ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ. ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «Ιατρική Ερευνητική Μεθοδολογία» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «Ιατρική Ερευνητική Μεθοδολογία» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Μελέτη του ρόλου των μορίων του εξωκυτταρίου στρώματος στη φυσιολογική και εξωγενή δερματική κυτταρική γήρανση.» ΤΖΕΛΛΟΣ ΘΡΑΣΥΒΟΥΛΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΔΙΟΝΥΣΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «Ιατρική Ερευνητική Μεθοδολογία» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Μελέτη του ρόλου των μορίων του εξωκυτταρίου στρώματος στη φυσιολογική και εξωγενή δερματική κυτταρική γήρανση.» ΤΖΕΛΛΟΣ ΘΡΑΣΥΒΟΥΛΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΔΙΟΝΥΣΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ

3 Η ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΔΙΟΝΥΣΟΠΟΥΛΟΣ, ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΚΙΟΥΛΑΚΗΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΛΕΝΗ ΠΑΠΑΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ, ΕΠΙΚΟΥΡΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ 2

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 3 ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ 5 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Η γήρανση ένα μείζον ιατρικό, κοινωνικό και οικονομικό φαινόμενο 7 Η γήρανση ως βιολογική διαδικασία 7 Η γήρανση ως επιδημιολογικό και κοινωνικό φαινόμενο 7 Η γήρανση ως μείζον οικονομικό και ιατρικό πρόβλημα 8 Η ανάγκη για μελέτη της γήρανσης 9 2. Η δερματική γήρανση 10 Η φυσιολογική-ενδογενής δερματική γήρανση 10 Η φυσιολογική-ενδογενής δερματική γήρανση ως μοντέλο μελέτης της γήρανσης όλου του οργανισμού 10 Η μακροσκοπική και ιστολογική εικόνα της ενδογενούς δερματικής γήρανσης 11 Η εξωγενής δερματική γήρανση 11 Η φωτογήρανση 11 Η κλινική μακροσκοπική εικόνα της φωτογήρανσης 12 Η ιστολογική εικόνα της φωτογήρανσης Το εξωκυττάριο στρώμα του συνδετικού ιστού της δερμίδας Οι μεταλλοπρωτεάσες και οι ιστικοί αναστολείς τους 16 Η δομή των MMPs 16 Ταξινόμηση των MMPs με βάση τη δομή τους 18 Ταξινόμηση των MMPs με βάση το υπόστρωμά τους 19 Η ενεργοποίηση των MMPs 22 Ο έλεγχος της δραστηριότητας των MMPs 23 Οι ειδικοί ιστικοί αναστολείς των MMPs (TIMPs) 23 Οι MMPs και TIMPs στο δέρμα και τη νοσολογία του 24 Η σύγχρονη θεραπευτική σε συνάρτηση με MMPs και TIMPs Οι γλυκοζαμινογλυκάνες και πρωτεογλυκάνες 26 Οι γλυκοζαμινογλυκάνες 26 Το υαλουρονικό οξύ 28 Οι πρωτεογλυκάνες 29 Συνδεκάνη 31 Αγκρεκάνη Πειραματικά μοντέλα για τη μελέτη της γήρανσης 34 Το πειραματικό μοντέλο της καλλιέργειας ινοβλαστών 34 Το πειραματικό μοντέλο του Caenorhabditis elegans 34 Τα πειραματόζωα 35 3

5 7. Η επίδραση της UV ακτινοβολίας στο δέρμα 36 Γενικά 36 Η ηλιακή ακτινοβολία 36 Οι βραχυπρόθεσμες δράσεις της UV ακτινοβολίας 37 Οι μακροπρόθεσμες δράσεις της UV ακτινοβολίας H συμμετοχή των ορμονών στη δερματική γήρανση 44 Γενικά 44 Το δέρμα ως ένα περιφερικό ενδοκρινικό όργανο 45 Η επίδραση των οιστρογόνων στο πάχος του δέρματος και στο κολλαγόνο 45 Η επίδραση των οιστρογόνων στην περιεκτικότητα του δέρματος σε νερό 46 Η επίδραση των οιστρογόνων στη ρυτίδωση του δέρματος Τα μόρια του εξωκυτταρίου στρώματος στην δερματική γήρανση 47 Οι γλυκοζαμινογλυκάνες στη δερματική γήρανση 47 Τα λιπίδια στη δερματική γήρανση 47 Το νερό στη δερματική γήρανση 48 Η ελαστίνη στη δερματική γήρανση 48 Το κολλαγόνο στη δερματική γήρανση 49 Οι μεταλλοπρωτεινάσες (MMPs) στη δερματική γήρανση 51 Οι πρωτεογλυκάνες (PGs) στη δερματική γήρανση H σύγχρονη φαρμακολογία και θεραπευτική στη δερματικοί γήρανση 53 Ορμόνες του φύλου και δερματική γήρανση 53 Οι κυτταροκίνες 54 Η laser φωτοανάπλαση 55 Επεμβατικές μέθοδοι 55 Η L-φουκόζη και οι πλούσιοι σε φουκόζη πολυσακχαρίτες (FROP-s - fucose-rich polysaccharides) 55 Τα ρετινοειδή 56 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 4

6 ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ ROS (reactive oxygen species): αντιδραστικά στοιχεία οξυγόνου ECM (extracellular matrix): εξωκυττάριο στρώμα MMPs (matrix metalloproteinases): μεταλλοπρωτεάσες ή μεταλλοπρωτεινάσες Zn: ψευδάργυρος TGF-β (transforming growth factor-β): μεταμορφωτικός αυξητικός παράγων-β TIMPs (tissue inhibitors of matrix metalloproteinases): ειδικοί ιστικοί αναστολείς των MMPs Cys (cysteine): κυστείνη BCC (basal cell carcinoma): βασικοκυτταρικό καρκίνωμα SCC (Squamous cell carcinoma): ακανθοκυτταρικό καρκίνωμα GAGs (Glycosaminoglycans): γλυκοζαμινογλυκάνες PGs (proteoglycans): πρωτεογλυκάνες IGF-I (insulin-like growth factor type I): ινσουλινόμορφος αυξητικός παράγοντας Ι UV (ultraviolet): υπεριώδης NER (nucleotide excision ( repair διόρθωση εκτομής νουκλεοτιδίου CDK (cyclin-dependent ( kinase κινάση εξαρτώμενη από κυκλίνη VDGF (vascular endothelial growth factor): αγγειακός ενδοθηλιακός αυξητικός παράγοντας PDGF (platelet-derived endothelial cell growth factor): αιμοπεταλιακός ενδοθηλιακός αυξητικός παράγοντας EGF (epidermal growth factor): επιδερμιδικός αυξητικός παράγοντας AP-1 (activator protein 1): ενεργοποιός πρωτεΐνη 1 ER (estrogen receptor): οιστρογονικός υποδοχέας HLE (human leucocytic ( elastase ανθρώπειος ελαστάση των λευκοκυττάρων FROP-s (fucose-rich polysaccharides): πολυσακχαρίτες πλούσιοι σε φουκόζη RAR (retinoic acid receptors): υποδοχείς ρετινοικού οξέος RXR (retinoid X receptors): Χ υποδοχείς ρετινοειδούς 5

7 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 6

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ΓΗΡΑΝΣΗ ΕΝΑ ΜΕΙΖΟΝ ΙΑΤΡΙΚΟ, ΚΟΙΝΩΝΙΚΟ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Η γήρανση στον άνθρωπο είναι μια πολύπλοκη και πολυπαραγοντική διαδικασία, με τη συμμετοχή τόσο κληρονομικών όσο και ποικίλων περιβαλλοντικών παραγόντων. Πρόκειται για μια σταδιακή, βραδεία και μη αναστρέψιμη ιστική εκφύλιση, που επηρεάζει όλα τα όργανα του ανθρώπινου οργανισμού και αντανακλά σε «φυσιολογικές» προοδευτικές αλλαγές. Οι αλλαγές αυτές οδηγούν με το χρόνο σε φθίση των βιολογικών λειτουργιών και της ικανότητας του οργανισμού να προσαρμόζεται στο μεταβολικό στρες 1. Πολλοί πολιτισμοί θεωρούν το γήρας ως ένδειξη σοφίας. Παρόλα αυτά, στις κοινωνίες της Δύσης η γήρανση αποτελεί «νοσηρό» φαινόμενο και ένα είδος κοινωνικού στίγματος 2. Η ανάγκη και αναζήτηση της αναστροφής αυτής της διαδικασίας και της «αιώνιας νεότητας» είναι τόσο παλιά όσο και ο άνθρωπος και αντανακλάται σε αρχαίους μύθους και ιστορίες από διάφορους πολιτισμούς 3. Η γήρανση ως βιολογική διαδικασία Οι βασικές βιολογικές διεργασίες της γήρανσης οδηγούν σε μείωση των βιολογικών λειτουργιών και της ικανότητας του οργανισμού να απαντάει επαρκώς στο μεταβολικό στρες. Υπάρχουν δύο βασικές γενικές θεωρίες για τη γήρανση 4. Η πρώτη υποστηρίζει ότι η γήρανση είναι μια προκαθορισμένη διαδικασία που είναι γενετικά προγραμματισμένη. Η θεωρία αυτή στηρίζεται στη μελέτη του μήκους των τελομερών, που αποτελούν τα τελικά τμήματα των χρωματοσωμάτων και τα οποία μειώνονται σε μέγεθος σε κάθε κυτταρικό κύκλο. Όταν τα τελομερή φθάνουν σε ένα «κρίσιμο» μήκος, ο κυτταρικός κύκλος παύει και αρχίζει η διαδικασία της απόπτωσης 5. Επιπλέον οι πρωτογενείς κυτταρικές καλλιέργειες δεν έχουν τη δυνατότητα να αναπαράγονται επ αόριστον, φαινόμενο που από αρκετούς θεωρείται ως στρατηγική πρόληψης του καρκίνου 6. Η δεύτερη θεωρία υποστηρίζει ότι η γήρανση είναι διαδικασία που αποδίδεται κατεξοχήν σε περιβαλλοντικούς παράγοντες που δρουν αθροιστικά και συνεργικά 4,7. Για παράδειγμα, ελεύθεροι οξειδωτικοί παράγοντες μπορούν να παραχθούν από το οξυγόνο κατά τη διάρκεια του φυσιολογικού μεταβολισμού και να συνεισφέρουν στη διαδικασία της γήρανσης 8. Οι οργανισμοί έχουν αναπτύξει κυτταρικά αμυντικά συστήματα ενάντια στην τοξικότητα των οξειδωτικών παραγόντων, κυρίως έναντι αυτών που έχουν ως βάση το οξυγόνο και ονομάζονται αντιδραστικά στοιχεία οξυγόνου (reactive oxygen species, ROS). Οργανισμοί με μακροβιότητα έχουν υψηλότερα επίπεδα ενζυματικής προστασίας έναντι των ROS 9. Η δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων 7 και τα επίπεδα των μη ενζυματικών αντιοξειδωτικών μορίων μειώνονται με την ηλικία 10, επιτρέποντας έτσι να συμβεί εκφύλιση από το οξειδωτικό στρες. Η γήρανση ως επιδημιολογικό και κοινωνικό φαινόμενο Η γήρανση όμως αποτελεί και ένα μείζον κοινωνικό πρόβλημα. Μια δημογραφική επανάσταση είναι σε εξέλιξη στον κόσμο, με την Ευρώπη να είναι στην πρώτη γραμμή 11. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, ο παγκόσμιος πληθυσμός ακολουθεί μια αξιοσημείωτη μετάβαση από την κατάσταση υψηλής γεννητικότητας 7

