Rola metaloproteinaz w chorobach przyzebia.pdf

Rola metaloproteinaz w chorobach przyzħbia. PrzeglĢd literatury

Maþgorzata Nħdzi-Gra, Renata Grska

z Zakþadu Chorb Bþony ĺluzowej i Przyzħbia Instytutu Stomatologii Akademii Medycznej w

Warszawie

Kierownik Zakþadu: prof. dr hab. n. med. Renata Grska

Zapalenie przyzħbia (periodontitis) charakteryzuje siħ postħpujĢcĢ destrukcjĢ tkanki þĢcznej:

dziĢsþa, ozħbnej oraz koĻci wyrostka zħbodoþowego. W obrazie klinicznym obserwuje siħ

utratħ przyczepu þĢcznotkankowego, powstawanie kieszonek przyzħbnych, rozchwianie

zħbw, a w RTG poziome i pionowe ubytki koĻci wyrostka zħbodoþowego. Etiopatogeneza

rŇnych postaci choroby nie jest do koıca wyjaĻniona. ChociaŇ bakterie pþytki nazħbnej sĢ

waŇnym czynnikiem wpþywajĢcym na destrukcjħ przyzħbia, co potwierdzajĢ wszystkie badania

etiologiczne, to w Ňadnym wypadku nie moŇna ich uznaę za czynnik jedyny i rozstrzygajĢcy.

Choroba przyzħbia rozwija siħ w wyniku zakþcenia rwnowagi pomiħdzy oddziaþywujĢcymi na

tkanki przyzħbia drobnoustrojami pþytki nazħbnej, a mechanizmami obronnymi gospodarza,

ktre z kolei sĢ modyfikowane przez czynniki ryzyka.

Bakterie pþytki nazħbnej [gþwnie G (Î) paþeczki beztlenowe] inicjujĢ procesy destrukcyjne.

Lipopolisacharydy (endotoksyny), ktre sĢ gþwnym skþadnikiem Ļciany komrkowej bakterii G

(Î) pobudzajĢ komrki ukþadu biaþokrwinkowego gospodarza: granulocyty, limfocyty, a gþwnie

komrki o jĢdrach wieloksztaþtnych Î a granulocyty teŇ do nich naleŇĢ Î monocyty/makrofagi,

do produkcji cytokin (18).

Cytokiny sĢ mediatorami reakcji zapalnych i immunologicznych. StymulujĢ zarwno procesy

prowadzĢce do degradacji tkanek (tzw. cytokiny prozapalne), jak i reakcje niezbħdne do ich

gojenia (tzw. cytokiny przeciwzapalne). SĢ wiħc odpowiedzialne za utrzymanie rwnowagi

pomiħdzy tymi procesami. W zapaleniach przyzħbia dorosþych makrofagi aktywowane

skþadnikami pþytki wydzielajĢ wiħcej cytokin prozapalnych. NaleŇĢ do nich gþwnie: IL-1 i TNF-

(3). DominujĢcĢ cytokinĢ w zapaleniu przyzħbia jest IL-1. Pobudza chemotaksjħ neutrofilw i

monocytw, powoduje aktywacjħ limfocytw i osteoklastw oraz pobudza komrki gospodarza

(neutrofile, komrki nabþonka, fibroblasty) do zwiħkszenia produkcji enzymw degradujĢcych

tkanki przyzħbia.

Wedþug Birkedal Hansen H. (3, 9) sĢ dwie rŇne drogi niszczenia macierzy

zewnĢtrzkomrkowej tkanek przyzħbia. Droga zewnĢtrzkomrkowa zaleŇna jest od

plazminogenu i metaloproteinaz, ktre niszczĢ elementy niezmineralizowane macierzy oraz

osteoklastw, ktre niszczĢ zmineralizowane elementy macierzy zewnĢtrzkomrkowej. Droga

wewnĢtrzkomrkowa zwiĢzana jest z fagocytozĢ i proteinazami lizosomalnymi.

