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氢气和基质金属蛋白酶的关系【11章】

已有 867 次阅读 2024-3-7 08:13 |系统分类:科研笔记

基质金属蛋白酶在氢气作用中的作用（十一章）

氢气在调节多种细胞功能中发挥作用，并且在多种疾病中记录了其多效治疗效应。一系列证据表明，氢气效应机制中的一个重要角色是调节细胞抗氧化防御，包括细胞内外的氧化还原信号。基质金属蛋白酶（MMPs）是依赖锌的内肽酶，参与调节多种细胞功能，特别是细胞外基质（ECM）的重塑。此外，氧化应激引起的MMPs活性失调在病理变化的发展过程中起着至关重要的作用。由于描述了氢气在调节几种MMPs方面的调节作用，这些酶代表了氢气作用的潜在靶标。我们的数据展示了MMP-2和MMP-28在大鼠纵隔照射（MI）诱导的病理变化发展中的潜在负面作用。氢气对抗纵隔照射诱导的这两种基质金属蛋白酶的变化具有有益的效果。关于MMPs在氢气保护效应中的潜在作用，还有研究发现，吸入富含氢气的空气与移植后并发症的保护相关，并导致MMP-9激活的部分逆转。总之，使用氢气调节基质金属蛋白酶可能是治疗多种疾病的有希望的策略，在这些疾病中，氧化应激和组织重塑是重要的伴侣。

前言

基质金属蛋白酶（MMPs）是在重塑细胞外基质（ECM）和调节细胞功能（如增殖、迁移、分化、血管生成、凋亡和细胞-细胞相互作用）方面具有重要作用的酶。此外，MMPs活性的失调在心血管疾病、神经退行性疾病、代谢性疾病和癌症等多种疾病的病理生理学中扮演着关键角色。活性氧（ROS）和活性氮（RNS），尤其是超氧化物和过氧亚硝酸盐，在调节MMPs活性/表达方面至关重要。因此，氢气不仅选择性地减少羟基自由基，还减少过氧亚硝酸盐，这指向了它在调节MMPs中的调节作用。

本书章节聚焦于氢气和基质金属蛋白酶，并总结了关于基质金属蛋白酶在病理性应激条件下氢气效应中的涉及情况的知识。还介绍了我们的实验数据，证实了氢气的治疗效果与在大鼠纵隔照射诱导的应激条件下调节基质金属蛋白酶之间的联系。

氢气作为细胞功能的调节器

氢气的物理化学性质（低分子量、电中性和非极性特征）使其能轻松进入细胞并快速扩散穿过所有生物细胞膜。由于这些独特的物理和化学性质，氢气能够到达亚细胞隔室，例如线粒体和肌质网，这些是活性氧物种（ROS）的主要产生地点。氢气可以在这里选择性地减少高毒性的羟基自由基和过氧亚硝酸盐水平[1]。这也是为什么氢气在调节几种细胞功能中至关重要。文献记录了氢气具有抗氧化[2]、抗炎[3]、抗凋亡效应，以及自噬调节作用[4]。由于这些效应，氢气也成为一个非常有前景的治疗分子。这一点得到了多个动物疾病模型和许多人类疾病中氢气多效治疗效应的证明。补充氢气在心血管疾病[5]、神经退行性疾病[6]、炎症性疾病[7]、代谢综合征[8]、糖尿病[9]、肾脏疾病[10]和癌症[11]中被描述为具有积极的保护效果。氢气效应涉及的详细和精确的分子机制尚不清楚，但当前的信息表明，调节细胞抗氧化防御，包括细胞内外的氧化还原信号，可能发挥重要作用。这一点得到了氢气在调节细胞对应激条件的响应、缓冲氧化应激、减少内质网应激、抑制凋亡和调节自噬机制方面的作用的发现的支持[4, 6]。氢气还可以影响基因表达，这很可能是早期作用的下游效应。从调节氧化应激的角度来看，氢气可能通过增加抗氧化酶如过氧化氢酶、超氧化物歧化酶或血红素氧合酶-1的表达来提供细胞保护的潜在机制[9, 12, 13]。

基质金属蛋白酶的生理功能

基质金属蛋白酶（MMPs）代表了一大家族的锌依赖性内肽酶，参与调控和重塑细胞外基质（ECM）。MMPs还在细胞行为如增殖、迁移、分化、血管生成和凋亡中发挥重要作用[14,15,16]。此外，它们通过影响间隙连接和紧密连接蛋白来调节细胞-细胞相互作用的作用也已被记录[17, 18]。已经显示，连接蛋白如闭锁蛋白、连接蛋白-32和连接蛋白-43是MMP-2和MMP-9的底物。MMPs的活性可以通过翻译后修饰来调节，这包括通过氧化应激进行酶原修饰或前肽域的蛋白水解去除。在后一种机制中，激活是通过氧化应激和强大的内源性氧化剂如超氧化物和过氧亚硝酸盐诱导的构象变化发生的[19]。MMPs的活性也受到内源性组织抑制剂基质金属蛋白酶（TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和TIMP-4）的严格调节[20]。多种因素调节MMPs蛋白质水平和活性，如ROS、生长因子、细胞因子和激素。ROS的增加生产和随后的MMPs调节（激活）也涉及激活特定的信号通路，如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）[16]。

