薛繼堯 吳春萍 周梁

·綜 述·

基質(zhì)金屬蛋白酶9在頭頸鱗癌侵襲與轉(zhuǎn)移中的研究進展

薛繼堯 吳春萍 周梁

頭頸鱗癌為頭頸部常見的惡性腫瘤，近年來雖然手術聯(lián)合輔助治療取得了一定的進展，但是總體生存率并沒有顯著提高。研究表明，基質(zhì)金屬蛋白酶9不僅與頭頸鱗癌的發(fā)生、發(fā)展、上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化及血管生成相關，而且能通過多種方式促進腫瘤的侵襲與轉(zhuǎn)移，是頭頸鱗癌患者預后不良的主要因素。(中國眼耳鼻喉科雜志，2015，15：434-436)

頭頸鱗癌為人群中高發(fā)的惡性腫瘤之一，近年來頭頸鱗癌的治療水平已取得明顯提高，然而生存率卻無明顯變化，主要原因為頭頸鱗癌易轉(zhuǎn)移且缺乏早期診斷依據(jù)。在原位癌轉(zhuǎn)移過程中，首先是癌細胞自原發(fā)灶脫落，隨后進入血道或淋巴道，從而形成遠處轉(zhuǎn)移，其中基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9,MMP-9)已被證實在惡性腫瘤的侵襲與轉(zhuǎn)移中扮演重要角色。因此本文就MMP-9介導的頭頸鱗癌侵襲與轉(zhuǎn)移關系和臨床意義研究進展進行綜述。

1 MMP-9結(jié)構與生物學功能

MMP-9屬于明膠酶類B，又稱V型膠原酶，基因定位于染色體29q11.2-q13.1之間，相對分子質(zhì)量為92×103，其中包含13個外顯子與9個內(nèi)含子，主要底物包括明膠、Ⅳ型膠原、V型膠原及彈性蛋白等。MMP-9基因可轉(zhuǎn)錄單鏈2.4 kb mRNA，MMP-9的3′-UTR功能區(qū)片段包含miR-491-5p、miR-885-5p與miR-211。MMP-9包含多種結(jié)構域的金屬酶類。MMP-9結(jié)構域的組成由疏水信號肽序列、前導肽、催化活性區(qū)、鉸鏈區(qū)和類血紅素結(jié)合域所構成。前導肽結(jié)構域含有一個保守的半胱氨酸開關調(diào)節(jié)催化物鋅，主要作用保持酶原的穩(wěn)定。當該區(qū)域被外源性酶切斷后，MMP-9酶原被激活。催化活性區(qū)有3個重復的纖維蛋白結(jié)合區(qū)插入，可促進大分子底物的降解，例如彈性蛋白與變性的膠原蛋白。位于中心的鉸鏈區(qū)結(jié)構域提供分子伸展性，不僅可以與基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑(TIMP)相互作用，還可以調(diào)節(jié)MMP-9底物特異性、MMP-9侵襲力和細胞表面定位。該域便于MMP-9沿著大分子底物移動并依靠其他酶類展開膠原，從而允許MMP-9介導降解[1]。MMP-9C末端含有血紅素結(jié)合域，可與抑制劑及促細胞表面結(jié)合劑相互反應，從中調(diào)解與底物的結(jié)合能力。

MMPs在人體多種生物學過程中起重要作用，例如胚胎形成、正常組織重建、組織修復和新生血管生成等。近年來，MMPs已被認為在惡性腫瘤的侵襲與轉(zhuǎn)移中扮演極為重要的角色。MMPs為能降解細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的含鋅蛋白酶家族，隨著ECM的重組在惡性腫瘤的侵襲與轉(zhuǎn)移中起重要作用。而且MMPs還參與腫瘤生長、調(diào)節(jié)生長因子和誘導腫瘤的血管形成等，所以MMPs在惡性腫瘤進展的各個階段中起重要作用[2]。至今，在脊髓動物上已了解了24種不同的MMPs，其中人體占23種MMPs。根據(jù)MMPs基底特征與所在細胞的部位，脊髓動物的MMPs可被區(qū)分為6類，分別是膠原酶(MMP-1,8,13,18)、明膠酶(MMP-2,9)、間質(zhì)溶解素(MMP-3,10,11)、基質(zhì)溶解酶(MMP-7,26)、膜性MMPs(MMP-14,15,16,17,24,25)和其他(MMP-12,19,20,21,23,27,28)。在頭頸鱗癌中，常伴有腫瘤組織的侵襲和轉(zhuǎn)移，然而頭頸鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移和其他惡性腫瘤一樣，并非某單一MMP起作用，而是多種MMPs共同作用的結(jié)果。因為MMP-9能對構成腫瘤轉(zhuǎn)移阻滯屏障的主要成分Ⅳ型膠原降解，所以MMP-9被認為與腫瘤的侵襲與轉(zhuǎn)移關系非常密切。

