The destruction and rebuilding of the extracellular matrix in the pathogenesis of acute focal cerebral ischemia

Full Text

Матриксные металлопротеиназы при атеросклерозе В настоящее время использование сложных технологий в фундаментальных и клинических исследованиях позво- лило накопить значительный объем информации о пато- генезе острой ишемии головного мозга, молекулярных и биохимических основах ее патогенеза. Среди ведущих причин развития острой фокальной ишемии головного мозга можно отметить атеросклероз сосудов головного мозга, фибрилляцию предсердий (ФП), артериальную гипертонию. ФП - основная причина раз- вития кардиоэмболического ишемического инсульта, при этом 25% инсультов при ФП имеет атеротромботическую природу, что, по-видимому, связано с сосудистой комор- бидностью и системностью таких заболеваний, как атеро- склероз и артериальная гипертония. Примерно у 50% больных с ишемическим инсультом непосредственной причиной его развития является атеротромбоз артерий головного мозга. В последние годы опубликованы результаты крупных морфологических исследований каротидных атероскле- ротических бляшек больных с атеротромботическим ишемическим инсультом или транзиторной ишемиче- ской атакой (ТИА). Гистологические исследования, про- веденные вскоре после цереброваскулярного события (эндартерэктомия или смерть больного), выявили при- знаки нестабильности в инсультзависимой атеросклеротической бляшке в каротидной артерии, которые быстро регрессировали от момента развития заболевания: уменьшается выраженность макрофагальной инфильт- рации и увеличивается количество гладкомышечных клеток. Развитие ТИА не влияет так выраженно, как раз- витие ишемического атеротромботического инсульта, на временные изменения в соответствующей бляшке [1-3]. Понятие «нестабильность бляшки» включает в себя тонкую покрышку атеромы, инфильтрацию макрофага- ми и Т-клетками, высокое содержание медиаторов вос- паления (в том числе цитокинов) и матриксных метал- лопротеиназ (ММП). ММП относятся к семейству цинковых металлопротеи- наз, функция которых связана с обменом соединительно- тканного матрикса в норме и при патологии. В нормаль- ных физиологических условиях ММП играют централь- ную роль в процессах морфогенеза, ремоделирования и резорбции тканей. Известно более 20 представителей это- го семейства, которые на основании их отношения к суб- стратам и доменной структуре можно разделить на 5 под- семейств: коллагеназы (ММП-1, 8, 13, 18); желатиназы (ММП-2, 9); стромелизины (ММП-3, 10, 11); мембранный тип ММП (ММП-14, 15, 16, 17); ММП, не относящиеся к известным подсемействам (ММП-7, 12, 19, 20). Активность ММП в тканях зависит от уровня экспрессии их генов, а также от наличия их активаторов и ингибито- ров. ММП относятся к «индуцируемым» ферментам, транс- крипция которых зависит от целого ряда факторов. Ис- ключением является желатиназа А (ММП-2), экспрессия которой происходит по конститутивному пути. Семейство ММП обладает деградирующей способностью в отноше- нии почти всех компонентов внеклеточного матрикса, встречающихся в соединительных тканях. Например, суб- стратами для ММП-2 и ММП-9 (желатиназ) являются: дена- турированный коллаген типа 1 (желатин), нативные кол- лагены типов 4, 5, 7, 10 и 11, фибриноген, ламинин и др. Помимо компонентов внеклеточного матрикса у ММП бы- ла также описана деградирующая способность по отноше- нию к цитокинам, факторам роста и другим биологически активным пептидам. Активность ММП в физиологических условиях регулируется (блокируется) специфическими тканевыми ингибиторами ММП - ТИММП, которые нахо- дятся практически во всех соединительных тканях. Выра- женное стимулирующее действие на транскрипцию и син- тез ММП обнаружено у нейрогуморальных агентов, тради- ционно ассоциирующихся с процессами ремоделирова- ния: ангиотензин II, эндотелин, катехоламины. На секре- цию ММП могут оказывать влияние цитокины, факторы роста, некоторые химические агенты и др. [4-7]. В интактной артериальной стенке среди всех ММП и ТИММП были обнаружены небольшие количества ММП-2, ТИММП-1 и ТИММП-2. В месте атеросклеротического по- вреждения определено повышенное содержание следую- щих ММП: ММП-1, ММП-2, ММП-3, ММП-8, ММП-9, ММП-11, ММП-12, ММП-13, ММП-14 и ММП-16, которые могут быть секретированы практически любыми клетками атеромы (эндотелиальными, гладкомышечными, пенистыми), но ос- новным их источником являются макрофаги. При этом в моноцитах/макрофагах