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肠漏是自身免疫性疾病的危险信号

发布时间:2021-05-20 09:56:26【作者:佰草通源】人气:

为了消化和吸收,哺乳动物发育出了一个非常复杂且高度特化的由黏膜屏障维持的胃肠道系统。然而,除了可吸收的营养物质以外,肠黏膜还面临大量的外部抗原,包括食物抗原、共生细菌、病原体和毒素。因此,在吸收营养物质的同时,还需要一种特殊的屏障功能来阻止各种外部抗原的进入。在肠道中,这一屏障的前线仅由一层特殊的上皮细胞维持,这些细胞通过紧密连接蛋白连接在一起。许多其它因子参与维持这一屏障,包括粘蛋白、抗菌分子、免疫球蛋白和细胞因子等。如果这些因子出现任何异常,肠道通透性就可能会增加,这就是“肠漏”。肠漏允许外部抗原从肠腔进入宿主,这可能促进局部和全身免疫反应。肠漏可能导致或加重多种疾病,包括自身免疫性疾病,比如炎症性肠病、自身免疫性肝炎、1型糖尿病、多发性硬化症和系统性红斑狼疮等。许多因素可以影响肠道通透性,比如各种饮食来源的化合物、酒精摄入和肠道菌群失调。肠道菌群研究在过去的十多年中受到了广泛的关注。越来越多的证据表明,肠道菌群在调节肠道通透性和肠道屏障功能方面具有重要作用。

 

肠漏是自身免疫性疾病的危险信号

肠道屏障

多种多样的外源性物质会进入我们的肠腔,比如微生物、毒素和抗原。如果没有一个完整的、功能正常的肠道屏障,这些物质就可以穿透肠壁组织,扩散到血液和淋巴循环中,破坏组织稳态。完整健康的肠道屏障系统包括物理屏障、化学屏障和免疫屏障,可以阻止大多数病原体的进入。这些屏障相互配合,以防止不友好的肠腔内容物进入体内。

物理屏障

人的肠道上皮表面积可达300-400平方米。虽然只有单层细胞,但是肠道黏膜上皮细胞是肠道屏障的主体,起着物理屏障的作用。肠道黏膜上皮细胞包括柱状肠上皮细胞、杯状细胞、潘氏细胞、M细胞、肠内分泌细胞等多种类型的功能细胞。在所有这些细胞类型中,柱状肠上皮细胞占绝对多数。肠上皮细胞是吸收性细胞,对营养吸收至关重要。然而,越来越多的证据表明肠上皮细胞的功能并不局限于营养吸收,还可以通过表达一种抗菌蛋白控制细菌的数量。我们的肠道黏膜上皮细胞更新频率很高,除潘氏细胞外,其余均为每3-5天更新一次,寿命大约为2个月。

肠道黏膜上皮细胞之间通过紧密连接蛋白结合在一起。与跨细胞途径不同,细胞旁途径允许物质通过肠道上皮细胞之间的间隙运输。紧密连接的可塑性受到多种分子的控制,主要是蛋白质,目前已经发现了40多种紧密连接蛋白。在各种病理条件下,细胞旁通透性可能增加,导致不受欢迎的、潜在的有害分子进入。

肠漏是自身免疫性疾病的危险信号

肠道上皮上面的黏液层分为内层和外层,覆盖整个肠上皮,将肠腔内的微生物与肠道上皮分开,提供物理保护。黏液的主要成分是一种高度糖基化的凝胶形成黏蛋白MUC2,还包括IgA以及酶和蛋白质(比如乳铁蛋白)等多种分子。杯状细胞是一种分布于柱状上皮细胞之间的黏液分泌细胞,它们不仅产生MUC2黏蛋白,还分泌许多其它黏液成分。Muc2缺乏的小鼠会自发发生结肠炎,这表明MUC2在黏膜保护中的重要作用。除了凝胶形成黏蛋白以外,还有一种与上皮细胞非常接近的黏蛋白叫做跨膜黏蛋白。跨膜黏蛋白主要由柱状肠上皮细胞产生。

