肠道屏障—健康与疾病的界面.ppt

1、肠道屏障健康与疾病的界面,主要内容,肠屏障的结构组成肠道通透性调节机制肠屏障功能的评价肠屏障破坏与疾病肠屏障保护与预防结论与展望,摘要： 肠道构成了人与他周围环境的最大的界面，完整的肠道屏障在维持健康与预防组织受损与多种疾病方面是十分重要的。肠道屏障包含有多种免疫与非免疫性的组分。上皮屏障是最重要的非免疫性组分之一。这一屏障通透性过高被认为可促进包括炎症性肠病，腹腔疾病和食物过敏等几个胃肠功能紊乱疾病的发病。因此，评估屏障的完整性极为重要。对该评估的一种定量方法是测量各种分子探针的跨上皮渗透性，糖类是最常用的分子探针。对肠道通透性的测定对评估预后及各种胃肠紊乱也可能是有用的。本文是关于肠道屏障

2、功能正常与不正常，由肠道屏障完整性缺失而导致的各种疾病，及可以修复屏障完整与正常的有潜力的物质和方法的综述。,绪论 肠道构成了人与他周围环境的最大的界面。这个界面有两种重要的功能。作为一个选择性通透的过滤器，它允许肠道内腔中人体需要的营养物质移动到血液循环及肠内环境。作为一种屏障，它阻止微生物，内腔抗原，及肠炎症因子等有害组分的渗透。屏障防御既包括免疫性机制如免疫球蛋白和粘膜淋巴细胞，也包括非特异性机制，如选择性渗透性。 肠道的通透性是一个高度有序的动态过程。在健康与疾病中，分子通透数量在评估屏障完整性中可作为一种定量方法。有几种因素参与肠道通透性的调节，将会被简要论述。然而，这篇综述主要关注

3、上皮（细胞）在肠道屏障渗透性方面所扮演的角色。,一、肠道屏障的结构组成,肠道通透性是由几种屏障组分（非动水层，黏膜表面疏水性，黏膜表面涂层，上皮因子，内皮因子）的交互作用决定的。每种组分都有不同通透性。然而每种组分在肠道通透性调节方面的具体作用还有待研究。在这些因素中，上皮研究的最多。,非动水层 肠道上皮扩散屏障最外层的组分可以通过肠膜酶对底物水解的动力学积分曲面的分析来确定。最外层的大小可能受到官腔搅拌（luminal stirring）的影响，厚度大约有100-800m。该组分在许多营养物质和药物的运输过程中是限速的一步，尤其对脂溶性物质（通常在胶束中溶解后通过这一层）。然而，在大分子的通

4、透性中该层的作用依然未知，需进一步研究。黏膜表面疏水性 黏膜表面疏水性是因为粘液上部的表面活性磷脂层，它覆盖在上皮上，是胃癌防御的的关键。然而，黏膜表面疏水性在小肠的和大肠中的生物学作用还远没被探索。,胶粘剂黏液凝胶层（Adhesive mucous gel layer） 黏液凝胶涂层保护上皮茸毛免受物理摩擦，化学腐蚀和微生物的黏附。这也是一个重要的扩散屏障。然而，胶粘剂黏液凝胶层在肠道通透性中的作用还没有被完全弄懂。 Iiboshi 等人表明，用N-乙酰半胱氨酸破坏老鼠的肠黏膜层，或用秋水仙素抑制杯状细胞中的黏液物，能够显著增加黏膜的通透性。值得注意的是秋水仙素对肠道通透性的影响是多方面的，

5、不仅仅局限于黏液物的减少。事实上，由于秋水仙素的使用造成的微管骨架网络的破坏也许是促进肠道通透性的一个重要因素。黏液凝胶涂层在完全肠外营养 (TPN)的过程中也可被破坏，也许促进肠道的通透。,上皮层 肠胃黏膜上皮本身是一个高度选择性屏障，它允许吸收的营养物质从肠腔进入血液循环以及限制潜在的毒性组分如管腔微生物的代谢物（如内毒素）的通过。这个选择性的规则还没有被完全明白。然而，分子大小（流体动力学半径）和通透物质的理化性质也许在选择性上发挥主要作用。上皮的通透有两种主要的路线：跨上皮物质和旁细胞上皮屏障功能的完整性取决于健康的上皮细胞和功能正常的旁细胞途径。,旁细胞途径是一个复杂有序的结构，主要

