王君珂,姚树坤
(1.中国医学科学院 北京协和医学院,北京100730; 2.中日友好医院消化内科,北京100029)
便秘的主要临床表现为排便次数减少、粪便干硬、排便费力、排便时肛门直肠梗阻或堵塞感、排便不尽感以及需要手法辅助排便等。病程超过6个月即为慢性便秘,除外继发性因素,大致可以分为功能性便秘和便秘型肠易激综合征(constipation-dominant irritable bowel syndrome,IBS-C)。世界范围流行病学调查显示,慢性便秘的平均患病率为16%[1],我国成人慢性便秘的患病率为4.0%~10.0%[2]。肠道动力障碍、内脏感觉改变、脑-肠轴、肠道菌群以及胃肠激素等因素均参与了便秘的发病,但确切机制尚不明确,临床治疗效果存在差异,在不同程度上影响患者的生活质量,造成巨大的经济和社会负担[3-6]。因此,深入探索便秘发病机制、寻找其治疗新靶点仍是目前的研究热点。正常状态下,肠黏膜屏障处于动态平衡,具有复杂的结构特征,是机体抵御致病因子入侵的第一道防线;肠黏膜屏障的动态平衡一旦破坏,黏膜通透性增加,有害物质通过受损屏障,引发多种疾病[7-8]。近年研究发现,慢性便秘患者存在肠黏膜屏障结构和功能改变,故其在便秘发病中的作用受到广泛关注[9-10]。现就慢性便秘肠黏膜屏障功能的研究进展予以综述。
肠黏膜屏障基于肠黏膜的特殊解剖结构形成,可消化吸收营养物质、转运及分泌水和电解质,并对肠腔内病原体、抗原和促炎因子等潜在有害物质具有防御作用。因此,肠黏膜结构的完整性在维持机体内环境稳态和正常生命活动中起到关键作用。
1.1肠黏膜屏障的结构组成 肠黏膜屏障主要由上皮前、上皮以及上皮后三种成分组成。上皮前成分包括微生物屏障和黏液屏障。微生物屏障即肠腔内的微生物,它们通过与宿主或是菌群之间的相互作用,产生一系列活性代谢产物,如短链脂肪酸、胆汁酸等,发挥抑制病原菌黏附与入侵、调节黏膜免疫、为肠黏膜上皮细胞提供能量等作用[11-12]。黏液屏障指肠腔表面覆盖的一层凝胶状物质,主要成分为黏液蛋白(杯状细胞分泌)、分泌型免疫球蛋白A、电解质及水等,可作为抵御腔内病原体以及具有潜在危害性共生菌的第一屏障[13-14]。生理条件下,由于肠腔内容物的移动,黏液分泌量与清除量处于平衡状态,保证了黏液层厚度稳定。
上皮成分包括肠黏膜细胞以及细胞之间的连接结构,也称为机械屏障。相邻细胞间的连接结构包括紧密连接、黏附连接及桥粒,三者自上而下依次排列,其中紧密连接最重要[15]。紧密连接主要由跨膜蛋白以及结构连接蛋白组成,前者包括闭合蛋白(Claudins)和闭锁蛋白(Occludins),后者为带状闭合蛋白(zona occludens,ZO)。Claudins与Occludins通过位于细胞质的ZO锚定在肌动蛋白细胞骨架上,构成稳定的连接系统[16]。上述连接复合物的完整性是上皮屏障调节肠屏障功能及通透性的关键,①作为物理屏障,可阻止肠腔内细菌、毒素等有害物质经细胞旁间隙渗漏至黏膜下组织;②作为选择性过滤器,允许营养物质及水分子通过;③分泌黏液以及免疫球蛋白等物质。上皮后成分主要指免疫屏障,包括位于黏膜固有层中的免疫细胞及其周围的神经肌肉组织等。先天性和适应性免疫细胞受到有害刺激后,通过释放前列腺素、组胺及细胞因子等炎症介质发挥防御功能[15]。位于上皮细胞附近的肠胶质细胞是肠神经系统的细胞组分,与黏膜下神经丛及肌间神经丛存在联系,起到协调肠道信号传导的作用[17]。由此可见,肠黏膜屏障是一个复杂的动态系统,各组分之间紧密联系,共同调节肠道的吸收、分泌以及运动,同时分隔肠腔内物质,抵抗致病性抗原侵入。
