肠黏膜屏障与肠道菌群的相互关系

人类肠道中有超过的微生物定植于肠腔和黏液中，这些微生物绝大部分是细菌。肠道环境非常适宜细菌生长，人类宿主既控制细菌生长，又保持共生细菌的存在，能量摄取在这个稳态的维持中具有重要作用[1]。肠上皮细胞覆盖了一层由杯状细胞产生的黏液凝胶，这些黏液形成保护屏障，作为宿主防御的第一道防线[2]，因此，肠道菌群并不能直接与我们的肠道接触，黏液层的存在发挥了物理隔离的作用[3]。黏液层主要成分是高分子糖蛋白（即黏蛋白），它含有抗菌肽和分泌型免疫球蛋白A（secretedimmunoglobulin，sIgA），可限制到达宿主上皮细胞的细菌数量，黏液的缺陷使肠上皮细菌暴露增加，可能引发炎症反应[4-6]。小肠与结肠的黏液层构成是不同的，小肠黏液可以限制细菌和抗菌肽的扩散，结肠黏液依赖于细菌的组成，黏蛋白的产生和分泌在维持黏膜屏障中具有重要的作用，微生物、微生物产物、毒素和细胞因子可调节黏蛋白的分泌，进而影响黏膜屏障，微生物产生的营养成分和肠道菌群的代谢促进肠道免疫系统的发展和成熟[4-5,7]。

1.1肠黏液层肠道表面含有内外双层黏液层[8]，内黏液层约μm，紧密贴附于肠壁，它富含上皮源性抗菌物质和黏液，外黏液层由黏蛋白和低浓度的抗菌物质组成。黏蛋白是一种具有黏弹性的凝胶，它们发挥着连接肠上皮屏障的作用，黏液层组成取决于其在肠道内的位置，小肠的黏液层是不连续的，而结肠有连续的黏液层[4]。小肠和结肠中以含黏蛋白2（Mucins2）的黏液为主。Mucins2和其他黏蛋白一样，是一种分子量非常大的、复杂的糖蛋白，它由一个蛋白质核心组成，含有丰富的脯氨酸、丝氨酸和苏氨酸分子的串联重复序列结构域。Mucins2通过二硫键介导形成C端二聚化结构域及N端三聚化结构域，构建了一种特殊的分子网络，通过该分子网络形成黏液凝胶[9-10]。黏液层覆盖上皮细胞顶端突起的多糖-蛋白复合物，形成覆盖上皮层的网络结构，是肠道病原体接触的第一个上皮结构[11]。

1.2肠上皮细胞肠上皮细胞共有4类：（1）具有吸收功能的上皮细胞，占肠上皮细胞总数的80%；（2）产生黏液和三叶因子的杯状细胞；（3）分泌胃肠道激素的内分泌细胞；（4）产生抗菌肽及生长因子的潘氏细胞。这4类细胞均起源于隐窝内的多功能干细胞。此外，肠上皮还含有一种M细胞，M细胞以缺乏微绒毛为特征，覆盖于小肠内的派尔集合淋巴结及小肠和大肠中的孤立淋巴滤泡上。在稳态条件下，多种微生物和大分子可以通过M细胞进入，以保证免疫细胞持续摄取抗原[12]。潘氏细胞起源于隐窝内的多功能干细胞，在防止肠道细菌进入黏膜中具有重要作用。研究表明，口服侵袭性致病菌时，潘氏细胞缺陷转基因小鼠（CR2-tox）在肠系膜淋巴结中的活菌数量比野生型小鼠增加[13]。

1.3参与构筑肠道屏障的蛋白肠黏膜表面上皮层的细胞由桥粒、贴壁连接和紧密连接连接在一起，其中紧密连接在防止病原体侵入细胞方面尤为重要[14]。紧密连接是由Occludins、Claudins、Tricellulin和黏附连接分子（junctionaladhesionmolecules）这4个连接蛋白家族的蛋白质相互作用形成。连接蛋白能快速可逆地调控肠道通透性，当肠道受到细菌刺激时可分泌大量连接蛋白，它与其受体结合后肠上皮细胞紧密连接开放，导致肠道通透性增加[15]。

1.4免疫活性物质位于小肠隐窝底部的潘氏细胞可分泌针对肠道病原体的抗菌肽，如隐蛋白相关序列（cryptdin-relatedsequence，CRS）、C型凝集素、溶菌酶等，它们参与构成肠道天然免疫系统，体外实验表明抗菌肽可发挥抗微生物活性，甚至杀灭微生物[16,39-40]。

1.5肠道菌群人类肠道中大约有个细菌，因此肠道成为微生物与宿主免疫系统相互作用的主要场所[17]。人体肠道为肠道菌群提供营养和繁殖环境，而肠道菌群通过减少肠道通透性和增强黏膜上皮防御机制来形成黏膜屏障，促进碳水化合物酵解及合成维生素，与肠道形成共生关系[18]。此外，肠道菌群还可通过竞争营养物质及附着点，分泌抗菌物质帮助宿主对抗病原体[19]。稳定的肠道微生态有助于宿主肠道病原体的清除，防止致病菌引起宿主感染。

