缺氧诱导的肠道损伤与肠易激综合征的可能关系

李灵剑,张兴光,刘铭君,丁杨娟,范慧娟,夏时海

肠易激综合征(irritable bowel syndrome,IBS)是一组持续或间歇发作,以腹痛、腹胀、排便习惯和(或)大便性状改变为临床表现,而缺乏胃肠道结构和生化异常的肠道功能紊乱性疾病。临床上患者主要表现为腹泻型(IBS-D)、便秘型(IBS-C)、混合型(IBS-M)和未分型(IBS-U)。但是,其发病机制仍没有完全清楚,肠道屏障功能受损可能是最主要的原因之一[1],可能与肠道紧密连接被破坏、神经调节紊乱及肠道微生物群失调等有关。内地入伍到西藏拉萨的新兵,IBS患病率为11.92%,高于驻扎在杭州7.16%(47/656)和南宁6.53%(181/2773)等平原地区新兵[2,3]。高原地区空气氧含量明显低于平原,缺氧是肠道屏障受损的重要原因之一[4]。缺氧条件下,肠道屏障功能的损伤,可能诱发或加重IBS的进展[5]。笔者从缺氧、肠道屏障及IBS之间的关系进行文献复习,为IBS的预防和治疗提供依据。

1 缺氧可诱导肠道屏障损伤

随着海拔升高,大气中氧含量减少,机体各个系统均有可能出现应激损伤,包括中枢神经系统、呼吸系统、循环系统和消化系统等,严重的情况下甚至可能导致器官衰竭。肠道是血容量最大的器官,进入高原地区,消化系统应激性症状出现较早,主要表现为胃肠道不适,如恶心、呕吐、腹泻、厌食等症状[6]。即使机体适应了缺氧应激,肠道的应激反应也不容易完全恢复,导致肠道屏障功能受损[4]。

1.1 对肠道紧密连接的影响 肠上皮细胞间的紧密连接(tight junctions,TJs)是肠机械屏障的重要组成之一,代表了肠腔空间和肠屏障其他成分之间的机械分割,由三组跨膜蛋白(claudin家族,Marvel结构域蛋白,免疫球蛋白超家族)组成,它们与细胞骨架肌动球蛋白环相互作用。在稳态条件下,TJs通过高选择性的“孔道”途径和低选择性的“泄漏”途径决定物质的通过[7]。缺氧可增加细胞旁通透性,降低ZO-1、claudin-3和occludin蛋白mRNA的表达,同时增强E-cadherin蛋白的表达,干扰了TJs蛋白的分布,破坏了肠道屏障[8]。缺氧诱导因子HIF-1α是缺氧时机体进行氧调控的关键因子,与肠上皮自噬相关蛋白ATG9A启动子结合,调节肠道上皮屏障的完整性,在维持肠道稳态方面发挥关键作用[9]。肠道缺氧后,95%以上的上皮屏障无法形成,同时多个TJs蛋白的显著定位错误[10]。由此可见,肠道的TJs需要一定的氧浓度支持。

1.2 对肠道神经调节的影响 肠道神经系统与由肠到脑的迷走神经形成突触连接,构成肠道神经系统-迷走神经-脑信号转导途径,具有独立的神经反射和内分泌功能。在肠道损伤后,肠神经胶质细胞(enteric glial cells,EGCs)是肠黏膜中一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)和NO产生的主要来源,其中的干扰素IFN-γ信号通路通过Cxcl10这一关键介质促进免疫稳态和组织修复。IFN-γ-EGC信号模块的识别揭示了免疫信号通过调节神经外胚层谱系的转录输出来维持和恢复组织完整性[11]。在不同病理条件下,iNOS诱导NO产生异常是导致肠道损伤的重要因素之一[12],在缺氧条件下,肠道神经系统也将受到影响。Sun等[13]发现CGS21680 A2A腺苷受体(adenosine A2a receptor,A2AR)激动剂通过上调共培养Caco-2单分子膜中ZO-1和occludin的表达来减轻缺氧诱导的肠上皮损伤,表明A2AR在介导EGCs的屏障调节作用中起重要作用。此外,研究组还发现A2AR和mGluR5在缺氧条件下联合激活pkcα依赖通路保护肠道屏障,然而,EGCs数量因缺氧明显减少,A2AR不足可加重肠道屏障损伤。可以认为,缺氧可作为一种高原地区独有的应激因素,通过机体的神经传导,影响肠道屏障。

