肠黏膜屏障功能的研究进展

肠黏膜屏障功能的研究进展

肠粘膜屏障功能是指肠腔相对完整的功能隔离带，它可以将肠腔和身体环境分隔开来，防止病原体（如肠腔中的细菌、有毒物质、食品原生动物质等）入侵，保持体内环境相对稳定，保持体内环境正常活动。肠粘膜屏障主要由机械屏障、生物屏障、化学屏障及免疫屏障组成。1底膜、溶液等组成肠道机械屏障由肠粘膜表面的粘液层、肠上皮本身及其紧密连接、上皮基底膜、粘膜下固有层等组成。广义的机械屏障还应包括肠道的运动功能,肠蠕动将肠内食物残渣向远侧推进,防止细菌在邻近肠粘膜的长时间滞留,减少细菌穿过粘液层到达上皮的机会,起到“肠道自洁作用”。1.1粘蛋白的糖蛋白组织生理状态下,肠道杯状细胞及肠上皮细胞分泌的粘蛋白形成一种疏水的弹性凝胶层被覆在肠黏膜表面,保护肠粘膜免受化学和机械性损伤。粘蛋白是一类糖蛋白,其碳氢结构特异,有细菌结合的特异位点,使常驻菌有序地嵌入上皮细胞间,构成有层次的菌膜结构,能有效地阻止条件致病菌与肠上皮结合,使其处于粘液层,以利于肠蠕动时被清除。粘液层为专性厌氧菌提供了良好的生态环境,另外双歧杆菌,乳酸杆菌可促进粘蛋白分泌,减少有害菌对肠上皮细胞的粘附。1.2肠道菌群与肠道正常菌群的关系单层的肠上皮展开后表面积可达400m2,其中数量最多的为吸收细胞(absorptivecell)起着机械屏障作用,杯状细胞(gobletcell)可分泌粘液及IgA等参与组成机械及免疫屏障,数量较少的潘氏(Paneth)细胞可吞噬细菌,并可分泌非特异性的溶菌酶,天然抗生肽(Antibioticpeptide)和防御素(HD-5、HD-6),调节肠道菌群。粘膜淋巴小结穹隆上的滤泡相关细胞(follicularassociatedcell)通过抗原呈递作用参与免疫反应,同时它是肠粘膜上皮中惟一具有通透性的上皮细胞,因而也是肠道屏障的一个薄弱环节,充当了病原体入侵的门户。肠上皮细胞由肠隐窝中的多能干细胞分化而来,寿命为6~7d,一定数量的肠道正常菌群(≥10.7CFU)对肠上皮细胞的分化有影响。体外实验证明,双歧杆菌的代谢产物可抑制肠上皮细胞产生TNF。肠道专性厌氧菌还可产生丁酸等营养物质,有利于肠上皮细胞的生长。1.3蛋白质组成肠上皮细胞之间有一种特殊的结构叫紧密连接,是相邻上皮细胞间隙的松散连接,由多种功能各异的蛋白质组成。该结构可有效地阻止肠腔内细菌、毒素及炎性介质等物质的旁细胞转运,维持肠粘膜上皮屏障功能的完整,并对其所围绕的细胞造成膜质的区域性差异,使这些区域可进行专一的功能活动,如离子的定向转运等。1.4树突细胞感染粘膜下固有层内的B细胞转化为浆细胞后可分泌IgA,经胞饮作用进入杯状细胞,后被分泌到肠腔起局部粘膜免疫作用。树突细胞除呈递抗原外,还可伸出突起穿过上皮细胞间隙而不影响紧密连接的完整性,来吞噬肠腔细菌。巨噬细胞可吞噬和处死穿过屏障的极少量共生菌,而不导致促炎细胞因子的产生。还有肌纤维母细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞等参与屏障功能。2肠道菌群的发生和代谢肠道作为人体最大的细菌库,寄居着大约1013~1014个细菌,超过了我们机体和生殖细胞总数的10倍,使人体成为了一个会走路的培养基。肠菌中多数为厌氧菌如乳酸杆菌、双歧杆菌等,还有较少的需氧菌与兼性厌氧菌。正常情况下,这些菌群之间保持着稳定的比例,与宿主的微空间结构形成一个相互依赖、又相互作用的微生态系统,其中厌氧菌贴附于肠粘膜上皮,被糖衣包被,比较稳定,称为膜菌群。其余细菌游离于肠腔内,称为腔菌群,膜菌群有抵御腔菌群附着或定植于肠上皮的能力称为“定植抗性(colonizationresistance)”,构成了肠道生物屏障。