，并且各家族成员cDNA序列具有同源性[2]。

通过一系列基质细胞和COPD发病机制中重要的两种炎症细胞－中性粒细胞和肺泡巨噬细胞所产生。

根据底物特异性，氨基酸相似性和序列元件的可识别性,MMP家族可以分为不同的亚组：胶原酶(MMP-1，-8，-13)，明胶酶(MMP-2,-9），间质溶解素(MMP-3，-10，-11)，膜型MMP(MMP-14～MMP-25)，基质溶解因子(MMP
-7)和巨噬细胞金属蛋白酶(MMP-12)。

2 MMP与COPD的临床研究
COPD是一种主要的并逐年增长的全球健康问题。

预计2020年将成为导致人类死亡的最常见疾病的第三位，致残的最常见疾病的第十五位。

因而目前对COPD的研究越来越多，包括临床、分子学以及基因多肽性等方面的研究。

由于COPD最主要的危险因素是吸烟，并且接近90%的COPD患者都是吸烟者，因此对吸烟这一因素的研究相对较多。

COPD包括慢性支气管炎，小气道疾病和肺气肿。

以进行性的气流阻塞和持续的炎症过程为特征。

COPD这种病理状态同样伴随着炎症细胞聚集的气道炎症性过程。

例如：巨噬细胞和中性粒细胞。

由巨噬细胞分泌的弹性蛋白酶包括MMP-2(明胶酶A或72-KD明胶酶)，MMP-7(基质溶解因子)，MMP-9(明胶酶B 或92-KD明胶酶)及MMP-12(巨噬细胞金属弹性蛋白酶)[3]。

