基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑:肺動(dòng)脈高壓治療的潛在靶點(diǎn)

唐偉良，池菊芳，彭 放，郭航遠(yuǎn)

肺動(dòng)脈高壓 (pulmonary arterial hypertension，PAH)是嚴(yán)重威脅人類健康的致命性疾病，其特點(diǎn)是肺血管阻力逐漸增高，最終導(dǎo)致右心衰竭和死亡［1］。PAH有兩個(gè)典型的病理改變，即肺動(dòng)脈內(nèi)皮功能障礙和血管重構(gòu)［2］。研究表明，在PAH的病理狀態(tài)下，基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)及其組織抑制劑 (TIMPs)的表達(dá)均出現(xiàn)上調(diào)，兩者之間處于一種失衡狀態(tài)［3－5］。MMPs/TIMPs失衡參與了細(xì)胞過度增殖和細(xì)胞外基質(zhì) (ECM)沉積［6］，在血管重構(gòu)的發(fā)生發(fā)展過程中起到了十分重要的作用。

MMPs是一組包含了超過20種金屬蛋白酶的蛋白酶超家族，可以降解ECM的多種成分;而TIMPs是MMPs的內(nèi)源性特異性抑制劑，包括 TIMP－1、TIMP－2、TIMP－3、TIMP－4 4個(gè)成員，可以通過與MMPs進(jìn)行1∶1的結(jié)合而抑制MMPs的活性［7－8］。目前認(rèn)為，MMPs 在血管重構(gòu)的發(fā)展中扮演了重要角色，有大量研究試圖通過抑制MMPs的活性而達(dá)到減輕PAH的目的。然而，這些研究所得到的結(jié)果并不完全一致［9－11］，有些發(fā)現(xiàn)抑制MMPs可以改善PAH，而有些恰恰相反。顯然，抑制MMPs可能并不是改善PAH的合理途徑。為進(jìn)一步探討改善PAH的有效方法，本文深入分析了PAH病變血管的病理改變，發(fā)現(xiàn)對于血管重構(gòu)來說，TIMPs的參與同樣不可或缺，并提出:對于已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重重構(gòu)的肺血管，減弱TIMPs的表達(dá)或許可以改善血管重構(gòu)和血管內(nèi)皮修復(fù)功能，最終減輕甚至逆轉(zhuǎn)重癥PAH。

1 抑制TIMPs表達(dá)可能改善血管重構(gòu)

ECM沉積和細(xì)胞增殖是血管重構(gòu)的兩個(gè)重要病理變化，而MMPs/TIMPs的失衡參與了這些病變過程。在生理狀態(tài)下，血管壁內(nèi)的MMPs和TIMPs之間保持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，相互維持著ECM的穩(wěn)態(tài)。但是在PAH病理狀態(tài)下，這一平衡被打破。MMPs通過降解ECM為平滑肌細(xì)胞及成纖維細(xì)胞等提供遷移的空間，并且釋放出ECM中結(jié)合的大量生長因子，進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞的遷移、增殖、生長等活動(dòng)。同時(shí)，平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞可以進(jìn)一步分泌ECM而促進(jìn)ECM沉積。細(xì)胞的過度生長和ECM過度沉積直接參與了血管重構(gòu)的發(fā)生。因此，有大量研究試圖通過抑制MMPs的活性而達(dá)到減輕PAH的目的。部分研究也確實(shí)發(fā)現(xiàn)，通過TIMPs基因轉(zhuǎn)染或MMPs化學(xué)抑制劑的干預(yù)可以改善野百合堿誘導(dǎo)的 PAH［9－10］。然而，有些學(xué)者得到的結(jié)果卻恰恰相反，Vieillard－Baron等［11］研究發(fā)現(xiàn)，通過TIMPs基因轉(zhuǎn)染或多西環(huán)素的使用來抑制MMPs活性，反而加重了低氧誘導(dǎo)PAH小鼠的病情。上述矛盾的結(jié)果表明MMPs的干預(yù)或許并不是解決PAH的有效手段。