其对肠道屏障功能的保护机制有:①调整并维持肠道微生态平衡,对致病菌起着生物拮抗作用,中和或减少肠道内某些有毒物质对肠粘膜造成的损害。实验证明双歧杆菌可显著抑制E.ColiO157:H7对肠Caco-2上皮细胞的粘附。②通过酵解作用产生短链脂肪酸,降低了肠道的pH值,并为肠粘膜上皮细胞提供能量,改善肠粘膜组织的局部血供,促进损伤的肠上皮修复。③激活肠道免疫系统活性,增加S-IgA、IgM等抗体的分泌;产生抑菌肽抑制外来菌的定植和生长。④提高营养素的消化吸收效率,改善机体的营养代谢状况。研究发现,有些共生菌可调节一些对肠道屏障功能起重要作用的基因表达,如营养物质吸收、肠粘膜屏障结构形成、血管形成及肠道上皮细胞成熟、分化,参与某些物质代谢的解毒等。肠道菌群及其基因组为我们提供了我们自身不需进化即获得的基因的和代谢属性。实验表明:正常菌群增加了结肠上皮细胞中的细胞保护性蛋白hsp25和hsp27。无毒力的沙门氏菌通过阻断磷酸化的IkBa的多泛素化,可以抑制上皮细胞NF-κB的活化。细菌定植增加了宿主肠道中上调的糖苷,并产生了血糖和胰岛素的上升,二者通过影响两个基本的螺旋-袢-螺旋/亮氨酸拉链转录因子-ChREBP和SREBP-1c,都刺激了肝脏脂肪生成。微生物发酵产生的短链脂肪酸也导致了脂肪生成。菌群相对高的效应将促进能量储存(肥胖),反之将导致消瘦(效应被定义为个体肠道菌群对消化的食物的能量获得及促进储存的潜能)。一个广泛的和有活性的肠道免疫系统的存在依赖于共生菌群。因此,饲养在无菌条件下的小鼠具有缺乏生发中心的、小的、低度发育的PP,在LP中仅有少量的IgA浆细胞、CD4细胞和少量IEL,实验证明其上皮分化过程被改变,如抗菌分子的产生。进一步地,用菌群改造无菌小鼠足以恢复粘膜免疫系统。肠道菌群与人类共同进化,宿主对微生物的选择在系统的多个水平同时发生,其中的一个可能介质是s-IgA。我们对成人消化道独立培养的细菌的核糖体RNA基因(16srRNA)进行测序。GenBank中≥200,000个的rRNA基因序列中,仅1822种被注释为来自人消化道。1689种为未培养出的细菌。3免疫屏障肠道是机体接触外界抗原物质最广泛的部位,通过细胞免疫和体液免疫以防止致病性抗原对机体的伤害。3.1免疫调节作用肠道拥有人体最大的粘膜相关淋巴样组织,涉及两种不同表型的淋巴细胞,即上皮内淋巴细胞(intraepitheliallymphocyte,IEL)和固有层淋巴细胞(1aminaproprialymphocytes,LPL)。IEL主要是CD8+细胞,在受到刺激时,可分泌IL-2,3,4,5,10、IFN-α、IFN-γ等多种细胞因子或产生不同的细胞毒作用,来对抗致病原和促进损伤后肠道愈合。LPL包括B淋巴细胞、浆细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞和肥大细胞,分布在血管和淋巴管丰富的结缔组织中。其中70%~90%的浆细胞产生IgA,而18%的浆细胞则产生IgM。固有层中还有丰富的、能产生IgE的细胞。最近发现专有的调节性T细胞可深度抑制多种免疫反应。来自GALT的淋巴细胞还参与细胞介导的细胞毒性反应,包括以下四种不同类型:①T淋巴细胞介导的细胞毒性反应;②抗原依赖性细胞介导的细胞毒性反应;③自发性细胞介导的细胞毒性反应;④激活型淋巴因子杀伤细胞介导的细胞毒性反应。在最近几年,食物过敏越来越常见,目前的研究认为其机制涉及4个部分:谷蛋白,T细胞,主要组织相容性复合位点HLA-DQ,和内源性酶-组织转谷氨酰胺酶(tTG)。麦胶蛋白的一个多肽(31-49残基)在被灌注入患者肠道时,产生快速的绒毛萎缩,研究证明为谷蛋白导致的T细胞依赖的固有免疫活化所致。