第七节 气道黏液高分泌的机制
气道黏液是由气道中支气管杯状细胞分泌的以MUC5AC为主的黏蛋白及黏膜下腺体分泌的水分、糖类、蛋白质和脂类等物质组成混合物。正常机体调控下，适量分泌的黏液有利于湿化气道，缓冲外界刺激，对气道有一定程度的保护作用，是呼吸系统固有免疫的第一道防线。
然而在香烟、可吸入性颗粒物等外界刺激性因素的作用下，气道上皮细胞向杯状细胞分化，合成并分泌过多的黏蛋白与黏液，导致气道黏液高分泌，参与慢性气道炎症性疾病的发生与临床进展。气道黏液高分泌的主要临床症状体现为慢性咳嗽与咳痰，深入探索气道黏液高分泌的机制有助于更好地理解与评估患者的临床症状，为咳嗽的诊断与治疗带来基础知识与理论。本节将介绍气道黏液高分泌的临床意义及相关分子生物学机制。
气道黏液的成分较为复杂，其中水的含量大于95%，2%～3%为黏蛋白，0.3%～0.5%为脂质和1%的无机盐等。目前已发现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，其中主要由气道杯状细胞分泌的MUC5AC是黏液最主要的成分，并可作为杯状细胞增生、气道黏液高分泌的标志物，合成的MUC5AC存储在细胞内的分泌颗粒内，当细胞受到外界刺激时，以出胞的形式释放到细胞外，形成黏液。气道黏液分为黏液层及浆液层：位于表层的黏性较高的、厚5～10μm的黏液层主要由杯状细胞分泌，位于下层厚约5μm黏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。单个气道上皮纤毛细胞约有200根纤毛并以1000～1500次/min的速度定向协调向前摆动，配合咳嗽动作促使黏液层捕获的微生物及颗粒物质从气道中清除，到达清除气道的保护作用，是呼吸系统固有免疫系统的重要组成部分。正常条件下，黏蛋白的合成与降解、黏液的产生与外排处于动态平衡之中。
气道黏液高分泌的分子生物学机制较为复杂，涉及气道黏蛋白合成增加、细胞内转运、黏液排出等多个病理生理进程。整体而言，可以从黏蛋白合成过多与黏液排出困难两个方面进行探讨，本节也尝试从上述两方面入手总结其相关机制。
在香烟、可吸入性颗粒物、细菌毒素等刺激因素作用下，持续的气道炎症反应、高氧化应激状态、蛋白酶/抗蛋白酶失衡导致杯状细胞化生，细胞内黏蛋白合成增加、释放增加，导致气道黏液高分泌。上述三种作用机制并非单一存在而是相互作用、相互影响，多条信号通路相互串化综合作用导致黏蛋白合成增加，现予以分别阐述。
气道炎症性疾病的本质是持续性的气道炎症反应，在炎症刺激下，包括气道上皮细胞、中性粒细胞及巨噬细胞等分泌大量的炎症因子，进而刺激气道上皮细胞向杯状细胞化生、合成大量的黏蛋白。比如经典的炎症因子TNF-α是一种多功能的炎症因子，参与了一系列的炎症反应和免疫调控。TNF-α主要来源于巨噬细胞，在TNF-α介导的信号通路中，TNF-α与分泌细胞的表面受体TNFR1结合并诱导下游一系列的信号通路激活，包括NF-κB信号通路，刺激气道上皮细胞黏蛋白合成与气道黏液高分泌。此外，包括IL-1β、IL-8、IL-9、IL-13和TGF-β在内的一系列炎症因子可以诱导气道上皮细胞产生过多的MUC5AC，参与到气道黏液高分泌的病理生理进程中。
表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）属于受体酪氨酸激酶家族，是人表皮生长因子受体家族成员之一，主要表达于细胞膜，可被EGF、TGF-α和HBEG等多种因子及氧化应激等多种刺激性因素激活，激活后发生二聚体化并引发胞内段酪氨酸激酶活化，进一步激活下游信号转导。研究表明，EGFR/EGFR配体表达于气道上皮，调节其增殖、分化、损伤及修复。在慢性气道炎性环境中，通过增加细胞膜表面基质金属蛋白酶裂解EGFR前体，在黏蛋白的合成调节中起重要作用。EGFR特异性抑制剂AG1478、吉非替尼均能抑制细胞、动物模型的气道黏蛋白合成与气道黏液高分泌，并且EGFR下游的Ras/Raf/MEK/ERK和PI3K/Akt信号通路均与气道黏蛋白的合成与释放密切相关。
