缺氧誘導(dǎo)的腸道損傷與腸易激綜合征的可能關(guān)系

李靈劍,張興光,劉銘君,丁楊娟,范慧娟,夏時海

腸易激綜合征(irritable bowel syndrome,IBS)是一組持續(xù)或間歇發(fā)作,以腹痛、腹脹、排便習(xí)慣和(或)大便性狀改變?yōu)榕R床表現(xiàn),而缺乏胃腸道結(jié)構(gòu)和生化異常的腸道功能紊亂性疾病。臨床上患者主要表現(xiàn)為腹瀉型(IBS-D)、便秘型(IBS-C)、混合型(IBS-M)和未分型(IBS-U)。但是,其發(fā)病機(jī)制仍沒有完全清楚,腸道屏障功能受損可能是最主要的原因之一[1],可能與腸道緊密連接被破壞、神經(jīng)調(diào)節(jié)紊亂及腸道微生物群失調(diào)等有關(guān)。內(nèi)地入伍到西藏拉薩的新兵,IBS患病率為11.92%,高于駐扎在杭州7.16%(47/656)和南寧6.53%(181/2773)等平原地區(qū)新兵[2,3]。高原地區(qū)空氣氧含量明顯低于平原,缺氧是腸道屏障受損的重要原因之一[4]。缺氧條件下,腸道屏障功能的損傷,可能誘發(fā)或加重IBS的進(jìn)展[5]。筆者從缺氧、腸道屏障及IBS之間的關(guān)系進(jìn)行文獻(xiàn)復(fù)習(xí),為IBS的預(yù)防和治療提供依據(jù)。

1 缺氧可誘導(dǎo)腸道屏障損傷

隨著海拔升高,大氣中氧含量減少,機(jī)體各個系統(tǒng)均有可能出現(xiàn)應(yīng)激損傷,包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等,嚴(yán)重的情況下甚至可能導(dǎo)致器官衰竭。腸道是血容量最大的器官,進(jìn)入高原地區(qū),消化系統(tǒng)應(yīng)激性癥狀出現(xiàn)較早,主要表現(xiàn)為胃腸道不適,如惡心、嘔吐、腹瀉、厭食等癥狀[6]。即使機(jī)體適應(yīng)了缺氧應(yīng)激,腸道的應(yīng)激反應(yīng)也不容易完全恢復(fù),導(dǎo)致腸道屏障功能受損[4]。

1.1 對腸道緊密連接的影響 腸上皮細(xì)胞間的緊密連接(tight junctions,TJs)是腸機(jī)械屏障的重要組成之一,代表了腸腔空間和腸屏障其他成分之間的機(jī)械分割,由三組跨膜蛋白(claudin家族,Marvel結(jié)構(gòu)域蛋白,免疫球蛋白超家族)組成,它們與細(xì)胞骨架肌動球蛋白環(huán)相互作用。在穩(wěn)態(tài)條件下,TJs通過高選擇性的“孔道”途徑和低選擇性的“泄漏”途徑?jīng)Q定物質(zhì)的通過[7]。缺氧可增加細(xì)胞旁通透性,降低ZO-1、claudin-3和occludin蛋白mRNA的表達(dá),同時增強(qiáng)E-cadherin蛋白的表達(dá),干擾了TJs蛋白的分布,破壞了腸道屏障[8]。缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α是缺氧時機(jī)體進(jìn)行氧調(diào)控的關(guān)鍵因子,與腸上皮自噬相關(guān)蛋白ATG9A啟動子結(jié)合,調(diào)節(jié)腸道上皮屏障的完整性,在維持腸道穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]。腸道缺氧后,95%以上的上皮屏障無法形成,同時多個TJs蛋白的顯著定位錯誤[10]。由此可見,腸道的TJs需要一定的氧濃度支持。

