MMP-9/TIMP-1比值在慢性阻塞性肺疾病气道重塑中的研究进展

Research Progress of MMP-9/TIMP-1 Ratio in Airway Remodeling in Chronic Obstructive Pulmonary Disease

摘要: 慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD，慢阻肺)是一种由气道炎症和气道重塑(airway remodeling, AR)引起的一种常见的慢性呼吸系统疾病。其中，气道重塑与COPD的进展之间存在的正反馈环显示了气道重塑在COPD进展中的重要性。目前气道重塑的具体机制不明。临床上通过胸部CT发现的气道异常常提示患者已经发生了气道重塑，因此，寻找识别早期气道重塑的方法至关重要。研究表明，基质金属蛋白酶-9 (matrix metalloproteinase-9, MMP-9)、金属蛋白酶组织抑制剂-1 (tissue inhibitor of metalloproteinase-1, TIMP-1)、及MMP-9/TIMP-1比值之间的失衡参与COPD的气道重塑过程，本文叙述了MMP-9、TIMP-1及MMP-9/TIMP-1比值作为非侵入性诊断标志物在COPD气道重塑方面的研究进展，期待能提高人们对早期气道重塑的认知，希望能为将来气道重塑靶向药的问世尽一份绵薄之力。

Abstract: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a common chronic respiratory disease caused by airway inflammation and airway remodeling (AR). Among them, the positive feedback loop between airway remodeling and the progression of COPD shows the importance of airway remodeling in the progress of COPD. At present, the specific mechanism of airway remodeling is unknown. Airway abnormalities found by chest CT often indicate that airway remodeling has occurred in patients. Therefore, it is very important to find a method to identify early airway remodeling. Studies have shown that the imbalance between matrix metalloproteinase-9 (MMP-9), tissue inhibitor of metalloproteinase-1 (TIMP-1) and MMP-9/TIMP-1 ratio is involved in the airway remodeling of COPD. This paper describes the research progress of MMP-9, TIMP-1 and MMP-9/TIMP-1 ratio as non-invasive diagnostic markers in airway remodeling of COPD. It is expected to improve people’s understanding of early airway remodeling and make a modest contribution to the development of targeted drugs for airway remodeling in the future.

1. 引言

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种异质性肺部疾病，是由于气道异常和/或肺泡异常引起的慢性呼吸道疾病，以咳嗽、咳痰、呼吸困难为主要症状，这些症状会导致持续的通常是进行性加重的气流受限[1]。目前COPD是全球三大死亡原因之一，据世界卫生组织(World Health Organization, WHO)统计每年约有300多万人死于COPD，占全球死亡总人数的6 %，其高患病率、高致残率及高死亡率给全球人类带来了巨大的疾病负担，同时也给世界带来了巨大的医疗经济负担[2]。值得庆幸的是，COPD还是一种可预防和可治疗的疾病。目前，COPD的具体发生和发展机制尚不明确，慢性炎症反应、氧化–抗氧化失衡、蛋白酶–抗蛋白酶失衡、组织结构重塑及免疫相关机制是COPD的病理生理特征，尤其自十九世纪七十年代以来，蛋白酶和抗蛋白酶之间的不平衡已被公认为是与COPD病理生理学相关的主要致病机制[3]。

对于呼吸功能，需要完整的肺结构才能通过传导气道和肺泡中的气体交换实现有效的空气流动[4]。气道重塑是指在慢性进行性的肺部疾病过程中，气道结构和功能发生可逆或不可逆性的改变[5]，是COPD的核心病理改变。慢性炎症会导致结构变化、小气道狭窄、小气道腔内渗出物以及肺实质的破坏，从而导致肺泡与小气道附着物的丧失，并降低肺的弹性回缩力，这些结构改变削弱了呼气时气道保持开放的能力[6]。不规则的炎症模式以及气道和实质重塑，最终导致不可逆的纤维化和小气道闭塞[7]。气道重塑与COPD患者肺功能的恶化密切相关，而临床上用于治疗COPD的药物，如LABA、LAMA和ICS等只能缓解症状但不能逆转或延缓气道重塑，因此，早期寻找到气道重塑的靶点对控制COPD的进展至关重要。

蛋白酶在各种生理和病理条件下的炎症反应和细胞外基质的分解或重塑中起重要作用。基质金属蛋白酶-9 (MMP-9)是肺中由中性粒细胞、肺泡巨噬细胞、支气管上皮细胞和嗜酸性粒细胞分泌的一种IV型胶原降解MMP，在促进炎症过程、基质转换和肺修复中发挥重要作用；金属蛋白酶组织抑制剂-1 (TIMP-1)是MMP-9的一种抑制剂，可结合MMP-9前体和活性形式[8]。MMP-9和TIMP-1之间的平衡对于维持细胞外基质(extracellular matrix, ECM)的稳态至关重要，MMP-9与TIMP-1的不平衡表达可导致组织发生病理变化(气道壁结构重塑、血管重建等) [9]。近年来国内外学者开始致力于研究MMP-9/TIMP-1比值变化在COPD中的重要意义及其作为评估COPD严重程度的潜在价值，本文总结了近年来有关MMP-9、TIMP-1及MMP-9/TIMP-1比值与COPD气道重塑水平关系的相关研究，MMP-9、TIMP-1及MMP-9/TIMP-1比值有望作为干预COPD气道重塑的靶点，期待其能为控制COPD进展提供帮助。