基质金属蛋白酶在疾病病理生理中的作用

基质金属蛋白酶（MMPs）活性的失调和/或组织金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）在病理变化的发展过程中起着至关重要的作用。在病理应激条件下，不受控制的MMPs激活与重塑和细胞外基质（ECM）转换紊乱有关，这会导致功能改变和组织损伤。氧化应激诱导的MMPs激活对细胞间相互作用的负面影响，以及通过切割连接蛋白的作用已有报道[21]。

MMPs在多种疾病的病理生理学中扮演着重要角色，例如心血管、神经退行性、代谢疾病和癌症。就心血管疾病而言，增加的MMPs，尤其是MMP-2和MMP-9，被发现与心脏细胞外空间的结构紊乱有关，这与心脏功能的破坏、心脏纤维化的发展以及心血管疾病（心肌病、心力衰竭）的进展有关[22, 23]。增加的血浆MMPs活性可以作为评估心脏损伤的潜在生物标志物。已发现，循环中MMP-2和MMP-9水平的增加与心血管疾病患者的预后不良相关，并被建议用于预测死亡率[24]。此外，循环中MMP-2和MMP-9的升高被发现与心脏和血管功能的损害以及心力衰竭的发展密切相关[25]。增加的循环和组织MMP-2和MMP-9水平也被报道在高血压的发展中起作用[26]。

我们观察到，由于化疗药物阿霉素的心脏毒性作用[27]和纵隔照射后，循环血浆MMPs水平升高。此外，阿霉素的效果在大鼠中与左心室心肌组织中72 kDa MMP-2活性的上调有关。我们在糖尿病ZDF大鼠的左心室中观察到类似的72 kDa MMP-2激活[28]。与氧化还原失衡相关的疾病条件下，这种形式的MMP-2激活可能会增加。这一点也得到了阿霉素和糖尿病对MMP-2激活影响的发现的支持，这些影响与总超氧化物歧化酶（SOD）活性的降低有关。几项证据表明MMPs与糖尿病之间有着密切的联系[28, 29]。糖尿病通过增加氧化应激被发现可以增强血管MMP-9活性。这种明胶酶可以水解血管的基底膜和细胞外基质，从而显著影响血管系统[30]。还描述了MMP-9在破坏血脑屏障中的重要作用[31]。研究表明，MMPs是参与神经炎症和疼痛产生和维持的重要因素[32]。

氢气对基质金属蛋白酶调节作用的影响

基质金属蛋白酶代表氢气作用的潜在靶标，氢气在调节几种MMPs（MMP-2、MMP-3、MMP-9和MMP-13）表达方面的调节作用已被记录[33, 34]。在本研究中，我们调查了几种MMPs（MMP-2、MMP-9和MMP-28）在纵隔照射（MI）诱导的大鼠心肌病理变化发展中的潜在作用。氢气对这些MMPs水平和/或活性的辐射诱导变化的影响也被确定。我们发现，纵隔照射显著增加了循环血浆72 kDa MMP-2活性。辐射对循环MMP-2的影响是短暂的，在第2天达到最大值，随着时间的延长而减少。吸入氢气（4%气体，3×30分钟）在第二天减少了辐射对血浆72 kDa MMP-2活性的不良影响（图11.1）。

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图11.1 显示了氢气对辐射以及循环血浆72 kDa MMP-2活性的影响。A) 图表展示了纵隔照射后2天和9天72 kDa MMP-2活性的变化；B) 图表展示了氢气对照射后2天和9天引起的变化的影响。使用明胶酶谱法在血浆样本中测定MMP-2活性。C- 对照组；IR-2 - 照射后两天；IR-9 - 照射后九天；IR-H-2 - 照射后两天+氢气应用；IR-H-9 - 照射后九天+氢气应用。*p < 0.05与C相比，≠< 0.05与IR相比。

左心室组织样本的分析显示，无论是照射还是氢气都没有显著影响心脏MMP-2和MMP-9的蛋白质水平/活性。然而，将大鼠暴露于纵隔照射与纵隔照射后第2天和第9天的MMP-28蛋白水平降低有关（图11.2）。吸入氢气减少了照射对左心室MMP-28蛋白水平的负面影响。

