基质金属蛋白酶与心肌重构关系的研究进展

叶玉民(综述)，黄子扬(审校)

(福建医科大学附属第二医院心内科，福建泉州362000)

心肌重构包括心肌细胞重构及细胞外基质(extracellular matrix，ECM)重构两部分。ECM的主要作用是维持心脏的机械特性、结构与完整性，其中胶原是ECM的主要成分。心肌重构时，除心肌细胞发生改变外，胶原亦大量产生，导致ECM比例失衡，发生基质重构。心脏ECM的动态平衡主要由基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)家族来维持。MMPs是一组锌离子和钙离子依赖的内源性蛋白水解酶，其主要功能是降解ECM成分，在组织塑形中起着重要作用，广泛参与体内血管及心肌重构、炎症损伤修复、器官发育等病理生理过程。金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitors of the matrix metalloproteinases，TIMPs)是 MMPs的内源性特异抑制剂。MMPs/TIMP失平衡，在心肌重构中起着重要作用。诸多研究显示，MMPs及其抑制剂的表达或活性异常与心肌重构的发生、发展密切相关。

1 MMPs概述

MMPs是一组锌依赖性的内源性蛋白酶家族，可分为分泌型和膜型两大类。分泌型MMPs按其结构和底物选择性分为明胶酶(MMP-2和MMP-9)、胶原酶(MMP-1、MMP-8和 MMP-13 等)、基质酶(MMP-3、MMP-10等)。膜型 MMPs包括 MMP-14、MMP-15、MMP-17及MMP-25等。MMPs多以酶原的形式存在，一旦被激活，活化的酶将共同降解 ECM成分，导致ECM比例失衡，发生基质重构。MMPs的表达和活性主要受一系列神经内分泌因素、细胞因子、活性氧等因素的影响，在转录水平、酶原激活水平及特异性抑制剂水平均能被调节。

2 MMP系统的调节与激活

MMPs的激活可受到多种因素的调节，如细胞因子、内分泌激素、氧化应激等。这些因素通过调节MMPs的转录、酶原激活和抑制物水平，激活某种MMP分子，然后通过MMPs间互相作用的级联放大反应，发挥生物学效应。

2.1 转录水平的激活 MMPs的基因启动子上含有许多的作用元件，如TATA盒、四佛波醇乙酸酯(TPA)应答元件、多瘤病毒增强子A3、激活蛋白1(activator protein 1，AP-1)结合部位、TIE启动区域等。许多内分泌激素、细胞因子可通过作用于这些启动子元件而调节MMPs的转录。主要的致心肌重构因子血管紧张素Ⅱ与其1型受体结合后，可通过激活转录因子STATs与核因子 κB(nuclear factor kappaB，NF-κB)等激活 AP-1信号通路［1］。部分MMPs可通过其上的AP-1结合位点和NF-κB结合部位［2］而激活。同时血管紧张素Ⅱ还可与其2型受体结合，调节核因子κB的信号通路，抑制下游效应分子的表达［3］，从而对MMPs的激活形成反馈抑制。利钠肽受体1基因突变可使大鼠MMP-2、MMP-9表达上调，而TIMP-1和TIMP-2的表达则下降，NF-κB 的活性也上调［4］。TGF-β1能直接调节NF-κB的基因表达，从而调节 MMPs的表达［5］;同时，TGF-β1还能刺激心肌细胞Smads3依赖型基因的表达，促进Smads磷酸化，与胞核中TIE启动区域结合，活化下游基因。部分MMPs(如MMP-1、MMP-7等)含有TIE启动区域而启动转录［6］。

