Мукоцилиарна система: секреция на мукус и регулаторни механизми

Резюме

Статията е обзор върху съвременните представи за физиологията и патофизиологията на мукоцилиарната система, като един от най-важните вродени защитни механизми, предпазващи белите дробове от вредни ефекти.

Секрецията на мукус се извършва в проводната зона на дихателните пътища от субмукозните жлези и от епителните чашковидни клетки. Виско еластичните свойства на мукуса и способността му да образува гел зависят от секреторните муцини, които са продукти главно на гените MUC5AC и MUC5B. Патологични промени в количеството, типа и големината на секреторните муцини водят до нарушен мукоцилиарен клирънс. Секрецията на муцини се регулира по нервен и хуморален път. Нервната регулация се осъществява от ЦНС и от нервна мрежа в стената на дихателните пътища. Централната регулация се включва най-често в резултат на дразнене на епитела и ваго-вагални рефлекси, докато локалната регулация има по-голямо значение за базалната секреция на жлезите. Секрецията на муцини се стимулира и от невропептиди, отделени от крайните окончания на сетивните неврони по т.нар. сензорно-еферентен път. Хуморалната регулация се осъществява чрез секретирани от епителни или имунни клетки химични вещества, от които най-важно физиологично значение за секрецията на муцини от чашковидните клетки има АТФ. Изучаването на клетъчните и молекулни механизми, по които се осъществява секрецията на муцин и нейната регулация, разкрива нови терапевтични възможности за лечение на белодробните заболявания, протичащи с хиперсекрекреция на мукус.

Ключови думи: дихателни пътища, муцини, секреция, регулация    

Mucociliary system: mucus secretion and mechanisms of regulation

The article is a review about modernity conceptions for physiology and pathophysiology of mucociliary system as a one of the most important innate defense mechanisms that protect the lungs against airborne particles.

Mucus is secreted in the conducting airways by the submucosal glands and the epithelial goblet cells. The viscoelastic and gel-forming properties of mucus are determined by secretory mucins, which are mainly MUC5AC and MUC5B gene products. Pathological changes in the amount, type and size of secretory mucins lead to impaired mucociliary clearance. Mucins secretion is under both neural and humoral control. Neural control is carried out by the CNS and airway intrinsic nervous system. Central regulation is turned on usually in response to mucosal irritation and it is accomplished by vago-vagal reflexes, whereas local regulation seems to have more important role in the basal secretion of the glands. Mucins secretion is triggered also by neuropeptides released from the sensory endings via a sensory-efferent pathway. Humoral control of mucins secretion is carried out by substances, released from epithelial or immune cells. The most important physiological regulator of goblet cells secretion is thought to be ATP. Gaining insight into cellular and molecular mechanisms, underlying mucins secretion and its regulation, offers new therapeutical possibilities in treating lung diseases associated with mucus hypersecretion.

Key words: airways, mucins, secretion, regulation

Correspondence: Assoc. Prof. Elka Popova, MD, PhD; Departament of Physiology, Medical University – Sofia,  1 St. Georgi Sofiyski Str., 1431 Sofia; tel. +359 2 9172543, mobile: +359 887480853, e-mail: еpopova@abv.bg

Един от най-важните защитни механизми на дихателните пътища срещу най-разнообразните дразнители, които попадат с вдишвания въздух в тях, представлява мукоцилиарната система. Тя се състои от три елемента: (i) мукусен гел, в който полепват чуждите частички; (ii) перицилиарна серозна течност и (iii) реснички на епителните клетки, които чрез характерните си движения придвижват мукуса с полепналите в него частици към фаринкса (мукуцилиарен клирънс). Този обзор разглежда първия елемент на тази система – мукуса и по-точно как се осъществява секрецията на муцини и механизмите, по които тя се регулира. Познаването на този въпрос е изключително важно за клиничната практика, тъй като променената секреция на мукус и акумулирането му в лумена на дихателните пътища е важен клиничен белег на редица белодробни заболявания като астма, хроничен бронхит, ХОББ, кистична фиброза и други.