1.2肠黏膜屏障的功能检测 肠黏膜屏障的结构异常引起屏障功能的改变。肠道通透性指无载体系统辅助下,中等大小的亲水性分子顺浓度梯度方向的非介导性的跨肠上皮运动。因此,通常利用肠黏膜通透性的变化来间接反映肠黏膜屏障功能,通透性增加,表明肠黏膜屏障功能紊乱。肠黏膜通透性的检测方法与技术不断发展,主要依据通透性标志物能够经细胞旁或跨细胞途径穿过肠黏膜上皮[7]。体内肠道通透性的测量主要通过测定被肠道吸收或代谢不良的分子(乳果糖、甘露醇、鼠李糖、三氯蔗糖、51CrEDTA以及聚乙二醇等)的尿液排泄量来实现。乳果糖-甘露醇比率(lactulose-mannitol ratio,LMR)是既往常用的检测方法,但由于尿液收集时间与饮食的差异、基线糖含量不同以及肠道微生物的干扰,LMR检测费时且结果不可靠[18]。
体外测量方法包括肠黏膜活检组织的灌流室研究(Ussing chamber)以及紧密连接蛋白表达水平的检测,具有一定的侵入性。因此,由于操作简便安全,血清学标志物的检测得到广泛应用,如外周血D-乳酸(由肠道菌群产生)、二胺氧化酶(diamine oxidase,DAO)(分布于哺乳动物小肠黏膜绒毛中)以及内毒素(革兰阴性菌产生,主要成分为脂多糖)水平升高可以反映肠黏膜通透性增加,肠黏膜屏障破坏[7]。研究发现,血清Zonulin(紧密连接蛋白内源性调节物)可以作为一种简单的血清学标志物反映肠易激综合征(irritable bowel syndrome,IBS)肠道通透性的改变[19]。此外,组织蛋白酶是一类广泛存在于溶酶体内的胞内蛋白酶,参与蛋白质水解,在维持宿主生理稳态以及防御机制中发挥重要作用。根据不同作用机制,蛋白酶可分为半胱氨酸蛋白酶、丝氨酸蛋白酶和天冬氨酸蛋白酶等。研究表明,结肠炎小鼠体内半胱氨酸蛋白酶导致肠黏膜屏障破坏、肠黏膜通透性增加,使炎症持续存在[20];另有研究发现,IBS患者粪便丝氨酸蛋白酶水平增加,随后经IBS患者粪便上清液灌胃后,实验小鼠的肠道通透性增加[21]。因此,测定粪便组织蛋白酶水平可能在一定程度上反映肠道屏障功能的变化,但仍需进一步研究的确定。
综上所述,目前检测肠黏膜屏障的方法多种多样,主要涉及结构或功能、体内或体外、有创或无创等技术,实际应用中可根据研究对象、研究设计或实验条件等选择合适的检测手段。然而,每种方法各具优缺点,目前国内外尚无统一的肠黏膜屏障功能检测标准,且检测方法不同,结论可能存在差异,因此分析结果时应考虑检测技术的影响。
正常情况下,肠黏膜屏障能够隔离肠腔内物质,防止致病性抗原侵入黏膜下组织。但大量研究表明,在某些疾病状态下,肠黏膜屏障结构破坏、功能受损[22-27]可能参与了疾病的发生发展。深入探究其潜在的致病机制,将为有效治疗方案的选择提供有力的理论依据。现重点介绍慢性便秘患者肠黏膜屏障的改变。
2.1肠黏膜屏障结构的改变