Obecnie uwaŇa siħ, Ňe za degradacjħ macierzy zewnĢtrzkomrkowej tkanki þĢcznej struktur

przyzħbia odpowiedzialne sĢ enzymy proteolityczne pochodzĢce z tkanek gospodarza. NaleŇĢ

do nich: katepsyny, tryptazy, proteinazy tryptynopodobne, elastazy, a przede wszystkim

metaloproteinazy, ktre peþniĢ kluczowĢ rolħ w procesie niszczenia (9, 20). Metaloproteinazy

(MMPs-matrix metalloproteinases), nazywane sĢ rwnieŇ kolagenazami (colagenases) lub

matryksynami (matrixins) (19). W warunkach fizjologicznych MMPs sĢ odpowiedzialne za

przebudowħ tkanki þĢcznej. Ich poziom wzrasta w chorobach zwiĢzanych z patologicznĢ

przebudowĢ i degradacjĢ macierzy tkanki þĢcznej, takich jak: reumatoidalne zapalenie staww,

osteoarthritis, autoimmunologiczne choroby pħcherzowe skry, owrzodzenia rogwki, sclerosis

multiplex, atherosclerosis oraz zapalenie przyzħbia. OdgrywajĢ rwnieŇ rolħ w inwazji

przerzutowych komrek nowotworowych oraz angiogenezie (22).

Geny metaloproteinaz ulegajĢ ekspresji prawie we wszystkich komrkach obecnych w

przyzħbiu, tak stacjonarnych Î fibroblastach, keratynocytach, makrofagach, komrkach

endotelialnych, jak i w komrkach nacieku zapalnego Î monocytach oraz leukocytach PMN

(3). Golub i wsp. (9) wykazali, Ňe MMPs wydzielane przez komrki dziĢsþa pacjentw z

zapaleniem przyzħbia dorosþych pochodzĢ gþwnie z komrek nacieku zapalnego (leukocytw

jednojĢdrzastych), a nie z komrek stacjonarnych. Fakt, Ňe ogniska zapalne w chorobach

przewlekþych, np. zapaleniu przyzħbia lub reumatoidalnym zapaleniu staww sĢ nacieczone

leukocytami jednojĢdrzastymi rwnieŇ Ļwiadczy o tym, Ňe komrki te wspþuczestniczĢ w

degradacji tkanki þĢcznej w tych chorobach (11a).

Za destrukcjħ tkanki þĢcznej w chorobach przyzħbia odpowiedzialne sĢ gþwnie MMP-8 i

MMP-9 pochodzenia neutrofilowego oraz MMP-13 wydzielana przez komrki nabþonka

dziĢsþowego (rwnieŇ wewnħtrznego), ktry w zapaleniu przyzħbia wrasta do podnabþonkowej

tkanki þĢcznej, co wiĢŇe siħ z degradacjĢ macierzy kolagenowej oraz wþkien kolagenowych

wiħzadþa przyzħbnego. Ingman i wsp. (1996) wykazali, Ňe MMP-8 i MMP-9 sĢ gþwnymi

kolagenazami i Ňelatynazami w pþynie kieszonek dziĢsþowych u pacjentw z zapaleniem

przyzħbia dorosþych, natomiast podwyŇszony poziom MMP-1 wykrywali w pþynie kieszonek

dziĢsþowych u pacjentw z mþodzieıczym zapaleniem przyzħbia. Badania Goluba i wsp.

(1997) oraz Nomury i wsp. (1998) rwnieŇ potwierdziþy, Ňe MMP-8 jest wiodĢcĢ

metaloproteinazĢ w pþynie kieszonek dziĢsþowych pacjentw z zapaleniem przyzħbia

dorosþych.

Gþwnymi cytokinami stymulujĢcymi wydzielanie MMPs sĢ IL-1 (gþwnie jej postaę

) oraz

stymuluje wydzielanie MMP-3 przez komrki

ludzkiego wiħzadþa przyzħbnego, regulujĢc je zarwno na poziomie mRNA, jak i produkcji

biaþka. Inne cytokiny, np. TGF-

. Nakaya i wsp. (1997) wykazali, Ňe IL-1

, PGE 2 sĢ supresorami produkcji MMPs (Page RC 1991) i

antagonistami IL-1 (Van der Zee i wsp. 1997). NaleŇy rwnieŇ zwrcię uwagħ na fakt, Ňe rŇne

typy komrek nie reagujĢ tak samo na tĢ samĢ cytokinħ, oraz Ňe cytokiny mogĢ dziaþaę wobec

siebie synergistycznie lub antagonistycznie (3).

