腸黏液屏障：從基礎(chǔ)到臨床*

熊藝琳 宋 軍 侯曉華

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院消化內(nèi)科(430022)

腸道黏膜屏障是抵御外來(lái)病原微生物入侵和維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的重要屏障，是將機(jī)體內(nèi)環(huán)境和腸腔內(nèi)環(huán)境分開的結(jié)構(gòu)，主要包括機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、生物屏障和免疫屏障。一旦腸黏膜屏障的完整性被破壞，外源性有害物質(zhì)可侵犯宿主腸道組織，造成炎癥和組織損傷。腸道的化學(xué)屏障即腸道黏液屏障，是隔離外來(lái)病原體與腸上皮的第一道防線。本文就腸黏液屏障的組成、功能、調(diào)控及其在疾病中作用的研究進(jìn)展作一綜述。

一、腸黏液屏障組成

1. 結(jié)構(gòu)組成：腸黏液屏障由黏蛋白(主要是MUC2)、水、無(wú)機(jī)鹽、免疫分子和促進(jìn)致病菌清除的抗菌肽等組成，其中水占98%以上[1]。黏蛋白是高度糖基化的大蛋白質(zhì)，包括分泌型黏蛋白和跨膜型黏蛋白[2]。分泌型黏蛋白(如MUC2)由杯狀細(xì)胞分泌至腸腔后發(fā)生水合解聚，形成巨大的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為黏液屏障的主要“支架”[3]。跨膜型黏蛋白位于上皮細(xì)胞頂端，具有跨膜結(jié)構(gòu)域，使其能錨定于細(xì)胞膜，為胃腸道上皮細(xì)胞表層創(chuàng)造穩(wěn)定的環(huán)境。

黏液屏障中還分布了多種分子，黏蛋白與水形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為這些分子提供擴(kuò)散屏障以更好地發(fā)揮作用。Paneth細(xì)胞可分泌α-防御素、隱窩素相關(guān)序列(CRS)肽、溶菌酶、胰島素衍生蛋白R(shí)EG3β和REG3γ、血管生成素4(ANG4)等，參與隔離細(xì)菌、抵御病原體入侵和腸道微生物群的形成[4]。此外，杯狀細(xì)胞還分泌CLCA1、FCGBP、AGR2、ZG16、TFF3等，并可與黏蛋白相互作用，增加黏液層黏度[1]。

2. 腸段分布：腸黏液屏障在不同腸段分布不同。小腸黏液層疏松、未緊密附著于腸上皮，充滿腸絨毛腔隙之間，同時(shí)覆蓋絨毛尖端[5]。結(jié)腸黏液層由疏松、不附著的外層和緊密附著在腸上皮細(xì)胞的內(nèi)層構(gòu)成，外層結(jié)構(gòu)與小腸黏液層類似，但其中可見大量共生菌定植[6]；內(nèi)層結(jié)構(gòu)致密，其中某些內(nèi)源性蛋白酶可將黏蛋白水解轉(zhuǎn)化為外層黏液，體積擴(kuò)大3～4倍，但不改變其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]。

二、腸黏液屏障的形成過(guò)程

MUC2分為兩種分泌形式，包括調(diào)節(jié)囊泡分泌和復(fù)合胞吐[8]。調(diào)節(jié)囊泡分泌主要是腸道表面杯狀細(xì)胞在細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)下的連續(xù)低水平分泌，即平時(shí)維持和更新黏液屏障的基礎(chǔ)分泌，周期約3 h。而復(fù)合胞吐多見于隱窩處杯狀細(xì)胞，在外來(lái)刺激的作用下，杯狀細(xì)胞中儲(chǔ)存的MUC2會(huì)在短時(shí)間內(nèi)全部釋放，形成新的黏液層，此時(shí)杯狀細(xì)胞完全排空，黏蛋白恢復(fù)速度減慢，周期約6～8 h[2]。

三、腸黏液屏障的生理功能

1. 屏障作用：腸黏液屏障將腸道上皮與腸內(nèi)容物、病原體、共生菌隔離開，從而避免腸上皮細(xì)胞受外源性物質(zhì)的攻擊。小腸形成的黏液層疏松，其間的孔徑較大，可容許細(xì)菌等大分子穿透，但小腸內(nèi)定植的細(xì)菌豐度遠(yuǎn)少于結(jié)腸，這是由于細(xì)菌被限制在黏液層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。黏蛋白的聚糖支鏈也可與某些病原菌的特異性黏附素結(jié)合，防止其擴(kuò)散，同時(shí)小腸通過(guò)運(yùn)動(dòng)將黏液及其中滲透的細(xì)菌等物質(zhì)推向遠(yuǎn)端[2]。人結(jié)腸黏液層外層疏松，為共生菌定植，內(nèi)層結(jié)構(gòu)致密，可阻擋直徑為0.5 μm的顆粒通過(guò)。

