慢性阻塞性肺疾病合并肺间质纤维化与基质金属蛋白酶-9及组织型蛋白酶抑制剂-1的关系

毕丽鑫,郭新庆

（保定市第三医院，河北 保定 0710002;菏泽医学专科学校，山东 菏泽 274000）

慢性阻塞性肺疾病合并肺间质纤维化与基质金属蛋白酶-9及组织型蛋白酶抑制剂-1的关系

毕丽鑫,郭新庆

（保定市第三医院，河北 保定 0710002;菏泽医学专科学校，山东 菏泽 274000）

慢性阻塞性肺疾病合并肺间质纤维化；基质金属蛋白酶-9；组织型金属蛋白酶抑制剂-1

慢性阻塞性肺疾病合并肺间质纤维化（chronic obstructive pulmonary disease combined with pulmonary interstitial fibrosis，PIF-COPD）是COPD进展的必然趋势和病理结局。COPD以不可逆的气流受限为特征，其病理生理基础还未完全明确。目前普遍认为是长期暴露于有毒颗粒如香烟烟雾导致长期广泛的炎症反应遍及全部气道、肺实质、肺血管[1]。COPD长期慢性炎症反应以基质过多降解和组织纤维化为特征并与蛋白酶/抗蛋白酶失衡相关联[2，4]。这就是“蛋白酶-抗蛋白酶失衡”假说，主要包括丝氨酸蛋白酶如中性蛋白酶和基质金属蛋白酶（MMPs）。MMP-9是MMPs的重要成员，在许多COPD患者的血液、痰液、支气管肺泡灌洗液、肺组织活检中表达水平及活性增高，据此认为MMP-9可能在COPD发展中起重要作用。国内杜敏捷等研究也证明COPD发展过程中肺纤维化是一种极为常见的病理改变，是COPD进展的必然趋势[3]。COPD合并肺纤维化主要发生部位在支气管各级分支，特别是VI级以下的支气管分支周围，病变严重的患者累及了呼吸性细支气管和肺泡壁。且以III型胶原纤维为主，引起持续气道狭窄和通气功能障碍，认为肺间质和肺泡纤维化是病变随病程向肺组织深处发展的结果，可能是炎症的一种修复反应，也是造成肺通气和换气功能障碍的原因[5]。上皮下基底膜的损伤是肺间质纤维化病理变化的关键事件，研究表明：基质金属蛋白酶在细胞外基质的降解与重塑的病理生理发展过程中起关键作用。基质金属蛋白酶通过与细胞因子、生长因子之间的相互制约与激活，通过对细胞外基质的降解链接了炎症细胞与肺结构细胞之间的信息交流，介导了肺泡炎症与进行性肺间质纤维化的进程[6]。

1 基质金属蛋白酶-9

MMPs是一类锌依赖内肽酶，有共同的结构相似性，但是在表达和底物选择上相区别。所有的MMPs有以下共同特征：a降解细胞外基质的蛋白质。b均含有锌离子活化位点。c均需钙来维持稳定。d只有在中性Ph值下发挥功能。除了膜型基质金属蛋白酶所有的MMPs也有共同的生物特性，以非活性形式分泌，在细胞外被激活。基于它们的底物专一性及结构特性，MMPs被分成五类：1)胶原酶（MMP-1，-8，-13，-18）。2）明胶酶A、B、C（MMP-2，MMP-9）。3）溶基质酶（MMP-7，-26）。4）溶间质酶（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与各种生理和病理条件下的细胞外基质破坏和重塑有关，是各种组织包括肺的炎症、传染性疾病、肿瘤的重要发病机制[7-8]。

1.1 结构特点 MMP-9有五个共同的结构域：N端信号肽区启动调节信号，前肽区抑制活化信号，催化区内含具有活化作用的Zn2+，C端类血红蛋白结合蛋白区，有四个类血红蛋白重复序列组成，铰链区位于类血红蛋白结合蛋白区与催化区之间富含脯氨酸。MMP-9结构独特之处在于催化区含有三个II型纤维连接蛋白样重复序列，使之对明胶酶及弹性蛋白具有高度亲和力。

1.2 合成 正常肺组织不表达明胶酶，当炎症发生时，支气管上皮细胞、克拉拉细胞、肺泡II型细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞都能产生MMP-9。白细胞是明胶酶的另一个主要来源，中性粒细胞和嗜酸性粒细胞也能产生MMP-9。巨噬细胞、主细胞和淋巴细胞在炎症情况下也能释放MMP-9[9]。

1.3 激 活 就 像 所 有MMPs，除 了MT-MMPs，MMP-9是以无活性的前体形式分泌到细胞外，在细胞外基质中性Ph环境里，Ca2+存在的条件下MMP-9的前肽区被丝氨酸蛋白酶通过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。酶原的激活同时伴随着分子量的减少[10-12]。

