天然多糖改善溃疡性结肠炎的作用机制研究进展

孙亚哲，王鑫楠，辛贵忠，刘丽芳

(中国药科大学中药学院，天然药物活性组分与药效国家重点实验室，江苏 南京 210009)

溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)是一种慢性、非特异性的炎症性肠病，病变部位可由直肠延伸至结肠近端，具有反复性肠道黏膜或固有层炎症反应，其程度不等[1]。流行病学数据显示，近几十年来尽管UC死亡率较低，但发病率和流行率在欧美发达国家中仍很高，发展中国家也持迅速增长的趋势[2]。患者主要症状包括出血性腹泻，体质量减轻和腹部绞痛等[3]。UC的病因和发病机制是多因素综合影响的结果(图1)，遗传易感性和外部环境对肠道微生物群的相互作用，会导致肠道屏障受损，进而导致免疫应答失调，且随着炎症程度和病程的推进，将大大增加病人患结直肠癌的风险。目前，临床治疗UC以使用5-氨基水杨酸类、皮质类固醇类、生物制剂和免疫抑制剂类药物为主，然而这些药物的疗效有限，且价格昂贵。皮质类固醇类和免疫抑制剂类药物的使用所带来的副作用如骨质疏松、抑郁症、满月脸等症状不容忽视，并且接近15%的患者后期仍需要接受结直肠切除手术[2, 4]。因此，开发安全有效的新药物和实施个性化医疗改进策略是UC疾病控制亟待解决的问题。

图1 溃疡性结肠炎(UC)的发病机制

利用天然产物治疗UC目前是一种很有前景的替代传统疗法[5]，其中，多糖作为一类重要的活性物质而逐渐受到医药行业的广泛关注[6]。多糖通常指由10个以上的单糖通过糖苷键连接组成的天然高分子聚合物，广泛分布在植物、动物、真菌、海藻等自然资源中，在生物体的生长发育中发挥着重要的作用。多项研究表明，多糖具有良好的抗肿瘤、抗凝血、抗炎、降糖及免疫调节等生物活性[7]；同时，多糖也具有安全无毒、疗效好、成本低、生物相容性好的优势[8]，使其在多种疾病治疗方面得到了应用。近年来，大量体内外相关数据也表明，多糖能够通过不同的作用途径缓解UC的症状。例如，黄芪多糖可通过抑制核因子-κB(NF-κB)信号通路，减少炎症因子释放来改善葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium salt，DSS)所致的小鼠结肠损伤[9]；竹荪多糖在高剂量时具有明显的治疗UC，缓解肠上皮细胞损伤的效果[10]；大蒜多糖能显著增加UC小鼠肠道菌的多样性和丰富度，调节肠道代谢物的比例，具有良好的抗炎、增强免疫的作用[11]；除此之外，摄入不同剂量的菊粉型果聚糖提高了UC患者的标志物，并诱导肠道菌群发生显著变化，此变化与丁酸盐的产量增加有关，这为轻至中度UC的辅助治疗提供了一定的借鉴意义[12]。

本文概述了近年来UC的相关发病机制，着重探讨了多糖在改善UC方面的直接或间接干预机制，为UC的临床治疗和多糖的进一步开发利用提供一定的参考。

1 UC的发病机制

1.1 肠道屏障

肠道内稳态是基于多个组成部分所维持的微妙平衡，黏膜结构的改变是UC组织病理学的主要特征，这包括上皮细胞异常、结肠隐窝形态和密度的下降、固有层细胞改变及免疫细胞浸润[4]。肠上皮屏障(intestinal epithelial cells，IECs)是构成肠部内外环境的边界，是抵御外来病原体的第一道物理屏障[13]。它由肠上皮细胞、杯状细胞、微折细胞、神经内分泌细胞和潘式(Paneth)细胞构成[5]。细胞旁通路被严格调控，只允许某些溶质和液体通过，形成选择性通透屏障；连接复合物，主要包括上皮细胞间紧密连接(tight junctions，TJs)、黏着连接(adherens junctions，AJs)和连接细胞内骨架的桥粒，封闭了细胞间隙并提供结构支持[14]。TJs是细胞旁路的主要限速因子，主要由跨膜蛋白如occludin、claudins以及zonulin-1(ZO-1)组成，他们与细胞骨架相连，调节大分子选择性地通过TJs，同时也是不同信号通路的直接靶点和效应体，影响TJs复合物的组装、维持和屏障功能[15]。IECs在抵御外来抗原侵袭时也能分泌一些抗菌蛋白如α，β防御素、蛋白水解酶、糖酵解酶和抗菌肽[5]。

