CC BY
17Роль MUC5B при мукоцилиарном клиренсе дыхательных
путей
Жасур Мардонович Исмоилов Ботиржон Нусратулло угли Хамдамов Самаркандский государственный медицинский университет
Аннотация: Муцины являются продуктами секреторных клеток и основными макромолекулярными компонентами слизь. Муцины представляют собой гетерогенные, плотно гликозилированные высокомолекулярные молекулы.
Ключевые слова: муцин, бронх, клетка, слизистая оболочка, подслизистая оболочка, секреторные железы, слизь
The role of MUC5B in the mucociliary clearance of the
respiratory tract
Jasur Mardonovich Ismoilov Botirjon Nusratullo ugli Khamdamov Samarkand State Medical University
Abstract: Mucins are products of secretory cells and the main macromolecular components of mucus. Mucins are heterogeneous, densely glycosylated high molecular weight molecules.
Keywords: mucin, bronchus, cell, mucous membrane, submucosa, secretory glands, mucus
Эпителий населен несколькими типами клеток. Ресничные клетки перемежаются секреторными клетками [6], которые включают булавовидные и бокаловидные клетки, и вносят свой вклад в секрецию апикального слизистого геля [7]. В более крупных дыхательных путях поверхностный эпителий граничит с подслизистыми железами, которые расположены между гладкими мышцами и хрящевыми пластинами [1]. Слизистые клетки внутри ацинусов железы являются основным источником слизи [4], а слизистые клетки также обнаруживаются в протоках, которые доставляют секрет железы в просвет дыхательных путей. Базальные клетки прикрепляют эпителий к нижележащему матриксу и функционируют как стволовые клетки / клетки-предшественники
для других типов клеток дыхательных путей во время естественного обновления и в ответ на повреждение [5].
Вместе мерцательный эпителий, перицилиарный слой и гель слизи дыхательных путей образуют мукоцилиарный эскалатор [2]. Отдельные реснички на верхних мерцательных клетках взаимодействуют внутри перицилиарного слоя, продвигая слизь из дыхательных путей вверх и из легких [3]. Помимо обеспечения благоприятной среды для активности ресничек, перицилиарный слой предотвращает сжатие вышележащего слоя слизистого геля и обеспечивает резервуар для воды для контроля распределения воды [11]. Слизь из дыхательных путей - это гидрогель, который действует как молекулярная ткань, защищая нижележащий эпителий, задерживая в нем потенциально вредные вдыхаемые частицы, патогены и растворенные химические вещества [12].
Эффективный мукоцилиарный клиренс необходим для поддержания незараженных и свободных дыхательных путей и зависит от активности ресничек и физико-химических свойств перицилиарного слоя и слизистого геля [8,12]. Отказ любого компонента мукоцилиарного аппарата может привести к нарушению зазора и обструкции. Например, при первичной цилиарной дискинезии отсутствие ресничек или неподвижность нарушают мукоцилиарный клиренс, тогда как при кистозном фиброзе истощение перицилиарной жидкости проявляется как мукостаз [11, 20]. При астме «патологически выдающаяся особенность астматического легкого заключается в недостаточном очищении бронхиального секрета» [13]. Фактически, основной причиной смерти при астме является удушье из-за внутрипросветной обструкции дыхательных путей слизистыми пробками [14-16]. Дефектный мукоцилиарный клиренс наблюдается даже при легкой стабильной астме [17, 19], а клиренс еще больше снижается во время обострения [20].
Муцины являются продуктами секреторных клеток и основными макромолекулярными компонентами слизь. Муцины представляют собой гетерогенные, плотно гликозилированные высокомолекулярные молекулы [21]. На сегодняшний день идентифицировано около 20 муциноподобных генов, которые подразделяются на 2 широких класса: муцины, связанные с мембраной (или на поверхности клетки) и секретируемые муцины. Секретируемые муцины также подразделяются на полимерные и неполимерные гликоконъюгаты [22].
Отличительной чертой этих белков являются тандемные повторения или домены муцина, кодируемые одним большим центральным экзоном и богатые остатками пролина, серина и треонина [9]. Эти области являются участками O-гликозилирования; повторяющиеся последовательности создают плотный массив гликановых структур, которые вносят 50-90% веса гликопротеина [21].
