病生理PBL-心力衰竭

1、 病生理PBL基质金属蛋白酶及其抑制因子在心衰中的作用病生理PBL-心力衰竭基质金属蛋白酶及其抑制因子在心衰中的作用基础医学院05级临床5班第2组（9050153290501537）王宇 毕海 孙卓然 张沫 万苡辰 曹轲基质金属蛋白酶及其抑制因子在心衰中的作用王宇 毕海 孙卓然 张沫 万苡辰 曹轲摘要近年来，科学家发现细胞外基质(extracellular matrix, ECM)的重构在心脏重构中占有核心地位。而在心脏ECM重构中基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)发挥了至关重要的作用。MMPs是一类蛋白水解酶，它参与了人体尤其是心血管系统中的众多生

2、理及病理活动。无论是临床检测，还是动物实验，都已证明了MMPs与导致心衰的梗死后心脏重塑之间存在着重要联系。另一方面，许多实验发现MMPs的特异性组织抑制因子TIMPs的含量在心脏病模型中都有不同程度的下降，但其在发病中的具体作用机制尚需进一步研究。本文主要介绍MMPs和TIMPs在心脏ECM重构中的作用，基于此，我们还将探讨是否可能通过增强TIMPs的表达或直接抑制MMPs的活性来减缓心衰的发病进程。这将有可能成为抑制心衰药物的新靶点。关键词 CHF；MMP；TIMP；基质重构1概述充血性心力衰竭(congestive heart failure, CHF)发展过程中，心脏发生几何形状和心肌

3、结构的改变称为心脏重构，它不仅表现为心肌细胞的重构，如凋亡、肥大、坏死、延长和心肌肥厚等，还表现为心肌细胞外基质(extra-cellular matrix, ECM)的重构，即胶原合成和降解之间的动态平衡以及心肌外基质胶原网络的破坏和消失 沈文俊，马端。基质金属蛋白酶与充血性心力衰竭时心脏重构。临床心血管杂志，2004，20(6): 379-381。心室重构是决定心脏病患者心功能及其预后的主要因素之一，而心脏基质成分合成或降解代谢失平衡是其发生的一个重要原因。心脏基质在维护心脏结构和功能完整性方面起着重要的作用。基质重构可引起心肌纤维化和进行性心室扩张，最终导致心力衰竭 杨志宏，郑兴。基质金

4、属蛋白酶、金属蛋白酶组织抑制剂在心室重构中的作用和调节。心血管学进展，2002，23(5): 289-291。MMPs是一组特异地降解ECM成分、参与心脏重构的酶家族，是重构过程中心脏基质降解的主要因素。在衰竭心脏中，MMPs活性升高可导致纤维胶原降解、细胞外基质重构和进行性心室扩张。对MMPs的调节可发生在转录前和转录后，这分别是通过底物间的相互作用和金属蛋白酶组织抑制因子(tissue inhibitor of metalloproteinases, TIMPs)来实现的。由此可见，MMPs、TIMPs及其调节因子间的相互作用从一定程度上决定了心肌纤维化过程的进展。因此，调节心肌MMPs、

5、TIMPs的表达和活性就成为了控制心衰进展中心脏基质重构的重要治疗目标 Jozefa D, Andrzej K, Zbigniew G. The role of matrix metalloproteinases in acute coronary syndromes. European Journal of Internal Medicine, 2007, 18: 463-466.。1.1 MMPs的生物学性质MMPs是一类Zn2+依赖性的内源性蛋白水解酶家族，是ECM降解的主要介质。它不仅在基质降解中起作用，而且也调节胶原的合成。在胚胎植入、炎症细胞转移、伤口愈合等生理过程中表达显著增高，

6、亦参与肿瘤扩散与转移、动脉瘤破裂、风湿性关节炎软骨破坏等病理过程 Lee RT, Lammerding J. Signaling pathways that influence extracellular remodeling. J Card Fail, 2002, 8: 339-343.。MMPs包括3个同源结构域：前肽区结构域、催化结构域和C-末端结构域。前肽区包含一小段信号肽，引导新合成的酶分泌。催化结构域中，与酶活性中心部位Zn2+相结合的3个组氨酸对酶的催化活性是必不可少的。C-末端结构域中含有细胞外蛋白结合位点，而各种MMPs的C-末端序列各不相同，由此造成了各种MMPs特异性的差

7、异 汪砚雨，等。基质金属蛋白酶在心室重构及充血性心力衰竭中的地位。医药论坛杂志，2004，25(11): 78-79。 图1. MMPs的结构示意图 Gary S. Firestein, et al. Firestein: Kalleys textbook of rheumatology, 8th ed. Canada, 2008.MMPs主要分为两种类型、四个亚群 Spinals FG. Matrix metalloproteinases: regulation and dysregulation in the falling heart. Circ Res, 2002, 90(5): 52

