MMP-2、MMP-9與小兒心血管疾病關系的研究進展

阮妙華(綜述)，陳 其(審校)

(溫州醫(yī)學院附屬育英兒童醫(yī)院心血管科，浙江溫州325027)

細胞外基質(extracellular matrix，ECM)是心臟和心血管壁的主要成分，基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)對ECM有廣泛的降解作用，是調節(jié)ECM動態(tài)平衡最重要的一大酶系。明膠酶(MMP-2和MMP-9)作為MMPs家族分布最廣的兩種亞型，因在體內可以用多種方法被檢測到，故醫(yī)學領域的科研工作者已對其做了大量研究?，F就近年來明膠酶與小兒川崎病、心肌病、心肌炎及心力衰竭的研究進展予以綜述。

1 明膠酶(MMP-2和MMP-9)的概述

1.1 MMPs家族 目前，在脊椎動物中已發(fā)現26個MMP家族成員，在人類，包括重復的MMP-23基因在內，已發(fā)現24種MMPs基因，因此相當于人類有23個MMPs家族成員。根據作用底物特異性的不同，MMPs家族成員可被分為6大類［1-3］。①膠原酶:MMP-1、MMP-8、MMP-13 和 MMP-18;② 明 膠 酶:MMP-2和MMP-9;③間質溶解素:MMP-3和MMP-10;④基質溶解素:MMP-7和 MMP-26;⑤膜型-MMPs:MMP-14、MMP-15、MMP-16、MMP-24、MMP-17 和MMP-25;⑥其他 MMPs:MMP-11、MMP-12、MMP-19、MMP-20、MMP-22、MMP-23 和 MMP-28。

1.2 明膠酶 明膠酶包括明膠酶A(MMP-2)和明膠酶B(MMP-9)，以前酶原的形式從胞內分泌，在生理狀態(tài)下，MMP-2和MMP-9的表達很少，幾乎可忽略不計。

MMP-9是MMPs家族中相對分子質量最大的酶，來源于中性粒細胞、巨噬細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞、成纖維細胞、血管平滑肌細胞及心肌細胞等。人 MMP-9基因位于20q11.2 ～13.1，全長26000，包括7700的結構基因、15000的5'端側翼及3500的 3'端側翼區(qū)，含 13個外顯子及12個內含子。MMP-9含有7個結構域:信號肽，前肽，催化區(qū)域，羧基末端凝血素樣結構域，鉸鏈區(qū)，纖連蛋白樣明膠結合區(qū)以及膠原樣結構域［4］。MMP-9的表達和分泌在基因轉錄、合成、分泌、激活、抑制和糖基化等不同水平受到嚴密調控。在細胞因子、病毒、細菌產物等刺激下，白細胞內MMP-9基因轉錄激活，然后成熟的中性粒細胞以脫顆粒的方式釋放 pro-MMP-9，其他MMPs蛋白水解pro-MMP-9前肽區(qū)域的半胱氨酸巰基，發(fā)生過構象變化，暴露出Zn2+活化區(qū)域，激活pro-MMP-9［5］。MMP-9可被特異性抑制劑基質金屬蛋白酶組織抑制劑1(tissue inhibitor of metalloproteinase-1，TIMP-1)和非特異性抑制劑 α2巨球蛋白所抑制。

MMP-2主要來源于成纖維細胞、內皮細胞和腫瘤細胞。人MMP-2基因位于16q13～q21，底物主要有Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型膠原以及明膠、纖維連接蛋白、彈力蛋白、pro-MMP-9等［6］。pro-MMP-2的激活主要在細胞表面進行，可被MT-MMPs激活(除MT4-MMP外)。MT1-MMP調節(jié) pro-MMP-2激活的過程需要TIMP-2的參與，MT1-MMP N端跨膜區(qū)域與TIMP-2 N端相連，形成受體后與pro-MMP-2的連接，形成三元復合物中的pro-MMP-2可被鄰近激活的MT1-MMP降解成相對分子質量為64×103的中間產物。并且，TIMP-2/MT1-MMP以0.05比率結合可最大限度地激活pro-MMP-2，說明大量游離的MT1-MMP可有效激活pro-MMP-2-TIMP-2-MT1-MMP三元復合物中的pro-MMP-2。

