基质金属蛋白酶组织抑制因子-4在肺部疾病的研究进展_王秀娟.pdf

医学理论与实践2023年第36卷第8期Vol.36，No.8，Apr2023J Med Theor Prac基质金属蛋白酶组织抑制因子-4在肺部疾病的研究进展王秀娟陈绍平明昱均杨琪川北医学院附属医院呼吸与危重症医学科，四川省南充市637000摘要基质金属蛋白酶组织抑制因子-4(TIMP-4)是 TIMPs 家族中的一员，现有研究表明 TIMP-4 与乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌等恶性肿瘤的侵袭程度相关，以及与动脉粥样硬化、心力衰竭、心肌梗死等心血管疾病的严重程度相关。而关于 TIMP-4 在肺部疾病方面的研究较少，主要涉及 COPD、特发性肺纤维化、肺动脉高压、肺结核等方面，本文主要对TIMP-4 在肺部疾病中的研究进展进行综述。关键词基质金属蛋白酶组织抑制因子-4COPD特发性肺纤维化肺动脉高压肺结核中图分类号:36;563文献标识码:Adoi:10.19381/j.issn.1001-7585.2023.08.009基质金属蛋白酶组织抑制因子(Tissue inhibi-tors of metalloproteases，TIMPs)是一组由多基因家族成员组成的、在体内广泛分布存在的基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinases，MMPs)抑制剂，其主要特点是可以通过抑制 MMPs 的水解速度和活性程度来调节正常细胞内外多种重要代谢过程，包括正常细胞外基质的降解和重塑过程、正常细胞的各种病理过程，如组织的纤维化及肿瘤细胞的转移、扩散、侵袭。除此之外，在正常细胞的生长、增殖、分化、迁移、抗血管生成、促细胞凋亡和抗细胞凋亡以及突触的可塑性等方面，TIMPs 也发挥一定的作用，这些生物学特殊功能的作用机制与其对 MMPs 的选择性抑制作用无关1。TIMP-4 是 TIMPs 家族中最后被发现的克隆新成员，在成人的心脏、卵巢等组织中有较高水平的表达，在肾脏、胰腺、结肠、睾丸等组织的表达水平较低，在调节细胞外基质的降解和重塑方面起着重要作用。目前国内关于 TIMP-4 的相关文献较少，现对 TIMP-4 的结构、功能以及在肺部疾病的研究方面进行综述。1TIMP-4 的结构与功能1 1结构TIMP-4 是 1996 年 John Greene 等2 从人类心脏 cDNA 文库中克隆出来的，是含 195 个氨基酸的非糖基化长多肽。TIMP-4 只比 TIMP-2 大 1个氨基酸残基，和 TIMP-2 在氨基酸水平上有 51%的相似性。相比之下，TIMP-4 比 TIMP-1 和 TIMP-3分别大 11 个和 7 个氨基酸残基，与这些蛋白的同源性分别为 37%和 51%。TIMP-4 在 TIMPs 家族中具有独特的特点，它有 12 个半胱氨酸残基，形成 6 个保守的二硫键。TIMP-4 的三维结构目前尚未确定，但由于与其他 TIMPs，特别是与 TIMP-2 具有较高的序列同源性，因此可以预期与其具有较高的结构相似性。TIMPs 可折叠成 1 个较大的三环 N 端结构域和 1 个较小的三环 C 端结构域，N 端结构域包含近2/3 的多肽链，折叠情况类似于低聚糖/低聚核苷酸结合 折 叠 结 构 域(Oligonucleotide/oligosaccharide-binding，OB)，OB 区的核心由五股反平行 片层卷成 1 个 桶，由 3 个二硫键稳定;而 3 个折叠成-螺旋(-螺旋 1 3)的片段与-桶核有关;N 端结构域可以独立表达和折叠，其主要作用是通过半胱氨酸残基与 MMPs 活性中心的锌离子以非共价键形式竞争性结合，从而发挥 MMPs 抑制作用3;C 端结构域折叠拓扑的特征是 1 个-发夹加上 1 个-环-基序和 2 个相关的 310螺旋，其可能与明胶酶原的蛋白定位或蛋白复合体的形成有关4。