8、0-530.。分泌型：分泌型MMPs构成MMPs的大部分，其以前酶或酶原(proMMP)形式分泌到细胞外，在蛋白水解酶的作用下显示出活性。膜结合型(MT-MMPs)：该型MMPs位于细胞膜上，为ECM蛋白降解提供了特定位置；MT-MMPs具有针对其他MMPs的底物识别位点，可识别并激活其他种类的MMPs，为其它MMPs的激活提供了重要的途径。根据结构和组织特异性可分为四个亚群，胶原酶、基质溶解素、明胶酶及MT-MMPs。表1. MMPs的分类 Barrett AJ, Rawlings ND, Woessner JF. Handbook of proteolytic enzymes. Londo

9、n: Academic Press; 1998.MMPs家族成员都有以下6个基本特征：1.能降解ECM。2.以酶原的形式被分泌到ECM中，在适当的条件下被激活而发挥生理作用。3.其活性部位都含有锌离子。4.均需要钙离子保持其稳定性。5.在中性pH值下发挥作用。6.在体内存在有MMPs天然激活剂和抑制剂，后者包括TIMPs及血浆抑制因子2-巨球蛋白。1.2 MMPs的表达和活性调节MMPs的活性主要受转录、前酶活化、内源性特异性抑制等三个水平的调节。MMPs在转录前后均能被调节。多种生长因子和细胞因子能调节MMPs和TIMPs转录，也可影响MMPs产生及其mRNA的稳定性，如表皮生长因子(EGF

10、)、血小板生长因子(PDGF)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、神经生长因子(NGF)、肿瘤生长因子- (TNF-)、白介素-1、6(IL-1、6)、一氧化氮(NO)等可上调MMPs，TNF-可增加MMP-2、MMP-9的表达，可降低MMP-1、MMP-3的表达。c-fos和c-jun组成同源和异源二聚体，可作为转录因子调节MMPs转录 刘焱，等。基质金属蛋白酶及其抑制剂与心脏重构。心血管病学进展，2004: 99-101。前酶（或酶原）的活化在合成之后，MMPs以酶原形式分泌到细胞间质。其活性的封闭是由于在锌离子活性中心附近结合有该MMPs前肽链内所含的一个半胱氨酸，后者阻断了其活性中心

11、与底物的结合 李为民，等。基质金属蛋白酶与心脏重构的关系。国外医学：心血管分册，2001，28(4): 201-203.。MMPs的酶原经过蛋白酶的水解而活化。已发现有3种MMPs的激活方式：1.细胞外有血清蛋白酶介导的逐级放大激活。2.原生质膜上由膜型MMPs介导，认为该机制在细胞转移、降解ECM中起重要作用。3.细胞内激活 沈丽娟，等。心力衰竭时基质金属蛋白酶的变化及其治疗对策。医学综述，2007，13(17): 1339-1341。图2酶原活化示意图6已发现MMPs有两种内源性抑制剂：一类是TIMPs，包括TIMP-1、-2、-3和-4；另一类是MMPs的血浆抑制剂2-巨球蛋白。所有TI

12、MPs具有大致相同的结构：N端功能区的半胱氨酸残基与MMPs的锌离子活性中心结合，C端功能区与MMPs的其它部位结合。TIMPs与已激活的MMPs呈1:1结合（摩尔比）而形成MMP/TIMP复合体，从而阻断MMPs与底物结合，抑制MMPs的活性，是一种转录后调节机制。TIMPs与MMPs之间存在一定程度的抑制特异性。2CHF与基质重构心脏有心肌细胞、非心肌细胞（包括成纤维细胞、血管平滑肌细胞、内皮细胞等）及ECM组成。ECM是存在于细胞间隙、肌束之间及血管周围的结构糖蛋白、蛋白多糖及糖氨聚糖的总称。其中最主要的是纤维状的I型和III型胶原。它们与少量其它胶原（IV、V、VI等）组成胶原网络，构

13、成是心肌细胞、血管及神经末稍能有序组合起来的骨架和网络，而且参与力的传递及整合，是决定心肌伸展及回弹性能（僵硬度）的重要因素 吴立玲，等。病理生理学。北京：北京大学医学部出版社，2003。在心力衰竭患者的心肌中，ECM发生了数量、组成和结构的变化，即心肌纤维化。相对于反应性心肌纤维化，心衰时更为主要的是替代性纤维化，即胶原纤维在心肌细胞间过多的累积。替代性纤维化发生在心肌细胞死亡之后1。心肌纤维化是因胶原不成比例的堆积，心室变硬，从而阻碍收缩舒张功能。心肌纤维化时，细胞外间质蛋白将心肌细胞分隔开从而损伤了细胞间的电交联。同时，毛细血管的密度下降，氧弥散距离增加，导致细胞缺氧。因此，心肌纤维化影

