炎症性肠病病理生理学机制研究进展

仲 婕，陈健海，翟 达，卜 平

扬州大学医学院，江苏 扬州 225001

炎症性肠病病理生理学机制研究进展

仲 婕，陈健海，翟 达，卜 平

扬州大学医学院，江苏 扬州 225001

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)的表观遗传学研究发现DNA甲基化是发生在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶上的变化，溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)有16%的遗传可能性；IBD的免疫学研究发现本病存在由CD4+Th1、Th2、Th17、Treg淋巴细胞介导的免疫反应；肠道菌群失调是IBD的继发性改变，但其在黏膜免疫反应及炎症的持续及放大效应中发挥重要作用；肠黏膜在抵御肠道菌群的过程中发挥重要作用，回肠克罗恩病(Crohn’s disease，CD)与防御素表达减少或功能缺陷有关，且肠黏膜紧密连接(tight junction，TJ)的复杂性受损。

炎症性肠病；表观遗传；免疫反应；肠道菌群；防御素；紧密连接

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)是遗传易感宿主对异常的环境因素作出免疫反应的结果，包括克罗恩病(Crohn’s disease，CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)，其发病率呈逐年增长趋势，并造成重大的医疗负担。其中发病率最高的是成年早期[1]。研究[2]表明，IBD患者患结肠直肠癌的终身风险比普通人群高2～3倍。因此，研究IBD的病理生理机制，并探寻合适的治疗方法意义重大。

长久以来，研究者们一直致力于关于IBD病因和病理生理机制的研究，多因素综合分析已成为目前研究的倾向。通过强调干扰免疫反应、肠道屏障功能受损、功能性肠道菌群失调等因素，全基因组关联研究(genome-wide association studies，GWAS)为我们提供了关于IBD病理生理机制的见解，这些认知都极具参考价值[3]。本文就IBD的病理生理学机制作一概述。

1 表观遗传

几十年来，家族聚集性IBD被视为一种普遍现象，虽然GWAS确定了大量的相关基因，但是却未能揭示一个统一的致病途径。近十余年，人们开始寻找IBD的遗传基础[3]。

表观遗传学是研究在基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达的可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化(DNA methylation)、基因组印记(genomic imprinting)、母体效应(maternal effects)、基因沉默(gene silencing)、核仁显性、休眠转座子激活和RNA编辑(RNA editing)等。其中DNA甲基化是发生在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶上的表观遗传变化，在IBD基因表达调控中发挥着重要作用[1]。

各种技术的出现已经让我们详细地了解到IBD的遗传学，并揭示了一系列与UC或CD风险增加相关的基因，这些方法包括GWAS和候选基因的研究。但是到目前为止，这些研究仍没有为我们提供预期的答案。一项Meta分析的GWAS研究[4]虽然确定47个UC的易感位点，但是这些位点只能说明UC有16%的遗传可能性。此外，其中一些位点对IBD没有特异性，反而与其他炎症性疾病有关，如乳糜泻和原发性胆汁性肝硬化，表明这些位点只是导致了一个慢性炎症的易感体质，最终的临床表现由其他因素决定，可能是环境因素或其他相关因素。一些位点是UC和CD的常见位点，另外一些位点仅仅对CD有特异性，或仅仅对UC有特异性。然而，到目前为止，仍然没有关于IBD病因的统一假设，也没有关于IBD完整发病机制的阐述[3]。

过去五六十年间，随着全球工业化的发展及同卵双胞胎患IBD和CD的不一致率增高，更多学者认为，相较于遗传易感性，非遗传性因素才是IBD发病机制中更为重要的部分。他们认为，表观遗传变化是由环境引起的分子机制，环境因素作用于具有IBD遗传易感性的机体，在使基因编码不发生变化的条件下改变基因的表达，从而导致IBD的发生[5]。

2 免疫反应

IBD的一个显著特点是存在由CD4+Th1、Th2、Th17、Treg淋巴细胞介导的免疫反应，导致持续的炎症、混合免疫细胞群浸润和功能激活、肠神经系统功能的显著变化。在肠道适应性免疫系统中，相较于Th细胞，Treg细胞更易被诱导分化[6]。

一般认为，肠道炎症是由于Th1和Th2细胞之间的平衡反应被打破而引起的。CD可能是由Th1(通过分泌IFN-γ和IL-12等)介导的，UC可能是由Th2(通过分泌IL-4等)介导的。然而，在使用能够阻止IFN-γ的抗体治疗后，研究者在CD患者身上仅仅取得了有限的临床疗效，但是同时使用能够阻止IL-12 p40的抗体治疗后，抑制了IL-12和IL-23，在CD活跃期却取得了相当大的疗效。这就存在一定的矛盾，同样是由Th1分泌的，为什么抑制IL-12取得的临床疗效更明显呢？最近发现的Th17细胞就解决了这个矛盾。Th17细胞主要为IL-6及转化生长因子-β(TGF-β)所驱动诱发，与健康个体相比，CD患者的固有膜内Th1和Th17的含量均有所增多，说明除了Th1外，与Th17有关的IL-23-IL-17轴导致了CD的发展[7]。

