Sinh lí sự bài tiết chất nhầy đường hô hấp và sinh lí bệnh của sự quá tiết 1. Tóm tắt Sự bài tiết chất n hầy là hàng rào bảo vệ đầu tiên chống lại các chất kích thích có trong khí mà chúng ta hít vào khoảng 500 L mỗi giờ từ khí quyển vào phổi. bụi, các vi sinh, và nhiều loại khí có thể phá hủy lớp biểu mô đường hô hấp. do vậy, sự bài tiết chất nhầy là cực nhanh, xuất hiện trong khoảng 10 ms. Hơn nữa, chất nhầy được giữ trong các hạt tế bào chất ở trạng thái đậm đặc cao, trong đó nồng độ calcium cao làm vô hiệu các lực đẩy (repulsive forces ) của các phân tử phân tử polyanion điện tích cao. Khi có sự khởi động bài tiết và làm loãng Calcium thì các lực đẩy của các phân tử mucin làm căng phồng chất lên hàng trăm lần nhằm bao phủ và bảo vệ lớp biểu mô. Sự bài tiết là một quá trình được điểu hòa nghiêm ngặt với sự phối hợp của nhiều loại phân tử, bao gồm soluble N-ethyl-maleimide- sensitive factor attachment protein receptor (SNARE) protein, myristoylated alanine-rich C kinase substrate (MARCKS), and Munc proteins, để hòa cạt chứa mucin ( mucin granules) với màng tế bào tiết và sau để sự xuất bào diễn ra. Vì sự bài tiết chất nhầy xảy ra như là một quá trình cân bằng nội môi đường dẫn khí cơ bản, hầu như tất cả các chất trung gian điều hòa và đáp ứng viêm làm tăng sự bài tiết đáng kể. khi tăng thời gian tác động của các chất trung gian cũng làm tăng sự biểu hiện gene mucin và sự tổng hợp mucin và gây cảm ứng làm tăng sản tế bào goblet. Những phản ứng này gây ra sự quá tiết mạn kéo dài của chất nhầy đường dẫn khí, điều này góp phần gây nên bệnh hô hấp. Lúc này chứ năng cân bằng nội môi và bảo vệ của sự bài tiết chất nhầy bị mất, thay vào đó sự quá tiết nhầy góp phần và sinh lý bệnh của nhiều tình trạng hô hấp nghiêm trọng., bao gồm asthma, COPD, chứng xơ hóa nang (cystic fibrosis ). 2. Giới thiệu Hàng rào bảo vệ đầu tiên giúp biểu mộ đường hô hấp chống lại tác động chấn thương và phá hủy khi hít khí vào là chất nhầy. Mucus là một gel nhày đàn hồi tạo nên một lớp màng mỏng trên bề mặt đường dẫn khí. Nó là một cơ chế bảo vệ cân bằng nội môi quan trọng với nhiều chức năng đa dạng được suy luận ra nhằm làm giảm sự phá hủy mô bởi những chất kích ứng được hít vào. Dưới những điều kiện bình thường, chất nhầy đường dẫn khí bảo vệ lớp biểu mô bằng cách bẫy những mảnh vụn lạ từ bên ngoài, vi khuẩn, virus và làm sạch chúng khỏi đường dẫn khí bằng sự chuyển động của các long nhỏ, một quá trình được đặt tên là mucociliary “clearance” (figure2). Ngược lại trong nhừng điều kiện trên lâm sàng liên quan tới sự quá tiết chất nhầy đường dẫn khí như asthma, COPD và chứng xơ hóa nang, những sự thay đổi chất nhay62bien61 chúng từ vai trò bảo vệ thành một tác nhân góp phần vào bệnh hô hấp. Những thay đổi các tính chất lý sinh của chất nhầy có thể làm suy yếu đi mucociliary clearance ( sự thanh thải chất nhầy long rung) với sự tích lũy có liên quan của chất nhầy ở phổi (Fig. 3), dẫn đến khó thở, sự hoành hành của bệnh và nghiêm torng5 hơn có thể tử vong. 3. Chất nhầy đường dẫn khí Chất nhầy đường dẫn khí là một dung dịch nước loãng phức tạp của lipids, glycoconjugates, và proteins. Nó chứa các chất điện giải, enzymes, antienzymes, oxidatants và antinoxydatants, các sản phẩm vi khuẩn ngoại sinh, các chất tiết