深入分析PAH肺血管病理改變及以往文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn):雖然PAH病理狀態(tài)下MMPs表達(dá)上調(diào)，但TIMPs表達(dá)同樣增加，且較MMPs的增加更為顯著;故認(rèn)為抑制TIMPs表達(dá)或許更為合理。Lepetit等［4］通過離體培養(yǎng)PAH患者的平滑肌細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)，該細(xì)胞過量表達(dá)TIMP－1而減少了 MMP－3的分泌。Junbao等［12］通過在體研究進(jìn)一步證實(shí)PAH患者肺血管的TIMPs/MMPs的比值較生理狀態(tài)下增加，提示TIMPs的上調(diào)較MMPs更顯著。此外，有學(xué)者對PAH病變肺動(dòng)脈研究后發(fā)現(xiàn)，在病變血管內(nèi)活化的MMPs主要存在于新內(nèi)膜、內(nèi)膜下中膜和外膜部分，而在血管的中膜和其他部分，MMPs的活性卻被TIMPs等內(nèi)源性抑制劑明顯抑制［3］。這表明在新內(nèi)膜、內(nèi)膜下中膜和外膜部分，活化的MMPs促進(jìn)了平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞的遷移和增殖，而在中膜部分，MMPs活性的減弱直接促成了ECM的沉積，導(dǎo)致了中膜肥厚。通過上述研究不難看出，TIMPs的過度表達(dá)對于肺血管重構(gòu)的發(fā)生尤為重要。對于已經(jīng)過度表達(dá)的TIMPs，繼續(xù)增加其表達(dá)、抑制MMPs活性或許無助于改善 PAH，反而會(huì)阻止ECM的降解進(jìn)而促進(jìn)ECM在血管壁的過度沉積，最終加重血管重構(gòu)。那么，如果能減少TIMPs的表達(dá)，情況又會(huì)如何呢?

筆者認(rèn)為，抑制TIMPs的表達(dá)或許可以通過減少ECM沉積和促進(jìn)細(xì)胞凋亡而改善血管重構(gòu)，而當(dāng)前的部分研究結(jié)果也支持這一觀點(diǎn)。最近，Higuchi等［13］研究發(fā)現(xiàn)，對于TIMP－3基因敲除的小鼠長期喂養(yǎng)Nomeganitro－L精氨酸甲酯后，由該種藥物引起的高血壓和心肌微血管重構(gòu)得到明顯改善，尤其是血管纖維化明顯減少。Junbao等［12］研究也發(fā)現(xiàn)，降低血管內(nèi)TIMPs/MMPs的比值同樣有助于改善血管重構(gòu)。此外，還有不少研究也發(fā)現(xiàn)抑制TIMPs表達(dá)有助于改善心血管疾病。例如，通過對TIMP－1基因敲除小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，其動(dòng)脈中膜基質(zhì)降解較對照組明顯增多［14］，而其動(dòng)脈粥樣斑塊的面積較對照組明顯減小［15］。同時(shí)，TIMP－1的缺乏也有助于減少氣管移植后引起的氣管再狹窄［16］。上述研究所觀察到的結(jié)果都表明，TIMPs的抑制有助于釋放MMPs活性，增加MMPs對ECM的降解而改善一些由于ECM沉積所導(dǎo)致的疾病，包括血管、氣道的重構(gòu)和纖維化。

