Re: matrix metalloprotenase의 균형 --＞ 불균형은 조직 섬유화, 암전이 등

[문형철]

초간단 정리

MMP는 만성염증 상태일때 과도하게 분비되어 기질 분해 불균형을 야기!!

Molecules

. 2019 Nov 19;24(22):4188. doi: 10.3390/molecules24224188

The Versatile Role of Matrix Metalloproteinase for the Diverse Results of Fibrosis Treatment

Hong-Meng Chuang 1,2, Yu-Shuan Chen 1,2, Horng-Jyh Harn 1,3,*

Editors: Eugene A Permyakov, Sergey Permyakov

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PMCID: PMC6891433  PMID: 31752262

Abstract

Fibrosis is a type of chronic organ failure, resulting in the excessive secretion of extracellular matrix (ECM). ECM protects wound tissue from infection and additional injury, and is gradually degraded during wound healing. For some unknown reasons, myofibroblasts (the cells that secrete ECM) do not undergo apoptosis; this is associated with the continuous secretion of ECM and reduced ECM degradation even during de novo tissue formation. Thus, matrix metalloproteinases (MMPs) are considered to be a potential target of fibrosis treatment because they are the main groups of ECM-degrading enzymes. However, MMPs participate not only in ECM degradation but also in the development of various biological processes that show the potential to treat diseases such as stroke, cardiovascular diseases, and arthritis. Therefore, treatment involving the targeting of MMPs might impede typical functions. Here, we eval‎uated the links between these MMP functions and possible detrimental effects of fibrosis treatment, and also considered possible approaches for further applications.

초록

섬유증은

만성 장기 기능 부전의 한 유형으로,

세포외 기질(ECM)의 과도한 분비를 초래합니다.

ECM은

상처 조직을 감염 및 추가 손상으로부터 보호하며,

상처 치유 과정에서 점차 분해됩니다.

알려지지 않은 이유로,

근섬유모세포(ECM을 분비하는 세포)는 세포 사멸을 겪지 않으며,

이는 ECM의 지속적인 분비 및 신생 조직 형성 중에도

ECM 분해 감소와 관련이 있습니다.

따라서

매트릭스 메탈로프로테이나제(MMPs)는

ECM 분해 효소의 주요 그룹이므로

섬유화 치료의 잠재적 표적으로 간주됩니다.

그러나

MMPs는 ECM 분해뿐만 아니라 뇌졸중, 심혈관 질환, 관절염과 같은 질환 치료 가능성을 보여주는

다양한 생물학적 과정의 발달에도 관여합니다.

따라서

MMP 표적 치료는 정상 기능을 방해할 수 있습니다.

본 연구에서는

이러한 MMP 기능과 섬유증 치료의 잠재적 유해 효과 간의 연관성을 평가하고,

향후 응용을 위한 가능한 접근법도 고려하였다.

Keywords: matrix metalloproteinase, extracellular matrix, fibrosis

1. Introduction

Matrix metalloproteinases (MMPs) are endopeptidases with a Zn2+ ion catalytic domain [1]; they interact with multiple components of the extracellular matrix (ECM) and bioactive molecules such as receptors and cytosolic phosphatase [2,3]. Novel substrates of MMPs are still being identified, such as cytokines and growth factors [4]. The classification of MMPs is based on the substrate that they degrade, while the naming is not specific to the catalytic activity [5,6]. For example, MMP-1, also known as collagenase 1, can digest Col I, II, III, VII, VIII, X, and gelatin [7]. Subsequently, membrane-type MMPs (MT-MMPs) were discovered, which have a transmembrane domain from the extracellular to the cytosolic part of the cell [8]. There are other membrane-anchored metalloproteinases with a disintegrin domain, which belong to two new families, referred to as the ADAMs (A Disintegrin And Metalloproteinases) and ADAMTs (A Disintegrin And Metalloproteinases with Thrombospondin Motifs) [9]. The inhibitory pro-domain and the zinc-binding catalytic domain are the central features of MMPs, and domains corresponding to these are also present in ADAMs and ADAMTs, which have a cysteine-rich domain, epidermal growth factor (EGF)-like domain, and type-1 thrombospondin (TSP-1) domain [10]. These domains indicate that the key function of ADAMs is in the ectodomain shedding of membrane proteins, although some ADAMs can also degrade ECM substrates. The most intensively studied ADAM is ADAM17, which facilitates the release of the soluble form of tumor necrosis factor-α (TNF-α) from its membrane precursor. Unlike studies of the most critical biological functions of ADAMs on MMPs, there have been fewer studies on the use of ADAMs for ECM degradation. As such, this work focuses on the experimental evidence of using MMPs as targets in studies of organ fibrosis.

1. 서론

매트릭스 메탈로프로테이나제(MMPs)는

Zn2+ 이온 촉매 도메인을 가진

내분해효소입니다[1].

endopeptidases with a Zn2+ ion catalytic domain 

이들은 세포외 기질(ECM)의 다중 구성 요소 및 수용체,

세포질 인산분해효소 [2,3].

사이토카인 및 성장 인자와 같은

MMP의 새로운 기질은 여전히 확인되고 있다[4].

MMP의 분류는 분해하는 기질에 기반하지만,

명명은 촉매 활성에 특이적이지 않다[5,6].

예를 들어,

콜라게나제 1로도 알려진 MMP-1은

콜라겐 I, II, III, VII, VIII, X 및 젤라틴을 분해할 수 있다[7].

https://www.mdpi.com/2227-9059/12/6/1257#

이후 세포 외에서 세포질 부분까지

횡단막 도메인을 가진 막형 MMP(MT-MMPs)가 발견되었다[8].

디스인테그린 도메인을 가진

다른 막 고정형 금속단백분해효소들은

두 개의 새로운 패밀리인

ADAMs(A Disintegrin And Metalloproteinases)와

ADAMTs (A Disintegrin And Metalloproteinases with Thrombospondin Motifs) [9].

억제성 프로 도메인과 아연 결합 촉매 도메인은

MMP의 핵심 특징이며,

이러한 도메인에 상응하는 구조는

시스테인 풍부 도메인,

표피 성장 인자(EGF) 유사 도메인,

제1형 트롬보스폰딘(TSP-1) 도메인을 가진

ADAM 및 ADAMT에서도 발견된다 [10].

이러한 도메인들은

ADAM의 핵심 기능이 막 단백질의 외막 도메인 분비에 있음을 시사하지만,

일부 ADAM은 ECM 기질도 분해할 수 있다.

가장 집중적으로 연구된 ADAM은

ADAM17으로,

이는 막 전구체로부터 용해성 형태의 종양괴사인자-α(TNF-α)의 방출을 촉진한다.

MMP에 대한 ADAM의 가장 중요한 생물학적 기능 연구와 달리,

ECM 분해를 위한 ADAM 활용에 대한 연구는 상대적으로 적습니다.

따라서 본 연구는

장기 섬유화 연구에서 MMP를 표적으로 활용한 실험적 증거에 초점을 맞춥니다.