ZdolnoĻę wydzielania kolagenaz posiadajĢ rwnieŇ niektre bakterie G(Î) zwiĢzane z

agresywnymi postaciami zapalenia przyzħbia, np. Porphyromonas gingivalis. De Carlo i wsp.

(1998) wykazali, Ňe proteinazy pochodzenia bakteryjnego mogĢ stymulowaę ludzkie komrki

nabþonka oraz fibroblasty do produkcji MMPs.

Metaloproteinazy macierzy stanowiĢ rodzinħ metalozaleŇnych (Zn 2+ i Ca 2+ zaleŇnych)

endopeptydaz (2, 3). Badania Okady i wsp. (1986) dowodzĢ, Ňe metaloproteinazy przy braku

jonw Ca 2+ nie wykazujĢ Ňadnej aktywnoĻci. Jest to proces odwracalny, poniewaŇ dodanie

jonw wapnia przywraca aktywnoĻę MMPs (25).

Enzymy sĢ produkowane i wydzielane w nieaktywnej, latentnej proformie, a nastħpnie sĢ

aktywowane w Ļrodowisku zewnĢtrzkomrkowym. Aktywacja polega na utracie peptydu o

masie 10 kDa z N-terminalnego regionu proteiny Î rozerwaniu wiĢzania Zn 2+ cysteiny, ktra

blokuje reaktywnoĻę miejsca aktywnego enzymu (Birkedal Hansen H. 1993). Niezbħdnym

warunkiem do pobudzenia komrek do produkcji MMPs jest obecnoĻę kolagenu.

TNF-

AktywnoĻę proteolityczna metaloproteinaz zaleŇy od pH tkanki (11). WiħkszoĻę MMPs dziaþa

w pH neutralnym lub lekko zasadowym (11, 19, 21). Korostiff i wsp. (2000) obserwowali

maksymalnĢ aktywnoĻę proteolitycznĢ MMPs w pH = 8. Warto zwrcię uwagħ, Ňe inne

proteazy sĢ aktywne w Ļrodowisku kwaĻnym (ázapalnymÑ) (11).

Na podstawie specyficznoĻci substratu oraz biochemicznej struktury MMPs dzieli siħ

obecnie na trzy gþwne grupy:

1. specyficzne kolagenazy Î rozszczepiajĢ kolagen ĻrdmiĢŇszowy (I, II, III, VII, VIII, X),

oraz gelatynħ; naleŇĢ do nich MMP-1 czyli FIB-CL (Fibroblast-type-Collagenase) oraz MMP-8

czyli PMN-CL (PMN-type Collagenase);

2. Ňelatynazy Î degradujĢ kolageny typu IV, V, VII, IX, fibronektynħ, elastynħ oraz dziaþajĢ

synergistycznie z kolagenazami przez degradacjħ denaturowanego kolagenu (Ňelatyny);

naleŇĢ do nich MMP-2 czyli Mr 72K GL (Mr 72K Gelatinase/Type IV Collagenase) oraz MMP-9

czyli Mr 92K GL (Mr 92K Gelatinase/Type IV Collagenase);

3. stromielizyny Î majĢ szerokĢ specyficznoĻę i degradujĢ kolageny bþony podstawnej oraz

proteoglikany i glikoproteiny macierzy; naleŇĢ do nich MMP-3 czyli SL-1 (Stromelysin-1) oraz

MMP-10 czyli SL-2 (Stromelysin-2).

Inne metaloproteinazy nie zakwalifikowane do powyŇszych grup to: matrylizyna,

metaloelastaza, metaloproteinaza typu bþonowego, PUMP-1 (3, 19, 21).

Metaloproteinazy odgrywajĢ rwnieŇ rolħ w resorpcji koĻci, ktry to proces jest zaleŇny od

IL-1 oraz TNF-

), hormony (PTH), produkty

bakteryjne (LPS);

b) na poziomie sekwestracji enzymw do pħcherzykw wewnĢtrzkomrkowych;

c) na poziomie aktywacji proenzymu (jony metali, oksydanty, detergenty, inne enzymy

proteolityczne, plazmina);

d) na poziomie specyficznoĻci substratu;

e) poprzez pH Ļrodowiska;

f) przez tkankowe inhibitory proteinaz (TIMP (tissue inhibitors of metalloproteinases) oraz

inhibitory proteaz serynowych Î serpiny).

