Zatykanie (nagłaśnianie) w celu zapobiegania zatykaniu śluzu

O istnieniu śluzu w drogach oddechowych wiedziano od dawna, ale dopiero stosunkowo niedawno powszechnie uznano, że hipersekrecja śluzu odgrywa główną rolę w patogenezie przewlekłych obturacyjnych chorób płuc, w tym astmy, przewlekłej obturacyjnej choroby płuc i mukowiscydozy. Śluz w drogach oddechowych jest złożoną mieszaniną płynów i białek. Ważnymi składnikami są mucyny tworzące żel, które są glikoproteinami o dużej masie cząsteczkowej, których niezwykłe właściwości lepkosprężyste pozwalają na interakcję żelu z rzęskami nabłonka, co sprzyja usuwaniu zalegających ciał obcych. Mucyny dróg oddechowych zostały szczegółowo opisane w innym miejscu 1. Ze względu na swoje znaczenie kliniczne i ograniczoną skuteczność obecnych terapii 2, 3, hipersekrecja śluzu jest atrakcyjnym celem dla nowych terapii.

Jak śluz ewoluował jako ważne źródło obrony gospodarza w drogach oddechowych i jakie są role wydzielania śluzu w przewlekłych obturacyjnych chorobach dróg oddechowych? Kiedy ryby migrowały z wody na ląd, płuca zastąpiły skrzela w wymianie gazowej w układzie oddechowym. Umieszczenie płuc w sąsiedztwie serca, głęboko w jamie klatki piersiowej, zlikwidowało konieczność stosowania przewodu powietrznego do transportu powietrza wdechowego do płuc. Jednak powietrze natchnione zawiera również mikroby i inne substancje drażniące, które osadzają się na powierzchni nabłonka dróg oddechowych, powodując stan zapalny i inwazję gospodarza. W odpowiedzi na to gospodarz rozwija działania obronne, które zwykle niszczą i usuwają organizmy inwazyjne. Wśród obronnych odpowiedzi gospodarza na wdychane inwazje, wydzielane mucyny dróg oddechowych odgrywają główną rolę ochronną. Zwerbowane mucyny zatrzymują inwazje, które są następnie usuwane w wyniku kaszlu i oczyszczania śluzówkowo-rzęskowego 4. U zdrowych osób mucyny w drogach oddechowych są nieliczne, ale wystarczające do skutecznego uwięzienia i usunięcia najeźdźcy przy minimalnych objawach. Jednakże w przewlekłych zapalnych chorobach dróg oddechowych, takich jak astma, dochodzi do nadmiernej produkcji mucyny, co prowadzi do objawów i obturacji dróg oddechowych. W głównych, przewodzących drogach oddechowych, hipersekrecja prowadzi do kaszlu i produkcji plwociny. W małych, obwodowych drogach oddechowych, ze względu na ich geometrię, hipersekrecja śluzu może prowadzić do zaczopowania światła dróg oddechowych. W astmie śmiertelnej hipersekrecja śluzu jest wyraźna i uważa się, że odgrywa główną rolę jako przyczyna zgonu 5-8.

Różni badacze podkreślają znaczenie obturacji małych dróg oddechowych (zatykanie śluzem). Należy zauważyć, że ze względu na umiejscowienie zatkanego światła w małych drogach oddechowych, kliniczne rozpoznanie zatkania śluzowego było problematyczne, a obturacja obwodowych dróg oddechowych pozostawała stosunkowo cichą strefą płuc, niełatwą do zidentyfikowania fizjologicznie, w badaniu radiologicznym lub bronchoskopowym. Diagnostyka zatykania dróg oddechowych pozostaje wyzwaniem dla badaczy!

Ostatnio hipersekrecja śluzu została uznana za główny problem kliniczny w przewlekłych chorobach dróg oddechowych, a badania mucyn uległy intensyfikacji. Najpierw sklonowano geny mucyn, co dało narzędzia do dalszych badań nad mucynami. Ponieważ na powierzchni nabłonka odkładają się organizmy inwazyjne, alergeny, dym papierosowy i inne drażniące cząstki, badacze poszukiwali mechanizmów sygnalizacyjnych, które pozwoliłyby gospodarzowi na przechwycenie inwazji.

