运动对肠道屏障功能的影响研究进展

于春霞 傅力

天津医科大学生理学与病理生理学系（天津300070）

1 肠道屏障的结构及功能

肠道是人体水分和营养物质吸收的最大组织器官，其内表面约为400 m2的肠道屏障为机体免受外环境中有害物质和病原菌入侵提供了有效保障[1]。肠道内寄居有大量微生物，正是由于肠道内复杂的屏障系统（物理屏障及免疫屏障），使得肠腔内菌群与菌群之间、菌群与宿主之间得以和谐共生[2]。肠道屏障主要由黏液层、上皮细胞层及血管内皮层构成。肠免疫细胞、炎症因子、抗菌肽及肠腔消化液也在维持肠道屏障功能中发挥了重要作用[3]。黏液层是肠道菌群定植生存的主要部位，其内富含的大量蛋白寡糖链可作为能源物质为肠道菌提供能量，同时肠道菌对黏液蛋白的降解也进一步促进了肠上皮细胞黏蛋白的合成和分泌[4]。而剖宫所得的无菌动物由于缺乏肠道菌群，其肠腔内黏液的产生和降解不均衡，盲肠可因肠腔内黏液蓄积及水分滞留而肿大[5]。上皮细胞层是肠道物理屏障的核心，其表面分布的紧密结合蛋白在调控肠道对水及小分子物质的吸收、转运及维持肠壁渗透性方面发挥了重要作用[6]。紧密结合蛋白的核心成分是跨膜蛋白，主要包括Occludin、连接粘附分子和Claudin蛋白家族。而Zonula Occludens 1（ZO-1）作为细胞间紧密结合蛋白，可将细胞骨架与跨膜紧密结合蛋白相连接。因此，肠道紧密结合蛋白的表达和分布异常均可明显影响肠屏障功能[7]。紧密结合蛋白表达水平降低，提示机体肠道屏障功能受损，肠道渗透性增加，造成“肠漏”[8]。动物实验表明，肠道渗透性增大可使肠腔内电解质、肠道致病菌及其代谢产物异位至循环血液、肝脏及脂肪组织的比率增加，诱导机体产生局部或全身慢性炎症反应[1]。此外，研究发现，幼鼠肠道屏障功能受损，可明显增加其罹患严重免疫缺陷病的发病风险[9]。提示维持肠道屏障功能的完整性在防治多种疾病的发生发展中发挥重要作用。

2 菌群稳态与肠道屏障功能的关系

研究发现，肠道菌群作为机体最大的共生体可参与宿主多项生理功能的调节，包括对食物的消化吸收、神经营养作用、促进维生素和激素的合成及抑制肠道病原菌定植等[1]。同时，肠道屏障可依据菌群组分变化，通过免疫调节系统快速识别并适应肠道菌群变化，有效避免由肠道菌群紊乱所致的炎症反应的发生[10]。而当肠道屏障的适应调节能力无法维持菌群与宿主之间的协调稳态时，机体健康即受到显著影响。因此，菌群失衡是影响肠道屏障功能的重要因素之一。Ploger等观察炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）患者的肠道菌群发现，与健康成年人相比，患者肠道内黏附侵袭性大肠杆菌比例显著增加，而肠道产丁酸菌比例显著下降[11]。丁酸是维持并促进肠道紧密结合蛋白稳定及表达的无机小分子[1]，肠道产丁酸菌比例的降低大大增加了患者发生“肠漏”的风险。电镜观察发现，患者肠上皮细胞存在不同程度的皱缩、细胞间隙增大、炎性细胞浸润及肠道渗透性增加等病理特征。且上皮细胞结构变异及肥大细胞活化程度与患者腹痛、腹泻症状呈显著正相关[12]。而患者在服用益生菌干预1 周后，其肠道渗透性及胃肠道症状均明显改善[11]。除消化道疾病外，研究发现，肠道屏障功能变化同样能够影响机体糖、脂代谢稳态[13]。肠道渗透性增加使肠腔内脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）及肠道致病菌有机会进入循环血，高内毒素血症可促进机体释放大量炎性因子，诱导机体产生局部或全身慢性低炎症反应[14]。LPS作为革兰氏阴性菌外膜的糖脂，菌群组分的变化可直接影响肠腔内LPS含量。动物实验发现，给予正常饮食小鼠连续灌胃LPS 4周后，小鼠血清炎症因子水平较对照组明显增加，且出现胰岛素抵抗及脂肪肝等类似肥胖小鼠的代谢表型[15]。在离体实验中，使用LPS干预肠上皮细胞12小时后，细胞渗透性明显增加，且occludin 和ZO-1 两种紧密结合蛋白的mRNA表达水平显著降低[16]。有证据表明，LPS与高表达于肠道的Toll 样受体4 （toll-like receptor 4，TLR4）的结合是影响肠道紧密结合蛋白表达的重要因素之一。Spruss等对TLRs全基因敲除小鼠进行长期高糖饮食干预，其糖、脂代谢指标较对照组无明显差异，提示TLRs 及LPS水平变化是菌群结构影响肠道屏障功能的重要因素[17]。类似的研究发现，ob/ob及db/db小鼠与野生鼠相比，即便在相同饮食干预下，其肠道菌群组分与对照组相比仍存在明显差异，且小鼠肠道渗透性及血清LPS 含量较对照组小鼠明显增加[18]。以灌胃方式给予小鼠抗生素或益生菌后，小鼠肠道紧密结合蛋白基因和蛋白表达水平、血清炎症反应及代谢综合征均得到显著改善[19]。这些研究结果提示肠道菌群稳态与肠道屏障功能间存在密切联系，菌群稳态和肠道屏障功能的完整性是维持机体健康的重要保障。

