益生菌在溃疡性结肠炎肠黏膜屏障功能中的作用

王冰　王韶轩

【摘要】 肠黏膜屏障功能是机体屏障系统的重要组成部分，肠黏膜屏障的破坏可导致许多疾病的发生发展，例如溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。补充益生菌可以改善肠道菌群失衡状态，促进肠上皮细胞的增殖、抑制其凋亡，促进紧密连接蛋白的表达和组装，促进抑菌素、黏蛋白、分泌型免疫球蛋白A（secretory immunoglobulin A，sIgA）的产生，对肠黏膜屏障的成熟和维持至关重要。然而，目前临床在治疗UC方面，益生菌仅作为辅助用药。因此，旨在总结益生菌对肠黏膜屏障功能的影响，为益生菌应用于UC的一线治疗提供更多理论依据。

【关键词】 益生菌；溃疡性结肠炎；肠黏膜屏障

文章编号：1672-1721（2024）02-0030-04     文献标志码：A     中国图书分类号：R574.62

溃疡性结肠炎（UC）是一种慢性难治性炎症性肠疾病，主要累及结直肠黏膜层和黏膜下層，患者临床症状主要表现为腹痛、腹泻和黏液脓血便。UC的临床类型以慢性复发型最为常见，病情迁延反复，不仅容易增加患者患结肠癌的风险，还容易增加患者的精神负担，使患者患抑郁症的风险增加。近些年，随着人们生活水平的提高、饮食结构和生活方式的改变，溃疡性结肠炎的发病率日益增长。然而，UC病因未明，临床的一线用药主要是水杨酸制剂，但其临床疗效欠佳、不良反应较多等缺点促使人们去寻找新的潜在的一线治疗药物。随着人们对益生菌研究的了解和深入，发现益生菌是一种具有一线用药潜力的候选药物。众所周知，UC患者多有肠黏膜屏障功能障碍，随着研究人员对UC的研究，越来越多的证据表明肠黏膜屏障功能受损是导致UC发病的关键因素[1]。有研究指出，正常肠道微生物群是肠黏膜屏障完整的关键因素，也是炎症性肠疾病治疗的主要目标[2]。UC患者肠道内菌群结构发生改变，主要表现为双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌群丰度减少，而大肠杆菌、肠球菌等有害菌群丰度增加，补充益生菌，如双歧杆菌、乳酸杆菌等，可以改善肠道菌群失衡的状态，促进肠上皮细胞的增殖、维持紧密连接，促进黏蛋白和免疫球蛋白的产生，对肠黏膜屏障的成熟和维持至关重要。本文将在益生菌改善肠黏膜的机械屏障、化学屏障、免疫屏障中详细叙述。

1 益生菌改善肠黏膜的机械屏障

肠黏膜屏障以机械屏障最为重要，肠上皮细胞（intestinal epithelial cells，IEC）及细胞间的紧密连接（tight junction，TJ）构成肠黏膜机械屏障的结构基础。研究表明，在炎症条件下，益生菌可以通过激活磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol-3 kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinases B，PKB，即AKT）抗凋亡通路和蛋白激酶C依赖通路，促进IEC增殖、抑制IEC凋亡，并调节肌动蛋白细胞骨架和TJ的变化，有助于肠黏膜机械屏障功能的恢复。

1.1 益生菌促进IEC增殖，抑制IEC凋亡

研究发现，鼠李糖乳杆菌GG能通过激活PI3K/AKT通路、抑制p38/MAPK通路，减少细胞因子诱导的肠上皮细胞凋亡[3]。AKT通过磷酸化相关转录因子，如糖原合成激酶-3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3），磷酸化的GSK-3失活，失活的GSK-3使细胞内的cyclinD1、β-catenin等蛋白的稳定性增高，进而促进细胞周期，抑制细胞凋亡。然而，益生菌是如何激活这些通路的呢？研究发现，这可能与益生菌上调三叶因子3（trefoil factor family 3，TFF3，即ITF）的表达有关[4]。ITF是由肠黏膜杯状细胞产生的一种小的分泌蛋白，在回肠和结肠中大量表达，能在黏膜损伤后迅速分泌到黏膜表面，并通过促进有丝分裂和抗凋亡活性参与黏膜稳定和修复，在肠黏膜屏障功能中发挥关键作用，是标志肠黏膜愈合的生物活性物质之一。

1.2 益生菌促进TJ的改善

益生菌不仅影响肠上皮细胞的增殖和凋亡，还影响TJ的表达和组装。TJ是由克劳丁家族（claudins）、咬合蛋白（occludin）等跨膜蛋白以及带状闭合蛋白-1（ZO-1）等胞浆蛋白构成的大分子复合物。肠上皮TJ结构的破坏引起的肠黏膜通透性的增加对肠道炎症的发生和发展至关重要。研究发现，TJ结构的稳定和破坏可能与某些细胞因子有关，如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）。TNF-α可以使occludin等构成TJ的蛋白基因表达下调[5]。此外，TNF-α可以通过激活肌球蛋白轻链激酶（MLCK，即MYLK3）基因，使MLCK表达增加，MLCK通过收缩肌动蛋白-肌球蛋白丝诱导TJ打开，内化TJ蛋白。这一机制下，TJ蛋白的基因表达可能并不受影响，但IEC胞膜上的TJ蛋白重回细胞质，也将导致肠黏膜屏障被破坏[6]。

