腸屏障功能障礙發(fā)病機制的研究進展

雷泓，宋云林

(1.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)中心，烏魯木齊 830054; 2.新疆克拉瑪依市中心醫(yī)院麻醉科，新疆 克拉瑪依 834000)

腸道作為人體重要的消化器官，是抵御非特異性感染的第一道防線，它具有強大的內(nèi)分泌和免疫防御作用；其次，腸腔內(nèi)有大量的細菌和毒素，因此腸道對于人體還是一個潛在的感染源。生理條件下，腸道在保證消化吸收營養(yǎng)物質(zhì)、交換水和電解質(zhì)等基本功能的同時還可以阻止有害微生物及其代謝產(chǎn)生的毒素等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移到組織器官中，從而維持內(nèi)環(huán)境的動態(tài)平衡[1]。腸屏障功能障礙是指由于各種原因?qū)е履c道內(nèi)微生物區(qū)系失調(diào)、腸道通透性改變以及腸黏膜結(jié)構(gòu)的損傷，從而引起細菌和有毒產(chǎn)物易位進入血液循環(huán)引起全身炎癥。很多疾病過程中均會伴隨或?qū)е履c屏障功能障礙，如顱腦損傷[2]、應(yīng)激[3]、燒傷[4]、炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)[5]、多發(fā)性硬化癥[6]、慢性腎臟病[7]、精神分裂癥自閉癥等[8]。在臨床上，尤其是危重患者，往往均存在腸道屏障功能障礙，且與患者的預(yù)后和轉(zhuǎn)歸相關(guān)。因此，臨床醫(yī)師應(yīng)深入認(rèn)識腸道屏障功能障礙發(fā)生的機制，以便進行早期預(yù)防和積極診治。雖然目前已有許多研究明確了引發(fā)腸屏障功能障礙的危險因素，但其發(fā)生機制錯綜復(fù)雜，仍需進一步深入研究。現(xiàn)就腸屏障功能障礙發(fā)病機制的研究進展予以綜述，以為臨床腸屏障功能障礙的診治提供新思路。

1 腸屏障的組成及功能

1.1機械屏障 腸上皮細胞是構(gòu)成腸屏障的基本框架，也是腸道與內(nèi)環(huán)境之間的物理屏障。腸上皮細胞在胃腸道內(nèi)排列成厚約20 μm的單層柱狀層，形成人體最大和最多樣化的黏膜表面；腸上皮細胞是一種特殊的極化細胞，其形成的動態(tài)機械屏障將位于其下方的淋巴組織與腸腔分開。腸上皮細胞每隔4～5天就會不斷地由位于腸道隱窩基底部的腸道干細胞增殖補充[9]。

腸上皮細胞之間不是密閉的，而是存在縫隙，縫隙間被緊密連接填充。閉鎖小帶蛋白1和連接黏附分子、claudins、occludin、tricellulin四類跨膜蛋白共同組成緊密連接，其構(gòu)成了防止腸道內(nèi)細菌和毒素發(fā)生轉(zhuǎn)移的重要屏障。緊密連接具有選擇滲漏性和動態(tài)變化性，可以限制離子的隨意擴散及腸腔內(nèi)細菌和毒素從頂端向基底側(cè)膜區(qū)的移位[10]。緊密連接受鈣黏蛋白、磷脂酶C、蛋白激酶A、酪氨酸激酶、促分裂原活化的蛋白激酶和肌球蛋白輕鏈激酶等多種蛋白的調(diào)節(jié)，其中肌球蛋白輕鏈激酶起關(guān)鍵作用。

1.2化學(xué)屏障 腸黏膜化學(xué)屏障也叫黏液層，是指腸道細菌駐留產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)及胃酸、膽汁、消化酶、溶菌酶、黏蛋白(mucoprotein，MUC)等能抑制細菌黏附和定植的化學(xué)物質(zhì)的總稱。其能使腸腔內(nèi)細菌與腸上皮細胞分離，同時允許營養(yǎng)成分吸收。黏液層主要由MUC骨架和復(fù)雜的O-連接低聚糖修飾而成，它可以限制胃腸道組織與微生物區(qū)系的接觸，并潤滑腔內(nèi)容物，以防止胃腸道組織被降解。隨著杯狀細胞的不斷分泌，這些糖蛋白聚集體水合并膨脹，形成網(wǎng)狀凝膠。小腸只有一層黏液層，而結(jié)腸黏液層有三層，最外層的黏液層密度和黏性最小。內(nèi)層黏液層是糖萼，其中MUC附著在細胞膜上；中間層主要由MUC2組成；外層是由內(nèi)層蛋白水解和置換而形成[11]。