атеромы относительное содержа- ние ММП-9 самое высокое в сравнении с другими ММП. Поскольку в структуру покрышки атеросклеротической бляшки входят многие компоненты экстрацеллюлярного матрикса (коллаген, эластин и протеогликаны), большое значение в стабилизации бляшки имеют факторы, влияю- щие на образование и разрушение этих компонентов. В наиболее уязвимой области бляшки - плечевой - законо- мерно обнаружена наибольшая активность ММП [8, 9]. Повреждение атеросклеротической бляшки не является чисто механическим процессом. Макрофаги секретируют несколько классов нейтральных экстрацеллюлярных про- теаз, включая ММП (коллагеназы, желатиназы, стромели- зины), и другие эластолитические ферменты (такие как ка- тепсины S и К), которые вызывают разрушение волокон коллагена, уменьшая толщину покрышки и снижая ее ме- ханическую устойчивость к разрыву. Активность ММП в бляшке параллельна увеличению в ней воспалительной клеточной инфильтрации и повышению уровня апоптоза клеток [2, 9, 10]. Баланс между ММП и ТИММП имеет ключевое значение не только для прочности или повреждения покрышки бляшки, но и для клеточной миграции в очаг атеросклеро- тического повреждения, в том числе миграции гладкомы- шечных клеток. Способствуя миграции гладкомышечных клеток из медиального слоя в интиму, ММП способствуют укреплению покрышки. Таким образом, ММП, с одной сто- роны, способствуют разрушению фиброзной покрышки бляшки, с другой - укрепляют ее [11-13]. На материале, взятом во время эндартерэктомии, у боль- ных атеросклерозом сонных артерий установлено, что в атеросклеротических бляшках с большим липидным яд- ром уровень ММП-1, ММП-3, ММП-8 и ММП-9 значитель- но выше, чем их содержание в фиброзных бляшках [14]. Гены системы ММП рассматривались как кандидатные в формировании и прогрессировании каротидного атеро тромбоза [1]. Однако результаты опубликованных исследо- ваний противоречивы. Имеются данные и о наличии, и об отсутствии взаимосвязи полиморфизма гена ММР-9 и рис- ка инсульта [15, 16]. В то же время оказалось, что уровень циркулирующей в крови ММП-9 ассоциируется с прогрессированием атеро- склероза и может быть прогностически значимым. Например, N.Eldrup и соавт. [17] по результатам 4-летнего наблюдения за пациентами с атеросклерозом сонных ар- терий отметили, что при наличии повышения концентра- ции циркулирующей ММП-9 и уровня стенозирования со- суда, равном или превышающем 50%, комбинированный риск инсульта и сердечно-сосудистой смерти увеличива- ется в 2 раза; а при дополнительном сочетании с указан- ными данными ультразвукового исследования признаков «нестабильности» бляшки комбинированный риск воз- растает в 4 раза. В 2008 г. английские авторы опубликовали результаты 16-летнего наблюдения за 5,5 тыс. мужчин, в котором так- же установлена взаимосвязь между уровнем сывороточной ММП-9 и риском сердечно-сосудистого события. Также выявлена взаимосвязь между уровнем ММП-9 и таких фак- торов, как курение, уровень С-реактивного белка, уровень интерлейкина-6, фибриноген и лейкоцитоз крови [18]. Значение ММП в развитии очага острой церебральной ишемии Разрушение и перестройка внеклеточного матрикса со- провождают ишемическое повреждение тканей [4, 7, 19]. Экспрессия ММП в головном мозге взрослого человека низкая в нормальных условиях, но возрастает при разви- тии ишемического повреждения [4, 20]. A.Rosell и соавт. [21] изучили концентрацию MMП-9 в ве- ществе головного мозга больных, умерших от ишемиче- ского или геморрагического инсульта. Оказалось, что уро- вень ММП-9 достоверно повышен в ядре инфаркта и периинфарктной области по сравнению с интактной тка- нью контралатерального полушария. Аналогично более высокий уровень ММП-9 был обнаружен в мозговой тка- ни, окружающей область гематомы, по сравнению с конт- ралатеральным полушарием. Таким образом, высокий уровень концентрации MMП-9 может быть маркером по- вреждения вещества головного мозга [22]. Обращает на себя внимание факт повышения ММП-9 в периинфаркт- ной области. Такое же наблюдение было сделано в работе I.Cadenas и соавт. [23], что, возможно, свидетельствует о вовлеченности ММП-9 в процесс расширения зоны ин- фаркта головного мозга. Источниками ММП в очаге ишемии в головном мозге ча- сто становятся нейроны, астроциты, олигодендроглиоци- ты, микроглия и эндотелиальные клетки. B.Zhao и соавт. [24] показали в эксперименте, что экспрессия ММП-9 в ос- новном наблюдается в микроглии и