Внимание! Статья адресована врачам-специалистам
Lyudmila Kazeko, PhD, Associate Professor, Head of the 1st Department of Therapeutic Dentistry
of the Belarusian State Medical University, Minsk
Julia Benesh, 5th year student of the Faculty of Dentistry of the Belarusian State Medical University, Minsk
Matrix metalloproteinases as a potential diagnostic marker
of inflammatory and neoplastic processes in the oral cavity
Резюме. Анализ современного состояния проблемы прогнозирования течения воспалительных и неопластических процессов полости рта показывает, что, несмотря на достаточный объем данных о патогенезе, диагностике, методах лечения и профилактики, имеется ряд нерешенных вопросов, наиболее актуальным из которых является разработка методов ранней доклинической диагностики патологии. Как один из потенциальных маркеров воспалительных и неопластических процессов рассматривают матриксные металлопротеиназы (ММП). Кроме того, ММП играют важную роль в миграции (адгезии и дисперсии), дифференцировке, апоптозе клеток, ангиогенезе и метастазировании рака.
Ключевые слова: металлопротеиназы, периодонтит, плоскоклеточный рак, дисплазия.
Современная стоматология. – 2019. – №2. – С. 17–20.
Summary. Analysis of the current state of the problem of predicting the course of inflammatory and neoplastic processes in the oral cavity shows that, despite a sufficient amount of data on the pathogenesis, diagnosis, treatment and prevention methods, there are a number of unresolved issues, the most urgent of which is the development of methods for early preclinical diagnosis of pathology. Matrix metalloproteinases (MMPs) are considered as one of the potential markers of inflammatory and neoplastic processes. In addition, MMPs play an important role in migration (adhesion and dispersion), differentiation, cell apoptosis, angiogenesis, and cancer metastasis.
Keywords: metalloproteinases, periodontitis, squamous cell carcinoma, dysplasia.
Sovremennaya stomatologiya. – 2019. – N2. – P. 17–20.
В последние годы проявляется интерес к поиску биомаркеров, позволяющих как выявлять патологию на доклинических и ранних клинических стадиях, так и прогнозировать ее течение. Значительно возрос интерес к поиску «десневых», «слюнных» и других биомаркеров, изучение экспрессии которых позволит мониторировать выраженность структурно-функциональных нарушений. В стоматологии особый интерес представляет разработка и внедрение высокоспецифичных и чувствительных диагностических маркеров для диагностики патологии периодонта и неопластических процессов слизистой оболочки полости рта.
Анализ современного состояния проблемы прогнозирования течения воспалительных и неопластических процессов полости рта показывает, что, несмотря на достаточный объем данных о патогенезе, диагностике, методах лечения и профилактики, имеется ряд нерешенных вопросов, наиболее актуальным из которых является разработка методов ранней доклинической диагностики патологии.
Компоненты внеклеточного матрикса, такие как коллагены, фибронектин и протеогликаны, являются основными структурными биополимерами, обеспечивающими тканевую целостность; их деградация приводит к деструкции тканей и к необратимой потере соединительной ткани.
Важное место в данном патологическом процессе занимают матриксные металлопротеиназы (ММП) – цинк-зависимые эндопептидазы, выделяемые, в основном, полиморфноядерными лейкоцитами (ПМЯЛ) в активной фазе воспаления и ответственные за деградацию матрикса. Также считается, что ММП играют важную роль в миграции (адгезии и дисперсии), дифференцировке, апоптозе клеток, ангиогенезе и метастазировании рака.
