Zastanawiasz się, jak wydać pracę doktorską, habilitacyjną lub monografie? Chcesz dokonać zmian w stylistyce i interpunkcji tekstu naukowego? Nic prostszego! Zaufaj Wydawnictwu Borgis - wydawcy renomowanych książek i czasopism medycznych. Zapewniamy przede wszystkim profesjonalne wsparcie w przygotowaniu pracy, opracowanie dokumentacji oraz druk pracy doktorskiej, magisterskiej, habilitacyjnej. Dzięki nam nie będziesz musiał zajmować się projektowaniem okładki oraz typografią książki.

© Borgis - Nowa Medycyna 3/2014, s. 118-124
*Aleksandra Zielińska, Małgorzata Latocha, Dariusz Kuśmierz, Elektra Sliupkas-Dyrda
Udział metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej (MMPs) w progresji czerniaka
Matrix metalloproteinases (MMPs) in melanoma progression
Zakład Biologii Komórki, Wydział Farmaceutyczny z Oddziałem Medycyny Laboratoryjnej, Śląski Uniwersytet Medyczny, Katowice
Kierownik Zakładu: dr hab. n. med. Małgorzata Latocha
Summary
Melanoma (melanoma malignum) belongs to the group of neoplasms with extremly metastatic ability via lymphatic vessels as well as blood vessels. Many data suggest correlation between melanoma progression and proteolitic enzymes expression in cancer cells. The most important enzymes involved in melanoma progression are plasminogen actovators and matrix metalloproteinases (MMPs).
MMPs are involved in physiological as well pathological processes and are engaged in remodeling and degradation of basement membrane and compounds of extracellular matrix. In cancer cells the changes in matrix metalloproteinases expression profile and changes of MMPs genes activity as well as the enzymatic activity of the proteinas are observed. It is assumed, the correlation exist between the expression profile as well as the expression level of MMPs enzymes and the stage of melanoma and the influence on prediction.
MMPs activity is regulated by interreaction with endogenous inhibitors: TIMP-1, -2, -3 and -4. The loss of balance between MMPs expression and the expression of TIMPs (tissue inhinitors of MMPs) is the reason of the exscessive degradation of extracellular matrix compounds during tumor cells invasion. Melanoma cells may produce a number of MMPs, including: MMP-1, -2, -9, -13, -14 as well as theirs inhibitors: TIMP-1, -2, -3. Individual MMPs and TIMPs are engaged in different stages of melanoma progression. Therefore, those enzymes may be considered as potential melanoma biomarkers used in diagnosis and prediction of this cancer.
WSTĘP
Czerniak (melanoma malignum) należy do grupy niezwykle inwazyjnych nowotworów o bardzo wysokiej zdolności tworzenia przerzutów drogą naczyń limfatycznych i krwionośnych. Wyniki prowadzonych badań sugerują, że w progresji czerniaka bardzo ważną rolę odgrywają różne układy enzymów proteolitycznych, do których należy system aktywatorów plazminogenu oraz rodzina metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej (MMPs) (1).
Obecnie, zgodnie z rekomendacjami American Joint Committee on Cancer (AJCC), ocena i prognozowanie przebiegu czerniaka oparte są na analizie głębokości naciekania, obecności owrzodzeń oraz liczby przerzutów do regionalnych węzłów chłonnych (2, 3). Dodatkowe kryteria prognostyczne to indeks mitotyczny, zwiększona objętości jądra komórkowego w stosunku do cytoplazmy komórki, występowanie ognisk satelitarnych, ocena węzła wartowniczego i inwazji węzłów chłonnych (3).
Metaloproteinazy macierzy pozakomórkowej poprzez udział w degradacji składników macierzy pozakomórkowej, w tym błony podstawnej, zaangażowane są w proces inwazji komórek czerniaka (3). Dlatego też enzymy te mogą być rozpatrywane jako potencjalne biomarkery czerniaka, a wiedza dotycząca ich zaangażowania w poszczególne etapy rozwoju tego nowotworu może przyczynić się do opracowania nowych metod diagnostycznych oraz metod pozwalających na prognozowanie.
Charakterystyka metaloproteinaz
Metaloproteinazy (MMPs) stanowią liczną rodzinę enzymów proteolitycznych, których aktywność uzależniona jest od jonów Zn2+ i Ca2+ (4, 5). Biorą one udział w różnych procesach fizjologicznych oraz patologicznych. Zaangażowane są w procesy przebudowy i degradacji błony podstawnej oraz składników macierzy pozakomórkowej (ECM) (6). Do chwili obecnej scharakteryzowano 25 enzymów tej grupy (22 u człowieka) oraz ich 4 inhibitory (tkankowe inhibitory metaloproteinaz; TIMPs) (7, 8) (tab. 1). Ekspresja genów metaloproteinaz zachodzi niemal we wszystkich komórkach: w fibroblastach, keratynocytach, makrofagach, komórkach śródbłonka, komórkach dendrytycznych Langerhansa, neuronach, komórkach mikrogleju, miocytach, a także w komórkach nacieku zapalnego: w monocytach, limfocytach T (8). Zwiększoną aktywność metaloproteinaz obserwuje się w różnych stanach patologicznych, m.in. w rozrostach nowotworowych, zapaleniu stawów, chorobach przyzębia, miażdżycy, kardiomiopatii roztrzeniowej, zawale mięśnia sercowego i chorobach skóry (9). W przypadku nowotworów, w większości których dochodzi do podwyższenia zarówno ekspresji, jak i aktywności metaloproteinaz, często wskazuje się na możliwość istnienia zależności poziomu ekspresji tych enzymów od stopnia zaawansowania nowotworu. Wyniki wielu badań wykazują negatywny wpływ zmiany profilu ekspresji MMPs na rokowanie, chociaż opisano także przypadki, np. w raku jelita grubego, gdzie zwiększona ekspresja wybranych metaloproteinaz (MMP-9, MMP-12) w komórkach nowotworowych związana jest z dłuższym czasem przeżycia i mniejszą zdolnością do przerzutowania (10).
