基于葡聚糖硫酸鈉造模法研究潰瘍性結(jié)腸炎發(fā)病機(jī)制的進(jìn)展

莊志奇, 黃 彪, 吳巧鳳

成都中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院, 成都 610075

基于葡聚糖硫酸鈉造模法研究潰瘍性結(jié)腸炎發(fā)病機(jī)制的進(jìn)展

莊志奇, 黃 彪, 吳巧鳳*

成都中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院, 成都 610075

葡聚糖硫酸鈉造模法是研究潰瘍性結(jié)腸炎的重要方法。因其操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且造模成功率高，在科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。從腸道通透性增加、腸道屏障被破壞、細(xì)胞因子改變、信號(hào)通路異常和腸道菌群失調(diào)5個(gè)方面對(duì)葡聚糖硫酸鈉誘發(fā)的潰瘍性結(jié)腸炎的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和探討，并對(duì)其未來(lái)的研究方向和思路進(jìn)行了展望。

葡聚糖硫酸鈉；潰瘍性結(jié)腸炎；造?，F(xiàn)狀；機(jī)制研究

潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)是一種非特異性的、病因尚不十分清楚的、發(fā)生在結(jié)腸和直腸的慢性炎癥性疾病，主要癥狀是腹瀉、便血、腹痛、里急后重等，且反復(fù)發(fā)作、病程漫長(zhǎng)，給患者帶來(lái)極大痛苦。據(jù)流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果，UC的發(fā)病率在世界范圍內(nèi)呈逐年升高的趨勢(shì)。目前UC造模的方法眾多，有醋酸法、三硝基苯磺酸(trinitrobenzene-sulfonic acid,TNBS)法、葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium, DSS)誘導(dǎo)法等。醋酸誘導(dǎo)的UC模型的病理特點(diǎn)是急性炎癥性反應(yīng)，不能表現(xiàn)出人類的UC所具有的慢性、復(fù)發(fā)的特點(diǎn)。TNBS誘發(fā)的UC模型體現(xiàn)出急性炎癥向慢性轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，缺點(diǎn)是采用小劑量的TNBS誘導(dǎo)UC 時(shí)，炎癥維持時(shí)間短、自愈性強(qiáng)，無(wú)慢性期變化；而采用大劑量的TNBS誘導(dǎo)UC時(shí)，動(dòng)物死亡率高。DSS所致的UC簡(jiǎn)單易行、成功率高、重復(fù)性好，與人類的UC病變類似，反復(fù)用DSS刺激，可產(chǎn)生類似于人類UC的急性期和緩解期的變化，是較理想的人類UC模型，可應(yīng)用于UC急性期與緩解期的研究，使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲暾剡M(jìn)行[1,2]，因此本文將重點(diǎn)對(duì)DSS所致的UC模型的相關(guān)研究進(jìn)行探討和分析。

1 DSS造模方法概述

DSS是一種由蔗糖合成的肝素樣硫酸多糖體，具有抑制血液凝固、血小板聚集和增強(qiáng)血纖維蛋白溶解活性的作用。Ohkusa等[3]于1990年采用飲用的方法首次在小鼠中成功建立了該模型。目前研究發(fā)現(xiàn)DSS溶液濃度、分子量、飲用時(shí)間和動(dòng)物品種等都會(huì)對(duì)DSS誘導(dǎo)UC模型產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在通常采用調(diào)整給藥時(shí)間和給藥頻率的方法，以便分別構(gòu)建急性和慢性兩種結(jié)腸炎模型[1]。急性結(jié)腸炎模型常采用相對(duì)高濃度的DSS溶液、相對(duì)短的給藥時(shí)間建立，如給予小鼠2%～5% DSS自由飲用4～7 d即可成功制成急性UC模型。慢性結(jié)腸炎模型則采用低濃度(0.5%～1%)DSS，給藥3～6月。此外，慢性模型還可采用相對(duì)高濃度的DSS周期給藥建立，如給予小鼠2.5%DSS自由飲用7 d，休息14 d，再給予相同濃度的DSS自由飲用7 d，如此反復(fù)2個(gè)周期即可建立慢性結(jié)腸炎模型[4～6]。模型成功后利用疾病活動(dòng)指數(shù)進(jìn)行評(píng)估，其癥狀主要包括腹瀉、黏液樣便、糞便潛血陽(yáng)性、肉眼血便，同時(shí)，動(dòng)物體質(zhì)量下降、進(jìn)食量減少、活動(dòng)度減弱、毛色變差、貧血，甚至死亡等。在光鏡和電鏡下[6,7]，急性模型可看到結(jié)腸黏膜炎性細(xì)胞浸潤(rùn)、多發(fā)性糜爛、隱窩膿腫等急性炎癥表現(xiàn)。慢性模型可見(jiàn)結(jié)腸粘膜不僅有糜爛、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，且有淋巴濾泡形成及粘膜再生改變，部分粘膜出現(xiàn)異型增生，同時(shí)可見(jiàn)肉芽組織增生和腫瘤樣改變。

