谷氨酰胺与肠道缺血/再灌注损伤

顾元博(综述)，贺 德 (审校)

(1．广东医学院研究生院，广东湛江524003;2．深圳市宝安区人民医院普外科，广东深圳518101)

近年来，随着对肠黏膜屏障的深入了解，肠道微生态对维持机体健康状态的作用越来越受到人们的关注，甚至有部分学者将其称为“被遗忘的器官”［1，2］。生理情况下，消化道的血流量约占心排血量的1/4。在发生严重创伤、烧伤、失血性休克、肠梗阻、胆管梗阻、急性胰腺炎、蛋白质营养不良、长期应用广谱抗生素或免疫抑制剂、电离辐射等［3］的情况下，机体为维持其他重要脏器的血液供应，将全身血液重新分布，外周血管收缩以保证心、脑等重要脏器的血液供应，即通过神经-内分泌调节使消化道血供减少，导致胃肠道发生缺血性改变，经常会造成肠道的缺血/再灌注(ischemia/reperfusion，I/R)损伤。而黏膜细胞对缺氧的耐受性是最差的，缺血缺氧早期即可出现消化道黏膜的屏障功能破坏。大量研究证明，正常肠道常驻菌由于缺血缺氧引起肠黏膜屏障损伤的情况下可以穿过肠道黏膜屏障进入肠以外组织，到达肠系膜淋巴结、肝、脾、肺、肾等脏器和体循环内成为内源性感染源，这种肠内细菌向肠外组织迁移的现象称为细菌移位［4］。谷氨酰胺(glutamine，Gln)是血液循环和组织内游离氨基酸池中含量最高的氨基酸，是应激状态下小肠黏膜细胞唯一能量来源和肠道修复最重要的营养物质［5］。Gln可以降低肠道通透性和减轻细菌移位水平，从而在维护肠道黏膜屏障的完整性上产生积极的影响［6］。基于此原因，人们在Gln对肠黏膜屏障的影响上进行了大量研究。现就近年来对Gln在外科营养中的研究及其对肠道I/R的影响予以综述。

1 Gln的正常生理作用及其在肠道中的代谢

Gln约占血中总氨基酸的20%，健康成人血浆Gln浓度接近于700 μmol/L，Gln既可参与嘧啶、嘌呤、谷胱甘肽(glutathione，GSH)等多种重要生物活性分子的合成，又能被氧化为肠黏膜细胞和其他增生活跃细胞(如免疫细胞、成纤维细胞)的主要能量来源［7］。肠道是Gln吸收和代谢的主要器官，也是利用Gln最多的部位［8］，但是肠黏膜本身既不能产生亦无法储存Gln。Gln的来源主要依靠内源性和外源性两条途径。其中以内源性途径最为重要，这条途径主要来自肌肉和肺泡，在这些组织的细胞中含有丰富的Gln合成酶，合成大量的Gln并释放入血，为肠黏膜上皮和淋巴细胞提供内源性Gln。外源性Gln主要来自食物中的蛋白［9］。正常情况下，肠道不会发生Gln缺乏。在应激状态，经饮食摄入量和体内合成量就不能维持其在体内的贮备和血液中浓度，因此，Gln又被称为“条件必需氨基酸”［10］。

