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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（Heart failure）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(Matrix metalloproteinases , 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(Tissue inhibitors of metalloproteinases , 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：血流动力学异常；神经内分泌的激活；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（myocardial remodeling）。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(cardiac myocyte) 及周围的心脏间质组成。心脏间质主要包括细胞外基质(extracellular matrix ,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、和型。其型约占心肌胶原总量的80 % , 型约占10 % ,其他几型占10 %20 % , 型和型又是构成心脏胶原网络的主要成分,其主要功能是: 支持心肌细胞,决定心肌僵硬度和结构; 防止心肌纤维和心肌细胞的滑脱; 将心肌细胞产生的动力传到心室腔; 防止心肌细胞过度伸长和回缩。型胶原主要是粗纤维,张力很强; 型胶原为细网状,富有弹性,因此型或/ 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, 型前胶原羧基端肽(P P ,ICTP) 和型前胶原氨基端肽(P P ,P NP) 被释放进入血循环。它们被认为是体内型, 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。相对型而言,P P 在型胶原合成时被从型前胶原完全切下,从理论上说P P 是较理想的反映胶原纤维形成的标志。P P 在型胶原形成时并未完全被切下,它可能部分与型胶原的降解有关。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: 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(尤其是型胶原) 的沉积, / 型胶原比例升高,ECM的这些改变主要影响心脏的舒张功能。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：肾素-血管紧张素-醛固酮系统；内皮素；白介素-1和TNF-；转化生长因子；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:降解细胞外基质成分;以酶原的形式被分泌到ECM中;其活性部位都含有锌离子;均需要钙离子保持其稳定性:在中性PH值时发挥作用;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(tissue inhibitors of metalloproteinases,TIMPs)及血浆抑制因子一2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: 胶原酶(包括MMP - 1 ,MMP - 8 ,MMP - 13 ,MMP -18)；明胶酶 包括明胶酶A (MMP - 2) 和明胶酶B (MMP -9)；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；基质溶解素 包括基质溶解素1 (MMP - 7)和基质溶解素2 (MMP - 26)；膜型MMPs (MT - MMPs) (包括MMP - 14 , MMP - 15 , MMP - 16 , MMP - 17 , MMP - 24 ,MMP - 25)；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在基因一302位置都有TATA 盒，在一704区域有四佛波醇乙酸酯(fetraphorbolacetate, TPA)应答元素(TPA responsive element, 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(tumor necrosis factor-a, TNF-a)，血小板源型生长因子(platelet-derivedgrowth factor, 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MT MMP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表达增高同时伴随纤维化的增多。