Установлена важная роль про- и противовоспалительных цитокинов в регуляции воспаления в тканях периодонта. Усиление продукции провоспалительных цитокинов (IL-1, IL-6, IL-8 и др.) сопровождается развитием ряда эффектов, приводящих в конечном итоге к нарушениям микроциркуляции в тканях периодонта, распаду коллагена периодонтальных связок, резорбции костной ткани альвеолярных отростков челюстей путем непрямой дифференцировки предшественников остеокластов. Как известно, этиологическим фактором, определяющим начало заболеваний периодонта, являются бактериальные агенты [1]. Патогенез заболевания включает неспецифическую воспалительную реакцию и иммунный ответ. Воспалительный каскад начинается с проникновения липополисахаридов (ЛПС) с поверхности грамотрицательных микроорганизмов в ткани периодонта. ЛПС стимулируют выработку моноцитами и макрофагами медиаторов воспаления, таких как простагландин Е2 (PGE2), интерлейкины (IL-1, -6 и -8), фактор некроза опухолей ? (TNF?-?), которые, в свою очередь, активизируют сосудистые гладкомышечные клетки, фибробласты, остеокласты и другие клетки. Главным компонентом внеклеточного матрикса собственной пластинки десны выступает коллаген I типа, разрушение которого и имеет определяющее значение в деградации соединительной ткани при периодонтите [2]. Прогрессирование периодонтита является результатом активации «каскада» молекул, к которым относятся провоспалительные медиаторы, кислородные радикалы, ММП, а также их ингибиторы [3].
Присутствие в микроокружении опухоли иммунных воспалительных клеток, таких как инфильтрирующие опухоль дендритные клетки, инфильтрирующие опухоль лимфоциты (TILs) и ассоциированные с опухолью макрофаги (TAM), может оказывать как про-, так и противоопухолевые эффекты. Связанные с опухолью нейтрофилы (TAN) также могут играть важную роль в возникновении, инвазии, прогрессировании и распространении рака [4, 5]. Нейтрофилы являются первыми клетками врожденного иммунного ответа, которые мигрируют к месту воспаления [6]. В микроокружении опухоли воспалительный ответ включает в себя рекрутирование и активацию нейтрофилов посредством высвобождения CXC-хемокинов и цитокинов, включая IL-8 / CXCL1 и IL-17 [6]. Нейтрофилы продуцируют вещества, которые могут изменять рост опухоли и инвазивность, такие как активные формы кислорода и ферменты (ММП).
ММП секретируются макрофагами, нейтрофилами и фибробластами благодаря стимулам от трансформирующего фактора роста ? (TGF?-?) и IL-8. Секретируемые ММП поддерживают биодоступность факторов роста, тем самым могут способствовать пролиферации опухоли. ММП расщепляют рецепторы Fas и подавляют естественные клетки-киллеры, замедляя апоптоз. ММП способны стимулировать и ингибировать ангиогенез. Кроме того, ММП увеличивают биодоступность рецептора фактора роста эндотелия сосудов (VEGFR), что вызывает неоваскуляризацию, участие ММП в межклеточной адгезии также может способствовать озлокачествлению.
ММП составляют большое семейство протеаз. Описано более 20 членов семейства MMП, которые, в зависимости от свойств и субстратной специфичности, делятся на подсемейства: коллагеназы (ММП-1, -8 и -13), желатиназы (MMП-2 и -9), матрелизины (MMП-7 и -26), стромелизины (MMП-3, -10, -11 и -19) и другие мембранные ассоциации MMП (MMП-14, -15, -16, -17, -24 и -25). Каждая MMП имеет четкую, но часто перекрывающуюся субстратную специфичность, которая позволяет расщеплять практически все компоненты внеклеточного матрикса и базальной мембраны [7].
Металлопротеиназы структурно обособ-лены внутри лизосом и других органелл, что предохраняет внутриклеточные белки от расщепления. Внутриклеточный распад белков протекает, главным образом, внутри лизосом, куда белки попадают в результате эндоцитоза. При повреждении тканей, а также под влиянием ряда факторов (некоторых гормонов, токсинов, иммунных комплексов и др.) происходит выход MMП из клеток. Это наблюдается как при физиологических, так и при ряде патологических состояний и сопровождается локальным повышением протеолитической активности.
