Progress of Research on Stress-related Intestinal Barrier Dysfunction



·综述·

Progress of Research on Stress-related Intestinal Barrier Dysfunction

WANGXiaoteng,CHENChaoying,ZHANGMeng,LÜBin.

DepartmentofGastroenterology,theFirstAffiliatedHospitalofZhejiangChineseMedicalUniversity,Hangzhou(310006)

Correspondence to: LÜ Bin, Email: lvbin@medmail.com.cn

AbstractIntestinal barrier is formed by intestinal mucous layer, epithelial cells, cellular tight junction, enterocyte membrane, submucosal lamina propria and immunologic factors, and plays a pivotal role in maintaining gastrointestinal function. Different types of stress can induce intestinal barrier dysfunction and increased intestinal permeability, leading to a series of gastrointestinal diseases. This article reviewed the progress of research on pathological changes and mechanism of stress-related intestinal barrier dysfunction.

Key wordsStress;Intestinal Barrier Function;Permeability

肠黏膜屏障包括由肠上皮细胞与细胞间连接构成的机械屏障、肠道菌群及其代谢产物构成的生物屏障、肠道固有层淋巴细胞分泌的IgA、IgM、IgE与多种免疫细胞构成的免疫屏障。肠上皮结构由完整上皮细胞、脂质双分子层和细胞间连接组成，而肠上皮细胞间的紧密连接是维持肠黏膜屏障功能的基础。应激是机体对外界刺激的非特异性适应性反应，长期处于应激状态会引发应激性疾病。近年越来越多的证据表明应激可引起肠上皮细胞间紧密连接减少，黏膜通透性增高，肠屏障功能破坏[1-2]。本文就应激相关肠屏障功能损伤的病理变化以及发生机制的研究进展作一综述。

一、应激状态下肠屏障功能的变化

1. 肠黏膜通透性变化：肠上皮细胞间连接包括紧密连接、缝隙连接、桥粒连接等，其中以紧密连接最为重要。细胞间紧密连接主要由紧密连接蛋白组成，包括咬合蛋白occludin、闭合蛋白claudin家族、带状闭合蛋白(ZO)家族以及连接黏附分子(JAM)等，在维持肠黏膜通透性中发挥关键作用。肠上皮细胞损伤以及肠上皮结构的破坏是肠黏膜通透性变化的主要原因。Vanuytsel等[2]的研究发现，急性心理应激可上调正常人乳果糖/甘露醇比值，引起肠黏膜通透性升高。Zhong等[3]发现，乙醇诱导的氧化应激可引起人结直肠癌Caco-2细胞紧密连接蛋白ZO-1表达下降，伴右旋糖酐FD-4的通透性升高。Keita等[4]的研究发现应激可升高辣根过氧化酶通透性，引起肠屏障功能损伤。近来一项研究[5]结果进一步证实，急性应激可上调肠黏膜通透性，同时下调肠道紧密连接蛋白表达。

2. 肠道菌群易位和改变：完整的肠屏障仅允许小分子物质通过，而细菌和内毒素等大分子物质无法通过。应激条件下，肠道内病原体和细菌跨过肠上皮进入黏膜固有层，进而引起肠道免疫激活和慢性炎症。同时，应激可引起神经递质和促炎因子水平发生变化，导致肠道菌群改变。研究发现，长期应激可引起肠道菌群的种群结构发生变化，菌群多样性的降低使宿主对各类病原体更易感[6]。肠道菌群、宿主免疫系统以及脑-肠轴间的相互关系在应激引起肠道菌群易位和改变中起重要作用，其可能的机制包括直接作用于肠上皮细胞、免疫细胞介导以及神经末梢信息转导。

