胎盤滋養層細胞侵襲行為與MMP-2和MMP-9的研究進展

馬 婧 薩日娜 俞 蘭

胎盤的主要功能為保障胎兒正常生長發育。胎盤滋養層干細胞源于形成囊胚壁的外胚層，逐漸分化形成絨毛外滋養層細胞(extravillous trophoblast cell, EVT)和合胞體滋養層細胞(syncytiotrophoblast cell, STB)[1]。EVT侵襲進入母體子宮間質和螺旋動脈，參與子宮動脈重塑，其侵襲程度過深或過淺均致病理性妊娠，嚴重影響母體健康及胎兒的正常發育；故，EVT侵襲子宮的生物學行為對于維持胎盤的正常功能至關重要。也由此成為妊娠研究的熱點。已有研究認為，諸多因素如前列腺素E2、轉化生長因子β1、白細胞介素、血氧分壓以及胎盤血液流速等均參與調控胎盤的侵襲能力，但深入的調控機制、通路及調控網絡尚未闡明[2～4]。

基質金屬蛋白酶 (matrix metalloproteinases, MMPs)首次在研究蝌蚪形態變化過程時被發現，隨后在人類病理生理領域得到了廣泛的研究，發現MMPs可降解細胞外基質(extracellular matrix，ECM)中幾乎所有蛋白成分,在各類惡性腫瘤侵襲轉移過程中的地位舉足輕重。MMPs家族龐大，目前已發現26個成員，即MMP-1～MMP-26。并根據它們的亞細胞結構分布和針對細胞外基質成分的特異性，分為基質蛋白酶(matrilysins)、膜型基質金屬蛋白酶(membrane-type matrix metalloproteinase, MT-MMP)、膠原酶(collagenases)、明膠酶(gelatinase)以及母系基質蛋白酶(stromelysins)[5]。近年來研究發現，無論在正常、還是病理條件下，MMPs都是調控胚胎和組織發育過程中的關鍵酶。其中，MMP-2和MMP-9參與降解子宮上皮基膜的主要成分——Ⅳ型膠原。因此，它們在滋養層細胞侵襲子宮的過程中，很可能扮演著重要的角色。本文就胎盤滋養層對子宮的侵襲能力、MMP-2和MMP-9之間的關系綜述如下。

一、胎盤滋養層細胞的侵襲行為

滋養層細胞侵入子宮是胚胎著床和胎盤發育的重要過程，由滋養層干細胞介導。生理狀態下，滋養層干細胞在侵襲中分化成滋養層細胞亞群，最終形成胎盤。具體來說，在滋養層細胞侵入子宮的過程中，絨毛頂端的滋養層細胞從基膜開始向外增殖，形成細胞柱，滋養層細胞的表型也從非侵襲性增殖轉變為非增殖性侵襲生長，在細胞柱中遷移、侵入和重塑母體螺旋小動脈。與此同時，子宮內膜間質細胞蛻膜化，其過程類似于排卵后子宮內膜重塑，包括子宮腺體開始分泌活躍、子宮自然殺傷細胞涌入、子宮內膜血管重塑、間質細胞上皮樣轉化為蛻膜細胞。母體蛻膜形成過程中，EVT遷移到母體蛻膜的基質中，開始與參加血管重塑的子宮免疫細胞密切接觸。子宮免疫細胞通過分泌大量細胞因子和趨化因子，促進EVT的侵襲，該過程在介導螺旋動脈轉化過程中發揮關鍵作用[6]。

胎盤滋養層細胞的侵襲、增殖、分化等生理行為與癌細胞極其相似，都是一個多步驟過程，包括附著并降解基膜或ECM成分，然后通過其降解的成分遷移。然而，與癌細胞失控的侵襲行為不同，胎盤滋養層細胞的增殖與侵襲受到嚴格的調控。在正常妊娠中，滋養層細胞對子宮的侵襲發生在兩個高峰期：第一個高峰期發生在妊娠10周內，此時，螺旋動脈侵入子宮壁，直至逆行延伸至蛻膜-子宮肌層交界處；第二個侵襲高峰發生在妊娠14～20周內，此時已經能觀察到螺旋動脈肌層段的血管生理變化：螺旋動脈的直徑增加了4～6倍，從高阻低流的血管變成了極度擴張的血管，以滿足增加胎盤和胎兒的血供要求[7]。滋養層細胞的侵襲行為持續到妊娠5個月左右，在其侵襲過程中，胎盤發生上皮-間充質轉化，上皮細胞獲得間質細胞的表型：首先是STB穿透子宮內膜上皮，然后EVT侵襲進入整個子宮內膜、子宮肌層內1/3和子宮血管系統[8]。最后，滋養層細胞從細胞柱遷移到蛻膜，侵入母體子宮螺旋動脈，建立母體-胎盤循環。

