基质金属蛋白酶在非小细胞性肺癌中的表达

[摘要]  肺癌是当前人类发病率最高的恶性肿瘤，特别是占肺癌多数的非小细胞性肺癌，其浸润转移是导致肺癌患者死亡的重要原因。基质金属蛋白酶（MMPs）几乎可以降解细胞外间质（ECM）的所有组成成分，是一类参与肿瘤细胞降解ECM相关蛋白，促进恶性肿瘤侵袭、转移的蛋白水解酶家族。MMP-2、MMP-9、MMP-13作用底物广泛，作为MMPs家族中较为重要的ECM降解素和胶原酶，已经发现与肿瘤的侵袭转移密切相关。
　　[关键词]  肺癌;浸润转移;基质金属蛋白酶

　　肺癌是当前人类发病率最高的恶性肿瘤。世界卫生组织2001年公布的资料显示，在过去10年间肺癌发病人数约120万/年，死亡人数约110万/年，为全球最主要的癌症[1]。我国90年代城市居民罹患肿瘤的顺序中肺癌据首位；在肿瘤死亡者中，肺癌也占第一位。但至今对肺癌尚缺乏有效地早期诊断及治疗手段，临床仍采用以手术为主的多科学综合治疗，因而，从分子水平上了解肺癌侵袭转移的机制，特别是占肺癌多数的非小细胞肺癌的侵袭转移的机制，为探索阻断肿瘤侵袭转移的方法及肺癌的治疗提供有价值的资料。从原位的增殖性肿瘤到侵袭转移癌的演进过程中，肿瘤细胞必须具备降解细胞外基质（extracellularmatrix, ECM）及穿过基底膜（basement membranes,BM）的能力，因而ECM及BM成为阻止肿瘤细胞侵袭扩散过程的天然屏障，ECM的降解是由多个蛋白水解酶系统所致，基质金属蛋白酶家族（Matrixmetalloporoteinases,MMPs）就是其中之一。

