輻射損傷破壞腸黏膜機械屏障機制相關研究及進展

馮 劍，王毓國 綜述 竇永起 審校

目前，臨床放射治療給患者造成的損傷不容忽視。放射線引起的機體損傷，特別是急性放射病，臨床尚無有效預防和救治手段，其發病機制也尚不明確[1]。腸黏膜細胞代謝速度快對放射線敏感，更容易遭受損傷。損傷后腸黏膜屏障功能減弱甚至消失，腸道細菌及細胞分解產物進入血循環后引起的菌血癥和毒血癥，臨床可表現為惡心、嘔吐、腹瀉、便血、全身炎性反應及多器官功能障礙，嚴重者可導致死亡[2]。越來越多的證據表明，放射線破壞腸黏膜機械屏障是引起炎性反應，菌群移位，水電解質紊亂等一系列輻射損傷多米諾骨牌效應的開端[3]，所以尋求輻射引起腸黏膜機械屏障損傷的具體機制對輻射損傷治療及預防具有重要意義，本文就放射線破壞腸黏膜機械屏障機制的研究及進展進行綜述。

1 研究現狀

1.1 腸黏膜機械屏障的意義及其構成 腸黏膜屏障是防止腸內細菌和毒素等有害物質穿過腸黏膜進入人體其他組織、器官和血液循環的結構和功能的總和，主要由機械屏障、微生物屏障、免疫屏障和化學屏障構成。機械屏障作為腸黏膜屏障的結構基礎，在防御外界毒素及細菌入侵上顯得尤為重要。完整的機械屏障可阻止腸道細菌、毒素和抗原等物質進入固有層，是腸道抵御細菌、毒素及有害物質入侵腸黏膜的屏障，也是維持正常腸上皮通透性的結構基礎[4]。機械屏障由上皮細胞、黏液層及細胞間連接等構成，作為機械屏障的核心部分的腸上皮細胞間的連接，又包括緊密連接、縫隙連接、黏附連接及橋粒連接等，其中尤以緊密連接最為重要[5]，主要由閉合蛋白(claudin)、咬合蛋白(ocdudin)、帶狀閉合蛋白(zonula occludens，zo)家族等緊密連接蛋白組成。是防止細胞外大分子物質經細胞間隙進入腸道黏膜內部結構，也是防止組織液外溢的機體內、外屏障的主要結構，更成為相鄰細胞間物理性連接的重要方式。

1.2 腸黏膜機械屏障與其他屏障的協同作用 腸黏膜屏障任何一種屏障受損均可導致腸道屏障功能障礙，各部分又相互影響，均在誘發腸源性損傷的發病機制中起著重要作用。正常情況下，完整的腸上皮細胞間緊密連接可阻止腸道細菌及毒素等大分子物質通過而發生易位；腸道微生態菌群與腸黏膜粘附定植形成膜菌群，能夠阻止致病菌的生存及對腸上皮細胞的粘附和定植，干擾和抑制致病菌的活力和功能，預防感染[6]。sIgA是腸黏膜免疫屏障的主要免疫球蛋白，sIgA既能刺激黏膜杯狀細胞分泌大量黏液，沖洗黏膜上皮細胞，阻止微生物的定植[7]，還可直接與病原體、過敏原等結合，阻礙其在黏膜上的定植，并能中和其所產生的酶和毒素，又能抵抗腸腔蛋白溶解酶的作用，防止腸黏膜被消化[8]。

2 腸黏膜機械屏障的破壞作用及相關機制研究

2.1 輻射損傷對腸黏膜機械屏障的破壞作用 腸黏膜上皮細胞對于輻射十分敏感，射線對上皮細胞和緊密連接造成損傷后，上皮細胞變性、壞死、脫落，絨毛水腫、短禿，黏膜糜爛、潰瘍，隱窩深度變淺，腸壁纖維化，腸黏膜小動脈受損，腸腔狹窄、潰瘍，甚至穿孔。上皮細胞的完整性破壞及緊密連接分離后，機械屏障破壞，腸黏膜滲透性增加后導致向腸腔滲漏水、電解質、大分子物質等，腸道上皮與細菌、有害物質接觸的機會增加，引起腸道菌群移位，加重胃腸黏膜的損傷程度，甚至誘發全身炎性反應[9]。

2.2 輻射損傷破壞腸黏膜機械屏障的發病機制

2.2.1 放射線引起的腸上皮細胞毒性反應 DNA易受輻射損傷，被認為是引發細胞毒性反應，導致細胞死亡的主要靶點[10]。快速分裂的腸上皮細胞暴露于射線后，放射線的能量效應引起細胞內的水產生氧自由基，氧自由基可以破壞DNA旋結構，阻斷DNA的轉錄、復制，引發細胞毒性反應，導致細胞死亡[11]，從而對腸黏膜機械屏障造成損害及腸道屏障功能的異常。