W warunkach fizjologicznych poziom MMPs jest regulowany przez naturalne tkankowe

inhibitory metaloproteinaz Î TIMPs (19). Destrukcja tkanek w chorobach przebiegajĢcych ze

zwiħkszonym poziomem MMPs czħsto jest wynikiem zachwiania rwnowagi pomiħdzy

poziomem MMPs i TIMPs (20).

Gþwnym inhibitorem jest TIMP-1 Î glikoproteina o masie 30 kDa produkowana przez

wiħkszoĻę komrek. Drugim jest TIMP-2, nieglikozylowana proteina produkowana przez

fibroblasty i komrki endotelialne, ktra ma zdolnoĻę wiĢzania z progelatynazĢ A i kontroluje

jej aktywacjħ. Ekspresja TIMPs jest rwnieŇ regulowana przez cytokiny, gþwnie przez IL-1

(21). TIMPs tworzĢ klasyczne niekowalentne wiĢzania, tworzĢc dwuczĢsteczkowe kompleksy

. Badania wskazujĢ, Ňe osteoblasty stymulowane czynnikami resorpcji koĻci

(np. PTH) produkujĢ FIB-CL. Nie stwierdzono wydzielania MMPs przez osteoklasty.

Obserwacje prowadzĢ do hipotezy, Ňe MMPs sĢ wczesnym kluczem resorpcji koĻci poprzez

rozkþadanie tkanki þĢcznej ozħbnej oraz warstwy niezmineralizowanej osteoidu, co daje dostħp

osteoklastom do zmineralizowanych fragmentw koĻci (3).

Wedþug Birkedal Hansen H. (1993) regulacja stħŇenia i aktywnoĻci MMPs w tkankach

zachodzi na kilku poziomach:

a) na poziomie transkrypcji przez cytokiny (IL-1, TNF-

z aktywnĢ formĢ MMPs i czasami z latentnymi prekursorami MMPs. RegulujĢ degradacjħ

macierzy zewnĢtrzkomrkowej zarwno przez eliminacjħ proteinaz, jak i blokadħ aktywacji

MMPs (3). Na poczĢtku lat 80-tych Golub i wsp. zwrcili uwagħ na istnienie pozaustrojowych

inhibitorw metaloproteinaz. Wykazali oni, Ňe antybiotyki naleŇĢce do grupy tetracyklin (niskie

dawki doxycykliny Î 20 mg 2 x na dobħ) majĢ dziaþanie hamujĢce aktywnoĻę niszczĢcych

tkanki metaloproteinaz. Dziaþanie to jest niezaleŇne od efektu antybakteryjnego, sĢ to bowiem

tzw. subantimicrobial dose of doxycycline Î SDD (1). Nip i wsp. (1993) wykazali, Ňe nie tylko

doxycyklina, ale rwnieŇ oksytetracyklina, minocyklina i dwa inne zwiĢzki Î analogi tetracyklin

nie wykazujĢce aktywnoĻci antybakteryjnej hamujĢ aktywnoĻę MMPs produkowanych przez

komrki nabþonka. ZwiĢzki te okreĻlane sĢ jako modyfikowane nieantybakteryjne pochodne

tetracyklin Î CMTs (chemically-modified non-antimicrobial analogs of tetracyclines) (23).

NaleŇĢ do nich np. CMT-1 (4-dedimethylaminotetracycline) oraz CMT-2 (4-hydroxy-4-

dedimethylaminotetracycline). Nip i wsp. (1993) wykazali, Ňe doxycyklina jest silniejszym

inhibitorem niŇ CMTs. Gendron i wsp. (1999) sugerujĢ, Ňe zdolnoĻę hamowania aktywnoĻci

metaloproteinaz posiada rwnieŇ chlorheksydyna.

Nakaya i wsp. (2000) wykazali, Ňe tiludronat (bisphosphonat stosowany w leczeniu choroby

Pageta) hamuje aktywnoĻę MMPs i zasugerowali, Ňe lek ten rwnieŇ moŇe byę stosowany w

leczeniu zapalenia przyzħbia.

