摘要
大量证据表明,基质金属蛋白酶(MMPs)在慢性阻塞性肺疾病(COPD)中升高和/或下调,特别是在肺气肿中,它们可能参与了对肺泡壁基质的蛋白水解攻击。最近的数据表明,基质金属蛋白酶在驱动炎症或关闭炎症方面也有重要作用,以及修改纤维生长因子的释放,这些过程在慢性阻塞性肺病各种病变的发生中非常重要。在吸烟引起的肺气肿动物模型中,MMP-12似乎发挥了一致和重要的作用,而其他mmp的数据很难解释。在人类肺中,MMPs的作用的证据更加薄弱,在文献中有许多矛盾。目前对MMPs在小气道重塑、烟雾诱导的肺动脉高压和慢性支气管炎中的作用知之甚少,但MMP-12参与了实验性小气道建模。迄今为止,累积的数据表明,选择性抑制MMP-12可能是肺气肿和小气道重塑的可行疗法,但MMP-12在动物和人类中的功能微妙的差异要求谨慎使用这种方法。抑制其他基质金属蛋白酶是否有用尚不清楚。
肺基质是一种复杂的蛋白质和糖蛋白网络,包括多种类型的胶原蛋白,弹性蛋白,纤连蛋白,层粘连蛋白和几种肝素和硫酸盐蛋白转移蛋白。该基质通常仅被认为是对细胞和血管的支持,但它也具有作为细胞因子和生长因子的储存储存器的主要功能,例如转化生长因子(TGF)-β。基质金属蛋白酶(MMP)是蛋白水解酶,其在正常生理状态和异常病理过程中降解基质组分。MMP与细胞因子和生长因素有复杂的关系;它们都可以激活和取消激活这些效应分子,并相反,一些细胞因子会导致MMP的分泌或激活[1].大多数基质金属蛋白酶是作为潜在的原酶分泌的,需要通过蛋白水解转化被激活[1那2,强调MMPs通常不是单独作用,而是与其他类型的蛋白酶相互作用。
炎症细胞及其蛋白酶在慢性阻塞性肺疾病(COPD)中起作用的想法源于P.Gross的观察,他证明了注入弹性蛋白酶可以在实验动物中产生肺气肿。这一想法被正式编码为蛋白酶-反蛋白酶假说,该假说首先指出,吸烟引起下呼吸道炎症细胞浸润,其次是炎症细胞释放蛋白酶,第三是这些蛋白酶降解肺泡壁基质,导致肺气肿[3.].
肺气肿中的效应细胞最初被认为是中性粒细胞和主要的罪魁祸首,中性粒细胞弹性蛋白酶,但在过去的20年中,已经证明MMP,包括MMP-1、-2、-7、-9和-12,可以降解多种基质成分,包括胶原蛋白和弹性蛋白,蛋白酶-抗蛋白酶假说至少已经被证实隐式地,重新制定以包括MMP。Hautamaki.等等。[4.,他证明MMP-12-/-小鼠在暴露于烟雾后不会发生肺气肿,并且在实验动物中发现多种广谱MMP抑制剂可以预防或显著改善肺气肿(最近已综述[5.那6.];参见下文)。
虽然蛋白酶在肺气肿发生中的重要性已被普遍接受,但蛋白酶,特别是基质金属蛋白酶,在慢性阻塞性肺病的其他解剖和功能表现中的可能作用却很少受到关注。小气道重塑现已被确定为COPD患者气流阻塞的原因;确实,在一些COPD患者中,小气道重塑而不是肺气肿是气流受限的主要原因,尽管在大多数患者中小气道重塑和肺气肿都起作用[7.].香烟烟雾诱导的肺动脉高压也被出现为COPD患者的死亡率的重要预测因子,并且可能独立于肺气肿和小气道重塑[8.].
在这篇综述中,我们将涵盖肺气肿、小气道重塑和肺动脉高压相关的血管重塑中的基质金属蛋白酶,并对慢性支气管炎做一些简短的评论。显而易见的是,基质金属蛋白酶经常与其他类型的蛋白酶协同工作,这些相互作用将在已知的范围内进行描述。与此同时,我们已经清楚,基质金属蛋白酶执行各种信号功能,也可以与炎症趋化因子相互作用,上调或下调炎症。
COPD存在各种各样的实验模型,但在大多数情况下,我们将局限于吸烟诱发的模型,因为这些模型似乎与人类疾病最接近,而许多其他模型的相关性不确定。我们最近回顾了蛋白酶和肺气肿的一般话题[5.]而不是重复那种审查的所有内容,在这里我们将强调新的发展。
肺气肿中的mmp: MMP-12
MMP-12和其他mmp作为COPD炎症介质的作用
正如本文引言中提到的,蛋白酶-抗蛋白酶假说的核心原则是,烟雾诱导的炎症细胞释放的蛋白酶攻击肺泡壁基质,导致肺气肿。虽然这在整体意义上可能是正确的,但细节要比这个简单的公式所表明的复杂得多。特别是,越来越多的证据表明,基质金属蛋白酶不仅能降解基质,而且在烟雾暴露后炎症的发生和维持中起主要作用,也许还能下调炎症。因为在这方面,MMP-12在动物模型中得到了最广泛的研究,我们将首先考虑这个MMP。
在实验动物中,暴露于香烟烟雾持续上调MMP-12产生和释放[9.-24];这种现象似乎比任何其他MMP的上调更频繁,尽管我们谨慎地进行该声明,因为MMP-12已经比其他MMP更频繁地检查。
有趣的是,MMP-12本身似乎不仅是基质降解的直接原因,而且还是一种促炎物质:N恩安等等。[25结果显示,将重组人MMP-12的催化结构域注入小鼠气道后,最初会导致灌洗中性粒细胞增多,随后巨噬细胞增多,但如果使用催化结构域的非活性突变形式,则不会出现炎症反应。急性炎症反应伴随着多种促炎细胞因子和MMP-9的增加。