kháng khuẩn nội sinh, các chất trung gian nguồn gốc tế bào và proteins, các chất trung gian nguồn gốc huyết tương và proteins và các mảnh vụn tế bào như deoxyribonucleic acid. Chất nhầy đường khí được tin là hằm tạo một lớp kép dịch; một lớp thượng gel nổi lên trên một lớp keo nhiều nước hơn hay lớp dịch quanh long (periciliary fluid). Gần như có một lớp surfactant mỏng có thể hỗ trợ sự lan rộng của chất nhầy trên toàn bộ bề mặt biểu mô. Lớp gel bẫy các hạt và được di chuyển trên những đầu mút của các long chuyển. Những hạt hít vào bị bẩy vào lớp gel dính và được loại khỏi đường khí (mucociliary clearance). Khi chất nhầy đến họng, hoặc nó sẽ được xuống đường tiêu hóa để thoái biến hoặc trong những bệnh lí hô hấp thì nó được ho ra ngoài dưới dạng đàm (sputum). Chất nhầy đường hô hấp cần sự kết hợp của tính đàn hồi và tính nhớt (tạo ra viscoelasticity) nhằm tạo ra sự tương tác rung chuyển hiệu quả tối ưu. Tính nhớt là một đặc tính giống chất lỏng và là kháng trở cho dòng lưu thông và là năng suất hấp thu năng lượng khi di chuyển. Tính nhớt – đàn hồi (viscoelasticity) của chất nhầy chủ yếu là do glycoprotein nhầy trọng lượng phân tử cao, gọi là mucin tạo nên. 4. Chất mucin đường hô hấp Trong tình trạng khỏa mạnh, mucin chiếm 2% trọng lượng chất nhầy đường dẫn khí. ở trong các đường dẫn khí thì mucin được bài biết bởi các tế bào goblet ở lớp biểu mô và các tuyến sero-mucous trong lớp dưới niêm. Fig. 2. Sự bài tiết chất nhầy đường khí và sự quá tiết. Hình trên: đường dẫn khí khỏa mạnh, chất nhầy tạo thành một lớp kép bao phủ biểu mô, với surfactant (hạt chấm chấm) tách biệt lớp gel và lớp sol. Mucin được tiết bởi các tế bào goblet và các tuyến dưới niêm tạo nên tính viscoelasticity cho chất nhầy, hỗ trợ cho mucociliary clearance của các hạt hit vào và các chất kích ứng. sự hydrate hóa chất nhầy được điều hòa bởi sự tuôn muối (và nước) xuyên qua biểu mô. Các tuyến cũng tiết ra nước. các proteins huyết tương rỉ ra từ vi mạch ở lớp dưới niêm và góp phần và sự hình thành nhầy. hình dưới: viêm đường dẫn khí gây nên những thay đổi liên quan tới hiện tượng tăng tiết nhầy, bao gồm tăng rỉ huyết tương, sự tăng sản tế bào goblet, thông qua sự biệt hóa từ các tế bào đáy và liên quan tới tăng tổng hợp và bài tiết nhầy, và phì đại tuyến dưới niêm, dẫn tới tăng nhầy trong lòng ống dẫn khí Mucin là những glycoconjugates phức tạp, giống sợi chỉ, dài. Một phân từ mucin bao gồm 1 khung peptide thẳng ( gọi là apomucin), được mã hóa bởi các gene mucin đặc hiệu (MUC), hàng trăm chuỗi bên carbohydrate liên kết glycan O- hoặc N mô hình glycosyl hóa phức tạp và vô cùng đa dạng và liên quan tới các motif bổ sung trên vách tế bào vi khuẩn. Bên trong lõi protein chính có sự biến đổi số lượng lặp lại xen kẽ các vùng giàu serine và/ hoặc threonine, tạo nên sự độc nhất về kích thước và trình tự của mỗi mucin, và những vùng tương ứng cho sự glycosyl hóa mucin. Những glycoprotein phức tạp này và các polydisperse, những polymer thẳng có thể bị phân mảnh bởi sự khử để tạo ra các monomers gọi là tiểu đơn vị khử (reduced subunits). Có ít nhất hai loại mucin khác biệt về cấu trúc và chức năng, các mucin liên quan đến màng (Ta-ble 2) và các mucin tiết (hoặc dạng gel hoặc không gel) (Tables 3 and 4). Các mucin liên quan màng, có