基质金属蛋白酶与慢性阻塞性肺疾病的相关研究进展

王鸿伦，吕美玉，强丽霞，商行，张亮，金寿德

(哈尔滨医科大学附属第四医院呼吸内科，哈尔滨 150001)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一种常见的肺部疾病，以持续性气流受限为主要特征，可预防和治疗[1]。COPD具有患病率高、致残率高、病死率高的流行病学特点，由于其早期发病隐匿，临床治疗难度较大，给社会及患者家庭均带来沉重负担[2-3]。年龄以及主动、被动吸烟等是COPD的高危因素，其主要病理改变包括慢性气道炎症和肺泡结构破坏。蛋白酶-抗蛋白酶失衡可加速气道组织和肺实质破坏，并通过细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的过度降解以及炎症因子的选择调控参与气道重构和肺泡上皮修复进程，从而促进COPD患者病情发展，而基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)在其中发挥重要作用[4-7]。炎症因子浸润及遗传基因的多样性均可影响MMP的结构和功能，而MMP的数量增加和(或)活性增强也会通过Wnt等信号通路及介质加重气道结构和肺组织破坏，并延长损伤后的反复修复过程，导致COPD患者病情发展。现就MMP与COPD的相关研究进展予以综述。

1 MMP概述

MMP由气道上皮细胞、巨噬细胞、肺泡Ⅱ型细胞、中性粒细胞等分泌，属于依赖锌、钙等辅助因子活性降解ECM的内切蛋白水解酶家族。正常状态下，人体外周血中的MMP水平较低[8]。ECM是组成肺泡壁的大分子物质，其合成与降解之间的平衡可调节组织与细胞的基础活动，对维持肺泡结构稳定及改善肺功能均具有重要作用。一个典型的MMP包含前肽结构域、催化结构域、信号肽等基本结构。依据酶与底物的亲和力及结构域的差异，MMP主要分为胶原酶、明胶酶、间质溶解酶和膜型MMP，MMP在细胞中主要以酶原的形式存在，被激活后才能产生相应功能；MMP的主要活化途径包括：①MMP的半胱氨酸序列首先断裂且部分活化，这个过程取决于胰蛋白酶、尿激酶等丝氨酸蛋白酶的降解作用，然后经其他金属蛋白酶进一步分解形成可行使完全功能的MMP；②在原生质膜上被膜型MMP直接介导，在降解细胞周围基质成分方面发挥特有功能；③在细胞内被激活[9]。总之，MMP可通过降解ECM成分(如明胶、弹性蛋白以及纤连蛋白、层粘连蛋白)影响气道上皮细胞、肺泡细胞等的生长与迁移、黏附与分化。此外，MMP还可与多种炎症因子相互促进，加重COPD的疾病进展。MMP在调节、维持气道和肺部炎症反应中起重要作用，其表达受白细胞介素(interleukin，IL)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)等细胞因子影响。与正常人相比，COPD患者TNF-α、IL-6水平显著增高，导致MMP分泌增加，而MMP的分泌又可促进TNF-α、IL-6等活化，其中TNF-α可促进单核-巨噬细胞对局部组织的渗透及聚集，而IL-6可增强其他炎症因子活性[6，8]。MMP还可通过一系列反应激活核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信号通路，从而增加MMP的分泌及细胞间黏附分子-1的表达，促进炎症细胞聚集，其中MMP-2、MMP-9、MMP-12在COPD疾病发展中发挥重要作用，其基因多态性可促进COPD进程，因此可作为COPD的候选临床指标[8，10-15]。

MMP-2也称明胶酶A，其催化区可凭借空间结构主导MMP-2与底物的连接方式，进而加强明胶酶与底物明胶的组合；其C端可介导与ECM或MMP抑制剂结合，从而影响其生理功能；信号肽区则可进行准确定位；前肽区的主要功能是维持酶原的稳定，在酶活化后被水解；铰链区含有大量脯氨酸[16-17]。MMP-2的底物广泛，包括变异的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原和天然的Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型胶原以及层粘连蛋白、弹性蛋白和纤连蛋白等。

MMP-9是MMP家族中分子量最大的酶，又称明胶酶B，由单核细胞、中性粒细胞等产生[18]。MMP-9拥有特定的Ⅴ型胶原样功能域，可与ECM选择性结合；MMP-9的催化区有重复的Ⅱ型纤维连接蛋白结构域，可增强其与明胶或弹性蛋白的结合力，在人体生理、病理过程中起关键作用[19]。MMP-9是一种多功能酶，其底物广泛，主要包括Ⅰ型、Ⅳ型胶原蛋白和弹性蛋白等。MMP-9可促进中性粒细胞向胞外转移、聚集以及血管内皮细胞和平滑肌细胞增殖，同时还可降解蛋白多糖和核心蛋白，通过激活和释放相关细胞因子参与气道重构，促进COPD病情发展[8，19]。

