基質蛋白酶9與慢性阻塞性肺疾病的研究進展

弋可 黃玲

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是一種常見的、嚴重的呼吸系統疾病，以固定的氣道阻塞造成的不可逆的持續性的氣流受限和氣道中性粒細胞浸潤增多為特征[1]。目前，COPD是世界第四大死因，全球超過2億人受到該疾病的影響[2-4]。盡管在GOLD 2017 關于COPD的定義中刪除了慢性炎癥，但在病理生理過程的描述中，依然強調了慢性炎癥反應。 COPD的慢性炎癥過程導致了肺泡壁的破壞從而降低了肺的彈性回縮力，該疾病呈進行性發展，進行性下降的肺功能嚴重影響患者的生活質量。目前仍然認為炎癥反應、蛋白酶-抗胰蛋白酶的失衡、氧化應激反應、自主神經失調和肺的加速衰老等是COPD的主要發病機制。在肺部，彈性蛋白纖維構建了一個薄的多分枝的網絡貫穿于整個呼吸樹去支持呼吸過程中擴張或回縮的肺泡。基質金屬蛋白酶( matrix metalloproteinase, MMPs)以酶原的形式存在，在正常狀態下血漿中的濃度很低，但在身體炎癥反應加重時，其受到細胞轉化因子、炎癥細胞因子、體內氧化應激的作用，其濃度明顯增加[5]。在不同的細胞通路下，MMPs是一組可以由內皮細胞、平滑肌細胞、支氣管上皮細胞、肺泡Ⅱ型細胞、纖維母細胞、Lara細胞等分泌的、鋅-鈣依賴的能夠降解全部的細胞外基質成分的內切蛋白水解酶家族；例如：其通過破壞微纖維和彈性蛋白核心來裂解彈性蛋白，從而使肺泡失去彈性[6]，參與膠原的溶解及促進彈性蛋白酶解離。

MMP-9是MMPs家族中分子量最大的酶，是抗胰蛋白酶的一種，是一個在生化、病理等領域都存在的多功能酶[7]，由中性粒細胞合成并儲存到細胞質的部分顆粒中，MMP-9形成于中性粒細胞的成熟后期，在COPD所特有的炎癥過程中發揮了重要的作用，有利于中性粒細胞的外滲和分子間隙基底膜的降解(主要包括：Ⅰ型和Ⅳ型膠原蛋白和彈性蛋白[9])，同時也有降解蛋白多糖、核心蛋白的作用[10]。眾所周知，MMP-9還有促進組織重建，從而激活和釋放生長因子[8]，如血管內皮細胞生長因子A(vascular endothelial growth factora-A, VEGF-A)，能直接誘導肺泡彈性蛋白的降解，這些都能導致膠原蛋白的減少而導致肺氣腫。其活動受到組織基質金屬蛋白酶抑制劑(tissue matrix metalloproteinase inhibitor, TIMPs)的抑制[11]。其中，TIMP-1能抑制大多數MMPs包括MMP-9，其機制主要是MMPs與TIMPs以1︰1分子比例在Zn2+活性中心接合形成MMPs-TIMPs復合體，這種接合不可逆且穩定性高，故而降低MMPs的濃度，使其與膠原底物的結合減少。同時TIMP-1還具有生長因子樣的特性、調控細胞增殖及細胞凋亡等功能，也有研究把MMP-9/TIMP-1作為評估COPD的生物學標志物。

一、MMP-9與固有免疫系統之間的關系

1. 固有免疫系統與COPD的關系: COPD被認為是一個典型的固有免疫系統疾病，吸入的氣體及粒子引發炎癥反應，促進小氣道組織增殖及肺實質的破壞，促進免疫細胞在肺泡間隔的活化。固有免疫應答被病原體、吸入氣體及粒子相關分子模式快速激活，這是高度保守的微生物因素[12]。

2. 固有免疫應答通過細胞核因子酉乙蛋白(NF-κB)及Toll樣受體2(TLR2)基因管理MMP-9的產生及釋放: 固有免疫應答被模式識別受體識別，例如Toll樣受體(Toll-like receptors, TLRs)、 CD14、 膠原凝集素[13]。TLR激活觸發信號級聯放大，導致自身激活和NF-κB的核轉位，在COPD的炎癥反應程中，細胞核因子酉乙蛋白(nuclear factor unitary B protein, NF-κB)是一個關鍵的信號分子[13]。NF-κB是 p65和p50的異二聚體，在大多數免疫和炎癥反應中扮演著重要的角色，同時管理著MMP-9的生產和促炎細胞因子等的反應和釋放，包括腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、IL-1、IL-8等[14]。TNF-α、IL-8是NF-κB有效的催化劑，TNF-α激活IκB激酶復合體(由兩個催化亞基IKKα、IKKβ和調節亞基NF-κB基本調節器組成)，激活的IKK隨后通過磷酸化抑制NF-κBα的抑制劑(αBκI)導致αBκI的泛素化和降解以達到誘導NF-κB表達的目的。MMP-9的啟動子包含NF-κB的結合位點，促進MMP-9基因的表達。因此TNF-α誘導的MMP-9表達的信號通路被認為是參與肺氣腫和COPD炎癥反應擴大的潛在目的基因, NF-κB同時也可以作為COPD治療的一個潛在的目的基因。同時TNF-α對TIMPs的誘導具有雙向性，當高濃度TNF-α刺激時抑制其產生，低濃度時促進其表達，轉化生長因子-β(TGF-β)可以調節MMP-9表達升高，又可以調節MMP-3、1的表達減少，導致細胞外的基質沉積[15]，其系統的調節是復雜的，多因素的。

