肠屏障功能与消化系统疾病关系的研究进展

姚 鹏，郝 娜

人体每天都暴露于可能危害健康的潜在有害物质和传染原中。胃肠道（gastrointestinal, GI）与外部环境的接触面积最大，因此是承受较大抗原负荷的区域，其表面积约为250平方米[1]。为确保内部稳态，胃肠道具有消化作用，既包括营养物质的吸收以及水和电解质的运输，也需要防御作用以防止包括病原体，抗原和促炎因子在内的潜在有害物质从肠腔进入内部环境，同时允许有利于肠道免疫系统发展和免疫耐受的物质选择性通过[2]。实际上，肠道黏膜特别适合共生细菌的定居，这些细菌在消化过程中起决定性作用，并影响肠道免疫系统的功能[3]。消化功能和防御功能都基于肠道黏膜的特殊解剖结构，尤其是“肠道屏障”，其中各种免疫和非免疫机制会融合并协同发挥作用[4]。如果肠屏障功能出现障碍将导致本应排出的腔内物质进入体内环境，从而引起过度的免疫反应，加剧屏障功能障碍并延长炎症状态，这就造成多种胃肠道疾病。

1 解剖结构

组成肠屏障的元素根据其性质和解剖位置分为细胞外成分和细胞成分。

1.1 细胞外成分 胃肠道的第一道防线是在肠腔中，那里的微生物和抗原通过pH值以及胃、胰腺和胆汁的分泌以非特异性方式降解。消化酶主要包括蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和核酸酶，其通过破坏细胞壁对微生物产生毒性作用[5]，从而初步清除大部分饮食中的微生物。肠上皮有一层微结构，包括约100微米厚的黏液，水和糖萼层，主要由具有疏水性和表面活性的杯状细胞分泌，可防止肠腔内细菌黏附到肠上皮[6]。

在黏液层内，富含抗菌肽的黏液可以防止黏膜粘连和微生物入侵。该层包含浆细胞合成的分泌性免疫球蛋白A（SIgA）及Paneth细胞分泌的抗菌产物，包括磷脂、带负电荷的黏蛋白和对细菌、真菌、病毒具有活性的肽。抗菌肽可诱导细菌裂解，增加肠腔内的水液分泌，从而洗去上皮表面的细菌，还在微生物群调节中起作用，因此可帮助建立适应性免疫应答[7]。上皮中较稠密的非搅拌黏液层，也称为糖萼，可促进营养吸收，保留上皮的水合作用并保护上皮内膜免受腔内消化酶的作用。糖萼在上皮更新和分化以及维持口腔耐受性中也发挥着作用，通过信号传导限制肠道抗原的免疫原性[8]。此外，氯和水主要通过肠细胞分泌到肠腔中，阻止细菌定居，并通过对肠内容物的稀释作用减慢抗原向固有层的转运。最后，肠道肌肉层引起的蠕动可排空腔内物质并减少保留时间，从而减少了肠腔内潜在有毒或致病物质的存在。

1.2 细胞成分 细胞以特异性或非特异性方式起作用。肠道菌群及微生物群位于最外层，是影响上皮屏障代谢的关键组成部分。此外，共生菌群通过竞争营养，改变pH值，释放有益的抗微生物物质，来限制病原菌的定殖。肠道菌群还可以为宿主提供其他功能，包括营养获取和能量调节，影响炎症反应，上皮修复和血管生成等过程[9]。肠上皮具有一层专门的极化上皮细胞，3～5 d更新一次。尽管大多数细胞是肠上皮细胞（约占80%），但肠上皮发挥的不同作用来自多种细胞的共同协作，如存在于黏液分泌的杯状细胞，防御素分泌的Paneth细胞，激素和神经肽分泌中的其他细胞等[10]。

上皮细胞组成一个连续的极化单层，其中单个细胞膜通过蛋白质复合物相互连接并连接至基底膜，从而为上皮提供发挥其特定功能所需的结构完整性和细胞活性。这些细胞间连接被分为紧密连接，锚定连接和连通连接[11]。