một domain kị nước neo mucin trong màng bào tương, góp phần tạo nên bề mặt biểu mô. Các mucin tiết được trữ trong các hạt chế tiết bên trong bào tương.và được phóng thích ở mặt donh93 của tế bào đáp ứng với kích thích. Sự sản xuất mucin như là một quá trình cân bằng nội môi cơ bản mà hầu như tất cả các yếu tố trung đã được nghiên cứu đều làm tăng tiết mucin (Table 5). Hơn nữa nhiều chất trong số những chất trung gian đó khi được uống trong thời gian dài không chỉ gây tăng tiết mucin mà còn upregulate sự biểu hiện gene MUC với sự gia tăng đồng thời việc tổng hợp mucin và tăng sản các tế bào goblet liên quan (see Table 5). 5. Các gene mucin và các sản phẩm cảu gene 20 gene mucin người đã được phát hiện (see Tables 2–4). Trong đó có 9 gene MUC1, MUC2, MUC4, MUC5AC, MUC5B, MUC7, MUC8,MUC11, và MUC13 biểu hiện ở đường hô hấp người và trong số 9 gene này chỉ có MUC1, MUC2, MUC4, MUC5AC, MUC5B, MUC7, MUC8,MUC11, và MUC13 được tìm thấy trong những chất tiết đường khí. MUC5AC và MUC5B glycoproteins nằm gần kề nhau trên chromosome 11p15.5 được xem là mucin dạng tiết chính có trong cả những chất tiết đường hô hấp bình thường và những chất tiết đường dẫn khí từ bệnh nhân mắc bệnh hô hấp. Fig. 3. Sự tắc nghẽ chất nhầy của đường dẫn khí trong asthma và COPD. A: tạo nút nhầy torng asthma. Sự bít tắc hoàn toàn bởi những nút nhầy (M) cùa một phế quản trong phổi (mũi tên), mặt cắt theo chiều dọc, ở đã chết vì một cơn asthma cấp. B: chất nhầy (M) làm tắc nghẽn một phần của đoạn khí quản ngoài phổi ( mặt cắt ngang: mũi tên) của một người nam lớn tuổi, hút thuốc thời gian dài. C: sự co thắt phế quản và chất nhầy trong lòng phế quản ở asthma “chết người” (fetal asthma). Đường dẫn khí trong phổi của 1 bệnh nhân đã chết vì một cơn asthma cấp nặng, cho thấy biểu mô đường dẫn khí (mũi tên) bị đẩy vào thành những nếp gấp do sự co cơ trơn, và sự tắc nghẽn bởi chất nhầy (M) của phần lòng ống còn lại. Lượng tương đối ít chất nhầy thì có thể không làm giảm đáng kể lưu lượng khí trong một đường dẫn khí không bị co thắt, giãn. D: chất nhầy chặn một đường dẫn khí trong phổi (mặt cắt ngang) mở 1 bệnh nhân nam lớn tuổi hút thuốc nhiều năm ( khác với người hình B). chú ý sự thiếu sự co thắt đường dẫn khí ( trái ngược với hình B) và sự thâm nhiễm tế bào trong chất nhầy. mũi tên chỉ lớp biểu mô. 6. Cơ chế xuất bào của goblet cell Sự xuất bào là một tiến trình được bảo tồn và phổ biến trong quá trình tiến hóa. Qua đó các hormone, các chất trung gian, các phân tử khác được phóng thích ra khỏi từ tế bào. Để sự xuất bào của hầu hết các bóng (vesicles) xảy ra thì phức hợp SNARE phải được hình thành trước đó phức hợp này gắn kết các v-SNARE (trên các bóng vận chuyển chế tiết) với các t-SNARE ( trên màng tế bào) với nhau để hỗ trợ cho việc phóng thích các chất chứa trong các vesicles từ tế bào. Có hai cơ chế chung qua đó sự xuất bào có thể xảy ra và những cơ chế này cũng hiện diện ở quá trình xuất bào của mucin: − Sự bài tiết cơ bản: không được điều hóa và ở mức độ thấp − Sự bài tiết kích thích: sự xuất bào có điềuh òa của các hạt trong đáp ứng với kích thích ngoại bào. Molecular machinery driving vesicle fusion in neuromediator release. The core SNARE complex is formed by four α-helices contributed by synaptobrevin, syntaxin