9 και θνησιμότητας σε αυτή της χαμηλής γεννητικότητας και θνησιμότητας. Στο επίκεντρο αυτής της μετάβασης είναι η αύξηση στην αναλογία και τον αριθμό των ηλικιωμένων ανθρώπων. Τέτοια απότομη, μεγάλη και καθολική αύξηση δεν έχει καταγραφεί ξανά στην ιστορία της ανθρωπότητας. Η παρούσα δημογραφική επανάσταση προβλέπεται να συνεχιστεί στις ερχόμενες δεκαετίες. Τα κύρια χαρακτηριστικά της δημογραφικής αυτής επανάστασης περιλαμβάνουν 12 - στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα προστέθηκαν 20 έτη στο μέσο προσδόκιμο όρο ζωής, οδηγώντας το μέσο όρο σε παγκόσμιο επίπεδο στα 66 έτη. - 1 στους 10 ανθρώπους είναι σήμερα 60 ετών ή μεγαλύτερος και μέχρι το 2050 η αναλογία αυτή θα γίνει 1 στους 5. - ο ίδιος ο ηλικιωμένος πληθυσμός φαίνεται να γηράσκει. H ηλικιακή ομάδα των 80 ετών και άνω είναι η πλέον ταχέως αυξανόμενη του ηλικιωμένου πληθυσμού. Σήμερα αποτελεί το 11% της ηλικιακής ομάδας των 60 και άνω ετών και θα αυξηθεί στο 19% μέχρι το Ο αριθμός των ανθρώπων ηλικίας 100 ετών και άνω προβλέπεται να αυξηθεί 15 φορές, από περίπου το 1999 σε 2,2 εκατομμύρια μέχρι το η πλειοψηφία των ηλικιωμένων (55%) είναι γυναίκες. Ανάμεσα στους υπερήλικες το 65% είναι γυναίκες. Εφόσον ο ρυθμός αυτός στις αναπτυσσόμενες χώρες είναι πιο ραγδαίος από τις αναπτυγμένες, οι αναπτυσσόμενες χώρες θα έχουν λιγότερες ευκαιρίες να προσαρμοστούν στις επιπτώσεις της γήρανσης του πληθυσμού 13. Ενώ το φαινόμενο αυτό στον αναπτυγμένο κόσμο έλαβε χώρα σε ένα σχετικά ευρύ χρονικό διάστημα, στον αναπτυσσόμενο η εξέλιξή του συμπιέζεται σε μερικές δεκαετίες. Αυτό λοιπόν το ταχέως εξελισσόμενο φαινόμενο της γήρανσης είναι το αποτέλεσμα της εντυπωσιακής αύξησης του μέσου όρου ζωής, που αντανακλά την ταχέως μειούμενη θνησιμότητα, κυρίως μετά το 1950, ακολουθούμενη από μια ακόμη ταχύτερη πτώση στη γεννητικότητα. Σε λίγα χρόνια, η κύρια πλειοψηφία των ηλικιωμένων θα μετατοπιστεί στον αναπτυσσόμενο κόσμο. Η γήρανση ως μείζον οικονομικό και ιατρικό πρόβλημα Η γήρανση αποτελεί σήμερα μείζον οικονομικό πρόβλημα και απασχολεί ιδιαίτερα τα ασφαλιστικά ταμεία, τις φαρμακοβιομηχανίες και τα συστήματα υγείας παγκοσμίως. Τα συστήματα υγείας επιβάλλεται επειγόντως να ανταποκριθούν σε αυτή την επιδημιολογική μεταβολή που ήδη παρατηρείται σε κάποιες αναπτυσσόμενες χώρες. Εφόσον τα συστήματα υγείας σήμερα βασίζονται στην παροχή φροντίδας στα οξέα και επείγοντα περιστατικά, δεν είναι επαρκή στην παροχή φροντίδας στα χρόνια νοσήματα και ιδιαίτερα στην κατεύθυνση της γεροντολογίας. Οι στρατηγικές υγείας δεν είναι επαρκείς και η σημερινή προσέγγιση στο προαναφερθέν πρόβλημα οδηγεί σε αναποτελεσματική διαχείριση και αξιοποίηση των πόρων. Κάθε φορά που οι πόροι δεν επαρκούν και αποτυγχάνουν να διαχειριστούν αποτελεσματικά τις συνέπειες της ταχείας πληθυσμιακής γήρανσης, οι χαμένες ευκαιρίες για αξιοποίηση των πόρων σε άλλη κατεύθυνση θα μεταφράζονται σε βασανιστικά και άλυτα προβλήματα σε άλλους τομείς υγείας. Οι χαμένες ευκαιρίες για πρόληψη και ικανοποιητική αντιμετώπιση των χρονίων νοσημάτων οδηγούν σε αύξηση του επιπολασμού, της επιπτώσεως και των επιπλοκών τους και κατά συνέπεια σε λιγότερους πόρους για νοσήματα σε άλλες ηλικιακές ομάδες, όπως η βρεφική θνησιμότητα ή η υγεία του παιδιού. Τα συστήματα υγείας στον αναπτυσσόμενο κόσμο πρέπει επειγόντως να συγκεντρώσουν τις προσπάθειές τους στην αναζήτηση γνώσης για την πρόβλεψη της 8

10 εξελίξης των νοσημάτων στους ηλικιωμένους παρά στη θεραπεία των χρονίων νοσημάτων. Βελτιωμένα συστήματα υγείας σε απάντηση στη ραγδαία γήρανση του πληθυσμού είναι επίσης απαραίτητα και από την κοινωνικοοικονομική σκοπιά. Τέτοια συστήματα θα έχουν ως αποτέλεσμα αυξημένη παραγωγικότητα ως σύνολο, όπως επίσης και βέλτιστη αποτελεσματικότητα στο επίπεδο της παρέμβασης. Η ανάγκη για μελέτη της γήρανσης Όλα τα παραπάνω δεδομένα που παρουσιάστηκαν υποδεικνύουν την ανάγκη για μελέτη της γήρανσης, των μοριακών μηχανισμών που εμπλέκονται σε αυτήν, της γενετικής συμμετοχής, των εμπλεκομένων γονιδίων καθώς και των μορίων του εξωκυτταρίου στρώματος. Αυτό θα οδηγήσει στην αποσαφήνιση των μοριακών μηχανισμών σηματοδότησης και της συμμετοχής του εξωκυτταρίου στρώματος, με τελικό στόχο την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών παραγόντων και την πρόληψη των νοσημάτων του γήρατος. 9

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΔΕΡΜΑΤΙΚΗ ΓΗΡΑΝΣΗ Το δέρμα είναι ένα από τα μεγαλύτερα όργανα του ανθρωπίνου σώματος και όπως όλοι οι ιστοί υπόκειται στις εκφυλιστικές διαδικασίες της γήρανσης. Το δέρμα άλλωστε αποτελεί το κύριο όργανο στο οποίο είναι ιδιαίτερα εμφανείς οι αλλαγές της γήρανσης 14. Η δερματική γήρανση γοήτευε τους ερευνητές για δεκαετίες. Πρόκειται για μια πολύπλοκη και μακρόχρονη διαδικασία που επηρεάζει όλα τα δομικά και λειτουργικά στοιχεία του δέρματος 15. Σήμερα πλέον αναγνωρίζουμε δύο ανεξάρτητα, κλινικά και βιολογικά διακριτά, φαινόμενα που επηρεάζουν το δέρμα ταυτόχρονα. Το πρώτο είναι η φυσιολογική ή ενδογενής γήρανση του δέρματος, το λεγόμενο «βιολογικό ρολόι», που επηρεάζει το δέρμα με τον ίδιο τρόπο που επηρεάζει και όλα τα εσωτερικά όργανα, δηλαδή με μη αναστρέψιμη εκφύλιση του ιστού, κυρίως του συνδετικού. Η δεύτερη αποτελεί την εξωγενή δερματική γήρανση, τη λεγόμενη φωτογήρανση, που είναι αποτέλεσμα της έκθεσης σε εξωγενείς παράγοντες, με κυριότερο την UV ακτινοβολία 16. Η φυσιολογική-ενδογενής δερματική γήρανση Η φυσιολογική ενδογενής δερματική γήρανση είναι μια ετερογενής διαδικασία που επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, με κύριο τη γενετική προδιάθεση 17,18. Σε αντίθεση με τη μη φυσιολογική γήρανση του δέρματος, που είναι ειδική για το δέρμα και επηρεάζεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες, η φυσιολογική αντανακλά τις εκφυλιστικές διεργασίες όλου του σώματος 19. Το κύριο τμήμα του δέρματος που υφίσταται την ενδογενή γήρανση είναι ο συνδετικός ιστός της δερμίδας. Ο συνδετικός ιστός άλλωστε αποτελεί τη σπονδυλική στήλη των κυριότερων οργάνων. Η φυσιολογική-ενδογενής δερματική γήρανση ως μοντέλο μελέτης της γήρανσης όλου του οργανισμού Με γνώμονα ότι η συλλογή δειγμάτων από τον εγκέφαλο, την καρδιά και τα αγγεία κατά τη διάρκεια της ζωής για πειραματικές ερευνητικές προσπάθειες σχετίζεται με μείζονα πρακτικά και ηθικά εμπόδια, το ανθρώπινο δέρμα, το μεγαλύτερο και βαρύτερο όργανο του ανθρωπίνου σώματος, προσφέρει μια διαφορετική εναλλακτική προσέγγιση. Αποτελεί ένα πολύπλοκο όργανο στο οποίο η γήρανση μπορεί να μελετηθεί βέλτιστα. Οι χρονολογικές ενδογενείς αλλαγές της γήρανσης επηρεάζουν το δέρμα με παρόμοιο τρόπο με τα άλλα όργανα 20. Ηλικιακο-εξαρτώμενες μεταβολές στο συνδετικό δερματικό ιστό σχετίζονται αρκετά με αλλαγές που ανιχνεύθηκαν στο συνδετικό ιστό άλλων οργάνων του ανθρωπίνου οργανισμού 20. Είναι πλέον αποδεδειγμένο ότι οι βασικές αρχές και μηχανισμοί που ισχύουν για την ενδογενή δερματική γήρανση είναι οι ίδιες που σχετίζονται με τα εκφυλιστικά ηλικιακόεξαρτώμενα νοσήματα του συνδετικού ιστού και άλλων οργάνων, όπως η οστεοαρθρίτιδα, η οστεοπόρωση και η αρτηριοσκλήρυνση 21. Όλα τα παραπάνω δεδομένα δίνουν ιδιαίτερη αξία στη μελέτη της ενδογενούς γήρανσης στο δέρμα καθώς αυτό αποτελεί ιστό εύκολα προσβάσιμο και μελετήσιμο. 10

