基质金属蛋白酶9在头颈鳞癌侵袭与转移中的研究进展

薛继尧 吴春萍 周梁

·综 述·

基质金属蛋白酶9在头颈鳞癌侵袭与转移中的研究进展

薛继尧 吴春萍 周梁

头颈鳞癌为头颈部常见的恶性肿瘤，近年来虽然手术联合辅助治疗取得了一定的进展，但是总体生存率并没有显著提高。研究表明，基质金属蛋白酶9不仅与头颈鳞癌的发生、发展、上皮-间充质转化及血管生成相关，而且能通过多种方式促进肿瘤的侵袭与转移，是头颈鳞癌患者预后不良的主要因素。(中国眼耳鼻喉科杂志，2015，15：434-436)

头颈鳞癌为人群中高发的恶性肿瘤之一，近年来头颈鳞癌的治疗水平已取得明显提高，然而生存率却无明显变化，主要原因为头颈鳞癌易转移且缺乏早期诊断依据。在原位癌转移过程中，首先是癌细胞自原发灶脱落，随后进入血道或淋巴道，从而形成远处转移，其中基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9,MMP-9)已被证实在恶性肿瘤的侵袭与转移中扮演重要角色。因此本文就MMP-9介导的头颈鳞癌侵袭与转移关系和临床意义研究进展进行综述。

1 MMP-9结构与生物学功能

MMP-9属于明胶酶类B，又称V型胶原酶，基因定位于染色体29q11.2-q13.1之间，相对分子质量为92×103，其中包含13个外显子与9个内含子，主要底物包括明胶、Ⅳ型胶原、V型胶原及弹性蛋白等。MMP-9基因可转录单链2.4 kb mRNA，MMP-9的3′-UTR功能区片段包含miR-491-5p、miR-885-5p与miR-211。MMP-9包含多种结构域的金属酶类。MMP-9结构域的组成由疏水信号肽序列、前导肽、催化活性区、铰链区和类血红素结合域所构成。前导肽结构域含有一个保守的半胱氨酸开关调节催化物锌，主要作用保持酶原的稳定。当该区域被外源性酶切断后，MMP-9酶原被激活。催化活性区有3个重复的纤维蛋白结合区插入，可促进大分子底物的降解，例如弹性蛋白与变性的胶原蛋白。位于中心的铰链区结构域提供分子伸展性，不仅可以与基质金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)相互作用，还可以调节MMP-9底物特异性、MMP-9侵袭力和细胞表面定位。该域便于MMP-9沿着大分子底物移动并依靠其他酶类展开胶原，从而允许MMP-9介导降解[1]。MMP-9C末端含有血红素结合域，可与抑制剂及促细胞表面结合剂相互反应，从中调解与底物的结合能力。

MMPs在人体多种生物学过程中起重要作用，例如胚胎形成、正常组织重建、组织修复和新生血管生成等。近年来，MMPs已被认为在恶性肿瘤的侵袭与转移中扮演极为重要的角色。MMPs为能降解细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的含锌蛋白酶家族，随着ECM的重组在恶性肿瘤的侵袭与转移中起重要作用。而且MMPs还参与肿瘤生长、调节生长因子和诱导肿瘤的血管形成等，所以MMPs在恶性肿瘤进展的各个阶段中起重要作用[2]。至今，在脊髓动物上已了解了24种不同的MMPs，其中人体占23种MMPs。根据MMPs基底特征与所在细胞的部位，脊髓动物的MMPs可被区分为6类，分别是胶原酶(MMP-1,8,13,18)、明胶酶(MMP-2,9)、间质溶解素(MMP-3,10,11)、基质溶解酶(MMP-7,26)、膜性MMPs(MMP-14,15,16,17,24,25)和其他(MMP-12,19,20,21,23,27,28)。在头颈鳞癌中，常伴有肿瘤组织的侵袭和转移，然而头颈鳞癌的侵袭与转移和其他恶性肿瘤一样，并非某单一MMP起作用，而是多种MMPs共同作用的结果。因为MMP-9能对构成肿瘤转移阻滞屏障的主要成分Ⅳ型胶原降解，所以MMP-9被认为与肿瘤的侵袭与转移关系非常密切。

