Матриксные металлопротеиназы при воспалении

И.Н.Григорьева
НИИ терапии СО РАМН; НГМУ

Матриксные металлопротеиназы (MMP) представляют собой семейство структурно связанных протеолитических ферментов, содержащих ион Zn2+ в активном центре. ММР секретируются разными клетками (фибробласты, макрофаги, гладкомышечные клетки сосудистой стенки, нейтрофилы, хондроциты, остеобласты и др.) и гидролизируют все компоненты экстрацеллюлярного матрикса (ЭМ): все коллагены и проколлагены, протеогликаны, эластин, фибронектин, ламинин, а также адгезивные и другие белки соединительной ткани. Насчитывают 28 типов коллагена, которые отличаются аминокислотной последовательностью, органной и тканевой принадлежностью, а также по степени модификации – интенсивностью гидроксилирования или гликозилирования: коллаген I типа (в соединительной ткани, костях и др.); коллаген II типа (в хрящах, стекловидном теле и роговице глаза); коллаген III типа (в стенках крупных кровеносных сосудов); коллаген IV типа (в базальных мембранах, капсуле хрусталика); V тип коллагена (в хорионе, амнионе, эндо- и перимизии, коже и др.), интерстициальные и нефибриллярные коллагены (VI–XVI типы) и т.д.

Впервые MMP были обнаружены у позвоночных в 1962 г., к настоящему времени описано около 30 MMP, из них 23 обнаружены в тканях человека. Установлена важная роль ММР в разных процессах жизнедеятельности: в эмбриональном развитии, морфогенезе органов, ангиогенезе, апоптозе, росте нервной ткани, ремоделировании тканей, заживлении ран, в том числе после инфаркта миокарда и инсульта и др. Увеличение содержания и активности ММР часто ассоциируется с прогрессированием сердечно-сосудистых, нейродегенеративных, онкологических, воспалительных заболеваний (артритов, нефритов, язвенной болезни желудка и др.), фиброза легких, печени, поджелудочной железы (ПЖ) и т.д. ММР способны модулировать активность факторов роста, цитокинов или их рецепторов. Экспрессия ММР коррелирует с деструктивными изменениями в ЭМ и с туморогенным фенотипом клеток, а также зависит от вида опухоли и ткани. ММР могут участвовать в процессе канцерогенеза, воздействуя на разные пути передачи сигнала в клетке, основные компоненты ЭМ, на межклеточные взаимодействия и т.д. На основании доменной структуры и субстратной специфичности ММР можно разделить на 5 подсемейств:
1) коллагеназы (ММР-1, ММР-8, ММР-13, ММР-18);
2) желатиназы (ММР-2, ММР-9);
3) стромелизины (ММР-3, ММР-10, ММР-11, ММР-19);
4) мембранный тип ММР – МТ-ММР (ММР-14 – ММР-17, ММР-23 – ММР-27);
5) ММР, не относящиеся к известным подсемействам (ММР-7, ММР-12, ММР-19 – ММР-21, ММР-28).