1 2功能TIMPs 研究最广泛的功能是其对 MMPs的抑制作用。基质金属蛋白酶家族的成员包括经典的 MMPs、膜结合的 MMP(MT-MMPs)、解聚素金属蛋白酶(ADAMs)和含型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶家族(ADAMTs);这些酶及其特异性抑制剂通过调节细胞外基质的降解和重塑，参与组织的纤维化、肿瘤细胞的侵袭和转移等重要病理过程。TIMPs 能以非共价键形式与几乎所有MMPs 紧密结合，形成 1 1 复合物，从而发挥 MMPs抑制作用，主要通过 MMPs 酶原活化阶段阻碍其自我激活以及直接与活化的 MMPs 紧密结合形成复合物等两个方面来抑制 MMPs 的激活1。有人认为TIMP-4 与 TIMP-1、-2、-3 在其限制性表达模式以及与 MMPs 结合区域的结构上有所不同，因此推断TIMP-4 对特定 MMPs 的特异性高于 TIMP-1、-2 和-35。Navratilova 等6 曾指出 TIMP-4 不仅能够抑制MMP-1、-2、-3、-7、-8 和-9 的蛋白水解活性，而且被认为对 MMP-12、-14、-19 和-26 有较强的抑制作用。TIMP-4 还可以抑制 ADAM 和 ADAMTS 家族的成员。TIMP-4 可抑制 ADAM28 对胰岛素样生长因子结合蛋白-3 的蛋白水解活性以及 ADAM33 的蛋白酶活性7。对于 ADAMTS4、ADAMTS5，TIMP-4 是一种弱抑制剂8。TIMP-4 除了具有抑制 MMPs 活性作用外，还具有调节血管生成，以及通过激活整合素b1 复合物并促进 FAK、Src、PI3-K 和 MAPK 等信号1921J Med Theor PracVol.36，No.8，Apr20232023年第36卷第8期医学理论与实践通路调节细胞增殖和凋亡5。2TIMP-4 与肺部疾病2 1COPDCOPD 的特征是气道和肺实质的慢性炎症，导致不完全可逆的气流受限，肺功能受损及其受损程度与细胞外基质降解、慢性炎症反应、气道重塑和氧化应激的上调有关。长期暴露于烟草烟雾是COPD 发生的最主要诱因，香烟烟雾中含有的化学物质可刺激气道细胞释放炎症细胞因子，从而诱导中性粒细胞和巨噬细胞等炎症细胞迁移到损伤部位，并且可以产生大量的 MMPs，导致肺组织进一步的损伤与重塑。大量的 COPD 动物模型以及对COPD 患者的实验研究都表明了 MMPs/TIMPs 失衡在 COPD 发病机制中的重要作用。Navratilova 等6 首次证实了 COPD 患者外周血血浆中 TIMP-4 水平显著升高，且 COPD 吸烟者外周血血浆 TIMP-4 水平高于 COPD 非吸烟者。有研究发现在 COPD 病理过程中，TIMP-4 可能有助于 TIMP-1、-2 和-3 的抗蛋白溶解活性，甚至可能使其他 TIMPs 不能充分抑制的MMPs 失活1。Hao 等9 通过纳入 COPD 急性加重期患者、COPD 稳定期患者以及健康对照人群，并根据患者肺功能对其进行分组，测定纳入人群外周血血清、外周血单个核细胞、支气管肺泡灌洗液及呼出气冷凝液中 TIMP-4 表达水平，均发现 COPD 患者较健康对照组 TIMP-4 的表达水平显著升高，且在COPD 患者中其表达水平与病情严重程度相关。此外，还发现 COPD 吸烟者 TIMP-4 水平高于 COPD 从不吸烟者。Sun 等10 在暴露于香烟烟雾的 COPD 大鼠模型中，通过实时逆转录聚合酶链反应和免疫组织化学检测大鼠模型肺泡灌洗液中 TIMP-4 的 m-NA 和蛋白水平，发现 TIMP-4 的表达较对照组相比增加 2 5 倍，由此可见，TIMP-4 的表达与人类COPD 的发生发展是相关的。