Given that their catalytic activity is specific to conserved collagen-like peptides, MMPs have often been linked to fibrosis and cancer metastasis [11]. The roles of MMPs in fibrogenesis are linked to an imbalance between ECM secretion and MMP degradation [12,13]; in tumor metastasis, MMPs degrade cell–cell junctions, which promotes invasiveness into adjacent tissues [14,15]. Therefore, the regulation of ECM-degrading enzymes may be a rational therapeutic target in both fibrosis and tumor metastasis [16,17]. Although most studies have shown that disruption of the activity or expression‎ of MMPs reduced fibrosis, Giannandrea and Parks have listed the diverse treatment results for fibrosis in different types of MMPs [18]. Moreover, the contradictory roles of MMPs have been reported not only in the tumor microenvironment, but also in relation to the acquisition of properties for cancer growth and invasion [19]. Thus, cellular physiology or tissue homeostasis might change when targeting MMPs to treat organ fibrosis. For instance, MT1-MMP cleavage activates MMP2, thus maintaining its activity even in the presence of tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs) and causes ECM remodeling [20]. Moreover, activated MMPs enhance EMT in epithelial cells, resulting in transformation of the cell type [21,22].

Interestingly, the expression‎ of MMPs was elevated in the early stage of fibrosis, even before the accumulation of scar tissue, and they were reduced after the recovery stage [23]. It is believed that MMPs play an important role that could be inhibited to treat fibrosis. Notably, the results suggested a diverse therapeutic effect of MMP targeting. Here, we discuss the general and correlated functions of MMPs that might alter the treatment of fibrosis. Moreover, MMPs are also related to cancer, cardiovascular, and nervous system diseases. Based on the possible significance of MMPs for treating fibrosis, but also the uncertainty about their therapeutic potential, the possible mechanisms of action of MMPs are discussed in this review, and hypotheses are proposed about the roles of MMPs in fibrogenesis and its therapy.

MMP의 촉매 활성이 보존된 콜라겐 유사 펩타이드에 특이적이라는 점을 고려할 때,

MMP는 종종 섬유화와 암 전이와 연관되어 왔습니다[11].

섬유생성에서 MMP의 역할은

ECM 분비와 MMP 분해 사이의 불균형과 관련이 있다[12,13];

종양 전이에서는 MMP가

세포-세포 접합부를 분해하여 인접 조직으로의 침습성을 촉진한다[14,15].

따라서

ECM 분해 효소의 조절은

섬유증과 종양 전이 모두에서 합리적인 치료 표적이 될 수 있다[16,17] .

대부분의 연구에서 MMP의 활성 또는 발현 저해가 섬유화를 감소시킨다는 결과가 보고되었으나,

Giannandrea와 Parks는 다양한 MMP 유형에 따른 섬유화 치료 결과의 이질성을 제시하였다[18].

더욱이 MMP의 상반된 역할은

종양 미세환경뿐만 아니라 암의 성장 및 침습 특성의 획득과 관련하여도 보고되었다 [19].

따라서

장기 섬유증 치료를 위해 MMP를 표적화할 경우

세포 생리학이나 조직 항상성이 변화할 수 있다.

예를 들어, MT1-MMP의 절단은

MMP2를 활성화시켜 조직 금속단백질분해효소 억제제(TIMPs)가 존재하는 상황에서도

그 활성을 유지하게 하고,

결과적으로 ECM 재구성을 유발한다 [20].

또한 활성화된 MMP는

상피세포에서 상피-중간엽 전이(EMT)를 촉진하여

세포 유형의 변형을 초래한다 [21,22].

흥미롭게도,

MMP 발현은 흉터 조직 축적 이전인 섬유화 초기 단계에서 증가했으며,

회복 단계 이후에는 감소하였다[23].

MMP는

섬유화 치료를 위해 억제될 수 있는 중요한 역할을 하는 것으로 여겨진다.

특히, 이 결과는 MMP 표적화의 다양한 치료 효과를 시사한다.

본고에서는

섬유화 치료를 변화시킬 수 있는 MMP의 일반적 및 상호 연관된 기능에 대해 논의한다.

또한 MMP는 암, 심혈관 및 신경계 질환과도 관련이 있습니다.

섬유화 치료에 대한 MMP의 잠재적 중요성과

동시에 치료 가능성에 대한 불확실성을 바탕으로,

본 리뷰에서는 MMP의 가능한 작용 기전을 논의하고

섬유화 발생 및 그 치료에서 MMP의 역할에 대한 가설을 제시합니다.

2. General Functions and Regulation of MMPs

The endopeptidase activity of MMPs is derived from their catalytic domain, which is inhibited by the pro-domain (consisting of the conserved amino acid sequence PRCGXPD) [24]. Thus, the general MMP is secreted in a latent form and located depending on its domain-property; as such, the transmembrane domain-containing MT-MMPs act as membrane proteins. Some MMPs are not secreted and instead perform different functions in the cytoplasm. For example, as a regulator of cellular communication network factor 2 or connective tissue growth factor (CCN2/CTGF), MMP-3 plays a role in the nucleus, which is due to its attenuated signal peptide at the N-terminus [25]. Moreover, MMP-2 has been shown to be present in the cytosol of cardiomyocytes, due to its cleavage by troponin I, during ischemia–reperfusion injury [26,27]. However, the Human Genome Project revealed that the real gene numbers are far fewer than those that are predicted [28], which suggests that some protein-coding genes, including MMPs, may have more undiscovered functions.

2. MMP의 일반적 기능 및 조절

MMP의 엔도펩티다아제 활성은

촉매 도메인에서 비롯되며,

이는 프로도메인(보존된 아미노산 서열 PRCGXPD로 구성)에 의해 억제됩니다[24].

따라서 일반적인 MMP는

잠재적 형태로 분비되며 도메인 특성에 따라 위치합니다.

즉, 막횡단 도메인을 포함하는 MT-MMP는 막 단백질로 작용합니다.

일부 MMP는 분비되지 않고 세포질 내에서 다양한 기능을 수행한다.

예를 들어,

세포 통신 네트워크 인자 2 또는 결합 조직 성장 인자 (CCN2/CTGF)의 조절인자로서,

MMP-3는 N-말단의 신호 펩타이드가 약화된 덕분에 핵에서 역할을 수행한다 [25].

또한, MMP-2는

허혈-재관류 손상 동안 트로포닌 I에 의해 절단되기 때문에

심근세포의 세포질에 존재하는 것으로 밝혀졌다 [26,27] .

그러나

인간 게놈 프로젝트는

실제 유전자 수가 예측된 것보다 훨씬 적다는 사실을 밝혀냈으며[28],

이는 MMP를 포함한 일부 단백질 코딩 유전자들이

아직 발견되지 않은 기능을 더 많이 가질 수 있음을 시사한다.

2.1. The ECM Digestion Processes of MMPs

All MMPs catalyze the breaking of peptide bonds via their Zn2+-containing domain. Some of them, such as MMP-2 and MMP-9, contain a fibronectin-like region for more inseparable binding to their substrate [29,30]. The digestion process of MMP-3 was described by Pelmenschikov et al. [31,32]. Except for the catalytic domain, members of the MMP family have some motifs such as the N-terminal signal peptide that confer the optional secretory property of MMPs [33]. The hinge region contains a proline-rich region and cooperates with the hemopexin-like C-terminal domain that consists of a four-bladed β-propeller structure. This interacts with TIMP-1 and inhibits the activity of pro-MMP-9 and cell migration [34,35]. Furthermore, the hinge and hemopexin-like region form a proline zipper-like structure to unwind the triple helix of collagen [36,37] because the substrate-binding site is too narrow (about 5 Å) from the triple-helix-typed structure of collagen [38]. It is now clear that MMPs are very effective in catalyzing specific substrates like collagen and gelatin.

