能量代謝調控腸道干細胞功能研究進展及中醫藥治療優勢初探

朱焰，肖瑾，楊陽，唐太春，汪淑婷，陳思琪，陳敏

610072 四川省成都市，成都中醫藥大學附屬醫院/臨床醫學院

腸道屏障包括物理、免疫和微生物成分3個部分，起到分隔腸腔與機體、動態調節腸腔內部平衡、阻止病原體侵襲的作用。目前越來越多的證據表明腸道疾病與腸道屏障功能障礙相關，常見的包括腸易激綜合征［1］、炎癥性腸病（潰瘍性結腸炎、克羅恩病）［2］、腸道腫瘤［3］等。除此之外，還有許多非腸道疾病如多發性硬化癥［4］、心血管疾病［5］以及自身免疫性疾病［6］等已被證明與腸道屏障功能失調相關。腸道上皮細胞是腸道屏障中重要的組成部分，其更新周期為3～5 d，腸道上皮的更新依賴于腸道干細胞正常的增殖和分化功能。腸道隱窩中有兩種類型的腸道干細胞，即柱狀隱窩基底細胞（Lgr5+CBCs）和儲備干細胞（RSC）；通常情況下Lgr5+腸道干細胞可持續維持腸道上皮細胞的正常更新，當腸道受損時，具有高抗輻射能力的儲備干細胞4+干細胞可以在需要時補充持續循環的CBCs細胞池［7］，以維持腸道穩態。Gastroenterology的一項研究證明了人類Lgr5+腸道干細胞的靜止性［8］，但是，腸道干細胞可以分化成多種細胞，包括潘氏（Paneth）細胞、吸收性腸細胞和腸內分泌細胞等，而單個的Lgr5+腸道干細胞可在體外培養形成腸道類器官［9］，均可證明Lgr5+腸道干細胞具有良好的干性。

代謝維持著人體正常的生命活動，能量代謝及代謝物在人體中完成復雜的活動，腸道干細胞的功能也受到飲食和代謝途徑的調節。研究表明，腸道干細胞對多種營養物質以及代謝途徑敏感，包括脂肪酸、葡萄糖、氨基酸、丙酮酸及線粒體代謝等［10］。目前可知多個代謝途徑如5-羥色胺（5-HT）代謝［11］、膽汁酸代謝［12］、組胺代謝［13］等與腸道疾病相關，腸道菌群代謝物也被證明可調節腸道屏障功能［14］。中醫藥在治療腸道疾病方面擁有多靶點、低成本、依從性高等優勢，可在腸道疾病治療中進一步應用。

本文文獻檢索策略：計算機檢索中國知網、PubMed等數據庫，檢索時間限定為建庫至2023年4月，中文檢索詞包括“腸道干細胞”“能量代謝”“腸道疾病”“中醫藥”，英文檢索詞包括“Intestinal stem cells”“energy metabolism”“intestinal diseases”“Chinese medicine”。納入標準：文獻內容與能量代謝對腸道干細胞功能的影響、中醫藥治療腸道疾病的作用機制有關。排除標準：與本文主題無關、質量差，且無法獲得全文的文獻。最終納入42篇文獻。

1 能量代謝對腸道干細胞干性和功能的調控

能量代謝為生命活動提供能量，代謝途徑及代謝產物在人體內參與細胞的增殖、分化，并作為信號分子，調控細胞信號通路。

1.1 適量能量代謝產物利于腸道干細胞增殖分化

脂肪酸（FA）代謝可促進腸道干細胞自我更新。來自Nature的一項研究對Lgr5+腸道干細胞的標志物Olfm4進行原位雜交，發現高脂肪飲食（60%脂肪含量）的小鼠腸道中Olfm4+腸道干細胞數量增加了50%；同時，在高脂肪飲食小鼠腸道干細胞形成的腸道類器官中，結構上分化較低，且具有更高的Lgr5+ISCs頻率［15］。另一項研究則通過對腸道類器官應用脂肪酸氧化抑制劑Etomoxir的方法證明，Lgr5+干細胞以及Lgr5+干細胞標志物的轉錄水平（包括Lgr5、Olfm4、Smoc2、Msi1和Ascl2）隨著Etomoxir對脂肪酸氧化的抑制而急劇下調；同時，脂肪酸代謝可通過增強脂質的合成、儲存和分解來促使腫瘤的發展［16］，發表在Cell上的一項研究發現高脂肪飲食和Wnt信號失調的融合改變了腸道膽汁酸譜，驅動表達Lgr5+的癌癥干細胞惡性轉化，促進結直腸癌的發生發展［17］。總之，脂肪攝入量過多對胃腸道造成較大的壓力和刺激，可能是由于脂肪酸合成過多導致某些腸道疾病的發生；然而，脂肪又是人體不可或缺的營養物質和能量來源，適當的脂肪攝入不僅可以提高干細胞的活力，還能促進干細胞的功能和干性，對疾病的治療和預防有益。