2 Gln与肠道I/R

2．1 Gln对肠道I/R时通透性的影响 肠黏膜屏障是机体最重要的免疫防御屏障，将机体与肠道内的外源性物质隔离开来。肠黏膜具有屏障功能最重要的解剖基础是肠上皮细胞间具有完整的紧密连接，封闭了细胞旁间隙，使得肠上皮细胞仅对离子、氨基酸等营养物质选择性通过。小肠I/R时产生大量氧自由基，而致肠黏膜通透性增高，小肠黏膜损伤，同时降低 Na+-K+-ATP酶活性，使营养物质吸收障碍［11］。在组织I/R损伤时肠黏膜组织中的黄嘌呤氧化酶系统活性明显增高，黄嘌呤氧化酶系统是组织I/R损伤时氧自由基产生的最主要来源，肠组织I/R后产生大量的氧自由基，使生物膜中的多不饱和脂肪酸过氧化，导致生物膜中多不饱和脂肪酸含量明显减少，细胞膜的液态性、流动性和通透性发生改变。同时，组织病理学上出现黏膜固有层上皮细胞变性、坏死、脱落，肠绒毛水肿和间隙增宽，表明肠黏膜机械性破坏是肠道屏障损伤的重要因素［12-14］。缺血小肠黏膜的髓过氧化物酶活性增高，GSH含量减少及超氧化物歧化酶活性降低均可增加氧自由基的生成［15］。抗氧化剂对I/R引起的肠道损伤在体外实验研究中有肯定的保护作用［16，17］。GSH是细胞内主要的抗氧化剂，其主要功能是保护细胞免受氧自由基和内、外源性毒性物质的损害。GSH对自由基有较强的清除能力，I/R时肠组织中GSH含量明显减少，对自由基的清除发生障碍。因此，一方面，由于肠黏膜组织中黄嘌呤氧化酶量升高，使氧自由基产生增多;另一方面，GSH含量减少，使生成的氧自由基不能及时清除。于是这些活性氧簇成分与细胞膜上的多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，结果导致肠组织细胞损伤进一步加剧。在完全胃肠外营养期间，Gln是GSH生物合成的限速因素，Gln能够增加线粒体GSH过氧化物酶活性［18］，提高静息状态下血浆GSH的含量，在消化道受到I/R损伤时，更好地保存肝脏GSH含量，从而保护肠上皮细胞免受氧自由基损害［19，20］。

紧密连接蛋白occludin是脊椎动物的上皮细胞紧密连接的成分。Gln缺乏能够通过减少活性紧密连接蛋白occludin表达影响紧密连接的完整性，进而增加肠上皮屏障通透性，而在补充Gln后，紧密连接蛋白occludin逐渐向细胞膜上转移，定位于膜尖端的紧密连接处，形成完整的紧密连接，提示补充Gln是维护肠紧密连接完整性，降低肠上皮屏障通透性的有效手段［21］。Demirkan 等［22］应用 Gln 治疗肠道I/R大鼠动物模型，观察肠道组织病理学改变，发现Gln处理组可明显减低血浆内毒素水平，提示Gln对肠黏膜屏障有保护作用。此外，Pontell等［23］最新的研究显示，肠道I/R后，肠道蠕动减弱，引起肠道的纵行肌肉严重损伤，这可能有助于加重肠道屏障的破坏作用，导致细菌移位的发生。

2．2 Gln对肠道I/R时免疫功能的影响 肠道除作为消化和吸收的重要器官外，其免疫系统也很复杂。研究证实，Gln可参与肠道有关的各种淋巴细胞、巨噬细胞、分泌型免疫球蛋白等重要能量来源的组合分解，从而降低细菌对肠道细胞的黏附，间接维持肠道黏膜的屏障作用，保护细胞免疫功能［19］。

肠道相关淋巴组织(gut-associated lymphatic tissue，GALT)在肠道免疫保护的作用备受重视，GALT是肠道固有层等产生分泌型IgA(S-IgA)的一个重要调节中心，是诱导对外抗原引起免疫反应的关键部位;GALT中抗原递呈是S-IgA分泌细胞分泌抗原特异性IgA进入肠道的重要前提。故GALT是细菌、毒素、食物抗原和潜在有害生物构成的重要屏障。Gln是GALT的重要营养素，研究发现［24］，机体严重感染时GALT代谢增强，Gln利用和消耗大大增加，而此时体内Gln含量常不足，故外源性补充Gln对维持GALT功能，保证肠道局部免疫功能维持，减少肠道细菌和毒素移位有重要作用。

