基质金属蛋白酶抑制剂与肿瘤关系研究进展

罗昊

(乐山职业技术学院护理系,四川 乐山 614000)

侵袭和转移是恶性肿瘤的两大特征,基膜和细胞外基质(Extra cell matrix,ECM)的降解正是恶性肿瘤细胞侵袭和转移的前提。基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinase,MM Ps)在细胞外基质的降解过程中起着至关重要的作用。基质金属蛋白酶抑制剂(Tissue inhibitor of metalloproteinases,TIM Ps)是MMPs的主要生理性抑制因子,对由MMPs产生的基质降解起着重要的平衡作用。正常情况下,在机体内活化的MMPs和TIM Ps之间存在一种动态平衡关系,当两者之间的平衡被破坏,将影响肿瘤的侵袭、转移[1]。

1 TIMPs的分类和结构

TIMPs是一组特异性抑制MMPs活性的多功能细胞因子家族,广泛表达于各类组织细胞以及体液中,其相对分子量为21000～34000。TIMPs按照发现先后顺序命名为TIM P-1,2,3,4;不同 TIMPs对MMPs家族中不同成员的作用有一定程度的特异性。

TIMP-1是相对分子量为 29000的N-乙酰糖基化蛋白,其基因定位于位于人第10号染色体短臂Xp11.23-Xp11.4,由巨噬细胞、角质生成细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞和內皮细胞合成[2]。TIMP-1能抑制绝大多数的MMP,可与MM P-9前体及有活性的MMP-1、3、9形成高度亲和的、非共价键结合的复合物。

TIMP-2是一种非糖基化蛋白,相对分子质量为21000,其基因座位于人第17号染色体长臂17q23-17q25,其40%的序列与TIMP-1一致。TIMP-2与M MP-2有很强的亲和力,主要抑制MMP-2活性,对MMP家族其他成员的活性也有抑制作用,能阻断所有被激活的MMP的水解酶活性[3]。TIM P-2多随MMP-2的表达而表达,很少受细胞因子的诱导。

TIMP-3是一个相对分子质量为21000的非糖基化蛋白,其基因座位于人第22号染色体长臂22q12-22q13。TIMP-3具有与其他3个成员不同的特性,它只存在于细胞外基质中,是一种结合ECM的非可溶性蛋白。TIMP-3是全功能MMP抑制因子,对MM P-2、9、胶原酶-1及基质溶素的抑制作用相似。TGFB、PDGF、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、EGF均可诱导TIM P-3的表达。

TIMP-4是最新克隆的蛋白类抑制因子,在成人的心脏中有较高的转录水平,在肾脏、胰、结肠、睾丸有低水平的表达,它抑制 MMP-2、7作用稍强于 MMP-1、3、9。已证明它在体外抑制乳腺癌细胞的浸润,并能阻止新生血管的形成,在裸鼠体内抑制肿瘤细胞生长和转移具有重要的作用。

TIMPs含有两个功能域：①N末端：其位于二硫键附近的Cys-1-Cys-70残基,可通过螯合锌原子来抑制M MPs的水解作用,这个功能域如果被烷化,或者发生突变,则会失去抑制MM P的作用。②C末端：与MMP(尤其pro-MMP-9)以1：1的非共价键结合形成复合物。

