膿毒癥急性胃腸損傷與腸道機械屏障

馮杰 錢亞男 王麗輝 曹玉凈 陳乾

膿毒癥是由機體對感染的反應失調所引起危及生命的多器官功能障礙綜合征(MODS),是醫(yī)學上最古老及最難捉摸的疾病之一。據(jù)一項針對全國44所醫(yī)院ICU的統(tǒng)計結果顯示,膿毒癥發(fā)病率高達20.6%、死亡率為35.5%,其中嚴重膿毒癥病死率高達50%及以上[1]。即使膿毒癥患者沒有死亡,存活患者長期生活質量也會較一般人群嚴重下降[2]。因而,膿毒癥現(xiàn)已成為一個世界范圍內亟需攻克的健康難題。胃腸道作為人體主要消化器官,含有大量“細菌庫”,其功能不僅局限于消化吸收作用,還可調節(jié)免疫炎癥反應,長期以來被認為是“MODS的發(fā)動機”[3-4],是受膿毒癥影響最早和最嚴重的器官,僅次于肺臟。據(jù)研究顯示,危重患者胃腸運動功能障礙(AGI)率高達60%,28天死亡率高達62.5%;膿毒癥所致AGI發(fā)生級別不同,死亡率也不同,患者一旦出現(xiàn)腹部不適、腹脹、嘔吐、腸鳴音消失等屬于腸源性毒素蓄積表現(xiàn),繼而會引發(fā)腸麻痹、出血,預后較差,死亡率高達65%[5]。然而,目前仍然缺乏對膿毒癥急性胃腸損傷后發(fā)生的一系列病理生理反應的認識,因而,尋找有效的膿毒癥所致AGI的治療方案是當下研究的難點,有著極為重要的臨床意義。腸道機械屏障作為腸道內第一道防線,能夠屏障腸道潛在病原菌并允許有益物質通過,是腸道中最重要的屏障之一。此外,研究發(fā)現(xiàn)機械屏障參與膿毒癥所致AGI的發(fā)生發(fā)展是后者的主要發(fā)病機制。故本文通過整理并總結相關文獻,討論機械屏障的來源、構成及與膿毒癥急性胃腸損傷之間的關系,希望能夠為今后的膿毒癥所致AGI的治療提供理論依據(jù)。

一、機械屏障的來源與組成

機械屏障位于細胞外間隙的最頂端,主要由腸黏膜上皮細胞和緊密連接兩部分組成。腸黏膜上皮細胞通過緊密連接蛋白(TJ)、粘附連接和橋粒組成連接復合體,構成基礎物理屏障,具有抵擋腸道內潛在病原體的作用。當感染或發(fā)生損傷時,可立即向黏膜內固有免疫細胞發(fā)出信號,賦予其識別“微生物非自身”的能力[6]。TJ可調節(jié)溶質和大分子物質的被動擴散,還可夠阻擋抗原、細菌毒素和病原體向腸腔內滲透,是重要的物理屏障蛋白結構。緊密連接完整與否是腸道上皮細胞受損后修復的重要先決條件。