　　1  基质金属蛋白（MMPs）
　　1.1  基质金属蛋白酶分类及结构
　　1.1.1  基质金属蛋白酶分类  基质金属蛋白酶（MMPs）是一组金属离子依赖的、能降解ECM的高度保守蛋白水解酶家族，广泛参与心血管重构、关节炎、风湿活动、纤维化及肿瘤转移等多种生理、病理过程。迄今为止，人类中已经识别了20多种，根据其作用底物的特异性，将MMPs家族分为五型：①胶原酶(collagenases），包括MMPs-1、MMPs-8、MMPs-13；②明胶酶(gelatinases），即Ⅳ型胶原酶，包括MMPs-2、MMPs-9；③基质溶解素（stromelysins），包括MMPs-3、MMP-7、MMPs-10、MMPs-11、MMP-12；④膜型基质金属蛋白酶（membrane type MMPs，MT-MMPs），已发现四种，包括MMPs-14（MT1-MMP）、MMPs-15（MT2-MMP）、MMPs-16（MT3-MMP）、MMPs-17（MT4-MMP），主要在恶性肿瘤细胞膜上表达；⑤其他型，MMPs-19、MMPs-23、MMPs-20等[2-6]。
　　1.1.2  基质金属蛋白酶结构  所有的MMPs有相似的结构域，即自氨基端到羧基端依次为氨基端的信号肽、前肽区、中间的催化区、铰链区和羧基端的类血红素结合蛋白区[7]。其中信号肽主要作用是引导翻译后的产物至胞浆内质网，在酶的分泌过程中起重要的作用；其后紧接前肽部分，含有一段高度保守的氨基酸序列，内含一个催化活性区，被称为MMPs的“开关”，与MMPs的活化有密切关系。其后是一小段富含脯氨酸的铰链区，在多数MMPs中，类血红素结合蛋白区通过铰链区与催化活性区连接。羧基端的类血红素结合蛋白区是MMPs与其作用底物及TIMPs结合的部位，该结构的差异与MMPs家族成员作用底物的特异性密切相关。
　　1.2  基质金属蛋白酶功能  MMPs可由多种基质细胞和炎症细胞产生，如：纤维母细胞、巨噬细胞等，在间质细胞进行表达，然后被吸附到肿瘤细胞表面。正常情况下，MMPs是以非活性的酶原形式分泌的，参与如胚胎发育、牙齿萌出和创伤愈合等生理过程[8]；病理状态下，MMPs破坏结缔组织，与许多疾病的形成有关，如牙周疾病、骨关节病和肿瘤侵袭转移等。目前的研究大多集中在疾病的发展，特别是肿瘤的侵袭与转移。
MMPs作为影响肿瘤发生发展的重要因素，通过以下三方面发挥作用：①调节细胞黏附性。MMPs的底物纤维连接蛋白、层粘连蛋白等是整合素家族的天然配体，活化的MMPs能提高整合素与其配体的亲和力，改变细胞之间、细胞与ECM之间的黏附能力，影响肿瘤细胞在ECM中的移动[9]。②降解肿瘤细胞侵袭的天然屏障：细胞外基质（ECM）和基底膜（BM）。ECM是由Ⅳ型胶原等成分交织形成的网状结构，为细胞的生存及活动提供适宜的场所，保障组织结构的完整性；BM是上皮与深层基质之间的一道屏障，一旦癌变上皮突破基底膜后即在基质内浸润生长，侵犯周围组织。ECM的降解主要依靠丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天门冬氨酸蛋白酶和MMPs四种，其中MMPs是最为重要的一类。活化后的MMPs几乎能降解细胞外基质的所有成分，因此ECM的降解意味着肿瘤浸润与转移的开始。③促进新生血管形成。研究表明MMPs通过上调促血管生成因子如VEGF、bFGF、TGF-B及TGF的水平，提高它们的促血管新生的作用,为肿瘤组织提供营养，运走代谢产物。
　　1.3  MMPs的调节机制  MMPs主要通过转录水平、酶原激活和内源性抑制剂来调节表达水平和活性。
　　1.3.1  基因转录水平的调节  大多数MMPs在正常组织中的表达保持在一个低水平，但在一定的生理或病理过程中，多种炎性细胞因子、激素和生长因子等都可以影响MMPs基因的表达，如IL-1、IL-6、肿瘤坏死因子α(TNF-α)等可以上调MMPs的表达；视黄醛、糖皮质激素等能抑制MMPs的表达。
　1.3.2  MMPs酶原的激活  生理状态下MMPs是以无活性的酶原（pro-MMPs）形式合成并分泌到细胞外的，当被组织和血浆中的蛋白酶活化后，具有降解基质的活性。此外MMPs成员之间也能相互激活，如MMP-13位于MMPs活化级联反应的中心位置，可以被MMP-2，MMP-3，和MT1-MMP活化，并可以激活MMP-2和MMP-9[10-11]，相互作用，增强其对肿瘤细胞浸润、转移的影响。
　　1.3.3  内源性抑制剂-基质金属蛋白酶抑制剂  基质金属蛋白酶抑制剂根据来源分为天然抑制剂和合成抑制剂。天然抑制剂包括：非特异性和特异性抑制剂（TIMP）；合成抑制剂有20多种，目前仍处于临床前期的试验研究中。
　　非特异性基质金属蛋白酶主要通过构象变化阻止酶与其蛋白底物的靠近来抑制酶的活性，但相对分子质量大降低了其组织穿透力，限制了其作为抑制剂的效率[12]。
　　特异性基质蛋白酶(TIMPs)，是一种广泛分布的内源性MMPs抑制剂，能特异性抑制MMPs的活性。至今已发现4型，依次命名为TIMP-1、-2、-3、-4。TIMP-1广泛存在于组织和体液中，能被多种细胞因子诱导产生，引起表达增加。TIMP-1能抑制绝大多数的MMPs，并可与MMP-9前体及有活性的MMP-1、-3、-9形成高度亲和的非共价键的复合物；TIMP-2是MMP-2天然抑制剂，同时也能有力地抑制MMP-1，-9，-13等活性；TIMP-3是全能MMP抑制剂，对MMP-2，-9，胶原酶-l及基质溶素的抑制作用相似[13]。TIMP-4是最新克隆的蛋白类抑制剂，在成人的心脏中有较高的转录水平，在肾脏、胰、结肠、睾丸有低水平的表达，抑制MMP-2，7作用稍强于MMP-l，-3，-9。
　　TIMPs主要从两方面调节MMPs的活性：①在酶原活化阶段，TIMP可与MMP酶原形成稳定的复合体并阻碍其自我活化；②在活化后的MMP阶段，TIMP可直接与活化的MMP以1:1结合，抑制其活性。在病理条件下，MMPs/TIMPs的动态平衡被打破，MMPs活性增加，ECM过度降解，最终导致组织的破坏，利于肿瘤的侵袭及转移。TIMPs虽然能特异性抑制MMPs的活性，然而，在体外实验中，发现TIMPs对MMPs的抑制作用是双向的，即小剂量TIMPs可促进pro-MMPs的活化，而大剂量的TIMPs则抑制MMPs的活性，关于TIMPs/MMPs相互间的作用有待进一步研究证实。