1.3 对肠道微生物群的影响 微生物群、缺氧/缺氧传感器和哺乳动物宿主细胞(IEC和ILC3s)之间复杂和多向的相互作用决定了肠道屏障和宿主-微生物-病原体的连接的建立[14]。高原缺氧条件下,构成肠道的生物屏障的肠道微生物也出现异常,其结构和多样性发生显著变化,导致胃肠黏膜病理性损伤[15]。缺氧改变了副杆菌属、另枝菌属、普氏菌属、毛螺菌属和乳球菌属的丰度,以及类杆菌属与普氏菌属的比例。结果表明,缺氧会破坏正常的肠道菌群组成,而这种破坏可以通过使用益生菌、益生元和合生菌明显缓解[16]。

缺氧对肠道微生物的脂代谢及氨基酸代谢有影响,小鼠在缺氧时,脂代谢增加,体重下降更明显[17]。肠道微生物的代谢物短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)在缺氧条件下对肠道屏障产生不利的影响。正常情况下,SCFAs可以通过调节杯状细胞中黏蛋白基因的转录来增加黏液层的产生,特别是丁酸盐,可以通过调节AMP依赖的蛋白激酶的激活和肌球蛋白轻链2的磷酸化,增强肠上皮屏障,促进TJs重组。同时,它也是肠上皮细胞通过β氧化来利用氧的主要代谢产物,缺氧时,丁酸盐产生减少,肠道氧利用率降低,屏障功能受损[7]。IL-10作为NF-κB通路和肠道稳态的正调控因子发挥着重要作用,但在缺氧条件下,低氧和SCFAs混合物却强烈抑制抗炎细胞因子IL-10的分泌,干扰肠道细胞的分化,同时,IL-8和IL-17分泌增加,造成肠道屏障受损[18]。低氧通过促进抗微生物肽血管生成素-4的分泌来调节肠道微生物组成。缺氧后小鼠肠道梭状芽胞杆菌丰度显著降低,脱硫弧菌丰度显著升高,其代谢产物通过肠道上皮细胞中CD1d诱导γδT细胞增殖产生IL-17a,从而加重肠道损伤[5]。缺氧可能阻碍了正常情况下SCFAs对肠道屏障功能的有益作用。

2 肠道屏障损伤可诱发IBS

肠道屏障具有调节肠腔和宿主之间水、离子和大分子双向流动的功能。该屏障由紧密连接蛋白精确结合的肠上皮细胞加强。肠道黏膜通过免疫和非免疫分子,与肠道微生物群、黏液层、髓样和非髓样固有层细胞进行多种相互作用,增强肠道的屏障功能[19]。已有大量实验证明,肠道损伤可诱发或加重IBS。Russo等[20]评估了IBS患者及健康人参与调节黏膜屏障完整性的神经肽、神经紧张素和代谢性脑源性神经营养因子的循环水平,证实了肠道屏障改变在IBS发病机制中的贡献。Barbara等[21]的系统回顾,发现IBS患者存在低级别肠道免疫激活,其可最先导致肠道通透性增加。

2.1 破坏肠道紧密连接,诱发IBS 肠道上皮组成了肠道屏障的第一道防线,被破坏的肠上皮紧密连接可增加肠道通透性,使更大的免疫原性分子进入肠道,促进腔内内容物的异常免疫激活,出现各种致病特征,如炎症、内脏超敏、免疫功能障碍和运动障碍等IBS发病因素[22]。一项研究表明苍术油可通过SCF/c-kit和MLCK/MLC2通路增强肠道紧密连接蛋白的表达,从而缓解IBS-D[23]。IBS-C患者口服天然化合物包括木葡聚糖和豌豆蛋白以及奇亚籽粉后可以增强Occludin和ZO-1蛋白的表达,形成保护屏障,加强肠道完整性,缓解便秘症状[24]。对于IBS-M,肠道Occludin蛋白表达的减少导致紧密连接三胞蛋白脱位,大分子通透性增加,诱导抗原流入黏膜,使低级别炎症过程持续存在[25]。因此,肠道上皮通过紧密连接保持完整性在各类IBS中都至关重要。

2.2 神经调节通过肠道屏障诱发IBS 肠神经系统具有由大量肠神经神经元和EGCs组成的复杂神经网络,包括肌肠丛和黏膜下丛,它调节胃肠道的基本功能,包括运动、吸收和分泌。一般来说,肠神经系统在维持肠道稳态中是必不可少的,然而,当肠道的收缩和舒张功能不平衡时,肠道运动就会受到损害[26]。IBS-D大鼠结肠肌间神经丛中EGCs明显激活,结肠运动加速,在给予抑制剂DL-氟代柠檬酸后,降低乙酸和约束应激引起的EGCs激活和结肠运动,结肠过度收缩得以缓解,从而减轻腹泻症状[27]。IBS-C患者直肠运动受到抑制,经皮耳迷走神经刺激后,患者的腹痛及便秘明显减轻,可能与神经介导的肠道运动功能的作用有关[28]。迷走神经的直接电刺激在调节肠屏障功能方面起保护作用,其能够逆转应激诱导的肠通透性变化。短暂的迷走神经刺激通过促肾上腺皮质激素的释放激素降低了肌球蛋白轻链激酶和肿瘤坏死因子α的表达,同时增加了Occludin蛋白的表达,从而降低小肠的细胞旁通透性[29]。迷走神经也可以通过肠神经和(或)细胞如EGCs调节肠通透性[30]。缺血-再灌注损伤后刺激迷走神经可减少肠道巨噬细胞浸润,激活的抗炎信号经EGCs传递至驻留免疫细胞,而激活基底前脑胆碱能神经元通过迷走神经可阻断炎症引起的结肠通透性增加,从而改善IBS[31]。