Tabela 1. Klasyfikacja metalopoteinaz (7, 47, 48).
GrupaMMPsNazwa alternatywnaLokalizacja na ludzkim chromosomieSubstraty
KolagenazyMMP-1Kolagenaza 111q22-23Kolagen typu I, II, III, VII, VIII, X, XI, żelatyna, entaktyna, fibronektyna, laminina, tenascyna, vitronektyna, ?1-antychymotrypsyna, ?2-makroglobulina, fibryna, fibrynogen, pro-MMP-2, pro-MMP-9, pro-TNF-?
MMP-8Kolagenaza 211q21-22Kolagen typu I, II, III, agrekan, ?2-makroglobulina, fibrynogen
MMP-13Kolagenaza 311q22.3Kolagen typu I, II, III, IV, VI, IX, XIV, żelatyna, agrekan, fibronektyna, tenascyna, ?2-makroglobulina, kazeina, czynnik krzepnięcia XII, fibrynogen, pro-MMP-9
MMP-18Kolagenaza 4Kolagen typu I, żelatyna
ŻelatynazyMMP-2Żelatynaza A16q13Kolagen typu I, II, III, IV, VII, IX, X, XI, żelatyna, agrekan, elastyna, entaktyna, fibronektyna, IGFBP, laminina, tenascyna, vitronektyna, fibryna, fibrynogen, pro-MMP-9, pro-MMP-13, plazminogen, pro-TNF-?
MMP-9Żelatynaza B20q11.2-q13.1Kolagen typu IV, V, XI, XIV, żelatyna, agrekan, dekoryna, elastyna, IGFBP, laminina, vitronektyna, ?2-makroglobulina, endotelina, kazeina, fibryno-gen, IL-1?, pro-MMP-2, plazminogen, pro-TNF-?
StromelizynyMMP-3Stromelizyna 111q23Kolagen typu III, IV, V, VII, IX, X, XI, żelatyna, agrekan, dekoryna, elastyna, entaktyna, fibronektyna, IGFBP, laminina, osteonektyna, perlekan, tenascyna, vitronektyna, ?1-antychymotrypsyna, ?2-makroglobulina, kazeina, E-kadheryna, fibryna, fibrynogen, IL-1?, pro-MMP-1, pro-MMP-7, pro-MMP-8, pro-MMP-9, pro-MMP-13, pro-TNF-?
MMP-10Stromelizyna 211q22.3-23Kolagen typu III, IV, V, żelatyna, agrekan, elastyna, fibronektyna, kazeina, fibrynogen, pro-MMP-1, pro-MMP-7, pro-MMP-8, pro-MMP-9
MMP-11Stromelizyna 322q11.2IGFB, ?2-makroglobulina
MatrylizynyMMP-7Matrylizyna 111q21-22Kolagen typu I, IV, żelatyna, agrekan, dekoryna, elastyna, entaktyna, fibronektyna, laminina, tenascyna, vitronektyna, kazeina, E-kadheryna, fibrynogen, pro-MMP-1, pro-MMP, pro-MMP-9, plazminogen, pro-TNF-?
MMP-26Matrylizyna 211p15Kolagen typu IV, żelatyna, fibrynogen, fibronektyna, vitronektyna, kazeina, pro-MMP-9
Metaloproteinazy błonoweMMP-14MT1-MMP14q11-q12Kolagen typu I, II, III, żelatyna, agrekan, entaktyna, fibronektyna, perlekan, vitronektyna, ?2-makroglobulina, CD44, czynnik XII, fibryna, fibrynogen, ?v-integryna, pro-MMP-2, pro-MMP-13, tenascyna, pro-TNF-?
MMP-15MT2-MMP15q13-q21Agrekan, entaktyna, fibronektyna, laminina, perlekan, tenascyna, pro-MMP-2
MMP-16MT3-MMP8q21Kolagen typu III, żelatyna, kazeina, fibronektyna, pro-MMP-2
MMP-17MT4-MMP12q24.3Żelatyna, fibryna, fibrynogen, pro-MMP-2, pro-TNF-?
MMP-24MT5-MMP20q11.2Żelatyna, fibronektyna, pro-MMP-2
MMP-25MT6-MMP16p13.3Kolagen typu IV, żelatyna, fibronektyna, fibrynogen, fibryna, pro-MMP-2
InneMMP-12Metaloelastaza11q22.2-q22.3Kolagen typu I, IV, żelatyna, agrekan, elastyna, entaktyna, fibronektyna, laminina, vitronektyna, czynnik XII, ?2-makroglobulina, fibrynogen, IgG, plazminogen, pro-TNF-?
