炎症性肠病合并肝胆胰疾病的分子机制

2020-07-21刘占举

临床肝胆病杂志 2020年7期

高翔，刘占举

上海市第十人民医院消化内科，上海 200072

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一种病因和发病机制尚未完全清楚的慢性、非特异性肠道炎症性疾病，包括克罗恩病(Crohn’s disease, CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative disease, UC)。既往研究[1]表明，IBD在发达国家的发病率较高，欧洲目前约有200万患病人群；而最新的流行病学资料[2]显示，近年来在南美、非洲、亚洲、东欧等发展中国家，IBD的发病率也呈逐年增高的趋势。IBD在特定人群中的高发病率表明在其发生发展过程中基因易感性的重要作用，而其在发展中国家逐年增高的发病率则表明环境因素在其发生发展过程中也扮演重要的角色。目前的主流观点认为，在具有基因易感性的个体中，在多种环境因素的综合作用下，机体的免疫稳态失衡并与肠道菌群相互作用能够导致肠道慢性非特异性炎症的发生。研究[3]表明，辅助性T淋巴细胞(Th)1在CD患者慢性结肠炎的发生过程中扮演着重要的作用，而Th2则更与UC的发病过程相关。Th17的激活及Th17/Treg的失衡也是IBD患者慢性结肠炎发生过程中的重要环节。目前已知，TNFα在IBD的发生发展过程中扮演着重要的角色，而抗-TNFα的治疗在IBD患者的临床治疗方式中也显得极为重要。与传统的治疗方式相比，抗-TNFα治疗在临床的诱导缓解及维持治疗方面有着更好的效果，然而仍有近1/3的患者对抗-TNFα治疗呈低反应性，这表明仍有其他未知的免疫学机制影响着IBD的发生。

近年来，越来越多的证据表明，IBD是一种系统性疾病，常伴有多个器官受累的肠外表现，包括皮肤、关节、眼、肝脏、肺等，其中累及肝胆胰系统的并发症最为常见，与IBD患者的临床综合治疗及其预后也有重要的相关性，主要包括原发性硬化性胆管炎(primary sclerosing cholangitis, PSC)、自身免疫性肝炎(autoimmune hepatitis, AIH)、原发性胆汁性胆管炎(primary biliary cholangitis, PBC)、IgG4相关性硬化性胆管炎(IgG4-related sclerosing cholangitis, IgG4-SC)、小胆管PSC、胆石症、急性胰腺炎(acute pancreatitis, AP)、慢性胰腺炎(chronic pancreatitis, CP)、自身免疫性胰腺炎(autoimmune pancreatitis, AIP)、非特异性胰酶升高等。近年来多项研究发现IBD及其肠外表现具有相似的基因易感性，且在诸如TNF表达水平上调、异常淋巴细胞归巢、交叉反应性抗原表达等免疫学发病机制方面也具有共通性。因此，本文将就IBD相关肝胆胰并发症的分子机制研究进展展开综述。

1 原发性硬化性胆管炎(PSC)

PSC是一种免疫介导的，以炎症、纤维化及肝内和(或)肝外胆管破坏导致胆汁淤积、胆管狭窄和肝纤维化为特征的慢性胆汁淤积性疾病[4]。根据目前的流行病学数据，PSC是公认的IBD最常见的肝胆系并发症，好发于30～50岁，特别是有IBD易患因素的患者，男女比例为2∶1[5]，在北欧人群中62%～83%的PSC患者合并有IBD发生，而在其他地区，这一比例则降至21%[6]。PSC的临床表现缺乏特异性，可表现为乏力、皮肤瘙痒、右上腹痛、体质量减轻、黄疸和肝脾肿大等，实验室检查指标异常可表现为血清碱性磷酸酶水平升高、转氨酶轻度升高等，有时可检测出多种自身抗体。PSC的病程与IBD无明显相关性，但IBD伴发PSC的患者发生结肠癌的风险较高[7]。