12 Η μακροσκοπική και ιστολογική εικόνα της ενδογενούς δερματικής γήρανσης Σε γενικές γραμμές τα μακροσκοπικά και ιστολογικά χαρακτηριστικά της αμιγώς ενδογενούς γήρανσης είναι ήπια φαινόμενα που διαφέρουν σε πολλά σημεία από αυτά της εξωγενούς. Το δέρμα είναι ήπια ατροφικό, οι ρυτίδες που δημιουργούνται είναι ήπιες, χωρίς τηλεαγγειεκτασίες και υπερκεράτωση ενώ οι μελαγχρωματικές διαταραχές είναι ελάχιστες. Χαρακτηριστικός είναι και ο γεροντικός κνησμός, που ενίοτε είναι ιδιαίτερα βασανιστικός καθώς και η μειωμένη εφίδρωση του δέρματος. Όλα αυτά τα μακροσκοπικά ευρήματα έχουν την προέλευσή τους από το ιστολογικό επίπεδο, στο οποίο και εδώ τα φαινόμενα είναι ήπια. Η κερατίνη στοιβάδα παραμένει σχετικά ανεπηρέαστη, αλλά η επιδερμίδα και η δερμίδα λεπταίνουν, ενώ χαρακτηριστική είναι η αποπλάτυνση του δερματοεπιδερμικού φραγμού, που έχει τεράστια σημασία για την προστασία του δέρματος 22. Ιστολογικά παρατηρείται ακόμη μείωση στον αριθμό και την βιοσυνθετική ικανότητα των ινοβλαστών 23 και προοδευτική μείωση του ελαστικού ιστού στην θηλώδη δερμίδα 24. Το δερματικό κολλαγόνο μειώνεται με την ηλικία και οι λεπτές αρχιτεκτονικά δομημένες ίνες του που παρατηρούνται στην παιδική ηλικία γίνονται παθολογικά πυκνές και τυχαία δομημένες 25. Ο αριθμός και η λειτουργία των σμηγματογόνων και ιδρωτοποιών αδένων μειώνονται δραματικά. Η εξωγενής δερματική γήρανση Η εξωγενής δερματική γήρανση του δέρματος είναι αυτή που προκαλείται από τους εξωγενείς παράγοντες. Οι δύο κύριοι παράγοντες που προκαλούν την εξωγενή δερματική γήρανση είναι η ηλιακή ακτινοβολία και το κάπνισμα. Ο ρόλος του καπνίσματος στην πρόκληση της εξωγενούς γήρανσης είναι απόλυτα τεκμηριωμένες με επιδημιολογικές μελέτες. Η πιο αξιόλογη μελέτη για το ρόλο του καπνίσματος απόδειξε ότι το κάπνισμα είναι ένας ιδιαίτερα σημαντικός παράγοντας 26 στην εξωγενή γήρανση. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι κάπνισμα 20 τσιγάρων την ημέρα ισοδυναμεί με 10 χρόνια χρονολογικής γήρανσης. Η φωτογήρανση Πέρα από την φυσιολογική πορεία της γήρανσης, οι φωτοεκτεθειμένες περιοχές, όπως το πρόσωπο, ο λαιμός και η ραχιαία επιφάνεια των χεριών αντιμετωπίζουν ένα επιπλέον καταστρεπτικό παράγοντα, την ηλιακή ακτινοβολία και κύρια την UV ακτινοβολία. Η φωτογήρανση αναφέρεται στην διαδικασία που είναι αποτέλεσμα των επιδράσεων της μακρόχρονης έκθεσης στη UV ακτινοβολία και γενικότερα στην ηλιακή ακτινοβολία. Συνήθως η διαδικασία αυτή επηρεάζει ανοιχτόχρωμους στη χροιά του δέρματος πλυθησμούς 27. Πολλές από τις λειτουργίες του δέρματος που καταστέλλονται με την ηλικία, παρουσιάζουν μια αυξημένη καταστολή στο φωτογηρασμένο δέρμα 28. Σε άλλο κεφάλαιο της παρούσης διπλωματικής εργασίας αναλύεται διεξοδικά η δράση της UV στο δέρμα. 11

13 Η κλινική μακροσκοπική εικόνα της φωτογήρανσης Τα κλινικά σημεία που σχετίζονται με τη φωτογήρανση περιλαμβάνουν τις μελαγχρωματικές αλλοιώσεις, τη χαρακτηριστική κίτρινη χροιά του δέρματος, βαθιές ρυτίδες, τηλλεαγγειεκτασία καθώς και ακτινικές προκαρκινικές βλάβες, όπως η ακτινική υπερκεράτωση και δερματικά ακτινικά καρκινώματα, όπως το βασικοκυτταρικό καρκίνωμα του δέρματος Το γηρασμένο φωτοπροστατεύμενο δέρμα μπορεί να έχει ρυτίδες, αλλά είναι πιο ήπιες, κύρια στα εκφραστικά σημεία, επίσης είναι λεπτό και δεν δείχνει σημεία ακτινικών βλαβών 33. Συγκεκριμένοι παθολογικοί φαινότυποι του δέρματος που έχουν άμεση σχέση με την ηλιακή ακτινοβολία και παρατηρούνται πολύ συχνά είναι η ακτινική ελάστωση και το σύνδρομο Favre-Racouchot, που χαρακτηρίζεται από οζώδη ελάστωση και ηλιακούς φαγέσωρες 34. Ο όρος ακτινική ελάστωση χρησιμοποιείται για να περιγράψει την παθολογική συγκέντρωση ελαστικών ινών που σχετίζεται άμεσα με την έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία. Η ιστολογική εικόνα της φωτογήρανσης Ιστολογικά το φωτοεκτεθειμένο δέρμα δείχνει μια απώλεια της φυσιολογικής δομής των κερατινοκυττάρων της επιδερμίδας. Συγκεκριμένα τα κερατινοκύτταρα χαρακτηρίζονται από ατυπία, ειδικά στα κατώτερα επιδερμιδικά στρώματα 35,36. Το πάχος της φωτοπροστατευμένης επιδερμίδας μειώνεται με την ηλικία αν και υπάρχουν και αναφορές που τονίζουν ότι μπορεί να παραμένει και σταθερό 36. Αντίθετα το πάχος της επιδερμίδας είναι μεγαλύτερο στο φωτοεκτεθειμένο δέρμα 36. Επίσης παρατηρείται αποπλάτυνση του δερματοεπιδερμικού φραγμού που μπορεί να οδηγήσει στην ατροφική εμφάνιση του δέρματος, όπως βλέπουμε χαρακτηριστικά στο ποικιλόδερμα 36. Γενικά οι κυτταρικοί πληθυσμοί της δερμίδας στη φωτογήρανση αυξάνονται. Οι ινοβλάστες είναι πολυάριθμοι και παθολογικά υπερπλαστικοί 37 και τα φλεγμονώδη φαινόμενα είναι έντονα. Η κλινική και ιστολογική αυτή εικόνα χαρακτηρίζεται ως ηλιοδερματίτιδα 38. Η μικροαγγείωση παρουσιάζει και αυτή παθολογικές αλλαγές 39 και τα αγγειακά τοιχώματα είναι παχυσμένα με εναπόθεση με υλικό που μοιάζει δομικά με αυτό της βασικής μεμβράνης 38. Οι ινοβλάστες του φωτοεκτεθειμένου δέρματος είναι επίσης επιμηκυσμένοι και κατακερματισμένοι 40. Μείωση του δερματικού κολλαγόνου τύπου Ι και ΙΙΙ παρατηρείται στο φυσιολογικό γηρασμένο δέρμα. Παρόλα αυτά η μείωση αυτή επιταχύνεται ραγδαία στις φωτοεκτεθειμένες περιοχές. Η περιεκτικότητα σε ελαστικές ίνες μειώνεται με την ηλικία, ενώ στην φωτογήρανση η ποσότητα της ελαστίνης αυξάνεται ανάλογα με την ποσότητα της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας. Η παραγωγή ελαστίνης έχει αποδειχθεί ότι επάγεται in vitro από UV ακτινοβόληση 41. Η ελαστίνη όμως στο φωτογηρασμένο δέρμα παρουσιάζεται ανώμαλη και φαίνεται να κατέχει τις περιοχές που υπό φυσιολογικές συνθήκες κατείχε το κολλαγόνο. Έχει υποστηριχθεί ότι το φαινόμενο αυτό οφείλεται σε μια διφασική διαδικασία στην οποία αρχικά παρατηρείται παθολογική υπερπλασία του φυσιολογικού ελαστικού ιστού. Στη συνέχεια η ελαστίνη αυτή γίνεται δομικά και λειτουργικά ανώμαλη εξαιτίας των χρόνιων φλεγμονωδών φαινομένων

