肠道干细胞在溃疡性结肠炎中的作用

杨 晟，史学文

溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）是特发性的慢性炎症性疾病，病变部位在结肠黏膜，起于直肠，通常可向近端延伸至整个结肠[1]。 临床特点表现为反复发作的腹痛、腹泻、黏液性血便[1，2]。 发病因素多样，涉及遗传易感性、药物（口服避孕药、激素替代疗法和非甾体抗炎药等）、上皮屏障缺陷、免疫反应失调和环境因素等[2]。 近年来，UC 在一些发达国家的发病趋势趋于平稳，但在生活水平急剧提升的新兴发展中国家当中表现出迅猛发展的趋势，更多的人口在面临UC 的威胁[3]。有研究表明，肠道黏膜屏障损伤成为UC 发生发展的重要因素[4～6]。 肠道黏膜屏障由多种肠道上皮细胞协同构成， 包括分泌杯状细胞和肠内分泌细胞等， 而在包括UC 在内的炎症性肠病发生发展过程中，肠道上皮细胞的缺失是主要的病理特征[6]。肠道上皮细胞又是由肠道干细胞（intestinal stem cell，ISC）分化而来，因此促进ISC 的增殖分化是修复肠黏膜屏障的重要方法。笔者将综述目前ISC 的研究进展和未来可能的研究方向， 揭示多种渠道影响ISC 的作用，从而为达到治疗UC 提供参考。

1 肠道黏膜屏障与溃疡性结肠炎的联系

1.1 溃疡性结肠炎的发病机制

UC 在中医学认识中属“休息痢”、“久痢”和“肠澼”等疾病范畴。病因或是平素脾肾不足、或是情志内伤、或是饮食不洁（节）、外感时邪，本虚标实，错杂而致该病。基本病机属湿热蕴肠，气滞络淤[7]。由于证型不同，致病机制有些许差别，但临床中常见患者便血或脓血，可见无论虚实，肠络损伤都是存在的。

现代医学认为，UC 的致病因素复杂多样，有生活环境因素、饮食等外在因素，也有遗传、肠道黏膜屏障稳态等内部因素[8，9]，即环境卫生水平低下、饮食结构的改变、家族炎症性肠病病史及肠黏膜屏障稳态失衡会增加发病概率。UC 的诊断，除了临床表现的典型症状外，还要结合内镜的观察加以判断，通常可以观察到充血糜烂的肠黏膜。组织学上，能观察到局限于黏膜的淋巴细胞浸润，以及上皮结构的萎缩、缺如、扭曲、混乱等[10]。

1.2 肠道黏膜屏障的构成与功能

肠道黏膜屏障的构成包括机械屏障、 化学屏障、免疫屏障和生物屏障[11，12]。 机械屏障组成有各类肠道上皮细胞及细胞间的紧密连接结构，是黏膜屏障中最为重要的一种，主要起分隔人体内外环境，为其他几种屏障提供基石[13，14]的作用。 化学屏障是由上皮分泌的各类消化酸、消化酶等化学物质构成，主抑制病原菌的入侵。 免疫屏障由肠道相关淋巴组织、免疫蛋白及一些特殊细胞构成，以保证肠道免疫稳态。 生物屏障是肠道常驻菌群的集合体，专性厌氧菌是构成主体，菌群与人体形成高度的共生关系，对人体健康非常重要[13，15]。 该屏障发挥功能依靠各个组分之间紧密协同配合，任何一环受损，都将诱发或加重UC 及其他炎症性肠病的发生发展。

可以判断的是，无论是中医还是西医，在认识上，都认可了肠黏膜损伤的存在，并把它作为UC 表现的主要特征之一。 因此，促进肠道黏膜屏障的修复愈合是UC 治疗的重要目标。