1.1 遗传因素目前对PSC的发病机制仍然知之甚少，普遍认为PSC是一种在遗传因素、免疫异常、细菌和病毒感染等多因素共同作用下所发生的疾病。一项全基因组关联性研究(GWAS)分析[7]显示，PSC与主要组织相容性复合物编码的人类白细胞抗原(human leucocyte antigen, HLA)存在密切的相关性。有研究[8]表明，1p36(MMEL1/TNFRSF14)、2q13(BCL2L11)、2q37(GPR35)、3p21(MST1)、10p15(IL2RA)、18q21(TCF4)、HLA-B8、HLA-DRB1*0301、HLA-DRB3*0101、HLA-DRB1*0401等基因与PSC的发生和发展密切相关，考虑为PSC的易感基因。目前已有数十种PSC发病相关的基因位点被报道，但是如何解释这些基因位点在PSC发生发展过程中所起到的生物学作用仍是复杂的，还需要进行进一步的研究。

1.2 免疫因素 PSC经常伴发多种自身免疫性疾病，如免疫性血小板减少性紫癜、干燥综合征、乳糜泻、甲状腺炎、抗磷脂抗体综合征、系统性硬化症、红斑狼疮、类风湿性关节炎等，这一现象提示PSC的发病可能与机体的免疫系统功能异常有关[9]。肝脏的炎症会改变细胞因子和黏附分子的表达，进而导致淋巴细胞向肝脏的异常募集[10]。而淋巴细胞的迁移则会导致细胞介导的胆管破坏和进一步的信号传递，从而导致进一步的损伤。PSC患者发病过程中会高表达多种黏附分子，如血管细胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1, VCAM-1)和黏膜地址素细胞黏附分子-1(mucosal addressin cell adhesion molecule-1)等。CCL25或CCL28的高表达在一定程度上能够激活α4β7及α4β1整合素，从而增加淋巴细胞与VCAM-1及MAdCAM-1的结合，以及增加淋巴细胞的异常募集。在IBD患者中，肠道内血管黏附蛋白-1的高表达也可以促进MAdCAM-1在肝脏的表达，从而导致效应淋巴细胞的异常募集。在PSC发病过程中，胆汁的成分或其毒性的改变以及胆汁淤积的形成等，都会导致胆管细胞周围毒性环境的形成[10]。研究[11]表明，胆汁酸可以作为信号分子通过多种不同的受体发挥作用，而肠肝循环的改变、肠道微生物环境的失衡、免疫系统的改变以及胆汁成分的改变等都可以影响其信号的传递。一项研究[12]表明，当末端回肠对胆汁酸的再摄取受到阻碍，血清和肝脏中胆汁酸的浓度降低时，肝脏的组织学会发生有益的改变。另一项研究[13]则表明肠瘘的发生会导致肝脏和胆管炎症的发生；IBD发生时，肠壁的通透性增加，肠瘘的发生率增加，免疫系统及胆道系统对于细菌和其他病原体的暴露率增加，从而肝脏、胆道炎症发生的风险也会增加。此外，IBD发生时多种自身抗体可以与胆道上皮细胞结合，导致转录因子ERK1/2介导的固有免疫反应的激活及Toll样受体(TLR)的上调，从而介导多种炎症因子的产生；自身抗体还可以介导IL-6及黏附分子如CD44的表达从而促进淋巴细胞的增殖、抗体的产生以及细胞的黏附。有研究表明PSC患者外周血中免疫Treg的数量减少，功能受损；PSC动物模型显示，相比于脾脏Treg，肝脏中其Foxp3表达明显下降且功能受损，提示Treg可能参与了PSC的发生。