2 MMP-9介導的頭頸鱗癌侵襲及轉(zhuǎn)移效應

2.1 MMP-9促進頭頸鱗癌上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化 MMP-9能通過細胞因子、細胞表面蛋白和生長因子相互作用引起上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)，導致頭頸鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移。EMT指上皮細胞通過多種途徑轉(zhuǎn)化為具有間質(zhì)表型細胞的生物學過程，改變上皮細胞之間的錨定連接，使上皮細胞的極性與凝聚消失、增強運動性和間充質(zhì)的表型獲得，在胚胎發(fā)育、慢性炎癥、組織重建及癌癥轉(zhuǎn)移等中發(fā)揮了重要作用。Mandal等[3]研究表明，EMT的表型修飾特征為鈣黏蛋白的降解。Zuo等[4]研究表明，表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)激活通過ERK-1/2與PI3K信號通路，使MMP-9介導鈣黏蛋白降解為可溶性上皮鈣黏蛋白(sE-cadherin, sE-cad)，從而促進頭頸鱗癌細胞SCC10A的EMT。因此MMP-9是EMT重要相關基因，MMP-9不僅可以作為EMT的標志物,又可以作為EMT的誘發(fā)因素[5]。王爽等[6]研究認為，通過CD44信號通路促進MMP-9表達，調(diào)控鼻咽癌EMT。而且Yu等[7]研究表明，CD44與MMP-9在細胞膜表面交聯(lián)能激活TGF-β1。Qiao等[8]研究表明，TGF-β1可調(diào)節(jié)Snail轉(zhuǎn)錄因子與Slug轉(zhuǎn)錄因子，Snail轉(zhuǎn)錄因子可能上調(diào)MMP-9引起口腔鱗癌細胞EMT，而且Slug轉(zhuǎn)錄因子可能依靠刺激MMP-9表達與Slug轉(zhuǎn)錄因子保持更長時間的口腔鱗癌細胞EMT。綜上所述，CD44與MMP-9關系密切，促使頭頸鱗癌EMT,導致頭頸鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移。

2.2 MMP-9促進頭頸鱗癌血管生成 MMP-9通過降解ECM釋放生長因子調(diào)控血管生成，引起頭頸鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移。Andisheh-Tadbir等[9]研究表明，頭頸鱗癌組織中VEGF高表達，與頭頸鱗癌的發(fā)病機制有關。而且Bergers等[10]研究表明，MMP-9能裂解血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)亞型的肝素結(jié)合域,從而增加血管VEGF溶解度，促使新生血管生成。因此MMP-9不僅為降解基底膜與ECM的關鍵酶，而且在腫瘤間質(zhì)血管生成中起重要作用[11]。Yang等[12]研究表明，腫瘤組織隨著微血管密度增大，腫瘤細胞進入血液循環(huán)與淋巴循環(huán)的機會隨之增大，引起淋巴結(jié)與鄰近臟器侵襲與轉(zhuǎn)移的機會也增大。所以MMP-9促使新生血管生成，是頭頸鱗癌侵襲與轉(zhuǎn)移的關鍵因素之一。在頭頸鱗癌中，Wittekindt等[13]研究喉鱗癌發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)部MMP-9與血管密度呈正相關，均位于腫瘤細胞生長活躍的癌巢邊緣，提示喉鱗癌侵襲生長過程中，新生血管同步進行。產(chǎn)松苗等[14]研究發(fā)現(xiàn)，食管鱗癌組織中MMP-9與微血管密度呈顯著正相關，提示MMP-9可促進食管鱗癌的血管生成而加速腫瘤的進展。Henriques等[15]研究表明，轉(zhuǎn)移性舌鱗癌中MMP-9與VEGF呈高表達，而且實質(zhì)和間質(zhì)中MMP-9的表達與伴隨的VEGF有相似的免疫組織化學染色強度，提示MMP-9與VEGF可能存在相互作用。

