能量代謝調(diào)控腸道干細(xì)胞功能研究進(jìn)展及中醫(yī)藥治療優(yōu)勢初探

朱焰，肖瑾，楊陽，唐太春，汪淑婷，陳思琪，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

腸道屏障包括物理、免疫和微生物成分3個部分，起到分隔腸腔與機(jī)體、動態(tài)調(diào)節(jié)腸腔內(nèi)部平衡、阻止病原體侵襲的作用。目前越來越多的證據(jù)表明腸道疾病與腸道屏障功能障礙相關(guān)，常見的包括腸易激綜合征［1］、炎癥性腸病（潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病）［2］、腸道腫瘤［3］等。除此之外，還有許多非腸道疾病如多發(fā)性硬化癥［4］、心血管疾?。?］以及自身免疫性疾?。?］等已被證明與腸道屏障功能失調(diào)相關(guān)。腸道上皮細(xì)胞是腸道屏障中重要的組成部分，其更新周期為3～5 d，腸道上皮的更新依賴于腸道干細(xì)胞正常的增殖和分化功能。腸道隱窩中有兩種類型的腸道干細(xì)胞，即柱狀隱窩基底細(xì)胞（Lgr5+CBCs）和儲備干細(xì)胞（RSC）；通常情況下Lgr5+腸道干細(xì)胞可持續(xù)維持腸道上皮細(xì)胞的正常更新，當(dāng)腸道受損時，具有高抗輻射能力的儲備干細(xì)胞4+干細(xì)胞可以在需要時補(bǔ)充持續(xù)循環(huán)的CBCs細(xì)胞池［7］，以維持腸道穩(wěn)態(tài)。Gastroenterology的一項(xiàng)研究證明了人類Lgr5+腸道干細(xì)胞的靜止性［8］，但是，腸道干細(xì)胞可以分化成多種細(xì)胞，包括潘氏（Paneth）細(xì)胞、吸收性腸細(xì)胞和腸內(nèi)分泌細(xì)胞等，而單個的Lgr5+腸道干細(xì)胞可在體外培養(yǎng)形成腸道類器官［9］，均可證明Lgr5+腸道干細(xì)胞具有良好的干性。

代謝維持著人體正常的生命活動，能量代謝及代謝物在人體中完成復(fù)雜的活動，腸道干細(xì)胞的功能也受到飲食和代謝途徑的調(diào)節(jié)。研究表明，腸道干細(xì)胞對多種營養(yǎng)物質(zhì)以及代謝途徑敏感，包括脂肪酸、葡萄糖、氨基酸、丙酮酸及線粒體代謝等［10］。目前可知多個代謝途徑如5-羥色胺（5-HT）代謝［11］、膽汁酸代謝［12］、組胺代謝［13］等與腸道疾病相關(guān)，腸道菌群代謝物也被證明可調(diào)節(jié)腸道屏障功能［14］。中醫(yī)藥在治療腸道疾病方面擁有多靶點(diǎn)、低成本、依從性高等優(yōu)勢，可在腸道疾病治療中進(jìn)一步應(yīng)用。

本文文獻(xiàn)檢索策略：計(jì)算機(jī)檢索中國知網(wǎng)、PubMed等數(shù)據(jù)庫，檢索時間限定為建庫至2023年4月，中文檢索詞包括“腸道干細(xì)胞”“能量代謝”“腸道疾病”“中醫(yī)藥”，英文檢索詞包括“Intestinal stem cells”“energy metabolism”“intestinal diseases”“Chinese medicine”。納入標(biāo)準(zhǔn)：文獻(xiàn)內(nèi)容與能量代謝對腸道干細(xì)胞功能的影響、中醫(yī)藥治療腸道疾病的作用機(jī)制有關(guān)。排除標(biāo)準(zhǔn)：與本文主題無關(guān)、質(zhì)量差，且無法獲得全文的文獻(xiàn)。最終納入42篇文獻(xiàn)。