TLR受體參與病毒誘導的肺部炎癥反應，但其具體機制目前還不清楚，COPD患者TLR2基因的表達顯示明顯增加[16]。在COPD患者的外周血粒細胞TLR2基因的表達、中性粒細胞化學引誘物CXCL8和單核細胞導致的中性粒細胞及固有免疫系統關鍵介質，包括MMP-9的刺激下，TLR2受體功能顯示活躍。 TLR2的刺激會導致來自外周血單核細胞CXCL8、IL-1、IL-6、TNF-α和來自粒細胞的MMP-9的釋放增加[9]。中性粒細胞蛋白酶和固有免疫炎癥細胞因子的釋放也是受到COPD外周血細胞TLR2的刺激，炎癥介質的釋放在支氣管炎癥中發揮了重要的作用。這些結果都表明，固有免疫反應在COPD的中性粒細胞性支氣管炎中扮演了重要的角色，也提示了激活的TLR2和隨后釋放的MMP-9可作為管理COPD中的中性粒細胞性支氣管炎的關鍵點。研究表明中性粒細胞包含的白明膠酶顆粒形成于骨髓細胞生成的后期階段[17]，而且是MMP-9快速胞外分泌的主要的儲存部位。年齡相關的中性粒細胞炎癥反應的增加被痰嗜中性粒細胞及MMP-9的增加所證明，同時伴隨著TLR2基因表達和可溶性TLR2蛋白水平的一道增加。在校正過年齡、吸煙量和氣道阻塞的因素后，MMP-9的血漿水平是引起痰中性粒細胞比例顯著升高的獨立貢獻者[9]。根據GOLD分級對COPD患者進行MMP-9的直接檢測結果表明，MMP-9的活動程度隨著COPD的嚴重程度的增加而增加。另有結果表明，MMP-9被TIMP-1所抑制，MMP-9/TIMP-1的失調可能也是COPD的發病機制之一[9]。最近一項研究結果顯示，在研究MMP-9與流感病毒的發病機理上，MMP-9起著調節中性粒細胞遷移到感染呼吸道起到清除病毒的作用[18]。巨噬細胞表達CD44，研究發現，在胞葬作用(凋亡細胞被吞噬細胞清除的過程稱為胞葬作用)的過程中，CD44起著重要的作用，COPD患者肺泡巨噬細胞表面的CD44下降明顯，敲除CD44基因的老鼠，出現肺損傷以后，會受到存在胞葬作用清除缺陷的TGFβ釋放的炎癥反應的破壞，但CD44+的細胞則不會出現這種情況。因此，在肺巨噬細胞CD44表達的減少有可能支持凋亡細胞的繼發性壞死，而MMP-9被證明參與并加速了巨噬細胞CD44的脫落[19]。

二、與上皮細胞修復的關系

氣道上皮細胞在氣道結構和功能的屏障中起著重要的作用，防止吸入的物質進入肺組織、協調固有免疫細胞的活性和獲得性免疫系統的感應。暴露于煙草煙霧、過敏原、空氣中的懸浮顆粒、病原體、有毒氣體及刺激性氣體都可以造成氣道上皮細胞的損傷，就需要調動修復機制來修復其功能，MMP-9主要在肺上皮細胞和肺實質細胞胞漿內表達，研究者通過明膠酶譜法已觀察到支氣管上皮細胞培養基的MMP-9[20]。在上皮修復的過程中，轉分化的細胞分泌MMP-9，促使細胞下層的粘著斑降解，從而使上皮細胞粘附性降低而導致修復緩慢。此外，失活的MMP-9已經被證明可以減少支氣管上皮細胞的遷移[21]。研究發現，COPD的特征性改變不完全可逆的氣流阻塞與氣道重構有關，主要是由于反復的慢性炎癥損傷及氣道上皮的不完全修復所致，研究表明，支氣管上皮細胞中與氣道重構相關的細胞介質，如IL-13、MMP-9以及信號通路、CA2+水平，在機械牽拉應力的作用下顯著增加。其機制是通過刺激氣道上皮細胞上的瞬時感受器點位1型(TRPC1)從而誘發CA2+的大量涌入及IL-13、MMP-9的釋放從而擾亂正常上皮細胞的修復方式。