1.2 對腸道神經(jīng)調(diào)節(jié)的影響 腸道神經(jīng)系統(tǒng)與由腸到腦的迷走神經(jīng)形成突觸連接,構(gòu)成腸道神經(jīng)系統(tǒng)-迷走神經(jīng)-腦信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,具有獨(dú)立的神經(jīng)反射和內(nèi)分泌功能。在腸道損傷后,腸神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞(enteric glial cells,EGCs)是腸黏膜中一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)和NO產(chǎn)生的主要來源,其中的干擾素IFN-γ信號通路通過Cxcl10這一關(guān)鍵介質(zhì)促進(jìn)免疫穩(wěn)態(tài)和組織修復(fù)。IFN-γ-EGC信號模塊的識別揭示了免疫信號通過調(diào)節(jié)神經(jīng)外胚層譜系的轉(zhuǎn)錄輸出來維持和恢復(fù)組織完整性[11]。在不同病理?xiàng)l件下,iNOS誘導(dǎo)NO產(chǎn)生異常是導(dǎo)致腸道損傷的重要因素之一[12],在缺氧條件下,腸道神經(jīng)系統(tǒng)也將受到影響。Sun等[13]發(fā)現(xiàn)CGS21680 A2A腺苷受體(adenosine A2a receptor,A2AR)激動劑通過上調(diào)共培養(yǎng)Caco-2單分子膜中ZO-1和occludin的表達(dá)來減輕缺氧誘導(dǎo)的腸上皮損傷,表明A2AR在介導(dǎo)EGCs的屏障調(diào)節(jié)作用中起重要作用。此外,研究組還發(fā)現(xiàn)A2AR和mGluR5在缺氧條件下聯(lián)合激活pkcα依賴通路保護(hù)腸道屏障,然而,EGCs數(shù)量因缺氧明顯減少,A2AR不足可加重腸道屏障損傷?？梢哉J(rèn)為,缺氧可作為一種高原地區(qū)獨(dú)有的應(yīng)激因素,通過機(jī)體的神經(jīng)傳導(dǎo),影響腸道屏障。

1.3 對腸道微生物群的影響 微生物群、缺氧/缺氧傳感器和哺乳動物宿主細(xì)胞(IEC和ILC3s)之間復(fù)雜和多向的相互作用決定了腸道屏障和宿主-微生物-病原體的連接的建立[14]。高原缺氧條件下,構(gòu)成腸道的生物屏障的腸道微生物也出現(xiàn)異常,其結(jié)構(gòu)和多樣性發(fā)生顯著變化,導(dǎo)致胃腸黏膜病理性損傷[15]。缺氧改變了副桿菌屬、另枝菌屬、普氏菌屬、毛螺菌屬和乳球菌屬的豐度,以及類桿菌屬與普氏菌屬的比例。結(jié)果表明,缺氧會破壞正常的腸道菌群組成,而這種破壞可以通過使用益生菌、益生元和合生菌明顯緩解[16]。

缺氧對腸道微生物的脂代謝及氨基酸代謝有影響,小鼠在缺氧時,脂代謝增加,體重下降更明顯[17]。腸道微生物的代謝物短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)在缺氧條件下對腸道屏障產(chǎn)生不利的影響。正常情況下,SCFAs可以通過調(diào)節(jié)杯狀細(xì)胞中黏蛋白基因的轉(zhuǎn)錄來增加黏液層的產(chǎn)生,特別是丁酸鹽,可以通過調(diào)節(jié)AMP依賴的蛋白激酶的激活和肌球蛋白輕鏈2的磷酸化,增強(qiáng)腸上皮屏障,促進(jìn)TJs重組。同時,它也是腸上皮細(xì)胞通過β氧化來利用氧的主要代謝產(chǎn)物,缺氧時,丁酸鹽產(chǎn)生減少,腸道氧利用率降低,屏障功能受損[7]。IL-10作為NF-κB通路和腸道穩(wěn)態(tài)的正調(diào)控因子發(fā)揮著重要作用,但在缺氧條件下,低氧和SCFAs混合物卻強(qiáng)烈抑制抗炎細(xì)胞因子IL-10的分泌,干擾腸道細(xì)胞的分化,同時,IL-8和IL-17分泌增加,造成腸道屏障受損[18]。低氧通過促進(jìn)抗微生物肽血管生成素-4的分泌來調(diào)節(jié)腸道微生物組成。缺氧后小鼠腸道梭狀芽胞桿菌豐度顯著降低,脫硫弧菌豐度顯著升高,其代謝產(chǎn)物通過腸道上皮細(xì)胞中CD1d誘導(dǎo)γδT細(xì)胞增殖產(chǎn)生IL-17a,從而加重腸道損傷[5]。缺氧可能阻礙了正常情況下SCFAs對腸道屏障功能的有益作用。

2 腸道屏障損傷可誘發(fā)IBS

腸道屏障具有調(diào)節(jié)腸腔和宿主之間水、離子和大分子雙向流動的功能。該屏障由緊密連接蛋白精確結(jié)合的腸上皮細(xì)胞加強(qiáng)。腸道黏膜通過免疫和非免疫分子,與腸道微生物群、黏液層、髓樣和非髓樣固有層細(xì)胞進(jìn)行多種相互作用,增強(qiáng)腸道的屏障功能[19]。已有大量實(shí)驗(yàn)證明,腸道損傷可誘發(fā)或加重IBS。Russo等[20]評估了IBS患者及健康人參與調(diào)節(jié)黏膜屏障完整性的神經(jīng)肽、神經(jīng)緊張素和代謝性腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的循環(huán)水平,證實(shí)了腸道屏障改變在IBS發(fā)病機(jī)制中的貢獻(xiàn)。Barbara等[21]的系統(tǒng)回顧,發(fā)現(xiàn)IBS患者存在低級別腸道免疫激活,其可最先導(dǎo)致腸道通透性增加。

