我們最熟悉的是從鼻子滴下的黏稠液體，以及患病氣道咳出的黏稠變色的黏液。但它的作用遠不止於此。黏液覆蓋在腸道、眼睛、口腔、鼻腔和耳朵的表面，發揮著一系列重要的生理作用——保溼、清潔、支援有益微生物和抵禦外來入侵者。
“我喜歡稱之為身體的無名英雄——它對我們的健康有如此強大的影響，”麻省理工學院的生物物理學家凱瑟琳娜·裡貝克（Katharina Ribbeck）說，她與同事在2018年《細胞與發育生物學年度評論》中概述了黏液的多種作用。這些功能大多來自該物質中5%的非水成分：各種鹽、脂質和蛋白質，其中最值得注意的是黏蛋白，它賦予黏液凝膠狀特性——被共價結合的糖鏈（稱為聚糖）覆蓋的長而線狀的多肽。
科學家們已經發現了黏蛋白髮揮作用以保持身體表面清潔和受保護的許多方式，並且正在繼續解析這些分子與微生物之間的複雜相互作用。以下是他們迄今為止學到的一些知識，以及研究的未來方向。
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多種黏蛋白
身體各處的黏膜覆蓋層差異很大，這與所需的功能相一致。例如，眼睛覆蓋著一層薄薄的、粘度不高的黏液，足以保持眼睛溼潤。相比之下，結腸內部有一層厚厚的、黏糊糊的覆蓋層，可阻止細菌滲透。
這些物理特性的關鍵在於黏蛋白本身。它們由排列在身體腔和表面的組織中的特殊細胞產生，是我們製造的一些最大的分子，主要有兩種型別：分泌型黏蛋白，它們被分泌出來形成大的、網狀結構；和繫留型黏蛋白，它們仍然附著在細胞上。
黏蛋白的製造會隨著地點和情況而變化。“有很多細胞特異性，”北卡羅來納大學醫學院的生物物理學家布萊恩·巴頓（Brian Button）說。例如，保持呼吸道清潔的凝膠狀黏液由分泌型黏蛋白MUC5B和MUC5AC組成。通常，MUC5B占主導地位——2017年在《新英格蘭醫學雜誌》上發表的一項分析發現，例如，它的含量比MUC5AC高出約10倍。但在感染和某些其他醫療狀況期間，MUC5AC的水平會急劇上升，從而產生一種更頑固、更粘稠的黏液，更難從氣道中清除。
更多的MUC5AC可能是有益的，因為更粘稠的黏液可以防止細菌粘附到身體細胞並造成傷害，巴頓說。但在哮喘、囊性纖維化和慢性阻塞性肺病等疾病中，MUC5AC的過度產生會導致氣道中黏液的有害堆積。
在身體的其他部位，例如胃部，高水平的MUC5AC是標準配置，有助於保護內壁免受酸性消化液的侵害。在腸道中，另一種黏蛋白——MUC2——是主要參與者。在結腸中，MUC2形成兩層黏液——一層鬆散的外層，容納細菌；一層緊密堆積的內層，可防止這些微生物滲透到下面的組織細胞中。與氣道不同，“在腸道中，你真的不會遇到太多的問題，”瑞典哥德堡大學的黏蛋白生物學家古納爾·漢松（Gunnar Hansson）說。“你寧願太多，也不願太少。”
資料來源：《知曉》雜誌
以黏液為食
如今，人們越來越認識到生活在我們腸道中的數萬億微生物——腸道微生物群——在健康和疾病中起著至關重要的作用。它們住在哪裡？在滋養黏液層中。事實上，很明顯，許多這些共生細菌將黏蛋白分子上的聚糖用作主要的能量來源。為此，它們的基因組攜帶可以切割這些碳水化合物並消化它們的酶的密碼。
細菌還會釋放代謝物，例如短鏈脂肪酸丁酸鹽，腸道細胞利用丁酸鹽來促進更多黏蛋白的產生。“它們正在利用能量來餵養自己，但它們也正在產生能量，然後將其輸送給我們……並使我們有可能製造大量的黏蛋白，”漢松說。“它們從中受益，我們也從中受益。”
與我們腸道中的天然居民不同，細菌病原體往往缺乏利用黏蛋白上的聚糖所需的機制，並且已經開發出其他方法來擴大它們的種群。
管理微生物行為
黏蛋白不僅僅充當物理屏障和微生物食物。科學家們發現，裝飾這些分子表面的聚糖可以影響病原微生物的行為和生理機能，並降低它們傳播和造成傷害的能力。
例如，在2012年發表於《當代生物學》的一項研究中，裡貝克和她的同事在試管實驗中發現，黏蛋白可以阻止細菌銅綠假單胞菌（許多危險的醫院獲得性感染的病因）形成生物膜——難以根除的緊密結合的微生物群落。裡貝克的實驗室後來表明，黏蛋白可以阻止其他病原體的生物膜形成，包括導致蛀牙的細菌變形鏈球菌。
除了控制外來入侵者之外，黏蛋白還可以幫助控制我們身體中的常駐微生物。裡貝克的團隊發現，這些分子可以抑制白色念珠菌（一種通常在健康微生物群中和平共處的真菌）向致病形式的轉變。他們透過抑制念珠菌形成菌絲的能力，附著在表面並發展其他使其能夠造成傷害的特性來實現這一目標。
黏蛋白還可以充當誘餌以防止感染。2009年，澳大利亞墨爾本大學的分子生物學家邁克·麥加金（Mike McGuckin）和他的同事在《PLOS病原體》上報告說，當幽門螺桿菌（一種可引起消化性潰瘍和胃癌的細菌）試圖結合在胃表面的細胞時，黏蛋白可以反而附著到病原體上。然後，黏蛋白從細胞膜上脫落，並將潛在的入侵者帶入酸性的胃液中。“許多細菌和病毒會識別細胞表面的某些糖，這就是它們知道如何到達細胞的原因，”巴頓解釋說。“黏蛋白可以複製那些糖基化模式，並起到分子誘餌的作用。”
資料來源：《知曉》雜誌
但是一些致病細菌會利用黏蛋白。在另一項研究中，麥加金和他的同事證明，空腸彎曲菌（一種無害地生活在雞體內但在人類中會引起食物中毒的微生物）會識別人類黏蛋白，並利用它們的存在作為提示來增強參與致病性的基因的活性。
“有很多例子表明，一種細菌在一種物種中是非致病的，但在另一種物種中可能是致病的——這很大程度上與黏蛋白有關，”麥加金說。“病毒也是如此。”
製造合成黏蛋白
科學家們希望有一天能創造出用於研究和治療的合成黏蛋白，並且已經在開發用於其生產的組織培養方面投入了大量工作。但丹佛科羅拉多大學的分子生物學家克里斯托弗·埃文斯（Christopher Evans）說，在合成替代品成為臨床現實之前，需要更好地瞭解分子的結構和生物物理特性，他正在與同事一起努力弄清其中的一些細節。
一旦完成，合成黏蛋白就可以用於實驗室研究，並最終用於醫療保健應用，例如控制有問題的病原體、修復受損或有缺陷的黏液襯裡，以及透過建立可以繞過黏膜屏障的塗層來改善藥物遞送。
裡貝克認為還有更多的潛在用途：例如，合成黏蛋白可以取代動物飼料中的抗生素，或管理微生物群落以幫助作物生長。“應用範圍可能遠遠超出醫療保健，”她說。
10.1146/knowable-062619-1