6、由上皮细胞间的紧密连接所控制。该途径是肠道对大分子物质（如细菌内毒素和其它微生物副产物）通透性的一个关键的调节者。这个受到严格控制的途径的生理机能还不完全清楚。然而，这种动态的通路在各种生理和病理条件下能够改变大小。 Madara表明，跨上皮阻力和（TER）和紧密连接结构可通过通透负荷而迅速改变。内腔通透负荷，尤其在钠协同运输被激活时，能够增加老鼠空肠对大分子物质的旁细胞通透性。此外，在摄入高渗透压溶液和及于饭相关的溶解物如葡萄糖后，肠道的通透性增加。这也许能够增强小肠吸收养分的能力。,对上皮细胞和旁细胞途径必不可少的主要结构之一是细胞中称作细胞骨架的一种复杂的蛋白丝结构。细胞骨架不仅是必不可

7、少的旁细胞途径，但也是维持正常结构，运输和包括胃肠上皮在内的所有真核细胞功能完整的关键。因此，细胞骨架是维护肠屏障功能的一个重要结构。细胞骨架包括三种类型的蛋白质纤维：微丝，微管和中间纤维。毫不奇怪，微管的破坏（如用秋水仙素或抗有丝分裂的药物），会严重限制细胞的功能，破坏肠道屏障的结构完整性。肌动蛋白在肠屏障的完整性和肠道紧密连接环的调节中也发挥重要作用。屏障功能障碍与氧化剂导致的肌动蛋白破坏有关。,旁细胞途径允许许多分子从内腔一侧进入细胞，从浆膜一侧出去。它在肠通透性调节中同样十分重要。 利用辣根过氧化物酶，在动物模型研究表明，肠通透性的增加与上皮内体的数量和大小有关。而且，Berin等人最

8、近表明，在他们的老鼠模型中，抗原致敏增加了肥大细胞跨细胞途径的独立性，而这又引发了肥大细胞活化，然后通过肥大细胞依赖的旁细胞途径增加了肠通透性。跨细胞途径的调节机制还需要研究。,下层结缔组织 该组分在肠通透性中的作用还不完全清楚。 Ghandehari 等人表明肠对大分子物质的总通透性不受下层结缔组织的影响。然而，该组分也许通过调节上皮而影响肠通透性。例如，脂多糖（LPS）能够降低TER，松散紧密连接和增加上皮渗透性，但是这只是在固有层成纤维细胞释放的调节物存在的情况下才会发生。,内皮屏障 毛细管内皮屏障可能在维持肠屏障功能中发挥重要作用。 Sun等人研究表明，内皮受损与内皮和上皮渗透性的增加

9、有关。此外，内皮屏障功能障碍与血液中pH降低有关。这也许是危重病人及那些内脏微循环显著降低的人（如发生急性胰腺炎的人）的肠屏障功能破坏的发病机理的一个因素。,血流 充足的灌注是所有重要细胞发挥功能的先决条件。因此，毫不奇怪，肠道屏障的完整性取决于足够的粘膜灌注。 充足的血液供应提供营养和氧气，细胞用它们为各种细胞功能提供能量（ATP）。老鼠模型中，肠道通透性和组织ATP水平显示了强烈的负相关性。而且，灌注还允许有害组分如氧自由基的快速清除，氧自由基能够损坏防御结构。研究表明，老鼠在失血性休克恢复后肠道通透性增加。,二、肠道通透性调节机制,肠道通透控制的机制尚未完全确定。如前所述，一些结构参与了

