Исследователи из Медицинской школы UNC представили первые количественные доказательства того, что муцины – белковая структура слизи – значительно увеличивается у пациентов с муковисцидозом и играет важную роль в нарушении функции легких.
Исследование, опубликованное сегодня в Журнале клинических исследований, показывает, что трехкратное увеличение количества муцинов резко увеличивает водоотводящую способность слизистого слоя. Это препятствует выведению слизи из легких при МВ, что приводит к инфекции, воспалению и, в конечном итоге, к легочной недостаточности.
"Наши результаты показывают, что уменьшение концентрации муцинов в слизи при МВ является ключом к лучшему лечению," сказал Мехмет Кесимер, доктор философии, доцент кафедры патологии и лабораторной медицины и соавтор статьи JCI.
Эшли Хендерсон, доктор медицины, доцент медицины и соавтор статьи JCI, добавила, "Мы думаем, что это исследование показывает, почему распыленный гипертонический раствор [стерильная соленая вода] улучшает гидратацию дыхательных путей при МВ, улучшает выведение слизи пациента и, таким образом, улучшает функцию легких."
Исследование UNC также ставит под сомнение спорное исследование 2004 года, в котором оспаривалась теория о том, что муцины играют важную роль в МВ.
Эта работа, в которой участвовали 13 ученых UNC, является частью обширной программы исследования легких UNC, основанной в новом Институте легких Марсико, которую возглавляет Ричард Баучер, доктор медицины, соавтор исследования JCI.
"Эта статья указывает на терапевтическую стратегию для решения этой проблемы очистки от слизи и предоставляет указатели или биомаркеры для разработки новых методов лечения," сказал Баучер, Джеймс С. Мозер выдающийся заслуженный профессор медицины. Кроме того, измеряя концентрацию муцина в слизи пациента, врачи могут узнать, работают ли методы лечения и в какой степени.
Ученые и врачи давно знают, что неспособность очистить слизь является основной причиной, по которой пациенты с МВ сталкиваются с хронической инфекцией легких и воспалением. Но механизмы этого отказа до конца не изучены.
Обычно, когда мы дышим, слизистая оболочка легких улавливает загрязняющие вещества – пыль, загрязняющие вещества, бактерии – естественным образом содержащиеся в воздухе. Затем эпителиальные клетки с волосковыми ресничками вымывают слизь из наших легких. Однако у людей с муковисцидозом этот процесс не работает, потому что у них отсутствует должным образом функционирующий ген CFTR. Они постоянно борются с инфекциями и должны много работать, чтобы очистить легкие от слизи.
Здесь в игру вступают муцины. Муцины придают слизи гелеобразную толщину и эластичность. "Без муцинов слизь имела бы вязкость крови," Кесимер сказал. "Подавляющее большинство слизи – это вода, но от 30 до 35 процентов оставшегося твердого материала состоит из муцинов. Они образуют сеть связей, которая служит каркасом."
Вот почему Кесимер и его наставник по UNC, покойный Джон Шихан, доктор философии, заслуженный профессор биохимии и биофизики, заподозрили, что что-то должно произойти с муцинами в легких. Они и другие знали, что слизь при МВ обычно более сухая, чем обычная слизь.
Однако еще в 2004 году другие исследователи использовали стандартный иммунологический анализ, чтобы показать, что количество муцинов уменьшилось в секреции МВ. Они подозревали, что ДНК была основной причиной проблем со слизью при МВ. Шихан и Кесимер были настроены скептически, как и Хендерсон, врач-клиницист, который принимал пациентов с МВ и был научным сотрудником в лаборатории Шихана. Они намеревались провести различные новые эксперименты, чтобы физически измерить количество муцинов в секретах CF и нормальной слизи.
В одном эксперименте они использовали метод, называемый эксклюзионной хроматографией: в колонку они добавляли сделанные на заказ шарики с небольшими порами. Белки меньшего размера могут проникать в поры, а муцины – нет. Посредством этого разделения команда Кесимера и Хендерсона выделила муцины и одновременно измерила их концентрацию с помощью рефрактометра.
Используя образцы мокроты пациентов с МВ, исследователи обнаружили, что слизь при МВ содержит в три раза больше муцинов, чем нормальные образцы. Они также провели эксперименты, чтобы показать, что избыток муцина приводит к шестикратному увеличению давления между слоем слизи и мерцательным слоем.
Этот вывод подтверждает модель заболевания CF, которую исследователи UNC опубликовали в журнале Science в 2012 году. По сути, у пациента с МВ повышенное осмотическое давление концентрированного слоя слизи разрушает реснитчатые клетки, так что слизь не выводится. Легкие становятся питательной средой для бактерий. Это приводит к большему количеству муцинов, большему количеству слизи, воспалению и, как следствие, легочной недостаточности.
Более того, команда Кесимера точно показала, почему исследование 2004 года было ошибочным. Эти исследователи использовали классический иммунологический метод на основе антител, называемый вестерн-блоттингом, который измеряет экспрессию данного белка – в данном случае муцинов – на основе реакции антител на этот белок.
Но, как указал Кесимер, антитела должны прикрепляться к белкам в определенных местах на поверхности белков. Когда Кесимер провел вестерн-блоттинг, он получил тот же результат, что и исследователи 2004 года. Но затем он использовал метод, называемый масс-спектрометрией, чтобы обнаружить, что секреция CF полна протеаз – ферментов, расщепляющих молекулы. Масс-спектрометрия показала, что протеазы разрушают муцины, в основном "стирание" многие участки, где антитела могут связываться без нарушения структурной целостности муцинов.
"По этой причине мы наблюдали меньший ответ антител при использовании вестерн-блоттинга," Кесимер сказал. И так выглядело, будто муцинов стало меньше. "Но, используя более точные методы, мы четко увидели увеличение муцинов. Фактически, мы проанализировали множество образцов мокроты от пациентов с другими хроническими легочными заболеваниями и увидели увеличение в них муцинов."