Nerovnováha medzi metaloproteinázami/antimetaloproteinázami pri chronickej obštrukčnej chorobe pľúc – genetické faktory a vzťah k liečbe

Souhrn

Účel prehľadu:
Cieľom tohto prehľadového článku je opísať vývoj výskumu polymorfizmov matrixových metaloproteináz (MMP), disintegrínu a metaloproteináz (ADAM), tkanivových inhibítorov MMP (TIMP) a úlohu α₂-makroglobulínu (α₂-M) pri vzniku a progresii chronickej obštrukčnej choroby pľúc (CHOCHP) so zameraním na prípadné možnosti liečby pomocou syntetických inhibítorov MMP v monoterapii alebo v kombinácii so súčasnými liekmi používanými v liečbe CHOCHP s cieľom upraviť nerovnováhu MMP/TIMP. 

Nové poznatky:
CHOCHP je vo vyššom veku jednou z hlavných príčin úmrtia. Je charakterizovaná progresívnym vývojom obštrukcie dýchacích ciest, ktorá sa prejavuje poklesom objemu úsilného výdychu za prvú sekundu (FEV₁) a znížením pomeru FEV₁/úsilná vitálna kapacita. Hlavnú patogenetickú úlohu v tomto procese zohráva nerovnováha medzi metaloproteinázami (MMP, ADAM) a antimetaloproteinázami (TIMP, α₂-M). Táto nerovnováha je zodpovedná za nadprodukciu MMP, ktorá nie je dostatočne vyvážená TIMP alebo α₂-M. Následkom toho dochádza k poškodeniu extracelulárnej matrix pľúc s obštrukciou malých dýchacích ciest a so vznikom emfyzému. 

Súhrn:
Ochorenie spôsobuje predovšetkým expozícia cigaretovému dymu alebo škodlivým plynom a časticiam znečisťujúcim životné prostredie, ale podiel na jeho vzniku majú aj genetické faktory. Relevantné z týchto sú polymorfizmy MMP (MMP-1, MMP-2, MMP-9 a MMP-12), ADAM (ADAM-33) a TIMP (TIMP-1 a TIMP-2), pri ktorých hrajú zápal a fajčenie kľúčovú úlohu najmä u pacientov, u ktorých je nevýhodná skladba alel. Vzťah medzi týmito polymorfizmami a liekmi pripravuje cestu k vytvoreniu individualizovanej liečby s potenciálne významnými dopadmi aj pre klinickú prax. 

Kľúčové slová:
α₂-makroglobulín, matrixové metaloproteinázy, pľúcne funkcie, polymorfizmy, tkanivové inhibítory MMP

