原发性纤毛运动障碍(PCD)是一种以纤毛结构和功能异常为特征的遗传病，呼吸系统症状是PCD最主要的临床表现。目前超过50个基因被确定为PCD的致病基因，PCD的病因更加明确。PCD尚无特殊的治疗方法和诊断的金标准，基因治疗可以恢复纤毛运动，基因检测可以明确遗传学病因，促进基因治疗的发展。现就PCD的病因和基因诊疗研究进展进行综述。
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儿童原发性纤毛运动障碍(primary ciliary dyskinesia，PCD)的患病率为1/20 000~1/10 000[1]，累及多系统，以呼吸系统症状为主要表现，表现为反复呼吸道感染、支气管扩张，约80%的新生儿出现呼吸窘迫[2]，约50%的患者会出现内脏反位[3]，部分患者有中耳炎、不孕不育、脑积水等临床表现。PCD以常染色体隐性遗传和X连锁隐性遗传为主，也可有常染色体显性遗传模式[4]，目前超过50种基因被认为是PCD的致病基因[5]。目前推荐的治疗类似于囊性纤维化等疾病引起支气管扩张的治疗方案，大部分治疗方案缺乏循证医学证据[6]，因此需找到新的治疗方案。临床和遗传异质性增加了疾病的诊断难度，目前尚无诊断的金标准，而基因检测能明确病因，有广阔的应用前景。现就儿童PCD的病因、基因诊疗的研究进展和临床意义进行综述。
纤毛是细胞表面与运动有关的结构，可分为运动纤毛、结纤毛、原始纤毛。运动纤毛分布在气道、脑室管膜、精子尾部等部位，具有"9+2"型结构：2个中央微管(central pair，CP)被9对外周微管环绕。外周微管上对接内动力臂(inner dynein arms，IDA)、外动力臂(outer dynein arms，ODA)、微管连接蛋白(nexin dynein regulatory complexes，N-DRC)和放射辐(radial spokes，RS)，ODA控制纤毛摆动频率，IDA控制纤毛弯曲幅度。结纤毛分布在原肠胚腹侧淋巴结，是特殊运动纤毛，缺乏CP和RS，呈"9+0"型结构，可建立身体侧性，功能异常可导致偏侧发育缺陷。原始纤毛分布广，为"9+0"型结构，缺乏CP和动力蛋白臂，在组织分化中起关键作用。
呼吸系统症状是PCD主要的临床表现。呼吸道纤毛具有转运支气管和鼻窦黏液、细菌的功能，因此纤毛运动障碍容易发生反复呼吸系统感染和慢性鼻窦炎，导致肺功能下降[7]。新生儿时期80%的患儿会出现呼吸窘迫[2]。儿童早期，慢性呼吸道感染较常见，表现为慢性咳嗽、咳痰和喘息，患儿可有支气管扩张。成人时期，大部分患者有支气管扩张，临床表现为咯血。持续性鼻塞在所有年龄段均常见。
PCD亦可累及其他器官、系统导致疾病发生，室管膜和脉络丛上皮细胞纤毛功能异常可导致脑积水[8]；中耳纤毛运动不良导致反复发作的急性和慢性中耳炎，使患者听力受损[9]；精子鞭毛摆动功能异常可导致男性患者不育，输卵管纤毛功能异常可导致女性患者不孕或宫外孕风险增加；结纤毛功能异常可导致偏侧发育缺陷，约50%的患者出现内脏反位，但无明显的生理后果；约12%的患者出现内脏异位[10]，造成内脏定位异常、肠梗阻或肠扭转等明显的生理后果。除上述常见的临床表现外，PCD还可有多囊肾、多指、骨骼发育不良等其他临床表现[11]。
在PCD的致病基因中，DNAI1和DNAH5基因突变最常见[12]。基因突变会使纤毛超微结构改变，其中ODA缺失最常见，至少20种基因突变会导致ODA缺失[13]，根据基因编码的蛋白位置和功能分为以下几类。
ODA由动力蛋白重链(dynein heavy chains，DHC)、中链、轻链组成，编码ODA结构基因突变会导致ODA缺失。在呼吸道上皮细胞中，DNAH5编码γDHC，DNAH11和DNAH9编码βDHC[14]，分别位于纤毛的近端和远端。上述基因中，DNAH5突变最常见，后果最严重，导致纤毛不摆动；DNAH9突变后果最轻微，纤毛摆动频率正常[14]；DNAH11突变较特殊，导致纤毛摆动幅度降低、摆动频率增加，但纤毛超微结构正常[15]。而在精子鞭毛中，DNAH8编码γDHC，DNAH17编码βDHC，2种基因突变会导致ODA缺失，鞭毛摆动异常[16]。DNAI1和DNAI2基因编码ODA中链，DNAL1编码ODA轻链，这些基因突变与DNAH5突变后果类似。NME8编码ODA轻链，其突变会导致纤毛缺失，ODA或结构正常。由于编码呼吸道纤毛和精子鞭毛DHC的基因不同，因此大部分DNAH5和DNAH11突变的患者，具有生育能力[17]，而DNAH8和DNAH17突变会导致无呼吸道症状的男性不育[18]。此外，DNAH11突变的患者呼吸系统表现轻，肺功能较好，新生儿呼吸窘迫的发生概率低[17]。
