腸屏障功能障礙發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

雷泓，宋云林

(1.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)中心，烏魯木齊 830054; 2.新疆克拉瑪依市中心醫(yī)院麻醉科，新疆 克拉瑪依 834000)

腸道作為人體重要的消化器官，是抵御非特異性感染的第一道防線，它具有強(qiáng)大的內(nèi)分泌和免疫防御作用；其次，腸腔內(nèi)有大量的細(xì)菌和毒素，因此腸道對(duì)于人體還是一個(gè)潛在的感染源。生理?xiàng)l件下，腸道在保證消化吸收營養(yǎng)物質(zhì)、交換水和電解質(zhì)等基本功能的同時(shí)還可以阻止有害微生物及其代謝產(chǎn)生的毒素等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移到組織器官中，從而維持內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡[1]。腸屏障功能障礙是指由于各種原因?qū)е履c道內(nèi)微生物區(qū)系失調(diào)、腸道通透性改變以及腸黏膜結(jié)構(gòu)的損傷，從而引起細(xì)菌和有毒產(chǎn)物易位進(jìn)入血液循環(huán)引起全身炎癥。很多疾病過程中均會(huì)伴隨或?qū)е履c屏障功能障礙，如顱腦損傷[2]、應(yīng)激[3]、燒傷[4]、炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)[5]、多發(fā)性硬化癥[6]、慢性腎臟病[7]、精神分裂癥自閉癥等[8]。在臨床上，尤其是危重患者，往往均存在腸道屏障功能障礙，且與患者的預(yù)后和轉(zhuǎn)歸相關(guān)。因此，臨床醫(yī)師應(yīng)深入認(rèn)識(shí)腸道屏障功能障礙發(fā)生的機(jī)制，以便進(jìn)行早期預(yù)防和積極診治。雖然目前已有許多研究明確了引發(fā)腸屏障功能障礙的危險(xiǎn)因素，但其發(fā)生機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，仍需進(jìn)一步深入研究?，F(xiàn)就腸屏障功能障礙發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展予以綜述，以為臨床腸屏障功能障礙的診治提供新思路。

1 腸屏障的組成及功能

1.1機(jī)械屏障 腸上皮細(xì)胞是構(gòu)成腸屏障的基本框架，也是腸道與內(nèi)環(huán)境之間的物理屏障。腸上皮細(xì)胞在胃腸道內(nèi)排列成厚約20 μm的單層柱狀層，形成人體最大和最多樣化的黏膜表面；腸上皮細(xì)胞是一種特殊的極化細(xì)胞，其形成的動(dòng)態(tài)機(jī)械屏障將位于其下方的淋巴組織與腸腔分開。腸上皮細(xì)胞每隔4～5天就會(huì)不斷地由位于腸道隱窩基底部的腸道干細(xì)胞增殖補(bǔ)充[9]。

腸上皮細(xì)胞之間不是密閉的，而是存在縫隙，縫隙間被緊密連接填充。閉鎖小帶蛋白1和連接黏附分子、claudins、occludin、tricellulin四類跨膜蛋白共同組成緊密連接，其構(gòu)成了防止腸道內(nèi)細(xì)菌和毒素發(fā)生轉(zhuǎn)移的重要屏障。緊密連接具有選擇滲漏性和動(dòng)態(tài)變化性，可以限制離子的隨意擴(kuò)散及腸腔內(nèi)細(xì)菌和毒素從頂端向基底側(cè)膜區(qū)的移位[10]。緊密連接受鈣黏蛋白、磷脂酶C、蛋白激酶A、酪氨酸激酶、促分裂原活化的蛋白激酶和肌球蛋白輕鏈激酶等多種蛋白的調(diào)節(jié)，其中肌球蛋白輕鏈激酶起關(guān)鍵作用。

1.2化學(xué)屏障 腸黏膜化學(xué)屏障也叫黏液層，是指腸道細(xì)菌駐留產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)及胃酸、膽汁、消化酶、溶菌酶、黏蛋白(mucoprotein，MUC)等能抑制細(xì)菌黏附和定植的化學(xué)物質(zhì)的總稱。其能使腸腔內(nèi)細(xì)菌與腸上皮細(xì)胞分離，同時(shí)允許營養(yǎng)成分吸收。黏液層主要由MUC骨架和復(fù)雜的O-連接低聚糖修飾而成，它可以限制胃腸道組織與微生物區(qū)系的接觸，并潤滑腔內(nèi)容物，以防止胃腸道組織被降解。隨著杯狀細(xì)胞的不斷分泌，這些糖蛋白聚集體水合并膨脹，形成網(wǎng)狀凝膠。小腸只有一層黏液層，而結(jié)腸黏液層有三層，最外層的黏液層密度和黏性最小。內(nèi)層黏液層是糖萼，其中MUC附著在細(xì)胞膜上；中間層主要由MUC2組成；外層是由內(nèi)層蛋白水解和置換而形成[11]。

