明胶酶与特发性肺纤维化陈娟

明胶酶与特发性肺纤维化陈娟

陈娟何振华

南华大学附属第二医院（呼吸内科）湖南衡阳421000

摘要：肺纤维化分为两个阶段：早期肺泡炎及晚期肺纤维化形成。在肺泡炎阶段，肺泡上皮基底膜损伤是关键事件。基底膜裸露和破坏后，肺泡上皮修复紊乱，炎症细胞、纤维母细胞等进入肺泡腔，细胞外基质过度沉积而肺纤维化。肺泡上皮基底膜是一种细胞外基质（ECM），其中，Ⅳ型胶原是主要成分。明胶酶是降解Ⅳ型胶原的主要酶，包括明胶酶A(MMP-2)和明胶酶B(MMP-9)。本文就明胶酶及其与肺纤维化的关系加以综述。

关键词：肺纤维化;明胶酶;Ⅳ型胶原

特发性肺纤维化（Idiopathicpulmonaryfibrosis,IPF）是病因不明的一类慢性、进行性、不可逆的、致命性的间质性肺疾病，以肺泡上皮细胞损伤、成纤维细胞大量增生和细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)聚集增多为病理特征。确诊后只有3~4年的中位生存期[1]，是各种慢性肺部疾病最终的共同通路。肺泡上皮基底膜是一种ECM，其中，Ⅳ型胶原是主要成分。各种原因导致的基底膜损伤在肺纤维化过程中是关键事件。近年来多项研究表明,基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)尤其是明胶酶(gelatinase)在肺纤维化形成过程中作用重大，明胶酶是降解Ⅳ型胶原的主要酶类。本文就明胶酶与肺纤维化及其关系做一综述。

1明胶酶

MMPs是一组锌离子依赖性蛋白酶超基因家族,具有结构与功能同源性。因结构中含有金属离子而得名。锌离子位于酶活性中心部位，与酶活性有关。钙离子在酶的活化过程中维持膜的稳定性。作为最重要的一类降解ECM的蛋白酶类，迄今为止已发现至少有23种，分为胶原酶（collagenases）、明胶酶、基质溶解素(stromelysins)、基质溶解因子(matriltsins)、模型基质金属蛋白酶（MT-MMPs）及其他，其中明胶酶是降解Ⅳ型胶原的主要酶类，包括明胶酶A(MMP-2)和明胶酶B(MMP-9)。MMP-2还可降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原。

1.1结构与来源

MMPs具有结构同源性，与其他MMPs家族一样，明胶酶含有三个基本结构域，包括信号肽、前肽和催化结构域。前者由17~29个氨基酸组成。前肽结构域包括77~87个氨基酸，其中有一个高度保守的氨基酸序列，内含的半胱氨酸主要作用是维持MMPs酶原形式。前肽结构域被水解后，酶原形式被激活。催化结构域中含有一段十分保守的氨基酸序列，对酶的催化活性起重要作用。现认为可能与其中的三个组氨酸与酶活性中心部位Zn2+结合而形成配位键有关。所有MMPs（MMP-7除外）还存在一个特殊结构，即位于碳末端的一个血结合素样结构域，目前这个结构域的功能不十分清楚，有研究显示，它可能在MMPs与ECM成分或与MMP组织抑制剂的结合过程中发挥作用[2]。而与其他MMPs不同的是，明胶酶的催化结构域中还存在一个FN样结构域，研究证实它作用于明胶酶与底物明胶的结合过程中。特殊的是，明胶酶B还存在一个富含脯氨酸的a2(V)胶原样的结构域，位于其催化结构域和血结合素结构域之间，该结构域的功能目前还有待明确。

MMPs在体内的表达激活以及对底物的分解过程都受到严格的调控。在肺的正常生理情况下，MMPs可适当表达，但检测水平低，是由肺上皮细胞产生的，利于气管分支及气管腺体的生成。在各种原因致肺泡炎症和损伤过程中，炎症细胞、成纤维细胞等浸润，MMPs会大量的产生，迁移到创伤或感染组织，起到抵御肺部病变、修复受损的ECM的作用。以明胶酶为例，在肺纤维化过程中，肺成纤维细胞、巨噬细胞、上皮细胞和中性粒细胞均有不同时期不同程度的增加，尤以肺纤维化早期显著。

1.2调节

1.2.1基因转录水平调节

与其余MMPs家族一样，明胶酶生物合成的变化与基因转录率的调节有关。而基因转录率受激素、生长因子、癌基因和细胞周期素等因素影响，其中多种细胞因子对其影响最大。多项研究表明，白细胞介素-I，II(IL-1，2)、表皮生长因子(EGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、转化生长因子α(TGF-α)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)均能上调MMPs的表达[3-5]。我们知道，TGF-β是肺纤维化发生过程中的重要细胞因子，有研究表明TGF-β能够上调明胶酶的水平，其机制是通过调节明胶酶3′端非翻译区的一些结合蛋白的表达水平来实现的，这些结合蛋白与信使RNA稳定性有关。另外，也有研究证实，一些细胞因子可抑制成纤维细胞中明胶酶的表达，如IL-1、TGF-α及PDGF，但其可诱导成纤维细胞MMP-1的表达[6]。也有研究证实，在基因转录水平的调节过程中，细胞因子与癌基因之间存在互相影响。一些细胞因子可通过刺激原癌基因的产物（c-fos、c-jun等）的表达来实现对基因转录水平的调节[7]。另外，作为MMPs生长调控因子介质，PKC、ras和src等参与调节MMPs的产生。

