Дисфункция эпителиального барьера при бронхиальной астме



Бронхиальная астма (БА) – гетерогенное заболевание дыхательных путей (ДП), характеризующееся кашлем, одышкой, свистящим дыханием, стеснением в груди [1]. По последним данным заболеваемость БА увеличивается с каждым годом и является серьезной проблемой общественного здравоохранения [2].

В основе патогенеза БА лежит хроническое воспаление как ответ на этиологические факторы. Оно обуславливает бронхиальную гиперреактивность, ремоделирование дыхательных путей (ДП) и гиперсекрецию слизи [1]. В настоящее время выделяют различные эндотипы и фенотипы БА, что вызвано вариабельными симптомами и различным ответом на терапию [3]. У пациентов с БА наблюдается хроническое воспаление ДП, которое в зависимости от преобладающих медиаторов предложено классифицировать как Т2-зависимое и отличное от Т2-зависимого [4].

Повреждение эпителия является патологическим признаком, наблюдаемым при всех фенотипах БА [5]. Аллергены, инфекционные агенты (вирусы, бактерии и т.д.), взвешенные частицы при вдыхании напрямую контактируют с эпителием ДП (ЭДП). В свою очередь, для обеспечения целостности и эффективности защиты ЭДП осуществляет три важные функции: мукоцилиарный клиренс вдыхаемых частиц, физическая барьерная и химическая барьерная функции. В настоящее время результаты исследований демонстрируют, что при БА данные функции нарушаются и приводят к повышению проницаемости эпителия [6–8].

Кроме того, известно, что эпителиальным цитокинам, которые высвобождаются при повреждении эпителия ДП и в последующем участвуют в стимуляции иммунного ответа, принадлежит важная роль в активации воспаления и дисфункции эпителиального барьера [9].

С другой стороны, обсуждаются вопросы дисфункции эпителитального барьера ДП, связанные с комбинацией генетических изменений и различных внутренних и внешних факторов [10].

Таким образом, в настоящее время механизмы, лежащие в основе дисфункции эпителиального барьера, остаются предметом дискуссии.

Цель данного обзора: провести анализ изменений в эпителиальном барьере при БА, отразить потенциальные терапевтические пути воздействия.

Эпителиальная дисфункция

В норме мукоцилиарный клиренс (МЦК) обеспечивает непрерывную эвакуацию вдыхаемых частиц. Данный процесс происходит благодаря секреции слизи и биению ресничек. Слизь в ДП содержит более чем 200 белков, которые секретируются бокаловидными клетками и подслизистыми железами. Главным компонентом слизи является муцин, гликопротеин с высокой молекулярной массой. MUC5AC (производится бокаловидными клетками) и MUC5B (производится подслизистыми железами) являются основными секретируемыми муцинами в нормальных ДП [11].

Однако, у пациентов с БА результаты исследований демонстрируют как количественные, так и качественные изменения слизи. В норме слизь ДП состоит на 98 % из воды и 2 % твердых веществ (основу составляют муцины). При обструктивных заболеваниях количество муцинов возрастает до 8–15 % [11, 12]. Кроме того, меняется состав слизи, особенно соотношение MUC5AC к MUC5B.

Повышенная концентрация MUC5AC в дыхательных путях может способствовать возникновению, прогрессированию, риску обострения БА и других обструктивных заболеваний [11, 12]. По сравнению с MUC5B исследования демонстрируют более значительные относительные изменения концентраций MUC5AC в зависимости от тяжести обструктивных заболеваний, следовательно, концентрация MUC5AC может быть новым биомаркером для прогноза обструктивных заболеваний. Напротив, гликоформы MUC5B присутствовали между группами, при этом гликоформа с низким зарядом была обнаружена исключительно у пациентов с острой астмой.

Муцин – одна из наиболее важных барьерных молекул в ДП [12]. С одной стороны, его несбалансированная гиперсекреция при БА способствует развитию обструкции, препятствует выходу в просвет активных защитных молекул, необходимых для устранения патогенов, с другой стороны, MUC5B способствует защите от патогенных факторов и может послужить маркером обострения БА, а MUC5AC – маркером прогноза заболевания. Таким образом, требуются дальнейшие исследования, направленные на изучение как общей концентрации муцина, так и отдельных его изоформ в мокроте в качестве диагностического биомаркера при хронических обструктивных заболеваниях легких, в том числе и при БА.