Обширное гликозилирование удлиняет и делает полипептидную цепь муцина более жесткой. Терминальное сульфатирование и сиалирование О-гликанов приводит к отталкиванию заряда между соседними олигосахаридными группами. Поэтому муцины имеют большой гидродинамический объем в растворе, что важно для образования геля [21]. Заряженные полимеры, такие как муцины, также являются очень эффективными смазочными материалами в водной среде [2, 4, 14]. Муциновые домены перемежаются внутренними богатыми цистеином участками, называемыми cys-доменами [15, 21].
Полимерные муцины упакованы в сильно конденсированные и обезвоженные в секреторные гранулы; Ионы кальция делают это возможным благодаря экранированию заряда полианионных муцинов [1, 2]. Недавнее исследование охарактеризовало дополнительную нековалентную ассоциацию между N-концевыми доменами D3 MUC5B, которая делает возможным хранение секреторных гранул: разобщение опосредованных D3 приводит к экспансии во время экзоцитоза [3]. Поскольку все полимерные муцины имеют одинаковую последовательность последовательностей, возможно, что механизм сборки также является общим.
Кроме того, механизмы, приводящие к постэкзоцитозу образования слизи, плохо изучены. Двухфазная модель была предложена для объяснения быстрой и массивной экспансии муцина, которая происходит при секреции [4]. После слияния секреторных гранул с плазматической мембраной ионы кальция обмениваются на одновалентные катионы, такие как натрий и калий, и / или секвестрируются бикарбонатом [5, 6]. Это обнажает отрицательно заряженные концевые сахара на соседних муцинах, что приводит к их взаимному отталкиванию и дальнейшему расширению [6]. Этот процесс сопровождается изменениями морфологии муцина, молекулы разворачиваются, чтобы получить линейную полимерную форму в процессе, называемом «созреванием» [7,9, 19].
Производство муцина в нормальных проксимальных дыхательных путях человека (определяемых как дыхательные пути, поддерживаемые хрящ и содержащий подслизистые железы) исследовали с использованием различных методов. Накопленный белок муцина был подтвержден с помощью общего окрашивания углеводов (например, окрашивания альциановым синим -периодической кислотой по Шиффу) и, более конкретно, с помощью иммуноокрашивания с помощью специфичных для муцина антисывороток. Методы, основанные на антителах, а в последнее время и масс-спектрометрия, также использовались для оценки белка муцина в секретах дыхательных путей [1, 5]. МРНК MUC5B локализована в эпителии подслизистых желез и протоков подслизистых желез и, в меньшей степени, бокаловидных клетках как в трахеальном, так и в бронхиолярном эпителии [23]. В большинстве
исследований изучалась экспрессия муцина в проксимальных дыхательных путях, но мРНК MUC5AC и MUC5B также была обнаружена в дистальных дыхательных путях (определяемых как дыхательные пути без хряща и подслизистых желез и диаметром менее 2 мм) [22]. MUC6 не был обнаружен в проксимальных дыхательных путях нормального взрослого человека, а уровни экспрессии MUC2 и MUC19, как сообщается, довольно низкие [21,24].
На уровне белка биохимические анализы респираторного секрета выявили присутствие 3 основных видов белков: MUC5AC и 2 гликоформ MUC5B, названных высокозарядными и низкозарядными из-за различных уровней сульфатирования [2, 5]. MUC2 является второстепенным компонентом секрета дыхательных путей, как определено с помощью антител и масс-спектрометрии, и мы сосредоточимся на MUC5AC и MUC5B [4, 6]. Иммуногистохимия была использована для определения их клеточного происхождения и согласуется с анализ in situ показывает, что продукция MUC5AC и MUC5B пространственно разделена. Белок MUC5B локализован в слизистых клетках подслизистых желез и, в меньшей степени, в секреторных клетках в эпителии поверхностных дыхательных путей трахеи и бронхов [3,7,8]. Вариант MUC5B с высоким зарядом был идентифицирован в субпопуляции клеток подслизистых желез, что указывает на различное клеточное происхождение и репертуар гликозилтрансфераз [9]. MUC5AC локализован в бокаловидных клетках поверхностного эпителия и в терминальных секреторных протоках подслизистых желез, но не внутри ацинусов [16,23]. При исследовании нормального дистального эпителия большинство дыхательных путей было окрашено на MUC5B [6]. Субпопуляция этих дыхательных путей также окрашивалась на MUC5AC, но никакие дыхательные пути не окрашивались исключительно на MUC5AC, а не на MUC5B [2]. Как в проксимальных, так и в дистальных дыхательных путях MUC5AC и MUC5B продуцируются разными клетками или из разных гранул внутри одной и той же клетки и остаются в значительной степени сегрегированными после секреции в просвет (иммуноокрашивание) [11, 21,23]. Внеклеточно MUC5AC и MUC5B могут также образовывать различные морфологические структуры: окрашивание лектинами, преимущественно распознающими каждый муцин, предполагает, что MUC5B образует нити, а MUC5AC образует нити и листы в модели свиньи, и что MUC5AC может покрывать пучки MUC5B подслизистой железы [4,7,15,18].