三、MMP-9的血清濃度用于評估氣道阻塞的程度

MMP-9在氣道重塑上也發揮了重要的作用，促進彈性組織解離也是肺氣腫發生的重要機制。MMP-9是MMPs家族中主要的促彈性組織解離的酶，來源于循環中的單核細胞和中性粒細胞，其通過降解基底膜的Ⅳ型膠原蛋白和其他的基質蛋白來重建和修復組織。MMP-9的血清濃度和氣道阻塞的嚴重程度(FEV1/FVC)呈負相關[22]，但與MMP-9相關的一些分子(包括 TIMP-1 and TIMP-2)都與DLCO%沒有顯著相關性[23-24]，提示MMP-9與組織重構導致氣道阻塞相關而與肺氣腫無關。在COPD患者和有癥狀的吸煙者的比較實驗中， MMP-9的單獨測量或與血漿中性粒細胞多肽(human neutrophilpeptides, HNP)、中性粒細胞(neutrophile, NE)、 IL-8的組合測量，能夠區分患者有無肺功能的障礙及氣道阻塞的程度,低比率的MMP-9/TIMP-1也與氣道阻塞的程度相關[25]。許多研究都表明MMP-9降解膠原蛋白、彈性蛋白和明膠纖維，與氣道阻塞的水平呈負相關[23-25]。MMP-9的濃度改變可作為一個早期呼吸道損傷相關的指標。MMP-9在無癥狀吸煙者和正在吸煙者在排痰性咳嗽中痰MMP-9濃度也存在正相關[26]，提示蛋白水解的活性增加了COPD患者的支氣管炎，研究不僅僅有血漿MMP-9 濃度，還有痰液MMP-9濃度[27-28]，說明MMP-9在局部和全身的炎癥反應都扮演了重要的角色。肺氣腫早、中、晚期各個組間患者血清MMP-9升高水平并沒有顯著的差異，但還是可以看出MMP-9對肺組織的破壞作用隨著肺功能損傷嚴重程度的增加而更加明顯，提示COPD患者在急性加重期各組血清中MMP-9水平與氣道阻塞程度呈正相關。

四、MMP-9其他方面的研究進展

1. 參與皮質類固醇的抵抗及相關治療前景: COPD在感染下急性加重惡化，且抵抗糖皮質激素，增加治療困難。研究發現CS和細菌脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)促進中性粒細胞的活化[29]，在暴露于CS的小鼠組，糖皮質激素與阻擋MMP-9釋放的效力有關。支氣管肺泡灌洗液中，MMP-9的表達也適當增加，提示了MMP-9參與了皮質類固醇的抵抗。細胞外基質金屬蛋白酶誘導物(extracellular matrix metalloproteinase inducer, EMMPRIN)在支氣管上皮細胞的表達比肺泡巨噬細胞和血液單核細胞多，EMMPRIN可降低MMP-9中mRNA的表達從而降低MMP-9的活性[30]，雖然目前還不清楚EMMPRIN是通過什么機制使MMP-9降低，但依然為COPD的治療提供了新的方向。同時，氣道重構的核心就是MMPs的表達和調控，第三代高度選擇性MMP受體抑制劑和針對MMPs的單克隆抗體都為減輕氣道的重塑提供了有價值的治療方向。

2. MMP-9對于COPD診斷及評估治療的意義： 用邏輯回歸分析數據的方法，回顧分析活化的MMP-9/未活化的MMP-9匹配的數據[31]，結果表明MMP-9與COPD的嚴重性顯著相關，且獨立于患者的人口統計學特征、吸煙狀況、惡化的肺功能、氣道阻塞情況、感染等情況。相關研究還發現了MMP-9的低水平與COPD更高頻率的急性加重相關[20]。MMP-9與排痰性咳嗽、下降的FEV1相關，也和轉移因子的下降和斷層掃描上體現的肺的密度下降有關[32]。在患有COPD的吸煙患者的痰液、肺泡-灌洗液、血液和肺組織都發現了MMP-9的升高，并且上述研究也闡述了MMP-9對于氣道阻塞的評估有作用。

研究表明，經過2周維生素D治療，與治療前相比較，AECOPD和COPD兩組治療后的MMP-2和MMP-9較治療前均顯著降低[5]，治療后與治療前比較均具有統計學意義(P<0.05)。其機制可能為維生素D通過降低基質金屬蛋白酶來平衡細胞外基質，從而平衡蛋白酶和抗蛋白酶系統。提示MMP-2和MMP-9參與了COPD的發生與發展，補充維生素D能夠抑制基質金屬蛋白酶的表達，在COPD發生發展中有重要作用。

雖然關于MMP-9在COPD的發病機制中的作用尚不夠明確，但眾多研究展開了各方面的探索，為今后更加全面認識COPD奠定了基礎。現階段COPD的診斷主要依靠肺功能。由于其價值的局限性，生物學標志物MMP-9為COPD的診斷提供了新的思路，MMP-9對于COPD患者治療方案的評估亦有潛在的應用前景。MMPs相關的受體抑制劑和針對MMPs的單克隆抗體也為減輕氣道的重塑提供了新的治療方向。

參 考 文 獻

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