肿瘤坏死因子(TNF)-α通常通过TNF-α转换酶(TACE)从其膜结合的前型转化为释放的活性形式,或称为A崩解素和金属蛋白酶(ADAM)-17,但也有几种MMPs,包括MMP -1、-2、-3、-7、-9和-12 [26具有类似tace的活性体外针对合成融合蛋白。我们之前已经表明,野生型但不是MMP-12 - / - ,小鼠在香烟烟雾暴露后的整个肺活动的TNF-α水平和中性粒细胞增加,并且野生型,但不是MMP-12-/ - ,巨噬细胞释放TNF-α之后体外香烟烟雾暴露,表明MMP-12实际上是一种TACE的功能,通过释放活性TNF-α驱动全宿主的促炎反应[26].沿着这条线,我E.问:uement等等。[27显示MMP-12还可引起培养上皮细胞产生和释放白介素(IL)-8 (CXCL8)通过涉及表皮生长因子受体和细胞外信号调节激酶(ERK)1/2活化的途径。
MMP-12的敲除保护小鼠免受烟雾诱导的肺气肿[4.]; 这一过程伴随着肺巨噬细胞的显著减少。用MMP-9/MMP-12抑制剂治疗豚鼠6个月的烟雾暴露具有类似的保护作用,并且伴随着灌洗液中性粒细胞和巨噬细胞的大量但不完全的减少[21].在急性实验中,MMP-12-/-小鼠不会出现香烟烟雾暴露后常见的灌洗中性粒细胞增多,但中性粒细胞内流可通过灌注野生型肺泡巨噬细胞恢复[26].L.E.问:uement等等。[28结果显示,在4天急性模型中,选择性抑制剂AS111793抑制MMP-12的催化活性可使灌洗中性粒细胞数量减少约50%,灌洗巨噬细胞数量减少约40%;这与可溶性TNF受体、巨噬细胞炎症蛋白(MIP)-1γ、IL-6、KC、CXCL1、CXCL11、金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)-1和前mmp -9的减少有关。总的来说,这些发现支持了MMP-12作为炎症的直接介质的观点(见“MMP-12在小鼠和人类中的功能差异及其对治疗的影响”部分关于这一主题的进一步评论)。
除了直接释放促炎介质外,MMP-12和其他MMP的蛋白水解基质攻击导致释放基质片段,并且已知多年来,基质片段本身是促炎症的[29那30.].特异性地观察到弹性蛋白片段吸引单核细胞但不是成熟的肺泡巨噬细胞或中性粒细胞[29那30.].
此想法最近在更详细的情况下进行了检查。Hautamaki.等等。[4.发现烟雾暴露后巨噬细胞没有积聚在MMP-12 - / - 小鼠的肺中,尽管它们可以通过施用化学趋化性趋化因子单核细胞趋化蛋白(MCP)-1(CCL2)来累积它们,这表明了缺陷不是MMP-12 - / - 巨噬细胞进入肺的能力,而是缺乏合适的化学反向剂。单核细胞表达表面弹性蛋白受体,单核细胞弹性蛋白结合蛋白。Houghton等等。[31研究表明,MMP-12对小鼠弹性蛋白的攻击会导致含有五肽GXXPG或XGXPG的弹性蛋白片段的释放,其中X是一种疏水氨基酸,而一种专门识别这些序列的抗体会消除这些片段对单核细胞的趋化活性体外,并改善弹性蛋白酶诱导的肺气肿。在人的弹性蛋白中发现了类似的趋化序列VGVAPG。该发现表明,用于这种片段的人源化抗体可能是对COPD的治疗有用的。
其他MMP可以直接或间接地具有类似的促炎作用。最近,据报道,卷烟烟雾暴露导致从肺基质释放三肽脯氨酸 - 甘氨酸 - 脯氨酸(PGP)[32].PGP用作中性粒细胞化学反向剂,通过结合CXCR2,并重复滴注PGP在动物模型中产生肺气肿。PGP衍生自胶原蛋白击穿,PGP的释放需要通过MMP-9取出胶原蛋白基序,然后通过脯氨酰内肽酶的作用进行实际切除肽[32-35].有趣的是,PGP通常被白三烯A降解4.但香烟烟雾干扰了lta4h介导的PGP降解,而不影响白三烯B的生成4.,从而增加阳性反馈方式中的中性炎症[36].
MMPs与自己的同源抑制剂以及其他类型蛋白酶的抑制剂的相互作用可以进一步修改对香烟烟雾的炎症反应。烟雾诱发的中性粒细胞释放弹性丝氨酸蛋白酶,中性粒细胞弹性蛋白酶,蛋白酶3和组织蛋白酶gHapiro等等。[37显示MMP-12能降解α1-抗胰蛋白酶是这些酶的主要抑制剂,特别是中性粒细胞弹性酶的主要抑制剂,反之,中性粒细胞弹性酶降解正常情况下抑制MMP-12的TIMPs。这一发现表明中性粒细胞弹性蛋白酶和MMP-12可以相互作用,放大对烟雾的炎症反应。
总的来说,这些观察表明,至少在小鼠中,MMP-12是一个复杂反馈回路的中心(图1),其中烟介导的产生酶的可以通过MMP-9 /脯氨酰内肽酶解放PGP和吸引更多的中性粒细胞和基质由MMP-12本身攻击导致生成嗜中性粒细胞化学引诱物,通过蛋白酶矩阵攻击从chemoattracted嗜中性粒细胞,基质攻击的,释放巨噬细胞吸引矩阵片段(图1).然而,MMP-12也可能下调炎症反应:我们在“MMP-12在小鼠和人类中的功能差异及其对治疗的影响”一节中考虑了这一观点。
肺泡巨噬细胞源性和小气道源性基质金属蛋白酶(MMP)-12的作用。巨噬细胞源性MMP-12参与对肺泡壁基质的攻击,导致肺气肿,并放大炎症反应。小气道源性MMP-12在小气道重塑中的确切作用尚不清楚,但它显然具有重要作用,因为MMP-12基因敲除或MMP-9/-12抑制剂的使用可防止动物模型中的小气道重塑。中性粒细胞:多形核白细胞。
是什么导致卷烟烟雾暴露后MMP-12的产生和分泌?
