熱量限制與小腸干細(xì)胞的研究進(jìn)展

張　霜，羅　文 綜述，張吉翔△ 審校

(1.南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院消化內(nèi)科;2.江西省分子醫(yī)學(xué)重點實驗室;江西南昌 330006)

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熱量限制與小腸干細(xì)胞的研究進(jìn)展

張霜1,2，羅文1綜述，張吉翔1,2△審校

(1.南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院消化內(nèi)科;2.江西省分子醫(yī)學(xué)重點實驗室;江西南昌 330006)

[關(guān)鍵詞]熱量限制；小腸干細(xì)胞；Paneth細(xì)胞；雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1

小腸是消化和吸收的主要部位，其上皮由多種細(xì)胞組成，絨毛部上皮含吸收細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和少量的內(nèi)分泌細(xì)胞；小腸腺除上述細(xì)胞外，還有潘氏細(xì)胞和小腸干細(xì)胞(intestinal stem cell，ISC)。潘氏細(xì)胞是小腸腺的特征性細(xì)胞，常三五成群位于小腸腺底部，與ISC相鄰，并且能夠影響ISC的增殖和分化，其分泌防御素、溶菌酶，對腸道微生物有殺滅作用。ISC位于小腸腺下半部，細(xì)胞可以不斷增殖、分化、向上遷移，補(bǔ)充在絨毛頂端脫落的吸收細(xì)胞和杯狀細(xì)胞；也可以分化為潘氏細(xì)胞和內(nèi)分泌細(xì)胞。小腸上皮細(xì)胞在哺乳動物里面是一類具有自我更新能力的細(xì)胞，而且更新周期很短，絨毛上皮細(xì)胞的更新周期為3～6 d，比皮膚和骨髓的更新更快，所以小腸腺里大多數(shù)細(xì)胞都能很快地增殖、分化，從而適應(yīng)絨毛部上皮短暫的更新周期。有研究發(fā)現(xiàn)，在營養(yǎng)素缺乏的情況下，腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞間存在差異性的調(diào)節(jié)[1]。腫瘤細(xì)胞不能對營養(yǎng)缺乏做出相應(yīng)的反應(yīng)，因此會促進(jìn)其凋亡，而正常細(xì)胞能適應(yīng)這一改變。更重要的是，當(dāng)營養(yǎng)缺乏與化療相結(jié)合后，正常細(xì)胞可以更好的耐受化療，而腫瘤細(xì)胞卻更易凋亡。該項研究說明適時禁食可以減緩腫瘤的生長并且能夠增加各類腫瘤細(xì)胞對化療的敏感性。最近，有新的報道提出ISC在營養(yǎng)缺乏時其數(shù)量會增加，同時對化療敏感的細(xì)胞數(shù)量會相對減少[2]，說明適時禁食可以降低化療患者的消化道不良反應(yīng)，如惡心、嘔吐等。熱量限制(caloric restriction，CR)對延緩機(jī)體衰老、延長壽命、延緩或預(yù)防某些年齡相關(guān)性疾病都有著重要的作用。目前有新的研究發(fā)現(xiàn)，CR可以導(dǎo)致具有較強(qiáng)再生能力的ISC的數(shù)量增加，此效應(yīng)是通過Paneth細(xì)胞中的雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1)信號作用的調(diào)節(jié)來介導(dǎo)的。該文就CR與ISC的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1CR

CR是指在提供生物體充分的營養(yǎng)成分，確保生物體在不發(fā)生營養(yǎng)不良的情況下，通過減少食物中攝入的脂肪或糖類而減少食物提供的總能量。1935年美國科學(xué)家Mcckay等[3]在實驗中首次發(fā)現(xiàn)限制熱量的攝入，維持適量的營養(yǎng)，大鼠的平均壽命和最大壽命都得以延長，從此，科學(xué)家們開始著力于CR方面的研究。

在眼科學(xué)方面，有研究表明CR將有望作為輔助治療年齡相關(guān)性干眼癥的一種治療手段。Kawashima等[4]發(fā)現(xiàn)CR可以顯著提高大鼠的淚水容積和淚水分泌蛋白的容積，跟對照組比，CR組大鼠的淚腺腺泡單位密度也顯著增加，因此，CR可以減緩年齡相關(guān)性的淚腺功能障礙。最近還有關(guān)于CR或者模擬CR預(yù)防和治療一系列年齡相關(guān)性眼部疾病的研究進(jìn)展，除干眼癥外，還包括白內(nèi)障和視網(wǎng)膜病變等[5]。

