腸道菌群及其代謝產物在炎癥性腸病腸道屏障中的作用

李靜 蔣春明,2

1.浙江中醫藥大學第四臨床醫學院，浙江杭州 310053；2.浙江大學醫學院附屬杭州市第一人民醫院兒科，浙江杭州 310006

炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）是一種病因尚不明確的慢性胃腸道炎癥性疾病，主要分為克羅恩病（Crohn’s disease，CD）和潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）兩種臨床類型。流行病學數據表明，IBD 的發病率和患病率在世界范圍內呈上升趨勢，且發病呈年輕化態勢，已成為一種亟待研究的全球性疾病。研究表明腸道菌群在調控腸道屏障方面具有重要作用，深入研究腸道菌群及其代謝產物在IBD 腸道屏障中的作用，了解與其相關的通路與機制，可為研究腸道菌群靶向治療IBD提供依據和線索。

1 IBD 患者腸道屏障改變

1.1 黏液屏障——黏液層

腸道黏液屏障位于腸上皮和腸腔微生物之間，主要結構是由杯狀細胞分泌的黏蛋白2（Muc2）。最新研究發現，杯狀細胞存在兩種分化軌跡，分為隱窩間杯狀細胞（intercrypt GC，icGC）和隱窩杯狀細胞。隱窩杯狀細胞產生的黏液羽（mucus plume）覆蓋于隱窩表面，對保護隱窩底部干細胞微環境的穩定性起重要作用。icGC 具有獨特的轉錄譜，可產生滲透性黏液，填補隱窩開口分泌的黏液羽之間的空間區域，阻擋大分子細菌接觸腸上皮且有助于營養物質的滲透吸收。活動期和緩解期UC 患者均表現為icGC 數量減少和黏液組織改變，提示icGC 及其形成的黏液在腸道屏障中發揮重要作用。杯狀細胞分泌黏液可受到Foxo1 的調節。Foxo1 缺陷的杯狀細胞會發生自噬缺陷，導致Muc2 分泌減少，腸黏液層變薄，腸道菌群移位，引起菌群紊亂，其中共生菌群中產短鏈脂肪酸（short–chain fatty acid，SCFA）的菌群減少，破壞腸上皮緊密連接，增加對腸道炎癥的易感性。

1.2 機械屏障——上皮層和細胞間連接復合物

腸道機械屏障主要由排列整齊的上皮細胞和細胞間連接復合物組成。連接復合物包括緊密連接、黏附連接和橋粒，其中緊密連接是決定細胞旁通透性的主要因素。緊密連接由跨膜蛋白、支架蛋白（如ZO 家族）、胞質斑塊和調節蛋白組成。以上細胞及細胞間連接復合物構成機械屏障，其主要功能是限制腸腔內的致病菌毒素和抗原的滲透，在細胞旁途徑、跨細胞途徑介導下吸收腸腔內的水、電解質和營養物質。當上皮細胞損傷時，機械屏障通透性大大增加，腸腔內如大分子蛋白質、致病菌可通過破損的機械屏障進入固有層，誘導結腸炎的發生。腸上皮細胞更新大概4～7d。腸上皮細胞凋亡、脫落增加與腸屏障功能障礙和IBD 發展有關，而生理性細胞脫落可在不損害屏障功能的情況下更新上皮層。當腸上皮細胞Pggt1b 基因缺失時，可引起GGTase1表達下降，RAC1 為GGTase 靶點，參與細胞骨架動力學和上皮細胞脫落，RAC1 功能受損可導致細胞過度擁擠和上皮滲漏，從而誘發慢性腸道炎癥。