鉴于MMP-12在COPD中的潜在重要性,确定驱动其生产和释放(图2).烟雾暴露导致蛋白质从血清渗漏到肺泡空间中。这些蛋白质中是纤溶酶原和凝血酶原,其可以转化为纤溶酶和凝血酶;后者激活蛋白酶活化受体-1(PAR-1),这导致预成型MMP-12蛋白的分泌和分泌蛋白的活化[38].我们发现这个过程是可以被证明的体外使用烟条件培养基和肺泡巨噬细胞[22]:烟雾引起巨噬细胞分泌组织因子,组织因子激活纤溶酶原和凝血酶原,纤溶酶和凝血酶激活PAR-1。纤溶酶和凝血酶是丝氨酸蛋白酶和α1-抗胰蛋白酶,一种丝氨酸蛋白酶抑制剂,阻断了MMP-12的释放,说明了在肺气肿的发病机制中,mmp和其他蛋白酶的另一种潜在相互作用。
![图2-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/39/1/197/F2.medium.gif)
烟雾暴露后控制肺泡巨噬细胞基质金属蛋白酶(MMP)-12产生和分泌的因素。由于许多不同的介质驱动MMP-12的产生,抑制酶的活性似乎是比试图阻止产生更容易的方法。PAR-1:蛋白酶激活受体-1;NK1R: neurokinin-1受体;GM-CSF:粒细胞巨噬细胞集落刺激因子。
B.otelho等等。[10]表明,在小鼠和烟上调生产的粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)的抗体,以GM-CSF或MMP-12释放其受体防止烟雾介导的增加,而在同一时间减少嗜中性粒细胞和树突状细胞涌入。使用抗GM-CSF抗体类似的结果Ⅴ中报导拉霍斯等等。[18他还指出,抗体治疗减少了TNF-α和趋化因子MIP-2的产生,而没有减少MMP-9的产生。
Tachykinins物质p和neurokinina存在于感觉神经中,巨噬细胞和树突细胞中。D.E.S.w等等。[14]发现,缺乏快速激肽NK1受体的小鼠对烟雾诱导的肺气肿有保护作用,烟雾暴露后MMP-12的生成减少。肺泡巨噬细胞表达神经激肽-1受体和X你等等。[39.[展示肺泡巨噬细胞与物质P的治疗大大增加了MMP-12基因表达。
K.相互矛盾等等。[40]观察到缺乏GP91(PHOX)的小鼠,NADPH氧化酶的组分,发育自发性空间扩大,但小鼠缺乏NADPH氧化酶和MMP-12没有。GP91(PHOX) - / - 和野生型巨噬细胞产生的相等量的MMP-12蛋白,但GP91(PHOX) - / - 巨噬细胞具有更大的MMP-12活性,表明衍生自NADPH氧化酶的氧化剂通常是下调的MMP-12;失去该下调导致矩阵攻击和肺气肿。
COPD患者报道了表面活性剂蛋白-D(SP-D)的循环水平增加[41.].T.拉斯克等等。[42.]注意到SP-D诱导来自分离的人肺泡巨噬细胞的MMP-1,MMP-3和MMP-12的分泌。但是,SP-D的作用达到vis.MMP-12不确定,因为yOshida.和Whitsett[43.]发现SP-D - / - 小鼠发育自发性肺气肿,这与增加的MMP-2,-9和-12的产生相关,并被核因子-κB的氧化剂活化介导。
TNF-α和IL-1β在人烟吸烟者和烟雾诱导的COPD的动物模型中上调。L.阿帕莱宁等等。[44.]发现转基因IL-1β过表达小鼠发生肺气肿和小气道重塑,并增加MMP-12、MMP-9和各种中性粒细胞趋化剂的产生。同样,Vuillemenot.等等。[45.结果显示,诱导性转基因TNF-α过表达小鼠随着MMP-12和多种促炎趋化因子基因表达的增加而发生肺气肿。
也许关于MMP-12调控最有趣的发现是它与TGF-β1活性的联系。morris.等等。[46.]表明小鼠缺乏整合蛋白αV.β6.未激活潜伏TGF-β1, MMP-12表达大幅升高,并发展为肺气肿。α不发生肺气肿V.β6.- / - / mmp-12 - / - 鼠标,表明它专门推动该过程的MMP-12。TGF-β通过Smad3的磷酸化和B.onniaud等等。[47.]注意到Smad3 - / - 小鼠表达MMP-9和MMP-12的升高,并开发自发性肺气肿。
这些观察结果表明了许多可能预防MMP-12释放和/或活动的潜在干预措施。然而,MMP-12生产显然很复杂,可以通过各种途径驱动(图2);鉴于这种品种,MMP-12抑制似乎更有可能是有用的,而是有用的任何企图选择性地防止其生产和分泌。α.V.β6.- / - 和SMAD3 - / - 鼠标数据也谨慎对待TGF-β信令的尝试作为防止小气道重塑的方法(见下文);这种尝试可能是成功的,但是可能会使肺气肿,假设当然,在人类中发生了相同的TGF-β信令和MMP-12释放关系。
MMP-12是否参与人类COPD?
虽然表现出在肺气肿中MMP-12作用的实验动物是引人注目的,但现有的人类数据很难解释。一世梅等等。[48.[报道,在吸烟者中未上调MMP-12,MMP-12 mRNA在大多数正常的肺部中找不到MMP-12 mRNA。F镶嵌等等。[49.]培养肺气肿和对照肺的肺泡巨噬细胞,发现MMP-9的生成增加,但MMP-2和MMP-12的mRNA水平没有差异,也没有MMP-12蛋白的生成一种P.一等[50.]指出诱导痰中MMP-12水平相对较低,并开发了高度特异性的检测方法;他们能够找到MMP-12,但无法确定对照组和COPD患者之间的差异osselink.等等。[51.]找不到与实质MMP-12基因表达的任何关联和慢性阻塞性肺病(金)阶段的全局倡议。L.ee等等。[52.研究了韩国人群中MMP-1、MMP-9和MMP-12的单核苷酸多态性(SNPs)与COPD的潜在关联,发现只有MMP-9 -1562C→T显示(保护性)相关性;MMP-12 N357S SNP与COPD频率的差异无关。S.Chirmer.等等。[53.]在巴西人群中检测了MMP-3、-9和-12 snp,尽管他们的样本量相当小,但没有发现与COPD有任何关联。
相反,一世Lumets.等等。[54.]观察COPD 0期和无症状吸烟者痰中MMP-8、MMP-9和MMP-12的水平,发现MMP-8水平区分了两组,但0期吸烟者的MMP-12水平也高于非吸烟者,并且MMP-12可以通过免疫组织化学在肺泡巨噬细胞中检测到emedts.等等。[55.与健康吸烟者,出吸烟者和吸烟者相比,报道了COPD受试者中的痰MMP-12水平增加。W.oodraff.等等。[56.]使用微阵列检测15名吸烟者、15名非吸烟者和15名哮喘患者的肺泡巨噬细胞基因表达,发现吸烟者的MMP-12表达增加了9倍abusyte.等等。[57.发现当前COPD吸烟者灌洗液中MMP-12阳性巨噬细胞的数量高于已戒烟的COPD吸烟者或健康吸烟者和不吸烟者allace等等。[58.]在相比戒烟的吸烟者的巨噬细胞中也发现较高水平的MMP-12的。V.一D.我员等等。[59.]研究了两个队列中MMP-1、-2、-9和-12以及TIMP-1的snp;只有TIMP-1 Phe158Phe与1 s内用力呼气量(FEV)的损失有关1).
