胃腸道5-羥色胺在炎癥性腸病中的潛在生理作用

曹瑞華，張黎夢(mèng)，肖再利

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院廣東省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

5-羥色胺（5-HT）又名血清素，是一種信號(hào)分子，90%合成和儲(chǔ)存于腸嗜鉻細(xì)胞（EC），僅有5%在中樞系統(tǒng)分泌，通常與ATP等供能物質(zhì)一起儲(chǔ)存于細(xì)胞顆粒內(nèi)，可能參與痛覺、睡眠和體溫等生理功能的調(diào)節(jié)。在某些刺激因素作用下，5-HT可從囊泡顆粒內(nèi)釋放、彌散到血液，并被血小板攝取和儲(chǔ)存，儲(chǔ)存量約占全身的8%。研究發(fā)現(xiàn)，胃腸道中的5-HT可通過上調(diào)GPR78蛋白的表達(dá)激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，參與腸道炎癥反應(yīng)，并且影響腸黏膜上皮細(xì)胞屏障的發(fā)展。

1 胃腸道5-HT的合成和分泌

腸道是5-HT產(chǎn)生的場(chǎng)所，腸嗜鉻細(xì)胞是胃腸道5-HT的主要來源，5-HT的分布與腸嗜鉻細(xì)胞的密度相關(guān)。胃黏膜是盛產(chǎn)5-HT的組織，5-HT儲(chǔ)存在細(xì)胞顆粒中，并從腸腺內(nèi)壁的腸嗜鉻細(xì)胞（EC）中釋放出來到下層的固有層，則5-HT與5-HT受體相互作用，影響腸道的各種功能，然后被5-HT選擇性再攝取轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白去除。5-HT影響腸道固有的主要功能，包括運(yùn)動(dòng)、分泌、血液流動(dòng)和情緒。因此，當(dāng)腸道5-HT能信號(hào)元件被破壞時(shí)，引起包括腹痛、腹瀉或便秘等多種癥狀。在動(dòng)物和人體研究中已證明，5-HT能信號(hào)元件可以對(duì)腸道內(nèi)的炎癥發(fā)展和嚴(yán)重程度產(chǎn)生重大影響，特別是在炎癥性腸病中[1-2]。研究表明，調(diào)節(jié)各種5-HT信號(hào)成分可以改變腸道炎癥及其并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。

5-HT參與腸道色氨酸代謝的關(guān)鍵途徑，是色氨酸代謝的重要分解產(chǎn)物，也是褪黑素合成的前體物質(zhì)[3]。色氨酸經(jīng)過色氨酸羥化酶（TPH）催化首先生成5-羥色氨酸，再經(jīng)5-羥色氨酸脫羧酶催化成5-HT，后者由5-HT-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶（SNAT）和N-乙酰血清素-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（ASMT）依次催化進(jìn)而合成褪黑素。腸道來源的5-HT具有刺激腸道運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)腦-腸軸信號(hào)等功能。

2 胃腸道5-HT受體

人體的5-HT的95%來源于腸道，主要是黏膜層的腸嗜鉻細(xì)胞，含有合成5-HT所需的色氨酸羥化酶。此外，少數(shù)也來源于腸神經(jīng)元。EC細(xì)胞對(duì)腸腔內(nèi)壓力和化學(xué)刺激非常敏感，一旦腸腔內(nèi)的壓力升高到特定的程度即可分泌5-HT，作用于黏膜下傳入神經(jīng)神經(jīng)元上的5-HT受體，激發(fā)蠕動(dòng)反射，并調(diào)節(jié)腸道分泌功能[4]。

