第四十章　囊性纖維化的遺傳學(xué)和發(fā)病機(jī)制

一、概述

囊性纖維化（cystic fibrosis，CF）是一種致死性常染色體隱性基因遺傳病，400年前首次在德國(guó)被認(rèn)識(shí)，是歐美最常見(jiàn)及死亡最多的遺傳病。常見(jiàn)于白人，黑人和亞裔人較少發(fā)病，在相當(dāng)一部分白種人群中CF發(fā)病率高達(dá)1/2 000，但在黑人中僅為1/17 000，我國(guó)CF的發(fā)病率尚屬未知，亦未進(jìn)行過(guò)較系統(tǒng)的篩查。近年來(lái)已有少數(shù)CF病例報(bào)道，但均未經(jīng)遺傳分析證實(shí)。因此，在我國(guó)大陸至今仍無(wú)有關(guān)CF基因突變的報(bào)道。30%的患者是成人，美國(guó)約有此癥患者3萬(wàn)人，估計(jì)每20～25名白人中有1人的CF TR基因帶有突變，但攜帶者是毫無(wú)癥狀的。

本病主要為上皮細(xì)胞功能障礙，可影響呼吸系統(tǒng)、胃腸道、泌尿生殖系統(tǒng)，其特征為肺的慢性阻塞和感染、胰腺外分泌功能不足和汗液中電解質(zhì)異常增高，肺的慢性阻塞和感染是其主要死因。Na＋和Cl^－轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，尤其是Cl^－的轉(zhuǎn)運(yùn)異常是CF的最基本缺陷。在某些人群中，“拓殖者效應(yīng)”（founder effect）和近親婚育與CF的高發(fā)生率有關(guān)，生育的增加、結(jié)核耐藥性的增加、霍亂以及傷寒?dāng)y帶者等多種因素可能與白種人CF的高發(fā)生率有關(guān)。

二、CF的透膜轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)物——CF基因產(chǎn)物

（一）CF基因

1989年，Rommens等運(yùn)用定位克?。╬ositional cloning）法將CF致病基因克隆出來(lái)，現(xiàn)已知CF基因位于人類(lèi)染色體7q31（長(zhǎng)臂）31.3位點(diǎn)，全長(zhǎng)250 kb，共有27個(gè)外顯子，c DN A全長(zhǎng)為6 129 bp，m RN A大小為6.2 kb，基因編碼1 480個(gè)與170 000種分子有關(guān)的氨基酸多肽鏈，這一蛋白質(zhì)被命名為囊性纖維化跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)物（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）。

（二）CFTR蛋白

根據(jù)c DN A序列推測(cè)，CF T R結(jié)構(gòu)與生物界普遍存在的一類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相似，它含有兩個(gè)重復(fù)的由跨膜區(qū)和A TP結(jié)合折疊區(qū)（nucleotide A TP－binding folds，NBFs）組成的基因序列和一個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)，每個(gè)跨膜區(qū)由6個(gè)α－螺旋和細(xì)胞內(nèi)核苷酸結(jié)合域，兩部分結(jié)構(gòu)通過(guò)細(xì)胞內(nèi)帶有大量電荷的R域（R－domain）相連接，R域含有許多潛在磷酸化位點(diǎn)，可促使Cl^－通道在c A MP依賴(lài)性激酶磷酸化下開(kāi)啟，諸多研究已經(jīng)表明CFT R具有Cl^－通道的作用，由磷酸化調(diào)節(jié)。

（三）突變

現(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在CFTR基因中有800多個(gè)基因突變，在每個(gè)外顯子和許多內(nèi)含子中均發(fā)現(xiàn)了基因突變，其中包括錯(cuò)義突變、無(wú)義突變、移碼突變和剪接突變，同樣也有氨基酸的缺失和替代。最常見(jiàn)的CF突變是3個(gè)堿基對(duì)的缺失，導(dǎo)致508位苯丙氨酸缺失（△F508），此突變約見(jiàn)于70%的CF染色體，在北歐后裔中其比例還要高些，其他突變發(fā)生的相對(duì)頻率在不同群體中有所不同，大多少見(jiàn)，很少有幾種突變率在1%以上。

CFTR基因突變可分為5種：第1種突變包括無(wú)義突變、移碼突變和剪接突變，造成CFTR蛋白合成中斷；第2種突變包括△F508位點(diǎn)的突變，引起錯(cuò)折疊，干擾了翻譯后的校正，折疊失誤的△F508突變CFTR蛋白被細(xì)胞質(zhì)量控制系統(tǒng)（celluar quality control system）所識(shí)別，不能運(yùn)往高爾基復(fù)合體轉(zhuǎn)入頂膜，被引導(dǎo)蛋白體（protosome）降解，故突變蛋白盡管傾向于維持正常的結(jié)構(gòu)，但大多不能到達(dá)頂膜；第3種突變?nèi)鏕551D（在552位點(diǎn)甘氨酸突變?yōu)樘於彼幔┮鹆薈l^－通道對(duì)cAMP刺激的反應(yīng)減低；第4種突變?yōu)楦淖兞薈FTR Cl^－通道的離子選擇性或傳導(dǎo)性；第5種突變干擾了CF基因的轉(zhuǎn)錄或翻譯，降低了功能性CFTR水平。臨床疾病的復(fù)雜多樣性，至少某些是可由特定突變的輕重來(lái)解釋?zhuān)渌蚝铜h(huán)境因素也能影響臨床病程，目前尚不能依據(jù)病人的基因型提供準(zhǔn)確的預(yù)后指導(dǎo)。