МЦК не всегда может создавать барьер для патогенов в просвете ДП, тем самым инициируя воспалительные реакции, способствующие повреждению ЭДП и запускающие процесс ремоделирования. В связи с этим ключевая роль отводится трем типам соединений, которые рассматриваются как одни из составляющих физического барьера. Данные соединения связывают внутриклеточные структуры цитоскелета одной эпителиальной клетки с другими клетками. Межклеточные соединения включают адгезивные соединения (AJs), гемиде-смосомы и плотные соединения (TJs) [13].

TJs образуют многоклеточный соединительный комплекс, называемый zonula occludens (ZO), который выступает в качестве основного регулятора околоклеточной проницаемости. Основными компонентами TJs являются клаудины, окклюдины и соединительные адгезионные молекулы (молекулы сцепления) (JAMs). Эти белки соединены с актиновыми нитями белками цингулина (белка, входящего в состав плотных межклеточных контактов) и ZO-1, -2 и -3 [14].

AJs расположены непосредственно под TJ и обеспечивают межклеточную адгезию для поддержания целостности эпителия. Основной компонент AJs – трансмембранный белок Е-кадгерин. Е-кадгерин играет ключевую роль для образования других клеточных соединений, а при его разрушении страдает барьерная функция [15, 16].

Гемидесмосомы представляют собой структуры, которые образуют адгезивные связи между цитоскелетом эпителиальных клеток и прозрачной пластинкой. Гемидесмосомы используют интегрин α 6 β 4, плектин 1a и тетраспанин CD151, соединяющий ламинин и фибронектин внеклеточного матрикса с промежуточными нитями цитоскелета, и обеспечивают механическую стабильность ЭДП [16].

При изучении результатов биопсии бронхов у пациентов с БА были обнаружены дефекты TJs и продемонстрировано, что экспрессия ряда белков: α -катенин, необходимых для образования TJs и AJs, заметно снижена [17–21]. Также необходимо отметить, что повышенная проницаемость эпителия была выше при тяжелом течении БА по сравнению с легким [22, 23].

Нарушения барьерной функции могут быть связаны также с протеазной активностью аллергенов («протеазная гипотеза»), способной расщеп- лять белковые компоненты ранее упомянутых межклеточных соединений [24]. Несколько исследований предоставили доказательства прямого расщепления, например, белков окклюдина и ZO-1 основным аллергеном от клещей домашней пыли (Dermatophagoides, Der p 1) [25, 26].

Кроме того, исследования in vitro свидетельствуют о том, что различные вдыхаемые раздражители, включая аллергены, вирусы (риновирусы, Коксаки, аденовирусы [23] и сигаретный дым [27]), изменяют AJs [28].

Сообщается, что цитокины изменяют функции плотных контактов. Цитокины 2-го типа IL-4 и IL-13 нарушают целостность эпителиального барьера, что приводит к порочному кругу повышенной проницаемости эпителия [29]. Разорвать этот порочный круг за счет ограничения воздействия молекул окружающей среды, нейтрализации цитокинов или восстановления повышенной проницаемости эпителия представляет большой интерес при заболеваниях дыхательных путей.

Диагностика проницаемости эпителия

В настоящее время используются различные методы диагностики повышенной проницаемости эпителия, однако универсальные биомаркеры до сих пор не найдены.

Одними из первых о повышенной проницаемости эпителия при астме и аллергическом рините в 1975 г. сообщили Buckle и Cohen [30]. Для диагностики использовался 125 I-альбумин с последующим его обнаружением в сыворотке крови, главным недостатком метода являлась радиоактивность молекулы. Следующим радиоизотопом послужил диэтилентриамин-пентаацетат, меченный технецием99, который использовался для оценки проницаемости легких. Однако результаты исследований носили противоречий характер. В некоторых исследованиях сообщалось о более высоком клиренсе диэтилентриаминпентауксус-ной кислоты в легких у пациентов с ХОБЛ и астмой, тогда как в других сообщалось об аналогичном клиренсе у пациентов по сравнению со здоровыми субъектами [31–33]. Параллельно с радиоизотопами для измерения изменений проницаемости эпителия легких изучался маннитол и послужил маркером парацеллюлярного транспорта [34]. Недавно Георас и др. использовали ингаляционный маннит для оценки барьерной функции при БА с последующим обнаружением данного маркера в сыворотке крови [35]. В результате не наблюдалось различий в уровнях маннитола между пациентами с астмой и контрольной группой, следовательно, использование маннитола в качестве маркера проницаемости эпителия дыхательных путей остается сомнительным.