2.3 MMP-9促進ECM的降解 MMP-9促進ECM與基底膜降解，導致頭頸鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移。MMP-9參與ECM成分的降解中，MMP-9起初被識別是依靠Ras轉(zhuǎn)化的成纖維細胞所分泌的Ⅳ型膠原蛋白酶，涉及腫瘤侵襲與轉(zhuǎn)移所需的基底膜分解[16]。腫瘤與癌周基質(zhì)的相互作用調(diào)控中性粒細胞與巨噬細胞分泌MMP-9的表達水平，降解基底膜層主要成分的黏蛋白與Ⅳ型膠原蛋白，破壞基底膜的正常結(jié)構，從而增強腫瘤的侵襲性。Fan等[17]實驗表明在舌鱗癌中，MMP-9表達增強與Ⅳ型膠原的降解有顯著聯(lián)系，MMP-9依靠降解Ⅳ型膠原，引起MMP-9在舌鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移。還表明MMP-9高表達不僅位于腫瘤細胞內(nèi)，還位于巨噬細胞與血管內(nèi)皮細胞內(nèi)，共同參與了基底膜與ECM的降解。Cao等[18]的實驗也表明，MMP-9降解Ⅳ型膠原導致了喉鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移。

2.4 上游調(diào)控因子介導MMP-9促進頭頸鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移 頭頸鱗癌還可以依靠調(diào)整促炎細胞因子、趨化因子、生長因子、基質(zhì)成分、整合素與非整合素受體、蛋白酶與其抑制劑和細胞活動反應，引起MMP-9的表達增強，從而增強腫瘤的侵襲能力。Koontongkaew等[19]研究顯示，Ⅰ型膠原能與其整合素α2β1結(jié)合，引起細胞內(nèi)PTK、PKC和MAPK信號轉(zhuǎn)導，使MMP-9表達增高，引起ECM降解，導致頭頸鱗癌侵襲與轉(zhuǎn)移。Sen等[20]研究表明，在Hep-2細胞中，纖連蛋白與其整合素α5β1結(jié)合，引起FAK/PI-3K/ERK信號激活，也可參與ILK介導的信號通路引起增效作用，最終增強AP-1/NFκB/Sp1基因結(jié)合能力，提高MMP-9轉(zhuǎn)活，導致MMP-9基因及蛋白表達增高可能促進Hep-2細胞侵襲能力。Fan等[21]研究表明，音猬因子(sonic hedgehog, SHH)信號通路能轉(zhuǎn)導轉(zhuǎn)錄因子Gli-1，促進MMP-9及減少鈣黏蛋白表達，導致口腔鱗癌的侵襲及轉(zhuǎn)移。

3 MMP-9在頭頸鱗癌中的臨床意義

3.1 MMP-9與頭頸鱗癌分期 MMP-9表達與頭頸鱗癌的TNM分期密切相關。Colovic等[22]對196例喉鱗癌患者應用免疫組織化學法檢測MMP-9表達，顯示MMP-9的表達與喉鱗癌組織病理學評分水平、階段和轉(zhuǎn)移顯著相關。Elahi等[23]對48例口腔鱗癌患者應用免疫組織化學法檢測MMP-9表達，顯示MMP-9表達與口腔鱗癌侵襲與轉(zhuǎn)移呈正相關。Bodnar等[24]對37例喉鱗癌患者應用免疫組織化學法檢測MMP-9表達，顯示MMP-9表達與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移顯著相關。而且MMP-9/TIMP-1比值可能預測喉鱗癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。