ÚVOD

Chronická obštrukčná choroba pľúc (CHOCHP) je ochorenie, ktoré sa v poslednom desaťročí vyznačuje stúpajúcou incidenciou a ktoré Svetová zdravotnícka organizácia považuje za jednu z hlavných príčin úmrtia starších osôb. CHOCHP je charakterizovaná rozvojom progredujúcej obštrukcie dýchacích ciest, ktorá sa prejavuje poklesom objemu úsilného výdychu za prvú sekundu (forced expiratory volume in 1 s, FEV₁) a znížením pomeru FEV₁/úsilná vitálna kapacita (forced vital capacity, FVC) [1]. Termín ­CHOCHP spája dva pojmy – chronickú obštrukčnú bronchitídu s obštrukciou malých dýchacích ciest a emfyzém s dilatáciou pľúcnych alveolov a deštrukciou pľúcneho parenchýmu, stratou elasticity pľúc a uzatváraním malých dýchacích ­ciest. Vzniku obštrukcie dýchacích ­ciest (poklesu rýchlosti prietoku dýchacími cestami) často predchádzajú chronický kašeľ a produkcia spúta [2]. Štvrté štádium ­CHOCHP korešponduje s veľmi závažným stavom: FEV₁/FVC pod 0,7 a FEV₁ pod 30 % náležitej hodnoty a/alebo chronické respiračné zlyhanie [3]. Napriek indikácii najlepších možných farmakologických postupov je obštrukcia dýchacích ciest progresívna a časté exacerbácie postupne vedú k úmrtiu pacienta [4]. Ochorenie spôsobuje najmä expozícia cigaretovému dymu alebo škodlivým plynom, ako sú chemikálie, a časticiam znečisťujúcim životné prostredie [4]. Keďže k rozvoju tohto ochorenia dochádza len u časti jedincov exponovaných environmentálnym toxínom, na incidencii ochorenia sa zjavne podieľajú aj ďalšie rizikové faktory, ako genetické faktory. Potvrdzuje to aj zvýšené riziko vzniku CHOCHP v rodinách s probandmi ­CHOCHP [5]. Tento predpoklad podporujú aj epidemiologické štúdie, ktoré preukazujú, že u 25 % chronických fajčiarov dochádza ku vzniku ­CHOCHP a exacerbácií ­CHOCHP [6]. Posledné genómové asociačné štúdie dokazujú, že na patogenéze CHOCHP sa podieľa veľké množstvo génov bez ohľadu na životosprávu alebo expozíciu škodlivým plynom a časticiam v prostredí [7–9]. Keďže pri ­CHOCHP sú výrazne poškodené funkcie neutrofilov a makrofágov, čo vedie k chronickému zápalu [10], je zrejmé, že na príčinách CHOCHP sa podieľa množstvo génov, ktoré majú vzťah k zápalovému procesu [7]. Existujú presvedčivé dôkazy o tom, že rozhodujúci podiel na všetkých pato­logických procesoch prebiehajúcich v pľúcach pacientov s CHOCHP majú proteinázy. Prvým zistením bolo, že genetický deficit inhibítora α₁-proteináz (hlavný inhibítor elastázy neutrofilov v dolných dýchacích cestách) súvisí so skorým nástupom a so závažnosťou panlobulárneho emfyzému pľúc [11]. Nasledovalo skúmanie mnohých ďalších proteináz a ich dopadu na CHOCHP. Špeciálne sa týmito poznatkami zaoberala štúdia zameraná na skupinu metaloproteináz, ako sú matrixové metaloproteinázy (MMP) [disintegrín a metaloproteinázy (a disintegrin and metalloproteases, ADAM), ADAM s trombospondinom (ADAMT)] a ich inhibítory [tkanivové inhibítory MMP (TIMP) a α₂-makroglobulín (α₂-M)]. Metaloproteinázy udržiavajú integritu extracelulárnej matrix a tým správnu medzibunkovú komunikáciu a tvorbu špecifických proteínov, ktoré sú užitočné na opravu bunkových funkcií mechanizmom štiepenia. Preto sú vybavené proteolytickou aktivitou, ktorá je potrebná pre správnu funkciu mnohých homeostatických mechanizmov organizmu [12]. Na druhej strane sú metaloproteinázy nevyhnutné pre bunkovú diferenciáciu počas embryogenézy a vývoja a v remodelácii tkanív po poškodení tkaniva [13]. Aktivita metaloproteináz podlieha kontrole prozápalových cyto­kínov (IL-6, TNFα, IL-4, IL-13) a inhibítorov MMP, ako sú TIMP a α₂-M. MMP, TIMP a α₂-M naopak ovplyvňujú tvorbu prozápalových cytokínov [13]. Správna rovnováha medzi metaloproteinázami a antimetaloproteinázami je preto pre kontrolu zápalového procesu kľúčová. V tomto kontexte zohrávajú dôležitú úlohu alveolárne makrofágy, pretože pri poškodení tkaniva produkujú buď prozápalové cytokíny, alebo MMP [14], z čoho je možné predpokladať, že existuje vzťah medzi MMP, funkciou makrofágov a zápalom, ktorý je pri CHOCHP rozhodujúci, najmä ak porovnáme fajčiarov a nefajčiarov. Fajčiari s CHOCHP naozaj vykazujú vyšší stupeň zápalu, vyššiu incidenciu zvýšenej koncentrácie elastázy neutrofilov, abnormálna tvorba MMP nie je dostatočne vyvážená tvorbou TIMP, následne dochádza k ďalšiemu prehĺbeniu nerovnováhy medzi MMP a TIMP, k rýchlejšej deštrukcii parenchýmu pľúc a k rozvoju emfyzému. U myší s deficitom MMP-12 exponovaných tabaku bol významne znížený výskyt niektorých patologických charakteristík CHOCHP [15], čo potvrdzuje dôležitú úlohu, ktorú zohráva zvýšená tvorba MMP pri deštrukcii extracelulárnej matrix a pri indukcii vývoja emfyzému, pri ktorom je fajčenie determinujúcim faktorom. Tieto biochemické a klinické znaky sa vyskytujú ako u nefajčiarov s CHOCHP, tak u bývalých fajčiarov s CHOCHP [16]. Z uvedených nálezov vyplýva na jednej strane význam chronického fajčenia pri vzniku CHOCHP napriek ukončeniu fajčenia a na druhej strane potvrdenie skutočnosti, že genetické faktory sa môžu podieľať na rozvoji a progresii CHOCHP bez ohľadu na fajčenie. V tomto prehľadovom článku uvedieme a prediskutujeme genetické faktory vo vzťahu k nerovnováhe medzi metaloproteinázami (MMP, ADAM) a antimetaloproteinázami (TIMP, α₂-M) pri ­CHOCHP so zameraním na liečebné stratégie používajúce syntetické inhibítory MMP v mono­terapii alebo v kombinácii s ďalšími liekmi, ktoré sa v súčasnosti podávajú v liečbe CHOCHP s cieľom obnoviť rovnováhu medzi MMP/TIMP, ako aj možnosť dosiahnuť rýchlejšie zlepšenie klinického stavu pomocou individualizovanej liečby („šitej na mieru“) vytvorenej na základe individuálneho génového polymorfizmu MMP.

