CC BY
24
СРОЧНО В НОМЕР
УДК 611.233: 616.233
РОЛЬ МАТРИКСНОЙ МЕТАЛЛОПРОТЕИНАЗЫ-7 В РАЗВИТИИ ФИБРОЗА ЛЕГОЧНОЙ ТКАНИ ПРИ БРОНХОЛЕГОЧНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ
A.A. Турна1
ФГУЗ Клиническая больница № 83 ФМБА России, Москва
При бронхолегочной патологии отмечается активация системы протеолиза, которая наступает при нарушении равновесия в системе протеазы/антипротеазы, и семейство матриксных металло-протеиназ (ММП) активно вступает в процессы ремоделирования структуры легочной ткани. Матрилизин — представитель подсемейства неклассифицированных протеиназ системы протеолиза функционально способен разрушать основные компоненты экстра-целлюлярного матрикса, включая эластин, протеогликаны, фибро-нектин, активно участвует в деструкции соединительной ткани.
Ключевые слова: протеолиз, матриксные металлопротеиназы, матрилизин, бронхолегочные заболевания
Key words: proteolysis, matrix metalloproteinases, matrilysin, bronchopulmonary diseases
Система протеолиза рассматривается как особая форма биологического контроля, занимающая центральное место в реализации многочисленных биохимических процессов. В первую очередь она обеспечивает выполнение контрольных механизмов клеточного метаболизма на молекулярном уровне, где наибольшая опасность связана с нарушением биологического равновесия в системе протеазы/антипротеазы и истощением антипротеолитического потенциа-
1 Турна Алия Абдурахмановна — канд. мед. наук, доцент, врач клинической лабораторной диагностики, ФГУЗ Клиническая больница № 83 Федерального медико-биологического агентства, главный специалист по клинической лабораторной диагностике ФМБА России. Тел. 395-63-87. E-mail: turna2605@yandex.ru.
ла. Нарушение этих механизмов может вызвать нерегулируемое протеолитическое расщепление функционально важных белков и неизбежно приводит к повреждению основных систем защиты организма, «гиперпротеолизу» и развитию патологических состояний [1,2]. Все ферменты системы протеолиза по механизму катализируемой реакции подразделяются на 4 семейства: се-риновые, цистеиновые, аспартатные, матриксные металлопротеиназы (ММП) [25,3]. К настоящему времени известно 28 представителей семейства ММП, для условного обозначения которых даются числовые названия, начиная от ММП-1 и до ММП-28 [16]. Наиболее актуальными вопросами системы протеолиза при брон-холёгочных заболеваниях являются проблемы молекулярного регулирования активности ММП, их роль в деструкции соединительной ткани и
формировании фиброза, влияние курения и загрязнений окружающей среды на функциональную активность и диагностическую ценность протеиназ.
Основная задача настоящего обзора — рассмотреть роль матриксной металлопротеиназы 7 (ММП-7, матрилизина) в развитии фиброза легочной ткани при бронхолегочных заболеваниях.
Протеиназы присутствуют во всех без исключения клетках, внеклеточном матриксе и различных биологических жидкостях организма. Главными источниками ММП являются активированные макрофаги, нейтрофилы, фиброб-ласты, их синтез индуцируется рядом провос-палительных цитокинов [6,14]. Для проявления своей протеолитической функции про-ММП нуждаются в активации, которые в основном находятся в неактивном состоянии. Процесс активации наступает после разрыва цинк-цистеи-нового взаимодействия и удаления цистеиновой группы [18].
На основании данных структурной организации и субстратной специфичности в семействе ММП выделены 4 подсемейства: коллагеназы, желатиназы, стромелизины и неклассифицированные ММП [32]. Последние представляют собой достаточно большую и сложную группу ферментов, в состав которой входят и протеина-зы мембраносвязанного типа. Ярким представителем подсемейства неклассифицированных ММП считается ММП-7, которая разрушает основные компоненты экстрацеллюлярного мат-рикса (ЕСМ) соединительной ткани, включая эластин, протеогликаны, фибронектин [11], её активация может быть настолько сильной, что способна вызвать деструкцию соединительной ткани с последующим образованием фиброзной ткани [21].
