Генетика неонатальных заболеваний легких

Согласно имеющимся доказательствам восприимчивость к бронхолегочной дисплазии (БЛД) – это влияние большого количества факторов. Они включают: степень недоношенности, тяжесть респираторного дистресс синдрома (РДС), потребность в искусственной вентиляции легких (ИВЛ) или насыщении кислородом, и наличие конкурирующих заболеваний (1). Основной фактор риска для РДС и БЛД - это степень недоношенности, непосредственная причина РДС – неадекватная функция альвеолярного сурфактанта. У недоношенных лабораторных животных, при удлинении срока гестации, имеющих более устойчивый сурфактантный пул, имелась предрасположенность к неонатальным легочным заболеваниям. Например, у кроликов при пролонгировании беременности, риск РДС составлял 4-5 %. У новорожденных гестационный возраст 25-36 недель считается связанным с риском РДС и составляет 25-30% при неблагополучно протекающей беременности. У новорожденных чаще, чем у лабораторных животных, РДС связан с патологией беременности. Генетические различия между расами и генетически гомогенными популяциями значительны. Многие тысячи генов, вовлеченных в процесс неонатальной легочной адаптации, показывают генетические различия, что, возможно, повышает восприимчивость к заболеваниям. В дополнение можно сказать, что мутации некоторых генов являются причиной тяжелых респираторных заболеваний. В данной статье по неонатальным легочным заболеваниям показана доля генетических различий в сурфактантных протеинах при РДС.

Мужской пол является фактором риска по РДС (2,3). Недоношенные младенцы афро-американской популяции имеют мало случаев РДС или менее тяжелое течение РДС, чем новорожденные кавказоидного происхождения (3,4). Материнский диабет или асфиксия при рождении связаны с повышенным риском РДС (5), особенно при низком или высоком риске преэклампсии (6,7). У глубоко недоношенных детей, с урогенитальной инфекцией, имеющих дифференциацию сурфактантной системы, снижаются случаи РДС. Урогенитальная инфекция также связана с БЛД или острым РДС, как причина пневмонии при рождении (8,9). Первый ребенок из двойни имеет меньший риск РДС, чем второй (10), также антенатальные глюкокортикоиды снижают частоту и тяжесть РДС, но не БЛД (11).

Кроме того, РДС является хорошо известным синдромом, как относящийся к спектру активных заболеваний. У некоторых недоношенных детей, РДС часто манифестирует как кардио-респираторная недостаточность, связанная с дальнейшим развитием БЛД. Практически доношенные новорожденные имеют, с одной стороны, стабильную грудную клетку и поддерживают адекватную вентиляцию, вопреки наличию умеренной сурфактантной недостаточности. Клинически установлена зависимость РДС от срока гестации и причины преждевременных родов. Наследственная характеристика сложна и генетическая восприимчивость может быть ограничена некоторой частью популяции новорожденных с РДС.

Недавние исследования подтвердили предположения о семейной тенденции и наследственности РДС. Повышенный возвратный риск для сибсов как при РДС, так и при малом весе при рождении хорошо известен (12). А по материнскому анамнезу, можно разделить детей на группы с высоким или низким риском РДС по срокам его возникновения (13). Кроме того, возвратные риски по РДС более низки у полусибов по отцу, чем у полусибсов по матери или у полных сибсов (14). Семейная предрасположенность может быть не только генетической этиологии, но допускается воздействие окружающих факторов. Небольшое исследование 31 пары двоен выявило тенденцию к высокой конкордантности РДС у монозиготных пар по сравнению с дизиготными, некоторые из дизиготных пар были разнополыми (16).

Недавние исследования 38 случаев РДС и 22 случаев в контрольной группе, предполагают связь лейкоцитарного антигена с РДС чувствительными генами (19), но это данные еще требуют подтверждения. Число генов, необходимых для неонатальной адаптации, достаточно велико и многие из них могут напрямую или косвенно влиять на риск РДС через средовые или конституциональные факторы. Существует несколько функциональных категорий этого порядка:

во-первых, все энзимы и структурные компоненты нуждаются в биосинтезе, внутриклеточном транспорте и секреции сурфактантных липидов. Мутации, воздействующие на сурфактантные липиды, могут быть причиной мультиорганной патологии. Сурфактантная система может быть поражена при лизосомных болезнях.

