上皮离子通道 CFTR 在 PM2.5 增加呼吸道对细菌易感性中的作用及机制研究

Epidemiological and animal studies both show that PM2.5 exposure significantly increases the respiratory bacterial infection rate. Epithelial cells, situated at the interface between the host and its external environment, are the first line of defense against pollutants and pathogens such as bacteria. How does PM2.5 increase the susceptibility to bacterial infections? What are the underlying mechanisms and signaling pathways? CFTR is an anion channel that conducts Cl- and HCO3-. We previously found that CFTR plays important roles in respiratory host defense, such as regulating bacterial killing and mucus viscosity (Nature 2012, JCI 2016, PNAS 2016). We therefore hypothesize that PM2.5 may disrupt CFTR and CFTR-mediated host defense and increase susceptibility to bacterial infections. In this proposed study, we plan to use PM2.5-exposed animal model and primary cell culture model to elucidate the role of CFTR in PM2.5-induced susceptibility to bacterial infections and the underlying mechanisms. By using transgenic animal overexpressing hCFTR in the aiways and use pharmacologic agents to activate CFTR channel, we will also test the feasibility of making CFTR as a novel potential therapeutic target. From the perspective of epithelial ion channel, the findings of this study may shed new light onto the understanding of mechanism underlying the PM2.5-induced susceptibility to respiratory infections and provide grounds for the development of new interventions and treatment strategies.

流行病学和动物模型研究均显示 PM2.5 显著增加呼吸道细菌感染发生率。上皮细胞处于内外环境交界面，是抵御病原菌的第一道防线，PM2.5 如何增加呼吸道上皮对细菌的易感性？其细胞与信号传导机制是什么？CFTR 是一个转运 Cl-和 HCO3- 的上皮阴离子通道。我们最近发现 CFTR 在杀菌等宿主防御中起到重要作用(Nature 2012, JCI 2016, PNAS 2016)，由此我们提出假设：PM2.5 会破坏气道上皮 CFTR 的功能及其介导的宿主防御机制而增加气道对细菌的易感性。本课题拟用 PM2.5 暴露的动物及细胞模型，结合我们创建的、独特的可在体检测气道表面杀菌力的 bacteria-coated grid 技术、microRNA 芯片、呼吸道过表达 hCFTR 及药物干预等研究 CFTR 在 PM2.5 增加气道对细菌易感性中的作用和机制，并为确立新靶标提供科学依据。

PM2.5被世界卫生组织列为第五大死亡风险因素，对公众健康有致命危害。暴露于PM2.5会增加呼吸道感染的风险，这与呼吸道黏液的过度分泌有关。但是，PM2.5引起呼吸道黏液高分泌的分子机制尚不明确。囊性纤维化（Cystic Fibrosis, CF）是囊性纤维化跨膜转运蛋白CFTR基因突变引起的一种隐性遗传病，其病理特征也存在呼吸道黏液高分泌。然而，CFTR是否参与PM2.5诱导的呼吸道黏液高分泌并不清楚。首先，我们采用大流量空气采样器收集具有广州市区特征的PM2.5，使用纳米颗粒电位分析仪鉴定其基本的理化特性。结果显示，PM2.5分别在diH2O、PBS和DMEM三种载液中重悬颗粒的粒径均<2.5µm，带负电荷。其次，我们选用SD大鼠和A549细胞分别作为PM2.5诱导呼吸道黏液高分泌动物模型和细胞模型的研究对象。结果表明，PM2.5导致SD大鼠急性肺损伤、气道上皮杯状细胞增生、MUC5AC和MUC5B高表达、肺组织CFTR低表达；PM2.5导致A549细胞MUC5AC和MUC5B高表达、CFTR低表达。我们构建了PM2.5导致的黏液高分泌的动物和细胞模型，并且CFTR的表达在这两种模型中均降低。我们推测CFTR参与PM2.5引起的黏液高分泌，进而通过特异性抑制（CFTRinh-172）或过表达CFTR（pcDNA3.1-CFTR）论证我们的假说。结果显示，CFTRinh-172处理A549细胞在下调CFTR mRNA表达的同时，上调了MUC5AC和MUC5B mRNA的表达；在A549细胞中过表达CFTR则降低了PM2.5处理后引起的MUC5AC和MUC5B mRNA高表达，表明CFTR参与PM2.5诱导的MUC5AC和MUC5B高分泌。此外，我们发现PM2.5在动物和细胞水平均增加EGFR和ERK1/2的磷酸化水平，CFTRinh-172处理A549细胞也导致类似的结果，而过表达CFTR可逆转PM2.5引起的EGFR和ERK1/2磷酸化水平的增高。而且，EGFR和ERK抑制剂可降低PM2.5或CFTRinh-172处理后引起的MUC5AC和MUC5B高表达。这些结果表明，CFTR通过调节EGFR-ERK1/2信号通路参与PM2.5引起的黏液高分泌。本研究将为预防和治疗PM2.5引起的呼吸道黏液高分泌及相关感染提供重要的新思路和新靶点。