and SNAP-25, synaptotagmin serves as a calcium sensor and regulates intimately the SNARE zipping. Các hạt mucin hiện diện trong tế bào chất của các tế bào tiết mucin của đường dẫn khí. Mucin đầu tiên được tổng hợp trong lưới nội chất hạt, sau đó được phân cắt và đưa đển thể Golgi để glycosyl hóa và cuối cùng là đóng gói và tạo ra các hạt mucin trưởng thành (mature mucin granules). Các hạt này được dự trữ trong tế bào chất, chuẩn bị cho sự phóng thích. Trong các tế bào goblet đường dẫn khí, sự xuất bào của mucin liên quan tới chuyển động của hạt mucin đến mặt đỉnh của tế bào goblet. Sự chuyển động này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có myristoylated alanine-rich C-kinase substrate (MARCKS) protein. Trong trạng thái kích thích MARCKS được phosphoryl hóa bởi protein kinase C, (được phóng thích từ màng bào tương) và bị khử phosphoryl hóa bởi protein phosphatase 2A ( được kích hoạt bởi protein kinase G). điều này cho phép MARCKS được tháo ra và sẵn sàng cho sự bám gắn actin/myosin để tạo nên một tương tác với bóng chế tiết. đích đến của các bóng chế tiết qua trung gian bởi chaperone protein của nó, Hsp70. Việc bám gắn cho phép MARCKS đi cùng với bóng chứa mucin đến màng đỉnh của tế bào goblet. Kết quả của sự phosphoryl hóa MARCKS là actin/myosin co, cho phép các bóng hòa màng với màng nguyên sinh chất và phóng thích mucin ra ngoài. Munc-18 cũng cần phải có cho syntaxin gắn lên màng nguyên sinh chất. các hạt đã được hòa mạng phải trưởng thành trước khi xuất bào. Một khi đến được màng tế bào các hạt chứa mucin hình thành phức hợp SNARE buộc chặt các hạt không đảo ngược. sự hình thành chính xác và hoàn toàn của phức hợp SNARE chỉ dẫn bởi MARCKS phải xảy ra trước khi xuất bào có thể xảy ra, tạo nên một cấu hình mở có dạng chữ omega . Một khi được khởi động, sự bài tiết phài tuân theo động học đầu tiên: xuất bào vô cùng nhanh, chỉ mất khoảng 10ms, trong khi khoảng thời gian bài xuất mucin lại kéo dài gấp hàng trăm lần. sự bành trường xảy ra nhanh chóng vì mucin được cô đặc cao trong các hạt, những sợi mucin gắn với nhau bởi nồng độ calcium trong hạt cao, đóng vai trò như là một tấm chắn cation. Các hạt mucin đa anion, do vậy không có calcium hiện diện bên trong chất nền mucin, thì việc đóng gói không thể xảy ra. Trong điểu kiện xuất bào, calcium bị làm loàng dần, cho phép lực đẩy tĩnh điện xuất hiện, quá trình này gia tăng bởi sự hấp thu nước vào, gây nên sự giãn nở mucin torng đường dẫn khí. Đây là một quá trình cân bằng nội môi bình thường. tuy nhiên sự xuất bào kéo dài và quá mức gây ra tăng tiết nhầy đường dẫn khí như trong các trường hợp bệnh lý đường hô hấp: asthma, COPD. 7. Hiện tường tăng tiết trong COPD COPD gồm 3 tình trạng chồng lấn lên nhau, viêm cuống phổi mạn (tăng tiết chất nhầy đường dẫn khí), viêm phế quản mạn (bệnh đường dẫn khí nhỏ)., và khí phế thủng (emphysema) ( sự tăng thể tích khí do sự phá hủy phế nang). ở đây ta đề cập đến thành phần thứ nhất là viêm cuống phổi mạn. Đường dẫn khí của người bị COPD chứa một lượng quá nhiều chất nhầy. Chất nhầy trong lòng ống dẫn khí quá mức liên quan tới tăng số lượng mô tiết nhầy. sự tăng sản của các tế bào goblet là một đặc trung cốt yếu của viêm cuống phổi mạn. sự phì đại các tuyến dười niêm cũng đặc trưng