輻射損傷破壞腸黏膜機(jī)械屏障機(jī)制相關(guān)研究及進(jìn)展

馮 劍，王毓國 綜述 竇永起 審校

目前，臨床放射治療給患者造成的損傷不容忽視。放射線引起的機(jī)體損傷，特別是急性放射病，臨床尚無有效預(yù)防和救治手段，其發(fā)病機(jī)制也尚不明確[1]。腸黏膜細(xì)胞代謝速度快對(duì)放射線敏感，更容易遭受損傷。損傷后腸黏膜屏障功能減弱甚至消失，腸道細(xì)菌及細(xì)胞分解產(chǎn)物進(jìn)入血循環(huán)后引起的菌血癥和毒血癥，臨床可表現(xiàn)為惡心、嘔吐、腹瀉、便血、全身炎性反應(yīng)及多器官功能障礙，嚴(yán)重者可導(dǎo)致死亡[2]。越來越多的證據(jù)表明，放射線破壞腸黏膜機(jī)械屏障是引起炎性反應(yīng)，菌群移位，水電解質(zhì)紊亂等一系列輻射損傷多米諾骨牌效應(yīng)的開端[3]，所以尋求輻射引起腸黏膜機(jī)械屏障損傷的具體機(jī)制對(duì)輻射損傷治療及預(yù)防具有重要意義，本文就放射線破壞腸黏膜機(jī)械屏障機(jī)制的研究及進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 腸黏膜機(jī)械屏障的意義及其構(gòu)成 腸黏膜屏障是防止腸內(nèi)細(xì)菌和毒素等有害物質(zhì)穿過腸黏膜進(jìn)入人體其他組織、器官和血液循環(huán)的結(jié)構(gòu)和功能的總和，主要由機(jī)械屏障、微生物屏障、免疫屏障和化學(xué)屏障構(gòu)成。機(jī)械屏障作為腸黏膜屏障的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在防御外界毒素及細(xì)菌入侵上顯得尤為重要。完整的機(jī)械屏障可阻止腸道細(xì)菌、毒素和抗原等物質(zhì)進(jìn)入固有層，是腸道抵御細(xì)菌、毒素及有害物質(zhì)入侵腸黏膜的屏障，也是維持正常腸上皮通透性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[4]。機(jī)械屏障由上皮細(xì)胞、黏液層及細(xì)胞間連接等構(gòu)成，作為機(jī)械屏障的核心部分的腸上皮細(xì)胞間的連接，又包括緊密連接、縫隙連接、黏附連接及橋粒連接等，其中尤以緊密連接最為重要[5]，主要由閉合蛋白(claudin)、咬合蛋白(ocdudin)、帶狀閉合蛋白(zonula occludens，zo)家族等緊密連接蛋白組成。是防止細(xì)胞外大分子物質(zhì)經(jīng)細(xì)胞間隙進(jìn)入腸道黏膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也是防止組織液外溢的機(jī)體內(nèi)、外屏障的主要結(jié)構(gòu)，更成為相鄰細(xì)胞間物理性連接的重要方式。

1.2 腸黏膜機(jī)械屏障與其他屏障的協(xié)同作用 腸黏膜屏障任何一種屏障受損均可導(dǎo)致腸道屏障功能障礙，各部分又相互影響，均在誘發(fā)腸源性損傷的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。正常情況下，完整的腸上皮細(xì)胞間緊密連接可阻止腸道細(xì)菌及毒素等大分子物質(zhì)通過而發(fā)生易位；腸道微生態(tài)菌群與腸黏膜粘附定植形成膜菌群，能夠阻止致病菌的生存及對(duì)腸上皮細(xì)胞的粘附和定植，干擾和抑制致病菌的活力和功能，預(yù)防感染[6]。sIgA是腸黏膜免疫屏障的主要免疫球蛋白，sIgA既能刺激黏膜杯狀細(xì)胞分泌大量黏液，沖洗黏膜上皮細(xì)胞，阻止微生物的定植[7]，還可直接與病原體、過敏原等結(jié)合，阻礙其在黏膜上的定植，并能中和其所產(chǎn)生的酶和毒素，又能抵抗腸腔蛋白溶解酶的作用，防止腸黏膜被消化[8]。

