基于線粒體功能及能量代謝探討潘氏細胞與腸道干細胞的交互作用及中醫藥作用的可能靶點研究進展

羅國樑，張馨丹，唐太春，朱焰，汪淑婷，陳敏

610072 四川省成都市，成都中醫藥大學附屬醫院/臨床醫學院

19世紀70年代，腸隱窩底部發現了腸隱窩基底柱狀細胞（crypt-base columnar cells，CBCs），這是腸道干細胞的首次提出［1］。BARKER等發現CBCs高水平表達富含亮氨酸重復序列的G蛋白偶聯受體5基因（Lgr5），對表達Lgr5的CBCs的遺傳譜系追蹤表明，這些細胞在小鼠中具有長期的自我更新能力和多潛能，因而將CBCs定義為真正的腸道干細胞池［2］。在腸隱窩內，不斷分裂的干細胞產生祖細胞（過渡擴增細胞），并迅速增殖且向上移動，最終成為成熟的腸上皮細胞（腸內分泌細胞、潘氏細胞、杯狀細胞等），干細胞持續分化維持上述細胞的更新［3］。潘氏細胞在分化后向下遷移，在隱窩底部持續存在1個月或更長時間［4］。在結構上，潘氏細胞與腸道干細胞相間分布，其可以分泌多種抗菌類物質（防御素、再生胰島衍生蛋白3、溶菌酶等）抵御腸道微生物的入侵［5-6］，還可產生多種信號因子，如表皮生長因子、Notch和Wnt配體，促進干細胞增殖和分化［7］。腸道干細胞和潘氏細胞彼此相互協作，共同維持腸道穩態。

越來越多的研究表明，腸道干細胞及其分化的各類細胞具有不同的能量代謝特征。潘氏細胞更傾向于較高的糖酵解，潘氏細胞中的糖酵解提供乳酸以驅動并維持腸道干細胞中線粒體氧化磷酸化的增強，促進腸道干細胞的分化，抑制腸道干細胞的線粒體活性或抑制潘氏細胞的糖酵解強烈影響干細胞的功能［4，8-9］。因此，線粒體相關的能量代謝變化也是影響腸道干細胞與潘氏細胞之間的交互作用的通道之一。炎癥性腸病（inflammatory bowel diseases，IBD）目前仍無治愈方法［10］，但中醫藥對治療該病有較好的療效，同時，現已有較多研究驗證了中醫藥在治療上述疾病過程中對于線粒體及能量代謝調控的作用機制。本文基于線粒體功能及能量代謝探討腸道干細胞與潘氏細胞的交互作用，并探索中醫藥基于該交互作用治療炎癥性腸病的可能靶點。

本文文獻檢索策略： 計算機檢索PubMed、中國知網、萬方數據知識服務平臺等數據庫，檢索時間設定為建庫至2023年4月，中文檢索詞包括“線粒體”“能量代謝”“潘氏細胞”“腸道干細胞”“中醫藥”“炎癥性腸病”，英文檢索詞包括“Mitochondria”“Energy Metabolism”“Paneth Cells”“Intestinal Stem Cells”“Chinese medicine”“Inflammatory Bowel Diseases”。納入標準：文獻內容涉及線粒體能量代謝對潘氏細胞及腸道干細胞的影響、中醫藥調控能量代謝治療IBD。排除標準：與本文主題無關聯、質量差、無法獲得全文的文獻。最終納入文獻37篇。