На активность ММП влияют ферменты, называемые тканевыми ингибиторами матриксной металлопротеиназы (ТИMП). Любой дисбаланс в этом регулирующем механизме с участием ММП и ТИМП может оказать существенное влияние на деградацию внеклеточного матрикса.
Экспрессия ММП как диагностического маркера может быть оценена в биоптатах, сыворотке и слюне. Многие из представителей семейства металлопротеиназ являются индуцибельными ферментами, следовательно, их уровни изменяются во время изменений в тканях, что может, потенциально, коррелировать с различными этапами развития опухолей и воспалительно-деструктивных процессов.
Матриксные металлопротеиназы при периодонтите
ММП-8 (коллагеназа 2, нейтрофильная коллагеназа) была открыта в нейтрофилах, за что и получила название нейтрофильной коллагеназы. ММП-8 синтезируется дифференцированными гранулоцитами в костном мозге и накапливается в специфических гранулах циркулирующих нейтрофилов. Однако, есть и другие клеточные источники ММП-8, такие как клетки эпителия десневой борозды, фибробласты десны и периодонтальной связки, моноциты, макрофаги, плазматические клетки [8].
Субстратом внеклеточного матрикса для ММП-8 являются коллагены I, II, III, VII, X, желатин, протеогликаны, брадикинин, ангиотензин 1, фибриноген, субстанция Р, аггрекан. ММП-8 играет важную роль в деструкции периодонтальной ткани и является «главной» коллагеназой при хроническом периодонтите [8].
ММП-8 обнаруживается в зубном налете, а также в большом количестве присутствует в воспаленной ткани десны [8]. Десневая ткань пациентов с периодонтитом в отличие от десневой ткани здоровых лиц содержит повышенную концентрацию ММП-8 в каталитически активной форме. Повышенный уровень ММП-8 в слюне пациентов с периодонтитами в сравнении с таковым у здоровых пациентов был определен в ряде исследований [9].
В течение прогрессирующей фазы периодонтита уровень ММП-8 значительно увеличивается и фермент почти полностью переходит в активную форму [10]. Наиболее высокая активность коллагеназы 2 обнаруживается в десневой жидкости у пациентов с прогрессирующей утерей эпителиального прикрепления [11]. Высокая активность коллагеназы определяется в слюне пациентов с нелеченым хроническим периодонтитом и агрессивным периодонтитом [9]. Отмечена сильная корреляция ММП-8 с клиническими показателями хронического периодонтита – глубиной периодонтального кармана и уровнем эпителиального прикрепления, поэтому концентрация ММП-8 в слюне может быть индикатором не только тяжести, но и активности заболевания.
Установлено значительное снижение активности ММП-8 в десневой жидкости после успешно проведенной периодонтальной терапии [12].
Желатиназы интенсивно гидролизуют желатины, получаемые из различных типов коллагенов, в связи с чем получили свое название.
При периодонтитах главным источником желатиназы В (ММП-9) являются нейтрофилы и в меньшей степени моноциты и макрофаги. ММП-9 является основной желатиназой при хроническом периодонтите и определяется в десневой ткани, зубном налете, слюне и десневой жидкости [13]. Самая высокая активность желатиназы была зарегистрирована у пациентов с прогрессирующей утерей прикрепления или во время формирования периодонтального абсцесса. Есть предположение, что ММП-9 может быть использована в качестве маркера риска прогрессирования заболеваний периодонта [14].
Желатиназа А (ММП-2), как известно, разрушает некоторые белки внеклеточного матрикса, включая коллаген IV типа, желатин и фибронектин, которые являются основными компонентами базальной мембраны.
Повышение уровня ММП-2 и ММП-9 в десневой жидкости, регистрируемое при периодонтитах, снижается после проведения адекватной периодонтальной терапии [2, 15].