I/R损伤会增加肠道细胞间黏附分子1的表达，这可能与中性粒细胞的迁移、聚集和活化有关［10］。补充Gln的全肠外营养可通过增加肠道黏膜免疫IgA水平，维持适当的肠道内IgA刺激细胞因子环境，降低细胞间黏附分子1表达和减少中性粒细胞聚集，增强肠道对低灌注的耐受等途径实现，从而明显降低小鼠肠道I/R后的病死率［25］。

肠外补充Gln对改善危重症患者预后有重要作用，但有研究发现［26］，肠外营养可降低 IgA、白细胞介素(interleukin，IL)4及IL-10的水平，而增加细胞间黏附分子1的表达及淋巴细胞聚集，补充Gln可以使细胞间黏附分子1和IL-4表达恢复正常。Coeffier等［27］利用人肠黏膜细胞观察了Gln对炎性反应的影响，结果发现Gln可降低IL-1诱导前炎性细胞因子(IL-6)的产生，而增加抗炎因子IL-10的产生。这些结果提示肠道补充Gln可调节小肠黏膜的炎性反应。

2．3 Gln对肠道I/R时肠黏膜凋亡的影响 正常小肠黏膜上皮是一种动态的上皮，3～8 d更新一次，其本身就存在自发性凋亡，以清除衰老细胞。其屏障功能的完整性和内环境的稳定性主要依赖肠黏膜细胞凋亡和增殖之间的稳态平衡。Mandir等［28］研究表明，隐窝是肠上皮细胞增殖的场所，在增殖过程中利用凋亡机制来去除增殖过多的细胞以及发生畸变的细胞，而在绒毛上部是成熟细胞与衰老细胞交替带，通过凋亡来去除老化细胞。

Gln是一些快速代谢细胞的重要能源物质，具有多种功能，如促进免疫细胞增殖、保护机体细胞免受氧化应激损伤和减少细胞凋亡等。在诱导脓毒症及败血症的实验模型后给予单一Gln静脉注射，结果显示Gln可通过调节炎性介质，如增加IL-10水平，减少中性粒细胞趋化因子1和IL-6水平，从而减轻肠道上皮细胞凋亡，有利于脓毒症及败血症的治疗［29］。

热休克蛋白家族成员中的血红素加氧酶1是一种广泛存在的抗氧化防御酶，有显著的抗细胞凋亡作用。Umeda等［30］对失血性休克大鼠模型用Gln预处理，观察发现肿瘤坏死因子α、诱导型一氧化氮合酶、caspase-3、细胞间黏附分子1表达降低，细胞素合成抑制因子IL-10和抑制细胞凋亡的Bcl-2基因表达增加，回肠黏膜炎症明显改善，细胞凋亡减少，因此提出Gln对失血性休克时肠道黏膜的保护机制可能是通过增加肠道血红素加氧酶1的水平实现的。

Gln有促进细胞增殖和抗细胞凋亡的双重功效。Gln可与表皮生长因子、重组人生长激素协同发挥促小肠黏膜增殖作用［19，24］，还能激活丝裂原蛋白激酶［26］。但细胞增殖、分化是一个较长期的过程(约60 h)，肠上皮干细胞经过多次分裂才能逐渐分化为成熟的黏膜细胞。所以，Gln无法通过增殖途径对I/R引起的肠黏膜损伤起到保护作用。