膽汁酸（BAs）在肝臟和腸道之間循環，保證體內膽汁酸濃度足夠且適量［18］，其代謝可驅動腸道干細胞的更新、增殖及再生。法尼索X受體（FXR）是膽汁酸代謝過程中一個重要的調節器，維持著人體膽汁酸含量的動態平衡。為了驗證FXR是否能調節腸道干細胞增殖，FU等［17］對結腸癌模型下的腸道類器官使用3種不同的FXR激動劑以及一種化療藥物，結果顯示，3種FXR激動劑以及一種化療藥物均可下調腸道干細胞基因的表達水平，即抑制腸道干細胞的增殖。除FXR外，G蛋白偶聯膽汁酸受體1（GPBAR1，TGR5）是膽汁酸另一個重要的調節器，有實驗證明了膽汁酸通過激活TGR5的方式促進腸道干細胞的更新，促使腸道上皮的分化，驅動損傷后再生，以維持腸道屏障穩定［19］。為了探究膽汁酸代謝與腸道屏障受損的關系，一項實驗使用DSS誘導小鼠形成結腸炎模型，并在實驗過程中發現，在DSS誘導的第1天，腸道出現明顯損傷，同時膽酸（CA）的絕對濃度開始上升，而CA的積累導致Lgr5+腸道干細胞缺失；而在去除DSS誘導后，以上異常逐漸恢復正常［20］。腸道干細胞的功能與腸道屏障關系密切，并且在膽汁酸的代謝過程中，任何一個環節的失調將會改變腸道干細胞的功能甚至導致腸道干細胞缺失，從而對腸道屏障功能產生影響。

乳酸是糖酵解的副產物，此前的研究認為乳酸是無氧代謝的廢物，對人體有害；但是越來越多的研究發現，乳酸是協調全身代謝的重要調節劑，參與了多種生理病理過程［21］，并且大多數哺乳動物的細胞也會在氧氣充足時產生大量乳酸。乳酸的主要代謝途徑除三羧酸（TCA）循環外，尿液、糞便以及一些代謝酶如糖酵解酶、單羧酸轉運蛋白、乳酸脫氫酶、線粒體丙酮酸載體和丙酮酸脫氫酶［22］也與乳酸的代謝相關。LEE等［23］的實驗發現，Lgr5+腸道干細胞的數量、潘氏細胞的表達以及腸道類器官的生長在乳酸處理后第3天和第5天的培養中均有增加，且這種現象是通過Wnt3/b-catenin途徑的方式進行的。腸道乳酸的產生離不開腸道菌群的存在，由于果蠅腸道與人類腸道的高度相似性［24］，一項實驗研究了果蠅的腸道內植物乳桿菌，結果發現植物乳桿菌產生的乳酸觸發了腸道的損傷，促使了腸道干細胞的增殖［25］。隨著人們對乳酸認識的深入，乳酸早已不是代謝廢物，而是參與了人體多個生理過程的重要代謝物質，除腸道菌群產生的乳酸外，潘氏細胞也能產生乳酸，對鄰近的腸道干細胞功能產生影響。