2 TIMPS与肿瘤

2.1 TIMPs在肿瘤中的表达

在肿瘤组织中,各种类型MM Ps的表达均有不同程度的增高,过去认为在肿瘤组织TIMPs的表达是降低,但最新研究表明,体内大多数肿瘤组织 TIMPs表达并非下降,而是升高。TIMPs表达的升高,代表了宿主控制MMPs活性和维持ECM完整性的反应。有研究表明,TIMP-1和TIMP-2的表达下调会造成ECM的过度降解,与结直肠癌的侵袭能力增强相关;而TIMP-2的过表达,可以降低乳腺癌的生长速度,减少癌细胞的转移[4-5]。在膀胱癌中高水平的 TIMP-2也与预后较好相关[6]。因此,TIM P-1和TIMP-2的表达水平可以作为肿瘤的预后标志。而又有研究表明在乳腺癌中高水平的TIMP-1与预后较差相关[7]。TIM P-1作为MMPs天然抑制因子为何表达升高也会导致预后不良,有学者推断可能TIM P-1过表达是MM Ps升高后的反应性过表达,两者间的平衡打破,由MMPs占主导地位。所以,TIMPs可能既具有抑制肿瘤的作用,也具有促进肿瘤的作用。目前越来越多证据显示TIMPs是一类多功能的蛋白,除了抑制MMPs活性外,还具有独特的肿瘤刺激作用,参与细胞凋亡,细胞增殖,肿瘤血管发生等过程。TIM P-3可以诱导前列腺癌细胞的凋亡,并能提高癌细胞对化疗药物紫杉醇的敏感性[8]。

2.2 TIMPs与肿瘤侵袭、转移的关系

Sharma等[9]应用免疫组织法对 65例食道癌标本进行MM P-10、M MP-11、TIM P-l和 TIM P-2的表达检测,多因素分析表明TIMP-l/TIMP-2阳性与淋巴受侵犯相关。Lei[10]等在体外用纯天然TIMP-1蛋白阻断肿瘤细胞对人羊膜的浸润。Khokha等[11]将全长TIMP cDNA转染高转移性的 B16F10小鼠黑色瘤细胞系,导致TIMP-mRNA及蛋白活性增强,从而明显降低了转染细胞穿过基质膜的能力,表明TIMP-1在肿瘤浸润和转移中起负性调节关系。在食管腺癌的发展过程中,TIMP-3基因常出现甲基化,导致表达缺失,也与肿瘤的侵袭能力升高、患者生存率降低等相关。TIMPs对肿瘤侵袭、转移的抑制是通过调节MMPs的活性来实现。TIMPs对MMPs的调控包括基因、转录、翻译、前酶原的激活等多个方面。在正常生理状态下,这些因素共同调节M MPs,对肿瘤的发生、发展起到调控作用。(1)基因、转录、翻译调节：TIMPs是机体天然的内源性抑制因子,与MM Ps以非共价键结合后抑制MMPs的水解活性[12]。MMPs和TIMP基因表达与多种细胞因子、生长因子、类固醇激素密切相关;(2)前酶原的激活：所有的MMPs除了MMP-7外都是以酶原形式分泌,要降解基质这些酶原必须被激活,TIMP对MMPs的抑制作用主要：一是阻止MMPs酶原活化,二是抑制已活化的MMPs的活性。

2.3 TIM Ps与肿瘤新生血管生成

新生血管的形成包括毛细血管内皮层下基底膜降解、内皮细胞迁移和增殖、新生血管形成和新的基底膜形成等一系列过程。实验证明,在血管形成的过程中,内皮细胞能分泌MMPs来降解ECM,促进新生血管形成,TIM Ps抑制了M MPs活性,防止ECM降解。TIMP-2可抑制bFGF诱导的内皮细胞增殖,TIMP-3可抑制内皮细胞的移动及在基质凝胶上的管状化。Kim[13]等研究发现 TIMP-1和 TIMP-2能抑制血管生成素(Angiopoietin-1)诱导的血管内皮细胞出芽,由此可见TIMPs在肿瘤新生血管形成中的起着很重要的作用,但具体机制还不是很明确。其主要在以下几个环节发挥抑制新生血管形成的作用(1)防止ECM降解;(2)抑制基质中促血管生成因子的释放;(3)阻碍MMP介导的内皮细胞移动;(4)抑制内皮细胞增殖。

