基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑與腫瘤關(guān)系研究進(jìn)展

羅昊

(樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院護(hù)理系,四川 樂(lè)山 614000)

侵襲和轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤的兩大特征,基膜和細(xì)胞外基質(zhì)(Extra cell matrix,ECM)的降解正是惡性腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移的前提?；|(zhì)金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinase,MM Ps)在細(xì)胞外基質(zhì)的降解過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用?；|(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(Tissue inhibitor of metalloproteinases,TIM Ps)是MMPs的主要生理性抑制因子,對(duì)由MMPs產(chǎn)生的基質(zhì)降解起著重要的平衡作用。正常情況下,在機(jī)體內(nèi)活化的MMPs和TIM Ps之間存在一種動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系,當(dāng)兩者之間的平衡被破壞,將影響腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移[1]。

1 TIMPs的分類和結(jié)構(gòu)

TIMPs是一組特異性抑制MMPs活性的多功能細(xì)胞因子家族,廣泛表達(dá)于各類組織細(xì)胞以及體液中,其相對(duì)分子量為21000～34000。TIMPs按照發(fā)現(xiàn)先后順序命名為T(mén)IM P-1,2,3,4;不同 TIMPs對(duì)MMPs家族中不同成員的作用有一定程度的特異性。

TIMP-1是相對(duì)分子量為 29000的N-乙酰糖基化蛋白,其基因定位于位于人第10號(hào)染色體短臂Xp11.23-Xp11.4,由巨噬細(xì)胞、角質(zhì)生成細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞合成[2]。TIMP-1能抑制絕大多數(shù)的MMP,可與MM P-9前體及有活性的MMP-1、3、9形成高度親和的、非共價(jià)鍵結(jié)合的復(fù)合物。

TIMP-2是一種非糖基化蛋白,相對(duì)分子質(zhì)量為21000,其基因座位于人第17號(hào)染色體長(zhǎng)臂17q23-17q25,其40%的序列與TIMP-1一致。TIMP-2與M MP-2有很強(qiáng)的親和力,主要抑制MMP-2活性,對(duì)MMP家族其他成員的活性也有抑制作用,能阻斷所有被激活的MMP的水解酶活性[3]。TIM P-2多隨MMP-2的表達(dá)而表達(dá),很少受細(xì)胞因子的誘導(dǎo)。

TIMP-3是一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為21000的非糖基化蛋白,其基因座位于人第22號(hào)染色體長(zhǎng)臂22q12-22q13。TIMP-3具有與其他3個(gè)成員不同的特性,它只存在于細(xì)胞外基質(zhì)中,是一種結(jié)合ECM的非可溶性蛋白。TIMP-3是全功能MMP抑制因子,對(duì)MM P-2、9、膠原酶-1及基質(zhì)溶素的抑制作用相似。TGFB、PDGF、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(bFGF)、EGF均可誘導(dǎo)TIM P-3的表達(dá)。

TIMP-4是最新克隆的蛋白類抑制因子,在成人的心臟中有較高的轉(zhuǎn)錄水平,在腎臟、胰、結(jié)腸、睪丸有低水平的表達(dá),它抑制 MMP-2、7作用稍強(qiáng)于 MMP-1、3、9。已證明它在體外抑制乳腺癌細(xì)胞的浸潤(rùn),并能阻止新生血管的形成,在裸鼠體內(nèi)抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移具有重要的作用。

TIMPs含有兩個(gè)功能域：①N末端：其位于二硫鍵附近的Cys-1-Cys-70殘基,可通過(guò)螯合鋅原子來(lái)抑制M MPs的水解作用,這個(gè)功能域如果被烷化,或者發(fā)生突變,則會(huì)失去抑制MM P的作用。②C末端：與MMP(尤其pro-MMP-9)以1：1的非共價(jià)鍵結(jié)合形成復(fù)合物。