MUC是一種高度O-糖基化的蛋白質(zhì)，在腸上皮表面形成聚合網(wǎng)絡(luò)。它們可分為兩組：由杯狀細(xì)胞產(chǎn)生的分泌型、凝膠型MUC(MUC2、5AC、5B和6)和膜相關(guān)的MUC(MUC1、3、4、13和17)，均由頂膜的杯狀細(xì)胞和吸收細(xì)胞分泌[12]。MUC2是黏液的主要成分，也是產(chǎn)生有效黏液層的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，MUC2基因敲除小鼠自發(fā)結(jié)腸炎，對(duì)腸道病原體的抵抗力降低[13]。此外，也有學(xué)者認(rèn)為黏液層分為內(nèi)外兩層，腸道共生微生物群通常局限于由MUC2的蛋白水解和糖苷降解形成的外部“松散”黏液層內(nèi)，而內(nèi)部“黏附”黏液層基本沒有微生物定植[12]。

1.3生物屏障 微生物群自然定居在人體與外界環(huán)境相互作用的每一個(gè)表面，如皮膚、泌尿生殖道、胃腸道和呼吸道，其中胃腸道是所有器官中定植最嚴(yán)重的器官。人的胃腸道中有1 000多種細(xì)菌，這些微生物在人出生后就定植于腸道中，并長期與機(jī)體形成互惠共利的平衡關(guān)系。微生物群被認(rèn)為是一種宿主屏障元件，它與腸道上皮細(xì)胞以及基本的免疫和神經(jīng)系統(tǒng)密切相互作用，包括細(xì)菌-腸-腦軸[14]。同時(shí)，腸道微生物群還可以產(chǎn)生活性代謝產(chǎn)物，如三甲胺-N-氧化物、短鏈脂肪酸和膽汁酸，這些均可以擾亂宿主正常的生理狀態(tài)[15]。

1.4免疫屏障 腸道相關(guān)淋巴組織是腸屏障的重要組成部分，分布于啟動(dòng)免疫反應(yīng)的淋巴結(jié)構(gòu)(主要為淋巴濾泡、Peyer氏斑和腸系膜淋巴結(jié))及散布于腸黏膜上皮和固有層的效應(yīng)細(xì)胞[16]。來自腸神經(jīng)元的神經(jīng)介質(zhì)通過直接刺激腸上皮細(xì)胞或通過腸膠質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞的中間作用來調(diào)節(jié)腸上皮屏障的完整性。腸道相關(guān)淋巴組織處于腸黏膜表面的關(guān)鍵部位，發(fā)揮著監(jiān)視、非特異性免疫和特異性免疫的作用。其中，非特異性免疫是抵御腸道黏膜中潛在有害物質(zhì)的第一道免疫防線，其特點(diǎn)為缺乏免疫記憶，主要參與成分為腸上皮細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和帕內(nèi)特細(xì)胞，以及上皮下中性粒細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、嗜酸粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞。這些免疫細(xì)胞對(duì)宿主防御至關(guān)重要，也是免疫介導(dǎo)的腸道疾病的主要驅(qū)動(dòng)力[17]。

2 腸屏障功能障礙發(fā)生的機(jī)制

腸屏障功能障礙發(fā)生的機(jī)制目前尚未完全清楚。許多因素均參與了腸屏障功能障礙發(fā)生發(fā)展的過程，如神經(jīng)內(nèi)分泌介質(zhì)[18]、缺血再灌注[19]、氧自由基[20]、炎癥因子[21]、腸上皮細(xì)胞自噬[22]以及遺傳因素[23]等。

