缺氧誘導的腸道損傷與腸易激綜合征的可能關系

李靈劍,張興光,劉銘君,丁楊娟,范慧娟,夏時海

腸易激綜合征(irritable bowel syndrome,IBS)是一組持續或間歇發作,以腹痛、腹脹、排便習慣和(或)大便性狀改變為臨床表現,而缺乏胃腸道結構和生化異常的腸道功能紊亂性疾病。臨床上患者主要表現為腹瀉型(IBS-D)、便秘型(IBS-C)、混合型(IBS-M)和未分型(IBS-U)。但是,其發病機制仍沒有完全清楚,腸道屏障功能受損可能是最主要的原因之一[1],可能與腸道緊密連接被破壞、神經調節紊亂及腸道微生物群失調等有關。內地入伍到西藏拉薩的新兵,IBS患病率為11.92%,高于駐扎在杭州7.16%(47/656)和南寧6.53%(181/2773)等平原地區新兵[2,3]。高原地區空氣氧含量明顯低于平原,缺氧是腸道屏障受損的重要原因之一[4]。缺氧條件下,腸道屏障功能的損傷,可能誘發或加重IBS的進展[5]。筆者從缺氧、腸道屏障及IBS之間的關系進行文獻復習,為IBS的預防和治療提供依據。

1 缺氧可誘導腸道屏障損傷

隨著海拔升高,大氣中氧含量減少,機體各個系統均有可能出現應激損傷,包括中樞神經系統、呼吸系統、循環系統和消化系統等,嚴重的情況下甚至可能導致器官衰竭。腸道是血容量最大的器官,進入高原地區,消化系統應激性癥狀出現較早,主要表現為胃腸道不適,如惡心、嘔吐、腹瀉、厭食等癥狀[6]。即使機體適應了缺氧應激,腸道的應激反應也不容易完全恢復,導致腸道屏障功能受損[4]。

1.1 對腸道緊密連接的影響 腸上皮細胞間的緊密連接(tight junctions,TJs)是腸機械屏障的重要組成之一,代表了腸腔空間和腸屏障其他成分之間的機械分割,由三組跨膜蛋白(claudin家族,Marvel結構域蛋白,免疫球蛋白超家族)組成,它們與細胞骨架肌動球蛋白環相互作用。在穩態條件下,TJs通過高選擇性的“孔道”途徑和低選擇性的“泄漏”途徑決定物質的通過[7]。缺氧可增加細胞旁通透性,降低ZO-1、claudin-3和occludin蛋白mRNA的表達,同時增強E-cadherin蛋白的表達,干擾了TJs蛋白的分布,破壞了腸道屏障[8]。缺氧誘導因子HIF-1α是缺氧時機體進行氧調控的關鍵因子,與腸上皮自噬相關蛋白ATG9A啟動子結合,調節腸道上皮屏障的完整性,在維持腸道穩態方面發揮關鍵作用[9]。腸道缺氧后,95%以上的上皮屏障無法形成,同時多個TJs蛋白的顯著定位錯誤[10]。由此可見,腸道的TJs需要一定的氧濃度支持。

1.2 對腸道神經調節的影響 腸道神經系統與由腸到腦的迷走神經形成突觸連接,構成腸道神經系統-迷走神經-腦信號轉導途徑,具有獨立的神經反射和內分泌功能。在腸道損傷后,腸神經膠質細胞(enteric glial cells,EGCs)是腸黏膜中一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)和NO產生的主要來源,其中的干擾素IFN-γ信號通路通過Cxcl10這一關鍵介質促進免疫穩態和組織修復。IFN-γ-EGC信號模塊的識別揭示了免疫信號通過調節神經外胚層譜系的轉錄輸出來維持和恢復組織完整性[11]。在不同病理條件下,iNOS誘導NO產生異常是導致腸道損傷的重要因素之一[12],在缺氧條件下,腸道神經系統也將受到影響。Sun等[13]發現CGS21680 A2A腺苷受體(adenosine A2a receptor,A2AR)激動劑通過上調共培養Caco-2單分子膜中ZO-1和occludin的表達來減輕缺氧誘導的腸上皮損傷,表明A2AR在介導EGCs的屏障調節作用中起重要作用。此外,研究組還發現A2AR和mGluR5在缺氧條件下聯合激活pkcα依賴通路保護腸道屏障,然而,EGCs數量因缺氧明顯減少,A2AR不足可加重腸道屏障損傷。可以認為,缺氧可作為一種高原地區獨有的應激因素,通過機體的神經傳導,影響腸道屏障。