Матрилизин-1 (ММП-7) синтезируется эпителиальными клетками и способен активизировать несколько проММП, включая проММП-8. ММП-7 связывают с эпителиальной миграцией и с антибактериальной защитой эпителия прикреп-ления [1]. Матрилизин экспрессируется супрабазальными клетками эпителия прикрепления и эпителиальными островками Маляссе [16].
Роль ММП-7 в эпителии прикрепления пока неясна. При том, что сам матрилизин не обладает антимикробной активностью, он преобразует антибактериальные пептиды дефензина в их активные формы путем расщепления пропептида [2]. Дефензины – катионные пептиды, локализованные в нейтрофилах и эпителиальных клетках, играют важную роль в антимикробной защите. ?-дефензины 1 и 2 были обнаружены в десневом эпителии. Установлено, что их экспрессия стимулируется некоторыми микроорганизмами полости рта. Матрилизин может также управлять воспалительной реакцией в эпителии прикрепления, расщепляя поверхностные клеточные и матриксные белки или протеогликаны, таким образом организуя биоактивные вещества [17].
Матриксные металлопротеиназы при неоплазиях
В исследованиях, посвященных определению количества ММП-9 в слюне и биоптатах у пациентов с плоскоклеточным раком слизистой оболочки полости рта, определено статистически значимое различие в уровнях ММП-9 при норме и патологии [18, 19]. ММП-9 ответственна за деградацию компонентов внеклеточного матрикса, особенно коллагена IV типа, тем самым способствуя инвазии, прогрессированию и метастазированию опухоли [19]. Секреция MMП-9 осуществляется нейтрофилами. ММП-9 индуцирует ангиогенез, ключевой фактор прогрессирования опухоли [20, 21]. Повышенная экспрессия MMП-9 связана с метастазированием в шейные лимфатические узлы, прогрессирующей клинической стадией опухоли (T) и низкой дифференцировкой клеток опухоли [22, 23]. Выявлена значительная связь между ММП-9 и стадией опухоли, причем в поздних N- и Т-стадиях выявляли повышенную экспрессию [24].
Активация проMMП-2 опосредуется мембранным типом матриксной металлопротеиназы (MT-ММП) и для эффективной активации проMMП-2 на поверхности клетки необходим ТИМП-2 (тканевый ингибитор матриксной металлопротеиназы-2). В результате образуется тройной проММП-2 / МТ1-ММП / ТИМП-2 комплекс. Этот процесс происходит при более низкой ТИМП-2 концентрации относительно MT1-ММП. С другой стороны, высокие уровни ТИМП-2 ингибируют активацию MMП-2 путем блокирования всех свободных молекул MT1-ММП. Любой дисбаланс между ММП и ТИМП может привести к неконтролируемой деградации внеклеточного матрикса и, вероятно, может являться причиной инвазии опухоли. В иммуногистохимических исследованиях, посвященных экспрессии ММП-2 при плоскоклеточном раке слизистой оболочки полости рта, установлено, что интенсивная экспрессия ММП-2 в инвазивном фронте опухоли была связана с худшим прогнозом выживаемости пациентов, ранним метастазированием в регионарные лимфатические узлы [22].
В доступных изучению исследованиях отмечается постепенное увеличение экспрессии MMП-2 и ТИМП-2 от нормального орального эпителия до тяжелой дисплазии. Предполагается, что активация ММП-2 зависит от ТИМП-2, действующего как кофактор, обеспечивая тем самым микросреду, что усиливает распространение опухолевых клеток [22].
ММП-8 обнаруживается в норме в эпителии слизистой оболочки полости рта и кожного покрова. Установлено отсутствие экспрессии MMП-8 в опухолевых эпителиальных клетках при плоскоклеточном раке слизистой оболочки полости рта; умеренная экспрессия определялась в основном в перитуморальных воспалительных клетках [26].
