肠道屏障：肠道微生物与消化系统疾病的关键因素

肠黏膜由几种有助于其作为物理和免疫防御屏障功能的元素组成。主要包括具有共生肠道微生物群的外黏液层、抗菌蛋白（antimicrobic protein，AMP）和分泌免疫球蛋白A（secretory IgA，SIgA）分子、具有专门上皮细胞的中央单细胞层及固有和适应性免疫细胞（如T细胞、B细胞、巨噬细胞和树突状细胞）存在的内层固有层（图20-1，见彩图）。

黏液层是外部分子进入肠道时遇到的第一道物理防线，它可以防止细菌直接接触上皮细胞。黏液层的主要构建块是高度糖化的黏蛋白，其形成覆盖肠上皮的凝胶状筛网结构。在小肠和大肠中，黏液蛋白2（mucin2，MUC2）是杯状细胞分泌最丰富的黏液蛋白。MUC2的表达对于预防疾病至关重要，因为MUC2敲除小鼠会自发患结肠炎。肠上皮细胞（Intestinal epithelial cell，IEC）也表达附着在顶端表面的跨膜黏蛋白，并与糖脂一起形成糖萼。值得注意的是，小肠只有一层黏液凝胶层，而结肠有两层：一层松散的层，允许结肠细菌的长期定植，在结肠中至关重要，而内部致密层没有细菌。免疫调节剂，如AMP和SIgA分子，被释放在黏液凝胶中，以加强微生物的物理分离，作为从上皮到管腔的梯度，并显示在小肠中的最高浓度。黏液层的组成可以影响肠道中的微生物，而微生物也决定黏液凝胶的特性。

在黏液层下面，上皮细胞是迄今为止最强的肠屏障的决定因素。位于地穴的多能干细胞池产生五种不同的细胞类型，包括吸收性肠细胞、潘氏细胞、肠内分泌细胞、杯状细胞和微古细胞。这些细胞一起形成一个连续的极化单层，将管腔与固有层分离。由于细胞膜在没有特定转运体的情况下对亲水性溶质是不可渗透的，因此这种分子通过IEC的通道受到高度限制。亲脂性或大分子的摄取主要依赖于扩散和内吞作用。分子在IECs之间的传输是通过连接复合物的存在来调节的。三个最重要的复合物是紧密连接（TJs）、黏附连接（AJs）和桥粒。TJs是最顶端的黏合复合物，主要封闭细胞间空间，由跨膜蛋白（如Claudin）、周围膜蛋白（如ZO-1、ZO-2）和调节蛋白组成。AJ位于TJ下方，装配时需要。与桥粒一起，AJ提供了强有力的黏合力，以维持上皮的完整性。TJ和AJ都与肌动蛋白和肌球蛋白的连接环相连，肌动蛋白和肌球蛋白允许通过细胞骨架来调节连接。

肠屏障是高度动态的，对内外刺激（如细胞因子、细菌、饮食因素）都有反应。

肠上皮细胞为肠道提供了物理和免疫防御屏障。这种选择性的渗透性屏障可禁止微生物和毒素的通过，同时允许营养和水的运输。肠道上皮的超细胞通透性是由紧密结合、粘连和脱黏体组成的顶端的紧密结合复合体来控制的。紧密结合复合体位于上皮细胞的最顶端位置，形成相邻细胞之间的密封。是肠道上皮通透性的主要决定因素。粘连结合和脱黏体提供了维持细胞-细胞相互作用所必需的黏合力，并防止了对上皮细胞的机械破坏。如前所述，紧密结合体由跨膜蛋白组成，包括闭塞蛋白（occludin，）、紧密连接蛋白（claudins）、连接粘连分子（junctional adhesionmolecule）、三个相邻上皮细胞间紧密连接蛋白，以及细胞质支架蛋白，如胞质小带闭塞蛋白（ZO-1、ZO-2、ZO-3）。其中最关键的跨膜蛋白是包膜蛋白，它定义了紧密结合的渗透性。胶原分为屏障形成（胶原-1、-3、-4、-5、-8、-9、-11和-14）和通道孔隙形成（胶原-2、7、12和-15）亚型。屏障形成使胶原降低，而通道孔隙度的形成使胶原增加，至于紧密连接蛋白对细胞旁通透性的作用迄今尚未充分阐明。小鼠肠道闭塞蛋白的降低提高了大分子的肠道通透性。此外，缺乏闭合蛋白的小鼠会出现慢性炎症和增生。ZO蛋白通过将紧密连接蛋白或包合物固定在细胞骨架上来调节紧密连接的组装和维护。由于紧密连接完整性的破坏导致肠道屏障的功能障碍和大分子从肠腔扩散到血液。(www.xing528.com)

