基质金属蛋白酶及其抑制剂在消化系统肿瘤中作用的研究进展

郝 青，郭 颖 综述，张林西 审校

（1.河北北方学院附属第二医院外科，河北 宣化075100；2.河北北方学院病理学教研室，河北 张家口075000）

人类恶性肿瘤的发生涉及多个原癌基因的激活和/或抑癌基因的失活，表现为多因素、多基因、多步骤的相互协同作用，在消化道肿瘤的发生、发展上表现尤为显著，其中基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）和基质金属蛋白酶组织抑制因子（tissue inhibitor of metalloproteinases，TIMPs）具有重要作用。随着对MMPs及TIMPs的深入研究，有可能从此方面揭示其异常表达与消化道肿瘤浸润进展的关系，为临床早期诊断、安全有效的靶向治疗消化系统肿瘤等提供理论依据。主要针对MMPs中较为关键的MMP－2、MMP－9及TIMPs在消化系统常见肿瘤中的作用做一概述。

1 MMPs的生物学特性

MMPs因其含有金属Zn2＋、Ca2＋而得名，是一类结构高度同源、属分泌型或膜相关性内肽酶类，已发现至少有23个成员。MMPs能分解绝大多数细胞外基质（extracellular matrix，ECM）成分，同时参与胚胎发育、血管形成及组织再吸收等。大多数MMPs分泌到细胞外发挥作用，但在细胞内，无论是在细胞核、胞质或细胞器也发现 MMPs，对于细胞内 MMPs的作用仍然缺乏了解[1]。在生理条件下，MMPs以无活性的酶原形式存在，组织中含量较低。在某些病理情况下，体内存在的天然激活剂可激活MMPs，某些特殊的化学物质也具有激活功能。MMPs有以下共同特点：①蛋白酶以酶原形式分泌（可溶性或膜相关性形式）；②活性中心的Zn2＋是催化机制的关键，其活性及表达受到严格调控；③每种MMPs能裂解一种或多种ECM成分；④可被TIMPs抑制。

正常情况下MMPs和TIMPs保持动态平衡，进而维持组织细胞正常生理功能。若此平衡失调，许多与MMPs功能有关的病理生理变化就会发生紊乱，如癌细胞的增生、浸润和转移等。其中MMPs家族中的MMP－2、MMP－9在肿瘤的转移和血管生成方面所起作用尤为重要。

1.1 基质金属蛋白酶－2（MMP－2）

MMP－2结构基因总长度为27kb，由13个外显子和12个内含子所组成，位于人类染色体16q21。研究发现，多种细胞可以分泌无活性的前酶原MMP－2。其激活位点的金属离子与氨基末端的半胱氨酸残基相互作用，进而介导着MMP－2的前体状态。在细胞外MMP－2以无活性的前酶原状态存在，可在适宜条件下经一系列复杂的生物学反应激活，现已基本阐明MMP－2在体内的激活机制。MMP－2功能的发挥受到膜激活剂、整合素受体和TIMP－2等调控，从而影响了MMP－2的表达、激活及其降解靶蛋白。

1.2 基质金属蛋白酶－9（MMP－9）

MMP－9基因具有13个外显子和9个内含子，位于染色体20q11.2～13.1。它是MMPs家族中相对分子质量最大的酶，最初由Sopata等从中性粒细胞提取获得。研究发现，MMP－9主要由巨噬细胞、恶性肿瘤细胞等以酶原形式分泌到细胞外，在体内经一系列复杂的蛋白酶级联反应而激活，其中丝氨酸蛋白酶可能是其最重要的激活剂；此外，活化的MMP－2、MMP－3等也可以激活MMP－9；MMP－9特异性抑制剂主要是TIMP－1，二者形成复合物从而抑制MMP－9活性。

MMP－9生理作用较为广泛，它能调节其他蛋白酶和细胞因子的活性，它能与CD44结合释放储存的转化生长因子－β1；还可以使中性粒细胞弹性蛋白酶的活性受到保护；并且使白细胞介素－8（IL－8）向中性粒细胞的趋化活性增加十倍等。

MMP－9还可参与血管生成，研究表明，MMP－9能够增加血管内皮生长因子（VEGF）作用于受体的效力，进而诱导肿瘤血管生成。而生成新血管是癌细胞一系列恶性行为的基础，所以测定癌组织中MMP－9可作为反映肿瘤侵袭和转移的生物学指标。