2.1. MMP의 ECM 분해 과정

모든 MMP는

Zn2+ 함유 도메인을 통해

펩타이드 결합 분해를 촉매한다.

MMP-2 및 MMP-9와 같은 일부 MMP는 기질과의 결합력을 강화하기 위해 피브로넥틴 유사 영역을 포함한다 [29,30]. MMP-3의 분해 과정은 Pelmenschikov 등이 기술하였다[31,32]. 촉매 도메인을 제외하고, MMP 계열의 구성원들은 MMP의 선택적 분비 특성을 부여하는 N-말단 신호 펩타이드와 같은 몇 가지 모티프를 가지고 있다[33]. 힌지 영역은 프롤린 풍부 영역을 포함하며, 4중 날개 β-프로펠러 구조로 구성된 헤모펙신 유사 C-말단 도메인과 협력한다. 이는 TIMP-1과 상호작용하여 프로-MMP-9의 활성과 세포 이동을 억제한다 [34,35]. 또한, 힌지 및 헤모펙신 유사 영역은 콜라겐의 삼중 나선 구조를 풀기 위해 프롤린 지퍼 유사 구조를 형성한다[36,37]. 이는 기질 결합 부위가 콜라겐의 삼중 나선형 구조에 비해 너무 좁기 때문이다(약 5 Å)[38]. 현재 MMP가 콜라겐 및 젤라틴과 같은 특정 기질을 촉매하는 데 매우 효과적이라는 것이 밝혀졌다.

2.2. The Regulation of MMPs Corresponding to Physiological Processes

MMPs play major roles in cell development and migration because of their ECM-degrading activity, which is controlled by triggers such as growth factors or cytokines acting on cis-elements, including activator protein 1 (AP-1) and polyoma enhancer activator 3 (PEA3) at the promoter upstream [39]. For the wound-healing response, keratinocyte migration, angiogenesis, and contraction are correlated with MMP-13; thus, MMP-13 knockout mice exhibit impaired wound-healing response [40]. In skin diseases, epidermal growth factor (EGF)-induced MMP-1 expression‎ in skin fibroblasts has been shown to be related to the deregulation of matrix metabolism [41]. Furthermore, studies have revealed that matrix stiffness regulates MMP-9 and TIMP-1 to perpetuate fibrosis in hepatic stellate cells, which play a pivotal role in fibrosis [42]. This suggests the intimate relationship between MMPs and fibrosis.

The enzyme activity of MMPs is regulated by a “cysteine switch” to restrict the contact between Zn2+ and H2O molecules [43]. Moreover, when the sulfide bond is broken or proteolytic cleavage occurs at the bait region, the catalytic domain is exposed and activated [44]. A well-known model of regulation is the binding of the catalytic domain by TIMPs [45]; the inhibitory process involves the 1:1 binding of MMP/TIMP on cell surfaces of cutaneous keratinocytes or fibroblasts [46]. Thus, regulation of the expression‎ of either MMPs or TIMPs is essential for maintaining ECM balance.

2.2. 생리적 과정에 따른 MMPs의 조절

MMPs는 세포 발달 및 이동에 주요 역할을 수행하는데, 이는 성장 인자나 사이토카인과 같은 유발 인자가 프로모터 상류의 활성화 단백질 1(AP-1) 및 폴리오마 증강 활성화 인자 3(PEA3)을 포함한 시스-요소에 작용하여 조절되는 ECM 분해 활성 때문입니다 [39]. 상처 치유 반응의 경우, 각질 세포 이동, 혈관 신생 및 수축은 MMP-13과 상관관계가 있으며, 따라서 MMP-13 녹아웃 마우스는 상처 치유 반응이 저하된 모습을 보입니다 [40]. 피부 질환에서는, 표피 성장 인자(EGF)에 의해 피부 섬유아세포에서 유도된 MMP-1 발현이 기질 대사의 조절 장애와 관련이 있는 것으로 나타났습니다 [41]. 또한 연구에 따르면, 기질 강성은 섬유화에 핵심적인 역할을 하는 간성상세포에서 MMP-9 및 TIMP-1을 조절하여 섬유화를 지속시키는 것으로 밝혀졌습니다 [42]. 이는 MMP와 섬유화 사이의 긴밀한 관계를 시사합니다.

MMP의 효소 활성은 Zn2+와 H2O 분자 간의 접촉을 제한하는 “시스테인 스위치”에 의해 조절됩니다 [43] . 또한, 황화 결합이 끊어지거나 미끼 영역에서 단백질 분해적 절단이 발생하면 촉매 도메인이 노출되어 활성화된다[44]. 잘 알려진 조절 모델은 TIMPs에 의한 촉매 도메인 결합이다[45]; 이 억제 과정은 피부 각질 세포나 섬유아세포의 세포 표면에서 MMP/TIMP의 1:1 결합을 포함한다[46]. 따라서 MMP 또는 TIMP의 발현 조절은 ECM 균형 유지에 필수적이다.

2.3. The Connection of Expression‎ Profile and Organs

The functions of MMPs depend markedly on their localization. Since different physiological functions of various systems may need different types of MMPs, they exhibit diverse expression‎ ratios in different organs. Thus, we compared the RPKM (reads per kilobase per million mapped reads) of 21 MMPs (MMP-1, 2, 3, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 24, 25, 26, 27) in 16 human tissues from 19 biosamples of Expression‎ Atlas by Illumina bodyMap2 in NCBI GENE (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene). The RPKM represents the transcript reads in the same gene length arranged by their total expression‎ rate (see Figure 1). Notably, four of 16 organs (heart, liver, lung, and kidney) are likely to suffer from fibrosis, in which 25.64% of all MMPs are expressed (Figure 1B). Furthermore, in fibrotic organs, MMP-2, MMP-14, MMP-7, MMP-24, MMP-15, MMP-19, and MMP-9 constitute more than 90% of total MMP expression‎, which are reported to be key regulators of tissue fibrosis [47,48,49,50,51]. As shown in Figure 1C, MMP-2 is a pivotal MMP enzyme, except for in the brain, liver, kidney, and white blood cell (WBC). Thus, targeting these major MMPs might be harmful in other organs away from the fibrosis tissue. In mouse MMP mutant strains, there are subtle differences in the phenotypes depending on the particular mutated MMP, including reduced body size [52], obesity [53], reduced hepatic fibrosis [48], delayed mammary tumorigenesis [54], and bone development defects [55]. Based on this, members of the MMP family show good compensation for deficits of other members, except that MMP-14 alone (MT1-MMP) mutant mice show lethality and die by 3–12 weeks of age [56]. Consistent with this, our data as presented in Figure 1 showed that MMP-14 was expressed in almost all listed organs, which might explain the lethality of its mutation.