Произход и състав на мукуса

Мукусът се секретира в проводната зона на дихателните пътища от два източника: субмукозните жлези (95%) и чашковидните епителни клетки (5%) (J. Wine, 2007). Субмукозните жлези са тубулоацинозни жлези, които се срещат само в съдържащи хрущял бронхи и липсват в бронхиоли. Тяхната средна плътност е един отвор на жлеза на 1 mm² от епителна повърхност (J. Wine, 2007). Чашковидните клетки са пръснати сред другите епителни клетки, като средно на пет ресничести клетки се среща една чашковидна (S. Clarke and D.Pavia, 1980; J. Widdicombe, 2002). Броят на чашковидните клетки намалява от трахеята към периферията и изчезва напълно в респираторните бронхиоли.

Съществуват противоречиви данни за обема на мукуса, който се секретира за едно денонощие в здрави хора, което се дължи на трудностите при неговото директно измерване. Докато едни автори приемат, че секрецията му е от 10 до 100 ml (S. Clarke and D.Pavia, 1980), други цитират стойности от 0.1-0.3 ml/kg телесна маса (J. Samet and P. Cheng, 1994). Противоречия съществуват и относно дебелината на мукусния гел – стойностите варират от 5-10 m (J. Samet and P.Cheng, 1994) до 7-70 μ (R. Tarran, 2004).

 Мукусът е съставен от 95% вода, 2% гликопротеини, 1% протеини, 1% липиди и 1% неорганични йони (J. Samet and P. Cheng,1994). Много от протеините са вещества с антимикробно, антиоксидантно и антипротеолитично действие, секретирани от серозните клетки на субмукозните жлези (J. Wine, 2007). Най-важните физични свойства на мукуса са неговият вискозитет и еластичност, които се обуславят от съдържащите се в него гликопротеини или муцини. Съществуват два вида муцини – секреторни и мембранно-свързани. Секреторните муцини се олигомерни и са най-важният компонент на мукусния гел, докато мембранните муцини са мономерни и са локализирани на клетъчната повърхност (D. Thornton and J. Sheehan, 2004). Изолираните от лумена на дихателните пътища муцини са твърде разнородни по маса (2-40 mD) и дължина (0.5-10 m) (D. Thornton and J. Sheehan, 2004). Те са изградени от муцинни мономери (2-3mD), свързани линейно чрез дисулфидни връзки между техните богати на цистеин С- и N-терминални области. Муцинните мономери са изградени от полипептиден скелет с високо съдържание на треонин и серин, към който са прикрепени главно чрез О-връзки разнородни олигозахаридни вериги. Знае се, че въглехидратите са 70-80% от теглото на муцините. Последица от свързването на въглехидрати към полипептида е разгъването на молекулата му, което води до голямо увеличаване на обема й и придобиване на гел-формиращи свойства (D. Thornton and J. Sheehan 2004). Олигозахаридните вериги са богати на N-ацетилгалактозамин, фукоза, галактоза, N-ацетилглюкозамин, сиалова киселина и сулфат. Муцините във всеки човек експресират няколко стотин различни типа олигозахариди. Тъй като бактериите имат свойството да се свързват със специфични олигозахариди, голямото разнообразие на въглехидратните вериги на муцините увеличава вероятността те успешно да се свържат с бактериите. Свързаните към мукуса бактерии после лесно могат да се отстранят чрез мукоцилиарния транспорт. Муцините се свързват здраво и с редица макромолекули като липиди и протеини (K. Kimеt al., 2003). Свързването им с различни молекули със защитна функция – антиоксидантна, антимикробна и антипротеолитична, допринася за защитната функция на мукуса.

