气道黏液高分泌机制研究进展

倪 圣，丁建中

（长江大学医学院，湖北 荆州434023）

气道黏液高分泌（Mucus hypersecretion，MH）是指黏蛋白基因调节、生物合成、分泌释放等全过程，细菌成分、细胞因子、炎症介质等引起气道MH的本质是黏蛋白（mucin，MUC）基因过度表达和黏液分泌细胞的增生。各种危险因素导致的气道MH成为慢性阻塞性肺疾病（Chronic obstructive pul monar y disease，COPD）、支气管哮喘及肺囊性纤维化等病情和预后的独立危险因素［1］。世界卫生组织（WHO）报告显示COPD因患病人数多、病死率高，在2020年将成为世界疾病经济负担的第5位。研究细胞因子、炎症介质刺激MUC基因的病理性活化机制，将为寻找干预或抑制MUC基因过度激活的药物提供新策略。本文综述影响气道MH的主要因素及其机制研究进展。

1 气道黏液

气道杯状细胞、黏膜下腺体和Clara细胞是气道黏分泌的主要细胞，黏液中水≥95%，2%～3%为黏蛋白，0.1%～0.5%为蛋白质，0.3%～0.5%为脂质和1%的无机盐等。已发现的21种黏液素（Mucin，MUC）基因编码合成富含多肽骨架和寡糖链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决定MUC的黏性、黏弹性和润滑性等。MUC的生物合成需6～24h，但在促分泌剂激发情况下可在数秒钟内分泌MUC，而MUC基因转录调节则需数分钟至数小时。主要由气道杯状细胞分泌的MUC5 AC基因定位于人染色体11p15.5，并可作为杯状细胞增生的标志［2］。

气道黏液分为黏液层及浆液层：位于表层的粘性较高的、厚5～10μm的黏液层主要由杯状细胞分泌，位于下层厚约5μm粘性较低的浆液层由黏膜下腺体分泌，而纤毛浸浴在浆液层内，并共同组成“纤毛－黏液毯”防御屏障。每个气道上皮纤毛细胞约有200根纤毛并以1000～15000次／min定向协调向前摆动，促使黏液层捕获的微生物及颗粒物质从气道中清除。气道杯状细胞主要分布于近端气道而远端气道较少的特点保证了黏液主要形成于高位气道，利于黏液及时粘附和捕获进入气道的有害物质或病菌以便于黏液的清除，并防止黏液陷入（终末）细支气管和肺泡而引起阻塞。

2 影响气道MH的主要因素

2.1 病原相关分子模式

病原相关分子模式（Pat hogen associated molecular patter m，PA MP）是一类或一群特定微生物病原体（及其产物）共有的某些非特异性、高度保守且对其生存和致病性必要的分子结构，并可被固有免疫细胞的模式识别受体（Patter n－recognition receptor，PRR）所识别。PRR是一类主要表达于固有免疫细胞表面、非克隆性分布、可识别一种或多种PA MP的识别分子，是启动免疫细胞活化和炎性信号转导的重要分子。PA MP主要包括革兰阴性菌（G－）的脂多糖（lipopol ysaccharide，LPS）、革兰阳性菌（G＋）菌的磷壁酸（Lipoteichoic acid，LTA）和肽聚糖（Peptidoglycan，PGN）等。LPS由脂质A、核心多糖和特异性多糖三部分组成，脂质A为一种糖磷脂，由β1，6－糖苷键相连的D－氨基葡萄糖双糖组成的基本骨架，双糖骨架的游离羟基和氨基可携带多种长链脂肪酸和磷酸基团，是内毒素的毒性和生物学活性的主要成分。