3 肠道菌群失调

有研究[8]将自发性UC小鼠的肠道菌群接种到健康小鼠的肠道，结果健康小鼠也发生了UC。另外，IBD的发病部位多为结肠、直肠、回肠等与细菌接触最多的部位。由此我们可以推测，肠道菌群的改变有可能作为IBD的病因。由于近年来发现肠内优势菌群中双歧杆菌、乳酸杆菌在IBD中呈现特征性变化，且这种变化受IBD宿主的某些易感基因调控，从而给IBD发病的“肠道失调”学说赋予了更具体的内容。肠内优势菌数量的减少、有害菌数量的增加、某些正常细菌过度增生及优势菌属内部比例的失衡都会导致肠道菌群失调。目前，越来越多的研究表明，肠道菌群失调是参与IBD发病的重要因素[9]。最近，肠道菌群的图谱分析将IBD的发病机制与菌群各组成部分特征的改变相联系，进一步支持“肠道微生物和宿主相互作用的改变能形成IBD”这一观点。研究[10]发现，IBD患者体内肠道菌群的功能改变比构成改变更为严重。虽然已有大量研究证实IBD患者肠道微生物构成发生了改变，但究竟是哪种细菌或微生物菌落促进了IBD的发生、发展，IBD是否有一种特异性的致病菌至今仍不清楚[11]。

那么肠道菌群失调是原发性改变还是继发性改变？至今仍有不少争论。起初，有学者[12]认为IBD患者肠道菌群失调是原发性的，研究发现发生肠炎患者肠黏膜中细菌含量增加，电子显微镜发现来自粪便的细菌大量浸入肠黏膜固有层，且和肠炎病情呈正相关。但是最近有学者[13]运用16S rRNA技术监测特异性抗原刺激后的IL-10基因敲除小鼠与野生小鼠发现，随着炎症的发展，菌群多态性、主要的共生菌及变形菌门中大肠杆菌的扩增进行性下降，进而提出菌群失调是继发于免疫反应的假说，该研究也同时发现实验中一直存在肠道细菌的特异性Th1和Th17反应，表明肠道菌群失调尽管是继发性改变，但其在黏膜免疫反应及炎症的持续及放大效应中发挥重要作用。

4 肠屏障受损

肠道具有屏障功能。肠屏障是由一层上皮细胞、黏液、共生的细菌、免疫细胞及抗体等组成的微妙结构，它能够防止肠内的有害物质如细菌和毒素穿过肠黏膜进入人体其他组织、器官和血液循环。肠屏障的破坏会导致大量免疫介导性疾病，包括IBD、食物过敏和乳糜泻[14]。其中，黏液中存在大量可以保护黏膜的抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)，防御素就是其中的一种。现如今，在IBD，特别是小肠CD的发病机理方面，不同的研究都指向防御素突出的病理生理作用。当肠黏膜在抵御肠道菌群的过程中受损时，IBD就会发生。在回肠CD中，我们可以发现防御素表达减少或功能缺失及肠道炎症的出现[15]。

胃肠道经常受到包含在水或食物中的病原体的侵袭，所以肠上皮细胞必须具有能够在组织损伤中快速再生的能力。肠道黏膜是由不同类型的上皮细胞构成的，这些上皮细胞具有特殊的屏障功能，它们在不影响肠道菌群的情况下控制表面相关菌群的数量，这对宿主健康是极其重要的。它们还能调节黏膜免疫系统，因此，肠上皮细胞动态平衡的调节对于维持黏膜结构和肠道防御屏障功能极其关键。研究[14]表明，多种分子途径参与肠道上皮细胞极性，其中大部分在胚胎发生过程中发挥了重要的作用。这些途径还用于成年有机体，用于调节多个自我更新的器官。理解这些分子之间的相互作用机制及肠黏膜屏障功能，我们将会了解基于肠道的免疫介导性疾病的发病机理。

肠上皮细胞间的主要连接方式是紧密连接(tight junction，TJ)。TJ是肠道屏障功能的决定因素，它能使机体与肠腔内容物保持严格的分离，并阻止已吸收的离子和营养回渗及避免肠腔内抗原与微生物进入机体。肠上皮TJ的完整性在IBD中至关重要。IBD的临床症状是由肠道炎症及随之而来的功能失调引起的，这种功能失调包括吸收功能受损及肠屏障功能受损。研究[16]发现，对患有轻微CD的患者进行乙状结肠活检，发现TJ的复杂性受损，特征性地表现为TJ索条数量减少、TJ主要网孔深度下降及更多的索条断裂。

进一步认识IBD的病理生理机制，有助于实现对高危人群筛查，提前做好预防工作；有助于针对病因实现对因治疗，并正确判断药物疗效，尽可能改善IBD的预后，减少复发。我们可以以病理生理机制为基础，以动物模型为跳板，研究IBD基因治疗、微生态治疗等新领域。不断探索IBD的病理生理机制及其相互作用，将是一个长远的工作，具有深远而重大的意义。这就需要我们研究工作者立足当前，脚踏实地，不断开拓创新！

[1]Harris RA, Nagy-Szakal D, Mir SA, et al. DNA methylation-associated colonic mucosal immune and defense responses in treatment-naive pediatric ulcerative colitis [J]. Epigenetics, 2014, 9(8): 1131-1137.