2.1.1微生物屏障 肠道菌群是定植于人体远端肠道的复杂微生物群落,其稳态能够抵抗病原体的过度生长,参与宿主的免疫反应、细胞增殖及能量合成,激活肠道内分泌功能和神经信号传导,对维持机体生命活动和健康具有重大意义。目前研究表明,慢性便秘患者存在肠道菌群失调,主要表现为有益菌群(乳酸杆菌、双歧杆菌等)相对减少,潜在致病菌相对增加,物种丰富度及多样性降低[10,28]。便秘患者通常存在肠道动力异常,导致有害菌群长时间滞留于肠腔,直接或间接(产生活性分子)破坏肠黏膜屏障[29]:过量致病菌产生大量内毒素和外毒素直接侵袭肠黏膜,导致黏膜通透性增加,并可能通过蛋白酶促进紧密连接降解,进而破坏肠机械屏障[15];Akkermansia属于革兰阴性厌氧菌,可产生大量的黏液降解酶,并可降解黏液蛋白,导致肠道黏液层受损[30];致病性大肠杆菌可抑制肠上皮细胞间ZO的表达,破坏肠黏膜上皮屏障[31];菌群失调使短链脂肪酸合成减少,导致肠黏膜细胞能量供应不足(主要为丁酸)、杯状细胞减少、黏液分泌减少,从而破坏肠黏液屏障[32-33]。研究发现,胆汁酸能够调节紧密连接蛋白的表达[34],而慢性便秘患者胆汁酸代谢异常,故推测胆汁酸代谢改变可影响肠机械屏障。此外,肠菌失调可以激活黏膜免疫反应,促进炎症细胞因子释放,加重肠黏膜屏障的破坏;同时通过脑-肠轴之间的联系,影响神经递质(5-羟色胺等)或胃肠激素(胰高血糖素样肽-1、肽YY、胆囊收缩素等)的合成、分泌与释放,进而导致肠道动力、感觉及分泌的改变[35-37]。
2.1.2机械屏障 机械屏障在肠黏膜屏障功能维持中起到最重要的作用,其中以紧密连接蛋白的研究最为多见。结肠活检的病理学研究显示,与健康对照者相比,IBS-C患者Claudin-1及Occludin分布异常,提示肠黏膜上皮屏障改变[26]。Annaházi等[38]发现,IBS-C中半胱氨酸蛋白酶可通过降解Occludin引起紧密连接结构改变;半胱氨酸蛋白酶抑制剂可改善紧密连接的破坏,缓解便秘症状。然而,利用示踪电镜直接观察肠黏膜屏障-紧密连接显示,与正常对照人群相比,IBS-C患者回肠末端及升结肠紧密连接结构正常[39];也有研究发现,IBS-C患者的Claudin、Occludin以及ZO信使RNA表达无变化[18]。
2.1.3免疫屏障 目前对慢性便秘肠黏膜免疫系统的研究有限。一项研究显示,功能性便秘组CD3+、CD4+、CD8+、CD25+T细胞数量增加,伴有淋巴细胞增殖,且肠道通透性增加,表明便秘患者存在免疫系统的激活,肠黏膜存在低度炎症反应[40]。已有研究表明,IBS-C患者肠黏膜免疫细胞增多,如肥大细胞及淋巴细胞等[41]。激活的免疫细胞释放许多炎症细胞因子和神经递质,进而破坏肠黏膜屏障,引发肠道感觉和动力的异常,如γ干扰素能够通过降低ZO-1水平、改变紧密连接蛋白分布增加肠道通透性[42];肿瘤坏死因子-α是一种单核细胞衍生的细胞毒素,通过激活肌球蛋白轻链激酶使肠上皮内淋巴细胞中的肌球蛋白轻链磷酸化,进而调节细胞骨架收缩,进而使细胞间的紧密连接蛋白重组与Occludin内化,导致细胞旁间隙扩大,肠道通透性增加[43];白细胞介素-4通过降低结肠上皮细胞跨膜电阻破坏肠黏膜屏障[44];除上述炎症因子的作用外,5-羟色胺等神经递质与相应靶细胞受体的结合也会影响肠道感觉与动力[45]。
由此可见,微生物屏障(肠道菌群)与免疫屏障(黏膜免疫细胞)的研究结果较为一致,与健康对照相比,两者均发生显著改变,并导致肠屏障结构破坏。然而,有关便秘患者肠黏膜机械屏障的研究结论存在差异,推测其原因可能与研究对象、研究设计以及研究指标的检测手段不同有关,还可能是机体代偿的结果。目前有关慢性便秘肠黏膜屏障的研究大多集中于IBS-C,但由于样本量有限,结论并不一致;而有关功能性便秘的研究更少见。因此,需要进行大样本研究,以进一步证实相关结论。