1.3 环境因素有观点认为，IBD患者肠上皮细胞功能破坏，黏膜屏障功能受损，黏膜通透性增高，肠道来源的细菌和其他病原体异位，并且内毒素、毒性胆酸等产物产生增多，通过门静脉系统进入肝内，Kupffer细胞等被激活从而产生大量的促炎性细胞因子，如TNFα等，导致肝脏受损。因此，在基因易感性的个体中，肠道菌群稳态及其与肝脏生理健康之间的关系就显得极为重要。菌群及其分子构成与肝实质之间存在着复杂而持续的相互作用，能够影响肝脏的生理功能，参与到了多种肝胆疾病的发病过程之中[14]。饮食异常或感染都可能导致肠道菌群的失衡，从而改变肠道结构的完整性，进而导致肠道内和肠道外炎症的发生。有研究[15]表明，IBD患者和PSC患者具有与健康对照者不同的相似的肠道微生物组成特征。无论是否并发有IBD，PSC患者肠道菌群丰度都有所降低，存在菌群失调的状态，包括肠球菌属、梭杆菌属和乳酸菌属在内的几种菌种的丰度则有所上升[16]。有研究表明，人为介导的大鼠肠道菌群的扩增能够导致大鼠肝脏发生类似于PSC的持续性炎症；而使用肽聚糖降解酶进行治疗后则可以改善肝脏炎症状态，表明肠道菌群在肝脏炎症发生过程中确实起到了重要的作用。近年来一些研究认为FUT-2的基因多态性影响小肠和胆道中微生物群的组成，而FUT-2的功能紊乱则和PSC及IBD的发病相关。PSC患者胆管上皮细胞能够表达更高水平的TLR、NOD、MyD88/IRAK复合体、TNFα、IFNγ和IL-8，而在细菌脂多糖的刺激下，胆道上皮细胞间紧密连接蛋白被破坏则会导致炎症的发生；此外，内毒素还可通过TLR5或TLR7途径来介导Th17产生IL-17。此外，近年来，也有不少观点[17-18]认为胆道微生物的免疫耐受被破坏对于PSC的发生和发展起着至关重要的作用。导致PSC发生的环境因素大多未知，许多传统的理论均认为饮食习惯有着重要的影响，一项病例对照研究[19-20]发现，吸烟和喝咖啡与PSC的发病风险降低有关，而饮酒则与PSC患者纤维化的发生无明显的相关关系。

2 自身免疫性肝炎(AIH)

AIH是一种以T淋巴细胞介导的自身免疫反应为特征的慢性渐进性肝脏疾病，其特征为AST和ALT的升高，抗核抗体、抗平滑肌抗体等自身抗体和IgG水平的升高，组织学水平主要表现为大量淋巴细胞、单核巨噬细胞、浆细胞等浸润并累及周围肝实质形成界面性肝炎的特点[21]。AIH的发病较为普遍，可发生于任何年龄段的男性或女性，其发病高峰为亲少年和中年人，特别是更年期妇女，男女患者的发病率约为1∶3.6[22-23]。我国一直被认为是低发病率的国家，但近年来越来越多的相关病例报道均提示我国AIH的发病率呈上升趋势。AIH目前的发病机制尚不完全清楚，主流观点认为具有AIH遗传易感性的个体在接触各种诱发因素如细菌、病毒等病原体或有害物质之后，产生由分子拟态机制触发的机体对肝脏细胞的自身免疫反应，即对外部病原体的免疫反应专项机体内结构相似的自身蛋白，以自身蛋白为靶点的T淋巴细胞激活并扩增，导致自身免疫性肝损伤的发生和发展，从而导致肝脏炎症的发生及进一步发展成为肝纤维化、肝硬化等。

2.1 遗传因素研究表明，不同地域、不同人种之间可能存在不同的基因易感性，而这其中主要HLA-II类基因被认为是AIH遗传易感性中最主要的因素。来自荷兰的GWAS研究[24-25]发现，在北美和欧洲的AIH患者人群中，DRB1*0301和DRB1*0401与1型AIH的发病密切相关，其中DRB1*0301与AIH的严重程度存在着强相关性；而在南美洲，DRB1*13和DRB1*03则更为普遍[26];在中国、日本等亚洲国家AIH的发病则可能与DRB1*0405存在着更强的相关性[27]。此外，非HLA基因也可能与AIH的发病相关，如CTLA-4基因、TNFα-308基因、FAS基因、SH2B3T基因及GATA-2基因等，均有研究证明可能与AIH的发病之间存在着一定的相关性，但其中具体机制仍需要进一步研究。