В 1988 г. Б. Ми11ег, исследуя ген ММП-1 подсемейства коллагеназ, выделил более короткую цепочку ДНК, состоящую из 267 аминокислот, по сравнению с представителями изучаемого подсемейства (477 и 469 аминокислот) и назвал её матрилизином. В то же время было установлено, что ген матрилизина расположен на 11д21-д22 хромосоме [13,22]. Это была 11-я представительница семейства ММП, принимающая активное участие в ремоделировании ЕСМ соединительной ткани. В 1994 г. М. Оа1ге, проводя экспериментальные исследования на моделях здоровых эпителиальных клеток и пораженных
оболочках роговицы крысы, определил её структуру и местоположение в семействе ММП, которая располагалась между ММП-12 и ММП-13, а сама цепочка выглядела следующим образом: ММП-8 - ММП-10 - ММП-1 - ММП-3 -ММП-12 - ММП-7 - ММП-13 [9]. Субстратная специфичность ММП, обеспечивающая функциональные возможности протеиназ, определяется её местоположением. Так. к сегодняшнему дню считается установленным факт расположения желатиназы А (ММП-2) на поверхности интегринов, желатиназы В (ММП-9) на CD 44, матрилизина (ММП-7) на поверхности проте-огликанов [33-35].
Одной из проблем клинической и профилактической медицины остаются всё возрастающие промышленные загрязнения и геохимические изменения внешней среды. Так у лиц, проживающих в промышленных зонах, где воздушное загрязнение окружающей среды характеризуется высоким содержанием реактивных форм кислорода (ROS), аэрозолей тяжелых металлов и увеличением активности ММП-2, ММП-9, ММП-7 [26,27], верхние дыхательные пути открыты для внешней окружающей среды и постоянно подвергаются влиянию микроорганизмов, поэтому можно предположить, что однажды возникшая активация ММП-7 непрерывно поддерживается длительным присутствием этиологического фактора и затяжным «бактериальным воздействием» [30,31]. Однако активность ММП-7 повышена и в здоровых эпителиальных клетках, что свидетельствует о пока неизвестной, дополнительной функции, выполняемой этим ферментом. Высказывается предположение, что он участвует в деградации продуктов апоптоза (физиологической гибели клеток), тем самым участвуя в сохранении клеточного гомеостаза [7].
В последнее время активность ММП интенсивно изучается на моделях животных с различными заболеваниями лёгких [5,36]. Ответ лёгочной ткани на инфекцию представляет собой каскад событий, включающий усиленный синтез провоспалительных цитокинов, приток по-лиморфноядерных нейтрофилов в очаг воспаления и выработку ММП. Эпителиальные клетки воздушных путей чрезвычайно чувствительны к действию бактерий, даже короткое воздействие на эпителий легкого Pseudomonas aeruginosa in vitro заканчивается активацией ММП-7 [4].
Известно, что поврежденные эпителиальные клетки выполняют ряд запрограммированных действий, направленных на восстановление слизистой оболочки лёгочной ткани, регулируемой активностью ММП-7. Установленная зависимость активности ММП-7 от наличия бактериальной инфекции пока не располагает точными механизмами активации. Вероятно, это может быть связано с индуктивным фактором, выделяемым бактериями, который представлен ли-пополисахаридными (LPS) комплексами и частичным управлением активности ММП-7. Полученные результаты указывают на то, что бактериальные факторы могут не только регулировать активность ММП-7 в эпителиальных клетках, моноцитах и макрофагах, но и оказывают своё влияние на направление распространения очага воспаления и формирование «дорожки воспаления». Стимулированная бактериальными продуктами ММП-7 мигрирует по поврежденной воздушной трассе, имея векторное направление к апикальной поверхности эпителия [20]. Механизм продвижения воспаленных клеток к поврежденному участку направляется сигналами, идущими от эпителия, но как они формируются и каковы их хемотак-сические градиенты пока не известно. Однако экспериментальным путем показано, что в случае дефицита в альвеолярной жидкости «heparan sulfate proteoglycan» (линейного полисахарида, расположенного максимально близко к поверхности клетки), хемокинов, syndecan-1 (мембранного белка, имеющего специфический рецептор для белков ЕСМ), нейтрофил, находящийся в интерстициальной ткани, не продвигается к альвеолам. В то время как матрилизин in vitro, подвергнутый воздействию syndecan-1, способствует активному продвижению нейтрофилов и других клеток, участвующих в воспалении, к поврежденному участку [15].
Как отмечалось ранее, эпителиальные клетки восприимчивы к действию бактерий, поэтому с целью установления ранних изменений в состоянии дыхательных путей и характере иммунного ответа в первые часы от начала заболевания была использована «мышиная модель» пневмонии, вызванная Staphylococcus aureus. Экспериментально через 6 ч в дыхательных путях отмечались значительное повышение числа нейтрофи-лов, потеря альвеолярной архитектуры и увеличение содержания коагуляционных белков
[17,24]. Совсем немного известно о регенерации лёгочной ткани после её повреждения. Предполагается, что она имеет значительное сходство с процессом развития лёгочной ткани в эмбриогенезе. Сразу после повреждения легочной ткани отмечается высокая активность ММП-7, ММП-8, ММП-9 [10].