3.2 MMP-9與頭頸鱗癌治療與預后 MMP-9表達與頭頸鱗癌治療和預后密切相關。抑制MMP-9表達方法分為限制MMP-9轉(zhuǎn)錄、抑制MMP-9酶原激活與阻礙MMP-9與受體結(jié)合。在頭頸鱗癌中，Yang等[25]研究認為鹽酸?？颂婺?Icotinib)通過抑制NF-κB信號通路活性，使舌鱗癌中MMP-9下調(diào)，從而限制舌鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移。Lin等[26]研究表明，白藜蘆醇(resveratrol)通過抑制JNK1/2和ERK1/2信號通路，從而限制MMP-9表達與轉(zhuǎn)錄，導致限制口腔鱗癌轉(zhuǎn)移。Viros等[27]對105例已接受放療或化療的頭頸鱗癌患者應用RT-PCR技術檢測MMP-9mRNA表達水平，顯示MMP-9轉(zhuǎn)錄水平與接校正生存相關。Cao等[18]對44例喉鱗癌患者喉癌組織及其22例相鄰非癌組織應用免疫組織化學法測定4種蛋白表達(MMP-2、MMP-9、IV型膠原及TIMP)，再與喉鱗癌組織臨床病理學特征進行分析，顯示喉鱗癌組織內(nèi)MMP-2、MMP-9和TIMP-1與相鄰非鱗癌組織表達有顯著差別，也顯示(MMP-2+MMP-9)/TIMP-1評分與喉鱗癌預后有顯著聯(lián)系，表明了(MMP-2+MMP-9)/TIMP-1評分與喉鱗癌的預后呈正相關。

4 結(jié)論與展望

MMP-9參與頭頸鱗癌的侵襲與轉(zhuǎn)移是一個復雜的過程。MMP-9不僅能降解ECM與基底膜導致頭頸鱗癌侵襲與轉(zhuǎn)移，還可通過細胞因子、細胞表面蛋白、細胞黏附蛋白及生長因子與細胞表面等相互反應，加強頭頸鱗癌侵襲與轉(zhuǎn)移。因此闡明MMP-9在頭頸鱗癌中調(diào)控機制，對頭頸鱗癌臨床分期指標、抗腫瘤藥物及預防性化療標靶研發(fā)有指導意義，從而提高頭頸鱗癌患者的生存率。MMP-9在頭頸鱗癌中未來的研究方向：①針對MMP-9的轉(zhuǎn)錄、激活、抑制水平設計特異性的抗腫瘤藥物,可為抗頭頸鱗癌治療提供新方法；②將MMP-9確定為頭頸鱗癌侵襲與轉(zhuǎn)移標志物。

[1] Vandooren J, Van den Steen PE, Opdenakker G. Biochemistry and molecular biology of gelatinase B or matrix metalloproteinase-9(MMP-9): the next decade[J]. Crit Rev Biochem Mol Biol, 2013，48(3)：222-272.

[2] Yadav L, Puri N, Rastogi V, et al. Matrix metalloproteinases and cancer - roles in threat and therapy[J]. Asian Pac J Cancer Prev,2014,15(3):1085-1091.

[3] Mandal M, Myers JN, Lippman SM, et al. Epithelial to mesenchymal transition in head and neck squamous carcinoma: association of Src activation with E-cadherin down-regulation, vimentin expression, and aggressive tumor features[J]. Cancer,2008,112(9):2088-2100.

[4] Zuo JH, Zhu W, Li MY, et al. Activation of EGFR promotes squamous carcinoma SCC10A cell migration and invasion via inducing EMT-like phenotype change and MMP-9-mediated degradation of E-cadherin[J]. J Cell Biochem, 2011，112(9)：2508-2517.

[5] Farina AR, Mackay AR. Gelatinase B/MMP-9 in Tumour Pathogenesis and Progression[J]. Cancers (Basel),2014,6(1):240-296.

[6] 王爽，李仕晟，謝鼎華，等. CD44調(diào)控鼻咽癌上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)移的實驗研究[J]. 臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志,2013(05):250-254.

[7] Yu Q, Stamenkovic I. Cell surface-localized matrix metalloproteinase-9 proteolytically activates TGF-beta and promotes tumor invasion and angiogenesis[J]. Genes Dev,2000,14(2):163-176.

[8] Qiao B, Johnson NW, Gao J. Epithelial-mesenchymal transition in oral squamous cell carcinoma triggered by transforming growth factor-beta1 is Snail family-dependent and correlates with matrix metalloproteinase-2 and -9 expressions[J]. Int J Oncol,2010,37(3):663-668.

[9] Andisheh-Tadbir A, Hamzavi M, Rezvani G, et al. Tissue expression, serum and salivary levels of vascular endothelial growth factor in patients with HNSCC[J]. Braz J Otorhinolaryngol,2014,80(6):503-507.

[10] Bergers G, Brekken R, Mcmahon G, et al. Matrix metalloproteinase-9 triggers the angiogenic switch during carcinogenesis[J]. Nat Cell Biol,2000,2(10):737-744.