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图11.2 显示了氢气对照射引起的左心室MMP-28蛋白水平变化的影响。A) 图表和Western blot记录显示了照射后2天的变化；B) 图表和Western blot记录显示了照射后9天的变化。C- 对照组；IR – 暴露于纵隔照射的大鼠；IR-Hg – 照射+在富氢水（水中1 ppm，3×3 mL）中应用氢气；IR-Hi - 照射+吸入氢气（4%气体，3×30分钟）。*p < 0.05与C相比，≠p < 0.05与IR相比。

MMP-28是MMP家族中最新识别的成员，其在病理条件下蛋白质水平的下降已有文献记录[35]。我们最近的研究结果显示，在肥胖糖尿病ZDF大鼠中MMP-28的蛋白质水平显著下调[28]。在其他研究中，有报告称MMP-28的缺失可能会加速左心室功能的衰退和增加心肌梗死后左心室功能障碍[35]。与MMP-2和MMP-9不同，心肌梗死增加了这些MMPs的水平/活性，而MMP-28水平在心肌梗死后发现减少。观察到的数据表明，纵隔照射后MMPs呈负向调节。循环MMP-2的激活和心脏MMP-28的下调可能对纵隔照射引起的病理变化进程产生负面影响。氢气对纵隔照射引起的MMP-2和MMP-28变化具有有益的效果。从分子机制参与氢气积极效果的角度来看，重要的发现是动物暴露于氢气的效果后2天通过上调超氧化物歧化酶-2（SOD-2）蛋白水平激活细胞抗氧化防御（图11.3）。

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图11.3 Western blot显示氢气吸入对左心室组织中超氧化物歧化酶-2（SOD-2）蛋白水平的影响。使用特异性抗体通过Western blot分析测定SOD-2蛋白水平。

通过研究，超氧化物歧化酶（SOD）与基质金属蛋白酶（MMPs）之间的联系得到了证明。在高葡萄糖诱导牛视网膜内皮细胞产生更多超氧化物（减少SOD活性）和激活MMP-2的研究中观察到这一点。氢气（H2）对辐射引起的变化的积极效果在一项研究中得到证实，该研究表明氢气可以改善由辐射损伤引起的心脏和肺部纤维化。另一项研究表明，使用富氢盐水（HRS）治疗可减少自发性高血压大鼠心肌纤维化的发展[37]。氢气的积极效果与下调组织基质金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）的表达和提高SOD的抗氧化酶活性有关。其他数据显示，富氢水抑制平滑肌细胞迁移到静脉移植物中。氢气的这一效果部分通过其降低MMP-2和MMP-9表达的作用来解释[38]。关于氢气的效果与MMPs的关系的数据还表明，HRS处理减轻了大鼠急性梗阻性胆管炎（AOC）引起的炎症和氧化损伤，这与MMP-2和MMP-9活性显著降低有关[39]。作者假设氢气的抗氧化和抗炎特性可能会降低MMPs活性，并逆转间隙连接和紧密连接蛋白的破坏。

在模拟心脏移植的猪中，我们在60分钟自发再灌注后观察到循环MMP-9活性显著增加。吸入富含氢的空气导致模拟心脏移植后MMP-9激活的部分逆转。这表明氢气在预防移植后并发症中的潜在作用。MMP-9是一种在细胞外基质重塑中起关键作用的酶，其在肺动脉高压患者血浆中的显著升高已被记录[40]。此外，在接受冠状动脉旁路移植手术和使用心肺转流的冠状动脉疾病患者的血浆中观察到MMP-9增加[41]。MMP-9还被发现通过破坏脑血管促进大鼠中大脑动脉闭塞（MCAO）模型中的出血性梗死[34]。通过抑制MMP-9表达，吸入氢气显著减少了损伤。氢气还被报道通过抑制MMP-9活性来减少脑梗死并改善神经功能[42]。其他数据显示了氢气治疗效果与基质金属蛋白酶-3（MMP-3）之间的关系[43]。研究发现，连续5天输注富氢盐水改善了类风湿关节炎患者的疾病活动，氢气的积极效果通过血浆MMP-3水平降低得到证实。

结论

基质金属蛋白酶（MMPs）是在与细胞外基质（ECM）重塑相关的过程中起重要作用的酶。它们活性的失调在几种疾病的病理生理学中起着至关重要的作用，并与ECM转换紊乱、组织损伤以及对细胞-细胞相互作用的负面影响有关。证据表明MMPs可能代表氢气作用的潜在靶标。在我们的研究中，我们证明了MMP-2和MMP-28在由大鼠纵隔照射（MI）引起的心肌病理变化发展中的潜在作用，并确认了氢气对纵隔照射引起的MMP-2和MMP-28变化的有益效果。观察到的数据还表明，氢气在通过抑制MMP-9活性来预防移植后并发症中的潜在作用。总之，当前信息表明，使用氢气调节基质金属蛋白酶可能是治疗多种疾病的有希望的策略，在这些疾病中，氧化应激和组织重塑是重要的伙伴。