2 2特发性肺纤维化特发性肺纤维化(IdiopathicPulmonary Fibrosis，IPF)的特征是肺实质不同程度的炎症反应和纤维化。纤维化反应通常被认为是一个不可逆的过程，其特点是成纤维细胞数量显著增加，细胞外基质的重塑发生复杂变化，这会导致结缔组织蛋白的逐渐积累。局部肺微环境中细胞外基质的合成和降解之间的不平衡在 IPF 纤维化成分的发病机制中具有重要作用。有研究表明在博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中显示出 MMPs 和 TIMPs 的表达增加，而与野生型小鼠相比，选择性 MMPs 基因缺失的小鼠在博莱霉素给药后肺纤维化减少，强调了 MMPs 和 TIMPs 在 IPF 病理过程中发挥重要作用11。在正常组织中，TIMP-4 mNA 的表达主要局限于成人心脏，在正常肺组织中未检测到转录本。Selman 等12 通过实时逆转录聚合酶链反应、原位杂交和免疫组织化学首次证实 TIMP-4 在 IPF 肺中高度表达，且主要通过肺间质巨噬细胞、浆细胞簇和肺泡上皮细胞表达，表明其可能有助于 IPF 肺部的微环境改善。通过对来自美国 IPF 患者前瞻性预后注册登记研究注册中心的 300 名患者进行研究分析，Todd 等13 发现 IPF 患者的外周血血清中 TIMP-4 表达水平高，且升高水平与一氧化碳肺弥散能力预测值的降低和病情的严重程度显著相关，提示了其作为 IPF 疾病相关血清生物标志物的潜在价值。2 3肺动脉高压肺动脉高压(Pulmonary ArterialHypertension，PAH)是肺动脉压异常升高的一种病理生理状态，可以由多种已知或未知原因引起。肺内皮细胞功能障碍是肺动脉高压发生发展的关键。肺动脉高压晚期包括肌型肺动脉壁丛状病损的形成、内皮细胞凋亡、肺动脉内膜和外膜增厚以及细胞外基质重塑增加，并伴有细胞外基质蛋白的积聚。许多生物标志物已被用于 PAH 的临床评估，到目前为止，脑利钠肽(BNP)和 N 末端前脑钠肽(NT-proB-NP)是 2015 年欧洲心脏病学会/欧洲呼吸病学会(ESC/ES)肺动脉高压诊断和治疗指南 推荐的PAH 风险分层的唯一血清生物标志物。肺和心脏组织中的细胞外基质降解和重塑过程对 PAH 的进展尤为重要，MMPs 能够参与降解细胞外基质成分，而其活性主要受 TIMPs 调节。有研究证据表明，MMPs 和 TIMPs 参与 PAH 患者的血管和心脏结构重塑14。Wetzl 等15 通过在特发性肺动脉高压患者首次诊断和首次随访检查时，从右心导管插入术中采集血样，采用酶联免疫吸附法测定血浆中 TIMP-4水平，发现 TIMP-4 的表达与肺血管阻力和平均肺动脉有很强的相关性。三尖瓣环收缩期位移是反应右心室收缩功能的心脏彩超指标，也是 PAH 的预后标志物，有研究16 发现 PAH 患者中 TIMP-4 的表达水平与三尖瓣环收缩期位移密切相关。Schumann等17 报告，与健康对照组相比，PAH 患者的外周血血浆中 TIMP-4 水平升高，并表明 TIMP-4 水平升高与较高的心功能 NYHA 分级和晚期右心室肥厚相关。Tiede 等18 在一项回顾性研究中报告的 PAH 患者血浆中 TIMP-4 水平与 Schumann 等人研究的结果相似，且关于疾病的严重程度，检测到 TIMP-4 血浆水平与平均肺动脉压、肺动脉楔压、肺血管阻力和6min 步行距离之间存在相关性，表明 TIMP-4 的表达与 PAH 的严重程度和预后相关。2 4肺结核肺结核(Pulmonary Tuberculosis，PTB)是由于感染结核分枝杆菌而引起的慢性呼吸系统传染病，是我国重点控制的主要疾病之一。