并且MMP-2,MMP-9及MMP-12在MMP的弹性组织离解功能上占主要地位。

MMP-9同时也可以通过中性粒细胞表达，但MMP-8只由中性粒细胞表达[4]。

MMP在COPD发展中的作用的相关证据逐渐增加。

与吸烟因素的相关性也得到进一步证实。

Russell等[5]通过利用涂有弹力蛋白的培养板培养支气管肺泡灌洗液中的巨噬细胞表明，在COPD患者的BAL中巨噬细胞的促弹性组织离解活性明显增强。

同时COPD患者的MMP-9的活性及蛋白含量较正常人和健康吸烟者显著增高。

通过酶谱法检测，MMP-2和MMP-9的活性在健康吸烟者中较正常人增高。

Aviles等[6]对健康吸烟者的研究发现，其诱导痰液中MMP-9总浓度较健康非吸烟者高，该浓度与他们暴露于香烟的程度有一定的相关性。

表明吸烟有可能在支气管重塑的发病机制中作为一个直接刺激因素。

并且COPD患者痰液中含有更高浓度的MMP-9。

推测可以通过检测诱导痰中有活性MMP-9的浓度来评估气道重塑程度。

MMP-8和MMP-9总体及有活性的蛋白水平在COPD患者的诱导痰中较正常人也有显著增加[4]。

Imai等[7]发现在肺气肿患者的肺组织中MMP-1的表达增加，并且MMP-1表达的增加是由于患者的肺泡Ⅱ型细胞能分泌MMP-1。

不伴有肺气肿疾病的吸烟患者其肺泡细胞不表达MMP-1，进一步说明了MMP-1可能在人类肺气肿疾病中起到了重要作用。

MMP-12是54kDa的酶原，可以转化为45 kDa和22 kDa的激活型。

它主要通过巨噬细胞产生，与炎症性皮肤疾病、动脉粥样硬化、动脉瘤以及癌症等疾病相关。

MMP-12同样在急性和慢性肺部炎症性疾病中与气道重塑有关，例如COPD。

通过对敲掉MMP
-12基因的小鼠的研究发现，该小鼠能够阻止吸烟诱导的肺气肿模型的形成和长期暴露于香烟中肺泡巨噬细胞的聚集。

表明在动物COPD发展中起到重要的作用。

但由于缺乏适当的诊断方法，几乎没有数据提供来说明MMP-12在人类肺部疾病中的作用。

Demedts等[8]的报道是第一篇在诱导痰中检测到MMP-12蛋白水平的文章。

通过对稳定期轻至中度COPD患者的诱导痰中MMP-12的研究，发现MMP-12的水平在COPD患者中较健康吸烟者，不吸烟者以及曾吸烟者有明显的升高。

MMP-12酶活性在COPD患者中也较健康吸烟者显著升高。

另
外，MMP-12水平在COPD患者中明显增加，但在不伴有气道阻塞的吸烟者中却没有增加。

说明MMP-12并不在所有的吸烟者中都被诱导，而只是在COPD患者中被诱导分泌增加。

进而提示MMP-12在人类COPD发展中起到一定的作用。

3 MMP基因多态性与COPD
大多数MMP具有相似的基因序列，推测MMP共同起源于一个可重复祖先基因。

一个是被称为前肽结构域，由80个氨基酸组成，包含了一个高度保守系列PRCXXPD。

另一个为保守领域具有催化活性。

但MMP可以通过特有的区域进行区分，这些区域对底物特异性以及MMP与其他分子的相互作用和识别起到重要的作用[9]。

目前已经有对MMP启动因子区域的一些多态性可能影响基因的表达进行了描述。

在MMP1基因中，－1607的位置上插入鸟嘌呤产生一个新的ETS－1转录因子的结合位点。

这个等位基因在肺功能快速减退的患者中较无肺功能减退者出现的更频繁。

MMP-12 的等位基因A (A82G多态性)对于转录因子活化剂蛋白－1(AP-1)有较高的亲和力。

MMP-12的另外多态性Asn357Ser对蛋白功能的影响还在讨论中。

在最近的研究中MMP-1 G-1607G等位基因和MMP-12 Asn357Ser 多态性之间复杂的相互作用提示与肺功能减退的程度有关[9]。

COPD发病机制中吸烟是其最主要的危险因素，但只有10%~15%的吸烟者出现肺功能的损害，表明COPD的发生与一些易感基因有关。

最近Ito等[10]对日本84例COPD患者和85例健康吸烟者MMP-9(C-1562T)基因型研究，发现MMP-9 C-1562T多态性的T等位基因与以上肺野肺气肿为主的COPD患者有显著的相关性。

Abboud等[11]发现MMP-9 C-1562T多态性能显著影响肺泡巨噬细胞(AM)中MMP-9 mRNA的表达。

Saitoh等[12]对日本和埃及COPD患者研究，推测MMP14基因单倍型-165T, +221T, +6727C以及+7096C有可能与COPD发病机制有关。

4 MMP组织抑制物与COPD的关系
在活体内MMP主要的生理抑制物是α-2巨球蛋白和特异性金属蛋白酶组织抑制物家族，后者是天然蛋白可以特异性抑制这些酶并通过多种细胞产生。

TIMP 家族目前包括四种结构相关的成员：TIMP-1,-2, -3以及最近才发现的TIMP-4，他们相对分子量在22～30 kDa之间,其40%～50％的序列同源,其中，TIMP-1和TIMP-2以可溶性的形式分泌，而TIMP-3伴随于ECM。

TIMP-2和TIMP-3均可作用于所有的MMPs，抑制酶的活性。

而TIMP-4只作用于MMP-1,2,3,7,9。

TIMP-1
除了MMP-14和MMP-19外，可以与其他的MMPs结合。

TIMP与有活性MMP 的催化部位以1∶1摩尔比值高亲和力结合在一起，从而导致蛋白水解活性的丧失。

再者，TIMP-1和TIMP-2可以分别与MMP-9酶原和MMP-2酶原形成特殊复合物。

这种相互作用说明了机体可能通过限制MMP活化从另一水平来调节MMP。

然而，最近有研究显示TIMP-2与MT1-MMP和MMP-2形成了一个三分子复合物。

这种三元络合物在MMP-2酶原激活过程中起到关键作用[13]。

已有报道TIMP-4 mRNA在肺组织中无法检测[14]。

但发现TIMP-1和TIMP-2参与了肺部疾病过程，以改变肺泡结构或异常的重塑为特征。

另外，有研究提示MT1-MMP/MMP-2/TIMP-2在肺气肿形成过程中起到重要的作用[14]。

Pons等[15]检测COPD患者BAL中AM分泌的TIMP浓度，提示COPD患者的TIMP-1浓度较健康吸烟者和未吸烟者有显著的下降，TIMP-1可能参与了疾病的发病。