2.3. 발현 프로파일과 장기 간의 연관성

MMP의 기능은 그 국소화에 크게 의존한다. 다양한 시스템의 서로 다른 생리적 기능에는 서로 다른 유형의 MMP가 필요할 수 있으므로, 장기별로 발현 비율이 다양하게 나타난다. 따라서 우리는 일루미나 바디맵2(bodyMap2)의 익스프레션 아틀라스(Expression‎ Atlas)에서 19개 생체 시료의 16개 인간 조직에서 21개 MMP(MMP-1, 2, 3, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 24, 25, 26, 27)의 RPKM(reads per kilobase per million mapped reads)을 NCBI GENE(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene)의 일루미나 bodyMap2 기반 Expression‎ Atlas에서 19개 생체 시료의 16개 인간 조직에서 비교했습니다. RPKM은 동일한 유전자 길이의 전사체 리드를 총 발현률 순으로 정렬한 값을 나타냅니다(그림 1 참조). 특히 16개 장기 중 4개(심장, 간, 폐, 신장)는 섬유화를 겪을 가능성이 높으며, 이 부위에서 전체 MMP의 25.64%가 발현됩니다(그림 1B). 또한 섬유화 장기에서는 MMP-2, MMP-14, MMP-7, MMP-24, MMP-15, MMP-19, MMP-9가 전체 MMP 발현량의 90% 이상을 차지하며, 이들은 조직 섬유화의 핵심 조절인자로 보고되었습니다[47,48,49,50,51]. 그림 1C에서 보듯이, MMP-2는 뇌, 간, 신장 및 백혈구(WBC)를 제외한 모든 기관에서 핵심 MMP 효소입니다 (WBC)를 제외한 다른 장기에서는 섬유화 조직 외부의 주요 MMP를 표적화하는 것이 해로울 수 있다. 생쥐 MMP 돌연변이 균주에서는 특정 돌연변이 MMP에 따라 체중 감소[52], 비만[53], 간 섬유화 감소[48], 유방 종양 발생 지연[54], 골 발달 결함[ [55]. 이를 바탕으로 MMP 계열 구성원들은 다른 구성원의 결핍을 잘 보상하는 것으로 나타났으나, MMP-14(MT1-MMP) 단독 돌연변이 마우스만은 치사성을 보이며 생후 3~12주 이내에 사망한다[56]. 이와 일치하게, 그림 1에 제시된 본 연구 데이터는 MMP-14가 거의 모든 열거된 장기에서 발현됨을 보여주었으며, 이는 해당 돌연변이의 치사성을 설명할 수 있다.

Figure 1.

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Expression‎ of 20 types of matrix metalloproteinases (MMPs) (MMP-1, MMP-2, MMP-3, MMP-7, MMP-8, MMP-9, MMP-10, MMP-11, MMP-12, MMP-13, MMP-14, MMP-15, MMP-16, MMP-17, MMP-19, MMP-20, MMP-21, MMP-24, MMP-25, and MMP-27) in 16 human organs (adipose, adrenal, brain, breast, colon, heart, kidney, liver, lung, lymph node, ovary, prostate, skeletal muscle, testes, thyroid, and white blood cells). The reads per kilobase per million mapped reads (RPKM) value compares the gene expression‎ with the sample sequencing depth and gene length. (A) The expression‎ ratio of different MMP types in human organs. (B) The distribution ratio of (B) all MMPs and (C) seven major MMPs in 16 organs.

그림 1.

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20종 매트릭스 메탈로프로테이나제(MMP)의 발현 (MMP-1, MMP-2, MMP-3, MMP-7, MMP-8, MMP-9, MMP-10, MMP-11, MMP-12, MMP-13, MMP-14, MMP-15, MMP-16, MMP-17, MMP-19, MMP-20, MMP-21, MMP-24, MMP-25, MMP-27)의 발현을 16개 인체 장기(지방, 부신, 뇌, 유방, 대장, 심장, 신장, 간, 폐, 림프절, 난소, 전립선, 골격근, 고환, 갑상선, 백혈구)에서 분석하였다. 매핑된 리드 백만 개당 킬로베이스당 리드 수(RPKM) 값은 유전자 발현을 시료 시퀀싱 깊이와 유전자 길이와 비교합니다. (A) 인간 장기에서 다양한 MMP 유형의 발현 비율. (B) 16개 장기에서 (B) 모든 MMP 및 (C) 7가지 주요 MMP의 분포 비율.

3. The Role of ECM Degradation in Fibrosis Treatment

Fibrosis is a disease associated with an abnormal wound-healing response in tissues such as the skin, liver, lung, kidney, and heart. To protect the site of injury and prevent infection, fibroblasts or circulating fibrocytes migrate and proliferate to secrete ECM as well as form scar tissue. The fibroblasts are activated and transdifferentiate into myofibroblasts, resulting in excessive ECM secretion. In a normal state, these myofibroblasts undergo apoptosis once the injured tissue is repaired. However, if the regulation of myofibroblast apoptosis and ECM degradation is impaired, tissue fibrosis and damage can occur. However, the key mechanisms behind this, such as the inflammatory response, elevated cytokines, and changes in the microenvironment, are still unclear.

Given that MMPs are known to function in the degradation of ECM, it was considered that they may have potential for treating fibrosis. Specific components of the ECM, such as collagens (I, III, V, and VII), fibronectin, elastin, and proteoglycans, are present at increased levels during fibrogenesis [57]. Therefore, MMPs are upregulated in the early and late stages of fibrosis in response to ECM accumulation and correlate with the fibrotic process [58].

3. 섬유증 치료에서 ECM 분해의 역할

섬유증은 피부, 간, 폐, 신장, 심장 등의 조직에서 비정상적인 상처 치유 반응과 관련된 질환입니다. 손상 부위를 보호하고 감염을 예방하기 위해 섬유아세포 또는 순환 섬유세포가 이동 및 증식하여 ECM을 분비하고 흉터 조직을 형성합니다. 섬유아세포는 활성화되어 근섬유아세포로 전분화되며, 이로 인해 과도한 ECM 분비가 발생한다. 정상 상태에서는 손상된 조직이 회복되면 이러한 근섬유아세포가 사멸한다. 그러나 근섬유아세포 사멸 및 ECM 분해 조절이 손상되면 조직 섬유화와 손상이 발생할 수 있다. 그러나 염증 반응, 사이토카인 증가, 미세환경 변화 등 그 배후의 핵심 기전은 아직 명확하지 않다.

MMP가 ECM 분해에 관여하는 것으로 알려져 있기에, 섬유증 치료에 잠재적 가능성이 있을 것으로 여겨졌다. 콜라겐(I, III, V, VII형), 피브로넥틴, 엘라스틴, 프로테오글리칸 등 ECM의 특정 구성 성분들은 섬유화 과정에서 증가된 수준으로 존재한다[57]. 따라서 MMP는 ECM 축적에 반응하여 섬유화의 초기 및 후기 단계에서 상향 조절되며, 섬유화 과정과 상관관계를 보인다[58].

3.1. Rationale for MMPs in Digesting Fibers

For digesting excessive ECM and replacing fibrosing foci with normal tissue, numerous lines of evidence have revealed that MMPs such as MMP-2 and MMP-9 increase their expression‎ to achieve wound healing in the recovery stage [59,60], at a stage generally called re-epithelialization [61]. Some researchers have considered that fibrosis might originate from the failure of re-epithelialization, with MMPs and their functions potentially playing important roles in the Drosophila basement membrane remodeling [62]. Particularly, expression‎ of the MMP-1 gene is known to be remarkably increased in fibroblasts in hepatic fibrosis, but not in those with liver cirrhosis [63]. It has been noticed that MMP-7 activity is measured from the serum of children with cystic fibrosis [64]. Moreover, up to a 7–12-fold increase in MMP-2 gene expression‎ was found in in CCl4-induced liver fibrosis rats, whereas the 65 kDa active form of MMP-2 was enhanced 13–28-fold in comparison to that in the control group, as revealed by a zonography assay [65]. These results proved that MMPs are directly and indirectly correlated to fibrosis, but the actual roles that they play in fibrogenesis remain unknown.

