谷氨酰胺对肠道免疫调节作用的研究进展

郭焱芳,张 彬

(湖南农业大学动物科学技术学院,湖南 长沙 410128)

谷氨酰胺(glutamine,Gln)是动物血液中含量最丰富的一种游离氨基酸,约占全血中总氨基酸的20%。Gln是蛋白质和肽的组分,具有调节机体免疫机能,为特定器官组织甚至细胞代谢提供原料和能量以及维持机体酸碱平衡等重要作用。近年来,随着对疾病、应激状态下营养生理的深入研究,以及其对维持肠黏膜结构功能、调节肠道免疫功能,谷氨酰胺逐渐成为各领域的研究热点。本文综述了谷氨酰胺对肠道免疫功能影响的研究。

1 谷氨酰胺的生理作用

Gln是脂肪族的中性氨基酸,含有 2个氨基即一个α氨基和一个易水解的末端酰胺基,这一化学结构决定了其特殊的生理功能。Gln是蛋白质、氨基酸、核酸等生物分子合成的重要前体,是体内许多生化代谢途径的中间体,是组织间氮流动的重要载体;作为一种生糖氨基酸,Gln是肝糖原异生的重要底物,是肝捕捉氨的主要载体和终末产物;通过调节机体酸碱平衡,Gln还可防止代谢性酸中毒以保护机体。此外,Gln是肠黏膜上皮细胞和其他快速增殖、分化细胞如血管内皮细胞、淋巴细胞、肿瘤细胞等的主要能源物质,对提高肠道免疫力、增强肠道免疫组织细胞抗氧化性损伤和改善创伤后免疫功能抑制有着重要的作用[1],并对维持机体肠道结构和功能完整性具有不可替代的作用。

2 谷氨酰胺在肠道中的代谢

Gln是一种“条件性必需氨基酸”,其代谢吸收和利用主要在肠道,对谷氨酰胺利用最多的是小肠绒毛的上皮,尤以空肠细胞的Gln酶活性最高。Souba W W等报道小肠表皮细胞绒毛摄取了绝大多数的Gln[2],但哺乳仔猪和断奶仔猪体内20%～25%参与循环的Gln被小肠占有利用[3]。Stoll B等发现,小肠黏膜上的代谢是小肠利用日粮必需氨基酸的第一个环节[4]。正常生理条件下,谷氨酰胺主要通过高亲和的Na+依赖性载体系统进入肠上皮细胞,但在电解质紊乱的情况下,低亲和性的非Na+依赖性载体系统也起作用。Gln通过肠上皮细胞后,线粒体膜上的磷依赖性Gln酶将其水解成谷氨酸和氨。这些产物,一部分通过α-酮戊二酸进入三羧酸循环,在胞液中经谷-丙转氨酶或谷氨酸脱氢酶作用后生成α酮戊二酸氧化生成ATP[5],为肠上皮细胞、淋巴细胞的分裂、增殖提供能量;一部分用来合成其他氨基酸、嘌呤、嘧啶,或者转化为其他活性物质,或者成为肝脏合成尿素和糖异生的前体。

3 肠道的免疫功能

肠道是机体消化和吸收的重要器官,目前还被认为是体内最大的免疫器官。肠道免疫系统由肠上皮细胞、肠上皮内淋巴细胞、固有层淋巴细胞、集合淋巴小结和肠系膜淋巴结等肠道组织及肠道浆细胞分泌型免疫球蛋白A构成。肠道免疫系统对细菌、毒素、食物抗原和潜在的有害生物肽构成了生理的、机械的和免疫的屏障机制[6]。正常肠道对细菌的屏障作用依赖于特异及非特异(胃酸、肠蠕动、黏液、消化酶、正常菌群)因素。许多特异性细胞(包括巨噬细胞、自然杀伤细胞、肥大细胞、淋巴细胞)参与肠道免疫,但起关键作用的是肠道浆细胞。浆细胞可分泌免疫球蛋白(IgA),IgA通过肠上皮细胞或在细胞间隙内与上皮细胞产生的分泌片段结合形成SIgA,这是肠道最丰富的分泌型免疫球蛋白,它的产生是肠道免疫的关键。S-IgA释放入肠腔,能抵抗蛋白溶解酶的作用,从而保护肠黏膜被消化,S-IgA与细菌结合有效地阻止细菌粘附于肠黏膜蛋白,选择性包被革兰阴性菌,与相应的抗原结合形成抗原抗体复合物,刺激肠道黏液分泌,并加速黏液层流动,有效地防止细菌粘附,抑制细菌增殖,并且其在穿胞过程中对于已潜入细胞内的病毒同样具有中和作用,另外,S-IgA在肠壁固有层包绕入侵细菌后,向上皮基底层移动和分泌成分段结合,清除壁内细菌并转移至肠腔,从而构成肠黏膜立体防御体系[7-8]。

4 谷氨酰胺对肠道黏膜免疫的调节

Gln是肠道黏膜代谢的能量和原料来源,对维持肠道结构完整性和免疫系统正常功能有着非常重要的作用。若Gln缺乏,可使肠道黏膜萎缩、绒毛变稀变矮,屏障功能下降。在病理状态下,补充Gln可显著降低肠黏膜通透性、维护肠黏膜结构,增强肠道免疫功能,减少细菌易位。此外,Gln可促使淋巴细胞、巨噬细胞分裂和分化增殖,减少炎症因子的释放,提高S-IgA水平,从而保护肠道的免疫功能。