Hunninghake等等。[60.[]研究了MMP-12基因snp在7个队列(8300名受试者和2个COPD队列)中的关联,发现MMP-12启动子中的次要变异rs2276109 (-82A→G)与降低COPD风险相关。Haq等等。[61.]对大约900名欧洲COPD患者和900名非COPD吸烟者的MMP-1、-9和-12中的26个SNP进行基因分型,发现MMP-12 SNP rs652438和rs2276109的A-A单倍型与发生严重疾病的风险相关,而在任一SNP中具有轻微G变异的个体风险较低。Joos等等。[62.]研究了590名持续吸烟者,并将他们分为功能快速丧失组和功能缓慢丧失组;他们发现,由来自MMP-1 G-1607GG和MMP-12 Asn357Ser多态性等位基因组成的单倍型与下降率相关;他们没有找到与MMP-9 snp的关联。
小鼠和人类MMP-12功能的差异及其对治疗的影响
鉴于MMP-12在烟雾诱导的COPD动物模型中的明显作用和明显的中心位置,MMP-12抑制/敲除在小鼠和豚鼠中的明显益处,以及一些至少提示人类数据的存在,抑制MMP-12似乎是治疗人类疾病的吸引力。然而,需要考虑的人和小鼠MMP-12功能存在微妙的差异。鼠MMP-12通过激活中性粒细胞化学援助剂CXCL5(ENA-78)具有促炎函数[63.,因此在小鼠中,抑制或敲除可以防止脂多糖(LPS)诱导的肺中性粒细胞增多。然而,人MMP-12不是促炎的。相反,在初始中性粒细胞内流之后,人MMP-12通过灭活各种CXC趋化因子(CXCL1、2、3、5、6和8)来关闭中性粒细胞招募。这一特性是MMP-12独有的,在巨噬细胞来源的MMP-1或MMP-9中看不到。此外,成纤维细胞和上皮细胞来源的MMP-1、2、3、13和14,以及MMP-12,灭活巨噬细胞趋化因子(CCL2、7、8和13),下调巨噬细胞内流。基于这些发现,Dean.等等。[63.]提出,人类MMP-12在先天免疫中的主要作用实际上是终止中性粒细胞内流。
D的实验ean.等等。[63.使用LPS作为促炎剂进行,但它们的观察结果似乎解释了我们以前的发现,即MMP-12 - / - 小鼠在烟雾烟雾后不会发生灌洗性嗜中性粒细胞,并且可以通过肿瘤内滴注来恢复中性粒细胞反应野生型肺泡巨噬细胞[64.].
此外,H.oughton等等。[65.]表明MMP-12在杀死小鼠巨噬细胞中的细菌中具有重要作用;MMP-12 - / - 小鼠表现出细菌间隙受损,并且具有革兰氏阳性和革兰氏阴性实验感染的死亡率增加。有趣的是,这种效果不是由酶的催化结构域介导的,而是由羧基末端结构域介导。
这些观察结果暗示抑制mMP-12可能是对抗治疗人类COPD的矛盾,因为这种疗法可能导致中性粒细胞介导的基质破坏增加,并且可能或可能不会导致肺部感染增加,这取决于抑制剂是否选择性地靶向催化剂领域。但是,H.oughton等等。[31建议对肺泡壁基质的MMP-12攻击可能比中嗜中性粒细胞衍生的丝氨酸蛋白酶的攻击更重要,仅作为相对细胞数的物质,因此MMP-12的抑制应该提供对抗肺气肿的大量保护。
因此,目前还不清楚MMP-12抑制是否有利于COPD的治疗,除了潜在的药物相关毒性问题。一些支持MMP-12抑制疗法的提示性证据来自我们使用MMP-9/-12抑制剂对豚鼠的研究,该抑制剂可防止烟雾诱导的炎症、肺气肿和小气道重塑[21,尽管明显无法区分MMP-9的作用相对也不知道豚鼠MMP-12是否增强或降低嗜中性粒细胞。最近发表的一项使用MMP-9/-12抑制剂AZD1236的6周人体试验报告炎症介质没有减少,但也没有增加[66.].
肺气肿:其他基质金属蛋白酶的作用
胶原蛋白在肺气肿
虽然MMP-12是一种弹性蛋白酶,但大多数mmp具有胶原溶解活性。基质胶原在肺气肿中的作用尚未得到充分认识。Hogg.等.[67.]从生理学上证明了肺气肿间隙的壁实际上比邻近的肺组织更硬,而其他工作人员在肺气肿中显示出胶原蛋白含量增加[68.-70].人体的超微结构研究[71.[动物[72.]显示了肺气肿中胶原蛋白的变化,并提示在肺气肿发生过程中胶原蛋白基质发生了动态变化,这一假说仍在继续发展[73.].
