腸道共生菌對(duì)哺乳動(dòng)物腸道屏障調(diào)控的研究

楊桂連，王秋東，李雨宸，王春鳳，（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院吉林省動(dòng)物微生態(tài)制劑工程研究中心，吉林長(zhǎng)春130118）

腸道共生菌對(duì)哺乳動(dòng)物腸道屏障調(diào)控的研究

楊桂連，王秋東，李雨宸，王春鳳，
（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院吉林省動(dòng)物微生態(tài)制劑工程研究中心，吉林長(zhǎng)春130118）

哺乳動(dòng)物胃腸道定植著1014個(gè)細(xì)菌，這些細(xì)菌與宿主建立了一種終生的互利共生關(guān)系。腸道微生物在免疫系統(tǒng)的成熟及腸道屏障功能中起到關(guān)鍵作用，相反改變腸道微生物的定植可能導(dǎo)致過(guò)敏和炎癥反應(yīng)[1]。腸道屏障通過(guò)激活一些機(jī)制如微生物信號(hào)的識(shí)別，抗菌肽、黏液層的產(chǎn)生及抗體的分泌將微生物與腸道組織隔離[2]。最近研究發(fā)現(xiàn)，共生菌能夠作為腸道屏障功能關(guān)鍵性調(diào)節(jié)因子對(duì)腸道屏障的完整性具有保護(hù)作用[3]。本文主要對(duì)共生菌如何調(diào)控腸道屏障以維護(hù)腸道的完整性等最新研究做一綜述。

1　腸道屏障的構(gòu)成

有效的腸道屏障由物理屏障、細(xì)胞屏障及化學(xué)屏障組成。物理屏障主要為覆蓋在腸道上皮細(xì)胞表面的黏液層；細(xì)胞屏障包括腸道上皮細(xì)胞及一些免疫細(xì)胞；化學(xué)屏障主要由上皮細(xì)胞分泌的抑菌肽組成[4]。腸道屏障不僅是抵御病原微生物入侵腸組織的關(guān)鍵，也是維持腸道完整性及穩(wěn)態(tài)平衡的基礎(chǔ)。其中屏障中的物理、細(xì)胞屏障和化學(xué)屏障相互聯(lián)系且缺少其中的任何一種因素都會(huì)影響屏障功能最終都可導(dǎo)致炎癥性腸道疾病。

2　腸道屏障控制腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定

盡管腸道管腔存在大量的微生物及飲食抗原，在正常情況下宿主與腸道間一直維持免疫平衡，并且通過(guò)一系列的緊密調(diào)節(jié)以抑制劇烈的炎癥反應(yīng)。因此腸道屏障與先天免疫系統(tǒng)的效應(yīng)機(jī)制一起限制腸道微生物的大面積侵襲。

2.1腸道上皮細(xì)胞控制腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定腸道上皮細(xì)胞是腸黏膜屏障的主要組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，細(xì)胞間的連接復(fù)合體參與維持上皮細(xì)胞的完整性，其中緊密連接（TJ）是細(xì)胞間最重要的連接方式。TJ主要由跨膜蛋白（occludin蛋白和claudin蛋白）和細(xì)胞質(zhì)蛋白（ZO-1蛋白等）組成[5]。其作為動(dòng)態(tài)的通透性屏障具有雙重功能：阻止?jié)撛诘挠泻ξ镔|(zhì)或病原體進(jìn)入機(jī)體，同時(shí)允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、離子和水進(jìn)入體內(nèi)以調(diào)節(jié)腸道通透性。

此外腸道上皮細(xì)胞還被認(rèn)為是管腔內(nèi)容物的第一傳感器。腸道屏障中的上皮細(xì)胞能夠表達(dá)一系列的模式識(shí)別受體包括Toll樣受體，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域（NOD）樣受體（屬胞內(nèi)感應(yīng)分子如NLRP3）等，這些受體能夠識(shí)別病原微生物細(xì)胞表面或胞內(nèi)的分子標(biāo)志即病原相關(guān)分子模式。當(dāng)識(shí)別到病原微生物后上皮細(xì)胞以某種方式把信息傳遞給下面的免疫細(xì)胞繼而引發(fā)機(jī)體免疫應(yīng)答[6]。因此腸道屏障通過(guò)上皮細(xì)胞間緊密連接及傳遞微生物信號(hào)以維護(hù)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡。

2.2抗菌肽維持控制腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定潘氏細(xì)胞主要存在于腸道隱窩底部，為分泌型細(xì)胞，它們可直接通過(guò)激活MyD88依賴的TLR信號(hào)肽途徑或L-22/IL-23途徑特異性產(chǎn)生具有殺菌作用的抗菌肽[7]?？咕闹饕獮榉烙仡悺⑷芫负蛢?nèi)源性抗菌多肽類物質(zhì)等，其中人防御素5（HD5）在腸道儲(chǔ)存量可達(dá)90～450 μg/cm2足夠殺滅腸道病原微生物、溶菌酶可抑制革蘭陽(yáng)性（G+）菌，而PLA2可抑制鼠傷寒沙門(mén)菌的生長(zhǎng)。