3.1. 섬유 분해에서의 MMPs 활용 근거

과잉 ECM을 분해하고 섬유화 병소를 정상 조직으로 대체하기 위해, MMP-2 및 MMP-9와 같은 MMPs가 회복 단계에서 상처 치유를 달성하기 위해 발현을 증가시킨다는 수많은 증거가 밝혀졌습니다[59,60]. 이 단계는 일반적으로 재상피화(re-epithelialization)라고 불립니다 [61]. 일부 연구자들은 섬유화가 재상피화 실패에서 비롯될 수 있다고 간주하며, MMP와 그 기능이 초파리 기저막 재형성에 중요한 역할을 할 가능성이 있다고 보고했다[62]. 특히, MMP-1 유전자 발현은 간 섬유화에서 섬유아세포에서 현저히 증가하는 것으로 알려져 있으나, 간경변에서는 그렇지 않다[63] . 낭포성 섬유증 아동의 혈청에서 MMP-7 활성이 측정된다는 점이 관찰되었다[64]. 또한 CCl4로 유발된 간 섬유증 쥐에서 MMP-2 유전자 발현이 최대 7~12배 증가한 반면, 조노그래피 분석을 통해 확인된 65kDa 활성형 MMP-2는 대조군 대비 13~28배 증가한 것으로 나타났다[65]. 이러한 결과는 MMP가 섬유화와 직간접적으로 연관됨을 입증했으나, 섬유형성에서 실제 수행하는 역할은 여전히 불분명하다.

3.2. Therapeutic Potential of MMP Inhibition but Not Activation

To determine whether MMPs play key roles, the specific knockout of genes is beneficial. As a result of such a knockout, the relationships of MMPs with fibrotic diseases in the lung, skin, and kidney have started to be revealed [66,67,68]. For instance, unilateral ureteral obstruction (UUO)-induced kidney fibrosis in MMP-9 KO mice showed significantly lesser interstitial fibrosis than in wild type mice [69]. Moreover, in the 2000s, researchers started to identify the correlation of MMP/TIMP ratio and tissue remodeling [70,71], and also eval‎uated the therapeutic potential of each type of MMP [72]. However, almost all MMPs have highly overlapping substrates and shared functions, as described above, so the knockout of one specific MMP gene may not successfully result in loss of function. In this context, the use of tetracycline-like antibiotics, which inhibit MMPs, were previously approved for treating infection [73]. Compared with healthy human samples, in a patient with idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), MMP-3, MMP-9, and TIMP-1 showed decreased levels in bronchoalveolar lavage fluid (BALF), but the forced vital capacity and six-minute walking distance showed no differences [74]. Although more studies have been performed in the liver and lung than in the kidney or other organs, it was concluded that the results are often diverse for each MMP type and also differ from the animal model in the systemic analysis by Giannandrea and Parks in 2014 [18]. For example, MMP-12 has both anti- and pro-fibrotic effects in pulmonary fibrosis [75,76], and also does not affect the genetic loss of MMP-9 in rodent models [77]. Rather than diminishing fibrotic scarring, MMPs were also surprisingly shown to enhance fibrogenesis more often than improve it [78]. Surprisingly, MMPs display pro-fibrotic activity in most cases, so the use of MMP inhibitors might have potential for treating fibrosis.

In the literature, findings from studies on activation or knockout animals have indicated the importance of MMPs in the development of fibrosis [78]. However, the anti-fibrotic effects of MMPs in the lungs vary from those in organs including the liver, heart, and kidney [18]. In Table 1, we present the MMP inhibitors that have been shown to be effective in fibrosis animal models, including those with lung, liver, and myocardial fibrosis. In general, broad-spectrum MMP inhibitors are effective in all three organs. According to fewer reports on selective inhibitors, their development by pharmaceutical companies might only have been reported in patents. Moreover, some studies are not shown in Table 1 since they only involved using cell models for mechanistic analyses or for treatments having potential only at the acute injury phase [79,80]. Nevertheless, the drugs shown to have potential by animal studies still need to be tested in preclinical studies before being applied to patients.

3.2. MMP 활성화가 아닌 억제의 치료적 잠재력

MMP가 핵심 역할을 하는지 확인하기 위해서는 유전자 특이적 녹아웃이 유용하다. 이러한 녹아웃 연구 결과, 폐, 피부, 신장에서 MMP와 섬유화 질환의 연관성이 밝혀지기 시작했다 [66,67,68]. 예를 들어, MMP-9 KO 마우스에서 일측 요관 폐쇄(UUO)로 유발된 신장 섬유화는 야생형 마우스에 비해 간질 섬유화가 현저히 적게 나타났다[69]. 또한 2000년대 들어 연구자들은 MMP/TIMP 비율과 조직 재형성의 상관관계를 규명하기 시작했으며[70,71], 각 MMP 유형의 치료 가능성도 평가하였다[72]. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 거의 모든 MMP는 기질과 기능이 크게 중복되므로 특정 MMP 유전자 하나를 제거한다고 해서 기능 상실이 성공적으로 이루어지지는 않을 수 있다. 이러한 맥락에서, MMP를 억제하는 테트라사이클린 계열 항생제의 사용은 감염 치료 목적으로 이전에 승인된 바 있다[73]. 특발성 폐섬유증(IPF) 환자의 경우, 건강한 인간 샘플과 비교했을 때 MMP-3, MMP-9, 및 TIMP-1 수치가 감소한 것으로 나타났으나, 강제활량(FVC)과 6분 보행 거리(6MWD)에는 차이가 없었습니다 [74]. 신장이나 다른 장기보다 간과 폐에서 더 많은 연구가 수행되었지만, 2014년 Giannandrea와 Parks의 체계적 분석에 따르면 각 MMP 유형별로 결과가 종종 다양하며 동물 모델과도 차이가 있다고 결론지었습니다 [18]. 예를 들어, MMP-12는 폐섬유증에서 항섬유화와 섬유화 촉진 효과를 모두 가지며 [75,76], 설치류 모델에서 MMP-9 유전자 결손에도 영향을 미치지 않습니다 [18]. [18]. 예를 들어, MMP-12는 폐섬유증에서 항섬유화 및 섬유화 촉진 효과를 모두 나타내며[75,76], 설치류 모델에서 MMP-9의 유전적 결손에도 영향을 미치지 않는다[77]. 섬유성 흉터를 감소시키기보다는, MMP가 오히려 섬유화를 개선하기보다 증진시키는 경우가 더 많다는 놀라운 사실도 밝혀졌다[78]. 놀랍게도 MMP는 대부분의 경우 섬유화를 촉진하는 활성을 보이기 때문에, MMP 억제제 사용이 섬유증 치료에 잠재력을 가질 수 있다.

문헌에 따르면, 활성화 또는 녹아웃 동물 연구 결과는 섬유증 발생에서 MMP의 중요성을 시사한다[78]. 그러나 폐에서의 MMP 항섬유화 효과는 간, 심장, 신장 등 다른 장기와는 차이가 있다[18]. 표 1에서는 폐, 간, 심근 섬유증을 포함한 동물 모델에서 효과가 입증된 MMP 억제제들을 제시한다. 일반적으로 광범위 MMP 억제제는 세 기관 모두에서 효과적이다. 선택적 억제제에 대한 보고는 상대적으로 적으며, 제약사들의 개발 현황은 특허 출원을 통해서만 확인될 수 있다. 또한 일부 연구는 기전 분석을 위한 세포 모델 사용이나 급성 손상 단계에서만 잠재적 치료 효과를 보인 경우[79,80]로 표 1에 포함되지 않았다. 그럼에도 동물 연구에서 잠재력을 보인 약물들은 환자에게 적용되기 전에 전임상 연구를 거쳐야 합니다.