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΤΟ ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟ ΣΤΡΩΜΑ ΤΟΥ ΣΥΝΔΕΤΙΚΟΥ ΙΣΤΟΥ ΤΗΣ ΔΕΡΜΙΔΑΣ Γενικά Η δερμίδα έχει τις δομικές και λειτουργικές ιδιότητες του χαλαρού συνδετικού ιστού. Η γενική δομή και σύστασή της φαίνεται στην εικόνα 1. Το εξωκυττάριο στρώμα (extracellular matrix, ECM) της δερμίδος είναι ένα πολύπλοκο σύμπλεγμα πρωτεϊνών και πολυσακχαριτών και συνεισφέρει στη δομή και τη λειτουργία της. Τα δύο κύρια τμήματα που το αποτελούν είναι οι πολυσακχαρίτες και οι πρωτεΐνες. Οι πολυσακχαρίτες που κύρια βρίσκονται στο εξωκυττάριο στρώμα είναι οι γλυκοζαμινογλυκάνες, οι οποίες συνδέονται με πρωτεΐνες για να σχηματίσουν πρωτεογλυκάνες. Η δομή τους και η σημασία τους αναλύονται σε άλλο κεφάλαιο. Οι πρωτεΐνες του χωρίζονται σε δομικές και πρωτεΐνες που έχουν ρόλο σύνδεσης με άλλα μόρια. Οι δομικές πρωτεΐνες κατά κύριο λόγο είναι το κολλαγόνο, η ελαστίνη και οι δικτυωτές ίνες, ενώ από τις πρωτεΐνες σύνδεσης κύρια ανευρίσκονται η ινωδονεκτίνη, η λαμινίνη και μικρές γλυκοπρωτείνες, όπως οι σελεκτίνες και οι καντχερίνες. Οι πρωτεΐνες σύνδεσης είναι απαραίτητες για την αλληλεπίδραση των κυττάρων μεταξύ τους, την αλληλεπίδραση κυττάρουεξωκυτταρίου στρώματος και τη λειτουργική σύνδεση δερμίδας και βασικής μεμβράνης. Η σύσταση του εξωκυτταρίου στρώματος έχει επίδραση στη μετανάστευση, το σχήμα, στην απόπτωση, στη σύνδεση και στην πολικότητα των κυττάρων. ΕΠΙΘΗΛΙΟ ΒΑΣΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΣΥΝΔΕΤΙΚΟΣ ΙΣΤΟΣ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟ ΜΑΚΡΟΦΑΓΟ ΤΡΙΧΟΕΙΔΕΣ ΙΝΟΒΛΑΣΤΗΣ ΕΛΑΣΤΙΝΗ ΜΑΣΤΟΚΥΤΤΑΡΟ ΥΑΛΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ, ΠΡΩΤΕΟΓΛΥΚΑΝΕΣ ΚΑΙ ΓΛΥΚΟΠΡΩΤΕΙΝΕΣ 13

15 Εικ. 1. Η γενική δομή και η σύσταση της δερμίδας. Απεικονίζονται τα σημαντικότερα κύτταρα, ο συνδετικός ιστός καθώς και η βασική μεμβράνη και το επιθήλιο. Η σύνδεση της δερμίδας με τη βασική μεμβράνη είναι ιδιαίτερα σημαντική για την νοσολογία του δέρματος και έχει μεγάλη σημασία και για τη γήρανσή του, όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια. Στη σύνδεση αυτή και στο σχηματισμό της βασικής μεμβράνης έχουν μεγάλη εμπλοκή και τα μόρια του εξωκυτταρίου στρώματος όπως φαίνεται στην εικόνα 2. ΝΙΔΟΓΕΝΗ ΠΕΡΛΕΚΑΝΗ ΛΑΜΙΝΙΝΗ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟ ΤΥΠΟΥ ΙV ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΕΠΙΘΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΙΝΤΕΓΚΡΙΝΗ Εικ. 2. (Α) Απεικόνιση τρισδιάστατου μοντέλου της βασικής μεμβράνης. Η βασική μεμβράνη σχηματίζεται από την αλληλεπίδραση (Β) πολλών πρωτεϊνών όπως το κολλαγόνο τύπου ΙV, η λαμινίνη, το νιδογόνο και η πρωτεογλυκάνη περλεκάνη. Στο (Β) τα βέλη υποδεικνύουν μόρια που συνδέονται απευθείας μεταξύ τους. Διαμεμβρανικοί υποδοχείς λαμινίνης, οι ιντεγκρίνες, οργανώνουν τη διαμόρφωση της βασικής μεμβράνης. Δύο πρωτεΐνες σύνδεσης θα περιγραφούν αναλυτικότερα γιατί ο ρόλος τους στο δέρμα είναι σημαντικός. Ινωδονεκτίνη Είναι πρωτεΐνη που λειτουργεί στον εξωκυττάριο χώρο και «συναρμολογεί» ελαστικές ίνες. Συνδέεται με τις κυτταρικές επιφάνειες και με το κολλαγόνο, την ελαστίνη, την ηπαρίνη και την ακτίνη. Συμμετέχει στις αλληλεπιδράσεις κυττάρων, στη διατήρηση του σχήματος του κυττάρου και στην επούλωση. 14

16 Λαμινίνη Είναι μία σύνθετη γλυκοπρωτείνη που αποτελείται από 3 διαφορετικές πολυπεπτιδικές αλύσους, τις α, β και γ. Θεωρείται ότι ρυθμίζει την μετανάστευση και οργάνωση των κυττάρων στους ιστούς κατά την εμβρυική ανάπτυξη αλληλεπιδρώντας με τα υπόλοιπα μόρια του ECM. Τα σημαντικότερα μόρια του εξωκυτταρίου στρώματος αναλύονται στο γενικό μέρος της παρούσης διπλωματικής εργασίας και μελετάται ο ρόλος τους στην δερματική κυτταρική γήρανση. 15

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΟΙ ΜΕΤΑΛΛΟΠΡΩΤΕΑΣΕΣ ΚΑΙ ΟΙ ΙΣΤΙΚΟΙ ΑΝΑΣΤΟΛΕΙΣ ΤΟΥΣ Οι μεταλλοπρωτεάσες ή μεταλλοπρωτεινάσες (matrix metalloproteinases, MMPs) αποτελούν μια οικογένεια δομικά και λειτουργικά παρόμοιων ενδοπεπτιδασών, εξαρτώμενων από την ύπαρξη ψευδαργύρου 43. Οι MMPs έχουν την ικανότητα να ανασχηματίζουν στοιχεία των ιστών προκαλώντας την πρωτεολυτική αποδόμηση των μορίων του εξωκυτταρίου στρώματος (extracellular matrix, ECM) και των στοιχείων της βασικής μεμβράνης, σε φυσιολογικό ph. Είναι λοιπόν σε θέση να αποδομούν in vitro και in vivo όλα τα συστατικά του εξωκυτταρίου στρώματος όπως κολλαγόνο, πρωτεογλυκάνες, ινωδονεκτίνη και λαμινίνη και έτσι συμμετέχουν στην αναδιαμόρφωση του συνδετικού ιστού σε πολλές φυσιολογικές διαδικασίες, όπως η εμβρυική ανάπτυξη, η επούλωση τραυμάτων, η εγκυμοσύνη και η αύξηση του οργανισμού 44. Από την άλλη, διαταραχές της φυσιολογικής τους δραστηριότητας εμπλέκονται σε παθολογικές διεργασίες όπως ρευματοειδής αρθρίτιδα και οστεοαρθρίτιδα, αθηροσκλήρωση, ίνωση, μετάσταση, νεοαγγειογένεση όγκων, πομφολυγώδη επιδερμόλυση, ερπητοειδή δερματίτιδα Η θεραπευτική παρέμβαση για την αναστολή των MMPs είναι μια ελπιδοφόρος προσέγγιση για τη θεραπεία αυτών των παθήσεων και οι MMPs φαντάζουν ελκυστικοί στόχοι για την ανάπτυξη αναστολέων 50,51. Η οικογένεια των MMPs αποτελείται από τουλάχιστον 26 συγγενούς δομής μεταλλοενδοπεπτιδάσες ψευδαργύρου, των οποίων γονίδιο που τις εκφράζει έχει ταυτοποιηθεί. Συμβολίζονται με το σύμβολο MMP και έναν αριθμό. Ομαδοποιούνται ανάλογα με τη δομή τους, το μοριακό τους βάρος, τα υποστρώματα τα οποία αποδομούν και την προέλευσή τους 52. Η δομή των MMPs Όλες οι MMPs έχουν μια βασική κοινή πολυτμηματική δομή αλλά παρουσιάζουν και διαφορές που φαίνεται να έχουν άμεση σχέση με την ειδικότητα ως προς το υπόστρωμα, τη δράση τους και την ενεργότητά τους 53. Οι MMPs συντίθενται ως προ-προ-ένζυμα και εκκρίνονται ως ανενεργείς προ- MMPs. Αυτές οι ανενεργείς προ- MMPs αποτελούνται τουλάχιστον από τρία τμήματα (Εικ. 3) 54. Το πρώτο είναι ένα προπεπτιδικό τμήμα που αποτελείται από 80 αμινοξέα περίπου και περιέχει ένα μόριο κυστείνης. Το τμήμα αυτό έχει σχήμα αυγού και αποτελείται από 3 κάθετες α-έλικες και ένα τμήμα που συνδέεται με την καταλυτική περιοχή (Εικ. 4). Η κυστείνη συνδέεται με τον ψευδάργυρο του καταλυτικού τμήματος ώστε να διατηρείται η ανενεργότητα των προ- MMPs 55,56. Παρά τη σύνδεση αυτή η ενεργός περιοχή του καταλυτικού τμήματος σε αυτή την προ-ενεργή μορφή είναι εκπληκτικά όμοια σε δομή με αυτή του ώριμου ενζύμου. Η ενεργοποίηση των προ- MMPs από άλλες πρωτεινάσες φαίνεται να εμπλέκει μηχανισμούς που ως τελικό αποτέλεσμα έχουν την καταστροφή του δεσμού κυστείνης καταλυτικού ψευδαργύρου 57. Αυτή είναι και η θεωρία του «διακόπτη της κυστείνης». Το δεύτερο είναι το καταλυτικό τμήμα και αποτελείται από 170 αμινοξέα περίπου. Έχει σχήμα ελλειψοειδές ελαφρώς πλατυσμένο στους πόλους. Αποτελείται από 5 β-πτυχές, 3 α-έλικες και αγκύλες που συνδέουν τα τμήματα αυτά. Περιέχει 16

