IL-22和肠道干细胞在肠黏膜屏障中的作用

黄 丹 陆伦根 周 慧

肠道在调节营养物质吸收和保护宿主免受环境影响方面起着关键作用。肠上皮细胞的更新速度较快(3～5 d)，这依赖于肠道干细胞自我更新并分化为各类肠上皮细胞，从而维持肠道稳态[1]。近年来研究发现IL-22在促进组织再生、黏膜愈合、维持肠黏膜屏障方面起着重要作用，其对肠上皮细胞也有一定的损伤作用。本文就近年来IL-22和肠道干细胞在肠黏膜屏障中作用的相关研究进展作一综述。

1 肠黏膜屏障

肠上皮细胞不仅发挥着消化、吸收营养物质的作用，还能抵御外界有害因素对机体的损伤，构成重要的肠黏膜屏障。肠上皮细胞主要由吸收性肠上皮细胞、产生黏液的杯状细胞和分泌激素的内分泌细胞组成，在小肠中还包括分泌抗菌肽的潘氏细胞。肠上皮细胞之间的连接包括紧密连接(TJ)、黏附连接和桥粒连接。此外，肠腔表面还覆盖着由黏液组成的保护层，主要是由杯状细胞分泌的黏蛋白MUC2。在黏液内层含有大量能有效对抗多种微生物的抗菌肽。潘氏细胞是肠黏膜固有免疫的重要组成部分，其可分泌抗菌肽，发挥保护肠上皮细胞的作用，还参与了肠道干细胞功能的维护[2]。潘氏细胞功能障碍可导致细菌从肠腔向循环系统移位，从而引发败血症或多器官功能障碍。

肠黏膜损伤是包括移植物抗宿主病(GVHD)和消化道黏膜炎等多种疾病模型发展的早期改变，也是炎症性肠病(IBD)患者肠道细菌移位的重要驱动因素。肠黏膜屏障功能受损时，可引起肠道细菌移位，诱发炎性反应，产生炎性因子和趋化因子，从而进一步加重肠黏膜屏障功能损伤。

2 肠道干细胞

2.1 肠道干细胞概述

小肠上皮由隐窝和绒毛组成，隐窝由干细胞及其子代组成，绒毛由各种特化细胞组成。小肠隐窝内存在两类干细胞，即活性干细胞和静止的“储备”干细胞。前者为隐窝基底柱状细胞(CBC细胞)，其标志物为Lgr5，还包括Ascl2、Olfm4。Lgr5+干细胞对损伤较为敏感，其在生理状态下活性增殖以维持肠道稳态。“储备”干细胞的标志物是Bmi1，其能抵御损伤，可在Lgr5+干细胞受到急性损伤时被激活，能恢复上皮细胞的更新功能，促进组织修复。

小肠干细胞处于特殊的微环境中，Wnt、Notch、骨形态发生蛋白(BMP)和表皮生长因子(EGF)等信号通路共同调节着小肠干细胞的自我更新、增殖和分化。Wnt通路在维持未分化干细胞状态和促进增殖方面具有重要作用，其过度活跃与肿瘤发生有关。Notch通路的激活可维持干细胞的多能性并促进其增殖，还可诱导祖细胞向吸收性肠上皮细胞而非分泌性细胞分化。潘氏细胞通过分泌EGF、Wnt3a和Notch配体DLL4来调节干细胞的增殖、分化，参与干细胞功能的维护[2]。

2.2 肠道干细胞与肠黏膜屏障

肠上皮作为机体与外界之间的屏障，经常受到微生物、物理和化学损伤，肠上皮细胞的增殖和更替对于维持肠黏膜结构至关重要，这依赖于肠道干细胞自我更新和分化为各类成熟的细胞来更新肠上皮，促进黏膜再生。肠上皮更新依赖于隐窝，在隐窝基底部，少量成体干细胞定期分裂，产生高度增殖的前体细胞，即短暂扩增细胞(TA细胞)，其是替换受损肠上皮的关键细胞。新生的TA细胞快速分裂并逐渐向上迁移，形成吸收性或分泌性细胞系。由TA细胞分化形成的潘氏细胞留在隐窝底部，而肠上皮细胞、杯状细胞和肠内分泌细胞不断向肠腔内迁移，以补充发生凋亡并脱落进入肠腔的细胞。