研究发现,心力衰竭患者的MMP活性增加,且与进行性左心室扩张和球形增大有关,这表明MMP在调节ECM更新和影响心肌几何形状中具有重要作用。理论上，MMPs 表达增加或活性升高导致纤维胶原进行性的降解、细胞外基质重塑，这将依次导致左室壁内肌束和（或）个别肌细胞的重新排列，和进行性心室壁变薄和心室扩张,最终导致心力衰竭。在衰竭的心脏中,正常的胶原蛋白被升高的MMPs降解并由缺乏连接结构的纤维性间质所取代,从而使室壁变薄,心室扩张,僵硬度增高,导致心室收缩和舒张功能障碍。正常心肌组织MMP主要以非活性状态存在,细胞外间质存在的基质金属蛋白酶抑制物TIMP是MMP呈非活性状态存在的主要原因。MMP与TIMP相互作用形成动态平衡,维持正常心肌ECM的合成与分解。充血性心力衰竭发展中出现内源性MMP抑制性调控丧失,MMP表达增加和激活,从而导致MMP-TIMP平衡失调。而MMP-TIMP系统的表达平衡对于胶原代谢的平衡是至关重要的，胶原的代谢平衡被破坏,胶原产生增多或降解下降,均可使胶原过多沉积,导致纤维化的发生。Sivasubramanian 等实验观察到,血浆中MMP-TIMP 活性平衡随时间的改变,导致转基因小鼠(MHCsTNF) 左心室重塑时心肌胶原纤维含量的变化。这表明,TIMP 是心肌MMP活性的重要内源性抑制因子,它在心肌中的表达可直接参与心脏几何形状和心功能的维持。高血压大鼠心肌成纤维细胞的体外培养证实,成纤维细胞通过产生过多的胶原而在心肌纤维化中发挥重要作用,而MMP-TIMP 的平衡变化又成为这一作用的关键。当左心室肥大转化成心力衰竭时,高血压大鼠心肌成纤维细胞中TIMP-2、4和MMP-2表达均增高,MMP-2的活性在发生心力衰竭之前即有明显增高,而TIMP-2、4的增高晚于MMP-2 ,导致MMP-TIMP的平衡失调,纤维化形成,加速了心力衰竭的发生。Roten 等在TIMP-1 基因敲除大鼠中发现,在其4个月龄时,左心室舒张末期容积、舒张末期压力、左心室舒张末期室壁应力显著增加,同时发现心肌胶原的含量下降。据报道,跨膜蛋白EMMPRLN(the human tumorcell-derived collagen-nase stimulatory factor) 能在体外诱导人左心室心肌MMP产生,在心肌纤维化中可以观察到, EMMPRLN 水平增高,伴随着特定MMP的增加,但TIMP-1 水平却没有改变或实际上下降了。Fedak 等对大鼠的心衰模型和临床心衰患者的研究时发现,心衰大鼠心室肌中MMPs 活性增加,TIMP - 3 含量减少,且在心衰终末期时变化最为显著,同时心室肌胶原纤维束变细、断裂,胶原含量减少；同样地,终末期心衰患者心室肌中明胶酶活性增加,TIMP - 3 含量减少,且TIMP - 3 减少程度与心室基质重塑程度平行。Iwanaga等研究盐敏感性高血压大鼠时发现,在大鼠左室处于代偿性肥厚阶段时,心室肌MMP - 2、TIMP - 2、TIMP - 4 的mRNA水平、蛋白水平及活性均无显著变化,但发展至心衰阶段,以上指标则均增高,且MMP - 2 活性水平与左室直径及收缩期室壁应力密切相关。另外Iwanaga 等检测了心力衰竭患者心脏MMP和TIMP的表达,发现TIMP-2、TIMP-4 和MMP-2 在左心室肥厚阶段无活性,但在向心力衰竭转变过程中TIMP 和MMP 的活性明显升高,且MMP-2 的活性超过了TIMPs 的活性,导致了细胞外基质的降解,促进了左心室的扩大。Spinale 等证实在超速起搏诱导的猪的充血性心力衰竭模型中,心肌MMPs 表达增加,且与进行性左室扩张和室壁变薄同时发生,而通过使用MMPs 抑制剂可减弱左室扩张程度,改善左室射血功能,减小室壁应力。以上研究表明,MMPs 的表达和活性的增加,以及TIMPs的抑制作用的减弱，MMP-TIMP系统失衡，参与左室重塑的发展过程,是心衰进展的重要推动力量。4、4、MMPs活化的可能调控因素：肥大细胞被激活后,释放胞浆分泌颗粒及一系列可溶性介质到细胞外。这些介质有三大类: 预先形成的介质,这类介质是指预先在肥大细胞内合成,并贮存于细胞内的颗粒中,包括类胰蛋白酶、组胺、肝素蛋白聚糖、硫酸软骨素蛋白聚糖、胃促胰酶、羧肽酶等；新产生的介质,这类介质是指在预先形成的介质的诱导下从肥大细胞分泌颗粒中合成后,直接释放的或在细胞膜代谢产生的,包括前列腺素D2 和E2 、白三烯C4 和B4 、血小板活化因子、血栓环素等; 细胞因子, 包括IL 、TNF-、MCP-1、GM-CSF、VEGF、TGF-、PDGF 等。