С недавних пор упоминание о ферментах под названием «металлопротеиназы» стало часто появляться в косметической и дерматологической литературе. Более того, на рынке уже есть препараты, в аннотации к которым говорится об их способности влиять на активность этих ферментов. На этом знании «играют» некоторые производители anti-age косметики, которые позиционируют свою продукцию как «способную ингибировать металлопротеиназы и тем самым предотвращать разрушение коллагена». Как стоит относиться к подобным заявлениям?
Во-первых, с большой осторожностью, поскольку биохимические процессы в коже, в которых принимают участие металлопротеиназы, многообразны и запутанны.
Блокируя один из элементов, мы рискуем получить не тот ответ, который бы хотели, просто потому, что не учли другие элементы, влияющие на конечный результат.
Металлопротеиназы и их ингибиторы — наглядная иллюстрация того, насколько сложна тонкая регуляция жизнедеятельности кожной ткани. На сегодняшний день у нас уже есть общее представление о том, как она происходит в реальности. Уже есть коммерческие лекарственные препараты для наружного применения, в которые в качестве активного начала включены металлопротеиназы. В частности, для лечения ран используется хорошо известная косметологам коллагеназа — водорастворимый фермент, избирательно расщепляющий лишенный мукополисахаридного футляра «мертвый» коллаген. Коллагеназа не только не повреждает компоненты соединительнотканного матрикса, но и повышает пролиферацию кератиноцитов почти в 10 раз.
Металлопротеиназы — это протеолитические ферменты, присутствующие в различных видах соединительной ткани и нуждающиеся в ионах кальция или цинка. К ним относятся матриксины серализины, астацины и адамализины.
Матриксины (или матриксные металлопротеиназы, ММП) — семейство внеклеточных цинк-зависимых эндопептидаз, способных разрушать все типы белков внеклеточного матрикса. ММП играют роль в ремоделировании тканей, пролиферации, миграции и дифференциации клеток, апоптозе, сдерживании роста опухолей. Задействованы в расщеплении мембранных рецепторов, выбросе апоптозных лигандов, а также в активации/дезактивации хемокинов и цитокинов. Сегодня известно о существовании 28 ММП, и 24 из них присутствуют в тканях млекопитающих. Основные отличия ММП от других эндопептидаз — их зависимость от ионов металлов, способность разрушать структуры внеклеточного матрикса, специфическая эволюционная последовательность ДНК.
Традиционно считалось, что основная роль ММП состоит в растворении межклеточного вещества, в частности коллагенового матрикса дермы. Однако в последние годы выяснилось, что ММП «перерабатывают» значительное количество биологически активных белков (включая цитокины и рецепторы к ним на поверхности клеток), изменяя их структуру, а следовательно, и функции. Таким образом, ММП могут регулировать многие биологические процессы в коже, что, как полагают сегодня многие исследователи, возможно и является их основной задачей.
Молекулы, регулирующие активность металлопротеиназ, — тканевые ингибиторы металлопротеиназ (ТИМП) — разделяют на четыре класса: ТИМП-1, ТИМП-2, ТИМП-3, ТИМП-4. ТИМП ингибируют ММП в соотношении 1:1, связываясь с их активным центром. Помимо ТИМП, ингибировать металлопротеиназы могут и другие вещества белковой природы, а также активные формы кислорода.
МЕТАЛЛОПРОТЕИНАЗЫ В КАЧЕСТВЕ РЕГУЛЯТОРОВ ПРОЦЕССОВ ЗАЖИВЛЕНИЯ
Процесс заживления ран — удобная модель, позволяющая демонстрировать как полезные, так и потенциально разрушительные последствия изменения активности регуляторных белков металлопротеиназами.
При ранении первоочередной задачей организма становится остановка кровотечения, закрытие дефекта и уничтожение микроорганизмов, которые успели воспользоваться открывшейся лазейкой. В этом процессе участвуют многие клетки. Здесь можно выделить следующие основные процессы:
1) реэпителизация, или восстановление кожного покрова, что включает закрытие раны
2) редифференциация, или изменение процесса созревания и роста клеток в экстренных условиях
3) воспаление
4) «растворение» образовавшегося рубца.