MMP-1912q14Kolagen typu I, IV, żelatyna, fibronektyna, laminina, agrekan, entaktyna, tenascyna,
MMP-20Enamelizyna11q22Kolagen typu XVIII, amelogenina, agrekan
MMP-21XMMP1p36
MMP-22CMMP1p36.3Żelatyna
MMP-23CA-MMP1p36.3Żelatyna
MMP-27CMMP11q24
MMP-28Epilizyna17q21.1Kazeina
Funkcja fizjologiczna MMPs
Fizjologiczna rola metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej nadal nie jest dobrze poznana. Metaloproteinazy macierzy pozakomórkowej zaangażowane są w przebieg dwóch bardzo ważnych procesów biologicznych: rozwoju embrionalnego oraz morfogenezy tkanek. Prawidłowy przebieg tych procesów wymaga naruszenia ciągłości błony podstawnej w celu umożliwienia migracji komórek oraz przebudowy mikrośrodowiska zewnątrzkomórkowego (11, 12). Podwyższona ekspresja większości metaloproteinaz jest charakterystyczna dla procesów związanych z rozrodem (m.in.: cykl menstruacyjny, owulacja, inwolucja macicy, piersi i gruczołu krokowego) (13). Matrylizyna, stromelizyny oraz żelatynaza A są produkowane podczas najbardziej aktywnych faz cyklu estrogenowego u myszy. Podwyższony poziom produkcji tych metaloproteinaz, łącznie z kolagenazą 2 i 3, obserwowany jest podczas poporodowej inwolucji macicy u myszy (14). MMP-9 odgrywa istotną rolę w licznych procesach rozwojowych. Badania wykazały, że u myszy pozbawionych genu MMP9 dochodzi do wadliwego formowania się kości na podłożu chrzęstnym. Dochodzi tu do zahamowania apoptozy chondrocytów oraz nieprawidłowego tworzenia się naczyń krwionośnych (15). Również celowana inaktywacja genu MT1-MMP (MMP-14) u myszy prowadzi do powstania nieprawidłowości w obrębie szkieletu, tkanki łącznej oraz unaczyniania, prowadzących do przedwczesnej śmierci organizmu (16). Z kolei MMP-2 oraz MMP-3 biorą udział w regulacji szlaku morfogenezy gruczołu sutkowego w okresie dojrzewania płciowego (17). MMP-2 i MMP-9, pobudzając różnicowanie adipocytów, przyczyniają się również do rozrostu i odkładania się tkanki tłuszczowej (adipogeneza). Jednak pojawiają się doniesienia, że inne MMPs wpływają hamująco na ten proces. Zwiększoną adipogenezę podczas inwolucji gruczołu sutkowego obserwuje się u myszy pozbawionych genu MMP3 (17).
Metaloproteinazy zaangażowane są również w takich procesach jak gojenie ran oraz przebudowa tkanek, którym towarzyszy migracja keratynocytów do brzegów rany w celu wytworzenia nabłonka w obrębie uszkodzonej powierzchni. Badania przeprowadzone na kulturach komórkowych wykazały, że do migracji keratynocytów niezbędna jest aktywność proteolityczna MMP-1 (18).
Wiele spośród metaloproteinaz ECM jest produkowanych przez komórki śródbłonka. MMPs odgrywają rolę w formowaniu się nowych naczyń krwionośnych, zarówno w warunkach fizjologicznych, jak i patologicznych (19). U myszy pozbawionych genu MMP2 dochodzi do zmniejszenia unaczynienia w porównaniu z dzikim typem myszy. Natomiast u myszy pozbawionych równocześnie genu MMP2 i MMP9 obserwuje się silnie osłabioną neowaskularyzację naczyniówki. Wskazuje to na efekt synergiczny obu tych proteaz w procesie unaczyniania (20).
Aktywność katalityczna MMP-2, MMP-9, MMP-13 oraz MT1-MMP (MMP-14) może być hamowana przez endogenny inhibitor angiogenezy – endostatynę. Metaloproteinazy, pełniąc funkcję okołokomórkowych fibrolizyn podczas neowaskularyzacji, mogą również regulować proces angiogenezy (19). Wiele metaloproteinaz wykazuje również podwójne, przeciwstawne funkcje w zależności od sytuacji: aktywuje czynniki proangiogenne lub aktywuje inhibitory angiogenezy (19).
Tkankowe inhibitory MMPs (TIMPs)
Aktywność metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej jest regulowana poprzez interakcje z ich naturalnymi inhibitorami: TIMP-1, -2, -3, oraz -4. W warunkach in vitro inhibitory te wykazują zdolność hamowania aktywności wszystkich metaloproteinaz, z wyjątkiem MMPs błonowych: MT1-MMP (MMP-14) oraz MT3-MMP (MMP-16). Jednak, w przypadku różnych TIMPs stwierdzono nieco odmienne preferencje co do interakcji z poszczególnymi MMPs. Przykładowo, TIMP-1 preferencyjnie tworzy kompleks z pro-MMP-9, podczas gdy TIMP-4 oraz TIMP-2 (za pośrednictwem MT1-MMP) z pro-MMP-2 (21).
Z wyjątkiem TIMP-3, który związany jest z ECM (7), pozostałe TIMPs występują w formie rozpuszczalnej w większości tkanek oraz płynów fizjologicznych (22, 23). Na podwyższenie ekspresji TIMP-1 oraz TIMP-3 wpływają różne czynniki wzrostu, cytokiny, retinoidy, glikokortykosteroidy. Natomiast ekspresja TIMP-2 zachodzi głównie w sposób konstytutywny (24, 25).