MMP-1
MMP-1也称为间质胶原酶-1。它具有41kDa的活性分子量,并且对胶原蛋白I,II,III,VII,X,明胶,Pro-MMP-2和Pro-MMP-9具有活性。在肺中,它由支气管上皮细胞分泌,II型肺细胞和肺泡巨噬细胞分泌。
1992年,D'一种rmiento.等等。[74.[使用触果蛋白启动子,开发了一种转基因小鼠模型,其在肺中过表达人MMP-1,并在出生后不久发育肺气肿。这提供了证据表明,肺气肿的成因可能与弹性蛋白酶的肌肉蛋白酶降解有关,并引起了肺基质在COPD中整体的重要性。使用来自这种转基因模型的杂合线,作者还表现出12个月后肺气肿的晚期开发,通过免疫染色,肺依从性增加,增加了III型胶原蛋白[75.];他们建议III型胶原,而不是I型胶原的丧失是肺气肿的主要决定因素。
增加全肺MMP-1 mRNA和蛋白已被证明在人和豚鼠肺气肿[48.那76.那77.,巨噬细胞和气道上皮细胞免疫反应增强。Gosselink.等等。[51.报道,MMP-1基因表达在黄金阶段0至3/4中增加了实质,尽管整体差异的幅度相当小。在暴露于香烟烟雾的豚鼠中报道了类似的变化[78.]但虽然豚鼠是否实际具有与人酶相当的MMP-1存在争议。小鼠缺乏MMP-1;最接近的等价物是MMP-13,这是由卷烟烟雾上调的[79.].
香烟烟雾诱导MMP-1的增加似乎是通过丝裂原激活的蛋白激酶和特异性ERK途径驱动的,尽管H2O.2,可以通过ERK-independent途径增加MMP-1的表达[80].老鼠暴露在活的有机体内为了卷烟烟雾和人类肺部肺部,既增加了气道上皮和肺泡肺细胞的磷酸中的免疫组织化学表达。进一步的工作表明,通过香烟烟雾诱导MMP-1在启动子位点调节,并且需要ERK1 / 2信号。此外,基线和香烟烟雾诱导的促进剂的激活需要转录因子活化剂蛋白1(AP-1)的近端结合位点[81.].
MMP-9.
MMP-9也称为明胶酶B,具有85kDa的活性分子量。它具有多种潜在的基质,包括胶原蛋白IV,V,VII,X和XIV,明胶,弹性蛋白和Pro-MMP-9和-13 [1].MMP-9由支气管上皮细胞,中性粒细胞,嗜酸性粒细胞,肥大细胞和肺泡巨噬细胞分泌。在气道上皮内,丝氨酸蛋白酶活化蛋白酶敏感受体诱导MMP-9的释放,表明与中性粒细胞可能的额外关系。MMP-9表达由IL-13诱导。MMP-9激活潜伏的TGF-β,然后在激活MMP-9的产生和分泌方面具有互殖作用[1那2那82.].IL-8之间存在进一步的反馈环,其诱导MMP-9的分泌,然后除了将IL-8切割成更活跃的形式,除了切割IL-8之外,该分泌物还会放大MMP-9的释放[83.]尽管PDGF、IL-1β和TNF-α联合使用可诱导MMP-9活性,但IL-1β和TNF-α对MMP-9的产生有抑制作用。
有一些人类研究已经寻找了COPD和MMP-9之间的关系。α组血浆MMP-9水平升高1-胰蛋白酶缺乏相关肺气肿和慢性阻塞性肺病[84.那85.,与FEV呈负相关1,一氧化碳转移因子和氧饱和度,并且还能够预测肺功能下降和恶化的数量[84.].诱导的痰液分析发现MMP-9蛋白和MMP-9活性增加[83.那85.]在没有气流阻塞的吸烟者中。有趣的是,与基线相比,吸烟后,痰液中的MMP-9增加,这与存在的中性粒细胞的数量无关[86.].在具有COPD的吸烟者的肺部鉴定了MMP-9的免疫组织学染色增加[87.]和豚鼠暴露于香烟烟雾[78.].来自香烟吸烟者的肺泡巨噬细胞已被证明释放更大的基线和刺激量的MMP-9 [88.].
散装样品上的PCR分析表明,在具有严重COPD的吸烟者中的MMP-9上的上调,与FEV负相关1,肺部扩散到一氧化碳和动脉氧张力的能力,以及与动脉二氧化碳张力的正相关[76.].Gosselink.等等。[51.,使用激光捕获显微解剖,发现实质中MMP-9基因表达上调与COPD GOLD类型进展相关。一项单独的微阵列研究显示尿激酶纤溶酶原激活物及其受体的表达增加,这些基因参与MMPs的上调[89.在慢性阻塞性肺病患者中。
许多动物研究表明,MMP-9水平的增加伴随着MMP-12的增加,如上所述。在老鼠身上,V拉霍斯等等。[17]发现9支香烟暴露3天后MMP-9增加,BALB/c小鼠暴露3 ~ 9支香烟4天后MMP-9增加呈相对剂量依赖性。Foronjy等等。[90.]表明,在小鼠肺泡巨噬引线人MMP-9的转基因过表达来缓慢发展肺气肿,并且该过程用实质弹性的损失,但不胶原相关联。正如在MMP-12的部分中所描述,我们能够防止肺气肿通过与MMP-9 / -12抑制剂治疗豚鼠[21,但我们不能确定是哪一种酶在起作用。
用MMP-9敲除小鼠看到相当不同的结果。这些动物具有异常的软组织胶原纤维,具有异常伤口愈合[91.].然而,一个tkinson等等。[92.]发现这些小鼠具有类似的炎症反应谱,并开发了卷烟诱导的肺气肿的同样严重程度,如应变匹配的野生型小鼠。本研究还评估了具有严重肺气肿的人肺中的MMP-9,并证明了巨噬细胞是MMP-9的主要来源,但MMP-9 mRNA水平与持续肺部损伤的标志物或局部肺气肿的标志物不相关。我们进一步考虑这些调查结果。
其他mmps.
MMP-2也称为明胶酶A,并且具有66kDa的活性分子量。胶原蛋白I,II,III,IV,V,VII,X,XI和XIIV作为基质,除了明胶,弹性蛋白和纤维蛋白[1]MMP-2由支气管上皮细胞和气道平滑肌细胞分泌,是细胞增殖的重要调节因子[1那2].S.Egura.- valdes.等等。[87.描述的增加immunorreactivity对于MMP-2在COPD患者肺,主要是在肺泡巨噬细胞和呼吸道上皮细胞。这一观察结果支持其他研究中,增加的表达和活性相关的MMP-2在肺和病人痰中COPD鉴定[2]我们发现MMP-2蛋白表达增加[79.)和M拱等等。[93.]观察到长期暴露于卷烟烟雾中的小鼠MMP-2活性增加。有趣的是,在灌洗和肺组织中,MMP-2(和MMP-9) mRNA上调和蛋白增加也被发现在木烟诱导的肺气肿中[94.].