В состав семейства ММТ также входят адамлизины (ADAMs – a disintegrin and metalloproteinase; adamlysins) и ADAMTS (a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin type I motif). Адамлизины являются мембранно-связанными ММР, которые также деградируют аггрекан, но, что более важно, ADAM-17 является фактором некроза опухоли-a (TNF-a) конвертирующим энзимом (TACE), который активирует проTNF-a, запуская, таким образом, воспалительные процессы, в том числе и панкреатит. Функции ADAMTSs включают разрушение коллагена, аггрекана, верзикана и бревикана, ингибирование ангиогенеза, поддержание коагуляционного гомеостаза путем разрушения протеазы фактора Виллебранда, участие в органогенезе, эмбриогенезе, воспалении.
ММР относятся к «индуцируемым» ферментам, транскрипция которых зависит от целого ряда факторов (цитокины, факторы роста и некроза опухолей, химические агенты и др.). Исключение составляет желатиназа А (ММР-2), экспрессия которой происходит по конститутивному пути. Эти различия в регуляции транскрипции объясняются, в частности, различиями в строении промоторов ММР.
ММР секретируются клетками в виде неактивных ферментов – проMMP или зимогенов. Плазмин и активатор плазминогена урокиназного типа, которые инициирует отщепление пропептида, являются основными физиологическими активаторами ММР, причем в этом процессе участвуют некоторые ММР, находящиеся в активной форме (например, проMMP-1 активируется MMP-7, MMP-7 может активировать проMMP-9 до 50% активности. Кроме того, ММР могут активироваться эластазой лейкоцитов (на 50%) или трипсином, который полностью активирует проММР-7. Все зимогены ММР содержат в пропептиде консервативную последовательность PRCGV/NPD, в которую входит остаток Cys, образующий координационную связь с атомом Zn2+ в активном центре. Активация проферментов происходит с помощью протеиназ, а также тиолмодифицирующих и хаотропных агентов, разрушающих это взаимодействие и осуществляющих гидролиз в указанной области. Например, стромелизин-3 (ММР-11) и все МТ-ММР (Membrane-type ММР – трансмембранные протеиназы с коротким цитоплазматическим доменом и экстрацеллюлярным каталитическим доменом) активируются внутри клетки с помощью фурина – сериновой протеиназы аппарата Гольджи, гидролизующей специфическую последовательность RXKR. Увеличение концентрации ММР-2 на поверхности клеток может происходить за счет связывания ММР-2 с интегрином aVb3, а в случае ММР-9 – за счет ассоциации ММР-9 с кластером дифференцировки – СD44.

В физиологических условиях есть 2 основных пути регуляции активности ферментов: активация зимогенов и взаимодействие со специфическими тканевыми ингибиторами – tissue inhibitor of matrix metalloproteinase (TIMP), которые стехиометрически избирательно связываются с проММР и активными ММР. В настоящее время хорошо изучены четыре TIMP. Формирование фиброза происходит вследствие нарушения баланса между процессами синтеза и распада ЭМ в сторону преобладания процессов образования внеклеточных матриксных компонентов, что может быть вызвано разными факторами – как снижением активности ММР, разрушающих ЭМ, так и увеличением активности или количества их ингибиторов – ТIMP. Например, высокая экспрессия ММР-2 связана со снижением выживаемости при колоректальном раке (КРР), а высокая экспрессия TIMP-3, TIMP-4 ассоциирована с большей продолжительностью жизни при КРР. При аденокарциноме ПЖ экспрессия TIMP-2 является более важной, чем экспрессия ММР-2 и ММР-9: высокая экспрессия TIMP-2 достоверно ассоциирована с лучшей выживаемостью пациентов. По последним данным, члены семейства TIMP могут контролировать пролиферацию и апоптоз клеток независимо от механизма ингибирования ММР, что может быть использовано в терапевтических целях.

Отдельно оценивать уровни экспрессии ММР или их ингибиторов нецелесообразно, поскольку определяющее значение для протеолиза в итоге имеет нарушение их баланса: например, в норме в почке соотношение экспрессии ММР-2/TIMP-2 равно 1, а при раке почки – 4,86. Среди пациентов с хроническим вирусным гепатитом В уровни TIMP-1, соотношение TIMP-1/MMP-1, mRNA экспрессия TIMP-1 (TIMP-1mRNA) и TIMP-1mRNA/MMP-1mRNA были значительно выше, чем у здоровых пациентов [16]. Отмечена положительная корреляция показателей TIMP-1, TIMP-1/MMP-1 и TIMP-1mRNA и отрицательная – уровня MMP-1 с выраженностью фиброза и степенью воспаления печени.
Активность ферментов в тканях зависит от уровня экспрессии их генов и от наличия активаторов и ингибиторов. VEGF-A (vascular endothelial growth factor – сосудисто-эндотелиальный фактор роста) индуцирует экспрессию ММР и тканевого активатора плазминогена, которые участвуют в разрушении базальной мембраны сосуда при ангиогенезе. Стимулирует продукцию ММР, в частности ММР-2, базиджин (basigin – BSG, extracellular matrix metalloproteinase inducer – EMMPRIN, CD147), гликопротеин с высокой экспрессией в опухолевых клетках. Модуляторами экспрессии ММР также являются эпидермальный и трансформирующий факторы роста (EGF, TGFb-1), TNF-a, интерлейкин-1b, интерлейкин-8, интерлейкин-17, интерферон-g и т.д. Ингибируют экспрессию ММР остеокальцин, доксициклин, ретиноиды, гликозаминогликаны, полифенолы зеленого чая, борорганические ингибиторы ММР, в частности трисборонат 14, пропранолол, глюкозамин сульфат активирует фактор транскрипции NF-kВ и как следствие блокирует интерлейкин-1-зависимую экспрессию ММР. Синтезированы блокаторы ММР-2 – батимастат (BB 94), маримастат (BB 2516, TA 2516).
В последние 10 лет во всем мире в несколько раз возросла заболеваемость острым, хроническим панкреатитом и раком ПЖ, что связывают как с экзогенными (алкоголь, курение), так и с эндогенными факторами (генетические мутации, ассоциированные с наследственным панкреатитом). Во всем мире активно изучается влияние ММР на развитие патологических процессов в ПЖ, что помогает понять механизмы формирования воспалительного процесса, фиброза, новообразований, развития осложнений. Учитывая основные эффекты ММР, вполне закономерно во многих исследованиях был выявлен повышенный уровень ММР при злокачественных заболеваниях ПЖ.