Вязкоупругие свойства слизи в дыхательных путях как основных образующих матрикс макромолекул в слизи дыхательных путей зависят от MUC5AC и MUC5B [9]. Электронная микроскопия показала, что полимеры MUC5AC и MUC5B представляют собой длинные гибкие линейные нити [2,
16,24]. Однако MUC5AC и MUC5B различаются по заряду и форме [20]. Различия в MUC5AC и MUC5B являются результатом дифференциального гликозилирования: у мышей MUC5AC сильно фукозилирован, тогда как MUC5B в основном сиалилирован [23]. У человека MUC5B существует в виде 2 гликоформ, различающихся по заряду из-за гликозилирования (сульфатирования) [22,24]. MUC5AC имеет более низкую скорость оседания, чем MUC5B. Поскольку оба образуют полимеры схожего размера, различие в седиментации, вероятно, определяется формой молекул: MUC5AC ведет себя более палочковидно или растянуто в растворе по сравнению с MUC5B [17]. Эта характеристика MUC5AC, вероятно, объясняет, почему полимеры MUC5AC кажутся менее полидисперсными, чем полимеры MUC5B, поскольку расширенная структура дает более плохое разделение по скорости седиментации [16,19]. Однако следует отметить, что эти исследования были выполнены на муцинах, выделенных с использованием высокохаотропных агентов (6-8 М хлорид гуанидиния) и проанализированных в их неродном состоянии.
Ориентация на гены муцина мыши позволила понять роль MUC5AC и MUC5B в дыхательных путях. У мышей дикого типа мРНК Muc5b является доминирующим экспрессируемым гелеобразующим муцином (в 40 раз выше, чем Muc5ac), а также основным гликопротеином, хотя он не всегда обнаруживается окрашиванием из-за конститутивной секреции [10,15]. Мышиный MUC5B имеет решающее значение для мукоцилиарного клиренса и защиты дыхательных путей [4,8]. Мыши с дефицитом Muc5b накапливают аспирированный материал в дыхательных путях и заболевают хроническими бактериальными инфекциями, тяжелым воспалением и обструкцией дыхательных путей. Потеря MUC5B также подавляет врожденные воспалительные реакции, подавляя интерлейкин-23 (IL-23) и приводя к накоплению альвеолярных макрофагов с нарушенной способностью фагоцитозировать и очищать золотистый стафилококк (S. aureus) [60]. Трансгенные мыши со сверхэкспрессией MUC5B (Scgb1a1-Muc5b) имеют нормальный мукоцилиарный транспорт и антибактериальную защиту, а также повышенную продукцию IL-23, активацию макрофагов и элиминацию S. aureus [17,18]. Роль MUC5B также была исследована на модели CF: Scnn1b-Tg мышей, которые проявляют гиперконцентрацию слизи и адгезию к поверхности дыхательных путей из-за сверхэкспрессии эпителиального натриевого канала (ENAC), были скрещены с мышами, дефицитными по Muc5b [16]. Величина обструкции слизью у мышей Scnn1b-Tg значительно снижалась в отсутствие MUC5B; однако адгезия слизи сохранялась, а делеция Muc5b не уменьшала бактериальную нагрузку [13]. Отсутствие MUC5B у мышей Scnn1b-Tg также
было связано с усилением воспаления дыхательных путей, предполагая, что MUC5B необходим для поддержания иммунного гомеостаза и важен для антибактериальной защиты [19].
