基质金属蛋白酶抑制剂与心脏疾病

1基质金属蛋白酶抑制剂分类、结构与功能

     已发现TIMP家族有四个成员组成，TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4。 TIMPs分为两个功能区，N 端功能区的半胱氨酸残基与MMPs的锌活性中心结合，C 端功能区与MMPs的其他部位结合，以1∶1的比例形成MMP- TIMP复合物，从而阻断MMPs底物结合，是一种转录后调节机制。

 TIMP-1（相对分子质量为28000）由巨噬细胞和结缔组织细胞产生广泛存在于组织和体液中， TIMP-2（相对分子质量为21000）多随MMP-2的表达而表达， TIMP-3仅存在于细胞外基质中。TIMP-4含有224个氨基酸，在心脏呈高表达，在肾、胰、结肠、睾丸有低水平表达，在肝、肺、脾、脑和甲状腺等无表达，具有器官特异性。

TIMP与MMPs之间存在一定程度的抑制特异性，TIMP-1是大多数MMPs的抑制物，但MT1-MMP和MMP-2例外。有人证明，TIMP-2只能抑制MMP-2，不影响MMP-9的活性。TIMP-2与MMP-2，TIMP-1与MMP-9能分别形成酶原复合物。但存在许多相反的结论，有可能是程度不同，并非绝对。

2 TIMPs的表达调控

     多种生长因子和细胞因子能调节TIMP转录，如表皮生长因子(EGF)、血小板生长因子(PDGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、白细胞介素-1(IL-1)、IL -6肿瘤生长因子-β（TNF-β）、佛伯酯可上调TIMPs， IL-4 可下调TIMPs，肿瘤生长因子α(TNF-α、)呈剂量依赖既可上调TIMPs，又可下调TIMPs。FGF、PDGF 、EGF、 IL-1 佛伯酯及血清是在转录水平促进成纤维细胞中TIMP-1的表达。 TIMP-1与TIMP-2表达调控不同可能因其在染色体上的位置不同有关。TIMP-1能被多种细胞因子诱导产生。TIMP-2很少受细胞因子诱导。TIMP-1的启动子是血清和佛伯酯。其他TIMPs的启动子目前尚不清楚。

3 TIMPs与心衰

     MMPs/TIMP失衡可使胶原堆积，导致心肌纤维化。心肌纤维化是因胶原不成比例的堆积，心室变硬，从而阻碍收缩舒张功能。心肌纤维化时，细胞外间质蛋白将心肌细胞分隔开从而损伤了细胞间的电交联。同时，毛细血管的密度下降，氧弥散距离增加，导致细胞缺氧。因此， 心肌纤维化影响心肌的代谢与性能，最终影响心室功能或和致心律失常。压力负荷可使MMPs升高，正常的胶原被MMPs降解并被缺乏连接结构的纤维性结构所取代，从而使室壁变薄，心室扩张，心功能下降。

TIMPs抑制MMPs从而改善心功能被许多试验所证实。Roten等的研究表明，敲除TIMP-1基因的小鼠模型，4个月时，左室舒张末容积（LVEDV）增加，左室舒张末压力增加超过2倍。Jayasanker 等发现， TIMP-1转基因大鼠，心肌梗死后左室压力最大与最小上升速率（dp/dt）均增加，左室内径下降，梗死边缘壁变厚，纤维化降低。说明TIMP-1可以保护心肌收缩与舒张功能。有人在研究急性缺血后再灌注性损伤时发现，在灌注的第一分钟，过（氧化）亚硝酸盐与MMP-2前体大量释放。过（氧化）亚硝酸盐激活MMP-2，而灭活TIMP-1基因，这就进一步提高了MMP-2的相对水平；并且发现，MMP-2表达在肌小节。这一证据表明，MMP-2的急性释放，降解了心肌细胞中的肌球蛋白，有可能为急性再灌注性损伤心肌顿抑的机制。TIMP-1在保护急性再灌注性损伤后心力衰竭，起到了重要作用。

     应用外源性基质金属蛋白酶抑制剂（MMPi），可以使TIMP-1水平提高，梗死面积缩小，胶原容积减少，左室内径减小，室壁张力下降，心室缩短分数升高，细胞横截面积增大。因此，MMPi有防止心室扩张，改善心功能的作用，为心力衰竭的治疗提供了一条新的途径。