METALOPROTEINÁZY (MATRIXOVÉ METALOPROTEINÁZY A DISINTEGRÍN A METALOPROTEINÁZY) A ICH POLYMORFIZMUS PRI CHRONICKEJ OBŠTRUKČNEJ CHOROBE PĽÚC

Rozoznávame skupiny metaloproteináz MMP a ADAM. MMP sú skupinou endopeptidáz závislých od zinku, ktoré degradujú všetky hlavné komponenty proteínov extracelulárnej matrix a hrajú rozhodujúcu úlohu pri remodelácii tkaniva a jeho reparácii v spojitosti s rozvojom zápalu [17,18]. MMP patria do nadskupiny „metzincinu“ (proteinázy viažuce zinok) s katalytickou doménou zinku (­HEXXHXXGXXH) a doménou podobnou hemopexínu. Relevantnou oblasťou MMP je aj „methionínový obrat“ (XXMXP), keďže tento sa spolu s ostatnými proteínmi podieľa na udržaní štrukturálnej integrity konca viažuceho zinok [13]. V súčasnosti je identifikovaných 23 ľudských MMP, ktoré sa delia do šiestich skupín podľa typu organizácie zinko-katalytickej domény a špecificity substrátu [19,20]. Polymorfizmy MMP vyšetrované pri CHOCHP sú umiestnené v génoch MMP-1, MMP-2, MMP-9 a MMP-12 a sú často prítomné v tekutine z broncho­alveolárnej laváže a v pľúcach pacientov s ­CHOCHP bez ohľadu na anamnézu fajčenia [21,22]. Genotypové štúdie ukázali implikáciu jednonukleotidového polymorfizmu (single-nucleotide polymorphism, SNP) pri CHOCHP v oblasti promótora pre gén MMP-1. S rýchlym poklesom pľúcnych funkcií bola asociovaná najmä alela –1607GG [23]. Ďalšie štúdie naopak nedokázali ­žiaden vzťah medzi ­CHOCHP a genetickými variantmi génu MMP-1 [24,25]. Štúdia venovaná vzťahu k MMP-2 u belošskej populácie ukazuje, že polymorfizmus MMP-2 (alela C-1306T) bol významne spojený so zrýchleným poklesom FEV₁ aj po prepočte na balíčko-roky fajčenia [26]. V oblasti promótora génu MMP-9 ovplyvňuje polymorfizmus (alela C-1562T) vývoj CHOCHP a emfyzému. V japonskej populácii u fajčiarov mali nosiči alely T vyššie riziko rozvoja závažného emfyzému ako nosiči alely C [27,28], frekvencia alel sa nelíšila v skupine fajčiarov a nefajčiarov [28], čo potvrdili aj Zhou a spol. [29] v čínskej populácii. Ďalší autori zasa udávajú, že u belochov [23] a v ­európskej populácii [25] rýchly pokles FEV₁ a rozvoj emfyzému nie sú asociované s polymorfizmom C-1562T. Lee a spol. [24] naopak udávajú, že v kórejskej populácii znížila alela T riziko rozvoja ­CHOCHP. Z týchto výsledkov je evidentná existujúca diskrepancia poznatkov o vplyve polymorfizmu MMP-9 (alela C-1562T) na rozvoj CHOCHP. Tieto rozdiely vo výsledkoch môže vysvetľovať množstvo pripomienok k falošnej pozitivite, nedostatok priekaznosti pre pomerne malú veľkosť súborov alebo etnické rozdiely [30]. Avšak fajčenie sa nezdá byť diskriminujúcim faktorom, ktorým by bolo možné rozlíšiť rýchlejší rozvoj príznakov CHOCHP, pretože frekvencia výskytu nevýhodnej alely T je u fajčiarov aj nefajčiarov podobná. Presnejšie je vzťah MMP vo vzťahu k fajčeniu opísaný v štúdiách zaoberajúcich sa MMP-12 a jej polymorfizmami. MMP-12 je metaloelastáza, ktorá degraduje rôzne substráty extracelulárnej matrix a podieľa sa na migrácii makrofágov cez extracelulárnu matrix, a preto má ­kľúčovú úlohu v etiológii zápalových pľúcnych ochorení [31]. Myši s vyradeným génom MMP-12 sú chránené pred emfyzémom aj po dlhodobej expozícii cigaretovému dymu [15], z čoho je možné predpokladať, že cigaretový dym zohráva úlohu pri ovplyvnení produkcie MMP-12 a jej proteolytickej aktivity pri degradácii elastínu. MMP-12 bola naopak identifikovaná v alveolárnych makrofágoch fajčiarov cigariet ako elastolytická MMP provokujúca zníženie expanzie pľúc, ktoré môže viesť ku kolapsu pľúc [32]. Relevantným procesom je indukcia a regulácia MMP-12 prostredníctvom IL-6 a TNFα. Chronický zápal vyvoláva masívnu ataxiu neutrofilov a zvýšenie koncentrácie cytokínov a chemokínov v tekutine z bronchoalveolárnej laváže a v pľú­cach [33], vyvoláva zvýšenú produkciu MMP-12, ktorá je viac vyjadrená u fajčiarov s CHOCHP, a spúšťa spontánny emfyzém, ktorý sa môže vyvinúť do bronchoalveolárneho adenokarcinómu, ako bolo ukázané u transgenických myší s vyradeným génom MMP-12 [34,35]. Z uvedených nálezov je možné predpokladať, že pri indukcii zvýšenej produkcie MMP-12 prostredníctvom potencovaného zápalu má kľúčovú úlohu fajčenie, s následným vznikom ­CHOCHP a možným vývojom do karcinómu pľúc. Preto sa intenzívne ­skúma MMP-12 a jej polymorfizmus pri CHOCHP vo vzťahu k fajčeniu. ­SNP – promótor MMP-12 (A-82G) – bol asociovaný s vyššou aktivitou promótora MMP-12 [36]. SNP bol v kohorte súčasných fajčiarov s ľahkým až stredne ťažkým stupňom obštrukcie [II. štádium podľa GOLD (Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease)] asociovaný s rýchlejším poklesom FEV₁ [23]. Fajčiari s CHOCHP, ktorí sú nosičmi alely G, majú lepšie pľúcne funkcie ako nosiči alely A, s menším následným rizikom progresie CHOCHP [37]. Okrem toho haplotypy dvoch SNP v géne MMP-12 (­Asn357Ser a A-82G) boli v európskej populácii spojené s výrazným poklesom FEV₁ (III. a IV. štádiá podľa GOLD) [25]. Preto je genetická implikácia MMP-12 pri rozvoji a progresii CHOCHP evidentnejšia ako u iných MMP, najmä vo vzťahu k fajčeniu, čo ovplyvňuje ešte výraznejšie tvorbu MMP-12 a zhoršuje patologický obraz CHOCHP, najmä u nosičov alely A.