ODA通过ODA-DCs锚定在外周微管上。CCDC114、ARMC4、CCDC151和TTC25基因分别编码ODAD1、ODAD2、ODAD3、ODAD4。TTC25是编码ODA-DCs最上游的基因，而ARMC4是最下游的基因[19]。大部分编码ODA-DCs的基因突变会导致ODA缺失、纤毛不运动，但ARMC4突变导致ODA减少而不完全缺失，且在纤毛的远端比近端更明显。CCDC103不是典型的ODA-DCs蛋白，与ODA靶向有关，突变导致多数纤毛ODA缺失、纤毛静止[20]。因为CCDC63可以替代精子中的CCDC114功能，所以CCDC114突变的PCD男性大多可育[21,22]。
纤毛生成主要步骤之一为中心粒扩增，扩增后的中心粒锚定在细胞膜顶端成为基体，基体是微管生长的起点[26]。MCIDAS是肿瘤发生的转录调节因子之一，可激活下游CCNO、FOXJ1基因，使中心粒扩增、基体锚定和上调纤毛蛋白的表达，突变会使纤毛数量减少、超微结构异常、纤毛静止、缺乏纤毛蛋白。CCNO是细胞周期蛋白之一，可调控中心粒扩增，突变会导致基体和纤毛数量减少，但纤毛超微结构和运动正常。FOXJ1是中心粒迁移、基体锚定、轴丝伸长所必需的，突变会导致运动纤毛完全缺乏，纤毛结构正常或异常。NEK10能调控纤毛长度，突变会使纤毛缩短，但纤毛结构正常。每个细胞只有一根结纤毛，因此编码纤毛数量和长度的基因，除FOXJ1外[27]，不会导致偏侧发育缺陷，其中MCIDAS和CCNO突变后[8,28,29]，患者肺部症状严重、肺功能差，且不孕不育的概率较高；FOXJ1是目前已知的PCD唯一显性遗传的基因突变，患者患脑积水的概率较高。
RS可分为头、颈、茎3部分，头部位于最远端，可与CP相互作用；茎部是主体；颈部连接茎部和头部。RSPH4A、RSPH9、RSPH1基因编码RS头部，NME5和RSPH3基因编码RS茎，DNAJB13是热休克蛋白40家族成员的成员之一，编码RS颈部。这些基因突变会导致纤毛摆动频率降低，部分纤毛呈现"9+0"或"8+1"型排列[19]，而大部分纤毛在透射电子显微镜下呈正常超微结构。其中RSPH4A、RSPH9、RSPH1突变的患者，临床症状较轻且鼻呼出气一氧化氮(nasal nitric oxide，nNO)水平正常[30]。由于结纤毛无RS，因此上述基因不会导致偏侧发育缺陷。
SPEF2、CFAP221、HYDIN和STK36基因可以编码CP蛋白[26]。HYDIN编码中央鞘组成部分，STK36编码的蛋白在RS头部与CP的信息传递中起重要作用[31]。上述基因突变会导致CP缺失，但不会有明显的超微结构异常和纤毛摆动模式改变，正常人通过透射电子显微镜偶尔也可发现CP和RS异常，因此这些致病基因导致的PCD诊断较困难。由于结纤毛无CP，因此上述基因不会导致偏侧发育缺陷。
N-DRC连接外周微管，限制其运动范围，并将CP和RS的信号传输到动力蛋白臂，是纤毛节律的控制中心。Olbrich等[32]发现CCDC164、CCDC65、GAS8基因分别编码DRC1、DRC2和DRC4。CCDC164、CCDC65基因突变导致纤毛摆动频率增高、纤毛僵硬、摆动幅度略有降低[33,34]。GAS8突变纤毛的弯曲幅度略有降低、摆动频率不增加。上述基因突变时，会导致N-DRC的结构和功能异常，外周微管排列不齐，但常规检测难以发现。
CCDC39和CCDC40编码的蛋白控制IDA和RS的排列，并负责N-DRC和IDA的组装，被称为标尺蛋白(ruler proteins)。基因突变会导致纤毛超微结构明显异常，如IDA缺失、RS缺失、N-DRC缺失，由于N-DRC缺失，进一步导致微管移位，而ODA的结构正常[19]。该基因突变导致75%的纤毛不运动，而部分纤毛运动节律异常或者僵直运动[35]，常规检测较易识别。与其他PCD患者相比，CCDC39或CCDC40突变的PCD患者，新生儿呼吸窘迫的发病率更高，肺部症状出现的时间更早、程度更重，肺功能更差，且男性不育、女性不孕的概率更高[36]。