三、CFTR的功能和調(diào)節(jié)

預(yù)測(cè)的CFTR結(jié)構(gòu)顯示它與已知ATP結(jié)合盒式（ATP－binding cassette，ABC）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）超家族有同族關(guān)系，ABC盒式轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功具有需ATP泵的功能，可從細(xì)胞內(nèi)運(yùn)送大分子物質(zhì)。在這個(gè)家族中，非常有特征性的成員包括耐多藥（multidrug resistance，MDR）基因產(chǎn)物P－糖蛋白類(lèi)、酵母α耦聯(lián)因子STE6。最初的研究認(rèn)為，CFTR本身不是Cl^－通道，因?yàn)樗鄙偃魏我环N通道應(yīng)具有的細(xì)胞膜、與已知轉(zhuǎn)運(yùn)器有同族性以及具有一般與通道無(wú)關(guān)或通道非必須的ATP結(jié)合位點(diǎn)。

為研究CFTR的功能，人們對(duì)已知不產(chǎn)生內(nèi)源性CFTR蛋白的不同細(xì)胞進(jìn)行研究，包括哺乳動(dòng)物細(xì)胞（成纖維細(xì)胞、人宮頸癌傳代細(xì)胞、中國(guó)大鼠卵巢細(xì)胞）和非哺乳動(dòng)物細(xì)胞［非洲爪蟾（xenopus）細(xì)胞、Cf9、Vero細(xì)胞］，使之表達(dá)CFTR蛋白，結(jié)果均顯示CFTR的表達(dá)，產(chǎn)生了Cl^－轉(zhuǎn)導(dǎo)。而Cl^－轉(zhuǎn)導(dǎo)受cAMP依賴(lài)的蛋白激酶A（PKA）途徑調(diào)節(jié)（cAMP/PKA），這顯然表明CFTR實(shí)際上就是Cl^－通道，或更可能是在CFTR存在的情況下，這些細(xì)胞可以表達(dá)先前處于靜止?fàn)顟B(tài)的Cl^－通道。為區(qū)分這兩種可能性，在預(yù)測(cè)的CFTR跨膜區(qū)域，應(yīng)用位點(diǎn)導(dǎo)向產(chǎn)生突變，使堿性賴(lài)氨酸變?yōu)樗嵝园被?。如果CFTR是Cl^－通道，上述突變將會(huì)使Cl^－的轉(zhuǎn)導(dǎo)能力相應(yīng)發(fā)生改變，尤其是依賴(lài)于離子水化物的大小以及通道內(nèi)部和離子間的靜電力而產(chǎn)生的通道的離子選擇性（如對(duì)Cl^－和I^－的相對(duì)通透性）。研究顯示CFTR蛋白的Cl^－＞I^－通透性順序被逆轉(zhuǎn)，說(shuō)明CFTR本身就是Cl^－通道。因?yàn)榛蛲蛔儗?dǎo)致CFTR蛋白的缺陷必將影響外分泌腺導(dǎo)管上皮細(xì)胞膜對(duì)氯離子的通透性減低，從而導(dǎo)致發(fā)病。假如給定CFTR純化蛋白和脂質(zhì)雙層膜，則它在脂質(zhì)雙層膜中具有cAMP/PKA調(diào)節(jié)的Cl^－通道功能，這也可以證明上述結(jié)論。

CFTR除了有Cl^－通道功能外，還與其他一些上皮的離子通道的調(diào)節(jié)有關(guān)。Na＋在CF組織中的吸收較其他正常對(duì)照組織高出2～3倍，且可通過(guò)CFTR的表達(dá)得以校正。阿米洛利（利尿藥）敏感的上皮細(xì)胞的Na＋通道（ENaC）克隆增殖后，野生型CF TR和ENaC的共同轉(zhuǎn)染，則直接顯示了CFT R對(duì)ENaC的負(fù)性調(diào)節(jié)。與其說(shuō)CFTR改變了ENaC的數(shù)量，不如說(shuō)降低了ENaC開(kāi)放的可能性，因此CF患者喪失了這種調(diào)節(jié)功能。

Cl^－通道上皮細(xì)胞膜外矯正（outward－rectifying Cl^－channel，ORCC）功能受c A M P和A TP以及CF TR調(diào)節(jié)，使該通道的Cl^－轉(zhuǎn)運(yùn)降低，進(jìn)一步而言，在CFTR缺失的情況下，某些細(xì)胞的Ca＋依賴(lài)的Cl^－分泌似乎上調(diào)，最終使上皮細(xì)胞基側(cè)膜的ROM K2－K＋通道也可能受到CF TR的調(diào)節(jié)。