Экспрессия ММР выше при онкологическом поражении, чем при воспалении ткани: наибольшее повышение уровня ММР-9 выявлено у пациентов с раком ПЖ и дуктальной аденокарциномой ПЖ по сравнению с больными хроническим панкреатитом или здоровыми. Злокачественные клетки экспрессируют и выделяют гликопротеин базиджин, который осуществляет взаимодействие между звездчатыми и опухолевыми клетками, что способствует прогрессии панкреатического рака. Продукция ММР опухолевой клеткой ассоциируется с большой вероятностью метастазирования и высокой стадией опухолевого процесса: экспрессия ММР-7 (matrilysin) достоверно коррелирует со стадией аденокарциномы ПЖ. Пациенты с ММР-7-положительными опухолями имели значительно более короткую среднюю продолжительность жизни. Уровень ММР-9 признан независимым прогностическим фактором рака ПЖ. Не все ММР могут служить маркерами метастазирования опухолей: ММР-2, ММР-7, ММР-9, ММР-26 являются маркерами инвазивности аденокарциномы ПЖ, а ММР-21 и MT3-MMP – нет. ММР-2 играет важную роль в развитии десмопластической реакции при панкреатическом раке [34]. Под действием ММР-7 происходит ацинарно-дуктальная метаплазия, т.е. трансдифференциация в дуктальноподобный метапластический эпителий ПЖ. Выявлена аберрантная экспрессия ADAM-17/TACE при панкреатической дуктальной аденокарциноме, что позволило авторам предложить ADAM17/TACE в качестве диагностического маркера между раком и хроническим панкреатитом. Кроме того, VEGF, MMP-2 и ММР-9 являются важными промежуточными молекулами, которые передают ZIP4-индуцированный сигнал каскада при панкреатическом раке (ZIP4 – транспортер цинка).

ММР способны ремоделировать поврежденную при воспалении ткань ПЖ, в том числе путем регуляции функции периацинарных миофибробластов. Экспрессия ММР, особенно желатиназ и стромелизинов, по данным большинства авторов, повышается при панкреатите и коррелирует со степенью тяжести и осложнениями заболевания, снижаясь при улучшении состояния пациентов. Уровни MMP-1, TIMP-1 и TNF-a были значительно выше у пациентов с более тяжелым течением острого панкреатита с наличием его осложнений и у невыживших пациентов по сравнению с неосложненным течением панкреатита и выжившими больными. Причем уровень ММР-9 при остром панкреатите был достоверно выше, чем при абдоминальной боли другой этиологии, уровни ММР-2 и TIMP-2 были выше при алкогольном панкреатите по сравнению с аутоиммунным [47]. В эксперименте было показано, что низкая экспрессия ММР (в частности ММР-2 и ММР-9) сопровождается большей выживаемостью при остром панкреатите: введение ингибитора ММР батимастата (ВВ 94) позволило выжить всем животным, тогда как в контрольной группе без батимастата выжили только 50% животных. У больных хроническим панкреатитом экспрессия MMР-1 и MMР-9 снижалась по мере нарастания фиброза в ПЖ, но уровни TIMPs оставались неизменными.