依據(jù)其分子結(jié)構(gòu)、作用機(jī)制及生物學(xué)功能不同，5-HT受體家族主要包括 7個(gè)成員（5-HT1～5-HT7），是神經(jīng)遞質(zhì)受體中最復(fù)雜的家族之一，幾乎都為G蛋白偶聯(lián)受體，僅有5-HT3R為離子門控通道受體[5]。研究表明，在胃腸道主要有5-HT1、5-HT2、5-HT3、5-HT4、5-HT7受體來調(diào)節(jié)胃腸道功能[6]。其中分布于腸神經(jīng)元上的包括5-HT1A、5-HT3、5-HT4，調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的釋放；分布于腸平滑肌上有5-HT2A、5-HT4、5-HT7受體，直接調(diào)控平滑肌的運(yùn)動(dòng)[7]。此外，在腸神經(jīng)元上還發(fā)現(xiàn)了5-HT1P受體，介導(dǎo)慢速興奮性突觸后電位，但在國(guó)際藥理學(xué)協(xié)會(huì)提出的5-HT受體分類中未包括該受體，因此被稱為“孤獨(dú)”受體[8]。5-HT受體家族的復(fù)雜性表明，5-HT可通過多種信號(hào)途徑產(chǎn)生作用，而針對(duì)5-HT信號(hào)系統(tǒng)研發(fā)的各種藥物也因此產(chǎn)生有效作用。

Edith等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到外界刺激時(shí)，腸黏膜釋放5-HT，這表明EC細(xì)胞負(fù)責(zé)5-HT的釋放[9]。隨后的研究表明，胃腸管腔的各種變化，包括酸度，壓力和營(yíng)養(yǎng)濃度的改變，都會(huì)誘導(dǎo)腸黏膜釋放5-HT[10-11]。而其他活性化合物，如膽囊收縮素（CCK）和胃動(dòng)素，通過腸腔刺激其釋放，說明5-HT在感知，分泌和蠕動(dòng)過程中起著特殊作用[12]。值得一提的是，Spencer證明在無黏膜5-HT時(shí)腸道可以啟動(dòng)和進(jìn)行蠕動(dòng)，5-HT對(duì)于腸道蠕動(dòng)的激活并不是必須的[13]。從EC細(xì)胞釋放到固有層后，5-HT可以與內(nèi)臟或外源性神經(jīng)元投射的5-HT能受體以及鄰上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞受體相互作用，后者可以刺激各種信號(hào)介質(zhì)的分泌，并增強(qiáng)神經(jīng)元，進(jìn)而更有可能對(duì)另一種刺激作出反應(yīng)或直接激活[14]。

5-HT對(duì)特定細(xì)胞活動(dòng)的影響因相應(yīng)的受體而不同。目前利用其結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)導(dǎo)特征，已經(jīng)鑒定了7種不同類別的5-HT受體，并且至少有13種不同的人類亞型，見表1[15]。

表1 5-HT受體的定位與功能

在腸道組織中發(fā)現(xiàn)了多種5-HT特異性受體，包括神經(jīng)元以及平滑肌、上皮和EC細(xì)胞。例如，免疫細(xì)胞化學(xué)研究表明，5-HT3受體在外源性感覺神經(jīng)元的上皮下端表達(dá)[16]。電生理學(xué)研究表明，當(dāng)這些神經(jīng)元暴露于5-HT3選擇性頡頏劑時(shí)，對(duì)5-HT刺激的正常強(qiáng)健反應(yīng)減弱[17]。此外，位于腸道平滑肌細(xì)胞上的5-HT2A受體在被5-HT激活時(shí)可以刺激肌肉收縮，從而間接激活腸壁中對(duì)5-HT敏感的神經(jīng)纖維。有研究表明，與免疫功能相關(guān)的幾種細(xì)胞類型，包括抗原呈遞細(xì)胞、B細(xì)胞、T細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、嗜堿性細(xì)胞和肥大細(xì)胞，表達(dá)多種5-HT受體（如5-HT1A、5-HT1B、5-HT2A、5-HT2B、5-HT4和5-HT7），并且這些受體的調(diào)節(jié)可以引起免疫活性的顯著變化[18-19]。

3 5-HT在腸道中的生理功能

3.1 5-HT與胃腸運(yùn)動(dòng)

5-HT是色氨酸的中間代謝產(chǎn)物，是一種芳胺神經(jīng)遞質(zhì)，影響腸道健康。在腸道中，色胺通過位于黏膜表面腸嗜鉻細(xì)胞誘導(dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)5-HT（5-HT）的釋放，5-HT通過腸神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元來刺激胃腸動(dòng)力[20]。利用小鼠結(jié)腸黏膜近中段尤斯灌流發(fā)現(xiàn)，色胺本身可誘導(dǎo)電流發(fā)生顯著變化，這證實(shí)其可以影響腸上皮細(xì)胞的離子分泌，而離子分泌在胃腸運(yùn)動(dòng)中起著重要作用[21]。因此，5-HT可能作為影響腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間的信號(hào)分子，且腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間與人腸道微生物組成、多樣性和代謝密切相關(guān)。