其他上皮細(xì)胞離子通道和CF TR的相互作用機(jī)制尚未明了。直接的蛋白－蛋白相互作用或CFTR轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的直接調(diào)節(jié)被認(rèn)為是最可能的機(jī)制之一。最近有人證明CF TR與ERM結(jié)合磷酸化蛋白50（ER M－binding phosphoprotein 50，EPB50）間存在直接相互作用。EPB50位于人氣道上皮的頂膜，并連接著上皮細(xì)胞頂膜和細(xì)胞骨架蛋白，通過(guò)CF T R影響其他細(xì)胞頂膜通道的活性，使CF T R和EPB50間發(fā)生相互作用，為上皮細(xì)胞離子通道和CF T R相互作用提供了另一潛在機(jī)制。

有人已報(bào)道CF T R可將A TP轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外，這與觀察到的CF T R蛋白家族中大多數(shù)成員主動(dòng)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)底物相一致。A TP的釋放可產(chǎn)生不同的影響，包括上皮細(xì)胞Na＋通道和細(xì)胞表面頂端的嘌呤源性受體的激活，但目前對(duì)經(jīng)CFT R釋放A TP這一觀點(diǎn)尚有爭(zhēng)議。另外，有研究提示CF TR參與了細(xì)胞的包涵和外排作用的調(diào)節(jié)，還可能參與細(xì)胞器內(nèi)酸化的調(diào)節(jié)，但隨后的幾個(gè)研究結(jié)果駁斥了這一結(jié)論。

CF T R Cl^－通道受蛋白的磷酸化和脫磷酸化以及A TP水解循環(huán)的調(diào)節(jié)，在正常上皮細(xì)胞，與G蛋白耦聯(lián)的受體在激素刺激后，通過(guò)c A MP依賴(lài)的PK A磷酸化，可導(dǎo)致CF T R Cl^－通道激活。在CF T R蛋白的R域上有多個(gè)磷酸化的共同位點(diǎn)，關(guān)于位點(diǎn)導(dǎo)向的突變發(fā)生目前正在研究中，這將有助于確定假定的個(gè)別磷酸化位點(diǎn)的重要性。

A TP結(jié)合至CF T R的兩個(gè)核苷結(jié)合域（NBD1和NBD2）以及水解是CF T R Cl^－通道發(fā)揮功能的必備條件，當(dāng)通道開(kāi)放時(shí)，要求A TP在NBD1處水解，同時(shí)A TP結(jié)合至NBD2可使開(kāi)放狀態(tài)保持穩(wěn)定，這并將可能引起通道開(kāi)放的增加。

四、CFTR的表達(dá)

在嚙齒類(lèi)動(dòng)物和人類(lèi)肺的不同發(fā)育階段，已經(jīng)通過(guò)m RN A原位雜交和蛋白測(cè)定技術(shù)進(jìn)行了CF T R表達(dá)的研究，結(jié)果表明CF T R在胰腺、汗腺、唾液腺導(dǎo)管、肝臟、小腸、結(jié)腸、生殖器導(dǎo)管（包括附睪、子宮、輸卵管）、肺和支氣管上皮細(xì)胞中，受到細(xì)胞型特殊的和進(jìn)展性的調(diào)節(jié)。

肺內(nèi)CF TR的表達(dá)在胎兒發(fā)育期間并不比成人高，但空間分布有差異。胚胎發(fā)育早期CFTR的表達(dá)存在于原始的肺上皮細(xì)胞，發(fā)育后期，其在以后將發(fā)育形成的肺泡腔內(nèi)表達(dá)下降。出生后CFTR表達(dá)的最高水平發(fā)生于黏膜下層腺體，主要位于近段氣道。在一部分群體的較靠近外周的纖毛上皮和無(wú)纖毛的上皮細(xì)胞中也可以見(jiàn)到CF TR的表達(dá)，但這些細(xì)胞的具體類(lèi)型尚未確定。

人小腸的CF TR的表達(dá)在成人和胎兒發(fā)育期間相似。CF TR的高表達(dá)可見(jiàn)于小腸上皮陷凹，表達(dá)水平沿著小腸陷凹的絨毛軸下降，在小腸絨毛上有幾個(gè)孤立細(xì)胞也可表達(dá)高水平的CFTR，但對(duì)其特征尚缺少進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

在女性生殖道，CFTR的表達(dá)僅存在于子宮頸和輸卵管，胎兒發(fā)育的第3個(gè)月可以明顯檢測(cè)到CFTR的表達(dá)，1年后表達(dá)降低，青春期后又再次出現(xiàn)。在男性生殖道，CFTR的表達(dá)在所有的發(fā)展階段都相似（包括胎兒期、新生兒期、嬰兒期和成人），在附睪頭CFTR可以持續(xù)的表達(dá)，附睪遠(yuǎn)端部分CFTR的表達(dá)變化較大，在輸精管和Sertoli細(xì)胞也有CFTR的表達(dá)。

在大多數(shù)的上皮細(xì)胞，CFTR位于頂膜，但在唾液腺導(dǎo)管細(xì)胞可見(jiàn)于頂膜和基側(cè)膜。CFTR也可在細(xì)胞內(nèi)膜檢測(cè)到，但對(duì)其功能尚知之甚少。

CFTR的轉(zhuǎn)錄、蛋白表達(dá)通過(guò)啟動(dòng)子和增強(qiáng)子進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡管已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的體內(nèi)和體外研究，但描述一個(gè)完整的功能性CFTR啟動(dòng)子仍是非常困難的。新近對(duì)含有CFTR基因組區(qū)域的300kb的酵母人工合成的染色體（yeast artificial chromosome，YAC）的研究表明，在CFTR正常表達(dá)的許多細(xì)胞可以對(duì)CFTR的表達(dá)產(chǎn)生組織特異調(diào)節(jié)。

