综述：基质金属蛋白酶驱动的上皮 - 间质转化：在健康与疾病中的意义

《Journal of Translational Medicine》：Matrix metalloproteinase-driven epithelial-mesenchymal transition: implications in health and disease

这篇综述聚焦于上皮 - 间质转化（EMT）与基质金属蛋白酶（MMPs）。阐述了 MMPs 在 EMT 过程中的关键作用，其正常与异常调控分别对健康和疾病的影响，还探讨了相关治疗策略，为理解和干预相关疾病提供重要参考。

　　

上皮 - 间质转化（EMT）与基质金属蛋白酶（MMPs）概述

上皮 - 间质转化（EMT）是一个神奇的细胞变化过程，在这个过程中，原本具有极性且紧密相连的上皮细胞，会摇身一变，获得间充质细胞的迁移和侵袭特性。在正常情况下，EMT 是胚胎发育中不可或缺的环节，就像搭建生命大厦的重要基石，帮助组织和器官逐步形成。同时，它在伤口愈合和组织再生中也发挥着积极作用，助力身体修复受损部位。然而，如果 EMT 失去控制，就会成为健康的 “破坏者”，参与到器官纤维化、慢性炎症以及癌症进展和转移等病理过程中。

基质金属蛋白酶（MMPs）是一类依赖锌的蛋白酶，它们在细胞外基质（ECM）的动态平衡中扮演着关键角色，就如同 ECM 的 “管家”。在健康组织里，MMPs 和它的 “小伙伴”—— 组织金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）相互协作，共同维持 ECM 的稳定，确保生理过程的正常进行。而在 EMT 进程中，MMPs 更是 “大显身手”，它们能够分解基底膜，激活潜在的生长因子，还能切断细胞间的连接蛋白，从而推动上皮细胞向间充质细胞转化。但当 MMPs 活性失调时，就会引发一系列病理问题，如癌症侵袭、转移和纤维化疾病等。

EMT 的定义、特征及类型

EMT 的发生伴随着细胞形态和分子层面的显著变化。上皮细胞的极性会消失，细胞间的紧密连接和黏附也会被破坏，同时细胞会转变为纺锤形，并且上调间充质标记物，获得更强的迁移能力和抗细胞死亡能力。这一系列变化主要是由 Snail、Slug、Twist 和 ZEB 等转录因子调控的，而这些转录因子又受到 TGF-β、Wnt、Notch 等信号通路的影响。

EMT 可以分为三种主要亚型，每种亚型都有其独特的刺激因素和生物学意义。在胚胎发育阶段，如原肠胚形成和神经嵴细胞迁移过程中发生的是 1 型 EMT，它能帮助细胞分化成不同的细胞谱系；伤口愈合和组织修复过程涉及 2 型 EMT，不过如果这个过程持续时间过长，可能会导致病理性瘢痕形成；3 型 EMT 则与癌症相关，它会促使肿瘤细胞侵袭、转移，还会让肿瘤细胞对常规治疗产生抵抗。

MMPs 的结构、功能和调控

MMPs 的结构较为复杂，它以无活性的酶原形式产生，通过半胱氨酸开关机制保持酶的活性位点被封锁。一旦这个机制被打破，MMPs 就会被激活。其催化域含有高度保守的锌结合基序（HEXGHXXGXXH），负责底物的切割和 ECM 的降解。此外，很多 MMPs 还有铰链区和类血红素结合蛋白结构域，这些结构域对 MMPs 的功能有着重要影响，比如调节底物结合和蛋白质 - 蛋白质相互作用等。

MMPs 的功能十分多样，除了降解 ECM 中的胶原蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白等成分外，还能切割非基质底物，如结合的生长因子、整合素和钙粘蛋白等，进而影响细胞的增殖、分化、黏附和组织的结构。同时，MMPs 还参与调节炎症反应和免疫细胞的招募。在正常情况下，MMPs 的活性受到严格调控，包括转录控制、区室化、酶原激活以及 TIMPs 的抑制。但当这种调控平衡被打破时，就可能引发多种疾病，如转移性癌症、关节炎、心血管疾病和神经退行性疾病等。

