IL-22和腸道干細(xì)胞在腸黏膜屏障中的作用

黃 丹 陸倫根 周 慧

腸道在調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收和保護(hù)宿主免受環(huán)境影響方面起著關(guān)鍵作用。腸上皮細(xì)胞的更新速度較快(3～5 d)，這依賴于腸道干細(xì)胞自我更新并分化為各類腸上皮細(xì)胞，從而維持腸道穩(wěn)態(tài)[1]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)IL-22在促進(jìn)組織再生、黏膜愈合、維持腸黏膜屏障方面起著重要作用，其對(duì)腸上皮細(xì)胞也有一定的損傷作用。本文就近年來(lái)IL-22和腸道干細(xì)胞在腸黏膜屏障中作用的相關(guān)研究進(jìn)展作一綜述。

1 腸黏膜屏障

腸上皮細(xì)胞不僅發(fā)揮著消化、吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的作用，還能抵御外界有害因素對(duì)機(jī)體的損傷，構(gòu)成重要的腸黏膜屏障。腸上皮細(xì)胞主要由吸收性腸上皮細(xì)胞、產(chǎn)生黏液的杯狀細(xì)胞和分泌激素的內(nèi)分泌細(xì)胞組成，在小腸中還包括分泌抗菌肽的潘氏細(xì)胞。腸上皮細(xì)胞之間的連接包括緊密連接(TJ)、黏附連接和橋粒連接。此外，腸腔表面還覆蓋著由黏液組成的保護(hù)層，主要是由杯狀細(xì)胞分泌的黏蛋白MUC2。在黏液內(nèi)層含有大量能有效對(duì)抗多種微生物的抗菌肽。潘氏細(xì)胞是腸黏膜固有免疫的重要組成部分，其可分泌抗菌肽，發(fā)揮保護(hù)腸上皮細(xì)胞的作用，還參與了腸道干細(xì)胞功能的維護(hù)[2]。潘氏細(xì)胞功能障礙可導(dǎo)致細(xì)菌從腸腔向循環(huán)系統(tǒng)移位，從而引發(fā)敗血癥或多器官功能障礙。

腸黏膜損傷是包括移植物抗宿主病(GVHD)和消化道黏膜炎等多種疾病模型發(fā)展的早期改變，也是炎癥性腸病(IBD)患者腸道細(xì)菌移位的重要驅(qū)動(dòng)因素。腸黏膜屏障功能受損時(shí)，可引起腸道細(xì)菌移位，誘發(fā)炎性反應(yīng)，產(chǎn)生炎性因子和趨化因子，從而進(jìn)一步加重腸黏膜屏障功能損傷。

2 腸道干細(xì)胞

2.1 腸道干細(xì)胞概述

小腸上皮由隱窩和絨毛組成，隱窩由干細(xì)胞及其子代組成，絨毛由各種特化細(xì)胞組成。小腸隱窩內(nèi)存在兩類干細(xì)胞，即活性干細(xì)胞和靜止的“儲(chǔ)備”干細(xì)胞。前者為隱窩基底柱狀細(xì)胞(CBC細(xì)胞)，其標(biāo)志物為L(zhǎng)gr5，還包括Ascl2、Olfm4。Lgr5+干細(xì)胞對(duì)損傷較為敏感，其在生理狀態(tài)下活性增殖以維持腸道穩(wěn)態(tài)。“儲(chǔ)備”干細(xì)胞的標(biāo)志物是Bmi1，其能抵御損傷，可在Lgr5+干細(xì)胞受到急性損傷時(shí)被激活，能恢復(fù)上皮細(xì)胞的更新功能，促進(jìn)組織修復(fù)。

小腸干細(xì)胞處于特殊的微環(huán)境中，Wnt、Notch、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)和表皮生長(zhǎng)因子(EGF)等信號(hào)通路共同調(diào)節(jié)著小腸干細(xì)胞的自我更新、增殖和分化。Wnt通路在維持未分化干細(xì)胞狀態(tài)和促進(jìn)增殖方面具有重要作用，其過(guò)度活躍與腫瘤發(fā)生有關(guān)。Notch通路的激活可維持干細(xì)胞的多能性并促進(jìn)其增殖，還可誘導(dǎo)祖細(xì)胞向吸收性腸上皮細(xì)胞而非分泌性細(xì)胞分化。潘氏細(xì)胞通過(guò)分泌EGF、Wnt3a和Notch配體DLL4來(lái)調(diào)節(jié)干細(xì)胞的增殖、分化，參與干細(xì)胞功能的維護(hù)[2]。

