炎癥性腸病病理生理學機制研究進展

仲 婕，陳健海，翟 達，卜 平

揚州大學醫(yī)學院，江蘇 揚州 225001

炎癥性腸病病理生理學機制研究進展

仲 婕，陳健海，翟 達，卜 平

揚州大學醫(yī)學院，江蘇 揚州 225001

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)的表觀遺傳學研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化是發(fā)生在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶上的變化，潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)有16%的遺傳可能性；IBD的免疫學研究發(fā)現(xiàn)本病存在由CD4+Th1、Th2、Th17、Treg淋巴細胞介導的免疫反應；腸道菌群失調(diào)是IBD的繼發(fā)性改變，但其在黏膜免疫反應及炎癥的持續(xù)及放大效應中發(fā)揮重要作用；腸黏膜在抵御腸道菌群的過程中發(fā)揮重要作用，回腸克羅恩病(Crohn’s disease，CD)與防御素表達減少或功能缺陷有關，且腸黏膜緊密連接(tight junction，TJ)的復雜性受損。

炎癥性腸??；表觀遺傳；免疫反應；腸道菌群；防御素；緊密連接

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是遺傳易感宿主對異常的環(huán)境因素作出免疫反應的結(jié)果，包括克羅恩病(Crohn’s disease，CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)，其發(fā)病率呈逐年增長趨勢，并造成重大的醫(yī)療負擔。其中發(fā)病率最高的是成年早期[1]。研究[2]表明，IBD患者患結(jié)腸直腸癌的終身風險比普通人群高2～3倍。因此，研究IBD的病理生理機制，并探尋合適的治療方法意義重大。

長久以來，研究者們一直致力于關于IBD病因和病理生理機制的研究，多因素綜合分析已成為目前研究的傾向。通過強調(diào)干擾免疫反應、腸道屏障功能受損、功能性腸道菌群失調(diào)等因素，全基因組關聯(lián)研究(genome-wide association studies，GWAS)為我們提供了關于IBD病理生理機制的見解，這些認知都極具參考價值[3]。本文就IBD的病理生理學機制作一概述。

1 表觀遺傳

幾十年來，家族聚集性IBD被視為一種普遍現(xiàn)象，雖然GWAS確定了大量的相關基因，但是卻未能揭示一個統(tǒng)一的致病途徑。近十余年，人們開始尋找IBD的遺傳基礎[3]。

表觀遺傳學是研究在基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達的可遺傳的變化的一門遺傳學分支學科。表觀遺傳的現(xiàn)象很多，已知的有DNA甲基化(DNA methylation)、基因組印記(genomic imprinting)、母體效應(maternal effects)、基因沉默(gene silencing)、核仁顯性、休眠轉(zhuǎn)座子激活和RNA編輯(RNA editing)等。其中DNA甲基化是發(fā)生在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶上的表觀遺傳變化，在IBD基因表達調(diào)控中發(fā)揮著重要作用[1]。

各種技術的出現(xiàn)已經(jīng)讓我們詳細地了解到IBD的遺傳學，并揭示了一系列與UC或CD風險增加相關的基因，這些方法包括GWAS和候選基因的研究。但是到目前為止，這些研究仍沒有為我們提供預期的答案。一項Meta分析的GWAS研究[4]雖然確定47個UC的易感位點，但是這些位點只能說明UC有16%的遺傳可能性。此外，其中一些位點對IBD沒有特異性，反而與其他炎癥性疾病有關，如乳糜瀉和原發(fā)性膽汁性肝硬化，表明這些位點只是導致了一個慢性炎癥的易感體質(zhì)，最終的臨床表現(xiàn)由其他因素決定，可能是環(huán)境因素或其他相關因素。一些位點是UC和CD的常見位點，另外一些位點僅僅對CD有特異性，或僅僅對UC有特異性。然而，到目前為止，仍然沒有關于IBD病因的統(tǒng)一假設，也沒有關于IBD完整發(fā)病機制的闡述[3]。

過去五六十年間，隨著全球工業(yè)化的發(fā)展及同卵雙胞胎患IBD和CD的不一致率增高，更多學者認為，相較于遺傳易感性，非遺傳性因素才是IBD發(fā)病機制中更為重要的部分。他們認為，表觀遺傳變化是由環(huán)境引起的分子機制，環(huán)境因素作用于具有IBD遺傳易感性的機體，在使基因編碼不發(fā)生變化的條件下改變基因的表達，從而導致IBD的發(fā)生[5]。