2.3 肠道微生物群通过肠道屏障诱发IBS 肠道微生物作为人体的第二大基因组,与人类健康和疾病息息相关。正常肠道微生物参与人体多种生命过程,包括肠道发育和稳态、肠道免疫系统的建立及防御病原体入侵等。文献[32]揭示了肠道微生物群在IBS发生发展过程中也发挥重要作用。肠道细菌与肠道屏障免疫系统可在应激下相互作用,从而诱发IBS。IBS-D小鼠在应激诱导杯状细胞相关抗原通路(goblet cell-associatedantigen passage,GAPs)形成时,IgA靶向的细菌数量显著增加,证明应激诱导了GAP的形成和细菌易位[33]。同样,IBS-C大鼠肠道产甲烷菌过量定殖,产生大量甲烷,损伤肠道屏障,导致细菌易位至循环,进而导致免疫反应和炎症[34]。

SCFAs在IBS的发生发展中也发挥了作用[35]。在结肠上皮细胞中,SCFAs结合G蛋白偶联受体GPR43和GPR109A诱导细胞内Ca2+增加,刺激K+外排和超极化,触发caspase-1依赖的炎症介质释放,如IL -18和IL -1β,以丁酸盐为主的短链脂肪酸可增加黏蛋白2的分泌,促进紧密连接的重组,增强肠道屏障的完整性,提高肠道上皮的保护作用,维持肠道稳态,改善IBS[36]。

脑-肠道微生物轴在维持体内平衡方面至关重要,肠道微生物群通过神经(自主神经和肠神经系统)、内分泌(下丘脑-垂体-肾上腺轴和肠内分泌细胞)和免疫信号通路与大脑通信[37]。IBS-D大鼠血清中5-羟色胺、CRF、P物质、降钙素基因相关蛋白含量迅速升高,而神经肽Y含量下降。脊髓中的C-fos基因片段显示出神经元活动增加,改变了肠道微生物群的组成和结构,提高了肠道通透性[38]。毛尖绿茶乙醇提取物通过5-HT通路改变肠道菌群构成,增大了有益菌的比例,并调节了5-HT相关菌的数量,减轻IBS-C大鼠便秘症状[39]。因此,若肠道菌群发生紊乱,导致肠道屏障受损,则肠道菌群紊乱成为诱发IBS的危险因素之一。

高原地区,具有随着海拔的升高,温度和湿度降低,紫外线辐射增加,及大气压和氧气分压降低的特点,其中低氧血症是由低气压降低氧分压引起,能够引发多种高原疾病[40]。IBS是常见的胃肠疾病之一,中国人群IBS患病率分别为7.4%和2.3%,入户调查的分别为3.8%和1.4%[41]。驻扎高原官兵IBS发生率为11.92%～17%[3,42,43]。目前认为平原地区IBS的发生,是由于各种刺激因素造成感官输入增加,刺激肠道神经系统以及中枢神经系统,影响脑肠轴功能,影响胃肠道感觉、运动和分泌,出现胃肠道症状[32]。本课题组前期研究首次提出高原缺氧环境下肠道微生物变化可能是IBS发生的病因之一[44],发现神经递质、炎症介质及肠道屏障损伤等因素可能参与了高原环境下IBS的发生,均强调了肠道屏障受损在IBS中的重要性[20]。肠道屏障受损可由肠道紧密连接被破坏[23-25]、神经调节紊乱[26]、肠道微生物失调[33,34]引起,缺氧通过破坏肠道紧密连接[8-10]、造成肠黏膜神经调节紊乱[13]及导致肠道菌群失调[5]等造成肠道屏障损伤[6]。

本综述未完全阐明缺氧、肠道屏障损伤及IBS具体关系,但是对于缺氧环境下IBS的防治具有理论意义,需要后期开展大量的动物、细胞实验等基础研究,寻找治疗缺氧后肠道屏障损伤的靶点,为IBS的防治提供循证支持。