ADAM a ADAMT sú subpopulácie metaloproteináz, ktoré patria ku „metzincinom“ a majú štrukturálny vzťah k MMP [38]. Do štruktúry ADAM a ADAMT patria metaloproteinázy a domény disintegrínu obdarené vlastnosťami podobnými proteinázam aj adhéznym molekulám [38]. Mechanizmy aktivácie ADAM sú podobné ako mechanizmy aktivácie MMP a celkovo zahŕňajú odstránenie prodomén z prekurzorového proteínu prostredníctvom proproteínovej konvertázy furínového typu [39]. Metaloproteinázovú doménu majú všetky ADAM, hoci približne polovica z nich nesie konsenzuálnu sekvenciu katalytického miesta viažucu zinok (­HEXXHXXGXXH) a predpokladá sa, že sú katalyticky aktívne [40]. Charakteristická doména ADAM zahŕňa disintegrínovú doménu, ktorá sprostredkováva medzibunkové interakcie a interakcie medzi bunkami a matrix prostredníctvom integrínov. Ide o doménu bohatú na cysteín, ktorá sa podieľa na adhézii buniek, o doménu podobnú epidermálnemu rastovému faktoru (EGF-like) a o cytoplazmatický koniec, ktorý sa podieľa na rôznych intracelulárnych signálnych dráhach [41]. Proteinázy ADAM boli opísané ako „signálne nožnice“, pretože sa spájajú s rozdeľovacími procesmi kľúčových faktorov, ktoré sa podieľajú na fyziologických a patologických aktivitách, ako sú spracovanie membránových cytokínov, cytokínových receptorov a adhéznych molekúl a remodelácia komponentov extracelulárnej matrix [42]. Tento proces je novovznikajúci koncept, ktorý by sa mal podieľať na ochoreniach dýchacích ciest. A skutočne, niektoré proteinázy ADAM boli definované ako prototypický enzým konvertázy TNFα a boli použité pri štiepení receptora pre IgE (CD23), čo vedie k zvýšeniu koncentrácií jeho solubilnej formy [43]. Okrem toho prozápalové cytokíny (IL-4, IL-13) silno ovplyvňujú tvorbu ADAM [44]. Preto sa proteolytická aktivita ADAM podieľa na zvýšenom zápale pri ochoreniach dýchacích ciest, ku ktorým patria astma a CHOCHP. Medzi 25 členmi skupiny ADAM, ktoré sa vyskytujú u ľudí, sa na CHOCHP podieľajú ADAM-33 a ADAM-17 [45], zatiaľ čo ostatné zohrávajú úlohu skôr v patogenéze astmy [41]. ADAM-33 patrí do skupiny disintegrínu a metaloproteináz membránových glykoproteínov s úlohou pre rastové faktory a receptory a sprostredkováva medzibunkové interakcie a interakcie medzi bunkami a matrix. ADAM-33 je exprimovaný ako v bunkách hladkého svalstva dýchacích ciest, tak v pľúcnych fibroblastoch a štiepi α₂-M [46], ktorý zohráva úlohu pri ochrane pľúc [47]. ADAM-33 sa podieľa aj na vaskulárnej remodelácii dýchacích ciest, čo vedie k zápalu dýchacích ciest a k obštrukcii s následným zrýchleným poklesom pľúcnych funkcií [48]. Preto abnormálna tvorba proteináz ADAM pri chronickom zápale štiepi relevantné komponenty pľúcnej extracelulárnej matrix so vznikom klinických príznakov CHOCHP.