2.1缺血再灌注損傷 缺血再灌注損傷是指組織缺血一段時(shí)間重新恢復(fù)灌注后，組織的功能代謝障礙和結(jié)構(gòu)破壞不僅不會(huì)減輕，反而會(huì)迅速加劇，甚至發(fā)生不可逆性損傷的現(xiàn)象。各種原因引起的全身血容量不足，會(huì)使機(jī)體組織器官缺氧。在燒傷、失血性休克所致的腸屏障功能障礙中，缺血缺氧是主導(dǎo)因素。缺血再灌注損傷會(huì)引起腸道通透性增加以及腸道內(nèi)細(xì)菌易位，從而導(dǎo)致腸屏障功能障礙。此外，腸缺血再灌注損傷過程會(huì)釋放大量的炎癥介質(zhì)和細(xì)胞因子入血，導(dǎo)致多器官功能衰竭，甚至引起患者死亡[24-25]。Gharishvandi等[26]研究表明，5-羥色胺、降鈣素基因相關(guān)肽、氧化應(yīng)激因子和促炎細(xì)胞因子在缺血再灌注引起的腸損傷中可能發(fā)揮作用。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，主要參與調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)外界刺激的反應(yīng)，在生命活動(dòng)中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[27-28]。大鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，在缺血再灌注損傷過程中，NF-κB途徑中相關(guān)蛋白會(huì)有不同程度的變化，從而增強(qiáng)局部組織對(duì)損傷的抵抗力，形成機(jī)體對(duì)外界的保護(hù)性反應(yīng)機(jī)制[29]。同樣在大鼠體內(nèi)，有研究表明丙泊酚可能通過調(diào)節(jié)NF-κB途徑來實(shí)現(xiàn)對(duì)腸缺血再灌注損傷的保護(hù)作用[30]。

2.2氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是由于細(xì)胞和組織中活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生和積累，以及生物系統(tǒng)對(duì)這些ROS的解毒能力之間的不平衡(即氧化劑的產(chǎn)生與抗氧化劑之間的失衡)而引起細(xì)胞和組織損傷的一種現(xiàn)象[31]。腸道作為人體面積最大的消化器官，擁有豐富的血管，其新陳代謝非?；钴S，因此也極易受到氧化應(yīng)激的影響。

ROS包括羥自由基、超氧陰離子自由基、過氧化氫以及單線態(tài)氧，線粒體代謝是ROS的一個(gè)重要來源。蛋白質(zhì)磷酸化、轉(zhuǎn)錄因子的激活、細(xì)胞凋亡、免疫反應(yīng)和組織分化等過程均依賴于細(xì)胞內(nèi)適當(dāng)ROS的產(chǎn)生和存在，但是需要保持在較低的水平[32]。當(dāng)ROS產(chǎn)量增加時(shí)，它們會(huì)對(duì)重要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)(如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸)產(chǎn)生有害影響[33]。在腸屏障損傷過程中，氧化應(yīng)激主要通過破壞腸上皮細(xì)胞間緊密連接復(fù)合體而影響腸屏障功能。氧化應(yīng)激反應(yīng)中，過量ROS的產(chǎn)生和積累會(huì)刺激炎癥因子釋放并激活多種信號(hào)通路，促進(jìn)炎癥反應(yīng)，進(jìn)而引起腸黏膜屏障功能的損害。核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2作為一種重要的細(xì)胞保護(hù)性轉(zhuǎn)錄因子，是抗氧化防御反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子，它可以促進(jìn)多種抗氧化酶(如谷胱甘肽和過氧化氫酶)的轉(zhuǎn)錄，降解與氧化應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)的基因[34]。

2.3腸道微生物群失調(diào) 腸道是人體內(nèi)最大的消化器官之一，寄居著大量微生物，包括細(xì)菌、真菌、病毒、原生生物等，其中細(xì)菌的數(shù)量最多，也是維持腸道環(huán)境動(dòng)態(tài)平衡的主要微生物[35]。腸道微生物群不是共生菌和病原體的靜態(tài)組合，而是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的生態(tài)體系，它能夠迅速適應(yīng)環(huán)境變化，如新的飲食、藥物或病理生理狀態(tài)。正常的微生物菌群能夠保護(hù)宿主免受病原微生物的侵襲，為腸道細(xì)胞提供營養(yǎng)，促進(jìn)機(jī)體能量代謝，維持微量營養(yǎng)素的穩(wěn)態(tài)。腸道微生物群在塑造免疫系統(tǒng)和維持免疫動(dòng)態(tài)平衡方面起重要作用，而3種主要細(xì)菌代謝產(chǎn)物(短鏈脂肪酸、膽汁酸和色氨酸代謝物)在維持腸上皮完整性中起重要作用[36]，其中短鏈脂肪酸不僅是宿主的能源，也是腸上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞生理功能的調(diào)節(jié)器，而丁酸可以作為燃料和細(xì)胞周期誘導(dǎo)劑促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的增殖，且具有抗炎和抗氧化的潛力。微生物群種的改變或移位會(huì)使免疫和代謝穩(wěn)態(tài)改變，從而引起腸道功能受損。