MMP-12主要由巨噬细胞、中性粒细胞等分泌，可降解ECM。MMP-12主要有3个功能域，即促进酶催化作用的催化域、决定底物特异性的血红素结合蛋白域以及维持酶原结构稳定性的前肽域[20]。MMP-12又称巨噬细胞弹性蛋白酶，而弹性蛋白占人肺干重的20%以上，在肺内分布广泛，可维持肺内小气道的弹性回缩、避免其过度萎缩[21]。MMP-12的底物也较广泛，且MMP-12还可激活其他MMP，从而放大蛋白水解作用，促进巨噬细胞活化及其他炎症因子释放，参与多种病理生理过程[21-23]。

2 MMP参与COPD

COPD典型的病理表现为气道组织和肺实质破坏，这与气道内炎症反应以及长期处于有毒颗粒或气体环境下导致的免疫细胞增殖活化有关，最终导致蛋白酶-抗蛋白酶失衡[5-7]。空气中的有毒物质可导致肺泡吞噬细胞的功能减弱及气道屏障功能下降，从而促进肺泡巨噬细胞和中性粒细胞的聚集和活化，造成大量炎症细胞浸润，并释放多种细胞因子产生炎症效应，同时还可增强MMP活性、促进MMP产生，加速气道重构进程。COPD患者的气道重构以ECM成分沉积为主，MMP的作用则是降解ECM[4，10-11，21]，进而导致肺组织受损、结构破坏以及患者肺功能降低。Toll样受体(Toll like receptor，TLR)、Wnt信号通路、NF-κB通路等均参与COPD进程，并可增强MMP的活性[8，24-25]。而蛋白酶活性增强可加速肺组织结构的破坏，加快肺泡间隔增宽的速度、肺泡及上皮细胞损伤的反复修复进程，同时还可放大炎症反应、激活其他相应MMP，共同促进COPD的病情发展和持续加重。

2.1MMP参与COPD免疫炎症反应 COPD患者病情不稳定、反复发作均与自身免疫系统功能低下相关。免疫系统主要通过抗原抗体的相互识别发挥功能，如TLR、Wnt蛋白等均可通过影响MMP的数量及活性参与COPD的发生发展。有研究发现，COPD患者的TLR2、TLR4水平显著升高，且TLR2激活可促进外周血单核细胞中MMP-9、TNF-α等释放，同时，在MMP的作用下，TLR2的生理功能明显活跃[8，24，26]。此外，TLR2、TLR4还可促进NF-κB核转位并使其激活[8，25]，而NF-κB是一种常见的转录因子，广泛存在于真核细胞中，参与免疫炎症反应及细胞增殖等。NF-κB是COPD炎症催化过程中的重要信号分子，可介导MMP-2、MMP-9以及某些促炎细胞因子释放[8，17]，而这些细胞因子也会促进NF-κB的激活。IκB(inhibitor of nuclear factor kappa-B)是NF-κB抑制剂，IκB激酶(inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase，IKK)由催化亚基IKKα、IKKβ和调节亚基IKKγ或NF-κB调节剂组成。IKK可以被TNF-α和IL-8激活，激活后的IKK可使IκB的丝氨酸残基磷酸化和赖氨酸残基泛素化，从而导致其降解并释放NF-κB，随后NF-κB易位至细胞核参与基因转录、调节下游基因表达等[8，24]。

MMP-2和MMP-9可裂解转化生长因子-β并使其活化，而转化生长因子-β与细胞因子结合形成丝氨酸/苏氨酸激酶复合体，丝氨酸/苏氨酸激酶复合体再与转化生长因子-β受体结合，进一步激活下游底物和蛋白，同时活化的转化生长因子-β也可进一步激活MMP-9；此外，表皮生长因子也可激活MMP-9，表皮生长因子可通过与其受体结合导致转录激活因子3磷酸化，进而促进MMP-9表达[27-28]。综上可知，MMP与炎症因子及其激活通路共同促进COPD的发展，因此可通过抑制其相关通路，延缓COPD进展。

此外，Wnt信号通路及相关因子也可通过调节MMP-2、MMP-9的表达参与COPD病情进展。根据Wnt信号通路激活是否依赖β联蛋白(β-catenin)，可将其分为经典Wnt信号通路和非经典Wnt信号通路。过氧化物酶体增殖物激活受体δ是经典Wnt信号通路的下游靶点，其表达可抑制p38促分裂原活化的蛋白激酶活性和TNF-α分泌，进而影响MMP的表达[25]。有研究发现，与正常人相比，COPD患者上皮细胞中的Wnt-4水平显著升高，而经外源性Wnt-4处理的人支气管上皮细胞中的IL-6、IL-8分泌增加，同时伴随CC趋化因子配体2、CC趋化因子配体5水平增加[29]。Durham等[30]研究表明，COPD患者上皮细胞和基质细胞中的Wnt-4表达均显著增加，且Wnt-4可通过p38促分裂原活化的蛋白激酶信号通路参与气道上皮IL-8的表达和CXC趋化因子配体8的分泌。由此可见，COPD病情进展离不开MMP特有的活性，炎症反应与免疫应答通路均可通过影响MMP的数量及活性参与COPD进程。