18 επίσης έναν καταλυτικό ψευδάργυρο (Zn), έναν δομικό Zn και 2 ή τρία ιόντα ασβεστίου που είναι απαραίτητα για τη σταθερότητα και την έκφραση της ενζυματικής δραστηριότητας. Μια περιοχή που περιέχει μεθειονίνη ονομάζεται «Metστροφή» και είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της δομής γύρω από τον καταλυτικό Zn 58. Στις MMP-2 και MMP-9 υπάρχουν ακόμη 3 περιοχές ινωδονεκτίνης τύπου Το τρίτο είναι ένα C-τελικό τμήμα με ομολογία προς την πρωτεΐνη αιμοπηξίνη και υπάρχει σε όλες τις MMPs εκτός της MMP-7. Αποτελείται από 210 αμινοξέα περίπου και έχει ένα ελλειψοειδές δισκοειδές σχήμα με 4 λεπιδωτές β-δομές που η κάθε μια αποτελείται από 4 αντιπαράλληλες β-πτυχές και μια α-έλικα 60. Το τμήμα αυτό φαίνεται να έχει άμεση σχέση με την ειδικότητα ως προς το υπόστρωμα 61. Σημαντική δομική διαφοροποίηση παρατηρείται στις μεταλλοπρωτεάσες μεμβρανικού τύπου (ΜΤ-ΜΜPs) οι οποίες, σε αντίθεση με τις υπόλοιπες μεταλλοπρωτεάσες, είναι συνδεδεμένες με την κυτταρική μεμβράνη διαθέτοντας ένα επιπλέον διαμεμβρανικό και ενδοκυτταροπλασματικό τμήμα, το οποίο είναι χαρακτηριστικό για αυτές 62. ΠΡΟΠΕΠΤΙΔΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΤΜΗΜΑ ΟΜΟΛΟΓΟ ΠΡΟΣ ΑΙΜΑΤΟΞΥΛΙΝΗ Εικ. 3. Τρισδιάστατο μοντέλο της γενικής δομής των προ-mmps. Απεικονίζονται τα τρία κύρια δομικά τμήματα καθώς και οι 4 λεπιδωτές β-δομές του C-τελικού τμήματος που έχει ομολογία προς την αιματοξυλίνη (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ, ΙV). 17

19 Εικ. 4. Τα δομικά τμήματα των MMPs. Διακρίνονται σχηματικά τα τρία κύρια τμήματα καθώς και επιμέρους τμήματα που συνεισφέρουν στη σύνδεση των κύριων μερών ή αποτελούν μοναδικά τμήματα ορισμένων μόνο MMPs (π.χ. GPI άγκυρα). Ταξινόμηση των MMPs με βάση τη δομή τους Όλα τα παραπάνω δεδομένα σχετικά με τη δομή των μεταλλοπρωτεασών δείχνουν ότι αυτές ακολουθούν ένα κοινό δομικό μοτίβο αλλά έχουν και σημαντικές δομικές διαφορές που έχουν άμεσο αντίκτυπο στη λειτουργία, τη δραστικότητα και την ειδικότητά τους με το υπόστρωμα. Με βάση λοιπόν τις πληροφορίες για τη δομή τους ταξινομούνται σε κατηγορίες. Στην εικόνα 5 φαίνονται τα διάφορα δομικά τμήματα των μεταλλοπρωτεασών καθώς και η κατάταξή τους με βάση τη δομή. 18

20 ΤΑ ΔΟΜΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΤΩΝ MMPs ΠΕΠΤΙΔΙΟ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗΣ ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΠΡΟΠΕΠΤΙΔΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΤΜΗΜΑ ΑΙΜΑΤΟΞΥΛΙΝΗΣ ΦΟΥΡΙΝΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΙΝΩΔΟΝΕΚΤΙΝΗΣ ΤΥΠΟΥ 2 ΜΤ ΑΓΚΥΛΗ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΟΥΡΑ Ν-ΤΕΛΙΚΗ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΙΚΗ ΑΓΚΥΡΑ ΚΥΣΤΕΙΝΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ MMPs ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗ ΔΟΜΗ IG ΟΜΟΛΟΓΟ ΤΜΗΜΑ GPI ΑΓΚΥΡΑ ΕΛΑΧΙΣΤΟ ΔΟΜΙΚΟ ΜΟΤΙΒΟ ΚΟΛΛΑΓΟΝΑΣΕΣ, ΣΤΡΩΜΑΛΥΣΙΝΕΣ ΚΑΙ ΆΛΛΕΣ MMPs ΖΕΛΑΤΙΝΑΣΕΣ MMPs ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΟΥΜΕΝΕΣ ΑΠΌ ΦΟΥΡΙΝΗ MMPs ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ MMPs ΜΕ GPI ΑΓΚΥΡΑ ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΕΣ MMPs ΤΥΠΟΥ 2 Εικ. 5. Σχηματικά αναπαρίστανται τα δομικά τμήματα των MMPs καθώς και η ταξινόμησή τους με βάση τη δομή. Ταξινόμηση των MMPs με βάση το υπόστρωμά τους Με βάση το υπόστρωμά τους και την βιοδραστικότητά τους οι MMPs ταξινομούνται σε 5 κατηγορίες : 1. κολλαγονάσες, 2. ζελατινάσες Α και Β, 3. στρωμαλυσίνες 1 και 2, 4. μια πιο ετερογενής ομάδα που περιλαμβάνει την MMP-7, MMP-20, MMP-12 και MMP-19 και 5. τις μεμβρανικού τύπου MMPs. Στον πίνακα Ι φαίνεται η ταξινόμηση αυτή καθώς και η χρωμοσωμική τοποθεσία των γονιδίων των MMPs στον άνθρωπο. 19

21 Πίνακας Ι. ΜΜP των θηλαστικών και υποστρώματα Πρωτεάση Αρίθμηση MMP Θέση χρωμοσώματος (στον άνθρωπο) Υπόστρωμα εξωκυττάριου χώρου Ενεργοποίηση προ-mmp Κολλαγονάσες Κολλαγονάση-1 (κολλαγονάση των ιστών, interstitial collagenase) ΜΜΡ-1 11q22-q23 Κολλαγόνο τύπου: III > I > II, VII, Χ, ζελατίνη, αγγρεκάνη, εντακτίνη, tenascin, περλεκάνη Προ-MMP-1 Προ-MMP-2 Κολλαγονάση-2 (κολλαγονάση των ουδετερόφιλων) Κολλαγονάση-3 Κολλαγονάση-4, xcol4 (Xenopus) (δεν υπάρχει ανάλογο στον άνθρωπο) ΜΜΡ-8 ΜΜΡ-13 ΜΜΡ q21 -q22 11q22.3 Κολλαγόνο τύπου: Ι > II > III, VII, Χ, ζελατίνη, αγγρεκάνη, tenascin Κολλαγόνο τύπου: II > III > Ι, VII, Χ, ζελατίνη, αγγρεκάνη, εντακτίνη, Tenascin Κολλαγόνο τύπου: Ι, II, III, ζελατίνη Προ-MMP-8 Προ-MMP-9 Προ-MMP-13 Ζελατινάσες Ζελατινάση Α, (72- kda ζελατινάση, 72- kda κολλαγονάση τύπου IV) ΜΜΡ-2 16q13 Αποδομημένο κολλαγόνο (ζελατίνη), κολλαγόνο τύπου: Ι, IV, V, VII, Χ, XI, ελαστίνη, ινονσυνδετίνη (fibronectin), λαμινίνη-5, αγγρεκάνη, μπρεβικάνη, νευροκάνη, ντεκορίνη, υαλοσυνδετίνη (vitronectin) Προ-MMP-1 Προ-MMP-2 Προ-MMP-13 Ζελατινάση Β, (92- kda ζελατινάση) ΜΜΡ-9 20q11.2-q13.1 Αποδομημένο κολλαγόνο (ζελατίνη), κολλαγόνο τύπου: Ι, IV, V, VII, Χ, XI, ελαστίνη, ινονσυνδετίνη, λαμινίνη-5, αγγρεκάνη, υαλονεκτίνη Προ-MMP-2 Προ-MMP-9 Προ-MMP-13 Μεμβρανικού τύπου ΜΜΡ ΜΤ1-ΜΜΡ ΜΜΡ-14 14q11-q12 Κολλαγόνο τύπου: Ι, II, III, ζελατίνη, ινονσυνδετίνη, υαλονεκτίνη, αγγρεκάνη Προ-MMP-2 Προ-ΜΜΡ-13 ΜΤ2-ΜΜΡ ΜΜΡ-15 16q13-q21 Πρωτεογλυκάνες Προ-MMP-2 ΜΤ3-ΜΜΡ ΜΜΡ-16 8q21 Κολλαγόνο τύπου: III, ινονσυνδετίνη Προ-MMP-2 ΜΤ4-ΜΜΡ ΜΜΡ-17 12q24.3 Ζελατίνη, ινώδες / ινωδογόνο Προ-MMP-2 ΜΤ5-ΜΜΡ ΜΜΡ-24 20q11.2 Ινονσυνδετίνη, πρωτεογλυκάνες, ζελατίνη Προ-MMP-2 ΜΤ6-ΜΜΡ, Λευκολυσίνη (Leukolysin) ΜΜΡ-25 16p13.3 Κολλαγόνο τύπου IV, ζελατίνη, ινονσυνδετίνη, πρωτεογλυκάνες Προ-MMP-2 Προ-MMP-9 20