3.2 5-HT與腸道免疫

炎癥性腸病通常表現(xiàn)為慢性腹瀉或便秘。目前尚不清楚腸道細(xì)菌產(chǎn)生的色胺是否在其發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用，其中1個(gè)特別有趣的物種是R.gnavus，其在炎癥性腸病中過表達(dá)，可以產(chǎn)生色胺并利用粘蛋白，這表明與腸嗜鉻細(xì)胞緊密共生[22]。與無菌小鼠相比，R.gnavus單菌小鼠顯示出幾種參與色氨酸代謝的基因誘導(dǎo)作用[23]。同時(shí)，R.gnavus是約90%成人和嬰兒中常見的腸道微生物，該物種產(chǎn)生的色胺可能會(huì)影響人類健康[24]。

3.3 5-HT與腸道菌群

腸道菌群可通過多種代謝途徑產(chǎn)生5-HT，反之，5-HT也可改變腸道菌群的組成和結(jié)構(gòu)，包括厚壁菌門（Firmicutes）與擬桿菌門（Bacteroidetes）的比例，如若減少擬桿菌、腸桿菌的含量，則對(duì)于腸炎的發(fā)展可能起關(guān)鍵性的作用，是腸炎治療的關(guān)鍵靶點(diǎn)。此外，乳酸桿菌等有益菌群相對(duì)豐度的提升，有利于腸道損傷恢復(fù)、減少炎癥性腸炎反應(yīng)的發(fā)生。不同種類的腸道菌群可分別產(chǎn)生豐富的代謝產(chǎn)物，如擬桿菌門可產(chǎn)生乙酸，丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸及碳水化合物代謝物相關(guān)產(chǎn)物。當(dāng)然，GABA、5-HT和褪黑素等神經(jīng)遞質(zhì)類信號(hào)物質(zhì)也可在腸道內(nèi)被分泌，作用于神經(jīng)-內(nèi)分泌-免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)宿主和腸道菌群之間復(fù)雜的“分子對(duì)話”。

4 5-HT在腸道炎癥中的應(yīng)用

炎癥性腸病屬于慢性胃腸道代謝性疾病，嚴(yán)重時(shí)可影響后腸道，引起腹瀉、腹痛及痙攣等癥狀，與腸應(yīng)激綜合征（IBS）有異曲同工之處。IBD主要包括潰瘍性結(jié)腸炎（UC）和克羅恩?。–D），盡管最近在治療方面取得了進(jìn)展，但許多患者仍難以找到對(duì)其疾病或癥狀的充分和一致的治療。40%或更多的IBD患者最終被發(fā)現(xiàn)即使是最有效的治療也是難以痊愈的[25]。一直以來，IBD發(fā)病率很高，是常見的功能性胃腸病。在美國(guó)，每年大約會(huì)發(fā)生300萬例，并且臨床上未出現(xiàn)有效的治療手段可以治愈，一旦發(fā)生就可能持續(xù)數(shù)年，嚴(yán)重者甚至相伴一生[26]。目前來說，醫(yī)學(xué)研究上也只能通過某些特定藥物來緩解癥狀。上述癥狀與IBD相關(guān)的炎癥狀態(tài)，可能會(huì)受到各種不同因素的影響，包括與免疫和上皮屏障功能相關(guān)的遺傳改變，飲食和腸道微生物群在內(nèi)的多種環(huán)境因素，以及固有的宿主免疫因素。然而，還未被重視的潛在因素是腸道內(nèi)神經(jīng)內(nèi)分泌信號(hào)的變化。事實(shí)上，有許多信號(hào)分子可以影響炎癥或與IBD相關(guān)的癥狀。5-HT在這方面是最具影響力的，研究發(fā)現(xiàn)，在IBD病理生理的變化中，均發(fā)現(xiàn)有5-HT的參與及5-HT信號(hào)系統(tǒng)的變化，表明5-HT與IBD的發(fā)展歷程有緊密的聯(lián)系，這啟示5-HT的含量變化可作為IBD的標(biāo)志靶點(diǎn)[22]。IBD對(duì)腸道黏膜5-HT信號(hào)的傳導(dǎo)見表2。

