腸易激綜合征中腸道菌群與活性氧的相關(guān)性研究

柯少雄， 楊長青， 魏子白

長治醫(yī)學(xué)院附屬和平醫(yī)院消化內(nèi)科，山西 長治 046000

腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)是最常見的功能性胃腸道疾病之一，在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率是10%～25%，其主要臨床表現(xiàn)是慢性腹痛、腹瀉、便秘及排便習(xí)慣的改變[1]。目前尚無有效治療手段，且其發(fā)病機(jī)制尚不明確，但內(nèi)臟高敏感性作為IBS特征性病理、生理機(jī)制已經(jīng)得到公認(rèn)。近年來的研究顯示，腸道菌群在IBS患者內(nèi)臟高敏感中起重要作用，但其具體作用機(jī)制尚不清楚?；钚匝?reactive oxygen species, ROS)是生物體氧化代謝過程中活躍的中間產(chǎn)物。最新研究顯示,腸道菌群可誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，從而參與內(nèi)臟疼痛的發(fā)生。因此，本文將對該研究領(lǐng)域作一概述。

1 內(nèi)臟疼痛中ROS的產(chǎn)生及其機(jī)制

1.1 ROS概述ROS是一類小分子物質(zhì)，包括：超氧陰離子(O2-)、過氧化氫(H2O2)、羥基自由基(·OH)和次氯酸(HClO)等[2]。人們首次發(fā)現(xiàn)ROS是在巨噬細(xì)胞中，并且是由NADPH氧化酶系中的NOX2催化產(chǎn)生。

迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的NOX家族成員共有7個(gè)：NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、DUOX1和DUOX2。每個(gè)NOX家族成員都有其獨(dú)特的細(xì)胞定位和功能，如：NOX2除了在巨噬細(xì)胞中表達(dá)外，還可在非巨噬細(xì)胞中表達(dá)，包括：神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞及骨骼肌細(xì)胞，NOX1和DUOX2可在腸上皮細(xì)胞中強(qiáng)烈表達(dá)[3]。NOX酶的生理功能包括：參與宿主防御、蛋白質(zhì)的翻譯、細(xì)胞的信號傳導(dǎo)、基因表達(dá)的調(diào)控和細(xì)胞分化等。

一般而言，ROS在生物體內(nèi)存在時(shí)間較短，這是由于生物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)包括谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等的清除作用。生理?xiàng)l件下，ROS的生成和清除處于動(dòng)態(tài)平衡，一旦ROS的產(chǎn)生和清除失衡，將會導(dǎo)致氧化應(yīng)激，損傷多種大分子物質(zhì)，如：脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等，并參與多種胃腸道疾病的發(fā)生[2, 4]。還有研究[5]表明，腸道內(nèi)的氧化應(yīng)激可能是IBS的潛在病因。近來研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)臟疼痛的發(fā)生過程與ROS的產(chǎn)生密切相關(guān)。

1.2 ROS與內(nèi)臟疼痛的關(guān)系慢性疼痛的特點(diǎn)是痛覺系統(tǒng)的敏化，導(dǎo)致對傷害性刺激和無害刺激的反應(yīng)增加，以及在無任何刺激的情況下自發(fā)產(chǎn)生疼痛。在多種細(xì)胞，慢性疼痛過程總伴隨著ROS的產(chǎn)生，且ROS對于疼痛的病理生理至關(guān)重要。越來越多的證據(jù)表明，ROS與疼痛過程有著緊密的聯(lián)系。KALLENBORNGERHARDT等[6]研究顯示，ROS可通過激活GTP酶Rab7，從而介導(dǎo)炎癥性疼痛的過程。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，大鼠脊髓損傷后，ROS可通過激活鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ而介導(dǎo)神經(jīng)病理性疼痛，提前給予自由基清除劑的對照組則表現(xiàn)出鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ的激活減少，神經(jīng)病理性疼痛減弱[7]。ROS也能在癌性骨痛中起重要作用，且自由基清除劑對其治療有效[8]。總之，這些研究證明了氧化應(yīng)激確實(shí)參與了炎癥性疼痛和神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生機(jī)制。

