辐射损伤破坏肠黏膜机械屏障机制相关研究及进展

冯 剑，王毓国 综述 窦永起 审校

目前，临床放射治疗给患者造成的损伤不容忽视。放射线引起的机体损伤，特别是急性放射病，临床尚无有效预防和救治手段，其发病机制也尚不明确[1]。肠黏膜细胞代谢速度快对放射线敏感，更容易遭受损伤。损伤后肠黏膜屏障功能减弱甚至消失，肠道细菌及细胞分解产物进入血循环后引起的菌血症和毒血症，临床可表现为恶心、呕吐、腹泻、便血、全身炎性反应及多器官功能障碍，严重者可导致死亡[2]。越来越多的证据表明，放射线破坏肠黏膜机械屏障是引起炎性反应，菌群移位，水电解质紊乱等一系列辐射损伤多米诺骨牌效应的开端[3]，所以寻求辐射引起肠黏膜机械屏障损伤的具体机制对辐射损伤治疗及预防具有重要意义，本文就放射线破坏肠黏膜机械屏障机制的研究及进展进行综述。

1 研究现状

1.1 肠黏膜机械屏障的意义及其构成 肠黏膜屏障是防止肠内细菌和毒素等有害物质穿过肠黏膜进入人体其他组织、器官和血液循环的结构和功能的总和，主要由机械屏障、微生物屏障、免疫屏障和化学屏障构成。机械屏障作为肠黏膜屏障的结构基础，在防御外界毒素及细菌入侵上显得尤为重要。完整的机械屏障可阻止肠道细菌、毒素和抗原等物质进入固有层，是肠道抵御细菌、毒素及有害物质入侵肠黏膜的屏障，也是维持正常肠上皮通透性的结构基础[4]。机械屏障由上皮细胞、黏液层及细胞间连接等构成，作为机械屏障的核心部分的肠上皮细胞间的连接，又包括紧密连接、缝隙连接、黏附连接及桥粒连接等，其中尤以紧密连接最为重要[5]，主要由闭合蛋白(claudin)、咬合蛋白(ocdudin)、带状闭合蛋白(zonula occludens，zo)家族等紧密连接蛋白组成。是防止细胞外大分子物质经细胞间隙进入肠道黏膜内部结构，也是防止组织液外溢的机体内、外屏障的主要结构，更成为相邻细胞间物理性连接的重要方式。

1.2 肠黏膜机械屏障与其他屏障的协同作用 肠黏膜屏障任何一种屏障受损均可导致肠道屏障功能障碍，各部分又相互影响，均在诱发肠源性损伤的发病机制中起着重要作用。正常情况下，完整的肠上皮细胞间紧密连接可阻止肠道细菌及毒素等大分子物质通过而发生易位；肠道微生态菌群与肠黏膜粘附定植形成膜菌群，能够阻止致病菌的生存及对肠上皮细胞的粘附和定植，干扰和抑制致病菌的活力和功能，预防感染[6]。sIgA是肠黏膜免疫屏障的主要免疫球蛋白，sIgA既能刺激黏膜杯状细胞分泌大量黏液，冲洗黏膜上皮细胞，阻止微生物的定植[7]，还可直接与病原体、过敏原等结合，阻碍其在黏膜上的定植，并能中和其所产生的酶和毒素，又能抵抗肠腔蛋白溶解酶的作用，防止肠黏膜被消化[8]。

2 肠黏膜机械屏障的破坏作用及相关机制研究

2.1 辐射损伤对肠黏膜机械屏障的破坏作用 肠黏膜上皮细胞对于辐射十分敏感，射线对上皮细胞和紧密连接造成损伤后，上皮细胞变性、坏死、脱落，绒毛水肿、短秃，黏膜糜烂、溃疡，隐窝深度变浅，肠壁纤维化，肠黏膜小动脉受损，肠腔狭窄、溃疡，甚至穿孔。上皮细胞的完整性破坏及紧密连接分离后，机械屏障破坏，肠黏膜渗透性增加后导致向肠腔渗漏水、电解质、大分子物质等，肠道上皮与细菌、有害物质接触的机会增加，引起肠道菌群移位，加重胃肠黏膜的损伤程度，甚至诱发全身炎性反应[9]。

2.2 辐射损伤破坏肠黏膜机械屏障的发病机制

2.2.1 放射线引起的肠上皮细胞毒性反应 DNA易受辐射损伤，被认为是引发细胞毒性反应，导致细胞死亡的主要靶点[10]。快速分裂的肠上皮细胞暴露于射线后，放射线的能量效应引起细胞内的水产生氧自由基，氧自由基可以破坏DNA旋结构，阻断DNA的转录、复制，引发细胞毒性反应，导致细胞死亡[11]，从而对肠黏膜机械屏障造成损害及肠道屏障功能的异常。