во-вторых, сурфактатнтынй протеин А (SP-A) это лектин С-типа, который связывает сурфактантный комплекс и несколько патоген-связанных молекулярных паттернов. SP-A предотвращает ингибицию поверхностной активности экзогенных протеинов и модулирует острый иммунный ответ во многих случаях (21,22). Снижение SP-A часто связывают с тяжелым РДС и повышением риска БЛД (23). Считается, что недостаток экспрессии SP-A не чувствителен к респираторным нарушениям после рождения (24), однако отмечается чувствительность к специфическим респираторным инфекциям (25).

Сурфактантный протеин SP-B образовывается в результате протеолитических процессов из проSP-B в гидрофобном слое. Он состоит из перемежающихся катионов аминокислот и 6 цистеинов в форме 3 дисульфидных мостиков. SP-B улучшает сурфактантную активность повышая сурфактантную адсорбцию и поверхностную стабильность сурфактантных фосфолипидов (26). Это критическая роль во внутриклеточном процессе сурфактантного комплекса. В частности, при отсутствии SP-B у мышей липидно-протеиновый комплекс секретируется 2 типом альвеолярных клеток, не содержащих зрелого SP-C и не являясь поверхностно-активным 27).

Зрелый SP-C гидрофобный протеолипид - внутриклеточно протеолитически продуцируется из пропротеина (28). Хотя дефицит SP-C у мышей различен и выжившие взрослые особи бывают без явных легочных расстройств, их легкие имеют сниженную сосудистую эластичность (29). SP-C играет роль в стабилизации сурфактанта при снижении легочных объемов и может также играть роль во внутриклеточном продуцировании сурфактантного комплекса.

Сурфактант SP-D это коллектин, состоящий из фосфотидилинозитола и нескольких патоген-связанных молекулярных комплексов, влияющих на врожденный иммунный ответ. При SP-D дефиците альвеолярного сурфактанта у мышей легочная архитектоника изменяется и животные становятся чувствительными к специфическим инфекциям (30-32).

Третья категория касается дифференциации альвеолярной ткани. Онтогенез сурфактантного комплекса и дифференциация альвеолярных клеток контролируется факторами роста и гормонами, что связано с наличием в сурфактантной системе специфических рецепторов, внутриклеточных сигнальных молекул факторов ядерной транскрипции (33,34). Аналогичные регуляторный процессы контролируют дифференциацию других функций в организме. Генные варианты, влияющие на дифференциацию сурфактантной системы могут иметь множество последствий во многих органах.

Наконец, функциональные вещества не только сурфактантной системы влияют на респираторную адаптацию. Они включают в себя протеины, как катализаторы ионного транспорта через альвеолярный эпителий, факторы, влияющие на рост дыхательных путей, механизмы, контролирующие легочный кровоток и факторы первичного воспалительного ответа (37).

Сурфактант SP-A кодирован двумя тесно сцепленными высокополиморфными генами (SP-A1 и SP-A2) на 10 хромосоме в районе q22-q23.Четыре аллели SP-A1 и пять аллелей SP-A2 встречаются со средней частотой (финская популяция),тогда как другие 30 аллелей обнаруживаются гораздо реже (38-40).

SP-B ген локализован в хромосоме 2 p12-p11.2. известно несколько общих вариантов SP-B гена, экзон 4 - полиморфный и может влиять на порядок аминокислот, а также на согласование порядка в N-связи гликозидов в N-терминальном проSР-B (42-42).

SP-С ген локализован на коротком плече 8 хромосомы.

SP-D ген локализуется на 10 хромосоме в районе q22-q23 рядом с генами сурфактанта SP-A 46,47).

