自噬与炎症性肠病关系的研究进展

王 钦，刘维新，杨美琪，梁 增，李雪梅，李 冬，袁琳琳，张慧玲

中国医科大学附属第一医院消化内科，辽宁 沈阳 110000

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)是一类慢性、易复发的肠道炎性疾病，包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病(Crohn’s disease，CD)，病变主要发生在回肠、结肠和直肠，甚至可累及全消化道，起病慢、迁延不愈。关于IBD的发病原因仍不明确，有免疫、环境、微生物相关、宿主易感性等多种因素共同作用导致肠道炎症的发生[1]。北欧是IBD的高发病率地区，但过去发病率较低的国家，如大多数发展中国家，现在IBD的发病率和流行率都在明显上升，且发病率的上升速度远远高于传统上发病率高的西方国家，同时呈发病年龄趋向年轻化的特点，IBD已经逐渐成为一种世界性疾病，作为拥有超过10亿人口的发展中国家，IBD的日益流行对于我国的影响不容忽视[2]。但就目前而言，IBD的治疗仍以诱导和维持缓解症状、控制疾病的发展为主，尚不能达到完全治愈，并且治疗常伴随有不良反应，治疗策略效率低下。

自噬是由自噬相关基因(autophagy-related genes，ATG)调控细胞，使细胞内老化、损伤的细胞物质被送到溶酶体内降解，自噬选择性地以细胞内病原体为目标进行破坏的能力现在被认为是先天免疫反应的一个关键方面[3]。控制自噬的基因突变与许多疾病，如衰老性疾病、炎症性疾病与癌症之间存在明确的病因学联系，对自噬功能的调节有望成为多种疾病的治疗新机会[4]。在人类基因组中发现了大量与IBD相关的基因变异，揭示了其在肠道稳态中发挥重要作用的关键途径。因此，自噬作为一种维持肠道内稳态的重要过程，自噬功能障碍在IBD的发生发展中起重要作用，IBD患者体内往往会出现细胞自噬功能低下，但其具体作用机制还有待阐明。有研究发现，自噬对于维持肠道屏障和黏膜稳态起关键作用，而ATG异常可导致自噬缺陷，使自噬对炎症细胞因子反应的限制关键作用受损，引起肠道上皮屏障受损和肠道炎症失控[5]。

1 自噬的概述

1963年，Christian de Duve首次发现溶酶体以及线粒体和其他细胞内物质在溶酶体内的降解现象，第一次定义了“自噬”这一重要生理和病理过程[6]。自噬选择性地将细胞物质运送到溶酶体中降解，同时能将降解产物再循环利用，在高等真核生物中具有重要的动态平衡能力[7]。因此，自噬被认为是在应激条件下保护细胞的一种有利于生存的机制[8]。根据细胞物质被运到溶酶体的不同方式，目前已知至少有三种不同形式的自噬：巨型自噬、微型自噬和分子伴侣介导的自噬。其中巨型自噬被研究最多，它是真核细胞维持营养动态平衡和细胞器质量控制的主要机制，在巨型自噬中被选择性吞噬的细胞物质会通过双膜自噬小体被运到溶酶体内再进行降解，而在其他两种形式的自噬中物质的降解直接发生在溶酶体内[9]。目前，酵母遗传学研究中已经筛选鉴定出40多个不同的ATG，其中ATG1～10、ATG12～14、ATG16～18、ATG29和ATG31这18个自噬相关基因是核心ATG基因，其功能组成单元中许多蛋白质在哺乳动物中是保守的，识别相应的ATG为评估自噬活性、功能和作用提供了途径[10]。已经有大量的研究揭示了自噬与众多人类疾病有明确相关性，损坏或老化的细胞质被溶酶体降解及循环利用降解产物的自噬过程能够调节控制人体内稳态，但当自噬出现功能障碍，自噬空泡的形成减少及这些空泡与溶酶体的不正确融合、自噬蛋白去除的减少、脂类分子在溶酶体内积聚等均对包括人类疾病在内的许多病理过程产生了重要的影响[11]。