3. 肠道分泌功能改变：正常情况下肠腔表面由一层含有抗菌肽和消化酶的黏液覆盖，起防止肠道细菌、病原体附着和入侵的作用。黏液层的主要成分黏蛋白MUC2由肠道杯状细胞分泌，而Paneth细胞通过识别细菌和分泌抗菌肽，在肠道先天性免疫中起重要作用。有研究发现，应激可使杯状细胞和Paneth细胞数量减少，肠道内分泌细胞数量增多，改变肠道内分泌功能，使宿主对细菌、病原体的抵抗力减弱，最终导致肠屏障功能损伤[1]。Da Silva等[7]的研究发现，急性应激可通过影响黏蛋白糖基化，引起肠道黏液分泌功能改变，进而导致肠屏障功能损伤。此外，应激可增加肠道水和离子的分泌，有助于防止病原体和有害物质的附着，并通过稀释和冲刷肠道黏膜降低相关物质的渗透吸收。

4. 肠上皮增殖与凋亡变化：各类理化因素引起的机体代谢应激通常会导致肠上皮细胞增殖与凋亡能力的改变。肠上皮细胞内活性氧含量增高、ATP水平下降、线粒体内钙离子负荷以及细胞凋亡因子的激活，均会抑制肠上皮增殖能力，激活凋亡，最终引起肠屏障的破坏[8]。一项研究[9]发现，慢性心理应激处理后的小鼠肠上皮细胞增殖与凋亡能力降低，肠黏膜分泌IgA、IL-6、TNF、IFN-γ以及CD3、CD4的能力明显下降，这可能与慢性心理应激后引起肠黏膜免疫功能抑制有关。

二、应激相关肠屏障功能损伤的发生机制

肠屏障功能的调节主要由自主神经系统、中枢神经系统、肠神经系统、交感-肾上腺髓质系统以及下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴)等共同完成。目前认为应激引起肠屏障功能损伤与脑-肠轴密切相关，主要包括交感-肾上腺髓质系统、HPA轴以及肠黏膜免疫-肠道菌群交互作用，而各类神经内分泌细胞、神经递质、炎症因子亦与应激相关肠屏障功能损伤的发生存在一定联系。

1. 交感-肾上腺髓质系统：应激情况下，交感-肾上腺髓质系统兴奋，肠道血管收缩，血流量减少，肠黏膜组织供血供氧不足，加之组织代谢率升高，耗氧量增加，使肠黏膜组织缺氧，肠上皮细胞内酸中毒，ATP合成减少，继而引起线粒体功能障碍。ATP合成不足导致的细胞能量代谢障碍诱导活性氧生成，又进一步消耗ATP，加重线粒体功能障碍程度，两者相互作用最终导致肠屏障功能损伤[8,10]。Lyte等[11]的系统综述发现，应激条件下交感-肾上腺髓质系统可促进分泌型免疫球蛋白(s-IgA)的表达与分泌，而后者在抵御病原体、保护肠黏膜中发挥重要作用。此外，儿茶酚胺类物质与肠道菌群之间亦存在复杂的联系，因此，应激条件下交感-肾上腺髓质系统对肠屏障的作用可能更为复杂，有待进一步研究加以证实。

2. HPA轴：机体受到应激刺激时，HPA轴兴奋，促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)合成增加，通过作用于垂体前叶促进促肾上腺皮质激素(ACTH)分泌，后者促进肾上腺皮质分泌糖皮质激素(GC)，完成经典的应激-HPA轴通路。HPA轴通过与中枢神经、肠道免疫、肠道菌群间复杂的相互作用，影响肠屏障功能的完整。