2 MMP-9介导的头颈鳞癌侵袭及转移效应

2.1 MMP-9促进头颈鳞癌上皮-间充质转化 MMP-9能通过细胞因子、细胞表面蛋白和生长因子相互作用引起上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)，导致头颈鳞癌的侵袭与转移。EMT指上皮细胞通过多种途径转化为具有间质表型细胞的生物学过程，改变上皮细胞之间的锚定连接，使上皮细胞的极性与凝聚消失、增强运动性和间充质的表型获得，在胚胎发育、慢性炎症、组织重建及癌症转移等中发挥了重要作用。Mandal等[3]研究表明，EMT的表型修饰特征为钙黏蛋白的降解。Zuo等[4]研究表明，表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)激活通过ERK-1/2与PI3K信号通路，使MMP-9介导钙黏蛋白降解为可溶性上皮钙黏蛋白(sE-cadherin, sE-cad)，从而促进头颈鳞癌细胞SCC10A的EMT。因此MMP-9是EMT重要相关基因，MMP-9不仅可以作为EMT的标志物,又可以作为EMT的诱发因素[5]。王爽等[6]研究认为，通过CD44信号通路促进MMP-9表达，调控鼻咽癌EMT。而且Yu等[7]研究表明，CD44与MMP-9在细胞膜表面交联能激活TGF-β1。Qiao等[8]研究表明，TGF-β1可调节Snail转录因子与Slug转录因子，Snail转录因子可能上调MMP-9引起口腔鳞癌细胞EMT，而且Slug转录因子可能依靠刺激MMP-9表达与Slug转录因子保持更长时间的口腔鳞癌细胞EMT。综上所述，CD44与MMP-9关系密切，促使头颈鳞癌EMT,导致头颈鳞癌的侵袭与转移。

2.2 MMP-9促进头颈鳞癌血管生成 MMP-9通过降解ECM释放生长因子调控血管生成，引起头颈鳞癌的侵袭与转移。Andisheh-Tadbir等[9]研究表明，头颈鳞癌组织中VEGF高表达，与头颈鳞癌的发病机制有关。而且Bergers等[10]研究表明，MMP-9能裂解血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)亚型的肝素结合域,从而增加血管VEGF溶解度，促使新生血管生成。因此MMP-9不仅为降解基底膜与ECM的关键酶，而且在肿瘤间质血管生成中起重要作用[11]。Yang等[12]研究表明，肿瘤组织随着微血管密度增大，肿瘤细胞进入血液循环与淋巴循环的机会随之增大，引起淋巴结与邻近脏器侵袭与转移的机会也增大。所以MMP-9促使新生血管生成，是头颈鳞癌侵袭与转移的关键因素之一。在头颈鳞癌中，Wittekindt等[13]研究喉鳞癌发现，基质部MMP-9与血管密度呈正相关，均位于肿瘤细胞生长活跃的癌巢边缘，提示喉鳞癌侵袭生长过程中，新生血管同步进行。产松苗等[14]研究发现，食管鳞癌组织中MMP-9与微血管密度呈显著正相关，提示MMP-9可促进食管鳞癌的血管生成而加速肿瘤的进展。Henriques等[15]研究表明，转移性舌鳞癌中MMP-9与VEGF呈高表达，而且实质和间质中MMP-9的表达与伴随的VEGF有相似的免疫组织化学染色强度，提示MMP-9与VEGF可能存在相互作用。