顯然，在已經(jīng)發(fā)生重構(gòu)的血管中，抑制TIMPs的表達(dá)將有助于釋放MMPs的活性，增加ECM的降解并促使血管壁內(nèi)ECM恢復(fù)到一個(gè)正常的水平。這可以直接改善由于ECM過度沉積所導(dǎo)致的中膜、外膜肥厚，進(jìn)而改善血管重構(gòu)現(xiàn)象。同時(shí)，TIMPs的減少還可能通過下列途徑誘導(dǎo)病變血管壁內(nèi)過度增殖的細(xì)胞凋亡:(1)ECM是細(xì)胞賴以生存的微環(huán)境，血管壁內(nèi)過度沉積的ECM開始降解，將破壞細(xì)胞－ECM以及細(xì)胞－細(xì)胞之間的連接，摧毀了細(xì)胞生存的正常環(huán)境，最終導(dǎo)致一部分細(xì)胞凋亡，即所謂的“失巢凋亡”［17］;(2)雖然ECM的降解可以釋放一部分促進(jìn)細(xì)胞生長的因子，但同樣也會(huì)釋放出大量促細(xì)胞凋亡因子，進(jìn)一步加速細(xì)胞凋亡［18］。此外，TIMPs本身可以通過激活一些特異的抗凋亡信號通路，例如Bcl－ X 和 IκB α，來發(fā)揮抗凋亡作用［19］，而減少TIMPs的表達(dá)就可以減弱其在抗凋亡方面的作用。因此，抑制或減弱TIMPs的表達(dá)可能會(huì)通過減少ECM沉積和促進(jìn)細(xì)胞凋亡而改善血管重構(gòu)，尤其是對于已發(fā)生重構(gòu)的血管來說，這可能是一個(gè)更為合理的選擇。

2 抑制TIMPs表達(dá)可能改善內(nèi)皮修復(fù)和血管再生

在PAH的發(fā)生和發(fā)展過程中，肺血管內(nèi)皮功能障礙扮演了重要角色［20］，而改善內(nèi)皮功能障礙對于治療PAH十分關(guān)鍵。內(nèi)皮功能障礙是由于內(nèi)皮損傷與修復(fù)的失衡所導(dǎo)致的［21］。因此，對于改善內(nèi)皮功能障礙來說，非常重要的一點(diǎn)就是改善血管的內(nèi)皮修復(fù)能力。

在內(nèi)皮修復(fù)的過程中，MMPs降解ECM并釋放ECM和基膜中蘊(yùn)含的促血管新生因子，包括血管內(nèi)皮生長因子、纖維生長因子和轉(zhuǎn)化生長因子［18］。上述因子可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移、增殖和黏附。相反，TIMPs可能會(huì)通過抑制MMPs的活性而減弱血管內(nèi)皮的上述修復(fù)功能。除了TIMPs通過抑制MMPs而影響血管內(nèi)皮的自我修復(fù)功能以外，不少研究也發(fā)現(xiàn)TIMPs還可以通過非MMPs依賴的機(jī)制而影響內(nèi)皮細(xì)胞功能。TIMP－1可以不依賴MMPs而抑制內(nèi)皮細(xì)胞的遷移［22］，TIMP－2可以抑制纖維生長因子和血管內(nèi)皮生長因子誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞生長活動(dòng)［23－24］，TIMP－3可以通過抑制競爭性結(jié)合血管內(nèi)皮生長因子受體－2而抑制血管生成［25］，而TIMPs的上述作用均獨(dú)立于MMPs之外?？傊?，TIMPs似乎不利于血管內(nèi)皮修復(fù)，故抑制TIMPs表達(dá)或許有利于改善內(nèi)皮修復(fù)功能。

此外，抑制TIMPs表達(dá)有助于動(dòng)員內(nèi)皮祖細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)而改善血管內(nèi)皮的修復(fù)。內(nèi)皮祖細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)細(xì)胞具有分化為內(nèi)皮細(xì)胞的潛能［26］，能通過再內(nèi)皮化和血管新生等途徑參與血管內(nèi)皮的修復(fù)［21，27］。因此，提升外周循環(huán)中上述細(xì)胞的數(shù)量及其參與血管修復(fù)的能力，對于促進(jìn)血管修復(fù)來說顯得十分重要。我們知道，內(nèi)皮祖細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞主要從骨髓中分化和動(dòng)員而來［28－29］，而研究表明 MMP －9 對于內(nèi)皮祖細(xì)胞的動(dòng)員十分關(guān)鍵［30］，而骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的動(dòng)員和釋放同樣需要MMP－2和 MMP－13的參與［29］。因而，減少TIMPs的表達(dá)將通過增強(qiáng)MMPs的活性，促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的動(dòng)員和釋放，進(jìn)而改善血管內(nèi)皮的修復(fù)。