MUC是一種高度O-糖基化的蛋白質(zhì)，在腸上皮表面形成聚合網(wǎng)絡(luò)。它們可分為兩組：由杯狀細胞產(chǎn)生的分泌型、凝膠型MUC(MUC2、5AC、5B和6)和膜相關(guān)的MUC(MUC1、3、4、13和17)，均由頂膜的杯狀細胞和吸收細胞分泌[12]。MUC2是黏液的主要成分，也是產(chǎn)生有效黏液層的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，MUC2基因敲除小鼠自發(fā)結(jié)腸炎，對腸道病原體的抵抗力降低[13]。此外，也有學(xué)者認(rèn)為黏液層分為內(nèi)外兩層，腸道共生微生物群通常局限于由MUC2的蛋白水解和糖苷降解形成的外部“松散”黏液層內(nèi)，而內(nèi)部“黏附”黏液層基本沒有微生物定植[12]。

1.3生物屏障 微生物群自然定居在人體與外界環(huán)境相互作用的每一個表面，如皮膚、泌尿生殖道、胃腸道和呼吸道，其中胃腸道是所有器官中定植最嚴(yán)重的器官。人的胃腸道中有1 000多種細菌，這些微生物在人出生后就定植于腸道中，并長期與機體形成互惠共利的平衡關(guān)系。微生物群被認(rèn)為是一種宿主屏障元件，它與腸道上皮細胞以及基本的免疫和神經(jīng)系統(tǒng)密切相互作用，包括細菌-腸-腦軸[14]。同時，腸道微生物群還可以產(chǎn)生活性代謝產(chǎn)物，如三甲胺-N-氧化物、短鏈脂肪酸和膽汁酸，這些均可以擾亂宿主正常的生理狀態(tài)[15]。

1.4免疫屏障 腸道相關(guān)淋巴組織是腸屏障的重要組成部分，分布于啟動免疫反應(yīng)的淋巴結(jié)構(gòu)(主要為淋巴濾泡、Peyer氏斑和腸系膜淋巴結(jié))及散布于腸黏膜上皮和固有層的效應(yīng)細胞[16]。來自腸神經(jīng)元的神經(jīng)介質(zhì)通過直接刺激腸上皮細胞或通過腸膠質(zhì)細胞、免疫細胞的中間作用來調(diào)節(jié)腸上皮屏障的完整性。腸道相關(guān)淋巴組織處于腸黏膜表面的關(guān)鍵部位，發(fā)揮著監(jiān)視、非特異性免疫和特異性免疫的作用。其中，非特異性免疫是抵御腸道黏膜中潛在有害物質(zhì)的第一道免疫防線，其特點為缺乏免疫記憶，主要參與成分為腸上皮細胞、杯狀細胞和帕內(nèi)特細胞，以及上皮下中性粒細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞、嗜酸粒細胞和肥大細胞。這些免疫細胞對宿主防御至關(guān)重要，也是免疫介導(dǎo)的腸道疾病的主要驅(qū)動力[17]。

2 腸屏障功能障礙發(fā)生的機制

腸屏障功能障礙發(fā)生的機制目前尚未完全清楚。許多因素均參與了腸屏障功能障礙發(fā)生發(fā)展的過程，如神經(jīng)內(nèi)分泌介質(zhì)[18]、缺血再灌注[19]、氧自由基[20]、炎癥因子[21]、腸上皮細胞自噬[22]以及遺傳因素[23]等。