1 能量代謝對腸道干細(xì)胞干性和功能的調(diào)控

能量代謝為生命活動提供能量，代謝途徑及代謝產(chǎn)物在人體內(nèi)參與細(xì)胞的增殖、分化，并作為信號分子，調(diào)控細(xì)胞信號通路。

1.1 適量能量代謝產(chǎn)物利于腸道干細(xì)胞增殖分化

脂肪酸（FA）代謝可促進(jìn)腸道干細(xì)胞自我更新。來自Nature的一項(xiàng)研究對Lgr5+腸道干細(xì)胞的標(biāo)志物Olfm4進(jìn)行原位雜交，發(fā)現(xiàn)高脂肪飲食（60%脂肪含量）的小鼠腸道中Olfm4+腸道干細(xì)胞數(shù)量增加了50%；同時，在高脂肪飲食小鼠腸道干細(xì)胞形成的腸道類器官中，結(jié)構(gòu)上分化較低，且具有更高的Lgr5+ISCs頻率［15］。另一項(xiàng)研究則通過對腸道類器官應(yīng)用脂肪酸氧化抑制劑Etomoxir的方法證明，Lgr5+干細(xì)胞以及Lgr5+干細(xì)胞標(biāo)志物的轉(zhuǎn)錄水平（包括Lgr5、Olfm4、Smoc2、Msi1和Ascl2）隨著Etomoxir對脂肪酸氧化的抑制而急劇下調(diào)；同時，脂肪酸代謝可通過增強(qiáng)脂質(zhì)的合成、儲存和分解來促使腫瘤的發(fā)展［16］，發(fā)表在Cell上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)高脂肪飲食和Wnt信號失調(diào)的融合改變了腸道膽汁酸譜，驅(qū)動表達(dá)Lgr5+的癌癥干細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化，促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展［17］?？傊?，脂肪攝入量過多對胃腸道造成較大的壓力和刺激，可能是由于脂肪酸合成過多導(dǎo)致某些腸道疾病的發(fā)生；然而，脂肪又是人體不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì)和能量來源，適當(dāng)?shù)闹緮z入不僅可以提高干細(xì)胞的活力，還能促進(jìn)干細(xì)胞的功能和干性，對疾病的治療和預(yù)防有益。

膽汁酸（BAs）在肝臟和腸道之間循環(huán)，保證體內(nèi)膽汁酸濃度足夠且適量［18］，其代謝可驅(qū)動腸道干細(xì)胞的更新、增殖及再生。法尼索X受體（FXR）是膽汁酸代謝過程中一個重要的調(diào)節(jié)器，維持著人體膽汁酸含量的動態(tài)平衡。為了驗(yàn)證FXR是否能調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞增殖，F(xiàn)U等［17］對結(jié)腸癌模型下的腸道類器官使用3種不同的FXR激動劑以及一種化療藥物，結(jié)果顯示，3種FXR激動劑以及一種化療藥物均可下調(diào)腸道干細(xì)胞基因的表達(dá)水平，即抑制腸道干細(xì)胞的增殖。除FXR外，G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1（GPBAR1，TGR5）是膽汁酸另一個重要的調(diào)節(jié)器，有實(shí)驗(yàn)證明了膽汁酸通過激活TGR5的方式促進(jìn)腸道干細(xì)胞的更新，促使腸道上皮的分化，驅(qū)動損傷后再生，以維持腸道屏障穩(wěn)定［19］。為了探究膽汁酸代謝與腸道屏障受損的關(guān)系，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用DSS誘導(dǎo)小鼠形成結(jié)腸炎模型，并在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在DSS誘導(dǎo)的第1天，腸道出現(xiàn)明顯損傷，同時膽酸（CA）的絕對濃度開始上升，而CA的積累導(dǎo)致Lgr5+腸道干細(xì)胞缺失；而在去除DSS誘導(dǎo)后，以上異常逐漸恢復(fù)正常［20］。腸道干細(xì)胞的功能與腸道屏障關(guān)系密切，并且在膽汁酸的代謝過程中，任何一個環(huán)節(jié)的失調(diào)將會改變腸道干細(xì)胞的功能甚至導(dǎo)致腸道干細(xì)胞缺失，從而對腸道屏障功能產(chǎn)生影響。

