腸道共生菌對哺乳動物腸道屏障調控的研究

楊桂連，王秋東，李雨宸，王春鳳，（吉林農業大學動物科學技術學院吉林省動物微生態制劑工程研究中心，吉林長春130118）

腸道共生菌對哺乳動物腸道屏障調控的研究

楊桂連，王秋東，李雨宸，王春鳳，
（吉林農業大學動物科學技術學院吉林省動物微生態制劑工程研究中心，吉林長春130118）

哺乳動物胃腸道定植著1014個細菌，這些細菌與宿主建立了一種終生的互利共生關系。腸道微生物在免疫系統的成熟及腸道屏障功能中起到關鍵作用，相反改變腸道微生物的定植可能導致過敏和炎癥反應[1]。腸道屏障通過激活一些機制如微生物信號的識別，抗菌肽、黏液層的產生及抗體的分泌將微生物與腸道組織隔離[2]。最近研究發現，共生菌能夠作為腸道屏障功能關鍵性調節因子對腸道屏障的完整性具有保護作用[3]。本文主要對共生菌如何調控腸道屏障以維護腸道的完整性等最新研究做一綜述。

1　腸道屏障的構成

有效的腸道屏障由物理屏障、細胞屏障及化學屏障組成。物理屏障主要為覆蓋在腸道上皮細胞表面的黏液層；細胞屏障包括腸道上皮細胞及一些免疫細胞；化學屏障主要由上皮細胞分泌的抑菌肽組成[4]。腸道屏障不僅是抵御病原微生物入侵腸組織的關鍵，也是維持腸道完整性及穩態平衡的基礎。其中屏障中的物理、細胞屏障和化學屏障相互聯系且缺少其中的任何一種因素都會影響屏障功能最終都可導致炎癥性腸道疾病。

2　腸道屏障控制腸道內環境穩定

盡管腸道管腔存在大量的微生物及飲食抗原，在正常情況下宿主與腸道間一直維持免疫平衡，并且通過一系列的緊密調節以抑制劇烈的炎癥反應。因此腸道屏障與先天免疫系統的效應機制一起限制腸道微生物的大面積侵襲。

2.1腸道上皮細胞控制腸道內環境穩定腸道上皮細胞是腸黏膜屏障的主要組織結構基礎，細胞間的連接復合體參與維持上皮細胞的完整性，其中緊密連接（TJ）是細胞間最重要的連接方式。TJ主要由跨膜蛋白（occludin蛋白和claudin蛋白）和細胞質蛋白（ZO-1蛋白等）組成[5]。其作為動態的通透性屏障具有雙重功能：阻止潛在的有害物質或病原體進入機體，同時允許營養物質、離子和水進入體內以調節腸道通透性。

此外腸道上皮細胞還被認為是管腔內容物的第一傳感器。腸道屏障中的上皮細胞能夠表達一系列的模式識別受體包括Toll樣受體，核苷酸結合寡聚化結構域（NOD）樣受體（屬胞內感應分子如NLRP3）等，這些受體能夠識別病原微生物細胞表面或胞內的分子標志即病原相關分子模式。當識別到病原微生物后上皮細胞以某種方式把信息傳遞給下面的免疫細胞繼而引發機體免疫應答[6]。因此腸道屏障通過上皮細胞間緊密連接及傳遞微生物信號以維護體內穩態平衡。

2.2抗菌肽維持控制腸道內環境穩定潘氏細胞主要存在于腸道隱窩底部，為分泌型細胞，它們可直接通過激活MyD88依賴的TLR信號肽途徑或L-22/IL-23途徑特異性產生具有殺菌作用的抗菌肽[7]?？咕闹饕獮榉烙仡?、溶菌酶和內源性抗菌多肽類物質等，其中人防御素5（HD5）在腸道儲存量可達90～450 μg/cm2足夠殺滅腸道病原微生物、溶菌酶可抑制革蘭陽性（G+）菌，而PLA2可抑制鼠傷寒沙門菌的生長。