五、病理

該疾病表型多樣，病變可累及胰腺、小腸和生殖系統(tǒng)等多個(gè)臟器。

（一）肺臟病理

下呼吸道黏液堵塞、炎癥和感染是CF患者肺內(nèi)的主要病理改變，黏膜下腺體肥大和杯狀細(xì)胞增生是黏液積聚的主要原因，但呼吸道纖毛的形態(tài)和擺動(dòng)是正常的。肺內(nèi)的中性粒細(xì)胞和白細(xì)胞增殖，這些細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)增加了氣道表面的黏性，引起肺損傷。有證據(jù)表明患兒出生時(shí)肺部組織結(jié)構(gòu)正常，以后由于稠厚的黏性分泌物廣泛阻塞小氣道而導(dǎo)致肺部損害。梗阻和感染繼發(fā)于毛細(xì)支氣管炎和黏液膿性栓子阻塞氣道，支氣管的變化比肺實(shí)質(zhì)更常見(jiàn)，肺氣腫表現(xiàn)不突出。隨著肺部病變進(jìn)展，可導(dǎo)致肺動(dòng)脈高壓和右心室肥大。

約有70%的CF患者常有銅綠假單胞菌的慢性感染，另一常見(jiàn)的感染菌為金黃色葡萄球菌和流感嗜血菌，氣道內(nèi)少見(jiàn)的病原菌如煙曲霉菌感染亦可見(jiàn)于CF患者。黏液型銅綠假單胞菌是唯一與囊性纖維化有關(guān)的病菌，洋蔥伯克霍爾德菌的移植發(fā)生于7%以上的成年患者，且常與肺功能的迅速惡化有關(guān)。細(xì)菌可產(chǎn)生大量藻酸鹽，藻酸鹽則可通過(guò)中性粒細(xì)胞的嗜菌作用抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，并可能增加感染臟器細(xì)胞的黏附性。

炎癥是肺臟疾病發(fā)病機(jī)制的另一個(gè)特征。在檢測(cè)不到感染菌的患病嬰兒肺內(nèi)經(jīng)?？梢钥吹窖装Y的存在，這表明除了慢性感染以外，原發(fā)感染后的過(guò)度炎癥反應(yīng)可能是該病重要發(fā)病機(jī)制之一。許多肺部損害可能是繼發(fā)于呼吸道嗜中性粒細(xì)胞釋放蛋白酶導(dǎo)致的免疫介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。嬰兒出生早期，氣管肺泡沖洗液內(nèi)含有大量中性粒細(xì)胞，游離中性彈性蛋白酶也增加。新近研究表明前炎性因子和抗炎性因子之間存在著調(diào)節(jié)障礙，在CF患者肺內(nèi)已經(jīng)檢測(cè)到前炎性細(xì)胞因子如IL－8水平的增加和抗炎性細(xì)胞因子如IL－10的降低。也有人指出CF患者的炎癥反應(yīng)調(diào)節(jié)者——核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear factor kappa B，NFκB）的功能增強(qiáng)。

（二）胃腸病理

在回腸，CFTR Cl^－通道的缺失使鹽與水的分泌中斷，腸內(nèi)容物脫水，引起糞性腸梗阻（meconium ileus），CF新生兒中有10%～20%因黏稠胎糞引起胎糞性腸梗阻，常伴腸扭轉(zhuǎn)、腸穿孔或閉鎖，很少有例外。隨后總是出現(xiàn)囊性纖維化的其他特征。在無(wú)胎糞性腸梗阻的嬰兒中，疾病的開(kāi)始癥狀常由出生后體重恢復(fù)緩慢和在生后4～6周內(nèi)體重增加不足預(yù)示。約有20%的老年CF患者因腸內(nèi)沒(méi)有完全消化的黏稠內(nèi)容物阻塞發(fā)生小腸梗阻。由于黏性糞便黏附于直腸黏膜而發(fā)生直腸脫垂可見(jiàn)于20%的兒童CF患者，成人不多見(jiàn)。

（三）肝膽和胰腺病理

CF患者中肝臟病變輕重頗不一，很多患者只反應(yīng)為堿性磷酸酶的增高，25%的CF患者存在局灶性膽汁性硬化，當(dāng)多數(shù)局灶性病變?nèi)诤蠒r(shí)，則形成彌漫性肝硬化，甚至并發(fā)門(mén)靜脈高壓。4%～5%的青春期和成年病人發(fā)生結(jié)節(jié)性膽汁性肝硬化伴靜脈曲張和門(mén)靜脈高壓。膽囊亦可異常，如發(fā)育不全（微小膽囊）和黏液堆積。

在胰腺，CFTR的缺失使胰液的堿化和水合過(guò)程受阻，小胰管梗阻，胰酶外溢停滯，胰腺萎縮。多數(shù)CF患者存在胰腺外分泌功能缺陷，可見(jiàn)于85%～90%的病兒。CF患者胰腺內(nèi)?？梢?jiàn)到胰管擴(kuò)張和腺泡細(xì)胞喪失，導(dǎo)致85%的患者發(fā)生胰腺外分泌衰竭，患者皆為△F508純合子。同時(shí)，少數(shù)CF患者郎罕氏（Langerhans）胰島萎縮，引起了胰島素分泌不足，10%的成年病人發(fā)展成胰島素依賴(lài)型糖尿病，應(yīng)啟用胰島素治療。

