腸屏障功能障礙發病機制的研究進展

雷泓，宋云林

(1.新疆醫科大學第一附屬醫院重癥醫學中心，烏魯木齊 830054; 2.新疆克拉瑪依市中心醫院麻醉科，新疆 克拉瑪依 834000)

腸道作為人體重要的消化器官，是抵御非特異性感染的第一道防線，它具有強大的內分泌和免疫防御作用；其次，腸腔內有大量的細菌和毒素，因此腸道對于人體還是一個潛在的感染源。生理條件下，腸道在保證消化吸收營養物質、交換水和電解質等基本功能的同時還可以阻止有害微生物及其代謝產生的毒素等有害物質轉移到組織器官中，從而維持內環境的動態平衡[1]。腸屏障功能障礙是指由于各種原因導致腸道內微生物區系失調、腸道通透性改變以及腸黏膜結構的損傷，從而引起細菌和有毒產物易位進入血液循環引起全身炎癥。很多疾病過程中均會伴隨或導致腸屏障功能障礙，如顱腦損傷[2]、應激[3]、燒傷[4]、炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)[5]、多發性硬化癥[6]、慢性腎臟病[7]、精神分裂癥自閉癥等[8]。在臨床上，尤其是危重患者，往往均存在腸道屏障功能障礙，且與患者的預后和轉歸相關。因此，臨床醫師應深入認識腸道屏障功能障礙發生的機制，以便進行早期預防和積極診治。雖然目前已有許多研究明確了引發腸屏障功能障礙的危險因素，但其發生機制錯綜復雜，仍需進一步深入研究。現就腸屏障功能障礙發病機制的研究進展予以綜述，以為臨床腸屏障功能障礙的診治提供新思路。

1 腸屏障的組成及功能

1.1機械屏障 腸上皮細胞是構成腸屏障的基本框架，也是腸道與內環境之間的物理屏障。腸上皮細胞在胃腸道內排列成厚約20 μm的單層柱狀層，形成人體最大和最多樣化的黏膜表面；腸上皮細胞是一種特殊的極化細胞，其形成的動態機械屏障將位于其下方的淋巴組織與腸腔分開。腸上皮細胞每隔4～5天就會不斷地由位于腸道隱窩基底部的腸道干細胞增殖補充[9]。

腸上皮細胞之間不是密閉的，而是存在縫隙，縫隙間被緊密連接填充。閉鎖小帶蛋白1和連接黏附分子、claudins、occludin、tricellulin四類跨膜蛋白共同組成緊密連接，其構成了防止腸道內細菌和毒素發生轉移的重要屏障。緊密連接具有選擇滲漏性和動態變化性，可以限制離子的隨意擴散及腸腔內細菌和毒素從頂端向基底側膜區的移位[10]。緊密連接受鈣黏蛋白、磷脂酶C、蛋白激酶A、酪氨酸激酶、促分裂原活化的蛋白激酶和肌球蛋白輕鏈激酶等多種蛋白的調節，其中肌球蛋白輕鏈激酶起關鍵作用。

1.2化學屏障 腸黏膜化學屏障也叫黏液層，是指腸道細菌駐留產生的抗菌物質及胃酸、膽汁、消化酶、溶菌酶、黏蛋白(mucoprotein，MUC)等能抑制細菌黏附和定植的化學物質的總稱。其能使腸腔內細菌與腸上皮細胞分離，同時允許營養成分吸收。黏液層主要由MUC骨架和復雜的O-連接低聚糖修飾而成，它可以限制胃腸道組織與微生物區系的接觸，并潤滑腔內容物，以防止胃腸道組織被降解。隨著杯狀細胞的不斷分泌，這些糖蛋白聚集體水合并膨脹，形成網狀凝膠。小腸只有一層黏液層，而結腸黏液層有三層，最外層的黏液層密度和黏性最小。內層黏液層是糖萼，其中MUC附著在細胞膜上；中間層主要由MUC2組成；外層是由內層蛋白水解和置換而形成[11]。

MUC是一種高度O-糖基化的蛋白質，在腸上皮表面形成聚合網絡。它們可分為兩組：由杯狀細胞產生的分泌型、凝膠型MUC(MUC2、5AC、5B和6)和膜相關的MUC(MUC1、3、4、13和17)，均由頂膜的杯狀細胞和吸收細胞分泌[12]。MUC2是黏液的主要成分，也是產生有效黏液層的關鍵。研究發現，MUC2基因敲除小鼠自發結腸炎，對腸道病原體的抵抗力降低[13]。此外，也有學者認為黏液層分為內外兩層，腸道共生微生物群通常局限于由MUC2的蛋白水解和糖苷降解形成的外部“松散”黏液層內，而內部“黏附”黏液層基本沒有微生物定植[12]。