NF-κB是一种控制DNA转录的蛋白复合体，其相关信号通路是经典的炎症性信号通路，在多种炎症性疾病中发挥着重要作用。慢性阻塞性肺疾病、哮喘患者、动物及细胞模型均提示NF-κB信号通路的激活与黏蛋白MUC5AC合成增加密切相关，阻断NF-κB信号通路能显著降低MUC5AC的合成，减轻气道黏液高分泌。并且NF-κB信号通路与包括EGFR、MAPK、TGF-β-Smad信号通路相互作用，共同参与到气道黏液高分泌的调节。
磷酸二酯酶-4，5具有水解细胞内第二信使的功能，通过降解细胞内cAMP或cGMP，从而终结这些第二信使所传导的生化作用，在炎症反应的调节中发挥着重要作用，基于磷酸二酯酶-4开发的抗炎药物已在慢性阻塞性肺疾病等呼吸系统疾病中大量使用。近年来的研究发现，磷酸二酯酶在气道黏液高分泌中发挥着重要作用，通过阻断磷酸二酯酶-4（YM976）和磷酸二酯酶-5（西地那非）可以抑制丙烯醛诱导的大鼠气道黏液高分泌，进一步证实了磷酸二酯酶信号通路在气道黏液高分泌发病机制中的作用。
过氧化物酶体增殖物活化受体-γ（peroxisome proliferator activated receptor-γ，PPAR-γ）在分子生物学的领域里是一组核受体蛋白，具有转录因子的功能，可以调控基因表达。这组核受体蛋白对高等生物的细胞分化、发育与新陈代谢（碳水化合物、脂质和蛋白质）及癌变的发生有着关键的作用。研究发现，PPAR-γ在慢性阻塞性肺疾病和哮喘等患者肺组织、气道上皮中表达显著上调，通过罗格列酮阻断PPAR-γ可显著降低黏蛋白MUC5AC的合成，降低气道黏液高分泌，提示PPAR-γ信号通路参与了气道黏液高分泌。
Toll样受体（Toll-like receptors，TLR）是一类进化高度保守的病原分子识别受体，是连接天然免疫和特异性免疫的跨膜信号转导受体家族，属于模式识别受体，其通过识别侵入体内的微生物进而激活免疫细胞的应答，被认为在先天性免疫系统中起关键作用。近年来的研究表明，在脂多糖诱导的大鼠气道黏液高分泌模型中，TLR-4的表达显著上调，TLR-4可能参与脂多糖诱导的大鼠气道黏液高分泌。
氧化应激是指机体内活性氧的生成超过抗氧化系统防御能力的一种状态。香烟等刺激物中含有大量的氧化应激成分，诱导气道上皮细胞氧化应激损伤，活性氧激活TNF-α转化酶，诱导EGFR信号通路激活，活化NF-κB信号通路等，进而参与黏蛋白的合成。氧化应激可以同时激活抗氧化基因，比如核转录相关因子-2和血红素加氧酶-1等，抗氧化基因的激活有助于减轻氧化应激，降低气道黏液高分泌。
蛋白酶/抗蛋白酶的失衡在香烟诱导的慢性气道炎症损伤、气道重构中发挥着重要作用。香烟等刺激因素诱导一系列蛋白酶的激活，诱导黏蛋白的合成与释放。在丙烯醛诱导的大鼠气道黏液高分泌模型中，气道上皮中基质金属蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）的基因表达随着丙烯醛刺激的增加而增加，MMP-9可能参与气道黏蛋白的合成与气道黏液高分泌。此外，包括中性粒细胞弹性蛋白酶和胰蛋白酶类蛋白酶等多种蛋白酶均参与了诱导气道上皮黏蛋白的合成，蛋白酶的异常表达与激活可能在气道黏液高分泌的进程中发挥了潜在的促进作用。