Table 1.

Experimental evidence of effective MMP inhibitors against fibrosis in animal models including of lung, liver, and myocardial fibrosis.

Compound NameDescriptionEffectsCAS NumberRefs

Batimastat	A broad-spectrum MMP inhibitor	Inhibit pulmonary fibrosis	130370-60-4	[81]
CL 82198 hydrochloride	A selective inhibitor of MMP-13	Blocks liver fibrosis	307002-71-7	[82]
CP 471474	An MMP inhibitor	Inhibit collagen in myocardial fibrosis	210755-45-6	[83]
Doxycycline Hyclate	An antimicrobial tetracycline that acts as an inhibitor of MMP-1, MMP-8 and MMP-9	Attenuated pulmonary/myocardial fibrosis	24390-14-5	[84,85] [74]
		Reduced parameters in IPF patients
GM 6001	A cell permeable MMP and fibroblast collagenase inhibitor	Reduced pulmonary inflammation and fibrosis	142880-36-2	[86]
Marimastat	A broad-spectrum MMP inhibitor and selective TACE inhibitor	Aggravates liver fibrosis	154039-60-8	[87,88]
PD166793	A potent MMP-2, MMP-3, and MMP-13 inhibitor	Retardation of age-associated arterial fibrosis	199850-67-4	[89] [90]
		Reduced myocardial fibrosis
Thiorphan (DL)	An enkephalinase and metalloproteinase inhibitor	Reduced myocardial fibrosis	76721-89-6	[80]

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4. More Functions of MMPs

Although substantial studies have revealed the functions and physiological roles of almost all MMPs, it appears that many proteins that interact with MMPs have yet to be discovered. A major clinical use of MMPs is to prevent cancer metastasis. However, studies have also utilized MMPs as targets in different body systems, including the immune, cardiovascular, and central nervous systems. Therefore, the unexpected results for fibrosis treatment may be because these additional targets also interact in fibrogenesis, such as in immunity and cell growth, and transduce messages [91,92].

4. MMP의 추가 기능

비록 상당한 연구를 통해 거의 모든 MMP의 기능과 생리적 역할이 밝혀졌지만, MMP와 상호작용하는 많은 단백질들은 아직 발견되지 않은 것으로 보인다. MMP의 주요 임상적 용도는 암 전이를 방지하는 것이다. 그러나 연구에서는 면역, 심혈관, 중추신경계 등 다양한 신체 시스템에서 표적으로 활용해 왔다. 따라서 섬유화 치료에 대한 예상치 못한 결과는 면역 및 세포 성장과 같은 섬유화 발생 과정에서도 상호작용하며 신호를 전달하는 이러한 추가 표적들 때문일 수 있다 [91,92].

4.1. Promotion of Cancer Invasiveness

The process of tumor cell spread from the primary site into other normal tissue, referred to as metastasis, occurs in invasive cancer via movement through the bloodstream. The surrounding tissue border and the vessel walls have to split, and typically MMPs secreted on the cell surface break the basal membrane, allowing escape into the blood flow [93,94]. Further studies showed that when the space and nutrient support is no longer sufficient for tumor growth, MMPs indirectly promote invasiveness [95].

4.1. 암 침습성 촉진

전이(metastasis)라 불리는 종양 세포가 원발 부위에서 다른 정상 조직으로 퍼지는 과정은 침습성 암에서 혈류를 통해 이동함으로써 발생한다. 주변 조직 경계와 혈관벽이 분열되어야 하며, 일반적으로 세포 표면에 분비된 MMP가 기저막을 파괴하여 혈류로 탈출할 수 있게 합니다[93,94]. 추가 연구에 따르면 종양 성장에 필요한 공간과 영양 공급이 더 이상 충분하지 않을 때 MMP가 간접적으로 침습성을 촉진하는 것으로 나타났습니다[95].

4.2. Macrophage Degradation of the Basal Membrane

Macrophages play important roles in the immune system via their ability to perform phagocytosis and amoeboid movement toward wound tissue that has become infected. The activation of macrophages leads them to secrete MMPs, which is required for degradation of the ECM of the basement membrane, followed by migration into injured tissues [96,97] and the engulfment of pathogens. Macrophages from MMP-12 deficient mice exhibit abrogated migration ability [98]. In experimental studies, it was shown that the MMP-2 and MMP-9 inhibitors ARP100 and AG-L-66085 significantly reduced migration via different mechanisms: ARP100 inhibited MMP-2 and subsequent transforming growth factor β1 (TGF-β1) secretion, whereas AG-L-66085 diminished the angiogenesis response by reducing vascular epithelial growth factor (VEGF) in a retinoblastoma model [99]. A clinical trial for recurrent glioblastoma is going to test the combination of monoclonal antibody of MMP-9 combined with bevacizumab (NCT03631836); however, the concept of blocking MMP-9 is related to tumor vascularization but not to its ECM-degrading role [100].

4.2. 기저막의 대식세포 분해

대식세포는 식균작용 수행 능력과 감염된 상처 조직을 향한 아메보이드 운동을 통해 면역 체계에서 중요한 역할을 합니다. 대식세포의 활성화는 기저막의 ECM 분해에 필요한 MMP 분비를 유도하며, 이는 손상된 조직으로의 이동[96,97] 및 병원체 포식을 뒤따릅니다. MMP-12 결핍 마우스의 대식세포는 이동 능력이 상실됩니다 [98]. 실험 연구에서 MMP-2 및 MMP-9 억제제인 ARP100과 AG-L-66085가 서로 다른 기전을 통해 이동을 현저히 감소시키는 것으로 나타났습니다: ARP100은 MMP-2와 후속 변형 성장 인자 β1(TGF-β1) 분비를 억제하는 반면, AG-L-66085는 혈관 상피 성장 인자 (VEGF)를 감소시킴으로써 혈관신생 반응을 억제하였다[99]. 재발성 교모세포종에 대한 임상시험에서는 MMP-9 단일클론항체와 베바시주맙의 병용요법을 시험할 예정이다(NCT03631836); 그러나 MMP-9 차단 개념은 종양 혈관신생과 관련이 있으나, ECM 분해 역할과는 무관하다 [100].

4.3. MMPs Treat Stroke or Cardiovascular Diseases

MMPs also have the potential to treat diseases such as stroke, cardiovascular diseases, and arthritis [25,101,102,103]. In leukocytes, MMP-2 expression‎ is positively correlated with the formation of sclerotic plaques, but the mechanism behind this are still unknown [104]. The above diseases are not related to degradation of the ECM, but functional components could be involved, such as NF-κB and hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) [105,106]. An increasing number of additional catalytic targets of MMPs in various tissue types have also been found recently [107].