Niektoré SNP génu ADAM-33 a príbuzné haplotypy sú asociované s vyšším rizikom vzniku CHOCHP a so zrýchleným poklesom FEV₁ [49,50], najmä u fajčiarov. Medzi SNP v 3’-netranslatovanej oblasti génu ADAM-33 boli s hodnotou FEV₁/FVC pod 0,7 a ppFEV₁ pod 80 % [49] asociované len Q-1, S-1 a V-1. V holandskej populácii mali jedinci homozygotní pre minoritné alely SNP S-2 a Q-1 a heterozygotní pre SNP S-1 výrazný medziročný pokles FEV₁ ešte potencovaný fajčením [51]. S ohľadom na ADAM-17 demonštrujú štúdie in vivo (u potkanov exponovaných tabaku) a in vitro (tlmenie mRNA so siRNA ADAM-17 v epitelových bunkách ľudských dýchacích ciest) dopad ADAM-17 na CHOCHP, kde dochádza k prevencii nadprodukcie mucínu indukovanej fajčením [52,53]. Doteraz neboli skúmané žiadne polymor­fizmy pre ADAM-17 alebo ADAMT. Ak uvážime, že viac ako 10 % pacientov s CHOCHP má aj astmu [41], môže byť genetická štúdia venovaná ďalším ADAM alebo ADAMT, ktoré sa výraznejšie podieľajú na astme, zaujímavá aj pri ­CHOCHP, čo by nám poskytlo komplexnejší obraz o úlohe, ktorú hrá skupina ADAM u astmy aj u CHOCHP. Následne by bolo možné lepšie aplikovať liečebné stratégie pre obe ochorenia. Polymorfizmy MMP a ADAM pri CHOCHP zhŕňa tabuľka 1 [23–29,37,49–50,55,58,59,70].

TKANIVOVÉ INHIBÍTORY MATRIXOVÝCH METALOPROTEINÁZ A ICH POLYMORFIZMY PRI CHRONICKEJ OBŠTRUKČNEJ 
CHOROBE PĽÚC

MMP sú inhibované štyrmi členmi skupiny tkanivových inhibítorov MMP (TIMP-1–4). Tie sú syntetizované bunkami spojivového tkaniva a leukocytmi a tvoria s MMP nekovalentné komplexy [54]. TIMP-3 a TIMP-4 inhibujú ADAM-33 [46] a len TIMP-3 inhibuje ADAM-17 [41]. TIMP sú kľúčovými inhibítormi v tkanivách. Pozos­távajú z N-terminálnej a C-terminálnej domény, ktoré sú stabilizované disulfidovými väzbami, v ktorých účinkuje zinok ako katalytická doména. TIMP sa viažu na katalytický koniec MMP viažuci zinok v molárnom pomere 1 : 1. Expresie TIMP v tkanivách sú prísne regulované, aby bola zachovaná rovnováha medzi proteolýzou a jej inhibíciou, čo vedie k zachovaniu extracelulárnej matrix ako stabilného média, ktoré si uchováva plasticitu. TIMP musia byť vytvárané v dostatočnom množstve, aby pôsobili oproti vysokej aktivite MMP z hľadiska prevencie poškodenia tkaniva pľúc, inak môže de­regulácia TIMP viesť k akumulácii extracelulárnej matrix so vznikom fibrózy, ktorá je ďalšou charakteristikou CHOCHP. Preto je správna tvorba TIMP základom fyziologických pľúcnych funkcií. V pľúcach produkuje TIMP mnoho typov buniek, ako napríklad bronchiálne epitelové bunky, pneumo­cyty II. typu, bunky hladkých svalov a zápalové bunky po stimulácii (neutrofily a alveolárne makrofágy). Preto je tvorba TIMP kontrolovaná bunkovým kompartmentom pľúc a zápalom. Spomedzi štyroch členov skupiny TIMP aktívne participujú na CHOCHP TIMP-1 a TIMP-2. V takomto profile ukazuje jedna štúdia prípadov a kontrol v japonskej populácii, že s rozvojom CHOCHP sú spojené dva polymorfizmy (+853 G/A a –418 G/C) v oblasti promótora génu TIMP-2. Frekvencia alel +853G a –418C bola v skupine pacientov s CHOCHP významne vyššia ako u kontrolných osôb s destabilizáciou génu TIMP-2 [55]. V tejto štúdii boli všetci pacienti s CHOCHP fajčiari, z čoho je možné usudzovať, že fajčenie má v destabilizácii génu TIMP-2 rozhodujúcu úlohu, ktorá je u nosičov alely +853G a –418C ešte významnejšia. Takýto fenomén môže zároveň viesť k nižšej produkcii TIMP-2 s ohľadom na to, že u fajčiarov sa vyskytujú polymorfizmy poškodenej tvorby TIMP [56]. Zistenie ­Hirana a spol. [55] bolo čiastočne potvrdené u egyptskej populácie, v ktorej bola s CHOCHP asociovaná len alela +853G [57], čo naznačuje, že +853 G/A polymorfizmus TIMP-2 je pre rozvoj CHOCHP dôležitý bez ohľadu na etnikum. Boli dokázané aj ďalšie polymorfizmy TIMP-2 (–177C > T a +34C > A), ale bez súvislosti s aktivitou promótorov génu TIMP-2, a preto zrejme nebudú funkčné [58]. S ohľadom na TIMP-1 (hlavný inhibítor MMP-9) predpovedá polymorfizmus TIMP-1 [Phe124Phe (T/C)] významný neúmerný pokles FEV₁ a vznik ­CHOCHP s rýchlejšou progresiou ochorenia ako u fajčiarov, tak aj u bývalých fajčiarov. Naproti tomu polymorfizmus TIMP-1 [Ile158Ile (C/T)] zrejme nepredpovedá významný pokles FEV₁ [26]. Avšak keďže posledný uvedený monogénový polymorfizmus má vzťah k fajčeniu s možnými zmenami štruktúry TIMP-1 a zníženou afinitou pre MMP-9 [26], ich úloha v progresii ­CHOCHP je kľúčová ako možný špecifický cieľ liečby v budúcnosti. Ďalší polymorfizmus [rs6609533 (G/A)] intronu V génu TIMP-1 ukazuje, že minoritná alela A je u pacientov s ­CHOCHP viac zastúpená [59]. V tomto profile je interakcia medzi polymorfizmom TIMP-1 a polymorfizmom inhibítora α₁-antitrypsínu (α₁-AT) [alela PIM-3 génu α₁-AT a rs6609533 alela A génu TIMP-1] spojená s výraznejšie vyjadreným poklesom FEV₁ u pacientov s ­CHOCHP, najmä u fajčiarov [59], z čoho je možné predpokladať, že táto interakcia je presnejším genetickým markerom progresie CHOCHP, pri ktorej je fajčenie ďalším zhoršujúcim faktorom. Polymorfizmy TIMP podieľajúce sa na ­CHOCHP sú uvedené v tabuľke 1.

