第四章肠道粘膜屏障与炎症性肠病

第四章肠道粘膜屏障与炎症性肠病肠道是机体内最大的细菌贮存库，而健康人的肠道可以防止肠腔内的细菌和毒素穿过黏膜进入血液循环和其它的组织器官。这一功能有赖于肠黏膜上皮特殊的结构及其防御机制——肠黏膜屏障。目前普遍认为，肠道不仅仅是个消化和吸收的器官，同时也是人体内最大的免疫器官。肠道粘膜屏障的组成肠粘膜屏障不仅可以防止病原微生物及有害物质进入肠壁和组织内，还可以避免体内的生物大分子物质漏入肠腔。广义上的肠粘膜屏障包括：机械屏障、化学屏障、微生物屏障及免疫屏障[1]。1.机械屏障肠粘膜组织即为肠道的机械屏障。粘膜上皮细胞及其细胞间的各种连接结构是肠道抵御外环境中有害物质或病原体入侵粘膜组织的关键，是维持肠上皮的选择通透性及其屏障功能的结构基础。上皮细胞本身具有多种机理防护自身免受攻击因子的损害。正常情况下，肠粘膜上皮细胞的修复更新极快，不需要上皮细胞本身的分裂，而主要是由存在于肠绒毛隐窝处的幼稚细胞增殖和移行来完成的。肠粘膜上皮不断地衰老、脱落，位于粘液腺颈细胞区的细胞开始向绒毛的顶端移行，伸长并覆盖粘膜基质，直到粘膜上皮完全修复。这种修复过程中，肠粘膜突出区域的暂时缺失，可能是细菌移位的突破口。如果局部缺血、直接或间接的损伤将使正常的肠粘膜修复难以完成，从而造成粘膜的萎缩，甚至形成溃疡。病原菌入侵的机率也随之大大提升[2]。肠上皮细胞之间的连接具有多样性，相邻的肠上皮细胞通过桥粒连接、缝隙连接及紧密连接形成完整的单层上皮。其中发挥关键作用的是位于上皮细胞顶侧的紧密连接。紧密连接的结构呈一狭长的带状，相邻的细胞相互包裹形成一系列“拉链样”结构的吻合点[3]。多种蛋白质如桥粒蛋白、钙粘着蛋白、闭锁蛋白（occludin）等将吻合点连接起来，使相邻细胞呈咬合状态，从而将细胞顶部与基侧膜分开，并且对一些离子和大分子物质起选择性通透作用。适当的血流灌注是所有重要细胞功能的先决条件，肠道屏障的完整性也有赖于足够的粘膜灌注。适当的血供提供了营养物质和氧，细胞利用这些营养物质和氧，产生ATP用于各种细胞功能，并维持粘膜下正常的酸碱环境的稳定。而某些疾病如蛋白丢失性肠病，即是因为肠壁小淋巴管阻塞使肠道间质压力升高，富含蛋白质的间质液无法进入循环，引起间质液渗漏。由此可见，粘膜下血液和淋巴循环及其流体力学模式对肠粘膜屏障功能的维持也有重要作用。2.化学屏障肠上皮细胞分泌的粘液形成一种弹性凝胶层被覆在粘膜表面，组成一道肠道细菌不能自由逾越的化学屏障。粘液层中主要功能成分是由杯状细胞分泌的糖蛋白。肠道分泌的粘液可以通过以下4种方式保护上皮细胞：①形成水溶性粘液层，作为生理屏障将上皮细胞与管腔内复杂的环境隔开；②一部分粘液中的碳水化合物可以粘附于细菌表面，阻止其与上皮细胞的接触；③粘液中存在直接杀伤微生物或抗病毒活性物质，如分泌型免疫球蛋白、补体成分（C3、C4和B因子）、杯状细胞向肠腔内分泌各种抗微生物物质（溶菌酶、分泌型磷脂酶A2、α-防御素等）、上皮细胞分泌的能有效抑制细菌生长的杀菌肽和阻止细菌与上皮细胞粘附的乳铁蛋白等；④在一定时间内粘液随管壁平滑肌的运动而排出体外，同时排除细菌等有害物质[4]。肠粘膜上皮细胞分泌的粘液中还含有碳酸氢根离子，使粘液层呈弱碱性，形成粘液层的pH梯度，控制H+的逆向弥散，有效阻止胃酸及胃蛋白酶对肠上皮的侵蚀。同时，一些适于酸性环境的病原菌在碱性环境中也会失去活力，如幽门螺杆菌在十二指肠降部以下便难以生存，失去致病能力。肠道还可以分泌各种不同的溶菌酶、蛋白分解酶及存在于肠道中的胆汁，都具有一定的杀菌和溶菌作用，由此构成消化道的防御屏障。3.微生物屏障正常机体的肠道内栖居着大量细菌。据统计，人体内微生物总量中约有78.67%分布在肠道，种类至少在400种以上，占粪便湿重的20%～30%[5]。其中绝大部分是厌氧菌，是需氧菌（包括兼性菌在内）数量的1000倍左右。这些微生物通常对人体无害，而且是有益的，为人类生存所必需，这就是所谓的正常肠道菌群。