肠屏障功能障碍发病机制的研究进展

雷泓，宋云林

(1.新疆医科大学第一附属医院重症医学中心，乌鲁木齐 830054; 2.新疆克拉玛依市中心医院麻醉科，新疆 克拉玛依 834000)

肠道作为人体重要的消化器官，是抵御非特异性感染的第一道防线，它具有强大的内分泌和免疫防御作用；其次，肠腔内有大量的细菌和毒素，因此肠道对于人体还是一个潜在的感染源。生理条件下，肠道在保证消化吸收营养物质、交换水和电解质等基本功能的同时还可以阻止有害微生物及其代谢产生的毒素等有害物质转移到组织器官中，从而维持内环境的动态平衡[1]。肠屏障功能障碍是指由于各种原因导致肠道内微生物区系失调、肠道通透性改变以及肠黏膜结构的损伤，从而引起细菌和有毒产物易位进入血液循环引起全身炎症。很多疾病过程中均会伴随或导致肠屏障功能障碍，如颅脑损伤[2]、应激[3]、烧伤[4]、炎性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)[5]、多发性硬化症[6]、慢性肾脏病[7]、精神分裂症自闭症等[8]。在临床上，尤其是危重患者，往往均存在肠道屏障功能障碍，且与患者的预后和转归相关。因此，临床医师应深入认识肠道屏障功能障碍发生的机制，以便进行早期预防和积极诊治。虽然目前已有许多研究明确了引发肠屏障功能障碍的危险因素，但其发生机制错综复杂，仍需进一步深入研究。现就肠屏障功能障碍发病机制的研究进展予以综述，以为临床肠屏障功能障碍的诊治提供新思路。

1 肠屏障的组成及功能

1.1机械屏障 肠上皮细胞是构成肠屏障的基本框架，也是肠道与内环境之间的物理屏障。肠上皮细胞在胃肠道内排列成厚约20 μm的单层柱状层，形成人体最大和最多样化的黏膜表面；肠上皮细胞是一种特殊的极化细胞，其形成的动态机械屏障将位于其下方的淋巴组织与肠腔分开。肠上皮细胞每隔4～5天就会不断地由位于肠道隐窝基底部的肠道干细胞增殖补充[9]。

肠上皮细胞之间不是密闭的，而是存在缝隙，缝隙间被紧密连接填充。闭锁小带蛋白1和连接黏附分子、claudins、occludin、tricellulin四类跨膜蛋白共同组成紧密连接，其构成了防止肠道内细菌和毒素发生转移的重要屏障。紧密连接具有选择渗漏性和动态变化性，可以限制离子的随意扩散及肠腔内细菌和毒素从顶端向基底侧膜区的移位[10]。紧密连接受钙黏蛋白、磷脂酶C、蛋白激酶A、酪氨酸激酶、促分裂原活化的蛋白激酶和肌球蛋白轻链激酶等多种蛋白的调节，其中肌球蛋白轻链激酶起关键作用。

1.2化学屏障 肠黏膜化学屏障也叫黏液层，是指肠道细菌驻留产生的抗菌物质及胃酸、胆汁、消化酶、溶菌酶、黏蛋白(mucoprotein，MUC)等能抑制细菌黏附和定植的化学物质的总称。其能使肠腔内细菌与肠上皮细胞分离，同时允许营养成分吸收。黏液层主要由MUC骨架和复杂的O-连接低聚糖修饰而成，它可以限制胃肠道组织与微生物区系的接触，并润滑腔内容物，以防止胃肠道组织被降解。随着杯状细胞的不断分泌，这些糖蛋白聚集体水合并膨胀，形成网状凝胶。小肠只有一层黏液层，而结肠黏液层有三层，最外层的黏液层密度和黏性最小。内层黏液层是糖萼，其中MUC附着在细胞膜上；中间层主要由MUC2组成；外层是由内层蛋白水解和置换而形成[11]。

MUC是一种高度O-糖基化的蛋白质，在肠上皮表面形成聚合网络。它们可分为两组：由杯状细胞产生的分泌型、凝胶型MUC(MUC2、5AC、5B和6)和膜相关的MUC(MUC1、3、4、13和17)，均由顶膜的杯状细胞和吸收细胞分泌[12]。MUC2是黏液的主要成分，也是产生有效黏液层的关键。研究发现，MUC2基因敲除小鼠自发结肠炎，对肠道病原体的抵抗力降低[13]。此外，也有学者认为黏液层分为内外两层，肠道共生微生物群通常局限于由MUC2的蛋白水解和糖苷降解形成的外部“松散”黏液层内，而内部“黏附”黏液层基本没有微生物定植[12]。