Гени, отговорни за синтеза на муцини. В човешкия геном досега са идентифицирани двадесет гени, отговорни за синтеза на муцини, като единадесет от тях са верифицирани в дихателните пътища (P. Thai еt al., 2008). Секреторните муцини в дихателните пътища са продукти главно на MUC5AC и MUC5B гените (D. Thornton and J. Sheehan, 2004). Макар че РНК на MUC2 се експресира в дихателните пътища, продуктът на този ген не се установява в мукуса на здравите индивиди. Неговата продукция се стимулира при някои бактериални инфекции, специално при отделяне на ендотоксин от Грам (–) бактерии (K. Kimet al., 2003). Има данни, че MUC5СА муцините се образуват главно от чашковидните клетки, докато MUC5В главно (но не само) от муцинозните клетки на субмукозните жлези (K. Kimet al., 2003; D. Thornton and J. Sheehan, 2004). Двата вида муцини се различават по някои физични свойства – MUC5СА имат по-малка маса на единица дължина и заемат по-разгъната конформация в разтвор, докато MUC5В имат по-компактна структура (D. Thornton and J. Sheehan, 2004). MUC5В муцините имат две гликоформи – „високо” и „ниско” заредена, като всяка форма се намира в отделни олигомерни муцини. При заболявания на дихателните пътища, характеризиращи се с хиперсекреция на мукус, освен хиперплазия и метаплазия на муцин-секретиращи клетки, се наблюдават и някои характерни промени в количеството, типа и големината на секреторните муцини. При пациенти, починали в астматичен статус, е установена необичайна структура и много голям размер на ниско-заредената гликоформа на MUC5В, което променя физичните свойства на мукусния гел (D. Thornton and J. Sheehan, 2004). Тази форма е увеличена и в храчките на болни от ХОББ и кистична фиброза. При тези заболявания се наблюдава и загуба на нормална диференциация в секрецията на двата вида муцини от различните мукус-секретиращи клетки. MUC5АС муцините започват да се секретират и от субмукозните жлези, а MUC5В се секретират и от чашковидните клетки (D. Thornton and J. Sheehan, 2004).

Секреция на муцини. Секреторните муцини се синтезират и складират като значително дехидратирани олигомери в гранулите на секреторните клетки. Те се секретират чрез екзоцитоза от апикалната повърхност на чашковидните клетки и муцинозните клетки на субмукозните жлези. След секрецията им муцините трябва да се придвижат от лумена на каналите на жлезите към епителната повърхност. За да се осъществи това, е необходима секреция на течност от серозните клетки на жлезите. Знае се, че серозните клетки са разположени в дисталния край на секреторни каналчета на жлезите, което позволява секретираната от тях течност да увлича проксимално секретираните муцини (J. Samet and P. Cheng, 1994). Затова,  когато секрецията на течност се блокира фармакологично или в резултат на генна мутация (както е при кистична фиброза), каналите на жлезите се задръстват с муцини (J. Wine, 2007). След секрецията си муцините се хидратират, като степента на хидратацията им зависи както от особеностите на тяхната молекула, така и от йонния състав и обема на средата, където се секретират (J. Samet and P. Cheng, 1994; D. Thornton and J. Sheehan 2004). Всяко намаление на обема на перицилиарната течност води до дехидратация на муцините, намаляване височината на мукусния слой и забавяне на скоростта на неговото придвижване от движенията на ресничките (R. Tarran, 2004). Такова състояние се наблюдава при кистична фиброза, при която има едновременно намалена секреция и увеличена резорбция на течност. Намаленият обем на перицилиарна течност позволява да се осъществи взаимодействие между секреторните и мембранно-свързаните муцини, което намалява възможността за очистването на мукуса както чрез движенията на ресничките, така и чрез кашличния рефлекс. Острото увеличение на обема на перицилиарна течност води до увеличаване височината на мукусния гел и ускоряване на неговото очистване от мукоцилиария ескалатор (R. Tarran, 2004). 

Регулация на секрецията на муцини. Секрецията на муцини се регулира по нервен и хуморален път. Нервната регулация се осъществява както от страна на ЦНС, така и от собствена нервна система в стената на дихателните пътища. Познаването на нервната регулация е изключително важно за клиничната практика, тъй като се предполага, че променената нервна регулация на секрецията на муцини е един от факторите, водещи до хиперсекреция на мукус при астма и ХОББ (D. Rogers, 2002).