最新的研究已經(jīng)表明，這些抗菌肽不僅能夠消滅入侵腸道的病原微生物而且還影響腸道菌群的組成。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠缺乏α-防御素或過(guò)度表達(dá)人源潘氏細(xì)胞的α-防御素5時(shí)，即使小鼠腸道細(xì)菌總數(shù)不變，但兩組小鼠卻含有截然不同的菌群組成[8]。因此，抗菌肽不僅在防止共生菌和致病菌穿透腸道屏障方面至關(guān)重要，而且在黏膜表面控制一些細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)、維持菌群穩(wěn)態(tài)平衡方面也發(fā)揮重要作用。

2.3黏液層控制腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定研究發(fā)現(xiàn)，腸道上皮組織上覆蓋了一層黏液層，其主要成分為黏蛋白，主要由MUC1、MUC2等組成，同時(shí)還含有分泌性抗體IgA，由上皮中的杯狀細(xì)胞產(chǎn)生和分泌。黏液層由內(nèi)外兩層黏液構(gòu)成，內(nèi)黏液層則起到了一層物理屏障的作用使腸道共生菌被隔離在稀疏的外黏液層中，因此在靠近上皮組織的地方形成一個(gè)沒(méi)有細(xì)菌的隔離區(qū)[9]。研究還發(fā)現(xiàn)，不同的腸道組織其黏液層的黏稠程度也會(huì)出現(xiàn)明顯差異。例如，結(jié)腸受到一層內(nèi)黏液層的保護(hù)，這層黏液和結(jié)腸上皮細(xì)胞緊密的結(jié)合在一起，保護(hù)其免受細(xì)菌和機(jī)械應(yīng)激刺激的傷害。而盡管小腸黏液層則非常稀薄，卻含有豐富的抗菌蛋白R(shí)egIIIγ，它有助于避免細(xì)菌與小腸腸道上皮細(xì)胞發(fā)生接觸。同時(shí)小腸杯狀細(xì)胞還可以不斷分泌黏液，對(duì)黏液層起到補(bǔ)充和更新的作用，給小腸持續(xù)的保護(hù)[10]。因此，腸道黏液層通過(guò)限制微生物對(duì)腸道屏障的黏附及損傷維護(hù)腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。

3　腸道共生菌對(duì)腸道屏障的調(diào)節(jié)

3.1共生菌對(duì)腸道上皮細(xì)胞的影響

3.1.1共生菌影響腸道上皮細(xì)胞的更新在腸道屏障功能正常的情況下，細(xì)胞增殖與死亡始終維持一種平衡關(guān)系。大量研究顯示，無(wú)菌動(dòng)物與正常動(dòng)物相比其腸道微生物的缺乏能夠極大的損害腸道結(jié)構(gòu)及影響腸道上皮細(xì)胞的更新[11]。腸道細(xì)胞更新的減少可能損害上皮細(xì)胞的增殖以及再生能力，同時(shí)更易發(fā)生炎癥的感染。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，無(wú)菌小鼠更易感染DSS導(dǎo)致的結(jié)腸炎，而當(dāng)無(wú)菌小鼠口服灌胃乳酸桿菌通過(guò)其在腸道上皮細(xì)胞的定植能夠促進(jìn)細(xì)胞的更新和黏膜的修復(fù)能力，進(jìn)而能夠抵御DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎[12]。這表明腸道微生物能夠通過(guò)調(diào)節(jié)腸道上皮細(xì)胞的更新與修復(fù)能力以抵御腸道損傷。然而共生菌信號(hào)如何作用于上皮細(xì)胞以促進(jìn)細(xì)胞更新和損傷修復(fù)還不清楚。但是微生物能夠產(chǎn)生多種短鏈脂肪酸如丁酸、琥珀酸及丙酸等這些脂肪酸對(duì)調(diào)節(jié)結(jié)腸上皮細(xì)胞增殖、分化至關(guān)重要，同時(shí)也是結(jié)腸重要的能量來(lái)源[13]。因此腸道屏障功能的維護(hù)需要腸道微生物的調(diào)節(jié)。

3.1.2共生菌影響腸道滲透性研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物具有影響腸道滲透性的能力。當(dāng)機(jī)體受到劇烈壓力時(shí)，大分子流量增加、離子分泌發(fā)生改變繼而誘導(dǎo)屏障功能發(fā)生障礙。然而口服共生菌如乳酸菌能夠防止由壓力誘導(dǎo)的腸道屏障的改變。在小鼠DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎期間服用大腸桿菌或乳酸菌能夠阻止由結(jié)腸炎引發(fā)的腸道屏障功能障礙[14]。一些研究已經(jīng)表明，腸道上皮滲透性的增加可能與細(xì)胞緊密連接發(fā)生改變有關(guān)。無(wú)菌小鼠單獨(dú)定殖雙歧桿菌其能夠上調(diào)小脯氨酸豐富蛋白-2基因的表達(dá)，以加強(qiáng)腸道屏障防御功能[15]。同樣無(wú)菌小鼠單獨(dú)定殖大腸桿菌Nissle1917后導(dǎo)致腸道上皮細(xì)胞ZO-1蛋白的表達(dá)上調(diào)[14]。益生菌乳酸菌的裂解物通過(guò)抑制通透性的增加及對(duì)ZO-1蛋白表達(dá)的保護(hù)能夠使小鼠DSS結(jié)腸炎得到改善[16]。雖然大量的數(shù)據(jù)表明，益生菌在調(diào)節(jié)腸道屏障功能和完整性上具有重要作用，但是乳酸菌與其他共生菌影響腸道滲透性的機(jī)制仍不清楚。