2.1缺血再灌注損傷 缺血再灌注損傷是指組織缺血一段時間重新恢復(fù)灌注后，組織的功能代謝障礙和結(jié)構(gòu)破壞不僅不會減輕，反而會迅速加劇，甚至發(fā)生不可逆性損傷的現(xiàn)象。各種原因引起的全身血容量不足，會使機體組織器官缺氧。在燒傷、失血性休克所致的腸屏障功能障礙中，缺血缺氧是主導(dǎo)因素。缺血再灌注損傷會引起腸道通透性增加以及腸道內(nèi)細菌易位，從而導(dǎo)致腸屏障功能障礙。此外，腸缺血再灌注損傷過程會釋放大量的炎癥介質(zhì)和細胞因子入血，導(dǎo)致多器官功能衰竭，甚至引起患者死亡[24-25]。Gharishvandi等[26]研究表明，5-羥色胺、降鈣素基因相關(guān)肽、氧化應(yīng)激因子和促炎細胞因子在缺血再灌注引起的腸損傷中可能發(fā)揮作用。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是細胞中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，主要參與調(diào)節(jié)細胞對外界刺激的反應(yīng)，在生命活動中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[27-28]。大鼠體內(nèi)實驗表明，在缺血再灌注損傷過程中，NF-κB途徑中相關(guān)蛋白會有不同程度的變化，從而增強局部組織對損傷的抵抗力，形成機體對外界的保護性反應(yīng)機制[29]。同樣在大鼠體內(nèi)，有研究表明丙泊酚可能通過調(diào)節(jié)NF-κB途徑來實現(xiàn)對腸缺血再灌注損傷的保護作用[30]。

2.2氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是由于細胞和組織中活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生和積累，以及生物系統(tǒng)對這些ROS的解毒能力之間的不平衡(即氧化劑的產(chǎn)生與抗氧化劑之間的失衡)而引起細胞和組織損傷的一種現(xiàn)象[31]。腸道作為人體面積最大的消化器官，擁有豐富的血管，其新陳代謝非常活躍，因此也極易受到氧化應(yīng)激的影響。

ROS包括羥自由基、超氧陰離子自由基、過氧化氫以及單線態(tài)氧，線粒體代謝是ROS的一個重要來源。蛋白質(zhì)磷酸化、轉(zhuǎn)錄因子的激活、細胞凋亡、免疫反應(yīng)和組織分化等過程均依賴于細胞內(nèi)適當(dāng)ROS的產(chǎn)生和存在，但是需要保持在較低的水平[32]。當(dāng)ROS產(chǎn)量增加時，它們會對重要的細胞結(jié)構(gòu)(如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸)產(chǎn)生有害影響[33]。在腸屏障損傷過程中，氧化應(yīng)激主要通過破壞腸上皮細胞間緊密連接復(fù)合體而影響腸屏障功能。氧化應(yīng)激反應(yīng)中，過量ROS的產(chǎn)生和積累會刺激炎癥因子釋放并激活多種信號通路，促進炎癥反應(yīng)，進而引起腸黏膜屏障功能的損害。核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2作為一種重要的細胞保護性轉(zhuǎn)錄因子，是抗氧化防御反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子，它可以促進多種抗氧化酶(如谷胱甘肽和過氧化氫酶)的轉(zhuǎn)錄，降解與氧化應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)的基因[34]。

2.3腸道微生物群失調(diào) 腸道是人體內(nèi)最大的消化器官之一，寄居著大量微生物，包括細菌、真菌、病毒、原生生物等，其中細菌的數(shù)量最多，也是維持腸道環(huán)境動態(tài)平衡的主要微生物[35]。腸道微生物群不是共生菌和病原體的靜態(tài)組合，而是一個高度動態(tài)的生態(tài)體系，它能夠迅速適應(yīng)環(huán)境變化，如新的飲食、藥物或病理生理狀態(tài)。正常的微生物菌群能夠保護宿主免受病原微生物的侵襲，為腸道細胞提供營養(yǎng)，促進機體能量代謝，維持微量營養(yǎng)素的穩(wěn)態(tài)。腸道微生物群在塑造免疫系統(tǒng)和維持免疫動態(tài)平衡方面起重要作用，而3種主要細菌代謝產(chǎn)物(短鏈脂肪酸、膽汁酸和色氨酸代謝物)在維持腸上皮完整性中起重要作用[36]，其中短鏈脂肪酸不僅是宿主的能源，也是腸上皮細胞和免疫細胞生理功能的調(diào)節(jié)器，而丁酸可以作為燃料和細胞周期誘導(dǎo)劑促進腸上皮細胞的增殖，且具有抗炎和抗氧化的潛力。微生物群種的改變或移位會使免疫和代謝穩(wěn)態(tài)改變，從而引起腸道功能受損。