肠道共生菌也是肠道物理屏障的一个重要组成部分,主要有两个方面的主要功能。第一是通过争夺营养物质、占据附着位点和释放抗菌物质来促进对有害菌或致病菌的定殖抵抗。此外,肠道菌群调节营养物质的消化和吸收,为上皮细胞提供能量。肠道菌群直接能量供应的一个很好的例子就是产生短链脂肪酸,它们被结肠细胞用于生长和代谢。总之,肠道黏膜上皮细胞、黏液层和肠道微生物是限制不友好的肠腔内容物进入宿主组织的物理屏障。

化学屏障

具有抗菌特性的生化分子不仅存在于黏液中,还深入到肠腔中,包括胆汁酸和抗菌蛋白。这些不同的分子形成了一个复杂的网络,以减少定殖细菌的数量,减少肠腔抗原与宿主细胞接触的机会,构成肠道的化学屏障,这是物理屏障的良好补充,也是肠道屏障功能的重要组成部分。

小肠近端的微生物很少。但是随着与胃的距离增加,pH值升高,细菌的数量逐渐增加。面对大量的微生物,肠道细胞会产生多种抗菌蛋白来对抗入侵者。这些抗菌蛋白可以分为许多类型,包括α-和β-防御素、C型凝集素、Cathelicidin抗菌肽、溶菌酶和肠道碱性磷酸酶。潘氏细胞作为抗菌蛋白的主要产生细胞,参与维持和调节肠道的化学屏障功能。

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免疫屏障

肠道上皮下有淋巴滤泡,包括派尔淋巴集结和孤立淋巴滤泡。在淋巴滤泡中,多种免疫细胞,包括B细胞、T细胞、树突状细胞和中性粒细胞,通过呈递抗原、分泌细胞因子和产生抗原结合抗体来协调免疫反应。在淋巴滤泡所在的肠道上皮中存在M细胞,它们将抗原由肠腔转运到上皮下的免疫细胞,从而诱导黏膜免疫应答或免疫耐受。此外,杯状细胞可以将小肠腔内捕获的抗原呈递给小肠固有层的CD103+树突状细胞。有趣的是,在常规饲养的老鼠中,只在小肠观察到自发的抗原呈递,结肠中没有发现,但是将该鼠置于无菌环境中并且经口饲喂抗生素后,便在结肠中发现了自发抗原呈递过程。这表明结肠的抗原呈递过程可能被结肠共生菌群所抑制。杯状细胞还能感知入侵的病原体,抑制致病菌进入宿主的免疫系统。

免疫屏障的另一个组成部分是分泌型免疫球蛋白A(sIgA)。IgA是机体最丰富的免疫球蛋白,主要存在于肠道黏膜表面。分泌型IgA可能与肠道共生菌相互作用,抵御病原体的感染。分泌型IgA的一个独特之处在于,与黏膜表面的其它抗体相比,它在富含蛋白酶的环境中具有很强的结构弹性,仍然能够保持功能活性。最后,分泌型IgA可以经上皮细胞转位,分泌入肠腔。

肠道菌群与肠道屏障

肠道微生物可以通过模式识别受体被宿主所感知,比如Toll样受体和核苷酸结合寡聚化结构域样受体。在肠道中,细菌与宿主之间的相互作用很大程度上依赖于细胞表达的模式识别受体对微生物相关分子模式的识别。某些菌群、细菌组分和代谢产物会影响肠道屏障功能并导致组织稳态的破坏。肠漏时,肠腔内的细菌及其产物能够从肠腔逃离,如果进入外周循环,可能会引起炎症,造成全身组织损伤。这一过程叫做细菌易位。

 

肠漏是自身免疫性疾病的危险信号

肠道屏障的发育和功能依赖于肠道菌群。在无菌动物中,由于缺乏肠道细菌,黏液层的厚度极低。肠道菌群在调节杯状细胞分泌黏蛋白方面也发挥重要作用。较薄的黏液层使得细菌容易渗透,这可能引发炎症和炎症性疾病,比如结肠炎。肠道共生菌或细菌组分,比如脂多糖和肽聚糖,可以帮助恢复黏液层。肠道共生菌和黏液层之间存在一种平衡,共同维持肠道内环境的稳态。黏液层内有多种抗菌蛋白的分泌,可以清除病原体,控制共生菌的定植。反过来,某些抗菌蛋白的产生也受到肠道菌群及其组分的调节。例如,抗菌蛋白RegIIIγ有助于避免细菌与肠道上皮细胞发生接触。酗酒者和接受酒精处理的小鼠的RegIIIγ被抑制,补充益生元或者增加肠道中的乳酸杆菌和双歧杆菌可以帮助恢复RegIIIγ的功能和控制细菌过度生长。Ang4是血管生成素家族的一员,是另一个肠道共生菌调节抗菌蛋白产生的例子。一项研究发现,小鼠潘氏细胞中Ang4的产生和分泌是由一种叫做多形拟杆菌的肠道细菌所诱导的。因此,Ang4在肠腔内的抗菌活性又取决于某些肠道共生菌的存在。