2 TIMPS與腫瘤

2.1 TIMPs在腫瘤中的表達(dá)

在腫瘤組織中,各種類型MM Ps的表達(dá)均有不同程度的增高,過(guò)去認(rèn)為在腫瘤組織TIMPs的表達(dá)是降低,但最新研究表明,體內(nèi)大多數(shù)腫瘤組織 TIMPs表達(dá)并非下降,而是升高。TIMPs表達(dá)的升高,代表了宿主控制MMPs活性和維持ECM完整性的反應(yīng)。有研究表明,TIMP-1和TIMP-2的表達(dá)下調(diào)會(huì)造成ECM的過(guò)度降解,與結(jié)直腸癌的侵襲能力增強(qiáng)相關(guān);而TIMP-2的過(guò)表達(dá),可以降低乳腺癌的生長(zhǎng)速度,減少癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移[4-5]。在膀胱癌中高水平的 TIMP-2也與預(yù)后較好相關(guān)[6]。因此,TIM P-1和TIMP-2的表達(dá)水平可以作為腫瘤的預(yù)后標(biāo)志。而又有研究表明在乳腺癌中高水平的TIMP-1與預(yù)后較差相關(guān)[7]。TIM P-1作為MMPs天然抑制因子為何表達(dá)升高也會(huì)導(dǎo)致預(yù)后不良,有學(xué)者推斷可能TIM P-1過(guò)表達(dá)是MM Ps升高后的反應(yīng)性過(guò)表達(dá),兩者間的平衡打破,由MMPs占主導(dǎo)地位。所以,TIMPs可能既具有抑制腫瘤的作用,也具有促進(jìn)腫瘤的作用。目前越來(lái)越多證據(jù)顯示TIMPs是一類多功能的蛋白,除了抑制MMPs活性外,還具有獨(dú)特的腫瘤刺激作用,參與細(xì)胞凋亡,細(xì)胞增殖,腫瘤血管發(fā)生等過(guò)程。TIM P-3可以誘導(dǎo)前列腺癌細(xì)胞的凋亡,并能提高癌細(xì)胞對(duì)化療藥物紫杉醇的敏感性[8]。

2.2 TIMPs與腫瘤侵襲、轉(zhuǎn)移的關(guān)系

Sharma等[9]應(yīng)用免疫組織法對(duì) 65例食道癌標(biāo)本進(jìn)行MM P-10、M MP-11、TIM P-l和 TIM P-2的表達(dá)檢測(cè),多因素分析表明TIMP-l/TIMP-2陽(yáng)性與淋巴受侵犯相關(guān)。Lei[10]等在體外用純天然TIMP-1蛋白阻斷腫瘤細(xì)胞對(duì)人羊膜的浸潤(rùn)。Khokha等[11]將全長(zhǎng)TIMP cDNA轉(zhuǎn)染高轉(zhuǎn)移性的 B16F10小鼠黑色瘤細(xì)胞系,導(dǎo)致TIMP-mRNA及蛋白活性增強(qiáng),從而明顯降低了轉(zhuǎn)染細(xì)胞穿過(guò)基質(zhì)膜的能力,表明TIMP-1在腫瘤浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移中起負(fù)性調(diào)節(jié)關(guān)系。在食管腺癌的發(fā)展過(guò)程中,TIMP-3基因常出現(xiàn)甲基化,導(dǎo)致表達(dá)缺失,也與腫瘤的侵襲能力升高、患者生存率降低等相關(guān)。TIMPs對(duì)腫瘤侵襲、轉(zhuǎn)移的抑制是通過(guò)調(diào)節(jié)MMPs的活性來(lái)實(shí)現(xiàn)。TIMPs對(duì)MMPs的調(diào)控包括基因、轉(zhuǎn)錄、翻譯、前酶原的激活等多個(gè)方面。在正常生理狀態(tài)下,這些因素共同調(diào)節(jié)M MPs,對(duì)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展起到調(diào)控作用。(1)基因、轉(zhuǎn)錄、翻譯調(diào)節(jié)：TIMPs是機(jī)體天然的內(nèi)源性抑制因子,與MM Ps以非共價(jià)鍵結(jié)合后抑制MMPs的水解活性[12]。MMPs和TIMP基因表達(dá)與多種細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、類固醇激素密切相關(guān);(2)前酶原的激活：所有的MMPs除了MMP-7外都是以酶原形式分泌,要降解基質(zhì)這些酶原必須被激活,TIMP對(duì)MMPs的抑制作用主要：一是阻止MMPs酶原活化,二是抑制已活化的MMPs的活性。