IECs的有序更替是维持肠道屏障的重要机制。然而在疾病状态下时，炎症使IECs可能变得更“紧”或更“漏”，紧密连接蛋白表达异常，肠道上皮屏障的完整性被破坏，导致其通透性增加，这可能是UC前期发病的一个重要影响因素[16]。

与ICEs紧密结合的黏液层，将肠上皮细胞与肠腔隔开，构成了肠道的化学屏障。黏液由杯状细胞分泌的黏蛋白聚合后，结合水在肠腔内膨胀为网状凝胶而形成，包括一个内部的坚固层和一个外部的松散层[17]。外层由黏液蛋白2(mucin 2，Muc2)和各种碳水化合物修饰组成，与结肠菌群相互作用；而内层的致密性可以阻止细菌渗透，同时仍允许小分子包括微生物代谢物的交换。在UC中观察到黏液功能紊乱，表现为黏液糖基化和硫酸盐化减少，黏液层厚度降低，粪便的黏蛋白溶解性增加，或黏液的杀菌能力降低，急性炎症的区域甚至出现黏液层脱落[18]。Muc2缺陷的小鼠对黏膜刺激物的敏感性也持增强趋势[19]。这些改变可能进一步促进了UC的发作，使炎症的解决变得复杂化。

1.2 免疫应答反应

黏膜系统屏障对共生菌是耐受的，然而当屏障破坏增加，更多腔内抗原越过屏障时，这些耐受机制失效，导致局部免疫细胞受到刺激，产生细胞因子，随后免疫细胞浸润，进一步加剧炎症过程。因此，免疫反应和炎症通路是了解UC发病机制的关键信息[20]。UC的先天免疫反应与中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞(dendritic cells，DCs)的活跃有关[21]。有研究表明，中性粒细胞弹性酶和髓过氧化物酶等蛋白在UC中的表达上调，这与中性粒细胞胞外陷阱有关[4]。另一方面，树突细胞和巨噬细胞在免疫反应中不仅参与抗原的呈递、摄取和加工，还可以通过对病原体相关分子模式的识别，诱导多种信号通路的激活(如NF-κB、PI3K/AKT、AMPK、JAK/STAT)和促炎因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素(IL)-6、IL-1β等的增加。

与先天性免疫相反，适应性免疫是高度特异性的，主要参与者是T细胞。辅助性T细胞(helper T cell，Th0)可被激活并分化成Th1、Th2或Th17细胞，这有助于清除特定病原体。然而，激活的T细胞亚群异常发育可能通过过度释放细胞因子和趋化因子导致炎症的发生，这驱使一些研究将克罗恩病(Crohn’s disease，CD)和UC与不同亚型的促炎免疫反应联系起来[17]。前者主要由Th1/Th17反应引起，而后者则是Th2反应更占优势，组织中观察到IL-13的上调[21]。调节性T细胞(regulatory T cells，Tregs)则通过产生抗炎因子如IL-10和转化生长因子-β(TGF-β)来控制黏膜稳态，抑制Th0细胞亚群，调节肠道异常免疫反应。细胞因子也作为一种信号分子，在炎症通路等不同作用下驱动着UC的发病[22]。

1.3 肠道菌群的影响

人体肠道内含有大量复杂的微生物群落，包括各种细菌、真菌、噬菌体和病毒，这一群体通常被称为“隐藏的代谢器官”[23]。近年来，随着测序技术以及非基因组技术的并行发展，肠道菌群在人类健康和疾病中的作用也逐渐变得清晰。肠道菌群主要由厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门组成，分布在结肠和远端小肠，以一种互惠的方式与人体共同进化[24]。短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)，包括乙酸、丙酸、丁酸，是肠道微生物发酵膳食纤维活动的主要产物[25]，在维持肠道健康方面也发挥着重要的作用。SCFAs作为主要的能量底物，通过改变结肠上皮细胞表型直接影响宿主消化道[26]。特别是丁酸盐，能够通过调节紧密连接蛋白的表达来增强肠道屏障功能，这种作用可能是通过激活AMPK或下调claudin-2来完成的[27]。丁酸盐还能抑制肿瘤细胞的生长和迁移，并表现出抗炎和免疫调节的特性，降低肠道炎症和结直肠癌的发病率[28]。