2.2 酶原的激活 人体内有13种MMPs是以前体或酶原的形式分泌到细胞外，其激活需要外源性酶切断活性前区片度而获得。MMPs酶原含有一个蛋白酶敏感的基团，组织、细胞膜上以及机会致病菌上的蛋白酶可以通过与该基团的作用而激活MMPs。但是蛋白酶只能部分降解酶原，要完全降解MMPs酶原形成有活性的MMPs需要通过其他激活的MMPs，这就形成了MMPs的级联放大反应。MMPs酶原末端含有酶原转化酶识别序列RX［K/R］R，这使MMPs酶原可以在细胞内激活，并以有活性的形式分泌胞外或者表达于细胞膜上。MMPs酶原是由组织特异性的酶所激活，并由组织内的抑制剂或蛋白水解酶灭活。如MT1-MMP，它可被迅速胞吞到细胞内，然后有活性的表达于细胞表面［7］。在动脉粥样硬化的巨噬细胞中，弗林蛋白酶和PC5是在胞内激活MT1-MMP酶原的酶原转化酶［8］。

2.3 MMPs的抑制物 目前发现体内MMPs的天然抑制剂有两类:α2巨球蛋白(α2-macroglobulin，α2-M)和TIMPs。人类的 α2-M是相对分子质量为750×103的血浆糖蛋白，由四个完全一样的相对分子质量为180×103的亚基组成。它通过将巨球蛋白插入到MMPs中形成复合物，复合物可迅速被受体(低密度脂蛋白受体相关蛋白1)介导的胞吞作用吞入胞内而抑制MMPs的活性。TIMPs是MMPs的天然组织抑制剂，由 TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-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克分子比例非共价结合，进而抑制其活性。尽管每种TIMP都能抑制所有的MMPs，但目前研究表明，TIMP-1和TIMP-2沉默的小鼠不会存在明显异常改变;而TIMP-3沉默的小鼠将出现肺气肿样的肺泡损害，并加速断奶后乳房上皮细胞的凋亡［9］。因此，TIMP-3可能是体内非常重要的MMPs抑制剂。

3 MMPs介导心肌重构相关疾病的实验证据

3.1 MMPs/TIMP与急性冠状动脉综合征 已有大量的临床研究检测MMPs与TIMPs在急性冠状动脉综合征/心肌梗死后心室重构的发病过程中的变化。总结这些研究发现，不同的MMPs会在急性冠状动脉综合征发病后不同的时期(早期数天，晚期数月)发生变化。Webb等［10］发现，心肌梗死后患者血清MMP-9在第1天即持续明显升高;MMP-8水平会在第3天开始升高，并在第5天恢复至正常水平;TIMP-1在第1天后即开始升高，而TIMP-2只有到了数月后才开始升高;TIMP-4则在第5天后开始持续下降。Orn等［11］研究心肌梗死后1个月、1年及4年后患者血清MMP-9、MMP-2水平，结果显示MMP-9在三个时间点均升高，而MMP-2则只在早期(1个月)升高，到了晚期(1年、4年)下降。Fukuda等［12］发现，急性心肌梗死和不稳定型心绞痛患者的MMP-9水平较稳定型心绞痛患者明显升高，且在急性心肌梗死与不稳定型心绞痛中，发生斑块破裂患者的MMP-9水平较未发生斑块破裂的患者明显升高。Kelly等［13］发现，MMP-3在心肌梗死后12 h内开始升高，在24～48 h达到高峰并维持在这一水平。

3.2 MMPs/TIMPs与高血压 与基质代谢密切相关的酶如MMPs及其TIMPs在高血压病心肌重构中起着十分重要的作用。测定盐敏感高血压大鼠发现，无论在高血压形成的早期还是晚期，MMPs水平及ECM蛋白量都会增加［14］。MMPs主要通过影响ECM引起心肌肥厚，改变心肌的舒张、收缩功能，在后负荷增加的情况下，不断重构心肌以代偿血流动力学稳定。Sakata等［15］发现，MMPs诱发和促进高血压患者左心室肥厚，ACEI能抑制MMPs预防左心室重构和功能失调，其中MMP-9增高与高血压患者左心室肥厚和舒张功能不全有密切关系。Ahmed等［16］发现，左心室结构功能正常的高血压患者的MMPs/TIMPs比例正常，MMPs/TIMPs比例失调与左心室肥厚、收缩功能异常有密切关系。Franz等［17］发现，高血压左心室肥厚的患者较正常志愿者血清的MMP-9、TIMP-1、TIMP-2、TIMP-4 明显升高。MMPs不仅在原发性高血压中起着重要作用，也是引起肺动脉高压心肌重构的重要因素。Schumann等［18］研究发现，在肺动脉高压的患者中，血浆MMP-2、TIMP-4水平明显升高，测定TIMP-4的水平可以用来评价肺动脉高压治疗效果及心肌重构的程度。MMPs参与了高血压的形成和心血管重构。