1.3生物屏障 微生物群自然定居在人体与外界环境相互作用的每一个表面，如皮肤、泌尿生殖道、胃肠道和呼吸道，其中胃肠道是所有器官中定植最严重的器官。人的胃肠道中有1 000多种细菌，这些微生物在人出生后就定植于肠道中，并长期与机体形成互惠共利的平衡关系。微生物群被认为是一种宿主屏障元件，它与肠道上皮细胞以及基本的免疫和神经系统密切相互作用，包括细菌-肠-脑轴[14]。同时，肠道微生物群还可以产生活性代谢产物，如三甲胺-N-氧化物、短链脂肪酸和胆汁酸，这些均可以扰乱宿主正常的生理状态[15]。

1.4免疫屏障 肠道相关淋巴组织是肠屏障的重要组成部分，分布于启动免疫反应的淋巴结构(主要为淋巴滤泡、Peyer氏斑和肠系膜淋巴结)及散布于肠黏膜上皮和固有层的效应细胞[16]。来自肠神经元的神经介质通过直接刺激肠上皮细胞或通过肠胶质细胞、免疫细胞的中间作用来调节肠上皮屏障的完整性。肠道相关淋巴组织处于肠黏膜表面的关键部位，发挥着监视、非特异性免疫和特异性免疫的作用。其中，非特异性免疫是抵御肠道黏膜中潜在有害物质的第一道免疫防线，其特点为缺乏免疫记忆，主要参与成分为肠上皮细胞、杯状细胞和帕内特细胞，以及上皮下中性粒细胞、树突状细胞、巨噬细胞、嗜酸粒细胞和肥大细胞。这些免疫细胞对宿主防御至关重要，也是免疫介导的肠道疾病的主要驱动力[17]。

2 肠屏障功能障碍发生的机制

肠屏障功能障碍发生的机制目前尚未完全清楚。许多因素均参与了肠屏障功能障碍发生发展的过程，如神经内分泌介质[18]、缺血再灌注[19]、氧自由基[20]、炎症因子[21]、肠上皮细胞自噬[22]以及遗传因素[23]等。

2.1缺血再灌注损伤 缺血再灌注损伤是指组织缺血一段时间重新恢复灌注后，组织的功能代谢障碍和结构破坏不仅不会减轻，反而会迅速加剧，甚至发生不可逆性损伤的现象。各种原因引起的全身血容量不足，会使机体组织器官缺氧。在烧伤、失血性休克所致的肠屏障功能障碍中，缺血缺氧是主导因素。缺血再灌注损伤会引起肠道通透性增加以及肠道内细菌易位，从而导致肠屏障功能障碍。此外，肠缺血再灌注损伤过程会释放大量的炎症介质和细胞因子入血，导致多器官功能衰竭，甚至引起患者死亡[24-25]。Gharishvandi等[26]研究表明，5-羟色胺、降钙素基因相关肽、氧化应激因子和促炎细胞因子在缺血再灌注引起的肠损伤中可能发挥作用。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是细胞中的转录调控因子，主要参与调节细胞对外界刺激的反应，在生命活动中发挥重要的调控作用[27-28]。大鼠体内实验表明，在缺血再灌注损伤过程中，NF-κB途径中相关蛋白会有不同程度的变化，从而增强局部组织对损伤的抵抗力，形成机体对外界的保护性反应机制[29]。同样在大鼠体内，有研究表明丙泊酚可能通过调节NF-κB途径来实现对肠缺血再灌注损伤的保护作用[30]。

2.2氧化应激 氧化应激是由于细胞和组织中活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的产生和积累，以及生物系统对这些ROS的解毒能力之间的不平衡(即氧化剂的产生与抗氧化剂之间的失衡)而引起细胞和组织损伤的一种现象[31]。肠道作为人体面积最大的消化器官，拥有丰富的血管，其新陈代谢非常活跃，因此也极易受到氧化应激的影响。

