蔣國良 鄒麗君 韓媛媛 孟婕

1中南大學(xué)湘雅醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科,長沙 410008;2中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科 器官纖維化湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410013

特發(fā)性肺纖維化 (idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一種病因不明的慢性、進(jìn)行性、致死性間質(zhì)性肺疾病。環(huán)境因素與遺傳因素共同參與了IPF的發(fā)病。隨著基因測序技術(shù)的不斷發(fā)展,全基因組關(guān)聯(lián)研究在探索與IPF 發(fā)病相關(guān)的遺傳因素方面起到了積極的作用。目前采用全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)ELMOD2基因、端粒酶基因、表面活性蛋白基因、MUC5B 基因均與IPF 遺傳易感性相關(guān)。其中MUC5B啟動(dòng)子rs35705950基因多態(tài)性被認(rèn)為是IPF 最強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)因素。

1 IPF

IPF是特發(fā)性間質(zhì)性肺炎最常見的類型,其病因尚不明確,老年男性多見,組織病理和/或影像表現(xiàn)為普通型間質(zhì)性肺炎,臨床表現(xiàn)為逐漸加重的呼吸困難,確診后中位生存期為3～5 年。在流行病學(xué)方面,Nalysnyk 等[1]回顧性分析了自1990年到2011年IPF 全球流行病學(xué)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)美國IPF發(fā)病率為6.8/10萬～8.8/10萬,患病率為14/10萬～27.9/10 萬;歐洲IPF 發(fā)病率為0.22/10 萬～7.4/10萬,患病率為1.25/10 萬～23.4/10 萬,并且呈現(xiàn)上升的趨勢。Natsuizaka等[2]發(fā)現(xiàn)日本北海道地區(qū)IPF 的累積發(fā)病率和患病率分別為2.23/10 萬和10/10 萬。中國目前尚缺乏相關(guān)流行病學(xué)數(shù)據(jù)。依據(jù)目前的數(shù)據(jù),各地區(qū)IPF發(fā)病率和患病率有所不同,這可能與環(huán)境以及種族等因素有關(guān)[2]。

研究表明,環(huán)境因素與遺傳因素共同參與了IPF 的發(fā)病。家族性肺纖維化約占總IPF 患者的2%～20%,常表現(xiàn)為常染色體顯性遺傳[3]。家族性肺纖維化診斷標(biāo)準(zhǔn)為一個(gè)家庭中有2名或2名以上家庭成員發(fā)生IPF。目前針對(duì)家族性肺纖維化患者的全基因組關(guān)聯(lián)研究顯示ELMOD2基因[4]、端粒酶基因[5]、表面活性蛋白基因[6]、MUC5B基因[7]與家族性肺纖維化相關(guān)。

2 MUC5B

MUC5B是氣道分泌的一種黏蛋白成分,人類黏蛋白基因MUC5B 與MUC6、MUC2 和MUC5AC 在 染 色 體11p15.5上串聯(lián)出現(xiàn)[8]。氣道分泌的主要黏蛋白成分是MUC5AC和MUC5B。MUC5AC 主要分布在近端氣道中,由氣道表面的分泌細(xì)胞如杯狀細(xì)胞產(chǎn)生;而MUC5B 在近端氣道中表達(dá)較少,主要由氣道黏膜下腺黏液細(xì)胞分泌。在氣道遠(yuǎn)端的細(xì)支氣管 (缺少軟骨或腺體的小氣道)中,幾乎沒有MUC5AC存在,MUC5B占主導(dǎo),由氣道表面的分泌細(xì)胞 (如Club細(xì)胞和杯狀細(xì)胞)分泌[9-11]。在正常的肺中,黏液負(fù)責(zé)捕獲吸入的顆粒,并通過纖毛運(yùn)動(dòng)和咳嗽的力量將它們運(yùn)輸出氣道。同時(shí),黏液也有助于清除內(nèi)源性碎片,包括死亡的上皮細(xì)胞和白細(xì)胞。因此,黏蛋白在清除氣道異物、抵御微生物入侵、調(diào)節(jié)氣道炎癥、維護(hù)正常氣道功能方面發(fā)揮重要的作用。在哮喘患者中,MUC5AC的表達(dá)顯著且持續(xù)增加,而MUC5B 的表達(dá)減少,這與變態(tài)反應(yīng)導(dǎo)致的氣道炎癥相關(guān)[11]。而在COPD、IPF以及囊性纖維化患者中可發(fā)現(xiàn)MUC5B表達(dá)增加[12-13]。因此,黏蛋白的異常表達(dá)在這些肺部疾病的發(fā)生發(fā)展過程中扮演著關(guān)鍵的角色。有研究指出,MUC5AC 敲除小鼠生存并不受影響,而MUC5B 敲除小鼠肺組織表現(xiàn)出支氣管增生和化生、間質(zhì)增厚、肺泡塌陷、免疫細(xì)胞浸潤、彈性蛋白纖維碎片化和膠原沉積,有20%出現(xiàn)呼吸衰竭,多數(shù)因肺部感染而死亡[14-15]。這表明MUC5B 在維持氣道穩(wěn)態(tài)方面起到主導(dǎo)作用。