2.3 MMP-9促进ECM的降解 MMP-9促进ECM与基底膜降解，导致头颈鳞癌的侵袭与转移。MMP-9参与ECM成分的降解中，MMP-9起初被识别是依靠Ras转化的成纤维细胞所分泌的Ⅳ型胶原蛋白酶，涉及肿瘤侵袭与转移所需的基底膜分解[16]。肿瘤与癌周基质的相互作用调控中性粒细胞与巨噬细胞分泌MMP-9的表达水平，降解基底膜层主要成分的黏蛋白与Ⅳ型胶原蛋白，破坏基底膜的正常结构，从而增强肿瘤的侵袭性。Fan等[17]实验表明在舌鳞癌中，MMP-9表达增强与Ⅳ型胶原的降解有显著联系，MMP-9依靠降解Ⅳ型胶原，引起MMP-9在舌鳞癌的侵袭与转移。还表明MMP-9高表达不仅位于肿瘤细胞内，还位于巨噬细胞与血管内皮细胞内，共同参与了基底膜与ECM的降解。Cao等[18]的实验也表明，MMP-9降解Ⅳ型胶原导致了喉鳞癌的侵袭与转移。

2.4 上游调控因子介导MMP-9促进头颈鳞癌的侵袭与转移 头颈鳞癌还可以依靠调整促炎细胞因子、趋化因子、生长因子、基质成分、整合素与非整合素受体、蛋白酶与其抑制剂和细胞活动反应，引起MMP-9的表达增强，从而增强肿瘤的侵袭能力。Koontongkaew等[19]研究显示，Ⅰ型胶原能与其整合素α2β1结合，引起细胞内PTK、PKC和MAPK信号转导，使MMP-9表达增高，引起ECM降解，导致头颈鳞癌侵袭与转移。Sen等[20]研究表明，在Hep-2细胞中，纤连蛋白与其整合素α5β1结合，引起FAK/PI-3K/ERK信号激活，也可参与ILK介导的信号通路引起增效作用，最终增强AP-1/NFκB/Sp1基因结合能力，提高MMP-9转活，导致MMP-9基因及蛋白表达增高可能促进Hep-2细胞侵袭能力。Fan等[21]研究表明，音猬因子(sonic hedgehog, SHH)信号通路能转导转录因子Gli-1，促进MMP-9及减少钙黏蛋白表达，导致口腔鳞癌的侵袭及转移。

3 MMP-9在头颈鳞癌中的临床意义

3.1 MMP-9与头颈鳞癌分期 MMP-9表达与头颈鳞癌的TNM分期密切相关。Colovic等[22]对196例喉鳞癌患者应用免疫组织化学法检测MMP-9表达，显示MMP-9的表达与喉鳞癌组织病理学评分水平、阶段和转移显著相关。Elahi等[23]对48例口腔鳞癌患者应用免疫组织化学法检测MMP-9表达，显示MMP-9表达与口腔鳞癌侵袭与转移呈正相关。Bodnar等[24]对37例喉鳞癌患者应用免疫组织化学法检测MMP-9表达，显示MMP-9表达与淋巴结转移显著相关。而且MMP-9/TIMP-1比值可能预测喉鳞癌淋巴结转移。

3.2 MMP-9与头颈鳞癌治疗与预后 MMP-9表达与头颈鳞癌治疗和预后密切相关。抑制MMP-9表达方法分为限制MMP-9转录、抑制MMP-9酶原激活与阻碍MMP-9与受体结合。在头颈鳞癌中，Yang等[25]研究认为盐酸埃克替尼(Icotinib)通过抑制NF-κB信号通路活性，使舌鳞癌中MMP-9下调，从而限制舌鳞癌的侵袭与转移。Lin等[26]研究表明，白藜芦醇(resveratrol)通过抑制JNK1/2和ERK1/2信号通路，从而限制MMP-9表达与转录，导致限制口腔鳞癌转移。Viros等[27]对105例已接受放疗或化疗的头颈鳞癌患者应用RT-PCR技术检测MMP-9mRNA表达水平，显示MMP-9转录水平与接校正生存相关。Cao等[18]对44例喉鳞癌患者喉癌组织及其22例相邻非癌组织应用免疫组织化学法测定4种蛋白表达(MMP-2、MMP-9、IV型胶原及TIMP)，再与喉鳞癌组织临床病理学特征进行分析，显示喉鳞癌组织内MMP-2、MMP-9和TIMP-1与相邻非鳞癌组织表达有显著差别，也显示(MMP-2+MMP-9)/TIMP-1评分与喉鳞癌预后有显著联系，表明了(MMP-2+MMP-9)/TIMP-1评分与喉鳞癌的预后呈正相关。