2.2肠黏膜屏障功能的改变 既然便秘患者存在肠黏膜屏障的结构改变,因此屏障功能的检测十分必要。肠黏膜通透性的检测是反映肠屏障功能的有效手段。一项对慢传输型便秘患者的研究显示,与单个结肠息肉组相比,慢传输型便秘组血清D-乳酸、DAO以及内毒素水平升高;且血清D-乳酸与DAO水平均随病程和结肠传输时间延长而升高,表明慢传输型便秘患者肠黏膜通透性增加[9]。另一项有关不同亚型IBS患者的研究发现,腹泻型IBS组血清D-乳酸与DAO水平明显高于IBS-C组、混合型IBS组、健康对照组,而IBS-C组与健康对照组血清D-乳酸和DAO水平比较差异无统计学意义[46];Peters等[18]亦发现,IBS-C组与健康对照组血清内毒素水平比较差异无统计学意义。血清Zonulin可反映肠黏膜紧密连接蛋白功能,最近一项研究表明,IBS-C患者血清Zonulin水平显著高于健康对照组,提示肠黏膜渗透性增加[19]。此外,谢尚奎等[9]报道,慢传输型便秘患者尿液LMR显著高于单个结肠息肉患者,而Peters等[18]利用改良LMR检测方法进行研究,结果表明,IBS-C组与健康对照组的尿液LMR比较差异无统计学意义。
综上所述,便秘患者可能存在肠黏膜通透性增加、肠黏膜屏障功能紊乱,且肠黏膜屏障结构发生改变。但目前反映便秘患者肠黏膜通透性的研究结论尚存在差异,其研究结论仍需高质量研究的进一步明确。
慢性便秘是多因素综合作用的结果,包括遗传、饮食与生活方式、精神心理、肠道动力紊乱、盆底肌肉功能不协调、内脏感觉异常、脑-肠轴、肠道菌群改变、免疫炎症以及胃肠激素等[47]。便秘患者肠黏膜屏障功能的受损程度不同,其在便秘发病中发挥了一定作用,患者肠道菌群紊乱(微生物屏障破坏),致病菌可通过改变紧密连接蛋白分布、促进紧密连接蛋白内化及降解等途径直接或间接地破坏肠黏膜机械屏障,使肠腔内致病性抗原物质(细菌、毒素等)渗漏至周围组织,激活黏膜固有层中的免疫细胞(免疫屏障),包括淋巴细胞、肥大细胞等,释放γ干扰素、肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-2、白细胞介素-4以及白细胞介素-6等一系列炎症细胞因子,使肠黏膜处于低度炎症状态,进而导致紧密连接蛋白的进一步损伤,持续加重肠屏障破坏;此外,肠黏膜屏障各组分的破坏可能通过影响肠道神经递质与肽类激素的释放、激活肠道感受器和周围神经元而引起肠道动力、感觉和分泌功能异常。
相关文献指出,功能性便秘与IBS-C是同一种疾病不同发展状态的表现[48],但腹痛仍是鉴别两者的关键症状[49]。因此,进一步比较功能性便秘与IBS-C肠黏膜屏障的结构与功能,明确其细微差别,可能有助于解释两者临床表现和发病机制的差异。此外,肠黏膜屏障功能的改变与慢性便秘的关系尚未完全阐明,需要更多研究的探索。
肠黏膜屏障是复杂的防御系统,各组分紧密联系、相互影响、共同作用,处于动态平衡。慢性便秘时,肠黏膜屏障结构的改变、破坏,肠黏膜通透性增加,屏障功能持续受损,致病性抗原物质侵入黏膜下层引起肠道动力感觉改变。然而,目前尚无统一的肠黏膜屏障检测标准,对肠黏膜屏障改变在慢性便秘发病中具体分子机制的研究较少。未来对便秘患者肠黏膜屏障改变与临床表型之间的深入研究,将有助于进一步认识慢性便秘的发病机制并寻找治疗新靶点,以指导并完善临床诊治策略。