基于線粒體功能及能量代謝探討潘氏細(xì)胞與腸道干細(xì)胞的交互作用及中醫(yī)藥作用的可能靶點研究進(jìn)展

羅國樑，張馨丹，唐太春，朱焰，汪淑婷，陳敏

610072 四川省成都市，成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院/臨床醫(yī)學(xué)院

19世紀(jì)70年代，腸隱窩底部發(fā)現(xiàn)了腸隱窩基底柱狀細(xì)胞（crypt-base columnar cells，CBCs），這是腸道干細(xì)胞的首次提出［1］。BARKER等發(fā)現(xiàn)CBCs高水平表達(dá)富含亮氨酸重復(fù)序列的G蛋白偶聯(lián)受體5基因（Lgr5），對表達(dá)Lgr5的CBCs的遺傳譜系追蹤表明，這些細(xì)胞在小鼠中具有長期的自我更新能力和多潛能，因而將CBCs定義為真正的腸道干細(xì)胞池［2］。在腸隱窩內(nèi)，不斷分裂的干細(xì)胞產(chǎn)生祖細(xì)胞（過渡擴(kuò)增細(xì)胞），并迅速增殖且向上移動，最終成為成熟的腸上皮細(xì)胞（腸內(nèi)分泌細(xì)胞、潘氏細(xì)胞、杯狀細(xì)胞等），干細(xì)胞持續(xù)分化維持上述細(xì)胞的更新［3］。潘氏細(xì)胞在分化后向下遷移，在隱窩底部持續(xù)存在1個月或更長時間［4］。在結(jié)構(gòu)上，潘氏細(xì)胞與腸道干細(xì)胞相間分布，其可以分泌多種抗菌類物質(zhì)（防御素、再生胰島衍生蛋白3、溶菌酶等）抵御腸道微生物的入侵［5-6］，還可產(chǎn)生多種信號因子，如表皮生長因子、Notch和Wnt配體，促進(jìn)干細(xì)胞增殖和分化［7］。腸道干細(xì)胞和潘氏細(xì)胞彼此相互協(xié)作，共同維持腸道穩(wěn)態(tài)。

越來越多的研究表明，腸道干細(xì)胞及其分化的各類細(xì)胞具有不同的能量代謝特征。潘氏細(xì)胞更傾向于較高的糖酵解，潘氏細(xì)胞中的糖酵解提供乳酸以驅(qū)動并維持腸道干細(xì)胞中線粒體氧化磷酸化的增強(qiáng)，促進(jìn)腸道干細(xì)胞的分化，抑制腸道干細(xì)胞的線粒體活性或抑制潘氏細(xì)胞的糖酵解強(qiáng)烈影響干細(xì)胞的功能［4，8-9］。因此，線粒體相關(guān)的能量代謝變化也是影響腸道干細(xì)胞與潘氏細(xì)胞之間的交互作用的通道之一。炎癥性腸?。╥nflammatory bowel diseases，IBD）目前仍無治愈方法［10］，但中醫(yī)藥對治療該病有較好的療效，同時，現(xiàn)已有較多研究驗證了中醫(yī)藥在治療上述疾病過程中對于線粒體及能量代謝調(diào)控的作用機(jī)制。本文基于線粒體功能及能量代謝探討腸道干細(xì)胞與潘氏細(xì)胞的交互作用，并探索中醫(yī)藥基于該交互作用治療炎癥性腸病的可能靶點。

本文文獻(xiàn)檢索策略： 計算機(jī)檢索PubMed、中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺等數(shù)據(jù)庫，檢索時間設(shè)定為建庫至2023年4月，中文檢索詞包括“線粒體”“能量代謝”“潘氏細(xì)胞”“腸道干細(xì)胞”“中醫(yī)藥”“炎癥性腸病”，英文檢索詞包括“Mitochondria”“Energy Metabolism”“Paneth Cells”“Intestinal Stem Cells”“Chinese medicine”“Inflammatory Bowel Diseases”。納入標(biāo)準(zhǔn)：文獻(xiàn)內(nèi)容涉及線粒體能量代謝對潘氏細(xì)胞及腸道干細(xì)胞的影響、中醫(yī)藥調(diào)控能量代謝治療IBD。排除標(biāo)準(zhǔn)：與本文主題無關(guān)聯(lián)、質(zhì)量差、無法獲得全文的文獻(xiàn)。最終納入文獻(xiàn)37篇。