ROS包括羟自由基、超氧阴离子自由基、过氧化氢以及单线态氧，线粒体代谢是ROS的一个重要来源。蛋白质磷酸化、转录因子的激活、细胞凋亡、免疫反应和组织分化等过程均依赖于细胞内适当ROS的产生和存在，但是需要保持在较低的水平[32]。当ROS产量增加时，它们会对重要的细胞结构(如蛋白质、脂质和核酸)产生有害影响[33]。在肠屏障损伤过程中，氧化应激主要通过破坏肠上皮细胞间紧密连接复合体而影响肠屏障功能。氧化应激反应中，过量ROS的产生和积累会刺激炎症因子释放并激活多种信号通路，促进炎症反应，进而引起肠黏膜屏障功能的损害。核转录因子红系2相关因子2作为一种重要的细胞保护性转录因子，是抗氧化防御反应的主要调节因子，它可以促进多种抗氧化酶(如谷胱甘肽和过氧化氢酶)的转录，降解与氧化应激反应有关的基因[34]。

2.3肠道微生物群失调 肠道是人体内最大的消化器官之一，寄居着大量微生物，包括细菌、真菌、病毒、原生生物等，其中细菌的数量最多，也是维持肠道环境动态平衡的主要微生物[35]。肠道微生物群不是共生菌和病原体的静态组合，而是一个高度动态的生态体系，它能够迅速适应环境变化，如新的饮食、药物或病理生理状态。正常的微生物菌群能够保护宿主免受病原微生物的侵袭，为肠道细胞提供营养，促进机体能量代谢，维持微量营养素的稳态。肠道微生物群在塑造免疫系统和维持免疫动态平衡方面起重要作用，而3种主要细菌代谢产物(短链脂肪酸、胆汁酸和色氨酸代谢物)在维持肠上皮完整性中起重要作用[36]，其中短链脂肪酸不仅是宿主的能源，也是肠上皮细胞和免疫细胞生理功能的调节器，而丁酸可以作为燃料和细胞周期诱导剂促进肠上皮细胞的增殖，且具有抗炎和抗氧化的潜力。微生物群种的改变或移位会使免疫和代谢稳态改变，从而引起肠道功能受损。

肠道菌群中信号分子的变化可能也是菌群失调导致肠道疾病的一个机制。定植于肠道的微生物区系与组成适应性免疫系统的派尔集合淋巴结相互作用，在免疫防御启动方面起重要作用[37]。节段性丝状细菌是小鼠或大鼠肠道内的众多共生细菌之一，大部分附着在回肠内皮细胞上，它可以诱导肠上皮细胞产生血清淀粉样蛋白A，后者有强烈促进固有层中辅助性T细胞17(helper T cell 17，Th17细胞)分化的作用[38-39]，而Th17细胞分泌的白细胞介素(interleukin，IL)-17可以诱导肠上皮细胞分泌抗菌肽和再生胰岛衍生蛋白3γ，有助于抵抗肠道细菌感染[40]。

2.4免疫失调 肠道的非特异性免疫反应由附着在肠上皮细胞、肥大细胞表面的模式识别受体触发。模式识别受体可以识别微生物表面的病原体相关分子模式，从而诱导炎性病灶定位感染，防止病原体的系统性传播。模式识别受体激活NF-κB信号通路，触发炎症级联反应，释放多种炎症因子，引起肠道的持续性损伤，进而导致肠道炎症性疾病的发生。同时，模式识别受体也被证明参与上皮细胞增殖、紧密连接的维持和免疫球蛋白的产生[41-42]。免疫细胞通过IL-23/IL-23受体途径产生细胞因子IL-22，促进上皮细胞表达抗菌肽[43]。有研究表明，IL-22的缺乏会导致结肠微生物区系组成的改变，从而导致对葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎的高度易感性[44]。

肠道的免疫调节与微生物区系密切相关，肠道微生物区系很大程度上影响了宿主免疫系统的表型和功能，如无菌小鼠存在许多免疫缺陷，包括T细胞分化和T细胞在肠道积聚受损[45-47]，免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)A和抗菌肽的产生分泌均减少，全身性IgE水平升高[48-49]。然而，这种免疫缺陷可以通过给予来自小鼠和人类捐赠者的粪便微生物区系，或它们衍生的细菌菌株而逆转。目前，已有研究者以肠道微生物区系与免疫功能之间的相互关系为靶点，开发新的制剂以便有针对性地塑造免疫功能。

