Механизмы развития (патогенез) кистозного фиброза - муковисцидоза

Кистозный фиброз (муковисцидоз) — нарушение эпителиального транспорта ионов в железах, участвующих в экзокринной секреции, и в поверхностном эпителии дыхательных путей, ЖКТ и репродуктивной системы.

Для детей с этим заболеванием характерно образование аномально вязкого слизистого секрета, что ведет к обструкции протоков экзокринных желез различных органов и проявляется хроническими заболеваниями легких с рецидивирующими вторичными инфекциями, панкреатической недостаточностью, стеатореей, мальабсорбцией, развитием цирроза печени, кишечной непроходимости, мужского бесплодия. Заболевание может манифестировать в любом возрасте — с момента рождения до позднего детского и даже пубертатного периода.

Кистозный фиброз занимает первое место по распространенности среди летальных генетических заболеваний, поражающих в основном представителей европеоидной расы. Частота — 1 случай на 2500 живорожденных детей. В США частота носительства генов данного заболевания составляет 1 : 20 представителей европеоидной расы.

Это заболевание редко наблюдается среди азиатов, афроамериканцев и латиноамериканцев. Хотя кистозный фиброз наследуется по аутосомно-рецессивному механизму, последние исследования выявили, что даже у гетерозигот частота развития дыхательных и панкреатических нарушений выше, чем в общей популяции. Кистозный фиброз определяется как заболевание с менделевским характером наследования, однако существует огромное количество фенотипических вариантов, обусловленных разнообразными мутациями генов, ассоциированными с кистозным фиброзом, тканеспецифическими эффектами этих генов и влиянием недавно открытых генов-модификаторов этой болезни.

Трансмембранный регулятор кистозного фиброза
Нормальная структура и активация трансмембранного регулятора кистозного фиброза (CFTR).
CFTR состоит из двух трансмембранных доменов, двух нуклеотидсвязывающих доменов (NBD) и регуляторного домена (RD).
Агонисты (например, ацетилхолин) связываются с эпителиальными клетками и увеличивают количество циклического аденозинмонофосфата (цАМФ),
который активирует протеинкиназу А и фосфорилирует RD, что приводит к открытию хлорного канала.
Мутация гена CFTR нарушает фолдинг белка в аппарате Гольджи/ЭПР и разрушает CFTR до его представления на поверхности клетки.
Другие мутации затрагивают синтез CFTR, NBD и RD, а также мембраносвязывающие домены.
АТФ — аденозинтрифосфат.

а) Ген, ассоциированный с кистозным фиброзом: нормальное строение и функции. В нормальном эпителии протоков желез ионы хлора транспортируются посредством трансмембранных белков, формирующих хлорные каналы. Первичный дефект при кистозном фиброзе связан с нарушением работы белка хлорных каналов, кодируемого геном регулятора трансмембранной проводимости при кистозном фиброзе (CFTR), расположенным на хромосоме 7q31.2.

Полипептидная цепь из 1480 аминокислот составляет молекулу CFTR, которая имеет два трансмембранных домена (в каждом по 6 а-спиралей), два цитоплазматических нуклеотидсвязывающих домена (NBD) и регуляторный домен (RD). Два трансмембранных домена формируют канал, через который проходят ионы хлора. Активация его опосредована агонист-индуцированным увеличением цАМФ с последующей активацией протеинкиназы А, фосфорилирующей RD. Связывание и гидролиз АТФ происходят в NBD и необходимы для открытия и закрытия канала в ответ на цАМФ-опосредованный сигнал.

В последние годы были открыты несколько важных аспектов функционирования CFTR:

- CFTR регулирует множество дополнительных ионных каналов и клеточных процессов. Изначально CFTR считали регулятором только хлорных каналов, но сейчас стало известно, что CFTR может регулировать многие ионные каналы и клеточные процессы, главным образом через взаимодействие с NBD. В частности, CFTR регулирует хлорные каналы, выпрямляющие выходящий ток, калиевые каналы, выпрямляющие входящий ток (Kir6.1), эпителиальные натриевые каналы (ENaC), каналы плотных межклеточных соединений, а также клеточные процессы, вовлеченные в транспорт АТФ и продукцию слизи.

