摘要
囊性纤维化(CF)仍然是最常见的致命遗传性肺病。囊性纤维化跨膜电导调节因子的发现(雌性生殖道) 25年前的基因为:1)揭示CF肺病的分子和细胞基础;2)动物模型的生成进行研究在活的有机体内发病机理;3)针对CF亚组患者的突变特异性治疗的发展。本文强调了我们对CFTR功能障碍如何导致CF气道慢性粘液阻塞、中性粒细胞炎症和细菌感染的理解方面的重大进展。此外,我们关注针对基本CF缺陷的新疗法的最新突破和仍然存在的挑战,并讨论下一步要采取的措施,使疾病修饰疗法可用于更大的CF患者群体,包括那些携带最常见突变ΔF508-CFTR的患者。最后,我们将总结新出现的证据,这些证据表明获得性CFTR功能障碍可能与慢性阻塞性肺疾病的发病机制有关,这表明从CF中吸取的经验教训可能适用于与粘液堵塞相关的常见气道疾病。
摘要
CFTR功能障碍可导致CF,并可能与更常见的慢性阻塞性肺病(如COPD)有关http://ow.ly/wplhu
CFTR,基本离子转运缺陷和囊性纤维化肺病
囊性纤维化(CF)是由囊性纤维化跨膜电导调节因子(雌性生殖道)基因,是世界上最常见的致命遗传疾病之一。虽然CF是一种复杂的多器官疾病,但其发病率和死亡率主要由慢性阻塞性肺病决定,该疾病由早期黏液堵塞小气道、慢性中性粒细胞性气道炎症和细菌感染演变而来。发现了雌性生殖道25年前的基因为揭示CF肺病的分子和细胞基础奠定了基础[1- - - - - -3.].CFTR是一种多结构域膜蛋白,属于腺嘌呤核苷酸结合盒转运蛋白大家族,包括两个跨膜结构域、两个核苷酸结合结构域(NBDs)和一个独特的调控结构域[4].它在气道表面上皮细胞、粘膜下腺和许多其他上皮器官中表达[5].CFTR作为一个阴离子通道,通过蛋白激酶a依赖性的调节结构域磷酸化和ATP与核苷酸结合结构域的结合来调控,并传导Cl−和碳酸氢盐。在气道中,CFTR还作为氨酰氯敏感上皮Na的调节器+通道(ENaC),构成钠的限制途径+吸收(6- - - - - -9].因此,CFTR突变导致基本的离子转运缺陷,其特征是缺乏环腺苷单磷酸依赖的阴离子分泌和增强的enc介导的Na+CF气道的吸收(图1) [10- - - - - -12].最常见的突变是NBD1中508位苯丙氨酸的缺失(ΔF508),会损害CFTR的蛋白质折叠、质膜表达、功能和稳定性,在欧洲和北美约90%的CF患者中至少存在一个等位基因[4].此外,CF可能是由超过1900的其他突变引起的雌性生殖道基因(www.genet.sickkids.on.ca)导致不同的分子后果,包括合成缺陷、门控、电导或顶端质膜上CFTR通道数量减少[13,14].值得注意的是,最近的一项研究表明,只有~ 8%的报告雌性生殖道变异的等位基因频率≥0.01%,而其他变异则极为罕见,其功能后果在很大程度上仍然未知[15].同时全面了解CFTR功能障碍、离子转运调节受损与复合物之间的联系在活的有机体内气道炎症和宿主防御受损的发病机制仍不清楚,但通过对CF患者和动物模型的原代气道培养的转译研究,已经取得了重要进展。16- - - - - -18].
