МАТРИКСНЫЕ МЕТАЛЛОПРОТЕИНАЗЫ, ИХ РОЛЬ В РАЗВИТИИ ПАРОДОНТИТА Румянцев В.А.,Жигулина В.В.

Тверская государственная медицинская академия


Номер: 8-1
Год: 2014
Страницы: 321-327
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

матрикс, матриксные металлопротеиназы, заболевания пародонта, matrix, matrix metalloproteinases, periodontal disease

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Рассмотрены основные характеристики матриксных металлопротеиназ (ММП), их роль в развитии и поддержании воспаления при пародонтите, перспективы использования в клинической диагностике пародонта.

Текст научной статьи

Воспалительные заболевания пародонта распространены достаточно широко. В России заболеваемость взрослого населения различными формами заболеваний пародонта составляет около 96%. Обнаружена тесная связь между заболеваниями пародонта и соматическими заболеваниями, которые достоверно сочетаются с поражением тканей пародонта. Изучение патоморфологических и патофизиологических механизмов этой связи необходимо для разработки новых подходов к диагностике и лечению [1]. При оценке состояния тканей пародонта отмечают гигиеническое состояние полости рта, интенсивность и распространенность воспалительной реакции, измеряют глубину пародонтальных карманов, убыль зубодесневого прикрепления, определяют подвижность зубов, проводят количественную и качественную оценку десневой жидкости [2]. Основными факторами развития заболеваний пародонта считаются: нарушение микробиоценоза в полости рта; нейрорегуляторные нарушения; изменения гемодинамики, метаболизма соединительной ткани, минерального обмена; дефицит витаминов; нерациональное питание; травмирующие аномалии прикуса; курение; чрезмерное потребление алкоголя [2]. Ряд исследователей [3] считают, что одним из главных факторов, способствующих развитию и поддержанию воспалительного процесса при пародонтите, является высокий уровень микроорганизмов (условно-патогенных и патогенных). Полагают, что патологические изменения в пародонте возникают при возрастании микробной атаки, вызванной скоплением микроорганизмов (происходит образование биопленки). В основном это спирохеты, подвижные формы кокков, в основном - анаэробные, которые активно размножаются только в глубоких слоях, лишенных кислорода. Снижение специфических и неспецифических механизмов местной и общей защиты практически всегда связано с повышенной активностью микробных скоплений, ведущих к развитию клинически выраженной воспалительной реакции. Особую роль в развитии и поддержании хронического воспаления играют матриксные металлопротеиназы (ММР) - это Zn2+ и Ca2+- зависимые эндопептидазы - ферменты катаболизма большинства белков внеклеточного матрикса на различных этапах воспалительного процесса. В последние несколько лет к ним проявляют особый интерес ученые для понимания особенностей течения заболеваний пародонта и разработки новых методов их лечения. ММР наряду с другими внеклеточными протеиназами способны осуществлять такие процессы как коагуляция, реализация иммунного ответа, физиологическая перестройка тканей. Они секретируются различными клетками: нейтрофилы, фибробласты, эпителиоциты, макрофаги, гладкомышечные клетки эндотелия сосудов, остеобласты и др. Одна и та же клетка может синтезировать разные ММР [4]. Из клетки ММР секретируются в виде неактивных ферментов - про-ММР. В неактивном состоянии они содержат неспаренные цистеиновые сульфгидрильные группы у С-конца пропептида. В результате активации происходит отщепление пропептида. Активаторами ММР могут выступать протеаза плазмы крови - плазмин, активаторы плазминогена - урокиназа, тканевый активатор плазминогена, катепсин-9, хемотрипсиноподобные ферменты. Каскад реакций отщепления пропептида от предшественников ММР также поддерживается за счет самих активированных ММР. Так, ММР1 может активировать про-ММР7, а ММР7 способна активировать про-ММР9 [5]. Все ММР имеют сходное строение: сигнальный пептид, необходимый для секреции их из клетки; пропептидный участок из 80 аминокислотных остатков, который удаляется в процессе активации профермента; каталитический металлопротеиназный домен, состоящий из 170 аминокислотных остатков, включающий в себя 2 иона Zn2+ и 3 иона Са2+ и имеющий координационные связи с катионом Zn2+ каталитического центра и шарнирным участком. Наряду с этим, все ММР, кроме ММР7, имеют концевой гемопексиновый домен, содержащий центр связывания субстрата [6]. В физиологических условиях на посттрансляционном уровне выделяют два основных пути регуляции активности ММР: протеолитическая активация неактивных ферментов (про-ММР) и взаимодействие с эндогенными ингибиторами. Экспрессия ММР в тканях регулируется скоростью их синтеза и содержанием их главных эндогенных ингибиторов - тканевые ингибиторы металлопротеиназ (ТIМР) [7]. TIМР - семейство белков, подавляющих активность ММР. Они синтезируются соединительно-тканными клетками, лейкоцитами за счет образования прочных нековалентных комплексов с ММР. В организме человека обнаружено 4 типа TIМР: TIМР1, TIМР2, TIМР3, TIМР4. TIМР снижают активность ММР в соотношении 1:1, при этом связываясь с их активным центром. TIМР1 играет важную роль в реактивации незрелых клеток пульпы для нормального дентиногенеза, отмечено увеличение количества TIМР1 при плоскоклеточном раке. Уровень TIМР1,2 снижается после терапии пародонта. Помимо TIМР, ингибитором ММР может выступать 2α-макроглобулин [7]. Исследования J.M. Thompson [8] показали, что 17% этилендиаминтетрауксусная кислота ингибирует ММР в течение 1-2 мин. Дисбаланс между ММР и их ингибиторами (по данным A.R. Al-Azri) лежит в основе патофизиологии многих заболеваний желудочно-кишечного тракта и слизистой полости рта. В результате разработки синтетических ингибиторов ММР предоставляется возможность лечения данных пациентов [9]. ММР выступают в роли ключевого медиатора повреждения тканей при пародонтите, в эрозии дентина. Причиной увеличения активности ММР при данной патологии является нарушение баланса между ММР и их ингибиторами - ТIМР [10]. В настоящее время известно несколько классификаций эндопептидаз, относящихся к семейству ММР, в качестве примера рассмотрим одну из них [4]: 1. ММР секреторного типа (растворимые): - коллагеназы (ММР1,8,13); - желатиназы (ММР2,9); - стромелизины (ММР3,10,11); - матрилизины (ММР7,26). 2. Мембранно-связанные ММР (ММР14,15,16,17,24,25). 3. Неклассифицированные ММР (ММР12,19,20,21,27). Из всех матриксных металлопротеиназ на сегодняшний день наиболее изучены коллагеназы: коллагеназа-1 (ММР1), коллагеназа-2 (ММР8), коллагеназа-3 (ММР13). Они участвуют в распаде коллагена I, II, III типа, но и других компонентов внутриклеточного матрикса, включая неколлагеновые белки [4]. Данное свойство обусловлено узкой субстратной специфичностью: располагаясь во внутриклеточном матриксе, они узнают и расщепляют только определенные пептидные связи и поэтому неколлагеновые белки не являются для коллагеназ конкурентами коллагена. ММР1 (коллагеназа-1, коллагеназа фибробластов) свое название получила из-за способности расщеплять коллаген I типа. Продуцируется в основном фибробластами, но может экспрессироваться макрофагами, кератиноцитами, остеобластами, хондробластами, эндотелиальными клетками, моноцитами, некоторыми опухолевыми клетками [11]. ММР1 секретируется в латентной форме 52 kDa и конвертируется в форму с молекулярной массой 42 kDa, активация последней происходит с помощью ММР2 или ММР7. Активированная ММР1 расщепляет коллагены I, II, III, VII, VIII, X типа, желатин, казеин, агрекан, энтактин, перлекан, внутриклеточные протеины. ММР1 (наряду с ММР2) участвует в ремоделировании внеклеточного матрикса периодонта. Синтез ММР1 стимулируют различные вещества, в том числе и цитокины: эпидермальный фактор роста, интерлейкины (IL), фактор некроза опухоли α (TNFα), которых ингибируют специфические TIМР1,2, а также α2-макроглобулин [12]. Имеются клинические исследования [13], подтверждающие участие ММР1 в развитии заболеваний пародонта. Так, при хроническом пародонтите уровень ММР1 в десневой жидкости (ДЖ) был выше, чем у здоровых лиц, лечение привело к снижению его содержания. При пародонтите у подростков 14-17 лет выявлено увеличение количества ММР1 в ДЖ, по сравнению с контролем [14]. ММР8 (коллагеназа-2, нейтрофильная коллагеназа) является маркером нейтрофилов и их предшественников, за что и получила такое название. Фермент синтезируется гранулоцитами при их дифференцировке в костном мозге и далее накапливается в гранулах циркулирующих нейтрофилов. Кроме нейтрофилов, имеются и