尽管UC的发病可能与特定的菌群无关，但肠道中普遍存在的微生物生态失调在大量的研究中已得到证实，常表现为生物多样性减少、肠道菌群组成异常、空间分布改变以及菌群间、不同菌株与宿主的相互作用变化[24]。例如，与健康人相比，UC患者粪便中有机酸的浓度降低，肠道拟杆菌属(Bacteroides)和梭状芽孢杆菌亚簇XIVab(Clostridiumsubcluster XIVab)丰度减少，而肠球菌(Enterococcus)的数量远高于健康受试者[29]。在属水平上，另一项研究中则发现UC患者中丁酸的产生菌F.prausnitzii明显减少，UC缓解期F.prausnitzii显著上升，提示F.prausnitzii可能在UC的治疗中发挥重要作用[30]。除细菌失调外，真菌群落随念珠菌的生长而变化，病毒(噬菌体)的富集在UC患者和健康对照组之间也存在差异性，这可能与UC黏膜炎症有关[31-32]。

1.4 其他

随着基因测序技术的进步，全基因组关联分析(GWAS)的进行逐渐证实了遗传易感性这一影响因素参与了炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)的发生和发展。值得注意的是，表观遗传学和自噬等相关的探索也为UC的发病机制提供了新的见解，一些学者对此进行了详细的综述[33-34]，本文将不再覆盖。这些遗传学角度的新发现表明进一步研究基因之间以及基因与环境等因素的相互作用对开发治疗UC的新药物是至关重要的。

2 多糖干预UC

正如上文所概述的，外部环境及遗传易感个体的影响，肠腔内上皮屏障和黏膜屏障的破坏，过度激活的肠部免疫应答反应以及肠道菌群紊乱，综合因素的作用下进一步加剧了UC的各种症状。多糖具有良好的抗炎、免疫调节、抗癌等生物活性，人们对多糖在治疗UC方面的药理活性也进行了大量的研究，以确定其治疗范围和作用机制(图2)。多糖可刺激结肠黏蛋白的合成及分泌，促进结肠黏膜修复，延缓肠上皮细胞凋亡；或介导信号通路(如JAK/STAT、AMPK、NF-κB、PI3K/AKT)，调节细胞因子的平衡来降低UC免疫反应程度；除此之外，多糖也可以通过影响肠道菌群丰度，增加短链脂肪酸(SCFAs)的含量，来减轻UC炎症。下面几节将详细介绍多糖参与调节UC的作用机制。

图2 多糖改善UC的作用机制

2.1 多糖修复肠道屏障

有效的肠道屏障对于防止微生物及外界抗原的入侵至关重要，紧密连接蛋白和黏液层的完整性是维持正常肠道屏障的两个关键因素。JIN等[35]观察到DSS诱导型的结肠炎小鼠结肠紧密连接被破坏，杯状细胞数目减少，肠腔内和固有层黏液合成明显减少，给予巴戟天多糖(NFP)11 d后可见紧密连接蛋白(ZO-1、occludin)的表达显著提高，杯状细胞衰竭得以缓解；同时，NFP抑制小鼠肠道黏膜的破坏，促进组织保护，这可能与其酸性多糖的结构有关。CUI等[36]则发现凝胶柱盐洗部分的黄芩多糖可同时上调ZO-1，occludin和claudin-5三种连接蛋白的表达来修复UC小鼠肠道屏障。银耳多糖(TPF)在干预治疗UC小鼠后，能明显提高Muc2和钙激活的氯离子通道辅助蛋白1(calcium-activated chloride channel regulator 1，Clca1)的基因和蛋白表达水平，恢复黏液屏障功能，减轻结肠损伤的临床症状；体外脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)刺激的Caco-2细胞模型进一步发现TPF对肠屏障和黏液屏障相关基因的上调表达呈剂量依赖性[37]。此外，芦荟多糖能够通过核因子E2相关因子2/血红素氧合酶-1(Nrf2/HO-1)信号通路有效促进肠道紧密连接蛋白基因的表达，从而降低肠通透性，维持肠道完整性[38]。