2 组织型金属蛋白酶抑制剂-1

明胶酶的主要生理抑制剂是α2-巨球蛋白和TIMPs。α2-巨球蛋白在循环中通过巨噬细胞上的清除剂受体清除有活性的MMP-9。组织型金属蛋白酶（TIMPs）迄今已发现五个家族成员TIMP-1到TIMP-5。TIMPs是一组低分子量糖蛋白，广泛分布于组织和体液中，可由成纤维细胞、上皮细胞、内皮细胞等产生和分泌。TIMPs分子分为两个功能域，其N端功能域的半胱氨酸残基与MMPs的锌离子活性中心结合，其C端功能域与MMP前体或MMPs的其他部位结合，以1：1的比例以非共价键形成复合体，从而抑制酶原活化或酶和底物结合，达到抑制作用，属于转导后调节。另外，TIMPs还是多功能分子，不仅抑制MMPs活性，而且具有细胞生长因子样作用，促进成纤维细胞增生及胶原合成，使细胞外基质沉积并抑制其降解。目前认为，TIMPs反应了气道的修复过程，是气道纤维化的标志[7,8,13]。

3 基质金属蛋白酶-9/组织型金属蛋白酶抑制剂-1与疾病的关系

3.1 MMP-9/TIMP-1失衡与COPD合并肺间质纤维化 Mercer等[14]通过对COPD患者痰液标本进行检测发现明胶电泳法及Elisa法检测到的MMP-9和TIMP-1均显著高于健康对照组。COPD加重期间MMP-9水平明显增加，MMP-9/TIMP-1的平衡倾向MMP-9，COPD稳定期平衡倾向TIMP-1。MMP-9增多的结果可能导致气道外基质破坏，气道重塑和COPD患者肺功能下降。TIMP-1过量表达被认为和纤维化加速及细胞外基质沉积有关[15]。Finaly和同事们[14]发现来自肺气肿患者肺泡灌洗液的巨噬细胞中编码MMP-9的mRNA水平显著提高，据此他们认为MMP-9在人类肺气肿患者的BALF中是增加的，这些酶能水解弹性蛋白，提示这些酶在COPD的发病机制中有直接作用。Culpitt[16]使用免疫组化法检测四组志愿者痰中的MMP-1，MMP-8，MMP-9及TIMP-1，结果发现来自COPD患者痰中的MMP-1，MMP-8，MMP-9的活动较哮喘组、吸烟组及健康不吸烟组增加，TIMP-1也高于其它组。MMP-1，MMP-8，MMP-9和TIMP-1的水平和活动与FEV1呈负相关。有研究证实，肺气肿缘于蛋白酶/抗蛋白酶失衡，然而抗蛋白酶类却可以调节纤维化，蛋白酶抑制剂过度表达的实验大鼠可以导致肺维化，并伴随蛋白酶抑制剂水平的上调和基质的过度沉积。在肺纤维化早期MMP-9有高表达，此时肺部病变主要为损伤性改变。随着纤维化进展MMP-9逐渐下降。TIMP-1在整个纤维化过程中一直呈上升趋势并维持在一个较高水平。此时TIMP-1表达占优势，肺部主要为纤维增生样改变[17]。由这些实验可以说明MMP-9/TIMP-1失衡可能是COPD合并肺间质纤维化的重要发病机制。

正常情况下MMP-9与TIMP-1处于平衡状态，如果MMP-9与TIMP-1比值升高，表明气道壁以炎症反应为主，如果MMP-9与TIMP-1比值下降则表明以修复为主。MMP-9和TIMP-1的高表达和比值失衡是肺功能下降的重要因素[18]。

3.2 MMP-9与哮喘、特发性肺间质纤维化（IPF）、结核病及胸部肿瘤 对哮喘患者和健康受试者纤维支气管镜检物行免疫组化印迹和计算机辅助图像分析证实哮喘患者Ⅲ型胶原、Ⅴ型胶原、黏合素在上皮下沉积与局部MMP-9、TIMP-1表达增高有关，MMP-9的表达强度大于TIMP-1。MMP-9还参与呼吸道炎症和呼吸道高反应性，各种炎性细胞在向呼吸道移行的过程中可受到炎性介质的调节而合成、释放MMP-9。过多MMP-9通过纤维连接蛋白样重复序列、类血红蛋白结合蛋白区与底物结合，而降解Ⅳ型胶原、Ⅴ型胶原和弹性蛋白，从而有利于炎性细胞穿过基底膜和ECM。MMP-9可使T细胞浸润到气管，而淋巴细胞被认为在形成呼吸道高反应性的过程中起重要的作用。另外α2-巨球蛋白也是一个主要的明胶酶生理抑制剂，哮喘正是缺乏了这种蛋白质导致在肺基质不能抑制明胶酶的活动而产生有害影响。也有研究证实严重哮喘患者痰中和BALF中MMP-9水平比轻中度患者明显增高[7,19-20]。Culpitt[15]的实验也得出哮喘患者痰中 MMP-1，MMP-8，MMP-9的水平高于健康不吸烟组及吸烟组。

