36心力衰竭中基质金属蛋白酶与细胞外基质对心肌重构的作用

心力衰竭中基质金属蛋白酶与细胞外基质对心肌重构的作用石琳，王小蕾，高新营，王洁，王淳阅03级临床一班摘要：心力衰竭（Heartfailure）的发生发展过程中，心脏的结构和功能会发生一系列的变化，其中心肌重塑的过程作为心力衰竭发展过程中心脏结构性适应表现，其机制与对病程的影响越来越受到关注。心脏重塑是一系列复杂的分子和细胞机制导致心肌结构、功能和表型的变化，除心肌细胞本身结构、代谢及功能异常外,心肌细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)也发生异常改变。这种变化主要是胶原合成和降解之间动态平衡的破坏，导致胶原沉积和纤维化。基质金属蛋白酶(Matrixmetalloproteinases,MMPs)是降解细胞外基质(ECM)成分的最主要蛋白水解系统,在组织重塑中起重要作用。正常心肌中,MMPs以相对较低水平表达,但在一些病理情况下,MMPs表达增加或活性升高,使正常的ECM成分降解,同时通过调节基质素的形成及ECM释放各种生物活性因子合成不具有正常结构与功能的胶原蛋白和结缔组织,造成组织重塑。金属蛋白酶组织抑制因子(Tissueinhibitorsofmetalloproteinases,TIMPs)是基质金属蛋白酶的内源性特异性抑制剂,通过对MMPs活性的抑制减轻组织重塑,MMPs、TIMPs及其调节因子间的相互作用决定了心肌间质重塑过程的进展。越来越多的数据证实了MMPs、TIMPs在心脏重塑中的重要性,本文就MMPs、TIMPs及与心脏细胞外间质重塑的关系作一综述。关键词：心力衰竭，心肌重塑，细胞外基质，基质金属蛋白酶。正文：1、心力衰竭的概念及原因：心力衰竭(heartfailure)是指在静脉回流正常的情况下，由于原发的心脏损害引起心排血量减少，不能满足组织代谢需要的一种综合征。临床上以肺循环和(或)体循环淤血以及组织血液灌注不足为主要特征，又称充血性心力衰竭(congestiveheartfai1ure)，常是各种病因所致心脏病的终末阶段。充血性心力衰竭和心功能不全(cardiacdysfunction)的概念基本上是一致的，但后者的含义更为广泛，包括已有心排血量减少但尚未出现临床症状的这一阶段。充血性心力衰竭的病理生理机制十分复杂，主要有以下三方面的特点：①血流动力学异常；②神经内分泌的激活；③心肌损害和心室重构(remodeling)。自然病程研究表明累进的心室重塑与将来心室功能的恶化直接相关，为促成累进的心脏功能障碍的一个重要因素。2、心肌重塑的概念及原因：由于心肌细胞、非心肌细胞及细胞外基质在基因表达改变的基础上所发生的变化，使心脏的结构、代谢和功能经历的模式重塑过程称为心肌重塑（myocardialremodeling）。心肌原发性损害和心脏负荷过重，导致心室反应性肥大和扩大，心肌细胞和细胞外基质胶原网的组成发生变化。心肌肥厚在初期起着有益的代偿作用，但长期心肌肥厚可能使心肌细胞缺血，继而发生纤维化，剩余心肌细胞不足以代偿时，导致心力衰竭的恶化。此外，细胞因子亦促心肌细胞肥厚与凋亡。心肌细胞和细胞外基质有关的基因和蛋白质的改变均能促进心脏舒张和收缩功能的损害，亦能降低冠状动脉储备，间接地影响心脏收缩和舒张功能，特别是同时具有冠状动脉病变时，最终导致心脏肥大和心力衰竭的发生。因此，心脏重构是一个多因素相互作用的连续过程，与导致心力衰竭进展的病理生理机制如血流动力学、神经激素、遗传因素、能量代谢等的变化均有关。3、心脏中的细胞外基质：3、1、正常心脏组织的细胞外基质：正常心脏是由心肌细胞(cardiacmyocyte)及周围的心脏间质组成。心脏间质主要包括细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)及其脉管系统。其中ECM围绕在心肌细胞周围,以保持心脏结构与功能的完整性,它在细胞与细胞的相互联系中发挥着重要作用。同时许多研究证实,ECM不仅对支持和连接心肌起重要作用,它也决定着心肌的顺应性。