1 線粒體及能量代謝調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞增殖分化并促進(jìn)腸道干細(xì)胞與潘氏細(xì)胞的交互作用

1.1 線粒體及能量代謝調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞增殖及分化

腸道干細(xì)胞的特征是具有活躍的代謝活動［11］，線粒體作為能量中心，其通過能量代謝可顯著影響腸道干細(xì)胞的增殖分化，主要通過以下途徑實現(xiàn)。

1.1.1 線粒體、糖酵解相關(guān)因素調(diào)控腸道干細(xì)胞增殖及分化：糖酵解是維持腸道干細(xì)胞自我更新的必要條件，限制糖酵解有助于使腸道干細(xì)胞分化為分泌譜系［11］。其中，線粒體丙酮酸載體（MPC）是細(xì)胞質(zhì)糖酵解和線粒體氧化磷酸化的連接點［12］。抑制MPC可減少丙酮酸進(jìn)入線粒體參與三羧酸循環(huán)，從而促進(jìn)干細(xì)胞增殖［13］。另外，己糖激酶（hexokinase，HKS）是糖酵解過程中葡萄糖不可逆轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸的關(guān)鍵酶。在腸道中，HK2是腸上皮中Wnt信號的靶基因，主要在腸道上皮細(xì)胞中表達(dá)，可增強(qiáng)糖酵解［14］。Wnt可通過調(diào)節(jié)HK2的表達(dá)調(diào)節(jié)糖酵解維持腸干細(xì)胞自我更新，HK2基因敲除可抑制糖酵解導(dǎo)致潘氏細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和腸內(nèi)分泌細(xì)胞數(shù)量增加，腸干細(xì)胞自我更新減少［11］。

1.1.2 活性氧（ROS）調(diào)控干細(xì)胞增殖分化：ROS是線粒體功能的重要調(diào)控分子，可介導(dǎo)細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，激活腺苷酸活化蛋白激酶（MAPK），引發(fā)轉(zhuǎn)錄因子E2F1依賴的細(xì)胞凋亡，促進(jìn)干細(xì)胞分化。有研究表明，干細(xì)胞靜止需要低水平的ROS，再生需要更高的ROS水平和Nox-ROS信號［15］。此外線粒體ROS可調(diào)控Notch和AKT信號通路，進(jìn)而調(diào)控干細(xì)胞分化［16］。ROS還可調(diào)節(jié)隱窩-絨毛軸上的細(xì)胞表型轉(zhuǎn)移。p38是一種對氧化還原狀態(tài)敏感并參與腸上皮細(xì)胞分化的MAP激酶，在小鼠小腸類器官中，p38在隱窩形成和分化過程中被激活，以響應(yīng)ROS信號［17］。線粒體ROS的升高促進(jìn)p38通路的激活，推動未成熟腸細(xì)胞向成熟的腸道干細(xì)胞和潘氏細(xì)胞分化［18］。

1.1.3 線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控干細(xì)胞干性：有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體未折疊蛋白反應(yīng)（MT-UPR）在調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞維持、腸上皮細(xì)胞分化和腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定中發(fā)揮了重要作用［19］。MT-UPR主要通過誘導(dǎo)伴侶蛋白和蛋白酶的表達(dá)，控制蛋白質(zhì)折疊、組裝和降解來維持線粒體蛋白穩(wěn)定［20］。MT-UPR既能調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)的質(zhì)量控制，又能對不同的信號進(jìn)行響應(yīng)，包括恢復(fù)線粒體蛋白酶，調(diào)節(jié)三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化以及促進(jìn)線粒體自噬。MT-UPR、ATP、ROS協(xié)同作用，共同調(diào)節(jié)細(xì)胞功能和可塑性，調(diào)節(jié)細(xì)胞表型的轉(zhuǎn)變。已有研究證明，HSP60伴侶蛋白缺失導(dǎo)致MT-UPR激活，線粒體功能障礙，致使隱窩完全喪失干性，HSP60缺失引發(fā)Wnt信號的旁分泌釋放，可使逃逸干細(xì)胞過度增殖，從而修復(fù)重建隱窩［19］。