腸道菌群中信號(hào)分子的變化可能也是菌群失調(diào)導(dǎo)致腸道疾病的一個(gè)機(jī)制。定植于腸道的微生物區(qū)系與組成適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的派爾集合淋巴結(jié)相互作用，在免疫防御啟動(dòng)方面起重要作用[37]。節(jié)段性絲狀細(xì)菌是小鼠或大鼠腸道內(nèi)的眾多共生細(xì)菌之一，大部分附著在回腸內(nèi)皮細(xì)胞上，它可以誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生血清淀粉樣蛋白A，后者有強(qiáng)烈促進(jìn)固有層中輔助性T細(xì)胞17(helper T cell 17，Th17細(xì)胞)分化的作用[38-39]，而Th17細(xì)胞分泌的白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-17可以誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞分泌抗菌肽和再生胰島衍生蛋白3γ，有助于抵抗腸道細(xì)菌感染[40]。

2.4免疫失調(diào) 腸道的非特異性免疫反應(yīng)由附著在腸上皮細(xì)胞、肥大細(xì)胞表面的模式識(shí)別受體觸發(fā)。模式識(shí)別受體可以識(shí)別微生物表面的病原體相關(guān)分子模式，從而誘導(dǎo)炎性病灶定位感染，防止病原體的系統(tǒng)性傳播。模式識(shí)別受體激活NF-κB信號(hào)通路，觸發(fā)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，釋放多種炎癥因子，引起腸道的持續(xù)性損傷，進(jìn)而導(dǎo)致腸道炎癥性疾病的發(fā)生。同時(shí)，模式識(shí)別受體也被證明參與上皮細(xì)胞增殖、緊密連接的維持和免疫球蛋白的產(chǎn)生[41-42]。免疫細(xì)胞通過IL-23/IL-23受體途徑產(chǎn)生細(xì)胞因子IL-22，促進(jìn)上皮細(xì)胞表達(dá)抗菌肽[43]。有研究表明，IL-22的缺乏會(huì)導(dǎo)致結(jié)腸微生物區(qū)系組成的改變，從而導(dǎo)致對(duì)葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的高度易感性[44]。

腸道的免疫調(diào)節(jié)與微生物區(qū)系密切相關(guān)，腸道微生物區(qū)系很大程度上影響了宿主免疫系統(tǒng)的表型和功能，如無菌小鼠存在許多免疫缺陷，包括T細(xì)胞分化和T細(xì)胞在腸道積聚受損[45-47]，免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)A和抗菌肽的產(chǎn)生分泌均減少，全身性IgE水平升高[48-49]。然而，這種免疫缺陷可以通過給予來自小鼠和人類捐贈(zèng)者的糞便微生物區(qū)系，或它們衍生的細(xì)菌菌株而逆轉(zhuǎn)。目前，已有研究者以腸道微生物區(qū)系與免疫功能之間的相互關(guān)系為靶點(diǎn)，開發(fā)新的制劑以便有針對(duì)性地塑造免疫功能。

谷氨酰胺作為腸黏膜細(xì)胞的唯一能源物質(zhì)，在腸黏膜細(xì)胞的增殖、免疫細(xì)胞的分化以及調(diào)控免疫應(yīng)答等方面均發(fā)揮重要作用[50]。有研究表明，老年重癥胰腺炎患者使用谷氨酰胺作為腸內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)其腸道菌群有一定調(diào)節(jié)作用,可較好地抑制菌群繁殖，從而改善腸黏膜屏障功能[51]。

2.5自噬 自噬是由溶酶體介導(dǎo)的細(xì)胞降解過程，組織分化、創(chuàng)傷、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等應(yīng)激條件均可誘發(fā)自噬，自噬對(duì)于細(xì)胞的生長、發(fā)育和維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)均必不可少。近年有學(xué)者提出了一種新的細(xì)胞死亡類型，即“無約束自噬細(xì)胞死亡”，這意味著無約束自噬會(huì)引起細(xì)胞死亡，從而對(duì)機(jī)體產(chǎn)生負(fù)面影響[52]。許多復(fù)雜的機(jī)制均參與調(diào)控自噬的啟動(dòng)及終結(jié)，哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)作為細(xì)胞生命活動(dòng)的重要調(diào)節(jié)因子，在細(xì)胞自噬的開啟中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在某些應(yīng)激源的作用下，mTOR失活，會(huì)導(dǎo)致自噬小體的生物發(fā)生和自噬的啟動(dòng)[53]。腸缺血再灌注后，腸黏膜自噬明顯增強(qiáng)，而抑制自噬可通過激活mTOR信號(hào)通路減輕缺血再灌注引起的腸損傷[54]。