22 θεϊκής δερματάνης και κερατάνης, λαμινίνη-1, ινώδες / ινωδογόνο Πρωτεάση Στρωμαλυσίνες Στρωμαλυσίνη-1 (πρωτεογλυκανάση, proteoglycanase) Αρίθμηση MMP ΜΜΡ-3 Θέση χρωμοσώματος (στον άνθρωπο) 11q23 Υπόστρωμα εξωκυττάριου χώρου Αγγρεκάνη, λαμινίνη, λαμινίνη, ινονσυνδετίνη, περιοχές χωρίς τριπλή έλικα φυσιολογικών κολλαγόνων τύπου: II, III, IV, V, IX, Χ, XI, ζελατίνη, εντακτίνη, περλεκάνη, ντεκορίνη, tenascin, υαλονεκτίνη, ινώδες / ινωδογόνο, ελαστίνη Ενεργοποίηση προ-mmp Προ-MMP-1 προ-mmp-3 προ-mmp-7 προ-mmp-8 προ-mmp-9 προ-mmp-13 Στρωμαλυσίνη-2 Στρωμαλυσίνη-3 Ματριλυσίνες ΜΜΡ-10 ΜΜΡ-11 11q22.3-q23 22q11.2 Ζελατίνη, κολλαγόνο τύπου: I, III IV, V, ινονσυνδετίνη, πρωτεογλυκάνες ινονσυνδετίνη, λαμινίνη, αγγρεκάνη Προ-MMP-1 προ-mmp-8 προ-mmp-10 Ματριλυσίνη (PUMP-1) ΜΜΡ-7 11q21-q22 ινονσυνδετίνη, λαμινίνη, περιοχές χωρίς τριπλή έλικα φυσιολογικών κολλαγόνων τύπου: IV, V, IX, Χ, XI, ζελατίνη, αγγρεκάνη, εντακτίνη, tenascin, υαλονεκτίνη, ινώδες / ινωδογόνο Προ-MMP-1 προ-mmp-2 προ-mmp-7 προ-mmp-9 Ματριλυσίνη-2, (Endometase) Άλλες ΜΜΡ ΜΜΡ-26 11p15 Κολλαγόνο τύπου IV, ζελατίνη, ινονσυνδετίνη, ινώδες / ινωδογόνο Προ-MMP-9 Μεταλλοελαστάση (ελαστάση των μακροφάγων) ΜΜΡ-12 11q22.2-q22.3 Ελαστίνη, ινονσυνδετίνη, λαμινίνη, πρωτεογλυκάνες, ινώδες / ινωδογόνο Στρωμαλυσίνη-4 (RASI) ΜΜΡ-19 12q14 Κολλαγόνο τύπου IV, ζελατίνη, λαμινίνη, ινονσυνδετίνη, tenascin, εντακτίνη, αγγρεκάνη, ινώδες/ ινωδογόνο Εναμελυσίνη (Enamelysin) ΜΜΡ-20 11q22.3 Αδαμαντινίνη (amelogenin), αγγρεκάνη ΧΜΜΡ (Xenopus) ΜΜΡ-21 Δεν έχει διευκρινισθεί CMMP (ορνίθια) -ανάλογο ανθρώπου ΜΜΡ- 22a,b/ ΜΜΡ-27 11q24 Δεν έχει διευκρινισθεί CA-MMP ΜΜΡ-23 1p36.3 Ζελατίνη Επίλυσίνη (Epilysin) ΜΜΡ-28 17q11.2 Δεν έχει διευκρινισθεί 21

23 Η ενεργοποίηση των MMPs Όλες οι MMPs παράγονται σε ανενεργό μορφή, απολύτως ανίκανη να διασπάσει οποιοδήποτε μόριο πρωτεΐνης. Είναι αναγκαία λοιπόν η ενεργοποίησή τους, ώστε να αποκτήσουν πρωτεολυτική ικανότητα. Η ενεργοποίηση αυτή μπορεί να γίνει με πρωτεινάσες ή in vitro με χημικές μεθόδους 63, όπως οξειδωμένη γλουταθειόνη, SDS, χαοτροπικά ιόντα και άλατα χρυσού. Χαμηλό ph και θερμική επεξεργασία μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε ενεργοποίηση. Όλοι αυτοί οι παράγοντες για να επιτύχουν ενεργοποίηση προκαλούν διαταραχή της αλληλεπίδρασης κυστείνης-ψευδαργύρου και «άνοιγμα» του «διακόπτη της κυστείνης» 64,65. Η πρακτική αξία του γεγονότος αυτού έγκειται στο ότι ένα φάρμακο που θα είχε παρόμοια δράση με το πεπτίδιο που περιέχει την κυστείνη θα μπορούσε να παρεμποδίσει την ενεργοποίηση της MMP. In vivo μετά την διαταραχή της αλληλεπίδρασης αυτής ακολουθεί ενεργοποίηση από μερικώς ενεργοποιημένα διαμεσολαβητικά μόρια των MMPs ή από άλλες ενεργές MMPs 66. Άρα το τελικό στάδιο της ενεργοποίησης πραγματοποιείται από μια MMP. Η εικόνα 6 παρουσιάζει σχηματικά την ενεργοποίηση αυτή από πρωτεινάσες ή μη πρωτεολυτικούς παράγοντες. 22

24 ΠΡΩΤΕΟΛΥΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ Πρωτεινάσες ΜΜP ΔΙΑΜΕΣΟΛΑΒΗΤΕΣ ΠΡΟ ΜΜP ΧΗΜΙΚΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΜΜP ΔΙΑΜΕΣΟΛΑΒΗΤΕΣ ΕΝΕΡΓΟΣ MMP XHMIKH ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ Εικ. 6. Οι δύο οδοί ενεργοποίησης των MMPs. Διακρίνεται ο «διακόπτης κυστείνης». Παρατηρήστε το ότι και οι δύο οδοί καταλήγουν σε τελική ενεργοποίηση από MMP διαμεσολαβητές. Η ενεργοποίηση των προ-mmps in vivo από την πλασμίνη είναι μια σχετική οδός. Η πλασμίνη παράγεται από το πλασμινογόνο με τη δράση του ιστικού παράγοντα ενεργοποίησης πλασμινογόνου και του παράγοντα ενεργοποίησης πλασμινογόνου της ουροκινάσης. Και οι δύο αυτοί παράγοντες ενεργοποίησης σχετίζονται με την κυτταρική μεμβράνη και άρα προκαλούν τοπική προ-mmp ενεργοποίηση. Η πλασμίνη έχει βρεθεί ότι ενεργοποιεί την προmmp-1, προmmp-3, προmmp-7, προmmp-9, προmmp-10 και προmmp Ο έλεγχος της δραστηριότητας των MMPs Η δραστηριότητα των ΜΜPs ελέγχεται τόσο σε μεταγραφικό όσο και σε μετα-μεταγραφικό επίπεδο. Πολλές MMPs ελέγχονται σε επίπεδο έκφρασης γονιδίων. Αυξητικοί παράγοντες, κυτταροκίνες, χημικοί παράγοντες καθώς και το στρες προάγουν την έκφραση των γονιδίων ενώ ο μετατρεπτικός αυξητικός παράγοντας (transforming growth factor, TGF-β), τα ρετινοικά οξέα και τα γλυκοκορτικοειδή μειώνουν την έκφραση αυτή 68. Τελευταίες μελέτες τονίζουν ότι όχι μόνο διαλυτά μόρια αλλά και αλληλεπιδράσεις κυττάρου-εξωκυτταρίου στρώματος και κυττάρου-κυττάρου έχουν ρόλο κλειδί στην επαγωγή των γονιδίων

25 Οι προάγουσες τη φλεγμονή κυτταροκίνες TNF-α και IL-1 προάγουν την έκφραση της MMP Η έκθεση σε UVB προάγει την γονιδιακή έκφραση των MMP-1, MMP-9 και MMP-3 σε ανθρώπειους δερματικούς ινοβλάστες 73. Οι περισσότερες MMPs εκφράζονται με τη μορφή ζυμογόνων και η δραστηριότητά τους σε μετα-μεταγραφικό επίπεδο ελέγχεται στον εξωκυττάριο χώρο μέσω συντονισμένου ελέγχου. Ένα σημαντικό στοιχείου του ελέγχου αυτού αποτελεί και η απενεργοποίηση των ενεργών ενζύμων από τους ειδικούς ιστικούς αναστολείς των MMPs (TIMPs). Οι ειδικοί ιστικοί αναστολείς των MMPs (TIMPs) Oι TIMPs είναι πρωτεΐνες που αναστέλλουν ειδικά τις MMPs και αποτελούν τους κύριους ενδογενείς ιστικούς ρυθμιστές της δραστηριότητάς τους. Μέχρι σήμερα έχουν ανιχνευθεί 4 ομόλογες TIMPs (TIMPs-1 έως -4) 74. Αποτελούνται από δύο διακριτά δομικά και λειτουργικά τμήματα. Το Ν-τελικό τμήμα από μόνο του είναι ικανός αναστολέας όλων των MMPs μέσω αλληλεπιδράσεων με το καταλυτικό τους τμήμα 75. Το C-τελικό τμήμα έχει τουλάχιστον δύο θέσεις για σύνδεση ενζύμου, μια για τη ζελατινάση Α και μια για τη στρωμαλυσίνη 1. Ο βαθμός αναστολής για κάθε ένζυμο αυξάνεται ανάλογα με την αλληλεπίδρασή του με το C-τελικό αυτό τμήμα (Εικ. 7). Οι TIMPs αναστέλλουν όλες τις μέχρι σήμερα γνωστές MMPs με την εξαίρεση του TIMP-1 που δεν αναστέλλει την MT1-MMP 76. Η αναστολή αυτή επιτυγχάνεται με μη αντιστρεπτό τρόπο με το σχηματισμό στοιχειομετρικού συμπλόκου 1:1 με τις ενεργείς MMPs. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του TIMP-3 είναι ότι συνδέεται ισχυρά με τις θειούχες γλυκοζαμινογλυκάνες (GAGs) 77. Η έκφραση των TIMPs αυξάνεται από κυτταροκίνες (ΙL-1, -6, -11), αυξητικούς παράγοντες (TGF-β), ορμόνες και ρετινοειδή 78,79. Η ισορροπία MMPs/TIMPs είναι ιδιαίτερα κρίσιμη για την εύρυθμη αναδιαμόρφωση του συνδετικού ιστού και φαίνεται ότι η διαταραχή της εμπλέκεται σε πολλά νοσήματα. Η συμμετοχή της στο δέρμα και τη νοσολογία του θα συζητηθεί στη συνέχεια της παρούσης διπλωματικής εργασίας. 24