通过对缺乏α1抗胰蛋白酶吸烟的COPD患者的观察，最初提示了蛋白酶与抗蛋白酶之间的不平衡可以促进肺的病理学变化。

目前蛋白酶与抗蛋白酶之间的不平衡在COPD发展中所起的作用已被广泛认同。

已有研究表明稳定期患者的诱导痰中MMP-9和TIMP-1的水平较正常对照组均升高，并且与肺功能的下降有相关性。

但对MMP-9与TIMP-1的摩尔比值的分析发现，TIMP-1的水平超过了MMP-9[16]。

Higashimoto等[17]发现循环中TIMP-1 浓度在稳定期COPD患者中较正常者和哮喘者有显著的升高，并且该浓度与COPD患者的FEV1/FVC%有明显的相关性。

稳定期COPD患者血清中MMP-9/TIMP-1的摩尔比值较正常对照组有显著的降低。

Mercer等[16]对19例COPD患者诱导痰中MMP-9和TIMP-1的研究，发现在COPD急性加重期MMP-9的水平升高，而TIMP-1的水平却下降，MMP-9与TIMP-1的摩尔比值显著升高，并且MMP-9的水平在急性加重期与中性粒细胞和淋巴细胞计数有明显的相关性。

根据以上研究表明COPD稳定期TIMP-1水平相对于MMP-9过度的升高有可能与COPD患者的气道重塑和狭窄以及肺功能下降有关。

COPD急性加重期MMP-9与TIMP-1之间的平衡倾向于MMP-9，而TIMP-1的下降说明COPD疾病过程中出现的抗蛋白水解能力的下降，有可能促进疾病的发展。

5 结语
综上所述，MMP与TIMP在人类肺组织基质的降解和重塑中起到重要的作用。

MMP/TIMP的平衡失调参与了COPD的发病，研究检测MMP或TIMP的水平来评估气道重塑程度以及新的药物来调节MMP/TIMP的平衡等将有可能为COPD的临床早期干预和治疗提供新的思路。

参考文献：
[1] Visse R，Nagase H.Matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases：Structure function and biochemistry[J].Circ Res，2003,92(8)：827.
[2] Massova I,Kotra LP,Fridman R,et al.Matrix metalloproteinases:struc-tures evolution and diversification[J].FASEB J,1998,12(12): 1075.
[3] Shapiro SD.Elastolytic metalloproteinases produced by human mono-nuclear phagocytes.Potential roles in destructive lung disease[J].Am J Respir Crit Care Med,1994,150(2):160.
[4] Vernooy JH,Lindeman JH,Jacobs JA,et al.Increased activity of matrix metalloproteinase-8 and matrix metalloproteinase-9 in induced spu-tum from patients with COPD[J].Chest,2004,126(6): 1802.
[5] Russell RE,Thorley A,Culpitt SV,et al.Alveolar macrophage-mediatedelastolysis:roles of matrix metalloproteinases，cysteine，and serine pro-teases[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2002, 283(4):867.
[6] Aviles B，Belda J，Margarit G,et al.Markers of Airway Remodeling in Induced Sputum From Healthy Smokers[J].Arch Bronconeumol，2006,42(5):235.
[7] Imai K,Dalal SS,Chen ES,et al.Human collagenase(matrix metallopro-teinase-1) expression in the lungs of patients with emphysema[J].Am J Respir Crit Care Med,2001,163(3 Pt 1):786.
[8] Demedts IK，Morel-Montero A，Lebecque S，et al. Elevated MMP-12protein levels in induced sputum from patients with COPD[J].Thorax，2006,61(3):196.
[9] Ugenskiene R，Sanak M，Sakalauskas R,et al.Genetic polymorphisms in chronic obstructive pulmonary disease[J].Medicina (Kaunas)，2005,41(1):17.
[10] Ito I,Nagai S,Handa T,et al.Matrix metalloproteinase-9 polymorphism associated with upper lung dominant emphysema[J]. Am J Respir Crit Care Med,2005,172(11):1378.。