2 UC模型相關(guān)機(jī)制

2.1 腸道通透性增加

雖然UC 疾病的機(jī)制、臨床癥狀不盡相同，但腸通透性增加是其共同特征，腸通透性增加的程度意味著腸道黏膜屏障受損的輕重，因此，腸道通透性實(shí)驗(yàn)是診斷UC 的重要依據(jù)之一[8]。DSS致UC模型相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，腸道通透性明顯增加。與通透性相關(guān)的代謝離子通道，如氯離子通道(chloride channel,ClC-2)[9]、白細(xì)胞介素-33(interleukin-33)/ST2通道[10]等均發(fā)生異常改變，此外，與腸道通透性相關(guān)的基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-9分泌異常，閉合蛋白的分布也發(fā)生變化[11]。有研究表明，這些變化可能與DSS所致的腸道粘膜微循環(huán)改變、腸上皮細(xì)胞凋亡增加[3]、腸內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)失調(diào)[8]、大腸桿菌溶血素α分泌增多[12]以及腸道微生物失調(diào)密切相關(guān)。甚至有研究顯示，DSS模型的腸道通透性增加可能還涉及到骨髓移位基因(myeloid translocation genes，MTG)中MTG16[13]和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的異常變化[14]等。

2.2 腸道屏障異常

腸道屏障最重要的是機(jī)械屏障功能，其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為完整的腸粘膜上皮細(xì)胞以及上皮細(xì)胞間的緊密連接，許多疾病(包括UC在內(nèi)的腸道損傷和炎癥)的初始發(fā)生即為腸道屏障異常。其原因可能是上皮細(xì)胞功能缺失[15,16]，研究發(fā)現(xiàn)[16]，DSS致UC模型中動(dòng)物腸上皮細(xì)胞的凋亡和擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致腸道屏障異常。DSS誘導(dǎo)的UC促進(jìn)白細(xì)胞介素18(interleukin-18，IL-18)的分泌，IL-18通過(guò)調(diào)節(jié)杯狀細(xì)胞發(fā)育的轉(zhuǎn)錄程序抑制杯狀細(xì)胞成熟，進(jìn)而調(diào)控杯狀細(xì)胞產(chǎn)生的保護(hù)性粘液和寄居微生物群，使腸壁變薄、通透性增加[17]。此外，DSS也會(huì)影響上皮細(xì)胞緊密連接蛋白如閉鎖小帶蛋白1(zonula occludens-1,ZO-1)、咬合蛋白(occludin)、鈣黏蛋白(cadherin)、閉合蛋白(claudin)和β-連環(huán)蛋白(β-catenin)等的異常表達(dá)[18～20]。

2.3 炎癥細(xì)胞因子的變化

2.3.1TNF-α 在DSS誘導(dǎo)的UC模型中，早期潰瘍的形成是由黏附蛋白和杯狀細(xì)胞粘蛋白對(duì)上皮細(xì)胞的損傷而致腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)增多所決定的[21]，TNF-α以旁分泌和自分泌的方式在腸黏膜局部發(fā)揮作用，并增強(qiáng)IL-1、IL-8等炎癥因子的釋放，擴(kuò)大炎癥連鎖反應(yīng)、增強(qiáng)局部炎癥反應(yīng)，從而造成腸黏膜的損傷。

2.3.2IFN-γ 在DSS誘導(dǎo)的UC模型中，γ-干擾素(interferon-γ,IFN-γ)分泌增多，并誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形細(xì)胞產(chǎn)生誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)，促進(jìn)NO的合成，造成整個(gè)腸道氧含量的下降，腸低氧環(huán)境的形成將增加IL-1的轉(zhuǎn)錄與翻譯，增強(qiáng)局部炎癥反應(yīng)。

2.3.3IL-1β IL-1β在DSS致UC模型中的表達(dá)升高，促進(jìn)B細(xì)胞的分化和增殖，并刺激其他細(xì)胞因子和炎癥因子的產(chǎn)生，加重腸道炎癥。

