氣道黏液高分泌機制研究進展

倪 圣，丁建中

（長江大學醫(yī)學院，湖北 荊州434023）

氣道黏液高分泌（Mucus hypersecretion，MH）是指黏蛋白基因調(diào)節(jié)、生物合成、分泌釋放等全過程，細菌成分、細胞因子、炎癥介質(zhì)等引起氣道MH的本質(zhì)是黏蛋白（mucin，MUC）基因過度表達和黏液分泌細胞的增生。各種危險因素導致的氣道MH成為慢性阻塞性肺疾?。–hronic obstructive pul monar y disease，COPD）、支氣管哮喘及肺囊性纖維化等病情和預后的獨立危險因素［1］。世界衛(wèi)生組織（WHO）報告顯示COPD因患病人數(shù)多、病死率高，在2020年將成為世界疾病經(jīng)濟負擔的第5位。研究細胞因子、炎癥介質(zhì)刺激MUC基因的病理性活化機制，將為尋找干預或抑制MUC基因過度激活的藥物提供新策略。本文綜述影響氣道MH的主要因素及其機制研究進展。

1 氣道黏液

氣道杯狀細胞、黏膜下腺體和Clara細胞是氣道黏分泌的主要細胞，黏液中水≥95%，2%～3%為黏蛋白，0.1%～0.5%為蛋白質(zhì)，0.3%～0.5%為脂質(zhì)和1%的無機鹽等。已發(fā)現(xiàn)的21種黏液素（Mucin，MUC）基因編碼合成富含多肽骨架和寡糖鏈的高糖基化的高分子大家族是黏液的重要成分，其所含硫酸和唾液酸等不同而決定MUC的黏性、黏彈性和潤滑性等。MUC的生物合成需6～24h，但在促分泌劑激發(fā)情況下可在數(shù)秒鐘內(nèi)分泌MUC，而MUC基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)則需數(shù)分鐘至數(shù)小時。主要由氣道杯狀細胞分泌的MUC5 AC基因定位于人染色體11p15.5，并可作為杯狀細胞增生的標志［2］。

氣道黏液分為黏液層及漿液層：位于表層的粘性較高的、厚5～10μm的黏液層主要由杯狀細胞分泌，位于下層厚約5μm粘性較低的漿液層由黏膜下腺體分泌，而纖毛浸浴在漿液層內(nèi)，并共同組成“纖毛－黏液毯”防御屏障。每個氣道上皮纖毛細胞約有200根纖毛并以1000～15000次／min定向協(xié)調(diào)向前擺動，促使黏液層捕獲的微生物及顆粒物質(zhì)從氣道中清除。氣道杯狀細胞主要分布于近端氣道而遠端氣道較少的特點保證了黏液主要形成于高位氣道，利于黏液及時粘附和捕獲進入氣道的有害物質(zhì)或病菌以便于黏液的清除，并防止黏液陷入（終末）細支氣管和肺泡而引起阻塞。

2 影響氣道MH的主要因素

2.1 病原相關(guān)分子模式

病原相關(guān)分子模式（Pat hogen associated molecular patter m，PA MP）是一類或一群特定微生物病原體（及其產(chǎn)物）共有的某些非特異性、高度保守且對其生存和致病性必要的分子結(jié)構(gòu)，并可被固有免疫細胞的模式識別受體（Patter n－recognition receptor，PRR）所識別。PRR是一類主要表達于固有免疫細胞表面、非克隆性分布、可識別一種或多種PA MP的識別分子，是啟動免疫細胞活化和炎性信號轉(zhuǎn)導的重要分子。PA MP主要包括革蘭陰性菌（G－）的脂多糖（lipopol ysaccharide，LPS）、革蘭陽性菌（G＋）菌的磷壁酸（Lipoteichoic acid，LTA）和肽聚糖（Peptidoglycan，PGN）等。LPS由脂質(zhì)A、核心多糖和特異性多糖三部分組成，脂質(zhì)A為一種糖磷脂，由β1，6－糖苷鍵相連的D－氨基葡萄糖雙糖組成的基本骨架，雙糖骨架的游離羥基和氨基可攜帶多種長鏈脂肪酸和磷酸基團，是內(nèi)毒素的毒性和生物學活性的主要成分。