乳酸是糖酵解的副產(chǎn)物，此前的研究認(rèn)為乳酸是無氧代謝的廢物，對人體有害；但是越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，乳酸是協(xié)調(diào)全身代謝的重要調(diào)節(jié)劑，參與了多種生理病理過程［21］，并且大多數(shù)哺乳動物的細(xì)胞也會在氧氣充足時產(chǎn)生大量乳酸。乳酸的主要代謝途徑除三羧酸（TCA）循環(huán)外，尿液、糞便以及一些代謝酶如糖酵解酶、單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、乳酸脫氫酶、線粒體丙酮酸載體和丙酮酸脫氫酶［22］也與乳酸的代謝相關(guān)。LEE等［23］的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Lgr5+腸道干細(xì)胞的數(shù)量、潘氏細(xì)胞的表達(dá)以及腸道類器官的生長在乳酸處理后第3天和第5天的培養(yǎng)中均有增加，且這種現(xiàn)象是通過Wnt3/b-catenin途徑的方式進(jìn)行的。腸道乳酸的產(chǎn)生離不開腸道菌群的存在，由于果蠅腸道與人類腸道的高度相似性［24］，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究了果蠅的腸道內(nèi)植物乳桿菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌產(chǎn)生的乳酸觸發(fā)了腸道的損傷，促使了腸道干細(xì)胞的增殖［25］。隨著人們對乳酸認(rèn)識的深入，乳酸早已不是代謝廢物，而是參與了人體多個生理過程的重要代謝物質(zhì)，除腸道菌群產(chǎn)生的乳酸外，潘氏細(xì)胞也能產(chǎn)生乳酸，對鄰近的腸道干細(xì)胞功能產(chǎn)生影響。

1.2 能量代謝影響腸道干細(xì)胞命運(yùn)決定

線粒體對干細(xì)胞的功能和活性具有廣泛影響，在干細(xì)胞的活化、命運(yùn)決定、衰老過程中發(fā)揮著重要作用［26］。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將代謝調(diào)節(jié)因子FoxO因子敲除后進(jìn)行腸道類器官的培養(yǎng)，然后對該類器官進(jìn)行生物能量學(xué)分析，分析結(jié)果顯示線粒體呼吸減少，基礎(chǔ)糖酵解減少，同時線粒體顯示出融合和破損兩種形態(tài)［27］。研究者通過誘導(dǎo)miR-484過表達(dá)的方式得出miR-484能夠?qū)σ陨系木€粒體功能及形態(tài)進(jìn)行一定程度上的挽救。這說明miR-484、FoxO因子可能是一個信號代謝軸，通過調(diào)節(jié)線粒體功能和形態(tài)的方式調(diào)節(jié)干細(xì)胞的功能和活性。而更早的研究則直接證明了線粒體代謝功能的調(diào)節(jié)與腸道干細(xì)胞的生存能力相關(guān)［28］。長期以來，人們認(rèn)為代謝是生命活動的結(jié)果，然而，現(xiàn)在研究認(rèn)為，代謝本身就可以決定細(xì)胞的表型并控制干細(xì)胞的命運(yùn)［29］。干細(xì)胞的分化及增殖伴隨著耗氧量增加以及能量的消耗，這些過程均依賴線粒體的運(yùn)作，因此，線粒體的代謝可調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞的功能。

丙酮酸是所有生物細(xì)胞糖代謝及體內(nèi)多種物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的重要樞紐，BENSARD等［30］發(fā)現(xiàn)，在腸道腫瘤發(fā)生的過程中，丙酮酸代謝在早期腺瘤中出現(xiàn)，比缺血性腫瘤微環(huán)境的建立更早發(fā)生，與腸道干細(xì)胞的過度增殖有關(guān)，該研究同樣證明結(jié)直腸癌的發(fā)生與線粒體丙酮酸載體（MPC）的下調(diào)有關(guān)，而MPC1的喪失可促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生。MPC1和MPC2在干細(xì)胞中表達(dá)較低，但隨著干細(xì)胞的分化表達(dá)增加［31］，這說明增殖細(xì)胞如干細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中線粒體丙酮酸氧化降低，而在非增殖細(xì)胞中，線粒體丙酮酸氧化則增加；研究者們進(jìn)一步檢測了MPC在果蠅腸道干細(xì)胞中的作用，結(jié)果表明，在腸道中所有的4種類型的細(xì)胞中，腸道干細(xì)胞的表達(dá)最低，而腸分泌細(xì)胞中表達(dá)最高。除腸道腫瘤外，MPC1在多種惡性腫瘤如腎癌、肺癌、腦癌等疾病中均下調(diào)，在血液系統(tǒng)惡性腫瘤如白血病、淋巴瘤等則不然［32］。腫瘤的發(fā)展與干細(xì)胞的異常增殖相關(guān)，這證明丙酮酸代謝與干細(xì)胞的增殖功能相關(guān)，并且可在一定條件下導(dǎo)致異常增殖，導(dǎo)致疾病的發(fā)生與發(fā)展。