1.2 線粒體通過Notch/叉頭轉(zhuǎn)錄因子O（FOXO）/線粒體軸調(diào)控潘氏細(xì)胞生成

潘氏細(xì)胞的轉(zhuǎn)化同樣受到線粒體代謝的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)在分化潘氏細(xì)胞的過程中，經(jīng)歷了代謝重排，這意味著隱窩基底柱狀細(xì)胞分化為潘氏細(xì)胞涉及線粒體依賴性下調(diào)的代謝過渡，而該過程受到Notch/FOXO/線粒體軸的調(diào)控。FOXO通過miRNA484調(diào)控線粒體分裂蛋白質(zhì)1（mitochondrial fission protein 1，F(xiàn)IS1）誘導(dǎo)線粒體分裂，同時激活p38、線粒體動力相關(guān)蛋白1（Drp1）共同作用誘導(dǎo)線粒體分裂，干細(xì)胞分化為杯狀細(xì)胞和潘氏細(xì)胞。線粒體和Notch通過FOXO信號相互連接，F(xiàn)OXO下調(diào)導(dǎo)致Notch失活，Notch抑制導(dǎo)致FOXO水平下降。腸道中，F(xiàn)OXO和Notch信號融合以調(diào)節(jié)干細(xì)胞的維持，抑制FOXO或Notch會通過線粒體分裂和下調(diào)的機(jī)制導(dǎo)致分泌細(xì)胞分化［21］。腸道干細(xì)胞及潘氏細(xì)胞相互轉(zhuǎn)化的代謝調(diào)控見圖1。

圖1 腸道干細(xì)胞及潘氏細(xì)胞相互轉(zhuǎn)化的代謝調(diào)控Figure 1 Metabolic regulation of intestinal stem cells and PAN cell interconversion

1.3 不同代謝特征實現(xiàn)腸道干細(xì)胞與潘氏細(xì)胞的交互作用

腸道干細(xì)胞與潘氏細(xì)胞具有不同的代謝特征，線粒體及能量代謝可調(diào)控兩者相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)交互。研究表明，腸道干細(xì)胞比潘氏細(xì)胞有更多的線粒體［22］，潘氏細(xì)胞的代謝物含量符合糖酵解代謝程序，而腸道干細(xì)胞的代謝物含量符合氧化代謝程序。上述區(qū)別也表現(xiàn)在線粒體形態(tài)上：Lgr5+CBCs中線粒體表現(xiàn)為融合與碎片化，潘氏細(xì)胞中線粒體表現(xiàn)為數(shù)量減少和缺乏融合結(jié)構(gòu)［23］。在Lgr5+CBCs中，分化的開始依賴于線粒體氧化磷酸化，經(jīng)過該過程，隱窩數(shù)量及潘氏細(xì)胞數(shù)量均增加［8］。潘氏細(xì)胞除了具有良好的生長因子分泌功能外，還能分泌乳酸并供給干細(xì)胞氧化代謝［24］。潘氏細(xì)胞糖酵解的最終產(chǎn)物成為干細(xì)胞線粒體氧化磷酸化的底物（圖2）?；诖?，有研究表明，Lkb1（liver kinase b1）在決定細(xì)胞命運方面也起著重要作用，作為腸道干細(xì)胞中Atoh1的抑制因子，Lkb1基因敲除的小鼠腸道干細(xì)胞表達(dá)Atoh1 mRNA的水平增加，獲得了與分泌細(xì)胞相關(guān)的基因表達(dá)特征，產(chǎn)生了更多的分泌譜系細(xì)胞。另外，Lkb1基因敲除的腸道干細(xì)胞異常表達(dá)氧化磷酸化相關(guān)基因，增加了PDK4的表達(dá)，PDK可以抑制丙酮酸脫氫酶，從而抑制氧化磷酸化和細(xì)胞呼吸，抑制分化。說明Lkb1抑制PDK4并限制Atoh-1介導(dǎo)的腸道干細(xì)胞分化為分泌細(xì)胞的可能性［25］。另一方面，一項對小鼠腸道的研究表明，熱量限制導(dǎo)致潘氏細(xì)胞抑制mTORC1信號，這反過來刺激鄰近干細(xì)胞的增殖［26］。并且潘氏細(xì)胞還通過產(chǎn)生環(huán)狀二磷酸腺苷核糖來增強(qiáng)小鼠在卡路里限制下的腸道干細(xì)胞功能［27］。

