Novel matrix metalloproteinases in intestinal inflammation and in cancer of the gastrointestinal tract

Matrix metalloproteinases (MMPs) comprise a family of 23 zinc-dependent human endopeptidases that can degrade virtually all components of the extracellular matrix (ECM). They are classified into eight subgroups according to their structure and into six subgroups based on their substrate-specificity. MMPs have been implicated in inflammation, tissue destruction, cell migration, arthritis, vascular remodeling, angiogenesis, and tumor growth and invasion. MMPs are inhibited by their natural inhibitors, tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs). Different MMPs function in the same tasks depending on the tissue or cancer subtype. I investigated the role of recently discovered MMPs, especially MMPs-19 and -26, in intestinal inflammation, in intestinal and cutaneous wound healing, and in intestinal cancer. Several MMPs and TIMPs were studied to determine their exact location at tissue level and to obtain information on possible functions of MMPs in such tissues and diseases as the healthy intestine, inflammatory bowel disease (IBD), neonatal necrotizing enterocolitis (NEC), pyoderma gangrenosum (PG), and colorectal as well as pancreatic cancers. In latent celiac disease (CD), I attempted to identify markers to predict later onset of CD in children and adolescents. The main methods used were immunohistochemistry, in situ hybridization, and Taqman RT-PCR. My results show that MMP-26 is important for re-epithelialization in intestinal and cutaneous wound healing. In colon and pancreatic cancers, MMP-26 seems to be a marker of invasive potential, although it is not itself expressed at the invasive front. MMP-21 is upregulated in pancreatic cancer and may be associated with tumor differentiation. MMPs-19 and -28 are associated with normal tissue turnover in the intestine, but they disappear in tumor progression as if they were protective markers . MMP-12 is an essential protease in intestinal inflammation and tissue destruction, as seen here in NEC and in previous CD studies. In patients with type 1 diabetes (T1D), MMPs-1, -3, and -12 were upregulated in the intestinal mucosa. Furthermore, MMP-7 was strongly elevated in NEC. In a model of aberrant wound repair, PG, MMPs-8, -9, and 10 and TNFα may promote ECM destruction, while absence of MMP-1 and MMP-26 from keratinocytes retards re-epithelialization. Based on my results, I suggest MMP-26 to be considered a putative marker for poor prognosis in pancreatic and colon cancer. However, since it functions differently in various tissues and tumor subtypes, this use cannot be generalized. Furthermore, MMP-26 is a beneficial marker for wound healing if expressed by migrating epithelial cells. MMP-12 expression in latent CD patients warrants research in a larger patient population to confirm its role as a specific marker for CD in pathologically indistinct cases. MMP-7 should be considered one of the most crucial proteases in NEC-associated tissue destruction; hence, specific inhibitors of this MMP are worth investigating. In PG, TNFα inhibitors are potential therapeutic agents, as shown already in clinical trials. In conclusion, studies of several MMPs in specific diseases and in healthy tissues are needed to elucidate their roles at the tissue level. MMPs and TIMPs are not exclusively destructive or reparative in tissues. They seem to function differently in different tissues. To identify selective MMP inhibitors, we must thoroughly understand the MMP profile (degradome) and their functions in various organs not to interfere with normal reparative functions during wound repair or beneficial host-response effects during cancer initiation and growth.