2 腸道菌群代謝物對腸道干細(xì)胞的調(diào)控

能量吸收與代謝最重要的場所是腸道，而與腸道共存的腸道菌群在食物的消化和吸收起著重要的作用，不僅輔助腸道吸收能量物質(zhì)，也參與腸道多種生理病理過程。腸道菌群代謝物可作用于腸道干細(xì)胞的微環(huán)境，此外，腸道菌群代謝物也與多個腸道外疾病相關(guān)［33］。

5-HT的分泌已被證明與腸道疾病關(guān)系密切［34］，而5-HT的上游產(chǎn)物為色氨酸；色氨酸是一種必需的芳香族氨基酸，除5-HT外，在腸道微生物的介導(dǎo)下，可形成吲哚類代謝物，目前沒有研究證明吲哚類代謝物直接調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞的干性，但相關(guān)的配體可以抑制Notch1信號傳導(dǎo)，從而刺激腸道干細(xì)胞的分化［35］。XING等［36］對一些常見的腸道菌群代謝物如何影響腸道干細(xì)胞的功能進(jìn)行整理綜述，可知大部分短鏈脂肪酸、乳酸、吲哚醛（IAld）、多胺類物質(zhì)、低劑量的二級膽汁酸以及穆拉米二肽等可促進(jìn)腸道干細(xì)胞增殖；琥珀酸、吲哚乙酸（IAA）、高劑量的二級膽汁酸以及脂多糖（LPS）等能抑制腸道干細(xì)胞增殖，而硫化氫則是具有促進(jìn)增殖和抑制增殖兩種作用，但其促進(jìn)和抑制的條件尚不明確，這可能與接觸硫化氫的時間有關(guān)。

戊酸（VA）是腸道菌群代謝物中的一類，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)VA能促進(jìn)腸道血清素能神經(jīng)元產(chǎn)生5-HT，調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞的增殖和分化［37］。該實(shí)驗(yàn)對無菌小鼠腸道進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)無菌小鼠腸道干細(xì)胞數(shù)量減少，隨后使用一些可吸收代謝物治療無菌小鼠，發(fā)現(xiàn)VA可以促進(jìn)色胺酸羥化酶2（Tph2）在無菌小鼠中的表達(dá)，從而促進(jìn)腸道干細(xì)胞的自我更新，機(jī)制是Tph2啟動子在無菌小鼠中被抑制，而VA則可以通過抑制NuRD復(fù)合物在Tph2啟動子上的富集，對無菌小鼠腸道干細(xì)胞數(shù)量起到恢復(fù)作用。

腸道菌群與人類的共生關(guān)系不言而喻，除以上代謝物外，還有更多未被研究的腸道菌群代謝物，不僅參與腸道的吸收環(huán)節(jié)，還能調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞的增殖，維持腸道上皮的完整性，同時通過某些分泌物的作用起到化學(xué)屏障的作用，多方面多角度改善腸道屏障功能。