[11] Pratheeshkumar P, Son YO, Divya SP, et al. Luteolin inhibits Cr(VI)-induced malignant cell transformation of human lung epithelial cells by targeting ROS mediated multiple cell signaling pathways[J]. Toxicol Appl Pharmacol,2014,281(2):230-241.

[12] Yang X, Dai J, Li T, et al. Expression of EMMPRIN in adenoid cystic carcinoma of salivary glands: correlation with tumor progression and patients' prognosis[J]. Oral Oncol,2010,46(10):755-760.

[13] Wittekindt C, Jovanovic N, Guntinas-Lichius O. Expression of matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) and blood vessel density in laryngeal squamous cell carcinomas[J]. Acta Otolaryngol,2011,131(1):101-106.

[14] 產(chǎn)松苗，歐希龍，孫為豪，等. COX-2和MMP-9在食管鱗癌組織中的表達及其與血管生成的關系[J]. 世界華人消化雜志,2009(22):2259-2265.

[15] Henriques AC, de Matos FR, Galvao HC, et al. Immunohistochemical expression of MMP-9 and VEGF in squamous cell carcinoma of the tongue[J]. J Oral Sci,2012,54(1):105-111.

[16] Ballin M, Mackay AR, Hartzler JL, et al. Ras levels and metalloproteinase activity in normal versus neoplastic rat mammary tissues[J]. Clin Exp Metastasis,1991,9(2):179-189.

[17] Fan HX, Li HX, Chen D, et al. Changes in the expression of MMP2, MMP9, and ColIV in stromal cells in oral squamous tongue cell carcinoma: relationships and prognostic implications[J]. J Exp Clin Cancer Res,2012,31:90.

[18] Cao XL, Xu RJ, Zheng YY, et al. Expression of type IV collagen, metalloproteinase-2, metalloproteinase-9 and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 in laryngeal squamous cell carcinomas[J]. Asian Pac J Cancer Prev,2011,12(12):3245-3249.

[19] Koontongkaew S, Amornphimoltham P, Monthanpisut P, et al. Fibroblasts and extracellular matrix differently modulate MMP activation by primary and metastatic head and neck cancer cells[J]. Med Oncol,2012,29(2):690-703.

[20] Sen T, Dutta A, Maity G, et al. Fibronectin induces matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) in human laryngeal carcinoma cells by involving multiple signaling pathways[J]. Biochimie,2010,92(10):1422-1434.

[21] Fan HX, Wang S, Zhao H, et al. Sonic hedgehog signaling may promote invasion and metastasis of oral squamous cell carcinoma by activating MMP-9 and E-cadherin expression[J]. Med Oncol,2014,31(7):41.

[22] Colovic Z, Pesutic-Pisac V, Poljak NK, et al. Expression of matrix metalloproteinase-9 in patients with squamous cell carcinoma of the larynx[J]. Coll Antropol,2013,37(1):151-155.

[23] Elahi M, Rakhshan V, Ghasemian NT, et al. Prognostic value of transforming growth factor beta 1 [TGF-beta1] and matrix metalloproteinase 9 [MMP-9] in oral squamous cell carcinoma[J]. Biomarkers,2012,17(1):21-27.

[24] Bodnar M, Szylberg L, Kazmierczak W, et al. Tumor progression driven by pathways activating matrix metalloproteinases and their inhibitors[J]. J Oral Pathol Med, 2015, 44(6):437-443.

[25] Yang C, Yan J, Yuan G, et al. Icotinib inhibits the invasion of Tca8113 cells via downregulation of nuclear factor kappaB-mediated matrix metalloproteinase expression[J]. Oncol Lett,2014,8(3):1295-1298.

[26] Lin FY, Hsieh YH, Yang SF, et al. Resveratrol suppresses TPA-induced matrix metalloproteinase-9 expression through the inhibition of MAPK pathways in oral cancer cells[J]. J Oral Pathol Med, 2015, 44(9):699-706.

[27] Viros D, Camacho M, Zarraonandia I, et al. Prognostic role of MMP-9 expression in head and neck carcinoma patients treated with radiotherapy or chemoradiotherapy[J]. Oral Oncol,2013,49(4):322-325.

(本文編輯 楊美琴)

復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院耳鼻咽喉科 上海 200031

周梁(Email: zhoulent@126.com)

10.14166/j.issn.1671-2420.2015.06.019

2014-12-23)