Взаимодействие CFTR и ENaC имеет, возможно, наибольшее патофизиологическое значение для развития кистозного фиброза. ENaC располагается на апикальной поверхности секретирующих клеток эпителия и отвечает за захват натрия из люминальной жидкости, делая ее гипотоничной. При нормальном функционировании CFTR ENaC ингибированы, а при кистозном фиброзе активность ENaC возрастает, заметно увеличивая поглощение натрия через апикальную мембрану. Важность этого феномена обсуждается далее в контексте легочной и желудочнокишечной патологии при кистозном фиброзе.

Но существует одно исключение: в потовых протоках человека в результате мутации CFTR активность ENaC уменьшается, формируется пот, содержащий и ионы натрия, и ионы хлора в высоких концентрациях, что является непременным условием классического кистозного фиброза. Этот феномен лежит в основе «соленого» пота, который матери часто обнаруживают у своих больных детей;

- функции CFTR тканеспецифичны, следовательно, последствия мутаций CFTR также тканеспецифичны. Основные функции CFTR в протоках потовых желез — реабсорбция люминальных ионов хлора и усиление реабсорбции ионов натрия через ENaC (см. ранее). В связи с этим нарушение функции CFTR ведет к уменьшению реабсорбции хлорида натрия и продукции гипертонического пота. Однако в дыхательном эпителии и эпителии ЖКТ CFTR является одним из важнейших регуляторов активной секреции хлора в слизь. В этом случае мутации CFTR приводят к уменьшению или прекращению секреции хлора в просвет органа.

Активное внутриполостное поглощение натрия также увеличивается (за счет прекращения ингибирования активности ENaC), и оба эти процесса повышают пассивную реабсорбцию воды из просветов протоков, понижая содержание воды в поверхностном слое секрета, покрывающем слизистые оболочки клетки. Таким образом, у больных кистозным фиброзом в бронхах и ЖКТ не увеличивается концентрация ионов в секрете на поверхности эпителия по сравнению со здоровыми людьми, что отличается от процессов, происходящих в потовых железах.

Патогенез дыхательных и желудочно-кишечных осложнений при кистозном фиброзе, вероятно, связан с уменьшением объема поверхностной изотонической жидкости. В легких такая дегидратация ведет к нарушению мукоцилиарного клиренса и накоплению гиперконцентрированного вязкого секрета, который затрудняет прохождение воздуха и предрасполагает к рецидивирующим легочным инфекциям;

- CFTR регулирует транспорт бикарбонатов. Транспортная функция CFTR опосредуется реципрокными взаимодействиями с семейством анионов, названных SLC26, которые экспрессируются на апикальной поверхности клеток совместно с CFTR. Это было обнаружено в некоторых вариантах мутаций CFTR, когда транспорт хлора полностью или преимущественно сохранялся, а транспорт бикарбонатов был заметно нарушен.

Щелочной секрет продуцировался нормальными тканями, а кислотный (из-за отсутствия бикарбонатов) — эпителиальными тканями, содержащими мутантный аллель CFTR. Снижение полостного pH может привести к различным негативным эффектам, например осаждению муцина и закупорке протоков, а также усиленному прикреплению бактерий к муцину. Панкреатическая недостаточность — классическое проявление кистозного фиброза — возникает практически всегда, когда есть мутации CFTR, связанные с нарушением транспорта бикарбонатов.

Патогенез кистозного фиброза (муковисцидоза)
(А) Дефект хлорных каналов в потовых железах приводит к увеличению концентрации ионов хлора и натрия в поте.
(Б) В дыхательных путях больных кистозным фиброзом происходит уменьшение секреции ионов хлора и увеличение реабсорбции ионов натрия и воды, что приводит к дегидратации слизистого секрета,
покрывающего клетки эпителия, нарушению мукоцилиарного клиренса и закупорке дыхательных путей слизью.
CFTR — трансмембранный регулятор кистозного фиброза; ENaC — эпителиальные натриевые каналы.