эндотелиальных клет- ках ишемизированной зоны головного мозга мышей. Так- же источником ММП в очаге ишемии головного мозга мо- гут становиться нейтрофилы, а также другие клетки, миг- рирующие из циркулирующей крови [4, 7, 25]. Литературные данные по изучению уровня ММП голов- ного мозга человека подтверждаются данными экспери- ментальных работ. С первых часов острой фокальной ишемии головного мозга в очаге повреждения у животных наблюдаются нарастание ММП-9 и параллельное сниже- ние ТИММП-1. Так, например, согласно данным A.Romanic и соавт. [26], после окклюзии средней мозговой артерии крыс уровень ММП-9 в веществе головного мозга повыша- ется через 12 ч, достигает максимального значения к кон- цу первых суток, сохраняется повышенным в течение 5 дней и возвращается к 15-м суткам к базальным значе- ниям. По наблюдению A.Planas и соавт. [27], у лаборатор- ных животных рост концентрации мозговой ММП-9 наблюдался спустя 50 мин и сохранялся повышенным от 4 ч до 4 дней от начала ишемии. При моделировании ишемического инсульта в экспери- менте повышенный уровень ММП, в частности ММП-9 и ММП-2, отмечен не только в зоне инфаркта головного мозга, но и в периферической крови животных [28, 29]. Применение генетических методов «выключения функ- ции» гена ММП-9 либо фармакологическое ингибирова- ние ММП-9 позволяет судить об их значении при развитии инфаркта головного мозга. Ингибирование ММП в экспе- риментах с развитием ишемии головного мозга у живот- ных сопровождалось преимущественно нейропротектив- ными эффектами. M.Asahi и соавт. [30, 31] показали, что но- каутирование гена ММП-9 или фармакологическое инги- бирование ММП-9 сопровождалось меньшим поврежде- нием вещества головного мозга в условиях ишемического воздействия. Применение моноклональных антител, си- стемно блокирующих ММП-9, также сопровождалось значительным уменьшением размера инфаркта головного мозга крыс [26]. Одной из причин благоприятного влияния ингибиро- вания ММП-9 в процессе ишемии головного мозга может быть установленная способность ММП-9 «разрывать» контакт клетка-клетка и клетка-межклеточный матрикс, что сопровождается дисфункцией и в конечном счете смертью клеток [32, 33]. Имеются и другие причины. Определяющее значение для поддержания гомеостаза центральной нервной системы имеет целостность гема- тоэнцефалического барьера, непроницаемость которого обеспечивается чрезвычайно прочными контактами меж- ду эндотелиальными клетками капилляров головного мозга. Окружающая их базальная мембрана состоит из различных компонентов экстрацеллюлярного матрикса, большинство которых способно разрушать ММП-9. В экс- перименте установлена взаимосвязь между выражен- ностью повреждения гематоэнцефалического барьера при ишемическом повреждении и уровнем активации ММП-9. В участках с повышенным уровнем ММП-9 зафик- сирована наибольшая нейтрофильная инфильтрация и геморрагии - эритроцитарная экстравазация [25]. При моделировании у крыс ишемического инсульта при- менение ингибитора ММП приводило к снижению частоты отека мозга и геморрагической трансформации очага [34]. Объяснять геморрагическую трансформацию очага ише- мии при повышенной активности ММП-9 могут данные о ее взаимосвязи с уровнем «экзогенного» и «эндогенного» тка- невого активатора плазминогена (ТАП). Показано, что вве- дение гепарина в ишемизированную гемисферу мозга по- вышает активность ММП-9 на уровне мРНК у дикого типа мышей, но не у мышей, нокаутных по гену ТАП. Таким обра- зом, эндогенный ТАП, повышая активность ММП-9, может участвовать и в гепаринассоциированном геморрагиче- ском повреждении головного мозга [24]. С другой стороны, значение ММП-9 в патогенезе ишеми- ческого повреждения неоднозначно негативное. Высокая активность ММП необходима для «обеспечения прохода» в зону ишемического повреждения клеток воспаления. Так- же установлено участие ММП в постинсультном нейроге- незе. X.Liu и соавт. [35] показали, что ангиопоэтин-2 инду- цирует нейрональную дифференцировку клеток-предше- ственников, а ММП регулирует миграцию этих клеток. Ингибирование ММП приводит к блокированию клеточ- ной миграции, вызванной ангиопоэтином-2. По данным S.Lee и соавт. [36], у мышей с фокальной ишемией головно- го мозга ММП-9 способствует миграции нейробластов из субвентрикулярной зоны в очаг повреждения. Таким обра- зом, участвуя в процессах ремоделирования внеклеточно- го матрикса и межклеточных взаимодействиях, обеспечи- вая «проход» клеток к очагу повреждения, ММП предполо- жительно влияют и на регенерацию при повреждении ткани. Кроме того, у некоторых ММП описаны свойства ше- даз, т.