В других исследованиях при экспериментальном панкреатите отмечено значительное повышение уровня ММР-1 и ММР-2, но уровень ММР-9 не повышался. Такие разночтения могут быть обусловлены разной периодичностью анализа ММР, например, уровень ММР-2 снизился через 8 ч после церулеининдуцированного экспериментального панкреатита, MMP-9 – через 24 и 32 ч, а уровень ММР-2 оставался неизменным. Активность ММР-3 и ММР-9 возрастала через 12 ч после индукции экспериментального панкреатита, активность ММР-2 – через 24 ч, а активность ММР-3 и TIMP-2 – через 2 сут. По другим данным, максимальный уровень ММР-9 в сыворотке крови (768 нг/мл) был отмечен через 1 ч после госпитализации пациентов с острым панкреатитом и незначительно снижался через 24 ч – до 708 нг/мл.
Таким образом, сопоставление в едином протоколе обследования больных с патологией ПЖ, особенно с подозрением на рак, клинико-инструментальных данных, биохимических и молекулярно-генетических характеристик, в частности уровня и экспрессии ММР, имеет практическое значение в улучшении диагностики заболевания и его осложнений, в выборе адекватного метода лечения, в более точном определении индивидуального прогноза течения, поскольку мультипотенциал ММР позволяет не только приостановить воспаление и фиброз в ПЖ, но и контролировать неопластический рост в ПЖ и его инвазию в окружающие органы.