cho viêm cuống phổi mạn và lượng tuyến tương quan với lượng nhầy 8. Tăng tiết nhầy trong asthma Asthma là một tình trạng viêm mạn của đường dẫn khí đâc trưng bởi sự giới hạn lưu lượng khí thay đổi, mà ít nhất thuận nghịch một phần, hoặc do tự phát hoặc do điều trị. Nó có những đặc điểm lâm sàng và sinh lí bệnh đặc trưng, bao gồm sự tắc nghẽn chất nhầy đường dẫn khí. Có nhiều chất nhầy ở đường dẫn khí trung tâm và ngoại vi ở những bệnh nhân asthma. Sự gia tăng chất nhầy phản ánh một sự gia tăng lượn mô tiết nhầy đường dẫn khí, do sự tăng sản tế bào goblet và phì đại tuyến nhầy dưới niêm, mặc dù về sau nó không điển hình trên tất cả các bênh nhân asthma. Các nút nhầy có độ nhớt cao và chứa lượng lớn các protein huyết tương ( vd albumin), DNA, các tế bào, proteoglycan, và mucins. Các protein huyết tương xuất hiện là do tăng sự rỉ huyết tương, một đặc trưng sinh lý bệnh của asthma. Quan trọng, các nút nhầy không hoàn toàn được tìm thấy ở đường dẫn khí trên người asthma đã chết do nguyên nhân ngoài asthma, chứng tỏ sự hình thành nút nhầy là một quá trình mạn, tiến triển. Tăng độ nhớt của chất nhầy đường dẫn khi trong asthma có thể do một bất thường nội tại trong các mucin được tiết ra hoặc do sự tương tác giữa mucin và huyết tương làm gia tăng hiệp đồng độ nhớt của nhầy. có thể sự gián đoạn các liên kết hydro giữa các phân tử mucin do huyết tương gây ra thúc đẫy hơn nữa tình trạng lộn xộn giữa các phân tữ mucin và albumin hoặc là do huyết tương làm giới hạn sự hydrat hóa và sự căng phồng bình thường của mucin. Hơn nữa do tác động làm dày lên mucin, huyết tương trong lòng ống sẽ góp phẫn trực tiếp vào sự gia tăng lượng nhày đường dẫn khí và có thế chính huyết tương là chất kích thích gây tiết mucin, dẫn tới tăng tiết chất nhầy với tính nhớt cao. 9. Cơ chế của sự tăng sản tế bào goblet đường dẫn khí Tăng sản tế bào goblet đường dẫn khí là 1 đặc trưng sinh lý bệnh của asthma, COPD và xơ hóa nang. Thành phần tế bào biểu mô đường dẫn khí có thể thay đổi bởi sự chia tế bào và sự biệt hóa từ 1 tế bào nào thành 1 tế bào khác. Có ít nhất 8 loại tế bào trong biểu mô đường dẫn khí. Trong chứng tăng sản tế bào goblet, sự biệt hóa là con đường chính tạo nên các tế bào goblet mới và sự phân chia tế bào là con đường chính dẫn tới carcinoma. Basal serous và Clara cells được xem là các tế bào tiền nguyên thủy vì chúng có khả năng phân chia, theo sau đó là sự biệt hóa thành các tế bào long hay tế bào goblet. Trong những điều kiện thí nghiệm, sự phân chia tế bào goblet góp một phần vào sự tăng sản. Tuy nhiên sự biệt hóa của các tế bào biểu mô đường khí không hạt là con đường chính cho sự tạo ra các tế bào goblet mới. trong các thí nghiệm trên động vật, sự tạo ra các tế bào goblet thường “tiêu dùng” các tế bào tiền nguyên thủy, đáng chú ý nhất là serous và Clara cells, từ đó làm giảm đi số lượng những tế bào này, trong khi tăng số lượng tế bào goblet. Các serous-like cells và Clara cells được tìm thấy trong các nhánh cuống phổi nhỏ bình thường trên đại thể trong phổi người. sự giảm tỉ lệ tương đối các serous cells và Clara cells có tầm quan trọng trong sinh lí bệnh học, vì làm giảm số lượng số lượng phân tử kháng viêm, điều biến miễn dịch, kháng khuẩn sống còn đối với sức đề kháng của vật chủ. Ví dụ serous cells sản xuất ra các lysozyme, lactoferrin, secretory immunoglobin A, perox-idase và ít nhất 2 protease inhibitors. Clara cells tạo ra Clara cell 10-kDa protein (also known as uteroglobulin), Clara cell 55-kDa protein, Clara cell tryptase,β-galactoside-binding lectin, possibly a specific phospho-lipase, and surfactant proteins A, B, and D. Do vậy, bệnh hô hấp liên quan đến tăng tiết nhầy, cũng làm giảm các serous cells cà Clara cells đi kèm với việc gây suy yếu đề kháng của vật chủ. Một số cơ chế của sự phát triển tăng sản tế bào goblet đường khí liên quan đến hiện tượng tăng tiết nhầy trong bệnh asthma, COPD đang trở nên rõ ràng hơn. Nhiều chất trung gian điều hòa và gây viêm cùng với các enzyme làm tăng sự bài tiết nhầy và gây tăng biểu hiện gene MUC, tăng tổng hợp mucin, tăng sản tế bào goblet (see Table 5). Những chất trung gian này là sản phẩm trung gian trong “dòng thác” (cascade) các sự kiện sinh lý bệnh ( phathophysiologic events) diễn ra từ các yếu tố khởi động (như tiếp xúc với dị nguyên trong asthma) đi đến phản ứng viêm/sửa chữa mạn, từ đó dẫn tới tăng tiết nhầy, liên quan tới tắc nghẽn và các triệu chứng lâm sàng. Một số ít các phân tử chính có liên quan tới chuyển những hoạt động của các trung gian viêm khác nhau thành sự tăng tiết nhầy đường khí, đó là epidermal growth Factor ( yếu tố tăng trưởng da) and its receptor tyrosine signaling pathway ( và lộ trình tín hiệu thụ thể tyrosine của nó), the mitogen activated kinase and extracellular signal-regulated kinase (MEK/ERK) pathway, calcium-activated chloride channels, and the retinoic acid receptor (RAR)-α signaling pathway. Tính đa dạng rộng của các atagonists và inhibitors phân tử nhỏ (small molecule an- tagonists and inhibitors) của những lộ trình này hiện đang phát triển trong dược lí trí liệu. 10. Tóm tắt Thực chất của đàm tiết từ đường hô hấp đó chính là chất nhầy, trong đó thành phần quan trọng tạo ra đặc tính chất nhầy là mucin một loại glycoprotein, mà trong điều kiện sinh lý bình thường chúng được tiết ra chủ yếu bởi các tế bào goblet đường hô hấp và một phần từ các tế bào tuyến dưới niêm. Việc tạo ra đàm đó chính là do sự tăng tiết nhầy trong đáp ứng của đường hô hấp với những kích thích nội tại hoặc ngoại lai tác động vào. Sự tăng tiết có thể khởi động bởi các trung gian hóa học của phản ứng viêm (cytokines), dị ứng nguyên, Tình trạng tăng tiết nhầy liên quan tới sự tăng sản tế bào goblet và phì đại tuyến dưới niêm. Nguồn gốc tạo ra các tế bào goblet trong sự tăng sản đó chính là sự biệt hóa từ các tế bào tiền nguyên thủy serous cells và Clara cells. Sự tăng tiết nhầy là nhân tốt quan trọng góp phần làm trầm trọng thêm trong các bệnh cảnh asthma, COPD va chứng xơ hóa nang. . Sinh lí sự bài tiết chất nhầy đường hô hấp và sinh lí bệnh của sự quá tiết 1. Tóm tắt Sự bài tiết chất n hầy là hàng rào bảo vệ đầu tiên chống. là mucin dạng tiết chính có trong cả những chất tiết đường hô hấp bình thường và những chất tiết đường dẫn khí từ bệnh nhân mắc bệnh hô hấp. Fig. 3. Sự tắc nghẽ chất nhầy của đường dẫn khí trong. quá tiết mạn kéo dài của chất nhầy đường dẫn khí, điều này góp phần gây nên bệnh hô hấp. Lúc này chứ năng cân bằng nội môi và bảo vệ của sự bài tiết chất nhầy bị mất, thay vào đó sự quá tiết nhầy