这些介质中的多种物质如胃促胰酶和类胰蛋白酶、组胺、TNF-等都可直接或间接导致胶原降解。肥大细胞释放的细胞因子和生长因子已被证实能够激活纤维母细胞的基因和蛋白表达从而改变其表型。离体研究显示肥大细胞的蛋白酶能够激活胶原酶。近年有人提出肥大细胞可以分泌一些细胞因子或酶类影响MMPs的表达和功能状况，也有报道肥大细胞颗粒内同时含有tryptase和MMP-1，肥大细胞的提取物可以刺激间质细胞产生MMP-1和MMP-3，并使其前体活化。据报道，在移植的人类心脏中成熟肥大细胞的水平几乎增加了四倍；在动物实验模型中，如高血压、心梗和慢性容量过载中，心脏肥大细胞的水平也会升高。在AV瘘模型中，心脏肥大细胞在实验的最初五天中数量快速增加且维持在显著的高水平。在代偿性增生期的开始，肥大细胞数量恢复正常水平并在研究阶段内维持这个水平。当在实验过程中给与实验动物肥大细胞抑制药物，则在容量过载的最初三天中既没有肥大细胞的数量增多也没有MMP的活化。此外，肥大细胞的脱颗粒作用被抑制后，由于心衰导致的死亡率显著下降。可以推断一个结论，当容量过载发生时，心脏肥大细胞数量增加，并升高内皮素-1（ET-1）水平。肥大细胞在ET-1作用下脱颗粒释放介质，一些介质刺激未活化的肥大细胞迅速活化，而另一些介质包括tryptase、chymase、stromelysin，直接或间接导致MMP的活化；最后MMP引起基质胶原纤维降解，导致心室扩张。此外，有实验显示，TNF-也可以介导肥大细胞的作用，从而促进MMP活化和胶原的降解以及心室重塑。5、小结与展望：总之, 在心衰时，心脏细胞外基质的合成与降解的失衡将导致心室的重构向着心功能恶化的方向发展,对进一步加重心衰进程起着重要的作用。基质金属蛋白酶(MMP) 参与了心脏ECM 的重塑过程,MMPs相互之间的作用以及它们与其调节因素之间的相互作用在心肌纤维化发生、进展过程中的作用还有待深入研究。了解这些调控因素,对研究心肌肥厚和心室重构的发生、发展、研究新的药物和治疗措施来预防和治疗心肌纤维化及心力衰竭均具有重要的意义。MMPs抑制剂可以调节动物模型心脏重塑过程,改善心功能,这使得在心肌梗死、扩张性心肌病以及充血性心力衰竭的治疗上有了MMPs抑制剂这一新的选择。虽然这些仍处在动物模型的实验阶段,但MMP 抑制剂在动物实验模型中的良好效果提示,MMPs抑制剂将有可能成为心肌梗死、扩张性心肌病及心力衰竭等疾病的一种治疗方法与手段。参考文献：1Joseph S. Janicki , Gregory L. Brower, Jason D. Gardner, Mary F. Forman, James A. Stewart Jr.,et al.Cardiac mast cell regulation of matrix metalloproteinase-related ventricular remodeling in chronic pressure or volume overload. Cardiovascular Research 69 (2006) 657 665.2Anne M. Deschamps, Francis G. Spinale.Pathways of matrix metalloproteinase induction in heart failure: Bioactive molecules and transcriptional regulation. Cardiovascular Research 69 (2006) 666 676.3 Spinale FG, Coker ML, Krombach SR, Mukherjee R, Hallak H,HouckWV, et al. Matrix metalloproteinase inhibition during thedevelopment of congestive heart failure: effects on left ventriculardimensions and function. Circ Res 1999;85:364 76.4Nagatomo Y, Carabello BA, Coker ML, McDermott PJ, Nemoto S,Hamawaki M, et al. Differential effects of pressure or volume overloadon myocardial MMP levels and inhibitory control. Am J Physiol HeartCirc Physiol 2000;278:H151 61.5Fielitz J, Leuschner M, Zurbrugg HR, Hannack B, Pregla R, Hetzer R,et al. 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