2.2.2 放射線引起腸黏膜機械屏障損傷的直接作用機制 放射線可以直接破壞上皮細胞及細胞間緊密連接，導致機械屏障受損。輻射可引起緊密連接中ZO-1、claudin-1 和occludin 蛋白發生重組或斷裂，細胞間隙增大，細胞通透性升高，最終引起腸上皮屏障破壞[12]。另外，放射線還可以通過影響緊密連接調節機制，破壞機械屏障。緊密連接的重要調節因子肌球蛋白輕鏈(myosin light chain，MLC)在肌球蛋白輕鏈激酶( myosin light chain kinase，MLCK)作用下可以磷酸化收縮，打開細胞間連接間隙[13]。有研究發現，放療后腸道組織核轉錄因子-κB(NF-κB)活化后可與肌球蛋白輕鏈激酶( myosin light chain kinase，MLCK) 基因啟動子結合，啟動肌球蛋白輕鏈( myosin light chain，MLC) 磷酸化通路，打開緊密連接，破壞機械屏障[14]。另有研究發現， p38/MAPK通路可能通過參與細胞間黏附和上皮細胞運動的調節[15，16]，增加 MLCK 活性，引起 MLC磷酸化，使緊密連接的結構被破壞，而當p38/MAPK被抑制后，放射性腸炎大鼠癥狀明顯好轉[17]。

2.3 放射線引起腸黏膜炎性反應破壞機械屏障機制 腸黏膜輻射損傷的本質是由放射線誘發、諸多細胞因子介導的腸道炎性反應[18]，放射線可通過與細胞中的水分子作用產生氧自由基ROS，ROS活化 NF-κB等信號通路，引起促炎因子、凋亡因子、趨化因子等多種細胞因子的表達，炎性反應的平衡機制最終被打破，導致瀑布級聯反應，整個過程，放射線可引起超過200個炎性反應因子的轉錄表達上調[19]。Ong等[20]發現大鼠經放射后腸黏膜組織IL-1βmRNA、IL-6mRNA和TNF-αmRNA升高程度與腸道黏膜炎性反應的病理表現相一致。Linard等[21]發現，放射性腸炎大鼠6 h后腸黏膜IL-1β、IL-6、TNF-α高表達，且部分炎性反應因子的高水平表達可持續3 d。大量炎性反應因子產生后，可以引起上皮細胞間緊密連接減弱及腸道上皮細胞受損，同時炎性因子還可導致黏蛋白分泌減少，黏液層變薄后，使腸黏膜易受到各種有害物質的攻擊。

2.4 放射線引起腸黏膜凋亡機制 放射線可促進上皮細胞凋亡，在復雜的凋亡調控機制中，轉錄因子p53和NF-κB在促凋亡和抗凋亡方面均發揮了重要作用，它們影響了眾多基因的表達和信號通路的激活與調控[22]。Bing等[23]研究發現，發生放射性腸炎的小鼠腸黏膜組織中，抗凋亡基因 Bcl-2表達量下降，促凋亡基因 p53、caspase-3等表達升高。另外，有研究表明，NF-κB可參與細胞增殖和分化，抑制凋亡，增強細胞及組織的輻射適應性[24]；NF-κB可以通過影響Bcl-2家族基因的轉錄進而影響線粒體凋亡途徑，c-IAP-1和c-IAP-2及c-FLIP均是由NFκB信號通路控制的抗凋亡蛋白[25]；另有報道NF-κB可與p53競爭相同的調節因子，抑制p53的轉錄激活功能[26]。

2.5 腸黏膜機械屏障損傷與血管生成 腸道屏障功能的維持主要依靠腸壁血管供應的營養物質。腸黏膜輻射損傷后，血管的改變可分為三個階段[27]：急性期，放射線引起血管擴張，滲透性增加，血管及組織交界處出現滲出、水腫、纖維化；中間期，血管內皮細胞腫脹、增生、纖維素樣變性，最終發展成閉塞性脈管炎，另外在血流速度較慢的位置，血栓易于形成，會進一步導致腸黏膜的缺氧缺血，黏膜發生糜爛、潰瘍，腸道屏障完整性破壞，腸道細菌、毒素侵入使損傷進一步加重，同時膠原酶的活性增加，膠原再合成受抑制，腸壁易穿孔；后期，主要為動脈壁纖維化，表現為動脈內膜的增厚、動脈脈管狹窄。

2.6 腸黏膜機械屏障損傷與腸道干細胞生成 腸道干細胞是位于腸道隱窩的一類成體干細胞，具有干細胞活性，能夠分化為吸收細胞、杯狀細胞、內分泌細胞和潘氏細胞，不僅維持正常的生理功能，還能修復損傷的腸道上皮。內環境穩定時，腸道干細胞發生非對稱分裂；小腸上皮干細胞對放射線尤為敏感，放射線可引起腸道干細胞停止分裂，并誘導凋亡導致腸道干細胞數量急劇減少[28]。而殘存的腸道干細胞可進行對稱性分裂增加自身數量，另外，部分分化的細胞可去分化，通過移行分化重建正常的隱窩和絨毛，而促進腸黏膜的恢復[19]。