3 结语

肠道I/R是休克损伤的共同通路。肠道I/R时引起肠黏膜上皮细胞凋亡，肠道黏膜糜烂和破坏，菌群失调，加之促炎性细胞因子的大量分泌和肠道通透性的增加，引起肠道细菌易位［31］。Gln作为肠上皮细胞重要的能量来源，是肠黏膜细胞不可缺少的能源物质，支持氨基酸的生物合成，又是淋巴细胞合成的原料。目前其分子水平机制虽然尚未完全清楚，但多数研究表明在应激状态下补充Gln可抑制炎性因子的表达、提高肠黏膜屏障功能和免疫细胞功能，调节肠黏膜上皮细胞的增殖与凋亡。因此，欧洲肠外营养学会指出，Gln是重症患者的必需氨基酸［32，33］。临床上，各种危重患者不可避免地出现肠黏膜屏障功能的损伤，导致肠黏膜屏障功能损伤、免疫功能降低及肠上皮细胞凋亡增加。寻找肠黏膜保护的方法不能通过某一种或几种物质，随着人们对肠黏膜屏障损伤机制的深入了解，物质间的联合作用对肠黏膜屏障功能的影响将会是今后的研究热点。

［1］ Mazman SK，Round JL，Kasper DL．A microbial symbiosis factor prevents intestinal inflammatory disease［J］．Nature，2008，453(7195):620-625．

［2］ Jia W，Li H，Zhao L，et al．Gut microbiota:a potential new territory for drug targeting［J］．Nat Rev Drug Discov，2008，7(2):123-129．

［3］ Gosain A，Gamelli RL．Role of the gastrointestinal tract in burn sepsis［J］．J Burn Care Rehabil，2005，26(1):85-91．

［4］ Swidsinski A，Loening-Baucke V，Theissig F，et al．Comparative study ofthe intestinal mucus barrier in normal and inflamed colon［J］．Gut，2007，56(3):343-350．

［5］ Ducroc R，Sakar Y，Fanjul C，et al．Luminal leptin inhibits L-glutamine transport in rat small intestine:involvement of ASCT2 and B0AT1［J］．Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2010，299(1):G179-G185．

［6］ dos Santos RG，Viana ML，Generoso SV，et al．Glutamine supplementation decreases intestinal permeability and preserves gut mucosa integrity in an experimental mouse model［J］．JPEN J Parenter Enteral Nutr，2010，34(4):408-413．

［7］ Curi R，Lagranha CJ，Doi SQ，et al．Molecular mechanisms of glutamine，action［J］．J Cell Physiol，2005，204(2):392-401．

［8］ 沈通一．谷氨酰胺对肠屏障功能保护作用的研究进展［J］．肠外和肠内营养，2003，10(3):177-180．

［9］ 杜婵，刘敦贵．谷氨酰胺在小肠保存中的作用的实验研究［J］．肠外和肠内营养，2004，11(1):25-28．

［10］ Guiqi G．Pre-treatment with glutamine attenuates lung injury in rats subjected to intestinal ischaemia-reperfusion［J］．Injury，2010，41(7):737-742．

［11］ Jakesevic M，Aaby K，Borge GI，et al．Antioxidative protection of dietary bilberry，chokeberry and Lactobacillus plantarum HEAL19 in mice subjected to intestinal oxidative stress by ischemia-reperfu-sion［J］．BMC Complement Altern Med，2011，11:8．

［12］ Ergün O，Ergün G，Oktem G，et al．Entoral resveratrol supplementation attenuates int estinal epithelial inducible nitric oxide synthase activity and mucosal damage in experimental necrotizing enterocolifis［J］．J Pediatr Surg，2007，42(10):1687-1694．

［13］ Solaroglu I，Okutan O，Kaptanoglu E，et al．Increased xanthine oxidaseactivity after traumatic brain injury in rats［J］．J Clin Neurosci，2005，12(3):273-275．

［14］ Lu BY，Chang JY．Assay of disulfide oxidase and isomerase based on themodel of hirudin folding［J］．Anal Biochem，2005，339(1):94-103．

［15］ Deitch EA，Lu Q，Feketeova E，et al．Intestinal bacterial overgrowth induces the production of biologically active intestinal lymph［J］．J Trauma，2004，56(1):105-110．

［16］ Takizawa Y，Kitazato T，Kishimoto H，et al．Effects of antioxidants on drug absorption in in vivo intestinal ischemia/reperfusion［J］．Eur J Drug Metab Pharmacokinet，2011，35(3/4):89-95．