1.3生物屏障 微生物群自然定居在人體與外界環境相互作用的每一個表面，如皮膚、泌尿生殖道、胃腸道和呼吸道，其中胃腸道是所有器官中定植最嚴重的器官。人的胃腸道中有1 000多種細菌，這些微生物在人出生后就定植于腸道中，并長期與機體形成互惠共利的平衡關系。微生物群被認為是一種宿主屏障元件，它與腸道上皮細胞以及基本的免疫和神經系統密切相互作用，包括細菌-腸-腦軸[14]。同時，腸道微生物群還可以產生活性代謝產物，如三甲胺-N-氧化物、短鏈脂肪酸和膽汁酸，這些均可以擾亂宿主正常的生理狀態[15]。

1.4免疫屏障 腸道相關淋巴組織是腸屏障的重要組成部分，分布于啟動免疫反應的淋巴結構(主要為淋巴濾泡、Peyer氏斑和腸系膜淋巴結)及散布于腸黏膜上皮和固有層的效應細胞[16]。來自腸神經元的神經介質通過直接刺激腸上皮細胞或通過腸膠質細胞、免疫細胞的中間作用來調節腸上皮屏障的完整性。腸道相關淋巴組織處于腸黏膜表面的關鍵部位，發揮著監視、非特異性免疫和特異性免疫的作用。其中，非特異性免疫是抵御腸道黏膜中潛在有害物質的第一道免疫防線，其特點為缺乏免疫記憶，主要參與成分為腸上皮細胞、杯狀細胞和帕內特細胞，以及上皮下中性粒細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞、嗜酸粒細胞和肥大細胞。這些免疫細胞對宿主防御至關重要，也是免疫介導的腸道疾病的主要驅動力[17]。

2 腸屏障功能障礙發生的機制

腸屏障功能障礙發生的機制目前尚未完全清楚。許多因素均參與了腸屏障功能障礙發生發展的過程，如神經內分泌介質[18]、缺血再灌注[19]、氧自由基[20]、炎癥因子[21]、腸上皮細胞自噬[22]以及遺傳因素[23]等。

2.1缺血再灌注損傷 缺血再灌注損傷是指組織缺血一段時間重新恢復灌注后，組織的功能代謝障礙和結構破壞不僅不會減輕，反而會迅速加劇，甚至發生不可逆性損傷的現象。各種原因引起的全身血容量不足，會使機體組織器官缺氧。在燒傷、失血性休克所致的腸屏障功能障礙中，缺血缺氧是主導因素。缺血再灌注損傷會引起腸道通透性增加以及腸道內細菌易位，從而導致腸屏障功能障礙。此外，腸缺血再灌注損傷過程會釋放大量的炎癥介質和細胞因子入血，導致多器官功能衰竭，甚至引起患者死亡[24-25]。Gharishvandi等[26]研究表明，5-羥色胺、降鈣素基因相關肽、氧化應激因子和促炎細胞因子在缺血再灌注引起的腸損傷中可能發揮作用。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是細胞中的轉錄調控因子，主要參與調節細胞對外界刺激的反應，在生命活動中發揮重要的調控作用[27-28]。大鼠體內實驗表明，在缺血再灌注損傷過程中，NF-κB途徑中相關蛋白會有不同程度的變化，從而增強局部組織對損傷的抵抗力，形成機體對外界的保護性反應機制[29]。同樣在大鼠體內，有研究表明丙泊酚可能通過調節NF-κB途徑來實現對腸缺血再灌注損傷的保護作用[30]。

2.2氧化應激 氧化應激是由于細胞和組織中活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的產生和積累，以及生物系統對這些ROS的解毒能力之間的不平衡(即氧化劑的產生與抗氧化劑之間的失衡)而引起細胞和組織損傷的一種現象[31]。腸道作為人體面積最大的消化器官，擁有豐富的血管，其新陳代謝非常活躍，因此也極易受到氧化應激的影響。