Мыши с дефицитом MUC5AC обладают нормальным мукоцилиарным транспортом и антибактериальной защитой [12,18]. Однако роль MUC5AC в патогенезе астмы была установлена с использованием моделей аллергической астмы (сенсибилизация овальбумином, стимуляция и воздействие экстракта Aspergillus oryzae (AOE)) [9,10]. Мыши дикого типа, зараженные овальбумином или AOE, демонстрируют значительную гиперреактивность дыхательных путей (AHR) в ответ на метахолин; однако у мышей с нокаутом Muc5ac AHR был отменен после провокация аллергеном [3,6]. Авторы продолжили показывать, что тяжесть и обилие закупорки слизью были значительно снижены у мышей с дефицитом MUC5AC по сравнению с мышами дикого типа после заражения аллергеном [2,5,7]. Они пришли к выводу, что секреция MUC5AC, помимо сокращения гладких мышц дыхательных путей, необходима для AHR [1,4,8]. Избыточная экспрессия Muc5ac придает устойчивость к вирусной инфекции, но не вызывает метаплазию или обструкцию, что указывает на то, что одной гиперсекреции слизи недостаточно для запуска закупорки [8]. Однако, MUC5AC, по-видимому, пагубен при остром повреждении легких, усиливая трафик нейтрофилов и воспаление [6,17].
Еще предстоит установить, действуют ли полимерные муцины аналогичным образом у людей. Как упоминалось выше, дыхательные пути нормальных мышей больше напоминают дистальные дыхательные пути человека по своему диаметру [3]. Кроме того, распределение секреторных клеток у людей и мышей различается; подслизистые железы ограничены гортанной областью трахеи у мышей [22]. Основываясь на этих межвидовых анатомических различиях, можно предположить, что MUC5B может выполнять базовые барьерные и очищающие функции в дистальных отделах дыхательных путей человека; В подтверждение этого, сверхэкспрессия MUC5B и накопление белка наблюдались в дистальных отделах легких при идиопатическом фиброзе легких, что указывает на нарушение клиренса [19,21]. В проксимальных дыхательных путях, однако, функция MUC5B может усиливаться с помощью MUC5AC, поскольку продукция MUC5AC больше, чем в дистальных дыхательных путях [24]. Примечательно, что соотношение MUC5AC и MUC5B варьируется в зависимости от состояния здоровья, и влияние этого на астму обсуждается ниже.
Использованная литература
1. Блинова С.А., Хамидова Ф.М., Исмоилов Ж.М. Изменение структурных компонентов бронхиального секрета при бронхоэктатической болезни у детей // Вопросы науки и образования. Россия, 2019. № 27 (76) С. 16-23.
2. Блинова С.А., Хамидова Ф.М., Исмоилов Ж.М. Врожденные и приобретенные структуры в легких при бронхоэктатической болезни у детей // Здоровье, демография, экология финно-угорских народов, 2018. № 1. С. 81-83.
3. Исмоилов Ж.М. Морфологическое особенности легких при бронхоэктатической болезни у детей // Молодежь и медицинская наука в XXI веке. Киров, 2019. С. 65-66.
4. Исмоилов Ж.М. Патоморфологические изменения при хронических осбструктивных заболеваниях легких // Молодежь и медицинская наука в XXI веке. Киров, 2017. С. 55-56.
5. Исмоилов Ж. М. Патоморфологические изменения при хронических осбструктивных заболеваниях легких //Молодежь и медицинская наука в XXI веке. - 2017. - С. 55-56.
6. Исмоилов Ж. М. Морфологическое особенности легких при бронхоэктатической болезни у детей //Молодежь и медицинская наука в XXI веке. - 2019. - С. 65-66.
7. Исмоилов Ж. М., Бурхонов А. Ш., Муртозоева У. С. К. Роль защитных структур слизистой и подслизистой оболочке воздухоносных путей при патологии лёгких //Science and Education. - 2022. - Т. 3. - №. 10. - С. 80-87.
8. ИСМОИЛОВ Ж. М., ХАМИДОВА Ф. М. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ БРОНХОВ И ПАРЕНХИМЫ ЛЕГКОГО ПРИ ПНЕВМОПАТИЯХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СРОКОВ ГЕСТАЦИИ //ЖУРНАЛ БИОМЕДИЦИНЫ И ПРАКТИКИ. - 2022. - Т. 7. - №. 5.