2 腸黏膜機(jī)械屏障的破壞作用及相關(guān)機(jī)制研究

2.1 輻射損傷對(duì)腸黏膜機(jī)械屏障的破壞作用 腸黏膜上皮細(xì)胞對(duì)于輻射十分敏感，射線對(duì)上皮細(xì)胞和緊密連接造成損傷后，上皮細(xì)胞變性、壞死、脫落，絨毛水腫、短禿，黏膜糜爛、潰瘍，隱窩深度變淺，腸壁纖維化，腸黏膜小動(dòng)脈受損，腸腔狹窄、潰瘍，甚至穿孔。上皮細(xì)胞的完整性破壞及緊密連接分離后，機(jī)械屏障破壞，腸黏膜滲透性增加后導(dǎo)致向腸腔滲漏水、電解質(zhì)、大分子物質(zhì)等，腸道上皮與細(xì)菌、有害物質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)增加，引起腸道菌群移位，加重胃腸黏膜的損傷程度，甚至誘發(fā)全身炎性反應(yīng)[9]。

2.2 輻射損傷破壞腸黏膜機(jī)械屏障的發(fā)病機(jī)制

2.2.1 放射線引起的腸上皮細(xì)胞毒性反應(yīng) DNA易受輻射損傷，被認(rèn)為是引發(fā)細(xì)胞毒性反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡的主要靶點(diǎn)[10]。快速分裂的腸上皮細(xì)胞暴露于射線后，放射線的能量效應(yīng)引起細(xì)胞內(nèi)的水產(chǎn)生氧自由基，氧自由基可以破壞DNA旋結(jié)構(gòu)，阻斷DNA的轉(zhuǎn)錄、復(fù)制，引發(fā)細(xì)胞毒性反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[11]，從而對(duì)腸黏膜機(jī)械屏障造成損害及腸道屏障功能的異常。

2.2.2 放射線引起腸黏膜機(jī)械屏障損傷的直接作用機(jī)制 放射線可以直接破壞上皮細(xì)胞及細(xì)胞間緊密連接，導(dǎo)致機(jī)械屏障受損。輻射可引起緊密連接中ZO-1、claudin-1 和occludin 蛋白發(fā)生重組或斷裂，細(xì)胞間隙增大，細(xì)胞通透性升高，最終引起腸上皮屏障破壞[12]。另外，放射線還可以通過影響緊密連接調(diào)節(jié)機(jī)制，破壞機(jī)械屏障。緊密連接的重要調(diào)節(jié)因子肌球蛋白輕鏈(myosin light chain，MLC)在肌球蛋白輕鏈激酶( myosin light chain kinase，MLCK)作用下可以磷酸化收縮，打開細(xì)胞間連接間隙[13]。有研究發(fā)現(xiàn)，放療后腸道組織核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)活化后可與肌球蛋白輕鏈激酶( myosin light chain kinase，MLCK) 基因啟動(dòng)子結(jié)合，啟動(dòng)肌球蛋白輕鏈( myosin light chain，MLC) 磷酸化通路，打開緊密連接，破壞機(jī)械屏障[14]。另有研究發(fā)現(xiàn)， p38/MAPK通路可能通過參與細(xì)胞間黏附和上皮細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)[15，16]，增加 MLCK 活性，引起 MLC磷酸化，使緊密連接的結(jié)構(gòu)被破壞，而當(dāng)p38/MAPK被抑制后，放射性腸炎大鼠癥狀明顯好轉(zhuǎn)[17]。