4 TIMPs与心肌梗死

      研究发现，TIMP-1在梗死区降低，TIMP-4无论梗死区，非梗死区，边缘区均明显降低。有研究表明，大面积的心肌梗死时，TIMP-1水平下降，直到梗死后6个月才能恢复到基线水平。Mukherjee 等^［1］的进一步的研究表明，心梗动物模型应用外源性基质金属蛋白酶抑制剂（MMPi）组5天之前梗死面积与心肌梗死组相似，而2周后MMPi组梗死面积明显下降，8周后心室舒张末容积明显下降，且MMP-2、MMP-9、MMP-13、MT1-MMP均低于心肌梗死组，TIMP-1高于心肌梗死组，TIMP-4在非梗塞区高于心肌梗死组。可见，心肌梗死后TIMP水平降低， MMPs/TIMP比值升高，有助于纤维性胶原替代坏死物质形成瘢痕，同时也增加了心肌梗死晚期的心肌重构。心肌重构是心肌梗死后致残、致死的重要机制，决定着心肌梗死后的心脏功能与预后。应用MMPi使TIMP-1水平提高，梗死面积缩小，胶原容积减少，左室内径减小，室壁张力下降，心室缩短分数升高，细胞横截面积增大。最近，John等^［2］发现，敲除TIMP-1基因的小鼠，左室舒张末容积（LVEDV）与野生型小鼠的LVEDV相似；但在心肌梗死后，敲除TIMP-1基因的小鼠左室舒张末容积（LVEDV）大于野生型小鼠的LVEDV；应用MMPi后，TIMP-1基因缺乏的小鼠与野生型小鼠在心肌梗死后LVEDV均减小，但TIMP-1基因缺乏组小鼠LVEDV减小更为明显，且左室射血分数增加，而野生型小鼠无此改变。可见，内源性与外源性基质金属蛋白酶抑制剂均可以减轻心肌梗死后的心肌重构，TIMP-1基因缺乏可用MMPi“药物复苏”。另外还有试验提示，TIMP-1可用于防治心肌梗死后的心脏破裂。基质金属蛋白酶抑制剂对心肌梗死后的早期破裂与晚期重构都具有着重要意义。

5 TIMPs与心脏重构

     MMPs/TIMP失平衡，在心肌重构中起着重要作用。MMPs活化，可加速和放大降解细胞外基质（ECM）的作用。有研究表明，基质金属蛋白酶内源性抑制物-1（TIMP-1）可降低ECM降解33。敲除TIMP-1基因的转基因动物，左室扩大。实验证明， TIMP-1缺乏时，心肌收缩力降低，瘢痕体积增加，并且呈时间依赖，损伤远处的室壁变薄，相关胶原减少，重构更广泛。用TIMP-1治疗的小鼠心脏压力容积环明显较野生型心梗组右移，且心肌细胞横截面积、心脏质量明显变大，而胶原明显减少。Esther等 发现TIMP-1缺乏的心梗小鼠模型，心脏压力容积环明显较野生型和心梗组左移，心脏质量明显大于野生型对照组与心肌梗死组，而胶原明显减少。TIMP-1有助于逆转心室重构；而TIMP-1缺乏放大了有害的心室重构。心肌重构是多种心血管疾病的病理机制。对基质金属蛋白酶抑制剂的进一步研究，有助于进一步认识这一病理过程。

6 TIMPs与血管生成

     MMP-2、MMP-9是一种明胶酶，主要的水解底物为Ⅳ型、Ⅴ型胶原。Ⅳ型、Ⅴ型基底膜非纤维性胶原被降解，细胞外基质分子形态改变可调整内皮细胞，激活细胞内化学信号途径，从而使血管内皮细胞由静止期转变到生长期，进而促进新生血管的形成。MMPs/TIMP的动态改变，造成选择性的降解细胞外基质，从而调整血管内皮细胞形态、生长和成活，在很大程度上影响到血管发生期间，毛细血管的生长和退化。而细胞间连接的改变与细胞的延伸也被选择性MMPs的分泌与激活所标明。

       Cai等发现认为TIMP-1、 MMP-2与MMP-9与侧支循环的发育有关。Tanaka 等^［3］在研究激光血运重建术机制时发现，在激光治疗后的梗死区内，TIMP-1 、TIMP-2水平升高，MMP-2与MMP-9的前体分别升高了5·8倍和10倍。提示MMP-2与MMP-9 、TIMP-1 、TIMP-2水平升高，可能为激光血运重建的潜在机制。Collen 等^［4］的研究表明，TIMP-3明显抑制血管发生，而TIMP-1的作用微弱，膜型MMP（MT1-MMP）在内皮细胞 的转录，促进了血管发生。Koike 等^［5］的研究表明，TIMP-2通过抑制MT1-MMP 和MMP-2从而抑制血管的形成。这些证据表明，TIMPs抑制血管的形成伴随着MMPs的活动，二者之间的比例关系决定着作用的结果，而这一作用的确切关系有待进一步研究。

7 TIMPs与心肌病

      Schwartzkopff 等^［6］的研究发现，扩张性心肌病（DCM）的病人血浆中的TIMP-1与MMP-1的水平升高，MMP-1/TIMP-1比值增加与左室内经扩大有关。Tyagi 等^［7］的研究发现，TIMP-1在 Fedak 等^［8］发现，TIMP-3缺乏的小鼠，左室明显扩张。TIMP-3缺乏，造成间质中MMP-9与促炎因子TNF-α活动，可能是左室重构的分子标志。 Yokoseki 等^［9］发现，在DCM的情况下，左室射血分数（LVEF）TIMP-2与MMP-2 有关，r ＝-0.58。 Thomas等^［10］发现， DCM 时MMP-1、MMP-3、MMP-9水平升高，TIMP-1、TIMP-2升高了500，MMPs/TIMP复合物升高了600。研究提示，研发选择性TIMP，在治疗心肌病方面具有重要意义。