基质金属蛋白酶9与高血压动脉重构

张明杰(综述)，李敬诚，张莉莉(审校)

(第三军医大学大坪医院野战外科研究所神经内科，重庆400042)



基质金属蛋白酶9与高血压动脉重构

张明杰△(综述)，李敬诚，张莉莉※(审校)

(第三军医大学大坪医院野战外科研究所神经内科，重庆400042)

摘要：基质金属蛋白酶9(MMP-9)是基质金属蛋白酶家族中的重要一员，是锌离子依赖的细胞外基质(ECM)的降解酶。ECM的重塑通过影响细胞的结构和功能参与多种疾病的病理过程。MMP-9作为ECM的主要降解酶，通过调控基质胶原成分的合成和降解，直接影响血管平滑肌细胞形态和功能，并在高血压血管重构过程中发挥重要作用。同时，MMP-9也有望成为心脑血管疾病特别是高血压的潜在标志分子。

关键词：基质金属蛋白酶9；高血压；动脉重构；细胞外基质；血管平滑肌细胞

高血压是最常见的慢性病之一，也是冠状动脉粥样硬化性心脏病(冠心病)、脑卒中等心脑血管疾病的独立危险因素。动脉血管结构的改变，特别是管壁增厚、管腔缩窄以及基质增多是高血压的病理学基础，也是长期血压升高造成相关组织和器官损伤的重要表现。细胞外基质(extracellular matrix，ECM)中多种成分的改变可以直接影响血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)的形态以及增殖、迁移、凋亡等，其是动脉重构过程中一个重要环节[1]。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)是ECM的主要降解酶，参与基质的重构。MMP-9作为最重要的MMPs之一，在高血压动脉重构过程中发挥重要作用。现对MMP-9与高血压动脉重构的关系进行综述。

1MMPs概述

MMPs是由多种细胞合成和分泌的锌离子依赖的内肽酶家族，其通过特异性降解ECM成分，使细胞突破各种生理屏障而具有迁移特性。自1962年Gross和Lapiere[2]首次发现蝌蚪尾巴在退化过程中含有一种降解纤维胶原的胶原酶后，至今已发现多种MMPs，其中在人类中发现23种。白细胞、肿瘤细胞、单核巨噬细胞、内皮细胞、平滑肌细胞等多种细胞可合成和分泌MMPs，而且大部分细胞并不储存MMPs，当施加MMPs激动剂或细胞受到特定刺激时，MMPs的合成将增加，并很快地分泌到ECM中去[3]。

哺乳动物中的MMPs的结构由保守的催化域和可结合锌离子活性中心的前肽域组成，后者可抑制锌离子活性中心，使MMPs维持在酶原的形式。一旦前肽域被水解丢失，活性中心暴露，而后酶原被激活，MMPs就可以降解底物。部分MMPs成员肽链的C端具有以铰链连接的血液结合素蛋白域，其能发挥识别底物和激活酶解活性的作用[4]。根据结构和底物的差异，MMPs大体分为胶原酶、明胶酶、间质溶解素、膜型MMPs、基质溶解酶以及其他MMPs 6类[5](表1)。研究证实，MMPs在胚胎移植、组织重构、器官发育、伤口愈合、肿瘤、炎症以及血管疾病等方面发挥重要作用[6]。

表1　MMPs的分类及成员

MMPs：基质金属蛋白酶

2MMP-9的生物学特性

MMP-9又称明胶酶B，位于人染色体20q11.2~q13.1上，以92 000的酶原形式在胞质内合成后分泌到ECM，然后水解为86 000的活性形式发挥酶解效应，其是已发现的MMPs中分子质量最大的成员[5,7]。大多数细胞包括白细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、内皮细胞、平滑肌细胞以及心肌细胞均可合成和分泌MMP-9，其底物包括Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ及Ⅹ型胶原、明胶、弹性蛋白及巢蛋白等。MMP-9分子在典型的MMPs催化域中插入了Ⅱ型纤连蛋白重复序列，并介导其与底物胶原的结合，另外Ⅴ型胶原样功能域为MMP-9所特有[8]。

