益生菌在潰瘍性結腸炎腸黏膜屏障功能中的作用

王冰　王韶軒

【摘要】 腸黏膜屏障功能是機體屏障系統的重要組成部分，腸黏膜屏障的破壞可導致許多疾病的發生發展，例如潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）。補充益生菌可以改善腸道菌群失衡狀態，促進腸上皮細胞的增殖、抑制其凋亡，促進緊密連接蛋白的表達和組裝，促進抑菌素、黏蛋白、分泌型免疫球蛋白A（secretory immunoglobulin A，sIgA）的產生，對腸黏膜屏障的成熟和維持至關重要。然而，目前臨床在治療UC方面，益生菌僅作為輔助用藥。因此，旨在總結益生菌對腸黏膜屏障功能的影響，為益生菌應用于UC的一線治療提供更多理論依據。

【關鍵詞】 益生菌；潰瘍性結腸炎；腸黏膜屏障

文章編號：1672-1721（2024）02-0030-04? ? ?文獻標志碼：A? ? ?中國圖書分類號：R574.62

潰瘍性結腸炎（UC）是一種慢性難治性炎癥性腸疾病，主要累及結直腸黏膜層和黏膜下層，患者臨床癥狀主要表現為腹痛、腹瀉和黏液膿血便。UC的臨床類型以慢性復發型最為常見，病情遷延反復，不僅容易增加患者患結腸癌的風險，還容易增加患者的精神負擔，使患者患抑郁癥的風險增加。近些年，隨著人們生活水平的提高、飲食結構和生活方式的改變，潰瘍性結腸炎的發病率日益增長。然而，UC病因未明，臨床的一線用藥主要是水楊酸制劑，但其臨床療效欠佳、不良反應較多等缺點促使人們去尋找新的潛在的一線治療藥物。隨著人們對益生菌研究的了解和深入，發現益生菌是一種具有一線用藥潛力的候選藥物。眾所周知，UC患者多有腸黏膜屏障功能障礙，隨著研究人員對UC的研究，越來越多的證據表明腸黏膜屏障功能受損是導致UC發病的關鍵因素[1]。有研究指出，正常腸道微生物群是腸黏膜屏障完整的關鍵因素，也是炎癥性腸疾病治療的主要目標[2]。UC患者腸道內菌群結構發生改變，主要表現為雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌群豐度減少，而大腸桿菌、腸球菌等有害菌群豐度增加，補充益生菌，如雙歧桿菌、乳酸桿菌等，可以改善腸道菌群失衡的狀態，促進腸上皮細胞的增殖、維持緊密連接，促進黏蛋白和免疫球蛋白的產生，對腸黏膜屏障的成熟和維持至關重要。本文將在益生菌改善腸黏膜的機械屏障、化學屏障、免疫屏障中詳細敘述。

1 益生菌改善腸黏膜的機械屏障

腸黏膜屏障以機械屏障最為重要，腸上皮細胞（intestinal epithelial cells，IEC）及細胞間的緊密連接（tight junction，TJ）構成腸黏膜機械屏障的結構基礎。研究表明，在炎癥條件下，益生菌可以通過激活磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol-3 kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinases B，PKB，即AKT）抗凋亡通路和蛋白激酶C依賴通路，促進IEC增殖、抑制IEC凋亡，并調節肌動蛋白細胞骨架和TJ的變化，有助于腸黏膜機械屏障功能的恢復。