表2 IBD對(duì)腸道黏膜5-羥色胺信號(hào)的傳導(dǎo)

小鼠、大鼠和豚鼠腸道炎癥的研究顯示結(jié)腸黏膜5-HT含量和EC細(xì)胞密度顯著相關(guān)[38-40]。使用TNBS刺激豚鼠回腸炎的單獨(dú)模型也顯示小腸EC細(xì)胞增生，犬腸炎模型顯示5-HT含量和EC細(xì)胞密度升高。兩項(xiàng)涉及靶向細(xì)胞因子敲除（IL-2和IL-13）的小鼠研究沒有表現(xiàn)出這些變化[41]。然而，利用非小鼠模型進(jìn)行研究證實(shí)是因?yàn)樾∈竽c道內(nèi)含有5-HT的肥大細(xì)胞，而這些細(xì)胞的相對(duì)流行率可能有助于腸道炎癥狀態(tài)下黏膜5-HT水平的變化[42]。5-HT對(duì)炎癥過程和與IBD相關(guān)的某些癥狀的影響極其明顯。先前兩項(xiàng)使用嚙齒動(dòng)物結(jié)腸炎模型的研究表明，在每種情況下應(yīng)用5-HT前體5-羥色氨酸（5-HTP）會(huì)惡化炎癥[21]。通過“遺傳消融”或藥物阻斷TPH-1限制5-HT在小鼠結(jié)腸炎模型中產(chǎn)生的其他研究發(fā)現(xiàn)，炎癥反應(yīng)因此顯著延遲或減弱[43-44]。這種效應(yīng)似乎是定位于小鼠腸道黏膜中的5-HT特有的[44]。

在人類研究中，早在20世紀(jì)60年代，研究人員就開始報(bào)道IBD患者腸道中的5-HT成分發(fā)生改變[29]。然而，與健康對(duì)照組相比，5-HT含量或EC細(xì)胞密度增加[36,45]。然而，這些差異可以運(yùn)用疾病的嚴(yán)重程度來解釋。例如，包括對(duì)嚴(yán)重UC進(jìn)行具體評(píng)估的研究表明，炎癥程度最嚴(yán)重的患者EC細(xì)胞密度和5-HT含量顯著下降[30]。5-HT的合成能力和患病率也可以在IBD相關(guān)的癥狀中發(fā)揮重要作用，無論疾病活動(dòng)狀態(tài)如何，表現(xiàn)出持續(xù)性腸易激綜合征（IBS）樣癥狀的結(jié)腸CD患者在結(jié)腸黏膜活檢中表現(xiàn)出TPH-1的RNA水平升高[31]。67個(gè)患有回腸袋肛管吻合術(shù)的患者顯示持續(xù)的下腹不適和腸道改變而沒有明顯的炎癥改變，也發(fā)現(xiàn)在袋子活檢中EC細(xì)胞密度增加[39]。目前還沒有任何動(dòng)物探究調(diào)查5-HT的釋放調(diào)節(jié)可以對(duì)這種環(huán)境中炎癥風(fēng)險(xiǎn)或嚴(yán)重程度的疾病產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。IBD動(dòng)物模型腸黏膜5-羥色胺的信號(hào)傳導(dǎo)見表3。

表3 IBD動(dòng)物模型腸黏膜5-羥色胺的信號(hào)傳導(dǎo)

