肠道微生物与消化系统疾病：关系与作用

（一）肠上皮屏障系统

肠道黏膜屏障包括以下几种：①肠道黏膜的机械屏障，主要由肠上皮细胞及细胞间紧密连接组成，可阻止细菌及内毒素等物质透过肠黏膜进入血液。②化学屏障，主要由肠上皮细胞及杯状细胞分泌的黏蛋白和肠道正常寄生菌产生的抑菌物质构成。③免疫屏障，由肠道相关淋巴组织（包括肠道淋巴细胞、潘氏细胞、肠系膜淋巴结等）和肠道内浆细胞分泌型免疫球蛋白（SIgA）构成，可刺激肠道黏液分泌，加速粘连层黏液流动，从而防止细菌黏附。④生物屏障，即肠道内共生的微生物，是维持肠道微生物平衡的重要组成（图1-1，见彩图）。

IEC的几个子集构成肠上皮单层，包括肠吸收肠细胞、肠内分泌细胞、杯状细胞和潘氏细胞，所有这些区别于上皮干细胞驻留在绒毛隐窝区。IEC之间的紧密连接形成连续的物理屏障，分隔肠腔和LP。同时，紧密连接将IEC分隔成根尖和基底外侧部分，并帮助建立和维持IEC的极性，这对于IEC功能至关重要。杯状细胞产生大量的糖基化黏蛋白，形成黏液样的黏液层，覆盖上皮的管腔表面。在小鼠结肠中，黏液由两层组成，即外扩散层和与上皮紧密相连的内层。绝大多数的共生体被困在外层，内层几乎没有细菌。这在小鼠的研究中得到证实，黏菌层在微生物区系中的关键作用是缺乏主要结构黏液蛋白MUC2（mucus protein 2，黏蛋白2）缺陷小鼠缺乏黏液层，允许共生细菌与IECs直接接触，从而导致自发性结肠炎和结直肠癌发生。除此物理分离外，黏液层提供了分泌的抗菌分子聚集到FFT的环境。它有助于细菌隔离。这些分子包括IEC衍生的物质，如酸性黏多糖（acid mucopolysaccharide，AMPS）和非IEC衍生的物质，如SIgA，这是通过IEC传递的。此外，潘氏细胞衍生的杀菌分子，如防御素、溶菌酶、组织蛋白酶、分泌磷脂酶A2和C型凝集素在管腔中分泌，并有助于细菌螯合，以及保护腺窝中的干细胞。

（二）共生菌调节上皮屏障

尽管IECs利用一定机制限制活菌直接进入上皮表面，但它们能够检测细菌产物。与传统的先天免疫细胞相似，IECs表达模式识别受体（PRRS）可检测常见的微生物配体。PRRs，包括Toll样受体、NLRs。此外，几乎所有促进上皮屏障功能的机制都受到微生物群的影响。共生细菌可以上调紧密连接分子并控制肠道通透性和通过TLR受体的微生物信号来维持上皮屏障。在TLR2和MyD88缺陷的小鼠中，ZO-1的表达、紧密连接的形成和上皮的周转被破坏，结果导致上皮损伤的易感性增加。

分泌黏液和AMPS也是由共生细菌诱导的。在GF小鼠中，黏液层显著减少，但在暴露于细菌产物（如LPS或肽聚糖）时可恢复。再生基因Ⅲγ（regenerating geneⅢγ，RegⅢγ）是C型凝集素家族的成员，靶向革兰阳性细菌的细胞壁肽聚糖。在稳定状态下通过共生菌诱导IECs产生RegⅢγ，TLR/MyD88依赖性的微生物信号直接诱导潘氏细胞即使限制性地表达MyD88也足以恢复微生物诱导的RegⅢγ表达，并继续直至上皮屏障功能缺陷的恢复。在MyD88缺陷微血管中的上皮屏障功能中，血管生成素-4是一种具有杀微生物活性的潘氏细胞分泌的核糖核酸酶样蛋白，在GF小鼠微血管中表达显著减少。同样，RegⅢβ、CRP管蛋白和抵抗素样分子β的表达受到MyD88的调节，提示在TLR依赖的方式中，多个抗微生物分子的表达是在共生体刺激下发生的。相反，一些溶菌酶、分泌型磷脂酶A2、人类抗菌肽LL-37、α-防御素和某些β-防御素的表达似乎不受微生物学的影响，与SIgA的控制相结合。这些研究表明，共生体主要调节肠上皮屏障系l因子。共生细菌的组成如何影响屏障功能尚不完全清楚。黏液限制了细菌直接进入LP，同时通过为微生物的生长和共生生物产物的扩散提供特定的环境来促进宿主-共生相互作用。因此，共生体诱导这些机制的能力可以代表进化适应共生体的建立，共生细菌控制上皮细胞内信号转导与稳态。

（三）共生细菌控制上皮细胞间信号转导与稳态

即使螯合机制阻止与IECs最直接的相互作用，共生信号也能不断到达上皮细胞，并参与维持免疫耐受和稳态。事实上，在MyD88基因敲除（MyD88-gene knockout，MyD88-KO）小鼠中，TLR的稳态丧失导致结肠稳态的缺陷并增加了决策支持系统（ddecision support system，DSS）模型中的死亡率。通过与TLRs和NLRS、共栖体或它们的产物相互作用，可以激活IECs中的NF-κB信号。NF-κB激活是维持上皮稳态的关键。事实上，IEC特异性的途径激活NF-κB主要修饰物（NEMO）或两个上游NF-κB激活κB激酶1（IKK1）和IKK2（虽然不是单独的），导致严重的慢性肠道炎症，伴随IEC凋亡增加、屏障功能丧失和细菌易位。在没有MyD88的情况下可见结肠炎改善，这表明它需要共生信号参与。同样，转化生长因子-β活化激酶1（transforming growth factor-β-activated kinased，TAK1）的上皮细胞特异性缺失，IKK复合物上游的TLR信号分子诱导凋亡细胞数量增加引起严重的肠道炎症，证实TCR在IEC维持的过程中起着NF-κB信号转导的作用。(www.xing528.com)