PA MP僅由病原微生物產(chǎn)生而宿主細胞不產(chǎn)生PA MP，故PA MP成為機體固有免疫系統(tǒng)區(qū)分“自己”與“非已”的結(jié)構(gòu)標志之一。由親水性多糖和疏水性類脂構(gòu)成的LPS是G－的主要致病因子，又是極強的刺激黏液高分泌因子。Ynagahi等報道，向小鼠氣管注入綠膿桿菌LPS后第2天腫瘤壞死因子－a（Tu mor nacr osis f actor－a，TNF－a）、白細胞介素－1β（Interl ukin－1β，IL－1β）及IL－8水平達到高峰，第4天和第7天逐漸下降；LPS刺激后第4天氣道MUC5 AC mRNA表達和MUC5 AC蛋白水平達高峰、但第7天開始下降，氣道黏液分泌的高峰（第4天）滯后于肺部炎癥反應的高峰（第2天）。LPS作為PA MP被宿主氣道和肺泡腔內(nèi)肺泡巨噬細胞膜上的Toll樣受體4（Toll－like receptor4，TRL4）所識別，啟動并活化表皮生長因子受體（Epthelia gro wt h factor receptor，EGFR），通過EGFR下游p44／42 MAPK、MEK磷酸化級聯(lián)反應而促進 MUC5 AC mRNA的表達；也可通過－c Src－Ras－Raf1途徑活化MEK1／2與ERK磷酸化，激活90k Da核糖體S6激酶（pp90rsk），并進而活化核轉(zhuǎn)錄因子κB（Nucleal factor－κB，NF－κB）結(jié)合至 MUC順式反應元件－1452／－1436位點上，啟動 MUC5 AC mRNA轉(zhuǎn)錄［3］。地塞米松可能通過抑制肺組織TLR4 mRNA及其蛋白的表達而抑制氣道黏液高分泌。

G＋菌的LTA是由核糖醇或甘油殘基經(jīng)磷酸二脂鍵相互連接的多聚物，多個LTA分子組成長鏈穿插于細菌細胞壁的肽聚糖層中，按其結(jié)合部位可分為壁磷壁酸和膜磷壁酸。LTA與固有免疫細胞細胞膜上的Toll樣受體結(jié)合，引起G蛋白介導的基質(zhì)金屬酶ADA M10活化，活化后的ADAM10水解結(jié)合肝素的表皮生長因子（Epthelia gr owt h factor，EGF），進而通過EGFR途徑引起氣道黏液高分泌。

2.2 中性粒細胞彈性蛋白酶

中性粒細胞彈性蛋白酶（Neutr ophil elastase，NE）是由中性粒細胞編碼合成的、儲存于胞內(nèi)嗜天青顆粒中的含21個氨基酸殘基和4個二硫鍵的單鏈糖蛋白，屬于絲氨酸蛋白酶超家族，其基因定位于1號染色體短臂末端。生理狀態(tài)下，NE參與殺滅G－桿菌；炎癥狀態(tài)下NE可激活前明膠酶原（一種金屬蛋白酶原）并降解膠原蛋白，破壞血管內(nèi)皮細胞基膜及內(nèi)皮上皮細胞間緊密連結(jié)而利于炎癥細胞向組織浸潤。NE可以上調(diào)中性粒細胞NF－κB活性，誘導細胞釋放IL－6、IL－8等多種炎性因子，進一步激活單核／巨噬細胞、淋巴細胞等分泌大量細胞因子，復雜的細胞因子網(wǎng)絡促使肺內(nèi)多形核白細胞大量趨化、聚集并放大炎癥“級聯(lián)瀑布”反應。在此過程中，NE可降解免疫球蛋白而減弱對病菌的清除率并增加感染；NE能損傷肺毛細血管內(nèi)皮細胞和肺泡上皮細胞、消化和降解細胞外基質(zhì)以及上皮連接結(jié)構(gòu)而利于病原菌黏附于氣道上皮細胞，成為參與和啟動急性肺損傷（ALI）炎癥級聯(lián)反應的終效應因子，從肺血管募集至氣道和肺泡腔的中性粒細胞成為慢性氣道疾病的主要炎性細胞；而炎性細胞活化呼吸爆發(fā)及細胞裂解時通過降解結(jié)締組織蛋白可引起難以修復的組織損傷。