1.2 能量代謝影響腸道干細胞命運決定

線粒體對干細胞的功能和活性具有廣泛影響，在干細胞的活化、命運決定、衰老過程中發揮著重要作用［26］。有實驗發現，將代謝調節因子FoxO因子敲除后進行腸道類器官的培養，然后對該類器官進行生物能量學分析，分析結果顯示線粒體呼吸減少，基礎糖酵解減少，同時線粒體顯示出融合和破損兩種形態［27］。研究者通過誘導miR-484過表達的方式得出miR-484能夠對以上的線粒體功能及形態進行一定程度上的挽救。這說明miR-484、FoxO因子可能是一個信號代謝軸，通過調節線粒體功能和形態的方式調節干細胞的功能和活性。而更早的研究則直接證明了線粒體代謝功能的調節與腸道干細胞的生存能力相關［28］。長期以來，人們認為代謝是生命活動的結果，然而，現在研究認為，代謝本身就可以決定細胞的表型并控制干細胞的命運［29］。干細胞的分化及增殖伴隨著耗氧量增加以及能量的消耗，這些過程均依賴線粒體的運作，因此，線粒體的代謝可調節腸道干細胞的功能。

丙酮酸是所有生物細胞糖代謝及體內多種物質相互轉化的重要樞紐，BENSARD等［30］發現，在腸道腫瘤發生的過程中，丙酮酸代謝在早期腺瘤中出現，比缺血性腫瘤微環境的建立更早發生，與腸道干細胞的過度增殖有關，該研究同樣證明結直腸癌的發生與線粒體丙酮酸載體（MPC）的下調有關，而MPC1的喪失可促進結直腸癌的發生。MPC1和MPC2在干細胞中表達較低，但隨著干細胞的分化表達增加［31］，這說明增殖細胞如干細胞和腫瘤細胞中線粒體丙酮酸氧化降低，而在非增殖細胞中，線粒體丙酮酸氧化則增加；研究者們進一步檢測了MPC在果蠅腸道干細胞中的作用，結果表明，在腸道中所有的4種類型的細胞中，腸道干細胞的表達最低，而腸分泌細胞中表達最高。除腸道腫瘤外，MPC1在多種惡性腫瘤如腎癌、肺癌、腦癌等疾病中均下調，在血液系統惡性腫瘤如白血病、淋巴瘤等則不然［32］。腫瘤的發展與干細胞的異常增殖相關，這證明丙酮酸代謝與干細胞的增殖功能相關，并且可在一定條件下導致異常增殖，導致疾病的發生與發展。

2 腸道菌群代謝物對腸道干細胞的調控

能量吸收與代謝最重要的場所是腸道，而與腸道共存的腸道菌群在食物的消化和吸收起著重要的作用，不僅輔助腸道吸收能量物質，也參與腸道多種生理病理過程。腸道菌群代謝物可作用于腸道干細胞的微環境，此外，腸道菌群代謝物也與多個腸道外疾病相關［33］。

5-HT的分泌已被證明與腸道疾病關系密切［34］，而5-HT的上游產物為色氨酸；色氨酸是一種必需的芳香族氨基酸，除5-HT外，在腸道微生物的介導下，可形成吲哚類代謝物，目前沒有研究證明吲哚類代謝物直接調節腸道干細胞的干性，但相關的配體可以抑制Notch1信號傳導，從而刺激腸道干細胞的分化［35］。XING等［36］對一些常見的腸道菌群代謝物如何影響腸道干細胞的功能進行整理綜述，可知大部分短鏈脂肪酸、乳酸、吲哚醛（IAld）、多胺類物質、低劑量的二級膽汁酸以及穆拉米二肽等可促進腸道干細胞增殖；琥珀酸、吲哚乙酸（IAA）、高劑量的二級膽汁酸以及脂多糖（LPS）等能抑制腸道干細胞增殖，而硫化氫則是具有促進增殖和抑制增殖兩種作用，但其促進和抑制的條件尚不明確，這可能與接觸硫化氫的時間有關。

戊酸（VA）是腸道菌群代謝物中的一類，一項實驗發現VA能促進腸道血清素能神經元產生5-HT，調節腸道干細胞的增殖和分化［37］。該實驗對無菌小鼠腸道進行觀察，發現無菌小鼠腸道干細胞數量減少，隨后使用一些可吸收代謝物治療無菌小鼠，發現VA可以促進色胺酸羥化酶2（Tph2）在無菌小鼠中的表達，從而促進腸道干細胞的自我更新，機制是Tph2啟動子在無菌小鼠中被抑制，而VA則可以通過抑制NuRD復合物在Tph2啟動子上的富集，對無菌小鼠腸道干細胞數量起到恢復作用。

