肠道Cajal间质细胞与慢性便秘发生和治疗的关系*

2021-03-29 07:26朱佳慧钱阳阳
中国病理生理杂志 2021年8期
关键词:结肠肠道神经

朱佳慧, 钱阳阳, 廖 专

(海军军医大学第一附属医院消化科,上海200433)

慢性便秘(chronic constipation,CC)是一种以腹胀、排便困难、肛门梗阻感、排便不尽感或排便干硬为主要表现的消化系统功能性疾病[1],按其病理生理主要分为慢传输型便秘(slow transit constipation,STC)、出口梗阻型便秘(outlet obstructive constipa⁃tion,OOC)、正常传输型便秘(normal transit constipa⁃tion,NTC)及 混 合 型 便 秘(mixed constipation,MC)[2]。CC在普通人群中发病率从3%到27%不等[3],并随着老龄化的进展有逐年上升趋势,为患者带来了巨大经济负担和心理焦虑[1]。由于其发病机制不明、诊断标准不一、治疗方法众多、治愈困难而受到人们的重视。

Cajal间质细胞(interstitial cells of Cajal,ICC)是一种普遍存在于消化道、胆管、尿道、输卵管、膀胱、输精管等管状结构平滑肌间的多形细胞,在发放并调节胃肠道基本电活动(慢波电位)、介导神经信号、维持节律性运动等方面具有重要作用,并与胃肠道间质瘤和梭形瘤密切相关,具有高度的可塑性和再生能力[4]。经科学家们不断探索,从最初的组织学上认识ICC的形态和分布,再到探究其电生理活动、损伤和恢复机制、生长分化等均取得显著成果。尤其在功能性胃肠疾病如胃轻瘫、贲门失弛缓症、假性肠梗阻、先天性巨结肠、功能性便秘等方面,ICC的相关研究推动了人们对这类疾病的深层次认识和精准治疗。

2019 年《欧洲神经胃肠病学和动力学会(Euro⁃pean Society of Neurogastroenterology and Motility,ESNM)成人功能性便秘指南》中明确提出,STC患者乙状结肠ICC体积及结肠环平滑肌层内神经元结构均减少,肯定了部分CC与ICC之间的密切联系[5]。CC与ICC的研究日益增加,而相关综述并未及时更新。本文就近年ICC与CC的发病机制和治疗的相关研究进行总结综述,以期对今后研究起到参考作用。

1 肠道ICC的组织学研究现状

1.1 肠道ICC形态学与分型 ICC来源于间充质干细胞,早在妊娠中期即可观察到环形肌内存在ICC,出生后深肌层ICC开始出现,并随着发育逐渐形成网络。当其被破坏,ICC细胞将转分化为成纤维细胞/平滑肌表型,在去除损伤后,此过程可逆。成熟的ICC主要呈星形和纺锤形,有2~5个突起[6],这些突起形成分支网络与胃肠道平滑肌通过缝隙连接蛋白43(connexin 43,Cx43)形成紧密连接[7]。在电镜下,ICC细胞表面与胃肠神经末梢形成类似突触样结构[8],便于各种神经递质的接收。

ICC分布广泛,存在于整个消化道中,但不同部位有一定的差异。肠壁由内向外的结构依次为黏膜、黏膜下层、肌层和浆膜层。相应地,根据所在位置,ICC可分为:(1)黏膜下ICC(submucosal ICC,ICSM),位于黏膜下,环状肌表面,在结肠中,也叫水平肌下从ICC(submuscular plexus ICC,ICC-SMP);(2)肌间ICC(myenteric ICC,IC-MY),位于环状肌和纵行肌之间的肌间神经丛内;(3)肌内ICC(intramuscu⁃lar ICC,IC-IM),位于环状肌和纵行肌束内,此类ICC分布最广;(4)深肌层丛ICC(deep muscular plexus ICC,IC-DMP)位于环状肌层内,小肠的深肌丛,介导小肠中神经传递[4]。