4 结论与展望

MMP-9参与头颈鳞癌的侵袭与转移是一个复杂的过程。MMP-9不仅能降解ECM与基底膜导致头颈鳞癌侵袭与转移，还可通过细胞因子、细胞表面蛋白、细胞黏附蛋白及生长因子与细胞表面等相互反应，加强头颈鳞癌侵袭与转移。因此阐明MMP-9在头颈鳞癌中调控机制，对头颈鳞癌临床分期指标、抗肿瘤药物及预防性化疗标靶研发有指导意义，从而提高头颈鳞癌患者的生存率。MMP-9在头颈鳞癌中未来的研究方向：①针对MMP-9的转录、激活、抑制水平设计特异性的抗肿瘤药物,可为抗头颈鳞癌治疗提供新方法；②将MMP-9确定为头颈鳞癌侵袭与转移标志物。

[1] Vandooren J, Van den Steen PE, Opdenakker G. Biochemistry and molecular biology of gelatinase B or matrix metalloproteinase-9(MMP-9): the next decade[J]. Crit Rev Biochem Mol Biol, 2013，48(3)：222-272.

[2] Yadav L, Puri N, Rastogi V, et al. Matrix metalloproteinases and cancer - roles in threat and therapy[J]. Asian Pac J Cancer Prev,2014,15(3):1085-1091.

[3] Mandal M, Myers JN, Lippman SM, et al. Epithelial to mesenchymal transition in head and neck squamous carcinoma: association of Src activation with E-cadherin down-regulation, vimentin expression, and aggressive tumor features[J]. Cancer,2008,112(9):2088-2100.

[4] Zuo JH, Zhu W, Li MY, et al. Activation of EGFR promotes squamous carcinoma SCC10A cell migration and invasion via inducing EMT-like phenotype change and MMP-9-mediated degradation of E-cadherin[J]. J Cell Biochem, 2011，112(9)：2508-2517.

[5] Farina AR, Mackay AR. Gelatinase B/MMP-9 in Tumour Pathogenesis and Progression[J]. Cancers (Basel),2014,6(1):240-296.

[6] 王爽，李仕晟，谢鼎华，等. CD44调控鼻咽癌上皮-间质转化及转移的实验研究[J]. 临床耳鼻咽喉头颈外科杂志,2013(05):250-254.

[7] Yu Q, Stamenkovic I. Cell surface-localized matrix metalloproteinase-9 proteolytically activates TGF-beta and promotes tumor invasion and angiogenesis[J]. Genes Dev,2000,14(2):163-176.

[8] Qiao B, Johnson NW, Gao J. Epithelial-mesenchymal transition in oral squamous cell carcinoma triggered by transforming growth factor-beta1 is Snail family-dependent and correlates with matrix metalloproteinase-2 and -9 expressions[J]. Int J Oncol,2010,37(3):663-668.

[9] Andisheh-Tadbir A, Hamzavi M, Rezvani G, et al. Tissue expression, serum and salivary levels of vascular endothelial growth factor in patients with HNSCC[J]. Braz J Otorhinolaryngol,2014,80(6):503-507.

[10] Bergers G, Brekken R, Mcmahon G, et al. Matrix metalloproteinase-9 triggers the angiogenic switch during carcinogenesis[J]. Nat Cell Biol,2000,2(10):737-744.

[11] Pratheeshkumar P, Son YO, Divya SP, et al. Luteolin inhibits Cr(VI)-induced malignant cell transformation of human lung epithelial cells by targeting ROS mediated multiple cell signaling pathways[J]. Toxicol Appl Pharmacol,2014,281(2):230-241.