相比之下,一项使用激光捕获显微解剖人体实质样本的研究发现,MMP-2基因表达水平随着GOLD分期的增加而降低,且MMP-2蛋白表达水平与基因表达水平相关[51.];值得注意的是,TIMP-1表达量大致平行下降。
MMP-8和MMP-13是活性分子量分别为64和55 kDa的胶原酶,两者共享胶原蛋白I、II和III,并以明胶为底物。关于COPD患者MMP-13的资料很少。我们发现,长期暴露于香烟烟雾中的小鼠体内,该基因表达上调[21].L.ee等等。[95.],利用肺组织的蛋白质组学分析,发现COPD患者肺中MMP-13表达上调。免疫组化证实表达为巨噬细胞和II型肺泡上皮细胞。然而,不同GOLD分期的人肺实质中MMP-13基因表达无差异[51.].
与MMP-8相关的数据也相对稀少。在诱导痰中发现MMP-8增加[83.],特别是在恶化期间[96.]并被局部化为中性粒细胞和巨噬细胞。已显示MMP-8的水平与气流阻塞相关[83.].
mmp-10(stromelysin-2)几乎没有研究过,但gosselink.等等。[51.]发现随着黄金期的增加,薄壁组织中的基因表达水平增加。
ADAM-33是一种功能未知的金属蛋白酶。ADAM-33基因中的SNPs与哮喘密切相关,有一些建议认为这种SNPs也与慢性阻塞性肺病相关[97.-99.].Gosselink.等等。[51.虽然气道中的表达水平随着功能性缺陷的表达水平显着降低,但难题在实质中发现ADAM-33基因表达的任何差异。
治疗对COPD中MMP的影响
在人类中,类固醇等治疗措施对痰MMP-9或MMP-1水平没有影响[100.]事实上它已声称,老鼠,类固醇激素能迅速引起肺气肿通过MMP-9依赖性通路[101.];然而,这一发现并没有在使用类固醇对暴露在香烟烟雾中的小鼠或豚鼠进行的研究中得到证实。
对香烟烟雾暴露的豚鼠的研究[78.]表明增加MMP-9,由CP-471474给药伴有肺气肿的适度的(30%)的改善,一种广谱MMP抑制剂,但一个用针对MMP-1效力有限。在小鼠中,GM6001 [吸入102.[另一个广谱MMP抑制剂,以及RS113456和RS132908L的全身施用[103.,也是广谱MMP抑制剂,所有这些都对肺气肿提供了相当显著的保护,正如双MMP-9/-12抑制剂AZ11557272在豚鼠中所做的[21].
MMP抑制剂作为治疗剂和潜在的好处和问题这种方法的一般主题进行了详细用V讨论andenbroucke.等等。[6.].
关于MMP和肺气肿的结论
如果有人认为蛋白水解攻击是肺气肿背后的驱动力(并非所有人都这么认为)[104.]),则MMP是合乎逻辑的候选来检查的,因为它们可以降解最肺泡壁基体的组件。但是,已出版的数据混乱和经常是矛盾的,并且通过相对于动物模型中的人体肺部的差别是复杂的,组织的确切选择在分子和生物化学分析检查,以及检查的方法,和SNP的选择种群的遗传测定法。此外,在大多数情况下处理慢性阻塞性肺病作为一个实体的遗传研究,而不是将它分解为肺气肿相对小气道重塑。由于一些主要具有肺气肿的患者,其中一些主要具有小的气道疾病,并且许多都具有如上所述,因此仅具有这些病变中的一种的关联完全可以存在。
因此,确定哪些基质金属蛋白酶在肺气肿中起作用以及可能起什么作用是极其困难的;特别地,我们不清楚什么是偶发现象,什么事件是直接相关的。在人肺气肿和香烟烟雾诱导的小鼠和豚鼠模型中,许多不同的MMPs在实质中上调,通常在肺泡巨噬细胞中;同样清楚的是,在小鼠模型中,一些mmp过表达,例如MMP-1和MMP-9,可以产生肺气肿,即使没有烟雾的存在[74.那90.].然而,在MMP9 - / - 小鼠中缺乏对抗肺气肿的保护[92.提示过表达模型的信息量可能不如敲除模型。
人数据同样矛盾;例如,如前所述,Gosselink.等等。[51.]建议,作为黄金阶段的实质中MMP-9的表达增加增加,增加了人类肺部MMP-9的直接作用,但是tkinson等等。[92.]均未发现MMP-9基因表达增加与肺气肿严重程度相关。同样的情况可能也适用于MMP-1,在这里,缺乏小鼠MMP-1使得评估MMP-1的作用更加困难。我们已经在上面详细讨论过MMP-12,这种酶似乎是最有可能直接作用于肺气肿的候选酶,但人类数据远非一致。
在解释已发表的数据时,另一个复杂的问题是基质金属蛋白酶在任何给定环境中的确切作用并不明显。mmp可能直接降解肺泡基质,但很明显,它们也可以主要作为信号分子,关于MMP-12有相当多的支持这一观点,如在“MMP-12在小鼠和人类中的功能差异及其对治疗的影响”一节中所讨论的。MMP-2也有类似的作用,它能够以一种降低炎症的方式切割MCP-3 [105.].Gosselink.等等。[51.[表明,他们在薄壁阶段的薄壁阶段发现MMP-2的下调可能是持续炎症的原因。
由于慢性烟雾暴露的小鼠、大鼠和豚鼠模型产生轻度肺气肿,以及与肺动脉高压相关的小气道重塑和血管重塑,IE由于它们再现了人类COPD的变化,因此动物和人类的潜在机制可能基本相同,至少在早期疾病中是如此,并且动物模型应该给予相当的重视。事实上,选择性MMP和MMP抑制剂的敲除可以在动物模式下完全或很大程度上改善肺气肿ls是MMP在人类疾病中发挥重要作用的有力证据。然而,如上所述,在小鼠MMP的确切功能方面存在一些细微但重要的差异(关于大鼠和豚鼠MMP的细节研究很少)这些差异在考虑特定基质金属蛋白酶的作用时,尤其是在选择一种基质金属蛋白酶用合成抑制剂抑制时,可能是极其重要的。
MMP在小气道重塑
小型气道重塑的特点是开发纤维化,厚壁和扭曲的小型气道(支气管),伴有上皮的粘液元素,粘液中的粘液,以及气道墙壁中的慢性炎症浸润。虽然小气道重塑是气流阻塞的重要原因,但一些患者的主要原因是其发病机制很少,并且难以解释关于MMP的稀有发表的数据。
MMP-12,MMP-9和MMP-2通常在气道中产生:气道上皮细胞和气道平滑肌细胞中的MMP-12 [106.那107.和MMP-9在气道上皮细胞中的作用[108.]MMP-2存在于支气管上皮细胞和气道平滑肌细胞中,可能由TGF-β诱导或释放活性TGF-β,具体取决于模型。MMP-9可能在细支气管上皮细胞迁移中发挥作用,也可能从基质中释放TGF-β[108.].MMP-12的通常功能是模糊的,但D的观察ean.等等。[63.]另一种可能是它控制促炎症细胞因子的释放,如TNF-α(参见题为“MMP-12在小鼠和人类中的功能差异及其对治疗的影响”的章节)基因表达数据表明MMP-10、ADAM-33和TIMP-1也存在于人类小气道中[51.],而在大鼠中MMP 7、16、19和28通常存在于气管壁上(用作大气道模型)[109.].
