基金项目：江西省自然科学基金（20202BABL206001）

大气污染是一个全球性的问题，已被世界卫生组织（World Health Organization, WHO）列为世界上最大的环境健康风险因素。根据WHO 2018年统计数据表明，全球90%的城市居民生活在大气环境颗粒物（particulate matter，PM）水平超过WHO空气质量标准限值的地区^[1,2]，每年与大气污染暴露有关的死亡人数约800万，主要病因是中风、心脏病、慢性阻塞性肺疾病（Obstructive of Pulmonary Disease, COPD）、肺癌和急性呼吸道感染等^[3]。在我国PM2.5已成为民众疾病负担的重要危险因素，每年可导致90万人过早死亡^[4]。大气环境中的颗粒物,尤其是空气动力学直径≤2.5μm的细颗粒物（PM2.5）是大气污染的主要成分之一。

PM2.5主要经呼吸道吸入、进入细支气管和肺泡，由于细颗粒物的比表面积大，使其能吸附更多的有害物质如重金属、致癌物、致敏物和各种致病菌等，因此其吸附的毒性物质可能有更高的反应性和溶解速度，可见颗粒物直径虽小，但其化学成分复杂，毒性大，且容易进入呼吸道的深部，往往难以清除。滞留在人体呼吸道内的这些毒性物质还可通过肺泡周围毛细血管转运到身体的其他部位，对人体的多个系统造成危害。少部分PM2.5还可经消化道和皮肤进入人体，导致多系统疾病的发生和发展。流行病学研究表明，PM2.5沉积引起的慢性气道炎症和氧化损伤导致的肺功能下降，可增加哮喘和慢性阻塞性肺疾病的发病率^[5]。气道持续暴露于大气环境中的PM2,5，可诱发气道损伤导致气道炎症。通过小鼠呼吸暴露模型，研究证明急性暴露于不溶性PM2.5颗粒和长期暴露于水溶性PM2.5提取物都会引起严重的肺损伤^[6]。文献报道显示气道炎症反应是 PM2.5 损害呼吸系统健康的重要病理学基础。而气道炎症和黏液分泌异常是PM2.5导致气道损伤的最常见的生物学反应。我们之前的研究发现，气管滴注PM2.5的COPD大鼠肺泡灌洗液中IL-8、IL-17、TNF-α等炎症因子水平高于气管滴注生理盐水组大鼠IL-8、IL-17、TNF-α水平，同时随着大鼠染毒剂量增加，肺泡灌洗液IL-8、IL-17、TNF-α水平亦有所增加，呈正相关。

一、气道黏液、黏蛋白与气道炎症

1、 气道黏液与黏蛋白

气道黏液-纤毛清除系统是呼吸系统重要的防御机制，黏液可黏附吸入的颗粒物和病原微生物，通过纤毛协调摆动将其转运出体外，对于避免机体遭受环境中有害物质的损害具有重要意义。如纤毛功能障碍、黏液分泌异常或黏液理化性质、成分发生改变，都可导致气道的防御功能受损、引起或加重气道损伤。气道黏液是黏蛋白、多种抗菌蛋白、代谢物、水及电解质等物质组成的复杂混合物，覆盖于气道上皮细胞表面。黏蛋白主要分为三类：（1）非聚合分泌黏蛋白；（2）锚定在细胞表面的膜结合型黏蛋白；（3）聚合成凝胶的分泌型黏蛋白；至今为止至少有 21 个基因编码人黏蛋白，其中 14 个在气道上皮细胞中表达。MUC1、MUC4、MUC16、MUC20、MUC21 和 MUC22 是膜结合型黏蛋白。黏蛋白MUC1是一种大糖蛋白，作为膜受体由三个结构域组成:(1)细胞外结构域，(2)单个跨膜区域和(3)细胞质尾部(CT)。MUC5AC和MUC5B是主要的分泌型黏蛋白，MUC5AC由杯状细胞和Clara细胞产生，主要位于大气道；而MUC5B是肺泡II型上皮细胞的产物，是最远端气道产生黏液的主要成分。MUC5AC和 MUC5B的亚结构不同，黏蛋白通过糖基化结构修饰和电荷相互作用影响其物理性质，因此不同糖基化黏蛋白具有不同的功能。MUC5AC和MUC5B是气道黏液的重要组成部分，黏液-纤毛清除系统的重要参与者。