气道表面脱水:CF肺部疾病的关键发病机制
这些转化研究导致了当前的概念,即覆盖在健康气道表面的液体薄膜(约7 μm)的脱水是引发和促进CF肺部疾病的关键机制。由于活性离子运输与水流耦合,基本缺陷导致上皮衬里液分泌和吸收之间的不平衡,使CF气道表面容易脱水[19,20.].对携带广谱CFTR突变的CF患者培养的原发气道上皮细胞进行的研究表明,气道表面液体(ASL)耗尽,导致包括纤毛在内的睫状体层塌陷和粘液纤毛功能障碍(图1) [16].然而,在活的有机体内这些结果的验证受到以下事实的阻碍雌性生殖道缺乏症小鼠不会在气道中重现基本的CF离子运输缺陷,这可能是由于替代Cl的表达−,并且不会发展成cf样肺部疾病[21].这种限制导致产生气道特异性ENaC过表达小鼠(βENaC-Tg),以模拟增强的ENaC活性[17,22]以及最近的一代雌性生殖道-有缺陷的猪和雪貂[23- - - - - -25]测试在活的有机体内在CF气道中离子/液体分泌和吸收不平衡的后果。在β aacc - tg小鼠中进行的一系列研究证实了这样一种概念,即高浓度粘液导致的ASL耗竭会损害粘液纤毛清除,导致cf样粘液堵塞,并为慢性气道炎症和细菌感染奠定基础[22].有趣的是,最近在无菌条件下对β enc - tg小鼠的研究表明粘液停滞本身足以引起气道炎症,可能是由于吸入的刺激物从气道上皮和/或巨噬细胞释放促炎趋化因子,如角化细胞趋化物和巨噬细胞炎症蛋白-2,即使在没有细菌感染的情况下[26].相反,在细菌存在的环境中,β enc - tg小鼠在新生儿期出现自发的气道感染,并表现出对cf相关病原体的清除减少,如铜绿假单胞菌而且流感嗜血杆菌在老年时[17,26].总的来说,这些研究表明,该小鼠模型表现出早期CF肺病的许多特征[27- - - - - -29].值得注意的是,与CF患者相比,老年β enc - tg小鼠的肺部疾病表型也显示出一些差异,例如除了幼年时的慢性气道中性粒细胞增多外,还有短暂的嗜酸性粒细胞炎症,以及成年小鼠自发性气道细菌感染的清除和肺气肿的发展而不是支气管扩张[26,27,30.- - - - - -33].
最近的研究雌性生殖道-缺陷猪和雪貂证明,这些大型动物模型也会发展自发的cf样肺部疾病,其特征是早发型粘液堵塞、空气滞留、中性粒细胞炎症和呼吸道细菌感染[18,34,35].值得注意的是,生物电研究表明cftr介导的阴离子转运不足,但nach介导的Na没有增加+转运,在新生CF猪的下气道。基于这些结果,改变在CFTR-的相对贡献与enc介导的离子转运在早期CF肺病中的研究一直存在争议[36].然而,enc介导的Na+对患有慢性气道炎症的老年CF猪的吸收,即。在CF患者天然气道组织中发现ENaC活性增加的情况下在体外而且在活的有机体内[10- - - - - -12,目前仍不清楚。此外,在CF猪和雪貂中,黏液浓度作为气道表面水化程度的衡量指标,以及黏液纤毛清除率的测量指标的研究尚待进行。然而,在CF猪模型中,粘膜下腺的液体分泌不足[37].总之,β enc - tg小鼠、CF猪和CF雪貂早期肺部疾病表型之间的惊人相似性表明,由cftr介导的阴离子分泌和enc介导的钠之间的不平衡引起的气道表面脱水+传导气道和粘膜下腺的表面上皮细胞的吸收可能起着核心作用在活的有机体内CF肺病的发病机制,会产生黏液淤积及气流阻塞,引发炎症,并为细菌感染提供病灶(图1).