自噬可以通過抑制促炎復(fù)合物或增強(qiáng)受損細(xì)胞器的清除來保護(hù)腸上皮細(xì)胞免受過度的炎癥刺激[55-56]。由于自噬在細(xì)胞和組織的動(dòng)態(tài)平衡中起重要作用，因此其是一種有益的生命過程。自噬受損在腸黏膜的每種細(xì)胞類型中具有不同的表型效應(yīng)，如可以增強(qiáng)ROS的產(chǎn)生、激活炎癥小體、增強(qiáng)Th17細(xì)胞反應(yīng)和促進(jìn)IL-1β的產(chǎn)生等[57]。帕內(nèi)特細(xì)胞很容易受到自噬受損的影響，研究發(fā)現(xiàn)，缺失自噬相關(guān)基因(autophagy related gene，ATG)4B小鼠的腸道帕內(nèi)特細(xì)胞的免疫分泌功能會(huì)受到抑制[58]。此外，在葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的ATG缺失的小鼠結(jié)腸炎模型中，杯狀細(xì)胞的丟失明顯，說明自噬參與調(diào)節(jié)杯狀細(xì)胞[59]。

截至目前，已有30多個(gè)ATGs在哺乳動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)，其中ATG16L1在腸上皮細(xì)胞的動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮重要作用[23]；同樣，IBD的易感基因也包括ATG16L1。

2.6遺傳及環(huán)境因素 眾所周知，在基礎(chǔ)病變的基礎(chǔ)上，IBD也會(huì)引起腸黏膜屏障功能障礙。IBD的病因復(fù)雜，但有證據(jù)表明免疫因素、遺傳和環(huán)境因素共同促進(jìn)了IBD的發(fā)生發(fā)展[24]。全基因組關(guān)聯(lián)研究普遍用于鑒定與IBD相關(guān)的基因變異，到目前為止已經(jīng)確定了230多個(gè)與IBD相關(guān)的位點(diǎn)，且最新進(jìn)展已經(jīng)確定了罕見的致病基因變異。這些致病基因變異會(huì)導(dǎo)致機(jī)體表現(xiàn)出IBD樣的腸炎，但也只是解釋了IBD遺傳性的少部分原因[60]。其中，破壞帕內(nèi)特細(xì)胞功能的基因多態(tài)性被認(rèn)為在潰瘍性結(jié)腸炎的發(fā)生中起關(guān)鍵作用[61-62]。與IBD發(fā)生發(fā)展相關(guān)的環(huán)境危險(xiǎn)因素包括污染、藥物、受教育程度、精神心理因素、飲食等。研究顯示，IBD的發(fā)生和發(fā)展與遺傳和環(huán)境因素密切相關(guān)；多因素Logistic回歸分析顯示，在IBD的發(fā)生過程中，有遺傳家族史、長期攝入牛奶、生活工作壓力大、精神高度緊張、腸道感染性疾病患者IBD的發(fā)病率較高[63]。其中，精神壓力對(duì)IBD發(fā)病產(chǎn)生的影響，可能與機(jī)體的神經(jīng)調(diào)節(jié)有關(guān)。目前研究已經(jīng)明確吸煙對(duì)腸道微生物區(qū)系、腸道免疫活性和基因轉(zhuǎn)錄的普遍影響。

3 小 結(jié)

腸屏障功能障礙并非獨(dú)立存在的癥狀，它是其他疾病的伴隨癥狀或誘因。在危重癥患者中，腸屏障功能障礙若不及時(shí)干預(yù)，可能會(huì)加重原發(fā)疾病甚至引起多器官功能障礙綜合征，從而危及患者生命。對(duì)于腸屏障功能障礙，臨床工作中不僅要考慮原發(fā)疾病的影響，更要結(jié)合腸道自身的病理生理情況。在腸屏障受損過程中，其功能障礙發(fā)生的病理機(jī)制復(fù)雜，而且各種機(jī)制往往相互交錯(cuò)且相互影響。因此，臨床診治腸屏障功能障礙時(shí)，應(yīng)全面分析，有針對(duì)性地進(jìn)行診療。對(duì)于腸屏障功能障礙的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，未來需開展更多分子層面的研究，以減少其對(duì)危重癥患者帶來的不良后果。