气管外植体没有外源性炎症细胞,因此可用于模拟气道内的内在事件。使用此模型,我们发现急性体外烟雾暴露显著上调了MMP-10(基质蛋白酶-2)、19和28的基因表达,下调了MMP-7(基质蛋白酶-2)和-16的基因表达,但MMP-12没有显著变化[109.];这些发现表明,烟雾可以直接在气道壁的细胞上起作用,以调节一些MMP的表达,但其他MMP的产生变化可能需要从诱发的炎症细胞或其他肺隔室的信号传导。但是,L.Avigne.等等。[107.]均能在正常人支气管上皮细胞中诱导MMP-12基因表达;他们表明,涉及的途径包括NADPH氧化酶,AP-1和TNF-α,似乎依赖于烟雾诱导的过氧化氢的产生。
长期(6个月)的结果有所不同在活的有机体内模型。我们使用激光捕获的显微解剖样本观察到,与暴露在空气中的小鼠相比,慢性香烟烟雾暴露后小气道中MMP-12显著上调,而MMP-9下调(图3).MMP-12敲除小鼠对小气道重塑完全有保护作用(图4), MMP-9/12联合抑制剂对暴露于烟雾6个月的豚鼠小气道重塑提供100%的保护[21].在MMP-9 - / - 小鼠中似乎没有关于小型气道重塑的任何公开数据。
![图3-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/39/1/197/F3.medium.gif)
C57Bl/6小鼠暴露于卷烟烟雾6个月的比较基因表达数据。激光捕获显微解剖分离小气道和实质。在小气道和实质中,烟雾显著上调基质金属蛋白酶(MMP)-12,而MMP-9显著下调。*:明显不同于控制。
![图4-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/39/1/197/F4.medium.gif)
香烟烟雾对C57Bl/6和基质金属蛋白酶(MMP)-12-/-小鼠小气道重塑的影响(通过组织切片的形态计量学确定)。在C57Bl/6小鼠中,烟雾暴露导致单位周长的壁面积增加(IE.而MMP-12-/-小鼠对小气道重塑具有完全的保护作用。
然而,使用激光捕获显微切割的人体研究产生了不同的发现osselink.等等。[51.]未能在激光捕获Microdissed人类小型气道和金阶段找到MMP-12或MMP-9基因表达的关联,但他们确实发现MMP-2表达水平随着黄金阶段的增加而降低,如adam-33。基因表达对FEV的比较1/强制生命能力比率与空气和烟雾暴露的动物的比较或实际气道重塑的比较有很大不同,当然,黄金阶段可能反映小气道重塑和/或肺气肿,因此难以具体地相关小气道重塑。
使用大鼠气管外植体实验表明香烟烟雾诱导的小的气道重塑的纤维化被驱动时,至少部分地由TGF-β的烟雾介导释放[110.].在这方面,观察到MMP-12 - / - 小鼠免受小型气道重塑的影响是急剧对MMP-12的保护急剧的倾斜倾向。/ - / - [111.](或mmp9 - / - [108.])针对博来霉素诱导的纤维化的小鼠,即使博来霉素还上调MMP-12(和MMP-9)的生产和TGF-β释放[108.那111.].肺泡支气管后需要MMP-9,可能是因为它有助于支气管细胞迁移到损伤区域[108.]并且可以想到,缺乏MMP-9也可能干扰卷烟烟气引起的气道上皮损伤的修复。
总之,MMP在正常状态下在呼吸道中生产,并通过卷烟烟雾暴露来修改其生产,但是文献中没有共识,其中有关哪些MMP是重要的,并且它们在气道重塑中的操作。然而,MMP-12的敲除或对MMP-12 / MMP-9的抑制来防止动物模型中的小气道重塑表明,进一步调查该领域可能在开发COPD的疗法方面是有用的。必须注意选择任何类型的抑制剂以防止小气道重塑,因为抑制气道纤维化的相同机制可能会降低肺泡壁和加剧肺气肿的修复。因此,对MMP-12的抑制是一种特别有吸引力的靶标,因为它可以防止两个病变。
基质金属蛋白酶在肺动脉高压相关血管重构中的作用
在人类中,基质金属蛋白酶,尤其是MMP-1,-2,-9,是血管重塑是肺发育的正常部分中重要[112.].尽管MMP已经显示出在肺动脉高压的各种动物模型中具有血管重塑的作用,但包括缺氧和一官靶诱导的肺动脉高压,我们将在这里局限于COPD中看到的血管改造,或者从孤立的相关数据收集细胞实验。
内皮功能障碍和最终,肺动脉高压通过许多复杂的途径产生,细胞组分如炎症细胞,内皮细胞,平滑肌细胞,血管基质和许多细胞因子之间的相互作用[113.那114.].在血管中,基质金属蛋白酶可以由多种细胞类型产生,包括平滑肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞,它们的分泌似乎与复杂的信号通路有关。
在某种形式的肺动脉高压,血管通过基质生产和破坏的组合来改造,似乎与蛋白酶有关,特别是MMP-2,活性。在血管平滑肌细胞培养模型中[115.]、血管紧张素II和内皮素-1(这两种蛋白被认为参与了肺动脉高压的重塑)被证明增加MMP-2的分泌;这似乎与RhoA/ROCK通路的激活有关,因为它可能被他汀类药物、RhoA敲低和ROCK抑制剂所阻断。RhoA/ROCK通路已被证明在内皮功能障碍和血管重构中起重要作用[113.那116.那117.].