2. MMP-9

2.1. MMP-9概念及意义

MMP-9是锌依赖性内肽酶家族中最复杂的基质金属蛋白酶之一，是一种以多种形式存在的分泌型蛋白，包括单体、寡聚体、截短形式或与其他分子形成复合物，其中单体是人体组织和血液中的主要形式，在人体内参与多种病理和生理过程。MMP-9是ECM重塑中的关键酶，它可以降解ECM的各种蛋白质成分，参与气道重塑的发生[10]。此外，MMP-9还通过2型上皮–间充质转化(epithelial mesenchymal transformation, EMT)参与COPD的小气道重塑与上皮纤维化[10]。

2.2. 血清MMP-9水平有代表意义

MMP-9与COPD进展密切相关。Ólafsdottir及其同事的一项关于人体内血清MMP-9、TIMP-1水平和MMP-9/TIMP-1比值与肺功能受损的相关性的研究表明较低的FEV1值与血清MMP-9、MMP-9/TIMP-1比值和TIMP-1水平升高相关[10]，COPD患者的痰液和支气管肺泡灌洗液中同样也发现MMP-9与FEV1之间存在的负相关性[11]，血清MMP-9水平一定程度上可以反映肺内MMP-9水平，因此有着成为肺部疾病的非侵入性诊断标志物的潜力。

2.3. 血清MMP-9水平与COPD有关

研究表明，在排除COPD与健康人的年龄、性别、吸烟状况方面的差异后，COPD患者血清MMP-9水平显著高于健康人(p ≤ 0.001)；在COPD患者中，血清MMP-9和MMP-9/TIMP-1比值的升高与FEV1/FVC、FEV1、FVC呈现负性相关[7]说明与气道功能障碍的严重程度有关，AECOPD患者血清MMP-9水平明显高于SCOPD患者[12] (p < 0.01)，血清MMP-9水平与COPD急性加重风险独立相关[13]，其有成为评估COPD预后及恶化风险的非侵入性诊断标志物的潜力。

2.4. MMP-9抑制剂与COPD

抑制MMP-9的表达或活性一定程度上可降低肺组织的损伤从而减缓COPD的气道重塑。新的研究表明，白细胞可能为MMP-9的潜在来源，多西环素是唯一FDA批准的MMP抑制剂[14]，多西环素因其抗炎以及MMP-9抑制作用而被广泛用于英国COPD患者的治疗[15]。喹莫德通过抑制S100A9来降低肺组织中MMP-9表达从而减轻COPD小鼠的肺部炎症和肺泡破坏[16]，一项动物实验结果表明，桑色素可调控MMP-9基因靶点，减少MMP-9的表达来发挥其对COPD细胞模型炎性因子和细胞凋亡的抑制作用，从而减轻动物模型肺组织病理改变[17]。MMP-9调节药物的问世给COPD患者带来了福音，美中不足的是，目前并没有关于改变MMP-9水平后是否可以逆转COPD气道重塑的研究；再者MMP-9在人体内的作用机制复杂，目前其与TIMP-1间的表达与作用失衡被认为是COPD气道重塑的主要因素，但也没有二者之间处于怎样的平衡对COPD患者气道的改善是最有利的报道，这一切都证明，MMP-9、TIMP-1及其比值是值得我们对其进行更深入的研究。

3. TIMP-1

TIMP-1是MMPs的特异性抑制因子，TIMP-1通过但不限于抑制MMPs的活性来发挥其生物学作用[18]，在基质重塑中发挥重要作用。TIMP-1水平高于MMP-9可能导致肺纤维化，而低于MMP-9的TIMP-1水平可能会增强间质间隙胶原的降解，从而导致肺损伤[19]。TIMP-1在肺中高表达，单细胞RNA测序分析显示，肺细胞中成纤维细胞的转录水平最高。成纤维细胞似乎驱动着TIMP-1的表达失调。在多壁碳纳米管(MWCNT)诱导的肺纤维化反应中，Hsp47+成纤维细胞是肺纤维化灶内TIMP-1产生的主要来源，而被敲掉TIMP-1的小鼠表现出肺纤维化减少，如纤维化病灶形成、ECM沉积和纤维化标志物蛋白表达的显著减弱[20]。与抗纤维化BALB/c小鼠的成纤维细胞相比，用活性TGF-β1刺激后，纤维化敏感C57BL/6小鼠的肺成纤维细胞中TIMP-1 mRNA上调[21]。这些结果强调了成纤维细胞在纤维化条件下作为TIMP-1产生者的重要性，并提示TIMP-1是肺纤维化的潜在治疗靶点。