2.2 腸道干細(xì)胞與腸黏膜屏障

腸上皮作為機(jī)體與外界之間的屏障，經(jīng)常受到微生物、物理和化學(xué)損傷，腸上皮細(xì)胞的增殖和更替對(duì)于維持腸黏膜結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，這依賴于腸道干細(xì)胞自我更新和分化為各類成熟的細(xì)胞來(lái)更新腸上皮，促進(jìn)黏膜再生。腸上皮更新依賴于隱窩，在隱窩基底部，少量成體干細(xì)胞定期分裂，產(chǎn)生高度增殖的前體細(xì)胞，即短暫擴(kuò)增細(xì)胞(TA細(xì)胞)，其是替換受損腸上皮的關(guān)鍵細(xì)胞。新生的TA細(xì)胞快速分裂并逐漸向上遷移，形成吸收性或分泌性細(xì)胞系。由TA細(xì)胞分化形成的潘氏細(xì)胞留在隱窩底部，而腸上皮細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和腸內(nèi)分泌細(xì)胞不斷向腸腔內(nèi)遷移，以補(bǔ)充發(fā)生凋亡并脫落進(jìn)入腸腔的細(xì)胞。

腸黏膜屏障功能破壞是IBD發(fā)病機(jī)制中的一個(gè)基本因素，黏膜愈合已成為IBD的治療目標(biāo)。Lgr5+干細(xì)胞是多能干細(xì)胞，可分化為所有類型的腸上皮細(xì)胞。因此，腸道干細(xì)胞移植可作為一種新的治療策略，以恢復(fù)重癥IBD患者的腸黏膜屏障功能。此外，干細(xì)胞移植還可用于治療多種以腸黏膜屏障功能受損為特征的胃腸道疾病，包括壞死性小腸結(jié)腸炎、非甾體抗炎藥引起的胃腸道損傷及胃十二指腸出血。

3 IL-22

3.1 IL-22概述

IL-22是IL-10家族成員。腸道產(chǎn)生IL-22的細(xì)胞包括Th17細(xì)胞、先天淋巴樣細(xì)胞(ILC)、NK細(xì)胞和中性粒細(xì)胞。ILC3是存在于小腸和結(jié)腸固有層內(nèi)的固有免疫細(xì)胞，具有維持腸道穩(wěn)態(tài)、抵御腸道病原體等功能，是IL-22的主要來(lái)源。腸上皮受損后，ILC3被激活并產(chǎn)生IL-22，從而促進(jìn)組織修復(fù)[3]。IL-22受體選擇性地表達(dá)于非造血細(xì)胞(如上皮細(xì)胞)。

IL-23、IL-6、IL-2、IL-18、IL-1β和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)等細(xì)胞因子對(duì)IL-22起著重要的調(diào)節(jié)作用[4-5]。IL-22通路的調(diào)節(jié)還可通過(guò)其天然抑制劑IL-22結(jié)合蛋白(IL-22BP)，其以高親和力結(jié)合IL-22并中和其活性。IL-22BP由樹(shù)突狀細(xì)胞(DC)、嗜酸性粒細(xì)胞和CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生[6]。

芳烴受體(AhR)是一種細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子，可促進(jìn)Th17細(xì)胞和ILC產(chǎn)生IL-22，在腸黏膜免疫中起著關(guān)鍵作用。色氨酸代謝物包括犬尿酸和吲哚衍生物，是AhR的重要配體，對(duì)于抵抗病原微生物定植和維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[2,7]。

3.2 IL-22的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和功能

在腸上皮中，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3)通路的激活介導(dǎo)了IL-22主要的下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，磷酸化的STAT3轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，激活參與細(xì)胞增殖、存活和黏膜防御的基因。STAT3活化在維持分化型腸上皮細(xì)胞和干細(xì)胞的存活中發(fā)揮著重要作用。IL-22/STAT3信號(hào)通路介導(dǎo)的生物學(xué)過(guò)程與宿主防御、腸道炎性反應(yīng)、代謝紊亂(如糖尿病、肥胖癥)和腫瘤的發(fā)生等密切相關(guān)。

IL-22是一個(gè)有爭(zhēng)議的細(xì)胞因子，其在許多組織中兼具抗炎和促炎作用，這可能取決于其所處的微環(huán)境。IL-22可以保護(hù)和促進(jìn)組織再生，在許多臨床疾病(如肝炎、胰腺炎、傷口愈合、IBD和GVHD)模型中，外源性給予IL-22具有治療作用[8-9]。臨床試驗(yàn)顯示，激活I(lǐng)L-22通路的藥物對(duì)IBD患者有益[10]。此外，IL-22也是一種有效的氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑，可恢復(fù)胰島素分泌、改善高血糖誘發(fā)的肥胖癥[11]。然而，另有研究表明，IL-22水平在許多疾病(如銀屑病、棘皮癥和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎)中均有上調(diào)，特別是在與其他細(xì)胞因子如IL-17和干擾素-γ(IFN-γ)協(xié)同作用時(shí)，可促進(jìn)這些疾病的進(jìn)展[7]。在一項(xiàng)關(guān)于特應(yīng)性皮炎(AD)的Ⅱ期臨床試驗(yàn)中，給予IL-22抗體可以起到緩解疾病的作用[12]。此外，IL-22還可能通過(guò)激活STAT3來(lái)促進(jìn)腫瘤(如結(jié)腸癌)的生長(zhǎng)[13]。