二、MMPs及其抑制劑

MMPs家族是一類依賴Ca2+、Zn2+等金屬離子的內肽酶家族，其家族成員具有相似的結構，在5個結構域中，前肽區的主要作用是保持酶原的穩定性，用外源性酶切前肽區，MMPs酶原即被激活；催化活性區有金屬離子結合的位點，對酶催化有重要作用；羧基末端區與酶的底物特異性有關。MMPs對器官的形態發生以及組織的重塑起重要作用，除了能降解ECM中幾乎所有成分之外，還參與細胞外基質的重塑。在正常成人的組織中，MMPs的表達水平極低，甚至檢測不到，只有在生理性組織重塑、炎癥和傷口修復等過程中才上調。其中，MMP-2與MMP-9都屬明膠酶類，明膠酶可能通過其蛋白水解功能參與細胞增殖、血管生成和腫瘤轉移等過程[9]。

MMP-2位于人類染色體16q21， 包括內含子12個，外顯子13個。其他金屬蛋白酶的5′旁側序列promotor 區域含TATA盒，而MMP-2則是兩個GC盒。MMP-2編碼明膠酶A，底物包括明膠、Ⅴ型膠原和Ⅵ型膠原等[10]。MMP-2主要以不活躍的前體形式(Pro-MMP-2)存在于細胞柱遠端的滋養層細胞和EVT中，相對分子質量為72kDa。細胞表面的MT-MMP-1與基質金屬蛋白酶組織抑制因子(tissue inhibitors of metalloproteinase, TIMP) -2結合形成二元復合物后，Pro-MMP-2的Haemopexin結構域通過與二元復合物中TIMP-2的C端結合形成MT-MMP-1-TIMP2-Pro-MMP-2三元復合物，Pro-MMP-2的N-末端蛋白水解裂解，激活了Pro-MMP-2，成為具有活性的aMMP-2形式，相對分子質量為63kDa[11]。aMMP-2位于細胞和基質交界處的最前端，推測它在細胞穿透基質的過程中發揮“鉆頭”的功能。 aMMP-2降解ECM分兩個階段進行：第1階段aMMP-2的功能類似于間質膠原酶。第2階段的過程是由纖維連接蛋白樣結構域促進的明膠溶解，通過降解、破壞靠近細胞表面的ECM和基膜，為細胞掃清組織屏障，促進細胞侵襲。由此也證明了aMMP-2的表達與細胞的侵襲和遷移密切相關。

MMP-9同樣也是MMPs家族中的一員，首次發現于人的中性粒細胞中，位于人類染色體20q11.2～q13.1，相對分子質量92kDa，編碼明膠酶B蛋白。與MMP-2不同的是，MMP-9擁有連接活性位點和Haemopexin結構域的獨特連接序列——O-糖基化序列(OG結構域)[12]。研究證明，OG結構域的缺失降低MMP-9介導的細胞遷移。該酶的主要底物包括明膠、Ⅳ型膠原Ⅴ和Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ型膠原等。MMP-9在正常組織中表達較低或缺失，而在炎癥和傷口愈合過程中表達升高[13]。因MMP-9可分解呼吸道和肺內ECM或基膜，并通過促進釋放血管內皮生長因子參與血管生成，所以目前的研究大多聚焦于呼吸道疾病、心血管等慢性病以及各類腫瘤。妊娠期間MMP-9由胎盤的滋養層細胞表達，介導滋養層細胞的侵襲和遷移。

MMP-9同樣以酶原形式Pro-MMP-9和有活性的aMMP-9兩種形式存在于體內。aMMP-9的相對分子質量為87kDa。Pro-MMP-9通常與TIMP-1形成復合物，兩種蛋白在Pro-MMP-9的羧基末端連接,當TIMP-1被釋放后，Pro-MMP-9轉化為具有活性的aMMP-9形式。此外，人體內缺氧誘導轉錄因子啟動一氧化氮的產生，通過催化Zn2+和酶的前肽結構域之間的連接激活Pro-MMP-9[14]。

MMPs發揮活性的范圍和持續時間受到內源性抑制劑的嚴格調控，包括血清抗蛋白酶和上文提及的TIMPs。目前已知有4種類型TIMPs，每一種都通過與多個MMPs的催化和(或)Haemopexin結構域結合而抑制MMPs功能[15]。其中，TIMP-1不論在健康組織還是病理條件下，都能抑制ECM水解。TIMP-1常被誤認為是MMP-9的特異性抑制劑，然而有研究發現所有的TIMPs都能抑制aMMP-9，只是TIMP-1復合物優先與Pro-MMP-9 C端的Haemopexin結構域結合；多項研究結果顯示，TIMP-2同樣有抑制ECM水解的作用，并通過間接調節包括MMP-2在內的金屬蛋白酶抑制ECM的降解；有研究發現，TIMP-3是ECM重塑的關鍵抑制劑，TIMP-3與其他TIMPs的不同之處在于它與ECM的結合更緊密。TIMP-4主要表達于發育中的肺、女性生殖道、胚胎和移植組織的ECM蛋白水解過程中，并在心臟和大腦中的表達具有組織特異性。