MMPs 可以根据其结构域和底物偏好分为不同的亚组，比如胶原酶（MMP - 1、- 8、- 13）主要降解纤维状胶原蛋白，明胶酶（MMP - 2 和 MMP - 9）靶向明胶和 IV 型胶原蛋白，基质溶解素（MMP - 3、- 10、- 11）具有更广泛的底物特异性，膜型 MMPs（MT - MMPs，如 MMP - 14、- 15、- 16、- 17）则锚定在细胞表面，促进细胞周围 ECM 的降解和其他前 MMPs 的激活。在癌症中，不同的 MMP 亚型通过重塑 ECM、释放生长因子和调节细胞信号通路，帮助肿瘤细胞实现侵袭、转移和抵抗治疗。

MMPs 在 EMT 中的作用机制

在 EMT 过程中，MMPs 通过多种方式发挥作用。一方面，它能够降解基底膜的主要成分，如胶原蛋白和层粘连蛋白，使得上皮细胞能够脱离基底附着，进而获得间充质细胞的特征。另一方面，MMPs 还能释放嵌入在 ECM 中的信号因子，像 TGF-β，这些因子与上皮细胞受体结合后，会触发 SMAD 依赖的 EMT 相关基因转录，进一步推动细胞向间充质细胞转化。

MMPs 对 E - cadherin 和整合素的切割也至关重要。E - cadherin 是上皮细胞间连接的关键蛋白，MMPs 对它的切割会破坏上皮细胞的结构，增强细胞的运动性。同时，MMPs 降解 ECM 成分还会改变整合素的结合状态，激活粘着斑激酶（FAK）和 SRC，形成促进 EMT 的反馈回路。

在缺氧环境下，缺氧诱导因子（HIFs）会被稳定，它能上调 MMP 的表达，进一步加速 EMT 进程。此外，炎症介质如肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）和白细胞介素 - 6（IL - 6）也能促进 MMP 的产生，将慢性炎症与肿瘤侵袭和纤维化联系起来。不同的 MMP 在不同癌症类型和疾病进展阶段有着特殊的功能，例如 MMP - 13 在肿瘤转移中帮助癌细胞侵袭生长，MMP - 15 能促进结直肠癌细胞的解离，MMP - 14 在口腔鳞状细胞癌中发挥重要作用等。而且，MMPs 还能调节 Wnt/β - catenin 和 TGF - β 等信号通路，进一步影响 EMT 过程。

EMT 在正常生物学过程中的作用

EMT 在正常生物学过程中扮演着重要角色，尤其是在胚胎发育和组织修复方面。在胚胎发育过程中，EMT 和它的 “逆过程”—— 间充质 - 上皮转化（MET）相互协作，塑造了身体的各种组织和器官。以原肠胚形成为例，上皮细胞通过 EMT 迁移形成三个胚层，之后神经嵴细胞的形成也是 EMT 发挥作用的结果，这些神经嵴细胞会进一步分化为外周神经元、黑色素细胞和颅面软骨等。心脏发育同样依赖于 EMT - MET 的反复转换，胚胎干细胞在分化过程中也会经历类似 EMT 的转变。

在组织再生和伤口愈合过程中，EMT 也发挥着重要作用。受伤后，血小板会形成含有纤维蛋白原和纤连蛋白的临时凝块，炎症细胞清理伤口碎片，随后上皮细胞通过部分 EMT 获得迁移能力，在伤口处迁移并修复受损组织。成纤维细胞也会通过 EMT 产生，它们会分化为肌成纤维细胞，分泌胶原蛋白，重塑 ECM，促进伤口愈合。不过，如果这个过程中 EMT 活动失调，就可能导致病理性瘢痕形成和纤维化。

EMT 在疾病中的诱导及相关机制

虽然 EMT 在正常生理过程中至关重要，但当它失调时，就会引发多种疾病，其中纤维化疾病就是典型代表。在纤维化疾病中，MMPs 和 TIMPs 之间的平衡被打破，ECM 过度沉积，肌成纤维细胞大量增殖。多种因素会加剧纤维化过程，如内皮屏障破坏、TGF - β 活性增强、氧化应激和炎症细胞的招募等。

以肾脏纤维化为例，慢性损伤会导致肾小管上皮细胞发生 EMT，MMP - 2 和 MMP - 9 在这个过程中发挥重要作用，它们会降解 IV 型胶原蛋白和层粘连蛋白。在肺部疾病如特发性肺纤维化和囊性纤维化中，MMP - 2、MMP - 9 等的异常活性以及 TIMP - 1 和 TIMP - 2 水平的失调，会导致肺部组织的病理重塑和炎症。心肌纤维化、慢性肝损伤、皮肤纤维化以及白内障等疾病中，也都能看到 EMT 和 MMPs 的异常活动。