Mechanizm dziaþania syntetycznych inhibitorw MMPs nie jest do koıca wyjaĻniony.

Przypuszcza siħ, Ňe moŇe tu odgrywaę rolħ zdolnoĻę tetracyklin oraz dwufosforanw do

tworzenia kompleksw z wapniem oraz cynkiem (chelatowania jonw wapnia i cynku), ktre sĢ

niezbħdnymi pierwiastkami dla prawidþowego funkcjonowania MMPs. Hipotezħ tħ potwierdzajĢ

obserwacje, Ňe nadmiar jonw wapnia, a przede wszystkim jonw cynku moŇe odwrcię

inhibicjħ enzymu przez tetracykliny (15). DrogĢ dziaþania tetracyklin moŇe byę blokada

konwersji latentnych proteaz do form aktywnych (11). W 1997 roku Golub i wsp. po raz

pierwszy zademonstrowali na przypadkach ludzkich rwnoczesnĢ redukcjħ nadmiernej

aktywnoĻci MMPs z jednoczesnĢ redukcjĢ degradacji fragmentw kolagenu przez

doksycyklinħ.

W 1998 roku FDA w USA zatwierdziþa Periostat§ (doxycyklina 20 mg) do uŇycia w

poþĢczeniu ze skalingiem i wygþadzeniem powierzchni korzeni w leczeniu zapalenia przyzħbia.

Syntezħ metaloproteinaz hamujĢ rwnieŇ cytokiny przeciwzapalne, np. IFN-

, IL-4 (sĢ one

stosowane w leczeniu reumatoidalnego zapalenia staww), jak rwnieŇ Dexamethazon i

Indometacyna. ZwiĢzki te hamujĢ wytwarzanie PGE-2 i cAMP, ktre poĻredniczĢ w

wytwarzaniu MMPs (11a).

Rola jakĢ metaloproteinazy peþniĢ w rozwoju zapalenia przyzħbia skþoniþa rwnieŇ autorw

do opracowania testw specyficznych dla MMPs w celu monitorowania przebiegu choroby i jej

leczenia. Dla przykþadu w teĻcie chair-side wykorzystano przeciwciaþa monoklonalne dla MMP-

8 (24). Chen i wsp. (2000) wykazali, Ňe poziom MMP-8 w pþynie kieszonek dziĢsþowych

(oznaczany metodami immunofluorometrii) koreluje z parametrami klinicznymi (GI, BI) i moŇe

byę uŇyty do monitorowania stanu przyzħbia w trakcie leczenia. Z kolei w teĻcie FSA

(fluorogenic matrix metalloproteinase substrate assay) wykorzystano septapeptyd, analog

kolagenu, ktry wykazuje fluorescencjħ w nastħpstwie rozkþadu przez enzymy proteolityczne

(25).

Materiaþ badany dla okreĻlenia stħŇenia lub aktywnoĻci MMPs stanowi zazwyczaj pþyn

kieszonki dziĢsþowej (gingival cervicural fluid Î GCF), czasami Ļlina (10), a w badaniach

naukowych Î materiaþ biopsyjny, pobrany w trakcie zabiegw chirurgicznych na przyzħbiu (20).

Metaloproteinazy oznaczane sĢ przy uŇyciu testw ELISA, specyficznych przeciwciaþ

monoklonalnych i poliklonalnych, metod immunofluorescencji bezpoĻredniej i poĻredniej.

PodsumowujĢc, metaloproteinazy odgrywajĢ obecnie kluczowĢ rolħ w etiopatogenezie

zapalenia przyzħbia. WydajĢ siħ byę gþwnym czynnikiem, bezpoĻrednio odpowiedzialnym za

degradacjħ tkanki þĢcznej struktur podtrzymujĢcych zĢb.

Poznanie mechanizmu ich dziaþania pozwoliþo opracowaę testy sþuŇĢce do monitorowania

przebiegu choroby i jej leczenia.

Wykrycie naturalnych i pozaustrojowych zwiĢzkw wpþywajĢcych na stħŇenie i aktywnoĻę

MMPs w tkankach przyzħbia daþo poczĢtek badaniom nad opracowaniem modelu

wspomagajĢcego leczenia farmakologicznego w zapaleniu przyzħbia, z uŇyciem niskich

dawek tetracyklin.