腸道菌群中信號分子的變化可能也是菌群失調(diào)導(dǎo)致腸道疾病的一個機制。定植于腸道的微生物區(qū)系與組成適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的派爾集合淋巴結(jié)相互作用，在免疫防御啟動方面起重要作用[37]。節(jié)段性絲狀細菌是小鼠或大鼠腸道內(nèi)的眾多共生細菌之一，大部分附著在回腸內(nèi)皮細胞上，它可以誘導(dǎo)腸上皮細胞產(chǎn)生血清淀粉樣蛋白A，后者有強烈促進固有層中輔助性T細胞17(helper T cell 17，Th17細胞)分化的作用[38-39]，而Th17細胞分泌的白細胞介素(interleukin，IL)-17可以誘導(dǎo)腸上皮細胞分泌抗菌肽和再生胰島衍生蛋白3γ，有助于抵抗腸道細菌感染[40]。

2.4免疫失調(diào) 腸道的非特異性免疫反應(yīng)由附著在腸上皮細胞、肥大細胞表面的模式識別受體觸發(fā)。模式識別受體可以識別微生物表面的病原體相關(guān)分子模式，從而誘導(dǎo)炎性病灶定位感染，防止病原體的系統(tǒng)性傳播。模式識別受體激活NF-κB信號通路，觸發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng)，釋放多種炎癥因子，引起腸道的持續(xù)性損傷，進而導(dǎo)致腸道炎癥性疾病的發(fā)生。同時，模式識別受體也被證明參與上皮細胞增殖、緊密連接的維持和免疫球蛋白的產(chǎn)生[41-42]。免疫細胞通過IL-23/IL-23受體途徑產(chǎn)生細胞因子IL-22，促進上皮細胞表達抗菌肽[43]。有研究表明，IL-22的缺乏會導(dǎo)致結(jié)腸微生物區(qū)系組成的改變，從而導(dǎo)致對葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的高度易感性[44]。

腸道的免疫調(diào)節(jié)與微生物區(qū)系密切相關(guān)，腸道微生物區(qū)系很大程度上影響了宿主免疫系統(tǒng)的表型和功能，如無菌小鼠存在許多免疫缺陷，包括T細胞分化和T細胞在腸道積聚受損[45-47]，免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)A和抗菌肽的產(chǎn)生分泌均減少，全身性IgE水平升高[48-49]。然而，這種免疫缺陷可以通過給予來自小鼠和人類捐贈者的糞便微生物區(qū)系，或它們衍生的細菌菌株而逆轉(zhuǎn)。目前，已有研究者以腸道微生物區(qū)系與免疫功能之間的相互關(guān)系為靶點，開發(fā)新的制劑以便有針對性地塑造免疫功能。

谷氨酰胺作為腸黏膜細胞的唯一能源物質(zhì)，在腸黏膜細胞的增殖、免疫細胞的分化以及調(diào)控免疫應(yīng)答等方面均發(fā)揮重要作用[50]。有研究表明，老年重癥胰腺炎患者使用谷氨酰胺作為腸內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)對其腸道菌群有一定調(diào)節(jié)作用,可較好地抑制菌群繁殖，從而改善腸黏膜屏障功能[51]。

2.5自噬 自噬是由溶酶體介導(dǎo)的細胞降解過程，組織分化、創(chuàng)傷、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等應(yīng)激條件均可誘發(fā)自噬，自噬對于細胞的生長、發(fā)育和維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)均必不可少。近年有學(xué)者提出了一種新的細胞死亡類型，即“無約束自噬細胞死亡”，這意味著無約束自噬會引起細胞死亡，從而對機體產(chǎn)生負面影響[52]。許多復(fù)雜的機制均參與調(diào)控自噬的啟動及終結(jié)，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)作為細胞生命活動的重要調(diào)節(jié)因子，在細胞自噬的開啟中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在某些應(yīng)激源的作用下，mTOR失活，會導(dǎo)致自噬小體的生物發(fā)生和自噬的啟動[53]。腸缺血再灌注后，腸黏膜自噬明顯增強，而抑制自噬可通過激活mTOR信號通路減輕缺血再灌注引起的腸損傷[54]。