4.3. MMPs가 뇌졸중 또는 심혈관 질환 치료에 활용

MMPs는 뇌졸중, 심혈관 질환, 관절염과 같은 질환 치료에도 잠재력을 지닙니다 [25,101,102,103]. 백혈구에서 MMP-2 발현은 경화성 플라크 형성과 양의 상관관계를 보이나, 그 기전은 아직 알려지지 않았습니다 [104]. 상기 질환들은 ECM 분해와 직접적 관련은 없으나, NF-κB 및 저산소증 유도 인자 1α(HIF-1α)와 같은 기능적 구성요소가 관여할 수 있다 [105,106]. 최근 다양한 조직 유형에서 MMP의 추가적인 촉매 표적들이 점점 더 많이 발견되고 있다 [107].

4.4. Central Nervous System (CNS) and the Microenvironment

Obstruction of the breakdown of extracellular constituents can cause CNS disease such as multiple sclerosis (MS); several types of MMPs are reported to be involved in MS [108]. In a Theiler’s murine encephalomyelitis (TME)-induced MS disease model, MMP-12 was shown to play a pivotal role in the development of astrogliosis and demyelination [109]. These processes are similar to fibrosis, including a collagenous region and focal proliferation in brain tissue. MMP-12 was also shown to reduce activated microglia and reactive macrophages, influencing the M1/M2 balance in virus-infected mice [110]. The therapeutic mechanisms include the macrophage-mediated proteolysis and matrix invasion and the basement membrane penetration potential of macrophages [111].

Recently, it is reported that MMPs regulate the microenvironment via the shedding of the exosome [112]. The exosome is a small releasing vesicle (30–100 nm in diameter), the trafficking of which enables communication with other cells and the movement of cargo such as proteins, cytokines, and miRNAs [113]. It is closely related to the physiological and regulatory mechanisms of the exosome; thus, MMP shedding for appropriate release plays a role in mediating their functions. As such, adipocyte-derived exosomes of the liver were shown to induce TGF-β signaling in hepatocytes, leading to the initiation of fibrosis [114]. Moreover, exosomes containing MT1-MMP activated pro-MMP-2 and caused the subsequent degradation of type 1 collagen and gelatin in the fibroblast-like cell line COS-1 [115]. Furthermore, the enzymatic activity of MMP-2 is involved in exosome trafficking from fibroblasts to endothelial cells and facilitates the breakdown of ECM in an MMP-14-dependent manner [116].

4.4. 중추신경계(CNS)와 미세환경

세포외 구성 성분의 분해 장애는 다발성 경화증(MS)과 같은 중추신경계 질환을 유발할 수 있으며, 여러 유형의 MMP가 MS에 관여하는 것으로 보고되었다[108] . 테일러 마우스 뇌척수염(TME) 유도 MS 모델에서 MMP-12는 성상세포증식 및 탈수초화 발달에 핵심적인 역할을 하는 것으로 나타났다[109]. 이러한 과정은 콜라겐 영역 및 뇌 조직의 국소적 증식을 포함하는 섬유화와 유사하다. MMP-12는 또한 바이러스 감염 마우스에서 활성화된 미세아교세포와 반응성 대식세포를 감소시켜 M1/M2 균형에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다[110]. 치료 기전에는 대식세포 매개 단백질 분해 및 기질 침투, 대식세포의 기저막 투과 잠재력이 포함됩니다 [111].

최근 보고에 따르면 MMP는 엑소좀 분비를 통해 미세환경을 조절한다[112]. 엑소좀은 직경 30~100nm의 소형 방출 소포체로, 이들의 이동은 다른 세포와의 통신 및 단백질, 사이토카인, miRNA 등의 화물 이동을 가능하게 한다[113]. 이는 엑소좀의 생리적 및 조절 기전과 밀접하게 연관되어 있으며, 따라서 적절한 방출을 위한 MMP 분비는 그 기능 매개에 역할을 한다. 이와 같이, 간 지방세포 유래 엑소좀은 간세포에서 TGF-β 신호전달을 유도하여 섬유화 발현을 초래하는 것으로 나타났다 [114]. 또한 MT1-MMP를 함유한 엑소좀은 프로-MMP-2를 활성화시켜 섬유모세포 유사 세포주 COS-1에서 제1형 콜라겐과 젤라틴의 후속 분해를 유발하였다[115]. 더불어 MMP-2의 효소 활성은 섬유모세포에서 내피세포로의 엑소좀 수송에 관여하며, MMP-14 의존적 방식으로 ECM 분해를 촉진한다[116].

5. Possible Participating Role of MMPs in Fibrosis

In terms of the possible mechanisms of MMP involvement in fibrosis, the first candidate is the inflammatory response after injury [117,118], which was utilized as one of the clinical drugs for treating lung and liver fibrosis [119,120]. Anti-inflammatory therapy has been proven to have potential in animal models; however, in a clinical trial, treatment with steroids such as prednisolone in patients with pulmonary fibrosis resulted in unfavorable outcomes and increased hospitalization events [121]. Some researchers have been shifting their focus away from immunology and fibrosis, but the pathological relationship remains [122]. Notably, the correlation between fibrosis and MMPs in macrophages and neutrophils [123], such as MMP-1, MMP3, MMP-7, MMP-9, MMP-13, and MMP-19, was shown to be increased in BALF. These infiltrated macrophages and neutrophils refer to the inflammatory response and are essential in pulmonary fibrosis [50,71,124,125,126,127].

5. 섬유증에서 MMP의 가능한 참여 역할

섬유증에 MMP가 관여하는 가능한 메커니즘 측면에서 첫 번째 후보는 손상 후 염증 반응[117,118]으로, 이는 폐 및 간 섬유증 치료를 위한 임상 약물 중 하나로 활용되었다[119,120]. 항염증 치료는 동물 모델에서 잠재력을 입증했으나, 임상 시험에서 프레드니솔론과 같은 스테로이드로 폐섬유증 환자를 치료했을 때 불리한 결과와 입원 사건 증가가 발생했습니다[121]. 일부 연구자들은 면역학과 섬유증의 연관성에서 관심을 돌리고 있으나, 병리학적 관계는 여전히 존재합니다[122]. 특히 대식세포와 호중구에서 섬유화와 MMPs(MMP-1, MMP-3, MMP-7, MMP-9, MMP-13, MMP-19 등) 간의 상관관계가 증가된 것으로 BALF에서 확인되었다[123]. 이러한 침윤된 대식세포와 호중구는 염증 반응을 나타내며 폐섬유증에서 필수적이다 [50,71,124,125,126,127].

5.1. Immunomodulation or Inflammatory Regulation

Additionally, MMP-10 is known to be related to the transition from the M1 to M2 type of alveolar macrophages and regulates the immune tolerance to TLR-7 induced inflammation [128]. Besides the inflammatory effect, the following wound healing response usually includes peripheral epithelium activation through the EMT in renal tubular epithelial, hepatic stellate, and alveolar epithelial cells [129,130,131,132]; these cells transdifferentiate into fibroblast-like or myofibroblast cells and secrete collagen fibers, leading to fibrosis [133,134]. Accordingly, MMPs contribute to EMT-related cancer metastasis in breast and gastric cancers [21,135], although we mentioned their anti-cancer potential in the previous section. In the final stage of wound healing, the recruited myofibroblasts undergo apoptosis and allow tissue regeneration, whereas in fibrosis, the myofibroblasts are resistant to apoptosis and proliferate to form fibrotic foci [136].