ММП-7 активируется во время онкогенеза и наибольший уровень экспрессии определяется в инвазивном опухолевом фронте [27, 28]. Повышенная экспрессия ММП-7 связана с инвазивным ростом опухоли и более агрессивным типом рака [29, 30]. Установлено, что уровень экспрессии ММП-7 в инвазивном фронте выше при плоскоклеточном раке слизистой оболочки полости рта, чем при плоскоклеточном раке кожи.
Заключение
Обнаружение в биоптатах и оценка экспрессии матриксных металлопротеиназ в измененном эпителии может быть использована для определения риска малигнизации и метастазирования опухолей. Оценка экспрессии ММП у пациентов с болезнями периодонта потенциально может быть использована для прогнозирования характера течения периодонтита и на доклинической стадии патологии, что будет способствовать выбору тактики лечения.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Van Dyke T.E., Serhan C.N. Resolution of inflammation: a new paradigm for the pathogenesis of periodontal diseases. J. Dent. Res, 2003, vol. 82, no. 2, pp.82–90.
2. Hernandez M., et al. Associations between matrix metalloproteinase-8 and -14 and myeloperoxidase in gingival crevicular fluid from subjects with progressive chronic periodontitis: a longitudinal study. J. Periodontol, 2010, no. 81, pp.1644–1652.
3. Cavalla F., et al. Matrix metalloproteinases as regulators of periodontal inflammation. Int. Journal of Mol. Sciences, 2017, no.18, p.440.
4. Shalapour S, Karin M. Immunity, inflammation and cancer: an eternal fight between good and evil. J Clin Invest, 2015, vol.125, pp.3347–3355.
5. Fridlender Z.G., Sun J., Kim S., et al. Polarization of tumor-associated neutrophil phenotype by TGF?-?: “N1” versus “N2” TAN. Cancer Cell, 2009, vol.16, pp.183–194.
6. Houghton AMG. The paradox of tumor-associated neutrophils. Cell Cycle, 2010, vol. 9, pp.1732–1737.
7. Nagase H., Visse R., Murphy G. Structure and function of matrix metalloproteinases and TIMPs. Cardiovasc Res, 2006, vol.69, pp.562–573.
8. Kiili M., et al. Collagenase-2 (MMP-8) and collagenase-3 (MMP-13) in adult periodontitis: molecular forms and levels in gingival crevicular fluid and immunolocalisation in gingival tissue. J. Clin. Periodontol, 2002, vol.2, pp.224–232.
9. Rai B., et al. Biomarkers of periodontitis in oral fluids. J. Oral Science, 2008, vol.50, no.1, pp.53–56.
10. Tervahartiala T., et al. The in vivo expression of the collagenolytic matrix metalloproteinases I / (MMP-2, -8,-13, and -14) and matrilysin (MMP-7) in adult and localized juvenile periodontitis. J. Dent. Res, 2000, vol.79, pp.1969–1977.
11. Pozo P., Valenzuela M.A., Melej C. Longitudinal analysis of metalloproteinases, tissue inhibitors of metalloproteinases and clinical parameters in gingival crevicular fluid from periodontitis-affected patients. J. Periodontal Res, 2005, vol.40, pp.199–207.
12. Figueredo C.M., Areas A., Miranda L.A. The short-term effectiveness of non-surgical treatment in reducing protease activity in gingival crevicular fluid from chronic periodontitis patients. J. Clin. Periodontol, 2004, vol.31, pp.615–619.
13. Maesco G., Bravo M., Bascones F. Levels of metalloproteinase-2 and -9 and tissue inhibitor of matrix metalloproteinase-1 in gingival crevicular fluid of patients with periodontitis, gingivitis, and healthy gingival. Quintessence Int, 2007, vol.38, pp.247–252.
14. Seguier S., Gogly B., Bodineau A. Is collagen breakdown during periodontitis linked to inflammatory cells and expression of matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases in human gingival tissue. J Periodontol, 2001, vol.72, pp.1398–1406.
15. Веklеn A., Tiiter G., Sorsa Т. Gingival Tissue and Crevicular Fluid Co-operation in Adult Periodontitis. J. Dent Res, 2006, vol.85, no.1, pp.59–63.