б) Ген кистозного фиброза: спектр мутаций и генотипфенотипические корреляции. С тех пор как в 1989 г. удалось клонировать ген CFTR, было обнаружено более 1300 мутаций, способных вызывать кистозный фиброз. Эти мутации были сгруппированы в шесть классов на основе их воздействия на белок CFTR:

- класс I: нарушение синтеза белка. Эти мутации ассоциированы с полной утратой CFTR поверхностными клетками эпителия;

- класс II: нарушение фолдинга, процессинга и транспорта белка. Эти мутации приводят к нарушению формирования белка от эндоплазматического ретикулума до аппарата Гольджи; белок не свертывается до конца в нативную структуру, не гликозилируется и денатурируется, даже не достигнув поверхности клеток. Наиболее частой мутацией класса II является делеция трех нуклеотидов, кодирующих фенилаланин в положении 508 (AF508). Во всем мире эта мутация может быть найдена у 70% пациентов с кистозным фиброзом. Мутации класса II также ассоциированы с полным отсутствием белка CFTR на апикальной поверхности эпителиальных клеток;

- класс III: нарушение регуляции. Мутации этого класса блокируют активацию CFTR, предотвращая связывание и гидролиз АТФ, существенное условие для транспорта ионов. Таким образом, CFTR представлен на поверхности клеток в нормальном количестве, но не функционирует;

- класс IV: снижение проводимости. Эта мутация, как правило, встречается в трансмембранном домене CFTR, который формирует ионный канал для прохождения хлора. Количество CFTR на апикальной поверхности в норме, но снижена его функция. Этот класс обычно ассоциирован с легкими формами заболевания;

- класс V: снижение количества. Эти мутации, как правило, оказывают влияние на места соединения или промотор CFTR, что приводит к уменьшению количества нормального белка. Данный класс мутаций также связан с «мягким» фенотипом заболевания;

- класс VI: измененное регулирование других ионных каналов. Поскольку CFTR вовлечен в регуляцию множества различных клеточных ионных каналов, мутации этого класса влияют на регуляторную роль CFTR. В некоторых случаях эта мутация оказывает влияние как на проводимость, так и на регуляцию других ионных каналов. Например, мутация AF508 является общей для классов II и VI.

Поскольку кистозный фиброз — аутосомно-рецессивное заболевание, больной человек имеет мутации в обоих аллелях. Обычно комбинация мутаций на двух аллелях влияет как на весь фенотип, так и на органоспецифические проявления. Таким образом, две «тяжелые» мутации (классов I, II и III), приводящие к полному отсутствию CFTR, ассоциированы с классическим кистозным фиброзом (панкреатическая недостаточность, синусно-легочные инфекции, симптомы поражения ЖКТ), в то время как «легкие» мутации (классов IV и V) на одном или обоих аллелях приводят к формированию менее тяжелого фенотипа.

Этот общий постулат генотип-фенотипической корреляции наиболее заметен на примере поражений поджелудочной железы при наличии «легкой» мутации в одном из аллелей и фенотипа с панкреатической недостаточностью при гомозиготных «тяжелых» мутациях. В противоположность этому генотип-фенотипические корреляции менее последовательны при легочных нарушениях, что связано с развитием вторичных модификаторов.

Поскольку генетическое определение мутаций CFTR в настоящее время получило широкое распространение, становится все более очевидно, что пациенты с заболеваниями, не относившимися ранее к кистозному фиброзу, также имеют мутации CFTR. Это пациенты с идиопатическим хроническим панкреатитом, хроническими болезнями легких с поздней манифестацией, идиопатическими бронхо-эктазами, обструктивной азооспермией, вызванной двухсторонней аплазией семявыносящего протока (см. далее). У большинства этих пациентов нет других признаков кистозного фиброза, несмотря на наличие биаллельной мутации CFTR, в связи с чем таких пациентов относят к группе неклассического, или атипичного, кистозного фиброза [34]. Выявление таких лиц важно не только для последующего ведения, но также в целях генетического консультирования.

Мутации гена кистозного фиброза
Разнообразие клинических проявлений мутации гена кистозного фиброза от наиболее тяжелых до бессимптомных.
CFTR — трансмембранный регулятор кистозного фиброза.