3 MUC5B啟動(dòng)子基因多態(tài)性與IPF相關(guān)性研究

Seibold等[7]通過對(duì)83例家族性IPF患者、492例散發(fā)IPF患者以及322名正常對(duì)照者進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析研究,發(fā)現(xiàn)19個(gè)單核苷酸多態(tài)性與散發(fā)和家族性IPF 相關(guān),其中5個(gè)在MUC5B 啟動(dòng)子區(qū),rs35705950 位點(diǎn)的突變被證實(shí)與IPF 相關(guān)性最強(qiáng)。Wang等[16]對(duì)405例間質(zhì)性肺疾病患者 (其中163例IPF患者)及2 043例健康對(duì)照者進(jìn)行MUC5B 啟動(dòng)子rs35705950 的基因多態(tài)性分析,發(fā)現(xiàn)MUC5B啟動(dòng)子rs35705950基因多態(tài)性與中國男性IPF 患者遺傳易感性相關(guān)。Wang等[17]的研究納入79例IPF患者以及200名健康對(duì)照者,通過對(duì)MUC5B 啟動(dòng)子基因多態(tài)性進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)MUC5B啟動(dòng)子rs868903 CT/CC類型與IPF患者較大范圍的蜂窩狀改變顯著相關(guān),首次證實(shí)MUC5B啟動(dòng)子rs868903基因多態(tài)性與高分辨率CT 上蜂窩狀陰影的程度及病死率相關(guān)。這表明MUC5B 啟動(dòng)子區(qū)單核苷酸多態(tài)性可能是與IPF 發(fā)病相關(guān)的重要遺傳因素。目前,MUC5B啟動(dòng)子rs35705950 多態(tài)性與IPF 患者的遺傳易感性的研究最為廣泛,已經(jīng)在多個(gè)國家以及種族中得到驗(yàn)證,包括美國、歐洲、日本以及中國等[7,16,18-19]。盡管MUC5B啟動(dòng)子rs35705950基因多態(tài)性與IPF 的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),仍然有許多rs35705950突變的個(gè)體沒有發(fā)展成IPF[20]。因此,即使存在相同的遺傳變異,不同的個(gè)體的表現(xiàn)也不完全相同。這可能與表觀遺傳學(xué)[21]、其他突變的影響[17,22]、轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控[23]等因素有關(guān)。