Централно-нервна регулация. Включва се най-често в резултат на дразнене на епитела, което задейства парасимпатикови (ваго-вагални) рефлекси (J. Wine, 2007). Парасимпатиковите холинергични влакна инервират субмукозните жлези, докато чашковидните епителни клетки не са инервирани (К. Kim et al., 1997; D. Rogers, 2002, F. Coulson and A. Fryer, 2003). Холинергичният път е основният механизъм за регулиране на секрецията на мукус при всички животински видове, включително и при човек. Отделеният ацетилхолин предизвиква увеличена секреция на муцини, соли и вода чрез действие върху постсинаптични М₃-холинорецептори (Фигура 1). Затова един от механизмите за намаляване на увеличената секреция на мукус е прилагането на селективни М₃-рецепторни антагонисти (D. Rogers, 2002; B. Proskocil and A. Fryer, 2005). Прилагането на неселективни М-рецепторни антагонисти има по-слаб ефект, тъй като се блокират и пресинаптичните автоинхибиторни М₂-холинорецептори, които при физиологични условия намаляват освобождаването на ацетилхолин от пресинаптичните окончания (D. Rogers, 2002; B. Proskocil and A. Fryer, 2005). Съществува предположение, че нарушената функция на М₂-холинорецепторите може да е отговорна за увеличената секреция на мукус при астма (F. Coulson and A. Fryer, 2003). Опиоидите и вазоактивният интестинален пептид (ВИП) също намаляват освобождаването на ацетилхолин от пресинаптичните окончания и така инхибират неврогенно предизвиканата секреция на муцини (D. Rogers, 2002).

Значението на симпатиковата инервация за регулиране на секрецията на мукус е неясно. Докато едни автори твърдят, че субмукозните жлези притежават симпатикова инервация (R. Pack et al., 1988; J. Samet and P. Cheng, 1994), други считат, че те нямат такава (D. Rogers, 2002). Съществуват данни за експресия на β₂-адренорецептори върху епителни клетки и субмукозни жлези (J. Carstairs et al., 1985). На прерарати от човешки бронхи in vitro е показано, че агонисти на β₂-рецепторите стимулират секреция на гликопротеини (R. Phipps et al.,1982). Не се знае обаче дали β₂-рецепторите са инервирани от симпатикови влакна. Тъй като не е установен директен стимулиращ ефект на адренергични нерви върху секреция на муцини у човек (Baker et al.,1985), съществува предположение, че активирането на симпатикуса освобождава адреналин от медулата на надбъбрека, който увеличава секрецията на мукус чрез повлияване на β-адренорецепторите върху секреторните клетки (D. Rogers, 2002).

Фигура 1. Нервна регулация на секреция на муцини от субмукозни жлези. Основният холинергичен път е представен в червено, показано е действието на отделения ацетилхолин (ACh) върху постсинаптичните М₃ (възбудни) и пресинаптичните М₂ (задръжни) холинорецептори. Показано е и инхибиторното действие на ВИП и опиоидите върху пресинаптичните холинергични окончания. Адренергичният (симпатиков) път с медиатор норадреналин (NA) е представен с черно, но тъй като няма сигурни доказателства за съществуването му в човек, той е отделязан с въпросителен знак. С черно е означен и пътят от надбъбречната медула, който чрез секретиран в кръвта адреналин (A) действа върху β₂-адренорецепторите. Сензорно-еферентният път с медиатори субстанция Р (SP) и неврокинин А (NKA) е представен в синьо и е означено действието на отделените медиатори върху NK₁-рецепторите на муцинозните клетки.

Секрецията на мукус се регулира и от собствената нервна система в стената на дихателните пътища. Предполага се, че тя има значение както за базалната секреция на мукус от субмукозните жлези, така и за стимулираната им секреция от най-разнообразни слаби дразнители. Собствената нервна система включва неврони, съдържащи субстанция Р, ВИП или NO-синтаза (J. Wine, 2007), но липсват данни за ефекта на тези медиатори върху секрецията на муцини при хора in vivo. В литературата има противоречиви данни за ефекта на ВИП върху секрецията на мукус при хора in vitro. Намерено е както стимулиране (Y. Kim et al., 2004), така и потискане на секрецията на муцини (S. Coles  al., 1981).Съществува предположение, че слабият директен стимулиращ ефект на ВИП върху секреторните клетки се маскира от силния му инхибиторен ефект върху освобождаването на медиатори (ацетилхолин, невропептиди) от пресинаптичните окончания на аксоните (D. Rogers, 2002).