10、肠通透性，显然，这些结构的任何变化都会影响肠道通透性。最近的研究提供了上皮内途径在骨架结构和肠道通透性调节中的作用的新知识。（如图2，3）,肥大细胞（MC） 肥大细胞是肠道通透性调解的基石。肥大细胞在脱颗粒调节的众多的生物过程中（包括血液流量调节，上皮细胞和内皮细胞通透性，粘膜分泌，胃肠道蠕动，免疫反应，血管形成）释放物质。对MC缺陷的老鼠的研究有助于确定MC在生物学过程中的作用。肥大细胞通过释放细胞因子，尤其是肿瘤致死因子（TNF-），在细菌感染中有重要保护作用。在生理和病理条件下，肥大细胞介体在胃肠通透性调节中也发挥着显著的作用。这些细胞不仅通过表面绑定的IgE接触到特定的抗原而激活，而且

11、能中断大脑肠轴效应器。,MC及MC介体影响胃肠道的分子机制还不完全清楚。蛋白酶激活受体是胃肠道中广泛分布的一个受体。它调节离子在空肠的分泌，调节结肠肌细胞和肠道蠕动，并增加细胞内钙和肠花生酸类。这些受体是否也参与了肠通透性尚未见报道。MC细胞释放的组胺也能够改变粘膜血流量和血管内皮通透性。,胞内途径 胞内介质在调节肠道渗透性中扮演各种角色。通过调节上皮细胞和微循环，一氧化氮（NO）在调节胃肠道正常的生理功能上似乎是一个重要的介质。一氧化氮是不稳定的自由基，由L精氨酸通过NO合成酶(NOS )产生，在有氧气的情况下，它迅速转化为稳定的物质：亚硝酸盐和硝酸盐。 一氧化氮合成酶的两个主要亚型已经确定

12、。一个，cNOS，是钙离子依赖性的组成型活性异构体。另一个，iNOS，是钙离子独立的诱导型异构体。 cNOS和iNOS在肠中都已经被发现了。在炎性细胞中发现iNOS，它的合成和活性由内毒素，细胞因子，乙醇诱导产生（图2）。几个体内和体外研究表明，低水平的NO（通常是由cNOS合成的）在维持黏膜屏障功能正常中很重要。然而，由iNOS产生的过量的NO已被确定为是肠屏障功能异常的主凶。 NO过量产生导致肠屏障功能紊乱的机制是复杂的和多因素的。包括蛋白质氧化，硝化，S -亚硝基，cGMP的活化和细胞能量的消耗。表皮生长因子和其他上皮酶影响肠道通透性以后再讨论。,遗传 遗传和环境在疾病发病方面的作用一直

13、争论不断。遗传在肠屏障功能和结构中有着复杂的作用，我们对它在肠屏障功能障碍发病中的作用的知识几乎是零。许多遗传性免疫缺陷可能会影响肠屏障功能。 有两种研究，一种研究结果支持肠通透性由遗传决定，一种支持肠通透性由环境决定。,细菌菌群 肠道菌群和肠屏障的相互作用也许参与了肠通透性的变化。Garcia-Lafuente等人表明用混有菌群的老鼠结肠片段通过手术接到结肠上，导致了肠通透性的增加。不仅细菌的存在，它们的组成同样影响肠屏障功能。包括大肠杆菌，肺炎克雷伯菌和草绿色链球菌的某些共生细菌能够显著增加肠道通透性，而乳酸杆菌则有相反的效果，降低通透性。目前还不清楚肠道通透性这些变化是细菌的直接作用还是

14、免疫系统反应的结果。,饮食 饮食怎样影响肠屏障功能是一个重要的问题。以目前的知识，还不能简单的回答。 辛辣调料影响肠道细胞单分子层通透性。 对老鼠喂养二糖，尤其是乳糖，增加了空肠对大分子的通透性。 蛋白质缺乏而导致的恶性营养不良与149个病人肠道通透性的增加有关。 纤维素对肠道菌群和屏障功能的作用还不清楚,心里应激 尽管压力在许多方面影响胃肠道，它对肠道屏障功能的影响主要是增加通透性。这个机制还没有很好的确定。然而，有老鼠受到环境压力后，上皮和内皮的超微结构损伤的记录。 而且，脂质过氧化物能够在应激的老鼠的一些组织（包括肠和肝组织）中检测出来。 压力对肠道屏障功能的影响不仅仅是增加肠通透性。