2. 免疫調(diào)節(jié)作用：黏液屏障中除一些固有免疫分子如sIgA發(fā)揮作用外，其余抗菌肽等分子亦可發(fā)揮不同的抗菌作用。杯狀細(xì)胞分泌的腸三葉因子(TFF3)可與黏蛋白相互作用增加黏液層的黏度[9]。抵抗素樣分子β(RELM-β)可直接殺死滲透入黏液層的共生菌和病原體[10]。α-防御素是Paneth細(xì)胞分泌的最主要抗菌肽，可與細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)合形成離子通道，導(dǎo)致細(xì)菌胞內(nèi)容物泄露從而殺死細(xì)菌[11]。

黏蛋白及其聚糖可與免疫細(xì)胞上的凝集素樣蛋白結(jié)合來(lái)發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[7]，抗菌肽等分子與黏液混合擴(kuò)散，并在腸道上皮至腸腔的黏液層中形成逐漸下降的濃度梯度，共同發(fā)揮免疫保護(hù)作用。

四、腸黏液屏障的結(jié)構(gòu)組成和形成過(guò)程對(duì)功能的影響

1. 結(jié)構(gòu)組成對(duì)功能的影響：黏蛋白和水形成的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅將外源性有害物質(zhì)和腸上皮隔開，發(fā)揮屏障作用，還為腸上皮細(xì)胞分泌的免疫分子提供擴(kuò)散和穩(wěn)定的場(chǎng)所，更好地發(fā)揮抗菌功能[12]。腸黏液屏障中的抗菌肽等物質(zhì)與黏蛋白相輔相成、增強(qiáng)黏液層黏度，并通過(guò)不同途徑發(fā)揮殺菌作用。

2. 形成過(guò)程對(duì)功能的影響：黏液屏障形成過(guò)程中最重要的步驟是黏蛋白的合成、分泌和水合解聚[8]。黏蛋白合成量過(guò)大時(shí)會(huì)使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)負(fù)荷過(guò)重，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)，進(jìn)而導(dǎo)致黏蛋白錯(cuò)誤折疊和杯狀細(xì)胞凋亡[13]。正常情況下，黏液屏障需依賴杯狀細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)囊泡的分泌來(lái)維持，而腸上皮受到外來(lái)刺激后，儲(chǔ)存在杯狀細(xì)胞囊泡中的黏蛋白被一次性排空，黏液層短暫性增多后由于儲(chǔ)存的黏蛋白耗竭，又會(huì)進(jìn)入黏液層減少的病理狀態(tài)[2]。黏蛋白釋放到腸腔后需要進(jìn)行水合解聚，體積擴(kuò)大1 000倍以上才能形成疏松的黏液層，這個(gè)過(guò)程需要meprin β金屬酶的切割和Ca2+的解離作用，否則無(wú)法形成黏液屏障，甚至?xí)?dǎo)致腸梗阻等疾病[14]。

五、腸黏液屏障的調(diào)控

腸黏液屏障是直接與腸腔內(nèi)容物接觸的第一道屏障，既要消化吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、維持對(duì)共生菌群的免疫耐受，又要抵御外來(lái)病原體的入侵，其穩(wěn)態(tài)受到多個(gè)因素的調(diào)控和影響。

1. 形成過(guò)程調(diào)控：有研究表明，杯狀細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特異性表達(dá)的IRE1β基因與MUC2的合成有關(guān)。在IRE1β基因敲除鼠中存在ERS現(xiàn)象以及MUC2的異常積聚[15]。給予ERS小鼠IL-10則可減少M(fèi)UC2的錯(cuò)誤折疊，并維持MUC2轉(zhuǎn)運(yùn)、O-糖基化和分泌，恢復(fù)正常黏液屏障的形成[16]。

2. 共生菌群調(diào)控：人腸道中約有3.8×1013個(gè)細(xì)菌，在結(jié)腸中的菌群密度為1011/cm3～1012/cm3 [18]，結(jié)腸外層黏液為共生菌群提供營(yíng)養(yǎng)和繁殖環(huán)境，同時(shí)細(xì)菌可通過(guò)糖苷酶降解聚糖，利用聚糖殘基進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，這個(gè)過(guò)程也有助于MUC2降解。細(xì)菌發(fā)酵生成的短鏈脂肪酸(SCFA)又可被結(jié)腸吸收并提供能量，用于MUC2的合成和分泌[19]。共生菌還可分泌某些抗菌物質(zhì)幫助阻擋病原體入侵，與黏液層相互作用，共同維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。