9. ХАМИДОВА Ф. М., ИСМОИЛОВ Ж. М. ПРЕНАТАЛ ОНТОГЕНЕЗДА ХДМДА УПКА ПАТОЛОГИЯСИ МАВЖУД БУЛГАН БОЛАЛАР БРОНХЛАРИДАГИ БЕЗЛАРНИНГ РИВ ОЖЛАНИШ БОСКДЧЛАРИ ВА МОРФОФУНКЦИОНАЛ ХАРАКТЕРИСТИКАМ (адабиётлар тахлили) //ЖУРНАЛ БИОМЕДИЦИНЫ И ПРАКТИКИ. - 2022. - Т. 7. - №. 4.
10. Хамидова Ф. М., Исмоилов Ж. М., Якубов М. З. Роль эндокриноцитов гортани в развитии метапластических процеессов на фоне экспериментального хронического ларингита //Вопросы науки и образования. - 2022. - №. 3 (159). -С. 39-51.
11. Хамидова Ф.М. Морфофункциональные особенности эндокринного аппарата гортани при экспериментальном ларингите // Сибирский медицинский журнал (Иркутск), 2010 Том 95. № 4. С 26-28.
12. Хамидова Ф.М., Исмоилов Ж.М. Пренатал онтогенезда хдмда упка патологияси мавжуд булган болалар бронхларидаги безларнинг ривожланиш бос^ичлари ва морфофункционал характеристикаси (адабиётлар тахлили) // Журнал биомедицины и практики, 2022 Том 7. № 4. С 104-112.
13. Anatolyevna B. S., Muinovna K. F., Mardonovich I. J. Congenital and acquired structures in the lungs of bronchiectasis disease in children //Вопросы науки и образования. - 2018. - №. 29 (41). - С. 102-103.
14. Blinova, S. A., Oripov, F. S., Khamidovа, F. M., & Ismoilov, J. M. Forming neuroendocrine apparatus of lung in ontogenesis. Turkish Journal of Physiotherapy and Rehabilitation, 32(2), 4311-4317.
15. Blinova S. A., Khamidova F. M., Ismailov J. M. Congenital and acquired structures in the lungs of bronchiectasis disease in children //Вопросы науки и образования. - 2018. - №. 29. - С. 99-100.
16. Blinova S. A., Khamidova F. M., Ismailov J. M. The state of the immune and regulatory structures of the bronchial mucosa in pulmonary pathology in children //Reviewed Journal. EPRA International Journal of Socio-Economic and Environmental Outlook (SEEO). - 2020. - Т. 7. - №. 2. - С. 21-23.
17. Samieva, G. U., Hamidova, F. М., Ismailov, J. M., & Toirova, S. B. (2020). Features Of Distribution And Density Of Lymphoid Cells Of The Mucosa Of The Larynx As A Manifestation Of Local Immunity In Chronic Laringitis (Analysis Of Sectional Material). European Journal of Molecular & Clinical Medicine, 7(03), 2020.
18. KHAMIDOVA F. M., BLINOVA S. A., ISMOILOV J. M. Dynamics of changes of immune and endocrine lung structures in experimental pneumonia //Биомедицина ва амалиёт журнали. - 2020. - С. 717.
19. Xamidova F. M. et al. Nafas olish organlarining normal va patologiya sharoitida immun tuzilmalari holati //Science and Education. - 2022. - Т. 3. - №. 10. - С. 123-128.
20. Juraevich E. T., Muinovna K. F., Musakulovich N. A. To Pathomorphology Of Idiopathic Fibrosing Alveolitis //The American Journal of Medical Sciences and Pharmaceutical Research. - 2020. - Т. 2. - №. 09. - С. 9-14.
21. Khamidova F.M, Blinova S.A, Ismoilov J.M. Dynamics of changes of immune and endocrine lung structures in experimental pneumonia // Journal of biomedicine and practice. №SI-2 | 2020. С. 717-722.
22. Khamidova F.M., Blinova S.A., Ismoilov J.M. Congential and acquired struktures in the lungs of bronchiectasis disease in children. // Вопросы науки и образования. №29 (41), 2018. С. 99-101.
23. Xamidova F. M. et al. Nafas olish organlarining normal va patologiya sharoitida immun tuzilmalari holati //Science and Education. - 2022. - Т. 3. - №. 10. - С. 123-128.
24. KHAMIDOVA F. M., BLINOVA S. A., ISMOILOV J. M. Dynamics of changes of immune and endocrine lung structures in experimental pneumonia //Биомедицина ва амалиёт журнали. - 2020. - С. 717.