2 肠道黏膜屏障与肠道干细胞的联系

作为肠道黏膜屏障的基石，机械屏障是一种单细胞密集型的肠道内层，有多种类型的上皮细胞，包含肠上皮细胞、潘氏细胞、杯状细胞、内皮细胞和微褶皱细胞等，它们有各自不同的功能[14]。 由于肠道功能的特性，肠上皮处于高强度的机械应力和其他环境伤害中，可能会很快引发感染和上皮基层的磨损。 因此肠上皮细胞成熟后的寿命非常短暂， 只有3 ～5 d[16，17]。短暂的寿命意味着高频率的更新，上皮细胞更新的来源是隐窝，其中聚集着干细胞在持续分裂并形成祖细胞，然后这些细胞不断增殖分化，形成新的上皮细胞，在隐窝新产生的细胞推动下抵达旧细胞的位置，完成肠上皮细胞的更新[17]。

肠上皮细胞的更新遵循着严密而复杂的程序，一个环节受到影响， 必然会对肠上皮的完整性造成影响，进而影响其他屏障功能的正常发挥，产生一系列肠道疾病。研究促进肠道黏膜屏障的修复实质上就是探索维持肠道上皮正常更新迭代的机制，让人工干预能更有效地促进肠黏膜的修复愈合， 提高治愈包含UC 在内的一系列炎症性肠病。

3 肠道干细胞的调控运行机制

ISC 是成体干细胞的一种，具备高度的增殖分化能力，主要位于肠黏膜隐窝内，每个隐窝中含有4 ～6个ISC，其位置被命名为“+4 位置”，位于从隐窝基底部起，向上的第4 层。 ISC 由隐窝基底向肠腔内移行、分化，并逐渐走向衰老脱落，是一个连续的过程。随着向肠腔移动的进行，ISC 增殖并分化为不同类型的细胞，分化程度增加，干细胞性也在不断丢失。哺乳动物的肠黏膜上皮细胞是新陈代谢极其活跃的场所，细胞寿命也极为短暂[16]。在外界环境的刺激下，ISC 会进行不对称分裂为一个原代干细胞和定向祖细胞，此细胞再分化为其他有具体功能和特殊结构的终末分化细胞，其中包含了肠型细胞、杯状细胞、内分泌细胞、潘氏细胞等构成肠黏膜的基础细胞[17，18]。 ISC 正常增殖分化的过程， 保证了肠道黏膜结构完整和功能稳定，也防范了肠道疾病的发生发展。 而在这个过程中，什么样的物质参与了怎样的路径， 达成了怎样的效果，尚未完全探究清楚，现综述相关的一些研究进展。

3.1 白细胞介素22 对肠道干细胞的调控作用

白细胞介素（interleukin，IL）-22 属于IL-10 细胞因子族系（还有IL-19、IL-20、IL-24、IL-26 等）一员，主要由淋巴细胞（Th1、Th17、Th22、CD8+T 细胞、自然杀伤细胞、淋巴组织诱导细胞等）产生[19]。

IL-10 族系分为三大亚组，IL-22 分属第2 亚组，该亚组主要作用于组织上皮细胞和基质细胞，可诱导固有的宿主防御机制， 并且他们能够促进各组织、器官的增殖、重塑和修复[20，21]。 有研究表明[22]，IL-22RA1在肠道上皮细胞中大量表达，并通过体外实验验证了IL-22 能使肠隐窝细胞增殖，而在IL-22 匮乏的条件下，ISC 和上皮的再生均表达无力。 但在另外的研究中[23]，IL-22 虽然表现出对肠上皮细胞的增殖作用，却抑制了Notch 和Wnt 信号转导， 降低了ISC 的存活率， 在结果上就会表现为即使IL-22 有明显的升高，患者却未实现明显的肠道黏膜愈合。 因此，IL-22 拥有促进干细胞增殖、上皮修复的潜力，也有抑制干细胞存活的一面，对于该物质促修复的机制仍需积极探索，争取发现其修复机制发挥作用的途径。

