基質金屬蛋白酶9與高血壓動脈重構

張明杰(綜述)，李敬誠，張莉莉(審校)

(第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所神經內科，重慶400042)

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基質金屬蛋白酶9與高血壓動脈重構

張明杰△(綜述)，李敬誠，張莉莉※(審校)

(第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所神經內科，重慶400042)

摘要：基質金屬蛋白酶9(MMP-9)是基質金屬蛋白酶家族中的重要一員，是鋅離子依賴的細胞外基質(ECM)的降解酶。ECM的重塑通過影響細胞的結構和功能參與多種疾病的病理過程。MMP-9作為ECM的主要降解酶，通過調控基質膠原成分的合成和降解，直接影響血管平滑肌細胞形態和功能，并在高血壓血管重構過程中發揮重要作用。同時，MMP-9也有望成為心腦血管疾病特別是高血壓的潛在標志分子。

關鍵詞：基質金屬蛋白酶9；高血壓；動脈重構；細胞外基質；血管平滑肌細胞

高血壓是最常見的慢性病之一，也是冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)、腦卒中等心腦血管疾病的獨立危險因素。動脈血管結構的改變，特別是管壁增厚、管腔縮窄以及基質增多是高血壓的病理學基礎，也是長期血壓升高造成相關組織和器官損傷的重要表現。細胞外基質(extracellular matrix，ECM)中多種成分的改變可以直接影響血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)的形態以及增殖、遷移、凋亡等，其是動脈重構過程中一個重要環節[1]。基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)是ECM的主要降解酶，參與基質的重構。MMP-9作為最重要的MMPs之一，在高血壓動脈重構過程中發揮重要作用。現對MMP-9與高血壓動脈重構的關系進行綜述。

1MMPs概述

MMPs是由多種細胞合成和分泌的鋅離子依賴的內肽酶家族，其通過特異性降解ECM成分，使細胞突破各種生理屏障而具有遷移特性。自1962年Gross和Lapiere[2]首次發現蝌蚪尾巴在退化過程中含有一種降解纖維膠原的膠原酶后，至今已發現多種MMPs，其中在人類中發現23種。白細胞、腫瘤細胞、單核巨噬細胞、內皮細胞、平滑肌細胞等多種細胞可合成和分泌MMPs，而且大部分細胞并不儲存MMPs，當施加MMPs激動劑或細胞受到特定刺激時，MMPs的合成將增加，并很快地分泌到ECM中去[3]。

哺乳動物中的MMPs的結構由保守的催化域和可結合鋅離子活性中心的前肽域組成，后者可抑制鋅離子活性中心，使MMPs維持在酶原的形式。一旦前肽域被水解丟失，活性中心暴露，而后酶原被激活，MMPs就可以降解底物。部分MMPs成員肽鏈的C端具有以鉸鏈連接的血液結合素蛋白域，其能發揮識別底物和激活酶解活性的作用[4]。根據結構和底物的差異，MMPs大體分為膠原酶、明膠酶、間質溶解素、膜型MMPs、基質溶解酶以及其他MMPs 6類[5](表1)。研究證實，MMPs在胚胎移植、組織重構、器官發育、傷口愈合、腫瘤、炎癥以及血管疾病等方面發揮重要作用[6]。

表1　MMPs的分類及成員

MMPs：基質金屬蛋白酶

2MMP-9的生物學特性

MMP-9又稱明膠酶B，位于人染色體20q11.2~q13.1上，以92 000的酶原形式在胞質內合成后分泌到ECM，然后水解為86 000的活性形式發揮酶解效應，其是已發現的MMPs中分子質量最大的成員[5,7]。大多數細胞包括白細胞、成纖維細胞、巨噬細胞、內皮細胞、平滑肌細胞以及心肌細胞均可合成和分泌MMP-9，其底物包括Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ及Ⅹ型膠原、明膠、彈性蛋白及巢蛋白等。MMP-9分子在典型的MMPs催化域中插入了Ⅱ型纖連蛋白重復序列，并介導其與底物膠原的結合，另外Ⅴ型膠原樣功能域為MMP-9所特有[8]。