Физиологичната роля на NO за регулиране на секрецията на муцини от субмукозните жлези у човек също не е известна. Предполага се, че той има стимулиращ ефект, тъй като донорите на NO значително увеличават секрецията на муцини в препарати от човешки дихателни пътища in vitro (M. Nagaki et al., 1995). Възможно е ендогенният NO да няма пряк ефект върху секрецията на муцини, но да медиира стимулиращия ефект на възпалителните медиатори и цитокини (K. Adler et al., 1995).

Субстанция Р е медиатор главно на сетивни неврони, които повлияват секрецията на муцини по сензорно-еферентен път или т.н. аксон рефлекс (J.Wine, 2007). Знае се, че при дразнене на рецепторите на немиелинизираните С-влакна възбуждането се предава не само ортодромно, но и антидромно, като от крайните разклонения на сетивните неврони се отделят невропептиди – субстанция Р, невропептид А, калцитонин-ген-свързан пептид (D. Rogers, 2000). Невропептидите стимулират секрецията на мукус от субмукозните жлези посредство активиране на NK₁-рецептори (D. Rogers, 2002). Съществува предположение, че сензорно-еферентните пътища са свръхекспресирани (up-regulation) при астма и ХОББ (D. Rogers, 2002), поради което е целесъобразно клиничното проучване на ефекта на антагонистите на NK₁-рецепторите върху хиперсекрецията на мукус при тези заболявания. Резултатите от опити на животни in vitro в това направление са обнадеждаващи (S. Khan et al., 2001).

Хуморална регулация. Осъществява се от най-разнообразни химични вещества, които се освобождават от епителни или имунни клетки. Предполага се, че най-важният физиологичен стимулатор на секрецията на муцини от чашковидните клетки е АТФ (K. Kim et al., 2003). Той се освобождава екстрацелуларно при механично дразнене на клетките, каквото при физиологични условия може да се предизвика от съкращението на гладките мускули в стената на дихателните пътища. АТФ действа върху Р_2Y2-рецепторите на чашковидните клетки, които чрез G-протеин активират PLC, освобождават се Са²⁺ интрацелуларно, които заедно с активираната РКС и РLА₂ водят до екзоцитоза на везикулите с муцини (K. Kim et al., 1997). Секрецията на мукус при патологични условия се стимулира от протеинази, медиатори на възпалението (простагландини, левкотриени, тромбицит-активиращ фактор), провъзпалителни цитокини (IL-4, IL-13, EGF, TNF-a), дразнещи газове (SO₂, NH₃, O₃), промени в рН, хипоосмоларитет и други (K. Kim et al., 1997; D. Thorton and J. Sheehan, 2004).

В заключение може да се каже, че секрецията на мукус е защитен механизъм, насочен към неутрализиране на вредното въздействие на многобройни дразнители, които попадат в дихателните пътища с вдишвания въздух. Мукусната секреция е пропорционална на силата и продължителността на вредното въздействие. При слабо или краткотрайно въздействие се предизвиква локализирана, преходна секреция на складирани в клетките везикули с муцини, докато при силно или продължително въздействие се наблюдава дълготрайно увеличаване на секреторния капацитет на клетките. То е резултат както на увеличен биосинтез на муцини в муцин-секретиращите клетки, така и на увеличаван брой на секретиращите клетки поради тяхната хиперплазия и метаплазия. Макар че хиперсекреторният отговор е насочен към неутрализиране на вредните агенти, сам по себе си той може да стане източник на увреждане на функциите на белите дробове, каквото се наблюдава при хроничен бронхит, астма, кистична фиброза и други. В много от случаите се променя не само количеството, но и видът на секретираните муцини, което променя физичните свойства на мукуса и възможността му да се очиства от мукуциарния транспорт. Изучаването на клетъчните механизми на секрецията на муцини и механизмите на нейната регулация разкриват нови терапевтични възможности за лечение на белодробните заболявания, характеризиращи се с увеличена секреция на мукус. 