然而，對于氧化應(yīng)激在內(nèi)臟疼痛中的作用卻知之甚少。最新研究表明，ROS可能參與內(nèi)臟高敏感的發(fā)生。VACULIN等[9]研究顯示，結(jié)直腸擴(kuò)張(colorectal distension，CRD)模型作為內(nèi)臟痛模型的使用能增加動(dòng)物體內(nèi)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，且這種反應(yīng)能被提前給予的抗氧化劑阻斷。WANG等[10]將酵母多糖注入大鼠結(jié)腸內(nèi)，記錄結(jié)腸擴(kuò)張后腹肌收縮的肌電圖(electromyograms，EMGs)作為內(nèi)臟疼痛的指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠結(jié)腸EMGs增強(qiáng)、H2O2的濃度升高，且使用苯基叔丁基硝基酮(phenyl N-tertbutylnitrone，PBN)處理后(腹腔、鞘內(nèi)、結(jié)腸內(nèi)給藥)可顯著降低酵母多糖誘導(dǎo)的EMGs增強(qiáng)作用。有研究[11]表明，與對照組相比，在感染后IBS患者的結(jié)腸活檢上清液總抗氧化能力顯著減弱，肥大細(xì)胞活化增加，且蛋白酶激活受體2(protease-activated receptor 2，PAR2)mRNA在肥大細(xì)胞中的表達(dá)顯著增加，給予PBN后，肥大細(xì)胞活性明顯減弱，PAR2 mRNA的表達(dá)明顯降低。這些結(jié)果提示感染后IBS患者結(jié)腸內(nèi)ROS增加，且ROS作為刺激物和炎癥介質(zhì)能使內(nèi)臟傷害感受器興奮和過敏，并參與傷害性信號的級聯(lián)反應(yīng)和傷害感受器的敏化。還有研究[12]顯示，用2,4,6,-三硝基苯磺酸誘導(dǎo)的結(jié)腸炎模型中，結(jié)腸組織內(nèi)H2O2的含量增加，且H2O2濃度的增加可能是通過激活瞬時(shí)受體電位陽離子通道A1(transient receptor potential ankyrin 1 cation channel，TRPA1)從而介導(dǎo)內(nèi)臟痛覺過敏。

2 腸道菌群介導(dǎo)生成的ROS在內(nèi)臟疼痛中的作用

2.1 腸道菌群與內(nèi)臟疼痛的關(guān)系在一個(gè)健康成人的胃腸道中定居著1013～1014個(gè)微生物，其數(shù)量是人類基因組所含基因的100倍。有證據(jù)表明，腸道菌群紊亂在IBS內(nèi)臟疼痛的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[13]。有研究[14]顯示，將對CRD敏感的IBS患者的糞便移植到無菌大鼠身上，結(jié)果顯示這些大鼠對CRD的反應(yīng)增強(qiáng)。LUCZYNSKI等[15]實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在無菌小鼠中，參與疼痛處理的前扣帶回皮質(zhì)和中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)的體積分別減少和擴(kuò)大，且前扣帶回皮質(zhì)的樹突變化非常明顯，這表明腸道菌群是感受內(nèi)臟疼痛所必需的。

最近，隨機(jī)雙盲安慰劑對照試驗(yàn)顯示益生菌制品對緩解IBS癥狀有效，包括腹痛、腹部不適、腹脹和消化不良等[16-17]。另有研究[18]顯示，經(jīng)過8周的治療，與安慰劑組相比，大腸埃希菌DSM17252對298例IBS患者的腹痛和全身疼痛評分均有明顯改善。還有臨床研究表明，某些益生菌可能參與調(diào)節(jié)IBS腹痛，有學(xué)者通過對24篇有關(guān)益生菌治療IBS的文獻(xiàn)作出的Meta分析數(shù)據(jù)顯示，益生菌能減輕IBS患者的腹痛和降低癥狀嚴(yán)重程度的評分[19]。