Tkankowe inhibitory metaloproteinaz pełnią ważną funkcję w wielu procesach biologicznych takich jak: rozwój płodu, angiogeneza, artretyzm, nowotworzenie. Ponadto wykazano, że TIMPs biorą udział w regulacji migracji komórek, hamowaniu angiogenezy oraz indukowaniu lub przeciwdziałaniu apoptozie (26). Utrzymywanie się odpowiedniej równowagi pomiędzy różnymi TIMPs może stanowić kluczowy czynnik decydujący o potencjale proteolitycznym komórek. Zachwianie równowagi pomiędzy aktywnością TIMPs i MMPs powiązane jest z nadmierną degradacją składników macierzy pozakomórkowej w procesie inwazji guza. TIMP-1 (EPA, inhibitor kolagenazy) i TIMP-2 mogą również pobudzać wzrost różnych typów komórek w sposób niezależny od MMPs (27).
MMPs i TIMPs w procesie nowotworowym
W prawie wszystkich typach nowotworów ludzkich obserwuje się podwyższoną ekspresję oraz aktywność metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej. Zjawisko to związane jest z zaawansowanym stadium choroby, podwyższoną zdolnością do inwazji i przerzutowania oraz z krótszym czasem przeżycia (10).
Liczne badania potwierdziły negatywny wpływ zmiany profilu ekspresji MMPs na rokowanie. Jednak, w niektórych przypadkach, podwyższona ekspresja specyficznych metaloproteinaz związana jest z korzystnym rokowaniem, jak np. w raku jelita grubego podwyższona ekspresja MMP-12 w komórkach nowotworowych związana jest z dłuższym czasem przeżycia, a ekspresja MMP-9 w makrofagach infiltrujących guz związana jest z mniejszą zdolnością do przerzutowania (28-30).
Badania kliniczne wykazały również powiązanie pomiędzy wysokim poziomem TIMP-1 i -2 a niekorzystnym rokowaniem dla pacjenta. Przyczyną wzrostu stężenia TIMPs jest prawdopodobnie podwyższona ekspresja MMPs oraz próba utrzymania równowagi pomiędzy ekspresją MMPs i TIMPs w procesie nowotworowym (10).
TIMPs mogą również sprzyjać progresji nowotworu poprzez udział w hamowaniu apoptozy komórek nowotworowych (TIMP-1 i -2), pobudzanie wzrostu komórek nowotworowych (TIMP-2 i -3), udział w zapoczątkowaniu angiogenezy guza (TIMP-1 powodujący stymulację wydzielania VEGF) (31). TIMPs oprócz zdolności hamowania aktywności MMPs wykazują wiele właściwości biologicznych niezależnych od tych enzymów (np.wpływ na podwyższenie poziomu antyapoptotycznego białka BCL-XL (32)) oraz działanie podobne do tego, jakie wykazują czynniki wzrostu (33). Doświadczenia przeprowadzone na zwierzętach wykazały, że wbrew swojej nazwie TIMPs są też aktywatorami MMPs (np. TIMP-2 jest ważnym aktywatorem MMP-2) (34).
Udział MMPs w progresji czerniaka
Komórki czerniaka wykazują zdolność do produkcji wielu metaloproteinaz ECM, w tym: MMP-1, -2, -9, -13, -14, -21 oraz ich inhibitorów: TIMP-1, -2, i -3 (1). Obecnie uważa się, że w rozwoju czerniaka największe znaczenie odgrywają metaloproteinazy: MMP-2 oraz MMP-9. Wykazano, że ekspresja oraz aktywacja tych proteaz jest związana z inwazyjnym i przerzutującym fenotypem czerniaka (1). Metaloproteinazy te są konstytutywnie eksprymowane w złośliwych postaciach czerniaka, a poziom ich ekspresji jest silnie związany z atypią melanocytów i odróżnicowaniem się komórek w obrębie znamion barwnikowych (35). Wykazano, że w ludzkich i mysich liniach komórkowych czerniaka podwyższona ekspresja MMP-2, MMP-9, a także MMP-14 (MT1-MMP) związana jest z inwazyjną postacią nowotworu (36). Wzrost MMP-2 w znacznym stopniu powiązany jest z przerzutowaniem drogą krwionośną. W klasyfikacji Clarka i Breslowa wskazuje się na związek pomiędzy wysokim poziomem ekspresji MMP-2, a niskim współczynnikiem przeżycia i jest on szczególnie charakterystyczny dla pacjentów płci męskiej (1). Badania prowadzone przez Zuckera i Cao (37) wykazały, że MMP-2 nie jest wykrywalna w ludzkim czerniaku in situ, ale wysoki poziom aktywnej formy tego enzymu obecny jest w obszarze macierzy guza pierwotnego w zaawansowanych postaciach czerniaka oraz w samych przerzutach. Wyniki te potwierdzają badania Vaisanen i wsp. (38), wskazujące na to, że wzmożona ekspresja MMP-2 jest cechą charakterystyczną dla inwazyjnych postaci czerniaka i stanowi niekorzystny czynnik rokowniczy. Podwyższony poziom ekspresji mRNA MMP-2 oraz białka został również zaobserwowany w przypadku najbardziej agresywnych linii komórkowych czerniaka (MV3, BLM) oraz w wywodzących się z nich ksenograftach (39). Mechanizm aktywacji pro-MMP-2 nie jest w pełni poznany. Aktywna forma MMP-2 w sposób bezpośredni reguluje adhezję komórek czerniaka oraz ich rozprzestrzenianie się do ECM, ułatwiając w ten sposób proces migracji oraz inwazji (39). Wykazano, że podwyższona ekspresja MMP-14 powoduje aktywację MMP-2 na powierzchni komórki czerniaka. Aktywność MMP-2 jest również regulowana obecnością TIMP-2. Z jednej strony inhibitor ten może hamować MMP-2 i w ten sposób wpływać na ograniczenie wzrostu guza oraz inwazję. Z drugiej zaś strony TIMP-2 może być zaangażowany w sposób bezpośredni w aktywację MMP-2 poprzez formowanie kompleksu z MMP-14, stanowiącego receptor dla MMP-2 na powierzchni komórki. Tak więc skoordynowana ekspresja MMP-2, MMP-14 oraz TIMP-2 prowadzi do aktywacji MMP-2, a wzrost stężenia wymienionych metaloproteinaz oraz inhibitora charakterystyczny jest także dla innych ludzkich nowotworów (1, 39).