В то же время высокая активность ММП-7 рассматривается и как один из защитных механизмов против бактериальной инфекции. Эпителиальные клетки в ответ на повышение активности ММП-7 увеличивают производство «молекул защиты» с антимикробными свойствами, которые являются первой линией защиты против бактериальных агентов. При этом другие металлопротеиназы (подсемейство коллагеназ и стромелизинов) сразу стимулируют процессы воспаления и принимают активное участие в ограниченном протеолизе. Следует отметить, что «молекулы защиты» с антимикробными свойствами могут воздействовать как на грамположи-тельные, так и грамотрицательные бактерии. Поскольку не доказано прямого действия ММП-7 на бактерии, то высказывается предположение о её участии в регуляции деятельности «молекул защиты», а также перемещении клеток, участвующих в деструкции легочной ткани. Вместе с тем выявлено, что дефицит матрилизина способствует повышению активности бактерий [28].
Изначально высокую активность ММП-7 связывали с развитием легочного фиброза. Иди-опатический легочный фиброз (IPF) затрагивает около 5 млн человек во всем мире и морфологически характеризуется образованием рубцовой легочной ткани. Распространенность у мужчин несколько выше, чем у женщин, и составляет 20,2 и 13,2 соответственно на 100 000 населения. Заболевание сопровождается ранней ин-валидизацией, а трансплантация легких является единственным вариантом продления жизни. Диагноз IPF основывается на гистопатологичес-ком исследовании, при котором выявляются различные типы клеток, участвующие в воспалении, в том числе фибробласты, миофиброб-ласты, и имеет место нарушение строения соединительной ткани со смещением структуры коллагена. Сравнительная характеристика исследования активности ММП-7 в бронхоальве-олярной жидкости у пациентов с IPF, пневмонией, саркоидозом выявила увеличение её активности во всех исследуемых группах [8]. При
этом заболевании на первый план выступают сложные взаимоотношения ЕСМ и протеиназ, сопровождающиеся увеличением активности ММП-1 и ММП-7, однако механизмы их взаимодействия изучены недостаточно. В то же время последние исследования механизмов фиброзиро-вания лёгочной ткани позволили установить, что склонность к развитию данного заболевания может возникать из-за неустойчивости связей между хемокиновыми рецепторами и образованием антител, в частности к ММП-1 и ММП-3 [23,19]. Сегодня управление степенью выраженности фибробластических очагов со стойким распространением фибробластов представляется более важным моментом в предотвращении прогрессирования 1РР, чем процессом воспаления, как предполагалось ранее [29].
Нельзя не отметить значительную роль и перспективу генетических исследований, уверенно дифференцирующих нормальную и фиброзиро-ванную ткань. Экспериментальные исследования позволили показать увеличение активности ММП-7 в лёгочной ткани с нарастанием фиброза. При этом в ответ на интратрахеальное введение блеомицина отмечались одномоментное повышение активности ММП-7 и устойчивость лёгочной ткани к развитию фиброза. Результаты этих исследований дают возможность расценивать высокую активность ММП-7 только как показатель, предшествующий развитию фиброза, при котором отсутствуют четкие доказательства развития фиброза [12,37].
Таким образом, согласно данным литературы, ММП-7 характеризуется повышением активности при острых и хронических заболеваниях бронхолегочной системы. Матрилизин является представителем подсемейства неклассифицированных матриксных металлопротеиназ, обладающий способностью разрушать основные компоненты экстрацеллюлярного матрикса, включая эластин, протеогликаны, фибронектин, активно участвующий в деструкции соединительной ткани. Высокая активность матрили-зина ранее рассматривалась как показатель развития фиброза легочной ткани. Сегодня эта концепция благодаря экспериментальным и клиническим исследованиям подвергнута сомнениям. Результаты последних исследований отмечают одномоментное увеличение активности ММП-7 и устойчивость легочной ткани к разви-
тию фиброза, что позволяет рассматривать высокую активность матрилизина как показатель, предшествующий развитию фиброза.