［17］ Lappara JM，Sanz Y．Interactions of gut microbiota with functional food components and nutraceuticals［J］．Pharmacol Res，2010，61(3):219-225．

［18］ Liu X，Fu YM，Meadows GG．Differential effects of specific amino acid restriction on glucose metabolism，reduction/oxidation status and mitochondrial damage in DU145 and PC3 prostate cancer cells［J］．Oncol Lett，2011，2(2):349-355．

［19］ Salvalaggio PR，Neto CZ，Tolazzi AR，et al．Oral glutamine doesnot prevent bacterial translocation in rats subjected to intestinal obstruction and Escherichia coli challenge but reduces systemic bacteria spread［J］．Nutrition，2002，18(4):334-337．

［20］ Schuster H，Blanc MC，Bonnefont-Rousselot D，et al．Protective effects of glutamine dipeptide and alpha-tocopherol against ischemia-reperfusion injury in the isolated rat liver［J］．Clin Nutr，2009，28(3):331-337．

［21］ 崔巍，闻颖，董亚珞，等．谷氨酰胺对体外培养肠上皮细胞屏障通透性的影响［J］．世界华人消化杂志，2008，16(33):3729-3733．

［22］ Demirkan A，Savaş B，Melli M．Endotoxin level in ischemia-reperfusion injury in rats:effect of glutamine pretreatment on endotoxin levels and gut morphology［J］．Nutrition，2010，26(1):106-111．

［23］ Pontell L，Sharma P，Rivera LR，et al．Damaging effects of ischemia/reperfusion on intestinal muscle［J］．Cell Tissue Res，2011，343(2):411-419．

［24］ Ikeda S，Kudsk KA，Le T，et al．Glutamine improves impaired cellular exudation and poly morphonuclear neutrophil phagocytosis induced by total parenteral nutrition after glycogen-indced murine peritonitis［J］．Shock，2003，19(1):50-54．

［25］ Ikeda S，Zarzaur BL，Johnson CD，et al．Total parenteral nutrition supplementation with glutamine improves survival after gut ischemia/reperfusion［J］．JPEN J Parenter Enteral Nutr，2002，26(3):169-173．

［26］ Fukatsu K，Lundberg AH，Kudsk KA，et al．Modulation of organ ICAM-l expression duringⅣ-TPN with glutamine and bombesin［J］．Shock，2001，15(1):24-28．

［27］ Coeffier M，Marion R，Ducrotte P，et al．Modulating effect of glutamine on IL-l beta-induced cytokine production by human gut［J］．Clin Nutr，2003，22(4):407-413．

［28］ Mandir N，Fitzgerald AJ，Gcodlad RA．Differences in the effects of age on intestinal proliferation，crypt fission and apoptosis on the small intestine and the colon of the rat［J］．Int J Exp Pathol，2005，86(2):125-130．

［29］ Oliveira GP，Oliveira MB，Santos RS，et al．Intravenous glutamine decreases lung and distal organ injury in an experimental model of abdominal sepsis［J］．Crit Care，2009，13(3):R74．

［30］ Umeda K，Takahashi T，Inoue K，et al．Prevention of hemorrhagic shock-induced intestinal tissue injury by glutamine via heme oxygenase-1 induction［J］．Shock，2009，31(1):40-49．

［31］ Wang B，Huang Q，Zhang W，et al．Lactobacillus plantarum Prevents Bacterial Translocation in Rats Following Ischemia and Reperfusion Injury［J］．Dig Dis Sci，2011，18．［Epub ahead of print］

［32］ Fan J，Meng Q，Guo G，et al．Effects of enteral nutrition supplemented with glutamine on intestinal mucosal immunity in burned mice［J］．Nutrition，2009，25(2):233-139．

［33］ Singer P，Berger MM，Van den Berghe G，et al．ESPEN guidelines on parenteral nutrition:intensive care［J］．Clin Nutr，2009，28(4):387-400．