Gdy na powierzchni nabłonka dróg oddechowych odkłada się inwazyjny organizm, wykazano, że dochodzi do kaskady zdarzeń, których kulminacją jest aktywacja receptora na powierzchni nabłonka, receptora naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR), i w rezultacie produkcja mucyny 9. Następnie odkryto, że wiele różnych bodźców wywołuje produkcję mucyny i inne reakcje obronne poprzez aktywację EGFR 10. W pierwotnym badaniu, w którym odnotowano, że aktywacja EGFR przez ligand EGFR powoduje produkcję mucyny, odnotowano również, że produkcja mucyny indukowana owalbuminą u szczurów była hamowana przez selektywny inhibitor kinazy tyrozynowej EGFR, co wskazuje na kaskadę EGFR w indukowanej alergenami produkcji mucyny 9. Kolejne badania opisały szereg sygnałów zaangażowanych w kaskadę na powierzchni nabłonka, indukujących aktywację EGFR i różne wyjścia (np. interleukina-8 i peptydy antybakteryjne) przez wiele bodźców (np. Pseudomonas aeruginosa, wirusy, lipopolisacharyd, dym papierosowy, alergeny, elastaza neutrofilowa i utleniacze) 10. Ścieżka sygnalizacyjna obejmuje aktywację receptora powierzchniowego (np. receptora Toll-podobnego (TLR)), aktywację kinazy białkowej C, wytwarzanie reaktywnych form tlenu, aktywację powierzchniowej metaloproteazy macierzy (MMP), często enzymu konwertującego czynnik martwicy nowotworów-α (TACE), który rozszczepia związane z błoną ligandy EGFR, które wiążą się z EGFR i aktywują go, powodując wytwarzanie różnych białek i glikoprotein 1.

W 2009 roku Zhu i wsp.11 donieśli, że główne i mniejsze grupy rinowirusów (RV) indukowały produkcję mucyny, co wiąże się z nową ścieżką zależną od TLR3-EGFR. Ich badania wykazały udział TLR3 w kaskadzie sygnalizacyjnej, a autorzy zasugerowali, że mechanizm obrony przeciwwirusowej TLR oraz szlak proliferacji/naprawy EGFR przez fosfatydyloinozytol-3′-kinazę mogą odgrywać ważną rolę w zaostrzeniach choroby dróg oddechowych wywołanych przez wirusy. W artykule tym nie wskazano mechanizmu szczególnych (wyolbrzymionych) efektów w astmie. W innym interesującym badaniu Bartlett i wsp. 12, indukowana owalbuminą alergiczna choroba dróg oddechowych była nasilona przez zakażenie RV-1B, ale mechanizm nasilenia nie został opisany.

W obecnym numerze European Respiratory Journal, Hewson i wsp. 13 badali indukcję przez RV mucyny 5 podtypów A i C (MUC5AC), początkowo u ochotników z astmą, i donieśli, że eksperymentalne zakażenie RV-16 prowadziło do indukcji MUC5AC proporcjonalnie do obciążenia wirusem. Następnie zainfekowali RV-16 linię komórkową raka płuc (NCI-H292) i wykazali, że infekcja RV spowodowała znaczącą indukcję mucyny. MUC5AC mRNA wzrastał w sposób zależny od dawki między 8 a 48 h po zakażeniu (szczyt 24 h). Indukowana przez RV ekspresja mucyny była hamowana przez selektywny inhibitor EGFR i tłumiona przez inhibitor aktywacji kinazy białkowej aktywowanej mitogenem (MEK). Inhibitor MEK blokował odpowiedź mucynową 3-24 h po zakażeniu. Stwierdzili, że infekcja RV indukowała fosforylację MEK w 3-24 h (ryc. 4c), a inhibitor wiązania Sp1 powodował zahamowanie ekspresji mucyny (ryc. 4d). Inhibitor inhibitora podjednostki β kinazy czynnika jądrowego-κB (fig. 5b) hamował ekspresję mucyny.

Następnie zbadano, czy infekcja RV indukowała uwalnianie transformującego czynnika wzrostu-α (TGF-α) i czy było to zależne od czynnika jądrowego-κB (NF-κB). RV-16 indukował uwalnianie TGF-α i było ono istotnie blokowane przez inhibicję NF-κB (ryc. 6b). Autorzy stwierdzili, że szlak sygnalizacyjny indukcji NF-κB przez RV aktywował MMP, a następnie szlak EGFR-MEK/kinazy regulowanej sygnałem zewnątrzkomórkowym prowadzący do syntezy i sekrecji MUC5AC. Najbardziej nowatorskim i stymulującym aspektem tej pracy jest zaproponowany opis indukowanego przez wirus szlaku sygnalizacyjnego prowadzącego do produkcji mucyny.

