肠上皮细胞与炎症性肠病

肠上皮细胞与炎症性肠病

肠粘膜屏障与肠道疾病的发生和发展密切相关。在胃肠疾病的相关研究中,黏膜屏障功能一直是学者们讨论的重点。胃肠疾病多以黏膜损伤为主要表现,黏膜免疫反应是黏膜损伤的病理生理基础。由于上皮细胞在黏膜屏障中的特殊位置,因此,它在维持机体稳态以及在免疫损伤修复平衡中的作用也理所当然引起大家的关注。炎症性肠病(IBD)是临床一类病因不甚清楚,治疗棘手的慢性疾患,由于其具有反复发作的特性和可能的恶变倾向给临床医师和患者带来很大困扰。免疫功能紊乱被认为是炎症性肠病重要的发病机制,但肠上皮细胞在炎症性疾病的发生发展过程中是否起了一定的积极作用,仍不甚清楚。1肠黏膜免疫屏障的转分化为第一防线的特殊机制随着细胞生物学的进展,我们认识到上皮细胞具有丰富的生物学功能。以上皮细胞为主体形成的黏膜屏障是生命体所必需的。它与细胞间紧密连接等是黏膜屏障功能的主要决定者。承载着包括呼吸、消化、泌尿、生殖和免疫防御在内的多种重要生理功能,并与多种疾病的发生发展密切相关。因此,它也是多学科研究的一个交叉切入点。胃肠道有着人体最大的黏膜表面,肠道表面的单层柱状上皮层持续暴露于不同抗原性的食物以及大约104共生菌等这样一个复杂的微环境中,能够在稳态下保持对肠道菌落的低反应性,而对病原体以及有害刺激则启动适当的保护性免疫反应。因此,肠上皮细胞不是简单的作为分离肠腔内容物和固有层免疫细胞的物理屏障,而是作为免疫防御的第一道防线,感知微环境的变化并积极应对调控局部反应。通过来源于隐窝的干细胞增殖、分化、迁移来补充维持组织更新,在黏膜受损的情况下,上皮细胞向间充质细胞的转分化(EMT)予以修复和重建而维持肠黏膜免疫屏障结构的完整性。近年发现,肠上皮细胞更是内外信息转导的重要组成部分,通过与黏膜下层免疫细胞相互串话等一系列复杂而精细的机制,维持机体内环境的稳态,发挥免疫防御的作用并维持损伤修复平衡。肠上皮细胞分泌的防御素、黏蛋白、分泌型免疫球蛋白A(SIgA)等具有广谱的抗菌作用,在保护黏膜免受损伤中起着基础性的作用,杯状细胞分泌小肠三叶因子(ITF)更是作为黏膜损伤的快速修复反应肽,诱导上皮细胞的迁移和促进增殖,从而促进黏膜愈合;肠上皮细胞也通过自噬作用清除受损或多余的蛋白质和细胞器调节细胞稳态,但自噬作用的过度激活则引起细胞损伤。此外,肠上皮细胞通过表达Toll样受体(TLR)NOD样受体(NOD)等模式识别受体(PRR),识别外源病原菌的模式抗原分子而激活NF-κB等核转录因子,启动相关因子的基因表达,释放抗菌肽,防御素或炎症因子等,通过天然免疫过程与腔内环境相互作用而维持肠道的稳态平衡;肠上皮细胞作为非专职抗原提呈细胞在主要组织相容性复合体(MHC)分子内处理抗原,可直接与T细胞相互作用;在健康肠道,肠上皮细胞因缺少共刺激分子而促进免疫耐受,而在炎症环境下,上皮细胞MHC类和共刺激分子(B7H,B7H1)的表达上调,则可能直接启动适应性免疫反应。然而在病理状态,上皮细胞在异常信号的调节下,极易发生结构损伤和功能改变,可能进而促进肠道炎症的发展,并可能是肿瘤起源于上皮以及恶性转移的一个重要因素。如正常情况下,上皮-间质转化(EMT)可以赋予上皮细胞迁移特性而促进黏膜修复,而在病理状况下,则诱导干细胞特性的形成,阻止凋亡和老化,促进免疫抑制,通过多种机制引起器官纤维化和诱导癌症的进程。从这个意义上来讲,肠上皮细胞可能不仅仅是肠道炎症损伤的无辜受害者,更可能在疾病的发生和发展中是一个主动的参与者。2外源性因素的损伤和修复人体肠黏膜组织具有极强的理化和免疫清除外源性病原菌及有害毒物的精密机制。长期处于内、外源性因素的损伤和刺激之中,肠黏膜屏障具备完善的免疫防御和损伤修复能力。胃肠道的黏膜免疫系统作为机体最大的免疫区室之一,肠上皮细胞处在一个复杂的局部微环境中,已经形成了多种复杂而精细的机制以耐受多种抗原负荷,并发挥其免疫调节功能维持机体自稳状态。2.1保持局部微环境肠黏膜屏障包括肠道正常菌群、肠上皮细胞层、肠道免疫系统等。它作为选择性的渗透屏障,允许营养物质,电解质和水分等物质吸收的同时保持对腔内毒素、抗原以及有害刺激进行有效防御。以肠上皮为主形成的肠黏膜免疫系统,根据生理或病理状态的不同,在局部微环境中发挥相应功能和调节作用。而肠黏膜免疫系统如何区分病原体和肠道固有菌群的机制,已经有了很长时间的推测,随着近期基础科学的许多进展,以及免疫区室化概念的引入人们开始对其有了一些了解。2.2对肠道黏膜的细胞因子和免疫调节作用肠上皮细胞已逐渐被认为通过促进耐受和调节性反应在免疫稳态中发挥关键作用。天然免疫是抵抗外来有害抗原分子的第一道防线,肠上皮细胞可表达若干调节免疫反应的天然免疫分子,表明肠上皮与肠道稳态的维持是相关的。