1.2 肠道ICC的功能 ICC的形态与其功能密切相关,其亚群参与了肠道自主节律的起搏活动,产生自主去极化的低频慢波和介导神经传递[9]。

ICC表面存在的多种离子通道,其起搏功能主要与钙离子、氯离子和钾离子的流动相关。电压依赖性钙离子通道(voltage-dependent calcium channels,VDCC)分为L型和T型,L型与Ca2+进入胞内并存储于内质网中有关,T型Ca2+通道与慢波产生相关。Ca2+在细胞中浓度的变化引起钙振荡,导致质膜中Ca2+激活的Cl−通道anoctamin 1(Ano1)开放,产生内向电流,它是ICC维持慢波平台期及慢波传导的基础[10]。ICCs具有小电导的Ca2+激活的K+通道、大电导的K+通道和腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)敏感型钾通道。其中ATP敏感型钾通道能够调控钾离子内流使细胞静息电位维持在−70 mV。离子通道表达的变化都可能导致异常慢波和胃肠节律紊乱。当敲除Ano1基因,小鼠肠道收缩力、协调性和节律性均显著下降[11];当K+通道激活使膜超极化,结肠平滑肌将放松,抑制起搏活性。

在肠神经系统中,ICC能够接受的兴奋性神经递质包括神经激肽1(neurokinin 1,NK1)、NK3、P物质(substance P,SP)、乙酰胆碱和5-羟色胺(5-hydroxy⁃tryptamine,5-HT),介导肠壁紧张性收缩,加速肠道运动;抑制性神经递质包括一氧化氮(nitric oxide,NO)、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)和血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide,VIP),可令肠壁松弛[12]。有研究表明ICC还与迷走神经肌内排列(intramuscular arrangement,IMA)的发育和维持关系密切[13]。

目前ICC相关细胞学研究主要是通过细胞表面特异性蛋白的免疫荧光染色进行,最常见的是Anol和c-Kit联合标记法[14],并且根据两者表达比例不同进行ICC亚型识别。c-Kit是一种酪氨酸激酶受体蛋白,受干细胞生长因子(stem cell growth factor,SCF)调节,c-Kit/SCF信号通路可影响ICC的分化、增殖和表型维持。另外,多种受体如接受SP和神经刺激信号的NK受体、VIP受体1、乙酰胆碱受体(M2和M3)、蛋白质基因产物9.5(protein gene product 9.5,PGP9.5)等均能够帮助识别ICC[15]。

2 便秘患者体内ICC的变化

目前,关于CC致病机制众说纷纭,主要有肠神经和神经递质异常学说、消化道激素分泌异常学说、ICC异常学说、肠道水通道蛋白异常表达学说及盆底功能障碍学说等。其中ICC异常学说随着免疫组化技术、膜片钳技术等的发展,受到广泛关注。功能性便秘的形成主要来源于肠道蠕动变慢和粪便含水量减少,ICC与前者关系密切。

2.1 便秘动物模型中的ICC 目前在多种CC的动物模型中发现结肠ICC数量、形态和功能的改变。硬膜外输注吗啡与小剂量纳洛酮合用可通过减少兔胃肠道近端结肠中的ICC来有效抑制兔的肠胃蠕动[16]。在采用地芬诺酯建立的比格犬CC模型中,可观察到慢传输组结肠壁ICC基底膜溶解,与周围细胞的连接被破坏,细胞核不同程度萎缩,c-Kit表达明显降低[17]。目前常根据ICC的改变情况进一步评价便秘模型的质量。

2.2 便秘患者肠道的ICC 一般而言,ICC-SMP和ICC-MP负责产生慢波[18],ICC-IM虽然不负责产生慢波,但能够产生单一电位,负责结肠平滑肌的松弛。

多个研究表明,CC患者结肠内ICC数量或密度较正常人低,细胞形态发生变化如突触变短等,但分布特征不受影响[19],改变或清除结肠ICC网络可导致便秘等结肠运动功能紊乱,慢波消失。张旭等[20]对慢传输型大鼠胃肠道ICC免疫组化染色后进行观察,发现与对照组比较,便秘组胃窦部位c-Kit+细胞数量无明显变化,而在小肠和结肠中均少于对照组。对于需要进行结肠切除术的严重便秘患者进行结肠壁免疫组化发现,与同年龄正常人相比,约60%的患者ICC发育不全,尤其是ICC-IM减少显著[21],而ICC减少机制尚未明了。Zhang等[22]通过对STC病人结肠研究发现细胞外基质蛋白TNX可能通过上调Smad2/3信号蛋白激活TGF-β/Smad信号通路,从而诱导ICC发生轻度或完全转化,导致患病结肠中ICC的异常分布和功能障碍。