1.1 益生菌促進IEC增殖，抑制IEC凋亡

研究發現，鼠李糖乳桿菌GG能通過激活PI3K/AKT通路、抑制p38/MAPK通路，減少細胞因子誘導的腸上皮細胞凋亡[3]。AKT通過磷酸化相關轉錄因子，如糖原合成激酶-3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3），磷酸化的GSK-3失活，失活的GSK-3使細胞內的cyclinD1、β-catenin等蛋白的穩定性增高，進而促進細胞周期，抑制細胞凋亡。然而，益生菌是如何激活這些通路的呢？研究發現，這可能與益生菌上調三葉因子3（trefoil factor family 3，TFF3，即ITF）的表達有關[4]。ITF是由腸黏膜杯狀細胞產生的一種小的分泌蛋白，在回腸和結腸中大量表達，能在黏膜損傷后迅速分泌到黏膜表面，并通過促進有絲分裂和抗凋亡活性參與黏膜穩定和修復，在腸黏膜屏障功能中發揮關鍵作用，是標志腸黏膜愈合的生物活性物質之一。

1.2 益生菌促進TJ的改善

益生菌不僅影響腸上皮細胞的增殖和凋亡，還影響TJ的表達和組裝。TJ是由克勞丁家族（claudins）、咬合蛋白（occludin）等跨膜蛋白以及帶狀閉合蛋白-1（ZO-1）等胞漿蛋白構成的大分子復合物。腸上皮TJ結構的破壞引起的腸黏膜通透性的增加對腸道炎癥的發生和發展至關重要。研究發現，TJ結構的穩定和破壞可能與某些細胞因子有關，如腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）。TNF-α可以使occludin等構成TJ的蛋白基因表達下調[5]。此外，TNF-α可以通過激活肌球蛋白輕鏈激酶（MLCK，即MYLK3）基因，使MLCK表達增加，MLCK通過收縮肌動蛋白-肌球蛋白絲誘導TJ打開，內化TJ蛋白。這一機制下，TJ蛋白的基因表達可能并不受影響，但IEC胞膜上的TJ蛋白重回細胞質，也將導致腸黏膜屏障被破壞[6]。

UC患者腸道中革蘭陰性致病菌增多，這些病原菌可以通過細胞外壁的脂多糖激活先天淋巴細胞上的Toll樣受體（TLR）4，通過胞質內適配器MyD88的活化激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB），使TNF-α表達和釋放增加。當機體受到病原菌感染時，機體的確需要快速激活NF-κB信號通路，介導正常的免疫應答，消滅病原菌。然而，NF-κB信號通路的過度表達則會導致組織損傷，發生UC等免疫相關疾病。

研究發現，益生菌可以使TNF-α的表達下調。益生菌可以通過抑制TLR4/NF-κB信號通路抑制TNF-α等促炎因子的釋放[7]。此外，益生菌，尤其是丁酸梭菌，可以通過分解發酵腸道內的膳食纖維產生丁酸等短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）來抑制NF-κB的活化，進而減少LPS誘導的TNF-α生成[8]。同時，SCFAs還是結腸細胞的主要能量來源，能為細胞的正常生長和增殖提供所需的能量。

益生菌除了能通過抑制TNF-α的生成來調節TJ的表達外，還可以通過激活TLR2/MyD88通路來上調TJ蛋白的表達。研究表明，乳酸桿菌和雙歧桿菌等益生菌可以通過其胞外多糖（EPS）經TLR2/MyD88通路，使對TJ形成和維持至關重要的claudin-3的表達維持在正常水平，并指出這可能與蛋白激酶C的活性增加有關[9]。

2 益生菌改善腸黏膜的化學屏障

結直腸的化學屏障主要由共生菌產生的抗菌物質以及杯狀細胞分泌的黏蛋白2（Mucin2，即MUC2）組成。益生菌可以通過改善腸黏膜化學屏障來抵御病原菌，改善腸道菌群結構，恢復正常腸道菌群，有助于腸黏膜機械屏障的改善、通透性的降低，進而改善和緩解UC的癥狀。