The pro-apoptotic role of MMP-7 is due to the cleavage of CD95 in apoptosis-resistant tumor cells [137]. Moreover, MMP-10 promotes tumor progression by stimulating HIF-1α and MMP-2 in cervical tumors [138]. Notably, MMP is needed and would be increased in tissues in cases of fibrosis; however, the ECM does not decrease in these circumstances. Therefore, MMPs are strongly suspected to interact with pro-fibrotic factors, such as molecules involved in inflammation, EMT, and apoptosis resistance (e.g., TGF-β1, IL-1β, and TNF-α) [139,140].

5.1. 면역조절 또는 염증 조절

또한, MMP-10은 폐포 대식세포의 M1형에서 M2형으로의 전환과 관련이 있으며, TLR-7에 의해 유발된 염증에 대한 면역 관용을 조절하는 것으로 알려져 있다[128]. 염증 효과 외에도, 다음과 같은 상처 치유 반응은 일반적으로 신장 세관 상피세포, 간 성상세포 및 폐포 상피세포에서 상피-중간엽 전이(EMT)를 통한 주변 상피세포 활성화를 포함한다[129,130,131,132]; 이러한 세포들은 섬유모세포 유사 세포 또는 근섬유모세포로 전분화되어 콜라겐 섬유를 분비함으로써 섬유화를 유발합니다 [133,134]. 따라서 MMP는 유방암 및 위암에서 상피-간질 전환(EMT) 관련 암 전이에 기여합니다 [21,135]에서 관찰되나, 이전 섹션에서 언급한 바와 같이 항암 잠재력도 지닙니다. 상처 치유의 최종 단계에서는 동원된 근섬유모세포가 세포사멸을 겪으며 조직 재생을 가능케 하는 반면, 섬유화에서는 근섬유모세포가 세포사멸에 저항하며 증식하여 섬유화 병소를 형성합니다 [136].

MMP-7의 세포사멸 촉진 역할은 세포사멸 저항성 종양 세포에서 CD95의 절단에 기인한다 [137]. 또한 MMP-10은 자궁경부 종양에서 HIF-1α 및 MMP-2를 자극하여 종양 진행을 촉진한다 [138]. 주목할 점은 섬유화 발생 시 조직에서 MMP가 필요하며 증가할 수 있으나, 이러한 상황에서도 ECM은 감소하지 않는다는 것이다. 따라서 MMP는 염증, 상피-간질 전환(EMT), 세포사 저항성(예: TGF-β1, IL-1β, TNF-α) 등에 관여하는 분자와 같은 섬유화 촉진 인자와 상호작용할 가능성이 매우 높다[139,140].

5.2. ECM and Vasculature in Angiogenesis

Vessel walls have an ECM-containing, three-layered structure, including the tunica intima, tunica media, and tunica adventitia, and provide mechanical strength and elasticity. Neoplastic proliferation requires angiogenesis in malignant or benign tumors; the existence of MMPs and VEGF facilitates tumor growth [141]. Moreover, neutrophilic MMP-9 acts as a pro-angiogenic proteinase, as revealed using a developing chicken embryo model [142]. Studies in the adventitia layer revealed that MMP-2 activation and fibroblast proliferation both induce a phenotypic switch in a hypoxic state, converting fibroblasts into myofibroblasts, which often form a fibrotic focus [143].

5.2. 혈관신생에서의 ECM과 혈관계

혈관벽은 내막, 중막, 외막으로 구성된 ECM을 포함하는 3층 구조를 가지며, 기계적 강도와 탄성을 제공한다. 신생물 증식은 악성 또는 양성 종양에서 혈관신생을 필요로 하며, MMP와 VEGF의 존재는 종양 성장을 촉진한다 [141]. 또한, 중성구 MMP-9는 발달 중인 닭 배아 모델을 통해 밝혀진 바와 같이 혈관신생 촉진 단백질 분해효소 역할을 한다 [142]. 외막층 연구에 따르면, MMP-2 활성화와 섬유아세포 증식은 저산소 상태에서 모두 표현형 전환을 유도하여 섬유아세포를 근섬유아세포로 전환시키며, 이는 종종 섬유화 병소를 형성한다[143].

6. Conclusions

Since the complete mechanisms of fibrosis remain a mystery, the origin and each stage are a complex and mutual effect. To decrease the excessive ECM in fibrotic tissue, the activated MMPs interact with the molecules involved inflammation, EMT, and apoptosis [144]. Unfortunately, the complete functions and substrates of MMPs have not yet been revealed [145,146], although some of them are secondary messengers, such as the cleavage of the AMP-activated protein kinase-α (AMPK-α) by MMP-9 in Toll-like receptor 4 (TLR4) signaling [105]. Although studies have suggested that simple inhibition of the expression‎ of an MMP is insufficient to treat fibrosis, we aim to clarify the roles of MMPs in fibrosis in more detail to increase the potential for using them in a clinical context in the future.

6. 결론

섬유화의 완전한 메커니즘은 여전히 미스터리로 남아 있으며, 그 기원과 각 단계는 복잡하고 상호작용하는 효과이다. 섬유화 조직에서 과도한 ECM을 감소시키기 위해 활성화된 MMP는 염증, 상피-간엽 전이(EMT), 세포 사멸에 관여하는 분자들과 상호작용한다[144]. 안타깝게도 MMP의 완전한 기능과 기질은 아직 밝혀지지 않았습니다[145,146]. 일부는 2차 전달물질 역할을 하는데, 예를 들어 Toll-like receptor 4(TLR4) 신호전달에서 MMP-9에 의한 AMP 활성화 단백질 키나아제-α(AMPK-α)의 절단이 그러합니다 [105]. 단순한 MMP 발현 억제만으로는 섬유증 치료에 불충분하다는 연구 결과가 제시되었지만, 향후 임상적 활용 가능성을 높이기 위해 섬유증에서 MMP의 역할을 보다 상세히 규명하는 것이 우리의 목표이다.

Acknowledgments

We are grateful to Tina Emily Shih and Enago (www.enago.tw) for English proofreading.

Abbreviations

Abbreviation	Definition
ECM	extracellular matrix
MMPs	matrix metalloproteinases
MT-MMPs	membrane-type MMPs
ADAMs	a disintegrin and metalloproteinases
ADAMTs	a disintegrin and metalloproteinases with thrombospondin motifs
EGF	epidermal growth factor
TSP-1	type-1 thrombospondin
TNF-α	tumor necrosis factor-α
TIMPs	tissue inhibitors of metalloproteinases
TIMPs	unilateral ureteral obstruction
VEGF	vascular epithelial growth factor
TLR4	Toll-like receptor 4
AMPK-α	AMP-activated protein kinase α
CCN2/CTGF	cellular communication network factor 2 or connective tissue growth factor
AP-1	activator protein 1
PEA3	polyoma enhancer activator 3
EGF	epidermal growth factor
WBC	white blood cell
TGF -β1	transforming growth factor β1
HIF-1α	hypoxia-inducible factor 1α

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Author Contributions

Writing—original Draft Preparation, H.-M.C.; Writing—review, Y.-S.C.; Conceptualization, H.-J.H.

Funding

This study was funded by the Buddhist Tzu Chi Bioinnovation Center, Tzu Chi Foundation, Hualien, Taiwan (project title: Development of a small molecule regulates transcription activity of SOX2 in type I collagen synthesis in fibroblasts for treating pulmonary fibrosis, MF00A130SS01) and Ministry of Science and Technology, Taiwan (MOST 106-2320-B-303-001-MY3 and MOST 106-2320-B-303-002-MY3).

Conflicts of Interest

The authors declare that they have no competing financial interests.

References

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