2 生理功能

2.1 肠道免疫作用 上皮屏障、水和抗菌素的分泌以及肠蠕动限制了抗原和微生物从肠腔进入人体内部环境。但这些非特异性机制并不总是足够的，因此需要监测系统（即免疫系统）来快速协调地做出反应。因此，免疫系统在获得对无害抗原（例如来自饮食或共生微生物的抗原）的耐受性同时，也会吸收有害物质，并在生理性炎症的状态下持续活化[12]。

被激活的第一个免疫反应是非特异性的，取决于先天免疫系统。上消化道中广泛地存在着上皮细胞，树突状细胞，巨噬细胞和自然杀伤细胞（natural killer, NK）。这些细胞识别细菌、真菌和病毒的病原体相关分子模式（pathogenassociated molecular pattern, PAMP），包括模式识别受体（pattern recognition receptor, PRR）等。这些受体具有双重功能，无论在体外还是在体内，它们都为上皮细胞提供对顶和基底外侧刺激的不同反应[13]。在正常情况下，共生细菌对PRR的顶端激活有助于分泌抗菌物质并维持一定的抗炎能力。当上皮屏障的结构发生变化时，细菌可能会进入，并通过激活固有免疫系统细胞上的基底外侧PRR来促发促炎反应[14]。树突状细胞不断检测细菌和抗原，并将其吞噬、呈递。这决定了免疫系统对细胞和体液的进一步免疫反应。因此，在局部引起足够的炎症反应之前，它们必须区分来自病原微生物的信号和来自共生微生物的信号以及无害抗原[15]。与病原微生物相比，共生微生物中的PAMP被认为对PRR的亲和力较小，或者它们可能需要其他病原信号（例如毒素）的聚集才能触发免疫反应[13]。先天免疫系统包含几个细胞亚群，其激活取决于环境中存在的细胞因子。例如NK细胞在内的特定亚群对糖脂有反应，包括炎症过程中释放的凋亡性肠上皮细胞的细胞内脂质，非生理酶修饰的饮食糖脂以及肠腔中细菌的糖脂等[16]。

2.2 肠黏膜通透性 肠黏膜通透性可以定义为黏膜表面被特定物质穿透的能力。营养物质的通过以及肠腔和黏膜之间的主动（转运）和被动（扩散）过程都是通过肠上皮进行的。肠上皮细胞由于具有顶端膜和基底外侧膜上的离子通道，其转运蛋白和泵在转运中具有很高的活性。转运的选择性过程分为细胞旁途径和跨细胞途径[17]。

细胞旁途径允许分子跨上皮总流动的85%穿过两个相邻上皮的细胞，并受到紧密连接的约束，紧密连接呈不同大小的孔以限制颗粒进入。该途径是抵抗腔内抗原的有效屏障，并且是肠道通透性的决定因素[18]。

跨细胞途径允许溶质跨肠细胞膜运输。各种机制介导分子通过跨细胞途径运输。较小的亲水性和亲脂性化合物通过被动方式经肠细胞膜的脂质双层扩散。由于上皮通透性受转运蛋白、离子、氨基酸和特定抗原的内吞作用、转运作用和胞吐作用影响，调节主动转运，较大的物质（例如蛋白质和细菌副产物）会通过细胞吞噬作用被细胞捕获，并通过载体胞吞作用主动转运到细胞质中，以进行后续加工和呈递[19]，这是肠道免疫反应的一部分。细菌、病毒和其他颗粒通过内吞或吞噬作用，进入机体，将其受体与细胞膜结合。

3 致病作用

肠屏障是一个涉及许多因素的动态系统，由于通透性增加，物质通过增加，但这并不一定意味着功能紊乱。从肠道通透性增加发展到疾病，是屏障功能维持因子的全面失衡的体现。正常情况下，通透性升高不足以引起肠道疾病，因为一旦刺激消退，上皮屏障可能就会恢复。但是，在某些病理条件下，这种自我调节能力会丧失，导致通透性增加，从而促进慢性肠道炎症。