最新研究還發(fā)現(xiàn)，非可吸收性抗生素利福昔明對于改善IBS患者癥狀有一定的療效。XU等[20]在通過應(yīng)激建立的內(nèi)臟高敏感大鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn)，利福昔明可改變大鼠回腸菌群的組成，并可預(yù)防慢性應(yīng)激引起的黏膜炎癥、腸道屏障功能損傷和改善內(nèi)臟痛覺過敏。有研究[21]表明，在1 074例首次給予利福昔明治療有效的腹瀉型IBS患者中，382例未復(fù)發(fā)，692例復(fù)發(fā)。在這些人群中，636例隨機(jī)給予利福昔明(n=328)或安慰劑(n=308)重復(fù)治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利福昔明的有效率顯著高于安慰劑(38.1%vs31.5%，P=0.03)，對腹痛的有效率也顯著高于安慰劑(50.6%vs42.2%，P=0.018)，在預(yù)防復(fù)發(fā)、耐久反應(yīng)和排便方面也有顯著改善。

雖然目前的證據(jù)表明腸道菌群與內(nèi)臟疼痛的發(fā)生緊密相關(guān)，且益生菌、抗生素利福昔明等均可改善IBS患者腹痛癥狀，但其具體機(jī)制仍不清楚。

2.2 腸道菌群對腸上皮細(xì)胞內(nèi)ROS生成的影響人體內(nèi)高濃度的ROS是由巨噬細(xì)胞在殺菌過程中產(chǎn)生的。巨噬細(xì)胞內(nèi)的甲酰肽受體(fomylated peptide receptors，F(xiàn)PRs)與激動(dòng)劑結(jié)合后，在NOX2酶的催化下引發(fā)“呼吸爆發(fā)”，產(chǎn)生大量超氧化物[22]。FPRs是一種與G蛋白偶聯(lián)的七次跨膜受體，最初在巨噬細(xì)胞的表面被發(fā)現(xiàn)，是一組研究較清楚的模式識別受體。人體有三種結(jié)構(gòu)相關(guān)的FPRs，即FPR1、FPR2、FPR3。在功能上，F(xiàn)PRs可感受和結(jié)合含有細(xì)菌特異性的N-甲酰基肽，其中一個(gè)實(shí)例就是甲硫氨酰-亮氨酰-苯丙氨酸(N-formyl methionyl-leucyl-phenylalanine，fMLF)。FPR1對fMLF具有極高的親和力，其半數(shù)有效量(ED50)在納摩爾范圍內(nèi)，而FPR2對fMLF的親和力較低[23]。實(shí)驗(yàn)觀察到FPR1缺陷小鼠對病原體的易感性增強(qiáng)，提示FPR1在急性炎癥過程中起作用，突出了這些受體的重要性。

除巨噬細(xì)胞外，NOX酶家族也存在于許多非巨噬細(xì)胞中，在腸上皮細(xì)胞中有NOX1和DUOX2大量表達(dá)。我們已知在巨噬細(xì)胞中，激動(dòng)劑與FPRs結(jié)合可導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生，而這恰好成為檢測宿主-共生菌相互作用后腸上皮細(xì)胞中產(chǎn)生ROS的基本原理和出發(fā)點(diǎn)。這一觀點(diǎn)通過在腸上皮細(xì)胞表面發(fā)現(xiàn)功能性FPRs而得到證實(shí)，提示FPRs在腸黏膜的生理過程中具有相似的功能[24]。有研究[25]表明，乳酸桿菌可刺激小鼠遠(yuǎn)端小腸和結(jié)腸中的FPR1受體，通過NOX1酶迅速產(chǎn)生生理濃度的ROS，并刺激結(jié)腸中的ROS依賴性細(xì)胞增殖。ALAM等[26]研究顯示，腸上皮細(xì)胞與共生菌接觸后通過NOX1和DUOX2酶的催化可產(chǎn)生O2和H2O2。另有研究[27]表明，小鼠回腸和結(jié)腸上皮細(xì)胞可通過依賴NOX1酶的方式，介導(dǎo)ROS的產(chǎn)生，并維持腸道菌群的穩(wěn)態(tài)，而在NOX1基因敲除小鼠身上則未觀察到ROS的產(chǎn)生，且其回腸細(xì)菌數(shù)量比正常小鼠更多。此外，腸上皮細(xì)胞與乳酸桿菌的接觸可引起蛋白質(zhì)的氧化增加，包括硫氧還蛋白和谷胱甘肽，并誘導(dǎo)氧化還原依賴性調(diào)控蛋白的轉(zhuǎn)錄。