2.2MMP参与COPD气道重构及上皮细胞修复进程 COPD患者不完全可逆的气流受限与其气道重构有关[6，9]，同时伴随气道上皮细胞的反复修复且不完全修复过程。气道重构以ECM沉积、气道上皮细胞化生、气道平滑肌增生等为主要结构表现形式，同时伴随小气道狭窄和肺功能进行性降低，因此干预并改善COPD气道重构对患者预后非常重要。空气中的悬浮颗粒、病原微生物、刺激性气体均可损伤气道上皮细胞及气管黏膜纤毛系统，减弱肺泡吞噬细胞的功能和纤毛系统的作用。当气道上皮细胞损伤时，机体会启动修复机制修复其结构和功能。人体处于感染和烟雾等有害物质的长期刺激下，气道上皮细胞处于反复破坏与修复中，并呈现不完全修复状态，从而促进肺泡巨噬细胞和中性粒细胞的聚集和活化，分泌MMP；当蛋白酶的数量和活性超过抗蛋白酶的抑制作用时，ECM降解加速，进一步破坏肺组织，导致肺内小气道阻塞进程加快，促进气道重构的进程；同时，在气道上皮细胞修复过程中，MMP-9分泌进一步增加，导致气道上皮细胞黏附性降低，使气道上皮细胞修复进程减慢[8]。当气道组织损伤或发生恶变时，MMP-2的表达增加，进而导致其他MMP活性增强，加速肺泡壁的破坏进程[4]。

研究发现，COPD患者MMP-2、MMP-9信使RNA水平均显著高于正常人群，且MMP-2、MMP-9蛋白在肺泡上皮细胞、肺泡巨噬细胞、血管平滑肌细胞中的表达均显著上调；同时，肺组织中的MMP-2信使RNA及蛋白表达水平与第1秒用力呼气容积占预计值百分比以及第1秒用力呼气容积/用力肺活量比值均呈负相关[4]。COPD患者支气管肺泡灌洗液中的MMP-9水平显著高于正常人群，同时MMP-9前体水平也显著增加，而MMP-9表达与气流阻塞相关，且MMP-9基因的多态性与COPD发展相关[11，18-19]。MMP-12被认为是COPD病程进展的重要致损因子之一，其可促进其他MMP的激活，同时促进病情的反复发作[21]。有研究发现，COPD患者肺组织中的MMP-12表达上调，且其与第1秒用力呼气容积占预计值百分比、第1秒用力呼气容积/用力肺活量比值呈负相关[31]，提示COPD患者MMP-12表达增加可导致弹性蛋白和胶原蛋白分解加速，从而破坏肺泡和气道的结构，加重局部炎症反应，参与COPD的疾病进展。综上，MMP-2、MMP-9、MMP-12均可引起COPD患者气道重构的发生，因此抑制其活性或减少其产生均可延缓COPD肺组织与肺泡结构的破坏进程，减缓COPD发展进程。

2.3MMP参与COPD肺泡修复进程 蛋白酶活性增强可破坏肺组织结构，肺泡间隔增宽即是其所致结果之一，且与肺泡上皮细胞损伤后的修复异常有关。MMP与Wnt信号通路均可参与肺泡修复过程。在香烟烟雾和弹性蛋白酶诱导的肺气肿模型中，Wnt/β-catenin信号通路相关因子的表达下调；在源于小鼠及COPD患者的体外肺组织培养模型中，激活Wnt/β-catenin信号通路可导致肺泡上皮细胞标志物的表达显著增加、MMP-12的表达降低[25]。此外，抑制Wnt/β-catenin的表达可降低肺气肿和COPD患者肺泡上皮细胞的创伤修复能力以及全肺匀浆中弹性成分的表达[32]。研究发现，缺乏Wnt-2A/2B小鼠的肺发育异常，敲除小鼠Wnt-5A可导致小鼠肺远端气道过度扩张及肺部间质增加[25]。研究发现，COPD患者肺成纤维细胞中的Wnt-5A表达增加，而过表达Wnt-5A可促进MMP-12等弹性蛋白酶所致的肺气肿的发展过程；Wnt-5A可通过非经典Wnt途径影响Wnt/β-catenin信号通路的功能，进而减弱肺上皮细胞创伤修复和再生能力；Wnt-5A/5B还可通过抑制Wnt/β-catenin信号阻碍肺泡上皮祖细胞的生长和分化[25，33]。由此可见，未来可通过影响Wnt信号通路、调节MMP的表达促进肺泡修复进程，从而影响肺部疾病的进展。

3 小 结

MMP在COPD的发生发展中具有重要作用，尤其是MMP-2、MMP-9、MMP-12在其中起纽带作用。MMP-2、MMP-9、MMP-12可与TNF-α、IL-6、IL-8等炎症因子协同促进COPD患者病情进展，而MMP遗传多态性也可促进COPD患者疾病进程。因此，寻找MMP所对应的基因片段并诱导或抑制其表达，可控制或缓解COPD患者病情。同时，还可根据MMP-2、MMP-9、MMP-12的特性，寻找其引起COPD发生发展的相关信号通路，通过抑制相关信号通路的表达或降低其活性可减缓COPD患者的病情进展、改善COPD患者的生活质量、减轻患者护理及经济负担，为呼吸系统疾病的诊治提供帮助。