肠黏膜屏障功能破坏是IBD发病机制中的一个基本因素，黏膜愈合已成为IBD的治疗目标。Lgr5+干细胞是多能干细胞，可分化为所有类型的肠上皮细胞。因此，肠道干细胞移植可作为一种新的治疗策略，以恢复重症IBD患者的肠黏膜屏障功能。此外，干细胞移植还可用于治疗多种以肠黏膜屏障功能受损为特征的胃肠道疾病，包括坏死性小肠结肠炎、非甾体抗炎药引起的胃肠道损伤及胃十二指肠出血。

3 IL-22

3.1 IL-22概述

IL-22是IL-10家族成员。肠道产生IL-22的细胞包括Th17细胞、先天淋巴样细胞(ILC)、NK细胞和中性粒细胞。ILC3是存在于小肠和结肠固有层内的固有免疫细胞，具有维持肠道稳态、抵御肠道病原体等功能，是IL-22的主要来源。肠上皮受损后，ILC3被激活并产生IL-22，从而促进组织修复[3]。IL-22受体选择性地表达于非造血细胞(如上皮细胞)。

IL-23、IL-6、IL-2、IL-18、IL-1β和转化生长因子-β(TGF-β)等细胞因子对IL-22起着重要的调节作用[4-5]。IL-22通路的调节还可通过其天然抑制剂IL-22结合蛋白(IL-22BP)，其以高亲和力结合IL-22并中和其活性。IL-22BP由树突状细胞(DC)、嗜酸性粒细胞和CD4+T细胞产生[6]。

芳烃受体(AhR)是一种细胞质转录因子，可促进Th17细胞和ILC产生IL-22，在肠黏膜免疫中起着关键作用。色氨酸代谢物包括犬尿酸和吲哚衍生物，是AhR的重要配体，对于抵抗病原微生物定植和维持肠道免疫稳态至关重要[2,7]。

3.2 IL-22的信号转导和功能

在肠上皮中，信号转导与转录激活因子3(STAT3)通路的激活介导了IL-22主要的下游信号转导，磷酸化的STAT3转移至细胞核，激活参与细胞增殖、存活和黏膜防御的基因。STAT3活化在维持分化型肠上皮细胞和干细胞的存活中发挥着重要作用。IL-22/STAT3信号通路介导的生物学过程与宿主防御、肠道炎性反应、代谢紊乱(如糖尿病、肥胖症)和肿瘤的发生等密切相关。

IL-22是一个有争议的细胞因子，其在许多组织中兼具抗炎和促炎作用，这可能取决于其所处的微环境。IL-22可以保护和促进组织再生，在许多临床疾病(如肝炎、胰腺炎、伤口愈合、IBD和GVHD)模型中，外源性给予IL-22具有治疗作用[8-9]。临床试验显示，激活IL-22通路的药物对IBD患者有益[10]。此外，IL-22也是一种有效的氧化应激和内质网应激抑制剂，可恢复胰岛素分泌、改善高血糖诱发的肥胖症[11]。然而，另有研究表明，IL-22水平在许多疾病(如银屑病、棘皮症和类风湿关节炎)中均有上调，特别是在与其他细胞因子如IL-17和干扰素-γ(IFN-γ)协同作用时，可促进这些疾病的进展[7]。在一项关于特应性皮炎(AD)的Ⅱ期临床试验中，给予IL-22抗体可以起到缓解疾病的作用[12]。此外，IL-22还可能通过激活STAT3来促进肿瘤(如结肠癌)的生长[13]。