2、 黏蛋白在气道炎症中的作用

黏蛋白的表达受相应的黏蛋白基因调控，正常情况下呼吸道黏蛋白以MUC2为主，MUC5AC含量很少，气道黏膜分泌少量黏液；但在气道慢性炎症等病理状态下，气道黏液呈高分泌状态，黏液中以MUC5AC、MUC5B为主，而MUC2含量较少，且MUC5AC呈诱导性表达。在哮喘患者的尸解中，也发现MUC5AC是造成中小气道阻塞的黏液栓的主要成分之一。研究发现，在ICU插管的危重症患者声门下黏液中黏蛋白(主要是MUC5AC和MUC5B)的浓度和比例常常发生改变，这种改变会损害健康中性粒细胞的迁移、吞噬和杀死细菌的能力，导致感染、气道炎症加重。我们之前的研究也发现，PM2.5暴露可加重COPD大鼠的肺损伤，MUC5AC在COPD大鼠中表达显著上调，随着暴露于PM2.5浓度的升高，MUC5AC的表达进一步升高。近期研究数据表明，气道中MUC5AC浓度升高可能与COPD的发生、进展、恶化风险和整体发病机制有关。与MUC5B相比，MUC5AC浓度在COPD严重程度上的相对变化更大，提示气道MUC5AC浓度升高可能对COPD具有诊断和预后判断价值，MUC5AC可能成为评价COPD的一种新的生物标志物，用于筛查COPD的高危人群和早期患者。文献报道，敲除实验动物的MUC5B基因，发现进入气道的异物不易被清除，且机体出现异常炎症反应，炎症介质表达量下降，巨噬细胞凋亡增多，吞噬功能受损。进入气道内的沙尘等异物可诱导MUC5B的表达水平升高。MUC5B 基因高表达时，机体抵抗细菌感染的能力提高。提示 MUC5B 黏蛋白与抑制机体炎症和维持免疫稳定相关。在囊性肺纤维化的小鼠模型中，中性粒细胞弹性酶似乎驱动了黏液高分泌。间质性肺疾病的一项研究显示，来自各种间质性肺疾病患者的肺组织中MUC1 mRNA表达和KL6/MUC1蛋白表达升高，且MUC1水平升高与特发性肺纤维化（Idiopathic pulmonary fibrosis,IPF）预后不良相关。在IPF患者肺组织中发现MUC1- CT增高，而健康人肺组织中未见增高，且MUC1- CT多位于增生性肺泡II型上皮细胞和纤维化区成纤维细胞中，主要分布在细胞质和细胞核中。研究分析了MUC1-CT信号转导在IPF中的作用，以及转化生长因子(TGF)-β1信号通路与MUC1- CT之间的相互作用，有望成为IPF的治疗新靶点。