[2]Hartnett L, Egan LJ. Inflammation, DNA methylation and collitis-associated cancer [J]. Carcinogenesis, 2012, 33(4): 723-731.

[3]Quigley EM. Epigenetics: filling in the ‘heritability gap’ and identifying gene-environment interactions in ulcerative colitis [J]. Genome Med, 2012, 4(72): 1-3.

[4]Anderson CA, Boucher G, Lees CW, et al. Meta-analysis identifies 29 additional ulcerative colitis risk loci, increasing the number of confirmed associations to 47 [J]. Nat Genet, 2011, 43(3): 246-252.

[5]Kellermayer R. Epigenetics and the developmental origins of inflammatory bowel diseases [J]. Can J Gastroenterol, 2012, 26(12): 909-915.

[6]Prattis S, Jurjus A. Spontaneous and transgenic rodent models of inflammatory bowel disease [J]. Lab Anim Res, 2015, 31(2): 47-68.

[7]Kayama H, Takeda K. Regulation of intestinal homeostasis by innate and adaptive immunity [J]. Int Immunol, 2012, 24(11): 673-680.

[8]Garrett WS, Lord GM, Punit S, et al. Communicable ulcerative colitis induced by T-bet deficiency in the innate immune system [J]. Cell, 2007, 131(1): 33-45.

[9]香钰婷, 梅林. 炎症性肠病发病机制中肠道菌群作用的研究进展[J]. 生理科学进展, 2013, 44(4): 247-252. Xiang YT, Mei L. Research progress in pathogenesis of IBD: the role of gut flora [J]. Progress in Physiological Sciences, 2013, 44(4): 247-252.

[10]何丽娟, 张军东, 安毛毛, 等. 肠道微生态与炎症性肠病[J]. 药学实践杂志, 2015, 33(5): 385-388, 422. He LJ, Zhang JD, An MM, et al. Gut microbiota and inflammatory bowel disease [J]. Journal of Pharmaceutical Practice, 2015, 33(5): 385-388, 422.

[11]陈玉霞, 詹学. 肠道菌群与炎症性肠病[J]. 中华临床医师杂志(电子版), 2014, 8(8): 1561-1566. Chen YX, Zhan X. The gut microbial flora and inflammatory bowel diseases [J]. Chin J Clinicians (Electronic Edition), 2014, 8(8): 1561-1566.

[12]Swidsinski A, Ladhoff A, Pernthaler A, et al. Mucosal flora in inflammatory bowel disease [J]. Gastroenterology, 2002, 122(1): 44-54.

[13]Maharshak N, Packey CD, Ellermann M, et al. Altered enteric microbiota ecology in interleukin 10-deficient mice during development and progression of intestinal inflammation [J]. Gut Microbes, 2013, 4(4): 316-324.

[14]Jeon MK, Klaus C, Kaemmerer E, et al. Intestinal barrier: molecular pathways and modifiers [J]. World J Gastrointest Pathophysiol, 2013, 4(4): 94-99.

[15]Jäger S, Stange EF, Wehkamp J. Inflammatory bowel disease: an impaired barrier disease [J]. Langenbecks Arch Surg, 2013, 398(1): 1-12.

[16]Hering NA, Fromm M, Schulzke JD. Determinants of colonic barrier function in inflammatory bowel disease and potential therapeutics [J]. J Physiol, 2012, 590(5): 1035-1044.

(责任编辑：马 军)

Progress of the pathophysiological mechanisms of inflammatory bowel disease

ZHONG Jie, CHEN Jianhai, ZHAI Da, BO Ping

School of Medicine, Yangzhou University, Yangzhou 225001, China

The epigenetics of inflammatory bowel disease (IBD) has found that DNA methylation is an epigenetic change occurring at cytosines in CpG dinucleotides and ulcerative colitis (UC) has 16% of heritability. The immunological research has also found that IBD is characterized by the presence of dysregulated immune responses governed by the activities of CD4+Th1, Th2, Th17 and Treg lymphocytes. The imbalance of intestinal flora is the secondary change of IBD, but it plays an important role in mucosal immune response and persistent inflammation and amplification effect. Intestinal mucosa plays an important role in the process of fighting against intestinal flora. Ileal Crohn’s disease (CD) is associated with reduced expression of defense or functional defects, and the complexity of intestinal mucosa tight junction (TJ) is damaged.

Inflammatory bowel disease; Epigenetics; Immune responses; Intestinal flora; Defensins; Tight junction

国家自然科学基金(81173392)

仲婕，在读硕士，研究方向：肠病。E-mail: 1401722237@qq.com

卜平，博士，教授，主任医师，研究方向：中西医结合治疗胃肠病。E-mail: boping@yzu.edn.cn

10.3969/j.issn.1006-5709.2016.07.004

R574.62

A

1006-5709(2016)07-0733-03

2015-12-01