2 明膠酶與小兒心血管疾病的關系

2.1 川崎病 川崎病是兒童全身性血管炎的最常見原因，主要累及中小動脈，以冠狀動脈損害為主。其病理改變主要為透壁性炎性反應、ECM的改變、血管中膜變薄以及彈性內膜破壞，最終導致冠狀動脈擴張及冠狀動脈瘤形成。而動脈血管基質的代謝紊亂是冠狀動脈瘤形成的重要原因之一，明膠酶通過降解ECM直接參與該病理過程。Gavin等［7］對10例死于川崎病急性期患兒尸體中提取的冠狀動脈及心肌相關組織研究發(fā)現，MMP-2在川崎病冠狀動脈瘤患者增生的血管內膜及新生毛細血管的內皮細胞中顯著表達。在川崎病急性期，MMP-9的免疫定位既存在于動脈瘤內，也存在于心肌、血管外膜的外周神經及未受炎性侵犯的冠狀動脈血管壁中，而非川崎病患者的MMP-9染色則為陰性，說明MMP-9在川崎病急性期全身血管中都有表達。提示MMP-2可能參與川崎病急性期動脈壁的重塑，而MMP-9則參與冠狀動脈瘤的形成過程，川崎病急性期炎性反應越重，則冠狀損害率相應升高。張園海等［8］研究也證實，MMP-2和MMP-9可能參與冠狀動脈損害的發(fā)生、發(fā)展，靜脈輸注丙種球蛋白防治冠狀動脈損害的機制，可能與抑制內皮細胞表達MMP-2、MMP-9及相關炎性因子有關。另外，Lau等［9］對用干酪乳桿菌細胞壁成分誘導鼠川崎病模型研究發(fā)現，彈性蛋白酶MMP-9的表達水平及活性顯著升高。而在MMP-9基因剔除的鼠川崎病模型中，彈性蛋白的降解明顯降低，說明冠狀動脈彈性蛋白的降解與MMP-9有關，提示MMP-9可通過降解ECM參與川崎病冠狀動脈損害過程。MMP-2和MMP-9參與川崎病的冠脈損害過程，可作為川崎病冠狀動脈損害的預測與相應預后指標。但Lau等［10］又報道，對46例典型川崎病患兒的研究發(fā)現，MMP-9和MMP-2在外周血的表達水平及活性與冠狀動脈損害無關聯，考慮明膠酶的活性可能受到局部組織環(huán)境等多水平的調節(jié)。因此，循環(huán)血液中MMP-2和MMP-9的水平不能單獨作為川崎病冠狀動脈損害的獨立性生物預測指標。

2.2 先天性心臟病 先天性心臟病是小兒時期最常見的心血管疾病，其中左向右分流型心臟病最多見，占60%～70%，主要為室間隔缺損、動脈導管未閉及房間隔缺損。在異常的血流動力學血流剪切力的作用下，肺血管內皮損傷可導致肺血管重構，形成肺動脈高壓。肺動脈高壓是一種以持續(xù)性肺血管阻力增高和右心室增生肥厚致右心衰竭甚至死亡為特征的綜合征，是左向右分流型先天性心臟病的嚴重并發(fā)癥，可直接影響到先天性心臟病患兒的手術矯治過程及預后。肺動脈高壓這種致命的并發(fā)癥與肺血管重構有關，血管內皮細胞的損傷與刺激性增生為最基本的病理過程，MMPs可能部分參與該過程。Sakata等［11］觀察到高血流狀態(tài)下肺組織中MMPs活性增加，明膠底物酶譜法分析證實為明膠酶MMP-2和MMP-9。另文獻報道［12］，在缺氧及野百合堿誘導的肺動脈高壓動物模型中，肺血管MMP-2的活性明顯升高，在血管內膜、中膜及外膜都有散在分布，并且與肺動脈高壓的嚴重程度呈正相關，以上說明MMP-2、MMP-9參與肺動脈高壓的形成。另外，明膠酶及相關炎性因子還可作為先天性心臟病患兒術后預后的生物預測指標，如國外一項對9例＜9個月患先天性心臟病室間隔缺損的患兒行外科手術，并采用體外循環(huán)病例研究報道［13］，術后早期 MMP-2降低，48 h后恢復正常，體外循環(huán)致全身炎性反應及前炎性細胞因子釋放增多，可使MMP-9的表達顯著升高。由于肺動脈高壓肺組織及肺血管有明膠酶表達和活性的改變，所以深入研究明膠酶及抑制劑對肺血管重構的影響以及探討其在先天性心臟病并發(fā)肺動脈高壓的發(fā)病機制中的作用，為肺動脈高壓的防治以及先天性心臟病術后預后評估提供理論依據具有重要意義。

二葉式主動脈瓣是最常見的先天性心臟或大血管的畸形，美國發(fā)病率為1%～2%，是主動脈瓣狹窄及反流最常見的原因，可導致主動脈擴張、剝離甚至動脈瘤破裂。LeMaire等［14］在對14例先天性二葉式主動脈瓣致升主動脈瘤患者的研究中發(fā)現，MMP-2的表達升高，而MMP-9正常表達。Boyum等［15］研究發(fā)現，二葉式主動脈瓣伴微動脈瘤的患者MMP-2和MMP-9的表達都顯著升高，提示明膠酶可作為先天性二葉式主動脈瓣動脈瘤形成的預測指標之一。