1 線粒體及能量代謝調節腸道干細胞增殖分化并促進腸道干細胞與潘氏細胞的交互作用

1.1 線粒體及能量代謝調節腸道干細胞增殖及分化

腸道干細胞的特征是具有活躍的代謝活動［11］，線粒體作為能量中心，其通過能量代謝可顯著影響腸道干細胞的增殖分化，主要通過以下途徑實現。

1.1.1 線粒體、糖酵解相關因素調控腸道干細胞增殖及分化：糖酵解是維持腸道干細胞自我更新的必要條件，限制糖酵解有助于使腸道干細胞分化為分泌譜系［11］。其中，線粒體丙酮酸載體（MPC）是細胞質糖酵解和線粒體氧化磷酸化的連接點［12］。抑制MPC可減少丙酮酸進入線粒體參與三羧酸循環，從而促進干細胞增殖［13］。另外，己糖激酶（hexokinase，HKS）是糖酵解過程中葡萄糖不可逆轉化為葡萄糖-6-磷酸的關鍵酶。在腸道中，HK2是腸上皮中Wnt信號的靶基因，主要在腸道上皮細胞中表達，可增強糖酵解［14］。Wnt可通過調節HK2的表達調節糖酵解維持腸干細胞自我更新，HK2基因敲除可抑制糖酵解導致潘氏細胞、杯狀細胞和腸內分泌細胞數量增加，腸干細胞自我更新減少［11］。

1.1.2 活性氧（ROS）調控干細胞增殖分化：ROS是線粒體功能的重要調控分子，可介導細胞氧化應激反應，調節細胞周期，激活腺苷酸活化蛋白激酶（MAPK），引發轉錄因子E2F1依賴的細胞凋亡，促進干細胞分化。有研究表明，干細胞靜止需要低水平的ROS，再生需要更高的ROS水平和Nox-ROS信號［15］。此外線粒體ROS可調控Notch和AKT信號通路，進而調控干細胞分化［16］。ROS還可調節隱窩-絨毛軸上的細胞表型轉移。p38是一種對氧化還原狀態敏感并參與腸上皮細胞分化的MAP激酶，在小鼠小腸類器官中，p38在隱窩形成和分化過程中被激活，以響應ROS信號［17］。線粒體ROS的升高促進p38通路的激活，推動未成熟腸細胞向成熟的腸道干細胞和潘氏細胞分化［18］。

1.1.3 線粒體未折疊蛋白反應調控干細胞干性：有研究發現，線粒體未折疊蛋白反應（MT-UPR）在調節腸道干細胞維持、腸上皮細胞分化和腸道內環境穩定中發揮了重要作用［19］。MT-UPR主要通過誘導伴侶蛋白和蛋白酶的表達，控制蛋白質折疊、組裝和降解來維持線粒體蛋白穩定［20］。MT-UPR既能調節線粒體內蛋白質的質量控制，又能對不同的信號進行響應，包括恢復線粒體蛋白酶，調節三羧酸循環和氧化磷酸化以及促進線粒體自噬。MT-UPR、ATP、ROS協同作用，共同調節細胞功能和可塑性，調節細胞表型的轉變。已有研究證明，HSP60伴侶蛋白缺失導致MT-UPR激活，線粒體功能障礙，致使隱窩完全喪失干性，HSP60缺失引發Wnt信號的旁分泌釋放，可使逃逸干細胞過度增殖，從而修復重建隱窩［19］。

1.2 線粒體通過Notch/叉頭轉錄因子O（FOXO）/線粒體軸調控潘氏細胞生成

潘氏細胞的轉化同樣受到線粒體代謝的調控。研究發現在分化潘氏細胞的過程中，經歷了代謝重排，這意味著隱窩基底柱狀細胞分化為潘氏細胞涉及線粒體依賴性下調的代謝過渡，而該過程受到Notch/FOXO/線粒體軸的調控。FOXO通過miRNA484調控線粒體分裂蛋白質1（mitochondrial fission protein 1，FIS1）誘導線粒體分裂，同時激活p38、線粒體動力相關蛋白1（Drp1）共同作用誘導線粒體分裂，干細胞分化為杯狀細胞和潘氏細胞。線粒體和Notch通過FOXO信號相互連接，FOXO下調導致Notch失活，Notch抑制導致FOXO水平下降。腸道中，FOXO和Notch信號融合以調節干細胞的維持，抑制FOXO或Notch會通過線粒體分裂和下調的機制導致分泌細胞分化［21］。腸道干細胞及潘氏細胞相互轉化的代謝調控見圖1。

圖1 腸道干細胞及潘氏細胞相互轉化的代謝調控Figure 1 Metabolic regulation of intestinal stem cells and PAN cell interconversion