PA MP仅由病原微生物产生而宿主细胞不产生PA MP，故PA MP成为机体固有免疫系统区分“自己”与“非已”的结构标志之一。由亲水性多糖和疏水性类脂构成的LPS是G－的主要致病因子，又是极强的刺激黏液高分泌因子。Ynagahi等报道，向小鼠气管注入绿脓杆菌LPS后第2天肿瘤坏死因子－a（Tu mor nacr osis f actor－a，TNF－a）、白细胞介素－1β（Interl ukin－1β，IL－1β）及IL－8水平达到高峰，第4天和第7天逐渐下降；LPS刺激后第4天气道MUC5 AC mRNA表达和MUC5 AC蛋白水平达高峰、但第7天开始下降，气道黏液分泌的高峰（第4天）滞后于肺部炎症反应的高峰（第2天）。LPS作为PA MP被宿主气道和肺泡腔内肺泡巨噬细胞膜上的Toll样受体4（Toll－like receptor4，TRL4）所识别，启动并活化表皮生长因子受体（Epthelia gro wt h factor receptor，EGFR），通过EGFR下游p44／42 MAPK、MEK磷酸化级联反应而促进 MUC5 AC mRNA的表达；也可通过－c Src－Ras－Raf1途径活化MEK1／2与ERK磷酸化，激活90k Da核糖体S6激酶（pp90rsk），并进而活化核转录因子κB（Nucleal factor－κB，NF－κB）结合至 MUC顺式反应元件－1452／－1436位点上，启动 MUC5 AC mRNA转录［3］。地塞米松可能通过抑制肺组织TLR4 mRNA及其蛋白的表达而抑制气道黏液高分泌。

G＋菌的LTA是由核糖醇或甘油残基经磷酸二脂键相互连接的多聚物，多个LTA分子组成长链穿插于细菌细胞壁的肽聚糖层中，按其结合部位可分为壁磷壁酸和膜磷壁酸。LTA与固有免疫细胞细胞膜上的Toll样受体结合，引起G蛋白介导的基质金属酶ADA M10活化，活化后的ADAM10水解结合肝素的表皮生长因子（Epthelia gr owt h factor，EGF），进而通过EGFR途径引起气道黏液高分泌。

2.2 中性粒细胞弹性蛋白酶

中性粒细胞弹性蛋白酶（Neutr ophil elastase，NE）是由中性粒细胞编码合成的、储存于胞内嗜天青颗粒中的含21个氨基酸残基和4个二硫键的单链糖蛋白，属于丝氨酸蛋白酶超家族，其基因定位于1号染色体短臂末端。生理状态下，NE参与杀灭G－杆菌；炎症状态下NE可激活前明胶酶原（一种金属蛋白酶原）并降解胶原蛋白，破坏血管内皮细胞基膜及内皮上皮细胞间紧密连结而利于炎症细胞向组织浸润。NE可以上调中性粒细胞NF－κB活性，诱导细胞释放IL－6、IL－8等多种炎性因子，进一步激活单核／巨噬细胞、淋巴细胞等分泌大量细胞因子，复杂的细胞因子网络促使肺内多形核白细胞大量趋化、聚集并放大炎症“级联瀑布”反应。在此过程中，NE可降解免疫球蛋白而减弱对病菌的清除率并增加感染；NE能损伤肺毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞、消化和降解细胞外基质以及上皮连接结构而利于病原菌黏附于气道上皮细胞，成为参与和启动急性肺损伤（ALI）炎症级联反应的终效应因子，从肺血管募集至气道和肺泡腔的中性粒细胞成为慢性气道疾病的主要炎性细胞；而炎性细胞活化呼吸爆发及细胞裂解时通过降解结缔组织蛋白可引起难以修复的组织损伤。

体液中含有多种高浓度内源性弹性蛋白酶抑制剂的生理功能是提供一种抗NE的保护屏障，以防过量NE对宿主组织的损伤。主要由肝细胞、肺泡巨噬细胞及上皮细胞合成的a1蛋白酶抑制剂（a1PI）是人血浆中最主要的蛋白酶抑制因子；分泌性白细胞蛋白酶抑制剂（SLPI）是一种嗜中性弹性蛋白酶阳离子抑制剂，肺内SLPI主要由黏膜表面上皮细胞、Ⅱ型肺泡细胞、单核细胞、肺泡巨噬细胞等合成，在呼吸道上皮细胞表面发挥抗NE作用，并在抗NE介导的肺损伤中起重要作用。值得关注的是，NE在诱导气道上皮杯状细胞化生和黏膜下腺体增生的同时，可以通过延长转录后MUC5 AC mRNA半衰期，或在转录后水平通过连续激活EGFR、蛋白激酶C、TNF－a转化酶等以增强MUC5 AC mRNA的稳定性［4－5］，成为MUC5 AC、MUC4高分泌的强烈刺激因子并呈时间依赖性。NE还通过蛋白溶解作用损坏气道上皮细胞顶端细胞膜，使粘附于细胞顶端表面的黏液素分子分离脱落而致MUC分泌增多［6］；抑制EGFR磷酸化能抑制NE对MUC5 AC的表达调控［7］。