Hipoteza dotycząca zależności aktywacji MMP-2 od nadekspresji MMP-14 została również potwierdzona w badaniach przeprowadzonych przez Kurschata i wsp. (40). Wykazali oni, że w nieprawidłowych melanocytach ludzkich podwyższenie ekspresji zarówno MMP-2, jak i MMP-14 następowało wraz z progresją nowotworu, a analiza zymograficzna in situ potwierdziła obecność aktywnej formy MMP-2 na granicy komórek guza i otaczającej je macierzy. Ponadto wykazano, że komórki guza, które wytwarzają jednocześnie MMP-2 i MMP-14 są często umiejscowione na granicy pomiędzy zrębem a czołem przemieszczających się komórek inwazyjnych guza (40). Badania przeprowadzone na myszach pozbawionych genu dla MMP-2 potwierdziły, że synteza MMP-2 jest konieczna by mogło dojść do powstania przerzutu (1). Iida i wsp. (41) wykazali, że MMP-14 ułatwia inwazję komórek czerniaka poprzez matrigel, podwyższa ich zdolność do migracji poprzez lamininę 1, wpływa korzystnie na wzrost guza w kulturach komórkowych in vitro oraz sprzyja formowaniu kolonii komórek czerniaka w żelu agarozowym. Co więcej, wpływ MMP-14 na podwyższenie zdolności inwazyjnych czerniaka oraz na wzrost guza nie jest zależny od działania inhibitorów MMPs (41).
Udział MMP-9 w progresji czerniaka nadal pozostaje niewyjaśniony – (uzyskane dotychczas dane są sprzeczne). Doświadczenia przeprowadzone na liniach czerniaka wyprowadzonych z zaawansowanych postaci nowotworu wykazały ekspresję MMP-9. Natomiast nie zaobserwowano takiego zjawiska w przypadku linii komórkowych uzyskanych z wczesnych postaci czerniaka (6). Badania prowadzone przez van den Oorda i wsp. (42), dowodzą z kolei, że u ludzi MMP-9 ulega ekspresji najprawdopodobniej wyłącznie w horyzontalnej fazie wzrostu guza pierwotnego nie przekraczającego grubości 1,6 mm. W tych pracach nie zaobserwowano ekspresji metaloproteinazy-9 w przerzutach czerniaka (42). Jednak Nikkola i wsp. (43) twierdzą, że wysoki poziom MMP-9 w surowicy jest charakterystyczny dla pacjentów z rozległymi przerzutami i o ogólnie krótszym czasie przeżycia.
W modelach doświadczalnych, w których implantowano tkankę nowotworową gryzoniom, MMP-9 identyfikowana była w obrębie wytworzonego guza tylko wówczas, gdy jego komórki wywodziły się z zaawansowanych zmian czerniakowych (1, 36). Co więcej, w przypadku organizmów konstytutywnie eksprymujących MMP-9, obserwowano zwiększenie kolonizacji płuc i tworzenie przerzutów, a w sytuacji gdy myszy nie posiadały genu dla MMP-9 praktycznie nie dochodziło do tworzenia ognisk wtórnych nowotworu. Obserwacje te sugerują, że MMP-9 (produkowana zarówno przez komórki neoplastyczne, jak i przez komórki zrębu) odgrywa ważną rolę w powstawaniu przerzutów. Ponadto wskazuje się, że ekspresja MMP-9 jest charakterystyczna dla komórek nowotworowych ulegających spontanicznym przerzutom do węzłów chłonnych i płuc. Tak więc wydaje się, że proces selekcji komórek dających przerzuty in vivo faworyzuje te subklony komórek, które eksprymują MMP-9 (106, 108).