最新的研究已經表明，這些抗菌肽不僅能夠消滅入侵腸道的病原微生物而且還影響腸道菌群的組成。研究發現，當小鼠缺乏α-防御素或過度表達人源潘氏細胞的α-防御素5時，即使小鼠腸道細菌總數不變，但兩組小鼠卻含有截然不同的菌群組成[8]。因此，抗菌肽不僅在防止共生菌和致病菌穿透腸道屏障方面至關重要，而且在黏膜表面控制一些細菌過度生長、維持菌群穩態平衡方面也發揮重要作用。

2.3黏液層控制腸道內環境穩定研究發現，腸道上皮組織上覆蓋了一層黏液層，其主要成分為黏蛋白，主要由MUC1、MUC2等組成，同時還含有分泌性抗體IgA，由上皮中的杯狀細胞產生和分泌。黏液層由內外兩層黏液構成，內黏液層則起到了一層物理屏障的作用使腸道共生菌被隔離在稀疏的外黏液層中，因此在靠近上皮組織的地方形成一個沒有細菌的隔離區[9]。研究還發現，不同的腸道組織其黏液層的黏稠程度也會出現明顯差異。例如，結腸受到一層內黏液層的保護，這層黏液和結腸上皮細胞緊密的結合在一起，保護其免受細菌和機械應激刺激的傷害。而盡管小腸黏液層則非常稀薄，卻含有豐富的抗菌蛋白RegIIIγ，它有助于避免細菌與小腸腸道上皮細胞發生接觸。同時小腸杯狀細胞還可以不斷分泌黏液，對黏液層起到補充和更新的作用，給小腸持續的保護[10]。因此，腸道黏液層通過限制微生物對腸道屏障的黏附及損傷維護腸道內環境穩定。

3　腸道共生菌對腸道屏障的調節

3.1共生菌對腸道上皮細胞的影響

3.1.1共生菌影響腸道上皮細胞的更新在腸道屏障功能正常的情況下，細胞增殖與死亡始終維持一種平衡關系。大量研究顯示，無菌動物與正常動物相比其腸道微生物的缺乏能夠極大的損害腸道結構及影響腸道上皮細胞的更新[11]。腸道細胞更新的減少可能損害上皮細胞的增殖以及再生能力，同時更易發生炎癥的感染。實驗證實，無菌小鼠更易感染DSS導致的結腸炎，而當無菌小鼠口服灌胃乳酸桿菌通過其在腸道上皮細胞的定植能夠促進細胞的更新和黏膜的修復能力，進而能夠抵御DSS誘導的結腸炎[12]。這表明腸道微生物能夠通過調節腸道上皮細胞的更新與修復能力以抵御腸道損傷。然而共生菌信號如何作用于上皮細胞以促進細胞更新和損傷修復還不清楚。但是微生物能夠產生多種短鏈脂肪酸如丁酸、琥珀酸及丙酸等這些脂肪酸對調節結腸上皮細胞增殖、分化至關重要，同時也是結腸重要的能量來源[13]。因此腸道屏障功能的維護需要腸道微生物的調節。

3.1.2共生菌影響腸道滲透性研究發現，腸道微生物具有影響腸道滲透性的能力。當機體受到劇烈壓力時，大分子流量增加、離子分泌發生改變繼而誘導屏障功能發生障礙。然而口服共生菌如乳酸菌能夠防止由壓力誘導的腸道屏障的改變。在小鼠DSS誘導的結腸炎期間服用大腸桿菌或乳酸菌能夠阻止由結腸炎引發的腸道屏障功能障礙[14]。一些研究已經表明，腸道上皮滲透性的增加可能與細胞緊密連接發生改變有關。無菌小鼠單獨定殖雙歧桿菌其能夠上調小脯氨酸豐富蛋白-2基因的表達，以加強腸道屏障防御功能[15]。同樣無菌小鼠單獨定殖大腸桿菌Nissle1917后導致腸道上皮細胞ZO-1蛋白的表達上調[14]。益生菌乳酸菌的裂解物通過抑制通透性的增加及對ZO-1蛋白表達的保護能夠使小鼠DSS結腸炎得到改善[16]。雖然大量的數據表明，益生菌在調節腸道屏障功能和完整性上具有重要作用，但是乳酸菌與其他共生菌影響腸道滲透性的機制仍不清楚。