气道蛋白酶加重碱性CF离子转运缺陷
重要的是,新出现的证据表明,这种致病序列不是单向的,而是慢性中性粒细胞炎症释放的因子可以对上皮离子运输产生深远影响,并加重CF中的气道表面脱水。例如,最近的研究表明,中性粒细胞弹性蛋白酶(NE)、一种由活化中性粒细胞释放的主要产物,最近已被确定为新生儿筛查诊断为CF的幼儿支气管扩张发展的关键危险因素[38],也是CFTR和ENaC的有效调节剂。除了之前所描述的在调节气道炎症、粘液高分泌、细菌杀灭以及蛋白水解肺和免疫细胞损伤方面的作用外[32,39- - - - - -42], NE可以通过蛋白水解裂解和去除“抑制”片段来激活ENaC,可能导致通道的构象变化,从而提高其对Na的导电性+[43,44].有趣的是,最近的一项研究表明,野生型CFTR(而不是ΔF508)与气道上皮细胞质膜中的ENaC相互作用,因此可能阻碍NE和炎症细胞释放的其他潜在的细胞外蛋白酶对ENaC的蛋白水解刺激[45,46].这些结果表明CFTR缺乏这种“抗蛋白水解”功能可能是钠含量增加的原因+慢性炎症的CF气道的吸收,并可能解释为什么enoc介导的Na+新生CF猪在慢性中性粒细胞性气道炎症发作前转运没有升高[36].此外,最近的研究表明NE会导致CFTR Cl的降解和损失−通道的功能是通过激活细胞内钙蛋白酶(图1) [47].因此,一方面是NE和炎症细胞或细菌释放的潜在其他蛋白酶之间的不平衡,另一方面是保护性抗蛋白酶之间的不平衡[44],可能会不可避免地加重气道表面脱水,也会阻碍针对CF气道基本离子转运缺陷的治疗方法,一旦确定了慢性炎症和感染。
气道表面脱水在慢性阻塞性肺疾病中的潜在作用
除CF外,来自生物物理研究的新证据表明,气道表面脱水也可能与其他慢性气道疾病的发病机制有关[48,49].这些研究表明,粘蛋白浓度的增加(即。覆盖在气道表面的黏液凝胶的脱水导致其渗透压的增加。在一个临界阈值以上,脱水黏液层的渗透模量超过了睫状膜层的渗透模量。这导致下睫状毛层和纤毛受压,最终导致粘液纤毛功能障碍[48].由于粘液浓度过高不仅是由于CF中上皮离子和液体运输的失调,而且还由于慢性气道炎症和感染导致的粘液蛋白分泌增加[39,50],这些结果表明气道表面脱水可能是一种常见的疾病机制,有助于广泛的粘膜静止性气道疾病的发病机制,包括哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD) [20.,49].这一概念得到了最近对实验性哮喘小鼠的研究的支持,这些研究表明t辅助细胞2型诱导的粘液高分泌与高分泌离子转运表型相关,该表型保护“哮喘”野生型小鼠免受气道粘液阻塞在活的有机体内而缺乏上皮细胞Cl的小鼠−通道SLC26A9(溶质载体家族26成员9),阴离子转运蛋白SLC26家族的一员,在肺中强烈表达[51],由于增加氯的能力降低,导致气道粘液阻塞−过敏性气道疾病中与粘液蛋白高分泌平行的液体分泌[52,53].
缺乏碳酸氢盐会损害CF气道的粘液形成和细菌杀灭
除了气道表面脱水外,新出现的证据表明cftr介导的碳酸氢盐分泌不足在CF气道中粘液阻塞和宿主防御受损的发病机制中起着重要作用。碳酸氢盐分泌受损导致CF中ASL的pH值降低[54].最近对CF小鼠肠道的研究表明,当粘蛋白从细胞内颗粒分泌到肠表面时,碳酸氢盐的存在对粘蛋白的正常解包和膨胀至关重要[55,56].这些结果引发了一种假设,即碳酸氢盐分泌受损也可能导致气道中异常黏液的形成,这种缺陷可能导致CF中黏液粘度、粘连和黏液停滞增加[57].