Реэпителизация требует, чтобы клетки, находящиеся на периферии раны, ослабили свои межклеточные контакты и приобрели способность перемещаться. В норме клетки кожи поддерживают тесные контакты друг с другом и двигаются от нижних слоев эпидермиса к поверхности кожи единым пластом. Поэтому в здоровой неповрежденной коже ослабление межклеточных контактов — вещь нежелательная.
А вот при ранении это необходимо, так как для восстановления эпителия клеткам нужно сначала образовать монослой на поверхности раны и уж потом начать делиться, дифференцироваться и двигаться вверх, формируя многослойный эпителий.
Как только клетки на периферии раны начнут мигрировать в область дефекта, оставшиеся за их «спинами» клетки начинают активно размножаться, поставляя материал для нового эпителия.
Через несколько дней после ранения рана закрывается грануляционной тканью. Эта ткань формируется фибробластами, которые собираются вокруг раны и затем мигрируют в поврежденную область. Они синтезируют белки кожи, например, такие как коллаген и эластин, а затем строят временный каркас, богатый фибронектином. Активность фибробластов регулируется факторами роста, которые выделяют макрофаги, а также сигнальными молекулами, находящимися в межклеточном матриксе. Временный каркас заменяется рубцовой тканью, состоящей преимущественно из коллагена, которая в идеале также потом растворяется ферментами и замещается нормальной тканью.
На завершающей стадии происходит растворение рубцовой ткани. При этом рубец постепенно замещается нормально оранизованной соединительной тканью, а края раны стягиваются, закрывая дефект. Этот процесс сопровождается ремоделированием межклеточного вещества, при котором происходит синхронное разрушение коллагена и синтез новых коллагеновых волокон. Существуют доказательства того, что металлопротеиназы регулируют все вышеописанные процессы.
Например, ММП могут перерабатывать цитокины и хемокины, которые производятся различными клетками (эпителиальными, эндотелиальными, фибробластами). При этом они могут их как активировать, высвобождая из клеточных мембран, так и разрушать, блокируя воспалительные сигналы.
Также ММП могут разрезать межклеточные контакты, предоставляя клеткам временную свободу миграции. И наконец, ММП необходимы на стадии ремоделирования, потому что именно они растворяют грануляционную ткань и свежие рубцы.
Металлопротеиназы и воспаление
Воспаление протекает под влиянием антимикробных пептидов, простагландинов, рецепторов, цитокинов, фрагментов межклеточного матрикса и др. Производство этих факторов регулируется белками-эффекторами, в число которых входят ММП.
Известно, что ММП производятся клетками, участвующими в воспалении, а также клетками соединительной ткани и эпителиальными клетками. После того как ММП разрезает цитокин, активность этого цитокина обычно уменьшается. Например, многие цитокины при этом превращаются в антагонисты, которые, связываясь с собственным рецептором, препятствуют связыванию активной (неразрезанной) молекулы и блокируют дальнейшую передачу сигнала.
Тем не менее некоторые цитокины устойчивы к воздействию ММП, а некоторые после ферментной обработки становятся даже более активными. Нередко один вид цитокина может «обрабатываться» несколькими видами ММП.
Среди ММП наибольшей регуляторной активностью обладают ММП-1, -3 и -9. Их эффекты варьируют от полного подавления активности цитокинов до их значительной активации.
Металлопротеиназы и восстановление эпителия
Стадия реэпителизации складывается из нескольких клеточных процессов, таких как клеточная миграция, пролиферация, дифференцировка и смерть клеток.
Для успешной миграции клеток необходимо, чтобы клетки, находящиеся на периферии раны, ослабили межклеточные связи. В этом им помогают некоторые ММП:
Практически все ММП являются позитивными регуляторами пролиферации кератиноцитов, кроме ММП-2 и ММП-9, которые ее подавляют.
Некоторые ММП вовлечены в регуляцию дифференцировки клеток. Например, ММП-7 и ММП-9 присутствуют в клетках кожи, проходящих процесс дифференцировки, и ингибирование этих ферментов нарушает созревание кератиноцитов.
Металлопротеиназы в процессе растворения рубца
Эксперименты с генетически модифицированными мышами, не имеющими гена для фермента ММП-3 (стромелизин-1), показали, у таких мышей фибробласты дермы производили недостаточное количество актиновых волокон, в результате чего они не могли стягивать края раны, что значительно затрудняло заживление.