2.3 放射線引起腸黏膜炎性反應(yīng)破壞機(jī)械屏障機(jī)制 腸黏膜輻射損傷的本質(zhì)是由放射線誘發(fā)、諸多細(xì)胞因子介導(dǎo)的腸道炎性反應(yīng)[18]，放射線可通過與細(xì)胞中的水分子作用產(chǎn)生氧自由基ROS，ROS活化 NF-κB等信號(hào)通路，引起促炎因子、凋亡因子、趨化因子等多種細(xì)胞因子的表達(dá)，炎性反應(yīng)的平衡機(jī)制最終被打破，導(dǎo)致瀑布級(jí)聯(lián)反應(yīng)，整個(gè)過程，放射線可引起超過200個(gè)炎性反應(yīng)因子的轉(zhuǎn)錄表達(dá)上調(diào)[19]。Ong等[20]發(fā)現(xiàn)大鼠經(jīng)放射后腸黏膜組織IL-1βmRNA、IL-6mRNA和TNF-αmRNA升高程度與腸道黏膜炎性反應(yīng)的病理表現(xiàn)相一致。Linard等[21]發(fā)現(xiàn)，放射性腸炎大鼠6 h后腸黏膜IL-1β、IL-6、TNF-α高表達(dá)，且部分炎性反應(yīng)因子的高水平表達(dá)可持續(xù)3 d。大量炎性反應(yīng)因子產(chǎn)生后，可以引起上皮細(xì)胞間緊密連接減弱及腸道上皮細(xì)胞受損，同時(shí)炎性因子還可導(dǎo)致黏蛋白分泌減少，黏液層變薄后，使腸黏膜易受到各種有害物質(zhì)的攻擊。

2.4 放射線引起腸黏膜凋亡機(jī)制 放射線可促進(jìn)上皮細(xì)胞凋亡，在復(fù)雜的凋亡調(diào)控機(jī)制中，轉(zhuǎn)錄因子p53和NF-κB在促凋亡和抗凋亡方面均發(fā)揮了重要作用，它們影響了眾多基因的表達(dá)和信號(hào)通路的激活與調(diào)控[22]。Bing等[23]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生放射性腸炎的小鼠腸黏膜組織中，抗凋亡基因 Bcl-2表達(dá)量下降，促凋亡基因 p53、caspase-3等表達(dá)升高。另外，有研究表明，NF-κB可參與細(xì)胞增殖和分化，抑制凋亡，增強(qiáng)細(xì)胞及組織的輻射適應(yīng)性[24]；NF-κB可以通過影響B(tài)cl-2家族基因的轉(zhuǎn)錄進(jìn)而影響線粒體凋亡途徑，c-IAP-1和c-IAP-2及c-FLIP均是由NFκB信號(hào)通路控制的抗凋亡蛋白[25]；另有報(bào)道NF-κB可與p53競(jìng)爭(zhēng)相同的調(diào)節(jié)因子，抑制p53的轉(zhuǎn)錄激活功能[26]。

2.5 腸黏膜機(jī)械屏障損傷與血管生成 腸道屏障功能的維持主要依靠腸壁血管供應(yīng)的營養(yǎng)物質(zhì)。腸黏膜輻射損傷后，血管的改變可分為三個(gè)階段[27]：急性期，放射線引起血管擴(kuò)張，滲透性增加，血管及組織交界處出現(xiàn)滲出、水腫、纖維化；中間期，血管內(nèi)皮細(xì)胞腫脹、增生、纖維素樣變性，最終發(fā)展成閉塞性脈管炎，另外在血流速度較慢的位置，血栓易于形成，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致腸黏膜的缺氧缺血，黏膜發(fā)生糜爛、潰瘍，腸道屏障完整性破壞，腸道細(xì)菌、毒素侵入使損傷進(jìn)一步加重，同時(shí)膠原酶的活性增加，膠原再合成受抑制，腸壁易穿孔；后期，主要為動(dòng)脈壁纖維化，表現(xiàn)為動(dòng)脈內(nèi)膜的增厚、動(dòng)脈脈管狹窄。