调控MMP-9水平和活性的方式有多种，包括转录和翻译后修饰调控、酶原分泌和激活调控以及内源性MMPs抑制剂(tissue inhibitors of metalloproteinase，TIMPs)或其他抑制剂如α巨球蛋白的调控[1]。MMP-9基因启动子中除含有位于近端和远端的转录因子活化蛋白1结合位点外，还含有核因子κB 的结合位点，两者均有助于对细胞因子产生应答。MMP-9能以酶原的形式分泌到ECM中，也可与细胞表面的结构域结合而存在于细胞周围。VSMCs分泌的MMP-9的酶原形式和活化形式可分别与细胞表面的整合素α2亚基和CD44结合[1]。此外，许多细胞因子可调节MMP-9的合成与分泌：血小板源性生长因子或碱性成纤维细胞生长因子与白细胞介素1α 或肿瘤坏死因子α的协同作用可显著增加MMP-9的合成，并与活化蛋白1和核因子κB的激活密切相关[9]。在调控方面，MMPs与TIMPs的相互作用最为重要。在酶原活化阶段和已活化阶段，TIMPs可分别与酶原和活化的MMPs形成稳定的复合体，阻碍其激活或抑制酶解活性，其中与MMP-9关系最密切的是TIMP-1[7]。

MMP-9在心脑血管疾病[7,10]、自身免疫性疾病[11]、肠炎[12]、慢性阻塞性肺疾病、多发性硬化[13]、肿瘤[14]等多种疾病中发挥重要作用，特别是在介导组织炎症方面。

3MMP-9与高血压动脉重构

高血压通过启动血管重构过程，引起管壁增厚、管径狭小以及舒张功能障碍，最终导致动脉粥样硬化和小动脉硬化，成为诱发冠心病和脑卒中的危险因素。MMPs与高血压血管重构的关系引起了研究者的关注，MMPs特别是MMP-9，通过引起ECM的重构，诱导VSMCs发生结构和功能的改变，导致血管构型的改变。了解MMP-9在高血压血管重构方面的作用，可为阐明高血压的发病机制以及制订防治措施提供新思路。

3.1MMP-9与高血压夹持一侧肾动脉后诱发的高血压大鼠主动脉中膜内层和内膜明显增厚并伴有MMP-2、9和14水平的上调，而且广谱的TIMPs——强力霉素可改善这种血管重构[15]。Tan等[16]检测到原发性高血压患者的血清中MMP-9和TIMP-1水平明显高于血压正常的人群，且水平与大动脉的硬度呈正相关。MMP-9的过度生成和激活可大量降解血管壁的弹性纤维，导致大动脉壁的机械性质改变、硬度增加。Marchesi等[17]的Meta分析也表明，不伴有心力衰竭的高血压患者的血浆中MMP-9和TIMP-1水平高于血压正常的人群。在轻度原发性高血压患者[收缩压140~159 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)和(或)舒张压90~99 mmHg]中也发现MMP-9水平的增加，提示在高血压早期MMP-9就已经参与血管重构；而TIMP-1水平的下降也有助于提高MMP-9的活性[18]。同样的结果也见于隐匿性高血压患者[19]。

Flamant等[20]发现，饮食血管紧张素Ⅱ的小鼠颈动脉的MMP-9活性增强，并在高血压早期有缓解血压升高、降解Ⅳ型胶原以及保持血管顺应性的作用。Li-Saw-Hee等[21]研究显示，高血压人群血清中MMP-9和TIMP-1的水平显著低于正常血压的人群，经过2个月的抗高血压治疗(依那普利或氯沙坦)后，血清中MMP-9和TIMP-1水平并未随着血压的降低而明显改变。Zervoudaki等[22]研究也发现，原发性高血压患者的血液中激活的MMP-9比正常血压人群低，服用氨氯地平抗高血压治疗6个月后MMP-9水平可恢复正常。

