IL-22和腸道干細胞在腸黏膜屏障中的作用

黃 丹 陸倫根 周 慧

腸道在調節營養物質吸收和保護宿主免受環境影響方面起著關鍵作用。腸上皮細胞的更新速度較快(3～5 d)，這依賴于腸道干細胞自我更新并分化為各類腸上皮細胞，從而維持腸道穩態[1]。近年來研究發現IL-22在促進組織再生、黏膜愈合、維持腸黏膜屏障方面起著重要作用，其對腸上皮細胞也有一定的損傷作用。本文就近年來IL-22和腸道干細胞在腸黏膜屏障中作用的相關研究進展作一綜述。

1 腸黏膜屏障

腸上皮細胞不僅發揮著消化、吸收營養物質的作用，還能抵御外界有害因素對機體的損傷，構成重要的腸黏膜屏障。腸上皮細胞主要由吸收性腸上皮細胞、產生黏液的杯狀細胞和分泌激素的內分泌細胞組成，在小腸中還包括分泌抗菌肽的潘氏細胞。腸上皮細胞之間的連接包括緊密連接(TJ)、黏附連接和橋粒連接。此外，腸腔表面還覆蓋著由黏液組成的保護層，主要是由杯狀細胞分泌的黏蛋白MUC2。在黏液內層含有大量能有效對抗多種微生物的抗菌肽。潘氏細胞是腸黏膜固有免疫的重要組成部分，其可分泌抗菌肽，發揮保護腸上皮細胞的作用，還參與了腸道干細胞功能的維護[2]。潘氏細胞功能障礙可導致細菌從腸腔向循環系統移位，從而引發敗血癥或多器官功能障礙。

腸黏膜損傷是包括移植物抗宿主病(GVHD)和消化道黏膜炎等多種疾病模型發展的早期改變，也是炎癥性腸病(IBD)患者腸道細菌移位的重要驅動因素。腸黏膜屏障功能受損時，可引起腸道細菌移位，誘發炎性反應，產生炎性因子和趨化因子，從而進一步加重腸黏膜屏障功能損傷。

2 腸道干細胞

2.1 腸道干細胞概述

小腸上皮由隱窩和絨毛組成，隱窩由干細胞及其子代組成，絨毛由各種特化細胞組成。小腸隱窩內存在兩類干細胞，即活性干細胞和靜止的“儲備”干細胞。前者為隱窩基底柱狀細胞(CBC細胞)，其標志物為Lgr5，還包括Ascl2、Olfm4。Lgr5+干細胞對損傷較為敏感，其在生理狀態下活性增殖以維持腸道穩態。“儲備”干細胞的標志物是Bmi1，其能抵御損傷，可在Lgr5+干細胞受到急性損傷時被激活，能恢復上皮細胞的更新功能，促進組織修復。

小腸干細胞處于特殊的微環境中，Wnt、Notch、骨形態發生蛋白(BMP)和表皮生長因子(EGF)等信號通路共同調節著小腸干細胞的自我更新、增殖和分化。Wnt通路在維持未分化干細胞狀態和促進增殖方面具有重要作用，其過度活躍與腫瘤發生有關。Notch通路的激活可維持干細胞的多能性并促進其增殖，還可誘導祖細胞向吸收性腸上皮細胞而非分泌性細胞分化。潘氏細胞通過分泌EGF、Wnt3a和Notch配體DLL4來調節干細胞的增殖、分化，參與干細胞功能的維護[2]。

2.2 腸道干細胞與腸黏膜屏障

腸上皮作為機體與外界之間的屏障，經常受到微生物、物理和化學損傷，腸上皮細胞的增殖和更替對于維持腸黏膜結構至關重要，這依賴于腸道干細胞自我更新和分化為各類成熟的細胞來更新腸上皮，促進黏膜再生。腸上皮更新依賴于隱窩，在隱窩基底部，少量成體干細胞定期分裂，產生高度增殖的前體細胞，即短暫擴增細胞(TA細胞)，其是替換受損腸上皮的關鍵細胞。新生的TA細胞快速分裂并逐漸向上遷移，形成吸收性或分泌性細胞系。由TA細胞分化形成的潘氏細胞留在隱窩底部，而腸上皮細胞、杯狀細胞和腸內分泌細胞不斷向腸腔內遷移，以補充發生凋亡并脫落進入腸腔的細胞。