другие источники ММР8: эпителиоциты, фибробласты десны, моноциты, макрофаги, плазмоциты. Различные вещества, такие как IL1β, IL8, TNFα, активируют ММР8 в очаге воспаления и стимулируют их высвобождение. В то время сама ММР8 участвует в активировании ММР14, активных форм кислорода, миелопероксидаз, TIМР1 [15]. Молекулярная масса ММР8 зависит от типа клетки и колеблется от 20 до 85 kDa. ММР8, синтезированная гранулоцитами, имеет молекулярную массу 75-80 kDa, после активации - 65 kDa. ММР8, образованная не гранулоцитами, имеет молекулярную массу 55 kDa, а после активации - 45 kDa. Субстратами ММР8 являются коллагены I, II, III, V, VII, VIII, X типа, протеогликаны, агрекан, фибронектин, брадикинин, ангиотензин I, фибриноген, желатин, про- и антивоспалительные цитокины. ММР8 присутствует в зубном налете, в зубной бляшке, в ткани десны при воспалении, участвует (как и ММР9) в деминерализации дентина (ее количество снижается на внутренней стороне кариозного дентина, возрастает на внешней стороне) [16]. При хроническом пародонтите содержание ММР8 увеличивается и фермент переходит в активную форму, участвуя в деструкции тканей пародонта [15,17,18,19,20]. Пациенты с тяжелой формой пародонтита имеют высокий уровень ММР8 в ДЖ (65 нг/мл) в отличие от ДЖ здоровых лиц (7 нг/мл) [21]. Вместе с тем, повышенное содержание ММР8 в слюне было отмечено у пациентов с нелеченым пародонтитом хронического и агрессивного типов, а в ДЖ - у пациентов с убылью эпителиального прикрепления, у подростков, у детей с синдромом Дауна. Активность ММР8 блокируется TIМР1,2, а также доксициклином - производным тетрациклинов, который улучшает состояние пародонта и снижает уровень ММР8 в слюне и ДЖ. Необходимо отметить, что ММР8 является маркером хронического пародонтита, вызывающего разрушение альвеолярной кости, нарушение секреции нейтрофилов [15]. ММР13 (коллагеназа-3) секретируется эпителиальными клетками в ответ на действие различных экзогенных факторов, а также фибробластами, макрофагами. В неактивном состоянии она имеет молекулярную массу 60-65 kDa, а после активации - 50-55 и 48 kDa [22]. ММР13 гидролизует коллаген II типа в 10 раз более эффективнее, чем другие ферменты из семейства ММР. Наряду с этим, ММР расщепляет коллагены I, III, IV, IX, XIV типа, желатин, агрекан, фибронектин, остеонектин [22]. Исследования [15] выявило в ДЖ пациентов с пародонтитом ММР13, которая отсутствовала у людей с интактным пародонтом. В ДЖ больных хроническим пародонтитом обнаружили достоверные различия концентрации данного фермента по сравнению с его уровнем у здоровых людей и больных гингивитом. По данным P.N. Tannure и соавт. [23], генетическая изменчивость в ММР13 снижает риск возникновения кариеса. К желатиназам относятся ММР2 (желатиназа-А) и ММР9 (желатиназа-В). Желатиназы в отличие от коллагеназ не способны гидролизовать нативный коллаген, они расщепляют желатины (коллаген после денатурации коллагеназами), в связи с этим они и получили свое название [24]. Желатиназы участвуют в деградации фрагментов коллагенов, полученных действием коллагеназ. Наряду с этим, некоторые исследователи считают, что ММР2 способна расщеплять нативный коллаген I, II, III типа, уступая в скорости коллагеназам. В то же время, ММР9 полностью лишена этой возможности. Вышеуказанные ферменты имеют сходное строение: три фибронектина II типа, встроенных в каталитический домен, необходимые для эффективного расщепления коллагена IV типа, эластина и желатинов. Кроме того, у них одинаковый тип субстратной специфичности и кинетические характеристики: расщепляют фрагменты коллагена I, IV, V, XI типа, эластин, фибронектин, ламинин, агрекан. Предполагают, что желатиназы разрушают ткани периодонта при пародонтите, что подтверждается обнаружением их повышенного количества в ДЖ, которое уменьшается при лечении [24]. ММР2 (желатиназа-А) секретируется в виде предшественника 72 kDa, синтезируется в основном фибробластами, а также остеобластами, одонтобластами [25]. Коллагенолитическая активность ММР2 на клеточной поверхности имеет сходство с активностью ММР1, но в растворе ее активность намного слабее, так как активация ММР2 связана с мембранно-ассоциированными ММР. Про-ММР2 не активируется большинством протеиназ, активирующие другие ММР. ММР2 участвует в