2.6 腸黏膜機(jī)械屏障損傷與腸道干細(xì)胞生成 腸道干細(xì)胞是位于腸道隱窩的一類成體干細(xì)胞，具有干細(xì)胞活性，能夠分化為吸收細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、內(nèi)分泌細(xì)胞和潘氏細(xì)胞，不僅維持正常的生理功能，還能修復(fù)損傷的腸道上皮。內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，腸道干細(xì)胞發(fā)生非對(duì)稱分裂；小腸上皮干細(xì)胞對(duì)放射線尤為敏感，放射線可引起腸道干細(xì)胞停止分裂，并誘導(dǎo)凋亡導(dǎo)致腸道干細(xì)胞數(shù)量急劇減少[28]。而殘存的腸道干細(xì)胞可進(jìn)行對(duì)稱性分裂增加自身數(shù)量，另外，部分分化的細(xì)胞可去分化，通過移行分化重建正常的隱窩和絨毛，而促進(jìn)腸黏膜的恢復(fù)[19]。

2.7 其他 有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞自噬、壞死也參與了腸黏膜機(jī)械屏障修復(fù)機(jī)制相關(guān)[29]。自噬參與調(diào)節(jié)機(jī)械屏障，自噬參與炎性反應(yīng)過程調(diào)節(jié)腸黏膜屏障，其機(jī)制可能與條件誘發(fā)產(chǎn)生并釋放核因子-κB(NF-κB)轉(zhuǎn)錄的下游細(xì)胞因子TNF-α，而TNF-α 是自噬的正性調(diào)節(jié)因子，可誘導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生自噬[30]，Chen等[31]發(fā)現(xiàn)放射性腸炎小鼠腸道上皮細(xì)胞同時(shí)出現(xiàn)了3種混雜的死亡方式，表現(xiàn)為凋亡、自噬及壞死，但以壞死所占面積最大。當(dāng)分別給予凋亡、自噬及壞死的抑制劑后，小鼠壽命均有延長，但壞死抑制劑作用更明顯。

3 輻射損傷中腸黏膜機(jī)械屏障與其他黏膜屏障之間的相互影響

3.1 機(jī)械屏障損傷引起其他各屏障損傷 放射線可對(duì)腸黏膜的各種屏障造成損傷[32-34]，腸黏膜間各屏障又相互影響，最終形成腸黏膜屏障的損傷。 腸黏膜機(jī)械屏障是腸黏膜屏障中最重要的一環(huán)，輻射可引起上皮細(xì)胞的廣泛脫落、壞死，緊密連接分離，通透性增加，水、電解質(zhì)及蛋白向腸腔內(nèi)滲漏，腸道上皮與腸道細(xì)菌及抗原接觸的機(jī)會(huì)增加，誘發(fā)異常腸道免疫反應(yīng)，菌群移位，水電解質(zhì)紊亂等一系列其他屏障損傷的發(fā)生。

3.2 微生物屏障引起機(jī)械屏障損傷 放射線除可直接殺滅、抑制、擾亂腸道正常菌群，還可以通過損傷腸上皮細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)，從而使腸道益生菌不能穩(wěn)定定居于上皮細(xì)胞表面或黏蛋白層上，繼而導(dǎo)致菌群紊亂，腸道菌群失調(diào)會(huì)過度激活轉(zhuǎn)錄因子NF-KB和STAT3，影響腸道組織修復(fù)[35],引起腸源性感染進(jìn)一步加重腸黏膜的損傷。

3.3 化學(xué)屏障引起機(jī)械屏障損傷 射線可引起腸道杯狀細(xì)胞等出現(xiàn)水腫、壞死，引起各相關(guān)化學(xué)物質(zhì)分泌減少，導(dǎo)致腸道化學(xué)屏障的完整性破壞，為腸源性感染提供了時(shí)機(jī)。TFF3 是杯狀細(xì)胞特異性分泌的小分子多肽，能與黏蛋白的糖鏈結(jié)合，形成穩(wěn)定的凝膠復(fù)合物，覆蓋于腸上皮細(xì)胞表面，阻止消化道中的消化酶及有害物質(zhì)對(duì)上皮細(xì)胞的損害，并能促進(jìn)受損腸黏膜修復(fù)，射線可導(dǎo)致杯狀細(xì)胞損傷而導(dǎo)致粘液分泌減少，加重消化酶及有害物質(zhì)對(duì)機(jī)械屏障造成損害。動(dòng)物研究[36]也發(fā)現(xiàn)，放射性腸炎小鼠黏膜的 TFF3 表達(dá)及其啟動(dòng)子區(qū)活性均明顯減少，而TFF3 缺失的小鼠放射后腸黏膜損傷更加嚴(yán)重。