尽管炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）的病因仍未可知，但与健康受试者相比，IBD患者的肠黏膜通透性明显增加。已经确定这是由于TJ蛋白的结构变化导致的，主要是降低claudin-3、4、5、8和封闭蛋白（occludin）的表达，增加claudin-2的表达和MLCK磷酸化，从而促进了细胞骨架的收缩[20]。鉴于这些患者的γ-干扰素(IFN-γ)和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平升高，以及细胞因子在体外对上皮屏障的影响，炎症反应过度可能是TJ蛋白结构变化的原因[21]。因此，遗传和环境因素以及屏障功能缺陷均可导致异常的免疫反应和肠道炎症。

肠易激综合症（irritable bowel syndrome, IBS）是一种胃肠道疾病，其特征为复发性腹痛及大便稠度或频率改变。IBS根据主要症状分为便秘为主，腹泻为主和混合型。据估计，全世界的患病率是10%～20%，造成了巨大的社会负担及大量医疗费用[22]。内脏知觉增加和黏膜免疫反应失调是IBS的特征，与肠屏障功能的恶化直接相关。继芬兰的初步报告[23]之后，全球IBS患者的肠道微生物组成发生明显变化的证据越来越多[24]。对IBS中粪便和黏膜相关微生物组的单独分析显示，与黏膜淋巴细胞表型相关[25]。

肠道紧密连接蛋白是构成肠黏膜机械屏障的重要组成部分，紧密连接蛋白的改变对通透性的影响取决于其调节细胞旁间隙的作用，其受损会导致肠腔内的细菌、毒素等物质可穿透肠黏膜而进入其他组织、器官或循环系统，发生细菌或毒素移位，从而导致疾病的发生。丁丽等[26]研究指出claudin-1在调节血管通透性中发挥重要作用，在胃癌患者的脑微血管中，claudin-1的表达量非常低。有研究发现，溃疡性结肠炎模型大鼠存在肠黏膜屏障功能障碍，肠道细菌可移位进入远隔脏器及血液循环并激活炎症反应，是微炎症状态的发生机制之一[27]。溃疡性结肠炎患者腹腔内含有大量毒素，肠道微生态容易发生紊乱，研究发现肠黏膜缺氧会引起肠黏膜炎症，释放大量的炎症因子如TNF-α、INF-γ、白细胞介素（IL）-1、IL-6和氧自由基等，这些炎症因子进一步加重缺氧，造成肠黏膜屏障功能受损[28]。研究发现TNF-α单独作用即可引起肠黏膜机械屏障功能损害，其机制可能是通过诱导肠上皮细胞的肌球蛋白轻链激酶(myosinlightchainkinase, MLCK)蛋白表达，从而引起肌球蛋白轻链(MLC)磷酸化增加，闭锁小带蛋白1(zonula occludens 1,ZO-1)、occludin、claudin-1蛋白重新分布，最终导致肠黏膜屏障功能损害[28]。此外，肠道菌群失调也可以诱导肠上皮细胞凋亡，并增加肠上皮细胞间的通透性，进一步促进病原菌、毒素等易位，引发内源性感染。

此外，在多种慢性消化系统疾病中后期，肠道机械屏障均会受到不同程度的损伤。肠道黏膜对缺血敏感，慢性病患者肠道长期受到影响，内环境改变，腹腔压力波动，肠道黏膜毛细血管易产生缺血缺氧，灌注障碍，造成肠上皮肿胀坏死。且由于患者体内高毒素状态、肠动力下降、肠蠕动减弱等多种其他因素，造成肠道微生态破坏，致病菌数量剧增，菌群异常，破坏肠黏膜机械屏障，释放大量细胞毒性物质，加重消化道症状。

4 小结

肠屏障功能对于维持肠内稳态和预防慢性肠道炎症至关重要。熟悉其解剖及生理相关研究进展对理解其在胃肠道疾病中的作用大有裨益。越来越多的证据表明，肠屏障功能紊乱与多种胃肠道疾病相关。因此，针对恢复肠屏障防御作用的治疗策略有望恢复肠道稳态和整体健康。