3 小結(jié)

綜上所述，TIMPs在PAH的發(fā)展過程中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)前的眾多研究均試圖通過上調(diào)TIMPs表達(dá)、抑制MMPs活性而改善PAH，但所得到的結(jié)果并不一致。雖然部分研究表明提升TIMPs的表達(dá)有助于改善PAH，但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)這樣反而使得情況變得更糟。筆者認(rèn)為，作為重建MMPs/TIMPs平衡的另一條途徑，下調(diào)TIMPs的表達(dá)或許是值得嘗試的手段。減弱TIMPs的表達(dá)可能會(huì)通過促進(jìn)血管重構(gòu)和內(nèi)皮修復(fù)而改善甚至逆轉(zhuǎn)PAH。然而，這方面的直接研究數(shù)據(jù)缺乏，故需要通過基因干預(yù)等手段展開深入研究，進(jìn)一步闡明TIMPs在PAH中發(fā)揮的作用，并力爭探索一條改善PAH的新途徑。

1 Zhao YY，Malik AB.A novel insight into the mechanism of pulmonary hypertension involving caveolin－1 deficiency and endothelial nitric oxide synthase activation［J］.Trends Cardiovasc Med，2009，19(7):238－242.

2 Morrell NW，Adnot S，Archer SL，et al.Cellular and molecular basis of pulmonary arterial hypertension［J］.J Am Coll Cardiol，2009，54(1 Suppl):S20－S31.

3 Frisdal E，Gest V，Vieillard －Baron A，et al.Gelatinase expression in pulmonary arteries during experimental pulmonary hypertension［J］.Eur Respir J，2001，18(5):838 －845.

4 Lepetit H，Eddahibi S，F(xiàn)adel E，et al.Smooth muscle cell matrix metalloproteinases in idiopathic pulmonary arterial hypertension［J］.Eur Respir J，2005，25(5):834－842.

5 Prabha M，Jin HF，Tian Y，et al.Mechanisms responsible for pulmonary hypertension［J］.Chin Med J，2008，121(24):2604 －2609.

6 Shimoda LA，Laurie SS.Vascular remodeling in pulmonary hypertension［J］.J Mol Med(Berl)，2013，91(3):297－309.

7 Murphy G.Tissue inhibitors of metalloproteinases［J］.Genome Biol，2011，12(11):233.

8 Nagase H，Visse R，Murphy G.Structure and function of matrix metalloproteinases and TIMPs［J］.Cardiovasc Res，2006，69(3):562－573.

9 Vieillard－Baron A，F(xiàn)risdal E，Raffestin B，et al.Inhibition of matrix metalloproteinases by lung TIMP－1 gene transfer limits monocrotaline－induced pulmonary vascular remodeling in rats［J］.Hum Gene Ther，2003，14(9):861－869.

10 Cowan KN，Jones PL，Rabinovitch M.Elastase and matrix metalloproteinase inhibitors induce regression，and tenascin－C antisense prevents progression，of vascular disease［J］.J Clin Invest，2000，105(1):21 －34.

11 Vieillard－Baron A，F(xiàn)risdal E，Eddahibi S，et al.Inhibition of matrix metalloproteinases by lung TIMP－1 gene transfer or doxycycline aggravates pulmonary hypertension in rats［J］.Circ Res，2000，87(5):418－425.

12 Junbao D，Hui Y，Bing W，et al.Effect of L－arginine on collagen of high flow－induced pulmonary arterial remodeling［J］.Circ J，2005，69(5):603－608.

13 Higuchi M，Yasuda O，Kawamoto H，et al.Tissue inhibitor of metalloproteinase－3 deficiency inhibits blood pressure elevation and myocardial microvascular remodeling induced by chronic administration of Nomeganitro－L－arginine methyl ester in mice［J］.Hypertens Res，2007，30(6):563－571.