Некоторые ММП выполняют как раз ту функцию, которая ранее считалась главной функцией всех ММП — растворяют компоненты межклеточного матрикса, разрушая коллаген и другие молекулы. Например, ММП-1, -3, -13 и -14 участвуют в растворении рубцовой ткани, разрезая волокна коллагена, в то время как ММП-7 растворяет эластин.
Относительно роли других ММП в процессе растворения рубца мнения расходятся. Есть указания на то, что ММП-2 и -9 могут участвовать в ремоделировании базальной мембраны. В клеточных культурах кератиноциты производят ММП-2 и -9, в то время как фибробласты производят только ММП-2.
Вполне вероятно, что для успешного ремоделирования необходимо координированное действие ферментов кератиноцитов и фибробластов. Хотя ММП-1(коллагеназа) из кератиноцитов способна растворять коллаген дермы, она играет незначительную роль в процессе ремоделирования, и ее отсутствие не нарушает этот процесс.
Выводы
Заживление ран — это сложный процесс, требующий, чтобы сигнальные молекулы и их рецепторы, молекулы адгезии и белки межклеточного вещества, регулирующие многие процессы регенерации, появлялись в нужное время и в нужном месте. Поэтому металлопротеиназы, способные разрезать и трансформировать все эти молекулы, изменяя их активность, а также ингибиторы металлопротеиназ должны играть важную роль в регулировании процесса заживления ран.
Обработка сигнальных молекул металлопротеиназами, в особенности ММП-1, -3 и -9, важна на стадии воспаления, так как этот процесс изменяет как активность хемокинов, так и их градиент.
На стадии восстановления ММП-1, -7, -9 и -10 разрезают молекулы адгезии, позволяя клеткам мигрировать в область раны. Добавление синтетического ингибитора этих ММП приводит к нарушению миграции.
ММП участвуют в пролиферации клеток, в то время как их ингибиторы предотвращают чрезмерную пролиферацию. Тот факт, что ингибитор ТИМ-3 может регулировать формирование новых сосудов, указывает на то, что он может быть необходим для поддержания функционирования грануляционной ткани после ее формирования.
И наконец, процесс стягивания краев раны также нуждается в правильной экспрессии металлопротеиназ и их ингибиторов. В частности, ММП-3 необходима для стягивания краев раны, так как в отсутствие ММП-3 присутствии синтетического ингибитора этой ММП стягивания раны значительно замедляется.
Наиболее вероятная роль ММП и ТИМП заключается в контролировании воспалительной реакции через регулирование цитокинов, хемокинов, градиента этих молекул в тканях, молекул адгезии иммунных клеток и рецепторов для сигнальных молекул.
Уже установлено, что ММП могут напрямую реагировать со многими цитокинами и их рецепторами. Вместе с тем, до конца еще не понятно, как происходит взаимодействие ММП с прочими цитокинами, участвующими в воспалительной реакции.
Другое направление исследований — это изучение взаимодействия ММП с медиаторами реакций, в которых задействованы цитокины. Примером таких медиаторов являются синдеканы, которые удерживают цитокины в определенных областях межклеточного матрикса. Обработка синдеканов ММП косвенным образом регулирует активность цитокинов.
Понимание роли ММП и их ингибиторов в регулировании воспалительного процесса важно не только для понимания процесса заживления ран, но и других процессов, сопровождающихся воспалением, таких как артриты или рак.
Имеющихся на сегодняшний день данных уже достаточно, чтобы понять, что как металлопротеиназы, так и их ингибиторы являются интегральной частью процесса заживления ран, а значит, любое воздействие, изменяющее активность этих молекул, может иметь далеко идущие последствия.
Во-первых, с большой осторожностью, поскольку биохимические процессы в коже, в которых принимают участие металлопротеиназы, многообразны и запутанны.
Блокируя один из элементов, мы рискуем получить не тот ответ, который бы хотели, просто потому, что не учли другие элементы, влияющие на конечный результат.
Металлопротеиназы и их ингибиторы — наглядная иллюстрация того, насколько сложна тонкая регуляция жизнедеятельности кожной ткани. На сегодняшний день у нас уже есть общее представление о том, как она происходит в реальности. Уже есть коммерческие лекарственные препараты для наружного применения, в которые в качестве активного начала включены металлопротеиназы. В частности, для лечения ран используется хорошо известная косметологам коллагеназа — водорастворимый фермент, избирательно расщепляющий лишенный мукополисахаридного футляра «мертвый» коллаген. Коллагеназа не только не повреждает компоненты соединительнотканного матрикса, но и повышает пролиферацию кератиноцитов почти в 10 раз.