1.腸道上皮細胞:其具有高度動態(tài)性及再生性[7]。腸道上皮單層細胞由不同類型的特化上皮細胞組成,各具有不同功能。其中吸收性腸道上皮細胞,占腸道上皮表面積的85%,主要參與腸道內營養(yǎng)消化吸收及免疫保護作用[8];杯狀細胞可分泌黏液及三葉因子:黏液是構成腸道機械屏障的關鍵組成部分,除潤滑腸道還可防止病原微生物在腸道黏膜粘附,而三葉因子具有腸黏膜組織損傷修復功能;潘氏細胞能夠分泌磷脂、帶負電荷的黏蛋白、防御素和抗菌肽:抗菌肽可殺滅病原微生物,防御素可調節(jié)腸內微生物[9];微褶細胞分泌IgA,除杯狀細胞外,其還向樹突狀細胞提供細菌抗原。這些細胞共同形成極化層,通過細胞內緊密連接、粘附連接和橋粒結構構建成為機械屏障-基礎物理屏障。腸黏膜屏障的完整性取決于腸上皮細胞增殖與凋亡的平衡,正常情況下,腸隱窩細胞和絨毛細胞會發(fā)生低水平凋亡,但在膿毒癥患者和動物模型中,腸隱窩細胞、絨毛細胞凋亡水平明顯上升,而增殖明顯減少,向隱窩/絨毛軸的遷移也因此嚴重減慢,導致腸道絨毛長度明顯縮短,固有層剝離、出血、潰瘍,進而導致腸道上皮細胞死亡;TJ結構改變,腸道通透性增加。與此同時,黏液層也會發(fā)生整體改變,如厚度減少,管腔覆蓋范圍縮小,粘附性差及小葉因子3表達減少,最終導致腸道機械屏障功能障礙[10]。腸上皮細胞凋亡可導致MODS或者膿毒癥所致AGI,研究結果顯示后者可通過嘌呤能受體、死亡受體、Toll樣受體、腫瘤壞死因子(TNF)-α途徑及線粒體途徑激活腸上皮細胞凋亡。此外,當抗凋亡原癌基因Bcl-2特異性過表達時,膿毒癥小鼠模型中腸上皮細胞凋亡水平明顯下降[11]。MicroRNA195是Bcl-2基因表達的調節(jié)因子,有助于調節(jié)促凋亡/抗凋亡的平衡,在膿毒癥小鼠體內可見其上調,從而達到抑制凋亡作用,甚至阻止膿毒癥所致AGI的MODS發(fā)展[12]。除與凋亡相關的轉導因子外,其他分子也參與了與膿毒癥相關的凋亡機制。發(fā)生膿毒癥時,細胞因子IL-15能減少腸上皮細胞的凋亡率,增強Bcl-2與干擾素(IFN)-γ表達水平及自然殺傷細胞數(shù)量[13]。肺表面活性蛋白A(SP-A)和肺表面活性蛋白D(SP-D)可由小腸、大腸上皮細胞產生,而SP-A和SP-D的缺失能夠使脂多糖(LPS)誘導的膿毒癥所致AGI大鼠模型中腸上皮細胞凋亡水平增加[14],但其相關機理還有待進一步研究。此外,膿毒癥誘導的腸上皮細胞凋亡也可通過CD4+T淋巴細胞介導[15],雖然未處理的Rag1小鼠(缺乏淋巴細胞)和野生型小鼠有相似數(shù)量的腸細胞凋亡水平,但盲腸穿刺法(CLP)誘導Rag1小鼠腸細胞凋亡水平增加5倍,遠遠超過膿毒癥誘導的腸細胞凋亡水平,同時亞組分析結果顯示抗凋亡作用為CD4+T淋巴細胞介導而非CD8+、γδ或B淋巴細胞。

2.TJ:TJ是腸上皮細胞內連接最頂端的組成部分,協(xié)助腸上皮細胞起到基礎物理屏障作用。TJ由多種跨膜蛋白和銜接蛋白構成:包括跨膜蛋白由連接粘附分子(JAM)、三纖維素、Occludin、Marvel D3及Claudin。除連接粘附分子外,跨膜蛋白質都是具有四個跨膜域的四鏈體,這些蛋白胞質溶膠中的C端結構域與各種銜接蛋白(如ZO1、ZO2、ZO3)共同構成緊密連接復合物[16]。緊密連接中跨膜蛋白與銜接蛋白相互作用,并錨定在肌動蛋白細胞骨架上,TJ和細胞骨架之間的相互作用對于TJ完整性的正常組裝和維持至關重要:Occludin參與TJ的組裝和拆卸,其膜位置受Ser、Thr和Tyr殘基磷酸化調控。TJ中可見高度磷酸化的Occludin,而胞質中可見去磷酸化的Occludin,因此該蛋白磷酸化模式的改變可能使TJ不穩(wěn)定,并增加細胞旁通透性[17]。Claudins是TJ屏障功能的主要決定因素——其是細胞旁空間離子通道的主要控制蛋白。Claudins也受特異性Ser和Thr殘基磷酸化的調控。Claudins在不同腸段間存在差異,近端腸道Claudins含量顯著高于含量較少的遠端胃腸道部分[18]。JAM是由上皮細胞、內皮細胞以及WBC和PLT表達的一個免疫球蛋白亞家族。腸道上皮細胞TJ中的JAM蛋白包括JAM-a、JAM-c、CAR、ESAM和JAM4,其均與細胞間接觸的其他蛋白發(fā)生側聯(lián),以促進功能極化TJ的組裝和形成。JAM對腸道通透性和炎癥具有調節(jié)作用。三纖維素處于相鄰細胞之間的細胞間接觸處,三纖維素可促進腸道上皮屏障的穩(wěn)定性和形成,并在不顯著損害離子通透性的情況下,特異性地封住上皮細胞片,使其不受大分子的影響。TJ的破壞和組裝受多種信號通路調節(jié),如蛋白激酶、蛋白磷酸酶和G蛋白。有研究顯示,當出現(xiàn)膿毒癥時,由于炎癥介質被大量釋放,通過蛋白激酶導致TJ的蛋白完整性受損,進而引起腸道機械屏障功能受損[19]。姜永帥等[20]的研究結果顯示出現(xiàn)膿毒癥時Occludin、Claudin-1和ZO-1的mRNA表達水平均降低,提示膿毒癥的炎癥介質會導致緊密連接損傷。Li等[21]的研究同樣發(fā)現(xiàn),通過體內體外研究發(fā)現(xiàn)CLP造模組與假手術組相比,大量炎癥介質(TNF-α、IL-6和IL-10)被釋放,腸通透性增加、腸道組織損傷明顯及腸道黏膜屏障中的緊密連接ZO-1蛋白和Claudin-1蛋白明顯降低;Oshima等[22]也指出Occludin、Claudin-1等TJ的表達改變,將引起上皮細胞分化改變與上皮細胞緊密連接功能受損,腸道通透性改變,腸道疾病隨之發(fā)生。

二、機械屏障與膿毒癥致胃腸道功能損傷

自1979年Berg和Garlington首次提出細菌/內毒素易位學說,再到1986年Meakins和Marshall提出胃腸道是MODS原動力的說法,胃腸道長期被認為是“MODS的發(fā)動機”[3]。盡管“細菌/內毒素易位學說”這一構想的提出在當時具有重大意義,但其未能完全解釋膿毒癥所致AGI的原理。細菌易位的確可增加感染并發(fā)癥的發(fā)生率,卻并不直接適用于膿毒癥患者。在20例外傷致細菌易位的重癥患者中,MODS發(fā)生率達30%,僅2%的患者門靜脈血培養(yǎng)陽性[23],可見細菌/內毒素不會直接進入體循環(huán),該研究結果在一定程度上推翻了細菌/內毒素易位學說的合理性,但因其所需條件苛刻難以進行重復實驗進一步驗證。臨床上常見危重癥患者病情進展發(fā)生急性呼吸窘迫綜合征導致肺臟先行受損,研究者們根據(jù)腸系膜淋巴液經(jīng)胸導管流入肺循環(huán),進一步誘發(fā)多器官功能障礙綜合征(MODS)假設性提出“腸道-淋巴假說”。一項動物實驗結果發(fā)現(xiàn),阻斷腸系膜淋巴液到肺部流通從而隔絕體循環(huán)后,可有效預防早期肺損傷及多臟器功能障礙綜合征;體外研究結果則發(fā)現(xiàn)將阻斷腸系膜淋巴液注射到健康動物體內能夠有效誘發(fā)全身炎癥反應,導致ARDS和MODS的發(fā)生[24-27]。但在對所獲取的腸系膜淋巴液進行分析發(fā)現(xiàn),動物的淋巴液未含內毒素或細菌DNA[28],臨床研究關于多器官衰竭患者胸導管淋巴液的分析也獲得同樣結論[29]。因此,動物的淋巴液未含內毒素或細菌DNA而是含有非炎癥和細菌因素的危險相關分子及模式識別受體。上述假說令研究者們逐漸認識到腸道黏膜屏障的重要性:腸道黏膜屏障是由機械屏障、微生物屏障、黏膜屏障及免疫屏障所構成的腸道內防御機制,相互依存,可有效維持腸道內環(huán)境穩(wěn)態(tài)。其中,機械屏障作為腸道黏膜屏障的第一道防御線,承受著巨大的抗原負荷,其與外部環(huán)境關聯(lián)十分緊密,且范圍廣泛,從而能夠確保體內腸道消化作用——營養(yǎng)消化和吸收、水和電解質運輸以及水和蛋白質分泌到腸道內腔。機械屏障還可發(fā)揮物理防御作用,防止病原體、抗原、促炎介質等潛在的有害物質從腸腔滲透到機體內環(huán)境中,同時允許有利于腸道免疫系統(tǒng)發(fā)育和免疫耐受的物質選擇性通過[30]。機械屏障還能通過黏液層中巨噬細胞、中性粒細胞、肥大細胞、內皮細胞等發(fā)揮免疫炎癥調節(jié)作用,共同協(xié)調維護機體內環(huán)境平衡。然而,一旦機體內機械屏障持續(xù)性損傷,無法及時修復將會導致免疫炎癥反應擴大,反而加重腸道黏膜屏障功能障礙,使炎癥狀態(tài)持續(xù)下去,從而加重腸道黏膜組織水腫,甚至于MODS及膿毒癥所致AGI發(fā)生。因而,機械屏障現(xiàn)今已被公認為是腸道黏膜屏障中最關鍵的結構,也是膿毒癥所致AGI治療中密切關注的治療點。

三、小結

由腸上皮細胞和TJ作為主要組成部分的的腸道機械屏障受損,是誘導膿毒癥所致 AGI發(fā)生發(fā)展的重要原因。腸道機械屏障中TJ結構穩(wěn)定與否是腸道機械屏障作為腸道內第一道防線的構成基礎,即維持TJ結構穩(wěn)定是防治膿毒癥所致AGI的有效方式。目前關于膿毒癥的研究雖較為深入,但尚未出現(xiàn)特效治療方式,關于其發(fā)病機制仍有許多未明之處,有待繼續(xù)深入研究。