2.2 多糖介导肠道免疫应答反应

大量研究表明免疫系统在抵御外界物质干扰过程中的过度反应直接影响着UC的发生及发展，炎症反应由促炎因子和抗炎因子的之间的平衡决定，而他们的分泌也受到多种信号分子的调节。过去几十年里天然多糖的免疫调节活性一直是研究的热点，在干预UC这一领域研究也较多。例如，在实验性小鼠结肠炎模型中，黄芪多糖(APS)在缓解小鼠体质量减轻、改善疾病活动指数(DAI)的同时，显著降低了NF-κB的水平，减少促炎因子TNF-α，IL-1β和IL-6的分泌，提示APS可能抑制NF-κB信号通路来调节结肠组织促炎反应，减轻结肠损伤[9]。另一项研究表明，APS通过抑制派尔集合淋巴结(PPs)中IL-17的表达，恢复Tregs细胞的数量和功能，有效控制Th17/Tregs细胞间的平衡，维持肠道免疫稳态[39]。NLRP3炎性小体(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)是NOD样受体家族成员，表达于免疫细胞和上皮细胞，可由β-阻遏蛋白1(β-arrestin1)激活，进而促进IL-1β、IL-18等促炎因子的释放[40]，因此，NLRP3/β-arrestin1信号通路可能是UC治疗的潜在靶点。LIANG等[41]给予DSS诱导的UC小鼠不同剂量的铁皮石斛多糖(DOPS)，发现DOPS可下调β-arrestin1的表达，并中断NLRP3信号通路的激活，下调IL-1β、IL-18、IL-6、TNF-α及IFN-γ的水平，且在高剂量时显著增加抗炎因子IL-10的比例，调整促/抗因子平衡。HU等[42]从JAK2/STAT-3信号通路出发，探讨芦荟多糖(AP)干预2,4,6-三硝基苯磺酸(2,4,6-trinitrobenzenesulfonic acid solution，TNBS)诱导的UC大鼠后的治疗效果，结果表明AP可下调此通路的相关基因和蛋白表达，降低IL-6的分泌，减少结肠上皮细胞凋亡。一些药用菌类多糖如猴头菇多糖、竹荪多糖可抑制MAPKs、P3IK/AKT等信号通路进而减轻UC炎症反应[10, 43]。由此可见，多糖类物质具有多靶点调节UC肠道免疫应答反应的优势。

2.3 多糖调节肠道菌群及其代谢物

肠道菌群结构的变化揭示了UC患者与健康人的显著差异，此外，无菌小鼠模型显示在没有肠道菌群的情况下不会触发严重的结肠炎症，进一步证明了肠道菌群与UC炎症及其缓解密切相关[44]。利用天然多糖调节肠道菌群的生态失调已成为治疗UC的新手段。研究表明，多糖对肠道菌群的调节保护作用是多方面的。菊花多糖作用于TNBS诱导的大鼠UC模型后，可观察到粪便微生物中机会致病菌大肠杆菌(Escherichia)、肠球菌(Enterococcus)和普雷沃氏菌(Prevotella)丰度下降，而双歧杆菌(Bifidobacterium)，丁酸球菌(Butyricicoccus)、梭菌(Clostridium)、毛罗菌(Lachnospiraceae)、乳杆菌(Lactobacillus)等有益菌的丰度均有不同程度的升高；菌群与生化因子的相关联分析显示有益菌的变化与抗炎因子IL-10、IL-4等水平呈正相关，有害菌则与IL-6、IL-17、TNF-α等促炎因子水平正相关，这表明菊花多糖不仅直接参与调节UC大鼠肠道菌群的组成，恢复肠道微生态平衡，还能通过肠道菌与机体细胞因子表达之间的密切关联，间接恢复UC大鼠免疫系统的紊乱[45]。UC小鼠口服金针菇多糖后，除调节肠道菌群平衡外，还可以增加肠腔内短链脂肪酸(SCFAs)含量，降低厚壁菌门/拟杆菌门(F/B)的比值，改善肠道微生物多样性和丰富度，达到缓解UC症状的目的；此外，PICRUSt预测分析显示金针菇多糖干预后的菌群功能发生改变，主要表现在代谢途径、次生代谢物、细胞膜骨架等方面[46]。类似的关于多糖调节UC肠道菌平衡的现象也在其他研究中得到了反映(表1)。