2.2.2 放射线引起肠黏膜机械屏障损伤的直接作用机制 放射线可以直接破坏上皮细胞及细胞间紧密连接，导致机械屏障受损。辐射可引起紧密连接中ZO-1、claudin-1 和occludin 蛋白发生重组或断裂，细胞间隙增大，细胞通透性升高，最终引起肠上皮屏障破坏[12]。另外，放射线还可以通过影响紧密连接调节机制，破坏机械屏障。紧密连接的重要调节因子肌球蛋白轻链(myosin light chain，MLC)在肌球蛋白轻链激酶( myosin light chain kinase，MLCK)作用下可以磷酸化收缩，打开细胞间连接间隙[13]。有研究发现，放疗后肠道组织核转录因子-κB(NF-κB)活化后可与肌球蛋白轻链激酶( myosin light chain kinase，MLCK) 基因启动子结合，启动肌球蛋白轻链( myosin light chain，MLC) 磷酸化通路，打开紧密连接，破坏机械屏障[14]。另有研究发现， p38/MAPK通路可能通过参与细胞间黏附和上皮细胞运动的调节[15，16]，增加 MLCK 活性，引起 MLC磷酸化，使紧密连接的结构被破坏，而当p38/MAPK被抑制后，放射性肠炎大鼠症状明显好转[17]。

2.3 放射线引起肠黏膜炎性反应破坏机械屏障机制 肠黏膜辐射损伤的本质是由放射线诱发、诸多细胞因子介导的肠道炎性反应[18]，放射线可通过与细胞中的水分子作用产生氧自由基ROS，ROS活化 NF-κB等信号通路，引起促炎因子、凋亡因子、趋化因子等多种细胞因子的表达，炎性反应的平衡机制最终被打破，导致瀑布级联反应，整个过程，放射线可引起超过200个炎性反应因子的转录表达上调[19]。Ong等[20]发现大鼠经放射后肠黏膜组织IL-1βmRNA、IL-6mRNA和TNF-αmRNA升高程度与肠道黏膜炎性反应的病理表现相一致。Linard等[21]发现，放射性肠炎大鼠6 h后肠黏膜IL-1β、IL-6、TNF-α高表达，且部分炎性反应因子的高水平表达可持续3 d。大量炎性反应因子产生后，可以引起上皮细胞间紧密连接减弱及肠道上皮细胞受损，同时炎性因子还可导致黏蛋白分泌减少，黏液层变薄后，使肠黏膜易受到各种有害物质的攻击。

2.4 放射线引起肠黏膜凋亡机制 放射线可促进上皮细胞凋亡，在复杂的凋亡调控机制中，转录因子p53和NF-κB在促凋亡和抗凋亡方面均发挥了重要作用，它们影响了众多基因的表达和信号通路的激活与调控[22]。Bing等[23]研究发现，发生放射性肠炎的小鼠肠黏膜组织中，抗凋亡基因 Bcl-2表达量下降，促凋亡基因 p53、caspase-3等表达升高。另外，有研究表明，NF-κB可参与细胞增殖和分化，抑制凋亡，增强细胞及组织的辐射适应性[24]；NF-κB可以通过影响Bcl-2家族基因的转录进而影响线粒体凋亡途径，c-IAP-1和c-IAP-2及c-FLIP均是由NFκB信号通路控制的抗凋亡蛋白[25]；另有报道NF-κB可与p53竞争相同的调节因子，抑制p53的转录激活功能[26]。

2.5 肠黏膜机械屏障损伤与血管生成 肠道屏障功能的维持主要依靠肠壁血管供应的营养物质。肠黏膜辐射损伤后，血管的改变可分为三个阶段[27]：急性期，放射线引起血管扩张，渗透性增加，血管及组织交界处出现渗出、水肿、纤维化；中间期，血管内皮细胞肿胀、增生、纤维素样变性，最终发展成闭塞性脉管炎，另外在血流速度较慢的位置，血栓易于形成，会进一步导致肠黏膜的缺氧缺血，黏膜发生糜烂、溃疡，肠道屏障完整性破坏，肠道细菌、毒素侵入使损伤进一步加重，同时胶原酶的活性增加，胶原再合成受抑制，肠壁易穿孔；后期，主要为动脉壁纤维化，表现为动脉内膜的增厚、动脉脉管狭窄。

2.6 肠黏膜机械屏障损伤与肠道干细胞生成 肠道干细胞是位于肠道隐窝的一类成体干细胞，具有干细胞活性，能够分化为吸收细胞、杯状细胞、内分泌细胞和潘氏细胞，不仅维持正常的生理功能，还能修复损伤的肠道上皮。内环境稳定时，肠道干细胞发生非对称分裂；小肠上皮干细胞对放射线尤为敏感，放射线可引起肠道干细胞停止分裂，并诱导凋亡导致肠道干细胞数量急剧减少[28]。而残存的肠道干细胞可进行对称性分裂增加自身数量，另外，部分分化的细胞可去分化，通过移行分化重建正常的隐窝和绒毛，而促进肠黏膜的恢复[19]。

