Матриксные металлопротеиназы и их роль в патогенезе кератоконуса

    Кератоконус – хроническое, невоспалительное, билатеральное заболевание, характеризующееся структурной деградацией корнеальной ткани. Патологические изменения в роговице связаны со значительным ослаблением межфибриллярных связей, обусловленных нарушениями общих или местных обменных процессов организма, приводящих в результате к значительному снижению зрительных функций [1]. Механизм развития заболевания до настоящего времени изучен недостаточно, однако кроме наследственной предрасположенности, принято выделять основной патогенетический каскад событий, связанный с окислительным повреждением, повышением уровня лизосомальных ферментов, избыточным апоптозом кератоцитов и дегенерацией роговичного коллагена [2].

    В патогенезе кератоконуса интересна роль матриксных металлопротеиназ (ММП) – большой группы структурно родственных ферментов, функция которых связана с обменом белков межклеточного матрикса. ММП относятся к семейству Zn+2 и Ca+2 зависимых эндогенных пептидаз, которые вместе с другими внеклеточными протеиназами участвуют в различных физиологических процессах – таких как морфогенез, коагуляция, физиологическая репродукция и постраневое ремоделирование тканей, миграция, адгезия, дифференцировка и пролиферация клеток. Матриксные металлопротеиназы играют роль в развитии патологических состояний, связанных с воспалением, злокачественным ростом, индукцией апоптоза [3–8].

    Матриксные металлопротеиназы синтезируются в неактивной форме (проММП), и процесс активации профермента происходит путем отщепления продомена. Экспрессия ММП в тканях регулируется скоростью их синтеза, с одной стороны, и уровнем эндогенных тканевых ингибиторов матриксных металлопротеиназ (ТИМП) – с другой [4, 5]. Тонкий баланс между уровнями ММП и их ингибиторов играет главную роль в механизмах, регулирующих распад внеклеточного матрикса [9]. Кроме ТИМП на активность ММП может влиять, в частности, универсальный ингибитор α2-макроглобулин [10].

    Матриксные металлопротеиназы разделяются на ММП секреторного типа; ММП, связанные с клеточными мембранами и ММП, относящиеся к ряду подсемейств [11]:

    – коллагеназы (ММП-1, -8, -13),

    – желатиназы (ММП-2 и -9),

    – стромелизины (ММП-3, -10, и -11),

    – матрилизины (ММП-7 и -26),

    – металлоэластазы (ММП-12),

    – ММП мембранного типа (ММП-МТ 1-8).

    Основной мишенью тканевой реконструкции с участием ММП являются стромальные элементы и базальные мембраны, включающие в себя фибриллярные белки (коллагены, эластин), протеогликаны и гликопротеины (ламинин, фибронектин). ММП – единственные протеолитические ферменты, способные денатурировать фибриллярные коллагены.

    Все металлопротеиназы оказывают избирательное действие по отношению к субстратам межклеточного матрикса – так, представители подсемейства коллагеназ способны расщеплять преимущественно коллагены I, II и III типа, желатиназы и стромелизины ответственны за деградацию коллагена IV, V типов, а также ламинина, желатина, фибронектина и эластина [3]. Основными клетками, секретирующими матриксные металлопротеиназы, которые обнаруживаются в слезной жидкости пациентов с кератоконусом, являются гранулоциты [12]. Журовой С.Г. и соавт. установлено, что у больных с синдромом «сухого глаза» наблюдается повышение коллагенолитической активности слезы, которая прямо зависит от выраженности деструктивных процессов в роговице [13]. Слезная жидкость пациентов с конусом роговицы содержит повышенные уровни ММП-1, -3, -7 и -13 [14]. Pannebaker C. и соавт. исследуя протеомику слезы выявили, наряду с повышенной экспрессией ММП-1, ряд кератоконус-ассоциированных белков – кератинов, иммуноглобулинов, лизоцима C и липокалина [15]. Подтверждением повышенной коллагеназной активности слезной жидкости у больных кератоконусом может служить также 2,5-кратное увеличение уровня телопептидов (продуктов деградации коллагена) [16].