IPF的特点是细胞外基质成份过多沉积导致正常细胞结构破坏，Selmen等人认为过多的抑制明胶酶活动易于罹患IPF。在IPF中MMP-2和MMP-9很少增加，但是某些TIMPs的水平却有大量增加，包括TIMP-1和TIMP-2，TIMPs和明胶酶失衡利于过多基质蛋白由于降解不足而沉积，导致ECM的数量逐渐增加[22-23]。 Beeh等[2]研究也证实IPF与COPD气道分泌MMP-9和TIMP-1，MMP-9/TIMP-1的比率不同，在IPF中，TIMP-1明显高于MMP-9。

肺结核影响全世界数以百万计的人，病原体是细胞内的结核分枝杆菌。在结核有关的胸膜腔积液中证明有高水平的MMP-2和MMP-9。另外许多结核患者血浆的MMP-9水平也升高，并与疾病的严重程度相关联。MMP-9还与结核性肉芽肿的形成过程有关[1，8]。

肺癌浸润和转移过程中癌细胞浸润、转移的能力与其诱导产生蛋白酶降解ECM和基底膜的能力密切相关。MMPs就是其中最为重要的一组蛋白酶，它几乎能降解ECM中的各种蛋白成分，破坏抵抗肿瘤细胞侵袭的组织学屏障，从而促进肺癌的浸润和转移。TIMPs是一组能特异性抑制MMPs活性的低分子蛋白质，是体内MMPs活性调节的重要机制。正常情况下，MMPs和TIMPs相互作用，使ECM处于动态平衡中，MMPs活性增强或TIMPs活性降低都会破坏ECM的动态平衡，从而促进肺癌的浸润和转移[24]。近年来研究发现，MMPs在肿瘤侵袭转移中的作用除了降解ECM外，它还能促进血管内膜胶原破坏，帮助内皮细胞发展导致新生血管生成，而后者是肿瘤生长转移过程中的关键因素。TIMPs能特异性结合激活状态的MMPs并抑制其活性，因而被看成是一种肿瘤转移抑制因子。然而，由于TIMPs在体内的生物学功能具有多样性，它在肿瘤中的作用较为复杂。TIMPs在体内具有生长因子及促血管生成的作用，这又是促进肿瘤生长和转移的重要因素。TIMPs与肺癌的关系有待进一步研究[25-26]。

4 展望

COPD是包括气道炎症反应和广泛气道降解的疾病，现有的治疗包括β2受体激动剂、吸入激素和氨茶碱，不是非常有效。支气管舒张药提供的仅仅是症状缓解，不能从根本治疗疾病，努力发展新的治疗策略正积极进行。COPD合理的治疗依靠阐明疾病进程中的细胞和分子机制。特别需要发展药物去控制疾病相关的炎症反应，纤维化和破坏过程。在这个基础上提出的蛋白酶抑制剂作为COPD的治疗方法有巨大潜力。由于COPD是以聚集中性粒细胞和巨噬细胞为特征，焦点集中在抑制这些细胞聚集拮抗它们的产生。MMPs成为抗炎治疗的目标，尽管没有MMPs抑制剂作为支持COPD治疗的临床资料，但基于众多研究，大量MMPs抑制剂被人工合成和对一些疾病如风湿和肿瘤作临床实验。如何通过调节MMP-9和TIMP-1之间的平衡来防治COPD还需要深入研究，预计不久的将来会有明显进展[21-22]。

[1]Pauwels RA，Buist AS，Calverley PM，et al.Global strategy for the di agnosis，management，and prevention of chronic obstrutive pulmo nary disease：National heart，Lung and Blood Institute and World Health Organization Global initiative for Chronic Obstrutive Lung Disease（GOLD）：esecutive summary[J].Respire Care，2001,46（8）：798-825.

[2]Beeh KM，Beier J，Kommann O，et al.Sputum matrix metallprotein ase-9，tissue inhibitor of metalloproteinase-1，and their molar ratio in patients with chronic obstructive pulmonary diserse，idiopathic pulmonary fibrosis and healthy subjects[J].Respir Med，2003,97：634-639.

[3]杜敏捷，王辰，曹大德，等.慢性阻塞性肺疾病合并肺纤维化的病理学研究[J].中华结核和呼吸杂志，1999，22（1）：30-32.

[4]Vornooy JH，Lindeman JH，Jacobs JA，et al.Increased activity of ma trix metalloproteinase-8and matrix metalloproteinase-9in induced sputum from patients with COPD[J].Chest，2004,126：1802-1810.