15、压力同样可以通过调节肠道免疫系统影响肠道屏障。 压力也许甚至可以影响肠道细菌菌群。,氧化应激 活性氧（ROS）是一种与许多慢性疾病和衰老的病理生理学有关联的化学物质。这些化学物质包括几种氧代谢物，如超氧基(.O2)，氢氧基(.OH)，过氧化氢（H2O2）,是氧失去一个或两个电子形成的。当细胞代谢中的酶促反应产生产物或副产物时，活性氧在身体中产生。尽管活性氧相当有害，它们同样作为细胞内信使，在由生长因子或细胞因子引发产生的正常生理信号元素的过程中发挥作用。因此，毫不奇怪，活性氧存在包括胃肠道细胞的所有细胞中。 除此之外，ROS通过饮食等外因可以进入身体的组织中。当细胞内的ROS水平超过了细胞的抗

16、氧化能力，细胞分子如脂肪，蛋白质和DNA会发生损伤。,过量的活性氧对生物组织的完整性是有害的。一种机制是脂质的氧化，破坏了细胞膜释放了细胞内的组分如酶，导致了组织更严重的损伤。蛋白质氧化不仅使蛋白质失活，蛋白质在细胞防御和其它功能上十分重要，而且引起一系列上皮内反应，导致胃肠道屏障的完整性受到破坏。 毫不奇怪，氧化应激能够对肠道屏障造成损害，改变它的功能和增加肠道通透性。氧化损伤可以解释一些破坏剂和保护性机制是怎样影响肠通透性的。,锻炼 研究表明锻炼可以影响胃肠通透性。Pals等人表明在一小组志愿者身上，剧烈运动能够显著增加肠道通透性。他们还发现肠道通透量与跑步剧烈程度有很好的相关性 。衰老和

17、细胞凋亡 衰老导致了许多生物功能的改变。衰老对肠道屏障功能的影响还没有被阐明。Ma等人的研究表明，在老鼠模型中，衰老增加了中等大小的物质如聚乙二醇和甘露醇的肠道通透性。细胞衰老和凋亡同样影响肠道通透性。对细胞单层的研究表明上皮细胞凋亡的增加与增加的肠通透性有关。,药物和毒素 许多药物和毒素影响肠通透性。乙醇和类固醇消炎药（NSAID）是两种最广泛使用的影响肠屏障完整性的化学物质。NASID对胃十二指肠黏膜的破坏已经得到很好确定。然而，对大多数肠的影响还需要探索。 乙醇也许通过对胃区的直接毒性作用或在非毒性剂量下改变肠上皮功能而影响胃肠黏膜。研究表明剧烈饮酒增加肠对大分子的通透性，动物和人均是如

18、此。乙醇似乎是通过拆卸肌动蛋白和肌球蛋白丝来影响紧密连接。 与剧烈饮用乙醇的作用相比，长期接触乙醇对肠道通透性的影响还没有很好的确定。研究表明，长期接触乙醇可增加老鼠的肠道对高分子的通透性。然而，chronic EtOH 在人体的作用不明朗。关于这一主题，两个最初公布的的研究提供了互相矛盾的数据。,三、肠道屏障功能的评价,也许最直接，最准确对肠屏障功能定量评价的方法是测量肠通透性。检测细菌移位到肠系膜淋巴结，肝，脾，只是肠屏障的完整性的定性测量，在大多数的临床情况下是不实际。对抗内毒素IgG抗体，白细胞介素-6和C反应蛋白（CRP）的测量，已用于评估屏障功能障碍的炎症后果。,有几种方法可以测量