2.3 ICC随年龄的改变 随着年龄增加,CC发病率也有所上升,ICC在肠道中的数量也随年龄有所改变,减少速度约为每10年10%。Kwon等[23]发现在大鼠升结肠和降结肠中ICC分布有所差异且随着年龄增加,降结肠受到更为严重的影响。与6个月大鼠相比,24个月大鼠的神经节细胞减少50%~60%[24]。在老年小鼠远端结肠中,环状肌厚度降低加之单位肌肉体积内ICC网络体积减少,使ICC数量减少更为明显,因此结肠末端运动能力显著降低[25]。另外,NOS的耗竭可能也参与了结肠运动功能下降的过程[26]。Gamage等[27]进一步探究了衰老导致ICC减少的相关机制,发现ICC丢失在消化道不同部位有时序性,最先发生于胃内,而后发生于肠道中,CX43表达的减少和促炎因子的表达可作用于这一进程。另外,在老年小鼠结肠中,血清素及其受体表达增加既降低了ICC的活力又增强的水通道蛋白(Aquaporin,Aqp)Aqp1、3和11的活性,两方面因素共同作用导致大便干结[28]。

2.4 ICC与继发性便秘 ICC的变化还发生在继发性便秘患者中。糖尿病患者中便秘的患病率为11%~60%,糖尿病对结肠平滑肌结构和功能、ICC密度、自主神经和肠神经的健康和功能都有潜在的影响。一个由7名糖尿病患者组成的病例系列显示,结肠内ICC密度较正常状态降低[26]。在链脲佐菌素诱导的I型糖尿病大鼠中可以观察到慢波波型不变,但速度与非活动细胞的数量不呈线性关系[29],在对自发II型糖尿病OLETF大鼠的糖尿病模型的研究中,发现近端结肠的ICC网络以及胆碱能受体数量下降[30]。Bharucha等[31]研究表明,增加肌间神经丛和内外神经突触中乙酰胆碱的可用性,可增强便秘糖尿病患者的结肠运动活性。

部分药物引起的便秘也与ICC关系密切。例如阿片受体的激活导致黏膜下分泌运动神经元的抑制,减少乙酰胆碱等神经递质的释放以及抑制了主动Cl−分泌和被动水进入结肠腔,从而导致排便困难[32],而阿片类受体拮抗剂溴甲纳曲酮可适用于阿片药物导致的便秘的治疗。小檗碱可能通过ATP敏感性K+通道和cGMP-PKG依赖性抑制ICC的起搏活性。

3 ICC与便秘的诱导和治疗

3.1 便秘的常规疗法 目前已知的CC的治疗方法主要包括:生活方式和饮食结构的改变、口服膨胀剂、透性泻药、刺激性泻药、促动力剂、促分泌剂、生物反馈治疗等。其他替代疗法包括中草药治疗、针灸、按摩、灌肠等。目前研究证明,多种便秘治疗方式可引起ICC的改变。

渗透性泻药如复方寡糖(低聚半乳糖+乳果糖)的摄入会导致ICC网络面积增大,从而改善胃肠功能[33]。刺激性泻药如比沙可啶在STC便秘大鼠中使用增加了ICC数目、c-Kit的表达以及结肠壁ICC与周围细胞的紧密连接,减轻了STC的严重程度[34]。但是长期应用刺激性泻剂反而会导致ICC减少和形态异常。目前,慢传输型便秘患者ICC数量减少和形态异常究竟是结肠传输减慢的原因,还是长期应用刺激性泻药的继发结果尚不明了。促动力剂如普芦卡必利在治疗CC大鼠时,结肠肌层c-Kit+细胞面积较对照组增加,而消化道其他地方ICC变化不明显[35]。促分泌剂鲁比前列酮能够通过打开Ano1向肠腔分泌液体和电解质来缓解便秘。研究发现,它似乎也能够作用于结肠ICC,激活其表面ATP敏感型K+通道,进而影响ICC起搏电位[36]。