2.3 TIM Ps與腫瘤新生血管生成

新生血管的形成包括毛細(xì)血管內(nèi)皮層下基底膜降解、內(nèi)皮細(xì)胞遷移和增殖、新生血管形成和新的基底膜形成等一系列過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明,在血管形成的過(guò)程中,內(nèi)皮細(xì)胞能分泌MMPs來(lái)降解ECM,促進(jìn)新生血管形成,TIM Ps抑制了M MPs活性,防止ECM降解。TIMP-2可抑制bFGF誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞增殖,TIMP-3可抑制內(nèi)皮細(xì)胞的移動(dòng)及在基質(zhì)凝膠上的管狀化。Kim[13]等研究發(fā)現(xiàn) TIMP-1和 TIMP-2能抑制血管生成素(Angiopoietin-1)誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞出芽,由此可見(jiàn)TIMPs在腫瘤新生血管形成中的起著很重要的作用,但具體機(jī)制還不是很明確。其主要在以下幾個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮抑制新生血管形成的作用(1)防止ECM降解;(2)抑制基質(zhì)中促血管生成因子的釋放;(3)阻礙MMP介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞移動(dòng);(4)抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖。

2.4 TIM Ps基因多態(tài)性與腫瘤的相關(guān)性

國(guó)際人類基因組計(jì)劃(HGP)完成之后,生物醫(yī)學(xué)進(jìn)入后基因組時(shí)代,以人類基因組中廣泛分布的單核苷酸多態(tài)性(Single nucleotide polymorphisms,SNPs)為工具,采用關(guān)聯(lián)的研究策略尋找復(fù)雜性疾病的易感性基因成為功能基因組學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。最近有研究報(bào)道,TIMP-1基因的434C/T和rs2070584 G/T兩類SNP與腹主動(dòng)脈瘤的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。在沒(méi)有家族史的男性中,攜帶C等位或G等位的個(gè)體發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)較低,而且T-T單倍型在沒(méi)有家族史的個(gè)體中與該疾病的易感性存在關(guān)聯(lián)[14]。還有研究顯示,TIMP-3基因啟動(dòng)區(qū)的甲基化或TIMP-3所在染色體片段的丟失都會(huì)導(dǎo)致其蛋白表達(dá)的減少或缺失,與胰腺腫瘤和繼發(fā)性惡性膠質(zhì)瘤的發(fā)生相關(guān)。TIMP-3基因多態(tài)性與食道癌的相關(guān)性TIMP-3-1296C/T的變異等位基因C可能與ESCC的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)存在相關(guān)性,含有突變基因C的CT和CC基因型降低ESCC的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示TIM Ps基因多態(tài)性與腫瘤發(fā)生發(fā)展可能存在相關(guān)性。但是在將SNP應(yīng)用于腫瘤遺傳易感性篩查以及腫瘤個(gè)體化治療的過(guò)程中,研究者也逐漸發(fā)現(xiàn)到SNP研究中存在的重復(fù)性差的問(wèn)題。有文獻(xiàn)[15]報(bào)道,在166項(xiàng)疾病關(guān)聯(lián)研究中,僅有 6項(xiàng)在隨后的研究中等到3次或3次以上的重復(fù)。造成這種現(xiàn)象的原因很多,除了常見(jiàn)的種族差異、環(huán)境暴露的差異和對(duì)照的選擇等原因[16-17]外,它與腫瘤的異質(zhì)性關(guān)系密切,目前腫瘤的診斷主要是建立在臨床病理基礎(chǔ)之上,只要符合一定的判斷標(biāo)準(zhǔn)就能作出診斷,但從基因水平看,每個(gè)病人腫瘤發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)理顯然是不同的?？朔@個(gè)問(wèn)題需要研究者們進(jìn)行更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),同時(shí)研究的樣本量也必須足夠大。