4 IL-22、干細(xì)胞與腸黏膜屏障

多項(xiàng)研究已證明IL-22在維持腸道穩(wěn)態(tài)、抵御病原微生物、保護(hù)腸黏膜屏障方面起著重要的作用。IL-22/STAT3信號(hào)通路可調(diào)控腸道干細(xì)胞再生、促進(jìn)潘氏細(xì)胞分泌抗菌肽，并可促進(jìn)杯狀細(xì)胞增殖、分泌黏蛋白，對(duì)于腸黏膜屏障功能的維護(hù)發(fā)揮了重要作用[14-16]。

目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為IL-22通過(guò)促進(jìn)腸道Lgr5+干細(xì)胞的增殖來(lái)維護(hù)腸道健康[8]。這種保護(hù)作用在腸上皮急性自限性損傷動(dòng)物模型中尤為明顯，如葡聚糖硫酸鈉(DSS)、化學(xué)治療藥物甲氨蝶呤導(dǎo)致的急性腸炎[3]。小鼠經(jīng)同種異體骨髓移植后，給予IL-22治療可促進(jìn)腸道干細(xì)胞恢復(fù)，減輕GVHD腸道病理變化，降低死亡率；在培養(yǎng)腸類器官時(shí)，向培養(yǎng)基中添加IL-22可誘導(dǎo)干細(xì)胞STAT3磷酸化，促進(jìn)干細(xì)胞增殖，這種作用是獨(dú)立于潘氏細(xì)胞及Notch、Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的[8]。

腸上皮表面的黏液層可將腸腔內(nèi)細(xì)菌與腸壁分隔開(kāi)，對(duì)腸上皮起到重要的保護(hù)作用。有研究表明，高脂飲食喂養(yǎng)會(huì)損傷腸道杯狀細(xì)胞，減少黏蛋白和黏液的分泌，進(jìn)而破壞黏液屏障，而IL-22可逆轉(zhuǎn)該變化[11]。纖維飲食可通過(guò)介導(dǎo)腸道微生物群誘導(dǎo)IL-22分泌以抵御微生物群的侵襲，并可預(yù)防高脂飲食誘發(fā)的代謝綜合征[17]。

腸道內(nèi)代謝物可影響IL-22水平，進(jìn)而影響腸黏膜屏障功能。研究表明，腸道色氨酸代謝異?？蓽p少AhR配體的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致IL-22分泌減少，腸黏膜屏障功能受損[18]。此外，乳桿菌的代謝產(chǎn)物可通過(guò)AhR刺激固有層淋巴細(xì)胞分泌IL-22，然后誘導(dǎo)STAT3磷酸化以加速腸上皮細(xì)胞的增殖[2]。IBD患者的IL-22BP水平顯著升高，可能在腸道炎性反應(yīng)中發(fā)揮了一定的致病作用[19]。因此，IL-22被認(rèn)為是理想的IBD治療靶標(biāo)[20]。

然而，IL-22對(duì)腸上皮細(xì)胞的有益作用尚存在爭(zhēng)議。有研究表明采用抗體中和IL-22的方法可減輕結(jié)腸上皮細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，從而減輕結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度[21]。此外，一些IBD的臨床前模型表明IL-22可能是疾病的致病因素[22]。IL-23是IL-22重要的上游細(xì)胞因子，在IBD的臨床研究中采用單抗中和IL-23似乎有改善疾病的作用[23]。另有研究表明，高水平的IL-22可激活STAT3通路，促進(jìn)TA細(xì)胞增殖，同時(shí)可抑制腸上皮細(xì)胞中的Wnt、Notch通路，抑制腸道類器官的細(xì)胞分化并導(dǎo)致腸道干細(xì)胞的自我更新缺陷，最終導(dǎo)致類器官死亡[14]。上述研究結(jié)果可能可以解釋盡管一部分IBD患者的IL-22分泌明顯增加，卻仍難以實(shí)現(xiàn)黏膜愈合[24]。由此可見(jiàn)，IL-22在腸上皮細(xì)胞中的作用較為復(fù)雜，對(duì)所有IBD患者均采用激活I(lǐng)L-22通路的治療方法可能并不都是有益的。

5 結(jié)語(yǔ)

腸黏膜屏障的完整性是腸道吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、抵御病原體入侵、維持黏膜免疫所必需的。腸上皮再生對(duì)于腸道穩(wěn)態(tài)的維持和腸黏膜屏障的修復(fù)至關(guān)重要，這一過(guò)程是通過(guò)腸道干細(xì)胞的持續(xù)增殖和分化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。細(xì)胞因子IL-22對(duì)腸道干細(xì)胞和腸黏膜屏障功能的作用較為復(fù)雜，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為IL-22可通過(guò)激活STAT3通路促進(jìn)腸道干細(xì)胞增殖、增強(qiáng)黏膜防御功能、維持腸黏膜屏障。然而，IL-22可引起腸上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，具有促炎作用，可誘導(dǎo)腸道干細(xì)胞凋亡，在某些情況下可能是IBD的致病因素。綜上所述，IL-22兼具促進(jìn)和抑制腸黏膜屏障修復(fù)的作用，其作為一種潛在的治療劑，可促進(jìn)黏膜愈合，這可能需要精確的調(diào)控。