ÚLOHA α₂-MAKROGLOBULÍNU 
(AKO INHIBÍTORA METALOPROTEINÁZ) 
PRI CHRONICKEJ OBŠTRUKČNEJ 
CHOROBE PĽÚC

Plazmatická proteináza α₂-M je 772-kDa proteín ­obsahujúci štyri takmer identické disulfidovo viazané domény, v ktorých zinok predstavuje katalytickú doménu. Je syntetizovaný najmä hepatocytmi a makrofágmi v pečeni. α₂-M inhibuje endoproteinázy, vrátane MMP a ADAM. Mechanizmus inhibície je jedinečný. α₂-M je štepený proteinázami v špecifickej oblasti nazvanej „návnadová oblasť“ (bait region) a potom podstupuje konformačné zmeny, ktoré aktivujú tiol-esterové väzby, čo vedie k tomu, že miesta pre kovalentné spojenie proteináz sú vychytané [60]. α₂-M odstraňuje nadbytok MMP z krvného obehu tvorbou komplexov α₂-M s MMP [61]. Eliminácia prebieha formou internalizácie týchto komplexov do buniek (endozómy) pomocou špecifického receptora pre α₂-M, ktorý sa nazýva proteín pre nízkodenzitný lipoproteínový receptor (low-density lipo­protein receptor-related protein, LRP) [62] a je na povrchu buniek. Chaperón – proteín asociovaný s receptorom – upravuje väzbu komplexu α₂-M s LRP závislú od zinku [63]. Preto je možné považovať α₂-M za hlavný plazmatický inhibítor MMP, napriek tomu, že v plazme sa nachá­dzajú aj určité množstvá MMP. Jeho úloha v regulácii pericelulárnej funkcie MMP je však stále predmetom ­diskusie. V tomto kontexte si vyžadujú dve relevantné skutočnosti podrobnejšie preskúmanie. Podrobnejšie pre­skúmaná musí byť predovšetkým úloha zinku v inhibičnej aktivite α₂-M na MMP. Treba zohľadniť, že pri CHOCHP sa zvyčajne zistí deficit zinku [64] a že α₂-M má vyššiu väzobnú afinitu k zinku ako MMP [65]. MMP aj α₂-M, ktorý je spolu s ceruloplazmínom považovaný za špecifický biomarker ochorenia, sú pri CHOCHP zvýšené [66]. Paradoxne napriek vzostupom α₂-M nedochádza k žiadnej degradácii MMP. Niektoré polymorfizmy génu α₂-M alebo znížená génová expresia receptora pre LRP/α₂-M sa môžu podieľať na blokáde tvorby komplexov α₂-M s MMP, čím dochádza k inhibícii degradácie MMP v endozómoch. Naproti tomu zníženie mRNA LRP zisťujeme u karcinómov [67], kde bez inhibičnej aktivity α₂-M na MMP dramaticky stúpajú α₂-M [68] a MMP [69]. Preto je druhou relevantnou skutočnosťou preskúmanie polymorfizmov receptorov pre α₂-M a LRP/α₂-M a frekvencie ich alel u veľkého počtu pacientov s CHOCHP. Na toto sa zamerala doteraz len jedna publikovaná štúdia u obmedzeného počtu pacientov, ktorá udáva dva SNP v géne α₂-M, a to bez spojitosti s CHOCHP [70] (viď tab. 1). Nepriama podpora dôležitosti polymorfizmov α₂-M pri CHOCHP prichádza z genetickej štúdie venovanej CD109, génu kódujúcemu glykoproteín viazaný na glykozylfosfatidylinozitol, ktorý je súčasťou molekuly α₂-M [71]. Mutácia tohto génu sa podieľa na vzniku karcinómov [72]. Keďže fajčenie je relevantný faktor CHOCHP a chronické fajčenie vyvoláva mutácie mnohých génov [73], je možné predpokladať výskyt mutácie alebo alterácie génu CD109 alebo α₂-M u fajčiarov a možno aj bývalých fajčiarov s CHOCHP, bez inhibičnej aktivity α₂-M na MMP. Inými slovami, α₂-M môže byť produkovaný v inaktívnej alebo zmenenej štrukturálnej forme a ovplyvní jej inhibičnú úlohu u fajčiarov s CHOCHP, ktorá potvrdzuje možný budúci vývoj ochorenia do karcinómu pľúc. Mutácia génu α₂-M sa môže pri CHOCHP vyskytovať v rámci vnútorného tiol-esterového konca ­viažuceho zinok [70], ktorý sa podieľa na tvorbe komplexov α₂-M s MMP [61,63]. Genetická úloha α₂-M pri CHOCHP vyžaduje intenzívny výskum, aby bolo možné objasniť mnoho aspektov, ktoré ešte nie sú jasné.