2 免疫反應

IBD的一個顯著特點是存在由CD4+Th1、Th2、Th17、Treg淋巴細胞介導的免疫反應，導致持續(xù)的炎癥、混合免疫細胞群浸潤和功能激活、腸神經(jīng)系統(tǒng)功能的顯著變化。在腸道適應性免疫系統(tǒng)中，相較于Th細胞，Treg細胞更易被誘導分化[6]。

一般認為，腸道炎癥是由于Th1和Th2細胞之間的平衡反應被打破而引起的。CD可能是由Th1(通過分泌IFN-γ和IL-12等)介導的，UC可能是由Th2(通過分泌IL-4等)介導的。然而，在使用能夠阻止IFN-γ的抗體治療后，研究者在CD患者身上僅僅取得了有限的臨床療效，但是同時使用能夠阻止IL-12 p40的抗體治療后，抑制了IL-12和IL-23，在CD活躍期卻取得了相當大的療效。這就存在一定的矛盾，同樣是由Th1分泌的，為什么抑制IL-12取得的臨床療效更明顯呢？最近發(fā)現(xiàn)的Th17細胞就解決了這個矛盾。Th17細胞主要為IL-6及轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)所驅(qū)動誘發(fā)，與健康個體相比，CD患者的固有膜內(nèi)Th1和Th17的含量均有所增多，說明除了Th1外，與Th17有關的IL-23-IL-17軸導致了CD的發(fā)展[7]。

3 腸道菌群失調(diào)

有研究[8]將自發(fā)性UC小鼠的腸道菌群接種到健康小鼠的腸道，結(jié)果健康小鼠也發(fā)生了UC。另外，IBD的發(fā)病部位多為結(jié)腸、直腸、回腸等與細菌接觸最多的部位。由此我們可以推測，腸道菌群的改變有可能作為IBD的病因。由于近年來發(fā)現(xiàn)腸內(nèi)優(yōu)勢菌群中雙歧桿菌、乳酸桿菌在IBD中呈現(xiàn)特征性變化，且這種變化受IBD宿主的某些易感基因調(diào)控，從而給IBD發(fā)病的“腸道失調(diào)”學說賦予了更具體的內(nèi)容。腸內(nèi)優(yōu)勢菌數(shù)量的減少、有害菌數(shù)量的增加、某些正常細菌過度增生及優(yōu)勢菌屬內(nèi)部比例的失衡都會導致腸道菌群失調(diào)。目前，越來越多的研究表明，腸道菌群失調(diào)是參與IBD發(fā)病的重要因素[9]。最近，腸道菌群的圖譜分析將IBD的發(fā)病機制與菌群各組成部分特征的改變相聯(lián)系，進一步支持“腸道微生物和宿主相互作用的改變能形成IBD”這一觀點。研究[10]發(fā)現(xiàn)，IBD患者體內(nèi)腸道菌群的功能改變比構成改變更為嚴重。雖然已有大量研究證實IBD患者腸道微生物構成發(fā)生了改變，但究竟是哪種細菌或微生物菌落促進了IBD的發(fā)生、發(fā)展，IBD是否有一種特異性的致病菌至今仍不清楚[11]。

那么腸道菌群失調(diào)是原發(fā)性改變還是繼發(fā)性改變？至今仍有不少爭論。起初，有學者[12]認為IBD患者腸道菌群失調(diào)是原發(fā)性的，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生腸炎患者腸黏膜中細菌含量增加，電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)來自糞便的細菌大量浸入腸黏膜固有層，且和腸炎病情呈正相關。但是最近有學者[13]運用16S rRNA技術監(jiān)測特異性抗原刺激后的IL-10基因敲除小鼠與野生小鼠發(fā)現(xiàn)，隨著炎癥的發(fā)展，菌群多態(tài)性、主要的共生菌及變形菌門中大腸桿菌的擴增進行性下降，進而提出菌群失調(diào)是繼發(fā)于免疫反應的假說，該研究也同時發(fā)現(xiàn)實驗中一直存在腸道細菌的特異性Th1和Th17反應，表明腸道菌群失調(diào)盡管是繼發(fā)性改變，但其在黏膜免疫反應及炎癥的持續(xù)及放大效應中發(fā)揮重要作用。