SP-A и SP-B варианты как гены предрасположенности к РДС

Были изучены генные варианты в афро-американской, кавказоидной и финской популяциях (42,43,48-53). Исследования в финской популяции выявили особенности, касающиеся этнической гетерогенности и расовых различий в генных частотах (54). Очевидным при исследовании популяций становится то, что большинство главных аллелей гена SP-A - это аллели высокого риска РДС (43,48-53). Различия и несоответствия в исследованиях могут быть связаны с расовыми и этническими особенностями в патогенезе заболевания и частоте аллелей или другими не обнаруженными факторами.

Различные исследования, используемые в финской популяции, дали высокоинформативные результаты. В первом исследовании, в каждом из 88 случаев рассматривали гестационный возраст, роды и антенатальную профилактику стероидами (51,43). Исследования были направлены на выявление прямой связи между SP-A и РДС. Во втором исследовании 688 недоношенных детей было относительно показано, что SP-A и SP-B интерактивно связаны с риском РДС. Аллели 6 А2 и 1 А (гена SP-A) связаны с повышением, а аллели 6 А3 со снижением риска РДС. Эти связи ограничены SP-B (le131Thr) генотипом вместе со степенью недоношенности (43). Связь между SP-A генами и РДС была практически явной среди очень недоношенных ( срок беременности <32 недель ) новорожденных, несущих гомозиготный фенотип SP-B ( Thr\Thr ). В третьем исследовании было проведено семейное обследование с использованием трансмиссионно неуравновешенного теста. В этом исследовании SP-A аллелей и генотипов, выявлены и установлены генетические основы чувствительности к РДС и «гипернормальный» фенотип, защищающий новорожденных от РДС (52). Кроме того, еще не установлена до конца роль предрасполагающих факторов аллелей высокого риска РДС или аллелей снижающих риск РДС.

Другие исследования ограничились изучением двоен с известной зиготностью. Это исследование комбинировало традиционное исследование двоен и генный анализ. Среди одного миллиона финских новорожденных были выявлены случаи близнецовых пар одного пола где, по крайней мере один из новорожденных являлся пораженным (РДС). ДНК этих близнецов была проанализирована на SP-A и SP-B аллели и зиготность была верифицирована использованием нескольких полиморфизмов. Из 266 близнецовых пар, у 201 был диагностирован РДС (76%). Степень конкордантности между моно- и дизиготными парами была 0,55 и 0,48 , соответственно (55). Отсутствие статически значимой конкордантности между моно- и дизиготными двойнями, предполагает недостаточность прямого генетического влияния на РДС в этой популяции. Однако аллели и генотипы Il 131 Thr обнаруживают существенно высокую свзь с РДС. В группе с РДС был представлен Thr аллель, а в группе без РДС- Ile аллель. Условно логический регрессионный анализ далее подтвердил этот результат (Р=0,003) (55,56). Ile131Thr была у первого ребенка из двойни и отсутствовала у его сибса из двойни.

SP-A и SP-В протеины могут быть связаны с РДС. Поскольку неонатальный РДС волнует всех, недавние исследования дали частичный ответ на вопрос -почему некоторые новорожденные чувствительны к РДС, несмотря на стероидную профилактику, а другие устойчивы при глубокой степени недоношенности.

Было бы логично предположить, что генотип связан с риском РДС или устойчивостью к этому заболеванию.

Идея, что специфический сурфактантный белковый генотип может быть связан как с врожденной чувствительностью, так и с устойчивостью к РДС, кажется противоестественной. Сурфактантные белки служат мишенью для гормонов и факторов роста, которые регулируют их дифференциацию. Гормоны и \или факторы роста уменьшают или повышают экспрессию сурфактантных белков, управляемый эффект зависит от срока гестации (33,57). Уровни гормонов и факторов роста зависят от этиологии преждевременного рождения. В заключение следует отметить, что степень ответственности гормонов и других факторов может быть ограничена специфическим SPA-генотипом (41,58). Исследования связи между генами и другими факторами это только первый шаг в понимании актуальной функции различных вариантов генов.

