5-羟色胺在轮状病毒腹泻中的机制的研究进展

李 峰 宋丽军 周玉晶 冯宇璇 袁 月 钱余培 杨思雁 赵文昌

广东医科大学药学院，广东东莞 523109

轮状病毒（rotavirus，RV）为呼肠弧病毒科双链核糖核酸病毒，基因组由11 个分段的双链RNA 片段组成，是引起婴幼儿腹泻的主要病原体之一[1]。RV 感染临床主要表现为水样便腹泻，多伴有发热及呕吐，部分伴随脱水及酸中毒的症状，还能引起肠道外感染[2]。RV 可通过多种途径引起腹泻，包括肠上皮细胞（intestinal epithelial cells，IECs）破坏后的吸收不良、肠绒毛缺血和肠毒素非结构蛋白（non-structural protein，NSP）4 的作用等[3]，有研究表明，肠神经系统（enteric nervous system，ENS）参与了RV 的腹泻过程[4]。此外，IECs 间紧密连接受损导致的肠上皮屏障（intestinal epithelial barrier，IEB）损害和细胞旁渗漏，与RV引起的腹泻密切相关[5]。RV 激活ENS，主要是依靠其能够促进5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）分泌的作用[6]。5-HT 是一种重要的神经递质，能够激活ENS 刺激氯和水的分泌，还能通过传入神经纤维与其肠道相关受体结合，调节肠道运动和收缩的频率[7]。有研究发现，5-HT 还能够调控紧密连接蛋白的表达，降低IEB 的完整性，导致腹泻[8-9]。5-HT 在RV 引起的腹泻过程中发挥着重大作用，但有关其影响RV 腹泻的机制尚未进行系统阐述，本文将从ENS 和IEB 角度对5-HT 与RV 腹泻之间的联系进行综述。

1 5-HT 与胃肠道

5-HT 是一种神经递质，对中枢神经系统的调控非常重要，但大脑并不是生成5-HT 的主要场所。机体内的5-HT 约95%来源于肠道，5%来源于中枢神经系统。其中肠源5-HT 约90%由肠嗜铬细胞（enterochromaffin cells，ECs）分泌，10%由肠神经元分泌[10]。

5-HT 能够多方面的调控胃肠道功能，主要是其与ENS 发挥重大作用[11]。ENS 能够控制胃肠道的运动模式；控制胃酸分泌；调节液体通过肠上皮的运动；改变局部血流；改善肠道营养条件；以及与肠道免疫和内分泌系统相互作用。此外ENS 还能与肠道胶质细胞（enteric glial cells，EGCs）一起，维持肠腔与肠壁内细胞和组织之间IEB 的完整性[12]。

在ENS 水平上，5-HT 是胃肠道功能的主要调节因子，作为一种神经生长因子，负责特定类型的肠神经元发育。大多数情况下，胃肠道受到生理和病理刺激后，会引起ECs 释放5-HT，直接通过调节ENS 和受体神经元对胃肠道进行作用，包括调节平滑肌功能（松弛或收缩），肠道分泌（主要是促分泌）和对内脏疼痛的反应等[13]。

5-HT 的受体类型分为7 大类（5-HT1～7），除了5-HT3 受体是配体门控离子通道外，其他都是G 蛋白偶联受体[14]。其中5-HT1[15]、5-HT2[16]、5-HT3[17]、5-HT4[18]和5-HT7[19]是与胃肠道研究报道最多的5 种受体。目前在临床应用上，针对5-HT 受体拮抗剂、激动剂的药物制剂在治疗胃肠道疾病方面已广泛应用，未来可能成为治疗肠道疾病的新靶点。

2 5-HT 与RV

RV 感染可以激活肠壁中的ENS 来引起肠电解质分泌。Lundgren 等[20]的研究表明，ENS 至少介导了RV 2/3 的分泌反应，同时表明该类阻断药物具有治疗该疾病的潜在作用。然而，这项研究虽然证明ENS 参与了RV 腹泻，但并没有找到特定的神经递质参与了这一过程。