1.2.2酶原的活化

与MMPs家族一样，分泌出的明胶酶是以无活性的酶原形式存在的,前面已提到，前肽结构域维持着明胶酶酶原形式。在细胞间质内该结构被水解后，酶原形式被激活，从而具有了其降解基质蛋白的活性。具体的基质金属蛋白酶的酶原形式的内源性激活机制目前尚不完全明确,根据目前研究结果，普遍认为是通过纤维蛋白溶酶系统的瀑布式蛋白水解过程来实现的。需要特别指出的是明胶酶A（MMP-2）特殊的活化机制。因为明胶酶A（MMP-2）是MMPs家族中唯一一个不能被蛋白酶激活的酶[8]。明胶酶A酶原的激活是一种膜依赖机制，需要MT1-MMP的存在。

1.2.3抑制剂

MMPs作为降解ECM代谢的重要酶系，有其特异性抑制剂。它降解作用可被基质金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）所抑制。与MMPs类似，TIMPs来源广泛，许多产生MMPs的细胞也合成TIMPs,其中主要由巨噬细胞、结缔组织产生。迄今为主可分为四类：TIMP-1，2，3，4，能特异地与MMPs催化活性中心的锌离子结合，从而抑制酶的活性。除外明胶酶A及MT-MMPs，TIMP-1能抑制其余所有MMPs的活性；而TIMP-2对除外明胶酶B的所有MMPs均有抑制作用。MMPs/TIMPs比例的变化决定着ECM的降解及修复，在肺纤维化过程中起重要作用。

2明胶酶与肺纤维化

肺纤维化分为两个阶段：早期肺泡炎及后期肺纤维化形成。在肺泡炎阶段，肺泡上皮基底膜损伤是关键事件。各种原因致基底膜裸露和破坏后，肺泡上皮修复紊乱，炎症细胞、纤维母细胞等进入肺泡腔，细胞外基质过度沉积而肺纤维化。ECM的成分有胶原、蛋白多糖、弹性纤维、非胶原蛋白、糖蛋白等五种，主要成分是胶原蛋白和蛋白多糖。目前已发现的胶原蛋白包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型胶原等在内共有19种。肺泡上皮基底膜是一种ECM成分，其主要组成成分是Ⅳ型胶原。作为降解Ⅳ型胶原的主要酶类，明胶酶在肺纤维化过程中尤其是在肺纤维化启动阶段发挥的作用不可忽视。

研究证实，在博来霉素致兔肺纤维化模型组中，与对照组相比，在注射博莱霉素后3、7、14天，应用酶谱法检测MMP-2，发现除外其总量明显增加外，活化MMP-2与MMP-2总量的比值亦明显增高[9]；在博莱霉素诱导SD大鼠肺纤维化模型中，成纤维细胞MMP-2基因转录水平在博来霉素作用后一天，就达对照组的2.05倍，且在7、14天检测一直维持在高水平，到28d才略下降。KimJY通过研究肺纤维化大鼠模型得出，明胶酶在肺纤维化过程中发挥重要作用，尤其是早期[10]。OggionniT等研究博来霉素诱导大鼠肺纤维化模型发现病变的早期肺组织中明胶酶活性升高较明显，且最高峰在第7天，提示明胶酶与基底膜的降解断裂有关，启动肺纤维化发生。在损伤修复期，明胶酶活性的降低与其抑制剂TIMP-1，2浓度的峰值一致。说明在后期明胶酶的活性降低与其抑制剂有关。两者之间的平衡打破，导致细胞外基质异常增生，形成肺纤维化[11]。另一研究也表明，IPF病人明胶酶的过度产生可能在破坏基底膜，使炎性细胞、纤维母细胞等侵袭入肺泡腔，启动肺纤维化中起作用。在黄云虹等研究中，实验组应用强力霉素后，明胶酶活性受到抑制，镜下见病变面积和程度与博来霉素模型组比较明显减轻。其机制可能是通过抑制明胶酶活性，减少其对细胞外基质的过度降解，肺泡上皮细胞基底膜的完整性受到保护，从而减轻了肺纤维化的程度。KimJY[10]发现在肺纤维化后期，活化形式的MMP-2可检测出，而活性形式的MMP-9却无法检测出，YaguchiT[12]的研究中也得出此结论。由此可推测，在肺纤维化早期基底膜降解和启动炎症细胞迁徙阶段，MMP-9发挥更重要的作用，而在损伤修复阶段，MMP-2发挥的作用更大。近年来多项研究均表明，在肺纤维化后期，明胶酶水平较前有降低，但仍较正常组高；而TIMPs的水平持续高水平表达；由此可推断，在肺纤维化后期明胶酶受其组织抑制剂影响。MMPS/TIMPS的平衡影响细胞外基质的增生及降解平衡，引起异常的组织重塑，最终导致肺纤维化。而炎症损伤和异常修复在肺纤维过程中应该是同时发生的。

3展望

在既往对肺纤维化的研究中，主要集中在对已形成的肺纤维化组织中胶原蛋白堆积的研究，主要为Ⅰ、Ⅲ型胶原,因而未能足够重视Ⅳ型胶原在肺纤维化过程中作用和变化。随着对肺纤维化机制的研究增多，现我们普遍认为，作为基底膜的主要成分，Ⅳ型胶原在肺纤维化早期即发挥了不可忽视的作用。同样，作为降解Ⅳ型胶原的主要酶，明胶酶在肺纤维化中起到至关重要的作用也广受关注。基于此，研究明胶酶抑制剂、明胶酶与TIMP的关系、明胶酶与各种细胞因子的相互关系将成为今后延缓和治疗肺纤维化的重要方向。

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