3 运动对菌群稳态及肠道屏障功能的影响

肠道菌群稳态是影响肠道屏障功能的主要因素之一[20]。运动作为预防和治疗多种慢病的重要手段，对肠道菌群稳态同样具有显著作用。多项研究表明，长期有氧运动可显著增加肠道菌群丰度，优化菌群结构，提高肠道益生菌比例[21]。Clark 等发现，长期运动训练可显著增加橄榄球运动员肠腔中Akkermansia 菌属的比例[22]。Akkermansia菌可通过促进肠道紧密结合蛋白的表达、增加肠道抗炎Treg细胞数量、增厚肠道黏液层改善肠道屏障功能[23]。动物实验发现，长期跑台或跑轮训练均可显著增加小鼠和大鼠肠道中双歧杆菌和乳酸菌比例，二者在降低血清LPS含量，促进肠道紧密结合蛋白表达，改善肠道屏障功能中发挥重要作用[24-25]。此外，有研究表明，长期有氧运动可显著增加机体肠道产丁酸菌比例（Lachnospiraceae 及Faecalibacterium菌门等）[26]。丁酸作为肠道菌群发酵纤维素类物质产生的无机小分子，丁酸在调节肠黏膜细胞增殖、分化，促进肠道紧密结合蛋白基因转录调控过程中发挥重要作用[27]。因此，肠道丁酸的含量增加可能是运动调节菌群结构、改善肠道屏障功能的另一重要因素。

除菌群因素外，有证据表明，运动对肠道屏障功能的影响亦受运动形式及运动强度的影响[28]。长时间耐力运动及高强度运动均可导致肠道屏障功能受损，其中机制可能与机体血液重新分布有关。运动过程中，血液主要集中于心脏和骨骼肌，肠道短时间出现缺血、缺氧等症状，且随着运动强度加大，持续时间延长，机体血液重新分布现象越明显。而肠系膜缺血、缺氧及缺血再灌注所致的肠道pH 值降低是诱导肠道发生氧化应激及代谢异常的主要原因。高强度运动所致的过量氮、氧化物的产生加剧了肠道生物分子的氧化损伤，导致肠道紧密结合蛋白及肠上皮细胞的结构和功能受损，造成“肠漏”[29]。此外，剧烈运动过程中，体内核心温度持续性增加，而长时间体温过热（>40℃）亦可造成肠上皮细胞受损，导致细胞脱落、肠绒毛收缩、水肿或出血等[26]。动物实验发现，赛狗比赛中，持续的剧烈运动可造成狗肠道渗透性增加，并伴有胃粘膜溃疡和糜烂现象的发生（赛前溃疡面积0%，赛后61%）[30]。人体试验中，临床常用尿液中乳果糖/鼠李糖（lactulose/rhamnose，L/R）的比值作为机体肠渗透性变化的指标[31]。Pals 等分别对比了在40%、60%、80% 最大摄氧量强度下进行单次跑台训练的健康受试者训练1小时后尿液中L/R的比值，结果发现，仅在80% 最大摄氧量强度下运动，受试者肠道渗透性才明显增加[32]，提示运动强度是影响肠道屏障功能变化的重要因素。考虑到肠道屏障对不同运动强度的适应性不同，“运动破坏肠道屏障功能”的结论似乎与之相悖。近些年来，有研究表明，长期（数周或数月）有氧运动可增强机体对运动的适应能力，肠道屏障功能可在长期运动干预下得到明显改善[28]。动物实验发现，12 周高脂饮食可导致小鼠肠绒毛基底部明显增宽，其机制可能与肠道炎性细胞浸润及脂肪细胞增多有关，而高脂饮食结合跑轮运动组小鼠肠绒毛形态及肠道炎症细胞浸润比例明显改善[33]。Kang 等的研究也表明，长期跑轮运动干预可显著增加小鼠肠道淋巴细胞中抗氧化酶、抗炎因子及抗凋亡蛋白的表达，血清炎症因子水平降低。提示长期有氧运动在维持肠绒毛形态、改善肠道免疫反应方面发挥积极作用[34]。此外，人体试验发现，胰岛素抵抗患者在进行适度有氧运动训练（40～60 分钟，60% 最大摄氧量强度自行车运动）2 周后，其血清中LPS 及TNF-α水平明显降低[35]。与此相似，2型糖尿病患者在进行每周90 分钟、持续6 个月的混合运动训练（有氧运动+抗阻运动+自主运动）干预下，其肠道渗透性得到明显改善[36]。有研究指出，长期有氧运动对机体肠道屏障功能的积极影响与机体肠道菌群结构的改善，血清炎症水平的降低及肠道ROS水平耐受等因素有关[28]。但由于目前相关研究较少，相关动物模型及其潜在机制还需进一步验证。

4 结论及展望

研究表明，多种肠内及肠外疾病的发生发展均与肠道屏障功能受损、肠渗透性增加有关。肠道菌群与肠上皮细胞间的相互作用是影响肠道屏障功能的核心，有氧运动干预可有效改善小鼠肠道屏障功能及能量代谢稳态。运动作为防治多种慢病的有效干预手段，同样也是调节肠道菌群、改善肠道菌群结构的重要因素之一，然而不同运动形式及运动强度对肠道屏障功能影响的显著差异，其中机制尚不完全明确。深入探究运动干预对肠道屏障功能的影响可为运动疗法改善机体能量代谢的临床应用提供新的理论依据。