Литература

1. Adler K, Fischer B, Li H, et al. Hypersecretion of mucin in response to inflammatory mediators by guinea pig tracheal epithelial cells in vitro is blocked by inhibition of nitric oxide synthase Am J Respir Cell Mol Biol 1995; 13: 526-530
2. 2.          Baker B, Peatfield A and Richardson P. Nervous control of mucin secretion into human bronchi. J Physiol 1985; 365: 297-305
3. Carstairs J, Nimmo A and Barnes P. Autoradiographic visualization of beta adrenoceptor subtypes in human lung. Am Rev Respir Dis 1985;132:541-547
4. Clarke SW and Pavia D. Lung mucus production and mucociliary clearance: methods of assessment. Br J Clin Pharmacol 1980; 9: 537-546
5. Coles S, Said S and Reid L. Inhibition by vasoactive intestinal peptide of glycoconjugate and lysozyme secretion by human airways in vitro. Am Rev Respir Dis 1981; 124: 531-536
6. Coulson F and Fryer A. Muscarinic acetylcholine receptors and airway diseases. Pharmacol&Therap 2003; 98: 59-69
7. Khan S, Liu Y, Khawaja A, et al. Effect of the long-acting tachykinin NK₁ receptor antagonist MEN 11467 on tracheal mucus secretion in allergic ferrets. Br J Pharmacol 2001; 132: 189-196
8. Kim K, McCracken K, Lee B et al. Airway doblet cell mucin: its structure and regulation of secretion. Eur Respir J 1997; 10: 2644-2649
9. Kim KC, Hisatsune A, Kim DJ, et al. Pharmacology of airway goblet cell mucin release. J Pharmacol Sci 2003; 92; 301-307
10. Kim Y, Chang K, Sin J, et al. Vasoactive intestinal peptide induces MUC2/5AC synthesis in human airway epithelial cells.  Korean J Otolaryngol – Head Neck Surg 2004; 47: 639-644
11. Nagaki M, Shimura S, Irokawa T, et al. Nitric oxide regulation of glycoconjugate secretion from feline and human airways in vitro. Respir Physiol 1995; 102: 89-95
12. 12.       Pack R, Richardson P, Smith I, et al. The functional significance of the sympathetic innervation of mucous glands in the bronchi of man. J Physiol 1988; 403: 211-219
13. 13.       Phipps R, Williams I, Richardson S, et al. Sympathomimetic drugs stimulate the output of secretory glycoproteins from human bronchi in vitro. Clin Sci 1982; 63: 23-28
14. Proskocil B and Fryer A. β₂-agonist and anticholinergic drugs in the treatment of lung disease. Proc Am Thorac Soc 2005; 2: 305-310
15. Rogers D. Pharmacological regulation of the neuronal control of airway mucus secretion. Curr Opin Pharmacol 2002; 2: 249-255
16. Samet J and Cheng P. The role of airway mucus in pulmonary toxicology. Environ Health Perspect 1994; 102: 89-103
17. Tarran R. Regulation of airway surface liquid volume and mucus transport by active ion transport. Proc Am Thorac Soc 2004;1: 42-46
18. Thai P, Loukoianov A, ­Wachi S, et al. Regulation of airway mucin gene expression. Annu Rev Physiol 2008; 70: 405-29
19. Thornton D and Sheehan J. From mucins to mucus: Toward a more coherent understanding of this essential barrier. Proc Am Thorac Soc 2004; 1: 54-61
20. Widdicombe JH. Regulation of the depth and composition of airway surface liquid. J Anat 2002; 201: 313-318
21. Wine J. Parasympathetic control of airway submucosal glands: Central reflexes and the airway intrinsic nervous system. Auton Neurosci 2007; 133: 35-54