1.3 對腸道微生物群的影響 微生物群、缺氧/缺氧傳感器和哺乳動物宿主細胞(IEC和ILC3s)之間復雜和多向的相互作用決定了腸道屏障和宿主-微生物-病原體的連接的建立[14]。高原缺氧條件下,構成腸道的生物屏障的腸道微生物也出現異常,其結構和多樣性發生顯著變化,導致胃腸黏膜病理性損傷[15]。缺氧改變了副桿菌屬、另枝菌屬、普氏菌屬、毛螺菌屬和乳球菌屬的豐度,以及類桿菌屬與普氏菌屬的比例。結果表明,缺氧會破壞正常的腸道菌群組成,而這種破壞可以通過使用益生菌、益生元和合生菌明顯緩解[16]。

缺氧對腸道微生物的脂代謝及氨基酸代謝有影響,小鼠在缺氧時,脂代謝增加,體重下降更明顯[17]。腸道微生物的代謝物短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)在缺氧條件下對腸道屏障產生不利的影響。正常情況下,SCFAs可以通過調節杯狀細胞中黏蛋白基因的轉錄來增加黏液層的產生,特別是丁酸鹽,可以通過調節AMP依賴的蛋白激酶的激活和肌球蛋白輕鏈2的磷酸化,增強腸上皮屏障,促進TJs重組。同時,它也是腸上皮細胞通過β氧化來利用氧的主要代謝產物,缺氧時,丁酸鹽產生減少,腸道氧利用率降低,屏障功能受損[7]。IL-10作為NF-κB通路和腸道穩態的正調控因子發揮著重要作用,但在缺氧條件下,低氧和SCFAs混合物卻強烈抑制抗炎細胞因子IL-10的分泌,干擾腸道細胞的分化,同時,IL-8和IL-17分泌增加,造成腸道屏障受損[18]。低氧通過促進抗微生物肽血管生成素-4的分泌來調節腸道微生物組成。缺氧后小鼠腸道梭狀芽胞桿菌豐度顯著降低,脫硫弧菌豐度顯著升高,其代謝產物通過腸道上皮細胞中CD1d誘導γδT細胞增殖產生IL-17a,從而加重腸道損傷[5]。缺氧可能阻礙了正常情況下SCFAs對腸道屏障功能的有益作用。

2 腸道屏障損傷可誘發IBS

腸道屏障具有調節腸腔和宿主之間水、離子和大分子雙向流動的功能。該屏障由緊密連接蛋白精確結合的腸上皮細胞加強。腸道黏膜通過免疫和非免疫分子,與腸道微生物群、黏液層、髓樣和非髓樣固有層細胞進行多種相互作用,增強腸道的屏障功能[19]。已有大量實驗證明,腸道損傷可誘發或加重IBS。Russo等[20]評估了IBS患者及健康人參與調節黏膜屏障完整性的神經肽、神經緊張素和代謝性腦源性神經營養因子的循環水平,證實了腸道屏障改變在IBS發病機制中的貢獻。Barbara等[21]的系統回顧,發現IBS患者存在低級別腸道免疫激活,其可最先導致腸道通透性增加。

2.1 破壞腸道緊密連接,誘發IBS 腸道上皮組成了腸道屏障的第一道防線,被破壞的腸上皮緊密連接可增加腸道通透性,使更大的免疫原性分子進入腸道,促進腔內內容物的異常免疫激活,出現各種致病特征,如炎癥、內臟超敏、免疫功能障礙和運動障礙等IBS發病因素[22]。一項研究表明蒼術油可通過SCF/c-kit和MLCK/MLC2通路增強腸道緊密連接蛋白的表達,從而緩解IBS-D[23]。IBS-C患者口服天然化合物包括木葡聚糖和豌豆蛋白以及奇亞籽粉后可以增強Occludin和ZO-1蛋白的表達,形成保護屏障,加強腸道完整性,緩解便秘癥狀[24]。對于IBS-M,腸道Occludin蛋白表達的減少導致緊密連接三胞蛋白脫位,大分子通透性增加,誘導抗原流入黏膜,使低級別炎癥過程持續存在[25]。因此,腸道上皮通過緊密連接保持完整性在各類IBS中都至關重要。

2.2 神經調節通過腸道屏障誘發IBS 腸神經系統具有由大量腸神經神經元和EGCs組成的復雜神經網絡,包括肌腸叢和黏膜下叢,它調節胃腸道的基本功能,包括運動、吸收和分泌。一般來說,腸神經系統在維持腸道穩態中是必不可少的,然而,當腸道的收縮和舒張功能不平衡時,腸道運動就會受到損害[26]。IBS-D大鼠結腸肌間神經叢中EGCs明顯激活,結腸運動加速,在給予抑制劑DL-氟代檸檬酸后,降低乙酸和約束應激引起的EGCs激活和結腸運動,結腸過度收縮得以緩解,從而減輕腹瀉癥狀[27]。IBS-C患者直腸運動受到抑制,經皮耳迷走神經刺激后,患者的腹痛及便秘明顯減輕,可能與神經介導的腸道運動功能的作用有關[28]。迷走神經的直接電刺激在調節腸屏障功能方面起保護作用,其能夠逆轉應激誘導的腸通透性變化。短暫的迷走神經刺激通過促腎上腺皮質激素的釋放激素降低了肌球蛋白輕鏈激酶和腫瘤壞死因子α的表達,同時增加了Occludin蛋白的表達,從而降低小腸的細胞旁通透性[29]。迷走神經也可以通過腸神經和(或)細胞如EGCs調節腸通透性[30]。缺血-再灌注損傷后刺激迷走神經可減少腸道巨噬細胞浸潤,激活的抗炎信號經EGCs傳遞至駐留免疫細胞,而激活基底前腦膽堿能神經元通過迷走神經可阻斷炎癥引起的結腸通透性增加,從而改善IBS[31]。