4 MUC5B啟動(dòng)子rs35705950基因多態(tài)性與IPF發(fā)病機(jī)制研究

MUC5B啟動(dòng)子基因多態(tài)性在IPF 發(fā)生發(fā)展中起到重要的作用。MUC5B 啟動(dòng)子rs35705950 突變導(dǎo)致MUC5B表達(dá)上調(diào),但MUC5B的表達(dá)增加影響IPF 發(fā)生發(fā)展的機(jī)制目前尚未完全闡明。既往認(rèn)為IPF的發(fā)生發(fā)展主要涉及肺泡區(qū)[24],但在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)普通型間質(zhì)性肺炎常伴有遠(yuǎn)端氣道病變,如支氣管擴(kuò)張、支氣管管壁增厚等[25]。因此,遠(yuǎn)端氣道病變在IPF 的發(fā)生發(fā)展中也起重要作用。而MUC5B是遠(yuǎn)端氣道主要黏蛋白成分。

在臨床上因ARDS或壞死性肺炎而突然大量喪失肺組織的患者往往在6個(gè)月內(nèi)可以恢復(fù)肺功能。在這一過程中,肺上皮干細(xì)胞的增殖與分化在肺組織的損傷修復(fù)中起到了決定性作用。人呼吸道不同部位的上皮干細(xì)胞類型不同,如氣管/支氣管中的p63+/Krt5+基底細(xì)胞、細(xì)支氣管中的亞型克拉拉細(xì)胞分泌蛋白表達(dá)細(xì)胞、終末細(xì)支氣管中的基底細(xì)胞以及肺泡中的AT2 細(xì)胞[26]等。Zuo等[27]發(fā)現(xiàn)感染H1N1流感病毒的小鼠會(huì)在肺臟的炎癥之后完全喪失一些重要的肺部結(jié)構(gòu)和細(xì)胞類型。然而在數(shù)周后,小鼠的肺臟會(huì)逐漸恢復(fù),這一修復(fù)過程與遠(yuǎn)端氣道中p63+/Krt5+肺干細(xì)胞密切相關(guān)。在博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型中,肺組織嚴(yán)重?fù)p傷及纖維化區(qū)域發(fā)現(xiàn)Krt5+肺上皮干細(xì)胞[28],提示來源于終末細(xì)支氣管的干細(xì)胞參與了肺部纖維化的修復(fù)。在IPF/普通型間質(zhì)性肺炎患者的組織病理中可見顯微鏡下的蜂窩囊腫,MUC5B 免疫組織化學(xué)染色顯示MUC5B在顯微鏡下的蜂窩囊腫中密集堆積,蜂窩囊腫里的細(xì)胞表現(xiàn)出纖毛細(xì)胞和遠(yuǎn)端上皮細(xì)胞的表型特征[7,29],提示干細(xì)胞的異常分化。40%的IPF患者的肺組織樣本高度富集纖毛基因和MUC5B 的轉(zhuǎn)錄本,這與顯微鏡下的蜂窩狀結(jié)構(gòu)相符。因此,異常增多的MUC5B 可能擾亂了肺上皮干細(xì)胞在肺部損傷修復(fù)過程中正常的發(fā)育途徑,并破壞了遠(yuǎn)端肺的正常修復(fù)機(jī)制,導(dǎo)致慢性纖維增生和蜂窩囊腫的形成[29]。影響遠(yuǎn)端氣道肺干細(xì)胞正常分化可能是MUC5B啟動(dòng)子rs35705950基因多態(tài)性導(dǎo)致IPF 發(fā)生發(fā)展的一種機(jī)制。