2.2 免疫因素 CD4+CD25+Treg和Th17共同维持着机体的免疫稳态，有研究[28-29]表明，AIH患者体内Treg的数量减少且其抑制T淋巴细胞增殖的能力下降，抑制T淋巴细胞产生炎症因子的能力也有所下降。这些现象表明，AIH患者体内Treg的数量和免疫抑制功能方面都存在缺陷，而这可能是导致AIH发生的原因之一。在一项研究[30]中，研究者使用流式细胞仪技术检测AIH患者外周血中Th1、Th17和Treg的数量，发现疾病活动状态下的AIH患者外周血中Treg数量显著减少，与前述结果一致，Th1、Th17数量及相应的细胞因子如IL-2、IFNγ、TNFα、IL-17及IL-22等水平则升高，且与Treg的数量呈负相关关系，提示Th1、Th17与Treg之间的免疫稳态的破坏可能参与了AIH的发病过程；而在经过治疗之后，纠正了AIH患者体内Treg/Th17的失衡，患者的疾病状态也会发生好转[31]。研究[32]表明，AIH患者Treg中Galectin-9的表达水平和CD4+T细胞中T淋巴细胞免疫球蛋白黏液素3(T cell immunoglobulinmucin-3, TIM-3)的表达水平均低于正常人，提示Gal9-TIM-3信号通路可能参与了AIH的发生；其他，如CD39+Treg数量减少，Treg/Teff比例下降均可能参与了AIH的发病过程。近年来，大量研究[33-34]表明OX40/OX40L通路的激活可以抑制Treg功能，促进Th17的增殖分化以及相应细胞因子的产生，影响Th1/Th2之间的比例平衡，从而加重了多种炎症性疾病的进展，然而目前仍缺乏其在AIH发病机制中的研究。

2.3 环境因素近期有研究[35]表明，AIH患者与健康对照者相比，结合肠道上皮细胞的结构蛋白如小带闭塞蛋白-1和闭塞蛋白减少，血浆脂多糖水平升高，肠厌氧菌减少，这些发现都支持了AIH与肠道微生物群稳态失调、肠黏膜屏障功能受损、通透性增加以及肠道菌群及其产物如细菌DNA、肽聚糖、鞭毛蛋白和热休克蛋白等异位至肝脏中，激活免疫系统反应，打破机体免疫稳态，进一步诱发肝脏炎症反应有关。肠道菌群通过肠内消化纤维发酵可产生丁酸，其可提供结肠细胞所需的60%～70%的能量，在维持肠道上皮黏膜屏障功能完整方面发挥着重要的作用[36];同时，丁酸可从肠道转移至肝脏被干细胞直接代谢，从而影响肝脏的生理健康[37]。研究[38]表明，产丁酸菌的减少以及SCFA信号转导与法尼酯衍生物X受体和WD摄入导致的肝炎失活有关；使用缺乏产丁酸菌的粪便进行粪菌移植会增加小鼠肝脏炎症；而增加丁酸盐的摄入则会消除由法尼酯衍生物X受体失活所相关的胆汁酸合成失调引起的肝脏炎症。此外，病毒感染也可诱发AIH的发生，如嗜肝病毒(HAV、HBV、HCV等)、麻疹病毒，水痘-带状疱疹病毒、巨细胞病毒、EB病毒等[39]，但其中具体的免疫学机制仍有待进一步的研究。

3 原发性胆汁性胆管炎(PBC)

PBC原名原发性胆汁性肝硬化，是一种免疫介导的慢性进行性肝内胆汁淤积性疾病，其主要特征为血清中存在特异性抗线粒体抗体及肝内中小胆管胆汁淤积、进行性损伤，并逐渐发展为肝纤维化和肝硬化。目前PBC的发病机制尚不完全清楚，目前主流观点认为该病的发生是在具有遗传易感性的个体中，在一定的环境因素的作用下，诱发机体免疫系统失衡，导致免疫耐受丧失，从而引发机体针对自身肝内胆管上皮细胞的免疫反应，从而导致胆管上皮细胞破坏以及一系列的炎症反应[40]。