Металлопротеиназы — это протеолитические ферменты, присутствующие в различных видах соединительной ткани и нуждающиеся в ионах кальция или цинка. К ним относятся матриксины серализины, астацины и адамализины.
Матриксины (или матриксные металлопротеиназы, ММП) — семейство внеклеточных цинк-зависимых эндопептидаз, способных разрушать все типы белков внеклеточного матрикса. ММП играют роль в ремоделировании тканей, пролиферации, миграции и дифференциации клеток, апоптозе, сдерживании роста опухолей. Задействованы в расщеплении мембранных рецепторов, выбросе апоптозных лигандов, а также в активации/дезактивации хемокинов и цитокинов. Сегодня известно о существовании 28 ММП, и 24 из них присутствуют в тканях млекопитающих. Основные отличия ММП от других эндопептидаз — их зависимость от ионов металлов, способность разрушать структуры внеклеточного матрикса, специфическая эволюционная последовательность ДНК.
Традиционно считалось, что основная роль ММП состоит в растворении межклеточного вещества, в частности коллагенового матрикса дермы. Однако в последние годы выяснилось, что ММП «перерабатывают» значительное количество биологически активных белков (включая цитокины и рецепторы к ним на поверхности клеток), изменяя их структуру, а следовательно, и функции. Таким образом, ММП могут регулировать многие биологические процессы в коже, что, как полагают сегодня многие исследователи, возможно и является их основной задачей.
Молекулы, регулирующие активность металлопротеиназ, — тканевые ингибиторы металлопротеиназ (ТИМП) — разделяют на четыре класса: ТИМП-1, ТИМП-2, ТИМП-3, ТИМП-4. ТИМП ингибируют ММП в соотношении 1:1, связываясь с их активным центром. Помимо ТИМП, ингибировать металлопротеиназы могут и другие вещества белковой природы, а также активные формы кислорода.
МЕТАЛЛОПРОТЕИНАЗЫ В КАЧЕСТВЕ РЕГУЛЯТОРОВ ПРОЦЕССОВ ЗАЖИВЛЕНИЯ
Процесс заживления ран — удобная модель, позволяющая демонстрировать как полезные, так и потенциально разрушительные последствия изменения активности регуляторных белков металлопротеиназами.
При ранении первоочередной задачей организма становится остановка кровотечения, закрытие дефекта и уничтожение микроорганизмов, которые успели воспользоваться открывшейся лазейкой. В этом процессе участвуют многие клетки. Здесь можно выделить следующие основные процессы:
1) реэпителизация, или восстановление кожного покрова, что включает закрытие раны
2) редифференциация, или изменение процесса созревания и роста клеток в экстренных условиях
3) воспаление
4) «растворение» образовавшегося рубца.
Реэпителизация требует, чтобы клетки, находящиеся на периферии раны, ослабили свои межклеточные контакты и приобрели способность перемещаться. В норме клетки кожи поддерживают тесные контакты друг с другом и двигаются от нижних слоев эпидермиса к поверхности кожи единым пластом. Поэтому в здоровой неповрежденной коже ослабление межклеточных контактов — вещь нежелательная.
А вот при ранении это необходимо, так как для восстановления эпителия клеткам нужно сначала образовать монослой на поверхности раны и уж потом начать делиться, дифференцироваться и двигаться вверх, формируя многослойный эпителий.
Как только клетки на периферии раны начнут мигрировать в область дефекта, оставшиеся за их «спинами» клетки начинают активно размножаться, поставляя материал для нового эпителия.
Через несколько дней после ранения рана закрывается грануляционной тканью. Эта ткань формируется фибробластами, которые собираются вокруг раны и затем мигрируют в поврежденную область. Они синтезируют белки кожи, например, такие как коллаген и эластин, а затем строят временный каркас, богатый фибронектином. Активность фибробластов регулируется факторами роста, которые выделяют макрофаги, а также сигнальными молекулами, находящимися в межклеточном матриксе. Временный каркас заменяется рубцовой тканью, состоящей преимущественно из коллагена, которая в идеале также потом растворяется ферментами и замещается нормальной тканью.