26 Εικ. 7. Τρισδιάστατο μοντέλο της αναστολής των MMPs από TIMPs. Απεικονίζεται η TIMP- 2 και το καταλυτικό τμήμα της MT1-MMP. Αριστερά επάνω απεικονίζεται η TIMP-2 ενώ αριστερά κάτω το καταλυτικό τμήμα της MT1-MMP. Οι β-πτυχές ονομάζονται από A J και οι α-έλικες από 1-4. Το σημείο της αλληλεπίδρασης με το καταλυτικό τμήμα απεικονίζεται μέσα στο τετράγωνο. Ο καταλυτικός Zn απεικονίζεται ως μια ροζ σφαίρα. Τα καταλυτικά μόρια κυστείνης απεικονίζονται με Cys. Στα δεξιά της εικόνας φαίνεται το τελικό σύμπλοκο που σχηματίζεται με στοιχειομετρία 1:1. Οι MMPs και TIMPs στο δέρμα και τη νοσολογία του Ο ρόλος των MMPs και των TIMPs στο δέρμα είναι ιδιαίτερα σημαντικός. Θα αναφερθούν σημαντικά παραδείγματα για το ρόλο αυτό στη νοσολογία του δέρματος. Το βασικοκυτταρικό καρκίνωμα του δέρματος (BCC) είναι ο πιο συχνός δερματικός όγκος στους ανθρώπους, κυρίως τους ηλικιωμένους και έχει άμεση αιτιολογική σχέση με την αθροιστική έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία και κυρίως στη UVB ακτινοβολία 80. Το ακανθοκυτταρικό καρκίνωμα (SCC) είναι κακοήθης όγκος των κερατινοκυττάρων της ακανθωτής στοιβάδας της επιδερμίδας. Είναι ο δεύτερος συχνότερος δερματικός όγκος και έχει αποδεδειγμένα άμεση αιτιολογική σχέση με την αθροιστική έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία 81,82. Οι μέχρι τώρα μελέτες έχουν 25

27 αποδείξει την εκτεταμένη καταστροφή μορίων του εξωκυττάριου στρώματος όπως της ινωδονεκτίνης και της λαμινίνης κατά τη διάρκεια της επιθηλιακής κυτταρικής διείσδυσης του όγκου 83. Επίσης έχει διαπιστωθεί η καταστροφή του φυσιολογικού στρώματος του κολλαγόνου και η αποδιοργάνωσή του από τις κολλαγονάσες, φαινόμενο που έχει ιδιαίτερη σημασία για τη διεισδυτική ικανότητα του όγκου 84. Οι μεταλλοπρωτεάσες MMP 1 και MMP 3 είναι επίσης αυξημένες. Συγκεκριμένα οι MMP-2 και MMP-9 δείχνουν αυξημένη έκφραση στο βασικοκυτταρικό καρκίνωμα 85. Επίσης οι αναστολείς των MMPs, οι TIMPs, έχουν βρεθεί αυξημένες στο βασικοκυτταρικό καρκίνωμα. Σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη η κύρια αναστολή των MMPs οφείλεται στην αυξημένη έκφραση του TIMP-1. Στατιστικώς σημαντικά υψηλότερα επίπεδα του TIMP-2 έχουν βρεθεί σε λιγότερο διεισδυτικά BCC σε σύγκριση με διεισδυτικά BCC και SCC 86. Στο SCC σε όλα τα όργανα εκφράζονται πολλές MMPs 87. Το επίπεδο της ενεργής MMP-2 μπορεί να εξυπηρετήσει ως προγνωστικός παράγοντας της μεταστατικής δύναμης του όγκου στο SCC της στοματικής κοιλότητας 88. Επίσης η αυξημένη ενεργότητα των MMP-2 και -9 έχει συσχετιστεί με αυξημένη διεισδυτικότητα στο SCC και μικρότερο διάστημα ελεύθερο νόσου 89,90, ενώ το επίπεδο των MMP-2 και -9 είχε στατιστικώς σημαντική αυξημένη έκφραση στο δερματικό SCC σε σύγκριση με το BCC 91. Γενικά οι TIMPs δείχνουν μια δραστηριότητα αυξητικών παραγόντων και αναστέλλουν τον ογκογενετικό και μεταστατικό φαινότυπο των καρκινικών κυττάρων 92. Μη επουλωμένα έλκη φαίνεται να αναπτύσσουν ένα μικροπεριβάλλον πλούσιο σε MMPs, που μάλλον οδηγεί σε αποτυχία της επιτυχούς φυσιολογικής επούλωσης. Το μελάνωμα είναι ένα άλλο χαρακτηριστικό παράδειγμα. Μεταναστευτικά ενδοθηλιακά κύτταρα παράγουν MMPs, που φαίνονται να είναι απαραίτητες για τον κατακερματισμό της βασικής μεμβράνης και του εξωκυτταρίου στρώματος 93. Αναστολή της ενδογενούς MMP-2 σε ανθρώπινα κύτταρα μελανώματος οδήγησε σε αυξημένη κυτταρική συνοχή 94. Ο ρόλος των MMPs και TIMPs στην γήρανση του δέρματος παρόλα αυτά δεν έχει μελετηθεί επαρκώς και μένουν ακόμη πολλά αναπάντητα ερωτήματα που έχουν να κάνουν με τις διαφορές ενδογενούς και εξωγενούς δερματικής γήρανσης και με την συμμετοχή των μορίων αυτών στην αναδιαμόρφωση του εξωκυτταρίου στρώματος. Τα μέχρι σήμερα γνωστά δεδομένα παρουσιάζονται σε άλλο κεφάλαιο της παρούσης εργασίας. Η σύγχρονη θεραπευτική σε συνάρτηση με MMPs και TIMPs Ο σχεδιασμός συνθετικών ειδικών αναστολέων για τις MMPs είναι στόχος τόσο του παρόντος όσο και του μέλλοντος. Η δημιουργία συνθετικών αναστολέων των MMPs τα τελευταία χρόνια έχει πραγματοποιηθεί και οι αναστολείς αυτοί βρίσκονται σε ποικίλα στάδια κλινικών δοκιμών. Δύο από αυτούς τους αναστολείς, η μπατιμαστάτη και η μαριμαστάτη έφτασαν μέχρι το 3 στάδιο των κλινικών δοκιμών, αλλά τελικά χωρίς επιτυχία. Η μπατιμαστάτη είναι ένας χαμηλού μοριακού βάρους αναστολέας της δραστηριότητας των MMPs. Φαίνεται να αναστέλλει την αύξηση του όγκου σε ποντίκια χωρίς θύμο με μελάνωμα 95. Η μαριμαστάτη ανήκει στη δεύτερη γενεά των χαμηλού μοριακού βάρους αναστολέων της δραστηριότητας των MMPs. Φαίνεται ότι και αυτή αναστέλλει την ανάπτυξη του μελανώματος στο προαναφερθέν ζωικό μοντέλο 96. Οι κλινικές δοκιμές και η προσπάθεια για ανάπτυξη ειδικότερων αναστολέων είναι κάτι που θα απασχολήσει τη σύγχρονη φαρμακολογία στο μέλλον. 26

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΟΙ ΓΛΥΚΟΖΑΜΙΝΟΓΛΥΚΑΝΕΣ ΚΑΙ ΠΡΩΤΕΟΓΛΥΚΑΝΕΣ Οι γλυκοζαμινογλυκάνες Οι γλυκοζαμινογλυκάνες (glycosaminoglycans, GAGs) είναι όξινοι, γραμμικοί ετεροπολυσακχαρίτες, που περιέχουν μια επαναλαμβανόμενη δισακχαριτική μονάδα, η οποία αποτελείται από μια Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη ή Ν- ακετυλογαλακτοζαμίνη και από ένα γλυκουρονικό ή ιδουρονικό οξύ (Εικ. 8). Βρίσκονται κύρια στην επιφάνεια των κυττάρων και στο εξωκυττάριο στρώμα. ~1 nm ΓΛΥΚΟΥΡΟΝΙΚΟ/ ΙΔΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ N-ΑΚΕΤΥΛΟΓΛΥΚΟΖΑΜΙΝΗ/ ΓΑΛΑΚΤΟΖΑΜΙΝΗ Εικ. 8. Η επαναλαμβανόμενη δισακχαριτική μονάδα από την οποία αποτελούνται οι GAGs. Εξαιτίας του καρβοξυλικού οξέος και των σουλφυδρυλικών ομάδων, οι GAGs είναι ιδιαίτερα αρνητικά φορτισμένες. Η ιδιότητα αυτή προσδίδει στις GAGs την ικανότητα να ελκύουν κατιόντα, κυρίως νατρίου, που τις επιτρέπει να κατακρατούν μεγάλες ποσότητες νερού. Αυτό προσδίδει στο εξωκυττάριο στρώμα την δυνατότητα να αντέχει σε συμπιεστικές δυνάμεις, σε αντίθεση με το κολλαγόνο που προσδίδει αντοχή σε εκτατικές δυνάμεις. Επίσης ρυθμίζουν την διάχυση των μακρομορίων στο συνδετικό ιστό. Οι GAGs ανάλογα με τη σύστασή τους, τον τύπο του δεσμού μεταξύ των σακχάρων, το μήκος τους και τον αριθμό και τη θέση των σουλφυδρυλικών ομάδων διακρίνονται στο υαλουρονικό οξύ, την ηπαρίνη/θειική ηπαράνη, τη θειική χονδροιτίνη, τη θειική δερματάνη και τη θειική κερατάνη (Εικ. 9) Τα πολυμερή των GAGs είναι ιδιαίτερα μεγάλα με μοριακό βάρος από σε σύγκριση με το κολλαγόνο με μοριακό βάρος Οι GAGs αποτελούν τους πιο άφθονους πολυσακχαρίτες στον οργανισμό. Ανιχνεύονται σε διάφορου ιστούς με διαφορετική κατανομή. Τα χαρακτηριστικά τους και η κατανομή τους στους διάφορους ιστούς συνοψίζονται στον Πίνακα ΙΙ. 27

29 6 ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΚΕΡΑΤΑΝΗ ΗΠΑΡΙΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΔΕΡΜΑΤΑΝΗ ΥΑΛΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ Εικ. 9. Οι γλυκοζαμινογλυκάνες. 28