在此基础上，Kordasti 等[21]进行了后续研究，研究发现5-HT 和血管活性肠肽参与了RV 腹泻。这是第一个证明阻断特定神经递质对胃肠炎有影响的研究。作为神经递质，5-HT 绝大部分都由ECs 分泌提供。ECs 具有合成5-HT 的酶，特别是能以钙依赖的方式分泌5-HT[22]。因此RV 有可能感染刺激ECs，通过钙离子浓度增加引起5-HT 的释放。

在这项研究中，Hagbom 等[23]发现RV 可感染ECs及附近的肠细胞，并且能以剂量和时间依赖性的方式刺激ECs 对5-HT 的释放，从而刺激ENS 引起腹泻。其中RV 感染ECs 6 h 后，5-HT 和钙离子释放才增加，证实是RV 的非结构蛋白NSP4 诱导了这一反应。NSP4 作为肠毒素，在RV 发病机制中发挥重大作用。大多数肠毒素由于不能通过IECs，已被证明是通过刺激肠道内分泌细胞来释放胺或多肽来激活ENS[24]。

除了作用ENS 外，5-HT3 和5-HT4 受体也参与了肠道活动。然而，5-HT4 受体虽然可以影响其他肠道活动，但并没有参与RV 引起的腹泻活动[21]。多项研究报道，5-HT3 受体拮抗剂在婴儿和幼鼠上都能够显著减轻RV 腹泻[25]。表明了5-HT3 受体和RV 腹泻之间存在紧密关系，但并没有研究其具体作用机制。Hagbom 等[26]研究揭示，5-HT3 受体可以通过促进肠道蠕动而导致RV 诱导的腹泻，但RV 诱导的氯分泌不依赖于5-HT3 受体。说明RV 腹泻是由电解质驱动的水分泌、肠道病变和运动增加等共同引起，部分由5-HT3 受体调节。

3 RV 对IEB 的影响

在最近的一项研究中发现，RV 感染后，5-HT 还参与了对IEB 的调控，IEB 完整性破坏后造成的肠道紊乱，是RV 腹泻的重要机制[27]。IEB 由单层IECs 通过紧密连接蛋白形成，其能够将内外环境分开，阻止潜在有害物质的通过，控制分子通过跨细胞和细胞旁途径的运输，并在此基础上衍生发展了“肠道屏障功能”。肠屏障功能通过调节水、电解质和营养物质从管腔吸收到循环中，同时限制有毒腔内物质和微生物的通过，保持IEB 和免疫系统的正确发展，维持肠道稳态[28]。

肠上皮紧密连接限制了溶质和物质在细胞内跨上皮的运动，调节相邻细胞中水、离子和大分子的细胞旁通透性。一旦紧密连接受损，IECs 间通透性增加，细菌、内毒素和大分子物质就可以进入体循环，与多种疾病的发生及发展有关，在肠道屏障功能中起重要作用[29]。目前，许多蛋白质已被确定为紧密连接的组成部分，其中最关键的蛋白为跨膜蛋白Claudin、Occludin 和Jam-A，以及细胞质支架蛋白ZO-1[30]。

RV 优先感染小肠上皮分化的肠细胞和肠内分泌细胞。IEB 是抵抗RV 感染的第一道物理屏障。在感染的过程中，RV 不仅增加IECs 脱落率，还扰乱了紧密连接蛋白的表达和分布，导致细胞旁通透性增加，造成肠屏障功能出现紊乱，引起腹泻等各种肠道疾病发生[31]。除了作为物理屏障外，IECs 还能通过构建黏膜屏障，分泌各种免疫介质和递送细菌抗原，极大地维持了肠道微生物群与宿主之间的共生关系，以降低RV 感染的风险[32]。

在体内外，Obert 等[33]、Beau 等[34]及Dickman 等[35]证明RV 感染后改变了紧密连接蛋白分布和表达，导致紧密连接结构和功能损伤，以及诱导细胞旁通透性增加。Soliman 等[5]证明，RV 主要是依据VP8 和NSP4 的作用，促进RV 粒子结合辅助受体进入细胞。此外NSP4也会特异性地扰乱细胞旁通路，重组F-肌动蛋白，并阻止ZO-1 的表达，阻碍紧密连接形成[36]。