Повышение активности ММП-7 в здоровых эпителиальных клетках свидетельствует о новой, малоизученной её функции участия в сохранении клеточного гомеостаза. Вместе с тем в ответ на повышение матрилизина эпителиальные клетки увеличивают производство «молекул защиты», обладающих антимикробными свойствами и выступающих первой линией защиты как против грамположительных, так и грамот-рицательных бактерий. Следовательно, можно видеть, что при бронхолегочной патологии отмечается активация системы протеолиза, которая наступает при нарушении равновесия в системе протеазы/антипротеазы, и семейство ММП активно вступает в процессы ремоделирования структуры легочной ткани. Всё увеличивающееся число экспериментальных и клинических исследований матриксных металлопротеиназ открывает новые диагностические возможности использования системы протеолиза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Соловьёва Н.И. Матриксные металлопротеиназы и их биологические функции // Биоорганическая химия. 1998. № 24. С. 217-226.
2. Яровая Г.А. Биорегулирующие функции и патогенетическая роль протеолиза. Современные представления и перспективы // Лабораторная медицина. 2000. № 3. С.19-22.
3. Barrett A.J. Evolution and the structural classification of peptidases // Biomed. Health Res. 1997. Vol. 13. P. 3-12.
4. Cobb L.M., Mychaleckyj J.C., Wozniak D.J., ^pez-Boado Y.S. Pseudomonas aeruginosa Flagellin and Alginate Elicit Very Distinct Gene Expression Patterns in Airway Epithelial Cells: Implications for Cystic Fibrosis Disease // J. Immunol. 2004. Vol. 173. P. 5659-5670.
5. Corry D.B., Rishi K., Kanellis J., Kiss A. et al. Decreased allergic lung inflammatory cell egression and increased susceptibility to asphyxiation in MMP2-deficien-cy // Nat. Immunol. 2002. № 3. P. 347-353.
6. Davies M.J. Reactive oxygen species, metalloproteinas-es, and plaque stability // Circulation. 1998. Vol. 97. P. 2382-2383.
7. Dunsmore S.E., Saarialho-Kere U.K., Roby J.D., Wilson C.L. et al. Matrilysin function and expression in airway epithelium // J. Clin. Invest. 1998. Vol. 102. P. 1321-133.
8. Elkington P.T.G., Friedland J.S. Matrix metalloprotein-ases in destructive pulmonary pathology // Thorax. 2006. Vol. 61. P. 259-266.
9. Gaire M., Magbanua Z., McDonnell S., McNeil L. et al. Structure and expression of the human gene for the ma-
trix metalloproteinase matrilysin // J. Biol. Chem. 1994. Vol. 269. P. 2032-2040.
10. Gerard M., Turino M.D. Proteases in COPD // A Critical Pathway to Injury. Chest. 2007. Vol. 132. P. 17241725.
11. Kheradmand F., Rishi K. The Role of Proteinases in Airway Remodeling // New York: Dekker. 2003. P. 749-765.
12. King T.E.J., Schwarz M.I., Brown K., Tooze J.A. et al. Idiopathic pulmonary fibrosis. Relationship between his-topathologic features and mortality // Amer. J. Respir. Crit. Care Med. 2001. Vol. 164. P. 1025-1032.
13. Knox J.D., Boreham D.R., Walker J.A., Morrison D.P. et al. Mapping of the metalloproteinase gene matrilysin (MMP7) to human chromosome 11q21-q22 // Cy-togenet. Cell. Genet.1996. Vol. 72. P. 179-182.
14. Li J., Schwimmbeck P.L., Tschope C., Leschka S. et al. Collagen degradation in a murine myocarditis model: relevance of matrix metalloproteinase in association with inflammatory induction // Cardiovasc. Res. 2002. Vol. 56. P. 235-247.
15. Li Q., Park P.W., Wilson C.L., Parks W.C. Matrilysin shedding of syndecan-1 regulates chemokine mobilization and transepithelial efflux of neutrophils in acute lung injury // Cell. 2002. Vol. 111. P. 635-646.
16. Lohi J., Wilson C.L., Roby J.D., Parks W.C. Epilysin, a novel human matrix metalloproteinase (MMP-28) expressed in testis and keratinocytes and in response to injury // J. Biol. Chem. 2001. Vol. 276. № 13. P. 10134-10144.
17. Lopez-Boado Y.S., Wilson C.L., Hooper L.V., Gordon J.I. et al. Bacterial Exposure Induces and Activates Matrilysin in Mucosal Epithelial Cells // Cell.Bi-ol. 2000. Vol. 148. № 6. P. 1305-1315.
18. Maidment J.M., Moore D., Murphy G.P., Clark I.M. Matrix metalloproteinase homologues from Arabidopsis thaliana: expression and activity // J. Biol. Chem. 1999. Vol. 274. P. 34706-34710.