此外,最近对CF猪模型的研究表明,降低气道表面pH值会损害细菌杀灭。CF猪出生后未能根除肺部细菌[18].通过剖析导致抗菌宿主防御受损的潜在机制,发现CF猪中ASL pH值的降低使抗微生物肽(如溶菌酶和乳铁蛋白)的效果降低,这可能是减少吸入或吸入细菌的消除以及CF气道细菌定植的关键[34].这些结果可能具有重要的治疗意义,因为它们预测气道的再碱化,例如通过雾化碳酸氢盐或拯救突变的CFTR功能,有可能恢复抗菌宿主防御并预防CF中的慢性气道感染。
新兴的拯救突变型CFTR的新疗法:突破和仍然存在的挑战
由于对CFTR替代和药物治疗方法的全面回顾超出了本文的范围,我们将重点讨论最近的重大突破,旨在挽救突变CFTR功能的疗法,以及剩余的挑战,仍然需要克服,使这些因果疗法适用于大多数CF患者。
高通量筛选导致第一种作用于突变体的药物的发现雌性生殖道
发现雌性生殖道也是开发挽救突变CFTR功能的药物的基石,为CF提供了一种因果疗法。然而,早期研究表明,广泛的雌性生殖道突变可以通过不同的分子机制导致不同类型的CFTR功能障碍,包括蛋白质翻译缺陷(I类)、加工(II类)、门控(III类)、电导(IV类)以及CFTR Cl的合成或稳定性降低(V类)−渠道(13,14].这些研究预测,因果性CF药物治疗必须是突变特异性的,或者至少是针对一组属于类似功能障碍的突变。这些见解,以及迄今为止通过基因治疗纠正突变CFTR的不成功尝试[58],导致了高通量筛选的发展,利用大型化学文库来发现挽救影响合成和加工的CFTR突变的药物(“校正器”),以及改善突变CFTR Cl的缺陷门控和/或电导的药物−插入根尖质膜的通道(“电位器”)(图1) [59,60].这种方法非常成功,到目前为止,已经产生了几种实验性药物[61,62以及CFTR增强剂ivacaftor (VX-770)的开发,该药物在关键的临床试验中被证明可以改善肺功能并减少肺加重。Ivacaftor于2012年被批准作为首个针对携带G551D门控突变的CF患者的突变特异性疗法[63,64].
G551D突变以正常水平表达并插入根尖质膜;然而,正常CFTR通道的门控所需的两个nbd的atp诱导二聚是有缺陷的,导致非常低的打开概率[61].尽管其作用机制尚不完全清楚,但单通道水平的功能研究表明,ivacaftor改善了选通,增加了G551D通道的打开概率[61,65].在培养的人CF支气管上皮细胞中,这种作用挽救了g551d介导的Cl−转运到野生型CFTR功能的~ 50%,并减少了enna介导的Na增加+和液体吸收[61].在第一个III期研究中,在青少年和成人CF患者(≥12岁)中进行,ivacaftor在1 s内改善了用力呼气量(FEV1) %的预测降低了10.6%,并将肺加重的可能性降低了55%。治疗开始后2周,持续观察治疗对肺功能的影响,并维持至48周。值得注意的是,该年龄组75%的患者FEV有改善1% pred降低≥5%,对肺功能的治疗效果与基线FEV无关1、年龄或性别[63].与FEV的整体改善效果相似1在G551D突变的年轻CF患者(6-11岁)中观察到12.5%的% pred,并且表明ivacaftor可以改善正常肺活量测定的CF患儿的肺清除指数[64,66].虽然这些对肺功能的治疗益处在多大程度上与现有的对症治疗相结合仍有待观察[67- - - - - -70],这一突破提供了一个重要的概念证明,突变特异性治疗是可能的,因此,可能标志着CF个体化医疗新时代的开始,这一主题已在最近的几篇综述中讨论[71- - - - - -73].
