粘液清除系统的意外发现

马里兰大学(UMD)的研究人员对我们如何清除喉咙(或从我们的气道中清除黏液)有了意想不到的发现，这可能有一天会改变治疗肺部疾病的疗法。

　　

img width="800" height="530" title="Generation and validation of MUC5B/AC-KO cultures. (A) Overview of the MUC5B/MUC5AC gene-targeting approach via lentivirus-mediated delivery of sgRNA and CRISPR-Cas9. Transduced and sorted cells were differentiated at air-liquid interface (ALI). Once fully differentiated, the mucus gel was collected by apically washing cultures. HEK293T, human embryonic kidney–293T; FACS, fluorescence-activated cell sorting; EGFP, green fluorescent protein. (B) TEER measurements in fully differentiated MUC5B/MUC5AC KO cultures. KO1 corresponds to BCi-NS1.1 cells transduced with sgRNA1, and KO2 corresponds to cells transduced with sgRNA2. (n = 4 biological replicates). No statistically significant differences between groups as assessed by one-way analysis of variance (ANOVA). (C) Immunofluorescence staining for MUC5B (green) and MUC5AC (orange) in MUC5B/AC-KO cultures. Nuclei were stained with 4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) (blue). Representative two-dimensional (2D) projections from z-stack images for each secreted mucin are shown. Cultures were washed with 10 mM dithiothreitol before fixing and staining for intracellular mucins. Scale bar, 10 μm. (D) Western blot analysis of mucus gels collected from apical washes of fully differentiated control and KO cultures. Samples were separated by electrophoresis (4 to 20% tris-glycine gel, reducing conditions) and detected by immunoblot for MUC5B and MUC5AC. Credit: Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq5049" alt="Researchers study the mucus clearance system in human airways" src="/Editor/ebioueditorasp/asp/upload/image/20221207/16704051458325789.jpg"

 

马里兰大学(UMD)的研究人员对我们如何清除喉咙(或从我们的气道中清除黏液)有了意想不到的发现，这可能有一天会改变治疗哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)和囊性纤维化等肺部疾病的治疗方法。该小组的研究发表在《Science Advances》杂志上。

菲切尔大学生物工程系助理教授Gregg Duncan和他的呼吸纳米生物工程实验室的成员开始开发一种史无前例的系统，研究两种构成人类气道粘液清除系统的粘蛋白的作用。这些被称为MUC5AC和MUC5B的蛋白质形成了一种水凝胶，可以通过纤毛这种微小的毛发状结构运输，以清除呼吸道中的病原体和碎片。

多年来，科学家们认为只有MUC5B在促进气道运输中发挥了积极作用——这是防止肺部感染或损伤的第一线防线。但在开发人体气道上皮组织体外模型的过程中，邓肯的团队发现MUC5AC被错误地忽略了。

Duncan说:“为了保护我们，肺拥有一个由粘液和底层纤毛细胞组成的生物‘传送带’系统。在这项研究之前，人们认为这条传送带主要是由纤毛的协调运动指导的。然而，我们发现黏液凝胶在维持组织尺度上的运输均匀性，以最大化清除效率方面发挥了积极作用。”

当一个人吸入病原体或潜在的有害颗粒时，纤毛会帮助这些入侵者从肺部弹射到喉咙。从那里，这些颗粒通常会进入胃部，在那里它们通常无法在胃部的酸性环境中存活。但首先，粘液必须捕获这些入侵者。

在这两种蛋白质中，MUC5B一直是粘液运输的已知驱动因素;缺乏这种蛋白质会限制或阻止气道清除。相反，MUC5AC的过量产生已被证明损害气道清除率，导致慢性支气管炎患者肺功能下降，致死性哮喘患者气流明显减少。MUC5AC被广泛认为在很大程度上对气道清除的整个过程没有帮助，这导致科学家质疑它的目的。

但是，当邓肯的团队开始开发人类气道组织培养时，他们偶然发现了一个潜在的答案。Duncan的团队使用CRISPR/Cas9介导的基因组编辑工具从人类气道模型中删除了MUC5AC。当他们这样做时，他们发现旋转、不规则的流动模式不利于有效的气道清除。但在发现将MUC5AC添加回模型后，该团队立即修复了这个问题。

这一发现表明，MUC5B和MUC5AC之间的比例可能在气道清除中发挥着关键作用，特别是在哮喘等疾病中，粘液的过量产生可能导致严重甚至致命的健康后果。

目前针对气道黏液的药物旨在破坏黏液的结构，使气道黏液更像水。然而，这种途径并不是一个完美的解决方案，因为这种低粘度的粘液不能很好地运输——即使它更容易被分解。此外，邓肯的发现表明，解决方案可能不会完全消除MUC5AC;相反，最有效的治疗途径可能集中在恢复MUC5B和MUC5AC之间的适当平衡。