調控MMP-9水平和活性的方式有多種，包括轉錄和翻譯后修飾調控、酶原分泌和激活調控以及內源性MMPs抑制劑(tissue inhibitors of metalloproteinase，TIMPs)或其他抑制劑如α巨球蛋白的調控[1]。MMP-9基因啟動子中除含有位于近端和遠端的轉錄因子活化蛋白1結合位點外，還含有核因子κB 的結合位點，兩者均有助于對細胞因子產生應答。MMP-9能以酶原的形式分泌到ECM中，也可與細胞表面的結構域結合而存在于細胞周圍。VSMCs分泌的MMP-9的酶原形式和活化形式可分別與細胞表面的整合素α2亞基和CD44結合[1]。此外，許多細胞因子可調節MMP-9的合成與分泌：血小板源性生長因子或堿性成纖維細胞生長因子與白細胞介素1α 或腫瘤壞死因子α的協同作用可顯著增加MMP-9的合成，并與活化蛋白1和核因子κB的激活密切相關[9]。在調控方面，MMPs與TIMPs的相互作用最為重要。在酶原活化階段和已活化階段，TIMPs可分別與酶原和活化的MMPs形成穩定的復合體，阻礙其激活或抑制酶解活性，其中與MMP-9關系最密切的是TIMP-1[7]。

MMP-9在心腦血管疾病[7,10]、自身免疫性疾病[11]、腸炎[12]、慢性阻塞性肺疾病、多發性硬化[13]、腫瘤[14]等多種疾病中發揮重要作用，特別是在介導組織炎癥方面。

3MMP-9與高血壓動脈重構

高血壓通過啟動血管重構過程，引起管壁增厚、管徑狹小以及舒張功能障礙，最終導致動脈粥樣硬化和小動脈硬化，成為誘發冠心病和腦卒中的危險因素。MMPs與高血壓血管重構的關系引起了研究者的關注，MMPs特別是MMP-9，通過引起ECM的重構，誘導VSMCs發生結構和功能的改變，導致血管構型的改變。了解MMP-9在高血壓血管重構方面的作用，可為闡明高血壓的發病機制以及制訂防治措施提供新思路。

3.1MMP-9與高血壓夾持一側腎動脈后誘發的高血壓大鼠主動脈中膜內層和內膜明顯增厚并伴有MMP-2、9和14水平的上調，而且廣譜的TIMPs——強力霉素可改善這種血管重構[15]。Tan等[16]檢測到原發性高血壓患者的血清中MMP-9和TIMP-1水平明顯高于血壓正常的人群，且水平與大動脈的硬度呈正相關。MMP-9的過度生成和激活可大量降解血管壁的彈性纖維，導致大動脈壁的機械性質改變、硬度增加。Marchesi等[17]的Meta分析也表明，不伴有心力衰竭的高血壓患者的血漿中MMP-9和TIMP-1水平高于血壓正常的人群。在輕度原發性高血壓患者[收縮壓140~159 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)和(或)舒張壓90~99 mmHg]中也發現MMP-9水平的增加，提示在高血壓早期MMP-9就已經參與血管重構；而TIMP-1水平的下降也有助于提高MMP-9的活性[18]。同樣的結果也見于隱匿性高血壓患者[19]。

Flamant等[20]發現，飲食血管緊張素Ⅱ的小鼠頸動脈的MMP-9活性增強，并在高血壓早期有緩解血壓升高、降解Ⅳ型膠原以及保持血管順應性的作用。Li-Saw-Hee等[21]研究顯示，高血壓人群血清中MMP-9和TIMP-1的水平顯著低于正常血壓的人群，經過2個月的抗高血壓治療(依那普利或氯沙坦)后，血清中MMP-9和TIMP-1水平并未隨著血壓的降低而明顯改變。Zervoudaki等[22]研究也發現，原發性高血壓患者的血液中激活的MMP-9比正常血壓人群低，服用氨氯地平抗高血壓治療6個月后MMP-9水平可恢復正常。

目前，對于高血壓時血液中MMP-9水平是增加還是降低還存在爭議，同時何種類型的抗高血壓藥物可逆轉MMP-9的變化也存在不確定性，這可能與血管重構的方式有關。當然，實驗設計和樣本選取也是不可忽視的因素之一。因此，大樣本的臨床實驗有助于進一步明確MMP-9與高血壓的關系。血液中MMP-9水平也有望成為預測心血管疾病特別是高血壓的潛在生物學指標[23]。