в) Генетические и экологические модификации. Кистозный фиброз остается одним из наиболее изученных примеров аксиомы «один ген — одна болезнь», но появляется все больше доказательств того, что есть генетические модификаторы, которые помимо CFTR модулируют частоту и тяжесть органоспецифических признаков. Серьезность легочных проявлений при кистозном фиброзе ассоциирована с полиморфизмом нескольких генов, особенно MBL2 и TGF-b1. Маннозосвязывающий лектин является ключевым эффектором врожденного иммунитета, участвующим в фагоцитозе микроорганизмов. Полиморфизм в одном или обоих аллелях гена MBL2 снижает уровень циркулирующего белка, что ассоциируется с увеличенным риском развития терминальной стадии легочной патологии. TGF-b является прямым ингибитором функции CFTR.

В большом многоцентровом исследовании гомозиготных пациентов с мутацией AF508 было обнаружено сочетание двух специфических полиморфизмов в 5'-концах гена TGF-b1, ассоциированных с тяжелой легочной патологией. Также выявлены несколько генетических изменений, которые могут оказывать влияние на появление мекониевого илеуса при кистозном фиброзе, хотя конкретные гены пока еще точно не идентифицированы.

Экологические факторы также могут приводить к фенотипическим различиям у пациентов с одинаковым генотипом CFTR. Лучший пример — легочные заболевания, где корреляции фенотипа и генотипа могут быть весьма неожиданными. Как говорилось ранее, патологическая мукоцилиарная активность из-за дегидратации слизи обусловливает неспособность дыхательных путей освобождаться от бактерий. При этом происходит колонизация нижних отделов дыхательных путей P. aeruginosa, носящая вначале интермиттирующий, а затем хронический характер.

Такой колонизации способствует конкурентная вирусная инфекция. Неподвижность слизи приводит к низкому содержанию кислорода в поверхностном секрете дыхательных путей, что, в свою очередь, способствует образованию альгинатов, слизистых полисахаридных масс. В результате формируется биопленка, защищающая бактерии от антител и антибиотиков, позволяющая им укрыться от иммунной системы организма и приводящая к деструктивным изменениям и хронизации заболевания легких. Антитела и клеточно-опосредованные иммунные реакции действуют против самого организма, приводя к легочной деструкции, но при этом не затрагивают бактерии.

Очевидно, что помимо генетических факторов (например, класса мутации) серьезное влияние на развитие заболевания при кистозном фиброзе могут оказывать множество факторов окружающей среды (вирулентность микроорганизмов, адекватность терапии, интеркуррентные и сопутствующие инфекции, курение и различные аллергии).

- Рекомендуем ознакомиться со следующей статьей "Морфология кистозного фиброза - муковисцидоза"

Оглавление темы "Патогенез врожденных болезней":
  1. Механизмы развития (патогенез) некротизирующего энтероколита
  2. Причины и механизмы развития перинатальных инфекций
  3. Причины и патогенез иммунной водянки плода
  4. Патогенез и морфология неиммунной водянки плода
  5. Признаки врожденных нарушений метаболизма
  6. Механизмы развития (патогенез) фенилкетонурии
  7. Механизмы развития (патогенез) галактоземии
  8. Механизмы развития (патогенез) кистозного фиброза - муковисцидоза
  9. Морфология кистозного фиброза - муковисцидоза
  10. Клиника и критерии диагностики кистозного фиброза - муковисцидоза
Кратко о сайте:
Медицинский сайт MedicalPlanet.su является некоммерческим ресурсом для всеобщего и бесплатного развития медицинских работников.
Материалы подготовлены и размещены после модерации редакцией сайта, в составе которой только лица с высшим медицинским образованием.
Ни один из материалов не может быть применен на практике без консультации лечащего врача.
Вопросы, замечания принимаются по адресу admin@medicalplanet.su
По этому же адресу мы оперативно предоставим вам координаты автора, заинтересовавшей вас статьи.
Если планируется использование отрывков размещенных текстов - обязательно размещение обратной ссылки на страницу источник.