科学家们能改变粘液，使其更容易清除，减少对肺部的伤害吗?
对于健康的人来说，粘液是我们的朋友。它能捕捉潜在的病原体，这样我们的呼吸道就能在这些讨厌的细菌对我们的肺部造成伤害之前把它们赶走。但对于患有囊性纤维化(CF)和慢性阻塞性肺疾病(COPD)等疾病的人来说，粘液可能会变得过于粘稠;光咳嗽是不能清除的。感染发展，导致严重的慢性疾病和早期死亡。现在，北卡罗来纳大学医学院和杜克大学的科学家们第一次证明了为什么咳嗽经常不能把粘液从气道粘膜上撕开。他们还展示了如何使粘液变薄、不那么粘稠，这样咳嗽就可以成为一种治疗手段。
这一发现发表在《科学》杂志上美国国家科学院院刊，有助于解释CF如何随着时间的推移而损害肺部，并强调了改变粘液足以立即缓解CF患者的治疗方法的重要性。结合从细胞生物学到材料科学的一系列科学学科，研究人员建立了迄今为止最现实的实验系统，用于测试气道疾病中粘液的机械特性，包括COPD和哮喘，这些疾病影响着美国数百万人。
“在这项研究中开发的工具将帮助我们测试在清除失败的几种重要疾病中提高粘液清除的策略，”主要作者Brian Button博士说，他是生物化学和生物物理学副教授，也是北卡罗来纳大学教堂山分校囊性纤维化研究和治疗中心的成员。
杜克大学机械工程和材料科学系教授、资深作者迈克尔·鲁宾斯坦(Michael Rubinstein)说:“我们测量了黏液与气道内膜结合的粘结力和黏液结合在一起的粘结力，并确定了几种有望降低黏液粘结力和粘结力相互作用强度的药物。”
健康人的粘液98%是水。它在气道中排列，在细菌和其他微生物等颗粒到达肺部之前捕获它们。在普通黏液中，只有不到1%的黏液是由称为粘蛋白的长而粘的链状蛋白质组成的，这种蛋白质使黏液具有凝胶状的特性。CF、慢性支气管炎和其他“粘液阻塞”疾病的特征是粘液明显比正常粘液更粘稠和有弹性，几乎像明胶一样，因为它含有粘蛋白。例如，在CF粘液中，粘蛋白的数量跃升至10%，而水的数量下降至79%。虽然CF粘液大部分仍然是水，但即使黏液蛋白含量的微小变化也会对粘液的粘弹性产生巨大影响。
通常情况下，咳嗽反射会产生高速气流，将粘液撕裂，同时将其从气道内剥离。但科学家们从未完全理解为什么咳嗽不能清除CF等粘液阻塞性疾病中的粘液。鲁宾斯坦在2018年加入杜克大学之前一直是北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员，在他的理论工作的指导下，北卡罗来纳大学的研究人员开发了一种复杂的系统，用于测试排出和破坏正常和CF型粘液所需的机械力。
科学家们首先从移植患者的肺中提取气道内衬细胞，并在实验室培养皿中培养。这些细胞产生自己的细胞黏液层．巴顿说:“它们看起来就像真正气道内衬的微缩版。”
由于粘液是一种非常“柔软”的凝胶，研究人员开发了一种嵌入小网格的技术，这些小网格牢固地结合在粘液上。然后，这个网格通过丝线连接到一个带有力传感器的马达上，以量化拉力和撕裂粘液所需的力。这使得他们能够测试黏液的黏附力和粘结力。他们可以比较正常粘液和CF粘液中的这些力。
巴顿说:“我们发现，当黏液蛋白与水的比例高于正常水平时，黏液的黏性和内聚力急剧增加。”“在CF粘液中，这些力量超过了咳嗽产生的力量。这意味着咳嗽清除粘液的能力会大大降低。”
北卡罗来纳大学和杜克大学的研究人员还使用这个实验装置来测试两种流行的CF治疗对CF粘液性质的疗效。一种治疗方法是吸入盐水和高渗盐水(比体内的水更咸)，可以增加粘液中的水分含量，使粘液变薄。其他类型的治疗——所谓的“溶粘液”疗法——通过切碎或分离粘蛋白分子来降低黏液变硬的能力，从而降低黏液的粘性和弹性。研究小组发现，这两种治疗方法都能很好地降低CF粘液的黏附和内聚强度。
巴顿说:“对于患者来说，其中一种疗法应该会有所帮助。”“但它们的影响是附加的，所以把两者结合起来可能更好。我们的研究表明，这种方法可以使咳嗽对这些患者有益，就像我们其他人在与病毒等不那么严重的疾病作斗争时一样。”
研究人员现在计划使用他们的实验系统来研究粘液以及其他呼吸道疾病的治疗效果。
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