4 IL-22、干细胞与肠黏膜屏障

多项研究已证明IL-22在维持肠道稳态、抵御病原微生物、保护肠黏膜屏障方面起着重要的作用。IL-22/STAT3信号通路可调控肠道干细胞再生、促进潘氏细胞分泌抗菌肽，并可促进杯状细胞增殖、分泌黏蛋白，对于肠黏膜屏障功能的维护发挥了重要作用[14-16]。

目前多数学者认为IL-22通过促进肠道Lgr5+干细胞的增殖来维护肠道健康[8]。这种保护作用在肠上皮急性自限性损伤动物模型中尤为明显，如葡聚糖硫酸钠(DSS)、化学治疗药物甲氨蝶呤导致的急性肠炎[3]。小鼠经同种异体骨髓移植后，给予IL-22治疗可促进肠道干细胞恢复，减轻GVHD肠道病理变化，降低死亡率；在培养肠类器官时，向培养基中添加IL-22可诱导干细胞STAT3磷酸化，促进干细胞增殖，这种作用是独立于潘氏细胞及Notch、Wnt信号转导的[8]。

肠上皮表面的黏液层可将肠腔内细菌与肠壁分隔开，对肠上皮起到重要的保护作用。有研究表明，高脂饮食喂养会损伤肠道杯状细胞，减少黏蛋白和黏液的分泌，进而破坏黏液屏障，而IL-22可逆转该变化[11]。纤维饮食可通过介导肠道微生物群诱导IL-22分泌以抵御微生物群的侵袭，并可预防高脂饮食诱发的代谢综合征[17]。

肠道内代谢物可影响IL-22水平，进而影响肠黏膜屏障功能。研究表明，肠道色氨酸代谢异常可减少AhR配体的产生，进而导致IL-22分泌减少，肠黏膜屏障功能受损[18]。此外，乳杆菌的代谢产物可通过AhR刺激固有层淋巴细胞分泌IL-22，然后诱导STAT3磷酸化以加速肠上皮细胞的增殖[2]。IBD患者的IL-22BP水平显著升高，可能在肠道炎性反应中发挥了一定的致病作用[19]。因此，IL-22被认为是理想的IBD治疗靶标[20]。

然而，IL-22对肠上皮细胞的有益作用尚存在争议。有研究表明采用抗体中和IL-22的方法可减轻结肠上皮细胞的内质网应激，从而减轻结肠炎的严重程度[21]。此外，一些IBD的临床前模型表明IL-22可能是疾病的致病因素[22]。IL-23是IL-22重要的上游细胞因子，在IBD的临床研究中采用单抗中和IL-23似乎有改善疾病的作用[23]。另有研究表明，高水平的IL-22可激活STAT3通路，促进TA细胞增殖，同时可抑制肠上皮细胞中的Wnt、Notch通路，抑制肠道类器官的细胞分化并导致肠道干细胞的自我更新缺陷，最终导致类器官死亡[14]。上述研究结果可能可以解释尽管一部分IBD患者的IL-22分泌明显增加，却仍难以实现黏膜愈合[24]。由此可见，IL-22在肠上皮细胞中的作用较为复杂，对所有IBD患者均采用激活IL-22通路的治疗方法可能并不都是有益的。

5 结语

肠黏膜屏障的完整性是肠道吸收营养物质、抵御病原体入侵、维持黏膜免疫所必需的。肠上皮再生对于肠道稳态的维持和肠黏膜屏障的修复至关重要，这一过程是通过肠道干细胞的持续增殖和分化来实现的。细胞因子IL-22对肠道干细胞和肠黏膜屏障功能的作用较为复杂，多数学者认为IL-22可通过激活STAT3通路促进肠道干细胞增殖、增强黏膜防御功能、维持肠黏膜屏障。然而，IL-22可引起肠上皮细胞内质网应激，具有促炎作用，可诱导肠道干细胞凋亡，在某些情况下可能是IBD的致病因素。综上所述，IL-22兼具促进和抑制肠黏膜屏障修复的作用，其作为一种潜在的治疗剂，可促进黏膜愈合，这可能需要精确的调控。