基质金属蛋白酶1与肝纤维化的研究进展

杜　超(综述)，程双平(审校)

(成都军区总医院消化内科，成都 610083)



基质金属蛋白酶1与肝纤维化的研究进展

杜超(综述)，程双平※(审校)

(成都军区总医院消化内科，成都 610083)

摘要：肝纤维化是各种原因所致肝损伤的共同病理变化，是慢性肝病逐渐演变发展为肝硬化过程中的必经途径。肝纤维化时细胞外基质(ECM)合成增加，其中以I型胶原为主；积极降解和消除过多的ECM，有望逆转肝纤维化进程。而基质金属蛋白酶1(MMP-1)作为人类主要降解I型胶原的胶原酶，为肝纤维化治疗带来了广阔的前景。该文就MMP-1与肝纤维的关系予以系统阐述，以期为肝纤维化的治疗提供新的思路。

关键词：肝纤维化；细胞外基质；肝星状细胞；基质金属蛋白酶1；基质金属蛋白酶抑制剂

在体内外有害因素的持续刺激下(包括病毒性肝炎、酒精滥用、药物、代谢性疾病、铁或铜的过载、自身免疫性疾病等)，肝脏最终会走向肝纤维化甚至肝硬化的道路[1-2]。肝硬化是肝纤维化的终末期，其特点是细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的大量沉积和再生结节的形成[3-4]，同时伴有肝衰竭和门静脉高压症[5]。肝纤维化在临床不易早期发现诊断，大多数患者直到晚期或肝硬化的阶段才被发现，给治疗带来了一定的限制；而晚期肝纤维化由于ECM的大量沉积和肝实质细胞的大量坏死崩溃，要达到完全逆转几乎不可能。肝移植是目前治疗晚期肝硬化最为有效的方法[6-7]。现就基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)1与肝纤维化的关系予以综述。

1肝纤维化发生机制

肝纤维化是ECM成分改变和数量增加的结果，是包括纤维胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、透明质酸和蛋白多糖在内的ECM合成增加及降解减少的结果[8]。在损伤肝脏中，肝星状细胞是主要的ECM产生细胞，同时肝门部的成纤维细胞也发挥重要作用[9-10]。在正常肝脏中，肝星状细胞位于Disse间隙，是维生素A主要的存储细胞，当肝星状细胞激活后分化为肌纤维母样细胞，分泌收缩蛋白和大量ECM，尤其是Ⅰ型和Ⅲ型胶原纤维[11-12]。研究发现，非实质细胞的激活，如库普弗细胞，在肝星状细胞的活化机制中发挥重要作用[13-14]。MMPs降解ECM的活性下降，主要是由于其特异性抑制剂MMPs抑制剂(tissue inhibitor of MMPs，TIMPs)的表达增加所致。人类胶原纤维降解的关键酶是MMP-1，而在啮齿目动物中是MMP-13[15-16]。然而,在肝纤维化形成过程中，MMP-1和MMP-13的表达非常有限，而MMP-2的表达增加[17-18]；相反，包括TIMP-1和TIMP-2在内的TIMPs高表达[19-20]。因此，MMPs的低表达和TIMPs的高表达是肝纤维化形成的重要原因。

