運動對腸道屏障功能的影響研究進(jìn)展

于春霞 傅力

天津醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)與病理生理學(xué)系（天津300070）

1 腸道屏障的結(jié)構(gòu)及功能

腸道是人體水分和營養(yǎng)物質(zhì)吸收的最大組織器官，其內(nèi)表面約為400 m2的腸道屏障為機(jī)體免受外環(huán)境中有害物質(zhì)和病原菌入侵提供了有效保障[1]。腸道內(nèi)寄居有大量微生物，正是由于腸道內(nèi)復(fù)雜的屏障系統(tǒng)（物理屏障及免疫屏障），使得腸腔內(nèi)菌群與菌群之間、菌群與宿主之間得以和諧共生[2]。腸道屏障主要由黏液層、上皮細(xì)胞層及血管內(nèi)皮層構(gòu)成。腸免疫細(xì)胞、炎癥因子、抗菌肽及腸腔消化液也在維持腸道屏障功能中發(fā)揮了重要作用[3]。黏液層是腸道菌群定植生存的主要部位，其內(nèi)富含的大量蛋白寡糖鏈可作為能源物質(zhì)為腸道菌提供能量，同時腸道菌對黏液蛋白的降解也進(jìn)一步促進(jìn)了腸上皮細(xì)胞黏蛋白的合成和分泌[4]。而剖宮所得的無菌動物由于缺乏腸道菌群，其腸腔內(nèi)黏液的產(chǎn)生和降解不均衡，盲腸可因腸腔內(nèi)黏液蓄積及水分滯留而腫大[5]。上皮細(xì)胞層是腸道物理屏障的核心，其表面分布的緊密結(jié)合蛋白在調(diào)控腸道對水及小分子物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)運及維持腸壁滲透性方面發(fā)揮了重要作用[6]。緊密結(jié)合蛋白的核心成分是跨膜蛋白，主要包括Occludin、連接粘附分子和Claudin蛋白家族。而Zonula Occludens 1（ZO-1）作為細(xì)胞間緊密結(jié)合蛋白，可將細(xì)胞骨架與跨膜緊密結(jié)合蛋白相連接。因此，腸道緊密結(jié)合蛋白的表達(dá)和分布異常均可明顯影響腸屏障功能[7]。緊密結(jié)合蛋白表達(dá)水平降低，提示機(jī)體腸道屏障功能受損，腸道滲透性增加，造成“腸漏”[8]。動物實驗表明，腸道滲透性增大可使腸腔內(nèi)電解質(zhì)、腸道致病菌及其代謝產(chǎn)物異位至循環(huán)血液、肝臟及脂肪組織的比率增加，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生局部或全身慢性炎癥反應(yīng)[1]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，幼鼠腸道屏障功能受損，可明顯增加其罹患嚴(yán)重免疫缺陷病的發(fā)病風(fēng)險[9]。提示維持腸道屏障功能的完整性在防治多種疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