它也可作为非专职抗原提呈细胞对CD4+T细胞和CD8+T细胞起作用,表达一些非传统的共刺激分子,如B7H,B7H1等,直接参与适应性免疫反应的调节。肠黏膜内的各种免疫细胞,如淋巴细胞、巨噬细胞、粒细胞等可通过分泌细胞因子影响肠上皮细胞,而肠上皮细胞也能以自身调节方式产生细胞因子,为肠黏膜下的其他细胞提供活化和化学趋化信号。肠上皮细胞可分泌的多种细胞因子,有胸腺基质淋巴细胞生成素(TSLP),TGF-β,IL-10,维甲酸(HSP),前列腺素E2(PgE2),热休克蛋白(RA)等,这些细胞因子在促进肠道免疫耐受作用是必需的,它们与受体在体内组成庞大而完整的网络,在免疫反应极向的调节以及黏膜损伤后的修复中发挥着重要作用。在炎症状态下,炎症介质的过度释放又可对肠上皮细胞产生毒性作用以及自身抗体的产生引起自身免疫反应,引起损伤的发生以及黏膜渗透性的改变,细菌移位进一步激活炎症反应,导致疾病的发生。2.3肠道免疫区室化调节管理策略最近研究表明,在近端和远端小肠之间存在细胞群和免疫功能的不同。树突状细胞(DCs)在区别对待微生物和潜在有害抗原以及维持免疫耐受和免疫激活的平衡中发挥着重要作用,各亚群DCs分布在不同区域,在信号转导的作用下分泌不同的细胞因子,并受不同趋化因子的趋化,各亚群DCs在不同类型的免疫应答中发挥相应的作用。表达于上皮细胞基底部的多聚IgA受体(pIgR),在调节SIgA的转运中也表现出区室化特点。pIgR在正常小鼠小肠近端的表达比远端多,不同小肠区室细胞因子的表达也有显著的不同。在远端固有层淋巴细胞中TNF-α、INF-γ、TGF-β的表达量更高,而肠上皮这些细胞因子的表达量则是近端更高。因此,上皮细胞产生的细胞因子TNF-α、INF-γ、TGF-β可能以自分泌的方式上调pIgRmRNA的表达,这些结果均证实和延伸了先前的发现并支持了肠道免疫系统区室化调节的特点。当感染和有害刺激发生时,肠上皮细胞可分泌趋化因子以及IL-8,招募DCs和淋巴细胞至靶点以应对肠内致病菌引起的感染。而且共生菌和致病菌,生理和病理状态下,对其的诱导能力也是有区别的。正常肠上皮尽管与高密度的共生菌接触也不发生炎症反应,如革兰阳性的乳酸菌和金黄色葡糖球菌是低反应性,而大肠杆菌菌株则显著激活肠上皮细胞,可能是由不同趋化因子的诱导,不同细菌的直接刺激也可引起DC的差别性成熟,这些结果表明细菌穿过上皮屏障对炎症信号的诱导能力似乎依赖特定表面因子启动和维持肠道炎症,肠上皮细胞在不同炎症微环境中对脂多糖(LPS)的敏感性也不尽相同。3肠道炎症的天然免疫分子检测IBD是自发的免疫性疾病,以黏膜损伤、溃疡形成并反复发作为主要特点。多认为由遗传、肠免疫系统的功能失调和肠黏膜系统对肠内菌群异常免疫反应等因素引起。肠上皮细胞可在多方面促进IBD的发展,但其在发病机制中究竟是始动者,还是受害者还需要进一步的研究证实。IBD发病时,肠上皮细胞凋亡增加,可能机制是炎症肠黏膜层以及固有层免疫细胞产生的细胞因子、炎性介质、活性氧自由基等,对凋亡蛋白表达的激活,抗凋亡蛋白Bcl-2表达的抑制,以及诱导肠上皮细胞表达Fas等机制直接或间接诱导上皮细胞的凋亡增加,改变黏膜的渗透性。此时,肠道抗原向固有层的移位增加又可进一步激活炎症免疫反应,导致疾病的迁延和发展。对正常的和病变肠道样本研究表明:克罗恩病(CD)患者结肠和回肠DCs发生功能性改变并表现出组织分布失衡。炎症情况下,病变黏膜暴露于大量的抗原可能导致DCs的异常激活和继发的分布不平衡。因此,在肠道炎症的病因学中,增加的上皮渗透性和异常的DCs分布之间可能存在一个潜在关系。在炎症性肠病中,众多免疫分子发生改变。如防御素的分泌显著减少,其中,α-防御素的减少与IBD易感基因NOD2/CARD15基因的突变有关。与肠道稳态相关的天然免疫分子TLRs、NLRs的表达也发生改变,而且在溃疡性结肠炎(UC)和CD中,肠上皮细胞差别性调控TLR3、TLR4的表达,在活动性CD中,肠上皮TLR3的表达显著下调,但在UC中却没有。而TLR4在UC和CD中均上调;TLR9受体在肠上皮顶面或基底外侧膜细胞均有表达,TLR9信号以区域特异性的方式而有所不同,NF-κB仅由基底外侧膜的刺激激活,在顶面TLR9的刺激下,IκB磷酸纤维化和泛素化但不降解,也不转导依赖NF-κB的炎症信号。在炎症情况下,受损的肠上皮细胞对天然免疫分子表达的调控能力异常,并可能改变与细菌的作用方式,促使这些疾病的发生。在IBD发病机制相关基因筛查中,已经鉴定的30多个与CD病因学相关的基因有许多是与肠上皮自噬作用相关的,如ATG16L1、IRGM、LRKK2等。而自噬蛋白在肠上