正常生理状态下心脏ECM的合成与降解维持着一动态平衡。心脏ECM成分的过度生成或异常降解都会破坏心肌的力学性质和心室的结构,影响心脏的功能。心肌胶原蛋白在ECM中占主要地位。成年心肌组织中的胶原至少包括Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ型。其Ⅰ型约占心肌胶原总量的80%,Ⅲ型约占10%,其他几型占10%～20%,Ⅰ型和Ⅲ型又是构成心脏胶原网络的主要成分,其主要功能是:①支持心肌细胞,决定心肌僵硬度和结构;②防止心肌纤维和心肌细胞的滑脱;③将心肌细胞产生的动力传到心室腔;④防止心肌细胞过度伸长和回缩。Ⅰ型胶原主要是粗纤维,张力很强;Ⅲ型胶原为细网状,富有弹性,因此Ⅰ型或Ⅰ/Ⅲ型胶原的比例决定了心肌僵硬度,与舒张功能不全有密切关系。心肌胶原主要由心脏成纤维细胞(CFbs)和其他非肌性细胞合成。胶原的合成是在粗面内质网的多聚核糖体上,通过信使核糖核酸合成多肽链开始,在内质网池中,每3条a肽链经羟化,装配成一条3股螺旋的前胶原分子,再经糖化,以前胶原的形式分泌至细胞外。它的一端是较小的氨基端肽,另一端是较大的羧基端肽,在前胶原分泌至细胞外后,由前胶原肽酶切除。在此过程中,Ⅰ型前胶原羧基端肽(PⅠP,ICTP)和Ⅲ型前胶原氨基端肽(PⅢP,PⅢNP)被释放进入血循环。它们被认为是体内Ⅰ型,Ⅲ型胶原合成的间接标志,可作为体内组织器官纤维化非侵入性的检测方法。相对Ⅲ型而言,PⅠP在Ⅰ型胶原合成时被从Ⅰ型前胶原完全切下,从理论上说PⅠP是较理想的反映胶原纤维形成的标志。PⅢP在Ⅲ型胶原形成时并未完全被切下,它可能部分与Ⅲ型胶原的降解有关。由于引起心力衰竭的原因不同,心肌ECM的改变也有很大差异:①缺血性和肥厚性心脏病等引起的CHF多伴有严重的心肌组织纤维化,主要表现为心肌胶原(尤其是Ⅰ型胶原)的沉积,Ⅰ/Ⅲ型胶原比例升高,ECM的这些改变主要影响心脏的舒张功能。②扩张性心肌病和心脏瓣膜关闭不全等引起的CHF则常常伴有细胞外基质金属蛋白酶(MMP)活性的增加、ECM降解增多、心脏胶原网络结构破损及心室腔扩张与室壁变薄等。心肌ECM的这些改变主要影响心脏的收缩功能。3、2、心衰时ECM的调节因素：心肌组织中ECM的水平及各种ECM成分间的比例主要取决于ECM合成和(或)降解速率。任何引起这两方面改变的因素都将影响到心肌ECM。参与心衰时心肌ECM调节的主要因素包括：①肾素-血管紧张素-醛固酮系统；②内皮素；③白介素-1β和TNF-α；④转化生长因子；⑤基质金属蛋白酶和金属蛋白酶组织抑制因子。其中基质金属蛋白酶(MMPs)作为一种内源性锌-依赖性酶家族,是基质降解的生理性调节因子。实验证明,心肌细胞外基质构成的变化主要与心肌基质金属蛋白酶及其特异性组织抑制剂活性有关。MMPs所调节的心肌ECM的纤维化和重构在心衰过程中起着重要的作用。4、MMPs的作用与心肌重塑：4、1、MMPs家族及其抑制剂TIMPs：MMPs家族是一个内源性锌依赖性酶家族,可降解除多糖以外所有的ECM成分。所有的MMPs家族成员均存在以下的6个基本特征:①降解细胞外基质成分;②以酶原的形式被分泌到ECM中;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值时发挥作用;⑥在体内存在着其天然激活剂(血浆纤溶酶和间质溶解酶)和抑制剂如MMPs组织抑制因子(tissueinhibitorsofmetalloproteinases,TIMPs)及血浆抑制因子一α2巨球蛋白。目前,在脊椎动物中已发现MMPs家族的24个成员,其中23个成员在人类中发现。根据其作用底物特异性的不同,脊椎动物MMPs家族可分为6大类:①胶原酶(包括MMP-1,MMP-8,MMP-13,MMP-18)；②明胶酶[包括明胶酶A(MMP-2)和明胶酶B(MMP-9)]；③基质蛋白酶[包括基质蛋白酶1(MMP-3)和基质蛋白酶2(MMP-10),MMP-11被称作基质蛋白酶3,但通常归其于其他MMPs]；④基质溶解素[包括基质溶解素1(MMP-7)和基质溶解素2(MMP-26)]；⑤膜型MMPs(MT-MMPs)(包括MMP-14,MMP-15,MMP-16,MMP-17,MMP-24,MMP-25)；⑥其他MMPs(MMP-12,MMP-19,MMP-20,MMP-21,MMP-23,MMP-27,MMP-28)。