14 Lemal^stre V，Soloway PD，D'Armiento J.Increased medial degradation with pseudoaneurysm formation in apolipoprotein E－knockout mice deficient in tissue inhibitor of metalloproteinases－1［J］.Circulation，2003，107(2):333－338.

15 Silence J，Collen D，Lijnen HR.Reduced atherosclerotic plaque but enhanced aneurysm formation in mice with inactivation of the tissueinhibitorofmetalloproteinase－1(TIMP－1)gene［J］.Circ Res，2002，90(8):897－903.

16 Chen P，F(xiàn)arivar AS，Mulligan MS，et al.Tissue inhibitor of metalloproteinase－1 defi ciency abrogates obliterative airway disease after heterotopic tracheal transplantation［J］.Am J Respir Cell Mol Biol，2006，34(4):464 －472.

17 Taddei ML，Giannoni E，F(xiàn)iaschi T，et al.Anoikis:an emerging hallmark in health and diseases［J］.J Pathol，2012，226(2):380－393.

18 McCawley LJ，Matrisian LM.Matrix metalloproteinases:they're not just for matrix anymore!［J］.Curr Opin Cell Biol，2001，13(5):534－540.

19 Stetler－Stevenson WG.Tissue inhibitors of metalloproteinases in cell signaling:metalloproteinase－independent biological activities［J］.Sci Signal，2008，1(27):re6.

20 Peacock A.Pulmonary hypertension［J］.Eur Respir Rev，2013，22(127):20－25.

21 Hill JM，Zalos G，Halcox JP，et al.Circulating endothelial progenitor cells，vascular function，and cardiovascular risk［J］.N Engl J Med，2003，348(7):593－600.

22 Akahane T，Akahane M，Shah A，et al.TIMP －1 inhibits microvascular endothelial cell migration by MMP－dependent and MMP－independent mechanisms［J］.Exp Cell Res，2004，301(2):158－167.

23 Murphy AN，Unsworth EJ，Stetler－ Stevenson WG.Tissue inhibitor of metalloproteinases－2 inhibits bFGF－induced human microvascular endothelial cells proliferation［J］.J Cell Physiol，1993，157(2):351 －358.

24 Seo DW，Li H，Guedez L，et al.TIMP－2 mediated inhibition of angiogenesis:an MMP－ independent mechanism［J］.Cell，2003，114(2):171－180.

25 Qi JH，Ebrahem Q，Moore N，et al.A novel function for tissue inhibitor of metalloproteinases－3(TIMP3):inhibition of angiogenesis by blockage of VEGF binding to VEGF receptor－2［J］.Nat Med，2003，9(4):407 －415.

26 Zhen－Zhou C，Xiao－Dan J，Gui－Tao L，et al.Functional and ultrastructural analysis of endothelial－like cells derived from bone marrow stromal cells［J］.Cytotherapy，2008，10(6):611－624.

27 Haack－Sorensen M，Bindslev L，Mortensen S，et al.The influence of freezing and storage on the characteristics and functions of human mesenchymal stromal cells isolated for clinical use［J］.Cytotherapy，2007，9(4):328 －337.

28 Mund JA，Ingram DA，Yoder MC，et al.Endothelial progenitor cells and cardiovascular cell－based therapies［J］.Cytotherapy，2009，11(2):103－113.

29 Tondreau T，Meuleman N，Stamatopoulos B，et al.In vitro study of matrix metalloproteinase/tissue inhibitor of metalloproteinase production by mesenchymal stromal cells in response to inflamatory cytokines:the role of their migration in injured tissues［J］.Cytotherapy，2009，11(5):559－569.

30 Huang PH，Chen YH，Wang CH，et al.Matrix metalloproteinase－9 is essential for ischemiainduced neovascularization by modulating bone marrowderived endothelialprogenitor cells［J］.Arterioscler Thromb Vasc Biol，2009，29(8):1179－1184.