CFTR电位器为CF的个性化医疗创造了机会
然而,由于G551D突变只影响全球CF患者的~ 4%,在更大群体的患者能够受益于这些新型CFTR调节剂疗法之前,仍然需要克服相当大的挑战。在此背景下,最近在体外研究表明,ivacaftor可以提高打开概率,从而增强其他非g551d门通突变,以及其他导致处理和/或电导轻微缺陷的罕见CFTR突变[74,75].这些结果表明,ivacaftor可能更广泛的作用和有益的CF患者携带CFTR突变残余功能,包括胰脏充足的患者。目前,这一假设正在非g551d门控突变和胰腺充足突变R117H患者的一系列临床试验中得到验证。如果呈阳性,ivacaftor可能在不久的将来成为15%至20%的CF患者的有效治疗方法。尽管有这些进步,许多罕见的CFTR突变的功能后果,以及他们的在活的有机体内对电位器疗法的反应,尚不清楚[15].因此,并行开发用于定量评估CFTR基线功能和治疗反应的敏感功能测定,对于识别罕见CF患者个体非常重要雌性生殖道可能受益于ivacaftor或其他CFTR调节剂的突变。在这种背景下,最近的研究表明,β-肾上腺素能汗液分泌,以及天然肠组织和肠类器官的功能测量,是准确和可靠的方法,用于评估携带广谱突变的CF患者个体CFTR功能的不同突变水平[76- - - - - -79].因此,这些技术可能是有用的工具,可以提高我们目前对CFTR活动需要多少才能转化为临床效益的理解,并促进CF真正个性化药物的实施。
CFTR调节剂治疗能预防CF肺病吗?
另一个重要的问题是,对于有反应性CFTR突变的患者,何时开始ivacaftor治疗,以获得最大的长期疗效。一般认为CF肺在出生时结构正常,肺部疾病从潜在的可逆性异常(如气道黏液堵塞和空气滞留)发展到以支气管扩张和肺气肿为特征的不可逆性肺损伤[28,29,38,80,81].重要的是,最近对新生儿筛查诊断的CF婴儿的研究表明,不可逆的肺损伤可能比预期发生得早得多,而且大多数情况下没有呼吸道症状。在3个月大时,相当一部分CF婴儿已经表现出中性粒细胞性炎症和结构性肺损伤,这些早期异常是日后支气管扩张的关键危险因素[38,82].这些结果有力地表明,CFTR功能的早期抢救对于预防和/或延迟CF的不可逆肺损伤可能是至关重要的。由于用于评估婴幼儿异常肺结构和功能的敏感的无创预后指标,如计算机断层扫描、磁共振成像和多次呼气冲洗正在变得可用[28,38,83- - - - - -86], ivacaftor临床试验项目应尽快扩展到CF婴儿的研究,以利用广泛实施新生儿筛查所创造的狭窄的机会窗口,并确定早期治疗在多大程度上可以延迟甚至防止CF的不可逆肺损伤。
纠正最常见的突变ΔF508的错误处理仍然具有挑战性
相比于增强在质膜中表达的CFTR突变体,校正损害CFTR合成或加工的突变,包括最常见的突变ΔF508,仍然是一项更具挑战性的任务。VX-809 (lumicaftor)是第一个CFTR校正器,已进入临床开发阶段,在人支气管上皮细胞中恢复了ΔF508表面表达和高达15%的野生型CFTR功能在体外[62].在最近的一项针对ΔF508突变纯合子CF患者的II期试验中,VX-809治疗耐受性良好,并引起了适度的汗水Cl下降−.然而,经鼻电位差测量确定,鼻上皮中CFTR功能未见明显改善,肺功能或患者报告的结果也未见改善[87].这些结果表明,VX-809单一疗法可能是不够的,需要其他方法来将ΔF508功能恢复到可转化为患者临床获益的水平。一种已经在临床领域进行III期试验的策略,包括约1000名ΔF508纯合子CF患者,包括VX-809与ivacaftor的联合,以提高ΔF508 Cl的数量和开放概率−质膜中的通道。在人类CF支气管上皮细胞的临床前研究中,这种方法改善了ΔF508-mediated Cl−当这两种化合物以最大有效浓度添加时,可运输高达25%的野生型CFTR [62].临床校正剂/增强剂联合试验的第一个结果预计将于2014年公布,并将提供重要信息,说明这种联合疗法所能达到的功能改善水平是否足以转化为ΔF508突变患者的临床获益。