1.3 免疫屏障——腸道免疫系統

腸道免疫屏障破壞是IBD 重要的發病特征。正常的腸道免疫可抵御病原體入侵，但持續、異常的免疫反應會損傷腸壁。研究發現，IBD 患者中先天性免疫和適應性免疫均有異常表現，且UC 和CD 的免疫學特征具有差異。Mitsialis等通過對正常人、UC 和CD 患者的血清及腸道的單細胞分析發現，UC和CD 具有不同的免疫學細胞特征，具體表現為UC患者腸黏膜以白細胞介素–17A（interleukin–17A，IL–17A）CD161效應T 細胞、IL–17A調節性T 細胞（regulatory T cell，Treg 細胞）、HLA–DRCD56粒細胞增加和3 型天然淋巴細胞（innate lymphoid cell，ILC）減少為特征；而 CD 患者腸黏膜以IL–1βHLA–DRCD38T 細胞、IL–1βTNFIFNg原始B 細胞、IL–1β樹突狀細胞（dendritic cell，DC）和IL–1β髓樣DC 為特征。血清單細胞分析發現，與UC 患者相比，CD 患者IL–1βTreg 細胞、IL–1β髓樣DC 和IL–1β單核細胞增加，而1 型ILC 減少。既往觀點認為IBD 適應性免疫紊亂主要是由T 細胞介導，最近有研究發現B 細胞也發揮重要作用。腸黏膜固有層中的B 細胞接收來源于DC 抗原呈遞的信號，分泌免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IgA），抵抗病原體的入侵，為黏膜免疫的重要組成部分。Nagaishi等通過CRISPR/Cas9基因組編輯系統獲得IgA 缺陷小鼠，發現IgA小鼠回腸表現出自發性炎癥，而胃腸道的其他部分沒有表現。回腸相應炎癥部位免疫細胞活性增強，其中固有層CD4T 細胞顯著增加；促炎細胞因子γ–干擾素（interferon–γ，IFN–γ）和IL–17 增加；腸道微生物群失去平衡，絲狀菌數量增加，提示IgA 可通過調節腸道菌群和抑制腸道炎癥來維持腸道穩態，IgA小鼠有望成為CD模型。

1.4 微生物屏障——腸道菌群

1.4.1 腸道菌群的生理作用 腸道菌群主要由厚壁菌門、擬桿菌門組成，其次是放線菌門、變形菌門、梭菌門、疣梭菌門，構成獨一無二的腸道微生態系統。腸道菌群構成微生物屏障，通過競爭營養、分泌抑菌素等抵御機會致病菌的定植，維護腸道穩態。此外，腸道菌群通過代謝難以消化的化合物，提供宿主所必要的營養，在宿主代謝和免疫系統的發育中發揮重要作用。

1.4.2 腸道菌群可調控腸道屏障 腸道菌群的組成與黏液屏障形成有相關性，但具體機制尚不清楚，可能與糖基轉移酶的差異性表達有關。Muc2 單體在內質網中形成二聚體，然后在高爾基體中被O–糖基化，在反面高爾基網中，Muc2 二聚體形成三聚體，包裝在分泌囊泡內。Muc2 主要特征是糖基化修飾。研究發現，在活動性UC 患者中，Muc2 的O–糖基化譜發生改變，變化幅度與炎癥嚴重程度相關。

目前尚不清楚腸道菌群的組成如何調節腸道免疫，但有研究表明，某些特定菌株可通過介導某些免疫細胞亞型的發育調節免疫反應。如IBD 患者腸道放線菌（菌）可產生強心苷還原酶，解除對Th17 轉錄因子Rorγt 的抑制以非依賴性抗原機制激活Th17，分泌IL–17a。另外，研究發現腸道菌群對機體特異性免疫的誘導并不局限于腸道內，腸道DC 可將微生物抗原從腸道運輸至胸腺，誘導胸腺內特異性T 細胞擴增，從而增強對腸道病原體的識別和清除能力。

1.4.3 菌群紊亂是IBD 的發病關鍵 當物理屏障、化學屏障、黏液屏障受損時，腸道菌群可穿透屏障，進入固有層，誘導異常的免疫反應。Muc2 基因變異小鼠可抑制腸道杯狀細胞內質網應激，引起黏液分泌減少和蛋白錯誤折疊增加，在無菌條件下即能引起輕度自發性結腸炎，腸道菌群存在時可引起嚴重且持續的結腸炎。菌群紊亂可破壞腸道屏障，造成組織損傷。IBD 患者的一個典型特征是腸道菌群失調，表現為變形菌門、梭桿菌屬等豐度增加，而和等細菌豐度普遍降低或缺乏。和作為產SCFA 菌，SCFA 與上皮生長、黏液分泌、免疫調節都有相關性，因此產SCFA 菌減少會破壞腸道屏障。