2.3 细胞因子

肿瘤坏死因子（Tu mor nacr osis f actor，TNF）、IL－1、IL－6等促炎细胞因子（Pr o－inflammatory cytokine）可刺激内皮细胞和白细胞释放炎性介质（如一氧化氮、氧自由基等）；能促进血管内皮细胞和白细胞表达黏附分子，增强白细胞与血管内皮黏附并有助于白细胞渗出，吸引炎性细胞向炎症部位聚集，增强呑噬、杀伤微生物，但同时释放炎症介质并参与炎症损伤。IL、TNF是能刺激气道黏液腺体化生的细胞因子信号。

IL－1由多种细胞如单核／巨噬细胞、中性粒细胞、肝细胞）合成，可在局部或全身发挥广泛的生物学效应，如发热、促进免疫应答、参与炎症反应、促进伤口愈合等。IL－1基因家族的主要成员包括IL－1a首先表达于细胞膜，后被酶解而分泌至胞外；此外IL－1a还具有胞内分泌作用，可转位于细胞核并发挥作用。而IL－1β首先表达为无活性的膜分子，然后被水解为分泌型分子，并可与其受体结合而发挥生物学作用。IL－1受体（IL－1R）分为两型：IL－1与Ⅰ型受体、继而与IL－1R 辅佐蛋白（IL－1 receptor accessory pr otein，IL－1 RAc P）结合为复合物，并启动信号转导；如与Ⅱ型受体结合则表现为可负调节IL－1生物学活性。IL－1β可激活环氧化酶2／前列腺素E2或丝裂原－张力活化蛋白酶激酶1（mitogen and stress－activated kinase 1，MSK1）／c A MP等， 上 调 H292 细 胞 MUC2 和 MUC5 AC mRNA水平；MUC2的－2627－2097及 MUC5AC的201－1为特异性结合蛋白1（Spcific protein 1，Sp1）的结合位点并促进MUC2、MUC5 AC转录。IL－13引起哮喘大鼠气道杯状细胞化生和MUC5 AC表达上调与活化Janus激酶（JAKs）、转录活化因子6（STAT 6）等信号分子相关；给予EGFR酪氨酸激酶抑制剂BIBX1522可抑制MUC5 AC表达［8］。

肿瘤坏死因子－a（Tu mor nacrosis factor a，TNF－a）由157个氨基酸组成的跨膜蛋白，是 TNF核心家族成员之一，各种免疫细胞、内皮细胞等均可产生TNF－a。人TNF－a基因编码凝前体蛋白，其信号肽将其蛋白固定于细胞膜表面，TNF－a以两种不同的分子形式存在于体内，一种是由233个氨基酸组成、分子质量为26k Da的跨膜型TNF－a（t mTNF－a）；另一种是在局部或全身炎症反应中，由t mTNF－a的胞外段被一种特异的含锌金属蛋白酶－TNF－a转换酶（TACE）在肽链的762 Vall77带切割后，从细胞膜上脱落下来形成的17k Da含157个非糖基氨基酸的游离型或分泌型（s TNF－a）［9］。TNF受体（TNFR）表达于除红细胞外的所有体细胞和多种肿瘤细胞表面，分为CD120a（TNFR1）和CD120b（TNFR2）两型，TNF－a通过与TNFR1和TNFR2结合后，表达参与炎性反应和免疫应答、参与内毒素休克、静脉血栓形成和脉管炎等多重局部和系统生物活性。TNF－a是主要的炎性启动因子，严重感染早期释放的TNF－a作为一种内源性致热源引起发热反应，诱导多形核白细胞、吞噬细胞在肺内聚集并释放氧自由基、溶酶体酶、炎症介质并放大细胞因子瀑布（Cytokine acsacde）效应，增加肺毛细血管通透性和损害内皮细胞屏障功能而损伤肺实质［10］。

NF－κB信号系统具有介导病原特异性免疫应答的损害作用和维持气道局部内环境稳定的双重作用。在TNF－a启动子上存在NF－κB结合位点。TNF－a诱导炎症和免疫调节基因的表达，通过TNFR1途径促进NF－κB活化，而活化的NF－κB又能刺激TNF－a的产生，二者的正负反馈调节在诱导和增强细胞因子、炎症因子、氧化应激相关酶基因表达和调控炎症因子间的级联放大效应中起重要作用，并与炎症反应不断扩大和持续相关。Takanashi等报道COPD患者痰中IL－10下降，但核因子κB（nuclear factorkappa B，NF－κB）可上调IL－10，并增强 NF－κB抑制物（I－κB）阻止 NF－κB与核结合或解离 NF－κB DNA复合物而抑制NF－κB活性，以加速炎症因子LI－1、LI－6、LI－8等mRNA的降解而限制急性炎症反应［11］。