3.1 遗传因素 PBC的发病呈家族聚集性，患者一级亲属的发病率较普通人群高近100倍，其子女的发病率约为1.2%，女性的患病率明显高于男性且同卵双胞胎的患病呈高度一致性，共患病率高达77%，这些均提示PBC的发病具有高度的遗传易感性[41]。全基因组关联性分析和基因芯片分析发现HLA-Ⅱ类基因与PBC的发病具有强烈的相关性，特别是HLA-DRB1、HLA-DQA1、HLA-DQB1等，且具有种族差异[42]。研究[43]表明，单体型HLA-DQB1*0402-DRB1*0801、DQB1*0602-DQB1*0301、DRB1*0404-DQB1*0302是北欧PBC患者的易感基因；而在日本、中国等亚洲国家，单体型DRB1*0803-DRB1*0601、DRB1*0405-DQB1*0401可显著增加PBC患者的遗传易感性[44]。此外，研究[44]表明超过20种非HLA基因多态性位点与PBC患者的发病相关，如TNFSF15、IL-12、STAT4、CTLA4、ARID3A、STNGR1等基因，功能设计骨髓细胞分化、抗原递呈、T淋巴细胞分化和B淋巴细胞功能等。也有研究[45]表明，女性PBC患者的淋巴细胞中往往出现X染色体的缺失，提示X染色单体的出现可能是女性PBC高发病率的原因。

3.2 免疫因素免疫因素在PBC的发病过程起到了重要的作用。自身反应性CD4+T淋巴细胞和CD8+T淋巴细胞被认为是参与PBC发病的主要机制之一，PBC患者肝内单管周围浸润有大量致病性CD4+和CD8+T淋巴细胞，且也有动物实验[46]证明上述两种细胞为主要致病细胞，且CD8+T淋巴细胞为胆管破坏的效应细胞。研究[47]表明，从PBC患者外周血中分离得到的CD8+CD28-Treg细胞亚群的免疫抑制功能明显减弱，且与Treg相关的基因如TGFβ和FOXP3的表达水平下降[48]；此外，PBC患者体内Treg对IL-12的敏感性增加，失去了免疫抑制表型和功能，并可向促炎功能的Th1型细胞分化[49]；而近年来一项临床试验[50]中发现口服低剂量万古霉素可改善PBC患者的临床症状，而万古霉素正是通过影响TGFβ通路，促进Treg数量增加从而治疗PBC。这些都说明Treg的功能缺陷对PBC发病起到了重要的作用。此外，近年来关于Th17和IL-17与PBC的研究表明两者与PBC存在密切的相关性。PBC肝脏中IL-17的表达显著性升高[51]，且有大量IL-17阳性的Th17浸润，外周血中Th17数量较健康人群均明显增高[52]；而GWAS研究[48]显示PBC患者外周血Th17相关的基因如IL-1β、IL-6、IL-23、RORγt和IL-17A的表达水平显著升高，且Th17与Treg比例失调。研究表明，在环境因素如病原体感染的作用下，TGFβ1的分泌减少，处于低水平表达状态，Foxp3的功能及表达收到抑制，Treg分化受阻，RORγt活化水平升高，Th17分化发育活跃、数量增多，IL-17表达增多，促进炎症反应的发生。其他的如TGF-β/Smad信号转导通路、IL-27信号通路、TLR3信号转导通路和CXCR3信号通路等都在PBC的发病过程中发挥了重要的作用。

3.3 环境因素某些环境因素如病原微生物的感染、化学品接触等，也可通过改变自身抗原和分子模拟等方式，打破机体免疫耐受性从而导致疾病的发生。既往关于PBC的动物模型研究[53]发现肠道菌群的改变可能通过T淋巴细胞来导致骨髓造血干细胞的异常，使脾和肝脏中出现造血干细胞，提示肠道菌群可能参与PBC的发病。早期PBC患者相较于健康人群来说，产酸杆菌、乳酸菌、埃氏拟杆菌和布氏瘤胃球菌等肠道益生菌数量减少，而γ-变形杆菌、肠杆菌科、副流感嗜血杆菌等条件致病菌数量增加，经过治疗后肠道菌群的丰度和多样性可得到一定程度的恢复[54]；终末期PBC患者的胆汁中以革兰阳性球菌为主，且在接受肝移植治疗后，胆汁可转呈无菌状态[55]。研究证实，在PBC的发病过程中，胆汁分泌障碍，胆汁酸作用削弱，引起肠道菌群失调；另一方面，肠道菌群失调，经肠-肝微生物轴导致肝脏持续炎症反应。此外，空气污染增加、吸烟、毒物化学品接触等也与PBC发病在一定程度上相关。