圖2 潘氏細(xì)胞為腸道干細(xì)胞提供代謝底物Figure 2 Paneth cells provide metabolic substrates for intestinal stem cells

此外，Wnt信號是調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞生態(tài)位的關(guān)鍵途徑之一，腸道干細(xì)胞的增殖與潘氏細(xì)胞的分化均受到Wnt與Notch信號的調(diào)控［28］。線粒體ATP維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)動態(tài)平衡，進(jìn)而維持Wnt信號。腸道特異性線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（TfAM）的缺失減少了線粒體的呼吸，從而減少了Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［29］，影響腸道干細(xì)胞的增殖分化。

2 基于線粒體及能量代謝過程探討中醫(yī)藥在治療潰瘍性結(jié)腸炎中可能存在的靶點

IBD包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病，其病因和發(fā)病機(jī)制仍未完全闡明［10］，但現(xiàn)有研究表明，腸道上皮屏障受損是IBD發(fā)病和復(fù)發(fā)的重要原因，線粒體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)伴隨的能量變化有助于維持腸道穩(wěn)態(tài)［30］，能量代謝障礙引起潘氏細(xì)胞與干細(xì)胞的交互作用失衡，是導(dǎo)致腸道上皮屏障受損的因素之一，而中醫(yī)藥通過干預(yù)線粒體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)節(jié)能量代謝等方式，在治療炎癥性腸病中發(fā)揮了獨特的優(yōu)勢。

2.1 中醫(yī)藥通過抑制活性氧自由基，調(diào)控炎癥小體及線粒體自噬緩解腸道炎癥

作為線粒體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介質(zhì)［30］，過量的ROS自由基可對線粒體造成損害，其功能障礙將會導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞受損，進(jìn)而造成腸道屏障功能降低、通透性增加，刺激腸道炎癥發(fā)生。另一方面，ROS可刺激活化NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域蛋白3（NLRP3）炎性小體，同時與線粒體自噬在潰瘍性結(jié)腸炎中發(fā)揮重要的作用。大量研究證實多糖、黃酮、多酚、生物堿類抗氧化中藥活性成分可以減輕ROS對細(xì)胞產(chǎn)生的氧化損傷［31］。如通過氧化苦參堿干預(yù)三硝基苯磺酸（TNBS）誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎小鼠，發(fā)現(xiàn)其結(jié)腸黏膜ROS、丙二醛（MDA）、髓過氧化物酶（MPO）含量顯著降低，增強(qiáng)結(jié)腸黏膜細(xì)胞自噬減輕氧化性損傷［32］。甘草可以下調(diào)MDA、ROS含量，促進(jìn)谷胱甘肽（GSH）、超氧化物歧化酶（SOD）的表達(dá)，減輕脂質(zhì)的過氧化損傷，從而改善潰瘍性結(jié)腸炎小鼠腸黏膜組織病變，增加小鼠結(jié)腸長度和體質(zhì)量［33］。清腸溫中方治療潰瘍性結(jié)腸炎小鼠后，潰瘍性結(jié)腸炎小鼠結(jié)腸組織抗氧化酶的含量和活性均得到提高，氧自由基、脂質(zhì)過氧化均受到抑制，腸黏膜中閉合（occludin）蛋白表達(dá)明顯增多，腸黏膜機(jī)械屏障得到修復(fù)［34］。祛瘀生新湯也可以明顯降低線粒體動力相關(guān)蛋白1（Drp1）、線粒體分裂蛋白質(zhì)1（FIS1）和微管相關(guān)蛋白輕鏈3a/b亞型（LC3a/b）等參與線粒體自噬關(guān)鍵蛋白的表達(dá)，進(jìn)而抑制NLRP3炎癥小體激活及緩解腸道炎癥［35］。