    Методом иммуногистохимии определено распределение ММП и их ингибиторов в роговице. В норме TИМП-1 выявляется в эпителии и эндотелии, TИМП-2 и -3 – в эпителии, кератоцитах и эндотелии, присутствие ММП-2 ограничивается зоной эпителиальных клеток. При кератоконусе распределение TИМП-3 во многом схоже с таковым в интактной роговице. В слоях роговицы ММП-9 не была обнаружена ни в норме, ни при кератоконусе. TИМП-1 и -2 выявлены в повышенных количествах вокруг эпителиальных клеток зоны рубцов, в частности, после радиальной кератотомии – в области субэпителиального фиброза, что, очевидно, свидетельствует об их роли в образовании рубцовой ткани и ремоделировании роговицы [17]. TИМП-1, являясь ключевым ингибитором ММП, способен также оказывать протекторное действие, препятствуя деструкции роговицы при ее патологических состояниях. Кроме уже известных тканевых ингибиторов Brown D. с соавторами был обнаружен ингибитор, секретируемый кератоцитами в виде комплекса с белком, который имеет свойства, аналогичные ТИМП [18]. Исследования Opbroek A. и соавт. показали, что кератоциты человека способны также синтезировать белок 28 kDa, являющийся ингибитором ММП-2. Повышенные уровни желатинолитической активности в культурах кератоцитов при кератоконусе, по мнению авторов, могут быть обусловлены не только изменениями содержания ТИМП-1, но также и экспрессией корнеального белка 28 kDa [19].

    В нормальной строме роговицы преобладает ферментативная активность ММП-2. В культуре стромальных кератоцитов из роговиц с кератоконусом выявлена повышенная желатинолитическая активность, обусловленная действием желатиназы А (ММП 2), которая специфически наиболее активна в отношении коллагена IV типа [20]. По мнению Smith V.A. с соавт., ММП-2, являясь основной протеазой, секретируемой нормальными кератоцитами, у пациентов с кератоконусом экспрессируется в избыточном количестве, участвуя, вероятно, в развитии патологического процесса [21, 22].

    Множество экстремальных факторов, таких как травмы и их заживление, ультрафиолетовое излучение, гиперосмолярность стимулируют продукцию воспалительных цитокинов, а также разнообразных ММП. При этом провоспалительные цитокины и факторы роста могут дополнительно способствовать синтезу ММП, которые, в свою очередь, усиливают воспалительный процесс [23].

    Экспериментальные исследования в культуре эпителиальных клеток роговицы кролика показали, что в механизмы ее ремоделирования при травмах вовлечены ММП-1 и -9, экспрессия которых индуцируется фактором активации тромбоцитов (ФАТ). При этом, избыточная выработка ФАТ может приводить к роговичным изъязвлениям [24]. По мнению Li D.Q. и Pflugfelder S.C., повышенная экспрессия ММП-9 является наиболее значимым агентом воспалительного процесса в роговице [23]. Lema I. и Durаn J.A. также поставили под сомнение невоспалительный характер течения кератоконуса, указывая на сверхэкспрессию IL-6, TNF-α и ММП-9 в слезной жидкости, по сравнению с нормой [25].

    Однако, Fini M.E. и соавт. не выявили существенных различий в количестве или типах выделенных нейтральных желатиназ (изоформы ММП-2 66/59 kDa и 92 kDa про-формы MMП-9), которые присутствуют как в нормальных, так и кератоконусных роговицах, в основном, в неактивной форме. По мнению авторов, активность коллагенолитических / желатинолитических металлопротеиназ в норме и при кератоконусе опосредуется значениями уровней ингибиторов ММП [26]. В подтверждение этого Balasubramanian S.A. и соавт. представлены сведения о снижении уровня TИМП-1 и росте значений ММП при кератоконусе [27]. Наблюдаемое увеличение желатинолитической активности в тканях роговицы при кератоконусе может быть связано, в частности, с изменениями соотношения содержания матриксной металлопротеиназы-2 и тканевого ингибитора металлопротеиназ [28]. Установлена повышенная клеточная экспрессия ММП-2 в стромальных клеточных культурах из прозрачных роговиц больных с начальной стадией кератоконуса при неизменном уровне продукции ТИМП, т.е. in vivo также отмечается активация ММП-2, усугубляющая, таким образом, патологическое состояние [29]. По данным Collier S.A., в роговицах с кератоконусом происходит снижение содержания тканевых ингибиторов металлопротеиназ, ингибитора альфа-1-протеиназы и альфа-2-макроглобулина [10]. При этом в культурах клеток с рубцовыми конусными роговицами отмечалась сверхэкспрессия ММП-2 и ТИМП-1, что может свидетельствовать об инициации репаративных процессов в роговице [29]. Mackiewicz Z. и соавт. связывают умеренную экспрессию ММП-2, -8, -14 в норме и при кератоконусе с их ремоделирующей функцией, а усиление выработки ММП-13 и катепсина К – с ростом коллагенолитической активности, способствующей истончению стромы роговицы [30].