人类与感染性疾病的斗争进化中,免疫系统上调了HLA-DQ2,提示这个等位基因在感染中优先进化,而谷蛋白肽对HLA-DQ2的巧合性亲和力导致了负性效应,引起食物过敏。3.2派尔集合淋巴结石肠道还有一种特殊的防御结构:派尔集合淋巴小结(Peyerpatches),在成人平均可达200个,可调节肠道途径所遇到的抗原,并启动粘膜的IgA免疫。派尔集合淋巴小结与其他淋巴结不同,含有特殊分化的滤泡相关细胞,外来的大分子抗原通过滤泡相关细胞进入派尔集合淋巴小结,转运到下方的树突细胞和巨噬细胞群,它们产生组织相容性复合物并传递抗原给CD4T淋巴细胞,经CD4T淋巴细胞的处理和表达,诱导B细胞增生和分化,转变成产生细胞因子的细胞或浆细胞,分泌型免疫球蛋白A(S-IgA)含量明显增加,产生粘膜免疫。派尔集合淋巴小结内T细胞可以参与排斥反应,增加细胞毒性T细胞的数量和功能。3.3核苷酸-连接寡聚化域肠上皮本身能直接感受共生菌和病源:主要通过表达哺乳动物表型识别受体(PRRs)来识别细菌和病毒的保守结构,活化了NF-κB转录因子,导致促炎反应来提醒宿主感染的存在。PRRs分2种:Toll样受体(TLRs)常与细胞膜相关,其外部有一个富含亮氨酸的重复单位(LRR)的识别域和细胞内IL-1受体(IL-1R)样信号域;核苷酸-连接寡聚化域(Nod)分子,Nod1和Nod2(也称为CARD4和CARD15-caspase活化和补充域)出现在上皮细胞和免疫细胞的胞质溶胶中。这些蛋白也有C末端的LRRs,和N末端的一个Nod域和CARD域。Nod1和Nod2可以识别细菌肽聚糖的多肽基序的微小差异,这提示它们对胞内感染或者上皮细胞的尝试性细菌破坏很敏感。TLR1-TLR9可以识别细菌和病毒的许多不同成分。例如,TLR4识别G-性细菌细胞壁的脂多糖,TLR5识别细菌鞭毛蛋白。3.4肠内胶原组织的分离M细胞(membranouscell)为的扁平上皮细胞,与邻近上皮细胞间通过桥粒紧密连接,将肠内抗原与上皮下淋巴组织隔开,当粘膜表面的抗原与M细胞膜结合后,M细胞便将其吞入形成吞饮小泡并转运至上皮下淋巴组织。巨噬细胞、树突状细胞将转运来的抗原呈递给T、B淋巴细胞,产生特异性B淋巴母细胞,在生发中心繁殖后,随血流迁移到远处的粘膜和腺体组织,进一步分化成为浆细胞,产生分泌型IgA。3.5对肠道感染的影响人类肠道每天分泌3-5gIgA,其中绝大部分是S-IgA,其分子结构是由两个同样的重链和两个同样的轻链组成,可与细菌上的特异抗原结合,防止细菌的粘附,中和毒素和病毒,增强具有FC受体(FcR)细胞的吞噬功能,与补体、溶菌酶协同杀菌,还能在小肠内结合和阻挡没有经过消化的食物蛋白质穿过肠粘膜,抑制由IgM免疫复合物介导的抗体依赖细胞介导的细胞毒作用(ADCC作用)对肠道局部的免疫损伤。研究发现双歧杆菌、乳酸杆菌均可促进肠道GALT产生sIgA。肠粘膜上皮细胞还可分泌IgE、IgM、IgG等免疫球蛋白,在肠道体液免疫中发挥着重要作用。IgE是由肠道引起的过敏反应在其他系统造成变态反应性疾病的重要原因。IgM具有肠粘膜保护作用。IgG在炎症反应的发病机制中以及某些肠道疾病的组织损伤中都起作用。3.6内毒素修饰intearalization肝脏网状内皮细胞主要为Kupffer细胞(KC)。门脉中内毒素首先被KC所摄取,经细胞内内化(internalization),脱去糖基,切除0抗原链,及对脂质A进行修饰处理后,再释放出来,在肝实质细胞内进一步脱去酰基,去除毒性部分。经上述处理后的内毒素抗原性片段被去除,机体对其产生免疫耐受,从而避免了内毒素的直接和间接损伤。故肝脏网状内皮系统的功能亦是肠屏障的组成成分。4肠黏膜屏障的主要功能胃肠道分泌的胃酸、胆汁、各种消化酶、溶菌酶、粘多糖、糖蛋白和糖脂等化学物质组成肠粘