（四）泌尿生殖系病理

男性和女性CF患者均常見(jiàn)青春期延遲2～4年。CF男性患者有精子缺失和精液的化學(xué)異常，98%的成年男性患者由于輸精管發(fā)育不良或其他形式的阻塞性無(wú)精，造成不育，其輸精管、附睪尾和附睪體以及生殖腺泡萎縮、纖維化或者完全缺失。

相當(dāng)一部分女性CF患者是可以生育的（＞15%）。但常因營(yíng)養(yǎng)不良和慢性肺部炎癥致月經(jīng)不規(guī)律和不能排卵，同時(shí)濃稠的黏液阻塞宮頸，阻止了正常精子移動(dòng)，生育力降低。一般說(shuō)許多患囊性纖維化的婦女仍能妊娠到分娩期，然而母親并發(fā)癥的發(fā)生率很高。

（五）汗腺病理

汗腺功能異常致使汗液中Cl^－、Na＋和K＋濃度增加是CF患者的特征之一。汗腺導(dǎo)管對(duì)水無(wú)通透性，汗液分泌時(shí)，可通過(guò)Na＋通道和CF TR Cl^－通道吸收NaCl，CF患者無(wú)CFT R，不能吸收Cl^－，為保持電平衡，Na＋亦不能吸收，使得汗液中Cl^－和Na＋濃度較高。CF患者汗腺的數(shù)量和形態(tài)并沒(méi)有發(fā)生變化。Na＋消耗和機(jī)體脫水尤其在小兒患者可能是汗腺功能異常的主要原因。

六、CF相關(guān)性疾病

除了CF的典型表型，尚有幾種不典型表型，也可稱(chēng)之為輕癥CF。伴有先天性雙側(cè)輸精管缺如（congenital bilateral absence，CBA VD）的男性不育患者，鼻腔上皮Cl^－轉(zhuǎn)運(yùn)功能異常，80%的有CF TR突變，尤其是R117 H（在117位點(diǎn)精氨酸變?yōu)榻M氨酸），較普通人群更加常見(jiàn)。這些患者一般沒(méi)有呼吸道或胰腺疾病的證據(jù)，并且汗液Cl^－的濃度處于正常、邊緣或升高。支氣管擴(kuò)張患者CFTR的突變率也增加，但并不是所有的研究均證實(shí)這一點(diǎn)。近來(lái)研究還發(fā)現(xiàn)，特發(fā)性和慢性胰腺炎患者CFTR基因突變率比預(yù)期為高，盡管他們無(wú)其他CF改變。

七、基因型和表型的相互關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，在胰腺功能方面，CF患者基因型和表型關(guān)系密切，85%的患者有胰腺功能不健全（pancreatic insufficient，PI），僅15%的患者胰腺功能完好（pancreatic sufficient）。PI患者一般有“嚴(yán)重”的CF基因突變，而PS患者突變輕微。按一般規(guī)律，突變可分為無(wú)義突變和移碼突變，剪接位點(diǎn)（splice－site）或氨基酸的缺失，均是一種“嚴(yán)重”突變，導(dǎo)致了PI表型的產(chǎn)生。

然而在肺臟疾病的嚴(yán)重程度和其基因型并沒(méi)有很好的相關(guān)性，這表明肺的表型可能受其他的基因或環(huán)境因素的影響。

八、基本缺陷和疾病病理的關(guān)系

關(guān)于上述各臟器異常病理和CFTR結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系尚不清楚，目前有以下幾種假說(shuō)。

（1）長(zhǎng)期以來(lái)一般認(rèn)為黏膜Cl^－通道功能異常，致使水分分泌到黏膜表面減少是CF表型的原因，這仍是一個(gè)備受關(guān)注的假說(shuō)。氣道黏膜分泌水分功能異?？砂l(fā)生于黏膜表面，也可發(fā)生于黏膜下腺體的上皮細(xì)胞，黏液脫水，纖毛周?chē)后w減少，黏膜纖毛清除能力降低，細(xì)菌易于黏附，Na＋的吸收增加則又加劇了這一過(guò)程。

（2）CFTR可能與細(xì)胞內(nèi)加工處理功能，尤其是細(xì)胞內(nèi)吞作用和細(xì)胞外分泌功能有關(guān)，這種征象可能和疾病病因有很重要的聯(lián)系。所以，如果CFTR在蛋白加工早期發(fā)揮作用，將會(huì)產(chǎn)生廣泛的異常病理現(xiàn)象，就此可以推斷，異常的黏液和蛋白的產(chǎn)生以及蛋白合成的改變，共同參與了黏膜表面防御機(jī)制和異常細(xì)菌黏附位點(diǎn)的產(chǎn)生。

（3）已經(jīng)講過(guò)，CFTR和P－糖蛋白間有很多相似之處，P－糖蛋白具有Cl^－通道和大分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)功能，因此CFTR蛋白也可能具有該功能。它可能參與其他通道的次要調(diào)節(jié)，或者在CF細(xì)胞內(nèi)直接改變分子的功能。