TIMP-1的表达水平在肺部疾病中会因为ECM的重塑或破坏而显著改变。尽管TIMP-1具有许多保护性和有利的活性，但在COPD患者中可以观察到其表达的失调，COPD的严重程度和持续时间等因素在很大程度上改变了TIMP-1调节。关于COPD与健康对照者的血清TIMP-1水平对比分析，研究员们有着不完全相同的结果。仅少数研究结果提示COPD患者血清TIMP-1水平高于健康人群[7]，而Arbaningsih等大多数学者的研究结果提示COPD患者血清TIMP-1水平明显低于健康非吸烟者[22]，也证明了吸烟是COPD的主要致病因素。此外，有研究表明COPD患者的年龄增加、体重增加与血清TIMP-1升高有显著的相关性，可能是因为TIMP-1被脂肪因子上调，而脂肪因子随年龄的增长而增加[23]导致的来解释，另外的一项研究表明TIMP-1通过Wnt/β-catenin信号通路来负向调控脂肪源性干细胞的脂肪生成[24]，这一研究结果深化了TIMP-1与脂肪生成的关系，我们猜想脂肪生成增加可能是引起COPD血清TIMP-1水平升高的因素，但这需要进一步的研究来证实。

血清TIMP-1水平虽不能完全预测COPD患者未来FEV1下降的风险，但一定程度上可以反映部分COPD患者的肺功能下降[25]。总而言之，血清TIMP-1水平在COPD中的作用机制较复杂且存在一定价值，强调该蛋白对COPD的重要性可能会增加开发新型治疗药物或生物标志物的潜力。

4. MMP-9/TIMP-1比值失衡

4.1. MMP-9与TIMP-1比值失衡参与COPD气道重塑

MMP-9/TIMP-1比值失衡参与肺组织ECM降解及血管重建，在气道重塑过程中发挥重要作用。一项来自塞尔维亚的研究结果显示MMP-9随着气道阻塞的严重程度而显著增加，而TIMP-1变化不明显[7]，这说明MMP-9/TIMP-1比值失衡引起蛋白水解酶活性增强，从而导致气道重塑、肺功能降低；此外，有很多种中药可通过降低MMP-9或上调TIMP-1水平，调节MMP-9/TIMP-1失衡达到减轻COPD气道重塑的作用[26]，无一不表明MMP-9/TIMP-1比值作为评估和调节气道重塑及COPD进展的潜在生物标志物的重要性。

4.2. COPD患者的血清MMP-9/TIMP-1比值增加

在众多关于COPD的研究中，MMP-9/TIMP-1比值被普遍认为是一个重要的参数。新的研究表明MMP-9/TIMP-1比值是COPD存在的重要预测因子，对于COPD，其可以作为评估重度COPD的血清预测标志物。Gilowska及其同事发现COPD患者血清MMP-9/TIMP-1比值显著高于健康人群[27]；Uysal等人发现肺气肿患者的血清MMP-9/TIMP-1比值高于其他表型COPD患者(p < 0.01) [25]；这可能是由于COPD患者的肺部微环境变化引起。

4.3. 血清MMP-9/TIMP-1比值与COPD严重程度

肺活量测定参数包括一秒量(FEV1)和用力肺活量(FVC)，被广泛应用于评估患者的肺功能缺失，更是COPD患者诊断的“金标准”。研究表明血清MMP-9/TIMP-1的比值与COPD患者的FEV1/FVC呈负相关[28]；更与预计的FEV1%pred呈负相关。总之，经过FEV1和FVC的评估，血清MMP-9/TIMP-1可能反映着COPD患者肺功能下降。

4.4. 在气道重塑中的意义与进展

新的观点认为白细胞可能为MMP-9的潜在来源，Sanja及其同事的研究结果提示血清MMP-9/TIMP-1比值与血清白细胞和中性粒细胞水平呈正相关，为这一理论来源提供了客观的依据；研究还发现接受三联疗法(ICS + LABA + LAMA)的COPD患者血清MMP-9/TIMP-1有着更高的比值，其与COPD疾病的进展及严重程度有关，当然也可能是对糖皮质激素的反应性(MMP-9由中性粒细胞释放，另一方面中性粒细胞的活化又与糖皮质激素的难愈性释放MMP-9相关) [7]。血清MMP-9/TIMP-1比值在COPD患者中表现出的失衡表明了在COPD患者中蛋白酶/抗蛋白酶失调和蛋白酶水解活性的增加导致气道重塑。

5. 总结与展望

MMP-9、TIMP-1因其可能在组织和体液内彼此密切影响被广泛报道，其重要性不言而喻，但关于血清MMP-9/TIMP-1比值与COPD气道重塑关系的研究相对较少。目前的研究也证实了血清MMP-9/TIMP-1比值失衡参与COPD的气道重塑并与疾病的进行性发展有关，血清MMP-9/TIMP-1比值有望成为评估和调节气道重塑及COPD进展的潜在非侵入性的诊断标志物。现阶段关于MMP-/TIMP-1比值的研究较少，难以明确其比值升高的不同水平对COPD气道重塑的作用程度，希望未来有更多的学者对其进入更深度的研究，更期待气道重塑相关靶向药的问世为COPD患者带去福音。

基金项目

内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2021LHMS08032)。

NOTES

^*通讯作者。