3.2 Wnt 信号通路对肠道干细胞的调控作用

有研究[16，17]报道成熟肠道上皮细胞的寿命只有3 ～5 d，是哺乳动物体内自我更新最快的组织。 在高度增殖分化的过程中，每个细胞的变化和命运转归都会有某些少数的信号通路协调，Wnt 信号通路已被证明在细胞增殖、 分化及干细胞维持中起到重要作用[24]。而其要发挥不同的功能，需要不同水平的表达。 经典的Wnt 信号通路是通过β-catenin 传递信号，βcatenin 与T-细胞因子（T cell factor，TCF）在细胞核中相互作用以打开Wnt 基因程序[25，26]。有研究证明[24]，当肠道细胞中TCF 相关基因缺失时，TCF1、TCF3 表现出了对细胞增殖可有可无的影响性，TCF4 的缺乏则会导致肠道隐窝中的增殖细胞进行性减少直至完全缺乏，体外组织的培养也证实了TCF4 在维持细胞增殖方面有着积极的作用。 除了经典的信号传导方式，其他途径也能通过各种物质代替Wnt 信号通路的功能，转录共激活因子YAP/TAZ 被证明是代替Wnt 通路的重要介质，并且能够在基因表达、成骨分化、细胞迁移中与经典Wnt/β-连环蛋白信号传导形成拮抗作用[27]。而有研究显示[28]，Yap 可以影响触发Wnt/β-catenin信号，促进上皮细胞的自我更新和隐窝的增殖，不过也会因过度的再生促进结肠炎相关癌症的进展。

3.3 Notch 信号对肠道干细胞的调控作用

Notch 信号传导同样也是一类可调节ISC 增殖分化的途径，它通过直接靶向隐窝基底柱状（crypt base columnar，CBC）细胞来维持ISC 的活性[29]。 CBC 细胞归属于ISC 的一类细胞群， 在正常的肠道环境下，它会在整个生命进程中负责补充损耗的肠上皮细胞。CBC 细胞通过产生高度增殖的祖细胞， 然后由祖细胞分化为各类上皮细胞来达成使命[30]。 Notch 信号通路通过调节关键转录因子Atoh1、 Notch1 和Notch2受体和delta 样配体 （delta-like ligand，Dll）1 和Dll4来达到把控祖细胞的命运[31]。 Notch1（N1）、N2 受体在肠道上皮细胞中的活跃是Notch 信号发挥功能的主要渠道，肠内稳态平衡时，主要由N1 发挥作用，决定肠上皮细胞命运，维持干细胞及修复，N2 的作用十分微小，而当稳态遭到破坏时，N2 对于隐窝的再生却是不可或缺的[32]。Notch 配体也参与到其中。在Notch 通路被抑制时， 表达Notch 配体的细胞会扩增并增加Notch 信号传导，同时也有细胞激增为特征的再生反应[30]。 分泌谱系转录因子Atoh1 参与了Notch 信号通路调节肠道分泌细胞的分化过程。 有趣的是，Notch信号通路的激活与Atoh1 表现出负相关的态势：当Notch 通路激活时，Atoh1 表达了低水平，此时表现了肠上皮细胞的分化，当Notch 通路被抑制时，Atoh1 又会表达高水平，表现为分泌细胞分化的增加[32，33]。可以肯定的是，Notch 信号通路的调控作用是双向的，无论是信号的正向调节还是负向调节都能找到对人体有利的方面，相关的研究也能表明该研究方向的价值[34]。但在疾病过程中，彻底地抑制或是促进信号通路的激活是否会带来不利的一面，平衡点在哪里，还需要继续探索。