2.3 腸道微生物群通過腸道屏障誘發IBS 腸道微生物作為人體的第二大基因組,與人類健康和疾病息息相關。正常腸道微生物參與人體多種生命過程,包括腸道發育和穩態、腸道免疫系統的建立及防御病原體入侵等。文獻[32]揭示了腸道微生物群在IBS發生發展過程中也發揮重要作用。腸道細菌與腸道屏障免疫系統可在應激下相互作用,從而誘發IBS。IBS-D小鼠在應激誘導杯狀細胞相關抗原通路(goblet cell-associatedantigen passage,GAPs)形成時,IgA靶向的細菌數量顯著增加,證明應激誘導了GAP的形成和細菌易位[33]。同樣,IBS-C大鼠腸道產甲烷菌過量定殖,產生大量甲烷,損傷腸道屏障,導致細菌易位至循環,進而導致免疫反應和炎癥[34]。

SCFAs在IBS的發生發展中也發揮了作用[35]。在結腸上皮細胞中,SCFAs結合G蛋白偶聯受體GPR43和GPR109A誘導細胞內Ca2+增加,刺激K+外排和超極化,觸發caspase-1依賴的炎癥介質釋放,如IL -18和IL -1β,以丁酸鹽為主的短鏈脂肪酸可增加黏蛋白2的分泌,促進緊密連接的重組,增強腸道屏障的完整性,提高腸道上皮的保護作用,維持腸道穩態,改善IBS[36]。

腦-腸道微生物軸在維持體內平衡方面至關重要,腸道微生物群通過神經(自主神經和腸神經系統)、內分泌(下丘腦-垂體-腎上腺軸和腸內分泌細胞)和免疫信號通路與大腦通信[37]。IBS-D大鼠血清中5-羥色胺、CRF、P物質、降鈣素基因相關蛋白含量迅速升高,而神經肽Y含量下降。脊髓中的C-fos基因片段顯示出神經元活動增加,改變了腸道微生物群的組成和結構,提高了腸道通透性[38]。毛尖綠茶乙醇提取物通過5-HT通路改變腸道菌群構成,增大了有益菌的比例,并調節了5-HT相關菌的數量,減輕IBS-C大鼠便秘癥狀[39]。因此,若腸道菌群發生紊亂,導致腸道屏障受損,則腸道菌群紊亂成為誘發IBS的危險因素之一。

高原地區,具有隨著海拔的升高,溫度和濕度降低,紫外線輻射增加,及大氣壓和氧氣分壓降低的特點,其中低氧血癥是由低氣壓降低氧分壓引起,能夠引發多種高原疾病[40]。IBS是常見的胃腸疾病之一,中國人群IBS患病率分別為7.4%和2.3%,入戶調查的分別為3.8%和1.4%[41]。駐扎高原官兵IBS發生率為11.92%～17%[3,42,43]。目前認為平原地區IBS的發生,是由于各種刺激因素造成感官輸入增加,刺激腸道神經系統以及中樞神經系統,影響腦腸軸功能,影響胃腸道感覺、運動和分泌,出現胃腸道癥狀[32]。本課題組前期研究首次提出高原缺氧環境下腸道微生物變化可能是IBS發生的病因之一[44],發現神經遞質、炎癥介質及腸道屏障損傷等因素可能參與了高原環境下IBS的發生,均強調了腸道屏障受損在IBS中的重要性[20]。腸道屏障受損可由腸道緊密連接被破壞[23-25]、神經調節紊亂[26]、腸道微生物失調[33,34]引起,缺氧通過破壞腸道緊密連接[8-10]、造成腸黏膜神經調節紊亂[13]及導致腸道菌群失調[5]等造成腸道屏障損傷[6]。

本綜述未完全闡明缺氧、腸道屏障損傷及IBS具體關系,但是對于缺氧環境下IBS的防治具有理論意義,需要后期開展大量的動物、細胞實驗等基礎研究,尋找治療缺氧后腸道屏障損傷的靶點,為IBS的防治提供循證支持。