此外,肠道微生物与抗菌蛋白之间存在着相互作用,比如肠道碱性磷酸酶。肠道碱性磷酸酶主要由肠道黏膜上皮细胞产生,既可以锚定在上皮细胞膜上,也可以分泌进入肠腔。肠道碱性磷酸酶缺乏的小鼠中,微生物数量更少,细菌组成也发生了改变,尤其是乳酸杆菌的数量明显减少。上调肠道碱性磷酸酶的活性可以选择性地增加LPS抑制菌(比如双歧杆菌),同时减少LPS产生菌(比如大肠杆菌)。由于其体内灭活LPS的能力,碱性磷酸酶在防止LPS易位(一种源自细菌的促炎症刺激)方面至关重要。值得注意的是,肠道碱性磷酸酶的表达依赖于肠道菌群的存在。肠道碱性磷酸酶还可以通过增加某些紧密连接蛋白的表达来增强肠道屏障功能。

肠道干细胞产生新的肠道黏膜上皮细胞对于肠道屏障功能的维持至关重要,因为肠道黏膜上皮细胞的凋亡和脱落频率很高。肠道黏膜上皮细胞中多达10%的基因转录,特别是与免疫、细胞增殖和代谢相关的基因,是由肠道菌群调控的。无菌小鼠和抗生素处理的小鼠中,肠道上皮细胞增殖率降低,表明肠道菌群在上皮细胞更新中的重要作用。来自大肠杆菌的LPS可以以剂量依赖的方式诱导细胞脱落。短双歧杆菌的定殖,或者更准确地说是其表面成分胞外多糖,可以积极地调节脂多糖诱导的上皮细胞脱落。肠道黏膜上皮细胞的更新依赖于位于隐窝底部的肠道干细胞的活性以及Toll样受体4的表达。除了LPS以外,细菌代谢物,尤其是丁酸,也是肠道干细胞增殖的抑制剂。肠道隐窝结构保护肠道干细胞免受丁酸的不良影响。作为细胞旁通路的守门人,紧密连接蛋白也是肠道菌群调控的主要目标,这对于某些益生菌物种尤其如此。

 

肠漏是自身免疫性疾病的危险信号

肠漏的机制

大量影响肠道屏障和/或肠道菌群的因素都可能导致细菌易位,并导致局部和全身炎症。这些因素包括饮食、感染、饮酒和烧伤等。

饮食诱导的肠漏

营养和食品成分有助于维持或改变肠道菌群和肠道屏障功能。维生素D 可以通过诱导某些紧密连接蛋白的表达作为一种肠道屏障功能的保护剂。维生素D受体基因敲除的小鼠会表现出更加严重的实验性结肠炎,表明维生素D对黏膜屏障的保护作用。低纤维饮食会导致黏液降解细菌的大量繁殖,包括嗜黏蛋白阿克曼氏菌和粪拟杆菌。其结果是,低纤维饮食的小鼠的黏液厚度明显减少,较薄的黏液层和受损的肠道屏障功能导致对某些诱导结肠炎的病原体高度敏感。此外,高饱和脂肪的饮食会大大减少乳酸杆菌和增加颤螺菌的数量,这些变化与近端结肠通透性显著增加有关。此外,颤螺菌的丰度与形成肠道屏障的紧密连接的mRNA表达呈负相关。