在癌症中，3 型 EMT 通过多种机制被诱导。肿瘤微环境中的缺氧环境是一个重要因素，它会激活 HIF - α，进而激活 TGF - β、Wnt/β - catenin 等信号通路，上调关键的 EMT 调节因子，导致上皮细胞特征丧失，间充质特征获得。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）在缺氧环境下会分泌多种细胞因子，进一步促进 EMT。此外，EMT 还与癌症的多个关键过程密切相关，如癌症进展、转移、代谢重编程、癌症干细胞形成、循环肿瘤细胞产生和血管生成等。

EMT 在癌症进展和转移中的作用

经历 EMT 的上皮癌细胞会发生显著变化，失去极性，重组肌动蛋白细胞骨架，呈现出纺锤形的间充质形态。这种变化会破坏细胞间的连接，增强癌细胞的侵袭能力。当肿瘤细胞过度表达 MMPs 时，它们就能降解基底膜和周围的基质，进入血液循环成为循环肿瘤细胞（CTCs）。在循环过程中，血小板释放的信号会帮助 CTCs 维持间充质表型。到达远处器官后，肿瘤细胞会通过 MET 在新的微环境中定植，形成转移瘤。

癌症 EMT 的分子调控主要依赖于一组核心转录因子和表观遗传修饰。E - cadherin 的下调与间充质标记物的上调密切相关，这是癌症转移能力的重要标志。Snail1 等转录因子会破坏细胞极性，非经典 TGF - β 信号通路会改变细胞骨架，这些变化都推动癌细胞向侵袭性表型转变。

EMT 与癌症代谢重编程、癌症干细胞及循环肿瘤细胞的关系

在发生 EMT 的同时，肿瘤细胞常常会对核心代谢途径进行重编程，以满足其快速增殖和在恶劣环境下生存的需求。其中，Warburg 效应是一个显著特征，即肿瘤细胞即使在有氧条件下也更倾向于进行糖酵解，产生乳酸。多种糖酵解酶的高表达与更具侵袭性的癌症相关，转录因子如 Snail1 会调节代谢相关基因，增强肿瘤细胞的生存能力。在缺氧环境下，葡萄糖转运蛋白（Glut1、Glut3）的表达会增加，与间充质标记物的表达相关，且与较差的临床预后相关。

EMT 还赋予肿瘤细胞干细胞样特征，产生癌症干细胞（CSCs）。CSCs 具有更强的转移能力、对传统疗法的抗性和促进肿瘤复发的能力。转录因子和 TGF - β 等介质在这个转化过程中发挥重要作用，一些细胞表面标记物如CD44high/CD24low在乳腺癌中与 CSC 和 EMT 表型相关。

循环肿瘤细胞（CTCs）是癌症转移过程中的关键中间体。EMT 激活的 CTCs 通常具有较低的上皮细胞黏附分子（EpCAM）表达和较高的间充质蛋白表达，这使得它们更难被检测到。多种标记物如细胞表面波形蛋白（CSV）、Plastin3（PLS3）和转录因子 Snail、Twist 等可用于识别这些细胞群体，监测前列腺癌 CTCs 上 E - cadherin 的水平可以预测疾病的复发和转移。

EMT 与血管生成的关系及临床意义

血管生成对于肿瘤的生长和发展至关重要，它与 EMT 之间存在着密切的相互作用。间充质样肿瘤细胞常常会上调促血管生成因子（如 VEGF），同时下调抗血管生成分子，促进肿瘤血管生成。VEGF 的表达与 EMT 之间存在复杂的相互关系，在某些情况下，VEGF 信号可以通过 TGF - β 刺激 EMT，促进肿瘤细胞的侵袭和迁移。此外，Ephrin - A2 等蛋白也能诱导 EMT 和刺激血管生成，形成一个促进肿瘤进展的循环。在宫颈癌等癌症中，相关因子的共表达与疾病的进展和不良预后相关。