2.4 TIM Ps基因多态性与肿瘤的相关性

国际人类基因组计划(HGP)完成之后,生物医学进入后基因组时代,以人类基因组中广泛分布的单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphisms,SNPs)为工具,采用关联的研究策略寻找复杂性疾病的易感性基因成为功能基因组学研究的主要内容之一。最近有研究报道,TIMP-1基因的434C/T和rs2070584 G/T两类SNP与腹主动脉瘤的发生风险相关。在没有家族史的男性中,携带C等位或G等位的个体发病风险较低,而且T-T单倍型在没有家族史的个体中与该疾病的易感性存在关联[14]。还有研究显示,TIMP-3基因启动区的甲基化或TIMP-3所在染色体片段的丢失都会导致其蛋白表达的减少或缺失,与胰腺肿瘤和继发性恶性胶质瘤的发生相关。TIMP-3基因多态性与食道癌的相关性TIMP-3-1296C/T的变异等位基因C可能与ESCC的发病风险存在相关性,含有突变基因C的CT和CC基因型降低ESCC的发病风险。以上实验结果提示TIM Ps基因多态性与肿瘤发生发展可能存在相关性。但是在将SNP应用于肿瘤遗传易感性筛查以及肿瘤个体化治疗的过程中,研究者也逐渐发现到SNP研究中存在的重复性差的问题。有文献[15]报道,在166项疾病关联研究中,仅有 6项在随后的研究中等到3次或3次以上的重复。造成这种现象的原因很多,除了常见的种族差异、环境暴露的差异和对照的选择等原因[16-17]外,它与肿瘤的异质性关系密切,目前肿瘤的诊断主要是建立在临床病理基础之上,只要符合一定的判断标准就能作出诊断,但从基因水平看,每个病人肿瘤发生发展的分子机理显然是不同的。克服这个问题需要研究者们进行更严格的实验设计,同时研究的样本量也必须足够大。

2.5 基质金属蛋白酶抑制剂与肿瘤治疗

TIMPs与肿瘤有密切的相关性,自上世纪90年代以来,通过化学手段合成小分子基质金属蛋白酶抑制剂(MM PI)一直是在肿瘤治疗方面的一个热点。

第一代MMPI以巴马司他(BB-94)为代表,具有广泛的抑制MMPs的作用。应用胰岛细胞癌变的转基因动物模型,BB-94抑制早期的血管形成。但口服生物利用度差改为胸腔或腹腔注又容易诱发急性肠中毒。已经被第二代MMPI所替代。

第二代MMPI以马立马司他(Marimastat BB-2516)为代表,它是一类异羟肟酸衍生物,其结构类似于间质组织胶原酶降解的胶原分子,起始段能可逆地结合MMP含锌离子的活性区,从而抑制其活性。可以口服临床使用具有毒副作用小、病人耐受好等特点。主要不良反应是骨骼肌肉不适,无明显其他不良反应。

第三代又被称为基于结构设计的MMPI,通过对已有抑制剂与酶复合物三维结构的分析来设计新型化合物,打破以前的种种限制,并且与组合化学方法和高通量筛选相结合,大大提高了合成和筛选的效率,涌现出大量结构各异对不同亚型MM P具有选择性的低分子量化合物,如 AG3340、BAY129566、BMS2275291。

此外,对抗微生物药四环素进行化学修饰而设计的MM PI COL23,对MMP-2/-9有选择性抑制作用。还有非传统的MM PI Neovastat,是一种从鲨鱼软骨中提取的天然MM PI,抑制M MP-2/-9/-12的活性,并拮抗血管内皮细胞生长因子,为一多功能抗肿瘤血管生成药[18]。

许多MMPIs进入临床阶段后效果并不理想,主要原因在于：(1)对于特定的疾病,同一疾病不同的发展阶段,所需要抑制的MMP各不相同。(2)MMPIs的广谱特点使其无选择性地抑制了其他相关酶。所以首要任务是进一步了解MMP家族各个成员结构、功能以及调控机制,确定与疾病不同时期相关的特定MMP家族成员,开发出稳定、不良反应小、具有适当抑酶谱的可以口服的 MMPIs。

综上所述,TIM Ps不仅能抑制M MPs的水解活性,而且还具有抑制肿瘤血管生成的作用,与肿瘤的浸润与转移密切相关。对TIMPs系统研究的不断深入和研究方法方法的不断改进,将为肿瘤遗传易感性筛查,临床诊断、治疗和预后提供更可靠的依据,也可为临床抗肿瘤药物研发提供新的策略和方向。

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