На завершающей стадии происходит растворение рубцовой ткани. При этом рубец постепенно замещается нормально оранизованной соединительной тканью, а края раны стягиваются, закрывая дефект. Этот процесс сопровождается ремоделированием межклеточного вещества, при котором происходит синхронное разрушение коллагена и синтез новых коллагеновых волокон. Существуют доказательства того, что металлопротеиназы регулируют все вышеописанные процессы.
Например, ММП могут перерабатывать цитокины и хемокины, которые производятся различными клетками (эпителиальными, эндотелиальными, фибробластами). При этом они могут их как активировать, высвобождая из клеточных мембран, так и разрушать, блокируя воспалительные сигналы.
Также ММП могут разрезать межклеточные контакты, предоставляя клеткам временную свободу миграции. И наконец, ММП необходимы на стадии ремоделирования, потому что именно они растворяют грануляционную ткань и свежие рубцы.
Металлопротеиназы и воспаление
Воспаление протекает под влиянием антимикробных пептидов, простагландинов, рецепторов, цитокинов, фрагментов межклеточного матрикса и др. Производство этих факторов регулируется белками-эффекторами, в число которых входят ММП.
Известно, что ММП производятся клетками, участвующими в воспалении, а также клетками соединительной ткани и эпителиальными клетками. После того как ММП разрезает цитокин, активность этого цитокина обычно уменьшается. Например, многие цитокины при этом превращаются в антагонисты, которые, связываясь с собственным рецептором, препятствуют связыванию активной (неразрезанной) молекулы и блокируют дальнейшую передачу сигнала.
Тем не менее некоторые цитокины устойчивы к воздействию ММП, а некоторые после ферментной обработки становятся даже более активными. Нередко один вид цитокина может «обрабатываться» несколькими видами ММП.
Среди ММП наибольшей регуляторной активностью обладают ММП-1, -3 и -9. Их эффекты варьируют от полного подавления активности цитокинов до их значительной активации.
Металлопротеиназы и восстановление эпителия
Стадия реэпителизации складывается из нескольких клеточных процессов, таких как клеточная миграция, пролиферация, дифференцировка и смерть клеток.
Для успешной миграции клеток необходимо, чтобы клетки, находящиеся на периферии раны, ослабили межклеточные связи. В этом им помогают некоторые ММП:
- ММП-1 (коллагеназа) присутствует в ранах эпителия, но инактивируется сразу же после закрытия раны. Коллагеназа способствует миграции кератиноцитов в коже за счет ослабления контакта между коллагеном и интегринами
- ММП-10 (стромелизин-2) находится по периферии раны — там же, где и коллагеназа, в то время как ММП-3 (стромелизин-1) расположена на клетках, находящихся за фронтом миграции, это говорит о том, что эти ферменты выполняют разную функцию в процессе реэпителизации;
- ММП-7 участвует в реэпителизации ран легких и трахеи, язв желудка и повреждений почечного эпителия. Подтверждением этого факта является то, что у генетически измененных мышей, не производящих ММП-7, реэпителизация ран трахеи практически полностью прекращается.
- Еще один фермент, участвующий в реэпителизации,— ММП-9 (желатиназа В). Миграция кератиноцитов в ответ на эпидермальный фактор роста требует присутствия желатиназы В и прекращается в присутствии ее блокаторов. Интересно, что у трансгенных мышей, не производящих желатиназу В, нарушается лишь дифференцировка клеток, в то время как эпителизация не прекращается
- ММП-10 присутствует в клетках, находящихся у края раны. Как показывают исследования, ММП-10 уменьшает количество белка ламинина-5, скорее всего, разрезая его на части. Так как избыток ламинина-5 стимулирует апоптоз (программированную смерть) кератиноцитов, уменьшение уровня ламинина-5 должно предотвращать этот процесс.
- Фермент ММП-14 стимулирует пролиферацию клеток после повреждения, скорее всего через регуляцию экспрессии рецепторов для эпидермального фактора роста. У мышей, не производящих этот фермент, пролиферация клеток замедляется, что приводит к замедлению заживления ран.
Практически все ММП являются позитивными регуляторами пролиферации кератиноцитов, кроме ММП-2 и ММП-9, которые ее подавляют.