第二种策略依赖于识别更有效的下一代校正器。这一进展是由最近的生化研究所指导的,这些研究可以解释VX-809明显功效上限的机制基础。这些研究表明,ΔF508突变不仅会损害NBD1所在区域的折叠,还会损害NBD1与邻近CFTR结构域的正确组装,而且这些缺陷的纠正只是部分有效[4,88,89].然而,当这两种缺陷分别通过引入抑制突变或使用实验校正化合物的组合进行校正时,就有可能将ΔF508的折叠、细胞表面表达和功能恢复到接近正常水平[88- - - - - -90].因此,这些研究解释了VX-809单一疗法疗效有限的原因,并表明针对这两种缺陷的下一代校正化合物的组合可能需要有效恢复携带ΔF508和其他潜在加工突变的患者的CFTR功能。
替代目标抵消基本离子运输缺陷在CF气道
上皮钠+渠道
增强的enc介导的Na的抑制作用+替代氯的吸收和/或活化−在所有CF患者中,气道中的通道仍然是补偿CFTR功能障碍、恢复气道表面水化和粘液纤毛清除的有吸引力的替代方法,无论其疾病如何雌性生殖道基因型(图1).事实上,ENaC长期以来一直被认为是一种替代治疗靶点[97].然而,可能由于其效力低、半衰期短和在粘液阻塞气道中的沉积有限,经典ENaC阻滞剂阿米洛利吸入治疗在已确诊肺部疾病的CF患者中未显示出治疗效果[98].相比之下,预防性阿米洛利治疗通过减少cf样肺部疾病小鼠的粘液阻塞、气道炎症和死亡率具有显著的治疗效果[99].这些研究证明了吸入阿米洛利可能是一种有效的预防性治疗,如果在患有CF的婴儿中开始,现在可以通过新生儿筛查进行早期诊断[28].虽然作为一种有吸引力的策略,可以延迟甚至预防CF的不可逆肺损伤,但这种预防性治疗模式仍有待临床试验的检验。与此同时,研究人员正在研究持久的ENaC抑制策略,以提高慢性CF气道疾病的疗效。这些努力包括:1)设计更有效和长效ENaC阻滞剂[One hundred.,101];2) enc激活蛋白酶的抑制作用[44,102];3)特异性短干扰rna沉默ENaC [103];4)高含量筛选,以确定可能在CF肺病中可用药的新型ENaC调节剂[104].由于ENaC也在肾脏中表达,在电解质平衡中发挥重要作用,因此有必要采取有效减少ENaC抑制剂的全身吸收的策略,以防止肾脏暴露和电解质失衡,包括高钾血症[105].几种有前景的化合物目前正处于积极的临床前到早期临床开发中,并可能在不久的将来用于CF患者的临床测试。
替代Cl−渠道
即使在发现CFTR之前,已经证实气道上皮细胞表达替代Ca2 +激活的氯−cfr通道(CaCC)功能正常,因此可以在治疗上用于补偿CF患者的CFTR功能障碍(图1) [106,107].这一概念得到了研究的支持,这些研究表明核苷酸介导的CaCC激活通过purinergic (P2Y2受体介导的信号通路可改善原发性CF气道上皮中的ASL高度和粘液运输[108].然而,努力通过长效P2Y间接激活CaCC2在最近的试验中,受体激动剂denufosol未能改善CF患者的肺功能或减少恶化[109].此外,直接激活CaCC的药物的开发一直受到其分子身份多年来仍然难以捉摸的阻碍。最近,在这一领域取得了重要进展,并报告了几个CaCC候选国家。