4 腸屏障受損

腸道具有屏障功能。腸屏障是由一層上皮細胞、黏液、共生的細菌、免疫細胞及抗體等組成的微妙結(jié)構，它能夠防止腸內(nèi)的有害物質(zhì)如細菌和毒素穿過腸黏膜進入人體其他組織、器官和血液循環(huán)。腸屏障的破壞會導致大量免疫介導性疾病，包括IBD、食物過敏和乳糜瀉[14]。其中，黏液中存在大量可以保護黏膜的抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)，防御素就是其中的一種。現(xiàn)如今，在IBD，特別是小腸CD的發(fā)病機理方面，不同的研究都指向防御素突出的病理生理作用。當腸黏膜在抵御腸道菌群的過程中受損時，IBD就會發(fā)生。在回腸CD中，我們可以發(fā)現(xiàn)防御素表達減少或功能缺失及腸道炎癥的出現(xiàn)[15]。

胃腸道經(jīng)常受到包含在水或食物中的病原體的侵襲，所以腸上皮細胞必須具有能夠在組織損傷中快速再生的能力。腸道黏膜是由不同類型的上皮細胞構成的，這些上皮細胞具有特殊的屏障功能，它們在不影響腸道菌群的情況下控制表面相關菌群的數(shù)量，這對宿主健康是極其重要的。它們還能調(diào)節(jié)黏膜免疫系統(tǒng)，因此，腸上皮細胞動態(tài)平衡的調(diào)節(jié)對于維持黏膜結(jié)構和腸道防御屏障功能極其關鍵。研究[14]表明，多種分子途徑參與腸道上皮細胞極性，其中大部分在胚胎發(fā)生過程中發(fā)揮了重要的作用。這些途徑還用于成年有機體，用于調(diào)節(jié)多個自我更新的器官。理解這些分子之間的相互作用機制及腸黏膜屏障功能，我們將會了解基于腸道的免疫介導性疾病的發(fā)病機理。

腸上皮細胞間的主要連接方式是緊密連接(tight junction，TJ)。TJ是腸道屏障功能的決定因素，它能使機體與腸腔內(nèi)容物保持嚴格的分離，并阻止已吸收的離子和營養(yǎng)回滲及避免腸腔內(nèi)抗原與微生物進入機體。腸上皮TJ的完整性在IBD中至關重要。IBD的臨床癥狀是由腸道炎癥及隨之而來的功能失調(diào)引起的，這種功能失調(diào)包括吸收功能受損及腸屏障功能受損。研究[16]發(fā)現(xiàn)，對患有輕微CD的患者進行乙狀結(jié)腸活檢，發(fā)現(xiàn)TJ的復雜性受損，特征性地表現(xiàn)為TJ索條數(shù)量減少、TJ主要網(wǎng)孔深度下降及更多的索條斷裂。

進一步認識IBD的病理生理機制，有助于實現(xiàn)對高危人群篩查，提前做好預防工作；有助于針對病因?qū)崿F(xiàn)對因治療，并正確判斷藥物療效，盡可能改善IBD的預后，減少復發(fā)。我們可以以病理生理機制為基礎，以動物模型為跳板，研究IBD基因治療、微生態(tài)治療等新領域。不斷探索IBD的病理生理機制及其相互作用，將是一個長遠的工作，具有深遠而重大的意義。這就需要我們研究工作者立足當前，腳踏實地，不斷開拓創(chuàng)新！

[1]Harris RA, Nagy-Szakal D, Mir SA, et al. DNA methylation-associated colonic mucosal immune and defense responses in treatment-naive pediatric ulcerative colitis [J]. Epigenetics, 2014, 9(8): 1131-1137.

[2]Hartnett L, Egan LJ. Inflammation, DNA methylation and collitis-associated cancer [J]. Carcinogenesis, 2012, 33(4): 723-731.

[3]Quigley EM. Epigenetics: filling in the ‘heritability gap’ and identifying gene-environment interactions in ulcerative colitis [J]. Genome Med, 2012, 4(72): 1-3.

[4]Anderson CA, Boucher G, Lees CW, et al. Meta-analysis identifies 29 additional ulcerative colitis risk loci, increasing the number of confirmed associations to 47 [J]. Nat Genet, 2011, 43(3): 246-252.