谷氨酰胺作为肠黏膜细胞的唯一能源物质，在肠黏膜细胞的增殖、免疫细胞的分化以及调控免疫应答等方面均发挥重要作用[50]。有研究表明，老年重症胰腺炎患者使用谷氨酰胺作为肠内营养物质对其肠道菌群有一定调节作用,可较好地抑制菌群繁殖，从而改善肠黏膜屏障功能[51]。

2.5自噬 自噬是由溶酶体介导的细胞降解过程，组织分化、创伤、氧化应激、内质网应激等应激条件均可诱发自噬，自噬对于细胞的生长、发育和维持内环境稳态均必不可少。近年有学者提出了一种新的细胞死亡类型，即“无约束自噬细胞死亡”，这意味着无约束自噬会引起细胞死亡，从而对机体产生负面影响[52]。许多复杂的机制均参与调控自噬的启动及终结，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)作为细胞生命活动的重要调节因子，在细胞自噬的开启中发挥关键作用。在某些应激源的作用下，mTOR失活，会导致自噬小体的生物发生和自噬的启动[53]。肠缺血再灌注后，肠黏膜自噬明显增强，而抑制自噬可通过激活mTOR信号通路减轻缺血再灌注引起的肠损伤[54]。

自噬可以通过抑制促炎复合物或增强受损细胞器的清除来保护肠上皮细胞免受过度的炎症刺激[55-56]。由于自噬在细胞和组织的动态平衡中起重要作用，因此其是一种有益的生命过程。自噬受损在肠黏膜的每种细胞类型中具有不同的表型效应，如可以增强ROS的产生、激活炎症小体、增强Th17细胞反应和促进IL-1β的产生等[57]。帕内特细胞很容易受到自噬受损的影响，研究发现，缺失自噬相关基因(autophagy related gene，ATG)4B小鼠的肠道帕内特细胞的免疫分泌功能会受到抑制[58]。此外，在葡聚糖硫酸钠诱导的ATG缺失的小鼠结肠炎模型中，杯状细胞的丢失明显，说明自噬参与调节杯状细胞[59]。

截至目前，已有30多个ATGs在哺乳动物中被发现，其中ATG16L1在肠上皮细胞的动态平衡中发挥重要作用[23]；同样，IBD的易感基因也包括ATG16L1。

2.6遗传及环境因素 众所周知，在基础病变的基础上，IBD也会引起肠黏膜屏障功能障碍。IBD的病因复杂，但有证据表明免疫因素、遗传和环境因素共同促进了IBD的发生发展[24]。全基因组关联研究普遍用于鉴定与IBD相关的基因变异，到目前为止已经确定了230多个与IBD相关的位点，且最新进展已经确定了罕见的致病基因变异。这些致病基因变异会导致机体表现出IBD样的肠炎，但也只是解释了IBD遗传性的少部分原因[60]。其中，破坏帕内特细胞功能的基因多态性被认为在溃疡性结肠炎的发生中起关键作用[61-62]。与IBD发生发展相关的环境危险因素包括污染、药物、受教育程度、精神心理因素、饮食等。研究显示，IBD的发生和发展与遗传和环境因素密切相关；多因素Logistic回归分析显示，在IBD的发生过程中，有遗传家族史、长期摄入牛奶、生活工作压力大、精神高度紧张、肠道感染性疾病患者IBD的发病率较高[63]。其中，精神压力对IBD发病产生的影响，可能与机体的神经调节有关。目前研究已经明确吸烟对肠道微生物区系、肠道免疫活性和基因转录的普遍影响。

3 小 结

肠屏障功能障碍并非独立存在的症状，它是其他疾病的伴随症状或诱因。在危重症患者中，肠屏障功能障碍若不及时干预，可能会加重原发疾病甚至引起多器官功能障碍综合征，从而危及患者生命。对于肠屏障功能障碍，临床工作中不仅要考虑原发疾病的影响，更要结合肠道自身的病理生理情况。在肠屏障受损过程中，其功能障碍发生的病理机制复杂，而且各种机制往往相互交错且相互影响。因此，临床诊治肠屏障功能障碍时，应全面分析，有针对性地进行诊疗。对于肠屏障功能障碍的发生发展机制，未来需开展更多分子层面的研究，以减少其对危重症患者带来的不良后果。