乳酸菌表面的黏液結(jié)合蛋白可與黏液特異性結(jié)合，黏附在黏液層中。此外，鼠李糖乳桿菌的菌毛蛋白也顯示出與黏蛋白的強(qiáng)結(jié)合力[6]。腸道菌群會(huì)產(chǎn)生多種碳水化合物活性酶，利用食物中難以消化的多糖或黏蛋白側(cè)鏈的聚糖作為能量來(lái)源，如擬桿菌擅長(zhǎng)利用膳食纖維產(chǎn)生SCFA、有機(jī)酸等代謝產(chǎn)物[8]。

不同菌群對(duì)腸道黏液屏障的形成也會(huì)產(chǎn)生不同影響。研究表明，擬桿菌可促進(jìn)杯狀細(xì)胞的分化以及黏蛋白相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)黏液產(chǎn)生[20]。腸道菌群的定植占據(jù)了黏蛋白上可用的結(jié)合位點(diǎn)，一定程度上阻止了病原體的黏附。嗜黏蛋白艾克曼菌能促進(jìn)黏蛋白的合成和降解，還有潛在的抗炎作用[21]。普拉梭菌可分泌微生物抗炎因子(MAM)，抑制黏蛋白分泌相關(guān)NF-κB的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和腸道炎癥[22]。

六、腸黏液屏障與腸道疾病

1. 感染性疾?。褐举R菌可導(dǎo)致人重度腹瀉甚至死亡；在志賀菌感染的人腸道細(xì)胞模型中，MUC2表達(dá)上調(diào)，這被認(rèn)為是宿主的腸道保護(hù)機(jī)制，黏液層在減少致病菌流動(dòng)性的同時(shí)，志賀菌也會(huì)利用黏蛋白作為碳源進(jìn)行代謝，打破固有免疫防御[23]。小腸結(jié)腸炎中耶爾森菌可通過(guò)黏蛋白降解酶增加黏液層的滲透性，使病菌更容易擴(kuò)散和移動(dòng)[6]。在輪狀病毒感染鼠模型中MUC2表達(dá)上調(diào)和結(jié)構(gòu)改變，給予感染組小鼠體外分離出的MUC2可有效中和并抑制病毒感染[24]。

研究發(fā)現(xiàn)多種蠕蟲、寄生蟲感染均會(huì)導(dǎo)致杯狀細(xì)胞增生、黏液分泌增加。在旋毛蟲感染鼠模型中，MUC2缺陷小鼠蠕蟲排空時(shí)間較對(duì)照組延長(zhǎng)，而抗感染小鼠黏液滲透性較易感小鼠低，說(shuō)明黏液性質(zhì)發(fā)生變化[25]。

因此，在腸道感染時(shí)，黏液屏障可通過(guò)刺激杯狀細(xì)胞增生、大量釋放MUC2、增加MUC2表達(dá)來(lái)抵抗病原微生物，中和毒素。病原體也可通過(guò)自身特性規(guī)避黏液屏障的捕獲，打破平衡，接觸腸上皮細(xì)胞造成感染。

2. 炎癥性腸病(IBD)：IBD是腸道黏膜免疫系統(tǒng)和共生菌群失衡的共同結(jié)果，潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD)均存在不同程度的黏液屏障破壞。研究表明，UC患者結(jié)腸黏液中存在一系列糖基化異常，包括寡糖鏈長(zhǎng)度縮短、硫酸鹽化減少、唾液酸化增加等，導(dǎo)致黏液層的物理屏障功能降低[26]。活動(dòng)性UC在杯狀細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)可發(fā)現(xiàn)堆積有部分合成或折疊錯(cuò)誤的黏蛋白，引起ERS，使成熟黏蛋白分泌減少，杯狀細(xì)胞耗竭，分泌黏液速度減慢，黏液層變薄，同時(shí)黏液成分改變，糖基化產(chǎn)物、TFF3、防御素等減少，黏液通透性增加，使細(xì)菌能直接與上皮細(xì)胞接觸，從而導(dǎo)致微生物群移位和免疫系統(tǒng)激活[27]?；顒?dòng)性UC杯狀細(xì)胞的抗菌防御因子WFDC2表達(dá)失調(diào)，其與結(jié)腸黏液屏障內(nèi)外層轉(zhuǎn)換相關(guān)，可能是導(dǎo)致滲透性增加的發(fā)病機(jī)制之一[28]。

CD患者腸道黏液增厚，可能是由于細(xì)胞因子刺激黏液分泌。但黏液屏障的寡糖鏈長(zhǎng)度縮短、唾液酸化增加，使細(xì)菌更易穿透[29]。有研究[30]表明，腸上皮細(xì)胞色氨酸代謝酶吲哚胺2,3-雙加氧酶1(IDO1)表達(dá)會(huì)促進(jìn)杯狀細(xì)胞的分化和黏液的產(chǎn)生，CD患者回腸中表達(dá)與分泌水平呈正相關(guān)，說(shuō)明IDO1可能是CD黏液變化的機(jī)制之一。