деминерализации дентина [16]. Данный фермент активируется с помощью автолиза, который имеет концентрационно-зависимый характер, степень которого возрастает в присутствии гепарина. В основе другого механизма активации лежит взаимодействие про-ММР2 с 2 активными ММР14 и TIМР2. Транскрипция любой ММР зависит и контролируется рядом факторов (цитокинами, различными химическими веществами), поэтому их относят к «индуцируемым» ферментам. Однако, ММР2 является исключением, ее экспрессия происходит по конститутивному пути. Различия в регуляции транскрипции объясняются различиями в строении промоторов ММР [16]. Увеличение уровня ММР2 выявлено у больных хроническим пародонтитом как взрослых, так и подростков в период полового созревания, при кариесе, при плоскоклеточном раке (при расщеплении коллагена IV типа), у детей с синдромом Дауна [14,26,27]. ММР9 (коллагеназа-4, желатиназа-В) была обнаружена в нейтрофилах, макрофагах, фибробластах, одонтобластах [25]. Она экспрессируется в латентной форме 92 kDa и конвертируется в активную форму 68-82 kDa. Она еще лучше, чем ММР2 гидролизует желатин, а также коллагены I, II, III, V, VI, X типа, эластин, агрекан, фибронектин, остеонектин, плазминоген. По данным С.А. Милехина [28], провоспалительные цитокины, такие как IL1β, TNFα, стимулируют избыточную продукцию ММР9, недостаточно контролируемую ее тканевым ингибитором (TIМР1), что способствует усилению проницаемости, нарушению структуры зуба и возникновению кариеса. ММР9 является основной желатиназой при пародонтите в слюне, ДЖ, зубных бляшках, когда обнаруживают ее активные формы, тогда как в норме - только про-ММР9 [29,30]. При пародонтите основной источник ММР9 в ДЖ - нейтрофилы, в меньшей степени - макрофаги. При пародонтите в ДЖ ММР9 была выявлена у 98% больных, при гингивите - у 11% [31], после проведения соответствующей терапии, ее уровень снижался. Основываясь на экспериментальных данных [19,20], было предложено считать ММР9 маркером клинической тяжести пародонтита. Уровень ММР9 возрастает при генерализованном пародонтите [15], красном плоском лишае [32], при плоскоклеточном раке - наиболее частой злокачественной опухоли в ротовой полости. ММР9 считают [26] маркером классификации плоскоклеточного рака. К классу стромелизинов относятся: ММР3 (стромелизин-1), ММР10 (стромелизин-2), ММР11 (стромелизин-3). В их строении выделяют сходный с коллагеназами домен, но в то же время они не гидролизуют коллагены I, II, III типа. Данные ферменты секретируются фибробластами десны, хондроцитами, эндотелиоцитами. ММР3 и ММР 10 участвуют в расщеплении неколлагеновых белков межклеточного матрикса (протеогликаны, фибронектин, ламинин, фрагменты коллагенов) и в каскадных реакциях протеолитической активации про-ММР1,8,9. В отличие от ММР11, только ММР3 и ММР10 имеют сходную структуру и субстратную специфичность. ММР3 и ММР10 выделяются из клеток в виде проферментов, а ММР11, наоборот, активируется внутриклеточно и секретируется из клетки в виде активного фермента [33]. Кроме того, гены ММР3 и ММР10 локализованы в хромосоме 11, а ген ММР11 - в хромосоме 22. ММР3 (стромелизин-1, коллагеназа-активирующий фермент) синтезируется фибробластами десны и не обнаруживается в нейтрофилах. Данный фермент активирует про-ММР1,8,9,13. ММР3 расщепляет коллагены III, IV, V, IX типа, желатин, агрекан, фибронектин, ламинин, энтактин, остеонектин, эластин, казеин, ММР7,8,9,13, ILβ, комплекс ММР2/TIМР2, участвует в деминерализации дентина (в деминерализованном дентине ее содержится 2,73 нг/мл, в минерализованном - 3,280 нг/мл) [34]. ММР-3 обладает стимулирующим действием на пролиферацию и миграцию эндотелиальных клеток, антиапоптозным действием на эти клетки in vitro, используется как противовоспалительный агент для лечения пульпита [4]. Про-ММР3 высвобождается их клетки, имея молекулярную массу 55 kDa, после внеклеточной активации плазмином, триптазой, калликреином и самой ММР3 (автокатализ) превращается в активную форму (45 kDa). Активная ММР3 синтезируется в тканях десны не только при патологических процессах, но и в норме, что не бывает у других ММР [4]. Было установлено [35], что тяжесть пародонтита (как агрессивного, так и хронического) коррелирует с увеличением в ДЖ уровня ММР3. Характерной особенностью ферментов, относящихся