ZÁSAHY DO NEROVNOVÁHY METALOPROTEINÁZ/ANTIMETALOPROTEINÁZ PRI CHRONICKEJ OBŠTRUKČNEJ CHOROBE PĽÚC

Súčasný trend zvrátiť nerovnováhu MMP/TIMP s cieľom zablokovať alebo zvrátiť progresiu ochorenia posudzuje možnosť používania syntetických inhibítorov MMP ako liekov alebo snahu o zvýšenie lokálnej koncentrácie TIMP prostredníctvom podávania rekombinantných proteínov alebo génového transferu. Predovšetkým u karcinómu boli použité viaceré syntetické inhibítory MMP v predklinických a klinických štúdiách, kde MMP hrá kľúčovú úlohu pri metastatickom procese. Syntetické inhibítory MMP (batimastat, marimastat, prinomastat, neovastat, CMT-3, BMS-275291) sú v experimentálnych modeloch karcinómov pľúc, prsníka a hrubého čreva bez účinku voči MMP-1, MMP-2, MMP-3, MMP-9 a MMP-12 so zmiernením rastu tumoru pomocou blokády angiogenézy [74]. Tieto povzbudivé údaje u ­experimentálnych zvierat neboli zatiaľ prenesené do klinických štúdií u pacientov s karcinómom; slabé výsledky sú zrejme odrazom dávkovania, dĺžky liečby a štádia ochorenia [75]. Naproti tomu liečba pomocou génu TIMP pri karcinóme s použitím plazmidov alebo retrovírusov ako vektorov preukázala povzbudivejšie výsledky, ale je stále len v začiatkoch [76]. V súčasnosti nemáme k dispozícii experimentálne údaje alebo klinické štúdie používajúce syntetické inhibítory MMP alebo liečbu pomocou génu TIMP alebo ich spojenie s liekmi aktuálne používanými na liečbu CHOCHP. Avšak nedávno bol vyvinutý nový syntetický inhibítor MMP (MMP-408) ovplyvňujúci tvorbu MMP-12 [77] a používa sa s povzbudzujúcimi výsledkami na zvieracích modeloch alergického zápalu dýchacích ­ciest, kde vedie k zmierneniu zápalu dýchacích ciest a k lepšej odpovedi na bronchodilatanciá s nižším počtom exacerbácií [78]. Tieto údaje sú povzbudivé pre budúcu liečbu syntetickými inhibítormi MMP u pacientov s CHOCHP. Liečba však musí byť založená na individuálnych polymor­fizmoch MMP, pretože slabá účinnosť pozorovaná v štú­diách u pacientov s karcinómami môže čiastočne súvisieť s nedostatočným zohľadnením individuálneho genetického pozadia. Lepšia odpoveď na chemoterapiu bola pozorovaná u pacientov s karcinómom pľúc na podklade polymorfizmov MMP [79]. Preto klinické štúdie skúmajúce syntetické inhibítory MMP pri CHOCHP musia byť realizované vo vzťahu k individuálnym polymorfizmom MMP, aby sa dosiahla rýchlejšia odpoveď pacienta vďaka individualizovanej liečbe. Takáto individualizovaná liečba môže byť spojená s liekmi (inhalačné kortikosteroidy, β₂-sympatomimetiká s dlhodobým účinkom, tiotropium), ktoré sa v súčasnosti používajú na liečbu CHOCHP, keďže tieto obmedzujú funkciu makro­fágov [80] a následne znižujú tvorbu MMP makro­fágmi. Farmako­genomický prístup bol hodnotený pri ­aktuálne používaných liekoch vo vzťahu k poly­mofrizmom IL-6, CCL1, TGFβ, SFPTB, ADRB2 a SOD3, avšak autori získali proti­chodné výsledky [81], čo je pravdepodobne spôsobené prítomnosťou nešpecifických klinických fenotypov ochorenia, ktoré majú vzťah k týmto polymorfizmom. Naproti tomu keďže CHOCHP je komplexný syndróm, identifikácia špecifických klinických fenotypov, ktoré môžu byť prediktívne pre úspech liečby, by mohla poskytnúť aj pohľad na vývoj nových ­liekov, ktoré umožnia prevenciu progresie ochorenia [82]. Je nevyhnutné identifikovať panel špecifických klinických fenotypov. Stupeň zápalu samotný nepredstavuje špecifický klinický fenotyp, keďže kolíše od pacienta k pacientovi, monoterapia protizápalovými liekmi je problematická a mohla by predstavovať bariéru voči úspechu liečby [82]. Emfyzém a vysoká produkcia MMP sú naopak kľúčové, pretože sú prítomné u všetkých pacientov s CHOCHP bez ohľadu na anamnézu fajčenia. Preto je možné emfyzém považovať za špecifický klinický fenotyp a MMP za špecifické biomarkery pato­lógie pre nové liečebné postupy. Stanovenie polymorfizmov MMP a liečba syntetickými inhibítormi MMP v monoterapii alebo v kombinácii s liekmi aktuálne používanými pre CHOCHP (inhalačné kortiko­steroidy, β₂-sympatomimetiká s dlhodobým účinkom, tiotro­pium) môže poskytnúť nový a presnejšie individualizovaný prístup k liečbe. Tak by bolo možné sa definitívne vyhnúť častým exacerbáciám, ktoré vedú k práceneschopnosti a aj k úmrtiu. Je však potrebné zvážiť dva dôležité momenty: a) MMP, TIMP a α₂-M sú pro­teíny ­viažuce zinok s vysokou afinitou väzby k zinku, b) syntetické inhibítory MMP sú chelátory zinku. Preto môže mať stanovenie biodostupnosti zinkových ­iónov v alveolárnych makrofágoch v rôznych štádiách CHOCHP vysokú hodnotu pre úspech liečby syntetickými MMP v monoterapii alebo v kombinácii s aktuálne používanou liečbou. Dávkovanie a dĺžka liečby by mali byť radšej monitorované pomocou koncentrácie intracelulárneho zinku u daného jedinca. Podobne, ako je praxou pri Alzheimerovej chorobe pri vytesňovaní kovov z mozgu [83], najlepšie výsledky pri liečbe CHOCHP je možné do­siahnuť s použitím nanočastíc konjugovaných so syntetickými inhibítormi MMP, ktoré sú zamerané na špecifické ciele, ako MMP v pľú­cach, pretože odstránenie zinku in­aktivuje MMP na nefunkčný apoenzým [84].