PCD的诊断需要辅助检查，对于配合检测的患者，nNO水平低于77 mL/min，便可怀疑PCD，但急性病毒感染、囊性纤维化、免疫缺陷等患者nNO测量值也较低，而部分PCD患者nNO值正常[37,38]；高速视频显微镜分析(high-speed video microscopy analysis，HSVA)可评估纤毛摆动模式和频率，结果异常可怀疑PCD，但易受感染等继发因素影响；透射电子显微镜可分析纤毛的超微结构，但30%的PCD患者纤毛超微结构正常[39]。上述检测需要在特定的专业中心进行，费用昂贵，基因检测可弥补其他检测方法的缺点和非决定性结果，并能明确病因，为个性化治疗、遗传咨询、复发风险评估奠定基础。
近年来，越来越多的研究证明，基因panel、全外显子测序等技术对PCD的诊断有较高价值[40,41,42,43]。欧洲呼吸协会(European Respiratory Society，ERS)和美国胸科协会(American Thoracic Society，ATS)指南均指出[44,45]，在PCD常染色体隐性致病基因中发现双等位基因致病性突变，或在X连锁基因中发现半合子突变，可以从基因水平上诊断PCD；当患者临床表现高度提示PCD，但辅助检查无异常，可采用基因检测；此外确诊PCD后也可进行基因检测，以便明确病因、全面了解疾病。当患者不配合nNO检测时，扩展基因panel(检测基因>12个)是PCD诊断的一线检测。我国专家共识也提出将基因检测用于PCD的诊断[46]。由于30%的PCD病例致病基因尚不清楚[12]，因此基因检测阴性不能排除PCD。据推测，参与纤毛形成的所有基因都可能与PCD有关，由于PCD的基因数量多，基因诊断需得到其他检测方式的支持，否则假阳性结果的概率很大。
PCD无特殊治疗方案，临床上可使用体位引流和高渗盐水雾化等措施清除气道痰液，缓解呼吸系统症状；若有细菌感染，可根据药敏试验结果选择抗生素；慢性鼻窦炎可用等渗或高渗盐水进行鼻腔冲洗，局部使用类固醇和抗生素；分泌性中耳炎患者可使用助听器[47,48]。目前，大多治疗方案缺乏循证医学证据[6]，因此需找到新的治疗方案。气道作为PCD最主要的受累器官，易被病毒转导，因此基因治疗是研究者关注的方向。
研究者首次尝试PCD基因治疗是在2009年，Chhin等[49]使用慢病毒载体将DNAI1基因转导至纤毛细胞，结果ODA重新出现，纤毛恢复正常运动。2012年，McIntyre等[50]将腺病毒经鼻注射入IFT88基因突变小鼠，转导细胞的纤毛功能恢复，这是首次在体内恢复纤毛功能的研究。2014年，Ostrowski等[51]诱导小鼠DNAIC1基因突变，随后用慢病毒载体将基因转导入小鼠呼吸上皮，结果纤毛功能恢复，该研究构建了成年PCD小鼠模型，证明鼻炎会降低转导效率，为提高基因转导效率提供思路。上述研究表明基因治疗在PCD中的可行性，但PCD基因分子量较大，很难被常规载体运输，且外源基因整合到宿主基因组中，可能会产生严重的不良反应，因此基因编辑成为研究者考虑的又一方向。2016年，Lai等[52]用转录激活因子样效应物核酸酶技术对DNAH11突变的细胞系进行基因编辑，使部分纤毛恢复正常运动，这是第一个将基因编辑应用于PCD的研究。目前PCD基因治疗尚未用于临床，但上述研究提示基因治疗能恢复纤毛的运动，从病因上治疗PCD，是一种可行的治疗方案，具有广阔的应用前景。
PCD是一种罕见的遗传病，有显著的临床和遗传异质性，这使诊断和治疗的难度加大。随着分子生物学的发展，人们对PCD遗传学的理解更加深入，超过50种致病基因被发现，确定了大部分基因调控纤毛结构和功能的机制，理解致病基因与临床表现、纤毛结构功能之间的关系，有利于对PCD患者的早期诊断和及时管理。目前，PCD无特殊治疗方法和诊断的金标准，一些关于基因治疗和基因诊断的研究证明了基因诊疗的可行性，具有广阔的前景。由于PCD的复杂性，仍需多学科合作、研究员和临床医师共同努力，提出高效准确的诊断方法，促进新型、个性化的基因靶向治疗，提高患者生活质量，改善患者预后。
所有作者均声明不存在利益冲突