Литература
1. Nagase H, Woessner JF. Matrix Metalloproteinases. J Biol Chem 1999; 274 (31): 21491–4.
2. Клишо Е.В., Кондакова И.В., Чойнзонов Е.Л. и др. Прогностическая значимость протеаз у больных плоскоклеточными карциномами головы и шеи. Бюллетень СО РАМН. 2005; 2 (116): 82–91.
3. Troeberg L, Nagase H. Analysis of TIMP expression and activity. Methods Mol Med 2007; 135: 251–67.
4. Bode W, Fernandez-Catalan С, Tschesche H et al. Structural properties of matrix metalloproteinases. Cell Mol Life Sci 1999; 55: 639–52.
5. Lehrke M, Greif M, Broedl UC et al. MMP-1 serum levels predict coronary atherosclerosis in humans. Cardiovasc Diabetol 2009; 8: 50.
6. Jefferis BJ, Whincup P, Welsh P et al. Prospective study of matrix metalloproteinase-9 and risk of myocardial infarction and stroke in older men and women. Atherosclerosis 2009; 19.
7. Соловьева Н.И. Матриксные металлопротеиназы: регуляция активности и роль в процессе онкогенеза. Вопр. мед. химии. 2000; 5: 30–1.
8. Malemud CJ. Matrix metalloproteinases (MMPs) in health and disease: an overview. Front Biosci 2006; 11: 1696–701.
9. Porter S, Clark IM, Kevorkian L, Edwards DR. The ADAMTS metalloproteinases. Biochem J 2005; 386 (Pt 1): 15–27.
10. Kazushi I, YasuoY, Isao N et al. Matrix metalloproteinase 7 (Matrilysin) from human rectal carcinoma cells. Activation of the precursor, interaction with other matrix metalloproteinases and enzymic properties. J Biol Chem 1995; 270 (12): 6691–7.
11. D’Alessio S, Ferrari G, Cinnante K et al. Tissue inhibitor of metalloproteinases-2 binding to membrane-type 1 matrix metalloproteinase induces MAPK activation and cell growth by a non-proteolytic mechanism. J Biol Chem 2008; 283 (1): 87–99.
12. Woessner JFJr. MMPs and TIMPs – an historical perspective. Mol Biotechnol 2002; 22 (1): 33–49.
13. Hilska M, Roberts PJ, Collan YU et al. Prognostic significance of matrix metalloproteinases-1, -2, -7 and -13 and tissue inhibitors of metalloproteinases-1, -2, -3 and -4 in colorectal cancer. Int J Cancer 2007; 121 (4): 714–23.
14. Giannopoulos G, Pavlakis K, Parasi A et al. The expression of matrix metalloproteinases-2 and -9 and their tissue inhibitor 2 in pancreatic ductal and ampullary carcinoma and their relation to angiogenesis and clinicopathological parameters. Anticancer Res 2008; 28 (3B): 1875–81.
15. Melendez-Zajgla J, Del Pozo L, Ceballos G, Maldonado V. Tissue inhibitor of metalloproteinases-4. The road less traveled. Mol Cancer 2008; 7: 85.
16. Zhang BB, Cai WM, Weng HL et al. Diagnostic value of platelet derived growth factor-BB, transforming growth factor-beta1, matrix metalloproteinase-1, and tissue inhibitor of matrix metalloproteinase-1 in serum and peripheral blood mononuclear cells for hepatic fibrosis. World J Gastroenterol 2003; 9 (11): 2490–6.
17. Di Carlo C, Bonifacio M, Tommaselli GA et al. Metalloproteinases, vascular endothelial growth factor, and angiopoietin 1 and 2 in eutopic and ectopic endometrium. Fertil Steril 2009; 91 (6): 2315–23.
18. Gabison EE, Hoang-Xuan T, Mauviel A et al. EMMPRIN/CD147, an MMP modulator in cancer, development and tissue repair. Biochimie 2005; 87 (3–4): 361–8.
19. Bister V, Skoog T, Virolainen S et al. Increased expression of matrix metalloproteinases-21 and -26 and TIMP-4 in pancreatic adenocarcinoma. Mod Pathol 2007; 20 (11): 1128–40.
20. Varga F, Rumpler M, Spitzer S et al. Osteocalcin attenuates T3- and increases vitamin D3-induced expression of MMP-13 in mouse osteoblasts. Endocr J 2009; 56 (3): 441–50.
21. Sochor M, Richter S, Schmidt A еt al. Inhibition of matrix metalloproteinase-9 with doxycycline reduces pancreatitis-associated lung injury. Digestion 2009; 80 (2): 65–73.
22. Фефилова И. Дермагенетика – новые возможности для эстетической медицины. Les Nouvelles Esthetiques 2008; 1.
23. Ali HA, Berkovitz R, Reich R, Srebnik M. Matrix metallo-proteinase (MMP-2) organoboronate inhibitors. Arch Pharm (Weinheim) 2004; 337 (4): 183–7.
24. Guo K, Ma Q, Wang L еt al. Norepinephrine-induced invasion by pancreatic cancer cells is inhibited by propranolol. Oncol Rep 2009; 22 (4): 825–30.
25. Беловол А.Н., Князькова И.И. Клиническая эффективность медленнодействующих препаратов у больных с деформирующим остеоартрозом. Здоров’я Украины. 2008; 11 (1): 89–92.
26. Botos I, Scapozza L, Zhang D et al. Batimastat, a potent matrix metalloproteinase inhibitor, exhibits an unexpected mode of binding. Proc Nat Acad Sci USA 1996; 93 (7): 2749–54.
27. Bramhall SR. The matrix metalloproteinases and their inhibitors in pancreatic cancer. Int J Pancreatol 1997; 21 (1): 1–12.
28. Григорьева И.Н. Наследственные панкреатиты. Клин. перспект. гастроэнтерол., гепатол. 2007; 6: 27–30.
29. Mroczko B, Lukaszewicz-Zajac M, Wereszczynska-Siemiatkowska U at al. Clinical significance of the measurements of serum matrix metalloproteinase-9 and its inhibitor (tissue inhibitor of metalloproteinase-1) in patients with pancreatic cancer: metalloproteinase-9 as an independent prognostic factor. Pancreas 2009; 38 (6): 613–8.
30. Zhang Y, Chen C, Yao Q Li M. ZIP4 upregulates the expression of neuropilin-1, vascular endothelial growth factor, and matrix metalloproteases in pancreatic cancer cell lines and xenografts. Cancer Biol Ther 2010; 9 (3).
31. Tian M, Cui YZ, Song GH et al. Proteomic analysis identifies MMP-9, DJ-1 and A1BG as overexpressed proteins in pancreatic juice from pancreatic ductal adenocarcinoma patients. BMC Cancer 2008; 8: 241.
32. Yamamoto H, Itoh F, Iku S et al. Expression of matrix metalloproteinase in human pancreatic adenocarcinomas: clinicopathologic and prognostic significance of matrilysin expression. J Clin Oncol 2001; 19 (4): 1118–27.