3.4 上皮生长因子信号通路与神经调节蛋白1 对肠道干细胞的调控作用

上皮生长因子 （epidermal growth factor，EGF）信号通路也是驱动肠道上皮细胞增殖的一类通路，通过与Wnt 信号通路的协同调控干预干细胞增殖的进程[35]。 过往的研究显示[36]，EGF 信号通路发挥作用是通过上皮生长因子受体 （epidermal growth factor receptor，EGFR） 的配体在肠上皮周围环形肌肉中的表达，配体的表达为ISC 提供了一个信号，用以激活相关蛋白酶，维持ISC 的增殖所需，而阻断肌肉中配体的表达只会部分影响ISC 的增殖能力，表明EGFR 的配体并非只有一种，还有其他的配体通过另外的途径影响EGF 通路的传导； 但关于这些额外存在的配体是否具有其他潜在的作用未给出明确的结论。其他的研究者在进行相关研究[37]时发现，部分配体表现出了功能上的冗余，在部分配体表达被抑制的条件下，ISC的增殖功能依旧能得到维持。 因此可以推论，必然是几种配体能够承担驱动ISC 增殖的功能。最近的一项研究[38]提出了新的方向，指出EGF 并非驱动肠细胞增殖的主要信号配体。 神经调节蛋白（neuregulin，NRG）1 是多种组织再生的关键驱动因素， 例如在神经系统中推动轴突胚芽内细胞的增殖和调节脊髓损伤后的修复[39]，也有诱导心肌细胞增殖的功能[40]。 而这项关于肠道的研究[38]中则发现肠组织再生过程中，细胞上调的配体是NRG1 并非传统认知的EGF，而且该研究显示NRG1 表现出了对ISC 的强烈增殖诱导。 通过体外组织培育， 分别用NRG1 和EGF 处理后，得到了NRG1 更优于EGF 的结果；而在两者同时存在的条件下，类组织的成长并未表现出明显的累积效应，可能表明NRG1 是更优先于EGF 的选择，而且驱动组织增殖的功能更加强大。然后探索了NRG1 在肠道中的分泌情况， 确定了其由肠上皮的Paneth 细胞和间充质细胞分泌，并通过ErbB3/ErbB2 受体作用于肠上皮，其中包含了ISC 和祖细胞的转运扩增。 另外该研究组还通过小鼠模型验证NRG1 的治疗作用，证实了其对于肠道黏膜损伤的修复作用。通过这项研究，NRG1 能够代替EGF 发挥更大治疗作用的潜能被发掘，确定了其在上皮修复期间的关键内源性激动作用， 表明了在治疗UC 方面拥有一定的应用价值。这也能启发其他研究者对该配体的作用机制进一步的探究，或者是对其他配体功能的挖掘。

3.5 自噬对肠道干细胞功能的维持作用

自噬是一种清理细胞内代谢物的过程，基本流程是将细胞质中待分解的物质移入溶酶体中进行处理[41]。该途径在细胞生理学中表现出相当重要的地位，它能够帮助适应代谢应激、清除危险货物（如蛋白质聚集体、受损细胞器、细胞内病原体等）、分化和发育过程中的更新，以及预防基因组损伤[42]。早先的研究[43，44]发现，自噬能够通过保护肠道上皮细胞免于凋零的过程而缓解肠道炎症的进展，甚至好转。 自噬通过复杂的机制影响了肠道稳态和修复，而且在ISC 中也表现出了重要的作用，能够影响其代谢功能、增殖及再生能力[45]。 相关研究发现，肠道上皮细胞中的潘氏细胞在自噬缺陷的条件下会出现分泌功能障碍，不仅会导致肠道屏障保护性抗菌肽分泌障碍， 还会影响其周围ISC 的功能[46]。 因为ISC 干细胞性维持所需的干细胞生态因子、表皮生长因子，相当一部分需要潘氏细胞的支撑[17]。 ISC 自身缺乏自噬功能也会导致更易收到活性氧（reactive oxygen species，ROS）的影响，肠道上皮修复能力也会大打折扣[45]。 Slit2/Robo1 途径，可以调节ISC 的分化及炎症、肿瘤的发生发展。一项研究[47]发现，该途径能够激活ISC 的自噬功能，使在UC 病程中的干细胞数增加，并维持了肠道屏障的相对完整。自噬不仅能保障正常ISC 功能的发挥，在疾病进程中也能表现出令人振奋的治疗作用，适宜深度挖掘其进一步的机制作用，研究出更加精确有效的治疗手段。

3.6 骨形态发生蛋白对肠道干细胞的调控作用

骨形态发生蛋白 （bone morphogenetic protein，BMP） 在ISC 的分化进程中发挥作用， 通过BMP/SMAD（contraction of Sma and Mad）信号介导该进程，影响着ISC 及祖细胞向肠绒毛细胞的分化[48]。 与一般途径不同，BMP 的功能是抑制ISC 的过度分化，使其数量维持在一个正常的范围中[49]。 目前对于该途径的研究，集中在肿瘤方面，通过对BMP 的抑制，能够观察到肠道中异位ISC 及绒毛上的隐窝；相关的实验研究也表明，在BMP 缺陷小鼠身上，功能性干细胞会增加，体外组织培养的实验中，也证实了BMP 对ISC 的抑制作用， 并且说明了不会影响经典Wnt 途径的表达[50，51]。 以上的研究均表明该途径在解释肠类肿瘤的的优势，以及治疗肿瘤疾病的方向。 基于其在肿瘤领域的表现，或可将其纳入肠病炎癌转化研究的一个有利因素，而关于能否促进肠道黏膜屏障的修复，还需要更多的研究探索。