Ważną rolę w rozwoju czerniaka przypisuje się również MMP-1 i MMP-3. Durko i wsp. (35) wykazali, że degradacja kolagenu typu I i IV oraz inwazja komórek czerniaka poprzez matrigel zależne są od ekspresji MMP-1. Nikkola i wsp. (43) wykazali korelację pomiędzy wysokim poziomem MMP-1 i MMP-3 w komórkach guza a krótszym czasem przeżycia: w przypadku identyfikacji podwyższonego poziomu ekspresji MMP-1 i MMP-3 w komórkach guza czas przeżycia pacjentów był znacząco krótszy w porównaniu do chorych, u których w komórkach guza nie identyfikowano zmian ekspresji ww. metaloproteinaz. Podobną zależność zaobserwowano również w przypadku wysokiego poziomu ekspresji MMP-13; dla pacjentów, u których w komórkach ogniska przerzutowego guza identyfikowano podwyższony poziom MMP-13, czas przeżycia był krótszy. Ponadto Nikkola i wsp. wykazali, że jednoczesne podwyższenie poziomu ekspresji MMP-1, MMP-3 oraz MMP-13 powiązane jest z obecnością melaniny w komórkach guza.
W procesie rozwoju czerniaka prawdopodobnie znacznie odgrywa również metaloproteinaza 21 (MMP-21). Kuivanen i wsp. (2) wykazali obecność MMP-21 zarówno w wycinkach tkanek zawierających komórki czerniaka, jak i w komórkach czerniaka in vitro. Badania wykazały, że ekspresja tej metaloproteinazy zachodzi cześciej w komórkach nowotworowych pochodzących z nieprzerzutujących postaci czerniaka, co może sugerować, że zwiększona produkcja MMP-21 zachodzi we wczesnych etapach progresji czerniaka. Wydaje się więc, że metaloproteinaza 21 mogłaby być rozpatrywana jako potencjalny marker transformacji nowotworowej melanocytów (2).
Z uwagi na właściwości TIMPs równowaga pomiędzy poziomem aktywnych MMPs oraz ich inhibitorami może być krytycznym punktem dla progresji nowotworowej. Wykazano np. że nadekspresja TIMP-1, TIMP-2 i TIMP-3 może być przyczyną zahamowania proteolizy macierzy pozakomórkowej i w konsekwencji inwazji czerniaka. Z drugiej strony badania in situ wykazały, że indukcja TIMP-1 oraz TIMP-3 następuje w późnym etapie progresji guzów melanocytarnych, co jest wynikiem złożonego oddziaływania systemu MMPs/TIMPs. Podwyższona ekspresja TIMPs może hamować proces przerzutowania, ale jednocześnie może wskazywać na złe rokowania, ponieważ TIMPs mogą działać stymulująco na wzrost komórek ludzkiego czerniaka (1). Z drugiej zaś strony TIMPs wykazują zdolność do hamowania unaczynienia guza. Sugeruje się, że działanie antyangiogenne TIMP-2 może polegać na mechanizmie zależnym od MMPs, który moduluje interakcje typu gospodarz-guz (45). Wykazano, że w antyangiogennym działaniu TIMP-2 częściowo pośredniczy proces indukcji kinazy MKP-1, która hamuje kinazę p38MAP (44).
Jak dotychczas nie potwierdzono powiązania pomiędzy ekspresją TIMP-1 lub -2 z aktywacją MMP-2 i MMP-9 w modelach in vivo (36). Morrisom i wsp. (45) zademonstrowali istnienie niezależnej od TIMP-2 komórkowej drogi aktywacji MMP-2, w którą zaangażowana jest metaloproteinaza błonowa: MMP-15 (MT2-MMP). Wskazuje się tu jednak na konieczność przeprowadzenia dalszych badań, których celem byłoby dokładne określenie roli TIMPs i MT-MMPs w aktywacji MMP-2 (36).
Badania przeprowadzone przez Wandela i wsp. (46) potwierdzają hipotezę, że w indukcję potencjału proteolitycznego komórek guza zaangażowane są również komórki zrębu. Ekspresja MMPs może zatem zachodzić nie tylko w komórkach nowotworowych, ale również w otaczających je fibroblastach, co wskazuje na udział tych komórek w procesie progresji czerniaka (1). Wandel i wsp. (46) wykazali, że w fibroblastach zlokalizowanych w sąsiedztwie zmian czerniakowych in vivo oraz w fibroblastach stymulowanych pożywką pochodzącą znad hodowli komórek czerniaka in vitro (zawierającą rozpuszczalne czynniki wydzielane przez komórki czerniaka: cytokiny, czynniki wzrostu) dochodzi do zwiększenia ekspresji mRNA MMP-1 oraz białka. Ponadto, zaobserwowano powiązanie tego zjawiska z inwazyjnością guza (46).
WNIOSKI
W świetle przedstawionych danych wydaje się, że metaloproteinazy ECM pełnią ważną rolę w rozwoju procesu nowotworowego, w tym również czerniaków. Zaburzenie profilu ekspresji MMPs ma wpływ nie tylko na wzrost in situ samego guza, lecz także na umiejscowienie i sposób indukcji procesu przerzutowania. Sugeruje to, że różne MMPs mogą odgrywać różną rolę na poszczególnych etapach powstawania przerzutów czerniaka (36). Zwraca się tu szczególną uwagę na MMP-1, -2, -9, -14, -21 oraz TIMP-1, -2.
Wiedza na temat udziału MMPs oraz ich inhibitorów (TIMPs) w rozwoju czerniaka może przyczynić się, w przyszłości, do opracowania nowych biomarkerów czerniaka użytecznych w praktyce klinicznej.