在IBD的發(fā)病中，黏蛋白的結(jié)構(gòu)、分泌和黏液層厚度、滲透性等均受到不同程度破壞，最終導(dǎo)致腸道炎癥持續(xù)發(fā)生，說(shuō)明黏液屏障在IBD發(fā)病機(jī)制中起有重要作用，也可能為其治療提供新的途徑。

3. 腸易激綜合征(IBS)：腸黏液屏障在IBS中作用的研究目前不多，但I(xiàn)BS腸上皮通透性明顯增加。在母體分離的IBS大鼠模型中，成年雄性后代的回腸MUC2表達(dá)上調(diào)，但給予IBS母鼠益生菌干預(yù)后，后代MUC2表達(dá)相應(yīng)下調(diào)[31]。研究證實(shí)，IBS大鼠模型腸道含黏液的杯狀細(xì)胞減少，黏蛋白O-聚糖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但腸道杯狀細(xì)胞數(shù)量和MUC2并無(wú)明顯改變[32]。因此，IBS是否伴隨黏液屏障質(zhì)量和結(jié)構(gòu)變化，有待更進(jìn)一步的研究證實(shí)。

4. 先天性疾病

②先天性巨結(jié)腸(HSCR)：HSCR是較常見的新生兒消化道運(yùn)動(dòng)性疾病之一，17%～50%的患者會(huì)并發(fā)相關(guān)小腸結(jié)腸炎(HAEC)，可導(dǎo)致腹瀉、敗血癥，甚至死亡[35]。研究表明，HSCR患者遠(yuǎn)端結(jié)腸杯狀細(xì)胞數(shù)目增加，HAEC的發(fā)展與黏蛋白比例增多相關(guān)[36]。HSCR患者的杯狀細(xì)胞特異性分化因子SPDEF、KLF4表達(dá)顯著降低，杯狀細(xì)胞表達(dá)產(chǎn)物TFF3下降[35]。

5. 腫瘤性疾?。航Y(jié)直腸癌分泌黏蛋白的能力是其特性之一，結(jié)直腸癌患者M(jìn)UC2表達(dá)顯著下降，但與癌癥分期無(wú)關(guān)。黏液性結(jié)直腸腺癌的預(yù)后較非黏液性腺癌差，且MUC2高表達(dá)。研究表明，MUC2高表達(dá)的結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移至肝臟的概率增加，若接受新輔助化療者的主要病理表現(xiàn)為黏蛋白池，其預(yù)后則非常差[37]。

七、腸黏液屏障與腸外疾病

1. 急性胰腺炎：在急性胰腺炎小鼠模型中，腸黏液屏障通透性增加，黏液層丟失但絨毛未見損傷，這與活性氧、活性氮中間體(RNI)介導(dǎo)的黏液損傷和黏液抗氧化能力降低有關(guān)，而24 h后，又可觀察到黏蛋白反彈性分泌增多，此時(shí)杯狀細(xì)胞完全排空[38]。通常認(rèn)為急性胰腺炎引起的低血容量和全身性炎癥狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)臟的血液分流至全身循環(huán)，繼而造成腸缺血-再灌注損傷，這對(duì)于腸道黏液屏障具有刺激作用。缺血會(huì)導(dǎo)致黏液層與腸上皮分離，外來(lái)病原體可直接接觸腸上皮甚至到達(dá)隱窩，引起杯狀細(xì)胞的復(fù)合胞吐，重新快速形成新的黏液層[2]。

2. 非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)：腸-肝軸在NAFLD進(jìn)展中起有重要作用。對(duì)NAFLD患兒的研究[39]表明，腸道通透性明顯增加且與肝纖維化嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，同時(shí)存在腸道菌群移位。動(dòng)物研究中給予輕度肝脂肪變性的小鼠葡聚糖硫酸鈉，可促進(jìn)肝炎和肝纖維化發(fā)生[40]。NAFLD模型組小鼠腸道sIgA水平明顯下降，抵抗細(xì)菌和內(nèi)毒素能力減弱，導(dǎo)致腸源性內(nèi)毒素血癥的發(fā)生[41]。這在一定程度上說(shuō)明NAFLD患者的黏液屏障成分發(fā)生了變化，為進(jìn)一步尋找NAFLD的發(fā)病機(jī)制與治療提供新思路。

八、展望

總之，腸道黏液屏障在很長(zhǎng)一段時(shí)間都被認(rèn)為只有潤(rùn)滑、隔離的作用，目前越來(lái)越多的證據(jù)表明，作為一道“動(dòng)態(tài)”屏障，在抗感染、腸道免疫調(diào)節(jié)以及腸道和腸外疾病發(fā)生等方面均發(fā)揮重要作用。對(duì)其功能和調(diào)控機(jī)制的深入研究，可能為相關(guān)疾病的治療提供新的方向。