Респираторные болезни, манифестирующие вскоре после рождения ,могут быть связаны с нарушением процесса рождения или с проблемами адаптации внешнего дыхания. В случае рождения, цельность иммунного ответа и устойчивость к инфекциями и токсическим продуктам (особенно оксидантам) меняется. Регуляция врожденного ответа, роста и респираторной функции взаимовыгодна. Несколько генов, экспрессируемые в альвеолярной ткани, играют несколько функций. Предположение, что сурфактантные белки некогда считались специфичными продуктами альвеолярных клеток, чья функция была ограничена поддержанием альвеолярной стабильности, еще можно опровергнуть.

Так как роль легких в переносе кислорода зависит от врожденных функций нескольких сотен, если не тысяч генов, то различия в этом множестве генов должны быть исследованы.Согласно недавним сообщениям гены белковых суфрактантов могут быть ассоциированы и РДС у взрослых, где результатом являются пневмонии или хронические обструктивные легочные заболевания 59,60). Аллели суфрактантных белков могут влиять на степень риска различных легочных заболеваний в возрастных группах от младенцев до пожилых пациентов.

SP-A и SP-D генотипы вовлечены в формирование устойчивости легких и воздушных путей к серьезным вирусным, бактериальным и грибковым инфекциям (21,61). SP-A и SP-D играют значительную роль в локальной легочной защите и аллельные вариации этих генов могут быть связаны с инфекционными легочными заболеваниями (47,48,62). Специфический набор генотипов содержит варианты сегментов кодированных в локусе, что может критическим для врожденного ответа. Это включает карбогидрат связывающую область (62), коллагеновую область (62) и близколежащую амино-терминально-цистеиновую область (47), необходимых для антивирусной защиты (21). Интересно, что аллели SP-A и SP-D связаны с легочными и воздушными инфекциями в раннем младенчестве. В течение этого периода клональный иммунитет еще развивается и устойчивость против инфекций может критически зависеть от врожденного иммунитета.

Четкие связи были найдены между полиморфизмом коллектинов и тяжелыми респираторными синтициально-вирусными (РСВ) бронхиолитами у младенцев. Случаи этих заболеваний и контрольной группы были рассмотрены с исслдованием различных факторов: роды, гестационный возраст и анамнез респираторного заболевания. При обзоре основных аллельных ассоциаций было отмечено, что позиции аминокислоты 223 для SP-А2 гена (62) и 11 для гена SP-D (47) связаны с РСВ инфекциями новорожденных. Так, например, выявление генетически предрасполагающих факторов поможет выявить пациентов с тяжелым бронхиолитом новорожденных, вызванным респираторно-синтициальным вирусом (47,62). Новорожденные с высоким риском могут получать специфическую иммунопрофилактику и иммунотерапию, что усиливает врожденный иммунный ответ.

Редкие генетические болезни, связанные с суфрактантными протеинами.

Было выявлено отсутствие сурфактанта SP-В в результате редких мутаций, которые явились причиной прогрессирующего респираторного заболевания (66,68). Фенотипическая гетерогенность этих новорожденных предполагала различную степень SP-В дефицита или вовлечение других генетических факторов в этот процесс. Новорожденные с этим синдромом могут классифицироваться как имеющие врожденный альвеолярный протеиноз и развивают респираторный дистресс с первых часов рождения. Это заболевание имеет прогрессирующее течение в период новорожденности. Легочная трансплантация является наиболее оптимальным способом лечения в этом случае. Патоморфологические анализы обнаруживают ускоренную десквамацию легочного эпителия с аккумуляцией белкового материала в альвеолы. Не считая отсутствия сурфактанта SP-В патоморфология альвеол демонстрирует высокий уровень сурфактанта SP-A, дефицит SP-C и аномально представленный протеин проSP-C. Исследования специфически генетических дефектов у пробандов и родственников необходимо для подтверждения диагностики. Гетерозиготное носительство мутантных SP-В делеций может подтверждать предрасположенность к респираторным заболеваниям.