2.7 其他 有研究發現，細胞自噬、壞死也參與了腸黏膜機械屏障修復機制相關[29]。自噬參與調節機械屏障，自噬參與炎性反應過程調節腸黏膜屏障，其機制可能與條件誘發產生并釋放核因子-κB(NF-κB)轉錄的下游細胞因子TNF-α，而TNF-α 是自噬的正性調節因子，可誘導體內發生自噬[30]，Chen等[31]發現放射性腸炎小鼠腸道上皮細胞同時出現了3種混雜的死亡方式，表現為凋亡、自噬及壞死，但以壞死所占面積最大。當分別給予凋亡、自噬及壞死的抑制劑后，小鼠壽命均有延長，但壞死抑制劑作用更明顯。

3 輻射損傷中腸黏膜機械屏障與其他黏膜屏障之間的相互影響

3.1 機械屏障損傷引起其他各屏障損傷 放射線可對腸黏膜的各種屏障造成損傷[32-34]，腸黏膜間各屏障又相互影響，最終形成腸黏膜屏障的損傷。 腸黏膜機械屏障是腸黏膜屏障中最重要的一環，輻射可引起上皮細胞的廣泛脫落、壞死，緊密連接分離，通透性增加，水、電解質及蛋白向腸腔內滲漏，腸道上皮與腸道細菌及抗原接觸的機會增加，誘發異常腸道免疫反應，菌群移位，水電解質紊亂等一系列其他屏障損傷的發生。

3.2 微生物屏障引起機械屏障損傷 放射線除可直接殺滅、抑制、擾亂腸道正常菌群，還可以通過損傷腸上皮細胞表面結構，從而使腸道益生菌不能穩定定居于上皮細胞表面或黏蛋白層上，繼而導致菌群紊亂，腸道菌群失調會過度激活轉錄因子NF-KB和STAT3，影響腸道組織修復[35],引起腸源性感染進一步加重腸黏膜的損傷。

3.3 化學屏障引起機械屏障損傷 射線可引起腸道杯狀細胞等出現水腫、壞死，引起各相關化學物質分泌減少，導致腸道化學屏障的完整性破壞，為腸源性感染提供了時機。TFF3 是杯狀細胞特異性分泌的小分子多肽，能與黏蛋白的糖鏈結合，形成穩定的凝膠復合物，覆蓋于腸上皮細胞表面，阻止消化道中的消化酶及有害物質對上皮細胞的損害，并能促進受損腸黏膜修復，射線可導致杯狀細胞損傷而導致粘液分泌減少，加重消化酶及有害物質對機械屏障造成損害。動物研究[36]也發現，放射性腸炎小鼠黏膜的 TFF3 表達及其啟動子區活性均明顯減少，而TFF3 缺失的小鼠放射后腸黏膜損傷更加嚴重。

3.4 免疫屏障引起機械屏障損傷 在腸道組織中，淋巴組織對放射線極度敏感，腸黏膜相關淋巴組織產生損傷后，導致腸道局部免疫功能下降，分泌型IgA分泌減少及免疫效應細胞數量減少，致病菌快速繁殖，會導致菌群失調及機械屏障結構的損傷[37]。

4 臨床治療

急性腸黏膜輻射損傷的內科治療主要針對癥狀起緩解作用，療效有限，尚無法根治。主要包括：(1)放射防護劑氨磷汀，趙致維等[38]發現氨磷汀可通過提高隱窩干細胞增殖活性,促進黏膜的修復。(2)腸道益生菌，Demers等[39]發現預防性口服益生菌能有效地減少患者放療期間腹瀉的發生。(3)黏膜保護劑蒙脫石散等，Hu等[40]研究顯示, 蒙脫石散可促進腸道黏膜上皮細胞修復, 減輕放療引起的腸上皮細胞損傷。(4)氨基水楊酸類，關麗愉[41]發現美沙拉嗪栓劑能改善難治性放射性直腸炎便血、里急后重、大便次數增加、肛門部疼痛的癥狀,能促進直腸黏膜血管擴張、黏膜水腫、潰瘍病灶的修復。(5)中藥治療，中醫內外治具有較好療效，如陸清昀[42]等發現運用中藥保留灌腸2 h同時給予中藥清熱化濕、益氣健脾劑口服，療效優于蒙脫石散、地塞米松保留灌腸組；(6)其他方法，有報道高壓氧可以刺激放射損傷區域的血管生成，增加損傷組織的供氧，促進損傷組織恢復，對腸道等軟組織放射性損傷具有較好的療效[43]；劉亭等[44]報道1例放射性腸炎患者，經親屬供體糞菌移植緩解腹痛腹脹明顯緩解。

總之，腸黏膜上皮細胞對放射線十分敏感，腸黏膜機械屏障是機體在腸道防御細菌毒素屏障的結構基礎.放射線引起腸黏膜機械屏障損傷的機制十分復雜，與放射線引起的細胞毒性反應、炎性反應、細胞凋亡、壞死、自噬等均有關系，腸黏膜各屏障的損傷也會互相作用，最終加重機械屏障的損傷。在輻射破壞腸黏機械屏障的機制研究中目前尚存在一些問題，如炎性反應與凋亡互相影響的精確機制等。另外，基于MLC調控緊密連接的信號通路十分復雜，輻射損傷相關信號通路研究較少，已明確的信號通路也有待進一步深入。