綜上，腸道菌群與腸道屏障在IBD 發病機制中起著至關重要的作用。

2 腸道菌群代謝產物在IBD 腸道屏障中的作用

2.1 膽汁酸

膽汁酸的改變已被證明可影響腸道穩態，這可能是導致IBD 發病的關鍵機制。初級膽汁酸經腸道菌群代謝可轉變為次級膽汁酸脫氧膽酸和石膽酸（lithocholic acid，LCA），Hang等通過將LCA 的兩種不同衍生物3–oxoLCA 和isoalloLCA 作為T 細胞調節劑發現，3–oxoLCA 可直接抑制Th17 細胞關鍵轉錄因子RORγt（視黃醇受體相關的孤兒受體γt）的活性而抑制Th17 細胞分化，isoalloLCA 通過產生線粒體活性氧增強Treg 細胞分化，導致Foxp3 表達增加，提示膽汁酸代謝物可通過直接調節Th17 和Treg 細胞的平衡以控制宿主免疫反應。進一步研究發現，人類腸道內將LCA 轉化為3–oxoLCA 和異石膽酸的酶為3α–羥類固醇脫氫酶（3α–hydroxysteroid dehydrogenase，3α–HSD）和3β–HSD，而在IBD 患者中3–oxoLCA、異石膽酸及3α–HSD 水平顯著降低，提示膽汁酸代謝物調節Th17/Treg 細胞功能與IBD發病有關。此外，腸道干細胞可分化為不同類型的細胞，如腸上皮細胞、杯狀細胞、潘氏細胞等，膽汁酸可結合TGR5 激活腸道干細胞，促進腸道再生，直接或間接參與腸道屏障的形成，保護小鼠免受結腸炎的侵襲。

2.2 丁酸鹽

活動期UC 患者的丁酸鹽水平降低，而緩解期UC 患者糞便中丁酸鹽水平恢復，提示丁酸鹽在UC發病中具有重要作用。丁酸鹽主要通過以下機制調控腸道屏障。①調節黏液屏障：丁酸鹽可通過M2型巨噬細胞提高杯狀細胞Muc2 和SPDEF基因表達，當阻斷M2/WNT/ERK1 信號時，可顯著降低丁酸鹽對杯狀細胞Muc2 的分泌，因此丁酸鹽通過激活M2/WNT/ERK 信號通路促進腸道黏液屏障的修復。②調節機械屏障：丁酸鹽通過組蛋白脫乙酰酶抑制機制調控腸上皮細胞肌動蛋白相關蛋白突觸素（actin–associatedproteinsynaptopodin，SYNPO）表達，SYNPO 位于腸上皮內和F–肌動蛋白應力纖維緊密連接，對屏障完整性和細胞運動至關重要。當丁酸鹽缺乏時，SYNPO 表達減少，機械屏障受損和通透性增加。③調節免疫屏障：丁酸鹽可通過調控Treg 細胞、CD4T 細胞、ILC、Th1、中性粒細胞、巨噬細胞等免疫細胞，增加IL–10、IL–22 分泌，減輕腸道炎癥反應，維持腸道免疫穩態。④調節微生物屏障：丁酸鹽由產SCFA 的腸道菌群代謝產生，可反作用于腸道菌群，影響其組成和代謝。丁酸鹽可抑制擬桿菌屬菌群生長，該作用具有菌株和聚糖類型差異。擬桿菌對丁酸鹽的敏感性與其酰基輔酶A 代謝有關。酰基輔酶A 轉移酶可將丁酸鹽轉化為有毒代謝物丁酰輔酶A，而酰基輔酶A 硫酯酶可減少丁酰輔酶A 的積累。因此，擬桿菌屬在人腸道中的豐度與酰基輔酶A 和丁酸鹽的代謝水平相關。

綜上所述，腸道菌群代謝產物丁酸鹽的水平，對IBD 發病及治療起重要作用。通過飲食療法或補充丁酸鹽治療IBD，目前正處于探索階段。

3 展望

IBD 是一種慢性腸道炎癥性疾病，由于發病機制不明，目前尚無靶向治療藥物。腸道菌群作為其重要病因，可通過多種不同途徑參與IBD 發病機制。本文通過綜述腸道菌群及其代謝產物膽汁酸和丁酸鹽與腸道屏障之間在IBD 的研究進展，為今后腸道菌群及其代謝產物靶向療法提供理論依據。