MUC5B在保持氣道清潔、維護(hù)氣道環(huán)境穩(wěn)態(tài)方面起到重要的作用。但過多的MUC5B 會(huì)導(dǎo)致吸入物質(zhì) (空氣污染物、香煙煙霧中的顆粒和化學(xué)物質(zhì)、微生物等)的過度滯留,損傷纖毛細(xì)胞功能[30-31],導(dǎo)致持續(xù)的肺部損傷。隨著時(shí)間的推移,肺損傷的病灶會(huì)導(dǎo)致持續(xù)性的纖維增生,瘢痕組織取代正常的肺組織,從而導(dǎo)致肺部的纖維化。吸煙是IPF形成的一個(gè)強(qiáng)危險(xiǎn)因素,其導(dǎo)致IPF的機(jī)制也可能與支氣管黏膜長期損傷相關(guān),從而導(dǎo)致黏膜宿主防御缺陷及隨后的間質(zhì)損傷。另外,在健康條件下,傳導(dǎo)氣道內(nèi)存在多纖毛細(xì)胞,并通過電解質(zhì)和滲透分子的穩(wěn)態(tài)來維持頂端的活動(dòng)纖毛團(tuán)的正常結(jié)構(gòu)和功能,其中黏蛋白在維持穩(wěn)態(tài)方面起到十分重要的作用。黏膜損傷后通過激活基底細(xì)胞使其完全分化為黏液腺細(xì)胞和纖毛細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)。在這個(gè)修復(fù)過程中,初級(jí)纖毛先于運(yùn)動(dòng)纖毛產(chǎn)生,而初級(jí)的非運(yùn)動(dòng)纖毛是纖毛細(xì)胞發(fā)育分化過程中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)所必需的[32]。在黏蛋白過度產(chǎn)生的情況下或者當(dāng)電解質(zhì)平衡被破壞時(shí),基底細(xì)胞被異常激活及異常分化,有研究檢測了IPF患者肺組織中纖毛特征,發(fā)現(xiàn)在肺損傷修復(fù)區(qū)域及蜂窩囊腫中許多分化的纖毛細(xì)胞保留初級(jí)纖毛,頂端運(yùn)動(dòng)纖毛發(fā)育不良[33]。因此,MUC5B 過度產(chǎn)生導(dǎo)致吸入物質(zhì)在肺內(nèi)潴留以及纖毛細(xì)胞異常修復(fù),從而產(chǎn)生慢性肺損傷,可能是MUC5B啟動(dòng)子rs35705950基因多態(tài)性導(dǎo)致IPF 發(fā)生發(fā)展的一種機(jī)制。

氣道黏蛋白是高度糖基化的大分子化合物[14],當(dāng)MUC5B啟動(dòng)子rs35705950 發(fā)生突變,MUC5B 的轉(zhuǎn)錄和MUC5B的轉(zhuǎn)錄后加工增強(qiáng),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)負(fù)荷增加,可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)。適應(yīng)性未折疊蛋白反應(yīng)試圖通過聯(lián)合協(xié)調(diào)3種不同的反應(yīng)來恢復(fù)正常的蛋白質(zhì)折疊:IRE1/XBP1、PERK/ATF4 和BIP/ATF6[34]。未折疊蛋白反應(yīng)的這3條分子通路會(huì)增加蛋白質(zhì)折疊過程中伴侶蛋白的表達(dá),協(xié)助蛋白質(zhì)分子形成正常的折疊形態(tài)或者減少蛋白質(zhì)的表達(dá)以減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的負(fù)荷[35]。但如果適應(yīng)性未折疊蛋白反應(yīng)不能維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白的平衡,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中異常蛋白的積累將誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,導(dǎo)致未折疊蛋白反應(yīng)分子通路持續(xù)激活,促使IRE1α激酶過度磷酸化和隨后的核糖核酸酶過度激活,從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。有研究證明在博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型中,抑制IRE1/XBP1通路可以明顯減輕小鼠肺纖維化程度[36]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)可以調(diào)節(jié)肺泡上皮細(xì)胞凋亡、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化、肌成纖維細(xì)胞分化和M2巨噬細(xì)胞極化[37],從而導(dǎo)致肺組織長期慢性損傷,并干擾了正常上皮對(duì)損傷、傷口愈合和組織修復(fù)的反應(yīng)。而IPF的發(fā)生與反復(fù)的肺泡損傷后導(dǎo)致的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化、肌成纖維細(xì)胞激活、膠原蛋白的沉積密切相關(guān)。

目前提出的假說強(qiáng)調(diào)了MUC5B 表達(dá)過多對(duì)氣道慢性損傷及對(duì)肺干細(xì)胞發(fā)育及分化的影響,遠(yuǎn)端氣道、纖毛、肺泡細(xì)胞均可能參與了IPF的發(fā)生發(fā)展,但其具體機(jī)制尚不完全明確,仍需要進(jìn)一步研究。