2 菌群穩(wěn)態(tài)與腸道屏障功能的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群作為機(jī)體最大的共生體可參與宿主多項生理功能的調(diào)節(jié)，包括對食物的消化吸收、神經(jīng)營養(yǎng)作用、促進(jìn)維生素和激素的合成及抑制腸道病原菌定植等[1]。同時，腸道屏障可依據(jù)菌群組分變化，通過免疫調(diào)節(jié)系統(tǒng)快速識別并適應(yīng)腸道菌群變化，有效避免由腸道菌群紊亂所致的炎癥反應(yīng)的發(fā)生[10]。而當(dāng)腸道屏障的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力無法維持菌群與宿主之間的協(xié)調(diào)穩(wěn)態(tài)時，機(jī)體健康即受到顯著影響。因此，菌群失衡是影響腸道屏障功能的重要因素之一。Ploger等觀察炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）患者的腸道菌群發(fā)現(xiàn)，與健康成年人相比，患者腸道內(nèi)黏附侵襲性大腸桿菌比例顯著增加，而腸道產(chǎn)丁酸菌比例顯著下降[11]。丁酸是維持并促進(jìn)腸道緊密結(jié)合蛋白穩(wěn)定及表達(dá)的無機(jī)小分子[1]，腸道產(chǎn)丁酸菌比例的降低大大增加了患者發(fā)生“腸漏”的風(fēng)險。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，患者腸上皮細(xì)胞存在不同程度的皺縮、細(xì)胞間隙增大、炎性細(xì)胞浸潤及腸道滲透性增加等病理特征。且上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)變異及肥大細(xì)胞活化程度與患者腹痛、腹瀉癥狀呈顯著正相關(guān)[12]。而患者在服用益生菌干預(yù)1 周后，其腸道滲透性及胃腸道癥狀均明顯改善[11]。除消化道疾病外，研究發(fā)現(xiàn)，腸道屏障功能變化同樣能夠影響機(jī)體糖、脂代謝穩(wěn)態(tài)[13]。腸道滲透性增加使腸腔內(nèi)脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）及腸道致病菌有機(jī)會進(jìn)入循環(huán)血，高內(nèi)毒素血癥可促進(jìn)機(jī)體釋放大量炎性因子，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生局部或全身慢性低炎癥反應(yīng)[14]。LPS作為革蘭氏陰性菌外膜的糖脂，菌群組分的變化可直接影響腸腔內(nèi)LPS含量。動物實驗發(fā)現(xiàn)，給予正常飲食小鼠連續(xù)灌胃LPS 4周后，小鼠血清炎癥因子水平較對照組明顯增加，且出現(xiàn)胰島素抵抗及脂肪肝等類似肥胖小鼠的代謝表型[15]。在離體實驗中，使用LPS干預(yù)腸上皮細(xì)胞12小時后，細(xì)胞滲透性明顯增加，且occludin 和ZO-1 兩種緊密結(jié)合蛋白的mRNA表達(dá)水平顯著降低[16]。有證據(jù)表明，LPS與高表達(dá)于腸道的Toll 樣受體4 （toll-like receptor 4，TLR4）的結(jié)合是影響腸道緊密結(jié)合蛋白表達(dá)的重要因素之一。Spruss等對TLRs全基因敲除小鼠進(jìn)行長期高糖飲食干預(yù)，其糖、脂代謝指標(biāo)較對照組無明顯差異，提示TLRs 及LPS水平變化是菌群結(jié)構(gòu)影響腸道屏障功能的重要因素[17]。類似的研究發(fā)現(xiàn)，ob/ob及db/db小鼠與野生鼠相比，即便在相同飲食干預(yù)下，其腸道菌群組分與對照組相比仍存在明顯差異，且小鼠腸道滲透性及血清LPS 含量較對照組小鼠明顯增加[18]。以灌胃方式給予小鼠抗生素或益生菌后，小鼠腸道緊密結(jié)合蛋白基因和蛋白表達(dá)水平、血清炎癥反應(yīng)及代謝綜合征均得到顯著改善[19]。這些研究結(jié)果提示腸道菌群穩(wěn)態(tài)與腸道屏障功能間存在密切聯(lián)系，菌群穩(wěn)態(tài)和腸道屏障功能的完整性是維持機(jī)體健康的重要保障。

3 運動對菌群穩(wěn)態(tài)及腸道屏障功能的影響

腸道菌群穩(wěn)態(tài)是影響腸道屏障功能的主要因素之一[20]。運動作為預(yù)防和治療多種慢病的重要手段，對腸道菌群穩(wěn)態(tài)同樣具有顯著作用。多項研究表明，長期有氧運動可顯著增加腸道菌群豐度，優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)，提高腸道益生菌比例[21]。Clark 等發(fā)現(xiàn)，長期運動訓(xùn)練可顯著增加橄欖球運動員腸腔中Akkermansia 菌屬的比例[22]。Akkermansia菌可通過促進(jìn)腸道緊密結(jié)合蛋白的表達(dá)、增加腸道抗炎Treg細(xì)胞數(shù)量、增厚腸道黏液層改善腸道屏障功能[23]。動物實驗發(fā)現(xiàn)，長期跑臺或跑輪訓(xùn)練均可顯著增加小鼠和大鼠腸道中雙歧桿菌和乳酸菌比例，二者在降低血清LPS含量，促進(jìn)腸道緊密結(jié)合蛋白表達(dá)，改善腸道屏障功能中發(fā)揮重要作用[24-25]。此外，有研究表明，長期有氧運動可顯著增加機(jī)體腸道產(chǎn)丁酸菌比例（Lachnospiraceae 及Faecalibacterium菌門等）[26]。丁酸作為腸道菌群發(fā)酵纖維素類物質(zhì)產(chǎn)生的無機(jī)小分子，丁酸在調(diào)節(jié)腸黏膜細(xì)胞增殖、分化，促進(jìn)腸道緊密結(jié)合蛋白基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用[27]。因此，腸道丁酸的含量增加可能是運動調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)、改善腸道屏障功能的另一重要因素。