已在哺乳动物体内发现13种水通道蛋白（Aquaporin，AQP），AQP1、AQP5在气道湿化、气道黏液腺分泌、肺泡液在支气管肺组织上皮和内皮细胞间转运中起重要作用。Song、Towne等发现AQP5基因敲除小鼠气道黏膜下腺分泌液体蛋白含量较野生型小鼠明显增加而气道液分泌减少［12－13］。黄静发现蛋白激酶C（PKC）参与TNF－a诱导大鼠气管上皮细胞MUC5 AC蛋白的高表达［14］。刘维佳等报道大鼠气管内注射细菌LPS后可上调MUC5 AC表达，相关性分析显示TNF－a与气道黏液中MUC5 AC表达呈正相关，抗炎细胞因子IL－10与MUC5 AC呈负相关，提示“失控性炎症”可能是气道黏液高分泌发生的重要机制。王可等采用轻度COPD组8例、中重度17例胸外科手术病人离体标本经RT－PCR、免疫组化、阿辛兰－PAS染色检测显示，COPD患者气道黏膜下腺AQP5表达降低、气道上皮分泌的MUC5 AC以及黏膜下腺分泌的黏蛋白增加，诸多文献报道AQP5功能下调可能是引起COPD患者气道分泌的黏液水份含量下降的原因之一，即AQP5 mRNA表达与气道上皮MUC5 AC mRNA表达负相关并成为研究热点［15］。

3 抑制气道MH的主要策略

3.1 阻断黏蛋白的过量产生

减少诱导MUC产生的传入信号、抑制激活黏蛋白基因表达的转录因子、控制黏蛋白生物合成机制等成为研究的热点。有效抗感染的意义在于及时消除致病因子，下调中性粒细胞和免疫细胞产生细胞因子和放大炎性细胞因子瀑布（cytokine acsacde）效应，并减弱气道杯状细胞和腺体细胞增生等。近年报道NE特异性抑制剂Sivelestat可抑制波佛酯（40 mg／kg）处理的雄性白兔气管肺灌洗液中90%的NE活性［16］，Sivelestat在日本第1个用于治疗全身炎症反应综合征（SIRS）。阻断黏蛋白高表达的生物大分子如血红素加氧酶－1诱导剂姜黄素和丙丁酚、罗格列酮等显示出良好的临床应用前景。

3.2 改变黏液的流变能力

大量的黏液难以排出而储留于气管腔并形成黏液栓，可导致或加重气道阻塞、病原菌易定植，抗生素难以渗入并在细菌驻留的黏液中达到杀菌浓度而导致反复感染和诱发细菌耐药性。黏液是既有黏性（液体）又有弹性（固体）属性的非牛顿流体，改变黏液黏性和弹性以提高清除效率、减少气道阻塞和气流限制以缓解症状。治疗肺囊性纤维化病人常吸入高渗盐来清除纤毛黏液以减少气道阻塞，是由于高渗盐能产生一种渗透梯度来刺激水分进入气道表面，达到稀释气道黏液、增强纤毛功能、促进清除气道粘滞的黏液并改善气流效果。Derrien等发现并提出利用宿主体内细菌可以分泌降解黏蛋白的蛋白酶的特点以寻求抑制气道黏液高分泌和设想［17］。

4 展 望

气道黏液为防止肺部病原颗粒的积累，维持气道表面湿润等提供了重要的防御屏障，而病原菌的病原相关分子模式、中性粒细胞弹性蛋白酶、细胞因子等导致的气道黏液高分泌在哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）等疾病发展过程中发挥重要作用。临床提示通过阻断特异细胞因子或细胞因子受体以减轻COPD局部炎症反应的策略有待深入研究；研究细胞因子、炎症介质与黏蛋白基因的转录调控和在病理状态下的活化机制，将为寻找在不同环节干预或抑制黏蛋白基因过度激活的药物、防止黏蛋白高分泌和治疗慢性肺部等疾病提供新策略。

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