5 MUC5B啟動(dòng)子rs35705950基因多態(tài)性在早期篩查、評(píng)估IPF嚴(yán)重程度及預(yù)后中的作用

咳嗽通常是IPF的首發(fā)癥狀,80%的IPF 患者存在慢性干咳[38]。Scholand等[39]發(fā)現(xiàn)萊斯特咳嗽問卷測量咳嗽的嚴(yán)重程度與MUC5B 啟動(dòng)子rs35705950 多態(tài)性顯著相關(guān),是萊斯特咳嗽問卷評(píng)分的獨(dú)立影響因素。在白人種群IPF患者中,MUC5B啟動(dòng)子rs35705950 多態(tài)性與提高生存率顯著相關(guān)[13,40]。但在最近的一項(xiàng)針對(duì)中國漢族人群的研究中,MUC5B 啟動(dòng)子rs35705950多態(tài)性與IPF 易感性、嚴(yán)重程度的增加和總生存率的降低有關(guān)[41]。這提示MUC5B啟動(dòng)子基因多態(tài)性對(duì)生存的影響可能與種族有關(guān)。

IPF是一種慢性進(jìn)展性疾病,多數(shù)人在診斷時(shí)肺部已經(jīng)出現(xiàn)廣泛而不可逆的損傷,出現(xiàn)明顯呼吸系統(tǒng)癥狀。在疾病無癥狀期實(shí)現(xiàn)早期診斷、早期治療將延緩病情進(jìn)展,提高生存質(zhì)量。家族性間質(zhì)性肺炎患者的親屬患肺纖維化的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。Mathai等[42]的研究納入來自263個(gè)家族性間質(zhì)性肺炎患者家庭中的494例家族性間質(zhì)性肺炎患者的親屬,通過高分辨率CT 發(fā)現(xiàn)15.7%的親屬肺部存在尚不能診斷為IPF的纖維化改變,即臨床前肺纖維化,其特征是可明確識(shí)別的胸部CT 異常,包括胸膜下網(wǎng)狀、蜂窩狀改變,牽拉性支氣管擴(kuò)張,小葉結(jié)節(jié)和磨玻璃影等。臨床前肺纖維化和MUC5B啟動(dòng)子rs35705950多態(tài)性顯著相關(guān)。因此,對(duì)于高危人群的早期篩查,IPF 患者的預(yù)后預(yù)測MUC5B啟動(dòng)子基因多態(tài)性都是重要的參考因素。

6 總結(jié)與展望

隨著基因檢測技術(shù)的進(jìn)步及普及,MUC5B 啟動(dòng)子rs35705950多態(tài)性的檢測可以大規(guī)模推廣,可以對(duì)高危人群,如有家族性或偶發(fā)性IPF的患者的一級(jí)親屬,進(jìn)行早期篩查以預(yù)測患病可能性,對(duì)確診IPF患者進(jìn)行檢測以預(yù)測預(yù)后情況。目前,在全球范圍內(nèi)已經(jīng)批準(zhǔn)用于治療IPF的藥物只有2種:吡非尼酮和尼達(dá)尼布。而MUC5B 啟動(dòng)子基因多態(tài)性與IPF 具有顯著相關(guān)性,MUC5B 在IPF 病因?qū)W中的發(fā)現(xiàn)為理解IPF發(fā)病的基本機(jī)制提供了新的方向。對(duì)MUC5B參與IPF發(fā)病機(jī)制的不斷研究和認(rèn)識(shí),將會(huì)為未來治療IPF 的藥物研發(fā)提供重要的靶點(diǎn)。綜上所述,MUC5B啟動(dòng)子基因多態(tài)性與IPF 的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),但具體機(jī)制尚未明確,仍需要更多的研究闡明MUC5B 與機(jī)體的相互作用,明確MUC5B參與IPF發(fā)病的主要途徑,為IPF的藥物研制提供新的靶點(diǎn),這是針對(duì)未來IPF 治療的重要方向。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突