虽然一些建议的候选基因,如CLCA家族成员hCLCA1/mCLCA3,不能在天然气道上皮中被证实为CaCC [110],现在很清楚,跨膜蛋白16A (TMEM16A,也称为anoctamin-1)构成了Cl−钙通道2 +端依赖Cl−人及老鼠气道内的分泌物[111,112].此外,新兴的数据表明SLC26A9, SLC26家族阴离子转运体的成员,作为一个有前途的替代品Cl−如前所述,最近对SLC26A9敲除小鼠的研究表明,SLC26A9介导Cl−分泌在气道炎症中被激活,对于在粘液分泌过多的情况下防止气道粘液阻塞至关重要[52,53].此外,在SLC26A9的3 '非翻译区,一个功能性单核苷酸多态性(rs2282430)通过创建一个microRNA的结合位点(has-miRNA-632)来降低蛋白质表达,被证明与儿童哮喘相关SLC26A9最近在非cf型支气管扩张患者中发现了变异[113].这些结果表明SLC26A9是CF和其他潜在的粘膜静止性气道疾病(包括严重哮喘和COPD)的调节剂和新的治疗靶点。值得注意的是,在最近的一项全基因组关联研究中,SLC26A9也被发现有助于CF中胎粪肠梗阻的风险[114].大型化学文库的高通量筛选,用于识别挽救突变CFTR的化合物[59,61],现在可以用于发现打开TMEM16A和SLC26A9 Cl的药物−不改变胞质钙直接通道2 +,并测试它们作为治疗靶点来抵消缺乏Cl的潜力−CF的分泌和气道表面脱水。
非上皮细胞CFTR功能障碍
虽然CFTR功能障碍在CF性肺病中的致病作用已在气道浅表上皮细胞和粘膜下腺中得到了最广泛的研究,但新出现的证据支持这样的观点,即肺中的非上皮细胞类型,如先天和适应性免疫细胞和成纤维细胞,也表达CFTR [115,116].重要的是,骨髓细胞,即。中性粒细胞和巨噬细胞,积聚在CF气道,被认为是驱动慢性炎症,已被证明表达CFTR mRNA和蛋白质,并可能利用CFTR进行适当的吞噬溶酶体功能和细胞内细菌杀灭[117- - - - - -119].虽然我们目前的理解预测气道上皮中的CFTR功能障碍是引发疾病的关键,但新兴的研究表明小鼠髓系细胞中CFTR的条件缺失[120]以及在斑马鱼模型中使用morpholino基因敲除技术的研究[121]支持髓系细胞CFTR功能障碍可能与疾病的发病机制和结局有关的观点铜绿假单胞菌CF肺部疾病的感染。除了吞噬细胞,CFTR在先天免疫中的潜在作用还包括其他免疫细胞类型,如树突状细胞和自然杀伤t细胞,这是先前更深入讨论的主题[115].此外,最近对CF小鼠和猪的研究表明CFTR功能障碍可能与软骨气道发育异常有关,而软骨气道发育异常可能导致CF早期气流阻塞、空气滞留和呼吸功能障碍[122- - - - - -124].
CFTR、吸烟和慢性阻塞性肺病
鉴于CFTR在适当的粘液纤毛清除和气道防御方面的关键作用,显而易见的问题是,CFTR研究的见解是否可以转移到其他更常见的慢性粘液静止性肺部疾病,包括COPD,它已成为成年人最常见的慢性疾病之一,也是全球第四大死亡原因[125].COPD与CF具有关键的表型特征,包括粘液纤毛清除减少、小气道粘液阻塞、杯状细胞化生和粘液分泌过多、慢性中性粒细胞性气道炎症和慢性细菌感染[126,127].虽然已经确定大多数COPD是由吸烟引起的,但对其发病机制的了解仍然有限。有趣的是,分析香烟烟雾对气道离子运输影响的研究表明,香烟烟雾在不同程度上损害气道上皮中CFTR的表达和功能,从转录降低到蛋白质降解,并导致“获得性”CFTR功能障碍(图1) [128- - - - - -130].这些研究表明,香烟烟雾对健康的非吸烟者气道中的CFTR活性有急性影响,导致CFTR介导的Cl受到~ 60%的抑制−分泌在活的有机体内,引起气道表面脱水,减少粘液输送在体外.