Одним из потенциальных биомаркеров повреждения эпителия легких является секреция секреторного белка-16 клубных клеток (CC16) в мокроте или жидкости бронхоальвеолярного лаважа [36]. Недостаток CC16 заключается в том, что это косвенная мера повреждения эпителия, а не эпителиальная проницаемость. Совсем недавно сывороточный белок зонулин стал популярным биомаркером для оценки барьерной функции эпителия при хронических воспалительных заболеваниях. Зонулин был идентифицирован как человеческий эндогенный модулятор эпителиальных TJ в тонкой кишке [37]. Насколько нам известно, имеется только одно сообщение, иллюстрирующее участие зонулина в регуляции легочной проницаемости. Можно ли использовать зонулин в качестве биомаркера повышенной проницаемости эпителия дыхательных путей, еще предстоит выяснить.

Таким образом, необходимы масштабные протеомные исследования назального секрета, мокроты или жидкости бронхоальвеолярного лаважа. Эти биомаркеры должны быть недеградиру-емыми, подходящего размера, отражающего проницаемость эпителия, и легко определяемыми.

Дальнейшее понимание механизмов астмы и роли эпителия дыхательных путей может быть связано с технологическими достижениями. К ним относится недавний прогресс в секвенировании одноклеточной РНК (scRNA-Seq), значительно повышающий степень детализации, с которой можно охарактеризовать клеточный состав тканей [38]. Кроме того, scRNA-Seq позволяет описывать молекулярные клеточные фенотипы, предсказывать межклеточные взаимодействия и переходы между состояниями клеток с беспрецедентной детализацией. Используя эти технологии для изучения легочной ткани, ионоцит недавно был обнаружен как новая эпителиальная клетка дыхательных путей [39].

С разработкой новых контрастных соединений и оптических волокон с более высоким разрешением молекулярная визуализация может помочь в ранней диагностике заболеваний дыхательных путей или может быть использована для оценки результатов лечения.

Терапевтические пути

Воздействие на эпителиальный барьер дыхательных путей может стать многообещающей новой терапевтической стратегией при астме и связанных с ней аллергических заболеваниях. В настоящее время не существует одобренных методов лечения для восстановления проницаемости эпителия при хронических заболеваниях дыхательных путей. Однако сообщалось о нескольких экспериментальных подходах к восстановлению барьерной функции эпителия in vitro и in vivo на моделях мышей [40]. Эти подходы сосредоточены на регуляции TJ и потенциально могут предотвратить возникновение патологии верхних и нижних дыхательных путей. Продемонстрировано, что кортикостероиды, стандартный вариант лечения астмы, аллергического ринита, улучшали функцию TJ и повышали целостность эпителия i n vitro и in vivo на модели мышей с астмой [40].

Недавно в качестве новой стратегии восстановления дефектов эпителиального барьера были предложены методы лечения, нацеленные на эпигенетические метки. Блокирование активности гистоновой деацетилазы (HDAC) усиливает барьерную функцию и соединительные белки в клетках первичного бронхиального эпителия у пациентов с астмой и в клетках назального эпителия у пациентов с АР [41]. Кроме того, Fukuda с соавт. показали, что ингибирование HDAC в раковых клетках увеличивает экспрессию E-cadherin, что важно для эпителиально-мезенхимального перехода [42]. Хотя идея вмешательства в эпигенетику для улучшения функции эпителиального барьера привлекательна, механизмы, вероятно, более сложны, и необходимо исследовать потенциальные побочные эффекты.

Заключение

Эпителиальный барьер играет одну из ключевых ролей при БА. Разработка функциональных методов и методов визуализации функции эпителиального барьера позволит нам оценить проницаемость слизистой оболочки дыхательных путей in vivo и поможет выявить пациентов, которым могут помочь терапевтические планы восстановления барьера. Сохранение или восстановление функции барьера дыхательных путей является новой областью респираторных заболеваний, требующей обширных дальнейших исследований.