2 自噬在IBD中的研究

目前为止，导致IBD的具体机制仍不明确，但有研究表明，IBD的发生与宿主易感性、肠道微生物、其他环境因素和免疫异常有关，特别是异常的先天性和获得性免疫反应及其相互作用，这些因素的全面评估有助于全面了解IBD的发病机制[12]。由进化上保守的ATG调控的自噬在细胞、组织和有机体的动态平衡中起着基础性的作用，控制自噬的基因突变与人类疾病之间存在明确的病因学联系。研究表明，自噬与CD的易感性有关，CD是IBD的一种主要形式，关于自噬涉及IBD病因的先驱证据来自全基因组关联研究[13]，ATG在保护肠道黏膜屏障免受感染和炎症挑战方面具有重要作用，该研究揭示了ATG中的单核苷酸多态性(SNP)是CD的易感性因素。在众多CD的相关危险基因中，ATG16L1、NOD2、IRGM、LRRK2等与自噬相关的基因变异，与免疫细胞和肠道上皮细胞自噬缺陷相关性极高，为自噬在IBD的发生发展中提供了强有力的支持[14]。同时，NF-κB信号通路调控炎症细胞因子的释放是CD发生的关键机制和重要的治疗靶点，而与炎症相关的NF-κB信号通路证实与自噬相关，在CD发病过程中具有重要作用。因此，自噬作为IBD发病机制中的重要过程的作用值得进一步探讨。

2.1 ATG16L1ATG与IBD病因之间关联的大多数证据来自使用ATG16L1T300变体的功能研究，ATG16L1是自噬小体形成中的关键蛋白，它的正确定位对于自噬小体的形成具有关键作用[15]。研究表明，具有ATG16L1T300变体的人类细胞自噬会表现出受损的细胞内细菌清除能力，并促进了促炎细胞因子的产生，潘氏细胞颗粒数量和形态异常[16]。肠黏膜屏障主要由黏液层和上皮细胞组成，其中上皮细胞是抵抗细菌入侵的第一道防线，潘氏细胞是一种特殊的上皮细胞，是黏膜屏障的重要组成部分，通过产生抗菌物质和控制宿主-共生平衡，潘氏细胞中自噬可通过降解和循环细胞内物质或细胞器，在维持肠道内环境稳定方面起至关重要的作用，潘氏细胞中与自噬相关的基因变体被认为对CD的发展至关重要[17]。杯状细胞是肠道中另一种特殊的上皮细胞类型，杯状细胞通过分泌黏蛋白帮助其在肠内形成黏液层，在固有的肠道微生物防御中起作用。ATG16L1T300A多态性破坏了杯状细胞的形态；自噬缺陷使肠上皮细胞在暴露于炎症肠道中的促炎细胞因子环境后对细胞凋亡的诱导更加敏感，这些细胞与肠上皮屏障一起共同调节肠道微生态[18]。这些研究表明，IBD易感基因ATG16L1和潘氏细胞、杯状细胞等关键上皮细胞内的自噬过程在肠道病原体防御以及控制炎症诱导的屏障完整性中起到了关键作用。

此外，Gao等评估了ATG16L1T300A多态性杂合子和纯合子在基因敲入(Knock-in，KI)小鼠中的功能，发现这两种类型KI小鼠的巨噬细胞自噬诱导均表现出缺陷；因此，两种类型的小鼠均表现出细菌清除缺陷，并伴随着炎症细胞因子IL-1β的增加。同时研究中还发现，两种类型KI小鼠的巨噬细胞在TNF-α诱导的ATG16L1T300A裂解、细菌滞留增加、细菌传播和沙门氏菌诱导的结肠炎方面存在缺陷[19]。自噬在免疫中最突出的功能之一是抑制参与宿主防御的细胞因子的产生，包括IL-1β和IFN-Ⅰ，使自噬在控制肠黏膜免疫系统和炎症反应中发挥重要作用[20]。ATG16L1基因异常会导致自噬功能障碍，引起先天免疫细胞产生炎性细胞因子的增加，以及肠上皮细胞的功能异常，所造成的肠道异常免疫应答与IBD的发病机制密切相关[21]。