2.1 破壞腸道緊密連接,誘發(fā)IBS 腸道上皮組成了腸道屏障的第一道防線,被破壞的腸上皮緊密連接可增加腸道通透性,使更大的免疫原性分子進(jìn)入腸道,促進(jìn)腔內(nèi)內(nèi)容物的異常免疫激活,出現(xiàn)各種致病特征,如炎癥、內(nèi)臟超敏、免疫功能障礙和運(yùn)動障礙等IBS發(fā)病因素[22]。一項(xiàng)研究表明蒼術(shù)油可通過SCF/c-kit和MLCK/MLC2通路增強(qiáng)腸道緊密連接蛋白的表達(dá),從而緩解IBS-D[23]。IBS-C患者口服天然化合物包括木葡聚糖和豌豆蛋白以及奇亞籽粉后可以增強(qiáng)Occludin和ZO-1蛋白的表達(dá),形成保護(hù)屏障,加強(qiáng)腸道完整性,緩解便秘癥狀[24]。對于IBS-M,腸道Occludin蛋白表達(dá)的減少導(dǎo)致緊密連接三胞蛋白脫位,大分子通透性增加,誘導(dǎo)抗原流入黏膜,使低級別炎癥過程持續(xù)存在[25]。因此,腸道上皮通過緊密連接保持完整性在各類IBS中都至關(guān)重要。

2.2 神經(jīng)調(diào)節(jié)通過腸道屏障誘發(fā)IBS 腸神經(jīng)系統(tǒng)具有由大量腸神經(jīng)神經(jīng)元和EGCs組成的復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),包括肌腸叢和黏膜下叢,它調(diào)節(jié)胃腸道的基本功能,包括運(yùn)動、吸收和分泌。一般來說,腸神經(jīng)系統(tǒng)在維持腸道穩(wěn)態(tài)中是必不可少的,然而,當(dāng)腸道的收縮和舒張功能不平衡時,腸道運(yùn)動就會受到損害[26]。IBS-D大鼠結(jié)腸肌間神經(jīng)叢中EGCs明顯激活,結(jié)腸運(yùn)動加速,在給予抑制劑DL-氟代檸檬酸后,降低乙酸和約束應(yīng)激引起的EGCs激活和結(jié)腸運(yùn)動,結(jié)腸過度收縮得以緩解,從而減輕腹瀉癥狀[27]。IBS-C患者直腸運(yùn)動受到抑制,經(jīng)皮耳迷走神經(jīng)刺激后,患者的腹痛及便秘明顯減輕,可能與神經(jīng)介導(dǎo)的腸道運(yùn)動功能的作用有關(guān)[28]。迷走神經(jīng)的直接電刺激在調(diào)節(jié)腸屏障功能方面起保護(hù)作用,其能夠逆轉(zhuǎn)應(yīng)激誘導(dǎo)的腸通透性變化。短暫的迷走神經(jīng)刺激通過促腎上腺皮質(zhì)激素的釋放激素降低了肌球蛋白輕鏈激酶和腫瘤壞死因子α的表達(dá),同時增加了Occludin蛋白的表達(dá),從而降低小腸的細(xì)胞旁通透性[29]。迷走神經(jīng)也可以通過腸神經(jīng)和(或)細(xì)胞如EGCs調(diào)節(jié)腸通透性[30]。缺血-再灌注損傷后刺激迷走神經(jīng)可減少腸道巨噬細(xì)胞浸潤,激活的抗炎信號經(jīng)EGCs傳遞至駐留免疫細(xì)胞,而激活基底前腦膽堿能神經(jīng)元通過迷走神經(jīng)可阻斷炎癥引起的結(jié)腸通透性增加,從而改善IBS[31]。