应激诱导的肠漏

在某些情况下,应激引起的肠道菌群的改变和肠道屏障的损伤会导致细菌易位的发生。烧伤和饮酒就是这种应激的例子。烧伤导致肠道通透性增加,这是由肌球蛋白轻链激酶活性增加所调节的。肌球蛋白轻链磷酸化或激酶激活可以触发上皮细胞紧密连接的打开。在烧伤中,紧密连接蛋白被重新分配,这可以通过补充肌球蛋白轻链磷酸化抑制剂来逆转。此外,烧伤的人和小鼠肠道菌群也发生类似的变化,特别是肠杆菌科细菌的丰度增加。重要的是,烧伤也使这些革兰氏阴性需氧菌发生易位。另一项研究使用不同的小鼠烧伤模型发现结肠通透性增加以及肠道需氧菌和厌氧菌群减少,特别是产丁酸的细菌群。因此,烧伤小鼠粪便中的丁酸水平明显降低。有趣的是,当实验小鼠接受粪菌移植时,其改变的细菌数量和受损的黏膜屏障功能被逆转,表明肠道菌群直接参与烧伤引起肠漏发生。

 

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长期饮酒会导致肠道屏障功能障碍、肠道菌群质和量的改变、LPS易位和酒精性肝病。在人类和小鼠中都发现,酒精可以破坏肠道屏障功能,这与肠道单核细胞/巨噬细胞以及携带肿瘤坏死因子受体的肠上皮细胞产生的肿瘤坏死因子增加,进而下游激活肌球蛋白轻链激酶密切相关。值得注意的是,当给长期饮酒的小鼠同时口服抗生素处理以清除肠道细菌时,肿瘤坏死因子的产生水平和肠道通透性降低到与对照组小鼠相当的水平。这说明酒精诱导的、肿瘤坏死因子介导的肠漏在很大程度上依赖于肠道菌群。饮酒后可观察到细菌过度生长,而抗生素可以降低细菌负荷,减弱酒精性肝病的发生。有益的乳酸杆菌在饮酒时被显著抑制,直接补充益生菌或通过益生元或饮食间接刺激乳酸杆菌可以减少细菌过度生长,恢复肠道黏膜完整性,抑制细菌易位。细菌易位,尤其是LPS的易位,参与了酒精性肝病的发展和进程。值得注意的是,一些细菌物种可以产生酒精,包括大肠杆菌和融合魏斯氏菌(Weissella confusa),这也可能是它们破坏肠道屏障功能的机制。

感染在调节黏膜屏障中发挥重要作用。一个很好的例子是感染人类胃的革兰氏阴性细菌幽门螺旋杆菌。幽门螺旋杆菌可以通过重新分配紧密连接蛋白直接增加上皮通透性。此外,噬菌体通常被认为不会对哺乳动物产生致病性,但它们会对肠漏产生影响。当给大鼠喂食含有肠道沙门氏菌噬菌体的混合噬菌体时,肠道屏障的完整性被破坏。

总而言之,由于各种因素所导致的肠道菌群破坏可以导致肠道通透性增加以及细菌成分和产物的易位。细菌易位随后会引发异常的免疫反应,导致肠道以外的器官的炎症和/或组织损伤。

肠漏是自身免疫性疾病的危险信号

肠漏与自身免疫性疾病

一些疾病状态与肠道菌群失调、肠道屏障功能障碍和细菌易位有关,这些疾病包括阿尔茨海默病、酒精性肝病、癌症和多种自身免疫性疾病等等。自身免疫性疾病的特征是产生对抗自身抗原的自身抗体,攻击人体自身组织,造成损伤。遗传和环境因素长期以来被认为是导致自身免疫的主要因素。近年来,越来越多的证据表明,肠道菌群失调导致的细菌易位和肠道屏障功能障碍是自身免疫性疾病的另一个重要致病因素。下面我们以1型糖尿病和系统性红斑狼疮为例,讨论肠漏导致自身免疫性疾病的作用机制。

1型糖尿病

1型糖尿病是一种器官特异性的自身免疫性疾病,其特征是对胰腺β细胞的自身免疫反应,导致胰岛素分泌不足。有些人认为,肠漏只是疾病的结果,而不是疾病的始作俑者,但是在1型糖尿病中不是如此。首先,1型糖尿病患者的研究以及1型糖尿病动物模型的研究表明,肠道屏障功能受损发生在疾病发病之前。其次,肠通透性增加在1型糖尿病中的致病作用依赖于连蛋白(一种紧密连接蛋白),而连蛋白的产生依赖于菌群的定植。通过添加连蛋白抑制剂来逆转肠道屏障功能失调,可以改善疾病易感大鼠的1型糖尿病表现。第三,细菌易位可以促进1型糖尿病的发生。在链脲佐菌素诱导的1型糖尿病模型中,与对照组相比,链脲佐菌素处理的小鼠拥有一个独特的肠道菌群。更重要的是,肠道细菌能够易位到胰淋巴结,促进1型糖尿病的发生。当小鼠接受口服抗生素处理时,胰淋巴结似乎是无菌的,疾病也被减弱。进一步分析发现,胰淋巴结中的细菌易位触发了NOD2的激活,加重了1型糖尿病的症状。总之,这些结果表明肠漏在1型糖尿病的进程中发挥重要作用。