2.3.4IL-10 IL-10在DSS所致的UC模型中含量降低，并且IL-10受體編碼基因突變或者缺陷將導(dǎo)致炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)的發(fā)生，利用IL-10基因轉(zhuǎn)化的大腸桿菌可明顯緩解DSS小鼠的潰瘍性結(jié)腸炎的炎癥損傷[22]。表明IL-10具有重要的抗炎作用。此外，IL-10還能降低髓過(guò)氧化物酶(myeloperoxidase，MPO)的活性、抑制炎癥細(xì)胞NF-κB的活化及其他炎性細(xì)胞因子的分泌。

除上述炎癥因子外， IL-17、IL-18、IL-6、IL-21、IL-25等在DSS 所致UC 模型中，對(duì)UC炎癥的發(fā)生也起到促進(jìn)作用；相反地，IL-4、IL-19、IL-22等在DSS 所致UC 模型中，則對(duì)UC炎癥的發(fā)生起到重要的抑制作用。其他細(xì)胞因子，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子等，在DSS 所致UC 模型中也被證明有重要作用。

2.4 信號(hào)通路異常

2.4.1STAT相關(guān)信號(hào)通路 該通路中對(duì)UC影響最重要的因子是轉(zhuǎn)錄活化因子3(signal transducer and activator transcription 3,STAT3)。STAT3可通過(guò)介導(dǎo)炎癥介質(zhì)調(diào)控免疫細(xì)胞的生物學(xué)行為，是炎癥形成過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵性分子[23]。而在UC 患者腸黏膜固有層的巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞中存在著STAT3過(guò)度活化和功能紊亂的現(xiàn)象。在DSS所致的UC中，STAT3呈現(xiàn)出高表達(dá)。STAT 3通過(guò)多種途徑參與潰瘍性結(jié)腸炎的疾病發(fā)展過(guò)程，如IL-6/JAK/STAT 3通路、IL-21/STAT3通路等[24]。IL-6受體可形成IL-6/sIL-6R復(fù)合物, 繼而活化細(xì)胞膜表面的糖蛋白130(gp130),激活與gp130相關(guān)的Janus激酶(Janus kinase,JAK)，活化酪氨酸激酶，誘導(dǎo)STAT3磷酸化。另一方面，NF-κB的激活能夠促進(jìn)IL-6的釋放，IL-6的增加進(jìn)一步擴(kuò)大炎癥反應(yīng)，使炎癥進(jìn)一步加重。IL-21是免疫細(xì)胞分化和免疫功能所必需的I型細(xì)胞因子，IL-21可以誘導(dǎo)JAK1和JAK3的磷酸化，這又導(dǎo)致STAT3的磷酸化和核易位。可見(jiàn)，STAT3相關(guān)信號(hào)通路在DSS誘導(dǎo)的UC模型中占據(jù)了重要的地位。

2.4.2NF-κB NF-κB有明顯抑制細(xì)胞凋亡的功能，是多條信號(hào)通路的匯集點(diǎn)，參與炎癥的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，DSS誘導(dǎo)UC小鼠結(jié)腸粘膜的NF-κB 明顯活化[25]，如IL-1/NF-κB通路、TNF-α/NF-κB通路和NF-κB/COX-2通路等。NF-κB活化后，可增強(qiáng)TNF-α和IL-1β的基因轉(zhuǎn)錄，使TNF-α和IL-1β的產(chǎn)生和釋放增多，進(jìn)而TNF-α和IL-1β再次激活NF-κB；NF-κB活化后還可使IL-6和IL-8的產(chǎn)生和釋放增多，導(dǎo)致最初的炎癥信號(hào)進(jìn)一步放大。在細(xì)胞外也存在負(fù)反饋調(diào)節(jié)，如刺激NF-κB活化的因素TNF-α、IL-1β等也可導(dǎo)致反向調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的產(chǎn)生。細(xì)胞外骨膜蛋白通過(guò)激活NF-κB 來(lái)調(diào)節(jié)腸道炎癥[26]；同時(shí)表觀遺傳研究發(fā)現(xiàn)MicroRNA214激活NF-κB信號(hào)通路在UC的發(fā)病中扮演重要角色[27]。此外，如前所述，NF-κB的激活也會(huì)引起STAT3相關(guān)信號(hào)通路的激活。這為從信號(hào)通路方面治療UC提供了有力的依據(jù)。