Некоторые ММП вовлечены в регуляцию дифференцировки клеток. Например, ММП-7 и ММП-9 присутствуют в клетках кожи, проходящих процесс дифференцировки, и ингибирование этих ферментов нарушает созревание кератиноцитов.
Металлопротеиназы в процессе растворения рубца
Эксперименты с генетически модифицированными мышами, не имеющими гена для фермента ММП-3 (стромелизин-1), показали, у таких мышей фибробласты дермы производили недостаточное количество актиновых волокон, в результате чего они не могли стягивать края раны, что значительно затрудняло заживление.
Некоторые ММП выполняют как раз ту функцию, которая ранее считалась главной функцией всех ММП — растворяют компоненты межклеточного матрикса, разрушая коллаген и другие молекулы. Например, ММП-1, -3, -13 и -14 участвуют в растворении рубцовой ткани, разрезая волокна коллагена, в то время как ММП-7 растворяет эластин.
Относительно роли других ММП в процессе растворения рубца мнения расходятся. Есть указания на то, что ММП-2 и -9 могут участвовать в ремоделировании базальной мембраны. В клеточных культурах кератиноциты производят ММП-2 и -9, в то время как фибробласты производят только ММП-2.
Вполне вероятно, что для успешного ремоделирования необходимо координированное действие ферментов кератиноцитов и фибробластов. Хотя ММП-1(коллагеназа) из кератиноцитов способна растворять коллаген дермы, она играет незначительную роль в процессе ремоделирования, и ее отсутствие не нарушает этот процесс.
Выводы
Заживление ран — это сложный процесс, требующий, чтобы сигнальные молекулы и их рецепторы, молекулы адгезии и белки межклеточного вещества, регулирующие многие процессы регенерации, появлялись в нужное время и в нужном месте. Поэтому металлопротеиназы, способные разрезать и трансформировать все эти молекулы, изменяя их активность, а также ингибиторы металлопротеиназ должны играть важную роль в регулировании процесса заживления ран.
Обработка сигнальных молекул металлопротеиназами, в особенности ММП-1, -3 и -9, важна на стадии воспаления, так как этот процесс изменяет как активность хемокинов, так и их градиент.
На стадии восстановления ММП-1, -7, -9 и -10 разрезают молекулы адгезии, позволяя клеткам мигрировать в область раны. Добавление синтетического ингибитора этих ММП приводит к нарушению миграции.
ММП участвуют в пролиферации клеток, в то время как их ингибиторы предотвращают чрезмерную пролиферацию. Тот факт, что ингибитор ТИМ-3 может регулировать формирование новых сосудов, указывает на то, что он может быть необходим для поддержания функционирования грануляционной ткани после ее формирования.
И наконец, процесс стягивания краев раны также нуждается в правильной экспрессии металлопротеиназ и их ингибиторов. В частности, ММП-3 необходима для стягивания краев раны, так как в отсутствие ММП-3 присутствии синтетического ингибитора этой ММП стягивания раны значительно замедляется.
Наиболее вероятная роль ММП и ТИМП заключается в контролировании воспалительной реакции через регулирование цитокинов, хемокинов, градиента этих молекул в тканях, молекул адгезии иммунных клеток и рецепторов для сигнальных молекул.
Уже установлено, что ММП могут напрямую реагировать со многими цитокинами и их рецепторами. Вместе с тем, до конца еще не понятно, как происходит взаимодействие ММП с прочими цитокинами, участвующими в воспалительной реакции.
Другое направление исследований — это изучение взаимодействия ММП с медиаторами реакций, в которых задействованы цитокины. Примером таких медиаторов являются синдеканы, которые удерживают цитокины в определенных областях межклеточного матрикса. Обработка синдеканов ММП косвенным образом регулирует активность цитокинов.
Понимание роли ММП и их ингибиторов в регулировании воспалительного процесса важно не только для понимания процесса заживления ран, но и других процессов, сопровождающихся воспалением, таких как артриты или рак.
Имеющихся на сегодняшний день данных уже достаточно, чтобы понять, что как металлопротеиназы, так и их ингибиторы являются интегральной частью процесса заживления ран, а значит, любое воздействие, изменяющее активность этих молекул, может иметь далеко идущие последствия.
Комментарий