腸黏膜屏障功能破壞是IBD發病機制中的一個基本因素，黏膜愈合已成為IBD的治療目標。Lgr5+干細胞是多能干細胞，可分化為所有類型的腸上皮細胞。因此，腸道干細胞移植可作為一種新的治療策略，以恢復重癥IBD患者的腸黏膜屏障功能。此外，干細胞移植還可用于治療多種以腸黏膜屏障功能受損為特征的胃腸道疾病，包括壞死性小腸結腸炎、非甾體抗炎藥引起的胃腸道損傷及胃十二指腸出血。

3 IL-22

3.1 IL-22概述

IL-22是IL-10家族成員。腸道產生IL-22的細胞包括Th17細胞、先天淋巴樣細胞(ILC)、NK細胞和中性粒細胞。ILC3是存在于小腸和結腸固有層內的固有免疫細胞，具有維持腸道穩態、抵御腸道病原體等功能，是IL-22的主要來源。腸上皮受損后，ILC3被激活并產生IL-22，從而促進組織修復[3]。IL-22受體選擇性地表達于非造血細胞(如上皮細胞)。

IL-23、IL-6、IL-2、IL-18、IL-1β和轉化生長因子-β(TGF-β)等細胞因子對IL-22起著重要的調節作用[4-5]。IL-22通路的調節還可通過其天然抑制劑IL-22結合蛋白(IL-22BP)，其以高親和力結合IL-22并中和其活性。IL-22BP由樹突狀細胞(DC)、嗜酸性粒細胞和CD4+T細胞產生[6]。

芳烴受體(AhR)是一種細胞質轉錄因子，可促進Th17細胞和ILC產生IL-22，在腸黏膜免疫中起著關鍵作用。色氨酸代謝物包括犬尿酸和吲哚衍生物，是AhR的重要配體，對于抵抗病原微生物定植和維持腸道免疫穩態至關重要[2,7]。

3.2 IL-22的信號轉導和功能

在腸上皮中，信號轉導與轉錄激活因子3(STAT3)通路的激活介導了IL-22主要的下游信號轉導，磷酸化的STAT3轉移至細胞核，激活參與細胞增殖、存活和黏膜防御的基因。STAT3活化在維持分化型腸上皮細胞和干細胞的存活中發揮著重要作用。IL-22/STAT3信號通路介導的生物學過程與宿主防御、腸道炎性反應、代謝紊亂(如糖尿病、肥胖癥)和腫瘤的發生等密切相關。

IL-22是一個有爭議的細胞因子，其在許多組織中兼具抗炎和促炎作用，這可能取決于其所處的微環境。IL-22可以保護和促進組織再生，在許多臨床疾病(如肝炎、胰腺炎、傷口愈合、IBD和GVHD)模型中，外源性給予IL-22具有治療作用[8-9]。臨床試驗顯示，激活IL-22通路的藥物對IBD患者有益[10]。此外，IL-22也是一種有效的氧化應激和內質網應激抑制劑，可恢復胰島素分泌、改善高血糖誘發的肥胖癥[11]。然而，另有研究表明，IL-22水平在許多疾病(如銀屑病、棘皮癥和類風濕關節炎)中均有上調，特別是在與其他細胞因子如IL-17和干擾素-γ(IFN-γ)協同作用時，可促進這些疾病的進展[7]。在一項關于特應性皮炎(AD)的Ⅱ期臨床試驗中，給予IL-22抗體可以起到緩解疾病的作用[12]。此外，IL-22還可能通過激活STAT3來促進腫瘤(如結腸癌)的生長[13]。