Generalnie, we wcześniejszych badaniach, wiele bodźców zostało zgłoszonych jako powodujące aktywację sekwencji powierzchniowych cząsteczek sygnalizacyjnych i skutkujące aktywacją EGFR, w tym sygnalizacja przez receptor odpowiedni do bodźca (często TLR), a następnie uwolnienie reaktywnych form tlenu, aktywacja MMP, często TACE, skutkująca rozszczepieniem proligandu EGFR, który następnie wiąże się z i aktywuje EGFR. Sekwencja ta prowadzi poprzez szereg cząsteczek downstream (np. Ras, Raf i kinazę białkową aktywowaną mitogenem) oraz poprzez promotor do stymulacji produkcji nowych białek (np. mucyn). W omawianym artykule Hewsona i wsp. 13 autorzy sugerują, że bodziec (RV) wnika do komórki i bezpośrednio aktywuje NF-κB, który następnie stymuluje MMP, a w ten sposób indukuje dalszą kaskadę, w tym rozszczepienie proligandu, uwolnienie rozpuszczalnego ligandu EGFR i aktywację EGFR. Jest to nowatorska koncepcja, która zmieniłaby sekwencję i czas kaskady sygnalizacyjnej (ryc. 8 z 13). Aby zatwierdzić tę ścieżkę, krytyczne są kwestie czasu. Na przykład, kiedy dochodzi do fosforylacji EGFR? Na rycinie 3b, RV-16 aktywuje EGFR w 8-12 h. We wcześniejszych publikacjach badacze stwierdzali odpowiedzi EGFR w ciągu kilku minut pozostających na ∼0,5-1 h 10. W pracy Hewson i wsp.13 nie wykazano fosforylacji EGFR przed 4 h. Czy istnieje wcześniejsza fosforylacja EGFR? Co ciekawe, mRNA mucyny jest wykazywane po 8 h, być może przed fosforylacją EGFR. Tak więc w przyszłych badaniach kwestia czasu i analiza sygnalizacji w oparciu o czas są krytyczne dla określenia funkcjonowania tego szlaku sygnalizacyjnego. Ponadto mechanizm rozpoznawania RV na powierzchni nabłonka, wnikanie RV do wnętrza komórki nabłonkowej i jego związek z aktywacją EGFR wymagają dodatkowych badań.

Komórki przeżywają dzięki modulowaniu swojej aktywności w czasie. W związku z tym badacze zmagali się z rozwojem biologii systemów w celu przewidywania złożonych zdarzeń. Jednakże, analiza biologii systemów wykazuje wiele trudności z wbudowaniem czasu w systemy! W tym miejscu sugerujemy, że staranny rozbiór szlaków sygnalizacyjnych w czasie może być nadal przydatny w odkrywaniu mechanizmów biologicznych.

Obecnie kliniczne znaczenie hipersekrecji śluzu w chorobach dróg oddechowych jest uznawane, a badacze zwiększyli badania podstawowych mechanizmów, w tym produkcji mucyny i mechanizmów leżących u podstaw hipersekrecji śluzu. Znaczenie kliniczne obwodowych zatorów śluzowych oraz trudności w rozpoznawaniu tych zmian wymagają nowatorskiego podejścia zarówno do diagnostyki, jak i terapii. Konieczne jest ustalenie mechanizmów, które powodują, że infekcje wirusowe wywołują zaostrzenia astmy i jak można tym zaostrzeniom zapobiegać lub skutecznie je leczyć. Ponieważ komórki niedrobnokomórkowego raka płuca, które zostały użyte w badaniu Hewsona i wsp. 13, mogą wykazywać zasadniczo odmienne mechanizmy sygnalizacyjne niż komórki astmatyków, wykorzystanie pierwotnych hodowli komórek nabłonka uzyskanych od osób chorych na astmę może dostarczyć nowych spostrzeżeń. Są to pilne kwestie, które wymagają dalszych badań. Obecne skutki pogorszenia stanu zdrowia i poważny wpływ finansowy infekcji wirusowych u astmatyków obecnie nakazują wysoki priorytet dla przyszłych badań w wyjaśnianiu mechanizmów zaangażowanych w hipersekrecję śluzu.

Jest jeden ostatni komentarz dla badaczy pulmonologicznych. Specjalność płucna była późna w swoim rozwoju. Jednak ze względu na znaczenie płuc i dróg oddechowych w chorobach zapalnych, immunologicznych i złośliwych, ich położenie przylegające do atmosfery i ich łatwość dostępu, przewiduje się, że wzrost w badaniach płucnych będzie nadal przyspieszać! Jesteśmy wtyczką dla tego!

• ©ERS 2010