除菌群因素外，有證據(jù)表明，運動對腸道屏障功能的影響亦受運動形式及運動強(qiáng)度的影響[28]。長時間耐力運動及高強(qiáng)度運動均可導(dǎo)致腸道屏障功能受損，其中機(jī)制可能與機(jī)體血液重新分布有關(guān)。運動過程中，血液主要集中于心臟和骨骼肌，腸道短時間出現(xiàn)缺血、缺氧等癥狀，且隨著運動強(qiáng)度加大，持續(xù)時間延長，機(jī)體血液重新分布現(xiàn)象越明顯。而腸系膜缺血、缺氧及缺血再灌注所致的腸道pH 值降低是誘導(dǎo)腸道發(fā)生氧化應(yīng)激及代謝異常的主要原因。高強(qiáng)度運動所致的過量氮、氧化物的產(chǎn)生加劇了腸道生物分子的氧化損傷，導(dǎo)致腸道緊密結(jié)合蛋白及腸上皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能受損，造成“腸漏”[29]。此外，劇烈運動過程中，體內(nèi)核心溫度持續(xù)性增加，而長時間體溫過熱（>40℃）亦可造成腸上皮細(xì)胞受損，導(dǎo)致細(xì)胞脫落、腸絨毛收縮、水腫或出血等[26]。動物實驗發(fā)現(xiàn)，賽狗比賽中，持續(xù)的劇烈運動可造成狗腸道滲透性增加，并伴有胃粘膜潰瘍和糜爛現(xiàn)象的發(fā)生（賽前潰瘍面積0%，賽后61%）[30]。人體試驗中，臨床常用尿液中乳果糖/鼠李糖（lactulose/rhamnose，L/R）的比值作為機(jī)體腸滲透性變化的指標(biāo)[31]。Pals 等分別對比了在40%、60%、80% 最大攝氧量強(qiáng)度下進(jìn)行單次跑臺訓(xùn)練的健康受試者訓(xùn)練1小時后尿液中L/R的比值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅在80% 最大攝氧量強(qiáng)度下運動，受試者腸道滲透性才明顯增加[32]，提示運動強(qiáng)度是影響腸道屏障功能變化的重要因素?？紤]到腸道屏障對不同運動強(qiáng)度的適應(yīng)性不同，“運動破壞腸道屏障功能”的結(jié)論似乎與之相悖。近些年來，有研究表明，長期（數(shù)周或數(shù)月）有氧運動可增強(qiáng)機(jī)體對運動的適應(yīng)能力，腸道屏障功能可在長期運動干預(yù)下得到明顯改善[28]。動物實驗發(fā)現(xiàn)，12 周高脂飲食可導(dǎo)致小鼠腸絨毛基底部明顯增寬，其機(jī)制可能與腸道炎性細(xì)胞浸潤及脂肪細(xì)胞增多有關(guān)，而高脂飲食結(jié)合跑輪運動組小鼠腸絨毛形態(tài)及腸道炎癥細(xì)胞浸潤比例明顯改善[33]。Kang 等的研究也表明，長期跑輪運動干預(yù)可顯著增加小鼠腸道淋巴細(xì)胞中抗氧化酶、抗炎因子及抗凋亡蛋白的表達(dá)，血清炎癥因子水平降低。提示長期有氧運動在維持腸絨毛形態(tài)、改善腸道免疫反應(yīng)方面發(fā)揮積極作用[34]。此外，人體試驗發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗患者在進(jìn)行適度有氧運動訓(xùn)練（40～60 分鐘，60% 最大攝氧量強(qiáng)度自行車運動）2 周后，其血清中LPS 及TNF-α水平明顯降低[35]。與此相似，2型糖尿病患者在進(jìn)行每周90 分鐘、持續(xù)6 個月的混合運動訓(xùn)練（有氧運動+抗阻運動+自主運動）干預(yù)下，其腸道滲透性得到明顯改善[36]。有研究指出，長期有氧運動對機(jī)體腸道屏障功能的積極影響與機(jī)體腸道菌群結(jié)構(gòu)的改善，血清炎癥水平的降低及腸道ROS水平耐受等因素有關(guān)[28]。但由于目前相關(guān)研究較少，相關(guān)動物模型及其潛在機(jī)制還需進(jìn)一步驗證。

4 結(jié)論及展望

研究表明，多種腸內(nèi)及腸外疾病的發(fā)生發(fā)展均與腸道屏障功能受損、腸滲透性增加有關(guān)。腸道菌群與腸上皮細(xì)胞間的相互作用是影響腸道屏障功能的核心，有氧運動干預(yù)可有效改善小鼠腸道屏障功能及能量代謝穩(wěn)態(tài)。運動作為防治多種慢病的有效干預(yù)手段，同樣也是調(diào)節(jié)腸道菌群、改善腸道菌群結(jié)構(gòu)的重要因素之一，然而不同運動形式及運動強(qiáng)度對腸道屏障功能影響的顯著差異，其中機(jī)制尚不完全明確。深入探究運動干預(yù)對腸道屏障功能的影響可為運動療法改善機(jī)體能量代謝的臨床應(yīng)用提供新的理論依據(jù)。