е. они способствуют переходу трансмембранной формы Fasl в растворимую, которая в меньшей степени индуцирует апоптоз [4, 7, 20, 37]. В последние годы появились результаты клинических исследований ММП-9 у больных с ишемическим инсуль- том. Например, в крови таких больных отмечено повыше- ние ММП, в частности ММП-2 и ММП-9 [38, 39]. J.Montaner и соавт. [39] и S.Horstmann и соавт. [40] описали прямую взаимосвязь циркулирующей ММП-9 с объемом цереб- рального инфаркта. Частота геморрагической трансфор- мации ишемического очага у больных с ишемическим ин- сультом в нескольких наблюдениях также оказалась связа- на с уровнем ММП-9 в периферической крови [38, 41]. ММП как возможная терапевтическая мишень Учитывая значение ММП в патогенезе ишемического повреждения, очевидно, что возможность регулирования их активности может оказаться чрезвычайно значимой для влияния на течение и исход инфаркта головного моз- га. Как уже обсуждалось, снижение активности ММП-9 разными методами в эксперименте в большинстве случа- ев сопровождалось нейропротективными эффектами. Однако попытка применения специфического ингиби- тора ММП в клиническом исследовании оказалась не- удачной вследствие низкой специфичности и высокой токсичности препарата (необходимо отметить, что при- менение препарата проводилось у онкологических боль- ных) [42]. Появляются данные о влиянии на уровень ММП препа- ратов, которые уже входят в стандарты лечения и вторич- ной профилактики инсульта. В настоящее время тромбо- литическая терапия, проводимая с помощью ТАП, является методом лечения с наибольшим уровнем доказательности при ишемическом инсульте [43, 44]. Однако частым ослож- нением этой терапии является геморрагическая транс- формация ишемического очага. Литературные данные о влиянии ТАП на активность ММП противоречивы. С одной стороны, имеются сведения, что ТАП принимает участие в тканевом ремоделировании, в том числе за счет способно- сти активировать ММП-9 [24, 45]. С другой - введение ТАП мышам с острой фокальной ишемией головного мозга не изменяло уровень и локализацию ММП-9 в головном моз- ге животных. Причем при введении ТАП мышам с нокау- том генов плазминогена и ММП-3 наблюдалась меньшая геморрагическая трансформация очага ишемии по сравнению с обычными мышами, чего не наблюдалось у мышей с нокаутом гена ММП-9 [46]. N.Hosomi и соавт. [47] показали, что применение блока- тора ангиотензиновых рецепторов олмесартана при мо- делировании ишемии головного мозга приводило к уменьшению концентрации ММП-2 и ММП-9 в мозговой ткани экспериментальных животных, что сопровождалось уменьшением размеров очага ишемии и риска развития отека мозга. Введение крысам трандолаприла за несколько суток до окклюзии средней мозговой артерии сопровож- далось снижением уровня ММП-2 и ММП-9 в веществе мозга спустя сутки от начала ишемии [48]. У мышей с артериальной гипертонией и без ишемиче- ского воздействия применение рамиприла в течение 6 мес сопровождалось достоверным снижением ММП-9 в веще- стве головного мозга [49]. По данным S.Miyazaki и соавт. [50], у больных с инфарктом миокарда препараты, блоки- рующие активность ренин-ангиотензин-альдостероновой системы, также снижали уровень циркулирующей ММП-9. S.Hayashidani и соавт. [51] показали способность еще од- ной группы препаратов - статинов - снижать активность ММП, а Z.Luan и соавт. [52] установили способность стати- нов ингибировать секрецию ряда ММП, включая ММП-9, макрофагами и гладкомышечными клетками. Итак, результаты исследований подтверждают, что ММП вовлечены в формирование очага ишемического повреж- дения головного мозга, однако необходимо проведение дальнейших исследований, так как данные литературы сви- детельствуют, что ММП могут являться терапевтической мишенью, воздействия на которую, вероятно, будут сопро- вождаться уменьшением очага повреждения и нейропро- текцией.

About the authors

E. V Konstantinova

Pirogov Russian National Research Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: katekons@mail.ru
117997, Russian Federation, Moscow, ul. Ostrovitianova, d. 1

M. Kh Shurdumova

Pirogov Russian National Research Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: dr_shurdumova@mail.ru
117997, Russian Federation, Moscow, ul. Ostrovitianova, d. 1

References

Supplementary files