19、肠道通透性。在体外模型中，可使用单层细胞培养和 Ussing chamber转运实验。动物和人的体内实验方法包括使用几种大分子物质中的任何一种。糖探针包括蔗糖，甘露醇，cellubiose，果糖和蔗糖素。在口服这些糖之后，测量尿液。蔗糖吸收的程度和随后其尿液排泄与胃十二指肠通透性有很好的相关性。果糖和甘露醇的尿样含量可以计算果糖与甘露醇的比值，这是小肠通透性的一个很好的指标。不同大小的聚乙二醇分子，糖类，EDTA是其它不常用的探针，已经被用于人类肠通透性测量中。,四、肠屏障破坏与疾病,肠道黏膜不断受到腔炎症抗原的巨大负担。一般情况下，上皮允许少量的这些抗原穿过肠黏膜。可能是通过细胞或旁细胞上皮

20、途径或通过M细胞黏膜进入。这些抗原与局部和系统免疫系统相互作用，激活它们。这个激活由免疫调节系统很好的控制，导致抗原暴露与免疫激活之间产生平衡。这对保护屏障完整性是必须的。对腔抗原的不成比例的通透性和、或免疫失调可能引发胃肠道疾病或系统性疾病。因此，毫不奇怪，广泛的胃肠和系统性疾病与不正常的肠通透性有关。在这些情况下，不正常的肠道通透性是起因还是结果，还不知道。,胃肠疾病 在几种胃肠功能紊乱中，肠通透性被研究。这些紊乱包括，炎症性肠病（IBD），食物过敏和腹腔疾病（脂肪痢）。 炎症性肠病（IBD）：肠通透性（肠漏）经常被报道，且参与到IBD的发病机理中。 脂肪痢：由于患有脂肪痢的病人的胃和小肠

21、通透性被破坏，有人建议应用这个来作为诊断该疾病的准则。该检测具有高灵敏度（96-100%）。肠通透性也可以作为疾病的后续检测。 食物过敏：几种研究认为不正常的肠通透性与食物过敏有关。,Extra-intestinal disorders 许多肠外和系统性疾病（systemic disorders）都与肠屏障功能异常有关。在大多数情况下，肠屏障功能的破坏是疾病病理的主要现象还是继发于局部胃肠炎症和/或由疾病导致的心理应激，还不明确。 重症病人：肠通透性增加多发现在多发伤，大面积烧伤，休克，急性胰腺炎等危重病人身上。重症病人的通透性过高的原因还不完全清楚。 腹部创伤：腹部创伤与肠通透性增加有五例报

22、道。此外，在动脉瘤手术的腹膜内方法，肠道处理导致肠通透性的增加。对腹膜外类似的手术不会产生通透性的变化。 完全肠外营养（TPN）：在那些接收总肠外营养的情况（案例）中可以观察到肠屏障破坏。这种破坏不仅增加了肠对大分子的通透性，而且还会发生黏膜萎缩和细菌移位。 皮肤疾病：一些报道认为不正常的肠道通透性与湿疹，荨麻疹，angiedema，牛皮癣和皮炎疱疹等皮肤疾病有关。,肝胆疾病：酒精性肝病（ALD）的是最早与“漏肠”有关的疾病之一。众所周知，仅仅是低度的乙醇（大约30%）就能形成严重的肝脏疾病。梗阻性黄疸也与肠道通透性异常有关。人体的肝外胆汁淤积与肠通透性异常有关。 胶原血管疾病：几种风湿疾病都

23、与肠屏障功能异常有关。肠通透性异常是导致系统系免疫系统激活（通过吸收管腔抗原）的主要现象，还是它仅仅取决于胃肠炎症或继发于类固醇消炎药，还不完全清楚。 肾功能衰竭：Magnusson 等人报道，在那些有慢性尿毒症的老鼠的肠通透性增加，而急性尿毒症的老鼠的肠通透性降低。他们也注意到，慢性症状的老鼠，低蛋白饮食降低通透性。那些患有慢性肾衰竭的病人的肠通透性过高。 结节病：肠通透性异常在12个活性肺结节病的案例中检测到。 体外循环：需要体液循环的简单择期手术后的一段时间，肠道通透性增加。这与胃粘膜pH有显著的关系，与体外循环时间不相关。这是胃黏膜灌注在维持肠屏障功能中的重要性的另一个证据。肠道通透性