ROS包括羥自由基、超氧陰離子自由基、過氧化氫以及單線態氧，線粒體代謝是ROS的一個重要來源。蛋白質磷酸化、轉錄因子的激活、細胞凋亡、免疫反應和組織分化等過程均依賴于細胞內適當ROS的產生和存在，但是需要保持在較低的水平[32]。當ROS產量增加時，它們會對重要的細胞結構(如蛋白質、脂質和核酸)產生有害影響[33]。在腸屏障損傷過程中，氧化應激主要通過破壞腸上皮細胞間緊密連接復合體而影響腸屏障功能。氧化應激反應中，過量ROS的產生和積累會刺激炎癥因子釋放并激活多種信號通路，促進炎癥反應，進而引起腸黏膜屏障功能的損害。核轉錄因子紅系2相關因子2作為一種重要的細胞保護性轉錄因子，是抗氧化防御反應的主要調節因子，它可以促進多種抗氧化酶(如谷胱甘肽和過氧化氫酶)的轉錄，降解與氧化應激反應有關的基因[34]。

2.3腸道微生物群失調 腸道是人體內最大的消化器官之一，寄居著大量微生物，包括細菌、真菌、病毒、原生生物等，其中細菌的數量最多，也是維持腸道環境動態平衡的主要微生物[35]。腸道微生物群不是共生菌和病原體的靜態組合，而是一個高度動態的生態體系，它能夠迅速適應環境變化，如新的飲食、藥物或病理生理狀態。正常的微生物菌群能夠保護宿主免受病原微生物的侵襲，為腸道細胞提供營養，促進機體能量代謝，維持微量營養素的穩態。腸道微生物群在塑造免疫系統和維持免疫動態平衡方面起重要作用，而3種主要細菌代謝產物(短鏈脂肪酸、膽汁酸和色氨酸代謝物)在維持腸上皮完整性中起重要作用[36]，其中短鏈脂肪酸不僅是宿主的能源，也是腸上皮細胞和免疫細胞生理功能的調節器，而丁酸可以作為燃料和細胞周期誘導劑促進腸上皮細胞的增殖，且具有抗炎和抗氧化的潛力。微生物群種的改變或移位會使免疫和代謝穩態改變，從而引起腸道功能受損。

腸道菌群中信號分子的變化可能也是菌群失調導致腸道疾病的一個機制。定植于腸道的微生物區系與組成適應性免疫系統的派爾集合淋巴結相互作用，在免疫防御啟動方面起重要作用[37]。節段性絲狀細菌是小鼠或大鼠腸道內的眾多共生細菌之一，大部分附著在回腸內皮細胞上，它可以誘導腸上皮細胞產生血清淀粉樣蛋白A，后者有強烈促進固有層中輔助性T細胞17(helper T cell 17，Th17細胞)分化的作用[38-39]，而Th17細胞分泌的白細胞介素(interleukin，IL)-17可以誘導腸上皮細胞分泌抗菌肽和再生胰島衍生蛋白3γ，有助于抵抗腸道細菌感染[40]。

2.4免疫失調 腸道的非特異性免疫反應由附著在腸上皮細胞、肥大細胞表面的模式識別受體觸發。模式識別受體可以識別微生物表面的病原體相關分子模式，從而誘導炎性病灶定位感染，防止病原體的系統性傳播。模式識別受體激活NF-κB信號通路，觸發炎癥級聯反應，釋放多種炎癥因子，引起腸道的持續性損傷，進而導致腸道炎癥性疾病的發生。同時，模式識別受體也被證明參與上皮細胞增殖、緊密連接的維持和免疫球蛋白的產生[41-42]。免疫細胞通過IL-23/IL-23受體途徑產生細胞因子IL-22，促進上皮細胞表達抗菌肽[43]。有研究表明，IL-22的缺乏會導致結腸微生物區系組成的改變，從而導致對葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎的高度易感性[44]。

腸道的免疫調節與微生物區系密切相關，腸道微生物區系很大程度上影響了宿主免疫系統的表型和功能，如無菌小鼠存在許多免疫缺陷，包括T細胞分化和T細胞在腸道積聚受損[45-47]，免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)A和抗菌肽的產生分泌均減少，全身性IgE水平升高[48-49]。然而，這種免疫缺陷可以通過給予來自小鼠和人類捐贈者的糞便微生物區系，或它們衍生的細菌菌株而逆轉。目前，已有研究者以腸道微生物區系與免疫功能之間的相互關系為靶點，開發新的制劑以便有針對性地塑造免疫功能。