3.2共生菌對抗菌肽的影響抗菌肽具有限制病原菌侵入和調節腸道微生物組成雙重作用。研究發現，潘氏細胞衍生的抗菌肽如溶菌酶、sP?LA2在無菌的腸道中表達。同樣隱窩素在腸道微生物缺乏時表達，這表明這些分子的基礎表達不需要來自腸道微生物的信號[17]。然而與無菌小鼠相比正常小鼠腸道中隱窩素相關序列（CRS）顯著增高，這表明腸道微生物可能影響隱窩素的表達水平[17]。研究發現，在未斷奶小鼠及大鼠腸道中α-防御素及隱窩素表達量較低，但是在成年期則顯著增高[18]。哺乳動物從出生到成年每個個體都會經歷一次微生物在腸道定植的變遷。這種定植模式在成年期穩定，然后每個個體都會擁有一種特定的腸道菌群。而當腸道菌群穩定定植時α-防御素表達增高，這表明微生物的成分可能對α-防御素的調節起到一定作用[19]。相反真菌類及原蟲則不能影響潘氏細胞分泌抗菌肽。

3.3共生菌對黏液層的影響與正常小鼠相比，無菌小鼠分泌黏蛋白的杯狀細胞數量顯著降低，此外，無菌小鼠黏液層較為稀薄，致密性較差。無菌小鼠定植共生菌后細菌所產生的LPS及肽多糖能夠使黏液層的厚度增加到接近正常水平[20]。因此這個發現表明，腸道共生菌的成分能夠對黏液層具有一定的調節作用。大鼠服用VSL#3(由八種益生菌組成)能夠誘導MUC2表達及分泌[21]。在VSL#3各個益生菌中乳酸菌對MUC2起到較強的調節作用，但是乳酸菌誘導MUC2表達的確切機制還不清楚。此外VSL#3還能誘導大鼠腸道MUC1,3的表達及分泌。黏蛋白對于防止管腔中的細菌黏附及侵入腸道上皮至關重要，其主要依賴于黏蛋白類碳水化合物成分。因此腸道屏障與微生物之間存在雙向作用，這對腸道的健康至關重要。

4　結語

駐留在腸道管腔中的復雜微生物群與宿主存在一種互利共生關系。微生物成分的破壞有可能改變宿主健康狀況進而引發胃腸道炎癥疾病?，F在研究已經表明，共生微生物與腸道屏障功能相互作用，但是確切的分子及細胞機制還不清楚。了解共生微生物與腸道上皮屏障的相互作用將為腸道慢性炎癥提供新的治療及預防策略。這些策略可能基于使用特異性微生物以調整腸道屏障功能進而阻止腸道炎癥的發生。但是關于潛在有益菌株的篩選以及在治療過程中對宿主的影響需要在日后加以解決。

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通訊作者：王春鳳，E-mail：wangchunfeng@jlau.edu.cn

作者簡介：楊桂連（1978-），男，副教授，博士生，從事動物寄生蟲免疫防治研究，E-mail：yangguilian@jlau.edu.cn

基金項目：國家863計劃項目（2011AA10A215，2013AA10280-6）；國家自然科學基金項目（31272552，31272541，81170358，3137-2462）；教育部新世紀優秀人才支持計劃項目（NCET-10-0175）；吉林省科技發展計劃項目（20111816, 20080104）；吉林省世行貸款農產品質量安全項目（2011-Y07）

收稿日期：2014-07-14

中圖分類號：S852.4

文獻標志碼：A

文章編號：0529- 6005（2015）10- 0060- 03