[5]Kellermayer R. Epigenetics and the developmental origins of inflammatory bowel diseases [J]. Can J Gastroenterol, 2012, 26(12): 909-915.

[6]Prattis S, Jurjus A. Spontaneous and transgenic rodent models of inflammatory bowel disease [J]. Lab Anim Res, 2015, 31(2): 47-68.

[7]Kayama H, Takeda K. Regulation of intestinal homeostasis by innate and adaptive immunity [J]. Int Immunol, 2012, 24(11): 673-680.

[8]Garrett WS, Lord GM, Punit S, et al. Communicable ulcerative colitis induced by T-bet deficiency in the innate immune system [J]. Cell, 2007, 131(1): 33-45.

[9]香鈺婷, 梅林. 炎癥性腸病發(fā)病機制中腸道菌群作用的研究進展[J]. 生理科學進展, 2013, 44(4): 247-252. Xiang YT, Mei L. Research progress in pathogenesis of IBD: the role of gut flora [J]. Progress in Physiological Sciences, 2013, 44(4): 247-252.

[10]何麗娟, 張軍東, 安毛毛, 等. 腸道微生態(tài)與炎癥性腸病[J]. 藥學實踐雜志, 2015, 33(5): 385-388, 422. He LJ, Zhang JD, An MM, et al. Gut microbiota and inflammatory bowel disease [J]. Journal of Pharmaceutical Practice, 2015, 33(5): 385-388, 422.

[11]陳玉霞, 詹學. 腸道菌群與炎癥性腸病[J]. 中華臨床醫(yī)師雜志(電子版), 2014, 8(8): 1561-1566. Chen YX, Zhan X. The gut microbial flora and inflammatory bowel diseases [J]. Chin J Clinicians (Electronic Edition), 2014, 8(8): 1561-1566.

[12]Swidsinski A, Ladhoff A, Pernthaler A, et al. Mucosal flora in inflammatory bowel disease [J]. Gastroenterology, 2002, 122(1): 44-54.

[13]Maharshak N, Packey CD, Ellermann M, et al. Altered enteric microbiota ecology in interleukin 10-deficient mice during development and progression of intestinal inflammation [J]. Gut Microbes, 2013, 4(4): 316-324.

[14]Jeon MK, Klaus C, Kaemmerer E, et al. Intestinal barrier: molecular pathways and modifiers [J]. World J Gastrointest Pathophysiol, 2013, 4(4): 94-99.

[15]J?ger S, Stange EF, Wehkamp J. Inflammatory bowel disease: an impaired barrier disease [J]. Langenbecks Arch Surg, 2013, 398(1): 1-12.

[16]Hering NA, Fromm M, Schulzke JD. Determinants of colonic barrier function in inflammatory bowel disease and potential therapeutics [J]. J Physiol, 2012, 590(5): 1035-1044.

(責任編輯：馬 軍)

Progress of the pathophysiological mechanisms of inflammatory bowel disease

ZHONG Jie, CHEN Jianhai, ZHAI Da, BO Ping

School of Medicine, Yangzhou University, Yangzhou 225001, China

The epigenetics of inflammatory bowel disease (IBD) has found that DNA methylation is an epigenetic change occurring at cytosines in CpG dinucleotides and ulcerative colitis (UC) has 16% of heritability. The immunological research has also found that IBD is characterized by the presence of dysregulated immune responses governed by the activities of CD4+Th1, Th2, Th17 and Treg lymphocytes. The imbalance of intestinal flora is the secondary change of IBD, but it plays an important role in mucosal immune response and persistent inflammation and amplification effect. Intestinal mucosa plays an important role in the process of fighting against intestinal flora. Ileal Crohn’s disease (CD) is associated with reduced expression of defense or functional defects, and the complexity of intestinal mucosa tight junction (TJ) is damaged.

Inflammatory bowel disease; Epigenetics; Immune responses; Intestinal flora; Defensins; Tight junction

國家自然科學基金(81173392)

仲婕，在讀碩士，研究方向：腸病。E-mail: 1401722237@qq.com

卜平，博士，教授，主任醫(yī)師，研究方向：中西醫(yī)結(jié)合治療胃腸病。E-mail: boping@yzu.edn.cn

10.3969/j.issn.1006-5709.2016.07.004

R574.62

A

1006-5709(2016)07-0733-03

2015-12-01