к семейству матрилизинов (ММР7 и ММР26), является отсутствие у них гемопексинового домена. ММР7 (матрилизин-1) имеет молекулярную массу активного фермента 19-21 kDa. ММР7 синтезируется эпителиальными клетками и активирует несколько про-ММР, в частности про-ММР8. ММР7 - самый простой по доменной организации фермент в семействе ММР. Он гидролизует ряд белков внеклеточного матрикса: коллагены V и X типа, желатин, агрекан, фибронектин, ламинин, энтактин, остеонектин, β4-интегрин, эластин, казеин, трансферрин, плазминоген, ММР1,2,9, комплекс MMP9/TIMP1, но не расщепляет интерстициальные коллагены (коллагены I, II, III, IV типа). Наряду с этим, ММР7 воздействует на поверхностные молекулы, такие как про-α-дефензин, Fas-лиганд, Е-кадгерин. Повышение активности ММР7 наблюдается при увеличении миграции предшественников эпителиоцитов и при антибактериальной защите эпителия прикрепления. ММР7 не участвует в антимикробной защите организма, однако способен вызывать активацию предшественников антибактериальных пептидов - дефензинов, которые накапливаются в нейтрофилах, эпителиальных клетках, десневом эпителии и защищают ткани от бактерий. У пациентов с гингивитом, агрессивном и хроническом пародонтитом уровень ММР7 в ДЖ был выше, чем у здоровых лиц, при этом различия между группами пародонтологических больных были недостоверными [36]. ММР26 (матрилизин-2) имеет молекулярную массу 28 kDa. Она расщепляет желатин, ингибитор протеиназы α1, α1-антитрипсин, активирует про-ММР9. ММР26 не вызывает деградацию коллагена, ламинина, эластина, плазминогена. Особенностью ММР26 в отличие от других ММР, является способность накапливаться внутриклеточно в больших количествах. Растворимая форма ММР26 найдена в ДЖ у пациентов с пародонтитом. Уровни ММР26 коррелировали с тяжестью воспалительной реакции, что свидетельствует об ее участии в прогрессировании заболеваний пародонта [37]. Мембранно-связанные металлопротеиназы активны только на поверхности клетки. К ним относятся ММР14,15,16,24, которые содержат 4 трансмембранных белка I типа и ММР17,25, содержащие 2 глюкозилфосфотидилинозитолсвязанных белка. Все ММР, кроме ММР17 активируют про-ММР2 [37]. ММР14 обнаружена на клеточных мембранах фибробластов, макрофагов [38]. Ее экспрессия индуцируется TNFα. Молекулярная масса активной ММР14 составляет 66 kDa. Она способна расщеплять эндогенный TIМР2, вызывая активацию про-ММР2. ММР14 также участвует и в активации про-ММР8,13. ММР14 способна разрушать интерстициальные коллагены (I, II, III типа), хотя не относится к группе коллагеназ, вызывая активацию про-ММР2,8,13. Данный механизм происходит при нарушении баланса в системе ММР14/TIMP2. Помимо расщепления коллагена, ММР14 участвует в гидролизе не матриксных субстратов: IL8, про-TNFα, ингибитора секреторной протеазы лейкоцитов, ростового фактора соединительной ткани, что может играть роль в межклеточных взаимодействиях и в регуляции воспаления. Проведенные исследования [35] показали увеличение уровня ММР14 в ДЖ у пациентов с пародонтитом. ММР25 секретируется нейтрофилами. Про-ММР25 имеет молекулярную массу 57 kDa и превращается в активную форму с молекулярной массой 45-47 kDa. Возрастание количества ММР25 наблюдается в ДЖ при гингивите, хроническом и агрессивном пародонтите, в отличие от здоровых лиц [37]. Из вышесказанного следует, что заболевания пародонта вызываются изменением уровня целого ряда ферментов, относящихся к семейству ММР. Это выражается в обнаружении в слюне пациентов с заболеваниями пародонта активных форм ферментов, в повышении их концентрации, в снижении содержания данных ферментов при лечении заболеваний, что отсутствует у лиц с интактным пародонтом. Данные особенности ферментов имеют важное значение в патогенезе заболеваний пародонта. Как видно из представленного обзора и исследований других авторов, ММР8 и ММР9 являются маркером, как тяжести, так и активности заболеваний пародонта. Представляется интересным провести дальнейшие исследования уровня как в слюне и ДЖ, так и в крови других маркеров - ММР и их тканевых ингибиторов, а также научно обосновать использование полученных данных для оценки степени тяжести, особенностей клинического течения и эффективности терапии заболеваний пародонта.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.