在腫瘤學(xué)方面，Mizuno等[6]研究發(fā)現(xiàn)間斷性的CR與二十五碳烯酸聯(lián)合可抑制乳房腫瘤的生長，CR組小鼠的血清瘦素和胰島素樣生長因子1較正常喂養(yǎng)組低，在實驗小鼠中，CR與二十五碳烯酸聯(lián)合組的乳房腫瘤發(fā)生率最低(15%)。另外，在神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中也有關(guān)于CR方面的研究，Maroon等[7]闡述了關(guān)于限制熱量生酮飲食對于多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)的治療研究進(jìn)展，其中Zuccoli等[8]報道了一確診為GBM的65歲老年女性經(jīng)常規(guī)的放療和替莫唑胺化療與限制熱量生酮飲食相結(jié)合治療，聯(lián)合治療2個月后該患者的體質(zhì)量下降20%,磁共振檢查未發(fā)現(xiàn)腦部瘤組織，但是，在停止嚴(yán)格的飲食治療10個星期以后磁共振檢查又發(fā)現(xiàn)了GBM組織，故該種飲食對于GBM的治療起著至關(guān)重要的作用，對于腦部其他的惡性腫瘤也有可能發(fā)揮作用。

在心血管系統(tǒng)方面，雖然CR不能提高心肌缺血性損傷的耐受性，但是可以延緩年齡相關(guān)性的心臟和主要血管改變。Ahmet等[9]研究發(fā)現(xiàn)，跟對照組比，CR組大鼠的心臟和主動脈纖維化水平明顯降低，心肌細(xì)胞數(shù)量增加，心臟舒張功能障礙也得到相應(yīng)的緩解，該組大鼠維持了正常的心臟收縮功能和心室-動脈間的耦合，并且由多巴酚丁胺誘導(dǎo)的心動過速也正常，同時，動脈硬化的發(fā)生率也降低了。最近Ahn等[10]清晰地闡明了CR與心臟保護(hù)之間的關(guān)系，長期將攝入的熱量減少40%可以促進(jìn)心臟自體吞噬標(biāo)記物的表達(dá)，該自體吞噬標(biāo)記物可以通過降低心血管系統(tǒng)疾病和年齡相關(guān)性疾病的氧化損傷發(fā)揮心臟保護(hù)功能。在CR的情況下，葡萄糖缺乏，從而抑制mTOR的表達(dá)，進(jìn)而誘發(fā)自體吞噬過程，起到心臟保護(hù)作用。如今，有越來越多的關(guān)于CR與各種疾病之間的研究，CR涉及了人體各個器官和系統(tǒng)，在消化系統(tǒng)方面也有關(guān)于CR的研究。有新的報道指出，CR可以導(dǎo)致具有較強(qiáng)再生能力的ISC的數(shù)量增加，此效應(yīng)是通過Paneth細(xì)胞中的mTORC1信號作用調(diào)節(jié)來介導(dǎo)的[11-12]。

2ISC

ISC根據(jù)其是否表達(dá)表面蛋白Lgr5可分為兩種，一種是Lgr5+的干細(xì)胞，另一種是Lgr5-的干細(xì)胞[13]。Lgr5+的干細(xì)胞較Lgr5-的干細(xì)胞多，大部分位于小腸腺底部，其更新周期較快，以補(bǔ)充比鄰的脫落的上皮細(xì)胞，Lgr5-的干細(xì)胞位于Lgr5+的干細(xì)胞之上，其更新周期相對較慢，它在特殊的環(huán)境下可以和Lgr5+的干細(xì)胞相互轉(zhuǎn)換[14-15]，Tian等[16]發(fā)現(xiàn)Lgr5+的干細(xì)胞在小鼠體內(nèi)完全缺失時并不會影響ISC內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，說明其并非是小腸內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定所必需的一種細(xì)胞，原因是Lgr5-的干細(xì)胞可以補(bǔ)充丟失掉的Lgr5+的干細(xì)胞。另外，Lgr5-的干細(xì)胞還可以在小腸腺內(nèi)表達(dá)一些分子標(biāo)記物(如Bmi1、mTert)[17-18]。Altmann[19]早在1972年就發(fā)現(xiàn)大鼠在饑餓狀態(tài)下小腸各段絨毛面積均會減少，其中十二指腸絨毛面積減少最大(40%)；而回腸絨毛所受影響最小(14%)，饑餓處理后的大鼠其絨毛上皮細(xì)胞的形成減少，可能是因為饑餓狀態(tài)下小腸腺里干細(xì)胞的分化會減少。但是，對大鼠重新喂料以后十二指腸絨毛面積增加了20%，空腸絨毛面積也增加了14%；當(dāng)重新喂料聯(lián)合甲氨蝶呤處理后，絨毛面積并無增加，說明可能是甲氨蝶呤抑制了小腸腺里干細(xì)胞的有絲分裂，從而導(dǎo)致干細(xì)胞不能有效地分化為絨毛上皮細(xì)胞。隨后Dunel-Erb等[20]發(fā)現(xiàn)，長時間禁食的大鼠空腸黏膜層會顯著減少，包括部分絨毛的消失和小腸腺數(shù)量的減少，盡管空腸黏膜層在形態(tài)學(xué)上發(fā)生了巨大的改變，但是在重新喂料3 d后，大鼠空腸黏膜層的結(jié)構(gòu)得以迅速而完整的恢復(fù)，其中ISC的有絲分裂在該恢復(fù)過程中起著至關(guān)重要的作用。