表1 多糖对UC肠道菌群的调节

然而，由于缺乏多糖水解酶，大部分多糖不能被人体直接消化吸收，他们在肠道菌群的作用下降解，形成次级代谢物，最终发酵得到SCFAs。作为主要的下游代谢物，SCFAs经肠上皮吸收进入循环系统，或被肠细胞自身利用，在改善肠道通透性、抗炎、调节UC肠道健康方面发挥重要作用[47]。GUO等[48]观察到山楂多糖干预UC小鼠后，以Alistipes和Odoribacter菌属为代表的拟杆菌门明显富集，这与粪便中乙酸及丙酸的产生呈正相关，接着他们利用LPS处理的大鼠肠上皮细胞(ICE-6)模型验证乙酸和丙酸的抗炎活性，结果显示乙酸作用更强，提示乙酸可能是山楂多糖抑制结肠炎症的关键代谢物。GPR(G protein-coupled receptor)41、GPR43是SCFAs的受体，在炎症、代谢和过敏性疾病中表现出不同的功能[49]。SHAO等[50]在研究猴头菇菌丝体多糖治疗醋酸型UC大鼠时，采用气相-质谱联用法(GC-MS)检测结肠内容物中SCFAs的比例，与模型组相比，药物组乙酸和丁酸的相对比例呈剂量依赖性增加，同时结肠组织中GPR41、GPR43的表达也随之提高，表明猴头菌菌丝多糖抗UC机制与调节短链脂肪酸含量、激活相关受体信号通路有关。无独有偶，TANG等[51]的研究证实了特定剂量的黄芪多糖和党参多糖联合给药可改善UC小鼠的临床症状，减轻结肠黏膜损伤，作用机制与上调粪便中异戊酸及丁酸水平，激活芳香烃受体(AhR)相关，这也为中药配伍治疗UC提供了理论依据。

肠道微生物产生的代谢物除SCFAs外，还包括多胺、二级胆汁酸、胆碱代谢产物、脂类等，在代谢组学水平上，它们的变化也是UC的一个重要特征[52]。FENG等[53]使用非靶向代谢组学手段来检测白术多糖治疗UC小鼠后肠道粪便及血浆代谢物的变化水平，发现白术多糖可改变尸胺、缬氨酸、亮氨酸、5-氨基戊酰胺、甘胆酸、熊去氧胆酸等多种代谢物的含量，构建了包含“菌群-代谢物-表型”的信息关联网络，为全面理解白术多糖调节UC的机制提供了重要信息。YANG等[54]注意到茯砖茶多糖(FBTP)干预UC小鼠后，色氨酸代谢途径受到了明显影响，采用UPLC-QqQ-MS法测定小鼠粪便中色氨酸及其代谢物的含量，结果表明FBTP可明显抑制UC小鼠色氨酸和吲哚-3-乙酰胺(indole-3-acetamide，IAM)的水平，显著提高小鼠粪便中吲哚-3-乙酸(indole-3-acetic acid，IAA)和吲哚-3-乙醛(indole-3-acetaldehyde，IAld)的水平，其中IAA的变化与乳酸菌丰度呈正相关，提示FBTP通过调节肠道菌群紊乱来促进色氨酸代谢；此外，IAA和IAld的增加也能激活AhR信号通路，增加IL-22的表达，从而修复肠道上皮屏障。