2.7 其他 有研究发现，细胞自噬、坏死也参与了肠黏膜机械屏障修复机制相关[29]。自噬参与调节机械屏障，自噬参与炎性反应过程调节肠黏膜屏障，其机制可能与条件诱发产生并释放核因子-κB(NF-κB)转录的下游细胞因子TNF-α，而TNF-α 是自噬的正性调节因子，可诱导体内发生自噬[30]，Chen等[31]发现放射性肠炎小鼠肠道上皮细胞同时出现了3种混杂的死亡方式，表现为凋亡、自噬及坏死，但以坏死所占面积最大。当分别给予凋亡、自噬及坏死的抑制剂后，小鼠寿命均有延长，但坏死抑制剂作用更明显。

3 辐射损伤中肠黏膜机械屏障与其他黏膜屏障之间的相互影响

3.1 机械屏障损伤引起其他各屏障损伤 放射线可对肠黏膜的各种屏障造成损伤[32-34]，肠黏膜间各屏障又相互影响，最终形成肠黏膜屏障的损伤。 肠黏膜机械屏障是肠黏膜屏障中最重要的一环，辐射可引起上皮细胞的广泛脱落、坏死，紧密连接分离，通透性增加，水、电解质及蛋白向肠腔内渗漏，肠道上皮与肠道细菌及抗原接触的机会增加，诱发异常肠道免疫反应，菌群移位，水电解质紊乱等一系列其他屏障损伤的发生。

3.2 微生物屏障引起机械屏障损伤 放射线除可直接杀灭、抑制、扰乱肠道正常菌群，还可以通过损伤肠上皮细胞表面结构，从而使肠道益生菌不能稳定定居于上皮细胞表面或黏蛋白层上，继而导致菌群紊乱，肠道菌群失调会过度激活转录因子NF-KB和STAT3，影响肠道组织修复[35],引起肠源性感染进一步加重肠黏膜的损伤。

3.3 化学屏障引起机械屏障损伤 射线可引起肠道杯状细胞等出现水肿、坏死，引起各相关化学物质分泌减少，导致肠道化学屏障的完整性破坏，为肠源性感染提供了时机。TFF3 是杯状细胞特异性分泌的小分子多肽，能与黏蛋白的糖链结合，形成稳定的凝胶复合物，覆盖于肠上皮细胞表面，阻止消化道中的消化酶及有害物质对上皮细胞的损害，并能促进受损肠黏膜修复，射线可导致杯状细胞损伤而导致粘液分泌减少，加重消化酶及有害物质对机械屏障造成损害。动物研究[36]也发现，放射性肠炎小鼠黏膜的 TFF3 表达及其启动子区活性均明显减少，而TFF3 缺失的小鼠放射后肠黏膜损伤更加严重。

3.4 免疫屏障引起机械屏障损伤 在肠道组织中，淋巴组织对放射线极度敏感，肠黏膜相关淋巴组织产生损伤后，导致肠道局部免疫功能下降，分泌型IgA分泌减少及免疫效应细胞数量减少，致病菌快速繁殖，会导致菌群失调及机械屏障结构的损伤[37]。

4 临床治疗

急性肠黏膜辐射损伤的内科治疗主要针对症状起缓解作用，疗效有限，尚无法根治。主要包括：(1)放射防护剂氨磷汀，赵致维等[38]发现氨磷汀可通过提高隐窝干细胞增殖活性,促进黏膜的修复。(2)肠道益生菌，Demers等[39]发现预防性口服益生菌能有效地减少患者放疗期间腹泻的发生。(3)黏膜保护剂蒙脱石散等，Hu等[40]研究显示, 蒙脱石散可促进肠道黏膜上皮细胞修复, 减轻放疗引起的肠上皮细胞损伤。(4)氨基水杨酸类，关丽愉[41]发现美沙拉嗪栓剂能改善难治性放射性直肠炎便血、里急后重、大便次数增加、肛门部疼痛的症状,能促进直肠黏膜血管扩张、黏膜水肿、溃疡病灶的修复。(5)中药治疗，中医内外治具有较好疗效，如陆清昀[42]等发现运用中药保留灌肠2 h同时给予中药清热化湿、益气健脾剂口服，疗效优于蒙脱石散、地塞米松保留灌肠组；(6)其他方法，有报道高压氧可以刺激放射损伤区域的血管生成，增加损伤组织的供氧，促进损伤组织恢复，对肠道等软组织放射性损伤具有较好的疗效[43]；刘亭等[44]报道1例放射性肠炎患者，经亲属供体粪菌移植缓解腹痛腹胀明显缓解。

总之，肠黏膜上皮细胞对放射线十分敏感，肠黏膜机械屏障是机体在肠道防御细菌毒素屏障的结构基础.放射线引起肠黏膜机械屏障损伤的机制十分复杂，与放射线引起的细胞毒性反应、炎性反应、细胞凋亡、坏死、自噬等均有关系，肠黏膜各屏障的损伤也会互相作用，最终加重机械屏障的损伤。在辐射破坏肠黏机械屏障的机制研究中目前尚存在一些问题，如炎性反应与凋亡互相影响的精确机制等。另外，基于MLC调控紧密连接的信号通路十分复杂，辐射损伤相关信号通路研究较少，已明确的信号通路也有待进一步深入。