2.1肠道菌群及黏液层的相互作用肠道菌群对黏液层的形成具有重要作用。动物实验中，无菌小鼠盲肠分泌黏液的杯状细胞数量明显减少，且黏液层缺乏RegIIIγ等重要免疫分子，因而易受细菌感染，其黏液层较普通小鼠的黏液层更薄、更不稳定，研究表明黏液的产生并不仅仅依赖于微生物群的存在[20-22]。在严重感染的小鼠肠道中发现肠黏膜大量分泌黏液从而限制细菌进入肠上皮表面[23]。肠道菌群的代谢产物也对肠黏液层具有调节作用，它们将不可消化的碳水化合物分解成短链脂肪酸（shortchainfattyacids，SCFAs），在低浓度短链脂肪酸刺激下肠道黏液的分泌和Mucins2的表达显著增加，而较高浓度时则起抑制作用[24-26]。肠黏液层除了可以保护黏膜免受潜在病原体的侵害，还为肠道菌群与宿主共生状态提供环境条件，为肠道菌群提供营养物质及结合位点。通过为共生细菌提供结合位点，避免病原菌与宿主细胞的相互作用，防止病原体进一步进入黏膜[27]。

2.2肠道菌群对肠上皮细胞的影响肠上皮细胞的更新对维持肠道屏障功能具有重要作用。与普通动物相比，无菌动物因缺乏肠道微生物群而出现肠道形态、结构和细胞更新特性受损，其肠道总面积减少，肠道形态结构异常，如回肠绒毛变短、肠隐窝缩小[28-30]。肠道菌群在肠黏膜定植8天后，无菌动物肠上皮细胞的更新才恢复至正常水平，细胞更新率降低可能对上皮细胞的增殖和再生不利[31-32]。肠上皮细胞的更新与肠道菌群及上皮细胞之间的直接或间接信号有关，多项研究表明，肠道菌群可影响肠上皮细胞miRNA的表达，且肠道菌群对肠上皮细胞miRNA的影响还与肠道位置有关，具体相关机制有待进一步研究[33-35]。此外，微生物群产生的SCFAs，如丁酸盐、琥珀酸盐、丙酸盐等，在调节结肠上皮细胞生长和分化中具有重要作用，也是结肠细胞的重要能量来源[35]。

2.3肠道菌群对肠道抗菌肽的影响抗菌肽是由12到个氨基酸构成的分子，可由各种各样的有机体产生，微生物与肠道上皮相互作用促进上皮细胞合成和分泌抗菌肽，肠上皮细胞在持续与微生物或其产物接触后产生抗菌肽，大部分抗菌肽的抗菌活性局限于黏液层，在肠腔内只有极少量的活性[36-37]。肠道菌群可刺激潘氏细胞分泌抗菌肽，如CRS、类抗性分子β、C型凝集素、溶菌酶及分泌型磷脂酶A2亚型等[37-38]。人防御素-2的表达也需要细菌或炎症刺激[39]，由此可见肠道菌群在调节肠道抗菌活性物质中具有重要作用。

2.4肠道群菌对肠道通透性的影响目前认为益生菌对宿主肠道是有益的，应激状态可导致屏障功能障碍，口服含乳杆菌的益生菌可防止应激引起的肠屏障改变[40-41]。将复合益生菌制剂给予葡聚糖硫酸钠结肠炎模型小鼠服用后其肠道屏障功能改善[42]，特定细菌对肠道屏障功能的调节及更多其他细菌对肠道屏障通透性的相关影响机制有待进一步研究。

2.5肠道微生态与肠道免疫肠黏膜免疫系统是脊椎动物最重要的免疫系统之一，它与肠道微生物密切相关，肠黏膜免疫系统的平衡在宿主体内稳态和防御中起着重要作用。对无菌小鼠的研究表明肠道微生物在形成黏膜免疫方面起着至关重要的作用[43]。肠道菌群改变时，可增加黏膜细胞髓系分化因子蛋白88（MyD88）、肿瘤坏死因子α（tumornecrosisfactor，TNF-α）和白细胞介素-6（interleukin，IL-6）等炎症因子的释放[44]。肠道微生物还通过引导肠道免疫系统限制对肠腔内抗原的反应，从而阻止微生物进入上皮细胞，进而阻止病原体的入侵和定植[45]。

3.1炎症性肠病

3.1.1炎症性肠病时肠道菌群改变肠道菌群改变与肠道炎症之间的因果关系是存在争议的。炎症性肠病（inflammatoryboweldisease，IBD）患者的肠道菌群与健康人群存在明显差异[46]。IBD患者中，肠道微生物群不仅存在多样性减少，而且其稳定性也丧失，普遍存在产丁酸的梭菌群IV、XI、Va及共生孢子减少[47-48]。而这些微生物能刺激调节性T细胞，诱导免疫耐受并减少胃肠道炎症[49]。IBD患者肠道菌群中存在粪杆菌减少，而粪杆菌的减少有助于预测克罗恩病回肠切除术后的复发[50]。然而，IBD患者肠道菌群中也存在某些菌的增多，如大肠埃希菌、弯曲菌、沙门菌、志贺菌等，其中肠杆菌科（门）细菌增多最常见[51]。更有研究