如上所述可知，建立“多糖-肠道菌群-UC”的联系，明确多糖的益生机制，对开发安全有效的抗UC药物具有一定的理论指导意义。

2.4 其他调节机制

炎症损伤是UC的重要病理过程，除了细胞因子的分泌异常，还包括过度氧化应激。氧化应激的主要特征是丙二醛(MDA)的过量产生和谷胱甘肽-过氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性的降低。此外，过量的髓过氧化物酶(MPO)、一氧化氮(NO)也导致UC结肠组织中炎症细胞的浸润[60]。多糖可修复结肠氧化损伤来缓解UC症状。REN等[43]发现猴头菇多糖干预炎症小鼠后结肠中NO、MDA的含量降低，T-SOD的活性显著升高，表明猴头菇多糖可通过抑制UC小鼠体内氧化应激反应来减轻结肠炎症反应。LIU等[38]的研究证实芦荟多糖具有调节抗氧化系统平衡(提高GSH、SOD、CAT酶活性，降低MDA水平)的重要作用，从而改善结肠抗氧化状态。

自噬是细胞应激反应中降解蛋白质、细胞器和循环物质的动态生物学过程。在此过程中，自噬小体外膜与溶酶体融合形成自噬溶酶体，最后降解包裹内容物，维持细胞内稳态[61]。功能失调的自噬会引起多种疾病的产生，其中，自噬与IBD的相互作用也受到学者的广泛关注。

天然多糖调节细胞自噬的相关研究为探究治疗UC的靶点提供了新的见解。LI等[62]检测到DSS诱导型结肠炎中小鼠结肠组织自噬标记物LC3-2和LC3-1的比值明显升高，自噬相关蛋白ULK1、p62、Beclin-1、LC3的表达水平下降，提示结肠损伤可能是过度自噬所造成的；给予血红密孔菌多糖(PPS)后则能逆转上述指标的变化，且紧密连接蛋白(ZO-1和E-cadherin)的表达水平得以恢复，说明PPS可能依赖于自噬抑制调节结肠炎的肠道稳态。然而，自噬对肠黏膜的稳态调控是双向的。另一项关于人参多糖(GP)与粪菌移植(FMT)联合治疗结肠炎大鼠的研究中，WANG等[63]发现激活细胞自噬可抑制氧化应激、阻断炎症级联反应来缓解肠道炎症，其机制与人参多糖调节肠道菌结构，抑制Toll样受体-髓样分化因子88-MAPKs(TLR4-MyD88-MAPKs)信号通路，激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)依赖性自噬(肠道菌群-TLR4-mTOR轴)相关。目前，从自噬角度阐释多糖与溃疡性结肠炎相互作用的报道还较少，但已有的数据为进一步阐明“多糖-自噬-UC”关联轴提供了参考依据。

3 结语

天然多糖治疗UC具有安全、疗效确切、低毒副作用等优点。多糖可通过修复肠道上皮及黏膜屏障，介导肠道免疫应答反应、调节肠道菌群及其代谢物水平、抗氧化应激、参与细胞自噬等途径缓解UC症状，改善肠道炎症反应。

然而，系统地推进天然多糖成为抗UC新药物或其辅助品，仍具有潜在的挑战性。未来可能的研究应解决以下问题：(1)多糖结构复杂，用于样品制备和化学表征的方法重复性较差，使得多糖质量控制较为困难，阻碍了其产品的研究与开发，有必要进一步提高质控方面的相关研究；(2)多糖经口服进入人体后不能被直接消化吸收，需在肠道菌群的分解、发酵作用下才能被机体利用。尽管本文从UC发病的综合角度出发，阐述了多糖干预治疗UC的作用机制，但多糖与肠道菌群互作的特殊性对肠道稳态的发展是不容忽视的，需要更充分的证据来明确“多糖-肠道菌-UC”之间的关联；(3)目前针对多糖治疗UC的研究多数还处于动物实验阶段，缺乏临床应用研究，因此其临床实用性有待考究；(4)随着各种组学技术的高速发展，特别是高通量测序技术，使得识别多糖生物转化过程的关键功能菌变得更加快捷、简便。利用多组学关联分析也有助于揭示多糖“多靶点”干预UC的作用特性，但需注意的是多组学数据分析的重复性及因果关系，以便形成可验证的数据评价系统；(5)开发天然多糖靶向递药系统或多糖修饰药物，探索多糖与其他药物联合应用的综合治疗模式将有助于解决UC传统药物治疗带来的弊端，提高UC患者生活质量。