目前，对于高血压时血液中MMP-9水平是增加还是降低还存在争议，同时何种类型的抗高血压药物可逆转MMP-9的变化也存在不确定性，这可能与血管重构的方式有关。当然，实验设计和样本选取也是不可忽视的因素之一。因此，大样本的临床实验有助于进一步明确MMP-9与高血压的关系。血液中MMP-9水平也有望成为预测心血管疾病特别是高血压的潜在生物学指标[23]。

3.2MMP-9与动脉重构动脉重构是高血压显著的病理特点。动脉粥样硬化中，VSMCs在泡沫化过程中分泌大量的MMPs以降解ECM和基膜，促使VSMCs由中膜突破屏障迁移至内膜；同时其分泌的多种细胞因子又可调节自身和其他细胞分泌MMPs，进一步促进VSMCs的大量迁移和增殖，细胞、ECM以及脂质在内膜的大量堆积导致血管内膜增厚、管腔狭窄。位于粥样斑块肩部的MMPs活性和水平的增加促使斑块破裂而栓塞血管[24]。高血压患者血液中TIMP-1信使RNA水平明显低于血压正常的人群，而伴有颈动脉粥样硬化的高血压患者的血液中MMP-9信使RNA水平会显著增高，提示MMP-9与TIMP-1的不平衡导致血管弹性的降低以及粥样斑块的形成[25]。高速血流导致的大鼠阻力血管管径增大及管壁肥厚与一氧化氮合酶和MMP-9的相继激活有关[26]。

高血压早期，MMP-9的激活和血管扩张性增加被认为是适应血压变化的血管重构表现[27]。Tayebjee等[28]研究显示，高血压患者血液中MMP-9和TIMP-1水平增加，而且抗高血压治疗后TIMP-1水平仍有增长，提示TIMP-1在高血压恢复期的血管重构中发挥重要作用。心血管系统的ECM中Ⅰ/Ⅲ型胶原蛋白的水平相对较高，两者在增加血管硬性和减少弹性方面起重要作用。MMP-9的底物主要是Ⅳ/Ⅴ型胶原蛋白，因此MMP-9的增高会引起ECM中胶原蛋白的重构，使Ⅰ/Ⅲ型胶原蛋白的净含量显著增加，并由此可能带来血管重构[25]。TIMP-1不仅是MMP-9的内源性抑制剂，同时对主要降解Ⅰ型胶原蛋白的MMP-1也有抑制作用。因此,TIMP-1的增高反而会促进Ⅰ型胶原蛋白的积聚，而后期TIMP-1的增高可能主要是阻断MMP-9的合成，改善血管重构[28]。ECM中的成分很多，MMPs之间以及MMPs与TIMPs间的关系也很复杂，而其与高血压血管重构的机制方面还需要更多的研究予以阐明。

3.3MMP-9与平滑肌细胞平滑肌细胞的改变是高血压血管重构过程中最为重要的环节。血管损伤引起的平滑肌细胞增殖和迁移与MMP-9关系密切[29]。MMP-9通过降解作用重构ECM以及基膜成分，VSMCs随之发生表型转化，形成合成型的VSMCs，后者可合成新的整合素亚基，并在ECM中形成相应的配体蛋白或使原有蛋白产生新的整合素连接位点[1]。通过黏着斑激酶形成ECM-整合素-细胞骨架的信号通路，使细胞构型改变并脱离钙黏素连接而利于迁移[1]。同时，MMP-9可释放或活化大量的生长因子和细胞因子，激活黏着斑激酶、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B等信号转导通路促进VSMCs增殖[1]。MMP-9诱导的ECM重构主要通过影响平滑肌细胞结构和功能而发挥动脉重构的作用。阐明高血压时VSMCs的形态、增殖、迁移以及凋亡机制对高血压的靶向控制和治疗意义重大。