體液中含有多種高濃度內(nèi)源性彈性蛋白酶抑制劑的生理功能是提供一種抗NE的保護屏障，以防過量NE對宿主組織的損傷。主要由肝細胞、肺泡巨噬細胞及上皮細胞合成的a1蛋白酶抑制劑（a1PI）是人血漿中最主要的蛋白酶抑制因子；分泌性白細胞蛋白酶抑制劑（SLPI）是一種嗜中性彈性蛋白酶陽離子抑制劑，肺內(nèi)SLPI主要由黏膜表面上皮細胞、Ⅱ型肺泡細胞、單核細胞、肺泡巨噬細胞等合成，在呼吸道上皮細胞表面發(fā)揮抗NE作用，并在抗NE介導的肺損傷中起重要作用。值得關(guān)注的是，NE在誘導氣道上皮杯狀細胞化生和黏膜下腺體增生的同時，可以通過延長轉(zhuǎn)錄后MUC5 AC mRNA半衰期，或在轉(zhuǎn)錄后水平通過連續(xù)激活EGFR、蛋白激酶C、TNF－a轉(zhuǎn)化酶等以增強MUC5 AC mRNA的穩(wěn)定性［4－5］，成為MUC5 AC、MUC4高分泌的強烈刺激因子并呈時間依賴性。NE還通過蛋白溶解作用損壞氣道上皮細胞頂端細胞膜，使粘附于細胞頂端表面的黏液素分子分離脫落而致MUC分泌增多［6］；抑制EGFR磷酸化能抑制NE對MUC5 AC的表達調(diào)控［7］。

2.3 細胞因子

腫瘤壞死因子（Tu mor nacr osis f actor，TNF）、IL－1、IL－6等促炎細胞因子（Pr o－inflammatory cytokine）可刺激內(nèi)皮細胞和白細胞釋放炎性介質(zhì)（如一氧化氮、氧自由基等）；能促進血管內(nèi)皮細胞和白細胞表達黏附分子，增強白細胞與血管內(nèi)皮黏附并有助于白細胞滲出，吸引炎性細胞向炎癥部位聚集，增強呑噬、殺傷微生物，但同時釋放炎癥介質(zhì)并參與炎癥損傷。IL、TNF是能刺激氣道黏液腺體化生的細胞因子信號。

IL－1由多種細胞如單核／巨噬細胞、中性粒細胞、肝細胞）合成，可在局部或全身發(fā)揮廣泛的生物學效應，如發(fā)熱、促進免疫應答、參與炎癥反應、促進傷口愈合等。IL－1基因家族的主要成員包括IL－1a首先表達于細胞膜，后被酶解而分泌至胞外；此外IL－1a還具有胞內(nèi)分泌作用，可轉(zhuǎn)位于細胞核并發(fā)揮作用。而IL－1β首先表達為無活性的膜分子，然后被水解為分泌型分子，并可與其受體結(jié)合而發(fā)揮生物學作用。IL－1受體（IL－1R）分為兩型：IL－1與Ⅰ型受體、繼而與IL－1R 輔佐蛋白（IL－1 receptor accessory pr otein，IL－1 RAc P）結(jié)合為復合物，并啟動信號轉(zhuǎn)導；如與Ⅱ型受體結(jié)合則表現(xiàn)為可負調(diào)節(jié)IL－1生物學活性。IL－1β可激活環(huán)氧化酶2／前列腺素E2或絲裂原－張力活化蛋白酶激酶1（mitogen and stress－activated kinase 1，MSK1）／c A MP等， 上 調(diào) H292 細 胞 MUC2 和 MUC5 AC mRNA水平；MUC2的－2627－2097及 MUC5AC的201－1為特異性結(jié)合蛋白1（Spcific protein 1，Sp1）的結(jié)合位點并促進MUC2、MUC5 AC轉(zhuǎn)錄。IL－13引起哮喘大鼠氣道杯狀細胞化生和MUC5 AC表達上調(diào)與活化Janus激酶（JAKs）、轉(zhuǎn)錄活化因子6（STAT 6）等信號分子相關(guān)；給予EGFR酪氨酸激酶抑制劑BIBX1522可抑制MUC5 AC表達［8］。