①促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)：作为应激反应的重要介质之一，CRF的作用一部分以激素形式通过HPA轴实现；另一部分则通过神经递质发挥作用。CRF广泛分布于胃肠道，其受体CRF-R1主要分布于肠神经丛、黏膜下神经丛以及肠黏膜固有层，CRF-R2则在结肠黏膜以及黏膜下血管中表达较多[12]。CRF-R1的激活可引起肠道动力改变，在肠道通透性增加和肠道高敏感中发挥重要作用；激活CRF-R2可导致胃排空减慢，并通过调节CRF-R1介导的肠道动力改变而降低肠黏膜通透性。动物模型实验[4,13]发现，急性应激可激活CRF和乙酰胆碱信号通路，通过作用于肥大细胞(MC)，CRF-R1引起MC增生和高分泌状态，CRF-R2改变黏膜通透性，促进肠道病原体黏附渗透，从而引起肠屏障功能的破坏。Vanuytsel等[2]发现急性心理应激可引起肠黏膜通透性升高，外周注射CRF能取得相同结果，而注射MC膜稳定剂可阻断这一作用。事实上，CRF与MC联系紧密，两者间的相互作用需包括TNF-α、肌球蛋白轻链激酶、蛋白酶激活受体-2、神经生长因子等在内的一系列相关介质的介导[14-15]。有研究认为嗜酸性粒细胞以及神经肽P物质(SP)在CRF-MC相互联系中亦发挥重要作用，急性应激诱导SP分泌释放，通过介导肠道嗜酸性粒细胞，表达CRF作用于MC，引起肠屏障功能的损伤[16]。此外，应激状态下CRF-R1、CRF-R2能通过抑制肠道分泌细胞(以杯状细胞和Paneth细胞为主)的合成，减少黏蛋白分泌，从而引起肠屏障功能受损[1]。CRF-R1、CRF-R2表达变化的不同趋势，说明两者在应激相关胃肠道功能改变中的作用不同。

②ACTH：垂体ACTH的分泌受多种因素调节，包括CRF以及精氨酸血管加压素(AVP)，其中前者起主要作用。有关ACTH与应激相关肠屏障功能损伤的研究并不多，其作用可能更多通过HPA轴实现。Füchsl等[17]的研究显示，应激可引起小鼠垂体过度兴奋，表现为垂体ACTH细胞增生以及血浆ACTH表达升高，而随着应激的持续，机体对ACTH的反应性逐渐降低，垂体CRF-R1相关蛋白的表达降低，AVP逐渐取代CRF成为影响ACTH分泌的主要因子，同时伴随下游糖皮质激素受体(GR)表达下调，GC分泌减少。机体的这种反馈性调节，主要作用于HPA轴的垂体-肾上腺环节，有助于防止靶器官过度兴奋，而其对应激状态下肠屏障功能的影响是否通过CRF-R1和GR表达的变化实现，仍需进一步深入研究。

③GC：作为经典HPA轴的最后一环，GC主要通过相关受体发挥作用。大量分泌的皮质醇激活细胞质基质GR，ATP合成增加的同时伴随过氧化物的合成增多。正常情况下，过氧化物可通过铜锌过氧化物歧化酶(Cu，Zn-SOD)转化为H2O2，进而在过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化物酶帮助下转化为H2O和O2。应激条件下，过氧化物、H2O2以及羟基自由基合成大量增加，引起细胞氧化应激，导致细胞膜结构破坏，细胞通透性增加等一系列改变[18]。有研究[19]发现，幼年应激可导致大鼠肠上皮对GC的敏感性增加，进而引起相关肠屏障结构的破坏。也有研究认为GC改变肠上皮通透性的作用并不单一，具体表现为可通过抑制肌球蛋白轻链激酶的转录，改善肠屏障功能。Matsuo等[20]推测，GC诱导的肠屏障功能破坏与脂多糖有关，该过程需HSP70介导模式识别受体(TLR)4的活化和表达。因此，GC在应激相关肠屏障功能改变中的作用可能较为多样，机制也更为复杂。