TIMPs是MMPs的内源性特异性抑制物,现已发现脊椎动物TIMPs家族由四个结构相关的成员组成,即TIMP-1,TIMP-2,TIMP-3,TIMP-4。4、2、MMPs的结构功能及其活性调控：MMPs在体内的表达、激活及对底物的分解过程都受到严格的调控。现已证明MMPs活性在基因转录、酶原合成、酶活化三个水平上受多种因素调节。在正常成体组织,大多数MMPs的表达处于较低水平,但在特定的生理过程或病理的重塑过程,其表达上调。MMPs的表达能由一些炎性细胞因子、激素和生长因子诱导。MMPs主要以无活性的酶原形式合成与分泌,分泌后结合到不同的细胞外基质组分,须经过蛋白酶的水解才能活化。TIMPs-MMPs的内源性特异性抑制物,TIMPs通过非共价键以1:1比例与MMPs的锌离子活性中心结合形成MMP-TIMP的复合体,从而阻断MMPs与底物的结合。分析MMPs基因启动子发现MMP-1,MMP-3,MMP-7,MMP-9和MMP-10在基因一30±2位置都有TATA盒，在一70±4区域有四佛波醇乙酸酯(fetraphorbolacetate,TPA)应答元素(TPAresponsiveelement,TRE)。体外实验证明ets蛋白与PEA-3结合，具有调节编码基质降解酶基因转录因子的作用。许多细胞因子如白细胞介素一1(interleukin-l,IL-1)，肿瘤坏死因子一a(tumornecrosisfactor-a,TNF-a)，血小板源型生长因子(platelet-derivedgrowthfactor,PDGF)等都可从启动子上这些转录元件从转录水平上诱导MMPs的合成，而转化生长因子、干扰素则抑制MMPs合成。MMPs的活化:新分泌的MMPs前驱肽(即氨基端结构域)所含有的高度保守序列PRCGVPDV内含有一半胧氨酸残基，通过与位于催化部位的锌离子相互作用而使酶处于失活状态。血浆纤溶酶和间质溶解酶是重要的生理性MMPs激活因子，通过分解前驱肽使锌离子与半肤氨酸分离而激活酶原。纤溶酶先激活MMP-3酶原，然后再由MMP-3激活其他MMPS酶原。由于均是酶活化，因此具有爆布式放大效应。IL-1和表皮生长因子能诱导纤溶酶原激活因子合成，抑制纤溶酶原激活抑制因子合成，使纤溶酶合成增加，继而促进MMPs酶原的激活。胰酶、中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶和激肤释放酶也可激活MMPs。MMPs的抑制:已发现的MMPs的天然抑制剂有两类:一类是MMPS的组织抑制因子(TIMP)，分别为TIMPA,TIMP-2,TIMP-3和TIMP-4。另一类是MMPs的血浆抑制剂a2一巨球蛋白(a2-M)。所有的TIMPs均可以非共价键与激活以后的MMPs以1:1的比例结合。不同的TIMPs对MMPs活性的抑制作用有一定的特异性。除MMP-2和MTMMP外，TIMP-1能抑制大多数MMPs的活性;TIMP-2除不影响MMP-9的活性外，对其他MMPs均有抑制作用，TIMP-3能与MMP-1、-2、-3、-9和一13结合。TIMP-4能抑制MMP-1、-3、-7、-9且在成人的心肌组织中有高水平的表达1。TIMPs的抑制作用是通过与MMPs催化结构域的锌离子结合部位相互作用而使酶失活。4、3、MMPs与心室重塑：充血性心衰的病因多种多样,但无论病因如何,心衰发展的关键环节之一是左室泵功能衰竭,伴左室几何形状及心肌结构的改变,即心室重塑。心室重塑是决定心脏病患者心功能及其预后的主要因素之一,是心脏基质成分合成或降解代谢失衡的结果。心肌间质胶原的沉积一方面有胶原的过量生成,另一方面也有胶原的降解受抑。MMP不仅在基质降解中起作用,而且也参与胶原合成的调节,最终的结果常常是MMP表