2 MMPs与消化道肿瘤

2.1 食管癌

食管癌是我国常见的消化道恶性肿瘤之一，困扰临床医师的难题是癌细胞易于发生浸润和转移，也是临床治愈率较低的原因之一。近年来，国内外学者对食管癌进行了大量的实验研究，认识到MMPs破坏基底膜完整性，在癌细胞的发生、浸润及转移中起着重要作用。郭颖等[2－3]研究发现，MMP－2在食管癌中的阳性表达率明显高于正常食管黏膜，其表达与癌细胞的血管侵袭、侵袭深度、食管旁淋巴结转移等相关。另有文献报道，食管癌组织中MMP－2、MMP－9等阳性表达与淋巴结转移和血管侵袭有关，提示MMP－9的高表达是癌细胞侵袭转移的促进因素之一。其机制为MMP－2、MMP－9通过降解细胞外基质，使得肿瘤细胞突破原发部位正常的基底膜而发生浸润，突破血管周围的基底膜进入脉管系统而发生转移。MMPs表达增加在包括食道癌等人类常见恶性肿瘤的进展中起着关键作用[4]。在食管癌中，上调的MMPs基因产物可能成为临床早期检测标记物[5]。针对MMP－2基因的RNAi技术可能是一个潜在的有效治疗食管癌方法[6]。

2.2 胃癌

肿瘤细胞的无限性生长和浸润转移是恶性肿瘤的最重要的生物学特征，也是胃癌治疗失败以致死亡的主要原因。研究发现，与正常组织相比，MMP－9和VEGF－A在肿瘤组织过度表达，他们可能在胃癌的发生、进展、浸润及转移中起协同作用，或可作为胃癌的预后生物标记物[7]。Zhang等[8]研究报告MMP－9过表达与胃癌淋巴结转移和胃癌浸润深度呈正相关。还有学者研究证实MMP－9在胃癌组织中表达与肿瘤恶性程度、肿瘤侵袭性、肿瘤细胞增殖指数和淋巴结转移呈正相关。胃癌细胞能产生过量的MMP－2和MMP－9，而MMP－2和MMP－9能通过降解细胞外基质和基底膜，从而促进胃癌的发生发展。MMP－9mRNA表达在高于某个临界水平后与胃癌患者生存不佳有关[9]。

2.3 大肠癌

大肠癌是位居我国第四位的常见恶性肿瘤，且其发病率有逐年增高的趋势。研究表明，MMP－2和MMP－9与大肠癌浸润、分期及预后密切相关，MMP－2和MMP－9高表达的癌组织具有较强浸润、转移能力[10]。MMP－2、MMP－9蛋白在正常黏膜高表达，与5年生存率差有关，对两个参数进行多变量分析后发现，二者是独立于TNM分期的一个更强的预后因子[11]。MMP－2和MMP－9以及其它肿瘤相关因子的过度表达，导致发生一系列的肿瘤细胞恶性行为（细胞外基质和基膜破坏、粘附性改变、癌细胞游走），最终导致肿瘤浸润转移。而MMP－11和MMP－13对于可切除结直肠癌患者具有预后价值[12]。

2.4 肝癌

肝细胞癌最主要的特征是癌细胞难以调控地生长。目前，我国肝癌死亡率居高不下。Giannelli等[13]研究发现肝癌组织中MMP－2的酶原和活化形式均高于邻近正常肝组织，能产生MMP－2的肝癌细胞具有明显侵袭表型，此类癌细胞能够侵袭穿过基底膜。MMP－9可降解细胞外基质、毛细淋巴管基膜、门静脉血管基膜等，促进肿瘤细胞侵袭转移进入管道以及周围肝组织。所以，MMP－9与肝细胞癌的侵袭和转移关系十分密切。有学者报道，MMP－9过度表达可加速肝细胞癌的进展[14]。而IL－23可以通过激活NF－κB/p65信号通路，导致MMP－9表达上调而促进肝细胞癌转移[15]。对于肝细胞肝癌淋巴结转移患者，MMP－2和CK19表达是无病生存和总生存率的独立预后因素[16]。另有报道MMP－9mRNA表达水平的增高常伴随着肿瘤包膜的侵犯，肝细胞癌组织中MMP－9mRNA、MMP－2mRNA均有强烈表达时患者的生存期更短[17]。肝细胞癌患者肝切除后，对于总体生存和肿瘤复发，MMP－12mRNA可能是一种有价值的预后标志物[18]。