3 腸道干細(xì)胞與炎癥性腸病的治療及中醫(yī)藥優(yōu)勢

炎癥性腸病一個重要的病理特點(diǎn)為腸道屏障受損，目前對于炎癥性腸病的治療以抑制免疫活動為主，通常是阻斷特定的炎癥因子的表達(dá)，然而免疫抑制會帶來感染和腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)。腸道屏障的修復(fù)依賴腸道干細(xì)胞的增殖，故有研究者提出使用干細(xì)胞直接進(jìn)行再生治療，目前，干細(xì)胞如造血干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞治療炎癥性腸病已經(jīng)被證實(shí)有效［38］，這對腸道屏障功能具有恢復(fù)作用。有研究者發(fā)現(xiàn)，將干細(xì)胞分化形成的類器官移植到結(jié)腸炎模型后，可觀察到腸隱窩的再生和腸道屏障功能的重構(gòu)［39］。將干細(xì)胞培養(yǎng)成新的組織移植到黏膜受損區(qū)域是一個新的治療方案，但由上文可知，腸道干細(xì)胞的異常增生可能導(dǎo)致腸道腫瘤的發(fā)生，類器官移植治療法或腸道干細(xì)胞再生治療是否存在腫瘤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)仍不明確，需進(jìn)行下一步研究。

中醫(yī)學(xué)對炎癥性腸病目前沒有統(tǒng)一的病名，根據(jù)炎癥性腸病的癥狀特點(diǎn)，可歸屬于祖國醫(yī)學(xué)“腸澼”“腹痛”“泄瀉”等范疇，病位在大腸，病機(jī)與肝、脾、肺、腎密切相關(guān)。在疾病發(fā)展過程中“濕、熱、瘀”等既是病理因素，又是病理結(jié)果，相互交織，濕熱蘊(yùn)結(jié)，瘀滯腸道，虛實(shí)相因，病情纏綿。中醫(yī)講求辨證論治，根據(jù)患者病情階段及癥狀遣方用藥，更符合個體化治療。

炎癥性腸病的治療周期長，癥狀易反復(fù)，所以，臨床亟須安全有效、能提高患者依從性的藥物和治療方案，中醫(yī)藥在“簡、便、廉、驗(yàn)”方面有明顯優(yōu)勢，并且隨著研究技術(shù)的進(jìn)步，更多的證據(jù)證明中藥有效成分能通過不同靶點(diǎn)調(diào)控腸道干細(xì)胞相關(guān)通路，其中Wnt和Notch信號通路在腸道疾病中占有重要地位，如在三硝基苯磺酸處理的小鼠中，黃芪提取物黃芪甲苷（Astragaloside Ⅳ）可通過激活Wnt通路刺激ISC增殖，促進(jìn)黏膜愈合，緩解結(jié)腸炎癥狀［40］；除單味藥物外，中藥復(fù)方如葛根芩連湯通過雙向調(diào)節(jié)Notch信號通路維持急慢性潰瘍性結(jié)腸炎結(jié)腸黏膜穩(wěn)態(tài)［41］；清白湯可能通過核因子（NF）-κB信號通路和Notch信號通路使黏液層屏障和機(jī)械屏障功能抑制炎癥級聯(lián)反應(yīng)增強(qiáng)，減輕結(jié)腸炎小鼠腸道炎癥和黏膜屏障功能［42］。參苓白術(shù)散能通過改善腸道屏障功能緩解腸道炎癥，腸道菌群代謝對葛花的生物轉(zhuǎn)化能起到改善腸道炎癥的作用［41］。未來研究可進(jìn)一步關(guān)注中醫(yī)藥調(diào)控的多條信號通路協(xié)同作用，為中醫(yī)藥應(yīng)用于腸道疾病的防治提供新的思路和參考。

4 小結(jié)

目前腸道疾病如腸易激綜合征、炎癥性腸病、腸道腫瘤等的發(fā)病率日漸增加，特別是隨著社會壓力的加劇，功能性腸病已成為臨床常見的疾病類型。腸道干細(xì)胞及其分化增生形成的類器官治療腸道疾病是目前一個新的研究方向，干細(xì)胞的增殖與分化依賴能量代謝及相關(guān)代謝物，通過調(diào)節(jié)飲食調(diào)控腸道干細(xì)胞功能，促進(jìn)腸道屏障的修復(fù)，或可為臨床治療提供新的思路。

作者貢獻(xiàn)：朱焰、肖瑾、陳敏提出研究思路，設(shè)計(jì)研究方案，研究命題的提出、設(shè)計(jì)；楊陽、唐太春、汪淑婷、陳思琪進(jìn)行文獻(xiàn)收集并撰寫中英文摘要；朱焰撰寫論文主體；陳敏負(fù)責(zé)最終版本修訂，對論文負(fù)責(zé)。

本文無利益沖突。