Clevers[21]報道指出，Lgr5+的ISC在CR的情況下能夠重塑小腸上皮結(jié)構(gòu)。通常情況下，ISC的增殖與分化處于動態(tài)平衡狀態(tài)，一部分分化為小腸腺上皮細(xì)胞和Paneth細(xì)胞，小腸腺上皮細(xì)胞在小腸腺內(nèi)停留2 d后會向絨毛側(cè)翼區(qū)生長，從而參與消化和吸收，最后在第5天時于絨毛頂端脫落，然而Paneth細(xì)胞不參與此過程，而是停留在小腸腺底部，它們在此可以存在2個月之久；另一部分則增殖成為新的ISC。但是在CR的情況下，ISC的這種增殖與分化的平衡態(tài)將被打破，干細(xì)胞增殖的數(shù)量增加，使干細(xì)胞區(qū)得以擴(kuò)大，而相應(yīng)的分化減少，而由小腸腺移行到絨毛區(qū)的上皮細(xì)胞也隨之減少，故相應(yīng)的絨毛區(qū)面積縮小，最終將導(dǎo)致食物的消化和吸收下降。

新的實驗發(fā)現(xiàn)，從CR組小鼠中分離得到的小腸腺形成類器官的能力是隨意喂養(yǎng)組小鼠的2倍[2]，說明CR能增加干細(xì)胞的活力，因為在小腸腺內(nèi)只有干細(xì)胞具有自我更新和分化形成類器官所需的各種細(xì)胞類型的能力，故CR可以增加ISC的數(shù)量并促進(jìn)其再生能力。CR使ISC數(shù)量增加的過程是以犧牲干細(xì)胞的分化為代價，即由分化形成的成熟的腸細(xì)胞減少而相應(yīng)的絨毛區(qū)縮短?？傊?，哺乳動物的ISC在不同的營養(yǎng)狀態(tài)下會改變其增殖、分化模式。機(jī)體在饑餓狀態(tài)或是CR的情況下，ISC的數(shù)量會增加，這將有利于機(jī)體在持續(xù)很長時間的食物匱乏狀態(tài)下快速適應(yīng)大量的食物。維持足夠量的ISC，一旦機(jī)體有充足的食物攝入，可以為小腸快速再生做好準(zhǔn)備，使小腸黏膜層在短短的幾天時間內(nèi)能夠恢復(fù)到禁食前的形態(tài)。

3CR使ISC數(shù)量增加的機(jī)制

最近Yilmaz等[2]詳細(xì)地闡述了CR使ISC數(shù)量增加的過程。限制熱量的攝入能夠抑制Paneth細(xì)胞里mTORC1特異性的信號通路，同時可以導(dǎo)致Bst1(bone stromal antigen-1)的表達(dá)增加，Bst1的功能是作為一種胞外酶使得NAD+向cADPR(cyclic ADP ribose)轉(zhuǎn)化，cADPR是ISC對CR作出應(yīng)答時刺激ISC數(shù)量增加的一個必需的旁分泌因子。該研究中還發(fā)現(xiàn)，CR時ISC的增加與Paneth細(xì)胞的增加同步，說明干細(xì)胞和Paneth細(xì)胞在應(yīng)對CR時可能有協(xié)同作用。另外，從CR組小鼠分離得到的Lgr5+的ISC和Paneth細(xì)胞共培養(yǎng)后形成類器官的能力是隨意喂養(yǎng)組的3倍，Lgr5-的ISC與從CR組小鼠分離得到的Paneth細(xì)胞共培養(yǎng)后也能形成類器官，說明Paneth細(xì)胞在ISC的再生過程中有著重要的作用。