所有形式的肺动脉高压似乎都与血管凋亡/细胞增殖指数的变化有关[118.].已显示丝氨酸弹性蛋白酶抑制剂在非卷烟烟雾模型中逆转肺动脉高压的有效[119.]丝氨酸和MMP抑制剂都能够诱导细胞凋亡并降低肺动脉外植体模型中的细胞增殖[120.].这些行动似乎与他们对腱生蛋白(C)执行,与骨桥蛋白作为一个替代细胞存活的刺激。
MMP也可能在内皮程度至间充质转变中重要,该过程已经提出为与肺动脉高压有关的血管重塑的重要面[121.].这一假设表明,作为对损伤的反应的一部分,细胞与细胞或细胞与基质接触的丧失允许内皮细胞迁移和分化,从而获得间充质特征。RhoA途径参与了这个过程,有一些证据也表明MMP-2允许细胞迁移[121.].
这些过程发生在香烟烟雾诱导的血管重塑中的程度尚不清楚。我们的数据,使用慢性卷烟烟雾暴露的小鼠模型,表明MMP-2,-9,-13和-12的小肺动脉基因表达存在瞬态增加,如激光捕获微散射和血管免疫组化所确定的这些MMPS染色;然而,长期烟雾暴露仅在MMP-12中的小增加时仅关联[122.].MMP生产的上调似乎是TNF-α取决词,因为它在TNF-α双受体敲除小鼠中没有发生[122.].然而,在豚鼠模型中,联合MMP-9/-12抑制剂可以防止肺气肿和小气道重塑,但不能防止肺动脉高压和血管重塑的发展[20.].
总的来说,虽然MMP可能在与香烟烟雾诱导的肺动脉高压相关的血管重塑中发挥作用,但目前很少有证据表明MMP抑制可阻止肺动脉高压的发展。
MMPs在慢性支气管炎中的作用
慢性支气管炎的定义是临床的,与咳嗽和痰的产生有关,与气流阻塞无关。而粘液塞可能对严重气流阻塞患者的生存率很低很重要[7.[慢性支气管炎中的大多数气流阻塞是小型气道重塑的继发性,包括增加的粘液生产。因此,痰中的炎症细胞和各种蛋白酶的发现不一定指示原产地;例如,V的研究ignola等等。[123.]显示慢性支气管炎患者痰液中MMP-9和TIMP-1水平升高,但这些物质是否与大气道或小气道病理有关尚不清楚。
在香烟烟雾相关疾病中,粘液和MMP之间可能的关系很少报告。啮齿动物的动物模型主要依赖于评估气管和小型气道脚耳细胞细胞的细胞癌,因为支气管腺体在啮齿动物中过于稀疏,以产生慢性支气管样效果。S.tevenson等等。[124.]暴露的大鼠对香烟烟雾,并发现卷烟烟雾暴露2天后的脚酚细胞密度和支气管肺泡灌洗(BAL)粘膜增加,并且在3天的暴露期间以剂量依赖性方式,这些变化出现在镜面急性上炎症介质和中性粒细胞;该模型中没有增加巨噬细胞。有趣的是,尽管用少量卷烟鉴定了脚螺细胞细胞,但Bal粘蛋白直到有五支卷烟的剂量没有显着增加。使用CXCR2抑制剂对脚卵细胞元成胰蛋白有反向剂量效应,这与嗜中性粒细胞的作用相反。
虽然上述研究没有涉及MMPs的作用,以后的报告显示,全肺MMP12基因表达上调,这超过34周,除急性炎症基因和应激基因研究的进步;杯状细胞化生和BAL粘蛋白有相似的图案[125.].这些研究显示了MMP和Airway Mucin之间的最佳间接关系,但有一些数据表明MMP可以直接参与香烟烟雾引起的粘液生产。表皮生长因子参与粘蛋白分泌[126.[已显示MMP-9激活该受体并诱导粘蛋白5Ac表达[127.],可能是通过将Pro-TGF-β切割成其活性形式。
在IL-13过表达模型中,Z胡等等。[128.]展示了肺气肿和粘液细胞,并增加了MMP-2,-9,-12,-13和-14,但MMP抑制不影响粘液细胞。其他工人表明,丙烯醛 - 雾或LPS炎症刺激诱导的粘蛋白产生似乎与MMP-9活性有关[129.-131,但这些模型与吸烟引起的病变之间的关系尚不确定。
脚注
本系列的前一篇文章:1号:Löffek S, Schilling O, Franzke C-W。基质金属蛋白酶的生物学作用:一种临界平衡。EUR RESPIR J.2011;38: 191 - 208。2号:埃尔金顿私人有限公司,加利福尼亚州乌加特吉尔市,弗里德兰JS。结核中的基质金属蛋白酶。EUR RESPIR J.2011;38:456-464。3号:Gaggar A, Hector A, Bratcher PE,等.基质金属蛋白酶在囊性纤维化肺疾病中的作用。EUR RESPIR J.2011;38:721-727。4号:david A, McAuley DF, O 'Kane CM。急性肺损伤中的基质金属蛋白酶:损伤的介质和修复的驱动因素。EUR RESPIR J.2011;38: 959 - 970。5号:基质金属蛋白酶抑制剂在肺部疾病中的治疗作用?EUR RESPIR J.2011;38: 1200 - 1214。6号:Dancer RCA,Wood AM,Thickett博士,特发性肺纤维化中的金属蛋白酶。EUR RESPIR J.2011;38:1461-1467。
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- 已收到2011年7月15日。
- 公认2011年8月27日。
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