3.4 免疫屏障引起機(jī)械屏障損傷 在腸道組織中，淋巴組織對(duì)放射線極度敏感，腸黏膜相關(guān)淋巴組織產(chǎn)生損傷后，導(dǎo)致腸道局部免疫功能下降，分泌型IgA分泌減少及免疫效應(yīng)細(xì)胞數(shù)量減少，致病菌快速繁殖，會(huì)導(dǎo)致菌群失調(diào)及機(jī)械屏障結(jié)構(gòu)的損傷[37]。

4 臨床治療

急性腸黏膜輻射損傷的內(nèi)科治療主要針對(duì)癥狀起緩解作用，療效有限，尚無法根治。主要包括：(1)放射防護(hù)劑氨磷汀，趙致維等[38]發(fā)現(xiàn)氨磷汀可通過提高隱窩干細(xì)胞增殖活性,促進(jìn)黏膜的修復(fù)。(2)腸道益生菌，Demers等[39]發(fā)現(xiàn)預(yù)防性口服益生菌能有效地減少患者放療期間腹瀉的發(fā)生。(3)黏膜保護(hù)劑蒙脫石散等，Hu等[40]研究顯示, 蒙脫石散可促進(jìn)腸道黏膜上皮細(xì)胞修復(fù), 減輕放療引起的腸上皮細(xì)胞損傷。(4)氨基水楊酸類，關(guān)麗愉[41]發(fā)現(xiàn)美沙拉嗪栓劑能改善難治性放射性直腸炎便血、里急后重、大便次數(shù)增加、肛門部疼痛的癥狀,能促進(jìn)直腸黏膜血管擴(kuò)張、黏膜水腫、潰瘍病灶的修復(fù)。(5)中藥治療，中醫(yī)內(nèi)外治具有較好療效，如陸清昀[42]等發(fā)現(xiàn)運(yùn)用中藥保留灌腸2 h同時(shí)給予中藥清熱化濕、益氣健脾劑口服，療效優(yōu)于蒙脫石散、地塞米松保留灌腸組；(6)其他方法，有報(bào)道高壓氧可以刺激放射損傷區(qū)域的血管生成，增加損傷組織的供氧，促進(jìn)損傷組織恢復(fù)，對(duì)腸道等軟組織放射性損傷具有較好的療效[43]；劉亭等[44]報(bào)道1例放射性腸炎患者，經(jīng)親屬供體糞菌移植緩解腹痛腹脹明顯緩解。

總之，腸黏膜上皮細(xì)胞對(duì)放射線十分敏感，腸黏膜機(jī)械屏障是機(jī)體在腸道防御細(xì)菌毒素屏障的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).放射線引起腸黏膜機(jī)械屏障損傷的機(jī)制十分復(fù)雜，與放射線引起的細(xì)胞毒性反應(yīng)、炎性反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、壞死、自噬等均有關(guān)系，腸黏膜各屏障的損傷也會(huì)互相作用，最終加重機(jī)械屏障的損傷。在輻射破壞腸黏機(jī)械屏障的機(jī)制研究中目前尚存在一些問題，如炎性反應(yīng)與凋亡互相影響的精確機(jī)制等。另外，基于MLC調(diào)控緊密連接的信號(hào)通路十分復(fù)雜，輻射損傷相關(guān)信號(hào)通路研究較少，已明確的信號(hào)通路也有待進(jìn)一步深入。