腫瘤壞死因子－a（Tu mor nacrosis factor a，TNF－a）由157個氨基酸組成的跨膜蛋白，是 TNF核心家族成員之一，各種免疫細胞、內(nèi)皮細胞等均可產(chǎn)生TNF－a。人TNF－a基因編碼凝前體蛋白，其信號肽將其蛋白固定于細胞膜表面，TNF－a以兩種不同的分子形式存在于體內(nèi)，一種是由233個氨基酸組成、分子質(zhì)量為26k Da的跨膜型TNF－a（t mTNF－a）；另一種是在局部或全身炎癥反應中，由t mTNF－a的胞外段被一種特異的含鋅金屬蛋白酶－TNF－a轉(zhuǎn)換酶（TACE）在肽鏈的762 Vall77帶切割后，從細胞膜上脫落下來形成的17k Da含157個非糖基氨基酸的游離型或分泌型（s TNF－a）［9］。TNF受體（TNFR）表達于除紅細胞外的所有體細胞和多種腫瘤細胞表面，分為CD120a（TNFR1）和CD120b（TNFR2）兩型，TNF－a通過與TNFR1和TNFR2結(jié)合后，表達參與炎性反應和免疫應答、參與內(nèi)毒素休克、靜脈血栓形成和脈管炎等多重局部和系統(tǒng)生物活性。TNF－a是主要的炎性啟動因子，嚴重感染早期釋放的TNF－a作為一種內(nèi)源性致熱源引起發(fā)熱反應，誘導多形核白細胞、吞噬細胞在肺內(nèi)聚集并釋放氧自由基、溶酶體酶、炎癥介質(zhì)并放大細胞因子瀑布（Cytokine acsacde）效應，增加肺毛細血管通透性和損害內(nèi)皮細胞屏障功能而損傷肺實質(zhì)［10］。

NF－κB信號系統(tǒng)具有介導病原特異性免疫應答的損害作用和維持氣道局部內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的雙重作用。在TNF－a啟動子上存在NF－κB結(jié)合位點。TNF－a誘導炎癥和免疫調(diào)節(jié)基因的表達，通過TNFR1途徑促進NF－κB活化，而活化的NF－κB又能刺激TNF－a的產(chǎn)生，二者的正負反饋調(diào)節(jié)在誘導和增強細胞因子、炎癥因子、氧化應激相關(guān)酶基因表達和調(diào)控炎癥因子間的級聯(lián)放大效應中起重要作用，并與炎癥反應不斷擴大和持續(xù)相關(guān)。Takanashi等報道COPD患者痰中IL－10下降，但核因子κB（nuclear factorkappa B，NF－κB）可上調(diào)IL－10，并增強 NF－κB抑制物（I－κB）阻止 NF－κB與核結(jié)合或解離 NF－κB DNA復合物而抑制NF－κB活性，以加速炎癥因子LI－1、LI－6、LI－8等mRNA的降解而限制急性炎癥反應［11］。