三、 黏蛋白在PM2.5致气道炎症中的作用机制

PM2.5暴露影响呼吸系统疾病的发生和进展，与其所致的气道炎症反应密切相关 ，但因PM2.5其成分复杂，所致气道损伤和气道炎症的机制研究有限。研究显示，PM2.5暴露可通过自分泌机制释放的EGFR 配体双调蛋白（amphiregulin，AREG）与 EGFR 结合，诱导 MUC5AC表达。Val S等通过小鼠气道内滴入 PM2.5 ，发现实验组小鼠气道上皮MUC5AC及 AREG 的表达均显著高于对照组,提示EGFR信号通路参与了PM2.5导致的黏蛋白异常分泌。另外有研究发现PM可通过瞬时感受器电位-1（transient receptor potential  vanilloid-1，TRPV1）通路导致 人支气管上皮细胞（human bronchial epithelial cell, HBEC）黏液分泌的增加，TRPV1 是一种表达于 HBEC 上的 Ca²⁺通道，TRPV1 通路的激活可引起 Ca²⁺内流及 cAMP 含量增多，导致MUC5AC表达上调、黏液过度分泌。MUC5AC可被城市颗粒物(SRM-1649B)上调，利用SRM-1649B中含有的单个多环芳烃—氟蒽、苯并(A)芘和苯并(b)氟蒽的还原方法，发现MUC5AC具有一致的诱导作用。芳烃受体(aryl hydrocarbon receptor, AhR)可识别多种多环芳烃，提示MUC5AC水平可能受AhR调节。Huang等报道，木材烟雾（WSPM2.5）可诱导原代人气道上皮细胞和NCI-H292细胞系产生MUC5AC，这一诱导过程是通过上皮生长因子受体（EGFR）/细胞外信号调节激酶（ERK）信号的激活，通过EGFR配体依赖的机制介导。研究表明EGFR 由其配体激活后，下调支气管上皮细胞中claudin1的表达，claudin1的下调促进了MUC5AC的表达，并加剧了气道炎症。

四、问题与展望

我们每天吸入的空气超过1万升，其中含有各种空气污染物，PM2.5因不同地区、季节、气候，其成分和理化性质有所不同，因此导致气道损伤的机制复杂、可能存在多种途径参与，而且互相影响。认识和阐明黏蛋白在PM2.5致气道炎症性疾病中的作用机制，明确黏蛋白基因表达与特定气道炎症性疾病之间的关系，对于气道炎症性疾病的诊断和治疗具有重要意义。

关于黏蛋白在PM2.5导致的气道炎症相关性疾病中的作用机制，目前的研究仍然是有限的。大量研究认为，PM2.5暴露诱发黏蛋白基因的异常表达，导致气道黏液分泌异常与气道炎症反应密切相关，但其背后的驱动机制和调控方式并不清楚。需要挖掘和总结更多的临床资料和实验数据，利用蛋白芯片或PCR芯片等技术来确定PM2.5导致黏蛋白基因异常表达的信号通路、关键分子的表达水平以及分子之间的作用方式，这些研究将有助于为PM2.5相关的气道炎症性疾病的病理生理机制探索及临床转化提供理论和实验依据，为PM2.5相关的气道炎症性疾病的诊断和治疗提供新的思路和潜在的靶点。

参考文献

[1] World Health Organization.9 out of 10 people worldwide breathe polluted air, but more countries are taking action. Available from:

http://www.who.int/news-room/detail/02-05-2018-9-out-of-10-people-worldwide-breathe-polluted-air-but-more-countries-are-taking-action.  Last accessed on Dec 27, 2019.

[2] World Health Organization. Global Health Observatory (GHO) data:

Concentrations of fine particulate matter (PM2.5). Available from:

https://www.who.int/gho/phe/air_pollution_pm25_concentrations/en/.  Last accessed on Jan 7, 2020.

[3] World Health Organization. Global Health Observatory (GHO) data.  Available from: https://www.who.int/gho/phe/en/. Last accessed on Jan 7, 2020.

[4] Feigin VL, Roth GA, Naghavi M, et al. Global burden of stroke and risk factors in188 countries, during 1990-2013: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2013[J]. Lancet Neurol, 2016, 15(9): 913-924.

[5] Gu XY, Chu X, Zeng XL et al: Effects of PM2.5 exposure on the Notch signaling pathway and immune imbalance in chronic obstructive pulmonary disease. Environ Plut, 2017; 226: 163-73.

[6] Chen Zhao, Ye Wang, Zhonglan Su et al. Respiratory exposure to PM2.5 soluble extract disrupts mucosal barrier function and promotes the development of experimental asthma[J]. Science of the Total Environment,730(2020)139145 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139145