1.3 不同代謝特征實現腸道干細胞與潘氏細胞的交互作用

腸道干細胞與潘氏細胞具有不同的代謝特征，線粒體及能量代謝可調控兩者相互轉化實現交互。研究表明，腸道干細胞比潘氏細胞有更多的線粒體［22］，潘氏細胞的代謝物含量符合糖酵解代謝程序，而腸道干細胞的代謝物含量符合氧化代謝程序。上述區別也表現在線粒體形態上：Lgr5+CBCs中線粒體表現為融合與碎片化，潘氏細胞中線粒體表現為數量減少和缺乏融合結構［23］。在Lgr5+CBCs中，分化的開始依賴于線粒體氧化磷酸化，經過該過程，隱窩數量及潘氏細胞數量均增加［8］。潘氏細胞除了具有良好的生長因子分泌功能外，還能分泌乳酸并供給干細胞氧化代謝［24］。潘氏細胞糖酵解的最終產物成為干細胞線粒體氧化磷酸化的底物（圖2）。基于此，有研究表明，Lkb1（liver kinase b1）在決定細胞命運方面也起著重要作用，作為腸道干細胞中Atoh1的抑制因子，Lkb1基因敲除的小鼠腸道干細胞表達Atoh1 mRNA的水平增加，獲得了與分泌細胞相關的基因表達特征，產生了更多的分泌譜系細胞。另外，Lkb1基因敲除的腸道干細胞異常表達氧化磷酸化相關基因，增加了PDK4的表達，PDK可以抑制丙酮酸脫氫酶，從而抑制氧化磷酸化和細胞呼吸，抑制分化。說明Lkb1抑制PDK4并限制Atoh-1介導的腸道干細胞分化為分泌細胞的可能性［25］。另一方面，一項對小鼠腸道的研究表明，熱量限制導致潘氏細胞抑制mTORC1信號，這反過來刺激鄰近干細胞的增殖［26］。并且潘氏細胞還通過產生環狀二磷酸腺苷核糖來增強小鼠在卡路里限制下的腸道干細胞功能［27］。

圖2 潘氏細胞為腸道干細胞提供代謝底物Figure 2 Paneth cells provide metabolic substrates for intestinal stem cells

此外，Wnt信號是調節腸道干細胞生態位的關鍵途徑之一，腸道干細胞的增殖與潘氏細胞的分化均受到Wnt與Notch信號的調控［28］。線粒體ATP維持內質網動態平衡，進而維持Wnt信號。腸道特異性線粒體轉錄因子A（TfAM）的缺失減少了線粒體的呼吸，從而減少了Wnt信號轉導［29］，影響腸道干細胞的增殖分化。

2 基于線粒體及能量代謝過程探討中醫藥在治療潰瘍性結腸炎中可能存在的靶點

IBD包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病，其病因和發病機制仍未完全闡明［10］，但現有研究表明，腸道上皮屏障受損是IBD發病和復發的重要原因，線粒體信號轉導伴隨的能量變化有助于維持腸道穩態［30］，能量代謝障礙引起潘氏細胞與干細胞的交互作用失衡，是導致腸道上皮屏障受損的因素之一，而中醫藥通過干預線粒體的信號轉導及調節能量代謝等方式，在治療炎癥性腸病中發揮了獨特的優勢。

2.1 中醫藥通過抑制活性氧自由基，調控炎癥小體及線粒體自噬緩解腸道炎癥

作為線粒體的信號轉導介質［30］，過量的ROS自由基可對線粒體造成損害，其功能障礙將會導致腸上皮細胞受損，進而造成腸道屏障功能降低、通透性增加，刺激腸道炎癥發生。另一方面，ROS可刺激活化NOD樣受體熱蛋白結構域蛋白3（NLRP3）炎性小體，同時與線粒體自噬在潰瘍性結腸炎中發揮重要的作用。大量研究證實多糖、黃酮、多酚、生物堿類抗氧化中藥活性成分可以減輕ROS對細胞產生的氧化損傷［31］。如通過氧化苦參堿干預三硝基苯磺酸（TNBS）誘導的潰瘍性結腸炎小鼠，發現其結腸黏膜ROS、丙二醛（MDA）、髓過氧化物酶（MPO）含量顯著降低，增強結腸黏膜細胞自噬減輕氧化性損傷［32］。甘草可以下調MDA、ROS含量，促進谷胱甘肽（GSH）、超氧化物歧化酶（SOD）的表達，減輕脂質的過氧化損傷，從而改善潰瘍性結腸炎小鼠腸黏膜組織病變，增加小鼠結腸長度和體質量［33］。清腸溫中方治療潰瘍性結腸炎小鼠后，潰瘍性結腸炎小鼠結腸組織抗氧化酶的含量和活性均得到提高，氧自由基、脂質過氧化均受到抑制，腸黏膜中閉合（occludin）蛋白表達明顯增多，腸黏膜機械屏障得到修復［34］。祛瘀生新湯也可以明顯降低線粒體動力相關蛋白1（Drp1）、線粒體分裂蛋白質1（FIS1）和微管相關蛋白輕鏈3a/b亞型（LC3a/b）等參與線粒體自噬關鍵蛋白的表達，進而抑制NLRP3炎癥小體激活及緩解腸道炎癥［35］。