mTOR是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和增殖的一個重要的信號通路，它的調(diào)節(jié)與人類許多疾病都有關(guān)系，包括腫瘤和糖尿病等，其中mTORC1是生物體營養(yǎng)狀態(tài)的一個重要感受器[22]。Yilmaz等[2]通過mTORC1在小腸內(nèi)的活力標(biāo)記物磷酸化的S6證實了CR對ISC和Paneth細(xì)胞的影響是通過Paneth細(xì)胞里的mTORC1信號介導(dǎo)的。他們分別用mTORC1的激活劑Rheb2和其負(fù)調(diào)控因子TSC1來激活和抑制該信號，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)抑制mTORC1信號時，在CR的情況下可以有效地促進(jìn)ISC的增殖。用雷帕霉素作用于小鼠后，小鼠體內(nèi)的干細(xì)胞和Paneth細(xì)胞增殖頻率提高了1.5倍，并且從體內(nèi)分離得到的小腸腺具有形成類器官的能力，小腸腺的集落生成也隨之增加。無論是CR還是雷帕霉素，它們都不是直接作用于ISC，而是通過抑制Paneth細(xì)胞里的mTORC1信號來發(fā)揮作用的。

Bst-1在骨髓間質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，可促進(jìn)前體定向造血干細(xì)胞的增殖[23]，它是一種胞外酶，可促使NAD+向cADPR轉(zhuǎn)化，cADPR是一個旁分泌的效應(yīng)器，它可以通過核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白激活Ca2+信號從而記錄應(yīng)答細(xì)胞并且還具有促進(jìn)細(xì)胞增殖的功能。實驗表明CR可以增加Bst-1的mRNA和蛋白的表達(dá)，若用siRNAs敲除Bst-1的mRNA則CR的小腸腺形成類器官的能力消失，如果外源性的加入cADPR又可以重新恢復(fù)Bst-1缺失時的CR效應(yīng)。綜上所述，CR促進(jìn)小腸干細(xì)胞數(shù)量增加的機(jī)制是通過抑制Paneth細(xì)胞里的mTORC1信號，并且促進(jìn)胞外酶Bst-1的表達(dá)。故用mTORC1的抑制因子雷帕霉素或是Bst-1的替代物cADPR均可以模擬CR效應(yīng)使ISC的數(shù)量增加。

4展望

如今明確知道CR可以使ISC的數(shù)量增加，并且用mTORC1的抑制因子雷帕霉素或是Bst-1的替代物cADPR均可以模擬CR達(dá)到相同的效果。那么CR或是雷帕霉素也許可以通過提高患者腸再生能力來改善由于營養(yǎng)吸收不良、炎癥或腫瘤導(dǎo)致的腸道功能紊亂；另外，免疫抑制劑雷帕霉素還有望被用來靶向治療放療或化療引起的各種腸道病變，例如：放射性腸炎。相反，如果用mTORC1的激活劑Rheb2持續(xù)激活Paneth細(xì)胞中的mTORC1信號對于腸萎縮可能有一定的影響。但是目前仍不是很清楚，除了mTORC1信號通路外，是否還有其他的信號通路介導(dǎo)了該過程，有研究報道，在Paneth細(xì)胞完全缺失的情況下，若額外補(bǔ)充Wnt也不會影響ISC的增殖、分化[24-25]。在接下來的工作中仍需進(jìn)一步探討mTORC1信號是否會直接調(diào)節(jié)Bst-1的表達(dá)，cADPR又是如何傳遞信號給ISC使其再生能力增強(qiáng)，一旦ISC接收到cADPR傳遞的信息以后除了數(shù)量上會增加外，其功能上是否也會發(fā)生一系列的變化，有待進(jìn)一步研究。

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作者簡介：張霜(1988-)，住院醫(yī)師，碩士研究生，主要從事肝纖維化的基因診斷及治療?！魍ㄓ嵶髡?，Tel：13970057841；E-mail：jixiangz@tom.com。

doi:·綜述·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.04.044

[中圖分類號]R574.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)04-0556-03

(收稿日期：2015-08-24修回日期：2015-10-22)