3. MC：MC与神经-内分泌-免疫系统关系密切，是应激相关肠屏障功能损伤过程中重要的中间环节。总体而言，应激状态下各种神经介质作用于MC并引起活化，释放各类细胞因子、趋化因子等免疫活性物质，导致肠屏障功能改变，肠黏膜通透性增高。一方面，应激引起的MC活化主要与CRF相关，Overman等[14]发现CRF-MC信号通路能通过激活NF-κB，增加TNF-α和蛋白酶的释放，从而引起肠上皮结构紊乱，肠黏膜通透性改变。一项临床试验[2]证实了CRF-MC信号通路在应激相关肠屏障功能改变中的重要作用。虽然机制尚未清楚阐明，SP在应激条件MC活化中所起的作用仍需引起注意。现有观点认为SP能诱导MC释放血管活性物质，导致肠道分泌功能以及通透性增加，在非CRF介导的MC活化途径中可能发挥主要作用[21]。另一方面，活化的MC本身释放的各类免疫活性物质，包括类胰蛋白酶、组胺、5-HT以及神经生长因子，均在应激相关肠屏障功能改变中起一定作用。

4. 肠道菌群：肠道正常菌群在宿主肠道营养吸收、肠屏障功能维持以及肠生态稳定方面起重要作用。Bailey等[6]的研究发现长期束缚应激可明显改变大鼠肠道菌群数量和种群组成。这可能与某些细胞因子的改变有关，主要表现为血清IL-6和MCP-1水平升高。肠道菌群的改变导致肠生态紊乱，肠道菌群与宿主之间微妙的平衡关系被打破，出现肠黏膜炎症反应以及肠屏障功能障碍。Xu等[22]发现，应激大鼠肠道菌群改变的同时，伴随各类炎症因子水平升高，肠黏膜通透性增加以及肠上皮紧密连接蛋白表达的降低。说明应激相关肠道菌群改变与肠黏膜炎症反应、肠屏障功能障碍和肠道高敏感密切相关。Ait-Belgnaoui等[5]在小鼠应激模型基础上采用益生菌制剂干预，发现其能通过降低HPA轴和各类信号通路的活性，改善应激引起的肠屏障功能损伤。

5. 谷氨酰胺(Gln)：Gln作为合成肠上皮细胞间紧密连接结构糖蛋白所必需的成分，在供应肠上皮组织细胞能量代谢、促进肠道细胞增殖以及维持肠上皮紧密连接结构中起关键作用。各类应激条件下，Gln的合成受到抑制，组织丢失增加，消耗超过内源性合成，造成Gln的缺乏。Gln缺乏引起肠屏障功能障碍的机制可能与PI3K/AKT信号通路上调，引起肠上皮紧密连接蛋白claudin-1含量下降有关[23]。此外，在应激条件下，Gln可能通过上调HSP70表达，减少肠屏障功能的破坏；通过增加紧密连接蛋白occludin表达和抑制肠上皮细胞凋亡，降低肠黏膜通透性；通过抑制mTOR和p38MAPK信号通路，诱导细胞自噬，抑制肠屏障结构的破坏；在胞内氨基酸、生长因子缺乏的情况下，PI3K/AKT信号通路受抑制，转录因子FOXOs进入核内，增加Gln合成酶表达，介导Gln合成，从而诱导细胞自噬，更好地适应应激环境[24-26]。

6. 其他：各类活性激酶、信号通路在肠上皮紧密连接结构的形成、分解以及维持过程中起重要作用。MAPK为机体对应激作出应答的重要胞内信号转导通路之一。He等[27]认为应激可诱导细胞骨架结构的重建，而MAPK和NF-κB信号通路的激活最终引起肠屏障功能损伤。Yu等[28]的研究发现应激可通过差异性激活MAPK信号通路，引起肠屏障功能障碍，其中JNK与p38的激活与肠上皮细胞凋亡、肠屏障破坏有关，而ERK1/2的激活可能起一定的细胞保护作用。此外，应激可引起肠黏蛋白MUC糖基化，而MUC结构的改变则进一步影响肠屏障功能的完整[7]。应激引起的锌缺乏亦是导致肠屏障功能损伤的原因之一，其机制可能与锌缺乏引起的氧化应激破坏肠上皮紧密连接蛋白结构有关[3]。