Были недавно выявлены сплайсинг-мутации гена SP-C у новорожденных и их родственников (69). Аналогичные доминантные мутации были выявлены у 11 из 34 младенцев с хроническими легочными заболеваниями неясной этиологии. Вся индивидуальная недостаточность аномального протеина проSP-C у некоторых из них имеется de novo, а у других является семейной мутацией (70). Другие большие семейные разновидности, включая взрослых с десквамативными и неспецифическими интерстициальными пневмониями (форма семейного легочного фиброза) и детей с клеточными неспецифическими интерстициальными пневмониями были охарактеризованы как доминантные мутации карбокси-терминального проSP-C (71). Нарушения формирования структуры протеина SP-C могут быть ответственны за тяжелые часто вариабельные симптомы легочных заболеваний.

Как обсуждалось Jobe and Bancalari (1), генетические факторы возможно вызывают БЛД, и данные молекулярных генетиков по БЛД еще будут опубликованы. В настоящее время диагноз часто ставится патоморфологически. Недавно было представлено модифицированное клиническое определение БЛД основанное на точном гестационном возрасте, т.е. БЛД возникает через 28 дней после рождения и/или через 36 недель после зачатия. У школьников родившихся с выраженной недоношенностью и РДС, часто отмечается субнормальная функция легких, не считая случаев БЛД (72).

Патоморфологические находки при БЛД демонстрируют остановку альвеолярного развития, выявляют дефект в расположении вторичных крист и дефект в васкуляризации альвеолярной ткани (73,74). В прошлом достаточно часто были описаны фиброз и дисплазия дыхательных путей (75). С одной стороны многие младенцы, развившие БЛД демонстрируют ранний воспалительный ответ, тогда как другие показывают серьезные или рекуррентные инфекции дыхательных путей (76,77). Согласно современным представлениям, число генов может аддитивно либо синергистически способствовать повреждению ткани или наоборот являться защитой этого повреждения. В дополнение к этому конституциональные и генетические факторы могут тесно взаимодействовать с внешнесредовыми факторами ( практика неонатального ведения, антенатальные факторы, приводящие к преждевременным родам ).

Установление связей аллелей с предрасположенностью к тяжелой БЛД явно свидетельствуют о важной роли генов в патогенезе заболеваний. Статистическое отсутствие такой связи, тем не менее, не исключает ее наличия. Все четыре суфрактантных белка и многие другие гены, вовлеченные в регуляцию, дифференциацию, рост и альвеоляризацию могут оказывать влияние на развитие этой патологии. Наиболее вероятными кандитами являются гены с мультифакториальными функциями. К ним относятся гены кодирующие протеин SP-D (как антиоксидант, противовоспалительный агент, который регулирует суфрактантный гомеостаз и аллельную чувствительность и недостаток которого формирует эмфизематозный фенотип), SP-В ( отвечающий за внутриклеточный транспорт сурфрактанта, его поверхностную активность, формирование активного и врожденного иммунитета и возможность ионного транспорта. SP-A (регулирует поверхностную активность, чувствительность к респираторным инфекциям, формирует врожденный иммунитет и аллельную гиперчувствительность) и сосудистый эндотелиальный фактор роста, отвечающий за формирование легочных альвеол и дифференцировку легочного эпителия. Экспериментальные модели БЛД являются существенными для глубокого понимания функциональной важности.

Несколько вариантов сурфактантных белков, многие из которых связаны с легочными заболеваниями, к настоящему времени достаточно хорошо описаны. РДС изучалось более интенсивно. Определены наиболее важные варианты легочных коллектинов этих белков, связанные с легочными в воздушно-капельными инфекциями в раннем младенчестве. Это только первый шаг к пониманию генетического воздействия на чувствительность к легочным заболеваниям.

Дистальные отделы легких часто подвержены воздействию очень редких рецессивных делеционных мутаций гена SP-В и редких доминантных мутаций, связанных с абберантными протеинами SP-В. Приобретенные легочные заболевания, особенно БЛД, являются многофакторными заболеваниями с преимущественно генетическим влиянием. Для лучшего понимания точных биологических механизмов и фенотипической важности необходимо интенсивное исследование большого числа аллельных вариантов, включая функциональные исследования с использованием методов in vitro и модели животных. Применение каждого молекулярного метода для патогенеза, диагностики и профилактики сможет быстрее приблизить наступление новой эры в неонатальной пульмонологии.