黏液主要由杯状细胞产生和分泌。肠道黏液的主要结构是大的高糖基化糖蛋白。跨膜黏液和分泌的黏液这两种主要的黏液在功能上是有区别的，跨膜黏液和分泌的黏液包括黏液1、黏液3、黏液4、黏液11-13、黏液15-17、黏液20和黏液21，拥有单一的膜生成域，是黏膜表面糖花萼的必要组成部分，并参与细胞内信号分泌的黏液，特别是凝胶形成的黏液，构成黏液层的骨架。在小肠和结肠中，黏液是由凝胶形成的黏液蛋白构成。与胃中的黏液蛋白相比，黏蛋白可被认为是一把双刃剑，由于它们的正常功能可以防止有害物质和微生物的侵入，而黏液的功能障碍可能是导致疾病的一个原因。除了黏液分泌外，肠杯状细胞还可分泌一些其他黏液成分，包括三叶因子肽-3（trefoil factor peptide，TFP-3）、抵抗素样分子-β（resistin-like moleculeβ，RELM-β）、Fc-γ结合蛋白（Fc fragment of IgG binding protein，FCGBP，Fc片段结合蛋白γ）、酶原颗粒蛋白16（zymogen granule protein16，ZG 16）和钙活化氯化物通道调节器-1（calcium-activated chloride channel regulator 1，CLCA-1），所有这些都促成了高黏性的细胞外层。

肠上皮细胞还通过产生细胞因子，如IL-1β、IL-6，进行免疫监视并向黏膜免疫系统发送信号，IL-18、TNF-α和趋化因子，包括趋化因子配体（chemotactic factor ligand，CXCL）-8、CXCL-10、CCXC-L2、CXCL-6、CXCL-20和CXCL-25，产生的细胞因子/趋化因子的主要作用是诱导免疫细胞迁移，促进先天和适应性免疫。值得注意的是，包括肠道上皮衍生的CXCL-6（人类同系物CXCL-14和CXCL-15）在内的一个子集的趋化因子具有抗菌的特性。

肠具有完整的膜免疫系统。肠道相关淋巴组织（gut-associated lymphoid tissue，GALT）是黏膜相关淋巴组织的一个重要组成部分，它含有人体70%的免疫细胞。GALT含有多种免疫细胞，包括树突状细胞、T和B淋巴细胞、浆细胞、先天性淋巴样细胞（innate lymphoid cell，ILCs）、巨噬细胞和中性粒细胞。而残余巨噬细胞负责吞噬扩散到固有层的细菌，ILC通过分泌细胞因子保护黏膜免受细菌入侵。特别重要的是树突状细胞，它们通过调节保护性免疫和免疫调节能力，在形成肠道免疫反应中起着关键作用。免疫耐受存在于固有层的T和B淋巴细胞是树突状细胞诱导和引导的适应性免疫反应的主要效应细胞。T细胞对来自肠腔的信号作出反应并启动免疫反应。B细胞，特别是产生IgA的浆细胞，有助于保护肠屏障。值得注意的是，免疫细胞也通过分泌细胞因子来调节肠屏障功能。例如，由3型ILC和CD4＋T淋巴细胞产生的IL-22已被证明能够刺激肠上皮细胞分泌AMP，并上调上皮紧密连接蛋白的表达。由调节性T细胞（regulatory T cell，Treg）和巨噬细胞分泌的IL-10可促进黏膜伤口愈合并增强肠屏障功能。