14、响心肌的代谢与性能，最终影响心室功能，导致心力衰竭10。3MMPs与基质重构 在心衰发展过程中，可以观察到心肌中MMPs的活性的改变。心肌MMPs对心肌ECM有特异的降解作用，在心肌发生局部损伤如梗死时，MMPs会被激活，造成胶原丰度、组成和三维共建结构的改变。利用慢性左室衰竭动物模型实验发现，随着左室扩大和泵功能障碍的发展，心肌MMPs水平呈时间依赖性增加，同时伴有ECM结构成分的改变 陈晓锋，顾振纶，唐礼江.基质金属蛋白酶在心衰中作用的研究进展.中国药理学通报,2004,20(2):137-140.。许多实验证实了MMPs在ECM重构过程中起到了重要作用，比如心脏特异性MMP-1的过度表达

15、可导致左心室的重构，最终导致心衰；MMP-9基因的敲除可减弱LV的扩张，减少梗死部位胶原的沉积；MMP可作用于细胞内的收缩结构，导致心肌收缩功能的降低 Paul W.M. FedakT, Subodh Verma, Richard D. Weisel, Ren-Ke Li. Cardiac remodeling and failure From molecules to man. Cardiovascular Pathology ,2005,14: 49 60.。在心衰终末期心肌中MMPs表达种类丰富，存在MMPs激活现象，一些能降解许多胶原和基底膜成分的MMPs表达增加，同时伴随有纤维胶原结

16、构的减少。并且，在不同的心衰类型中，并非所有的基质金属蛋白酶水平都上调，比如MMP2在扩张型心肌病标本中表达增加，而在冠心病心肌标本中表达并不改变；MMP13在正常心肌中表达水平很低，而在终末期CHF心肌中则表达明显增加13。MT-MMPs活性增加可能会改变细胞粘附分子与ECM的接合，从而影响细胞骨架和细胞内信号传导，MT1-MMP包含有其它MMP的底物识别点，可激活ECM内的其它MMPs，在ECM降解中具有重要作用，利用免疫荧光染色法发现扩张型心肌病病人衰竭心肌标本中MT-MMPs表达明显高于正常心肌。4TIMPs与基质重构基质金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）可调节MMPs的活性，TIMPs家

17、族由TIMP1、2、3、4组成，TIMPs通过与MMPs结合形成复合物，从而抑制有活性或无活性的MMPs：(1)在酶原活化阶段，可与pro-MMP形成稳定的复合体，并阻碍其自我合成；(2)在活化的MMP阶段，可直接与活化的MMP以1:1比例非共价结合，进而抑制其活性。临床实验及一些基因研究表明TIMPs在心脏疾病中的重要作用，发现心衰时TIMPs会下调。TIMPs可在内源性和环境刺激因子的作用下表达，维持ECM代谢的平衡状态。TIMPs在细胞生长、增殖和凋亡中起到重要作用，有时不依赖MMP的作用。各种不同的TIMPs在终末期心衰中表达下调，导致MMP活性亢进。在CHF发展中出现内源性MMPs抑

18、制性调控丧失，MMPs表达增加和激活，从而导致MMP/TIMP平衡失调，心衰心肌中存在的MMP/TIMP的不平衡有利于保持MMPs的持续性活性、ECM的蛋白水解和相应的心肌重构。MMP/TIMP的平衡失调受许多信号传导通路影响，局部浓度依赖性的生物活性分子的释放，可使重构心肌内MMPs和TIMPs不平衡，如MMPs和TIMPs在TNF-过表达的小鼠内活性不协调，即MMP活性增高，而TIMP活性却不增加；去甲肾上腺素、内皮素、血管紧张素能增加离体心肌细胞特定MMPs的合成；血小板衍生生长因子（PDGF）、EGF、TNF-可上调缺血心肌和心衰心肌MMPs的表达；另外压力负荷等物理刺激因素，如左室壁

19、压力的持续升高也能增加MMPs的活性13，造成MMP/TIMP平衡失调，进一步导致细胞外基质重构。5总结与展望由于MMPs和TIMPs在梗死后心脏重塑中所起的重要作用，人们已经考虑通过增强TIMPs的表达或直接抑制MMPs的活性，来减缓心衰的发病进程。但是，近期有临床实验对于一些选择性MMP抑制剂如PG-116800是否能够真正抑制梗死后心脏重塑产生质疑，他们发现临床应用与动物实验的数据并不相符 Michael P. Hudson, Paul W. Armstrong, et al. Effect of selective matrix metalloproteinase inhibitor (PG-116800) to p