2.5 基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑與腫瘤治療

TIMPs與腫瘤有密切的相關(guān)性,自上世紀(jì)90年代以來(lái),通過(guò)化學(xué)手段合成小分子基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(MM PI)一直是在腫瘤治療方面的一個(gè)熱點(diǎn)。

第一代MMPI以巴馬司他(BB-94)為代表,具有廣泛的抑制MMPs的作用。應(yīng)用胰島細(xì)胞癌變的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型,BB-94抑制早期的血管形成。但口服生物利用度差改為胸腔或腹腔注又容易誘發(fā)急性腸中毒。已經(jīng)被第二代MMPI所替代。

第二代MMPI以馬立馬司他(Marimastat BB-2516)為代表,它是一類異羥肟酸衍生物,其結(jié)構(gòu)類似于間質(zhì)組織膠原酶降解的膠原分子,起始段能可逆地結(jié)合MMP含鋅離子的活性區(qū),從而抑制其活性?？梢钥诜R床使用具有毒副作用小、病人耐受好等特點(diǎn)。主要不良反應(yīng)是骨骼肌肉不適,無(wú)明顯其他不良反應(yīng)。

第三代又被稱為基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的MMPI,通過(guò)對(duì)已有抑制劑與酶復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)的分析來(lái)設(shè)計(jì)新型化合物,打破以前的種種限制,并且與組合化學(xué)方法和高通量篩選相結(jié)合,大大提高了合成和篩選的效率,涌現(xiàn)出大量結(jié)構(gòu)各異對(duì)不同亞型MM P具有選擇性的低分子量化合物,如 AG3340、BAY129566、BMS2275291。

此外,對(duì)抗微生物藥四環(huán)素進(jìn)行化學(xué)修飾而設(shè)計(jì)的MM PI COL23,對(duì)MMP-2/-9有選擇性抑制作用。還有非傳統(tǒng)的MM PI Neovastat,是一種從鯊魚(yú)軟骨中提取的天然MM PI,抑制M MP-2/-9/-12的活性,并拮抗血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子,為一多功能抗腫瘤血管生成藥[18]。

許多MMPIs進(jìn)入臨床階段后效果并不理想,主要原因在于：(1)對(duì)于特定的疾病,同一疾病不同的發(fā)展階段,所需要抑制的MMP各不相同。(2)MMPIs的廣譜特點(diǎn)使其無(wú)選擇性地抑制了其他相關(guān)酶。所以首要任務(wù)是進(jìn)一步了解MMP家族各個(gè)成員結(jié)構(gòu)、功能以及調(diào)控機(jī)制,確定與疾病不同時(shí)期相關(guān)的特定MMP家族成員,開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定、不良反應(yīng)小、具有適當(dāng)抑酶譜的可以口服的 MMPIs。

綜上所述,TIM Ps不僅能抑制M MPs的水解活性,而且還具有抑制腫瘤血管生成的作用,與腫瘤的浸潤(rùn)與轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。對(duì)TIMPs系統(tǒng)研究的不斷深入和研究方法方法的不斷改進(jìn),將為腫瘤遺傳易感性篩查,臨床診斷、治療和預(yù)后提供更可靠的依據(jù),也可為臨床抗腫瘤藥物研發(fā)提供新的策略和方向。

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