24、过高是否与术后并发症有关，还有待观察。,利用肠通透性进行预后,肠道通透性评价被用于评估病情的严重程度和确定的许多疾病的预后。它已被用作克罗恩病和溃疡性结肠炎疾病活动的一个标记。在克罗恩病中，胃通透（蔗糖测试）已被用来作为一种非入侵性的上消化道筛查试验。肠道通透性也被用来作为一种响应无麸质饮食的标志。恶性营养不良的肠通透性异常与疾病的严重程度有关。,五、肠屏障保护与预防,有关肠屏障在前面所讨论的各种疾病的预防或治疗中可能的保护作用，几乎没有共识。然而，几种保护性措施已经被用来改善肠屏障功能。这些措施大多数保护上皮免于有毒的伤害，这是在细胞系或动物模型中的得到的结果。终点测量的是细胞存活数量或保护

25、通透性和细胞结构的组分。通过这些保护性措施来探索屏障保护的机制，但仍需要大量研究,抗氧化剂 由于活性氧在各种破坏性和炎症过程参与了细胞破坏，毫不奇怪，抗氧化剂能够阻止细胞损伤和保护肠通透性。抗氧化剂能够保护肠屏障通过预防上皮细胞中由于氧化剂导致的细胞骨架损伤。葡萄糖与柠檬酸盐的混合也可以用来预防人体由类固醇消炎药引起的通透性过高。橄榄油和香草通过抵抗氧化伤害而保护肠上皮细胞。表皮生长因子 我们和其他人表明，表皮生长因子（EGF），可通过蛋白激酶C和钙依赖性途径来预防胃肠上皮损伤。而且，EGF能够预防由乙醇导致的屏障破坏。蛋白激酶C信号和胞浆钙离子浓度在表皮生长因子诱导的上皮保护中发挥关键作用。

26、,诱导型一氧化氮合成酶抑制剂 一氧化氮及其代谢产物促进氧化反应和调节由几种形式的组织损伤，包括乙醇，细菌内毒素，热烧伤，引起的肠屏障功能破坏。抑制iNOS能够阻止由乙醇，热烧伤和TPN引起的肠通透性变化。TEMPO，是一个硝基氧，是一个稳定的自由基清除剂。在老鼠模型中，甲硝唑被证明能够保护由类固醇类消炎药导致的肠通透性变化。肠道喂养（Enteral feeding） 已证实，早期肠道喂养能够保护重症病人的肠屏障功能。保护机制还没有研究。然而，内脏循环和黏膜灌注的增加，唾液分泌物的诱导产生（表皮生长因子），和黏膜凝胶产物的增加可能有助于提高其有利影响。纤维和燕麦 几种研究显示，纤维对肠屏障功能的

27、有益作用。在老鼠的基本饮食中添加纤维能够防止细菌易位和改进TPN中的肠屏障功能。燕麦何以预防老鼠由于长期饮酒而导致的肠漏。益生菌 摄入益生菌可能通过增加粘蛋白表达，降低细菌过度增殖，刺激黏膜免疫性和合成抗氧化物质来保护黏膜屏障。短乳杆菌对肠屏障功能具有保护作用，降低肠道通透性。,能增强肠通透性的药剂,并不是所有的研究都是为了鉴别那些降低肠通透性的药剂。最近，一些研究人员使用了从霍乱弧菌的毒素来增加肠通透性，以发展一种途径使，使不能通过肠吸收的口服药物和大分子通过该途径。在肠单分子膜上，中链脂肪酸还可以诱导上皮通透性对亲水性分子的迅速增加。,六、结论与展望,肠屏障是联系人与他周围环境的最重要的界面之一。这个屏障的破坏也许是包括肠道或外部肠道炎症的几种疾病发病的主要原因。它也可能继发于许多疾病过程，导致宿主对复杂因素的易感性。了解肠屏障在疾病发病过程中的作用也许能够帮助我们找到新的治疗方法。保护肠屏障作为一种预防或治疗方法，是一个临床与实验的区域，处于起步阶段，但有希望用于未来改进医疗方法。,