已在哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)13種水通道蛋白（Aquaporin，AQP），AQP1、AQP5在氣道濕化、氣道黏液腺分泌、肺泡液在支氣管肺組織上皮和內(nèi)皮細胞間轉(zhuǎn)運中起重要作用。Song、Towne等發(fā)現(xiàn)AQP5基因敲除小鼠氣道黏膜下腺分泌液體蛋白含量較野生型小鼠明顯增加而氣道液分泌減少［12－13］。黃靜發(fā)現(xiàn)蛋白激酶C（PKC）參與TNF－a誘導大鼠氣管上皮細胞MUC5 AC蛋白的高表達［14］。劉維佳等報道大鼠氣管內(nèi)注射細菌LPS后可上調(diào)MUC5 AC表達，相關(guān)性分析顯示TNF－a與氣道黏液中MUC5 AC表達呈正相關(guān)，抗炎細胞因子IL－10與MUC5 AC呈負相關(guān)，提示“失控性炎癥”可能是氣道黏液高分泌發(fā)生的重要機制。王可等采用輕度COPD組8例、中重度17例胸外科手術(shù)病人離體標本經(jīng)RT－PCR、免疫組化、阿辛蘭－PAS染色檢測顯示，COPD患者氣道黏膜下腺AQP5表達降低、氣道上皮分泌的MUC5 AC以及黏膜下腺分泌的黏蛋白增加，諸多文獻報道AQP5功能下調(diào)可能是引起COPD患者氣道分泌的黏液水份含量下降的原因之一，即AQP5 mRNA表達與氣道上皮MUC5 AC mRNA表達負相關(guān)并成為研究熱點［15］。

3 抑制氣道MH的主要策略

3.1 阻斷黏蛋白的過量產(chǎn)生

減少誘導MUC產(chǎn)生的傳入信號、抑制激活黏蛋白基因表達的轉(zhuǎn)錄因子、控制黏蛋白生物合成機制等成為研究的熱點。有效抗感染的意義在于及時消除致病因子，下調(diào)中性粒細胞和免疫細胞產(chǎn)生細胞因子和放大炎性細胞因子瀑布（cytokine acsacde）效應，并減弱氣道杯狀細胞和腺體細胞增生等。近年報道NE特異性抑制劑Sivelestat可抑制波佛酯（40 mg／kg）處理的雄性白兔氣管肺灌洗液中90%的NE活性［16］，Sivelestat在日本第1個用于治療全身炎癥反應綜合征（SIRS）。阻斷黏蛋白高表達的生物大分子如血紅素加氧酶－1誘導劑姜黃素和丙丁酚、羅格列酮等顯示出良好的臨床應用前景。

3.2 改變黏液的流變能力

大量的黏液難以排出而儲留于氣管腔并形成黏液栓，可導致或加重氣道阻塞、病原菌易定植，抗生素難以滲入并在細菌駐留的黏液中達到殺菌濃度而導致反復感染和誘發(fā)細菌耐藥性。黏液是既有黏性（液體）又有彈性（固體）屬性的非牛頓流體，改變黏液黏性和彈性以提高清除效率、減少氣道阻塞和氣流限制以緩解癥狀。治療肺囊性纖維化病人常吸入高滲鹽來清除纖毛黏液以減少氣道阻塞，是由于高滲鹽能產(chǎn)生一種滲透梯度來刺激水分進入氣道表面，達到稀釋氣道黏液、增強纖毛功能、促進清除氣道粘滯的黏液并改善氣流效果。Derrien等發(fā)現(xiàn)并提出利用宿主體內(nèi)細菌可以分泌降解黏蛋白的蛋白酶的特點以尋求抑制氣道黏液高分泌和設想［17］。

4 展 望

氣道黏液為防止肺部病原顆粒的積累，維持氣道表面濕潤等提供了重要的防御屏障，而病原菌的病原相關(guān)分子模式、中性粒細胞彈性蛋白酶、細胞因子等導致的氣道黏液高分泌在哮喘、慢性阻塞性肺疾?。–OPD）、急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）等疾病發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。臨床提示通過阻斷特異細胞因子或細胞因子受體以減輕COPD局部炎癥反應的策略有待深入研究；研究細胞因子、炎癥介質(zhì)與黏蛋白基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和在病理狀態(tài)下的活化機制，將為尋找在不同環(huán)節(jié)干預或抑制黏蛋白基因過度激活的藥物、防止黏蛋白高分泌和治療慢性肺部等疾病提供新策略。

［1］Rogers DF.Physiology of air way mucus secretion and pathophysiology of hypersecretion［J］ .Respir Care，2007，52（9）：1134－1146.