2.4.3Wnt相關(guān)信號(hào)通路 該通路調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞的增殖、分化和凋亡，β-連環(huán)蛋白(β-catenin)是該通路中最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子。研究發(fā)現(xiàn)在UC患者中檢測(cè)到β-catenin升高；在DSS誘導(dǎo)的UC中，β-catenin被活化，通過(guò)多條通路參與到腸道炎癥過(guò)程中，如Wnt /β-catenin/TCF信號(hào)通路、PI3K-Akt/mTOR/β-catenin信號(hào)通路等。β-catenin本身不能直接與DNA結(jié)合，需要與DNA結(jié)合蛋白TCF-4相互作用，在核內(nèi)共同調(diào)控下游靶基因c-myc[28,29]的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)細(xì)胞惡變，從而完成Wnt信號(hào)的最終效應(yīng)[30]。PI3K-Akt /mTOR[31]與細(xì)胞分化密切相關(guān)，該通路可誘導(dǎo)β-catenin磷酸化，引起腸上皮的增生?？梢?jiàn)Wnt相關(guān)通路在DSS誘導(dǎo)的UC中發(fā)揮著重要的作用。

2.5 腸道菌群失調(diào)

腸道菌群失調(diào)是UC致病的關(guān)鍵因素[32,33]。例如，在DSS致UC中，Liu等[34]利用乳酸桿菌(Lactobacillus)能減輕UC癥狀；Low等[35]發(fā)現(xiàn)大腸桿菌(Escherichiacoli)在小鼠UC中有促致病的作用；張素真等[36]的研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌(Bifidobacterium)通過(guò)誘導(dǎo)腸道上皮細(xì)胞(intestinal epithelial cells,IECs)中Toll樣受體2(toll-like receptor 2,TLR2)的表達(dá)來(lái)抑制其TLR4、IL-1和TNF-α的表達(dá), 從而達(dá)到預(yù)防與輔助性治療DSS誘導(dǎo)的UC的作用；Chiu等[33]發(fā)現(xiàn)，脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)對(duì)DSS誘導(dǎo)的UC的內(nèi)穩(wěn)態(tài)和炎癥反應(yīng)起著重要調(diào)節(jié)作用。還有芽孢桿菌(Bacillusspp.)等菌群的失調(diào)對(duì)DSS所致UC也會(huì)產(chǎn)生重要的影響。本課題組多年的研究也顯示，腸道微生態(tài)在DSS致UC模型中被破壞，降低腸道菌群的多樣性以及有益菌群的含量，其中擬桿菌門和變形菌門細(xì)菌總含量下降，而厚壁菌門含量上升，乳酸桿菌、毛螺科菌和雙酶梭菌也產(chǎn)生明顯變化[37,38]。

3 展望

盡管目前采用DSS誘導(dǎo)的UC模型為深入探討UC的機(jī)制取得了可喜的進(jìn)展，但對(duì)于全面認(rèn)識(shí)和防治UC仍存在不足，例如該模型在大小鼠等動(dòng)物模型中較容易自愈，與人類疾病的發(fā)病過(guò)程還存在一些差異，今后是否可以將多種方法綜合運(yùn)用建立一種更接近人類疾病過(guò)程的模型值得探討。此外，從機(jī)制研究上來(lái)看，UC本身的發(fā)病涉及到環(huán)境、遺傳等多個(gè)方面，今后可進(jìn)一步采用microRNA、表觀遺傳學(xué)、蛋白修飾等方法從環(huán)境與遺傳相互作用的角度開(kāi)展研究，也可以采用CRISPR/Cas等新技術(shù)直接深入到基因?qū)哟螌?duì)與UC密切相關(guān)的GATA-3基因[39]、PTEN基因[40](gene of phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN)和RASSF-1A基因[41](ras association domain family protein 1A)等進(jìn)行研究。

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AdvancesinPathogenesisofUlcerativeColitisInducedbyDextranSulfateSodium

ZHUANG Zhiqi, HUANG Biao, WU Qiaofeng*

DepartmentofAcupunctureandTuina,ChengduUniversityofTCM,Chengdu610075,China

Dextran sulfate sodium (DSS)-induced ulcerative colitis is an important method to study ulcerative colitis. This method is widely used in scientific research due to its simple operation, affordable and high modeling success rate. This review summarized the mechanisms of ulcerative colitis induced by DSS, including increase of intestinal permeability, damage of intestinal barrier, cytokines disorder, abnormal signaling pathways and intestinal floras imbalance. Finally, future study directions and ways were prospected.

dextran sulfate sodium; ulcerative colitis; molding status; mechanisms research

2017-03-08;接受日期2017-07-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81373737)資助。

莊志奇，碩士研究生，研究方向?yàn)獒樉闹委熚改c道疾病的機(jī)理研究。*通信作者：吳巧鳳，研究員，博士，研究方向?yàn)槲改c道疾病的機(jī)理研究。E-mail：rwqfrwqf@163.com

10.19586/j.2095-2341.2017.0013