UC患者肠道中革兰阴性致病菌增多，这些病原菌可以通过细胞外壁的脂多糖激活先天淋巴细胞上的Toll样受体（TLR）4，通过胞质内适配器MyD88的活化激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB），使TNF-α表达和释放增加。当机体受到病原菌感染时，机体的确需要快速激活NF-κB信号通路，介导正常的免疫应答，消灭病原菌。然而，NF-κB信号通路的过度表达则会导致组织损伤，发生UC等免疫相关疾病。

研究发现，益生菌可以使TNF-α的表达下调。益生菌可以通过抑制TLR4/NF-κB信号通路抑制TNF-α等促炎因子的释放[7]。此外，益生菌，尤其是丁酸梭菌，可以通过分解发酵肠道内的膳食纤维产生丁酸等短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）来抑制NF-κB的活化，进而减少LPS诱导的TNF-α生成[8]。同时，SCFAs还是结肠细胞的主要能量来源，能为细胞的正常生长和增殖提供所需的能量。

益生菌除了能通过抑制TNF-α的生成来调节TJ的表达外，还可以通过激活TLR2/MyD88通路来上调TJ蛋白的表达。研究表明，乳酸杆菌和双歧杆菌等益生菌可以通过其胞外多糖（EPS）经TLR2/MyD88通路，使对TJ形成和维持至关重要的claudin-3的表达维持在正常水平，并指出这可能与蛋白激酶C的活性增加有关[9]。

2 益生菌改善肠黏膜的化学屏障

结直肠的化学屏障主要由共生菌产生的抗菌物质以及杯状细胞分泌的黏蛋白2（Mucin2，即MUC2）组成。益生菌可以通过改善肠黏膜化学屏障来抵御病原菌，改善肠道菌群结构，恢复正常肠道菌群，有助于肠黏膜机械屏障的改善、通透性的降低，进而改善和缓解UC的症状。

2.1 益生菌产生抗菌物质

正常人体肠道内存在大量的共生菌，包括革兰阳性菌和革兰阴性菌，这些共生菌可以产生抗菌物质，保护肠道免受病原菌的侵害。

革兰阳性菌产生的抗菌物质称为细菌素，它通过识别敏感细胞表面特异性受体抵抗非己细菌，而不伤害自身细胞，这与细菌素和免疫蛋白编码基因通常被共同转录的属性有关[10]。目前已知最重要的细菌素是乳酸链球菌产生的乳酸链球菌素（Nisin，亦称乳链菌肽），其抗菌作用是通过N端结构域与肽聚糖的前体脂质Ⅱ结合，抑制细胞壁合成，并通过C端结构域形成细胞膜孔隙，改变细胞膜电导率，使细胞丧失屏障功能，导致细胞死亡[11]。

革兰阴性菌产生的抗菌物质称为微菌素（microcins，Mcc）。大肠杆菌菌株Nissle 1917（EcN）是一种革兰阴性益生菌，通过产生2种铁载体微菌素MccM和MccH47抑制其他肠杆菌科的活性[12]。MccM和MccH47属于Ⅱ型b类小菌素，能被靶细菌外膜FepA、Cir、Fiu等邻苯二酚铁载体受体识别，在内膜TonB/ExbB/ExbD复合物的帮助下进入胞质。它们通过“特洛伊木马”的方式进入细胞，靶向ATP合成酶F0质子通道的AtpB等蛋白，抑制ATP的合成，抵抗病原菌[13]。

然而，非益生菌大肠杆菌也能产生Mcc，其中，MccJ25是目前研究最多的一种。MccJ25是由普通大肠杆菌针对致病性大肠杆菌、沙门氏菌和志贺氏菌等病原菌产生的包含21个氨基酸的具有抗生素作用的多肽。MccJ25可通过第9位的酪氨酸残基靶向破坏细胞质膜呼吸链，也可通过尾部的β-发卡环劫持目标细菌铁载体受体外膜蛋白FhuA，再通过内膜转运蛋白SbmA进入细胞，进入细胞后的MccJ25通过“特洛伊木马”机制抑制RNA聚合酶，抑制细菌转录而杀死细菌[14]。此外，还有些Mcc可以通过抑制细胞的翻译抑制细胞生长。Mcc是由多种细菌产生的天然的特洛伊木马肽-核苷酸类抗生素，一磷酸腺苷通过N-酰基磷酰胺键共价连接到其C末端，进入细胞后，被相关的酶分解成不可水解的异天冬氨酰腺苷酸，该物质可以抑制天冬氨酰-tRNA合成酶合成氨酰化t-RNAAsp，强烈抑制翻译和细胞生长[15]。鉴于此，提示可以通过基因工程的方式将这些Mcc基因整合到传统的益生菌中，从而更好地发挥作用。