3.3 MMPs/TIMP与心力衰竭 心力衰竭是指各种病因致心脏病的严重阶段。它是由于初始的心肌损害和应力作用:包括收缩期或舒张期心室负荷过重和(或)心肌细胞数量和质量的变化，引起心室和(或)心房肥大和扩大，继以心室舒缩功能低下，并不断恶化的临床综合征。MMPs的升高与心力衰竭进展有关。Nishikawa等［19］在鼠心力衰竭模型中发现MMP-2在收缩和舒张功能不全时升高程度相同，而MMP-9则在收缩功能不全时升高较舒张功能不全时更明显。MMPs还与心力衰竭的心功能有关，Yan等［20］研究发现，血清MMP-9升高的水平与左心室射血分数的降低及收缩末期容积的升高相关，MMP-9水平升高提示左心室功能的恶化。Li等［21］发现，心力衰竭患者血清MMP-9、TIMP-1及 MMP-9/TIMP-1比例均明显升高;在经过螺内酯治疗24周后，治疗组心力衰竭患者较未治疗患者血清MMP-9、TIMP-1及MMP-9/TIMP-1比例均有下降。MMPs可降解心肌细胞ECM，使心肌细胞失去ECM的支撑、限制作用。心肌细胞在前后负荷的作用下，细胞增大、肌纤维拉长、室壁变薄、室腔增大、收缩力下降，进而出现心力衰竭。因此，MMPs及TIMPs不但可预测心力衰竭心室重构、心肌纤维化的程度，而且可能在心力衰竭的初始阶段就有参与其病理生理过程。

3.4 MMPs/TIMPs与心肌病 扩张性心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)多可出现MMPs活性增高，同时伴有心室壁变薄、心腔扩大等心肌重构表现，进而引起心功能降低。而心功能不全可引起多种CK的增多，后者作为MMPs的激活剂，使心功能进一步下降。通过临床实验也证实在DCM患者中存在心肌胶原的降解和MMPs活动。庞玉生等［22］研究发现，DCM组大鼠心肌MMP-1在4、8、12周表达水平较相应空白对照组明显上调，说明MMP-1在DCM组的左心室重构的病理过程中起到重要作用。Picard等［23］在研究中发现，在正常或轻度左心室扩张患者中，MMP-1和TIMP-1的表达轻度增强;在中度左心室扩张患者中，两者的表达最高，MMP-1/TIMP-1的比例显著增高;而在重度左心室扩张中，两者的表达反而较中度时减少，MMP-1/TIMP-1比例无明显增高，说明MMPs的表达水平与病情的进展相关。Hsia等［24］在研究儿童与成年DCM的试验中发现:与成年期DCM相比，儿童期DCM患者的MMP-8、MMP-9升高 150%，而 MMP-3、MMP-7下降 30%;TIMP-1、TIMP-2升高2倍，TIMP-3降低41%，说明儿童期与成年期DCM可能具有不同的发病机制。除此之外，研究还发现，在DCM和缺血性心肌病终末期患者中，胶原蛋白和MMPs在左、右心室心肌分布不同，因而推测左、右心室肌中ECM降解有各自特定的模式［25］。

4 展望

MMPs参与了各种心血管疾病发生心肌重构的过程。有研究提示，某些药物及MMPs抑制剂可以阻断MMPs的功能，因此，作为一个新的治疗靶点，为心血管疾病新药的研发提供了新的理论基础。一些被成功应用在动物实验研究的MMP抑制剂均有望成为有效的临床心血管疾病治疗药物。除此之外，还有多种MMPs成员及TIMPs的病理生理作用尚未彻底研究清楚，需在这方面继续努力。

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