2.1 益生菌產生抗菌物質

正常人體腸道內存在大量的共生菌，包括革蘭陽性菌和革蘭陰性菌，這些共生菌可以產生抗菌物質，保護腸道免受病原菌的侵害。

革蘭陽性菌產生的抗菌物質稱為細菌素，它通過識別敏感細胞表面特異性受體抵抗非己細菌，而不傷害自身細胞，這與細菌素和免疫蛋白編碼基因通常被共同轉錄的屬性有關[10]。目前已知最重要的細菌素是乳酸鏈球菌產生的乳酸鏈球菌素（Nisin，亦稱乳鏈菌肽），其抗菌作用是通過N端結構域與肽聚糖的前體脂質Ⅱ結合，抑制細胞壁合成，并通過C端結構域形成細胞膜孔隙，改變細胞膜電導率，使細胞喪失屏障功能，導致細胞死亡[11]。

革蘭陰性菌產生的抗菌物質稱為微菌素（microcins，Mcc）。大腸桿菌菌株Nissle 1917（EcN）是一種革蘭陰性益生菌，通過產生2種鐵載體微菌素MccM和MccH47抑制其他腸桿菌科的活性[12]。MccM和MccH47屬于Ⅱ型b類小菌素，能被靶細菌外膜FepA、Cir、Fiu等鄰苯二酚鐵載體受體識別，在內膜TonB/ExbB/ExbD復合物的幫助下進入胞質。它們通過“特洛伊木馬”的方式進入細胞，靶向ATP合成酶F0質子通道的AtpB等蛋白，抑制ATP的合成，抵抗病原菌[13]。

然而，非益生菌大腸桿菌也能產生Mcc，其中，MccJ25是目前研究最多的一種。MccJ25是由普通大腸桿菌針對致病性大腸桿菌、沙門氏菌和志賀氏菌等病原菌產生的包含21個氨基酸的具有抗生素作用的多肽。MccJ25可通過第9位的酪氨酸殘基靶向破壞細胞質膜呼吸鏈，也可通過尾部的β-發卡環劫持目標細菌鐵載體受體外膜蛋白FhuA，再通過內膜轉運蛋白SbmA進入細胞，進入細胞后的MccJ25通過“特洛伊木馬”機制抑制RNA聚合酶，抑制細菌轉錄而殺死細菌[14]。此外，還有些Mcc可以通過抑制細胞的翻譯抑制細胞生長。Mcc是由多種細菌產生的天然的特洛伊木馬肽-核苷酸類抗生素，一磷酸腺苷通過N-酰基磷酰胺鍵共價連接到其C末端，進入細胞后，被相關的酶分解成不可水解的異天冬氨酰腺苷酸，該物質可以抑制天冬氨酰-tRNA合成酶合成氨酰化t-RNAAsp，強烈抑制翻譯和細胞生長[15]。鑒于此，提示可以通過基因工程的方式將這些Mcc基因整合到傳統的益生菌中，從而更好地發揮作用。

2.2 益生菌促進黏蛋白的產生

MUC2不僅可以通過其特征性的分子結構捕獲、包裹病原菌，還可以通過競爭性抑制的作用抑制病原菌定植。此外，腸黏膜MUC2的表達增多會使得腸黏膜黏液層增厚，通過增強腸黏膜物理屏障的方式抵御病原菌。機體缺乏MUC2可導致自發性結腸炎的發生，因此，腸黏膜表面MUC2的缺失對UC的發生發展至關重要。

益生菌除能產生抗菌素外，還能促進杯狀細胞分泌MUC2，使腸黏膜的MUC2增加。研究表明，乳酸菌等益生菌能通過激活轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）信號通路上調MUC2的基因表達[16]。此外，丁酸梭菌等益生菌的代謝產物丁酸鹽也可以促進杯狀細胞分泌MUC2。研究發現，丁酸鹽是組蛋白去乙酰化酶最有效的抑制劑，可以通過抑制HDAC促進淋巴細胞產生IL-22，進而使MUC2表達增加[17]。益生菌還可以促進杯狀細胞的分化。腸上皮細胞是否能分化為杯狀細胞由Wnt通路決定，當該通路被激活時，腸上皮細胞分化為杯狀細胞、潘氏細胞等分泌細胞；當Notch途徑被激活時，Wnt途徑被抑制，腸上皮細胞則分化為吸收細胞。研究發現，乳酸菌等益生菌能通過激活Wnt/β-catenin信號通路上調增殖細胞核抗原的表達，促進腸上皮細胞的增殖，并通過抑制Notch信號通路誘導腸干細胞向杯狀細胞分化，使MUC2表達增加[18]。