系统性红斑狼疮

系统性红斑狼疮是一种自身免疫性疾病,以严重和持续的炎症为特征,可导致多个器官的组织损伤。革兰氏阴性菌的细胞壁成分LPS通过肠上皮的渗透和组织易位可以促进系统性红斑狼疮的发生和疾病进程。在系统性红斑狼疮患者中,可溶性CD14水平升高提示LPS升高,因为当细胞暴露于LPS时,可溶性CD14从单核细胞中释放出来。激活Toll样受体4会加剧红斑狼疮的发生。当Toll样受体4反应增加时,小鼠会自发发生红斑狼疮;而当使用抗生素清除肠道共生菌群时,可以显著改善恶化的疾病表型。这清楚地表明Toll样受体4对肠道菌群的高反应性是系统性红斑狼疮的发病机制之一。此外,LPS可以促进磷脂结合蛋白诱导的小鼠系统性红斑狼疮的发生。相反,抑制Toll样受体4可以减少系统性红斑狼疮易感小鼠自身抗体的产生,降低肾小球IgG的沉积。总之,这些数据提示LPS刺激和TLR4激活是系统性红斑狼疮的致病因素。脂磷壁酸是革兰氏阳性细菌细胞壁的组成部分,也可促进红斑狼疮的发生。Toll样受体2是脂磷壁酸的受体,在系统性红斑狼疮患者中,Toll样受体2的表达也增加了。在红斑狼疮易感小鼠中,激活Toll样受体2可以引发狼疮性肾炎,而敲除Toll样受体2基因可以减轻狼疮样症状。因此,一些有害细菌及其组分可能发生易位,特别是在存在肠漏时,Toll样受体可能通过感知这些有害细菌而促进系统性红斑狼疮的发生。

 

肠漏是自身免疫性疾病的危险信号

修复肠漏是自身免疫性疾病的一种潜在治疗方法

由于肠漏和细菌易位对炎症和多种疾病的影响,修复肠漏似乎是一个非常有潜力的治疗策略。例如,益生菌和益生元可以用来降低肠道通透性。不同的益生菌物种可以通过针对肠道黏膜屏障系统的不同部分来保护肠道屏障的完整性。脆弱拟杆菌可以作为一种益生菌。在小鼠模型中,自闭症被证明伴有肠道屏障功能障碍、肠道菌群失调和肠漏,源自肠道共生细菌的4-乙基苯基硫酸盐(4EPS)通过肠漏进入血液,自闭症小鼠的血液中4EPS的水平比其它小鼠高40多倍。当给野生型小鼠静脉注射4EPS时,可以直接导致小鼠出现自闭症样的行为异常。给小鼠补充脆弱拟杆菌可以降低致病性的4EPS的易位,并且显著改善自闭症小鼠的行为缺陷。脆弱拟杆菌对自闭症的益处与其改变肠道菌群组成和增强肠道屏障功能的能力有关。脆弱拟杆菌的表面荚膜多糖A(PSA)也可以诱导调节性T细胞的发育,对于结肠炎和自身免疫性脑脊髓炎等炎症性疾病具有有益作用。当然,脆弱芽孢杆菌在预防肠漏和逆转自身免疫方面的应用还值得进一步研究。从实践角度来看,不同的益生菌在修复肠漏方面具有不同的作用靶点,可能协同作用以减弱疾病的症状。总而言之,肠漏是许多自身免疫性疾病发生的危险信号,修复肠漏对于预防和治疗自身免疫性疾病十分关键。由于益生菌被普遍认为是安全的,益生菌或将成为自身免疫性疾病患者的一种经济有效的治疗选择。

注意:益生菌不是药物,它不用于治疗任何疾病,无论是生理的还是心理的。益生菌是作为健康生活方式的一种补充,同时还应该注意营养丰富的食物、充足的运动、足够的睡眠和减少伤害肠道菌群的任何行为。


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