2.2 益生菌促进黏蛋白的产生

MUC2不仅可以通过其特征性的分子結构捕获、包裹病原菌，还可以通过竞争性抑制的作用抑制病原菌定植。此外，肠黏膜MUC2的表达增多会使得肠黏膜黏液层增厚，通过增强肠黏膜物理屏障的方式抵御病原菌。机体缺乏MUC2可导致自发性结肠炎的发生，因此，肠黏膜表面MUC2的缺失对UC的发生发展至关重要。

益生菌除能产生抗菌素外，还能促进杯状细胞分泌MUC2，使肠黏膜的MUC2增加。研究表明，乳酸菌等益生菌能通过激活转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）信号通路上调MUC2的基因表达[16]。此外，丁酸梭菌等益生菌的代谢产物丁酸盐也可以促进杯状细胞分泌MUC2。研究发现，丁酸盐是组蛋白去乙酰化酶最有效的抑制剂，可以通过抑制HDAC促进淋巴细胞产生IL-22，进而使MUC2表达增加[17]。益生菌还可以促进杯状细胞的分化。肠上皮细胞是否能分化为杯状细胞由Wnt通路决定，当该通路被激活时，肠上皮细胞分化为杯状细胞、潘氏细胞等分泌细胞；当Notch途径被激活时，Wnt途径被抑制，肠上皮细胞则分化为吸收细胞。研究发现，乳酸菌等益生菌能通过激活Wnt/β-catenin信号通路上调增殖细胞核抗原的表达，促进肠上皮细胞的增殖，并通过抑制Notch信号通路诱导肠干细胞向杯状细胞分化，使MUC2表达增加[18]。

3 益生菌改善肠黏膜的免疫屏障

肠黏膜的免疫屏障主要是由肠道相关淋巴组织及其分泌的免疫物质构成，这些免疫物质主要是指sIgA。sIgA可以通过识别捕获病原菌、刺激肠黏膜分泌黏液等方式抑制病原菌的定植。此外，sIgA还可以通过免疫隔离等机制介导共生菌的免疫耐受，进而保护机体不受共生菌的侵害。众所周知，正常人体肠道内存在大量的共生菌，sIgA在不牺牲固有免疫系统维持肠黏膜屏障功能的前提下，支持肠道菌群的多样性，有助于恢复肠道的菌群平衡。因此，肠黏膜表面的sIgA含量对于缓解UC的症状至关重要。

研究表明，sIgA的产生和分泌受细胞因子的调节。Th2型细胞因子（IL-4、IL-5、IL-6、IL-10、IL-13等）能促进浆细胞成熟并产生IgA，而Th1型细胞因子（TNF-α、IFN-γ、IL-2等）则抑制IgA的产生。浆细胞内产生的IgA通过J链连接形成二聚体IgA（dIgA），释放出细胞的dIgA与IEC基底侧的多聚免疫球蛋白受体（pIgR）结合，形成dIgA-pIgR复合物，通过胞吞作用摄入IEC，在IEC近顶端膜处被蛋白酶水解成sIgA并分泌至肠腔内发挥作用。幼稚T细胞向Th2型细胞分化以及pIgR的表达均需要JAK1和STAT6的活化，而JAK1和STAT6的活化需要IL-4、IL-13的参与。因此，细胞因子的变化对于肠道sIgA的分泌至关重要。

动物实验研究显示，UC小鼠模型中血清IgA和结肠灌洗液sIgA水平显著下降，应用益生菌治疗后，UC小鼠肠道内sIgA的水平可恢复正常[19]。也有研究人员指出，乳酸菌和双歧杆菌等益生菌可以通过上调IL-4等细胞因子的水平，改善肠黏膜sIgA的表达[20]。此外，益生菌及其代谢产物（如丁酸盐）可以通过多种方式下调TNF-α的表达，也能为肠黏膜sIgA的表达贡献力量。

4 总结与展望

综上所述，益生菌可以通过促进IEC增殖、抑制IEC凋亡、改善TJ蛋白表达和组装的方式改善肠黏膜的机械屏障，通过增加肠道内抗菌物质、黏蛋白表达的方式改善肠黏膜的化学屏障，通过上调肠道中sIgA含量的方式改善肠黏膜的免疫屏障。肠黏膜屏障以机械屏障最重要，其他的屏障也可以通过抵御病原菌等方式减轻肠黏膜机械屏障的破坏，肠黏膜屏障也以此为桥梁联系起来。肠黏膜屏障的改善能进一步抵御病原菌，减少抗原物质与肠黏膜免疫系统的进一步接触，减少异常免疫反应，改善炎症症状。因此，有理由相信益生菌有作为UC一线用药的潜能，至少在肠黏膜屏障方面表现优异。然而，益生菌对肠黏膜屏障的影响机制尚存在某些不完善的地方，值得进一步研究。

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（编辑：徐亚丽）

作者简介：王 冰，女，在读硕士，住院医师。

通信作者：王韶轩