4 IgG4相关性硬化性胆管炎(IgG4-SC)

IgG4-SC是一种免疫介导的纤维性炎症性疾病，其特点主要为血清IgG4升高、病理切片可见大量淋巴细胞及IgG4阳性浆细胞浸润、对糖皮质激素治疗敏感。目前IgG4-SC的发病机制尚不完全清楚。多项研究[56-57]提示，IgG4-SC可能存在基因易感性，相较于健康人群而言，IgG4-SC患者的HLA-DRB1*0415、DQB1*0401、DRB1*0701、DQB1*0202均存在差异，然而上述研究样本量相对较小，也未在多个地区进行验证，所以仍需进一步试验证明IgG4-SC与遗传因素之间的关系。此外，IgG4-SC的发病与多种免疫因素相关。研究[58]发现，CD14+单核细胞中NOD2蛋白活化激活NF-κB途径可诱导 B淋巴细胞产生大量IgG4；Th2可分泌IL-4和IL-5，促进自身增殖并招募Treg，后者可产生大量IL-10诱导IgG4的产生[59]；且IgG4-SC患者外周血中浆细胞来源的NF-κB受体激活蛋白配体能诱导髓源性抑制细胞的扩增和活化，从而促进T淋巴细胞向Th2型分化[60]。

5 小胆管PSC

小胆管PSC是一种与PSC具有相同的生化和组织学特征，但胆管造影正常的肝胆系统疾病。许多学者认为小胆管PSC是PSC的前期病变，有报道[61]称12%～23%的小胆管PSC会发展成为PSC，且两者的病因和发病机制也相似。经过长期研究调查，约有80%的小胆管PSC患者在诊断或后期随访中伴有IBD，其中合并UC者占78%，合并CD者占21%，合并肠纤维化者占1%[62]。小胆管PSC的临床表现无特异，临床进展较为缓慢，有研究[58]表明小胆管PSC发展为典型PSC的平均时间为7.4年；其实验室检查ALP可升高，经内镜逆行胰胆管造影或磁共振胰胆管造影可为正常，在除外其他肝胆系统疾病后，需要肝活检才能确诊。

6 IBD相关胰腺损伤

IBD可合并多种胰腺疾病，包括AP、CP、AIP、胰腺外分泌功能不全、非特异性胰酶升高等。研究[63]表明，16%～31%的CD患者和3%～9%的UC患者血清中存在胰腺自身抗体。AP是IBD相关胰腺疾病中最常见的一种，既往研究[64]发现IBD患者合并AP的风险是健康人群的3.56倍。IBD患者易合并胆石症，其中CD患者合并胆石症的概率是健康人群的1.87倍，而UC患者是1.47倍，一项大样本研究[65]发现IBD患者合并胆石症并引起AP的几率约为21%。IBD患者由于全身广泛性炎症反应使机体长期处于高凝状态，导致胰腺缺血，可导致AP的发生；此外，IBD的治疗药物如5-氨基水杨酸、硫唑嘌呤、甲硝唑等都可导致AP的发生。AIP是一种慢性纤维性炎症性疾病，发病率约占慢性胰腺炎的2%，好发于老年人，临床表现缺乏特征性，可根据是否有血清IgG4的升高等特征分为1型和2型，在IBD患者中AIP的发生率高于一般人群，主要是2型，其与UC之间存在着很强的关联性[66]。目前仍缺乏关于IBD合并AIP的分子机制研究，IBD患者隐窝上皮细胞和胰腺导管上皮细胞中同时存在IL-8的过表达，提示两者之间可能存在着共同的免疫学机制[67]。