3.7 肠道菌群对肠道干细胞的调控

肠道微生物菌群作为肠道屏障的构成部分，一直也备受关注。 肠道的稳态需要健康菌群的参与，但由于菌群构成的复杂性， 调节ISC 的途径也不会单一。早先的研究[52]揭示了一条肠上皮细胞和菌群通过模式识别受体[包括Toll 样受体 （Toll-like receptors，TLR）]的相互作用途径，TLR4 是一类在ISC 中表达的蛋白， 能够显示并影响肠内隐窝的动态。 MyD88 是TLR 下游的一个重要衔接蛋白，在肠道组织稳态和损伤应激反应中起重要作用，该蛋白的表达缺陷会导致更加容易诱发肠道炎症并且更容易发展恶化[53]。MyD88 介导了肠道菌群对肠上皮细胞增殖的影响过程，该过程不受微生物群诱导的炎症影响[52]。 上面的研究中并没有得出具体肠道菌群对ISC 的调节机制，仅观察到了TLR4/MyD88 与肠道菌群和ISC 的关联，最近的研究中也未见到类似进展。在另外一项研究[54]中， 学者们探究了特异性生物素转运蛋白Smvt 在肠稳态、 感染诱导的再生中发挥的作用，Smvt 负责在ISC 有丝分裂的过程中转运生物素，是必不可少的一部分，通常生物素从日常的饮食当中获取，当饮食中缺乏生物素时，肠道菌群中的某些族群（如大肠杆菌）能够补充空缺，缓解ISC 有丝分裂减少的困境，甚至是维持相对正常的干细胞增殖功能。该研究揭示了肠道菌群影响ISC 的又一途径，也提醒人们要有意识调整自身饮食结构，保持均衡的营养摄入，方可保持肠道健康。 近期一项探究饮食-微生物代谢前馈回路的实验[55]中也提及饮食对肠道菌群的影响，提到纯化饮食会导致更加脆弱的肠道菌群结构和肠上皮完整性，尤其在压力环境下。 相比之下，均衡的饮食在疾病环境下更能维护肠道菌群的丰度，这之中以乳酸菌属的影响最为明显。 为了验证菌群对于肠道的保护作用，该研究分别将正常饮食环境下的正常小鼠和压力条件下小鼠的肠道粪便菌群提取出来，移植于无菌小鼠体内， 然后以葡聚糖硫酸钠 （dextran sulfate sodium salt，DSS）诱导肠道损伤，结果显示压力小鼠肠道菌群组的受体表现出更轻微的结肠炎症，证实了肠道菌群在压力环境下对肠道的保护作用。在证实肠道菌群的保护作用的前提下，研究其中内在的机制或许会是新的研究前景。

4 结论

时至今日，UC 发病机制依旧是悬而未决的难题，发病因素也复杂多变，治疗方面困难重重。 目前治疗的手段多以5-氨基水杨酸制剂、糖皮质激素类、免疫抑制剂、生物制剂为主，但各自的限制条件和毒副作用却是令广大患者饱受困扰。基于对UC 发生发展的认识，肠道黏膜屏障损伤成为关键因素，因此如何逆转该因素或是研究治疗UC 的一大方向。 ISC 在正常肠道中担负着肠上皮细胞的更新迭代，是维持肠道黏膜屏障完整的重要条件，因此研究能够干预该干细胞的因素具有相当重要的意义。前人综述了数种可以干预ISC 命运转归的因素（通路、蛋白、甚至某种机制等）， 但尚未深入探讨每一种途径的具体构成和运行机制，笔者研究希望能为该方向的研究工作者们提供一些参考的价值，无论是现代医学还是传统医学都能够借此找到新的突破方向， 在此基础上发现新的治疗手段以缓解广大UC 患者长期以来所遭受的痛苦。