盡管在宿主腸上皮細(xì)胞中大多數(shù)被檢測的細(xì)菌都具有一定誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS的能力，但這些菌群誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的能力各不相同，其中乳酸桿菌誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS的能力最強(qiáng)[22]。這可能是由于乳酸桿菌可提高其穿透黏膜層的能力，或增強(qiáng)其黏附性與腸上皮細(xì)胞表面受體(如：FPRs)接觸。

2.3 ROS介導(dǎo)內(nèi)臟疼痛的機(jī)制由NOX酶催化產(chǎn)生的ROS如H2O2，現(xiàn)在被認(rèn)為是許多細(xì)胞內(nèi)信號通路的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。ROS調(diào)節(jié)細(xì)胞信號傳導(dǎo)的機(jī)制是通過氧化特定的活性半胱氨酸殘基實(shí)現(xiàn)的，而這些基團(tuán)位于控制細(xì)胞信號通路激活的酶中。因此，含有活性半胱氨酸殘基的蛋白質(zhì)具有氧化還原感受器的功能，并傳導(dǎo)由ROS介導(dǎo)的信號。最新研究表明，ROS氧化活性半胱氨酸殘基這一性質(zhì)，對于內(nèi)臟疼痛的發(fā)生具有重要意義。

有研究[28]表明，特定的氧化還原信號通常涉及蛋白質(zhì)中巰基殘基的可逆氧化，因此改變這些基團(tuán)的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能的改變。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的蛋白質(zhì)有多種，包括：瞬時(shí)受體電位陽離子通道、N-甲基-D天冬氨酸受體、T型鈣離子通道、γ-氨基丁酸受體等都被發(fā)現(xiàn)可感知ROS并通過依賴氧化還原的方式改變其自身活性[29]。有研究[6]發(fā)現(xiàn)，ROS通過氧化Rab7介導(dǎo)炎癥性疼痛過程，而Rab7是一種含有半胱氨酸殘基的小GTP酶。在KOGURE等[12]實(shí)驗(yàn)中，H2O2可通過激活TRPA1介導(dǎo)內(nèi)臟疼痛。在此之前已有學(xué)者報(bào)道H2O2可通過氧化細(xì)胞內(nèi)活性半胱氨酸殘基從而激活TRPA1。另有研究[11]表明，與對照組相比，感染后IBS患者的結(jié)腸活檢上清液總抗氧化能力顯著降低，肥大細(xì)胞活化增加，且PAR2 mRNA在肥大細(xì)胞中的表達(dá)顯著增加，給予PBN后，肥大細(xì)胞活性明顯減弱，PAR2 mRNA的表達(dá)明顯降低，這提示ROS可能是通過氧化活性半胱氨酸殘基來激活PAR2，再進(jìn)一步促進(jìn)肥大細(xì)胞脫顆粒，從而介導(dǎo)內(nèi)臟疼痛。

3 總結(jié)與展望

IBS的發(fā)病機(jī)制尚未明確，但內(nèi)臟疼痛作為其核心癥狀已經(jīng)得到眾多學(xué)者的認(rèn)可。本文通過概述IBS患者中腸道菌群可通過介導(dǎo)ROS的產(chǎn)生從而導(dǎo)致內(nèi)臟疼痛，從另一個(gè)角度解釋了內(nèi)臟疼痛的發(fā)病機(jī)制，這是研究ROS在胃腸道的作用中取得的巨大進(jìn)步，但ROS導(dǎo)致內(nèi)臟疼痛的具體機(jī)制還有待進(jìn)一步闡明。因此，對這一領(lǐng)域的研究對于我們更深一步認(rèn)識IBS具有重要意義，一方面，可以幫助闡明IBS內(nèi)臟高敏感的不同機(jī)制，另一方面，為抗氧化劑通過抑制ROS的活性來緩解IBS患者腹痛癥狀提供了理論基礎(chǔ)。相信對該領(lǐng)域的深入研究，將會使IBS的病因和發(fā)病機(jī)制進(jìn)一步明確，從而為臨床提供更多指導(dǎo)和幫助。