同时，IEC中过量的NF-κB激活可能导致结肠炎，而共生菌可以通过抑制NF-κB信号并发挥抗炎作用来控制这种炎症。例如，共生信号抑制新生小鼠中的通路活化剂白介素-1受体相关激酶（interleukin-1 receptor-associated kinase，IRAK1）以防止早期上皮损伤或可能抑制通路抑制剂IκBa在与IECs接触后的降解。诱导过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）的刺激作用，它与细胞核激活的NF-κB结合并转移到细胞质中。缺乏单个免疫球蛋白IL-1R相关受体（TLR/IL-1R信号转导的负性调节因子）的小鼠显示上皮内稳态丧失，NF-κB过度激活，并增加对DSS-结肠炎和结肠炎相关癌症的易感性。

微生物产物也通过诱导炎症细胞形成的NLR受体检测，炎性小体是一组大蛋白复合物，包括模式识别受体（PRR）微生物传感器，如NLRs或黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）；包含半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（Caspase）募集域（Caspase-recruitment domain，ASC）的凋亡斑点蛋白和炎性半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶，其中最重要的是Caspase-1。炎性小体激活，通过激活的Caspase-1和其他半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶，调节活性形式的重要促炎性细胞因子，如IL-1β和IL-18，以及其他炎症过程的产生。最近的一项研究报道，在IECs中，NLRP6炎性小体调节共生微生物和上皮稳态的组成。结果表明，NLRP6缺陷小鼠获得结肠源性菌群并可增加结肠炎症的易感性，NLRP3炎性小体也参与了共生菌的调节和促进上皮再生，揭示了不同炎症细胞在IECs中的表达和功能的细节。综合上述研究，上皮模式识别受体（PRRs）通过NF-κB信号或炎性小体激活，在共生细菌控制下维持上皮稳态。

（四）共生菌来源的代谢产物调节上皮功能

共生体是肠腔的永久居民。因此，在这些生物体的生命周期期间产生的因素可直接作用于邻近的上皮或改变腔环境，以产生影响上皮功能的代谢物。共生细菌的主要功能之一是加工饮食或环境物质。这产生的维生素或代谢物，虽然不是细菌本身产生的，但仍然依赖于共生活性。例如，共生菌需要将复杂的膳食多糖分解成短链脂肪酸（SCFAs）。SCFAs主要是乙酸、丁酸和丙酸，它们是能量来源，但它们也影响上皮和免疫宿主细胞功能。有两种已知的SCFAs作用的机制，是直接抑制组蛋白去乙酰化酶和G蛋白偶联受体的连接，GPR43和GPR41（短链脂肪酸受体）。SCFAs对于肠和上皮稳态是重要的。事实上，IBD患者的SCFAs水平下降和丁酸缺乏，是由于下调表达单羧酸转运蛋白-1（monocarboxylate transporter1，MCT1）与IBD发病有关。丁酸酯可降低炎性细胞因子如肿瘤坏死因子（TNF）、IL-6和IL-1β的表达。克罗恩病患者的LP细胞，通过抑制NF-κB激活可改善三硝基苯磺酸诱导的结肠炎。一般而言，微生物群在结肠中产生的SCFAs可使结直肠癌和IBD的发病率降低、丁酸缺乏、MCT1表达下调伴有IBD发生增加。丁酸在克罗恩病患者炎性细胞因子如TNF、IL-6和IL-1β的表达降低，通过抑制NF-κB在IEC中的激活可改善三硝基苯磺酸诱导的结肠炎发生。缺乏短链脂肪酸受体（G protein-coupled receptor 43，GPR43）的小鼠伴有自身免疫性炎症的几个模式，包括结肠炎的易感性增加。SCFAs已被证明可影响上皮屏障功能。在IECs，丁酸和丙酸产生的共生微生物可上调细胞保护性热休克蛋白，而乙酸和丁酸酯在体外和体内可刺激黏蛋白的分泌。在结肠癌时，短链脂肪酸受体109A（GPR109A），一个低亲和力受体丁酸酯在IECs和LP细胞上表达下调，并与丁酸酯的肿瘤抑制作用有关。

共生体在处理复杂多糖和产生SCFAs的能力上是不同的。来自拟杆菌类群的共生物产生乙酸和丙酸，而丁酸主要由厚壁菌提供。SCFAs也可以是益生菌保护的主要机制。事实上已证明由保护性双歧杆菌产生的乙酸酯可防止致病性大肠埃希菌诱导的IECs细胞凋亡。仅有的保护性双歧杆菌含有ATP结合盒转运蛋白，其能够产生乙酸乙酯，其作用于IECs以增加屏障功能，防止志贺毒素从肠腔到血液引起的致死性易位（图1-1，见彩图）。

研究显示主要受益于共生来源的SCFAs对上皮完整性和上皮细胞功能的调节，然而，在大多数情况下，IEC活化的分子机制还没有被详细研究。