Функція та дисфункція слизу в дихальних шляхах

Легкі надзвичайно стійкі до пошкодження навколишнього середовища, незважаючи на постійне вплив патогенних мікроорганізмів, частинок та токсичних хімічних речовин у вдихуваному повітрі. Їх стійкість залежить від високоефективного захисту слизу дихальних шляхів, 1–7 позаклітинного гелю, в якому вода та муцини (сильно глікозильовані білки) є найважливішими компонентами. Слиз дихальних шляхів затримує інгаляційні токсини та транспортує їх з легенів за допомогою війкового вій та кашлю (рис. 1). Парадоксально, хоча дефіцит слизового бар’єру робить легені вразливими до травм, надмірна кількість слизу або порушення кліренсу сприяє патогенезу всіх загальних захворювань дихальних шляхів. 1–4 У цьому огляді розглядаються нормальне утворення та очищення слизу дихальних шляхів, утворення патологічної слизу, недостатність кліренсу слизу, що призводить до симптомів та порушення функції легенів, а також терапія дисфункції слизу.

Слиз постійно забирається від дистальних до проксимальних дихальних шляхів. У найбільш дистальних бронхіолах епітеліальні клітини мають кубоподібну форму і не продукують муцин (нижній ящик), а прохідність бронхіолів стабілізується поверхнево-активною речовиною із сусідніх альвеол. 8 У сусідніх малих дихальних шляхах тонкий шар гелю слизу утворюється стовпчастими секреторними клітинами (Clara), які не фарбуються для внутрішньоклітинних муцинів, оскільки вони виробляються в невеликих кількостях і стабільно секретуються. У великих дихальних шляхах, вистелених псевдошаровим епітелієм, зі слизу, що транспортується з дистальних дихальних шляхів, накопичується товстий шар гелю слизу (до 50 мкм), а додаткові муцини утворюються поверхневими секреторними клітинами та залозами. Після того, як слиз піднімається по трахеї, вона рухається через голосові зв’язки циліарним епітелієм у задній комісурі гортані. Потім він потрапляє в глотку і ковтається, щодня шлунково-кишковий тракт усуває приблизно 30 мл слизу дихальних шляхів. Голосові зв’язки покриті плоским епітелієм, тому вони не беруть участі у циліарному очищенні, хоча сприяють очищенню кашлю, закриваючись, коли тиск на видиху наростає, а потім раптово розкривається, тому потік повітря є сильним.

СТРУКТУРА І ФУНКЦІЯ ЗВИЧАЙНОГО ПУТІ

Епітеліальні поверхні, що контактують із зовнішнім середовищем, захищені механічними бар'єрами (наприклад, ороговілою шкірою) та хімічними бар'єрами (наприклад, шлунковою кислотою). Слизові поверхні - це вологий епітелій, який має слизовий бар’єр як частину свого захисного механізму. 1–7 Шари слизу дуже різняться за складом і структурою; наприклад, вони товсті і прилягають до епітелію в кишечнику, але тонкі і рухливі в дихальних шляхах.

ПОВЕРХНІ ЕПІТЕЛІЙНІ КЛІТИНИ

Поверхневий епітелій внутрішньолегеневих дихальних шляхів складається з двох основних типів клітин - миготливих та секреторних (рис. 2). Ці клітини присутні в однаковій кількості і утворюють мозаїку. Секреторні клітини були розділені на підтипи залежно від їх мікроскопічного вигляду (наприклад, Клари, келихоподібних та серозних клітин). Однак дослідження вказують на велику структурну, молекулярну та функціональну пластичність секреторних клітин. 10–14 Отже, найпростіше називати їх узагальнено «секреторними клітинами». Окрім муцинів, секреторні клітини конститутивно та індуцибельно вивільняють різноманітні антимікробні молекули (наприклад, дефензини, лізоцим та IgA), імуномодулюючі молекули (наприклад, секретоглобіни та цитокіни) та захисні молекули (наприклад, білки тріщини та герегулін); вони можуть вбудовуватися в слиз. 15,16

ПІДМІСТОВІ ЗАЛОЗИ

У великих дихальних шляхах (діаметр просвіту> 2 мм) підслизові залози сприяють секреції муцинів та рідини (рис. 1). Кожна залоза з’єднана з просвітом дихальних шляхів поверхневим миготливим протоком, який виводить секрети назовні, і глибшим нерегульованим збірним протоком. 17,18 Тіло залози розташоване між спіральними смугами гладкої мускулатури та хрящовими пластинками. Клітини слизової складають приблизно 60% обсягу залози, і на підставі досліджень у приматів було підраховано, що в підслизових залозах зберігається вдвічі менше внутрішньоклітинного муцину, ніж у поверхневих епітеліальних клітинах. 19 Серозні клітини, розташовані дистально, складають решту приблизно 40% залози та виділяють протеоглікани та численні антимікробні білки. При патологічних станах об'єм підслизових залоз може збільшитися в кілька разів від нормального. 20,21

ШАЙ СЛІДОВОГО СЛІДУ

Гель - це розбавлена сітка, яка тримає форму; таким чином, хоча він складається переважно з рідини, він має багато фізичних характеристик твердої речовини. Слиз - це гель із властивостями як м’якої (деформується), еластичної твердої речовини, так і в’язкої рідини. 1,4,5,22,23 Нормальний слиз - це 97% води та 3% твердих речовин (муцини, немуцинові білки, солі, ліпіди та клітинний сміття). На муцини, надзвичайно великі глікопротеїни (до 3 × 10 6 D на мономер) з областями, багатими залишками серину та треоніну, пов'язаними своїми бічними групами гідроксилу з ланцюгами цукру (O-глікозилювання), припадає менше 30% твердих речовин. 3,4,6,15,24 Муцини складають від 50 до 90% вуглеводів, і вони дуже аніонні, оскільки більшість кінцевих цукрів містять карбоксильні або сульфатні групи. У геномі людини є 17 генів, що кодують муцини, з яких генетичні продукти семи секретуються, а решта зв’язана з мембраною. 3,4,6 П'ять секретованих муцинів мають кінцеві домени цистеїнеріху, які можуть утворювати дисульфідні зв'язки, в результаті чого утворюються полімери, що надають властивості гелю (рис. 2). Два з цих полімерів, MUC5AC і MUC5B, сильно експресуються в дихальних шляхах і виявляються в подібних кількостях у слизі людини. 3,4

MUC5AC і MUC5B утворюють гомотипові полімери (тобто мономери MUC5AC зв'язуються лише з MUC5AC, а мономери MUC5B зв'язуються лише з MUC5B), структуровані як довгі одинарні ланцюги, а не гілки (рис. 2). Вони утворюють слиз-гель як заплутуванням у сітку, так і за допомогою нековалентного кальцієзалежного зшивання сусідніх полімерів. 1,3 Бічні ланцюги глікану пов'язують велику кількість рідини (у сотні разів перевищує їх масу), що дозволяє слизу діяти як мастило, а шар гелю служити резервуаром для рідини для перициліарного шару. 2 Гідратація слизу різко впливає на його в’язкі та еластичні властивості, що, в свою чергу, визначає, наскільки ефективно воно очищається завдяки війковій дії та кашлю. 1–5,22 Здорова слиз містить 3% твердих речовин з консистенцією яєчного білка. Однак гіперсекреція муцину або порушення регуляції обсягу поверхневої рідини може збільшити концентрацію твердих речовин до 15%, в результаті чого утворюється в'язка і еластична слиз, яка легко очищається. 1,5,22 Крім того, зневоднений слиз легше прилипає до стінки дихальних шляхів. 23,25

Оскільки зараження часто ініціюється розпізнаванням епітеліальних поверхонь господаря мікробними білками, що зв’язують цукор, муцинові глікани допомагають секвеструвати збудників, забезпечуючи різноманітний «глікопротеїновий ландшафт» для взаємодії з цими мікробними білками, і закономірності глікозилювання можуть змінюватися під час запалення. 3,5,26 Крім того, шар слизового гелю діє як твердий фізичний бар'єр для більшості патогенів. 1,3,5,7 Однак розмір пор гелевої сітки є достатньо великим (приблизно 500 нм), щоб у неї легко проникали дрібні віруси з гідрофільними капсидами; це має наслідки для мікробної інфекції та генної терапії. 5

ВИРОБНИЦТВО МУЦІНУ

У здорових людей MUC5AC продукується переважно в проксимальних дихальних шляхах поверхневими келихоподібними клітинами, тоді як MUC5B продукується в поверхневих секреторних клітинах у всіх дихальних шляхах і підслизовими залозами. 3,4,14,27–29 У дихальних шляхах нормальних мишей, які нагадують дистальні дихальні шляхи людини, майже не виробляється Muc5ac, 10–12,30–32 і миші з делецією Muc5ac здорові, тоді як Muc5b продукується конститутивно в дихальних шляхах поверхневі секреторні клітини, 11–13,29, а миші з делецією Muc5b гинуть від запалення легенів (Еванс CM: особисте спілкування). Цей висновок свідчить про те, що Muc5b опосередковує базові бар'єрні та кліренсні функції у мишей, і MUC5B, ймовірно, робить те саме у дистальних дихальних шляхах людини. 28,33 Оскільки MUC5AC виробляється конститутивно в проксимальних дихальних шляхах людини, це може посилити проксимальні бар'єрні та кліренсні функції.

Оскільки вироблення MUC5AC та Muc5ac сильно регулюється на рівні транскрипції, його контроль представляє великий клінічний інтерес. Сигналізація про ErbB-рецептори, схоже, відіграє всюдисущу роль, оскільки інгібітори блокують регуляцію MUC5AC та Muc5ac різними стимулами. 10,36,40–42 Інтерлейкін-13 значно збільшує експресію MUC5AC та Muc5ac, виявлено 34,36,43,44 та ключові фактори транскрипції нижче за течією, 30,39,44,45, хоча шляхи, що їх пов'язують, ще не повністю встановлений (рис. 3). Багато інших стимулів, що збільшують експресію MUC5AC та Muc5ac, такі як віруси, 31 димовий компонент акролеїн, 40 та цитокіни інтерлейкін-4, 9, 17, 23 та 25, 52–54, роблять це, принаймні частково, через інтерлейкін -13. Надмірна експресія прозапального цитокіну інтерлейкін-1β або інтерлейкін-17 збільшує експресію Muc5ac, 32,54, тоді як інтерлейкін-6 і фактор некрозу пухлини α самі по собі не збільшують експресію Muc5ac, але побічно, посилюючи інтенсивність алергічного запалення. 55,56 Контроль експресії MUC5B та Muc5b менш зрозумілий. 57

СЕКРЕТІЯ МУЦІНУ

ПЕРИЦІЛІАРНИЙ ШАР

Муцини, зв’язані з мембраною, сприяють фізичним властивостям рідини поблизу поверхні клітини, надаючи особливостей «прищепленого гелю», а не рідини на перициліарному шарі (Boucher RC, University of North Carolina: особисте спілкування). MUC4 щільно експресується на віях, виконаних як паралельні щітки для пляшок, де він запобігає проникненню шару гелю слизу та забезпечує змащення через зв’язану воду. 4,6 MUC1 набагато менший за MUC4 і присутній на клітинній поверхні та мікроворсинках як миготливих, так і секреторних клітин. Він має цитоплазматичний хвіст, здатний передавати внутрішньоклітинний сигнал, і модулює захист та запалення збудника. 6,71 MUC16, найбільший муцин, експресується як миготливими, так і секреторними клітинами, і його можна розщепити та включити в рухливий гелевий шар. 6,72

МЕХАНІЗМИ ОЧИСТКИ

Слизовий гель рухається в ближньому напрямку за допомогою війкового удару, очищення вдихуваних частинок, патогенних мікроорганізмів та розчинених хімічних речовин, які можуть пошкодити легені. 2 Полімерні муцини постійно синтезуються та секретуються для заповнення шару гелю. Звичайні вії билися від 12 до 15 разів на секунду, в результаті чого швидкість шару гелю становила приблизно 1 мм на хвилину. 73 Швидкість мукоциліарного кліренсу збільшується із більшою гідратацією, 2,73, а швидкість биття вій може бути збільшена пуринергічними, адренергічними, холінергічними та агоністами аденозинових рецепторів, 60,73, а також подразниками. 74

Другим механізмом вигнання слизу з дихальних шляхів є очищення кашлю. Це може допомогти пояснити, чому захворювання легенів, спричинені порушенням роботи циліарної системи, менш важкі, ніж захворювання, викликані зневодненням, що перешкоджає обом механізмам очищення. 2 Незважаючи на те, що кашель сприяє очищенню слизу при захворюваннях із надмірною продукцією або порушеною циліарною функцією, він також може бути неприємним симптомом. 75,76

ДИСФУНКЦІЯ СЛІЗУ ПРИ ХВОРОБІ

Ефективне очищення слизу має важливе значення для здоров'я легенів, а захворювання дихальних шляхів є постійним наслідком поганого кліренсу. Здорова слиз - це гель з низькою в'язкістю та еластичністю, який легко транспортується війковою дією, тоді як патологічна слиз має вищу в'язкість та еластичність і менш легко очищається. 5,38 Перетворення здорової слизу в патологічну відбувається за допомогою безлічі механізмів, що змінюють її гідратацію та біохімічні складові; Сюди входять аномальна секреція солі та води, збільшення вироблення муцинів, інфільтрація слизу запальними клітинами та підвищена бронхо-судинна проникність (рис. 4). Накопичення слизу відбувається внаслідок деякої комбінації перепродукції та зменшення кліренсу, а постійне накопичення може призвести до інфекції та запалення, забезпечуючи середовище для росту мікробів.

КІСТОЗНИЙ ФІБРОЗ

АСТМА

Слиз дихальних шляхів при важкій астмі має гумову якість, що сприяє порушенню кліренсу та утворенню пробок. Біохімічний аналіз цих пробок показує високі концентрації муцинів і білків плазми, 84,88, а біофізичний аналіз показує високу щільність зчеплення та модуль пружності. 89 Ще однією важливою патологічною роллю білків плазми у формуванні цих високоеластичних пробок слизу є захист муцинів від перетравлення протеази. 89 Оскільки активність нейтрофільної еластази підвищується в дихальних шляхах хворих на астму у фазі відновлення майже смертельних загострень, це може допомогти перетравити слизові пробки у цих пацієнтів. 90 В анамнезі стійкі симптоми, пов’язані з харкотинням, пов’язані з більш важкими фенотипами захворювання при хронічній астмі, 91, а гіперсекреція слизу особливо проблематична при алергічному бронхолегеневому аспергільозі. 85

ХРОНІЧНЕ ОБСТРУКТИВНЕ ЗАХВОРЮВАННЯ ЛЕГЕНІВ

Обструкція слизу малих дихальних шляхів характерна для ХОЗЛ, навіть у пацієнтів, які не відхаркують мокротиння або мають емфізематозний фенотип. 92,93 І навпаки, у пацієнтів із ХОЗЛ, які мають рясне відхаркування, може спостерігатися незначна обструкція повітряного потоку, ймовірно тому, що слиз надходить із великих дихальних шляхів і викликає мінімальний прикус. Незважаючи на цю слабку кореляцію з виробленням мокроти, обструкція повітряного потоку дійсно корелює зі змінами в експресії гена муцину, 38 збільшує кількість і розмір келихоподібних клітин, 38 закупорює маленькі дихальні шляхи слизом, 88 і розширенням підслизових залоз. 21,92 Дисфункція слизу, індукована сигаретним димом, є складною і до кінця не зрозумілою, але вона включає несприятливий вплив на структуру та функції війок, активацію рецепторів ErbB 94–96, 41 знижену функцію CFTR, 97 та прозапальні ефекти, що збільшують вироблення муцину знижуючи зволоження та кліренс слизу. Сигаретний дим містить безліч токсинів, включаючи тверді частинки, окислювальні хімічні речовини та органічні сполуки, серед яких акролеїн важливий, оскільки він сильно стимулює вироблення муцину. 40

Збільшення вироблення муцину та зменшення просвіту рідини при ХОЗЛ мають шкідливі наслідки для здоров'я дихальних шляхів, як це відбувається при астмі та муковісцидозі, включаючи застій слизу та інфекцію дихальних шляхів. Haemophilus influenzae, P. aeruginosa, Streptococcus pneumoniae та Moraxella catarrhalis виявляються в мокроті у 25-50% дорослих з ХОЗЛ. Рівень зараження зростає із збільшенням тяжкості захворювання, а придбання нових штамів бактерій пов'язане із загостренням ХОЗЛ. 98 На підставі досліджень на мишачій моделі, в якій лізат H. influenzae викликав запалення дихальних шляхів і фіброз, але не слизову метаплазію, 56 можна припустити, що при ХОЗЛ зменшення кліренсу слизу, пов'язане з сигаретним димом, призводить до інфекції дихальних шляхів, що, в свою чергу, призводить до запалення та фіброзу.

ІНШІ ЗАХВОРЮВАННЯ НА ВДІШНІХ ШЛЯХА, ПОВ'ЯЗАНІ З ДИСФУНКЦІЄЮ СЛІЗУ

Порушення функції слизу відбувається практично при всіх запальних захворюваннях дихальних шляхів. Гострі вірусні та бактеріальні інфекції та хронічні захворювання, такі як первинна циліарна дискінезія, бронхоектатична хвороба нецистичного фіброзу (яка часто спричинена атиповою мікобактеріальною інфекцією), панбронхіоліт та імунодефіцитні стани (наприклад, гіпогамаглобулінемія, інфекція вірусом імунодефіциту людини, трансплантація органів та гематологічні злоякісні стани) всі мають компонент порушення функції слизу. Крім того, затримка слизу є проблемою у інтубірованих пацієнтів та тих, у кого механіка легень порушена внаслідок паралічу, іммобілізації або хірургічного втручання; ателектаз та пневмонія - найчастіші ускладнення у таких пацієнтів. Повідомляється, що геномні маркери в хромосомній області 11р15,5 (що охоплює MUC5AC і MUC5B) пов'язані з тяжкістю астми 99 та панбронхіолітом, 100 хоча механізми, що призводять до сприйнятливості до хвороби, ще не визначені.

ЛІКУВАННЯ

Розробці раціонально розроблених методів лікування патологічного слизу заважає недостатнє розуміння механізмів дисфункції слизу. Безрецептурні ліки від дисфункції слизової оболонки дихальних шляхів, включаючи гвайфенезин, не були ретельно оцінені в клінічних випробуваннях, і вони не рекомендуються в рекомендаціях щодо лікування муковісцидозу, астми або ХОЗЛ. 65,85,93,101–103 У всьому світі використовують безліч додаткових препаратів з невизначеними механізмами без чітких доказів користі. 104 105 Астма, ХОЗЛ та муковісцидоз мають важливі відмінності у патологічному слизі, і лікування слизу слід адаптувати відповідно. Поточна терапія робить це певною мірою, але їм можуть сприяти терапії, які зараз розробляються. Терапії можна розділити на такі, що зменшують вироблення муцину, ті, що зменшують секрецію муцину, ті, що сприяють очищенню слизу, і ті, що лікують інфекцію дихальних шляхів (табл. 1).

Таблиця 1

Лікування гіперсекреції слизу.

Недавнє розуміння утворення патологічного слизу при захворюваннях призвело до запровадження спеціальних методів лікування, таких як гідратація за допомогою аерозольних гіпертонічних сольових розчинів або зменшення в'язкості та еластичності слизу за допомогою аерозолізованої дорнази альфа. Цільове лікування патологічного слизу в дихальних шляхах не тільки покращує симптоми кашлю та задишки, але також зменшує частоту загострень, пов’язаних із захворюваннями, і уповільнює прогресування захворювання. Висвітлення того, як контролюється вироблення муцину, все ще необхідне, оскільки це може дозволити розробці додаткових методів лікування, щоб запобігти перевиробленню.

Подяка

Доктор Дікі повідомляє, що отримував консультаційні збори від BioMarcks Pharmaceuticals; Доктор Фахі, працюючи в науково-консультативній раді з питань цитокінетики та отримуючи консультаційні внески від Five Prime Therapeutics, Amira, Oxagen, Gilead, GlaxoSmithKline та Amgen, надає підтримку Каліфорнійському університету, Сан-Франциско, від Genentech, Boehringer Ingelheim та Aerovance та проїзні збори від GlaxoSmithKline, Merck, Amira та Amgen. Доктор Фахі повідомляє, що його назвали у попередній заявці на патент, поданій на підпис гена для хелперних Т-клітин типу 2 - астма із високим ступенем (із Genentech).

Ми вдячні Кеннету Б. Адлеру, Річарду К. Баучеру, Стівену Д. Керрінгтону, К. Вільяму Девісу, Кюбо К. Кіму, Крістоферу М. Евансу, Сьюзен Дж. Мюллер, Джею А. Наделю, Мері К. Роуз, Девіду Дж. Торнтону та Джеффрі Дж. Вайн за уважне читання попередньої версії рукопису; а також членам лабораторій Фахі та Дікі за корисну інформацію.

Виноски

Не повідомлялося про будь-який інший потенційний конфлікт інтересів, що стосується цієї статті.