谷氨酰胺作為腸黏膜細胞的唯一能源物質，在腸黏膜細胞的增殖、免疫細胞的分化以及調控免疫應答等方面均發揮重要作用[50]。有研究表明，老年重癥胰腺炎患者使用谷氨酰胺作為腸內營養物質對其腸道菌群有一定調節作用,可較好地抑制菌群繁殖，從而改善腸黏膜屏障功能[51]。

2.5自噬 自噬是由溶酶體介導的細胞降解過程，組織分化、創傷、氧化應激、內質網應激等應激條件均可誘發自噬，自噬對于細胞的生長、發育和維持內環境穩態均必不可少。近年有學者提出了一種新的細胞死亡類型，即“無約束自噬細胞死亡”，這意味著無約束自噬會引起細胞死亡，從而對機體產生負面影響[52]。許多復雜的機制均參與調控自噬的啟動及終結，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)作為細胞生命活動的重要調節因子，在細胞自噬的開啟中發揮關鍵作用。在某些應激源的作用下，mTOR失活，會導致自噬小體的生物發生和自噬的啟動[53]。腸缺血再灌注后，腸黏膜自噬明顯增強，而抑制自噬可通過激活mTOR信號通路減輕缺血再灌注引起的腸損傷[54]。

自噬可以通過抑制促炎復合物或增強受損細胞器的清除來保護腸上皮細胞免受過度的炎癥刺激[55-56]。由于自噬在細胞和組織的動態平衡中起重要作用，因此其是一種有益的生命過程。自噬受損在腸黏膜的每種細胞類型中具有不同的表型效應，如可以增強ROS的產生、激活炎癥小體、增強Th17細胞反應和促進IL-1β的產生等[57]。帕內特細胞很容易受到自噬受損的影響，研究發現，缺失自噬相關基因(autophagy related gene，ATG)4B小鼠的腸道帕內特細胞的免疫分泌功能會受到抑制[58]。此外，在葡聚糖硫酸鈉誘導的ATG缺失的小鼠結腸炎模型中，杯狀細胞的丟失明顯，說明自噬參與調節杯狀細胞[59]。

截至目前，已有30多個ATGs在哺乳動物中被發現，其中ATG16L1在腸上皮細胞的動態平衡中發揮重要作用[23]；同樣，IBD的易感基因也包括ATG16L1。

2.6遺傳及環境因素 眾所周知，在基礎病變的基礎上，IBD也會引起腸黏膜屏障功能障礙。IBD的病因復雜，但有證據表明免疫因素、遺傳和環境因素共同促進了IBD的發生發展[24]。全基因組關聯研究普遍用于鑒定與IBD相關的基因變異，到目前為止已經確定了230多個與IBD相關的位點，且最新進展已經確定了罕見的致病基因變異。這些致病基因變異會導致機體表現出IBD樣的腸炎，但也只是解釋了IBD遺傳性的少部分原因[60]。其中，破壞帕內特細胞功能的基因多態性被認為在潰瘍性結腸炎的發生中起關鍵作用[61-62]。與IBD發生發展相關的環境危險因素包括污染、藥物、受教育程度、精神心理因素、飲食等。研究顯示，IBD的發生和發展與遺傳和環境因素密切相關；多因素Logistic回歸分析顯示，在IBD的發生過程中，有遺傳家族史、長期攝入牛奶、生活工作壓力大、精神高度緊張、腸道感染性疾病患者IBD的發病率較高[63]。其中，精神壓力對IBD發病產生的影響，可能與機體的神經調節有關。目前研究已經明確吸煙對腸道微生物區系、腸道免疫活性和基因轉錄的普遍影響。

3 小 結

腸屏障功能障礙并非獨立存在的癥狀，它是其他疾病的伴隨癥狀或誘因。在危重癥患者中，腸屏障功能障礙若不及時干預，可能會加重原發疾病甚至引起多器官功能障礙綜合征，從而危及患者生命。對于腸屏障功能障礙，臨床工作中不僅要考慮原發疾病的影響，更要結合腸道自身的病理生理情況。在腸屏障受損過程中，其功能障礙發生的病理機制復雜，而且各種機制往往相互交錯且相互影響。因此，臨床診治腸屏障功能障礙時，應全面分析，有針對性地進行診療。對于腸屏障功能障礙的發生發展機制，未來需開展更多分子層面的研究，以減少其對危重癥患者帶來的不良后果。