自噬可以通過抑制促炎復(fù)合物或增強受損細胞器的清除來保護腸上皮細胞免受過度的炎癥刺激[55-56]。由于自噬在細胞和組織的動態(tài)平衡中起重要作用，因此其是一種有益的生命過程。自噬受損在腸黏膜的每種細胞類型中具有不同的表型效應(yīng)，如可以增強ROS的產(chǎn)生、激活炎癥小體、增強Th17細胞反應(yīng)和促進IL-1β的產(chǎn)生等[57]。帕內(nèi)特細胞很容易受到自噬受損的影響，研究發(fā)現(xiàn)，缺失自噬相關(guān)基因(autophagy related gene，ATG)4B小鼠的腸道帕內(nèi)特細胞的免疫分泌功能會受到抑制[58]。此外，在葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的ATG缺失的小鼠結(jié)腸炎模型中，杯狀細胞的丟失明顯，說明自噬參與調(diào)節(jié)杯狀細胞[59]。

截至目前，已有30多個ATGs在哺乳動物中被發(fā)現(xiàn)，其中ATG16L1在腸上皮細胞的動態(tài)平衡中發(fā)揮重要作用[23]；同樣，IBD的易感基因也包括ATG16L1。

2.6遺傳及環(huán)境因素 眾所周知，在基礎(chǔ)病變的基礎(chǔ)上，IBD也會引起腸黏膜屏障功能障礙。IBD的病因復(fù)雜，但有證據(jù)表明免疫因素、遺傳和環(huán)境因素共同促進了IBD的發(fā)生發(fā)展[24]。全基因組關(guān)聯(lián)研究普遍用于鑒定與IBD相關(guān)的基因變異，到目前為止已經(jīng)確定了230多個與IBD相關(guān)的位點，且最新進展已經(jīng)確定了罕見的致病基因變異。這些致病基因變異會導(dǎo)致機體表現(xiàn)出IBD樣的腸炎，但也只是解釋了IBD遺傳性的少部分原因[60]。其中，破壞帕內(nèi)特細胞功能的基因多態(tài)性被認(rèn)為在潰瘍性結(jié)腸炎的發(fā)生中起關(guān)鍵作用[61-62]。與IBD發(fā)生發(fā)展相關(guān)的環(huán)境危險因素包括污染、藥物、受教育程度、精神心理因素、飲食等。研究顯示，IBD的發(fā)生和發(fā)展與遺傳和環(huán)境因素密切相關(guān)；多因素Logistic回歸分析顯示，在IBD的發(fā)生過程中，有遺傳家族史、長期攝入牛奶、生活工作壓力大、精神高度緊張、腸道感染性疾病患者IBD的發(fā)病率較高[63]。其中，精神壓力對IBD發(fā)病產(chǎn)生的影響，可能與機體的神經(jīng)調(diào)節(jié)有關(guān)。目前研究已經(jīng)明確吸煙對腸道微生物區(qū)系、腸道免疫活性和基因轉(zhuǎn)錄的普遍影響。

3 小 結(jié)

腸屏障功能障礙并非獨立存在的癥狀，它是其他疾病的伴隨癥狀或誘因。在危重癥患者中，腸屏障功能障礙若不及時干預(yù)，可能會加重原發(fā)疾病甚至引起多器官功能障礙綜合征，從而危及患者生命。對于腸屏障功能障礙，臨床工作中不僅要考慮原發(fā)疾病的影響，更要結(jié)合腸道自身的病理生理情況。在腸屏障受損過程中，其功能障礙發(fā)生的病理機制復(fù)雜，而且各種機制往往相互交錯且相互影響。因此，臨床診治腸屏障功能障礙時，應(yīng)全面分析，有針對性地進行診療。對于腸屏障功能障礙的發(fā)生發(fā)展機制，未來需開展更多分子層面的研究，以減少其對危重癥患者帶來的不良后果。