基于 EMT 在癌症中的重要作用，多种生物标志物被发现，这些生物标志物可以帮助医生更准确地评估肿瘤的恶性程度、预测疾病进展和指导治疗。E - cadherin 是研究较为深入的 EMT 生物标志物，膜结合型 E - cadherin 的高水平有助于维持上皮细胞的黏附，而可溶性 E - cadherin（sE - cadherin）的增加则与肿瘤的侵袭性相关。N - cadherin 等间充质标记物的升高也与肿瘤的不良预后相关。MMPs 和 TIMPs 同样可以作为重要的生物标志物，它们的水平变化与多种癌症的预后相关。

针对 EMT 的治疗策略

由于 EMT 在癌症转移、治疗抵抗和不良临床结果中起着关键作用，开发针对 EMT 的治疗策略成为研究热点。目前的治疗策略主要集中在抑制 EMT 相关的转录因子和信号通路、调节 MMPs 和 TIMPs 的功能以及克服 EMT 相关的药物抵抗等方面。

一些化合物如天然产物中的 thymoquinone、resveratrol 和 piperlongumine 等，能够抑制 Snail、Twist 和 Zeb 等转录因子，减少肿瘤细胞的侵袭和转移。同时，针对 MMPs 和 TIMPs 的治疗也在研究中，抑制关键的 MMPs（如 MMP - 2、MMP - 14）可以增强化疗的效果，调节 TIMPs 的水平也可能改善治疗反应。然而，EMT 相关的药物抵抗是一个挑战，它常常涉及 ATP 结合盒（ABC）转运体活性增强、生存通路激活和细胞凋亡抑制等机制。针对这些机制，研究人员正在探索多种方法来克服药物抵抗，提高治疗效果。

MMP 抑制剂的研究现状与挑战

MMP 抑制剂的研究已经取得了一定进展，但也面临诸多挑战。经典的 MMP 抑制剂主要针对 MMP 的催化域，通过直接阻断活性位点或结合相邻的变构口袋来发挥作用。早期的研究发现了 MMPs 识别和切割的最小底物序列，并基于此设计了合成 MMP 抑制剂，其中羟肟酸是常用的结构基序，它能与催化锌离子结合。但像 marimastat 和 batimastat 等基于羟肟酸的抑制剂在临床试验中并不成功，主要原因包括选择性低、生物利用度差以及脱靶毒性等。后来，硫醇类抑制剂等其他类型的抑制剂也被开发出来，但同样存在问题，如 rebimastat 在临床试验中未能改善患者生存并出现不良反应。目前，开发高选择性的 MMP 抑制剂仍然是一个挑战，需要更深入地理解 MMP 的生物学和临床特点，以及开发更有效的药理学工具。

新兴技术助力 EMT 靶向策略的发展

随着技术的不断进步，一些新兴技术为研究 EMT 和开发靶向治疗策略提供了新的途径。CRISPR/Cas 系统可以在全基因组范围内进行精确的基因扰动，通过筛选发现促进或抑制 EMT 表型的基因。例如，在黑色素瘤细胞和结肠癌细胞中进行的 CRISPR 筛选，分别发现了一些与 EMT 相关的新基因和调控机制，为治疗提供了新的潜在靶点。

三维（3D）培养系统也在 EMT 研究中发挥着重要作用。与传统的二维培养相比，3D 培养系统能够更好地模拟体内细胞 - 细胞和细胞 - 基质的相互作用，更准确地研究 EMT 对肿瘤侵袭性、药物反应和转移潜能的影响。在卵巢癌、胆管癌、胶质瘤和肝干细胞等模型中，3D 培养系统都取得了有价值的研究成果，有助于更准确地进行药物筛选和毒性评估。

展望与未来研究方向

目前，针对 EMT 的研究已经取得了许多重要成果，但仍有一些关键问题需要进一步研究。MMP 抑制剂的特异性仍然是一个挑战，需要开发更具选择性的抑制剂，减少脱靶效应。同时，对于 MMPs 在 EMT 可塑性（特别是在 MET 过程中）的具体作用，以及免疫细胞、基质成分和其他肿瘤微环境因素对 MMP 驱动的 EMT 的影响，还需要更深入的了解。未来的研究可以通过整合多组学分析、高分辨率成像和类器官模型等技术，更全面地揭示 EMT 的机制，开发更有效的治疗策略。如果这些研究能够取得成功，将有望为多种疾病（如器官纤维化和转移性癌症）的治疗带来新的突破，同时保留 EMT 在正常组织发育和修复中的重要功能。