4 5-HT 对RV 感染后紧密连接蛋白及IEB 的影响

肠道屏障的调节是复杂的，涉及共生微生物菌群、免疫细胞网络及重要的ENS 的神经元细胞综合网络。ENS 越来越被认为是IEB 完整性的调节管家，同时其还具有公认的免疫调节潜力。ENS 几乎参与了肠屏障功能的所有方面，包括控制黏膜功能、血流和免疫细胞的迁移、紧密连接蛋白分布和表达、IECs 的脱落更新及对IECs 分泌物的影响[37]。

ENS 能够维持IEB 稳态，离不开EGCs 的作用。EGCs 能分泌大量的胶质细胞源性神经营养因子和s-亚硝基谷胱甘肽，通过增加紧密连接蛋白的表达，维持IEB 的完整性[38]。目前已经证实，RV 感染后，刺激ECs 分泌更多的5-HT，激活ENS 和5-HT3 受体，引起腹泻。但令人意外的是，5-HT 还通过刺激EGCs，介导了IEB 对RV 的免疫防御机制。

在这项研究中[39]，RV 感染后，改变了紧密连接蛋白的表达和分布。同时，分泌的5-HT 促进EGCs 释放胶质细胞源性神经营养因子，增加了感染细胞和旁观者细胞中ZO-1 的表达，增强细胞间紧密连接，从而阻止RV 破坏IEB。这是5-HT 引起的IEB 自我保护调节，阻止RV 或病原体入侵肠道。

根据这种作用，魏萍等[40]发现食淀粉乳杆菌可通过激活EGCs 分泌更多的胶质细胞源性神经营养因子和s-亚硝基谷胱甘肽，上调ZO-1 表达，维持乳鼠空肠中ZO-1 正常分布。RV 感染乳鼠空肠组织后，5-HT、胶质细胞源性神经营养因子和ZO-1 表达增加，与上述结果一致。同时RV 组s-亚硝基谷胱甘肽含量显著下调，低于正常组，说明RV 可能通过抑制s-亚硝基谷胱甘肽生成，破坏其对IEB 的修复作用。这可能是RV 应对IEB 自我防御产生的措施，以便其感染入侵肠道。食淀粉乳杆菌可通过上调s-亚硝基谷胱甘肽表达量，改善紧密连接蛋白分布和表达，同时提高乳鼠空肠抗氧化能力，两者共同作用，维持IEB 完整性，干预RV 感染。

5 小结

在肠道中，ENS 通常在受到外来毒素入侵时，以液体分泌作为防御机制，排除肠道内的毒素，从而造成腹泻[41]。RV 本身或感染细胞释放的NSP4 增加了ECs 内的钙离子浓度，这种钙的增加会使ECs 分泌大量的5-HT 和多肽，进而刺激位于上皮层下面的ENS，从而引起分泌性神经反射，刺激隐窝细胞氯和水的分泌。同时5-HT 还通过神经纤维与5-HT3 受体结合，增强了肠道蠕动力，引起肠道液体排泄。

此外RV 感染后5-HT 的升高，会引发IEB 生成自我保护调节，刺激EGCs 分泌大量的胶质细胞源性神经营养因子，从而促进紧密连接蛋白的表达，一定程度上阻止RV 入侵肠道。应对这种措施，RV 可能会通过抑制s-亚硝基谷胱甘肽表达进一步破坏IEB 完整性。

因此通过药物上调5-HT 表达量激活EGCs 释放更多的胶质细胞源性神经营养因子和s-亚硝基谷胱甘肽，从而维持IEB 完整性，可以干预RV 感染。阻断5-HT 受体的作用，抑制ENS 功能的药物也可以减轻RV 腹泻的症状，寻找这个方向的药物有望成为未来治疗RV 肠炎的新靶点策略。