2.5 胆管癌

胆管癌是一种容易缺乏血供的实体瘤，其病理学基础是胆管癌细胞于纤维间质组织中呈散在的片状或灶状分布，小血管在密集的纤维间质中被压迫，迂曲破坏。杨定忠等研究报道胆管癌组织中MMP－9阳性率为76.4%，明显高于正常胆管组织。Jo等[19]用酶联免疫吸附法发现MMP－2和MMP－9在胆管癌中高表达。还有学者研究发现，MMP－9在胆管癌中高表达，与肿瘤的TNM分期、病理分级、远处转移、浸润深度等有关，且MMP－9表达阴性患者一年生存率要明显高于阳性者。随着胆管癌的恶性程度增加，癌组织中MMP－2和MMP－9的表达相应上调。研究显示，MMP－2和MMP－9在胆管癌组织中的表达，与胆管癌的侵袭转移及预后关系密切，这对判断患者预后有一定意义。MMP－7表达也与肝内胆管癌切除患者预后不良相关[20]。血清中MMP－7和CA19－9含量可作为区分胆管癌与良性胆道梗阻性疾病的生物标志物[21]。

2.6 胰腺癌

胰腺癌是我国近年来发病率逐渐增高的消化道恶性肿瘤，平均5年生存率不足5%。癌细胞的浸润、转移是主要死亡原因。关于MMP－2在胰腺癌中的表达报道不多，MMP－9在胰腺癌中表达研究相对较多。研究表明，MMP－9在胰腺癌组织中的表达明显高于正常胰腺组织。在胰腺导管癌，角化细胞生长因子及其受体通过MMP－9促进静脉浸润，并与肝转移密切相关[22]。如果清楚MMPs与胰腺癌浸润、转移相关的分子调控机制并行早期干预，对提高其治疗效果具有重要意义。

3 金属蛋白酶组织抑制因子（TIMPs）

TIMPs是MMPs的天然抑制剂，TIMPs由单核巨噬细胞、成纤维细胞、角质细胞等分泌产生。目前针对TIMPs的研究较多，已发现的人类TIMPs有4种：TIMP－1、TIMP－2、TIMP－3及TIMP－4。TIMPs广泛分布于组织及体液中，主要由巨噬细胞和结缔组织产生。其中TIMP－1蛋白分子质量为28.2kD，是由184个氨基酸残基组成的糖蛋白。它能抑制MMP－1、MMP－3、MMP－9的活性。TIMP－2最先是从黑色素瘤细胞中分离出，其蛋白由194个氨基酸残基组成。TIMP－2能高选择性地抑制MMP－2，无论活化的MMP－2还是无活性的pro－MMP－2都能与之结合成复合物，而且TIMP－2可以抑制MMPs家族中所有成员的水解活性。TIMP－3是一个分子质量为21kD的蛋白质，它与ECM有极强的亲合力，属非水溶性蛋白质。TIMP－4的分子量为22.6kD，由224个氨基酸残基构成，其表达具有组织特异性。

研究发现，所有MMPs家族成员的活性都能被不同的TIMPs抑制。机体内MMPs和TIMPs之间存在一种平衡关系，正是这种平衡关系决定着MMPs的活性。一旦这种关系失去平衡，就将影响到肿瘤细胞的生长、浸润及转移。在肿瘤浸润转移过程中，MMPs和TIMPs比例失衡比单纯的MMPs或TIMPs表达水平的变化意义更大。其中，TIMP－1和TIMP－2在食管癌的形成进展及转移中可能更具有重要作用[4]。对于胃癌行根治术后的患者，TIMP－1表达和TIMP－1与MMP－9表达的平衡，可能是重要的恶化和复发的预测因子[23]。TIMP－3和MMP－2表达与VMAT－1共表达具有肠类癌潜在的预后和临床价值[24]。

MMPs的Zn2＋结合位点可以被TIMPs家族中所有成员以非共价键形式结合，进而抑制MMPs对ECM的降解，从而可以抑制癌细胞的浸润转移。徐向明研究认为TIMP－2能抑制肿瘤细胞的入侵。但TIMP－2在人类消化道肿瘤中的表达目前意见不一，有些报道TIMP－2表达升高，也有学者发现其在肿瘤转移时表达下降，提示TIMP－2作为消化道肿瘤转移的监测指标仅有参考意义，TIMPs还能阻止或延缓MMPs转变为激活型的MMPs。

综上所述，MMPs蛋白的过表达参与了消化道肿瘤发生发展的诸多环节，如肿瘤的生长、浸润、转移、血管形成等。针对肿瘤组织中MMPs、TIMPs关键分子的检测或可作为判断消化道肿瘤恶性程度、转移及预后的重要参考指标，应用低分子量的TIMPs可以抑制消化道肿瘤细胞的增殖。随着MMPs和TIMPs在消化道肿瘤发生、发展中作用机理等方面研究的不断深入，有可能为临床进行安全有效的早期诊断、治疗及预防提供重要的理论依据。

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