Piśmiennictwo
1. Hofmann UB, Houben R, Bröcker EB, Becker JC: Role of matrix metalloproteinases in melanoma cell invasion. Biochimie 2005; 87: 307-314. 2. Kuivanen T, Ahokas K, Virolainen S et al.: MMP-21 is upragelated at early stages of melanoma progression but disappears with more aggressive phenotype. Virchows Arch 2005; 447: 954-960. 3. Clark WH Jr, From L, Bernardino EH: Histogenesis and biologic behavior of primary human malignant melanoma of the skin. Cancer Res 1969; 29: 705-727. 4. Curran S, Murray GI: Matrix metalloproteinases in tumor invasion and metastasis. Review article. Pathology 1999; 189: 300-308. 5. Dziankowska-Bartkowiak B, Waszczykowska E, Żebrowska A: Udział metaloproteinaz i ich inhibitorów w patomechanizmie wybranych chorób skóry. Alerg Astma Immun 2004; 9: 71-79. 6. Wideł MS, Wideł M: Mechanizmy przerzutowania i molekularne markery progresji nowotworów złośliwych. I. Rak jelita grubego. Post Hig Med Dośw 2006; 60: 453-470. 7. Chaussain-Miller C, Fioretti F, Goldberg M, Menashi S: The role of matrix Metalloproteinases (MMPs) in human caries. J Dent Res 2006; 85: 22-32. 8. Bogaczewicz J, Jasielski P, Mosiewicz A et al.: Rola metaloproteaz macierzy i tkankowych inhibitorów metaloproteaz w inwazji nowotworów pochodzenia neuroepitelialnego. Neurol Neurochir Pol 2006; 40: 404-412. 9. Żebrowska A, Bogdańska M, Waszczykowska E: Metaloproteinazy i adamalizyny w patomechanizmie pemfigoidu. Post Dermatol Alergol 2005; 22: 283-287. 10. Egeblad M, Werb Z: New functions for the matrix metalloproteinases in cancer progression. Nat Rev 2000; 2: 161-174. 11. Brinckerhoff CE, Matrisian LM: Matrix metalloproteinases: a tail of a frog that became a prince. Nat Rev Mol Cell Biol 2002; 3: 207-214. 12. Knorr E, Schmidtberg H, Vilcinskas A, Altincicek B. MMPs Regulate both development and immunity in the tribolium model insect. PLoS One 2009; 4: 4751e. 13. Curry TE Jr, Osteen KG. The matrix metalloproteinase system: changes, regulation, and impact throughout the ovarian and uterine reproductive cycle. Endocrynology 2003; 24: 428-465. 14. Balbin M, Fueyo A, Knauper V et al.: Collagenase 2 (MMP-8) expression in murine tissue-remodeling processes. Analysis of its potential role in postpartum involution of the uterus. J Biol Chem 1998; 273: 23959-23968. 15. Vu T H, Shipley J M, Dergers G et al.: MMP-9/gelatinase B is a key regulator of growth plate angiogenesis and apoptosis of hypertrophic chondrocytes. Cell 1998; 93: 411-422. 16. Zhou Z, Apte SS, Soininen R et al.: Impaired endochondral ossification and angiogenesis in mice deficient in membrane-type matrix metalloproteinase I. Proc Natl Acad Sci USA 2000; 97: 4052-4057. 17. Wiseman BS, Sternichy MD, Lund LR et al.: Site-specific inductive and inhibitory activities of MMP-2 and MMP-3 orchestrate mammary gland branching morphogenesis. J Cell Biol 2003; 162: 1123-1133. 18. Alexander CM, Selvarajan S, Mudgett J, Werb Z: Stromelysin-1 regulates adipogenesis during mammary gland involution. J Cell Biol 2001; 152: 693-703. 19. Pilcher BK, Dumin JA, Sudbeck BD et al.: The activity of collagenase-1 is required for keratinocyte migration on a type I collagen matrix. J Cell Biol 1997; 137: 1445-1457. 20. Folgueras AL, Pendas AM, Sanchez LM, Lopez-Otin C: Matrix metalloproteinases in cancer: from new functions to improved inhibition strategies. Int J Dev Biol 2004; 48: 411-424. 21. Giarnieri E, Alderisio M, Mancini R et al.: Tissue inhibitor of metalloproteinase 2 (TIMP-2) expression in adenocarcinoma pleural effusions. Oncol Rep 2008; 19: 483-487. 22. Nagase H, Visse R, Murphy G: Structure and function of matrix metalloproteinases and TIMPs. Cardiovasc Res 2006; 69: 562-573. 23. Gomez D, Alonso DF, Yoshiji H, Thorgeirsson UP: Tissue inhibitors of metalloproteinases: structure, regulation and biological function. Eur J Cell Biol 1997; 74: 111-122. 24. Leco K, Khokha R, Pavloff N et al.: Tissue inhibitor of metalloproteinases-3 (TIMP-3) is an extracellular matrix-associated protein with a distinctive pattern of expression in mouse cells and tissues. J Biol Chem 1994; 269: 9352-9360. 25. Kerkelä E, Saarialho-Kere U: Matrix metalloproteinases in tumor progression: focus on basal and squamous cell skin cancer. Exp Dermatol 2003; 12: 109-125. 26. Zafarullah M, Su S, Martel-Pelletier J et al.: Tissue inhibitor of metalloproteinase-2 (TIMP-2) mRNA is constitutively expressed in bovine, human normal, and osteoarthritic articular chondrocytes. J Cell Biochem 1996; 60: 211-217. 27. Brew K, Dinakarpandian D, Nagase H: Tissue inhibitors of metalloproteinases: evolution, structure and function. Biochim Biopys Acta 2000; 1477: 267-283. 