30 Πίνακας ΙΙ. Οι GAGs με τα χαρακτηριστικά και την ιστική κατανομή τους GAG ΥΑΛΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ 4 ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ 6 ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΔΕΡΜΑΤΑΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΗΠΑΡΑΝΗ ΜΟΡΙΑΚΟ ΒΑΡΟΣ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΟΣ ΔΙΣΑΚΧΑΡΙΤΗΣ (Α-Β) n A B *10 6 D-ΓΛΥΚΟΥΡΟΝΙΚΌ ΟΞΥ N-ΑΚΕΤΥΛ-D- ΓΛΥΚΟΖΑΜΊΝΗ D-ΓΛΥΚΟΥΡΟΝΙΚΌ ΟΞΥ N-ΑΚΕΤΥΛ-D- ΓΑΛΑΚΤΟΖΑΜΊΝΗ D-ΓΛΥΚΟΥΡΟΝΙΚΌ ΟΞΥ N-ΑΚΕΤΥΛ-D- ΓΑΛΑΚΤΟΖΑΜΊΝΗ D-ΓΛΥΚΟΥΡΟΝΙΚΌ ΟΞΥ N-ΑΚΕΤΥΛ-Dή L-ΙΔΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ ΓΑΛΑΚΤΟΖΑΜΊΝΗ D-ΓΛΥΚΟΥΡΟΝΙΚΌ ΟΞΥ N-ΑΚΕΤΥΛ-Dή L-ΙΔΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ ΓΛΥΚΟΖΑΜΊΝΗ ΗΠΑΡΙΝΗ D-ΓΛΥΚΟΥΡΟΝΙΚΌ ΟΞΥ N-ΑΚΕΤΥΛ-Dή L-ΙΔΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ ΓΛΥΚΟΖΑΜΊΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΚΕΡΑΤΑΝΗ D-ΓΑΛΑΚΤΟΖΗ N-ΑΚΕΤΥΛ-D- ΓΛΥΚΟΖΑΜΊΝΗ ΕΝΩΣΗ ΜΕ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ ΟΧΙ ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΣΤΟΥΣ ΙΣΤΟΥΣ ΔΕΡΜΑ, ΑΡΘΡΙΚΟ ΥΓΡΟ, ΥΑΛΟΕΙΔΕΣ ΥΓΡΟ, ΧΟΝΔΡΟΣ ΔΕΡΜΑ, ΟΣΤΑ, ΑΡΤΗΡΙΕΣ ΔΕΡΜΑ, ΟΣΤΑ, ΑΡΤΗΡΙΕΣ ΔΕΡΜΑ, ΑΓΓΕΙΑ, ΚΑΡΔΙΑ, ΚΑΡΔΙΑΚΕΣ ΒΑΛΒΙΔΕΣ ΠΝΕΥΜΟΝΕΣ, ΑΡΤΗΡΙΕΣ, ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΠΝΕΥΜΟΝΕΣ, ΗΠΑΡ, ΔΕΡΜΑ, ΜΑΣΤΟΚΥΤΤΑΡΑ ΧΟΝΔΡΟΣ, ΚΕΡΑΤΟΕΙΔΗΣ, ΟΣΤΑ Ο ρόλος των GAGs είναι πολλαπλός και σχετίζεται άμεσα με τον ιστό στον οποίο ανιχνεύονται. Ήδη αναφέρθηκε ότι σχηματίζουν ένα ιδιαίτερα ενυδατωμένο κολλοειδές υπόστρωμα, που απορροφά δυνάμεις πιέσεως προσδίδοντας έτσι το χαρακτηριστικό της αντοχής σε πίεση και διαμορφώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες του συνδετικού ιστού. Βοηθούν επίσης και στην οργάνωση του εξωκυττάριου χώρου συνδέοντας μεταξύ τους βασικά συστατικά όπως το κολλαγόνο, τη λαμινίνη και την ινονεκτίνη. Ελέγχουν επίσης τη διάχυση των θρεπτικών ουσιών, των μεταβολιτών, των ορμονών και των παραγόντων αύξησης. Τέλος συμμετέχουν στις αλληλεπιδράσεις των κυττάρων με άλλα κύτταρα και με το εξωκυττάριο στρώμα και ρυθμίζουν τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό, την κυτταρική μετανάστευση και την κυτταρική διαφοροποίηση 97. Το υαλουρονικό οξύ Το υαλουρονικό οξύ είναι η πιο απλή γλυκοζαμινογλυκανή σε δομή. Γενικά δεν συνδέεται με καμία άλλη πρωτεΐνη-πυρήνα για να σχηματίσει πρωτεογλυκάνες. Συντίθεται από τις συνθάσες του υαλουρονικού και αποδομείται από την υαλουρονιδάση. Βρίσκεται σε ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις στον συνδετικό ιστό. Στην εικόνα 10 φαίνεται σε τρισδιάστατο μοντέλο η δομή του. 29

31 Εικ. 10. Το τρισδιάστατο μοντέλο της δομής του υαλουρονικού οξέος στο εξωκυττάριο στρώμα. Διακρίνονται οι α-έλικες και το Ν- και C- άκρο. Οι πρωτεογλυκάνες Με εξαίρεση το υαλουρονικό οξύ, οι περισσότερες GAGs είναι συνδεδεμένες σε πρωτεΐνες. Η σύνδεση αυτή γίνεται μέσω ενός ειδικού τρισακχαρίτη που περιέχει 2 γαλακτόζες και μια ξυλόζη και συνδέει την GAG με Ο-γλυκοσιδικό δεσμό σε μια σερίνη ή θρεονίνη της πρωτεϊνικής αλυσίδας (Εικ. 11). Για αυτό το λόγο οι πρωτεΐνες στις οποίες συνδέονται οι GAGs είναι πλούσιες σε σερίνη και θρεονίνη, γεγονός που επιτρέπει τη σύνδεση των GAGs σε πολλαπλά σημεία του πρωτεϊνικού κορμού. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζονται οι πρωτεογλυκάνες (proteoglycans, PGs) που αποτελούνται από ένα πρωτεϊνικό κορμό από τον οποίο εκτείνονται κάθετα οι GAGs (Εικ. 12). 30

32 ΣΕΡΙΝΗ ΞΥΛΟΖΗ ΓΑΛΑΚΤΟΖΗ ΓΑΛΑΚΤΟΖΗ ΓΛΥΚΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ ΠΡΩΤΕΙΝΗ ΚΟΡΜΟΣ ΤΡΙΣΑΚΧΑΡΙΤΙΔΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ Εικ. 11. Σχηματικό μοντέλο της σύνδεσης GAG και πρωτεΐνης κορμού. Διακρίνεται ο τρισακχαριτικός ειδικός δεσμός. Το υαλουρονικό οξύ έχει τη δυνατότητα να συνδέει μεταξύ τους πολλά μόρια πρωτεογλυκανών, σχηματίζοντας χαρακτηριστικά συσσωματώματα πρωτεογλυκανών με τεράστιο μοριακό βάρος (Εικ. 12) 31

33 1 μm ΣΥΣΣΩΜΑΤΩΜΑ ΠΡΩΤΕΟΓΛΥΚΑΝΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΗ ΚΟΡΜΟΣ ΣΥΝΔΕΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ ΥΑΛΟΥΡΟΝΙΚΟ ΟΞΥ ΘΕΙΙΚΗ ΚΕΡΑΤΑΝΗ (GAG) ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ (GAG) Εικ. 12. Στην εικόνα φαίνονται η χαρακτηριστική δομή των πρωτεογλυκανών αλλά και η δυνατότητα του υαλουρονικού οξέος να συνδέει μεταξύ τους πολλά μόρια πρωτεογλυκανών, σχηματίζοντας χαρακτηριστικά συσσωματώματα πρωτεογλυκανών. Στο δέρμα υπάρχουν διάφορες πρωτεογλυκάνες με διαφορετικά μοριακά βάρη που αποτελούνται από διάφορες γλυκοζαμιμογλυκάνες (Εικ. 13). Συνοπτικά θα περιγραφούν κάποιες από αυτές με χαρακτηριστικές εικόνες ενώ στον πίνακα III καταγράφονται κάποιες κοινές πρωτεογλυκάνες με τις ιδιότητες τους, όπως το μοριακό τους βάρος και η τοπογραφία τους. Αγκρεκάνη Η αγκρεκάνη αποτελείται από θειική χονδροιτίνη και θειική κερατάνη. Συνήθως περισσότερα από 100 μονομερή αγκρεκάνης συνδέονται σε συσσωματώματα πολύ μεγάλου μοριακού βάρους με το υαλουρονικό οξύ. Συνδεκάνη Η συνδεκάνη είναι μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη με το Ν-άκρο της έξω από την κυτταρική μεμβράνη ενώ το C-άκρο της συνδέεται ενδοκυττάρια με ακτίνη (Εικ. 14). 32

34 ΒΕΡΣΙΚΑΝΗ ΣΕΡΓΛΥΚΙΝΗ ΓΕΝΙΚΗ ΔΟΜΗ ΠΡΩΤΕΟΓΛΥΚΑΝΗΣ ΝΤΕΚΟΡΙΝΗ ΣΥΝΔΕΚΑΝΗ Εικ. 13. Σχηματικά η δομή ορισμένων από τις πιο κοινές πρωτεογλυκάνες καθώς και η γενική δομή μιας πρωτεογλυκάνης για συγκριτικούς λόγους. Παρατηρήστε ότι η συνδεκάνη είναι συνδεδεμένη με την κυτταρική μεμβράνη. 33

35 ΘΕΙΙΚΗ ΗΠΑΡΑΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟ ΣΤΡΩΜΑ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ Εικ. 14. Η σχηματική δομή της συνδεκάνης. Πίνακας III. Κοινές πρωτεογλυκάνες με τις ιδιότητές τους PG Μ.Β. ΤΗΣ ΠΡΩΤΕΪΝΗΣ ΚΟΡΜΟΥ ΤΥΠΟΣ GAGs ΑΡΙΘΜΟΣ GAG ΑΛΥΣΕΩΝ ΑΓΚΡΕΚΑΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ ΒΗΤΑ ΓΛΥΚΑΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΚΕΡΑΤΑΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΔΕΡΜΑΤΑΝΗ ΝΤΕΚΟΡΙΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΔΕΡΜΑΤΑΝΗ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 130 ΧΟΝΔΡΟΣ, ΔΕΡΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΤΗΡΙΞΗ 1 ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΚΑΙ ΣΤΡΩΜΑ 1 ΔΙΑΣΠΑΡΤΗ ΣΤΟ ΣΥΝΔΕΤΙΚΟ ΙΣΤΟ ΠΕΡΛΕΚΑΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΗΠΑΡΑΝΗ 2-15 ΒΑΣΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΣΥΝΔΕΚΑΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΧΟΝΔΡΟΙΤΙΝΗ ΘΕΙΙΚΗ ΗΠΑΡΑΝΗ 1-3 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΠΙΘΗΛΙΑΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΕ TGF-β ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΕ TGF-β ΚΑΙ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟ Ι ΔΟΜΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΜΕ ΔΙΗΘΗΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΥΤΤΑΡΩΝ, ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ FGF Στη δερματική γήρανση η μελέτη των γλυκοζαμινογλυκανών και πρωτεογλυκανών μέχρι σήμερα είναι αποσπασματική και ανεπαρκής. Τα μέχρι τώρα δεδομένα θα αναπτυχθούν σε άλλο κεφάλαιο της παρούσης εγασίας. 34