三、总结

综上所述，各类心理或生理性应激事件可引起肠屏障各个方面的改变。应激相关肠屏障功能损伤的机制尚未清楚阐明，涉及神经内分泌细胞、神经递质、炎症因子、信号通路、肠道菌群等各方面。目前的研究多停留在分子细胞机制水平，神经、内分泌、免疫三者间的交互作用以及应激相关肠屏障功能损伤与疾病之间的联系均为未来进一步研究的方向。

参考文献

1 Estienne M, Claustre J, Clain-Gardechaux G, et al. Maternal deprivation alters epithelial secretory cell lineages in rat duodenum: role of CRF-related peptides[J]. Gut, 2010, 59 (6): 744-751.

2 Vanuytsel T, van Wanrooy S, Vanheel H, et al. Psychological stress and corticotropin-releasing hormone increase intestinal permeability in humans by a mast cell-dependent mechanism[J]. Gut, 2014, 63 (8): 1293-1299.

3 Zhong W, McClain CJ, Cave M, et al. The role of zinc deficiency in alcohol-induced intestinal barrier dysfunction[J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2010, 298 (5): G625-G633.

4 Keita AV, Söderholm JD, Ericson AC. Stress-induced barrier disruption of rat follicle-associated epithelium involves corticotropin-releasing hormone, acetylcholine, substance P, and mast cells[J]. Neurogastroenterol Motil, 2010, 22 (7): 770-778.

5 Ait-Belgnaoui A, Colom A, Braniste V, et al. Probiotic gut effect prevents the chronic psychological stress-induced brain activity abnormality in mice[J]. Neurogastroenterol Motil, 2014, 26 (4): 510-520.

6 Bailey MT, Dowd SE, Galley JD, et al. Exposure to a social stressor alters the structure of the intestinal microbiota: implications for stressor-induced immunomodulation[J]. Brain Behav Immun, 2011, 25 (3): 397-407.

7 Da Silva S, Robbe-Masselot C, Ait-Belgnaoui A, et al. Stress disrupts intestinal mucus barrier in rats via mucin O-glycosylation shift: prevention by a probiotic treatment[J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2014, 307 (4): G420-G429.

8 Elamin E, Masclee A, Troost F, et al. Cytotoxicity and metabolic stress induced by acetaldehyde in human intestinal LS174T goblet-like cells[J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2014, 307 (3): G286-G294.

9 Reber SO, Peters S, Slattery DA, et al. Mucosal immunosuppression and epithelial barrier defects are key events in murine psychosocial stress-induced colitis[J]. Brain Behav Immun, 2011, 25 (6): 1153-1161.

10Lewis K, McKay DM. Metabolic stress evokes decreases in epithelial barrier function[J]. Ann N Y Acad Sci, 2009, 1165: 327-337.

11Lyte M, Vulchanova L, Brown DR. Stress at the intestinal surface: catecholamines and mucosa-bacteria interactions[J]. Cell Tissue Res, 2011, 343 (1): 23-32.

12Yuan PQ, Million M, Wu SV, et al. Peripheral corticotropin releasing factor (CRF) and a novel CRF1 receptor agonist, stressin1-A activate CRF1 receptor expressing cholinergic and nitrergic myenteric neurons selectively in the colon of conscious rats[J]. Neurogastroenterol Motil, 2007, 19 (11): 923-936.

13Teitelbaum AA, Gareau MG, Jury J, et al. Chronic peripheral administration of corticotropin-releasing factor causes colonic barrier dysfunction similar to psychological stress[J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2008, 295 (3): G452-G459.

14Overman EL, Rivier JE, Moeser AJ. CRF induces intestinal epithelial barrier injury via the release of mast cell proteases and TNF-α[J]. PLoS One, 2012, 7 (6): e39935.