三、MMP-2和MMP-9在細胞侵襲行為中的變化

胎盤滋養層細胞侵襲子宮的行為是受到嚴格調控的多步驟過程，諸多調控因素參與；其中，MMP-2和MMP-9的合成和激活是必需的環節，兩者可顯著增強滋養層細胞的侵襲力。MMP-2是人類妊娠第6～8周胎盤明膠酶的主導成分，是此階段滋養層細胞侵襲的關鍵酶。隨著妊娠進展，MMP-2分泌逐漸減少，MMP-9分泌逐漸增加[16]。妊娠第8～11周，MMP-9的表達占優勢，直到妊娠結束。因此根據胎盤的發育過程以及MMP-2和MMP-9表達的變化可以推測，MMP-2在早期胎盤植入子宮過程中起重要的作用，而MMP-9在維持滋養層細胞適度侵襲中較為重要。

妊娠期間MMP-2和MMP-9的表達變化受到多種物質的影響，關系到滋養層細胞的侵襲行為。研究發現妊娠期血管內皮生長因子和胎盤生長因子促進胎盤MMP-2和MMP-9的表達和活化，促進滋養層細胞侵襲、胎盤生長以及血管重構。有研究團隊發現，激活素A刺激原代培養的滋養層細胞產生Pro-MMP-9、Pro-MMP-2和aMMP-2，并對滋養層細胞侵襲起到促進作用[17]。沉默血管生成素樣蛋白8、β淀粉樣蛋白1-42可顯著加速細胞的遷移和侵襲，同時MMP-2和MMP-9的表達水平升高[18,19]。當MMP-2和MMP-9的表達受到正向調控的同時，負向調控也正在進行以維持動態平衡，比如滋養層細胞表達的NOD1受體，在其受到非特異性配體刺激時，MMP-2 和MMP-9的分泌均明顯下降；當受到 NOD1 特異性配體如iE-DAP 刺激后，MMP-9的分泌水平明顯降低，MMP-2的分泌未受明顯影響，因此，通過激活NOD1負向調節MMP-2和MMP-9的表達水平，使母胎界面滋養層細胞侵襲能力下降[20]。沉默層粘連蛋白α4亞單位、顆粒蛋白前體以及N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶Ⅲ等也負向調控MMP-2和MMP-9的活性，并顯著降低人絨毛膜滋養層細胞系HTR-8/SVneo的侵襲、遷移和柱狀結構的形成[21～23]。由此可見，MMP-2和MMP-9高表達可顯著增加滋養層細胞的侵襲力；反之，其表達水平的降低會導致滋養層細胞的侵襲力降低。

近年來，關于微小RNA( micro RNA，miRNA)影響滋養層細胞侵襲力的研究越來越多。例如，miR-346和miR-582-3p通過抑制MMP-2和MMP-9的表達，進而抑制滋養層細胞的侵襲力[24]。過表達miR-491-5p的HTR-8/SVneo細胞與正常細胞比較，MMP-9的表達水平顯著降低，推測miR-491-5p可能通過降低MMP-9的表達水平來抑制滋養層細胞的侵襲和遷移[25]。miR-204同樣通過降低MMP-9的表達抑制滋養層細胞的侵襲;而miR-519d則通過降低胎盤組織中MMP-2的表達來降低滋養層細胞的侵襲能力[26]。除此之外，沉默STAT5B可使MMP-2在HTR-8/SVneo細胞中的表達增加，提示STAT5B負向調控滋養層細胞的侵襲力[27]。經敲降抗衰老基因Klotho處理的HTR-8/Svneo細胞侵襲能力顯著減弱，并且其MMP-2和MMP-9的表達也顯著下調；當敲除HTR-8/Svneo的Nesfatin-1基因時，亦發現細胞表型的上述變化[28]。

綜上所述，胎盤滋養層細胞侵入子宮壁的生物學行為受嚴格的調控；胎盤及蛻膜組織分泌的多種細胞因子及諸多miRNA都參與其中，或正向或負向，對維持滋養層細胞正常侵襲力的動態平衡、胚胎植入以及妊娠順利進行均有重要意義。在該龐大周密的調控網絡中的任一環節出現異常，都是病理性妊娠的發病原因，但是對于病理性妊娠的研究深度目前還不足以詳盡解釋，另一方面，只有充分了解調控機制，才有可能做到有的放矢，達到病因治療的高度。對于妊娠糖尿病、先兆子癇等相對多發的病理性妊娠尤其需要關注深層機制。

四、展 望

隨著晚婚晚育成為現代社會的發展趨勢，生育年齡的后延，孕婦年齡的遞增，使孕婦病理性妊娠的發生率增加，關注胎盤EVT的適度侵襲力，是針對病理性妊娠的重要防治手段。EVT是胎盤“扎根”子宮并得以正常發育的前提，嚴格調控EVT侵襲行為才能使胎兒在母體子宮中正常發育。滋養層細胞增殖和侵襲對子宮螺旋動脈的重塑以及母-胎之間物質交換也至關重要。不論EVT的異常侵襲行為是因還是果，都將導致多種妊娠相關疾病，給親代和子代都帶來不可逆的損傷。了解精確調控滋養層細胞增殖和侵襲行為的基因及影響因素，不斷探索各種病理性妊娠情況下EVT侵襲行為的異常，不僅可以為豐富疾病的診療手段提供理論基礎，而且可從致病機制層面更深入探討此類疾病的防治新方法。