腸道菌群與人類的共生關系不言而喻，除以上代謝物外，還有更多未被研究的腸道菌群代謝物，不僅參與腸道的吸收環節，還能調節腸道干細胞的增殖，維持腸道上皮的完整性，同時通過某些分泌物的作用起到化學屏障的作用，多方面多角度改善腸道屏障功能。

3 腸道干細胞與炎癥性腸病的治療及中醫藥優勢

炎癥性腸病一個重要的病理特點為腸道屏障受損，目前對于炎癥性腸病的治療以抑制免疫活動為主，通常是阻斷特定的炎癥因子的表達，然而免疫抑制會帶來感染和腫瘤的風險。腸道屏障的修復依賴腸道干細胞的增殖，故有研究者提出使用干細胞直接進行再生治療，目前，干細胞如造血干細胞、間充質干細胞治療炎癥性腸病已經被證實有效［38］，這對腸道屏障功能具有恢復作用。有研究者發現，將干細胞分化形成的類器官移植到結腸炎模型后，可觀察到腸隱窩的再生和腸道屏障功能的重構［39］。將干細胞培養成新的組織移植到黏膜受損區域是一個新的治療方案，但由上文可知，腸道干細胞的異常增生可能導致腸道腫瘤的發生，類器官移植治療法或腸道干細胞再生治療是否存在腫瘤發生的風險仍不明確，需進行下一步研究。

中醫學對炎癥性腸病目前沒有統一的病名，根據炎癥性腸病的癥狀特點，可歸屬于祖國醫學“腸澼”“腹痛”“泄瀉”等范疇，病位在大腸，病機與肝、脾、肺、腎密切相關。在疾病發展過程中“濕、熱、瘀”等既是病理因素，又是病理結果，相互交織，濕熱蘊結，瘀滯腸道，虛實相因，病情纏綿。中醫講求辨證論治，根據患者病情階段及癥狀遣方用藥，更符合個體化治療。

炎癥性腸病的治療周期長，癥狀易反復，所以，臨床亟須安全有效、能提高患者依從性的藥物和治療方案，中醫藥在“簡、便、廉、驗”方面有明顯優勢，并且隨著研究技術的進步，更多的證據證明中藥有效成分能通過不同靶點調控腸道干細胞相關通路，其中Wnt和Notch信號通路在腸道疾病中占有重要地位，如在三硝基苯磺酸處理的小鼠中，黃芪提取物黃芪甲苷（Astragaloside Ⅳ）可通過激活Wnt通路刺激ISC增殖，促進黏膜愈合，緩解結腸炎癥狀［40］；除單味藥物外，中藥復方如葛根芩連湯通過雙向調節Notch信號通路維持急慢性潰瘍性結腸炎結腸黏膜穩態［41］；清白湯可能通過核因子（NF）-κB信號通路和Notch信號通路使黏液層屏障和機械屏障功能抑制炎癥級聯反應增強，減輕結腸炎小鼠腸道炎癥和黏膜屏障功能［42］。參苓白術散能通過改善腸道屏障功能緩解腸道炎癥，腸道菌群代謝對葛花的生物轉化能起到改善腸道炎癥的作用［41］。未來研究可進一步關注中醫藥調控的多條信號通路協同作用，為中醫藥應用于腸道疾病的防治提供新的思路和參考。

4 小結

目前腸道疾病如腸易激綜合征、炎癥性腸病、腸道腫瘤等的發病率日漸增加，特別是隨著社會壓力的加劇，功能性腸病已成為臨床常見的疾病類型。腸道干細胞及其分化增生形成的類器官治療腸道疾病是目前一個新的研究方向，干細胞的增殖與分化依賴能量代謝及相關代謝物，通過調節飲食調控腸道干細胞功能，促進腸道屏障的修復，或可為臨床治療提供新的思路。

作者貢獻：朱焰、肖瑾、陳敏提出研究思路，設計研究方案，研究命題的提出、設計；楊陽、唐太春、汪淑婷、陳思琪進行文獻收集并撰寫中英文摘要；朱焰撰寫論文主體；陳敏負責最終版本修訂，對論文負責。

本文無利益沖突。