[12] Yang X, Dai J, Li T, et al. Expression of EMMPRIN in adenoid cystic carcinoma of salivary glands: correlation with tumor progression and patients' prognosis[J]. Oral Oncol,2010,46(10):755-760.

[13] Wittekindt C, Jovanovic N, Guntinas-Lichius O. Expression of matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) and blood vessel density in laryngeal squamous cell carcinomas[J]. Acta Otolaryngol,2011,131(1):101-106.

[14] 产松苗，欧希龙，孙为豪，等. COX-2和MMP-9在食管鳞癌组织中的表达及其与血管生成的关系[J]. 世界华人消化杂志,2009(22):2259-2265.

[15] Henriques AC, de Matos FR, Galvao HC, et al. Immunohistochemical expression of MMP-9 and VEGF in squamous cell carcinoma of the tongue[J]. J Oral Sci,2012,54(1):105-111.

[16] Ballin M, Mackay AR, Hartzler JL, et al. Ras levels and metalloproteinase activity in normal versus neoplastic rat mammary tissues[J]. Clin Exp Metastasis,1991,9(2):179-189.

[17] Fan HX, Li HX, Chen D, et al. Changes in the expression of MMP2, MMP9, and ColIV in stromal cells in oral squamous tongue cell carcinoma: relationships and prognostic implications[J]. J Exp Clin Cancer Res,2012,31:90.

[18] Cao XL, Xu RJ, Zheng YY, et al. Expression of type IV collagen, metalloproteinase-2, metalloproteinase-9 and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 in laryngeal squamous cell carcinomas[J]. Asian Pac J Cancer Prev,2011,12(12):3245-3249.

[19] Koontongkaew S, Amornphimoltham P, Monthanpisut P, et al. Fibroblasts and extracellular matrix differently modulate MMP activation by primary and metastatic head and neck cancer cells[J]. Med Oncol,2012,29(2):690-703.

[20] Sen T, Dutta A, Maity G, et al. Fibronectin induces matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) in human laryngeal carcinoma cells by involving multiple signaling pathways[J]. Biochimie,2010,92(10):1422-1434.

[21] Fan HX, Wang S, Zhao H, et al. Sonic hedgehog signaling may promote invasion and metastasis of oral squamous cell carcinoma by activating MMP-9 and E-cadherin expression[J]. Med Oncol,2014,31(7):41.

[22] Colovic Z, Pesutic-Pisac V, Poljak NK, et al. Expression of matrix metalloproteinase-9 in patients with squamous cell carcinoma of the larynx[J]. Coll Antropol,2013,37(1):151-155.

[23] Elahi M, Rakhshan V, Ghasemian NT, et al. Prognostic value of transforming growth factor beta 1 [TGF-beta1] and matrix metalloproteinase 9 [MMP-9] in oral squamous cell carcinoma[J]. Biomarkers,2012,17(1):21-27.

[24] Bodnar M, Szylberg L, Kazmierczak W, et al. Tumor progression driven by pathways activating matrix metalloproteinases and their inhibitors[J]. J Oral Pathol Med, 2015, 44(6):437-443.

[25] Yang C, Yan J, Yuan G, et al. Icotinib inhibits the invasion of Tca8113 cells via downregulation of nuclear factor kappaB-mediated matrix metalloproteinase expression[J]. Oncol Lett,2014,8(3):1295-1298.

[26] Lin FY, Hsieh YH, Yang SF, et al. Resveratrol suppresses TPA-induced matrix metalloproteinase-9 expression through the inhibition of MAPK pathways in oral cancer cells[J]. J Oral Pathol Med, 2015, 44(9):699-706.

[27] Viros D, Camacho M, Zarraonandia I, et al. Prognostic role of MMP-9 expression in head and neck carcinoma patients treated with radiotherapy or chemoradiotherapy[J]. Oral Oncol,2013,49(4):322-325.

(本文编辑 杨美琴)

复旦大学附属眼耳鼻喉科医院耳鼻咽喉科 上海 200031

周梁(Email: zhoulent@126.com)

10.14166/j.issn.1671-2420.2015.06.019

2014-12-23)