3.2MMP-9與動脈重構動脈重構是高血壓顯著的病理特點。動脈粥樣硬化中，VSMCs在泡沫化過程中分泌大量的MMPs以降解ECM和基膜，促使VSMCs由中膜突破屏障遷移至內膜；同時其分泌的多種細胞因子又可調節自身和其他細胞分泌MMPs，進一步促進VSMCs的大量遷移和增殖，細胞、ECM以及脂質在內膜的大量堆積導致血管內膜增厚、管腔狹窄。位于粥樣斑塊肩部的MMPs活性和水平的增加促使斑塊破裂而栓塞血管[24]。高血壓患者血液中TIMP-1信使RNA水平明顯低于血壓正常的人群，而伴有頸動脈粥樣硬化的高血壓患者的血液中MMP-9信使RNA水平會顯著增高，提示MMP-9與TIMP-1的不平衡導致血管彈性的降低以及粥樣斑塊的形成[25]。高速血流導致的大鼠阻力血管管徑增大及管壁肥厚與一氧化氮合酶和MMP-9的相繼激活有關[26]。

高血壓早期，MMP-9的激活和血管擴張性增加被認為是適應血壓變化的血管重構表現[27]。Tayebjee等[28]研究顯示，高血壓患者血液中MMP-9和TIMP-1水平增加，而且抗高血壓治療后TIMP-1水平仍有增長，提示TIMP-1在高血壓恢復期的血管重構中發揮重要作用。心血管系統的ECM中Ⅰ/Ⅲ型膠原蛋白的水平相對較高，兩者在增加血管硬性和減少彈性方面起重要作用。MMP-9的底物主要是Ⅳ/Ⅴ型膠原蛋白，因此MMP-9的增高會引起ECM中膠原蛋白的重構，使Ⅰ/Ⅲ型膠原蛋白的凈含量顯著增加，并由此可能帶來血管重構[25]。TIMP-1不僅是MMP-9的內源性抑制劑，同時對主要降解Ⅰ型膠原蛋白的MMP-1也有抑制作用。因此,TIMP-1的增高反而會促進Ⅰ型膠原蛋白的積聚，而后期TIMP-1的增高可能主要是阻斷MMP-9的合成，改善血管重構[28]。ECM中的成分很多，MMPs之間以及MMPs與TIMPs間的關系也很復雜，而其與高血壓血管重構的機制方面還需要更多的研究予以闡明。

3.3MMP-9與平滑肌細胞平滑肌細胞的改變是高血壓血管重構過程中最為重要的環節。血管損傷引起的平滑肌細胞增殖和遷移與MMP-9關系密切[29]。MMP-9通過降解作用重構ECM以及基膜成分，VSMCs隨之發生表型轉化，形成合成型的VSMCs，后者可合成新的整合素亞基，并在ECM中形成相應的配體蛋白或使原有蛋白產生新的整合素連接位點[1]。通過黏著斑激酶形成ECM-整合素-細胞骨架的信號通路，使細胞構型改變并脫離鈣黏素連接而利于遷移[1]。同時，MMP-9可釋放或活化大量的生長因子和細胞因子，激活黏著斑激酶、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B等信號轉導通路促進VSMCs增殖[1]。MMP-9誘導的ECM重構主要通過影響平滑肌細胞結構和功能而發揮動脈重構的作用。闡明高血壓時VSMCs的形態、增殖、遷移以及凋亡機制對高血壓的靶向控制和治療意義重大。

4展望

MMP-9通過調控ECM中膠原成分的合成和降解，誘導VSMCs形態和功能發生改變，繼而啟動動脈重構過程，最終影響血管疾病特別是高血壓的發生、發展。高血壓與MMP-9的廣泛聯系也促使MMP-9的調控有可能成為防控高血壓的新思路。當然，要想進一步了解MMP-9在高血壓動脈重構中的作用，有些問題還需要進一步闡明，如：①MMPs家族成員眾多且關系復雜，各成員間是如何相互影響以及又是如何通過ECM重構影響細胞變化的；②MMP-9在高血壓中的作用目前仍存在爭議，循環血液中MMP-9水平的變化能否代表局部病變；③由于外周動脈與腦動脈的組成存在差異，后者的平滑肌細胞顯著低于前者，而且基質成分也有所不同，那么MMP-9對不同動脈的重構效應存在哪些區別；④以MMP-9為靶標的抗高血壓思路的臨床效果又如何。相信隨著MMPs研究的不斷深入，高血壓動脈重構的機制也會越來越明朗。

參考文獻

[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編輯：辛欣

基金項目：重慶市杰出青年科學基金(CSTC2012JJJQ10003)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.07.006

中圖分類號：Q249； R543.5

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)07-1166-03