[5]季蓉，何权瀛.肺气肿合并肺间质纤维化的临床研究[J].中华结核和呼吸杂志，1999,22（11）：666-668.

[6]徐军，钟南山.基质金属蛋白酶与细胞因子的相互作用在肺间质纤维化发病中的地位[J].中华结核和呼吸杂志，2002,25（9）515-516.

[7]Subhadeep Chakrabarti，Kamala D.Patel.Matrix metalloproteinase-2（MMP-2） and MMP-9in pulmonary pathology[J].Experimental Lung Research，2005,31：599-621.

[8]张天民.基质金属蛋白酶与呼吸系统疾病关系的研究进展[J].医药导报，2007，26（3）：223-226.

[9]Atkinson JJ，Senior RM.Matrix metalloproteinase-9in lung remodel ing[J].Am J Respir Cell Mol Biol，2003,28（1）：12-24

[10]Ogata Y，Enghild JJ，Nagase H.Matrix metalloproteinase-3（strome lysin）actives the precursor for the human matrix metalloprotein ase-9[J].J Biol Chem，1992,25,267：3581-3584.

[11]陈远骥，王伯章.基质金属蛋白酶-9与慢性阻塞性肺疾病的研究[J].医学综述，2006,12（11）：648-650.

[12]李亚清，张珍祥，徐永健.基质金属蛋白酶的结构，调控及其与慢性阻塞性肺疾病的关系[J].国际呼吸杂志，2006：26（3）182-185.

[13郭瑞霞，张红梅，袁雅冬.COPD患者基质金属蛋白酶-9及其抑制物的表达和调控[J].新医学，2006,39（2）134-136.

[14]Mercer PF，Shute JK，et al.MMP-9，TIMP-1and inflammatory cells in sputum from COPD patient during exacerbation[J].Respira tory Research 2005,6：151.

[15]eterson JT，Matrix metalloproteinase inhibitor development and the remodeling of drug discovery[J].Heart Fail Rev,2004,9（1）：63-79.

[16]Ohinishi K，Takagi M，Kurokawa Y，Satomi S，Konttinen YT.Ma trix metalloproteinase-mediated extracellar matrix protein degra dation in human pulmonary dmphysema[J].Lab Invest,1998,78（9）：1077-1087.

[17]李圣青，张坚，黎志东，等.小鼠肺纤维化模型中基质金属蛋白酶及其抑制剂表达水平的变化[J].细胞与分子免疫学杂志，2004，20（6）：723-726.

[18]孔英军，孔文学.慢性阻塞性肺疾病患者血清基质金属蛋白酶及其抑制因子与细胞黏附因子和血管内皮黏附因子的关系研究[J].Chinese Journal of Practical Internal Medicine,2007,27（16）1294-96.

[19]Matteos W，Lim S，Russell R，et al.Matrix metalloproteinase-9ex pression in asthma：effect of asthma severity，allergen challenge，and inhaled corticosteroids[J].Chest,2002,122（5）：1543-1552.

[20]Wenzel SE，Balzar S，Cundall M，Chu HW.Sub epithelial base ment emembraneimmunoreactivity for matrix metalloproteinase-9：association with asthma severity，neutrophilic inflammation，and wound repair[J].J Allergy Clin Immunol,2003,111（6）：1345-1352.

[21]Culpitt SV，Rogers DF，Traves SL，et al.Sputum matrix metalloroteinases：comparison between chronic obstructive pulmonary dis ease and asthma[J].Respir Med,2005,99703-710.

[22]Selman M，Ruiz V，Cabrera S，et al.TIMP-1，-2，-3and-4in idio pathic pulmonary fibrosis.A prevailing nondegradative lung micro enviroment[J]Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2000,279：（3）：562-574.

[23]Rimos C，Montano M，Garcia-Alvarez J，Ruiz V，Uhal BD，Selmen M，Pardo A.Fibroblasts from idiopathic pulmonary fibrosis and nor mal lungs differ in growth rate，apoptosis，and tissue inhibitor of metalloproteinases expression[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2001,24（5）：591-598.

[24]赵志芳，陈刚.MMP/TIMP、VEGF与肺癌的浸润和转移[J].Int J Respir，Aug.2007,27（15）：1146-1149.

[25]唐小军，周清华.基质金属蛋白酶与肺癌侵袭转移的关系[J].中国肺癌杂志，2001,4（2）：116-120.

[26]Chakrabarti S，Patel KD，Matrix metalloproteinase-2（MMP-2）and MMP-9in pulmonary pathology[J].Experimental Lung Re search，2005，31：599-621.

R563

A

1008-4118（2011）03-0089-04

10.3969/j.issn.1008-4118.2011.03.49

2011-09-15