4展望

MMP-9通过调控ECM中胶原成分的合成和降解，诱导VSMCs形态和功能发生改变，继而启动动脉重构过程，最终影响血管疾病特别是高血压的发生、发展。高血压与MMP-9的广泛联系也促使MMP-9的调控有可能成为防控高血压的新思路。当然，要想进一步了解MMP-9在高血压动脉重构中的作用，有些问题还需要进一步阐明，如：①MMPs家族成员众多且关系复杂，各成员间是如何相互影响以及又是如何通过ECM重构影响细胞变化的；②MMP-9在高血压中的作用目前仍存在争议，循环血液中MMP-9水平的变化能否代表局部病变；③由于外周动脉与脑动脉的组成存在差异，后者的平滑肌细胞显著低于前者，而且基质成分也有所不同，那么MMP-9对不同动脉的重构效应存在哪些区别；④以MMP-9为靶标的抗高血压思路的临床效果又如何。相信随着MMPs研究的不断深入，高血压动脉重构的机制也会越来越明朗。

参考文献

[1]Newby AC.Matrix metalloproteinases regulate migration, proliferation, and death of vascular smooth muscle cells by degrading matrix and non-matrix substrates[J].Cardiovasc Res,2006,69(3):614-624.

[2]Gross J,Lapiere CM.Collagenolytic activity in amphibian tissues:a tissue culture assay[J].Proc Natl Acad Sci U S A,1962,48(6):1014-1022.

[3]Vandooren J,Van den Steen PE,Opdenakker G.Biochemistry and molecular biology of gelatinase B or matrix metalloproteinase-9 (MMP-9):the next decade[J].Crit Rev Biochem Mol Biol,2013,48(3):222-272.

[4]Page-McCaw A,Ewald AJ,Werb Z.Matrix metalloproteinases and the regulation of tissue remodelling[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2007,8(3):221-233.

[5]Murphy G,Nagase H.Progress in matrix metalloproteinase rese-arch[J].Mol Aspects Med,2008,29(5):290-308.

[6]Knapinska A,Fields GB.Chemical biology for understanding matrix metalloproteinase function[J].Chembiochem,2012,13(14):2002-2020.

[7]Raffetto JD,Khalil RA.Matrix metalloproteinases and their inhibitors in vascular remodeling and vascular disease[J].Biochem Pharmacol,2008,75(2):346-359.

[8]Jones C.Matrix metalloproteinases A review of their structure and role in acute coronary syndrome[J].Cardiovascular Research,2003,59(4):812-823.

[9]Bond M,Fabunmi RP,Baker AH,etal.Synergistic upregulation of metalloproteinase-9 by growth factors and inflammatory cytokines:an absolute requirement for transcription factor NF-κB[J].FEBS Lett,1998,435(1):29-34.

[10]Galis ZS,Khatri JJ.Matrix Metalloproteinases in Vascular Remodeling and Atherogenesis:The Good,the Bad,and the Ugly[J].Cir Res,2002,90(3):251-262.

[11]Ram M,Sherer Y,Shoenfeld Y.Matrix metalloproteinase-9 and autoimmune diseases[J].J Clin Immunol,2006,26(4):299-307.

[12]Gao Q,Meijer MJ,Kubben FJ,etal.Expression of matrix metalloproteinases-2 and -9 in intestinal tissue of patients with inflammatory bowel diseases[J].Dig Liver Dis,2005,37(8):584-592.

[13]Muroski ME,Roycik MD,Newcomer RG,etal.Matrix metalloproteinase-9/gelatinase B is a putative therapeutic target of chronic obstructive pulmonary disease and multiple sclerosis[J].Curr Pharm Biotechnol,2008,9(1):34-46.

[14]Heo DS,Choi H,Yeom MY,etal.Serum levels of matrix metalloproteinase-9 predict lymph node metastasis in breast cancer patients[J].Oncology Reports,2014,31(4):1567-1572.

[15]Castro MM,Rizzi E,Prado CM,etal.Imbalance between matrix metalloproteinases and tissue inhibitor of metalloproteinases in hypertensive vascular remodeling[J].Matrix Biol,2010,29(3):194-201.

[16]Tan J,Hua Q,Xing X,etal.Impact of the metalloproteinase-9/tissue inhibitor of metalloproteinase-1 system on large arterial stiffness in patients with essential hypertension[J].Hypertens Res,2007,30(10):959-963.

