黏液纤毛清除系统在呼吸道疾病中的作用

Abstract

Mucociliary clearance system is the primary innate defense mechanism of the lung. It plays a vital role in protecting airways from microbes and irritants infection. Mucociliary clearance system, which is mediated by the actions of airway and submucosal gland epithelial cells, plays a critical role in a multilayered defense system via secreting fluids, electrolytes, antimicrobial and anti-inflammatory proteins, and mucus onto airway surfaces. Changes in environment, drugs or diseases can lead to mucus overproduction and cilia dysfunction, which in turn decrease the rate of mucociliary clearance and enhance mucus gathering. The dysfunction of mucociliary clearance system often occurs in several respiratory diseases, such as primary ciliary dysfunction, cystic fibrosis, asthma and chronic obstructive pulmonary disease, which are characterized by goblet cell metaplasia, submucosal gland cell hypertrophy, mucus hypersecretion, cilia adhesion, lodging and loss, and airway obstruction.

在通气过程中，气道会受到吸入的灰尘和病原微生物的刺激，呼吸道有天然的防御系统，防止微生物和毒物等进入机体，黏液纤毛清除系统(mucociliary clearance，MCC)是呼吸道重要的第一道防线。MCC是由动力系统(纤毛细胞及纤毛)、黏液毯(黏液层和浆液层)和黏液分泌细胞(杯状细胞、浆液细胞和分泌腺)共同组成的复合体系^[1-2]。MCC的功能包括清除功能(清除有毒有害的颗粒物质和病原微生物)和防御功能(维持气道上皮合适的水分以及离子浓度)。MCC发挥正常功能需要适量的黏蛋白、纤毛的协调摆动、气道上皮合适的水分及离子浓度，从而保证高效的黏液清除。MCC清除功能受损，导致病原微生物及有毒、有害的颗粒物质清除障碍，引起呼吸道反复感染和气道阻塞，从而引发多种呼吸系统疾病^[3-4]。

1. MCC的结构

1.1. 动力系统

1.1.1. 纤毛细胞

气道纤毛细胞位于基底膜上，是气道上皮的主要细胞类型，呈柱状，向表面逐渐变细，广泛分布于呼吸道。纤毛细胞随气道分支的增加而增加，比例从气管上皮的(47±2)%增至小气道上皮的(73±1)%，但是终末细支气管上没有纤毛细胞的分布^[1]。每个纤毛细胞有200~300根纤毛，纤毛直径为0.2~0.3 μm，上呼吸道纤毛长度为6~7 μm，小气道纤毛长度为 4 μm。纤毛细胞的顶面还含有大量的微绒毛，这些微绒毛在液体和电解质的跨上皮运动中发挥作用^{[2, 5]}。相邻的纤毛细胞通过紧密连接相连。在基底外侧，纤毛细胞直接连接到气道上皮基底膜，或通过桥粒介导附着到基底细胞。气道纤毛细胞的主要功能是介导黏液层向头部方向推进，从而维持黏液纤毛类似“自动扶梯”的功能。纤毛跨多个细胞进行摆动和拍打，从而在上皮表面产生波状运动。运动的纤毛快速而有力，使得它能穿透到黏液层中，并使得黏液层向头侧方向推进^[6]。

气道纤毛细胞是终末分化细胞，不能自我更新。它们由基底细胞补充，基底细胞充当气道上皮纤毛细胞和分泌细胞的干/祖细胞。当提取的人气道基底细胞培养在IV型基底膜胶原上，根尖表面暴露在空气中时，基底细胞分化为纤毛细胞^[7]。转录因子叉头盒蛋白J1(forkhead box J1，FOXJ1)的激活使基底细胞衍生的祖细胞成熟为完全分化的纤毛细胞，这个过程依赖于调节因子X(regulator factor，RFX)的作用。FOXJ1特异性地促进纤毛细胞的形成^[8]，另有研究^[9]表明Notch信号的失活可诱导纤毛细胞数量增加。

1.1.2. 纤毛

纤毛主要由基体、轴丝、纤毛膜和纤毛基质组成。纤毛在进化上高度保守，从细胞表面突起。人类纤毛主要分布在呼吸道、中耳、鼻窦、男性输精管、女性输卵管和脑室管膜中。纤毛的核心部分是一个中心粒衍生的微管核心，称为轴丝^[10-11]。轴丝的横切面呈现出一种独特的结构：运动纤毛中间为2个平行的中央微管，外周为9组平行的双联微管(即“9+2”结构)；相邻的外周双联微管由连接蛋白和参与微管运动的动力臂相连，并且和中央微管相互作用。整个轴丝呈现出类似“车轮样”的结构，这与其发挥结构支撑作用相适应^[1]。根据轴丝的物理超微结构特征，纤毛可分为静止纤毛和活动纤毛。气道纤毛属于活动纤毛，鼻窦、脑室室管膜、输卵管和附睾管里的纤毛也属于活动纤毛。固定纤毛也称初级纤毛，是大多数细胞上的一个独立结构。

1.2. 黏液分泌系统

1.2.1. 杯状细胞

杯状细胞是气道上皮中主要的分泌细胞，分布在黏膜柱状上皮细胞和纤毛细胞之间，并通过紧密连接与相邻细胞相连，这些细胞一起构成了呼吸道屏障^[12-13]。气道上皮细胞中，约60%为纤毛细胞，20%为杯状细胞。杯状细胞的细胞核和其他细胞器位于细胞的基底部，细胞质顶端有与细胞膜相结合的分泌囊泡，其中含有黏蛋白。在正常情况下，杯状细胞在气道上皮中数量较少，当受到环境损害或炎症信号因子的刺激时，杯状细胞增生并分泌过多的黏蛋白^[14]。

杯状细胞和其他分泌型上皮细胞来源于上皮前体细胞，包括基底细胞、杆状细胞和其他气道细胞，它们的分化由胚胎气道形态发生过程中的转录因子性别决定区Y相关的高迁移率盒2(sex determining region Y-related high mobility group box2，SOX2)决定。气道杯状细胞分化的部位和程度在发育过程中有所不同，并且受到环境、感染和炎症的影响。气道杯状细胞从基底细胞和其他气道细胞分化需要转录因子含S-腺苷甲硫氨酸尖端结构域的E26转化特异性因子(S-adenosyl methionine pointed domain containing E26 transformation-specific transcription factor，SPDEF)的调控。SPDEF还能调控编码黏液合成和分泌的基因，包括黏蛋白(mucin，MUC)5AC、MUC5B、MUC16、FOXA3以及调节黏液折叠、包装和加工的酶和蛋白质。杯状细胞分泌黏蛋白受转录因子信号转导及转录激活蛋白6(signal transducer and activator of transcription 6，STAT6)、环磷腺苷效应元件结合蛋白(cyclic 3’,5’-adenosine monophosphate-response element binding protein，CREB)、特异性蛋白1(specific protein，SP-1)和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)、还原型辅酶II(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NAPDH)等的诱导^[15]，同时它又受转录终止因子1(transcription termination factor 1，TTF-1)的抑制^[16]。

1.2.2. 黏膜下腺

气道黏膜下腺的表面积远大于气道表面积。黏膜下腺通过单一的导管进入气道，管道内排列着多种细胞，包括调节管道液体的浆液细胞。黏膜下腺腺泡区排列着杯状细胞和浆液细胞，它们分泌多种先天性免疫蛋白、黏蛋白和电解质^[17]。神经支配的肌上皮细胞包围腺体，并根据神经输入信号介导黏液分泌，神经输入信号可在颗粒物和毒物刺激后激活黏膜下腺体大量分泌黏液^[2]。

黏膜下腺体分泌的黏蛋白主要为MUC5B和少量MUC5AC，以及多种先天宿主防御蛋白和抗菌肽，包括溶菌酶、乳铁蛋白、肺表面活性蛋白D(surfatcant protein-D，SP-D)和表面活性蛋白A(surfatcant protein-A，SP-A)等。黏膜下腺体产生的蛋白质、液体和电解质的运输保持平衡，可使得黏液能迅速分泌和扩散到气道表面，从而使黏液凝胶通过纤毛摆动而在气道上运动^[18]。

1.3. 黏液毯和黏液

1.3.1. 黏液毯

黏液毯由黏液层和浆液层构成。黏液层具有黏弹性，可以吸附外来的病原微生物和吸入的颗粒物质等，并通过纤毛有规律的摆动，将有毒、有害物质清除出去，保证呼吸道的清洁。浆液层黏度低，富含水分，纤毛顶端可以接触到黏液层，纤毛可在其中摆动，并且可以推动黏液层向前移动。

黏液层的运输功能由黏液成分及其水合状态决定。水合状态主要是通过囊性纤维化跨膜转导调节因子(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR)和Ca²⁺激活的Cl^-通道(calcium-activated chloride channel，CaCC)促进氯离子外流，以及通过上皮细胞Na⁺内流通道(epithelial sodium channel，ENaC)促进钠离子内流，从而调节上述这两个过程，使上皮细胞控制气道表面水分含量^[19]。在健康人的肺中，分泌的黏液和水汇合后，在纤毛上方形成一层薄薄的黏液(2~5 μm)，它可保护从细支气管到上呼吸道的上皮细胞^[1]。

气道不同部位的黏液毯转运速度不同，末梢支气管由于黏液水份较多，转运速度较慢。黏液由外周向中央气道移动的过程中，水份被重吸收，黏度逐渐增加，转运速度也逐渐加快。黏液毯还有防止气道上皮脱水、离子失衡和滤过屏障等作用^[20]。

1.3.2. 黏液和黏液清除

呼吸道黏液是由糖蛋白、蛋白多糖、脂质、少量其他蛋白质和DNA组成的复杂的混合物。健康人呼吸道黏液含有97%的水分，只有3%的固体，其中黏蛋白约占30%，其余是脂类、其他蛋白质和细胞碎片等。糖蛋白和蛋白多糖紧密结合在一起，构成亲水性凝胶的主要成分，脂类与糖蛋白紧密结合，约占非水分泌物的30%。分泌型IgA增强了对细菌的清除，减少了微生物进入上皮细胞的机会^[21]。

气道的管腔表面直接与病原微生物和有毒、有害颗粒物质接触，这些微生物和颗粒物质都需要被清除，以防止它们接触到下面的上皮细胞。细胞分泌的黏蛋白起到屏障作用，而聚合物糖蛋白作为“筏”运输病原体。黏蛋白富含重复苏氨酸结构域^[22]，黏蛋白MUC4、MUC13、MUC16等在上皮表面可形成防御屏障，可以被宿主相关蛋白酶分解、脱落，从而由MCC将有毒、有害物质清除^[22-23]。分泌型气道黏蛋白(如MUC5AC和MUC5B等)由位于人类11号染色体邻接区的基因编码，形成一种黏液凝胶，可破坏细菌聚集，与病原体结合可阻止它们黏附到细胞表面，然后通过纤毛的摆动将它们清除出去。分泌型气道黏蛋白由杯状细胞产生和分泌，形成了线性和多聚体网络，纤毛的拍打可使该网络沿气道向上移动。黏液的数量和类型在不同发育阶段以及各级别气管中有所不同，并且其对颗粒物质和病原微生物高度敏感^[24]。黏液过度分泌是慢性气道疾病的特征，如囊性纤维化、慢性阻塞性肺疾病、支气管扩张和哮喘。

1.3.3. 黏蛋白MUC5AC和MUC5B

MUC5AC和MUC5B是气道中分泌最多的黏蛋白，它们在黏液凝胶的形成和宿主防御蛋白的形成中发挥重要作用，而且黏蛋白可选择性地与微生物、病原体结合并破坏其聚集，从而阻止病原微生物进入上皮细胞表面。MUC5AC主要由上皮杯状细胞分泌，而MUC5B主要由黏膜下腺体分泌^[25-26]。

通过对MUC5AC或者MUC5B基因敲除小鼠的研究^[27-30]，可以深入了解MUC5AC和MUC5B在气道上皮中的不同作用。MUC5AC一般表达在肠道和肺部，MUC5AC基因缺陷小鼠虽然在感染后能存活下来，但是肠道的防御系统受损，表现为清除蠕虫障碍，并且有明显的肺部感染^[27-28]。MUC5B^-/- 基因缺陷小鼠可发展成严重的肺部感染，并伴有气道阻塞和炎症，MUC5B^-/- 小鼠不能清除气道中的颗粒和病原体，这表明MUC5B在肺部稳态和黏液纤毛清除中起到重要作用^[29-30]。大多数黏液阻塞性疾病(如囊性肺纤维化和慢性肺阻塞性疾病)与MUC5AC和MUC5B造成的小气道黏液阻塞有关。

黏蛋白的产生需要表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)的信号转导。EGFR表达水平在哮喘患者中增加，与哮喘的严重程度相关。各种刺激物(细菌产物、病毒和香烟烟雾等)以及各种配体(EGF、TGF-α等)都可在气道上皮细胞中激活EGFR信号转导^[31]。EGFR信号通路的激活可诱导MUC5AC的表达，从而使EGFR酪氨酸激酶抑制MUC5AC的表达。

2. 纤毛推动液体的机制

在人类，气道纤毛的发生始于胚胎发育第7周，然而，这种纤毛是否具有功能尚不清楚。每个纤毛沿着轴线与相邻纤毛以相同的摆动频率运动，这会产生一个穿过细胞上皮的波动，运动纤毛就像细胞的“船桨”，推动覆盖在上面的黏液向头侧方向移动。

纤毛以12~15 Hz的频率摆动，在协调的异时运动波中推动黏液以4~20 mm/min的速度移动。纤毛摆动周期有两个：1)在运动过程中，纤毛保持完全伸展，并在大致垂直于细胞表面的平面内呈弧形移动；2)在恢复过程中，纤毛弯曲，从基底部向尖端传播。纤毛在每个周期中都有一个静息期，在运动过程前或恢复过程前短暂停止运动。在动力蛋白的推动下，纤毛轴丝的外部9个二联微管相互滑动，从而产生运动^[32]。轴丝一侧的双小体的滑动使纤毛向一个方向弯曲，而另一侧的双小体的滑动使纤毛再次弯曲。三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)为纤毛运动提供能量。轴丝纤维之间的径向连接被认为可以抵抗滑动，并有助于纤毛弯曲的形成。有研究人员用兔气管上皮对纤毛的运动进行研究，证实了支气管纤毛的运动周期基本上是相同的，在体外的研究中，纤毛的摆动频率从0(纤毛保持在静止位置)到30 Hz左右^[33]。随着频率的增加，纤毛摆动的各阶段持续时间缩短，最显著的变化是静息期显著减少，而恢复纤毛摆动的速度加快，有效摆动的幅度有所降低。在纤毛运动过程中，纤毛尖端速度达到最大值，但如果纤毛遇到黏液增加的阻力，速度可能会大幅度降低^[33]。

纤毛在细胞表面附近摆动，纤毛尖端仅在向前运动时接触黏液层；在纤毛恢复过程中，纤毛轴进行弯曲，使纤毛尖端从黏液层下方通过，从而使黏液仅向前运动。气道纤毛摆动频率受多种信号分子调节，包括cAMP、Ca²⁺、一氧化氮和黄体酮等。纤毛摆动频率受年龄、运动和环境刺激(如香烟烟雾)的影响，如纤毛摆动频率和黏液纤毛清除率随年龄增长而减慢。有研究^{[1, 34-35]}报道称纤毛摆动频率还随温度的增加而增加，通过减少测量区域的相对湿度可大大降低纤毛的摆动频率。引起纤毛功能障碍的原发因素和继发因素会损害黏液纤毛清除功能，从而导致各种肺部疾病以及肺部的反复感染^[36-37]。

研究^[38]人员在猴子的鼻黏膜上观察到颗粒物质通常在黏液层中运输；在某些情况下，黏液的表层没有移动，但在黏液下面，可以观察到纤毛处于活跃状态，颗粒物质在纤毛周围的液体层中被推动。在较大气道的纤毛上皮上会覆盖一层5~10 µm或更厚的完整黏液，黏液对颗粒物质的清除发挥重要作用。在对蛙颚的研究^[39]中发现：当颗粒物质落在纤毛表面时，黏液会分泌在颗粒物质周围，并通过纤毛的作用被清除体外。一个健康的成年人每天平均从呼吸道排出的黏液约为10 mL，以大约0.2 mm/s的速度沿着气管不断向上移动。有研究^[40-41]表明患有支气管炎的大鼠气道分泌的黏液更多。黏液在气道杯状细胞和腺细胞囊泡中形成，通过胞吐释放直径为1~2 µm的浓缩糖蛋白，它们通过吸收浆液中的水而迅速膨胀，在大约3 s的时间内体积可增加了几百倍^[42]。

纤毛的活动在维持睫状层的深度方面起作用，它可以将液体从一个区域泵到另一个区域，依赖氯离子分泌和钠吸收之间的平衡，液体能通过上皮运输，以维持睫状层的深度。如果睫状层变得太深，纤毛在有效的摆动过程中将从黏液中脱落，导致黏液纤毛运输速率降低。在干燥的空气中，由于蒸发而损失的液体可能会降低睫状层的深度，从而损害纤毛功能^[43]。在较小的细支气管中，浆液细胞往往比黏液细胞更多，研究^[44]观察到纤毛很可能沿着多余的纤毛周围液体扫过，这种流动也可能吸引来自肺泡的表面活性物质。当有黏液漂浮在纤毛的顶部时，在纤毛摆动过程中它可以到达纤毛尖，有利于黏液的移动，纤毛会向上推动黏液，使其稍微远离细胞表面^[19]。纤毛与具有黏弹性的黏液接触，并且向黏液施加推进力。黏液在周围纤毛的推动下继续向前移动，并从减速的纤毛尖端被拉出。静息纤毛向黏液运输方向突出，静息纤毛区域可以作为一个“不反流表面”，阻止黏液向后流过该区域^[45]。在均质流体中，纤毛运动的阻力只会因运动速度的增快而增加。如果纤毛向后弯曲太远，它将不再能够有效地推动黏液。研究^[45]认为对于推动黏液运动的纤毛，应该有一个最佳的长度，在这个长度上，它可以施加合理的力，而当它遇到黏液时，又不会弯曲太多。

黏液的转运速率可以在显微镜下观测到，通过使用伽马相机技术跟踪标志物(如观测具有Tc-99m放射性标签的聚苯乙烯、白蛋白或FeZ03颗粒的运输)来检测黏液的转运速率^[46]，且检测到的猴子鼻部黏液运输速度为30~110 µm/s。也可以采用糖精实验法检测黏液运输速率^[47]，在这项测试中，测量糖精颗粒在鼻前部已知位置到受试者第一次品尝到甜味瞬间的时间，可计算出黏液运输速率为20~300 µm/s^[47]。在评估疾病或药物治疗的效果时，经常使用放射性粒子的清除率作为衡量MCC功能的指标，遵循放射性降低的总体模式，而不测量黏液推进的实际速率^[48]。也有研究^[49-50]使用沿人体气管的局部探测器来计算标记的颗粒物质局部沉积后放射性峰值的通过时间，从而测量黏液的传输速率。

3. 影响MCC的因素

在健康非吸烟受试者中，生理因素(如年龄、性别、姿势、睡眠和运动)都能影响MCC。在低温和低湿度情况下，纤毛活性降低，黏液纤毛清除速率减慢，导致感染增加。相反，湿度高可增强纤毛的活性，使黏液纤毛的清除速率增加。影响MCC中纤毛的因素包括纤毛的长度、数量、摆动频率和振幅，这些因素一起决定了纤毛运动的速度，从而决定了黏液层的行进速度^[51]。然而，纤毛摆动频率的增加并不代表黏液纤毛清除速率的增加，因为纤毛摆动缺乏协调性也会影响纤毛的运输速度。影响MCC中浆液因素包括黏液流变学及其水合作用，黏蛋白分泌过多会导致黏液层太厚(如在哮喘患者中)；或者由于脱水导致黏液太浓稠，使纤毛不能正常摆动(如在囊性纤维化患者中)。还有一个重要因素是要有充足的ATP提供能量，以维持气道的水合作用，从而加速纤毛的摆动^[52]。

4. 黏液纤毛清除功能障碍引起的肺部疾病

黏液纤毛运输依赖于纤毛、黏液和纤毛周围液体3种成分，这3种成分中的任何一个的改变都可能影响其运输功能，由疾病引起的变化可能会干扰黏液纤毛运输^[1-2]。纤毛对许多疾病有重要影响，原发性纤毛功能障碍(静止纤毛综合征)患者的纤毛要么完全不活动，要么具有严重的运动缺陷，以致黏液纤毛间隙缺失或严重减少^[53]。在流感和支原体感染的患者中，大量纤毛细胞可能脱落，黏液纤毛运输速率显著降低^[54]。此外，在囊性纤维化患者中，由于外分泌腺功能紊乱，可导致黏液腺增生和黏液浓稠。

4.1. 原发性纤毛功能障碍

原发性纤毛功能障碍(primary ciliary dyskinesia，PCD)是一种较罕见的以纤毛结构和功能障碍为特征的遗传性疾病，患病率为1/15 000，它由基因突变引起，包括超过25个不同基因的突变，通常为常染色体隐性遗传。PCD患者通常表现为新生儿一过性呼吸窘迫，然后出现慢性鼻窦炎、中耳炎、咳嗽、支气管扩张和不孕、不育，它还与内脏器官镜像或异常分布有关。大多数PCD患者有较为严重的咳嗽症状，咳嗽在一定程度上弥补了MCC功能的缺陷。研究^[55]显示：“有效”的咳嗽可以将吸入的灰尘、病原微生物等清除出去。下呼吸道MCC功能受损可导致肺炎和支气管炎的反复发作。PCD患者痰细菌培养常含有金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、流感嗜血杆菌和非结核分枝杆菌。气道上皮细胞一氧化氮生成减少、纤毛超微结构异常、慢性多细菌感染、支气管扩张等特征以及对纤毛的形成和功能至关重要的双等位基因突变的鉴定可将PCD与囊性纤维化区分开来^[55]。

电镜观察到不同纤毛结构缺陷与PCD的临床表型有关，最常见的是缺少外动力蛋白臂和内动力蛋白臂这一类型，单独的内动力蛋白臂缺陷是不常见的。患有PCD时，通常与纤毛中央结构的异常有关，例如微管紊乱。PCD还与纤毛搏动频率降低有关，这在动力蛋白臂缺陷的患者中最为突出。PCD的纤毛运动障碍可进一步导致缺乏有效的黏液纤毛运输，可使PCD患者气道颗粒物质清除率延长至1周；相比之下，正常非吸烟者气道颗粒清除率不超过12 h^[56-57]。

由于患者临床症状和严重程度的不同，以及电子显微镜确定纤毛结构异常的主观性导致了PCD的诊断和筛查具有挑战性。PCD的诊断通常是通过电子显微镜鉴定纤毛超微结构缺陷而加以确认。PCD是因为黏液纤毛清除障碍和反复感染引起的，并且几乎所有PCD的患者都会患有支气管扩张，肺功能测试一般显示阻塞性通气障碍伴或不伴空气潴留。动力蛋白轴丝重链1(dynein axonemal heavy chain 1，DNAH1)和DNAH5是30%~38% PCD患者中的主要致病基因，在有外动力蛋白臂缺陷的PCD患者中DNAH1和DNAH5基因突变率更高(50%~60%)。DNAH1和DNAH5的9个外显子中存在突变群(DNAH1外显子1，13，16和17；DNAH5外显子3，50，63，76和77)，表明在约24%的PCD患者中可检测出至少一个突变等位基因，临床上可通过检测突变基因作为诊断PCD的一个方法^[58-59]。对PCD的治疗手段主要是气道清理治疗、肺部感染抗生素的使用、常规免疫接种和避免烟草、烟雾的暴露。

4.2. 囊性纤维化

囊性纤维化(cystic fibrosis，CF)是一种遗传性外分泌腺疾病，由位于第7对染色体CF基因突变引起，为常染色体隐性遗传病。CF主要影响高加索人，北欧后裔新生儿的发病率为1/2 500。虽然受影响的婴儿出生时肺部看似正常，但因为黏液纤毛清除的异常，会导致反复感染和支气管扩张。CF主要表现为汗液氯离子浓度升高、进行性肺部疾病、胰腺外分泌功能不全和男性不育症。CFTR基因编码上皮细胞顶端表达的Cl^-通道，该通道调节Cl^-的分泌，并调节其他膜蛋白(包括ENaC)。由于CFTR和ENaC都控制上皮细胞水分的运输，CFTR功能障碍可导致液体吸收增加，上皮表面脱水，并改变气道黏液中的黏蛋白浓度。CF患者黏液纤毛清除的异常是由于气道黏液的物理特性异常所致，而不是纤毛病变^[17]。单独的CF上皮细胞没有黏膜下腺，所以气道表面液体分泌异常。CF患者气道纤毛的电子显微镜显示存在复合纤毛、胞浆基质过多和微管双重体的异常数量或排列。随着疾病的发展，气道出现鳞状化生和非典型增生、复合纤毛、单个微管代替正常轴丝、多纤毛占据中心区和轴丝膜脱落^[1]等现象。

对CF患者的原代气道上皮进行培养，结果表明气道表面液体的缺失导致纤毛在纤毛周围液体层中塌陷，从而影响MCC^[60]。研究^[61]表明：在CFTR基因缺陷的猪模型中，高浓度黏液导致气道表面液体减少，从而损害MCC，导致黏液阻塞，促进气道炎症的发生。控制黏液清除效率的最重要因素是气道表面的水合作用。在CF中，Na⁺的吸收增加，Cl^-的分泌减少，导致黏液层和纤毛层的含水量都降低，从而导致黏液的黏性增加^[62-63]。CF的治疗方法主要是通过清除肺部黏液和预防肺部感染，常见的治疗包括吸入抗生素治疗肺部感染；采用支气管扩张剂保持呼吸道通畅；加强患者的营养，口服消化酶，增强患者体质。

4.3. 哮喘和慢性支气管炎

支气管哮喘是由多种细胞和细胞组分参与的气道炎症性疾病，与气道高反应性相关，通常出现可逆性气流受限，并引起反复发作的喘息、胸闷和咳嗽等。慢性支气管炎是气管、气管黏膜及其周围组织的慢性炎症，以咳嗽、咳痰为主要症状。在这最常见的两种慢性气道疾病中，引起黏液清除的减少和气道黏液阻塞的机制尚不清楚。慢性气道炎症通常被认为是因为吸入过敏原或者是暴露于香烟烟雾中引起的。杯状细胞增生、黏液过度分泌和管腔内黏液的阻塞都是气道疾病的主要特征。在哮喘中，黏液清除不足可能会导致气道的阻塞，在死于哮喘持续发作状态的患者验尸报告中，大部分患者是因为严重的气道黏液阻塞引起的死亡，表现为肺部明显增大，几乎占领整个胸腔，表明管腔内黏液阻塞引起窒息是致死性哮喘的重要死亡原因^[64-65]。

慢性支气管炎特征是杯状细胞黏液分泌过多，从而导致气流受限、气道重塑和气道表面张力的改变引起的气管塌陷。黏液过度分泌与慢性支气管炎病情加重呈正相关，并被认为是慢性支气管炎的驱动因素，MUC5B过度分泌一定程度上反映了疾病的严重程度^[66]。最近有研究^[67-68]表明小气道管腔内黏液阻塞是决定慢性支气管炎患者疾病进程的关键因素，因为在慢性支气管炎患者中还没有出现过纤毛结构异常的情况，所以人们推测这些疾病中MCC功能的下降是由于气道分泌物质量和数量的改变。

4.4. 慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一种常见的以持续性气流阻塞为特征的疾病。患者黏膜纤毛清除率受损，与呼吸道感染易感性增加相关。纤毛清除率的下降是由于香烟烟雾引起的纤毛缩短以及气道上皮功能障碍。健康人中吸烟者的呼吸道纤毛比不吸烟者更短，患有COPD的吸烟者甚至比没有呼吸道疾病的吸烟者更短，并且COPD患者的鼻纤毛搏动受损，即使在戒烟后也是如此。除了香烟烟雾以外，室内和室外的污染也可以导致非吸烟者患COPD。因此，接触燃料烟雾(如燃烧木材产生的烟雾)和职业污染物也被认为是COPD的危险因素^[69]。

有多项研究^[70-73]表明持续暴露于香烟烟雾或香烟烟雾提取物中可降低COPD患者气道和体外培养的气道上皮细胞中CFTR的表达水平。并且，香烟烟雾提取物能降低气道上皮细胞黏液纤毛转运速率^[74-75]。CFTR还介导碳酸氢盐的分泌，碳酸氢盐在调节气道局部pH值和黏蛋白的展开中发挥作用，香烟烟雾可导致碳酸氢盐分泌减少，引起气道表面液体酸化^[76-77]。上述研究结果表明，吸烟引起的CFTR功能障碍可能是COPD的发病机制之一。

此外，香烟烟雾引起的下呼吸道黏液高分泌是由蛋白酶和抗蛋白酶失衡引起的。在仓鼠气管中注入人中性粒细胞提取物或者纯化的人中性粒细胞弹性蛋白酶可以诱导杯状细胞增生，黏液分泌增加。人下呼吸道有一种稳定的蛋白酶抑制剂，香烟烟雾已被证明在体内和体外可抑制这种蛋白酶抑制剂。因为吸烟者气道分泌物中蛋白酶抑制剂少于非吸烟者，所以吸烟者气道中性粒细胞弹性蛋白酶/抗弹性蛋白酶失衡，导致杯状细胞增生和黏液分泌过多^[78-79]。在COPD中引起的纤毛功能障碍是因为纤毛吞噬，即通过自噬机制消耗纤毛成分，在香烟烟雾环境中肺部自噬增加，研究^[80]表明自噬机制缺陷的小鼠能抵抗烟雾诱导的纤毛缩短和烟雾诱导的黏液纤毛清除损伤。

COPD在稳定期主要治疗方式是戒烟、运动或肺康复训练。药物治疗主要是应用支气管扩张剂、抗胆碱能药物和吸入型糖皮质激素。

5. 结 语

在过去的几十年里，学界在了解MCC对肺部的调节方面取得了重要的进展。MCC的每个组成部分的缺陷，即纤毛功能障碍、气道表面液体层体积减少和异常的黏液分泌都能导致黏液清除的减少，并且引起慢性气道疾病。因为MCC在肺部防御中有重要作用，这些缺陷将会成为慢性气道疾病治疗的靶点。然而，纤毛功能障碍、气道表面液体层体积减少和黏液异常分泌对于黏液清除的损伤机制还有待进一步的研究。

基金资助

湖南省自然科学基金(2020JJ4776)；广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515111169)。

This work was supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province (2020JJ4776) and the Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2022A1515111169), China.

利益冲突声明

作者声称无任何利益冲突。

作者贡献

伍迪 论文构想、撰写和修订；向阳 论文修改和写作方向指导。所有作者阅读并同意最终的文本。

原文网址

http://xbyxb.csu.edu.cn/xbwk/fileup/PDF/202302275.pdf