    В некоторых случаях ингибиторы матриксных металлопротеиназ TИМП-1 и TИМП-3 демонстрируют анти- или про-апоптотические свойства, и соответственно, клеточная гибель в определенной степени может определяться состоянием их баланса. Показано, что в роговичных культурах стромальных клеток TИМП-3 активно экспрессируется и индуцирует апоптоз. TИМП-1, внесенный в культуральную среду, снижает степень TИМП-3 индуцированного апоптоза. Наибольшее количество апоптированных клеток, как и TИМП-1/TИМП-3 продуцирующих стромальных кератоцитов было обнаружено в передней строме роговицы при кератоконусе, по сравнению с нормой [31]. Известно, что тромбоцитарный фактор роста (PDGF) и трансформирующий фактор роста-бета (TGF-бета) участвуют в регуляции активности ММП и TИМП, продуцируемых в неглазных тканях. Однако инкубирование PDGF или TGF-бета в культуре кератоцитов, выделенных из здоровых и патологически измененных роговиц, не оказало существенного влияния на общий объем производства белка, активность MMП-2 или уровень секреции TИМП-1 и -2, с той лишь разницей, что в норме PDGF индуцировал экспрессию 62 kDa изоформу ММП-2, а при кератоконусе этот процесс носил дефектный характер [32].

    Эктатический процесс в роговице может сопровождаться активацией экспрессии ММП-МТ-1, представляющей собой трансмембранную коллагеназу. Активная ММП-МТ-1 является рецептором клеточной мембраны для формирования латентного комплекса ММП-2 (про-ММП-2) и тканевого ингибитора TИМП-2. ММП-МТ-1 активирует на клеточной поверхности про-ММП-2, разрушающую коллаген IV типа, а также сама гидролизует коллагены I, II и III типов и ряд белков интрацеллюлярного матрикса [10, 33].

    Seppаlа H.P. и соавт. при иммуногистохимическом исследовании нормальных человеческих роговиц показали относительно высокую экспрессию внеклеточного индуктора матриксных металлопротеиназ EMMPRIN (extracellular matrix metalloproteinase inducer, CD147), который обнаруживается в эпителиальных клетках роговицы, наряду с его умеренной экспрессией в строме. При этом ММП-1 выявляется в незначительных количествах в эпителиальном слое интактных роговиц. При кератоконусе же активируются как ММП-1, так и EMMPRIN, уровень последнего особенно повышен в областях с гистопатологическими изменениями [34]. Имеются сведения, что EMMPRIN является важнейшим фактором онкологической прогрессии, который участвует в опухолевой инвазии, стимулируя экспрессию фактора роста эндотелия сосудов, матриксных металлопротеиназ и синтез цитокинов. Но физиологическая, модулирующая роль молекул EMMPRIN до конца не изучена [35–37].

    Таким образом, представленные данные свидетельствуют о бесспорном участии матриксных металлопротеиназ в развитии многих физиологических и патологических процессов в роговице. Повышенная экспрессия ММП, наряду с ростом их протеолитической активности, вызванной снижением выработки ТИМП, цитокиновым и гормональным дисбалансом, коррелирует с деструктивными изменениями и степенью выраженности патологического процесса в межклеточном матриксе роговицы при кератоконусе.