正常情况下，正常菌群之间相互依存、相互制约，保持着相当稳定的比例关系，对机体和外来微生物也产生各种作用，组成了肠道的微生态系统。正常肠道内固有微生物菌群的大量存在非但无害且对机体有利，这是由于在长期进化过程中正常菌群与宿主形成了共生关系，达成了微生态平衡。它们与肠道粘膜或结合，或粘附，或嵌合，形成有一定规律的膜菌群，构成了肠道的微生物屏障。在此情况下，肠道菌群的定植性、繁殖性和排它性作用使外籍菌无法在肠道定植和优势繁殖并向肠外移位，因而被称之为“定植抗力”（Colonizationresistance）[5，6]。肠道微生物生态学性质具有很大的代谢和生理性差异，一般可分为三种不同的环境。近端小肠内的微生物密度低，主要为兼性（需氧）菌丛，而远端小肠和结肠内粘膜表面则主要是厌氧菌。厌氧菌在肠道内数量最多，它们对潜在性致病的兼性菌和需氧菌的定植抗力对维持肠道的微生态平衡起着重要作用，既能抑制其他细菌的优势繁殖，又能阻止其粘附于肠上皮细胞。在粘液层中，厌氧菌产生的糖苷酶能够将糖类的残基与粘液层中粘蛋白牢固地结合在一起。厌氧菌产生的蛋白酶通过降解粘液层中的肽类物质，为肠道细菌提供合适的氮源[4]。Berg等[7]将普通无特殊致病菌动物盲肠中完整菌群接种到无菌动物的肠道中，一周后，在无菌动物的肠系膜淋巴结中依次分别培养到大肠杆菌、乳酸杆菌、肠球菌、肺炎克雷伯杆菌和变形杆菌。而对照的无特殊致病菌动物的肠道中也接种了相同的菌群，一周后，肠系膜淋巴结的培养是阴性的；同时无菌动物的肠道中菌量比对照组的无特殊致病菌动物高出1000倍。原因是无菌动物的肠道中缺乏具有抗定植作用的正常菌群。4.免疫屏障肠道除了机械屏障、化学屏障和微生物屏障三种非特异性防御功能之外，最重要的屏障功能就是肠道的特异性免疫。肠道是人体内最大的免疫器官，是全身免疫系统的一个重要部分。肠粘膜相关的淋巴组织较身体其他组织含有更多的免疫细胞（包括B细胞、T细胞、浆细胞、单核/巨噬细胞等）。肠道相关淋巴网状内皮组织（GALT）是体内最丰富的淋巴样组织，其中浆细胞的含量高达1010/m2，是肠粘膜抗感染免疫性防御系统的主要组成部分。具有免疫作用的组织由消化道淋巴组织各种辅佐细胞和粘膜上皮细胞共同组成。肠壁相关免疫组织和细胞大致可分为两个部分：一是在粘膜上皮内及粘膜固有层内的免疫组织，即肠道免疫的效应部位，其主要免疫细胞包括粘膜上皮细胞，上皮内淋巴细胞和固有层的浆细胞；另一部分在肠壁内，主要由粘膜上皮下的集合淋巴小结（peyer‘spatches）、孤立的淋巴小结和阑尾壁内淋巴滤泡群组成，三者有相同结构和功能，是肠道免疫的诱导部位[8]。肠道GALT与中枢和外周淋巴器官不同，其中的淋巴细胞起源、表型、分泌物都不同。首先在粘膜部位的免疫球蛋白是分泌型IgA（SIgA）。另外，肠道有些特殊类型的T细胞如αβTCR+CD4-CD8-在中枢和外周淋巴结内是不会出现的。肠粘膜通过3种有效的免疫机理参与其免疫防护：（1）分泌型抗体；（2）抗原特异的细胞介导的细胞毒性作用；（3）位于上皮层和粘膜下层的调节性细胞，通过分泌调节性因子参与粘膜的免疫防护作用[2]。具体的作用机理是位于粘膜诱导部位的M细胞摄取抗原，传递给巨噬细胞、树突状细胞、B细胞、肥大细胞，这些细胞对抗原进行加工和处理或由上皮细胞提呈B或T细胞[9]。粘膜摄入抗原后可能诱发主动的免疫反应，也可能导致耐受的发生。多数情况下是诱导耐受。主动的免疫反应有两类，它们可单独或同时诱发：一是抗体形成（SIgA），二是细胞介导的免疫反应。SIgA是机体内分泌量最大的免疫球蛋白，成人肠道平均每天约分泌3g，是其他抗体总量的10倍。SIgA在肠粘膜表面的主要保护功能包括抑制肠道中细菌吸附到肠粘膜上皮细胞表面并阻止其在肠粘膜表面定植，中和肠道中的毒素和抑制抗原的吸收。实验证实，SIgA对肠道革兰阴性杆菌具有特殊的亲和力，人和啮齿动物肠道中60%～80%的革兰阴性杆菌被SIgA包裹，被包裹的细菌向上皮细胞表面特异性受体移动及结合的能力均被抑制，从而保证了肠道的屏障功能。