［2］Zuhdiali mam M，Paizzaf M.Muc－5／5ac mucin messenger RNA and protein expression is a mar ker of goblet cell metaplasia in murine air ways［J］.Am J Respir Cell Molbiol，2000，22（3）：253－260.

［3］Lemjabbar H，Basbau m C.Platelet activating factor recept or and ADA M10 mediate responses to staphylococcus aureus in epithelial cells［J］.Nature Med，2002，8（1）：41－46.

［4］Voynow JA，F(xiàn)ischer BM，Malar key DE，et al.Neutrophil elastase induces mucus metaplasia in mouse lung［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2004，287：L1293－L1302.

［5］Judish A，Voy N，Lisa RY，et al.N eutr ophilelast ase in creases MUC5 AC mRNA and pr otein expression in respiratoryepithelial cells［J］.Am J physiol，1999，276：L835－L843.

［6］Fischer BM，Cuellar JG，Diehl M，et al.Neutrophil elastase increases MUC4 expression in nor mal hu man bronchial epithelial cells［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2003，284（4）：671－679.

［7］Kohri K，Ueki IF，Nadel JA，et al.Neutrophil elastase induces mucin product ion by ligand－dependent epider mal growth factor receptor activation［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2002，283（9）：L531－L540.

［8］Louahed J，Toda M，Jen J，et al.Interleukin－9 on regulates mucus expression in the air ways［J］.Am J Respir Cell Mol Biol，2000，22（6）：649－656.

［9］李濤，陳正望 .TNF－a在腫瘤中的作用［J］.現(xiàn)代生物醫(yī)學進展，2011，11（18）：3586－3588.

［10］Bautista MV，Yajun C，Ivanova VS，et al.IL－8 Regulates Mucin Gene Expression at the Posttranscriptional Level in Lung Epithelial Cells［J］.J Immunol，2009，183（3）：2159－2166.

［11］Busse PJ，Zhang TF，Sruvastava K，et al.Chronic exposure to TNF－a increases air way mucus gene expression in vivo［J］.J Allergy Clin Immunol，2005，116：1256－1263.

［12］Song KS，Lee WJ，Chung KC，et al.Interleukin－1βand tu mor necrosis factor－a induce MUC5 AC over expression through a mechanism involving ERK／p38 mitogen－activated protein K inases－MSK1－CREB activation in hu man air way epithelial cells［J］.J Biol Chem，2003，278（6）：23243－23250.

［13］Towne JE，Krane CM，Bachurski CJ，et al.Tu mor necrosis factor－a inhibits aquaporin 5 expression in mouse lung epithelial cells［J］.J Bio Chemistry，2001，276：18657－18664.

［14］黃靜，馮玉麟，劉春濤，等 .蛋白激酶C參與調(diào)節(jié)腫瘤壞死因子－a刺激大鼠氣管上皮細胞MUC5 AC蛋白的表達［J］.中華結(jié)核和呼吸雜志，2005，28（2）：130－131.

［15］王可，馮玉麟，文富強，等 .哮喘患者氣道上皮鈣激活的氯離子通道1表達增加與黏液高分泌［J］.中國呼吸與危重監(jiān)護雜志，2005，4（2）：96－99.

［16］牛秋紅，褚學英，崔小亮，等 .黏蛋白對氣道黏高分泌的抑制及其機制［J］.生物技術(shù)，2011，21（2）：90－94.

［17］Derrien M，van Passe MWJ，van de Bovenkamp JHB，et al.Mucin－bacteria interactions in the hu man oral cavity and digestive tract［J］.Gut Microbes，2010（1）：254－268.