2MMP-1概述

MMPs是一类结构高度同源的分泌型或膜相关性锌内肽酶的总称，因其发挥生物学活性需要钙离子、锌离子等金属离子辅助而得名，主要生物学功能是降解ECM成分；目前已发现28种MMPs，分别编号为MMP-1～28；根据其作用底物和结构特征可分为6大类，其中MMP-1属于胶原酶类，也被称为间质胶原酶和成纤维细胞胶原酶，主要消化Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅹ型胶原和蛋白多糖，可由成纤维细胞、巨噬细胞、内皮细胞、中性粒细胞等分泌，是一种最早从脊椎动物中克隆出互补DNA基因并纯化为蛋白的胶原酶[21]。在正常体内MMP-1水平极低，一般难以检测，但在各种刺激下可高表达，发挥其生物学功能[22]。人MMP-1基因定位于染色体11q22.3上，属于MMPs家族基因的一部分，其他MMPs家族基因包括MMP-3、MMP-7、MMP-8、MMP-10、MMP-12、MMP-13、MMP-20、MMP-27 共8种基因[23]。MMPs家族都具有相似的结构特点，而MMP-1同样具有以下结构：疏水信号肽序列、前肽区、催化活性区和C端区，疏水信号肽区引导细胞质合成的多肽转移到内质网,在其成熟后部分被降解；前肽区主要作用是保持酶原稳定，通过阻断酶的锌离子活性中心与底物的结合,使酶原免于激活，而当该区域被外来酶切断后则可使酶原激活；催化活性区由5对高度扭曲的β-折叠、3个α-螺旋和1个8字环组成，封闭了5个金属离子位点，包括3个钙离子和2 个锌离子位点；其中1个锌离子具催化活性,通过3个 His残基束缚在序列 HELGHXXGXX中,是酶活性所必需的辅助因子;另1个锌离子为结构性位点；C端区含有200多个残基,包含4个决定底物特异性的重复Cys残基序列[24]。MMP-1在正常组织体内水平极低，而当受到外来刺激如创伤、修复或者重构等病理情况，则表达量相应增多。MMP-1的活性在体内外受到3个水平的调节，即基因转录水平、酶原活化调节以及活化后特异性调节。

3MMP-1与肝纤维化

如上所述，逆转MMPs 活性太低和TIMPs过表达之间的不平衡，则可能促进ECM降解从而逆转肝纤维化。在理论上有两种方法可以扭转这种不平衡，上调纤维化肝组织中胶原酶活性。一种方法是MMPs在肝脏的过表达，另一种是抑制TIMPs活性。MMPs家族可以消化胶原纤维，而在人类消化能力最强的是MMP-1[25]。有人使用腺病毒载体将编码人类MMP-1的DNA传递到硫代乙酰胺诱导的肝纤维化大鼠模型中，观察到胶原纤维降解增加，大鼠肝纤维化程度减轻；其可能机制是由于MMP-1的过表达导致纤维胶原的降解，影响ECM和肝细胞之间的相互作用，直接刺激肝细胞增殖[26]。此外，MMP-1的过表达还可使ECM结合的多种生长因子释放出来(如肝细胞生长因子)，释放的生长因子反过来可促进肝细胞增殖[27]。因此，MMP-1的基因传递为晚期肝纤维化或肝硬化的治疗带来新的希望。使用类似的方法，将人中性粒细胞胶原酶MMP-8通过基因传递的方法来治疗肝纤维化已取得良好效果；在该实验中，腺病毒载体转移MMP-8基因到四氯化碳或胆管结扎诱导的肝纤维化大鼠模型中，观察到肝纤维化程度减轻，伴随着腹水的改善和胃底曲张静脉程度的减轻[28]。

4MMP基因传递方法

4.1病毒载体病毒载体来自于病毒的RNA或DNA 基因组，可作为定向或非定向载体，其中来自于RNA病毒的反转录病毒载体，可分为癌基因反转录病毒、慢病毒、泡沫病毒；来源于DNA的病毒载体中，应用较广的是腺病毒和腺相关病毒；任何类型的病毒载体都有各自的优缺点，反转录病毒载体能够长时间稳定转染，但转导效率较低，并且有导致基因突变的危险；腺病毒载体的优点是在体外和体内都能非常有效地转染靶细胞，同时其免疫原性和毒性较低，在临床有较大的应用空间[29-30]。腺相关病毒载体是一种来自于人非致病性的细小病毒，目前已被作为治疗多种遗传性疾病的载体。腺病毒载体作为MMP基因的载体来治疗肝纤维化的疗效已被证实[31]。然而，腺病毒载体要进一步应用于临床仍有许多问题亟待解决，如免疫原性、毒性以及转染细胞可能发生的诱变等。

4.2非病毒载体非病毒载体可避免病毒载体应用的一些问题，包括：裸DNA的物理传递方法(如电穿孔法、基因枪、超声波等)和化学载体(如阳离子聚合物和脂质体)[32]。有报道将MMP-1的编码质粒DNA通过阳离子化明胶凝胶作为载体，治疗链霉素诱导的肾纤维化[33]。为了方便质粒DNA持续释放，将可生物降解的凝胶制作为阳离子化的明胶微球，通过凝胶的逐渐降解缓慢释放出质粒DNA。这种通过传递MMP质粒DNA的方法来治疗晚期肝纤维化也许会成为现实。

4.3间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSCs)近来研究发现，MSCs可作为基因治疗较为理想的靶细胞，MSCs作为靶细胞具有以下优势：①MSCs取自骨髓，来源充足，取材容易；②MSCs具有体外培养的遗传稳定性和可移植性；③MSCs免疫原性低；④MSCs易于外源基因表达[34]。这些优势使MSCs在基因治疗中具有较好的应用前景。MSCs的基因修饰已在骨骼疾病、心血管疾病、神经系统疾病和急慢性肝损伤的治疗中显示了一定的价值。Hasharoni等[35]将转染重组人骨形态发生蛋白2的MSCs注入鼠脊柱旁，观察到新骨形成，并与脊柱融合。Matsumoto等[36]将血管内皮生长因子基因转染入骨髓MSCs后对大鼠急性心肌梗死模型进行同种异体移植治疗，结果显示，异体大鼠MSCs可在梗死的心肌组织定植、生存，并可转化为心肌细胞及血管内皮细胞，血管内皮生长因子基因转染组左心室射血分数显著升高，梗死边缘区心肌面微血管数目明显增加。魏晓龙等[37]利用MSCs成功将MMP-1传递到肝纤维化大鼠体内，结果观察到MSCs在肝脏特异性定植、分化，过表达MMP-1显著降解肝脏胶原，修复纤维化肝脏效果明显优于使用腺病毒载体传递MMP-1。因此，MSCs将成为未来MMP基因传递新的研究方向。

5小结

通过传递外源MMP基因来扭转纤维化肝脏中MMPs活性太低和TIMPs太多之间的不平衡，从而治疗肝纤维化是可行的。然而，外源MMP基因持续的过度表达，除了可降解病理沉积的ECM外，另一方面也可能消化正常的肝脏组织框架。因此，如何精确地控制MMP活性是下一步临床应用中必须处理的关键问题，以期找到一个安全、高效的MMP系统来治疗肝纤维化和肝硬化。

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Research Progress of Matrix Metalloproteinase-1 in Liver FibrosisDUChao，CHENGShuang-ping.(DepartmentofGastroenterology,ChengduMilitaryCommandGeneralHospital,Chengdu610083，China)

Abstract:Liver fibrosis is the pathological basis of chronic liver disease and an inevitable path to the cirrhosis.In liver fibrosis,the synthesis of extracellular matrix(ECM) increases,especially the collagen type I;therefore the active degradation and elimination of ECM is expected to reverse liver fibrosis.Matrix metalloproteinases 1(MMP-1) is a major human interstitial collagenase that can degrade type I ECM,which has brought broad expectation for the treatment of fibrosis.Here is to make a review of the relationship of MMP-1 and liver fibrosis,so as to provide new ideas for the treatment of liver fibrosis.

Key words:Liver fibrosis; Extracellular matrix; Hepatic stellate cell; Matrix metalloproteinase-1； Tissue inhibitor of matrix metalloproteinase

收稿日期：2014-09-25修回日期：2014-11-23编辑：郑雪

基金项目：四川省卫生厅基金(2010 0091); 成都军区总医院院管课题基金(YG110-A)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.13.007

中图分类号：R57文献标示码：A

文章编号：1006-2084(2015)13-2321-03