4.1 对小肠黏膜的保护作用 Gln是小肠黏膜的主要能源,是多胺、谷胱甘肽等维持黏膜功能和结构完整的重要成分物质的前体。因此,在创伤等应激状态下,给机体Gln营养支持可维持肠黏膜结构和功能完整性,减少骨骼肌蛋白质分解,从而改善氮平衡,降低应激代谢反应,增强机能免疫力机能。因此,谷氨酰胺能够有效防止多种因素引起的肠黏膜萎缩,能够改善正常机体的胃肠黏膜结构,对肠黏膜的保护起着非常重要的作用。在全胃肠外营养(TPN)、严重创伤、烧伤、大手术及一些胃肠道疾病等应激状态下,机体持续高分解代谢率,血液Gln利用率升高,很容易导致肠黏膜萎缩,免疫功能下降。TPN溶液中加入Gln可促进肠黏膜隐窝细胞分化,可使肠黏膜的厚度、重量、DNA 含量、绒毛高度均明显增加,减轻黏膜萎缩。人类治疗中,接受静脉营养患者,在静脉营养中加入Gln双肽可预防小肠黏膜通透性的进一步增加和保护小肠黏膜结构的完整性[9]。孙欣等报道Gln联合肠外营养比单用肠内营养更能促进大鼠结肠的代偿[10]。李金敏等给溃疡性结肠炎所致小鼠提供Gln治疗,结果表明Gln对肠黏膜病理损伤有一定的修复作用[11]。赵玉蓉等研究发现,日粮中添加1%Gln能显著改善断奶仔猪小肠各段的黏膜形态(P＜0.01),能增加十二指肠、空肠、回肠绒毛高度,降低其隐窝深度,且能显著影响断奶仔猪肠道微生态菌群,显著降低肠道内容物中有害菌数量,增加有益菌数[12]。

4.2 对免疫细胞功能的影响 Gln作为核酸生物合成的前体和主要能源,可促使淋巴细胞、巨噬细胞分裂和分化增殖,增加细胞因子TNF、IL-1等的产生,对免疫细胞的功能具重要的作用。淋巴细胞中富含高活性的Gln酶,且受到免疫刺激时,酶的活性增加。Gln是淋巴细胞增殖所必须的,在断奶仔猪日粮中添加1%Gln可明显提高空肠中段淋巴结T淋巴细胞在体外的增殖率,且明显提高了淋巴结DNA含量。谷氨酰胺能提高早期断奶仔猪淋巴细胞转化率和特异OVA抗体效价从而提高仔猪免疫性能[13]。周荣艳等体外试验表明,Gln和丙氨酰谷氨酰胺可刺激体外原代培养的仔猪肠系膜淋巴细胞增殖[14]。Gln也是嗜中性粒细胞、单核细胞生长和杀菌功能的重要底物,可增强巨噬细胞的噬菌作用。Gln能增强肠壁集合淋巴结及肠系膜淋巴结免疫功能 ,增强其对肠内病原菌的反应能力。Gln也能直接影响巨噬细胞介导的杀菌能力;巨噬细胞的吞噬功能依赖Gln的浓度;Gln还影响吞噬活性和巨噬细胞白细胞介素-1的产生。袁媛报道,静脉注射G可抑制脓毒症小鼠腹腔巨噬细胞释放TNF-α和IL-6,并且降低血清中TNF-α水平[15]。谷俊朝等研究发现,谷氨酰胺通过降低肠黏膜内ICAM-I的表达,减少中性粒细胞与肠黏膜内皮细胞的粘附与激活,从而减轻炎症反应而保护肠黏膜屏障功能[16]。此外,Gln缺乏能明显降低肠腔中S-IgA含量,同时还能严重影响肠黏膜固有层和肠系膜淋巴结细胞的增殖和功能,进一步降低肠道的免疫功能。赵玉蓉等研究表明,添加1%Gln仔猪空肠黏液中S-IgA的含量比对照组增加30.1%,充分证明Gln在肠道免疫中的重要作用[12]。

4.3 减少细菌易位 肠内包含一个微生物生态系统,微生物的活动对于肠道免疫系统的功能有重要作用,平衡的微生物群对肠黏膜系统的健康发展有重要作用。在病理状态下,细菌及其毒素可以易位至肠道外,而进入体循环,该过程称为细菌易位。细菌易位可造成毒性介质或细胞因子释放,肠道细菌通过肠黏膜到达肠系膜淋巴结,并进一步侵犯远端脏器引起免疫屏障损伤。肠内细菌有丰富的免疫刺激分子,如果细菌大量穿透机体,可以引发免疫病理反应,这些特殊反应被认为是作为阻止细菌穿透机体的免疫屏障。研究发现在SPF小鼠正常肠道内菌群中有分泌型IgA(S-IgA),S-IgA最主要的保护作用是阻止细菌对肠上皮细胞表面的粘附,S-IgA的这种功能是其他免疫球蛋白的7～10倍[17]。Gln可能是通过促进S-IgA的分泌来完成减少细菌易位功能,其具体机制和生理过程有待进一步研究。

5 前景展望

胃肠道是机体应激时的中心器官,肠道免疫功能也越来越受到重视。目前,多数学者热衷于研究应激、病理状态下的免疫功能障碍,但是对于其作用机制研究不够深入。谷氨酰胺作为小肠黏膜细胞的重要能源物质,对胃肠道的结构、功能保护具有其他氨基酸不可替代的作用。大量研究表明,Gln缺乏会导致肠黏膜受损、免疫功能下降;补充Gln能够有效减轻免疫抑制。但是对于谷氨酰胺对免疫调节的作用机制尚不完全清楚,其作为胃肠道黏膜细胞的能源物质、免疫调节物质以及肠外营养补充物质等的机体需要量及最佳代谢平衡需要量等有待深入研究。

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