[17]Marchesi C,Dentali F,Nicolini E,etal.Plasma levels of matrix metalloproteinases and their inhibitors in hypertension:a systematic review and meta-analysis[J].J Hypertens,2012,30(1):3-16.

[18]Gkaliagkousi E,Doumas M,Gavriilaki E,etal.Elevated levels of MMP-9 in untreated patients with stage I essential hypertension[J].Clin Exp Hypertens,2012,34(8):561-566.

[19]Papadopoulos DP,Thomopoulos C,Perrea D,etal.Changes of metalloproteinases profile in patients with masked hypertension[J].Angiology,2009,60(6):757-762.

[20]Flamant M,Placier S,Dubroca C,etal.Role of matrix metalloproteinases in early hypertensive vascular remodeling[J].Hypertension,2007,50(1):212-218.

[21]Li-Saw-Hee FL,Edmunds E,Blann AD,etal.Matrix metalloproteinase-9 and tissue inhibitor metalloproteinase-1 levels in essential hypertension:Relationship to left ventricular mass and anti-hypertensive therapy[J].Int J Cardiol,2000,75(1):43-47.

[22]Zervoudaki A,Economou E,Stefanadis C,etal.Plasma levels of active extracellular matrix metalloproteinases 2 and 9 in patients with essential hypertension before and after antihypertensive treatment[J].J Hum Hypertens,2003,17(2):119-124.

[23]Fontana V,Silva PS,Gerlach RF,etal.Circulating matrix metalloproteinases and their inhibitors in hypertension[J].Clin Chim Acta,2012,413(7-8):656-662.

[24]Loftus IM,Naylor AR,Goodall S,etal.Increased Matrix metalloproteinase-9 activity in unstable carotid plaques:a potential role in acute plaque disruption[J].Stroke,2000,31(1):40-47.

[25]Su W,Gao F,Lu J,etal.Levels of Matrix metalloproteinase-9 and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 mRNAs in patients with primary hypertension or hypertension-induced atherosclerosis[J].J Int Med Res,2012,40(3):986-994.

[26]Dumont O,Loufrani L,Henrion D.Key role of the NO-pathway and matrix metalloprotease-9 in high blood flow-induced remodeling of rat resistance arteries[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2007,27(2):317-324.

[27]Lehoux S,Lemarie CA,Esposito B,etal.Pressure-induced matrix metalloproteinase-9 contributes to early hypertensive remodeling[J].Circulation,2004,109(8):1041-1047.

[28]Tayebjee MH,Nadar S,Blann AD,etal.Matrix metalloproteinase-9 and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 in hypertension and their relationship to cardiovascular risk and treatment:a substudy of the Anglo-Scandinavian Cardiac Outcomes Trial (ASCOT)[J].Am J Hypertens,2004,17(9):764-769.

[29]Cho A,Reidy MA.Matrix metalloproteinase-9 is necessary for the regulation of smooth muscle cell replication and migration after arterial injury[J].Circ Res,2002,91(9):845-851.

Matrix Metalloproteinase 9 and Hypertensive Vascular Remodeling

ZHANGMing-jie,LIJing-cheng,ZHANGLi-li.

(DepartmentofNeurology,InstituteofSurgeryResearch,DapingHospital,theThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400042,China)

Abstract:As one of the most important members of matrix metalloproteinases(MMPs), matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) is a zinc-dependent endopeptidase to degrade the components of the extracellular matrix (ECM).ECM remodeling is involved in many physiological and pathological processes via altering the structures and functions of cells.MMP-9 regulates the synthesis and degradation of collagen components of ECM and changes vascular smooth muscle cells(VSMCs) morphologically and functionally,which induces the vascular remodeling in hypertension.In addition,MMP-9 is also expected to be the potential biomarker in hypertension.

Key words：Matrix metalloproteinase 9; Hypertension; Vascular remodeling; Extracellular matrix; Vascular smooth muscle cells

收稿日期：2014-05-04修回日期：2014-08-18编辑：辛欣

基金项目：重庆市杰出青年科学基金(CSTC2012JJJQ10003)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.07.006

中图分类号：Q249； R543.5

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)07-1166-03