（4）諸多研究顯示，CF細(xì)胞的銅綠假單胞菌的結(jié)合位點(diǎn)增加2～3倍，而CFTR基因轉(zhuǎn)錄減少了銅綠假單胞菌的結(jié)合位點(diǎn)，這表明CFTR與突變蛋白直接相關(guān)，從而可以預(yù)測(cè)CF患者氣道內(nèi)銅綠假單胞菌，這也可能是CF慢性炎癥的重要機(jī)制之一。因此銅綠假單胞菌與CF細(xì)胞的結(jié)合后，激活NFκB轉(zhuǎn)錄因子，可使CF前炎性細(xì)胞因子和黏液素的產(chǎn)生增加。

（5）氣道上皮細(xì)胞可以分泌殺菌物質(zhì)，包括β^－防御素（β^－defensins）、溶菌酶（lysozyme）和乳鐵蛋白（lactoferrin）。它們部分對(duì)鹽敏感，在高鹽濃度時(shí)活性下降。CF時(shí)上述抗微生物因子由于氣道表面覆蓋的薄層中NaCl濃度增高而活性受抑，可使細(xì)菌乘機(jī)移生于氣道表面。這可以解釋CF的基本缺陷和細(xì)菌清除能力降低之間的關(guān)系。該結(jié)論的成立依賴(lài)于氣道液體表面鹽濃度的增加，但截至目前，氣道液體表面鹽濃度尚難以測(cè)定。

（6）最近一項(xiàng)有爭(zhēng)論的研究指出，CFTR蛋白是假單胞菌的受體，作為宿主的一種防御機(jī)制，上皮細(xì)胞可能可以消化假單胞菌，CF患者可能存在此功能缺陷。

（7）CF患者進(jìn)展的炎癥反應(yīng)提示它直接與CFTR的錯(cuò)誤事件有關(guān)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)蛋白質(zhì)滯留的增加，導(dǎo)致了NFκB轉(zhuǎn)錄途徑的激活，使前炎性細(xì)胞因子增加。G551D和其他基因突變的CF患者，肺臟疾病進(jìn)展嚴(yán)重，抗炎性細(xì)胞因子IL－10的減低可能也參與了這一過(guò)程。

（8）有研究表明CF T R具有細(xì)胞內(nèi)酸化功能，而細(xì)胞內(nèi)酸化是程序性細(xì)胞死亡（凋亡）起始過(guò)程中的一個(gè)重要事件，細(xì)胞凋亡調(diào)節(jié)功能的失調(diào)可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和有潛在毒性酶的釋放，從而參與疾病病理過(guò)程。

目前，上述各種致病相關(guān)因素只是一種推測(cè)，分別代表了不同的研究側(cè)面。

九、動(dòng)物模型

已經(jīng)在嚙齒類(lèi)動(dòng)物，如牛、猴子、角鮫（dogfish）等多種動(dòng)物身上證實(shí)了CF TR基因的同源性，進(jìn)化保留的程度可見(jiàn)于結(jié)合核苷折疊處和跨膜部分。

通過(guò)靶基因策略，包括攜帶△F508和G551D突變大鼠，已經(jīng)建立了數(shù)個(gè)大鼠模型，大部分的大鼠模型的表型是相似的，由于黏液積聚所致的腸梗阻和腸破裂導(dǎo)致了50%～95%大鼠在成熟之前夭折。和嚴(yán)重的腸道病理相比，所有的大鼠模型沒(méi)有形成CF患者特征性的嚴(yán)重肺臟病理改變，這是由于肺內(nèi)有可供替代使用的非CF TR Cl^－通道，而在腸內(nèi)無(wú)此替代通道。另外，大鼠肺內(nèi)大多缺少黏膜下腺體，而黏膜下腺體是人CF TR表達(dá)的主要部位，故也沒(méi)有呈現(xiàn)Cl^－吸收增加這一特征。因此，有多種因素共同參與了CF不同表型的形成。盡管有上述限制，但CF模型大鼠對(duì)于電生理學(xué)、藥理學(xué)和基因治療學(xué)仍有其研究?jī)r(jià)值。對(duì)剔除外顯子1 cftr（cftr^{tml Hsc}）大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，CF TR修飾成分位于大鼠7號(hào)染色體。

為克服動(dòng)物模型的限制，故設(shè)計(jì)了更大樣本的CF大鼠模型，并對(duì)綿羊CF T R c DN A進(jìn)行了克隆和測(cè)序，結(jié)果顯示綿羊和人CF TR基因較大鼠和人CFTR基因間有更大相似性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，綿羊體內(nèi)CF TR的表達(dá)方式和組織特異性和人非常相似。

十、治療

長(zhǎng)期以來(lái)人們?cè)诓粩嗟貙ふ矣行У闹委熓侄我愿纳艭F患者預(yù)后，但目前仍無(wú)法避免病情惡化，進(jìn)行性肺衰竭是其主要死因。

（一）傳統(tǒng)治療

CF的傳統(tǒng)治療包括胸部理療、抗生素、支氣管擴(kuò)張劑、營(yíng)養(yǎng)運(yùn)動(dòng)鍛煉和胰酶等。胰酶用于輔助治療胰腺受損后的吸收不良，大多數(shù)的患者需要每天4次，同時(shí)需長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行理療。聯(lián)合治療有助于增加生存期，20世紀(jì)30年代中位生存期為1年，而今則為30年。