2.2 NOD2NOD2蛋白作为一种胞质内模式识别受体，具有识别和防御病原体和外来成分侵入细胞质的重要作用，其功能涉及免疫反应、自噬、细胞内细菌感应，在宿主-病原体相互作用和炎症反应中发挥关键作用[22]。抗菌自噬是维持活体肠道内稳态和黏膜屏障的主要途径，有研究表明，IBD易感位点上的一些基因限制细胞内细菌，其中就包括ATG16L1、NOD2、IRGM、CALCOCO2/NDP52和GPR65[23-26]。这些基因在抗菌自噬级联反应的各个步骤中发挥作用，包括NOD2的细菌感知、IRGM和CALCOCO2的细菌靶向、ATG16L1的自噬小体延长和GPR65的溶酶体功能。有研究发现，IBD易感基因中的NOD2在肠上皮细胞中既能充当发现胞内细菌肽聚糖的传感器，又可以直接作为抗菌因素[27]。

在抗菌自噬中，NOD2与ATG16L1之间的相互作用一直是研究人员感兴趣的，这种相互作用被认为是促进细菌清除的重要因素[28-29]。NOD2将ATG16L1定向到细菌进入质膜的位置这一过程，这是通过自噬消除细菌的关键步骤[30]。有研究发现，NOD2中与CD相关的移码突变编码了一个突变的NOD2蛋白，该突变蛋白就不能将ATG16L1定向招募到细菌进入质膜的部位了，从而导致自噬清除细菌效率低下，NOD2基因多态性及异常表达与IBD的产生有紧密的联系[31]。

2.3 自噬异常与NF-κB信号通路在机体的免疫稳态以及炎症反应的调节中，NF-κB均发挥了重要作用[32]，其中NF-κB信号传导途径的激活对病原体介导的炎症反应十分重要，且细胞自噬常伴有NF-κB信号通路活性改变。肠上皮细胞(IECS)中的自噬在维持肠道内稳态方面起至关重要的作用，细胞中的自噬缺陷通过过度的氧化应激来触发炎症，通过丝裂原活化蛋白激酶信号途径促进NF-κB p65磷酸化，导致促炎细胞因子如IL-1β和IL-6的高表达[33]。Paul等[34]发现，NF-κB通路被选择性自噬的受体蛋白BCL10调节T细胞受体所激活，在炎症反应中T细胞被激活时，自噬可以选择性地克制衔接蛋白BCL10复合物的形成来使得NF-κB的活性下降，从而防止其过度活化。有研究采用脂多糖(LPS)诱导出BALB/c小鼠实验性结肠炎和氧化应激模型，结果显示，自噬中的抑制类通路mTOR被激活，并通过NF-κB途径抑制肠上皮细胞的自噬以调节肠道炎症[35]。以上可提示NF-κB通路与自噬之间存在着相互的联系。研究表明，调控炎症细胞因子的NF-κB信号通路是CD发生的关键机制和重要的治疗靶点[36]。采取干预NF-κB信号通路进一步调节自噬机制，不仅能为IBD的诊断带来新思路，同时有利于促进IBD新的治疗机会的开发。

3 自噬在IBD中的临床应用及前景展望

在我国，IBD患者就诊人数近年来快速上升[37]，目前临床上IBD的治疗药物主要为氨基水杨酸类药物、皮质类固醇及免疫抑制剂，以及生物制剂的使用，主要作用为缓解症状和控制疾病的发展[38]。但部分药物不良反应多，还有部分患者对上述药物治疗方案无反应，无法持续治疗，治疗效果欠佳，对患者及其家庭造成了极大的经济和心理负担。因此，IBD的治疗仍旧是一个亟待探求更多解决方案的问题。越来越多的证据支持自噬在维持肠道内稳态和保护肠黏膜屏障中的重要作用，这提高了以自噬为目标改善IBD的热情，未来有很大可能通过恢复受损的自噬及对自噬的特异性调控使IBD的诊疗获得明显的进展。通过研究去挖掘自噬在IBD中的作用机制，能够为IBD患者的诊疗提供新的启示。