ZÁVER

Z vyššie uvedených údajov je zjavné, že nerovnováha medzi MMP a TIMP hrá rozhodujúcu úlohu pri CHOCHP, kde nadprodukcia MMP, ktorá nie je dostatočne kontrolovaná primeranou tvorbou TIMP, vedie k deštrukcii pľúcneho parenchýmu a k vzniku emfyzému. Niektoré polymorfizmy MMP, ADAM a TIMP predstavujú genetické pozadie pre nerovnováhu MMP/TIMP s následným rozvojom a progresiou CHOCHP. Chronický zápal a fajčenie zhoršujú klinický obraz ochorenia s rýchlejšou progresiou ochorenia u pacientov, ktorí sú nosičmi nevýhodných alel. Fajčenie je tiež rozhodujúcim faktorom, pretože môže indukovať mutácie alebo alterácie génu α₂-M, kde potom nie je prítomná inhibičná účinnosť na MMP. Mutácie alebo alterácie génu α₂-M však ešte potrebujú intenzívny výskum. Pretože emfyzém je špecifickým klinickým fenotypom CHOCHP a má úzky vzťah k tvorbe MMP, intervencie so syntetickými inhibítormi MMP na základe individuálnych polymorfizmov MMP by boli veľmi užitočné pre nastolenie rovnováhy medzi MMP a TIMP s následnou rýchlou úpravou stavu pomocou individualizovanej liečby. Takéto postupy môžu byť spojené aj s liekmi, ktoré sa v súčasnosti používajú na liečbu CHOCHP (inhalačné kortikosteroidy, β₂-sympatomimetiká s dlhodobým účinkom, tiotropium), pretože tieto znižujú funkciu makrofágov a tým znižujú tvorbu MMP makrofágmi. Keďže MMP sú proteíny viažuce zinok a syntetické inhibítory MMP sú chelátory zinku, určenie biodostupnosti zinkových iónov v alveolárnych makrofágoch môže byť pridanou hodnotou pre úspešnú individualizovanú liečbu, keďže dávkovanie a dĺžka liečby (súčasne používaných alebo syntetických inhibítorov MMP) by mohli byť presnejšie monitorované. Okrem toho môžu byť atraktívnou budúcou liečbou CHOCHP nanočastice konjugované so syntetickými inhibítormi MMP a zamerané na špecifické ciele, ako MMP v pľúcach, pretože dochádza k odstráneniu zinku, čo vedie k nefunkčnosti MMP. Ako bolo uvedené, na objasnenie patogenetického pozadia CHOCHP a následné zlepšenie liečby existuje niekoľko podstatných perspektív. Farmakogenomický prístup založený na polymorfizmoch MMP alebo nanotechnológie sú vhodné pre ďalší výskum.

Prehlásenie

Žiadne.

Konflikt záujmov

Autori neuviedli žiaden konflikt záujmov.

Adresa pre korešpondenciu:

Dr. Eugenio Mocchegiani, 

Centro di Nutrizione e Invecchiamento, Polo Scientifico e Tecnologico, IRCCS-INRCA, 

Via Birarelli 8, 60121 Ancona, Italia


E-mail: e.mocchegiani@inrca.it

Literatura