15Kim YS, Lee MY, Ryu HS, et al. Regional differences in chronic stress-induced alterations in mast cell and protease-activated receptor-2-positive cell numbers in the colon of Ws/Ws rats[J]. J Neurogastroenterol Motil, 2014, 20 (1): 54-63.

16Zheng PY, Feng BS, Oluwole C, et al. Psychological stress induces eosinophils to produce corticotrophin releasing hormone in the intestine[J]. Gut, 2009, 58 (11): 1473-1479.

17Füchsl AM, Langgartner D, Reber SO. Mechanisms underlying the increased plasma ACTH levels in chronic psychosocially stressed male mice[J]. PLoS One, 2013, 8 (12): e84161.

18Spiers JG, Chen HJ, Sernia C, et al. Activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal stress axis induces cellular oxidative stress[J]. Front Neurosci, 2015, 8: 456.

19Moussaoui N, Braniste V, Ait-Belgnaoui A, et al. Changes in intestinal glucocorticoid sensitivity in early life shape the risk of epithelial barrier defect in maternal-deprived rats[J]. PLoS One, 2014, 9 (2): e88382.

20Matsuo K, Zhang X, Ono Y, et al. Acute stress-induced colonic tissue HSP70 expression requires commensal bacterial components and intrinsic glucocorticoid[J]. Brain Behav Immun, 2009, 23 (1): 108-115.

21van den Wijngaard RM, Klooker TK, de Jonge WJ, et al. Peripheral relays in stress-induced activation of visceral afferents in the gut[J]. Auton Neurosci, 2010, 153 (1-2): 99-105.

22Xu D, Gao J, Gillilland M 3rd, et al. Rifaximin alters intestinal bacteria and prevents stress-induced gut inflammation and visceral hyperalgesia in rats[J]. Gastroenterology, 2014, 146 (2): 484-496.

23Li N, Neu J. Glutamine deprivation alters intestinal tight junctions via a PI3-K/Akt mediated pathway in Caco-2 cells[J]. J Nutr, 2009, 139 (4): 710-714.

24Akagi R, Ohno M, Matsubara K, et al. Glutamine protects intestinal barrier function of colon epithelial cells from ethanol by modulating Hsp70 expression[J]. Pharmacology, 2013, 91 (1-2): 104-111.

25Noth R, Häsler R, Stüber E, et al. Oral glutamine supplementation improves intestinal permeability dysfunction in a murine acute graft-vs.-host disease model[J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2013, 304 (7): G646-G654.

26Sandri M. FOXOphagy path to inducing stress resistance and cell survival[J]. Nat Cell Biol, 2012, 14 (8): 786-788.

27He S, Hou X, Xu X, et al. Quantitative proteomic analysis reveals heat stress-induced injury in rat small intestine via activation of the MAPK and NF-κB signaling pathways[J]. Mol Biosyst, 2015, 11 (3): 826-834.

28Yu J, Liu F, Yin P, et al. Involvement of oxidative stress and mitogen-activated protein kinase signaling pathways in heat stress-induced injury in the rat small intestine[J]. Stress, 2013, 16 (1): 99-113.

(2015-03-18收稿；2015-04-01修回)

应激相关肠屏障功能损伤的研究进展*

王霄腾陈超英张梦吕宾#

浙江中医药大学附属第一医院消化内科(310006)

摘要肠屏障主要由肠黏液层、肠上皮细胞、细胞间紧密连接、肠上皮基底膜、黏膜下固有层以及相关免疫因子构成，对维持胃肠道功能发挥重要作用。各类应激事件可引起肠屏障功能受损以及肠黏膜通透性增高，进而导致一系列胃肠道疾病的产生。本文就应激相关肠屏障功能损伤的病理变化以及发生机制的研究进展作一综述。

关键词应激；肠屏障功能；通透性

*基金项目：国家自然科学基金项目(81170348)

DOI:10.3969/j.issn.1008-7125.2016.01.011

#本文通信作者，Email: lvbin@medmail.com.cn