2.2 中醫(yī)藥通過調(diào)控線粒體膜電位及能量代謝修復(fù)腸道損傷

研究表明，潰瘍性結(jié)腸炎是一種能量代謝障礙性疾病，線粒體是與能量代謝最為密切的細(xì)胞器，而線粒體膜電位的改變是線粒體損傷的初始階段。澤瀉提取物通過提高細(xì)胞線粒體內(nèi)膜功能（膜電位），顯著改善細(xì)胞線粒體能量代謝［33］。實驗表明，猴頭菌多糖治療的潰瘍性結(jié)腸炎大鼠血清白介素（IL）-1、IL-6含量明顯降低，SOD含量明顯提高，并能明顯提高結(jié)腸組織的細(xì)胞線粒體膜電位，猴頭菇子實體多糖能夠顯著提高潰瘍性結(jié)腸炎大鼠血清ATP的含量，并具有提高結(jié)腸組織中線粒體膜電位的作用。因此，推測猴頭菇子實體多糖抗?jié)冃越Y(jié)腸炎的活性機(jī)制與增加線粒體膜電位、增加組織能量代謝和減少氧化應(yīng)激及炎癥損傷相關(guān)［36］。運用四神丸治療DSS誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎小鼠可改善其一般情況和結(jié)腸組織病理損傷，同時伴見結(jié)腸組織ATP濃度、Na+-K+-ATPase和Ca2+-Mg2+-ATPase活力值提高。證明四神丸可通過調(diào)節(jié)ATP濃度、ATP酶活力和ATP相關(guān)的mRNA表達(dá)量以改善線粒體能量代謝水平來治療潰瘍性結(jié)腸炎［37］。

2.3 中醫(yī)藥通過調(diào)控線粒體生物發(fā)生減輕腸道損傷

線粒體生物發(fā)生是在核DNA及線粒體DNA共同調(diào)控下，原有線粒體通過生長、分裂的形式產(chǎn)生新線粒體以補(bǔ)充線粒體池的過程，過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PGC-1α）是線粒體生物發(fā)生的中樞調(diào)節(jié)因子。實驗證實，白術(shù)內(nèi)酯Ⅲ、陳皮苷、雷公藤紅素、安石榴苷、萊菔硫烷均可通過上調(diào)PGC-1α促進(jìn)線粒體生物發(fā)生，改善腸上皮的線粒體功能障礙以減輕腸道損傷［35］。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，線粒體作為細(xì)胞能量代謝的重要場所，對腸道干細(xì)胞的增殖分化及其與潘氏細(xì)胞的交互作用有重要影響，線粒體功能障礙，可直接導(dǎo)致細(xì)胞能量代謝的紊亂，致使腸道干細(xì)胞自我更新及增殖分化等出現(xiàn)異常，腸黏膜屏障受損，腸道修復(fù)功能減弱，導(dǎo)致腸道菌群紊亂、IBD等疾病發(fā)生。中醫(yī)藥從抑制ROS自由基、調(diào)控炎癥小體等方面恢復(fù)線粒體功能以修復(fù)腸道穩(wěn)態(tài)，緩解腸道炎癥，為潰瘍性結(jié)腸炎的治療提供了新的思路。但潰瘍性結(jié)腸炎形成機(jī)制復(fù)雜，涉及通路及代謝機(jī)制較多，未來更多有關(guān)線粒體、腸道干細(xì)胞、潘氏細(xì)胞的研究將為臨床了解腸道疾病提供更廣闊的思路，也將為探索中醫(yī)藥作用的相關(guān)靶點提供更多依據(jù)。

作者貢獻(xiàn)：羅國樑進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計，文章的可行性分析，撰寫論文；羅國樑、張馨丹進(jìn)行文獻(xiàn)/資料收集；朱焰進(jìn)行論文的修訂；王淑婷進(jìn)行文獻(xiàn)/資料整理；唐太春、陳敏負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校；陳敏對文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。