由炎癥介質(zhì)IL-1 beta和LPS誘導(dǎo)的分離EC細(xì)胞株表現(xiàn)出5-HT釋放增加，而觀察人類IBD（UC）組織的唯一研究發(fā)現(xiàn)，5-HT釋放與健康對(duì)照組織中看到的類似[51]。此外，在一項(xiàng)對(duì)經(jīng)歷過IPAA的85例IBD患者的研究中，在胃炎疾病活動(dòng)性指數(shù)上內(nèi)鏡評(píng)分最嚴(yán)重的患者血液中5-HT水平最高[34]。很少有公開發(fā)表的研究系統(tǒng)地描述腸壁內(nèi)5-HT受體在腸道炎癥環(huán)境中的分布。然而，越來越多的報(bào)道描述腸道5-HT受體能對(duì)腸道內(nèi)炎癥的影響，阻斷5-HT1AR活性可惡化TNB誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎，同時(shí)刺激5-HT1AR或抑制5-HT2AR可降低炎癥的嚴(yán)重程度。相反，5HT2AR激動(dòng)劑在大鼠的小腸中產(chǎn)生了促炎標(biāo)記物的“超強(qiáng)”減少。在5-HT3R的情況下，另外兩項(xiàng)研究納入了小鼠和大鼠結(jié)腸炎模型，表明其頡頏作用降低了炎癥的嚴(yán)重性[52-53]。運(yùn)用動(dòng)物結(jié)腸炎模型對(duì)5-HT4R激動(dòng)劑的研究表明，要么對(duì)炎癥沒有顯著影響，要么該受體對(duì)炎癥有保護(hù)作用[54-55]。當(dāng)然，Spohn等通過灌腸給藥證明5-HT4R灌腸對(duì)小鼠腸道炎癥有保護(hù)作用，但當(dāng)通過腹腔注射給藥時(shí)其不具有保護(hù)作用[45]。此外，用5-HT4R頡頏劑（GR113808）灌腸治療的正常動(dòng)物出現(xiàn)早期炎癥的跡象。通過5-HT4R依賴機(jī)制，在DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的小鼠和豚鼠模型中也證明了腸神經(jīng)元增殖增加[56]。評(píng)價(jià)腸道5-HT7R功能的研究初步表明，通過該受體的藥理頡頏或基因敲除，可減少小鼠DSS結(jié)腸炎中的炎癥[57]。然而，一項(xiàng)類似的小鼠結(jié)腸炎模型研究表明，5-HT7R可能發(fā)揮更多的保護(hù)作用，在激活時(shí)減少腸道炎癥活動(dòng)。

總之，5-HT受體在調(diào)節(jié)腸道炎癥方面發(fā)揮著重要的作用。研究表明，5-HT1AR、5-HT2AR和5-HT4R的激活可能對(duì)腸道炎癥具有保護(hù)作用，而5-HT3R更有可能惡化炎癥過程，而5-HT7R影響的證據(jù)尚不明確[35]。5-HT受體調(diào)節(jié)也可能對(duì)與腸道炎癥相關(guān)的癥狀產(chǎn)生顯著影響，在上述小鼠巴豆油結(jié)腸炎研究中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用5-HT3R頡頏劑（Ondansetron）可以解決這些小鼠中出現(xiàn)的5-HTP誘導(dǎo)的腹瀉。Spohn等在小鼠DSS結(jié)腸炎模型中證明了5-HT4R激動(dòng)劑改善了腸道運(yùn)動(dòng)，而在未治療的小鼠中使用5-HT4R頡頏劑導(dǎo)致炎癥的發(fā)展[55]。在小鼠的DSS結(jié)腸炎模型中也證明替加色羅改善腸動(dòng)力，而在未治療的小鼠中使用5-HT4R頡頏劑會(huì)導(dǎo)致炎癥發(fā)展，非發(fā)炎動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)障礙和梗阻[55]。

5 小結(jié)與展望

5-HT由腸嗜鉻細(xì)胞分泌而產(chǎn)生，具備調(diào)控胃腸道運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)功能和抵御炎癥反應(yīng)等多方面作用。由于其多效作用，有利于減少炎癥反應(yīng)和降低促炎因子分泌，可在IBD疾病治療和臨床研究中發(fā)揮積極作用。目前來說，5-HT與人類健康之間的聯(lián)系仍是探索性研究，未來需要更全面地了解5-HT代謝動(dòng)力學(xué)及其從出生到老年、從健康到疾病等不同生命階段的多樣功能，極大地?cái)U(kuò)展我們對(duì)腸道-宿主-微生物在健康和疾病中交叉對(duì)話的有效理解。