囊胞性纤维症中粘膜下层腺体酸性pH和高浓度蛋白含量导致异常粘液

来源：BioArt

囊胞性纤维症（Cystic Fibrosis, CF) 是在高加索人种中常见的由调控囊性纤维化跨膜型传导调节蛋白（CFTR）的基因突变引起的隐形遗传病。CFTR的功能缺失引发呼吸道粘液纤毛清除功能障碍，导致了上呼吸道和肺部粘液栓塞。一旦入侵的病原体、细菌、颗粒等滞留在呼吸道就会引起反复炎症，最终缩短寿命。肺部粘液栓塞作为CF中带来后期疾病恶化的关键事件，其成因与机制尚不清楚。

2020年7月29日，来自爱荷华大学（University of Iowa）的美国科学院院士，霍华德休斯医学研究院（HHMI）研究员Michael J. Welsh团队在Developmental Cell上发表了题目为Acidic Submucosal Gland pH and Elevated Protein Concentration Produce Abnormal Cystic Fibrosis Mucus的文章。其中爱荷华大学的助理教授谢瑜亮（Yuliang Xie）和鹿琳（Lin Lu）博士为并列第一作者。该研究发现在CF中，产生粘液的粘膜下层腺体（Submucosal gland）中的酸性pH和高蛋白质浓度改变了粘液的机械性能，从而导致粘液栓塞。而一旦异常的粘液形成，改变呼吸道上表面的pH无法逆转其机械性能。

首先，研究人员使用和人类CF病人症状相同的病理动物，新生CFTR基因敲除猪（CF猪）的气管来研究黏膜下层腺体的黏液分泌。首先，研究人员采集了微量的气管粘膜下层腺体的粘液进行分析。与野生型猪气管粘液相比，新生CF猪 pH更低，粘液分泌体积减少，并且蛋白浓度升高。

 图1. 微量采集并测量猪气管粘膜下层腺体分泌粘液

粘液在粘膜下层腺体形成之前包裹在低pH和高钙离子浓度的粘液小泡中，通过胞外分泌快速释放到腺体囊管中，急速膨胀，并最终形成具有一定机械性能的呼吸道粘液。为了研究粘液形成时期，pH，钙离子浓度和蛋白质浓度对粘液弹性和黏度的影响，研究人员建立了一种新型鼻涕虫（Banana slug）动物模型。鼻涕虫粘液分泌细胞和猪粘液下层腺体中的粘液分泌细胞，形成的粘液结构，糖蛋白染色都十分相似。因为鼻涕虫分泌粘液小泡到体表，通过收集粘液小泡，控制粘液小泡的破裂，研究人员就能够研究环境因素对粘液机械性能的影响。通过研究并粘液小泡破裂和粘液膨胀，研究人员发现在粘液形成时，低pH下粘液膨胀体积远小于高pH下的膨胀体积，同时粘液形成的弹性增加。且在高钙离子浓度和低pH中膨胀体积最小，弹性（Elastic modulus）最大。而且粘液弹性和黏度都随蛋白质浓度升高而增加，且增加幅度在低pH下更加明显。在粘液形成之后，再次改变粘液的pH和钙离子浓度或蛋白质浓度时，都不能够再改变粘液的弹性。

 图2 粘液形成时期pH，钙离子浓度和蛋白质浓度对粘液的膨胀体积，弹性，和黏度的影响

为了进一步在器官层面验证这一发现，研究人员借鉴了生物体中粘液形成的机制，使用微流体技术研发了人工粘膜下层腺体。这种人工粘膜下层腺体能够形成粘液束，并定量研究粘液束的拉伸和断裂。研究发现同样表明在粘液形成初期低pH和高钙离子浓度使形成的粘液束很难拉伸和断裂；与之相对，在粘液形成之后改变pH或钙离子浓度都不再改变粘液束的拉伸和断裂。更进一步，研究人员利用离体的新生猪气管中进行试验，发现在已经形成的粘液束中改变呼吸道表面的pH或钙离子浓度不能够更有效的清除粘液。

图3. 微流体人工粘膜下层腺体分泌粘液束的拉伸和断裂

作为总结，本研究创造性的使用了三个不同的技术平台（鼻涕虫粘液小泡，微流体人工粘膜下层腺体，和离体活气管），研究表明呼吸道粘液的物理性质（膨胀体积，弹性，黏度，拉伸，断裂）受粘液形成时的pH，钙离子浓度，蛋白质浓度影响。而粘液形成之后，其物理性质不再受这些因素的影响。本研究提供了一种CF粘液栓塞的机制：在CF时，低pH，高钙离子浓度，和高蛋白质浓度的粘膜下层腺体内生理环境，会形成高弹性，高黏度，不易断裂的粘液。同时，本研究为缓解或治疗CF中粘液栓塞提供了潜在的策略：介入粘液形成时的生理条件会更有效清除呼吸道粘液。