抗生素用于有癥狀的患兒，應(yīng)該根據(jù)細(xì)菌培養(yǎng)和藥物敏感試驗(yàn)結(jié)果處理呼吸道病原菌。對(duì)嚴(yán)重的肺部病變，尤其是有假單胞菌定植的病人，應(yīng)接受胃腸道外抗生素治療，通常都需住院。由于CF患者肺內(nèi)感染的病原菌不一，需選用廣譜抗生素治療。長(zhǎng)期的抗生素的治療可致惡心、嘔吐等多種不良反應(yīng)，且很多抗生素不適用于兒童患者，新的治療藥物有待于進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)研究。

感染菌引起聚集的白細(xì)胞和中性粒細(xì)胞可以釋放DN A。DN A的平均含量可占CF患者分泌物干重的10.2%，其積聚后濃度可達(dá)5.9 mg/ml，這將增加CF患者痰液的黏滯度，故有人提議人重組DN A酶（rh DN Aase）霧化吸入降低肺內(nèi)痰液的DN A的含量。在一項(xiàng)對(duì)969例CF患者進(jìn)行24周的rhDNAase和安慰劑的霧化吸入的雙盲研究中，結(jié)果顯示，接受rhDNAase霧化吸入的患者較安慰劑組患者氣道阻塞減少28%，用力肺活量增加5%，隨后的研究表明rhDNAase用于嬰兒和兒童CF患者是安全的。

目前人們正致力于研究對(duì)上述離子轉(zhuǎn)運(yùn)異常進(jìn)行調(diào)節(jié)，以期為CF患者開(kāi)辟一條嶄新的治療途徑。Na＋通道阻滯劑阿米洛利（amiloride）理論上可減少Na＋的過(guò)度吸收，從而改善黏膜纖毛清除功能（mucociliary clearance，MCC）。最初的研究結(jié)果令人鼓舞，應(yīng)用阿米洛利霧化吸入增加了MCC。但對(duì)CF患者在常規(guī)治療的基礎(chǔ)上，應(yīng)用阿米洛利每天4次霧化吸入，共6個(gè)月以上的研究結(jié)果顯示，治療組和安慰劑組無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

最近對(duì)激活位于氣道上皮細(xì)胞頂膜的非CFTR Cl^－通道的研究，為CF患者提供了另外一種可供選擇的治療方法。體外和體內(nèi)試驗(yàn)研究顯示，ATP和尿嘧啶－5′－三磷酸（UTP）均可增加CF患者的Cl^－轉(zhuǎn)運(yùn)，應(yīng)用UTP聯(lián)合阿米洛利的臨床試驗(yàn)?zāi)壳罢谶M(jìn)行中。圍繞應(yīng)用化學(xué)制劑處理△F508突變?nèi)毕莺蛻?yīng)用阿米洛利或8－環(huán)戊醇－1，13－二丙基黃嘌呤（CPX）等制劑上調(diào)殘余CFTR功能，展開(kāi)了更廣泛的研究。

對(duì)內(nèi)科治療無(wú)效的局部支氣管擴(kuò)張或肺不張、鼻息肉、慢性鼻旁竇炎、門(mén)靜脈高壓引起的食道靜脈曲張出血、膽囊病變、內(nèi)科不能復(fù)位的腸扭轉(zhuǎn)或腸套疊造成的腸梗阻等有外科治療的指征。終末期肝病做肝移植已取得成功，對(duì)晚期心肺疾病患者做心、肺移植和雙肺移植也已取得成功。

（二）基因治療

由于目前的治療方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能治愈CF患者，且不能很好的改善患者的生活質(zhì)量，而基因治療可能可以提高CF患者的臨床受益，故基因治療受到廣泛的關(guān)注。在CF累及的器官中目前只有肺作為基因治療的靶器官，但肺臟內(nèi)CFTR的整體表達(dá)水平很低，從而人們對(duì)CFTR的功能障礙對(duì)肺臟的重要性產(chǎn)生質(zhì)疑，也進(jìn)一步提示可能只有CFTR低水平的表達(dá)可使患者臨床受益。

1.基因治療的基礎(chǔ)研究　1990年Drumm等報(bào)道了校正CFTR Cl^－通道缺陷的體外試驗(yàn)研究。他們應(yīng)用反轉(zhuǎn)錄病毒介導(dǎo)轉(zhuǎn)移CFTR cDNA和放射性標(biāo)記的射出技術(shù)，顯現(xiàn)了正常的CFTR mRNA，誘導(dǎo)了cAMP介導(dǎo)的Cl^－運(yùn)動(dòng)。隨后，應(yīng)用不同GTA的很多研究均在細(xì)胞水平重現(xiàn)了該結(jié)果。另外有一項(xiàng)有趣的發(fā)現(xiàn)是，CFTR cDNA基因轉(zhuǎn)移后，CFTR Cl^－缺陷的修復(fù)與其他CF離子轉(zhuǎn)運(yùn)缺陷的校正有關(guān)，這提示CFTR可能具有多種功能也進(jìn)一步支持了上述研究結(jié)果。