慢性气道炎症性疾病患者不仅黏蛋白合成增加，黏液分泌量增加，其黏液的生物物理性质也发生了较大的改变，含水量减少，固体成分的比例增加，更加黏稠，不易排出，加重气道阻塞。其潜在机制可能为：吸烟会显著减少气道上皮细胞内的囊性纤维化跨膜转导调节因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR），CFTR是一种磷酸化调控的上皮细胞Cl−通道，是通过对C1−和HCO3−的跨膜转运，在跨上皮水分流动、盐类物质转运和离子浓度调节中发挥调控作用的通道。CFTR的改变导致气道表面慢性脱水，黏蛋白水盐比例升高，黏液变得黏稠不易流动，难以被纤毛摆动、咳嗽刺激等常规方式排出，在气道内蓄积，导致气道黏液高分泌的出现。如果呼吸道水分丢失或吸入气体过于干燥，均可造成黏膜干燥，使痰液和炎性分泌物更加黏稠、结痂，增加排痰困难，甚至形成支气管黏液栓，导致黏液排出更加困难，阻塞气道，加重呼吸道症状。
呼吸道纤毛是清除黏液的传送带。正常情况下，纤毛以一定频率摆动，促进气道分泌物的排出，然而对于慢性气道炎症性疾病患者，其黏液纤毛清除功能显著下降。一方面，香烟烟雾、病原微生物及其分泌的毒素刺激机体产生的炎性因子和炎症细胞直接作用于纤毛，导致纤毛超微结构改变、纤毛细胞产生空泡样变性，纤毛变短、粘连、纤毛细胞凋亡，黏液纤毛系统不完整，纤毛摆动缺乏协调，摆动频率下降；同时各种刺激导致纤毛内离子及能量代谢紊乱，Ca2+浓度、ATP水平下降。另外，对于慢性阻塞性肺疾病患者而言，作为一种慢性消耗性疾病，其患者局部组织可能储存能量不足，从而使纤毛摆动无力、摆动频率下降。上述病理生理改变显著降低了黏液纤毛的清除功能，导致气道黏液在气道内蓄积，成为气道黏液高分泌的病理生理学机制之一。
在病理条件刺激下，打破正常气道黏液产生与排除的平衡，导致黏蛋白合成增加、气道黏液高分泌，在以慢性阻塞性肺疾病（慢阻肺）、支气管哮喘为代表的慢性气道炎症性疾病的病理生理学发病机制及临床进展中发挥着重要作用。
研究发现，气道黏液高分泌可产生并分泌过多的黏蛋白、黏液，蓄积在气道管腔中，可导致呼吸道管腔狭窄，出现气道重塑，导致气流受限，加速肺功能下降进程；同时炎症、氧化应激反应使气道纤毛清除功能下降，肺泡表面活性物质丧失和黏液生物物理性质改变从而导致气道的反复感染、阻塞和重塑，形成恶性循环。在此基础上，气道黏液高分泌参与了多种气道炎症性疾病。例如，在慢性阻塞性肺疾病患者中，因气道黏液高分泌而导致的气道阻塞、肺部感染是影响慢性阻塞性肺疾病患者急性加重发作、长期预后的重要危险因素。气道黏液高分泌导致慢性阻塞性肺疾病死亡的风险是对照组的3.5倍，气道黏液高分泌与慢性阻塞性肺疾病患者的运动能力下降、急性加重、临床死亡率等不良临床预后事件密切相关。气道黏液高分泌造成哮喘患者的气道细菌定植、气流受限和通气功能障碍，进而使哮喘患者对药物治疗反应欠佳、临床症状难以控制，并且相当比例的致死性哮喘患者的管腔被气道黏液栓所阻塞，进而发生窒息，可能是哮喘患者死亡的重要原因。气道黏液高分泌在呼吸系统疾病中不仅仅是一种临床症状而是与疾病的发生、进展及预后密切相关。因此，深入探索气道黏液高分泌的病理生理学机制有助于临床上对患者的评估与治疗。
慢性咳嗽、咳痰作为气道黏液高分泌的常见临床症状，其病理生理学机制常常被忽视。通过从气道黏液产生与排除这两个环节入手，有助于更好地解析气道黏液高分泌的机制。气道上皮在炎症反应刺激、氧化应激、蛋白酶激活的情况下激活细胞内的一系列炎症、氧化应激信号通路，参与黏蛋白的合成与释放，使气道黏液高分泌的来源增加；同时由于黏液性状发生改变，纤毛清除功能障碍，使黏液的排除困难，从而导致气道黏液高分泌。从上述分子生物学机制入手，有助于深入了解气道黏液高分泌的病理生理学特征，为临床上的评估和治疗提供相关依据。
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