PiĻmiennictwo

1. Ashley R.A.: Clinical trials of a matrix metalloproteinase inhibitor in human periodontal disease. SDD

Clinical Research Team. Ann N.Y. Acad. Sci. 1999 Jun, 878:335-46. 2. Birkedal Hansen H.: Role of

cytokines and inflammatory mediators in tissue destruction. J. Periodontal. Res. 1993 Nov, 28, 6 Pt

2:500-10. 3. Birkedal Hansen H.: Role of matrix metalloproteinases in human periodontal diseases. J.

Periodontol. 1993 May, 64:5 Suppl., 474-84. 4. Birkedal Hansen H. et al.: Matrix metalloproteinasis: a

review. Cit. Rev. Oral Biol. Med. 1993, 4:2, 197-250. 5. Chen H.Y. et al.: Matrix metalloproteinase-8

levels and elastase activities in gingival crevicular fluid from chronic adult periodontitis patients. J. Clin.

Periodontol. 2000 May, 27:5, 366-9. 6. De Carlo et al.: Induction of matrix metalloproteinases and a

collagen-degrading phenotype in fibroblasts and epithelial cells by secreted Porphyromonas gingivalis

proteinases. J. Periodontal. Res. 1998 Oct, 33:7, 408-20. 7. Gendron R. et al.: Inhibition of activities of

matrix metalloproteinases 2, 8 and 9 by chlorhexidine. Clin. Diagn. Lab. Immunol. 1999 May, 6:3, 437-

9. 8. Golub L.M. et al.: A matrix metalloproteinase inhibitor rediuses bone-type collagen degradation

fragments and specific collagenases, Inflamm. Res. 1997 Aug, 46:8, 310-9. 9. Glub L.M. et al.:

Doxycycline inhibits neutrophil (PMN)-type matrix metalloproteinases in human adult periodontitis

gingiva. J. Clin. Periodontol. 1995 Feb, 22:2, 100-9. 10. Ingman T. et al.: Matrix metalloproteinases and

their inhibitors in gingival crevicural fluid and saliva of periodontitis patient. J. Clin. Periodontol. 1996

Dec, 23:12, 1127-32. 11. Korostoff J.M. et al.: Analysis of in situ protease activity in chronic adult

periodontitis patients: expression of activated MMP-2 and a 40-kDa serine protease. J. Periodontol.

2000 Mar., 71:3, 353-60. 11a. Larry M., Corcoran W. and M.: Regulation of Monocyte/Macrophage

Metalloproteinase Production by Cytokines. J. Periodontol. 1993, 64: 467-473. 12. Lee H.M. et al.: -1

Proteinase inhibitor in gingival crevicural fluid of humans with adult periodontits; serpinolytic inhibition

by doxycycline. J. Periodontal. Res. 1997 Jan, 32:1 Pt 1, 9-19. 13. Nakaya H. et al.: Effects of

interleukin-1 beta on matrix metalloproteinase-3 levels in human periodontal ligament cells. J.

Periodontol. 1997 Jun, 68:6, 517-23. 14. Nakaya H. et al.: Effects of Bisphosphonate on Matrix

Metalloproteinase Enzymes in Human Periodontal Ligament Cells. J. Periodontol. 2000, 71:1158-1166.

15. Nip L.H. et al.: Inhibition of epithelial cell matrix metalloproteinases by tetracyclines. J. Periodontal.

Res. 1993 Sep, 28:5, 379-85. 16. Nomura T. et al.: Tissue inhibitors of metalloproteinase level and

collagenase activity in gingival crevicular fluid: the relevance to petiodontal diseases. Oral Dis. 1988

Dec, 4:4, 231-40. 17. Page R.C.: Periodontal therapy: prospects for the future. J. Periodontol. 1993

Aug, 64:8 Suppl. 744-53. 18. Page R.C.: The role of inflammatory mediators in the pathogenesis of

periodontol diseases. J. Periodontal. Res. 1991 May, 26:3 Pt 2, 230-42. 19. Reynolds J.J.:

Collagenases and tissues inhibitors of metalloproteinases: functional balance in tissue degradation.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: