胎盘滋养层细胞侵袭行为与MMP-2和MMP-9的研究进展

马 婧 萨日娜 俞 兰

胎盘的主要功能为保障胎儿正常生长发育。胎盘滋养层干细胞源于形成囊胚壁的外胚层，逐渐分化形成绒毛外滋养层细胞(extravillous trophoblast cell, EVT)和合胞体滋养层细胞(syncytiotrophoblast cell, STB)[1]。EVT侵袭进入母体子宫间质和螺旋动脉，参与子宫动脉重塑，其侵袭程度过深或过浅均致病理性妊娠，严重影响母体健康及胎儿的正常发育；故，EVT侵袭子宫的生物学行为对于维持胎盘的正常功能至关重要。也由此成为妊娠研究的热点。已有研究认为，诸多因素如前列腺素E2、转化生长因子β1、白细胞介素、血氧分压以及胎盘血液流速等均参与调控胎盘的侵袭能力，但深入的调控机制、通路及调控网络尚未阐明[2～4]。

基质金属蛋白酶 (matrix metalloproteinases, MMPs)首次在研究蝌蚪形态变化过程时被发现，随后在人类病理生理领域得到了广泛的研究，发现MMPs可降解细胞外基质(extracellular matrix，ECM)中几乎所有蛋白成分,在各类恶性肿瘤侵袭转移过程中的地位举足轻重。MMPs家族庞大，目前已发现26个成员，即MMP-1～MMP-26。并根据它们的亚细胞结构分布和针对细胞外基质成分的特异性，分为基质蛋白酶(matrilysins)、膜型基质金属蛋白酶(membrane-type matrix metalloproteinase, MT-MMP)、胶原酶(collagenases)、明胶酶(gelatinase)以及母系基质蛋白酶(stromelysins)[5]。近年来研究发现，无论在正常、还是病理条件下，MMPs都是调控胚胎和组织发育过程中的关键酶。其中，MMP-2和MMP-9参与降解子宫上皮基膜的主要成分——Ⅳ型胶原。因此，它们在滋养层细胞侵袭子宫的过程中，很可能扮演着重要的角色。本文就胎盘滋养层对子宫的侵袭能力、MMP-2和MMP-9之间的关系综述如下。

一、胎盘滋养层细胞的侵袭行为

滋养层细胞侵入子宫是胚胎着床和胎盘发育的重要过程，由滋养层干细胞介导。生理状态下，滋养层干细胞在侵袭中分化成滋养层细胞亚群，最终形成胎盘。具体来说，在滋养层细胞侵入子宫的过程中，绒毛顶端的滋养层细胞从基膜开始向外增殖，形成细胞柱，滋养层细胞的表型也从非侵袭性增殖转变为非增殖性侵袭生长，在细胞柱中迁移、侵入和重塑母体螺旋小动脉。与此同时，子宫内膜间质细胞蜕膜化，其过程类似于排卵后子宫内膜重塑，包括子宫腺体开始分泌活跃、子宫自然杀伤细胞涌入、子宫内膜血管重塑、间质细胞上皮样转化为蜕膜细胞。母体蜕膜形成过程中，EVT迁移到母体蜕膜的基质中，开始与参加血管重塑的子宫免疫细胞密切接触。子宫免疫细胞通过分泌大量细胞因子和趋化因子，促进EVT的侵袭，该过程在介导螺旋动脉转化过程中发挥关键作用[6]。

胎盘滋养层细胞的侵袭、增殖、分化等生理行为与癌细胞极其相似，都是一个多步骤过程，包括附着并降解基膜或ECM成分，然后通过其降解的成分迁移。然而，与癌细胞失控的侵袭行为不同，胎盘滋养层细胞的增殖与侵袭受到严格的调控。在正常妊娠中，滋养层细胞对子宫的侵袭发生在两个高峰期：第一个高峰期发生在妊娠10周内，此时，螺旋动脉侵入子宫壁，直至逆行延伸至蜕膜-子宫肌层交界处；第二个侵袭高峰发生在妊娠14～20周内，此时已经能观察到螺旋动脉肌层段的血管生理变化：螺旋动脉的直径增加了4～6倍，从高阻低流的血管变成了极度扩张的血管，以满足增加胎盘和胎儿的血供要求[7]。滋养层细胞的侵袭行为持续到妊娠5个月左右，在其侵袭过程中，胎盘发生上皮-间充质转化，上皮细胞获得间质细胞的表型：首先是STB穿透子宫内膜上皮，然后EVT侵袭进入整个子宫内膜、子宫肌层内1/3和子宫血管系统[8]。最后，滋养层细胞从细胞柱迁移到蜕膜，侵入母体子宫螺旋动脉，建立母体-胎盘循环。

二、MMPs及其抑制剂

MMPs家族是一类依赖Ca2+、Zn2+等金属离子的内肽酶家族，其家族成员具有相似的结构，在5个结构域中，前肽区的主要作用是保持酶原的稳定性，用外源性酶切前肽区，MMPs酶原即被激活；催化活性区有金属离子结合的位点，对酶催化有重要作用；羧基末端区与酶的底物特异性有关。MMPs对器官的形态发生以及组织的重塑起重要作用，除了能降解ECM中几乎所有成分之外，还参与细胞外基质的重塑。在正常成人的组织中，MMPs的表达水平极低，甚至检测不到，只有在生理性组织重塑、炎症和伤口修复等过程中才上调。其中，MMP-2与MMP-9都属明胶酶类，明胶酶可能通过其蛋白水解功能参与细胞增殖、血管生成和肿瘤转移等过程[9]。

MMP-2位于人类染色体16q21， 包括内含子12个，外显子13个。其他金属蛋白酶的5′旁侧序列promotor 区域含TATA盒，而MMP-2则是两个GC盒。MMP-2编码明胶酶A，底物包括明胶、Ⅴ型胶原和Ⅵ型胶原等[10]。MMP-2主要以不活跃的前体形式(Pro-MMP-2)存在于细胞柱远端的滋养层细胞和EVT中，相对分子质量为72kDa。细胞表面的MT-MMP-1与基质金属蛋白酶组织抑制因子(tissue inhibitors of metalloproteinase, TIMP) -2结合形成二元复合物后，Pro-MMP-2的Haemopexin结构域通过与二元复合物中TIMP-2的C端结合形成MT-MMP-1-TIMP2-Pro-MMP-2三元复合物，Pro-MMP-2的N-末端蛋白水解裂解，激活了Pro-MMP-2，成为具有活性的aMMP-2形式，相对分子质量为63kDa[11]。aMMP-2位于细胞和基质交界处的最前端，推测它在细胞穿透基质的过程中发挥“钻头”的功能。 aMMP-2降解ECM分两个阶段进行：第1阶段aMMP-2的功能类似于间质胶原酶。第2阶段的过程是由纤维连接蛋白样结构域促进的明胶溶解，通过降解、破坏靠近细胞表面的ECM和基膜，为细胞扫清组织屏障，促进细胞侵袭。由此也证明了aMMP-2的表达与细胞的侵袭和迁移密切相关。

MMP-9同样也是MMPs家族中的一员，首次发现于人的中性粒细胞中，位于人类染色体20q11.2～q13.1，相对分子质量92kDa，编码明胶酶B蛋白。与MMP-2不同的是，MMP-9拥有连接活性位点和Haemopexin结构域的独特连接序列——O-糖基化序列(OG结构域)[12]。研究证明，OG结构域的缺失降低MMP-9介导的细胞迁移。该酶的主要底物包括明胶、Ⅳ型胶原Ⅴ和Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ型胶原等。MMP-9在正常组织中表达较低或缺失，而在炎症和伤口愈合过程中表达升高[13]。因MMP-9可分解呼吸道和肺内ECM或基膜，并通过促进释放血管内皮生长因子参与血管生成，所以目前的研究大多聚焦于呼吸道疾病、心血管等慢性病以及各类肿瘤。妊娠期间MMP-9由胎盘的滋养层细胞表达，介导滋养层细胞的侵袭和迁移。

MMP-9同样以酶原形式Pro-MMP-9和有活性的aMMP-9两种形式存在于体内。aMMP-9的相对分子质量为87kDa。Pro-MMP-9通常与TIMP-1形成复合物，两种蛋白在Pro-MMP-9的羧基末端连接,当TIMP-1被释放后，Pro-MMP-9转化为具有活性的aMMP-9形式。此外，人体内缺氧诱导转录因子启动一氧化氮的产生，通过催化Zn2+和酶的前肽结构域之间的连接激活Pro-MMP-9[14]。

MMPs发挥活性的范围和持续时间受到内源性抑制剂的严格调控，包括血清抗蛋白酶和上文提及的TIMPs。目前已知有4种类型TIMPs，每一种都通过与多个MMPs的催化和(或)Haemopexin结构域结合而抑制MMPs功能[15]。其中，TIMP-1不论在健康组织还是病理条件下，都能抑制ECM水解。TIMP-1常被误认为是MMP-9的特异性抑制剂，然而有研究发现所有的TIMPs都能抑制aMMP-9，只是TIMP-1复合物优先与Pro-MMP-9 C端的Haemopexin结构域结合；多项研究结果显示，TIMP-2同样有抑制ECM水解的作用，并通过间接调节包括MMP-2在内的金属蛋白酶抑制ECM的降解；有研究发现，TIMP-3是ECM重塑的关键抑制剂，TIMP-3与其他TIMPs的不同之处在于它与ECM的结合更紧密。TIMP-4主要表达于发育中的肺、女性生殖道、胚胎和移植组织的ECM蛋白水解过程中，并在心脏和大脑中的表达具有组织特异性。

三、MMP-2和MMP-9在细胞侵袭行为中的变化

胎盘滋养层细胞侵袭子宫的行为是受到严格调控的多步骤过程，诸多调控因素参与；其中，MMP-2和MMP-9的合成和激活是必需的环节，两者可显著增强滋养层细胞的侵袭力。MMP-2是人类妊娠第6～8周胎盘明胶酶的主导成分，是此阶段滋养层细胞侵袭的关键酶。随着妊娠进展，MMP-2分泌逐渐减少，MMP-9分泌逐渐增加[16]。妊娠第8～11周，MMP-9的表达占优势，直到妊娠结束。因此根据胎盘的发育过程以及MMP-2和MMP-9表达的变化可以推测，MMP-2在早期胎盘植入子宫过程中起重要的作用，而MMP-9在维持滋养层细胞适度侵袭中较为重要。

妊娠期间MMP-2和MMP-9的表达变化受到多种物质的影响，关系到滋养层细胞的侵袭行为。研究发现妊娠期血管内皮生长因子和胎盘生长因子促进胎盘MMP-2和MMP-9的表达和活化，促进滋养层细胞侵袭、胎盘生长以及血管重构。有研究团队发现，激活素A刺激原代培养的滋养层细胞产生Pro-MMP-9、Pro-MMP-2和aMMP-2，并对滋养层细胞侵袭起到促进作用[17]。沉默血管生成素样蛋白8、β淀粉样蛋白1-42可显著加速细胞的迁移和侵袭，同时MMP-2和MMP-9的表达水平升高[18,19]。当MMP-2和MMP-9的表达受到正向调控的同时，负向调控也正在进行以维持动态平衡，比如滋养层细胞表达的NOD1受体，在其受到非特异性配体刺激时，MMP-2 和MMP-9的分泌均明显下降；当受到 NOD1 特异性配体如iE-DAP 刺激后，MMP-9的分泌水平明显降低，MMP-2的分泌未受明显影响，因此，通过激活NOD1负向调节MMP-2和MMP-9的表达水平，使母胎界面滋养层细胞侵袭能力下降[20]。沉默层粘连蛋白α4亚单位、颗粒蛋白前体以及N-乙酰氨基葡萄糖转移酶Ⅲ等也负向调控MMP-2和MMP-9的活性，并显著降低人绒毛膜滋养层细胞系HTR-8/SVneo的侵袭、迁移和柱状结构的形成[21～23]。由此可见，MMP-2和MMP-9高表达可显著增加滋养层细胞的侵袭力；反之，其表达水平的降低会导致滋养层细胞的侵袭力降低。

近年来，关于微小RNA( micro RNA，miRNA)影响滋养层细胞侵袭力的研究越来越多。例如，miR-346和miR-582-3p通过抑制MMP-2和MMP-9的表达，进而抑制滋养层细胞的侵袭力[24]。过表达miR-491-5p的HTR-8/SVneo细胞与正常细胞比较，MMP-9的表达水平显著降低，推测miR-491-5p可能通过降低MMP-9的表达水平来抑制滋养层细胞的侵袭和迁移[25]。miR-204同样通过降低MMP-9的表达抑制滋养层细胞的侵袭;而miR-519d则通过降低胎盘组织中MMP-2的表达来降低滋养层细胞的侵袭能力[26]。除此之外，沉默STAT5B可使MMP-2在HTR-8/SVneo细胞中的表达增加，提示STAT5B负向调控滋养层细胞的侵袭力[27]。经敲降抗衰老基因Klotho处理的HTR-8/Svneo细胞侵袭能力显著减弱，并且其MMP-2和MMP-9的表达也显著下调；当敲除HTR-8/Svneo的Nesfatin-1基因时，亦发现细胞表型的上述变化[28]。

综上所述，胎盘滋养层细胞侵入子宫壁的生物学行为受严格的调控；胎盘及蜕膜组织分泌的多种细胞因子及诸多miRNA都参与其中，或正向或负向，对维持滋养层细胞正常侵袭力的动态平衡、胚胎植入以及妊娠顺利进行均有重要意义。在该庞大周密的调控网络中的任一环节出现异常，都是病理性妊娠的发病原因，但是对于病理性妊娠的研究深度目前还不足以详尽解释，另一方面，只有充分了解调控机制，才有可能做到有的放矢，达到病因治疗的高度。对于妊娠糖尿病、先兆子痫等相对多发的病理性妊娠尤其需要关注深层机制。

四、展 望

随着晚婚晚育成为现代社会的发展趋势，生育年龄的后延，孕妇年龄的递增，使孕妇病理性妊娠的发生率增加，关注胎盘EVT的适度侵袭力，是针对病理性妊娠的重要防治手段。EVT是胎盘“扎根”子宫并得以正常发育的前提，严格调控EVT侵袭行为才能使胎儿在母体子宫中正常发育。滋养层细胞增殖和侵袭对子宫螺旋动脉的重塑以及母-胎之间物质交换也至关重要。不论EVT的异常侵袭行为是因还是果，都将导致多种妊娠相关疾病，给亲代和子代都带来不可逆的损伤。了解精确调控滋养层细胞增殖和侵袭行为的基因及影响因素，不断探索各种病理性妊娠情况下EVT侵袭行为的异常，不仅可以为丰富疾病的诊疗手段提供理论基础，而且可从致病机制层面更深入探讨此类疾病的防治新方法。