结肠电刺激是将电极放置于结肠黏膜下或浆膜下通过单导联或多导联给予肠壁直接的电刺激,它作为一种生物反馈治疗方式应用于功能性便秘患者。ICC作为具有起搏功能细胞,对其电刺激可促进结肠收缩、改善便秘症状[37]。Collins等[38]用经皮电刺激治疗STC患者并取得了较好的治疗效果,进一步证实了电刺激治疗便秘的可能性。

3.2 便秘的替代疗法 目前虽然许多替代疗法治疗便秘机制不明,但是,其治疗效果似乎与ICC相关。例如针刺疗法能够在减轻便秘症状的同时,上调便秘小鼠ICC的表达水平,提高原本减少的ICC数量,在生理范围内提高结肠的SCF/c-Kit蛋白表达,使ICC的超微结构发生改变,与肠神经与及平滑肌细胞的缝隙连接更为紧密[39]。

中药治疗便秘的主要作用是润肠和促胃动力,可以分为理气类、消导类、泻下类、健脾类、芳香化湿类、利湿退黄类、降气化痰类,是调节胃肠动力的重要部分。一方面,中草药可通过对起搏电位的调节影响ICC功能,改善便秘症状。董艳等[40]研究发现益气开秘方(生黄芪、生白术、枳实、杏仁、地黄、当归)可促进吗啡诱导的便秘小鼠结肠细胞中钙库释放,细胞外Ca2+内流,使原本减弱的ICC内钙振荡幅度恢复正常,进而促进肠道动力恢复,减轻小鼠便秘症状。Kim等[41-43]的研究表明黄连解毒汤和阔叶麦冬根也能够通过剂量依赖地去极化ICC起搏器电位改善结肠运动功能,而柚皮苷则具有抑制ICC起搏电位的作用,其进一步的分子通路不尽相同。另一方面,中草药能够调节ICC的分子表达从而缓解便秘。Kim等[44]的研究证明,山麦冬皂苷A(spicatoside A,SpiA)使洛哌胺诱发的便秘小鼠结肠ICC中c-Kit和PGP9.5表达恢复了正常。上文提到的柚皮苷,研究表明,它还能够上调c-Kit、SCF和Aqp3在便秘小鼠中的表达而具有通便作用。另外不少中草药也能够影响结肠外ICC,改善消化道动力。例如半夏泻心汤能够使胃窦ICC超微结构维持正常且与便秘组相比线粒体有明显增加[45],柴胡舒肝散可显著提高胃部ICC生长活性,促进ICC增殖分化[46],在此不做赘述。目前对于中药影响ICC的机制探究主要还在体外研究阶段,在肠道多种细胞及分子的环境中,会有更为复杂的作用机制。

3.3 便秘的创新疗法 随着再生医学的发展,研究者希望通过培养肠道类器官系统并将其移植入人体,从而帮助肠道功能的修复和重建。体外研究表明,将ICC与ICC缺乏的小鼠肠壁外植体共培养后可产生ICC网络并探测到生物电信号[47]。体内实验证明,不成熟的ICC在移植后仍然拥有起搏功能,并且与肠神经和平滑肌细胞产生密切联系,可以在体内自我迁移、排列和分化成特定类型的ICC[48]。

另外,重建便秘患者肠道菌群或许能够通过影响ICC从而改善便秘症状。Rossi等[49]用益生菌SLAB51™治疗CC的猫后发现ICC有所增加且伴随有益菌群的增加;Deng等[50]将益生菌作用于便秘大鼠,发现ICC中c-Kit/SP信号通路显著上调。但有关益生菌的便秘疗法目前仍在探索阶段。

总之,ICC与CC的发生和治疗关系密切,ICC形态、功能和数量上的改变均与肠道运动功能的改变具有同步性,但ICC与便秘的因果关系还有待进一步阐明。随着免疫组化技术的完善,生物电信号监测技术的发展以及基因编辑技术的兴起,我们希望能够进一步了解ICC与CC的因果关系、ICC与肠道运动相关的信号通路、ICC接受外界干预后的改变,探究CC的发病机制并针对性地予以治疗,找到更为高效的CC治疗方式。

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