3 益生菌改善腸黏膜的免疫屏障

腸黏膜的免疫屏障主要是由腸道相關淋巴組織及其分泌的免疫物質構成，這些免疫物質主要是指sIgA。sIgA可以通過識別捕獲病原菌、刺激腸黏膜分泌黏液等方式抑制病原菌的定植。此外，sIgA還可以通過免疫隔離等機制介導共生菌的免疫耐受，進而保護機體不受共生菌的侵害。眾所周知，正常人體腸道內存在大量的共生菌，sIgA在不犧牲固有免疫系統維持腸黏膜屏障功能的前提下，支持腸道菌群的多樣性，有助于恢復腸道的菌群平衡。因此，腸黏膜表面的sIgA含量對于緩解UC的癥狀至關重要。

研究表明，sIgA的產生和分泌受細胞因子的調節。Th2型細胞因子（IL-4、IL-5、IL-6、IL-10、IL-13等）能促進漿細胞成熟并產生IgA，而Th1型細胞因子（TNF-α、IFN-γ、IL-2等）則抑制IgA的產生。漿細胞內產生的IgA通過J鏈連接形成二聚體IgA（dIgA），釋放出細胞的dIgA與IEC基底側的多聚免疫球蛋白受體（pIgR）結合，形成dIgA-pIgR復合物，通過胞吞作用攝入IEC，在IEC近頂端膜處被蛋白酶水解成sIgA并分泌至腸腔內發揮作用。幼稚T細胞向Th2型細胞分化以及pIgR的表達均需要JAK1和STAT6的活化，而JAK1和STAT6的活化需要IL-4、IL-13的參與。因此，細胞因子的變化對于腸道sIgA的分泌至關重要。

動物實驗研究顯示，UC小鼠模型中血清IgA和結腸灌洗液sIgA水平顯著下降，應用益生菌治療后，UC小鼠腸道內sIgA的水平可恢復正常[19]。也有研究人員指出，乳酸菌和雙歧桿菌等益生菌可以通過上調IL-4等細胞因子的水平，改善腸黏膜sIgA的表達[20]。此外，益生菌及其代謝產物（如丁酸鹽）可以通過多種方式下調TNF-α的表達，也能為腸黏膜sIgA的表達貢獻力量。

4 總結與展望

綜上所述，益生菌可以通過促進IEC增殖、抑制IEC凋亡、改善TJ蛋白表達和組裝的方式改善腸黏膜的機械屏障，通過增加腸道內抗菌物質、黏蛋白表達的方式改善腸黏膜的化學屏障，通過上調腸道中sIgA含量的方式改善腸黏膜的免疫屏障。腸黏膜屏障以機械屏障最重要，其他的屏障也可以通過抵御病原菌等方式減輕腸黏膜機械屏障的破壞，腸黏膜屏障也以此為橋梁聯系起來。腸黏膜屏障的改善能進一步抵御病原菌，減少抗原物質與腸黏膜免疫系統的進一步接觸，減少異常免疫反應，改善炎癥癥狀。因此，有理由相信益生菌有作為UC一線用藥的潛能，至少在腸黏膜屏障方面表現優異。然而，益生菌對腸黏膜屏障的影響機制尚存在某些不完善的地方，值得進一步研究。

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（編輯：徐亞麗）

作者簡介：王 冰，女，在讀碩士，住院醫師。

通信作者：王韶軒