28. Henriet P, Blavier L, DeClerck YA: Tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMP) in invasion and proliferation. APMIS 1999; 107: 111-119. 29. Yang W, Arii S, Gorrin-Rivas MJ et al.: Human macrophage metalloelastase gene expression in colorectal carcinoma and its clinicopathologic significance. Cancer 2001; 91: 1277-1283. 30. Takeha, S, Fujiyama Y, Bamba T et al.: Stromal expression of MMP-9 and urokinase receptor is inversely associated with liver metastasis and with infiltrating growth in human colorectal cancer: a novel approach from immune/inflammatory aspect. Jpn J Cancer Res 1997; 88: 72-81. 31. Jiang, Y, Wang M, Celiker MY et al.: Stimulation of mammary tumorigenesis by systemic tissue inhibitor of matrix metalloproteinase 4 gene delivery. Cancer Res 2001; 61: 2365-2370. 32. Hayakawa T, Yamashita K, Ohuchi E, Shinagawa A: Cell growth-promoting activity of tissue inhibitor of metalloproteinases-2 (TIMP-2). J Cell Sci 1994; 107: 2373-2379. 33. Yoshiji H, Harris SR, Raso E et al.: Mammary carcinoma cells over-expressing tissue inhibitor of metalloproteinases-1 show enhanced vascular endothelial growth factor expression. Int J Cancer 1998; 75: 81-87. 34. Wang Z, Juttermann, R, Soloway PD: TIMP-2 is required for efficient activation of proMMP-2 in vivo. J Biol Chem 2000; 275: 26411-26415. 35. Durko M, Navab R, Shibata HR, Brodt P: Suppression of basement membrane type IV collagen degradation and cell invasion in human melanoma cells expressing an antisense RNA for MMP-1. Biochim Biophys Acta 1997; 1356: 271-280. 36. Hofmann UB, Eggert AAO, Blass K et al.: Expression of matrix metalloproteinase in the microenvironment of spontaneous and experimental melanoma metastases reflects the requirements for tumor formation. Cancer Res 2003; 63: 8221-8225. 37. Zucker S, Cao J: Measurement of matrix metalloproteinases in serum of patients with melanoma: snarled in technical pitfalls. Commentary on Nikkola et al., p. 5158. Clin Cancer Res 2005; 11: 5069-5070. 38. Vaisanen A, Tuominen H, Kallioienen M, Turpeenniemi-Hujanen T: Matrix metaloproteinase-2 (72kD type IV collagenase) expression occurs in the early stage of human melanocytic tumor progression and may have prognostic value. J Pathol 1996; 180: 283-289. 39. Hofmann UB, Westphal JR, Wass ET et al.: Matrix metalloproteinases in human melanoma cell lines and xenografts: increased expression of activated matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) correlates with melanoma progression. Br J Cancer 1999; 81: 774-782. 40. Kurshat P, Wickenhauser C, Groth W et al.: Identification of activated matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) as the main gelatinolytic enzyme in malignant melanoma by in situ zymography. J Pathol 2002; 197: 179-187. 41. Iida J, Wilhemson KL, Price MA et al.: Membrane type-1 matrix metalloproteinase promotes human melanoma invasion and growth. J Invest Dermatol 2004; 122: 167-176. 42. van den Oord JJ, Paemen L, Opdenakker G, De Wolf-Peeters C: Expression of gelatinase B and the extracellular matrix metalloproteinase inducer EMMPRIN in benign and malignant pigment cell lesions of the skin. Short Communication. Am J Pathol 1997; 151: 665-670. 43. Nikkola J, Vihnen P, Vlaykova T et al.: High expression levels of collagenase-1 and stromelisin-1 correlate with shorter disease-free survival in human metastatic melanoma. Int J Cancer 2002; 97: 432-438. 44. Seo DW, Li H, Guedez L et al.: TIMP-2 mediated inhibition of angiogenesis: an MMP-independent mechanism. Cell 2003; 114: 171-180. 45. Morrison CJ, Butler GS, Bigg HF et al.: Cellular activation of MMP-2 (gelatinase A) by MT2-MMP occurs via a TIMP-2-independent pathway. J Biol Chem 2001; 276: 47402-47410. 46. Wandel E, Raschke A, Hildebrandt G et al.: Fibroblasts enhance the invasive capacity of melanoma cells in vitro. Arch Dermatol Res 2002; 293: 601-608. 47. Visse R, Nagase H: Matrix Metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases. Structure, function and biochemistry. Circ Res 2003; 92: 827-839. 48. Łapka A, Goździalska A, Jaśkiewicz J: Rola metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej w nowotworach piersi, ze szczególnym uwzględnieniem roli żelatynazy A oraz żelatynazy B. Post Biol Komórki 2006; 33: 683-695.
otrzymano: 2014-05-21
zaakceptowano do druku: 2014-06-26

Adres do korespondencji:
*Aleksandra Zielińska
Zakład Biologii Komórki Śląski Uniwersytet Medyczny
ul. Jedności 8, 41-200 Sosnowiec
tel.: +48 (32) 364-12-12
e-mail: azielinska@sum.edu.pl

Nowa Medycyna 3/2014
Strona internetowa czasopisma Nowa Medycyna