Crystal等應(yīng)用腺病毒和脂質(zhì)體介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移的先期研究，指出了CFTR基因可在大鼠氣道內(nèi)表達(dá)，并進(jìn)一步建立了一定數(shù)量的動(dòng)物模型。Engelhardt等把人的支氣管移植到免疫缺陷大鼠，結(jié)果顯示腺病毒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移至上皮細(xì)胞。Hyde等將混有CFTR cDNA的脂質(zhì)體注入轉(zhuǎn)基因大鼠支氣管，使由cAMP激活的Cl^－分泌得以修復(fù)。Alton等應(yīng)用脂質(zhì)體（DCChol：DOPE）和CFTR cDNA混合物噴霧至CF大鼠鼻腔，結(jié)果使某些動(dòng)物CF Cl^－缺陷得以校正。然而，相對(duì)大量DNA的應(yīng)用和校正的易變性提示，以脂質(zhì)體為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的基因轉(zhuǎn)移效率較低。在這些動(dòng)物模型中，尚無(wú)關(guān)于脂質(zhì)體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和腺病毒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的直接比較，亦沒(méi)有關(guān)于CF大鼠校正持續(xù)時(shí)間的研究。

2.臨床試驗(yàn)　已應(yīng)用病毒和非病毒基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)進(jìn)行了10個(gè)CF基因治療試驗(yàn)，目前發(fā)表的多數(shù)研究是應(yīng)用鼻腔上皮代替肺臟上皮細(xì)胞進(jìn)行的。在一些研究中，腺病毒引起了劑量依賴(lài)的輕度灶性炎癥反應(yīng)，這些癥狀在脂質(zhì)體的基因轉(zhuǎn)移后沒(méi)有進(jìn)行描述。除了一個(gè)患者在接受最大劑量載體后形成了系統(tǒng)和灶性的炎癥外，其他患者肺臟接受病毒載體后沒(méi)有引起任何臨床副反應(yīng)。在這些試驗(yàn)中，有關(guān)電解質(zhì)方面異常的校正一般都是局部和短暫的，但基因轉(zhuǎn)移至氣道上皮細(xì)胞的證據(jù)在大多數(shù)研究中是可復(fù)現(xiàn)的。

截至目前，所有的CF臨床基因治療試驗(yàn)都是Ⅰ期臨床試驗(yàn)，其主要目的是評(píng)價(jià)基因轉(zhuǎn)移的安全性和為基因轉(zhuǎn)移提供理論證據(jù)。在開(kāi)展Ⅱ期和Ⅲ期臨床試驗(yàn)之前，尚有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題必須解決。當(dāng)前的基因治療試驗(yàn)依賴(lài)于以離子轉(zhuǎn)運(yùn)的測(cè)評(píng)作為CF TR功能終點(diǎn)，然而，離子轉(zhuǎn)運(yùn)與疾病病理的關(guān)系目前尚不清楚。有幾組研究正采用與疾病病理更加相關(guān)的指標(biāo)作為CFTR功能終點(diǎn)，如測(cè)評(píng)銅綠假單胞菌黏附性或炎癥反應(yīng)因素的降低等。

雖然新的脂質(zhì)體和質(zhì)粒不斷被合成，但至今體內(nèi)基因轉(zhuǎn)移仍不盡人意。由于上呼吸道可阻滯異物顆粒，包括脂質(zhì)體－DN A復(fù)合體的入侵，所以呼吸上皮細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)移載體問(wèn)題是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。除了黏膜纖毛的清除功能外，覆蓋于全肺的黏膜也代表了轉(zhuǎn)染的重要細(xì)胞外屏障。

目前成人CF患者已經(jīng)進(jìn)入了臨床試驗(yàn)，這些患者尤其是氣道相對(duì)正常的患者，可能從治療中獲益。肺臟沒(méi)有受損的患者大多被覆痰液，而痰液則可能改善氣道上皮的轉(zhuǎn)染效率，而且，這些患者將有可能更好的耐受治療。對(duì)治療患者包括有癥狀前治療的患者，應(yīng)該治療隨訪多久才能顯示臨床療效仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

總之，病程變化很大，主要取決于肺部受累的程度。然而惡化是無(wú)法避免的，會(huì)導(dǎo)致衰竭和最終的死亡。預(yù)后不良與早期銅綠假單胞菌感染、女性、有肺部癥狀以及氣道高反應(yīng)性有關(guān)。目前的治療可以降低CF的嚴(yán)重并發(fā)癥，但治療時(shí)間長(zhǎng)而療效不著?；蛑委熆煞乐笴F T R缺陷的最初發(fā)生，而不是治療CF的相關(guān)病癥，可較傳統(tǒng)治療產(chǎn)生更好療效，將是一個(gè)有前景的治療手段。

十一、小結(jié)

CF是一種發(fā)生于白種人的致命性常染色體隱性基因性疾病，大多患者死于肺部阻塞。其治療包括理療、抗生素治療和胰腺替代治療等，當(dāng)前患者的中位生存期為30年，1989年人們克隆了CF基因，并認(rèn)識(shí)了CF基因的大量突變，這將有助于更加清楚的了解本病病因。開(kāi)發(fā)新的藥物治療和基因治療，將有助于提高CF患者生存質(zhì)量，增加平均生存期，逐步改善預(yù)后。

（劉慶華）

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