现关于 PTB 和肺外结核仍存在诊断困难、诊断测试灵敏度低等情况，根据世界卫生组织(WHO)的数据，每年仍有 300 万人存在漏诊情况。TIMPs 参与MMPs 造成的组织重塑和破坏后的修复，两者是结核病病理过程的潜在调节因子。通过测量患者外周血血浆 TIMP-4 的循环水平，发现与肺外结核患者、潜伏性结核病患者和健康对照组相比，肺结核患者TIMP-4 水平显著升高，并在为期 6 个月的标准抗结核治疗后 TIMP-4 水平被显著调节，这表明 TIMP-4可能是一个潜在的肺结核诊断血液基础生物标志物19。通过纳入 88 名活动性肺结核患者，并将其分为合并 2 型糖尿病和非糖尿病患者两组，发现合2921医学理论与实践2023年第36卷第8期Vol.36，No.8，Apr2023J Med Theor Prac并 2 型糖尿病患者外周血血浆 TIMP-4 水平高于非糖尿病患者，且与 TIMPs 家族其他三个成员相比，合并 2 型糖尿病患者外周血血浆 TIMP-4 水平单独显著升高，暗示其可作为伴有 2 型糖尿病的肺结核病的有力标志物。尽管目前关于 TIMP-4 在 PTB 或2 型糖尿病中的作用尚不清楚，但 TIMP-4 水平升高可能意味着该因子在 PTB 和 2 型糖尿病共病相关的致病过程中发挥直接作用20。3结语TIMP-4 主要通过抑制 MMPs 活性，从而调节细胞外基质的重塑和降解，在炎症细胞浸润、气道重塑、肺实质破坏等方面发挥作用。国内外现有的关于 TIMP-4 在肺部疾病方面的研究较少，关于 TIMP-4 的功能、调节以及致病机制等方面尚不完全明确，仍需大量更深入的研究进一步探索，通过对 TIMP-4更多的科学性研究，可以为肺部疾病如 COPD、特发性肺纤维化、肺动脉高压、肺结核等疾病提供一种新型的诊断和治疗方向。参考文献 1Berw K，Nagase H The tissue inhibitors of metalloproteinases(TIMPs):Anancient family with structural and functional diversity J Biochim Biophys Acta，2010，1803(1):55-71 2Greene J，Wang M，Liu YE，et al Molecular cloning and character-ization of human tissue inhibitor of metalloproteinase4J J BiolChem，1996，271(48):30375-30380 3Maskos K，Lang，Tschesche H，et al Flexibility and variabilityof TIMP binding:X-ray structure of the complex between collage-nase-3/MMP-13 and TIMP-2J J Mol Biol，2007，366(4):1222-1231 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Neutrophil Counts AreAssociated With TB-Diabetes ComorbidityJ CHEST，2014，145(6):1244-1254(本文通信作者:陈绍平)收稿日期 2022 08 02(编辑羽飞)致作者统计学符号的书写按国家标准 GB 3358.1 3 1993统计学术的有关规定书写，常用如下:样本的算术平均数用英文小写 x(中位数仍用 M);标准差用英文小写 s;标准误用英文小写 sx;t 检验用英文小写 t;F 检验用英文大写 F;卡方检验用希文小写 2;相关系数用英文小写 r;自由度用希文小写;概率用英文大写 P(P 值前应给出具体检验值，如 t 值、2值、q值等)。以上符号均用斜体。3921