19. Nishijima C., Hayakawa I., Matsushita T., Komura K. et al. Autoantibody against matrix metalloproteinase-3 in patients with systemic sclerosis // Clin. Exp. Immunol. 2004. Vol. 138. P. 357-363.
20. Parks W.C., Lopez-Boado Y.S., Wilson C.L. Matrilysin in epithelial repair and defense // Chest. 2001. Vol. 120. P. 36-41.
21. Parks W.C., Wilson C.L., Lopez-Boado Y.S. Matrix metalloproteinases as modulators of inflammation and innate immunity // Nat. Rev. Immunol. 2004. № 4. P. 617-629.
22. Pendas A.M., Santamaria I., Alvarez M.V., Pritchard M. et al. Fine physical mapping of the human matrix metalloproteinase genes clustered on chromosome 11q22.3 // Genomics 1996. Vol. 37. P. 266-269.
23. Pignatti P., Brunetti G., Moretto D., Yacoub M.R. et al. Role of the chemokine receptors CXCR3 and CCR4 in human pulmonary fibrosis // Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 2006. Vol. 173. P. 310-317.
24. Radisky D.C., Przybylo J.A. Matrix Metalloprotein-ase—induced Fibrosis and Malignancy in Breast and Lung // Amer. Thor. Soc. 2008. № 5. P. 316-322.
25.Rawlings N.D., Barrett A.J. Evolutionary families of metallopeptidases // Meth. Enzymol. 1995. Vol 248. P. 183-228.
26. Su W.Y., Jaskot R.H., Dreher K.L. Particulate matter induction of pulmonary gelatinase A, gelatinase B, and tissue inhibitor of metalloproteinase expression // Inhalat. Toxicol. 2000. № 12. P. 105-119.
27. Su W.Y., Jaskot R.H., Richards J., Abramson S.R. et al. Induction of pulmonary matrilysin expression by combustion and ambient air particles // Amer. J. Physiol. Lung. Cell. Mol. Physiol. 2000. Vol. 279. P. 152-160.
28. Ventura C.L., Higdon R., Hohmann L., Martin D. et al. Staphylococcus aureus Elicits Marked Alterations in the Airway Proteome during Early Pneumonia // Infect. Imm. 2008. Vol. 76. № 12. P. 5862-5872.
29. Vuorinen K., Myllärniemi M., Lammi L., Piirilä P. et al. Elevated matrilysin levels in bronchoalveolar lavage fluid do not distinguish idiopathic pulmonary fibrosis from other interstitial lung diseases // APMIS. 2007. Vol. 115. № 8. P. 969-75.
30. Wilson C.L., Matrisian L.M., Matrilysin Parks, WC Mecham, RP et al. Matrix metalloproteinases //Academic Press. San Diego, USA, 1998. P. 149-184.
31. Wilson C.L., Ouellette A.J., Satchell D.P., Ayabe T. et al. Regulation of intestinal a-defensin activation by the metalloproteinase matrilysin in innate host defense // Sci. 1999. Vol. 286. P. 113-117.
32. Woessner J.F.Jr. Matrix metalloproteinases and their inhibitors in connective tissue remodeling // FASEB J. 1991. Vol. 8. № 5. P. 2145-2154.
33. Yu Q., Stamenkovic I. Cell-surface localized matrix metalloproteinase-9 proteolytically activates TGF-beta and promotes tumor invasion and angiogenesis // Genes Dev. 2000. Vol. 14. P. 163-176.
34. Yu W.H., Woessner J.F. Heparan sulfate proteogly-cans as extracellular docking molecules for matrilysin (matrix metalloproteinase-7) // J. Biol. Chem. 2000. Vol. 275. P. 4183-419.
35. Yu W.H., Woessner J.F., McNeish J.D. Stamenkovic I: CD44 anchors the assembly of matrilysin/MMP-7 with heparin-binding epidermal growth factor precursor and ErbB4 and regulates female reproductive organ remodeling // Genes Dev. 2002. Vol. 16. P. 307-323.
36. Zheng T., Zhu Z., Wang Z., Homer R.J. et al. Inducible targeting of IL-13 to the adult lung causes matrix metalloproteinase- and cathepsin-dependent emphysema // J. Clin. Invest. 2000. Vol. 106. P. 1081-1093.
37. Zuo F., Kaminski N., Eugui E., Allard J. et al. Gene expression analysis reveals matrilysin as a key regulator of pulmonary fibrosis in mice and humans // Proc. Nat. Acad. Sci. 2002. Vol. 99. P. 6292-6297.
Поступила 12.07.2010