最近的证据还表明,患有COPD的吸烟者表现出cftr介导的氯含量减少−上呼吸道和下呼吸道的分泌物,离子转运不足与气道黏液脱水有关[129,131,132].这些结果表明,在吸烟引起的杯状细胞化生和黏液蛋白高分泌的情况下,吸烟者CFTR功能水平的降低可能不足以使黏液水化,从而可能使吸烟者面临黏液停滞和慢性气道疾病的风险(图1) [48,50].此外,最近的研究发现CFTR表达、神经酰胺积累与COPD患者肺气肿严重程度之间存在相关性[133].此外,对小鼠的研究表明,香烟烟雾降低了脂筏中的CFTR水平,并且CFTR与香烟烟雾诱导的肺上皮损伤中的凋亡和自噬反应有关[134].有趣的是,最近的研究结果表明,吸烟对CFTR的影响不仅限于肺部,而且吸烟可能会导致系统性CFTR功能障碍通过一种循环因子,可能导致与吸烟有关的肺外疾病,如胰腺炎、男性不育和恶病质,也是CF的典型特征[135].总的来说,这些研究表明,吸烟者功能性CFTR水平的降低可能有助于COPD的发病机制,而开发用于改善CF中CFTR功能突变的药物也可能对COPD患者有益。作为概念的证明,最近的研究表明,增强剂ivacaftor改善了野生型CFTR功能,并抵消了香烟烟雾对CFTR介导的Cl的影响−人支气管上皮细胞的分泌、ASL高度和粘液转运在体外[130].然而,需要临床试验来评估CFTR调节剂在COPD中的治疗潜力。
结论和未解决的问题
25年前CFTR的发现使CF研究人员解开了CF的分子和细胞发病机制。基础和转化研究,包括异源细胞系、人类原代气道上皮细胞和动物模型,已经导致了对CFTR功能和调控的详细和不断增长的理解。这些研究表明,CFTR功能障碍导致的ASL体积和pH值的降低可能是导致CF肺病早期黏液堵塞、引发慢性中性粒细胞炎症和损害抗细菌宿主防御的关键发病机制。通过高通量筛选确定的CFTR调节剂之一,增强剂ivacaftor的临床试验建立了一个重要的概念证明,即有效的突变特异性CF药物治疗是可能的。这一突破为开发针对其他CFTR突变患者的药物提供了范例。然而,尽管取得了这些重大进展,我们仍然面临着尚未解决的问题和仍然存在的挑战。例如,目前尚不确定如何有效地纠正最常见的突变ΔF508的错误处理,以及需要多少纠正才能在患者中产生临床效益?我们如何将突变特异性治疗扩展到罕见CFTR突变患者?CFTR功能突变能否逆转慢性气道炎症和感染?我们需要多早开始使用CFTR调节剂治疗来延迟甚至预防慢性肺损伤?ENaC和替代Cl的治疗靶向在多大程度上可以−通道补偿CFTR功能障碍在活的有机体内?除了CF, CFTR在包括COPD在内的其他粘膜静止气道疾病的发病机制中有多重要?这些知识能否为这些常见肺部疾病带来更有效的治疗方法?因此,基础和转化性CF研究对于解决这些重要问题和为所有CF患者提供疾病修饰治疗仍然至关重要,无论他们的CFTR基因型或疾病阶段如何。
致谢
感谢Peter-Michael Weber(德国Tübingen大学儿科系,Tübingen)的优秀形象设计。
脚注
支持声明:这项工作得到了德国研究基金会(MA 2081/3-3和MA 2081/4-1;Emmy Noether计划HA 5274/3-1),德国联邦教育和研究部(CARPuD1和CARPuD2),欧盟委员会(第七框架计划项目No. 603038 CFMatters)和德国囊性纤维化协会Mukoviszidose e.V。
利益冲突:可以在本文的在线版本中找到信息披露www.qdcxjkg.com
- 收到了2013年12月30日。
- 接受2014年4月15日。
- ©2014人队