2.3 病毒性心肌炎 病毒性心肌炎是臨床上常見的兒童心血管系統(tǒng)疾病，可發(fā)展為擴張性心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)，是造成心力衰竭最常見的原因。Cheung等［16］報道，在鼠病毒性心肌炎動物模型中，柯薩奇病毒 B3(Coxsackie virus B3，CVB3)感染后9 d，反轉錄聚合酶鏈反應可檢測到MMP-2、MMP-9和MMP-12的轉錄水平升高，免疫組化法和酶譜法分析進一步證實MMP-2和MMP-9在蛋白水平的表達以及活性都相應升高。可推斷，CVB3感染后ECM的重塑與MMPs表達和活性增強有關。但同時，Cheung等［16］對 MMP-9基因剔除的CVB3感染后9 d的老鼠心肌組織研究發(fā)現，其心肌損傷及感染灶較正常組明顯增多，并且心肌纖維化、病毒滴度升高的同時伴有心臟射血分數和心排血量的下降。因此，CVB3感染后MMP-9可干擾病毒在心臟組織的增殖，促進免疫浸潤和加快心肌的重塑，從而保證心排血量，MMP-9在CVB3病毒性心肌炎的抗病毒免疫應答中起積極保護作用。Heymans等［17］報道，CVB3感染后7 d，酶譜法檢測到尿激酶型纖溶酶原激活物和MMP-9活性顯著升高。同時，MMP-9的蛋白表達水平也升高，在對C57BL/6尿激酶型纖溶酶原激活物基因剔除的老鼠研究發(fā)現，靶向剔除尿激酶型纖溶酶原激活物基因，在CVB3感染7 d后，與正常組相比pro-MMP-2和pro-MMP-9的表達分別下降了24%和50%，心臟炎性反應減輕，心肌壞死灶減少，而35 d后心肌纖維化也明顯減輕。因此，尿激酶型纖溶酶原激活物或者MMP-9的失活可減輕CVB3感染后的心臟炎性反應，可防止心臟損害、避免發(fā)展至心力衰竭。

2.4 心肌病 DCM可進展至心力衰竭，病程不可逆，可致死亡。Thomas等［18］對兒童DCM研究發(fā)現，MMP-9活性升高，MMP-2的活性無變化，同時心室壁變薄、心腔擴大、心功能降低，說明MMP-9在DCM的進展中起重要作用。以往報道多認為MMP-2可造成ECM重塑，導致心力衰竭。國外有文獻報道，肥厚型心肌病患者血漿中MMP-2和TIMP-2的表達升高，并與左心室縮短分數呈負相關，與左心室直徑呈正相關，說明MMP-2和TIMP-2的表達及活性與肥厚性心肌病患者的心肌重塑有關。但Matsusaka等［19］報道，對腫瘤壞死因子α誘導的心肌病雌鼠模型剔除MMP-2基因后炎性反應加劇，但心肌肥厚及間質纖維化無影響，加快了心肌收縮功能障礙及心力衰竭的進程，提示MMP-2在炎性因子誘導的心肌病中起保護作用。Matsumoto等［20］用C蛋白誘導的自身免疫性心肌炎及繼發(fā)的DCM動物模型，反轉錄-聚合酶鏈反應法證實MMP-2和MMP-9的mRNA表達都升高，認為MMP-9主要由浸潤心肌組織的巨噬細胞產生，故在早期炎性反應起主要作用，而MMP-2主要在心肌細胞產生，對心臟慢性纖維化起作用。因此，在炎癥早期MMP-9抑制劑可改善自身免疫性心肌炎的病理發(fā)展過程，而MMP-2抑制劑則無此作用。這對自身免疫性心肌炎及繼發(fā)的DCM的治療研究進展提供了分子生物學基礎，可通過采取一定措施早期干擾或抑制MMP-9的產生，避免DCM的發(fā)生。

2.5 心力衰竭 心力衰竭是所有心血管疾病的終末階段，可導致死亡。心力衰竭主要表現為左心室泵衰竭，泵衰竭的機制主要是由于心肌重塑引起的左心室?guī)缀谓Y構的改變，而MMPs所致ECM的平衡失調過程可導致心肌重塑。目前國內外文獻證實，在人及實驗動物模型所致心力衰竭時，伴有MMPs活性的增強。Vorovich等［21］發(fā)現，臨床表現為收縮性心力衰竭患者，血漿MMP-9的水平與左心室舒張末期容積指數及射血分數無相關性，說明MMP-9在提示該患者心肌重塑及病情進展上臨床意義不大。另外，有文獻報道，心力衰竭患者血漿中 MMP-2、MMP-9和TIMP-1的表達增高，但只有MMP-2的水平與紐約心臟協會分級顯著相關，MMP-2可作為心力衰竭患者病死率的獨立預測因子。國內Hua等［22］通過對605例收縮期心力衰竭患者研究發(fā)現，MMP-2 rs17859821A等位基因攜帶患者病死率明顯降低，提示預后良好，而 MMP-2 rs243866，rs243864等位基因則與預后無關，說明MMP-2的基因多形態(tài)性在心力衰竭心肌纖維化的過程中起重要作用，為治療心力衰竭的基因水平研究提供了一定基礎。

3 展望

明膠酶由于特異性底物的不同，在分子生物學水平直接參與了心血管疾病過程中的心肌及血管重塑過程，因此明膠酶在小兒心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展及預后中起重要作用。雖然目前國內外對明膠酶的動物實驗及相關藥物研究很多，但是對其從基礎研究過渡到臨床研究的復雜性的了解還不夠。因此，從基因水平或轉錄后水平調節(jié)明膠酶的活性及選擇性抑制劑成為今后預防和研究小兒心血管疾病領域的重要方向。

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