4 IL-22、干細胞與腸黏膜屏障

多項研究已證明IL-22在維持腸道穩態、抵御病原微生物、保護腸黏膜屏障方面起著重要的作用。IL-22/STAT3信號通路可調控腸道干細胞再生、促進潘氏細胞分泌抗菌肽，并可促進杯狀細胞增殖、分泌黏蛋白，對于腸黏膜屏障功能的維護發揮了重要作用[14-16]。

目前多數學者認為IL-22通過促進腸道Lgr5+干細胞的增殖來維護腸道健康[8]。這種保護作用在腸上皮急性自限性損傷動物模型中尤為明顯，如葡聚糖硫酸鈉(DSS)、化學治療藥物甲氨蝶呤導致的急性腸炎[3]。小鼠經同種異體骨髓移植后，給予IL-22治療可促進腸道干細胞恢復，減輕GVHD腸道病理變化，降低死亡率；在培養腸類器官時，向培養基中添加IL-22可誘導干細胞STAT3磷酸化，促進干細胞增殖，這種作用是獨立于潘氏細胞及Notch、Wnt信號轉導的[8]。

腸上皮表面的黏液層可將腸腔內細菌與腸壁分隔開，對腸上皮起到重要的保護作用。有研究表明，高脂飲食喂養會損傷腸道杯狀細胞，減少黏蛋白和黏液的分泌，進而破壞黏液屏障，而IL-22可逆轉該變化[11]。纖維飲食可通過介導腸道微生物群誘導IL-22分泌以抵御微生物群的侵襲，并可預防高脂飲食誘發的代謝綜合征[17]。

腸道內代謝物可影響IL-22水平，進而影響腸黏膜屏障功能。研究表明，腸道色氨酸代謝異常可減少AhR配體的產生，進而導致IL-22分泌減少，腸黏膜屏障功能受損[18]。此外，乳桿菌的代謝產物可通過AhR刺激固有層淋巴細胞分泌IL-22，然后誘導STAT3磷酸化以加速腸上皮細胞的增殖[2]。IBD患者的IL-22BP水平顯著升高，可能在腸道炎性反應中發揮了一定的致病作用[19]。因此，IL-22被認為是理想的IBD治療靶標[20]。

然而，IL-22對腸上皮細胞的有益作用尚存在爭議。有研究表明采用抗體中和IL-22的方法可減輕結腸上皮細胞的內質網應激，從而減輕結腸炎的嚴重程度[21]。此外，一些IBD的臨床前模型表明IL-22可能是疾病的致病因素[22]。IL-23是IL-22重要的上游細胞因子，在IBD的臨床研究中采用單抗中和IL-23似乎有改善疾病的作用[23]。另有研究表明，高水平的IL-22可激活STAT3通路，促進TA細胞增殖，同時可抑制腸上皮細胞中的Wnt、Notch通路，抑制腸道類器官的細胞分化并導致腸道干細胞的自我更新缺陷，最終導致類器官死亡[14]。上述研究結果可能可以解釋盡管一部分IBD患者的IL-22分泌明顯增加，卻仍難以實現黏膜愈合[24]。由此可見，IL-22在腸上皮細胞中的作用較為復雜，對所有IBD患者均采用激活IL-22通路的治療方法可能并不都是有益的。

5 結語

腸黏膜屏障的完整性是腸道吸收營養物質、抵御病原體入侵、維持黏膜免疫所必需的。腸上皮再生對于腸道穩態的維持和腸黏膜屏障的修復至關重要，這一過程是通過腸道干細胞的持續增殖和分化來實現的。細胞因子IL-22對腸道干細胞和腸黏膜屏障功能的作用較為復雜，多數學者認為IL-22可通過激活STAT3通路促進腸道干細胞增殖、增強黏膜防御功能、維持腸黏膜屏障。然而，IL-22可引起腸上皮細胞內質網應激，具有促炎作用，可誘導腸道干細胞凋亡，在某些情況下可能是IBD的致病因素。綜上所述，IL-22兼具促進和抑制腸黏膜屏障修復的作用，其作為一種潛在的治療劑，可促進黏膜愈合，這可能需要精確的調控。