　　2  MMPs在非小细胞肺癌中的表达
　　大量研究显示，MMPs在正常组织中都有较低水平表达，在食管癌、卵巢癌等多种恶性肿瘤中均有MMPs过度表达。在肺癌研究中，多数结果显示MMPs的过度表达与肺癌的发生发展有密切关系，在众多的MMPs家族成员中，MMP-2、-9、-13因作用底物广泛，表达细胞众多而倍受关注。
　　2.1  基质金属蛋白酶-2（MMP-2)  MMP-2由Huhtala.P.等人在1990年克隆表达的，定位于人类染色体16q21[14]，主要表达于细胞浆中，是降解ECM骨架蛋白Ⅳ型胶原主要蛋白酶之一。赵仲生等[15]对62例NSCLC标本研究结果显示，MMP-2的阳性表达率随TNM分期增加而增加，有淋巴结转移者MMP-2阳性表达率高于无淋巴结转移者；Leinonen等[16]研究发现，MMP-2蛋白表达量与NSCLC的生存期呈负相关，即MMP-2表达量越高，生存时间越短。
　　2.2  基质金属蛋白酶-9（MMP-9)  即明胶酶B，是基质金属蛋白酶家族中分子量最大的酶，基因定位于20q12.2-q13.1，主要在癌细胞及癌旁间质细胞的胞浆中表达。MMP-9激活后形成胶原酶，降解破坏靠近肿瘤表面的ECM中Ⅳ型、Ⅴ型胶原和明胶，促使肿瘤细胞沿着缺失的基底膜向周围组织浸润，最终导致肿瘤的侵袭和转移[17]。Jumper等[18]对48例肺癌患者和117例正常人血清中MMP-9的表达水平进行比较，发现肺癌患者明显高于对照组；Egeblad等[19]研究显示，肺腺癌中MMP-9的表达水平高于非鳞癌，与临床上腺癌较鳞癌更易转移的特点相符。
　　2.3  基质金属蛋白酶-13（MMP-13）
　最早是1994年从人的乳腺癌组织中测得的[20]，具有强大的蛋白水解酶活性，作用底物广泛，几乎囊括ECM的所有蛋白成分[21]。MMP-13在ECM重塑过程中居核心地位，通过直接降解ECM及活化其他MMPs家族成员发挥作用。生理状态下MMP-13仅限于骨骼系统的重塑过程中，但在各种肿瘤细胞中均有表达，可以降解包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型等胶原的多种细胞基质，其分解明胶的能力比MMP-1和MMP-8强40倍，在肿瘤的侵袭、转移及血管生成等方面具重要意义[22]。Thomas[23]等用IHC法检测了MMP-13在NSCLC中表达，病变组织的表达率与其相邻的正常支气管上皮相比较，有明显的差异；此外还发现MMP-13在肺腺癌中的表达较鳞癌明显增强，且其表达与病变分期呈正相关；Hsu等[24]应用Western blot方法检测了肺癌组织中MMP-13的表达，认为MMP-13表达是肺癌预后不良的独立因子。

　　3  临床利用及前景
　　MMPs/TIMPs失衡，使得ECM过度降解导致一系列疾病，因此，研制有效地MMP抑制剂为攻克这些疾病，特别是肿瘤开辟了一条新的途径。目前最常见的抗肿瘤的MMPs抑制物（MMPI），如马力马司他（marimastat）、坦诺司他（tanomastat）等已经进入临床前期研究，此外还有BAY12-9566、CGS-27023A、CTTHWGFTLC等药物也在研制中，这些药物虽然在临床前期试验或动物实验中，能有效地抑制MMPs的活性，阻止肿瘤的生长和转移，但是副作用明显，还需进一步的研究改进。
　　MMPs/TIMPs体系对肺癌侵袭和转移都重要的影响，该系统作为肺癌的早期诊断、临床治疗用药指导及对肺癌预后的预测都具有广阔的应用前景，未来可以为临床治疗肿瘤提供新的策略和方向，但该系统在肺癌中的作用机制还有待更深入的探索。

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