3.2共生菌對(duì)抗菌肽的影響抗菌肽具有限制病原菌侵入和調(diào)節(jié)腸道微生物組成雙重作用。研究發(fā)現(xiàn)，潘氏細(xì)胞衍生的抗菌肽如溶菌酶、sP?LA2在無(wú)菌的腸道中表達(dá)。同樣隱窩素在腸道微生物缺乏時(shí)表達(dá)，這表明這些分子的基礎(chǔ)表達(dá)不需要來(lái)自腸道微生物的信號(hào)[17]。然而與無(wú)菌小鼠相比正常小鼠腸道中隱窩素相關(guān)序列（CRS）顯著增高，這表明腸道微生物可能影響隱窩素的表達(dá)水平[17]。研究發(fā)現(xiàn)，在未斷奶小鼠及大鼠腸道中α-防御素及隱窩素表達(dá)量較低，但是在成年期則顯著增高[18]。哺乳動(dòng)物從出生到成年每個(gè)個(gè)體都會(huì)經(jīng)歷一次微生物在腸道定植的變遷。這種定植模式在成年期穩(wěn)定，然后每個(gè)個(gè)體都會(huì)擁有一種特定的腸道菌群。而當(dāng)腸道菌群穩(wěn)定定植時(shí)α-防御素表達(dá)增高，這表明微生物的成分可能對(duì)α-防御素的調(diào)節(jié)起到一定作用[19]。相反真菌類及原蟲(chóng)則不能影響潘氏細(xì)胞分泌抗菌肽。

3.3共生菌對(duì)黏液層的影響與正常小鼠相比，無(wú)菌小鼠分泌黏蛋白的杯狀細(xì)胞數(shù)量顯著降低，此外，無(wú)菌小鼠黏液層較為稀薄，致密性較差。無(wú)菌小鼠定植共生菌后細(xì)菌所產(chǎn)生的LPS及肽多糖能夠使黏液層的厚度增加到接近正常水平[20]。因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明，腸道共生菌的成分能夠?qū)︷ひ簩泳哂幸欢ǖ恼{(diào)節(jié)作用。大鼠服用VSL#3(由八種益生菌組成)能夠誘導(dǎo)MUC2表達(dá)及分泌[21]。在VSL#3各個(gè)益生菌中乳酸菌對(duì)MUC2起到較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，但是乳酸菌誘導(dǎo)MUC2表達(dá)的確切機(jī)制還不清楚。此外VSL#3還能誘導(dǎo)大鼠腸道MUC1,3的表達(dá)及分泌。黏蛋白對(duì)于防止管腔中的細(xì)菌黏附及侵入腸道上皮至關(guān)重要，其主要依賴于黏蛋白類碳水化合物成分。因此腸道屏障與微生物之間存在雙向作用，這對(duì)腸道的健康至關(guān)重要。

4　結(jié)語(yǔ)

駐留在腸道管腔中的復(fù)雜微生物群與宿主存在一種互利共生關(guān)系。微生物成分的破壞有可能改變宿主健康狀況進(jìn)而引發(fā)胃腸道炎癥疾病?，F(xiàn)在研究已經(jīng)表明，共生微生物與腸道屏障功能相互作用，但是確切的分子及細(xì)胞機(jī)制還不清楚。了解共生微生物與腸道上皮屏障的相互作用將為腸道慢性炎癥提供新的治療及預(yù)防策略。這些策略可能基于使用特異性微生物以調(diào)整腸道屏障功能進(jìn)而阻止腸道炎癥的發(fā)生。但是關(guān)于潛在有益菌株的篩選以及在治療過(guò)程中對(duì)宿主的影響需要在日后加以解決。

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通訊作者：王春鳳，E-mail：wangchunfeng@jlau.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：楊桂連（1978-），男，副教授，博士生，從事動(dòng)物寄生蟲(chóng)免疫防治研究，E-mail：yangguilian@jlau.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA10A215，2013AA10280-6）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31272552，31272541，81170358，3137-2462）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（NCET-10-0175）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20111816, 20080104）；吉林省世行貸款農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全項(xiàng)目（2011-Y07）

收稿日期：2014-07-14

中圖分類號(hào)：S852.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0529- 6005（2015）10- 0060- 03