Matriksin metalloproteinaasit (MMP:t) ovat 23-jäseninen entsyymiperhe, jotka pystyvät pilkkomaan käytännössä kaikkia soluvälitilan proteiineja. Ne jaetaan rakenteen perusteella 8 alaryhmään ja substraattispesifisyyden perusteella 6 ryhmään. MMP:ien toiminta on liitetty tulehdukseen, kudostuhoon, solujen vaeltamiseen, niveltulehdukseen, verisuonten uudelleenrakentumiseen ja uudismuodostukseen, sekä kasvaimien kasvuun ja leviämiseen. MMP:ien toimintaa estävät niiden luonnolliset estäjät (TIMP:t). Eri MMP:ien toiminta riippuu kohdekudoksesta. Väitöskirjatyössäni tutkin viime vuosina eristettyjen MMP:ien toimintaa suoliston tulehduksissa, suolisto- ja ihohaavan paranemisessa sekä ruoansulatuskanavan syöpäsairauksissa. Tutkin useita MMP:eja ja TIMP:eja selvittääkseni niiden sijainnin kudostasolla ja lisätäkseni tietoa MMP:ien mahdollisesta toiminnasta eri solutyypeissä ja sairauksissa: terve suolisto, tulehduksellinen suolistosairaus, keskoslasten nekrotisoiva enterokoliitti, pyoderma gangrenosum-ihosairaus, ja paksusuolensyöpä sekä haimasyöpä. Lisäksi etsin mahdollisia merkkiaineita, joilla keliakiaoireisten lasten keliakia-diagnoosi voitaisiin varmistaa ennen diagnostisia löydöksiä ohutsuolikoepalassa. Päätutkimusmenetelminä käytettiin immunohistokemiaa, in situ-hybridisaatiota ja Taqman RT-PCR:ää. Tulokseni osoittavat, että MMP-26:a (matrilysiini-2) tarvitaan suolisto- ja ihohaavan paranemiseen. Paksusuolisyövässä ja haimasyövässä MMP-26 vaikuttaisi olevan sopiva merkkiaine levinneisyyden arviointiin, vaikka se ei itse ilmennykään leviämisrintamassa. MMP-21 esiintyminen lisääntyy haimasyövässä ja liittyy mahdollisesti kasvaimen erilaistumiseen. MMP-19 ja -28 (epilysiini) liittyvät suoliston limakalvon normaaliin uusiutumiseen, mutta ne häviävät kudoksesta paksusuolisyövässä ikään kuin ne olisivat suojelevia merkkiaineita . MMP-12 (metalloelastaasi) on olennainen proteaasi suoliston tulehduksissa ja kudostuhossa, kuten on huomattu aikaisemmissa keliakiatöissä ja nyt nekrotisoivassa enterokoliitissa. Nuoruusiän diabetesta sairastavilla MMP-1, -3 ja -12 ilmentyivät suoliston limakalvolla enemmän kuin kontrolleilla. MMP-7 on voimakkaasti koholla kudostasolla nekrotisoivassa enterokoliitissa. Huonosti paranevassa haavassa, jollainen pyoderma gangrenosum on, MMP-8, -9 ja -10 kuten TNFα saattavat lisätä haavapedin proteiinien tuhoa. MMP-1 sekä MMP-26 puuttuminen keratinosyyteistä taasen hidastaa haavan epitelisaatiota. Tuloksieni perusteella MMP-26 sopii huonon ennusteen merkkiaineeksi haimasyövässä ja paksusuolisyövässä mutta se toimii eri tavalla eri kudoksissa ja kasvaintyypeissä, joten tätä päätelmää ei voida yleistää. Lisäksi MMP-26 on hyödyllinen merkkiaine hyvin paraneville haavoille, mikäli sitä löytyy haavan reunan soluista. Jotta MMP-12 ilmentyminen voidaan todeta hyväksi merkkiaineeksi myöhemmin ilmentyvälle keliakialle suolioireisilla potilailla, tarvitsemme vielä lisätutkimuksia laajemmalla potilasmäärällä. MMP-7 on yksi olennaisimmista proteaaseista nekrotisoivan enterokoliitin aiheuttamassa kudostuhossa, joten sille spesifien proteaasinestäjien tutkiminen olisi aiheellista. Pyoderma gangrenosumissa TNFα-estäjät ovat sopivia lääkkeitä myös histologiselta kannalta, mikä onkin jo osoitettu kliinisissä kokeissa. Totean että usean MMP:n tutkimista tarvitaan eri sairauksissa ja terveissä kudoksissa, jotta voimme ymmärtää näiden proteaasien toimintaa kudostasolla. MMP:t tai TIMP:t eivät ainoastaan tuhoa tai korjaa kudosrakenteita. Ne näyttävät toimivan eri kudoksissa eri tavalla. Löytääksemme tehokkaita MMP:ien täsmäestäjiä hoitotarkoituksiin, meidän on ymmärrettävä MMP:ien profiili ja niiden toiminta eri elimissä ettemme, häiritsisi normaaleja korjaavia toimintoja haavan paranemisessa tai valkosolujen suorittamassa ensi vaiheen syöpäsolujen torjunnassa.