2.3 腸道微生物群通過腸道屏障誘發(fā)IBS 腸道微生物作為人體的第二大基因組,與人類健康和疾病息息相關(guān)。正常腸道微生物參與人體多種生命過程,包括腸道發(fā)育和穩(wěn)態(tài)、腸道免疫系統(tǒng)的建立及防御病原體入侵等。文獻(xiàn)[32]揭示了腸道微生物群在IBS發(fā)生發(fā)展過程中也發(fā)揮重要作用。腸道細(xì)菌與腸道屏障免疫系統(tǒng)可在應(yīng)激下相互作用,從而誘發(fā)IBS。IBS-D小鼠在應(yīng)激誘導(dǎo)杯狀細(xì)胞相關(guān)抗原通路(goblet cell-associatedantigen passage,GAPs)形成時,IgA靶向的細(xì)菌數(shù)量顯著增加,證明應(yīng)激誘導(dǎo)了GAP的形成和細(xì)菌易位[33]。同樣,IBS-C大鼠腸道產(chǎn)甲烷菌過量定殖,產(chǎn)生大量甲烷,損傷腸道屏障,導(dǎo)致細(xì)菌易位至循環(huán),進(jìn)而導(dǎo)致免疫反應(yīng)和炎癥[34]。

SCFAs在IBS的發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮了作用[35]。在結(jié)腸上皮細(xì)胞中,SCFAs結(jié)合G蛋白偶聯(lián)受體GPR43和GPR109A誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加,刺激K+外排和超極化,觸發(fā)caspase-1依賴的炎癥介質(zhì)釋放,如IL -18和IL -1β,以丁酸鹽為主的短鏈脂肪酸可增加黏蛋白2的分泌,促進(jìn)緊密連接的重組,增強(qiáng)腸道屏障的完整性,提高腸道上皮的保護(hù)作用,維持腸道穩(wěn)態(tài),改善IBS[36]。

腦-腸道微生物軸在維持體內(nèi)平衡方面至關(guān)重要,腸道微生物群通過神經(jīng)(自主神經(jīng)和腸神經(jīng)系統(tǒng))、內(nèi)分泌(下丘腦-垂體-腎上腺軸和腸內(nèi)分泌細(xì)胞)和免疫信號通路與大腦通信[37]。IBS-D大鼠血清中5-羥色胺、CRF、P物質(zhì)、降鈣素基因相關(guān)蛋白含量迅速升高,而神經(jīng)肽Y含量下降。脊髓中的C-fos基因片段顯示出神經(jīng)元活動增加,改變了腸道微生物群的組成和結(jié)構(gòu),提高了腸道通透性[38]。毛尖綠茶乙醇提取物通過5-HT通路改變腸道菌群構(gòu)成,增大了有益菌的比例,并調(diào)節(jié)了5-HT相關(guān)菌的數(shù)量,減輕IBS-C大鼠便秘癥狀[39]。因此,若腸道菌群發(fā)生紊亂,導(dǎo)致腸道屏障受損,則腸道菌群紊亂成為誘發(fā)IBS的危險(xiǎn)因素之一。

高原地區(qū),具有隨著海拔的升高,溫度和濕度降低,紫外線輻射增加,及大氣壓和氧氣分壓降低的特點(diǎn),其中低氧血癥是由低氣壓降低氧分壓引起,能夠引發(fā)多種高原疾病[40]。IBS是常見的胃腸疾病之一,中國人群IBS患病率分別為7.4%和2.3%,入戶調(diào)查的分別為3.8%和1.4%[41]。駐扎高原官兵IBS發(fā)生率為11.92%～17%[3,42,43]。目前認(rèn)為平原地區(qū)IBS的發(fā)生,是由于各種刺激因素造成感官輸入增加,刺激腸道神經(jīng)系統(tǒng)以及中樞神經(jīng)系統(tǒng),影響腦腸軸功能,影響胃腸道感覺、運(yùn)動和分泌,出現(xiàn)胃腸道癥狀[32]。本課題組前期研究首次提出高原缺氧環(huán)境下腸道微生物變化可能是IBS發(fā)生的病因之一[44],發(fā)現(xiàn)神經(jīng)遞質(zhì)、炎癥介質(zhì)及腸道屏障損傷等因素可能參與了高原環(huán)境下IBS的發(fā)生,均強(qiáng)調(diào)了腸道屏障受損在IBS中的重要性[20]。腸道屏障受損可由腸道緊密連接被破壞[23-25]、神經(jīng)調(diào)節(jié)紊亂[26]、腸道微生物失調(diào)[33,34]引起,缺氧通過破壞腸道緊密連接[8-10]、造成腸黏膜神經(jīng)調(diào)節(jié)紊亂[13]及導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)[5]等造成腸道屏障損傷[6]。

本綜述未完全闡明缺氧、腸道屏障損傷及IBS具體關(guān)系,但是對于缺氧環(huán)境下IBS的防治具有理論意義,需要后期開展大量的動物、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)研究,尋找治療缺氧后腸道屏障損傷的靶點(diǎn),為IBS的防治提供循證支持。