2.2 中醫藥通過調控線粒體膜電位及能量代謝修復腸道損傷

研究表明，潰瘍性結腸炎是一種能量代謝障礙性疾病，線粒體是與能量代謝最為密切的細胞器，而線粒體膜電位的改變是線粒體損傷的初始階段。澤瀉提取物通過提高細胞線粒體內膜功能（膜電位），顯著改善細胞線粒體能量代謝［33］。實驗表明，猴頭菌多糖治療的潰瘍性結腸炎大鼠血清白介素（IL）-1、IL-6含量明顯降低，SOD含量明顯提高，并能明顯提高結腸組織的細胞線粒體膜電位，猴頭菇子實體多糖能夠顯著提高潰瘍性結腸炎大鼠血清ATP的含量，并具有提高結腸組織中線粒體膜電位的作用。因此，推測猴頭菇子實體多糖抗潰瘍性結腸炎的活性機制與增加線粒體膜電位、增加組織能量代謝和減少氧化應激及炎癥損傷相關［36］。運用四神丸治療DSS誘導的潰瘍性結腸炎小鼠可改善其一般情況和結腸組織病理損傷，同時伴見結腸組織ATP濃度、Na+-K+-ATPase和Ca2+-Mg2+-ATPase活力值提高。證明四神丸可通過調節ATP濃度、ATP酶活力和ATP相關的mRNA表達量以改善線粒體能量代謝水平來治療潰瘍性結腸炎［37］。

2.3 中醫藥通過調控線粒體生物發生減輕腸道損傷

線粒體生物發生是在核DNA及線粒體DNA共同調控下，原有線粒體通過生長、分裂的形式產生新線粒體以補充線粒體池的過程，過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PGC-1α）是線粒體生物發生的中樞調節因子。實驗證實，白術內酯Ⅲ、陳皮苷、雷公藤紅素、安石榴苷、萊菔硫烷均可通過上調PGC-1α促進線粒體生物發生，改善腸上皮的線粒體功能障礙以減輕腸道損傷［35］。

3 小結與展望

綜上所述，線粒體作為細胞能量代謝的重要場所，對腸道干細胞的增殖分化及其與潘氏細胞的交互作用有重要影響，線粒體功能障礙，可直接導致細胞能量代謝的紊亂，致使腸道干細胞自我更新及增殖分化等出現異常，腸黏膜屏障受損，腸道修復功能減弱，導致腸道菌群紊亂、IBD等疾病發生。中醫藥從抑制ROS自由基、調控炎癥小體等方面恢復線粒體功能以修復腸道穩態，緩解腸道炎癥，為潰瘍性結腸炎的治療提供了新的思路。但潰瘍性結腸炎形成機制復雜，涉及通路及代謝機制較多，未來更多有關線粒體、腸道干細胞、潘氏細胞的研究將為臨床了解腸道疾病提供更廣闊的思路，也將為探索中醫藥作用的相關靶點提供更多依據。

作者貢獻：羅國樑進行文章的構思與設計，文章的可行性分析，撰寫論文；羅國樑、張馨丹進行文獻/資料收集；朱焰進行論文的修訂；王淑婷進行文獻/資料整理；唐太春、陳敏負責文章的質量控制及審校；陳敏對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。