[10]另外，由肠腔来的抗原经过提呈细胞的输送，在通过淋巴滤泡的有关上皮之后，与粘膜固有层中的淋巴细胞、浆细胞和巨噬细胞接触，激活成熟的T细胞、B细胞、浆细胞和巨噬细胞，并在此实施细胞介导的免疫过程，发挥吞噬作用和消除有害抗原的作用。同时，还包括分泌白细胞介素、INF-γ和TNF-α等，并产生IgA。通过上述机理，肠道的免疫屏障起着保护粘膜，防止有害微生物的定植，防止粘膜上皮摄入来源于食物或共生菌群等外源性未消化蛋白抗原的作用。一旦这些抗原进入体内，肠粘膜免疫相关组织还可以防止有害的免疫反应进一步发展。肠道粘膜屏障损伤的原因及机制大量的临床和实验研究发现，多种因素都能削弱或破坏肠道屏障功能。这些因素包括：严重创伤、热烧伤、出血性休克、肠缺血、肠梗阻、胆道梗阻、腹腔炎症、急性胰腺炎、蛋白质营养不良、长期应用广谱抗生素或免疫抑制剂、电离辐射等。这些因素可归为两大方面：一是肠粘膜组织结构和通透性损伤；二是肠粘膜支持能力的下降。1.肠道粘膜屏障损伤的原因1.1肠粘膜组织结构和通透性损伤在创伤、烧伤和重度感染等应激状态下，经各种细胞因子和激素的作用，高代谢的持续发展，机体组织血流分布改变，使肠粘膜组织处于低灌注和低血氧状态。当组织在缺血缺氧等病理性情况下，体内的黄嘌呤氧化酶系统启动，大量的黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶，并催化组织中因缺氧不能进一步代谢分解的次黄嘌呤，产生大量的氧自由基。自由基通过与蛋白质和酶发生过氧化反应，破坏其结构，令蛋白质的生物活性丧失，导致细胞的代谢紊乱、功能丧失。一些放疗、化疗、损伤粘膜的药物、导致粘膜溃疡的疾病如炎症性肠病等均可损害肠粘膜结构及其通透性。这种损伤和程度可从粘膜血管通透性增加、粘膜上皮水肿、粘膜上皮通透性增加开始，进一步发展为上皮从绒毛脱落，直致粘膜全层脱落和粘膜下层断裂不等。1.2肠粘膜支持能力下降肠粘膜支持系统，主要包括肠道细菌生态平衡、合适的营养摄入和健全的免疫系统。这些因素失常本身虽不至于影响肠粘膜连续性的完整，但易导致肠粘膜受损，使其更新、修复能力下降。长期禁食或长期接受肠外营养，使肠道长期处于无负荷状态，粘膜缺少食物和消化道激素的刺激，可使肠绒毛萎缩，肠粘膜变薄，并使粘膜更新和修复能力下降；同时，胆汁、粘多糖和蛋白分解酶分泌的减少，进一步削弱肠粘膜的化学屏障，肠液化学杀菌能力减弱，可促使肠道致病菌的繁殖。广谱抗生素的广泛使用造成在肠道的正常菌群失调，部分条件致病菌过度繁殖，造成肠道微生物屏障的破坏[11]。2.肠道粘膜屏障损伤的机制2.1缺氧、缺血机体在正常情况下，循环血流的30%流经胃肠道。当机体遭受严重创伤或休克时，机体为了保护心、脑等重要器官，使全身血液重新分配，胃肠道血流明显减少。若全身血流量减少10%，可致胃肠道血流减少40%[12]。机体的缺血缺氧可以使肠粘膜上皮水肿，上皮细胞膜及细胞间连接断裂，细胞坏死，上皮从绒毛顶端开始脱落甚至黏膜全层脱落而形成溃疡，导致肠通透性增加。对烧伤后大鼠肠粘膜结构功能改变的研究发现，在伤后12小时用光镜可以观察到肠粘膜绒毛固有层裸露并坏死，电镜观察到微绒毛断裂和缺损，上皮细胞间连接分离，出现裂隙，肠壁对分子量680～68000的物质的通透性明显升高[13]。Lambert等[14]发现失血性休克可造成肠粘膜上皮细胞间联结开放，使肠壁对辣根过氧化物酶的通透性增高。Suh等[15]观察到阻断肠系膜上动脉1小时后肠粘膜绒毛顶端水肿和破坏，继之出现肠壁的水肿和出血；缺血3小时后粘膜上皮脱落，并有明显的炎性细胞浸润；缺血6小时后粘膜上皮大部分坏死脱落，肠壁各层广泛出血。2.2再灌注损伤与氧自由基当缺血的组织恢复血液灌注后，部分组织细胞的代谢障碍、结构破坏反而变得更加严重，此种现象为缺血再灌注损伤。而肠道的缺血再灌注损伤是肠屏障功能发生障碍的重要机制。导致缺血再灌注损伤的原因是大量的氧自由基的生成。氧自由基具有极强的细胞毒性，主要是由于氧自由基的高度活性，令其可