16. Uitto V.J., et al. Matrilysin (matrix metalloproteinase-7) expression in human junctional epithelium. J. Dent. Res, 2002, vol.81, pp.241–246.
17. Uitto V.J., Overall C.M., McCulloch C. Proteolytic host cell enzymes in gingival crevice fluid. J. Periodontol. 2000, 2003, vol.31, pp.77–104.
18. Shpitzer T., Hamzany Y., Bahar G., Feinmesser R., Savulescu D., Borovoi I., et al. Salivary analysis of oral cancer biomarkers. Br J Cancer, 2009, vol.101, pp.1194–1198.
19. Fraga C.A.C., Farias L.C., Oliveira M.V.M., et al. Increased VEGFR2 and MMP9 protein levels are associated with epithelial dysplasia grading. Pathol Res Pract, 2014, pp.959–964.
20. Zheng W.Y., Zhang D.T., Yang S.Y., Li H. Elevated matrix metalloproteinase-9 expression correlates with advanced stages of oral cancer and is linked to poor clinical outcomes. J Oral Maxillofac. Surg, 2015, vol.73, pp.2334–2342.
21. Houghton A.M.G. The paradox of tumor-associated neutrophils. Cell Cycle, 2010, vol.9, pp.1732–1737.
22. Katayama A., Bandoh N., Kishibe K., et al. Expressions of matrix metalloproteinases in early-stage oral squamous cell carcinoma as predictive indicators for tumor metastases and prognosis. Clin Cancer Res, 2004, vol.10, pp.634–640.
23. Kosunen A., Pirinen R., Ropponen K., et al. CD44 expression and its relationship with MMP-9, clinicopathological factors and survival in oral squamous cell carcinoma. Oral Oncol, 2007, vol.43, pp.51–59.
24. Monteiro L.S., Delgado M.L., Ricardo S., et al. Prognostic significance of CD44v6, p63, podoplanin and MMP-9 in oral squamous cell carcinomas. Oral Dis, 2016, vol.22, pp.303–312.
25. Shrestha B., Bajracharya D., Byatnal A.A., Kamath A., Radhakrishnan R. May high MMP-2 and TIMP-2 expressions increase or decrease the aggressivity of oral cancer? Pathol Oncol Res, 2017, vol.23, no.1, pp.197–206.
26. Omar A.H., et al. MMP-7, MMP-8, and MMP-9 in oral and cutaneous squamous cell carcinomas. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology and Oral Radiology, 2015, vol.119, no.4, pp.459–467.
27. Impola U., Uitto V.J., Hietanen J., et al. Differential expression of matrilysin-1 (MMP-7), 92 kD gelatinase (MMP-9), and metalloelastase (MMP-12) in oral verrucous and squamous cell cancer. J Pathol, 2004, vol.202, pp.14–22.
28. Weber A., Hengge U.R., Stricker I., et al. Protein microarrays for the detection of biomarkers in head and neck squamous cell carcinomas. Hum Pathol, 2007, vol.38, pp.228–238.
29. Chuang H.C., Su C.Y., Huang H.Y., et al. Active matrix metalloproteinase-7 is associated with invasion in buccal squamous cell carcinoma. Mod Pathol, 2008, vol.21, pp.1444–1450.
30. Mäkinen L.K., Häyry V., Hagström J., et al. Matrix metalloproteinase-7 and matrix metalloproteinase-25 in oral tongue squamous cell carcinoma. Head Neck, 2014, vol.36, pp.1783–1788.
Конфликт интересов
Согласно заявлению авторов, конфликт интересов отсутствует.
Современная стоматология. – 2019. – №2. – С. 17-20.
Внимание! Статья адресована врачам-специалистам. Перепечатка данной статьи или её фрагментов в Интернете без гиперссылки на первоисточник рассматривается как нарушение авторских прав.